中国石龙子精子形成的超微结构观察

中国石龙子精子形成的超微结构观察

精子发生和形成是一个复杂的生理过程。这一过程的研究是繁殖生物学和发育生物学的重要组成部分。特别是对于爬行动物,因处于特殊的进化地位,在从水生过渡到陆生以至于更高水平的脊椎动物的过程中,其精子在形成过程中所出现的不同结构及其微妙变化,无疑会包含系统发生信息,这些信息可为确定动物的分类地位、演化和亲缘关系提供相关依据。对爬行动物精子发生和形成过程已有了较多的研究,几乎涉及爬行类的各大类群[6,7,8,9,10,11,12,13],但内容相对分散,特别是对科水平的研究,缺乏系统性,尚需作进一步的研究积累。石龙子科(Scincidae)蜥蜴共有1000余种,广泛分布于热带和温带地区。到目前为止,只报道了该科两个种的精子形成过程。中国石龙子(Eumeceschinensis)隶属石龙子科(Scincidae)、石龙子属(Eumeces),主要分布在中国南部(包括台湾、海南)和越南,是华东和华南许多地区蜥蜴区系的重要组成成分,对其精子形成过程的研究未见有相关的报道。本文对中国石龙子精子形成过程进行超微结构观察,旨在探讨中国石龙子精子形成的规律,为爬行动物有鳞类精子形成和系统发生的研究提供新的资料。1极低水势,进行切片分离和渗透,制备实生动物,并将其作为重塑家庭的动物样品,其得到高温水分、磷酸缓冲液、酸双固液和酸缓冲液体系中的催化剂.研究用中国石龙子采自浙江丽水三岩寺,系雄性成体(体长≥100mm)。分别于2003年3月中旬、3月底及4月中旬,每次2条～3条,断头处死动物后,迅速剖取精巢,切成1mm3左右的小块,分别用0.1mol/L、磷酸缓冲液(pH=7.4)配制的2.5%戊二醛(体积比)和1%锇酸双固定,酒精系列脱水,618环氧树脂渗透并包埋,瑞典LKB2088超薄切片机切片,醋酸铀和柠檬酸铅双重染色,日立H-600透射电镜观察并拍照。2结果2.1糖体、滑面内质网及核旁甲基复合材料proacroomalvesiphe精子形成始于早期精细胞,这种细胞有圆形或多角形的核,位于细胞中央,核含细的颗粒状染色质,胞质中有高尔基复合体、游离的核糖体、滑面内质网及大量的线粒体。核旁高尔基复合体较为规则。随着分化的进行,其成熟面分泌大量的小囊泡,这些小囊泡逐渐融合形成一个大而电子透明的、无顶体颗粒的前顶体囊泡(proacrosomalvesicle)(图版Ⅰ-1)。前顶体囊泡向核移动,并逐渐增大(图版Ⅰ-2)。中国石龙子精子形成的接下来过程,可根据Butler对蜥蜴类精子形成的过程划分成四个时期。2.2凹陷内部的染色当前顶体囊泡移至核膜时,接触部位的核膜迅速向内凹陷,与此同时,前顶体囊泡内的颗粒物质开始相互融合形成一顶体颗粒(acrosomalgranule),前顶体囊泡也就成为顶体囊泡(acrosomalvesicle),位于核稍有凹陷一侧的胞质中(图版Ⅰ-3、图版Ⅰ-4)。一薄层含颗粒的胞质将顶体囊泡与核膜分开,在这间隙里,顶体下颗粒(subacrosomalgranule)将顶体颗粒和核膜连接起来,在连接处,核膜形成一个轻微的凹陷,颗粒物质变得轻微的电子致密(图版Ⅰ-5)。与顶体囊泡相连的那部分核膜比其它地方更紧密和电子致密。随着顶体囊泡逐渐增大,核继续向内凹陷,直至深入到核直径的约三分之一处停止,凹陷部分呈半圆形(图版Ⅰ-4)。在此期,染色质仍呈颗粒状,弥散在细胞核内。在精细胞分化的早期,近端中心粒位于核后极的核陷窝(nuclearfossa)中,在顶体颗粒形成的过程中,鞭毛也开始形成(图版Ⅰ-4),其主段结构与成熟时的已十分相近(图版Ⅰ-6),终环清晰可见(图版Ⅰ-7)。2.3顶体囊泡状突出的原因在染色质开始浓缩前,核移向胞质中的一个离心的位置,这一移动引起胞质的重新安排,大多数细胞器,如线粒体和内质网移向精细胞的后极,同时,顶体囊泡变扁平(图版Ⅰ-7、图版Ⅰ-8)。靠核前区域形成突起,即将来的核喙(nuclearrostrum)或称核尖(nuclearpoint)。在此期,核质不甚清晰,双层核膜明显,核内染色质颗粒呈短丝状排列,核延长(图版Ⅰ-8)。2.4小鼠骨髓顶体及核型的组织演变精子形成接下来的过程是核和细胞的延长,与此同时,染色质浓缩(图版Ⅰ-9)。核的分化包括变长和核质的丢失,形成子弹形核,染色质变成粗纤维状,在横切面上交织成网状,网眼内核质电子透明(图版Ⅰ-10)。随着核的进一步延长,其前端形成一个突起,推着顶体囊泡使其行进性凹陷,囊泡内的顶体颗粒弥散成细小的颗粒物质。