曼氏無針烏梅精細(xì)結(jié)構(gòu)的演變

曼氏無針烏梅精細(xì)結(jié)構(gòu)的演變

動(dòng)物精子的出現(xiàn)是寄生蟲學(xué)的一項(xiàng)重要研究?jī)?nèi)容之一。在動(dòng)物精子的發(fā)生過程中,精子形成(又稱變態(tài))更是一個(gè)很重要的環(huán)節(jié),經(jīng)過兩次成熟分裂形成的精子細(xì)胞必須經(jīng)過一系列的變態(tài)發(fā)育才能形成成熟的精子,進(jìn)行受精。因此,精子的形成不僅在生殖生物學(xué)中占有重要的位置,同時(shí)也與遺傳育種密切相關(guān)(任素蓮等,2001)。國內(nèi)對(duì)軟體動(dòng)物精子及其發(fā)生的超微結(jié)構(gòu)研究主要集中在雙殼類及腹足類(任素蓮等,2001;劉正琮等,1990;饒小珍等,2002;沈亦平等,1993),而對(duì)頭足類的研究國外較多(Franzen,1967;Healy,1989;Enricetal,2002;Pepitaetal,2002),國內(nèi)只對(duì)嘉庚蛸精子及精子發(fā)生的超微結(jié)構(gòu)作過研究(竺俊全等,2006;ZHUetal,2005)。曼氏無針烏賊(Sepiellamaindroni)隸頭足綱、烏賊目、烏賊科、無針烏賊屬,在我國沿海分布很廣,尤以浙江東海北部分布最多,是一種經(jīng)濟(jì)價(jià)值很高的傳統(tǒng)漁業(yè)種類,曾是我國漁場(chǎng)的“四大海產(chǎn)”之一。20世紀(jì)70年代末以來,由于過度捕撈和生態(tài)惡化,目前自然資源幾近枯竭,曼氏無針烏賊的保護(hù)和開發(fā)顯得尤為迫切。作者在本文中采用透射電鏡技術(shù)(TEM)對(duì)曼氏無針烏賊精子的形成進(jìn)行研究,旨在探討曼氏無針烏賊精子形成規(guī)律、豐富其繁殖生物學(xué)資料,為曼氏無針烏賊的全人工育苗和增養(yǎng)殖提供理論依據(jù)和參考資料。1材料和方法1.1曼氏無針麻黃plam2007年3—6月,從浙江大海洋科技有限公司秀山養(yǎng)殖基地采得曼氏無針烏賊(Sepiellamaindroni)雄性成熟個(gè)體,活體帶回實(shí)驗(yàn)室,測(cè)得其胴長(zhǎng)94.4—114.2cm,體重94.3—104.4g,精巢重2.45—3.42g。1.2半干重質(zhì)酸緩沖液的透射電鏡觀察活體解剖,迅速取出精巢,切成小塊,迅速用0.1mol/L、pH7.2磷酸緩沖液配制的戊二醛和1%鋨酸雙重固定,酒精系列脫水,Spurr氏低粘度包埋劑滲透并包埋,Reichert超薄切片機(jī)切片,醋酸鈾和檸檬酸鉛雙重染色,JEM-1230透射電鏡觀察并拍照。2精細(xì)胞的形成精細(xì)胞由次級(jí)精母細(xì)胞經(jīng)減數(shù)分裂產(chǎn)生,體積比次級(jí)精母細(xì)胞小。精細(xì)胞經(jīng)一系列變態(tài)分化形成精子。以頂體的演變、核形和染色質(zhì)的形態(tài)變化、線粒體和中心粒等細(xì)胞器的演化及鞭毛的形成等為依據(jù),將精子形成過程分為前、中、后三個(gè)時(shí)期。