鱼类色素细胞及体色调控

前言：色素细胞，有时称为色素体，是两栖动物、鱼类、爬行动物、甲壳动物、头足纲动物中的一种含有生物色素的细胞。色素细胞是由胚胎中的神经嵴发展而来，对于产生皮肤色彩和眼睛色彩扮演重要角色。色素细胞依据白光下所呈现的颜色，可以分为黄色素细胞、红色素细胞、彩虹色素细胞、白色素细胞、黑色素细胞与蓝色素细胞。有些物种的色素细胞，能够透过色素位置的改变，以及反光结构方向的重新定位，达到快速改变色彩的目的。不同物种有不同的改变色彩方法，例如属于头足类的章鱼，是利用肌肉来控制结构复杂的色素细胞器官；而属于脊椎动物的变色龙，则利用细胞信号达到变色的目的。与变温动物不同，恒温动物中的鸟类和哺乳类只拥有一种类似色素细胞的黑素细胞，而变温动物身上与其作用相当的“载黑素细胞”，被科学家作为研究人类疾病以及开发药物的一种工具。在生物化学上，生物色素能够分成生物色与构形色。生物色包括真色素，如类胡萝卜素和蝶酸，这些色素能吸收部分波长范围的可见光。而构形色并没有携带色素，却能够对细胞的色彩产生显著的影响，它们经由光线的扰乱和干涉等现象，能够产生彩虹般的色彩，甚至出现金色与银色。

刘晓东 陈再忠(上海水产大学生命科学与技术学院，上海 200090)摘要 介绍了近年来国内外有关鱼类体色方面的研究成果，阐述了色素细胞的种类与形态、鱼类体色变 化的内在生理机制以及外部影响因素(包括类胡萝 卜素、维生素、光照等)，并从基因水平揭示了鱼类体色 的形成机制。关键词 鱼类 色素细胞 体色调控研究色素细胞对研究动物的生理 、生化 、生 态 、行为 、遗传等方面都具有重要意义。鱼类的繁殖周期短 ，具有十分丰富多变的体色 ，即使是同种鱼也常有很多不同体色的变异种 ，因而是研究色素细胞最好的材料之一 。国外对于色素细胞的研究较多 ，主要包括色素细胞的结构 。色素细胞的神经 、激素调节及鱼体斑纹的形成机制等 ，而国内的研究报道相对较少 。本文介绍 了近年来有关鱼类色素细胞和体色调控研究的主要成果，希望能为观赏鱼的遗传改良、营养调控 、理化刺激等的研究和应用提供有益的信息。作者简介:刘晓东(1981 -) ,男,硕士研究生,研究方向:水产动物繁殖生物学和观赏鱼养殖,通讯作者:陈再忠(1972-),男,博土,副教授,从事水产动物繁殖生物学和观赏鱼养殖方面的研究。基金项目:上海市重点学科建设项目(YHLIO)。

1 色素细胞的形态结构及其呈色机理硬骨鱼类的色素 细胞起源于神经嵴细胞 J， 可分为黑色素细胞 、红色素细胞 、黄色素细胞和虹彩细胞 。不同种类的色素细胞 ，其形态结构 、色素 色和呈色物质等有所不同(见表 1)。

1．1 黑色素细胞黑色素细胞是动物体 内存在最广泛也是 目前 研究得最多 的一种色素细胞。黑色素细胞有很多 分支 ，胞体较大 ，一般在 100～300／μm，内含黑色 素颗粒。黑色素颗粒呈球形 ，直径 0．3～0．7 μm。 据 Otilia(2006)报道 ，匙 吻鲟的表皮层和真皮层均有黑色素细胞分布。表皮层黑色素细胞的形状不规则 ，细胞能够在表皮细胞间流动。而真皮层黑色素细胞的形状相对规则 ，具有一个细胞核 ， 呈圆形 、椭圆形或锯齿状 ，在疏松结缔组织 中的血管附近分布较多。大量黑色素颗粒分布在细胞之 中，呈圆形或卵圆形 ，有个别的黑色素颗粒膜下有间隙并充满微小颗粒 。

