台湾东风螺sshloenaly,mely,haly,oflueny精子发生超微结构研究

台湾东风螺sshloenaly,mely,haly,oflueny精子发生超微结构研究

精子发生是一个重要的胚胎研究之一。精子的细微结构特征是一些生态相似种形态分类的基础(Pophametal.,1974;AfzeliusandFerraguti,1978),此外,海洋动物精子的细微结构变化和鞭毛运动性的变异可以作为监测海洋环境污染的指标(Daniels,1971)。国内尚无关于腹足类精子发生的超微结构研究,而在国外已有许多报道(Maxwell,1983;West,1978;Azevedo,1981;Healy,1986;Jaramilloetal.,1986),但东风螺属的种类未见有人作过研究。台湾东风螺(Babyloniaformosae)是我国东南沿海主要经济腹足类之一,研究其精子发生和精子形态的超微结构特点,不仅可深化对该种生殖生物学的认识,也可为该种增养殖的开展提供一些理论基础。精巢的电镜研究研究材料取自福建省诏安县宫口沿海的台湾东风螺(Bobyloniaformosae),1987年1月至7月取壳长50—60mm的雄性精巢作样品进行电镜研究。材料经2.5%的戊二醛固定2hr(用膜滤海水配制),洗涤后再用1%锇酸后固定1hr。2%醋酸双氧铀块染,系列酒精脱水,环氧树脂618包埋。包埋块用LKB-11型超薄切片机切片,以饱和醋酸铀和柠檬酸铅双重染色,JEM-100CX11透射电镜观察及拍照。结果一、超微结构变化1.原始细胞spermatagonium紧靠精细管基膜,细胞核较大,核内部分染色质在核周缘聚成一薄层环带,许多染色质凝集成团块状,线粒体少,高尔基体不发达(图版Ⅰ:1)。2.细胞内部染色质比精原细胞体积明显增大,细胞呈近椭圆形,大小为11.7×7.2μm(图版Ⅰ:2)。核大小约8.0×5.0μm,偏向细胞一极,核内染色质多数呈小团块状散布于其中。细胞质中的细胞器极性分布,在细胞长轴一侧有大量线粒体、高尔基体和内质网,它们共同组成“高尔基区”,其中高尔基体距核较近,呈扁平囊状,周围有几个由其分泌的含有颗粒物质的大囊泡。线粒体多分布于高尔基体附近和椭圆形核的长轴两侧,数量较多,体积也比精原细胞期增大,嵴发达。3.凝聚型染色质所占比例初级精母细胞经第一次成熟分裂,成为次级精母细胞,其外形呈椭圆状,大小约9.0×6.0μm,核大小约7.0×4.6μm。偏向核的一端,核内约一半为高度凝集的染色质所占据,其余一半为分散的凝絮状。“高尔基区”仍位于细胞的一端(图版Ⅰ:3)。4.轴类染色质的发育时期次级精母细胞经第二次成熟分裂而成为精细胞。精细胞在分化为成熟精子过程中历经一系列形态变化,可以分为6个时期:精细胞Ⅰ期(图版Ⅰ:4)细胞椭圆形,大小约7.8×5.0μm,核大小约6.0×2.5μm,核膜外层扩张成明显的核周腔,核内染色质呈絮状密集。“高尔基区”消失。线粒体呈椭圆或卵圆形,分散于细胞质中,嵴发达。高尔基囊泡融合形成顶体囊,内含凝絮状物质,其位置已从一端转移到细胞中部。精细胞Ⅱ期(图版Ⅰ:5)细胞呈卵圆形,大小约6.2×4.8μm。核周腔大大缩小,许多布于核内染色质凝集成团块状,另在核内周缘有一凝集的薄层染色质环带。线粒体融合、增大,嵴发达,有的扩展成大的腔。顶体囊仍位于细胞中部,囊内前顶体颗粒显著。精细胞Ⅲ期(图版Ⅰ:6)核内周缘凝集的染色质环带增厚,达0.25μm,核中部染色质为稀疏的絮状,核仁明显,偏向细胞长轴的线粒体一侧,大小约0.60×0.45μm,核仁周围染色质较其它部位稀少。核周腔已不明显。细胞质中的线粒体集中偏向细胞长轴的一极并进一步融合,成为数量少、体积甚大的线粒体集合体,嵴甚发达。顶体囊卵圆形,电子密度增大,并已从细胞长轴的中部移至与线粒体相对的另一极,故本期又是线粒体和顶体囊极化期。精细胞Ⅳ期(图版Ⅰ:7)细胞核变为扁平状,染色质纵切面观呈细线密布,与细胞长轴平行。其上方是顶体囊,近圆形,囊内电子密度较高。线粒体、中心粒位于核的下方。线粒体融合成更大的2个集合体。早期,两个中心粒一前一后均埋于线粒体中,方向相互垂直;后期,核下方中央处凹陷形成核内沟,近端中心粒移至核内沟和线粒体之间的部位。精细胞Ⅴ期精细胞和核的形状沿着顶体囊—核—中心粒一线粒体轴伸长,核内沟不断向核内延展,远端中心粒也拉长伸入沟内,标志着尾鞭形成的开始。顶体囊由近圆形变为椭圆形,其长轴方向与细胞长轴相同,在顶体囊近细胞核中央部分有一电子密度比周围大的小圆圈,基部靠近核的一部分电子密度较大,系顶体棒的雏形。