Morphological changes in gill mitochondria-rich cells in Japanese eel, Anguilla japonica acclimated to a wide range of environmental salinity

Abstract

담수에 살고 있는 뱀장어(Anguilla japonica)를 염분농도가 다른 환경수인 탈이온수, 담수, 30%해수, 해수에 이동해서 순치시킨 뒤, 아가미에서 미토콘드리아가 많은 염류세포의 염분농도에 따른 형태학적 변화를 조사하였다. 각 실험군의 뱀장어 혈장삼투압과 혈장 Na^(+), Cl^(-) 농도를 측정한 결과, 각각 생리학적 범위를 유지하였다. 이는 뱀장어가 각각의 염분농도 환경에 적응능력이 있음을 나타낸다. 각 시험군에서 아가미 Na^(+)/K^(+)-ATPase의 활성도를 측정한 결과, 탈이온수, 담수, 30%해수에 순치시킨 뱀장어의 아가미에 비해 해수시험군의 활성도가 높게 나타났다. 이것은 저장성인 탈이온수와 담수에서 이온을 홉수하는 것보다 고장성인 해수에서 이온을 배출하는 데 더 많은 에너지가 요구된다는 것을 시사한다. 아가미 염류세포의 형태 변화를 관찰하기 위해서 염류세포를 표지하는 Na^(+)/K^(+)-ATPase 항체를 이용하여 아가미 절편을 면역염색한 결과, 해수시험군의 1차 새판의 염류세포가 다른 시험군에 비해 가장 발달된 것을 관찰할 수 있었다. 그리고 1차새판의 염류세포 수는 환경수의 염분농도가 올라갈수록 증가하는 추세를 보였다. 그러나, 2차새판의 염류세포 수는 탈이온수에서 가장 많은 것으로 나타났다. 이 결과는 1차새판에서의 염류세포가 체내에 과잉상태인 Na^(+), Cl^(-) 이온을 배출하고, 반면에 2차새판에서는 체내에 부족한 이온들을 흡수하는 역할을 수행한다는 것을 시사한다. 또한, 각 시험구 뱀장어의 아가미 염류세포의 개구부를 주사전자현미경을 이용하여 관찰한 결과, 아가미의 표면은 지문구조를 가진 pavement 세포로 덮여있으며 이 pavement 세포 사이에 염류세포의 개구부가 관찰되었다. 2차새판 염류세포의 개구부는 apical membrane에 mesh-like 구조를 가진 편평하거나 약간 돌출된 disk모양이었으며, 전자가 염류세포에서 이온흡수기능을 촉진하는 것으로 간주된다. 이에 반해, 1차새판에서 관찰되는 오목한 염류세포의 apical membrane은 이온분비기능을 하는 것으로 추정된다. 뿐만 아니라, Na^(+)/K^(+)-ATPase 와 cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) 항체로 아가미를 whole-mount 세포면역염색법으로 조사한 결과, 해수와 30%해수에 순치시킨 뱀장어의 아가미에서는 염류세포의 apical region에 CFTR 면역반응이 나타났으나, 탈이온수와 담수군에서는 CFTR의 면역반응이 관찰되지 않았다. 이러한 결과는 30%해수 이상에서는 염류세포가 이온을 분비하며, 염류세포 뿐만 아니라 1차새판과 2차새판 상피세포의 pavement 세포에 Na^(+)/K^(+)-ATPase 면역반응이 뚜렷이 관찰되어 pavement 세포가 아가미에서 부가적으로 이온을 얻는 부분으로 생각된다.

Morphological alterations in gill mitochondria-rich (MR) cells were examined in Japanese eel, Anguilla japonica acclimated to a wide range of environmental salinities: deionized freshwater (DFW), freshwater (FW), 30%-diluted seawater (DSW) and seawater (SW). Plasma osmolality and Na^(+) and Cl- concentrations stayed within physiological ranges in the four experimental groups, indicating their successful acclimation to those environments. The gill Na^(+)/K^(+)-ATPase activity was higher in SW-acclimated eel than in those to DFW, FW and DSW, suggesting that more energy is required for ion secretion in hypertonic environments (SW) than for ion absorption in hypotonic environments (DFW and FW). Immunocytochemical observations revealed that MR cells in the gill filaments were most developed in SW, whereas fewer filament MR cells were observed in DFW. The quantitative analysis showed that filament MR cells were increased with increasing environmental salinity. On the other hand, MR cells in the lamellae were preferentially observed in DFW. These findings suggest that filament and lamellar MR cells are responsible for ion secretion and absorption, respectively. According to scanning electron microscopic observations, the apical membrane of lamellar MR cells appeared as a flat or slightly projecting disk with a mesh-like structure on its surface. Such a structure that enlarges the apical surface area was considered to facilitate ion-absorbing functions of MR cells. In contrast, the apical membrane of filament MR cells showed a slightly concave surface, which is characteristic of SW-type ion-secreting cells. Whole-mount immunocytochemistry revealed that most Na^(+)/K^(+)-ATPase-immunoreactive MR cells showed cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) immunoreaction in their apical region in fish acclimated to DSW and SW, but not in those acclimated to DFW and FW. These findings support the notion that MR cells developed in DSW and SW function as an ion-secreting site. In addition to MR cells, distinct Na^(+)/K^(+)-ATPase immunoreaction was observed in the outermost layer of gill filament and lamellar epithelia, presumably in pavement cells, suggesting that pavements were an additional site of ion uptake in the gills.