顶体下腔(subacrosomalspace)扩大,粗大而电子致密颗粒散开,充满整个顶体下腔。这意味着顶体复合体(acrosomalcomplex)分化的开始:由核肩(nuclearshoulder)所支撑着的顶体囊泡和顶体下锥(subacrosomalcone)所构成(图版Ⅰ-11)。图版I中国石龙子精子形成的超微结构ag:顶体颗粒;an:终环;av:顶体泡;ax:轴丝;er:内织网;f:鞭毛;fs:纤维鞘;gc:高尔基复合体;m:线粒体;n:细胞核;pv:前顶体泡;pc:近端中心粒;sc:顶体下锥体。1:时期I精细胞,具细颗粒状染色质、高尔基复合体、内织网和大量的线粒体;高尔基复合体分泌大量的囊泡,形成一个无顶体颗粒的前顶体泡(×17000)。2:时期I精细胞,示前顶体泡移向细胞核(×14000)。3:时期I精细胞,前顶体泡中的颗粒物开始融合,顶体颗粒(▲)逐渐形成(×10000)。4:时期I精细胞,示在核凹陷中的含顶体颗粒的顶体泡,近端中心粒和鞭毛开始形成(×7000)。5:示将顶体颗粒和顶体泡黏附于核膜的电子致密狭板的细节结构(×44000)。6:精子鞭毛主段的纵切,示纤维鞘和轴丝(×34000)。7:时期II精细胞,示扁平顶体泡、近端中心粒和终环(×10000)。8:时期II精细胞,细胞核和细胞延长,染色质浓缩(×10000)。9:时期III精细胞,核进一步延长,染色质进一步浓缩变长变粗(×7000)。10:时期III精细胞,核染色质变成粗纤维状,在横切面上(插入图)组织成网状(×15000)。11:顶体纵切,示顶体泡和顶体下锥体(×20000)。12:过核尖的顶体横切,示细胞核、顶体下锥体和顶体泡(×44000)。ExplanationofplatesI:ElectronmicroscopiconthespermiogenesisofEumeceschinensisag:Acrosomalgranule;an:Annulus;av:Acrosomalvesicle;ax:Axoneme;er:Endoplasmicreticulum;f:Flagellum;fs:Fibroussheath;gc:Golgicomplex;m:Mitochondria;n:Nucleus;pv:Proacrosomalvesicle;pc:Proximalcentriole;sc:Subacrosomalcone1:AspermatidatstageI,containingfinegranularchromatin,aGolgicomplex,rosettesofsmoothendoplasmicreticulum,andnumerousmitochondria;TheGolgicomplexsecretesnumerousvesiclesgivingrisetoaproacrosomalvesiclethatlackstheacrosomalgranule(×17000).2:AspermatidatstageI,showingtheproacrosomalvesiclemovestowardthenucleus(×14000).3:AspermatidatstageI,thegranulematerialinsidetheproacrosomalvesiclebeginstocoalescetoformtheacrosomalgranule(▲)gradually(×10000).4:AspermatidatstageI,showingacrosomalvesiclewiththeacrosomalgranuleinanucleardepression,andtheproximalcentrioleandflagellumappear(×7000).5:Showsdetailofnarrowelectron-denseplate(▲)attachingtheacrosomalgranuleandvesicletothenuclearenvelope(×44000).6:Longitudinalsectionthroughprincipalpieceoftesticularspermatozoonshowingthefibroussheathandtheaxoneme(×34000).7:AspermatidatstageII,showingflattenedvesicle,proximalcentrioleandannulu(×10000).8:AspermatidatstageII,showingnuclearandcellularelongationthatoccurssimultaneouslywithchromatincondensation(×10000).9:AspermatidatstageIII,thenucleusgoesoprolongingandthechromatinfibersinitcondensesandputsinaorderofparalleltothelongitudinalaxisofthenucleus(×7000).10:AspermatidatstageIII,thenuclearchromatindifferentiatesintocoarsefibersthatareorganizedlikeameshworkincrosssections(inset)(×15000).11:Longitudinalsectionthroughacrosomeshowingtheacrosomalvesicleandsubacrosomalcone(×20000).12:Cross-sectionthroughnuclearpoint,showingnucleus,subacrosomalconeandacrosomalvesicle(×44000).2.5顶体下锥系统论在此期内,支持细胞的突起围住整个顶体复合体,核变得非常紧密。顶体区的变化较大,顶体囊泡前后膜重叠,并向前扩展为电子致密的帽状结构。顶体下腔膨大,颗粒物质扩散,形成顶体下锥。细胞核前方变细、变尖的部分称为细胞核伸展部(nuclearprolongation)或核尖,顶体下锥覆盖住整个细胞核伸展部。顶体囊泡与顶体下锥之间的透明空隙称为顶体下腔(图版Ⅰ-11、图版Ⅰ-12)。顶体复合体沿着细胞核伸展部向下延伸,一直延伸到核肩(nuclearshoulders)为止。核内染色质纤维浓缩到最大限度而使核呈高度电子致密度,几乎不见核质(图版Ⅰ-12)。3顶体颗粒的变化观察结果表明,在中国石龙子精子形成过程中,顶体囊泡源于核附近的高尔基体,由其成熟面分泌大量的囊泡,互相汇聚形成一个大的前顶体囊泡,并逐渐向核移动,核凹陷,前顶体囊泡中的颗粒物质逐渐融合形成一顶体颗粒,前顶体囊泡也便成为顶体囊泡。而斑鬣蜥(Agamastellio)的顶体囊泡源于两个液泡。一般认为在哺乳动物精子发生过程中,早期精细胞内的高尔基体区出现一些电子致密的前顶体颗粒,然后逐渐集中形成大的顶体颗粒,外包有膜性囊泡向核移动,顶体囊泡由电子致密的物质组成;在两栖类,如蟾蜍(Bufoaererum)、墨西哥叶蛙(Rachymedusadacnicolor)的精子形成过程中,只形成电子透明的顶体囊泡,而不出现前顶体囊泡及顶体颗粒;在鸟类,白来享鸡(Whiteloghorm)的精子形成中,早期精细胞内的高尔基体部位出现一个前顶体颗粒,逐渐移动接触核膜,并在核前端扩展为半月形结构,称为顶体,亦由电子致密物质组成,无顶体囊泡。由此可见,中国石龙子在顶体的形成过程中,与鸟类及哺乳类差异较大,而与两栖类较为相似。如同其它蜥蜴种类和蛇类等爬行动物,中国石龙子的顶体囊泡在向核移动时,核出现凹陷,而在哺乳类和鸟类精子形成中未出现核凹陷的情形。与其它已报道的蜥蜴相似,中国石龙子在顶体形成过程中,核凹陷成半圆形,顶体囊泡则只是半陷入到核中,还有一半的顶体囊泡突出在核外。同样的现象也出现于黑眉锦蛇和无蹼壁虎。而Butler报道的巴尔干岩蜥(Podarcistaurica)核凹陷终止时呈深杯状。斑鬣蜥(Agamastellio)精子顶体囊泡形成过程中核有两个凹陷,最后二者汇合为一个大顶体囊泡,凹陷终止时也呈深杯状。Hofling报道的脊尾蜥(Tropiduruscytologia)在核凹陷时整个顶体泡完全陷入到核中。不同种类的爬行动物其顶体颗粒的存在及其变化也有所不同。中国石龙子的顶体囊泡中只出现一个顶体颗粒,且与赤链蛇(Dinnodonrufozonatum)一样,它们的顶体颗粒在时期Ⅱ时没有消失,而脊尾蜥(Tropiduruscytologia)、黑眉锦蛇、无蹼壁虎的顶体颗粒在时期Ⅱ时则消失。在红耳龟及链纹脊尾蜥(Tropidurustorquatus)顶体囊泡中无顶体颗粒。而西亚鬣蜥(Agamablandifordi)、棘趾蜥(Acanthodactylusboskianus)、短颈南