2.1頂體囊及核后窩次級(jí)精母細(xì)胞(圖1a)經(jīng)減數(shù)分裂產(chǎn)生精細(xì)胞,初形成的精細(xì)胞胞體橢圓形或不規(guī)則形,細(xì)胞核近圓形,核內(nèi)染色質(zhì)小團(tuán)塊狀,胞質(zhì)豐富,中心粒、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和線粒體分散在細(xì)胞質(zhì)中(圖1b),漸漸的染色質(zhì)由小團(tuán)塊狀趨向顆粒狀均勻分布,高爾基囊泡積累電子致密物質(zhì),逐漸靠近核膜形成頂體囊(圖1c—d)。初形成的頂體囊近圓形,內(nèi)部充滿不定形小顆粒。頂體囊與核鄰接處,核稍內(nèi)陷(圖1e—f)。頂體囊附近的細(xì)胞質(zhì)中,內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體仍存在(圖1e)。環(huán)繞核膜外周的微管出現(xiàn),各微管幾乎等距排列,但兩側(cè)分布密度不等(圖1g—h)。核后端側(cè)面出現(xiàn)內(nèi)陷,形成核后窩(posteriornuclearfossa),中心粒位于其中,核膜清晰,此時(shí)的中心粒與核縱軸方向垂直(圖1i),漸漸地中心粒與核縱軸方向一致。此期末,由中心粒發(fā)出的“9+2”結(jié)構(gòu)的軸絲形成,線粒體靠近核后端(圖1j)。2.2頂體的電子密度與亞頂體腔的關(guān)系核開始拉長(zhǎng),染色質(zhì)出現(xiàn)細(xì)纖維化,呈縱橫網(wǎng)狀排列,頂體囊逐漸由圓形拉長(zhǎng)至三角形(圖1k),此時(shí)前頂體形成。一組縱向微管形成微管護(hù)套包圍拉長(zhǎng)的前頂體,前頂體進(jìn)一步拉長(zhǎng)成不等邊四邊形,外圍電子密度較高,而中心區(qū)域電子密度較低,頂上頂體膜消失,微管清晰(圖1l)。核進(jìn)一步拉長(zhǎng),網(wǎng)狀排列的染色質(zhì)開始與縱軸平行,核周微管更加清晰,前頂體出現(xiàn)頂上光亮區(qū)域,同時(shí)基部凹陷,形成亞頂體腔,此時(shí),頂體囊內(nèi)部形成電子密度較高的板狀物,板狀物與核縱軸呈一定角度傾斜(圖2a)。此期末,線粒體完全移到核的后端,形成初期的線粒體spur(圖2b)。2.3頂體及核型的均質(zhì)狀態(tài)染色質(zhì)凝集成粗纖維狀,線粒體被包在線粒體spur中,核周微管延伸至線粒體spur(圖2c)。線粒體仍保持單個(gè),未融合,內(nèi)嵴雙層膜結(jié)構(gòu)清晰可見(圖2d—f)。尾部“9+2”軸絲外已出現(xiàn)9束縱行粗纖維,粗纖維上規(guī)律地分布著粗顆粒(圖2f)。核延長(zhǎng)成稍彎的長(zhǎng)柱狀紡錘形,橫切面呈圓形或橢圓形(圖2g—h),核內(nèi)染色質(zhì)凝集成高電子密度的均質(zhì)狀態(tài),核周微管清晰(圖2i)。頂體囊內(nèi)的板狀物及頂上光亮區(qū)域消失,內(nèi)含物呈均勻的顆粒狀,形成∩形的頂體扣在細(xì)胞核上(圖2j)。亞頂體腔內(nèi)的物質(zhì)與頂體內(nèi)的物質(zhì)結(jié)構(gòu)相似,但電子密度較低。此期末,多余的細(xì)胞質(zhì)被丟棄,僅留裙邊狀質(zhì)膜包在細(xì)胞外。線粒體spur延長(zhǎng)成長(zhǎng)袋狀,圍繞在鞭毛軸絲外,形成精子尾部中段(圖2k)。精子形成以后,核周微管消失(圖2l)。前期特點(diǎn)：細(xì)胞核圓形或橢圓形,未明顯拉長(zhǎng),染色質(zhì)由團(tuán)塊狀至均勻顆粒狀,頂體囊、核后窩形成,細(xì)胞極性確定,核周微管出現(xiàn),“9+2”結(jié)構(gòu)的軸絲形成。