单环刺螠精巢年周期发育及精子发生

单环刺螠精巢年周期发育及精子发生 中国水产科学年 月, : ?研究简报 : . / . . . .单环刺蜢精巢年周期发育及精子发生 王航宁,邵明瑜,张志峰 海洋生物遗传育种教育部重点实验室,中国海洋大学,山东 青岛摘要:采用组织学方法观察了单环刺蜢 精巢的形态结构及其年周期发育,并利用超微技术观察 了精子的发生过程。结果表明,单环刺蜷的精巢呈条带状,位于虫体尾部,两端通过肌束分别与呼吸肠管壁外侧和 体壁内侧相连。精巢由生精细胞团与结缔组织组成,结缔组织位于精巢中央,精原细胞团分布于结缔组织外周,精 母细胞团散布于结缔组织内,各级精母细胞脱离精巢落人体腔液中,历经精母细胞、精细胞,最后形成精子脱离细 胞团进入肾管。根据精巢的组织学特征,将单环刺蜢的精巢年周期发育划分为增殖期、生长期、成熟期、排放期 和休止期 个时期。光镜和电镜下观察了精巢和体腔液中精子发生各时期的结构变化,包括细胞核形态的变化、 顶体发生以及尾部的形成。本研究揭示了单环刺蜢的精巢发育特点、精子发生历经的场所和分化特征。 关键词:单环刺蜢;精巢;年周期发育;精子发生 中图分类号:文献标志码: 文章编号:一? ? 刺蜢繁殖生物学的内容,为单环刺蜢人工繁育提 生殖腺是动物体配子形成的部位,由生殖细 胞与体细胞共同形成。生殖腺的研究是繁殖生物 供理论基础。 学的一个重要内容,了解生殖腺的发生规律可以 材料与方法 为人工繁育、生殖调控以及种质改良等提供理论 . 材料 基础。 实验用单环刺蜢成体于 年 月至 单环刺缢 . 属 年 月购自青岛市南山市场,每月采样 次,共 蜢虫动物、刺嗌科,主要只。体长、体质量 。通过 分布在中国、 本、韩国和俄罗斯等沿海潮间带下 解剖单环刺蜢虫体,观察肾管饱满程度及体腔液 区及潮下带浅水区,是一种常见的底栖动物?。目 中生殖细胞发育情况,初步确认其所处的生殖 前国内外对单环刺蜢生殖与发育生物学的相关研 阶段。 究多集中在生殖习性 、胚胎和幼体发育 】、生 殖细胞发育等方面,且已知其生殖细胞的部方法 组织学观察:剪取单环刺蜢雄性个体尾部虫 分发育过程是在体腔液中进行的【。然而对于该 体, 氏液固定 ,酒精梯度脱水,石蜡包 物种生殖细胞来源及其性腺的形态结构和发育特 点,目前知之甚少,这在一定程度上限制了人们 埋,切片厚 , 染色,显微镜 对该物种的系统了解。由此,本研究采用组织学 下观察并拍照。同时对所测得的细胞进行测量, 和电镜技术对单环刺蜢的精巢结构、年周期发育 测量时选取 个视野,每个发育阶段的细胞观察 以及精子的发生过程进行了观察,旨在完善单环 数量为 个。 收稿日期: ? ? ;修订日期: ? ? . 基金项目:国家自然科学基金面上项目. 作者简介:王航宁 一 ,女,硕士研究生,主要从事海洋动物生殖生物学研究.:.. 通信作者:张志峰,教授. ? :. . 中国水产科学 电镜观察:用注射针管直接穿透体壁,抽取 数量较少。 月中旬至 月下旬和次年 月下旬 至 月初,初级精母细胞团的数量迅速增多,并 体腔液离心获得各期生殖细胞;解剖虫体,由肾 管中获取成熟精子。各期样品采用 . %的戊二醛 出现次级精母细胞团,二者充满了精巢中部,为 主要的生精细胞;精原细胞团数量减少,与精母 和 %的锇酸固定; . 包埋;超薄切片 机上切片:铀、铅双染色:日立 一 型透射电 细胞团数量比例约为 : 。在 精巢边缘部分无 镜观察拍照。 精原细胞团的部位,可见结缔组织膜破裂,精母 细胞落人体腔中,继续发育。体腔液中生精细胞 结果与分析 团最初以精母细胞团为主,发育至 月中旬和. 精巢的位置及结构 月初,精母细胞团数量急剧增加,并出现了精细 单环刺嗌的精巢呈条带状,位于虫体尾部, 胞团,其中以前者占多数,为精细胞团的 倍图 两端通过肌束分别与呼吸肠管壁外侧和体壁内侧 版 。此阶段多数精细胞团细胞尚无鞭毛,个 相连图版 一、 。精巢主要由生精细胞团与结 体较小,平均直径 . 士 . . ,核圆形, 缔组织组成。每个生精细胞团由处于相同发育时 染色质高度浓缩。肾管中开始出现少量精子。鼻、 期的生精细胞组成,精巢的生精细胞包括精原细 . . 成熟期 发生在 月末至 月中旬,和次 胞、初级精母细胞和次级精母细胞。精原细胞团 年 月至 月初。