顶体囊近处的细胞核表面略凹陷。线粒体左右两个排列在核下方精细胞主轴两侧,仅隔一细缝,线粒体的这种结构为轴丝的延长打下基础(图版Ⅰ:8)。精细胞进一步分化,核继续拉长,染色质更加凝集,成为片状染色质(lamellarchromatin)(图版Ⅰ:9,10),顶体囊演变为前顶体,由前顶体帽、前顶体棒和前亚顶体空间三部分组成,前顶体帽呈倒“V”字形,四周及中部电子密度较高,外周缘呈锯齿状突起,前顶体棒近三角形,靠近前顶体棒基部的细胞核表面进一步凹陷。精细胞Ⅵ期(图版Ⅱ:1)核内片状染色质向高电子密度匀质状态转变,但其间尚夹杂一些电子密度很低的空隙。前顶体帽变为倒“U”字形,外周缘的锯齿状结构消失。前顶体棒逐步向前亚顶体空间纵深处延伸。线粒体、轴丝不断伸长,线粒体基质内含许多颗粒物质。精细胞进一步分化,脱弃多余的细胞质而演变为成熟的精子。上述精细胞分化6个时期的分期界线可概括如下,从Ⅰ期到Ⅱ期,核周腔由发达变为退化,染色质由均匀絮状凝集成许多团块,线粒体数量减少、体积增大;从Ⅱ期到Ⅲ期,核周缘染色质环带增厚,核仁明显,顶体囊和线粒体极化;从Ⅲ期到Ⅳ期,染色质转变为细线状,核仁消失,核内沟开始出现;从Ⅳ期到Ⅴ期,核由扁平变为长形,核内沟加深,染色质片状,顶体囊演变为前顶体;从Ⅴ期到Ⅵ期,片状染色质转变为夹杂有空隙的高电子密度的匀质状态,细胞变得更细长,前顶体帽由倒“Ⅴ”字形变为倒“U”字形;从Ⅵ期到成熟精子,前顶体演变为成形的顶体复合体,核内染色质完全均一化,多余的细胞质被脱弃而成为细丝状的成熟精子。二、全长面长为133.8m在光镜下,台湾东风螺的精子呈发丝状,全长约131.8μm(图版Ⅱ:2)。透射电镜研究结果表明,台湾东风螺的精子由头部和尾鞭两大部分组成。1.顶体空间的组成(1)顶体复合体(acrosomalcomplex)长度有变异,约在0.93—1.38μm之间,基部宽约0.34μm,顶端宽约0.24μm(图版Ⅱ:4)。它由顶体帽、顶体棒和亚顶体空间三部分组成。顶体帽呈倒“U”字形,覆盖于核顶端,帽顶钝圆,形似斗笠状。亚顶体空间中有少量絮状物质分布。高电子密度的顶体棒(acrosomalrod)贯穿于整个亚顶体空间的中央部,基部与核几近相连,棒长约0.74μm,宽约0.045μm。(2)核(nucleus)核与顶体复合体的衔接处,有一电子密度甚低的间隙。核呈细长圆筒状,长宽约8.5×0.54μm,整个核的电子密度甚高且均匀(图版Ⅱ:3)。核的后方基部有一核内沟,沟的长度约0.6μm。在横切面上可见核内沟显然有起源于中心粒的轴丝通出(图版Ⅱ:9),这根轴丝具“9+2”的结构。2.主段和短段piece,l(1)中段(middlepiece)在核与中段的连接处有中等电子密度的物质填充,中段的显著特点是围绕着轴丝有一环层线粒体鞘,其外部又被一层精子质膜包围着,环层鞘的线粒体嵴明显可见(图版Ⅱ:5,7,9,10)。(2)主段(principalpiece)主段紧接中段之后(图版Ⅱ:6),这是尾鞭最长的一段,并且逐渐变细,直径由0.62μm减至0.39μm。颗粒状物质包绕着轴丝(图版Ⅱ:6,7),在横切面上,这种颗粒物质有9组,呈玫瑰花状辐射排列,并一一与轴丝的9组微管相对应(图版Ⅱ:9,10),根据Jaramillo等(1986)运用细胞化学研究一种骨螺(Chorusgiganteus)精子的超微结构,认为此物质为糖元颗粒,本文中所见可能与之相同。(3)末段(endpiece)末段甚短,起始点在主段直径突然变小之处,末段的结构较简单,轴丝仅外被质膜(图版Ⅱ:8,9)。精细胞分化特征Franzen(1955)在研究15种腹足类精子后,将其归纳为两大类:①Ⅰ型精子,或称原始型精子,属于那些体外受精的种类,这些精子头部锥形,中段短,包含4—5个线粒体;②Ⅱ型精子,或称进化型精子,出现于体内受精的种类,这种精子头部呈线状,中段加长,线粒体包绕中心粒排列。显然,台湾东风螺精子属于Ⅱ型精子。在已研究过的贝类中,营体外受精的双壳类和原始腹足类的尾鞭轴丝一般不包被线粒体鞘(Maxwell,1983;Azevedo,1981),而新腹足目、后鳃类和肺螺类营体内受精的种类都有此结构(Healy,1986;Atkinson,1982;Maxwell,1983)。根据LongoandAnderson(1970)的假设,在主段围绕轴丝的糖元颗粒代表了能源底物的丰盛度,这种底物是被中段的线粒体鞭利用来合成的,此即精子维持和发挥其功能的直接能源。