中期特點(diǎn)：核明顯拉長(zhǎng),呈長(zhǎng)橢圓形,染色質(zhì)出現(xiàn)細(xì)纖維化,由初期的網(wǎng)狀排列到最終與核縱軸平行。頂體囊拉長(zhǎng),出現(xiàn)頂上的光亮區(qū)域及內(nèi)部的板狀物,大部分線粒體已移至核的后端,形成初期的線粒體spur。后期特點(diǎn)：核進(jìn)一步拉長(zhǎng)至長(zhǎng)柱狀紡錘形,染色質(zhì)由粗纖維化至均勻化,頂體囊頂上光亮區(qū)域及內(nèi)部板狀物消失,內(nèi)含物顆粒狀均勻化,頂體呈∩形扣在精核上,殘余的細(xì)胞質(zhì)被丟棄,線粒體被包在線粒體spur中,圍繞尾部中段的軸絲。鞭毛形成“9+9+2”結(jié)構(gòu)。3討論3.1頂體sque軟體動(dòng)物精子頂體的形成過程大同小異,大多是由高爾基體分泌的囊泡逐漸融合為前頂體囊,并遷移至核的頂端,前頂體囊進(jìn)一步發(fā)育為前頂體,最終演變成頂體。曼氏無針烏賊精子頂體的形成也經(jīng)歷了同樣的過程。但不同動(dòng)物精子頂體的具體演變及最終的形態(tài)結(jié)構(gòu)有很大差異：曼氏無針烏賊精子的頂體經(jīng)歷了圓形的前頂體囊至拉長(zhǎng)的前頂體,前頂體由三角形變?yōu)椴坏冗吽倪呅?頂上的頂體膜消失,形成一個(gè)獨(dú)立的頂上光亮區(qū)域,同時(shí)頂體囊內(nèi)出現(xiàn)致密的板狀物,但隨著前頂體的進(jìn)一步拉長(zhǎng),頂體囊上的光亮區(qū)域及內(nèi)部板狀物消失,內(nèi)含物呈顆粒狀或纖維網(wǎng)狀,最終演變?yōu)椤尚文覡铐旙w,與烏賊目花枝科(Sepiidae)動(dòng)物Eusepiaofficinal、槍烏賊目亞速爾群島烏賊(Loligoforbesi)和歐洲習(xí)見烏賊(Alloteuthissubulata)的圓屋頂形頂體(Maxwell,1975)相類似。耳烏賊目的Rossiamacrosoma(Howetal,1992)精子形成過程中,前頂體由圓形變?yōu)椴坏冗吽倪呅?繼而出現(xiàn)頂上光亮區(qū)域,同時(shí)頂體囊內(nèi)出現(xiàn)致密的板狀物,直至形成成熟精子,頂上光亮區(qū)域及頂體囊內(nèi)的板狀物仍保留,頂體細(xì)長(zhǎng)狹窄;旋殼烏賊Spirula(Healy,1990a)的頂體演變沒有經(jīng)歷多邊形變化,而是隨著頂體的進(jìn)一步拉長(zhǎng),出現(xiàn)頂上光亮區(qū)域及頂體囊內(nèi)的板狀或桿狀物,一直保留至成熟精子階段;八腕目的E.cirrhosa和O.vulgaris頂體演變更為復(fù)雜(Enricetal,2002),由圓形的頂體囊基部中央向前形成圓錐狀的頂體錐,頂體錐繼續(xù)發(fā)育為長(zhǎng)錐狀,其上具間隔等距的橫紋,E.cirrhosa的頂體錐更進(jìn)一步演變成具螺旋形嵴突的鉆頭形頂體。Healy(1990a)認(rèn)為,具有頂上光亮區(qū)域及內(nèi)部板狀物的狹長(zhǎng)頂體,其結(jié)構(gòu)及演變過程比圓屋頂形的頂體更復(fù)雜,是后者進(jìn)一步拉長(zhǎng)進(jìn)化的結(jié)果。Enric等(2002)也認(rèn)為,Eledone的具螺旋形嵴突的鉆頭形頂體是Octopus長(zhǎng)錐狀頂體的進(jìn)化?？梢?精子頂體的具體演變及形態(tài)變化不僅具有種屬特異性,更是頭足類生殖進(jìn)化的重要特征。