天然雌核发育与异精效应

天然雌核发育与异精效应 第一节雌核发育及特点第二节雌核发育的二倍体化第三节雌核发育二倍体的鉴定与应用第四节异精效应 第一节雌核发育及特点 1 1概念雌核发育 gynogenesis 是指卵子在精子的刺激下 依靠自身的细胞核发育成个体的一种有性生殖方式 人工雌核发育 artificialgynogenesis 用遗传失活的精子激活卵子的发育 精子不参与合子核的形成 卵子紧靠雌核发育成胚的现象 与一般两性生殖物种的单倍体卵子不同 雌核发育种类产生的卵子的染色体数目仍与体细胞的染色体数目相同 当精子进入卵子后 仅起激活作用 不发生原核化 不与雌性原核融合 因而是一种无融合的繁殖方式 所产生的后代完全与母本相似 自然界中 营天然雌核发育的动物种类很少 其中最著名的例子是银鲫 1 2雌核发育的特点卵子被近缘两性型种类雄鱼的精子激发后才能发育 但精子只起激发作用 并未发生雌雄原核的融合或配子配合 卵子具有与母本完全相同的染色体组型后代不具父本性状 所有雌核发育后代全为雌性 第二节雌核发育的二倍体化 正常的卵子发育的胚胎是单倍体 孵化时呈现显著的畸形 出现一系列单倍体综合症 头 眼 小 体躯较短 围心腔扩大 水肿 尾椎弯曲 色素减少 血液循环不全等畸形等 因此 要获得具有生存能力的雌核发育个体 就要使卵子的染色体加倍 2 1雌核发育的细胞学原理主要包括卵子发生和成熟卵的受精生物学两部分 卵子发生 涉及雌核发育子代如何保持倍性 即保持染色体数目 成熟卵的受精生物学 要了解同源或异源精子进入雌核发育卵后父本染色体在合子中的命运 正常卵子的形成 鱼类产出的成熟卵子一般处于第二次减数分裂中期 与鱼类不同 海产贝类排出的成熟卵子一般停留在第一次减数分裂的前期和中期 只有在受精或经激活后卵子才能第一次减数分裂和第二次减数分裂 释放第一 第二极体 然后进入有丝分裂 即卵裂 根据卵子染色体加倍的时期不同 雌核发育二倍体划分为3种类型 第一极体抑制型 第二极体抑制型和卵裂抑制型 因此鱼类的雌核发育二倍体只有第二极体抑制型和卵裂抑制型 贝类雌核发育二倍体有3种类型 银鲫 雌核发育受精状态下 卵质中促进精核核膜解体的功能异常 从而不能像正常受精那样融合 也就不能发育为雄性原核 楼允东 1999 草鱼 精核在卵内主要有两种变化 始终保持固缩状态 形成雄性原核 邓岳松 1998 中国对虾 精核有原核化和迁移运动现象 但没有融合 蔡难儿 1995 太平洋牡蛎和皱纹盘鲍 形成雄性原核 但不形成染色体而是形成致密的染色质小体 Li等 2000 2 2天然雌核发育鱼类的染色体组成 天然雌核发育鱼类的染色体组成具有某些共同特点 除了偶尔产生三倍体亚马逊花鳉 克氏美洲银汉鱼 德国和日本的一种银鲫为2倍体 2n 100 以及日本的四倍体关东系银鲫外 一般为三倍体 2 3人工诱发雌核发育 目前 人工诱发雌核发育都要经过两个主要步骤 一是精子染色体的失活 诱发卵子雌核发育 二是卵子染色体体的二倍体化 2 3 1精子染色体的遗传失活 精子染色体的遗传失活是人工诱导雌核发育的关键技术 目前所采用的方法一般包括 X射线 UV射线 化学试剂 杂交诱导 1 辐射处理 1 X射线 原理是诱发染色体断裂 当达到一定剂量时 能够使精核中的DNA完全被破坏 Hertwig效应 具有较好的穿透力 但不安全 经 x射线处理过的精子生存力和受精力都较差 在雌核发育的胚胎中还可能存在大量的精子染色体碎片 2 UV射线 安全 廉价 易得 但穿透力弱 主要作用在DNA形成胸腺嘧啶二聚体 使两链见氢键减弱 使DNA结构局部变形 从而阻碍DNA的正常复制和转录 DNA可能在光复活酶的光复活作用下所修复2 化学药品处理 甲苯胺蓝 Toludineblue 乙烯脲 Ethylenewea 二甲基硫酸盐 Dimethylsulfate 以及丫啶黄 Trypaflavine 和噻嗪 Thiazine 等 处理浓度 处理时间有待进一步研究 Hertwig效应 通常伴随着对精子的放射线照射剂量的增高 失活精子受精后胚胎的成活率降低 当照射超过某一剂量时 成活率反而回升 当照射达到某一剂量时染色体断片完全脱落 胚胎仅靠由卵子来的染色体发育 从而成活率回升 2 3 2卵子染色体的二倍体化 人工诱发二倍体雌核发育的方法与诱发多倍体的方法基本相同 