黑色素能够在体内合成 ，可分为三类 ：(1)真黑素(Eumelanins)，主要是呈黑色和褐色的含氮色素 ，由酪氨酸、二羟苯丙氨 酸(多 巴)、多 巴胺 等氧 化聚合 而成 ；(2)棕黑素 (Phaeomelanins)，常呈棕色 、红色甚 至黄色 ，是 由 酪氨酸经上述 同样路径合成而来 ，其 中有半胱氨 酸等 的参与 ；(3)异黑 素 (Allomelanins)，呈黑色 ，主要存在于植物体内,这种异黑素是在多酚氧化酶( Polyphenol oxidase)的存在下通过多酚的氧化聚合而形成的。1.2 红色素细胞和黄色素细胞红色素细胞和黄色素细胞均呈树突状,直径在50 ~100 um。Takeuchi 等( 1972)曾报道了金鱼黄色素细胞的结构:金鱼黄色素细胞有一个卵圆形的细胞核,有颗粒状的核糖体﹑棒状的线粒体,高尔基体、内质网等。细胞质内还有许多喋啶颗粒和类胡萝卜素小泡。黄色素细胞与红色素细胞的呈色物均为类胡萝卜素和喋啶,它们能够滤过特定波长的光而使鱼体发色。喋啶可在鱼体内合成,而类胡萝卜素不能在鱼体内合成,必须从食物中摄取。不同鱼的红色素细胞和黄色素细胞中所含的类胡萝卜素种类会有所不同。据王安利等( 2005)报道,红色锦鲤、乌鲤和绯写鲤在薄层色谱上可分离出6种类胡萝卜素组分,黄写鲤有3种类胡萝卜素组分,而昭和三色锦鲤有4种类胡萝卜素组分。目前,在饲料中添加类胡萝卜素是养殖鱼类体色调控最常用的手段。虾青素、万寿菊提取物(叶黄素)角黄素是目前应用较多的类胡萝卜素。虾青素可使虹鳟、剑尾鱼、孔雀鱼等取得良好的增色效果,使鱼体呈红色。叶黄素可使胡子鲶、江黄颡等达到理想的黄色效果,使体色明显变黄。另外,螺旋藻﹑红辣椒提取物等类胡萝卜素含量较高的添加剂也能使鱼体取得良好的着色效果。1.3 虹彩细胞虹彩细胞呈色物质主要是与水结合成晶体形式的鸟嘌呤,单独存在的鸟嘌呤不能成色。虹彩细胞内的反射层能反射一定波长的光而使鱼体形成颜色。反射层由折射率不同的小板有序排列而成。红绿灯鱼( Paracheirodon innesi)的虹彩细胞内高折射率的反射小板是鸟嘌呤体,而低折射率的小板是细胞质。在小长臀虾虎鱼( Pomatoschis-tus minutus)角膜的虹彩细胞中,反射层由细胞间形成的矩阵和细胞质构成,但对其折射率的大小尚不清楚。入射光中特定波长的光在不同折射率的反射小板边界被反射,形成人眼可以看到的颜色。反射光的颜色取决于反射小板的厚度、折射率及入射光的入射角度。Otilia等( 2006)报道了匙吻鲟虹彩细胞的亚显微结构。匙吻鲟腹部真皮层的虹彩细胞形状不规则,细胞中央有一个长椭圆形的细胞核,细胞质中有许多六边形的反射小板,长轴长1~2.1 um,还含有线粒体﹑高尔基体、核糖体等细胞器。