3.2亞頂體腔的形成方式及其來源頂體與核之間的結(jié)構(gòu)為亞頂體腔,不同種類軟體動(dòng)物的亞頂體腔的形成方式有差異：在曼氏無針烏賊精子形成中期,頂體囊被拉長(zhǎng)為三角形的前頂體,前頂體基部?jī)?nèi)陷,形成亞頂體腔,與旋殼烏賊Spirula(Healy,1990a)和槍烏賊Loligo(Maxwell,1975)的亞頂體腔形成方式相似,而耳烏賊目的Rossiamacrosoma(Howetal,1992)的亞頂體腔的形成是前頂體基部表面與核頂端分離,幽靈蛸目的Vampyroteuthis(Healy,1990b)精子形成過程中,首先是核膜內(nèi)凹,在核與頂體之間逐漸出現(xiàn)亞頂體腔,而在八腕目的Octopus和Eledone(Enricetal,2002)的精子形成中則沒有明顯的亞頂體腔的出現(xiàn)。因此,作者認(rèn)為,亞頂體腔的有無及形成方式具有種屬差異性。關(guān)于亞頂體物質(zhì)的來源,Frank等(1967)認(rèn)為是高爾基體頂部的分泌顆粒發(fā)育形成后移到核與頂體之間形成的,但在曼氏無針烏賊精子形成中,未見到高爾基體合成亞頂體物的現(xiàn)象。而對(duì)于亞頂體物質(zhì)的性質(zhì),據(jù)Tilney(1976)研究認(rèn)為可能是一些沒有聚合的球狀肌動(dòng)蛋白,在受精過程中,起協(xié)精入卵的作用。至于曼氏無針烏賊精子亞頂體腔內(nèi)的物質(zhì)如何形成？是否與頂體腔內(nèi)的顆粒物質(zhì)有關(guān)聯(lián)？在頂體反應(yīng)中起什么作用？均有待進(jìn)一步研究。3.3曼氏無針麻黃的核的形態(tài)和形態(tài)曼氏無針烏賊精細(xì)胞分化過程中,核的體積和形態(tài)都發(fā)生了較大的變化,經(jīng)歷了核內(nèi)染色質(zhì)逐漸濃縮、核體積逐漸縮小的過程。Walker(1970)認(rèn)為,動(dòng)物精子染色質(zhì)濃縮的基本模式可分為3類：顆粒狀、纖維狀和片狀。在曼氏無針烏賊精子發(fā)生過程中,核內(nèi)染色質(zhì)經(jīng)歷了團(tuán)塊狀或顆粒狀、細(xì)纖維狀、粗纖維狀至均質(zhì)過程,與R.macrosoma(Howetal,1992)的核濃縮模式相同,而在Eusepia、Loligo、Alloteuthis(Maxwell,1975)和Spirula(Healy,1990a)的核內(nèi)染色質(zhì)凝集過程中只有細(xì)纖維化過程;八腕目的Octopus和Eledone(Enricetal,2002)的核內(nèi)染色質(zhì)凝集經(jīng)歷顆粒狀、纖維狀和片層狀,但總體來說,在頭足類內(nèi),核濃縮的基本模式是非常相近的,即在核濃縮的同時(shí)核被拉長(zhǎng)(Howetal,1992),只有較為原始的鸚鵡螺(Nautiloidea),其核的拉長(zhǎng)先于核濃縮(Arnoldetal,1978)。表明染色質(zhì)的濃縮既有種屬差異也有一定的演變規(guī)律。在精細(xì)胞分化過程中,伴隨著染色質(zhì)的聚集濃縮,曼氏無針烏賊精細(xì)胞核的形態(tài)也發(fā)生相應(yīng)的變化,核由圓形或橢圓形變?yōu)殚L(zhǎng)橢圓形,再逐漸延長(zhǎng),最后變成稍彎的長(zhǎng)柱狀紡錘形。