不同的是 前者用的是经辐射处理的失活精子激活卵子 而后者用的是正常精子受精的卵子 诱导原理 鱼类产出的成熟卵子一般处于第二次减数分裂中期 第一极体在卵子产出前已排出 因而只能通过抑制第二极体或第一次卵裂两种方法产生雌核发育二倍体 与鱼类不同 海产贝类排出的成熟卵子一般停留在第一次减数分裂的前期和中期 只有在受精或经激活后卵子才能第一次减数分裂和第二次减数分裂 释放第一 第二极体 然后进入有丝分裂 即卵裂 因此贝类雌核发育二倍体的人工诱导可以通过抑制第一极体 第二极体释放或第一次卵裂3种方法 人工诱发二倍体雌核发育的方法包括物理 温度与静水压 化学和生物 杂交 的三种 1 物理方法 温度休克 静水压 2 化学药物 秋水仙素 CB 6 DMAP等3 远缘杂交4 杂交 种间杂交的某些组合可以产生雌核发育后代 据研究 种间杂交诱发雌核发育的机制是异质精子穿入卵内 精核不参与发育 但是近侧中心粒向卵子提供了精子星体 从而提供了雌核发育所必需的双星光 使个体得以进行 如 鲽和拟庸鲽 川鲽和拟庸鲽 草和鲤马氏珠母贝和大珠母贝及长耳珠母贝栉孔扇贝 虾夷扇贝正反交 迄今已获得人工雌核发育二倍体的鱼类多达30种以上 第三节天然雌核发育二倍体的鉴定与应用 3 1天然雌核发育鱼类的鉴别 方正银鲫 人工繁殖 用正常鲤鱼精子与排出的成熟卵作人工授精 子代不具吻端须 辐射精子人工繁殖 遗传失活鲤鱼精子作人工授精 发育的胚胎不出现单倍体综合症 孵出仔鱼正常 人工授精卵的细胞学观察A 人工授精卵切片光镜观察 精核始终保持密致状态 B 囊胚细胞压片镜检 检测染色体数目 视泡期胚胎脑部形态观察人工雌核发育单倍体胚胎 与失活精子人工授精 脑部呈S形畸形 而天然雌核发育及人工雌核发育二倍体胚胎脑部正常 红细胞大小方正银鲫红细胞及核的长径 短径 面积 体积均大于二倍体野鲫 即二倍体与三倍体的核体积和面积各达到了预定的比例1 1 5和1 1 3肝脏及肝细胞的大小方正银鲫的整个肝脏几乎覆盖整个肠管 重量约重体重的6 7 胞质稀疏 鲫的肝脏分布肠管之间 胞质浓 方正银鲫肝重为鲫的二倍体细胞染色体计数天然雌核发育鲫鱼染色体数目基本为150侧线鳞数目鲫侧线鳞片数小于30 银鲫侧线鳞大于30 3 2雌核发育在水产养殖上的应用 3 2 1雌核发育在水产养殖上的应用1 性别控制 产生单性种群a 控制自然生境中的鱼类繁殖eg 草鱼b 利用鱼类雌雄鱼生长速度不同 例如雌鲤生长比雄鲤高15 25 故可通过单性养殖提高产量 2 快速建立纯系 自交系 纯系建立一般方法 连续近亲交配 至少要经过8 10代全同胞交配 雌核发育 后裔基因组来源于母本 纯属母系遗传 是高度纯合子 任何鱼类只需经过1代人工雌核发育 其子一代就可作为初步纯合亲体用于育种实践 3 2 2天然雌核发育在水产养殖上的应用异育银鲫 allogynogeneticsilvercruciancarp a 异育银鲫的产生b 异精雌核发育理论解释异源精核可能与银鲫之间发生了极为有限的遗传物质交流 即在整体异源精核DNA分子因受卵核进行雌核发育排斥的情况下 也许可能发生DNA杂交 故红鲤精子与雌核发育银鲫乱人工授精发育的子代中 精核影响了子代的某些形状 如生长和体色等c 异精效应的分子遗传学证据d 异育银鲫的推广应用 第四节异精效应 1983年蒋一珪等在进行以方正银鲫为母本 兴国红鲤为父本的属间 杂交 时 发现异源精子不仅能刺激银鲫卵的发育 而且还能影响子代的某些性状 如对子代的生长 体色和同工酶等都产生了影响 他们把这种现象称为 异精生物学效应 在异精雌核发育淇鲫胚胎发育过程中同工酶分析实验 实验结果表明 同源精子与异源精子激发的雌核发育淇鲫胚胎发育过程中有3种同工酶表达存在着明显的差异 LDH 乳酸脱氢酶 的差异表现在异源精子激发的胚胎在原肠中期到肌肉收缩期比同源精子多出2条带 LDH9和LDH10 MDH 苹果酸脱氢酶 的差异性有两点 同源精子激发的胚胎中 MDH6表达至心搏期后消失 但异源精子激发的胚胎中 MDH6持续表达至孵出期 从心搏期到孵出期 异源精子激发的胚胎比同源精子激发的胚胎多出2条带MDH4和MDH5 POD 过氧化物酶 同工酶差异表现在异源精子激发的胚胎比同源精子激发的胚胎多出POD1和POD2两条酶带这些差异说明同源精子与异源精子