2 鱼类的体色变化鱼类的体色经常会随生长发育及环境的改变发生变化,鱼体色的变化包括形态学体色变化和生理学体色变化。体色变化的形态学主要涉及表皮层的色素细胞,包括色素细胞和色素颗粒量的变化及色素细胞在表皮层中的迁移。这种变化过程相当缓慢，常需数月或更长时间,其变化的结果通常也是永久性的。近年来,国内鲆鲽鱼类养殖越来越多,其白化现象也越来越受到人们的关注。许多学者通过研究变态前后黑色素细胞的发育和迁移确定白化发生的时阈解释白化发生的机理。朱杰等(2002)研究了大菱鲆早期变态发育过程中体表黑色素细胞的形成过程川。马学坤等(2006)研究了半滑舌鳎早期发育过程中体表黑色素细胞的形态变化及迁移情况[4]。体色变化的生理学主要涉及真皮层的色素细胞,主要是色素颗粒的聚集或扩散以及受神经调节和激素调节的机理。目前在神经调节方面研究较多的是肾上腺素和乙酰胆碱对色素细胞的作用。肾上腺素能够引起色素颗粒的聚集,而乙酰胆碱的作用正好相反。据Per Andreas等(2005)报道,雌性两点鳗虎鱼(Gobiusculus flavescens)婚姻色的产生是在去甲肾上腺素的作用下,腹部皮肤色素细胞色素颗粒聚集使腹部皮肤褪色,而使性腺的色彩透过皮肤表现出来[(5)。激素调节主要涉及黑色素聚集激素(melanin concentratinghormone，MCH)和黑素细胞刺激素( melanophore- stimulating hormone，MSH),它们由垂体分泌，前者引起黑色素聚集,后者则引起黑色素扩散。Noriko 等( 2001)研究了不同剂量的 MCH对鲍鱼、尼罗罗非鱼及青鲋色素细胞的影响,结果显示,低剂量的MCH( <1 um)会引起鲍鱼和尼罗罗非鱼的色素颗粒聚集,且当MCH存在时色素颗粒会一直保持聚集状态。而当MCH浓度较高( 11 um , 10 um)时也能引起色素聚集,但即使MCH持续存在,这种聚集状态仍无法保持,一些色素颗粒很快扩散。色素颗粒在细胞内的定向聚集或扩散与细胞内微管有关。Mary等(1983)报道了多耙真鱺(Holocentrus ascensionis)红色素细胞内微管和肌动蛋白与色素颗粒运动的关系。在细胞内微管缺失的情况下,色素颗粒只能进行无方向性的运动，而色素颗粒的运动与肌动蛋白无关。色素颗粒的聚集或扩散与细胞内的Ca°和cAMP有关。Kimberly等(1994)研究了Ca?*和cAMP对多耙真鲲色素颗粒的影响,结果显示,向红色素细胞中注射Ca?*可引起红色素颗粒的聚集,而对黑色素细胞没有影响。但仅降低细胞内Ca*的浓度不会引起色素颗粒扩散,只有提高cAMP的浓度同时降低Ca*的浓度才会引起色素颗粒的扩散。另外,Thomas等(1985)报道,金鱼黄色素细胞内色素颗粒的扩散与色素颗粒蛋白(pigment organ-elle protein,P57)的磷酸化有关,而色素颗粒的聚集与P57的去磷酸化有关。

3 对鱼类体色的影响因素3.1类胡萝卜素对体色的影响

在饲料中添加类胡萝卜素是目前养殖鱼类体色调控最常用的方法。类胡萝卜素是鱼体红色素细胞或黄色素细胞的呈色物质之一,各种类胡萝卜素以类胡萝卜素小泡的形式存在其中,使色素细胞呈现黄色至红色。红色素细胞和黄色素细胞在许多鱼类的表皮层和真皮层中大量存在,而在鱼类肌肉和性腺中并没有发现这两种色素细胞的存在,但肌肉和性腺也有沉积类胡萝卜素的能力，可能是类胡萝卜素直接沉积在脂肪中。3.1.1类胡萝卜素着色的影响因素