可见台湾东风螺及其种类的Ⅱ型精子所具有的发达的中段和主段,为精子在雌性生殖管腔运动及完成受精作用或在雌纳精囊中较长时间贮存提供了结构和能源保证。可以认为,精子的结构与其功能、授精环境及软体动物的系统发育有密切关系。一般来说,在精细胞分化过程中,染色质逐渐凝集,亦即染色质表面积不断缩小,而染色质浓缩有种属的差异。Walker(1970)把各种动物精细胞核染色质浓缩后的形态分为三类:颗粒状、纤维状和片状。台湾东风螺精细胞染色质浓缩后形态为典型的片状(lamellarchromatin)这与Chorusgiganteus和Nucellalapillus相似,但后两者的片状染色质呈同心圆排列(Jaramilloetal.,1986;Walker,1968),而台湾东风螺排列较不规则。精细胞染色质浓缩后形态对分类学有一定价值;尚待进一步系统研究。关于精细胞分化过程的分期问题,不同的学者根据所观察的结果有各自的分期法。Azevedo(1981)把帽贝(Patellalusitanica)精细胞分为早、中、后三期,其主要根据是顶体的演变特点。Jaramillo等(1986)则把骨螺(Chorusgiganteus)的精细胞分为5期,他们把精细胞分化过程中顶体的演化、核及染色质的变化、线粒体的变化以及轴丝的伸展等特点综合起来考虑。本文的分期主要依照Jaramillo等(1986)的分期根据,根据观察结果进行分期,结果发现台湾东风螺精细胞分化特点与骨螺(Chorusgiganteus)比较,除了精细胞Ⅰ期外有较大差异,前者精细胞Ⅱ期在后者没有发现。前者的Ⅲ期相当于后者的Ⅱ期,共同特征是顶体颗粒明显,具核内周缘染色质环带及明显的核仁,但后者此时尾鞭已相当长,前者却不明显。以后各期本文主要根据顶体的演化配合其它细胞器的变化进行分期,但在Jaramillo等(1986)的研究中,可能由于实验材料的关系,没有揭示出顶体的演变特点,而是根据尾鞭的延伸、染色质的浓缩情况进行分期,因此造成两种分期法的较大的差异。可见,海产腹足类精细胞分化的不同分期,反映了不同种类间的差异性,也可能是实验材料数量和分期依据不同所造成的,有待于对更多的种类和更深入的研究才能定论。spermatidphase5.7.精细胞期1.精原细胞(Spermatogobium)×58002.初级精母细胞(Primaryspermatocyte)×58003.次级精母细胞(Secondspermatocyte)×58004.精细胞Ⅰ期(Spermatid,phase1)×36005.精细胞Ⅱ期(Spermatid,phase2)×72006.精细胞Ⅲ期(Spermatidphase3)×100007.精细胞Ⅳ期(Sperma.tidphase4)×72008.精细胞Ⅴ期(Spermatidphase5)×100009.精细胞Ⅴ期示前顶体形成和核延长(Spermatidphase5showingproacrosomeandlong-drawnnucleus)×1400010.精细胞Ⅴ期横切面,示片状染色质和核内沟(Crosssectionofspermatidphase5showinglamellarchromatinandendonuclearchannel)×29000N.核(Nucleus);BM.基膜(Basementmembrane);M.线粒体(Mitochondria);G.高尔基体(GoIgiapparatus);GV.高尔基囊泡(Golgivesicle);Nu.核仁(Nucleolus);C.中心粒(centriole);Ch.染色质(Chromatin);EC.核内沟(Endonuclearchannel);PG.前顶体颗粒(Proacrosomalgranule);PC.前顶体帽(Proacrosomalcap);PR.前顶体棒(Proacrosomalrod)顶体囊(acrosomalvesicle);PA.前顶体(Proacrosome)精子的中段和主段1.精细胞Ⅵ期(Spermatid,phase6)×72002.光镜下精子形态(Lightmicrographofthesperm)×2803.精子的头部(Headofthesperm)×58004.精子顶体复合体的形态(Morphologyoftheacroso.malcomplexofthesperm)×290005.精子的核与中段的连接(Jointbetweenthenucleusandmiddlepieceo