這與Eusepia、Loligo、Alloteuthis(Maxwell,1975)和R.macrosoma(Howetal,1992)精細(xì)胞核的變化基本類似,核出現(xiàn)了一定程度的彎曲,但旋殼烏賊(Spirula)和耳烏賊目的Heteroteutnis的核是直的,呈圓柱形(Healy,1990a);八腕目O.tankahkeei的核為直的細(xì)長(zhǎng)柱狀(ZHUetal,2003);O.vulgaris和E.cirrhosa的核(Pepitaetal,2002)在由圓形到長(zhǎng)圓柱形過程中,圍繞精核的微管呈螺旋形盤繞,但最終精核出現(xiàn)了不同：在O.vulgaris中微管移離了精核融入了核周的細(xì)胞質(zhì)中,精核未出現(xiàn)進(jìn)一步拉長(zhǎng),呈長(zhǎng)柱狀,而在E.cirrhosa中,微管經(jīng)歷了進(jìn)一步濃縮,最終形成了螺旋形的核,也完成了核的拉長(zhǎng),整個(gè)精子頭部成了鉆頭狀結(jié)構(gòu),隨后微管消失。因此,Pepita等(2002)認(rèn)為,E.cirrhosa核的形成比O.vulgaris更為復(fù)雜,主要是微管經(jīng)歷了進(jìn)一步的濃縮。曼氏無針烏賊精核出現(xiàn)的彎曲現(xiàn)象,同樣也是微管作用的結(jié)果。如前所述,在曼氏無針烏賊精核拉長(zhǎng)時(shí),微管出現(xiàn),但微管的分布是不均勻的,隨著微管的濃縮,核被拉長(zhǎng),但也同時(shí)出現(xiàn)了輕微的彎曲,微管分布密集的一面形成精子的平直面(腹面),而微管相對(duì)稀少的一面形成精子的凸面(背面),這種現(xiàn)象在Sepiaofficinalis中也被觀察到。因此,作者認(rèn)為,彎曲的精核是受不均勻分布的微管作用,核側(cè)面濃縮的結(jié)果。根據(jù)以上分析可以得出,頭足類不同類群精細(xì)胞核形態(tài)變化的差異可能與其系統(tǒng)發(fā)育有密切關(guān)系,同時(shí)也與變態(tài)后精子的運(yùn)動(dòng)及受精方式有關(guān)。Arnold等(1978)在研究了鸚鵡螺的精子形成后也認(rèn)為,精子變態(tài)后的運(yùn)動(dòng)和受精方式是決定精子超微結(jié)構(gòu)進(jìn)化的動(dòng)力。3.4頭足類精子形成后的土地尺寸roteuthis,1978線粒體是精子能量的供應(yīng)中心。曼氏無針烏賊精子形成過程中,線粒體數(shù)目、形態(tài)、體積、出現(xiàn)位置等發(fā)生了一定的變化,經(jīng)歷了數(shù)量由少到多、體積由小到大、由分散于細(xì)胞質(zhì)中到集中于核后端,最終形成長(zhǎng)柱狀的線粒體spur(由無數(shù)個(gè)體積增大、內(nèi)嵴明顯、未相互融合的線粒體組成)的過程。線粒體的演變說明了能量的積累過程和細(xì)胞各階段生命活動(dòng)的需要(顏素芬等,2006),也為變態(tài)后精子的運(yùn)動(dòng)蓄積能量(竺俊全等,2006)。不同類群頭足類精子形成后線粒體的數(shù)目、形態(tài)及排列方式明顯不同,原始鸚鵡螺(Nautiluspompilius)的線粒體融合成兩個(gè)拉長(zhǎng)的大的線粒體,圍繞核后端的中心粒復(fù)合體,形成精子中段(Arnoldetal,1978);烏賊目的Eusepia,槍形目的Loligo、Alloteuthis和耳烏賊目的Rassia都擁有一個(gè)長(zhǎng)柱狀的線粒體spur,圍繞“9+9+2”結(jié)構(gòu)的鞭毛,形成精子尾部中段;與之相比較,耳烏賊目的Heteroteutnis和旋殼烏賊Spiru