3.1.1.1鱼的种类和生理状态不同种类的鱼对类胡萝卜素的沉积能力不同。

如在饲料中虾青素的添加量在200mg/kg时,饲喂4周后可使剑尾鱼皮肤中类胡萝卜素的含量达到2666.67mgkg,而在孔雀鱼尾鳍中的含量仅984.13mgk"。不同生长阶段的鱼类对类胡萝卜素的沉积能力也有所不同。鲑鳟鱼类,一般个体较大的沉积能力较强,如北极红点鲑1龄鱼的肌肉中,类胡萝卜素的含量低于2龄和3龄鱼,3龄鱼肌肉中的含量最高。用添加磷虾油的饲料饲喂体重80g和180g的银大麻哈鱼,一个月后前者肌肉很少着色,而后者明显着色。但也有些鱼类,个体较小的对类胡萝卜素的沉积能力较强,如用添加叶黄素150mg/kg的饲料，饲喂体重52g和3.2g的胡子鲶,6周后，皮肤中叶黄素的含量分别为7.02 mg/kg和12.51mg/kg]。3.1.1.2类胡萝卜素的来源和种类不同来源和不同种类的类胡萝卜素对鱼体的增色效果不同。如虹鳟肌肉对人工合成的虾青素的沉积量显著高于红辣椒提取物和万寿菊提取物。用从雨生红球藻中提取的虾青素和人工合成的虾青素(添加量均为32mg/kg)分别饲喂虹鳟,6周后,后者肌肉中虾青素的含量及血清中虾青素的水平显著高于前者,说明人工合成的虾青素对虹鳟的增色效果好于天然原料。而金丽素、虾青素螺旋藻和玉米蛋白粉对血鹦鹉的增色效果依次为玉米蛋白粉>虾青素>金丽素>螺旋藻;对金鱼的增色效果则依次为螺旋藻>虾青素>玉米蛋白粉>金丽素。另外,类胡萝卜素的分子结构中含有许多共轭双键,因此会产生许多异构体。研究表明,E型虾青素对虹鳟的增色效果好于E型与Z型异构体的混合物(分别为64%和36%)。类胡萝卜素的添加量和投喂时间也会影响增色效果。如用虾青素添加量为50、100和200mg/kg的饲料饲喂剑尾鱼,4周后皮肤中类胡萝卜素的含量与对照组无显著差异,而当添加量为150mg/kg时着色效果显著。用虾青素添加量为400mg/kg的饲料饲喂玫瑰无须鲃,第6周起,其背鳍的类胡萝卜素含量显著升高,第8周又显著高于第6周"。类胡萝卜素的添加量加大或随饲喂时间的延长,其转运或沉积会达到饱和。如用添加48mg/kg角黄素和27mg/kg虾青素的饲料饲喂虹鳟鱼,前期肌肉的着色程度随饲喂时间的增加而增强,但第38d后沉积率开始下降,原因是血浆中转运类胡萝卜素的脂蛋白已经达到饱和,而肌肉中类胡萝卜素饱和的量为4~5mgkgo3.1.1.3饲料中的其它营养成分类胡萝卜素的着色效果受饲料中脂肪的添加量和来源的影响。到底是脂肪促进类胡萝卜素的吸收,还是脂肪促进胆盐的分泌而提高增色效果,目前尚无定论。用脂肪含量为27%和32%,虾青素的添加量为40、70或100mg/kg的饲料饲喂虹鳟,肌肉中类胡萝卜素的沉积量会随脂肪添加量的增加而增加。用以橄榄油和鱼油作为脂肪来源的饲料分别饲喂虹鳟(虾青素的添加量为32mg/kg),前者血清中虾青素的水平显著高于后者,但肌肉中虾青素的含量没有显著差异。鱼类有将一些类胡萝卜素转化为维生素A的能力,因此饲料中维生素A不足会影响类胡萝卜素在皮肤、肌肉等部位的沉积。维生素E的含量也会影响类胡萝卜素的沉积。虾青素的添加量为50、100或200mg/kg时,剑尾鱼皮肤中类胡萝卜素的沉积量会随维生素E添加量的增加而增加。另外,类胡萝卜素共轭双键对光和热敏感,容易被氧化,因此饲料中添加抗氧化剂如BHT等能够起到保护作用,减少类胡萝卜素的损失。3.1.2鱼体不同部位对类胡萝卜素的沉积能力类胡萝卜素在鱼体内主要沉积在皮肤、肝脏、性腺、肌肉等部位。不同部位对类胡萝卜素的沉积能力有差异,通常皮肤对类胡萝卜素的沉积能力大于肌肉,而在许多鱼类,不同部位的皮肤对类胡萝卜素的沉积能力也有差异。如用虾青素添加量为43.7~49.7mg/kg,而脂肪含量分别为8.2%，17.7%或26.7%的饲料饲喂虹鳟鱼25周后,鱼尾部类胡萝卜素的含量均显著高于背部和腹部22],说明虹鳟鱼尾部对虾青素的沉积能力高于背部和腹部。用分别添加雨生红球藻、从雨生红球藻中提取的虾青素及人工合成的虾青素(添加量均为40mg/kg)饲喂真鲷(Pagrus major),9周后,三组鱼都是鱼体前部的皮肤中类胡萝卜素的含量高于鳃盖和背鳍基部,而肌肉几乎没有着色,说明真鲷鱼体前部皮肤对虾青素的沉积能力最强,而肌肉几乎不能沉积虾青素。有些鱼类在生殖季节性腺的色素沉积量会增加,如两点煆虎鱼(Gobiusculus flavescens)婚姻色的产生就是由去甲肾上腺素对皮肤色素细胞的调控和色素在性腺沉积的共同作用产生的。

3.2 光照对鱼类体色的影响鱼类的体色受到光照周期和强度等的影响。如金鱼鱼苗在自然光照下生长最快,体色变化最明显,而在完全黑暗的条件下生长最慢,体色变化不明显,在日照5~10h条件下,生长和体色变化介于两者之间。水族箱的背景色是真鲷体色的重要影响因素:在浅色背景下真鲷的体色可达到近似野生的体色;浅色背景下,蓝色光会使体色更理想,而光照强度对体色无影响。光照对鱼体色的影响与MCH有关,MCH由丘脑下部分泌,会引起黑色素细胞内色素颗粒的聚集,使黑色素细胞颜色褪去。如在白色水族箱中养殖的条斑星鲽(Verasper moseri),其脑和血浆中MSH的含量均高于在黑色水族箱中饲养的个体,鱼体着色的范围也远小于黑色水族箱中的个体。另外,光照还会引起虹彩细胞的颜色改变。红绿灯鱼(Paracheirodon innesi)的虹彩细胞在黑暗环境下60min后,反射光颜色呈紫色或蓝色，而在明亮条件下,由于细胞质反射层厚度增加,使反射光呈绿色。上述研究结果显示,光照会影响不同色素细胞的颜色表现。许多鱼类同时具有多种色素细胞,因此光照的改变常常会使体色发生复杂的变化。

3.3其它影响因素鱼体的健康状况会影响体色,许多疾病如七彩神仙鱼的肠炎病、指环虫病等都会引起体色异常。食物也会影响体色,如摄食枝角类的黑龙睛金鱼,体长2cm时体色便开始变黑,3cm时已有50%体色变黑;而摄食配合饲料的鱼体长达3cm以上时体色才开始转变。外界的压力、刺激会影响MSH的分泌,从而影响体色。另外,遗传因素也是影响体色的重要因素。根据养殖经验,同一批七彩神仙鱼在完全相同的养殖条件下,其体色变红的时间及体色的鲜艳程度也会有一定的差异。有时还会出现体色变异个体如雪玉七彩神仙鱼、阿莲卡七彩神仙鱼的白化个体等。

4 鱼类体色的形成机制色素细胞不仅是研究细胞分化、迁移、物质运输等的良好材料,而且研究色素细胞的发生、迁移等对于研究和治疗人类白癜风、黑色素瘤等与黑色素细胞有关的疾病有重要意义。模式动物斑马鱼由于其体色变异种很多,且许多变种的基因组测序已完成,因此斑马鱼的体色形成机制成为近年来的研究热点。脊椎动物的神经嵴细胞由背神经管扩散到身体各部位,再特化为色素细胞、交感神经细胞等。而斑马鱼的神经嵴细胞特化为色素细胞发生在细胞迁移之前,形成幼体色素细胞。在受精后第2~4周,幼体色素细胞逐渐被成体色素细胞取代，色素细胞的数量增加,并在体侧连接成条纹。背鳍和尾鳍的条纹也在这一时期形成,但与体侧的条纹有着不同的遗传机制。但目前,对于色素细胞如何随鱼体的生长保持动态平衡尚不十分清楚,可能是干细胞不断分化成新的色素细胞,从而使条纹随着鱼体的生长而增长,并不断替代凋亡的细胞。有关哺乳动物和人类成色基因的研究报道很多,这为鱼类的研究提供了许多有用的资料。目前已知的与斑马鱼体色形成有关的基因包括Wnt 、Sox10、Mift、Kit和S1f、Ednrb和Et3、Fms和Csf1,其主要功能见表2,这为我们开展相关研究提供了重要的资料。

总结鱼类在自然环境条件下都有其各自特定的体色。体色不仅是鱼类分类的重要特征之一,也是其健康状态的衡量标准,同时体色正常与否也直接影响商品鱼的价格。鱼类的体色特征由遗传因素决定,是真皮层下面的各种色素细胞互相配合、互相作用的反映。鱼类色素细胞主要包括黑色素细胞、黄色素细胞、红色素细胞和虹彩细胞。体色变化主要受神经和内分泌调控。鱼类的年龄和性别、食物组成以及生存环境的变化会引起鱼类体色的变化。在人工养殖条件下,往往由于养殖环境剧烈变化、或使用缺乏有效天然色素源的饲料等因素,导致养殖鱼类体色异常,使其失去所特有的天然颜色和光泽。