精巢长度为 岬左右,精巢 分布于精巢结缔组织外周图版 ,精母细胞 结构组成与生长期末期相似,精原细胞团数量很 团则散布于结缔组织内部,被结缔组织包绕图版 少,结缔组织内充满了精母细胞团,但以次级精 ’ 。精巢中部的结缔组织较疏松,胶原纤维丰富, 母细胞居多图版 。体腔液中可见大量生精 偶尔可见排列稀疏的肌纤维分布,并在精巢两端 细胞团,包括精母细胞团和精细胞团,后者数量 形成发达肌束图版 一 、 。 为前者的~ 倍图版 。此期精细胞多具有 . 精巢年周期发育 鞭毛,长达 . “ 。还可见游离精子。此时肾管 根据精巢的结构组成及体腔液中生精细胞的 逐渐饱满,充满了大量成熟精子,此时单环刺缢 发育状况,将单环刺蜷精巢的年周期发育划分为 尚未进人繁殖期。 个时期,即增殖期、生长期、成熟期、排放期和 . . 排放期 发生在 月下旬至 月中旬,和 休止期。 次年 月中旬至 月中旬。精巢长度为 岬 左 . . 增殖期 发生在 月末至 月,和 月至 右,精巢中的生精细胞主要为精原细胞,精母细 次年 月,精巢长度为 ~ ,其中仅见精 胞团急剧减少,以次级精母细胞团为主图版 原细胞,它们成团分布于精巢外缘图版 。精 。体腔液中各类生精细胞团和游离精子的数量 原细胞团的数量和体积随精巢发育逐渐增加,每 都逐渐减少。此时单环刺嗌处于成熟繁殖期,肾 个细胞团内的精原细胞数量也明显增多,从最大 管排放成熟精子后,迅速萎缩。 切面观察细胞团,其中的精原细胞数量从 个增 . . 休止期 发生在月下旬至月初,和 至 个。此时体腔液中精母细胞团数量很少,解 次年 月中旬至 月下旬,精巢萎缩至剖单环刺蜢成体,肉眼可见位于头部的 肾管萎缩, . ,生精细胞团由单一的精原细胞构成,且数量 无精子。 较少,只有 ~ 个细胞团图版。体腔液中 . . 生长期 发生在 月末至 月下旬,和次 很难发现生精细胞,肾管完全萎缩。 年 月至 月初,精巢长度为~ ,精巢 . 精子发生的显微和超微结构观察 内可见精原细胞团和精母细胞团图版 ~ 。 月 . . 精原细胞 单环刺 精原细胞均于精巢中 末至 月中旬和次年 ? 月,初级精母细胞团开 发育和分化。在精巢中该细胞体积最大,呈卵圆 始出现在精巢中部的精原细胞团内侧结缔组织中, 形,平均直径 . . 岬 ;核也呈卵圆形,第 期 王航宁等:单环刺蜢精巢年 周期发育及精子发生平均直径 . ,核质比大,约为 .。核内异 讨论 染色质沿核膜分布,并呈小团块状图版 一 。 . 精巢结构和精子发生方式 . . 精母细胞 光镜下,精巢中的初级精母细 从进化上看,动物生殖腺由无特定形态、生 胞近圆形,平均直径 .. . ;核卵圆 殖细胞发生无固定位置的类型,逐渐进化为具有 形,平均直径 .. ,核质比略小于 一 定形态和固定位置的器官,且生殖细胞仅在生 精原细胞,约为 . 。核内团块状异染色质散布于 殖腺中发生,一般有辅助细胞参与。本研究采用 核质中或核膜内侧。次级精母细胞呈圆形或卵圆 组织学方法首次发现单环刺蜢具有特定形态和位 形,核近圆形,平均直径为 . . , 置固定的精巢,其呈条带状,两端通过肌束固着 团块状异染色质凝缩程度高于初级精母细胞 图 于体壁和呼吸肠外壁上。然而精巢无排出管,精 版 。处于不同发育时期的精母细胞将陆续脱 母细胞团通过结缔组织膜破裂而落人体腔中继续 离精巢进人体腔液中继续发育。 发育,所以不具有完整的生殖器官,精子的发生 电镜下,初级精母细胞边缘不规则,细胞间 在精巢和体腔液中共同进行。精母细胞从精巢进 多以点状连接,并有细胞间桥。胞质电子密度较 人体腔液中,发育成成熟精子,可见其发生过程 高,可见粗面内质网和大量游离核糖体;线粒体 大部分在体腔液中完成,周围无辅助细胞,推测 较多,多呈椭圆形,嵴发达,基质电子密度高,均 其在发生过程中通过渗透方式直接从体腔液中获 匀分布于胞质中图版?一 。次级精母细胞中线 取营养。据此笔者认为单环刺蜢的精巢及精子发 粒体数量明显减少,但粗面内质网和核糖体略有 生方式属于由低等向高等进化的过渡类型。 增多,在胞质内偶见中心体,同时可见一些高尔 在低等无脊椎动物中,星虫动物的精子发生 基小泡 图版?一 、 。 方式与单环刺嗌相似,都需要在精巢和体腔液中 . . 精细胞及其分化 精细胞的发育和分化均 发育【,但二者精巢的结构存在差异。首先,星虫 在体腔液中完成。电镜下观察,精细胞核的形状 的精巢位于体前部,其一端与身体前部收吻肌基 逐渐由圆形转变为杯状,体积变小,平均直径为 部相连,为近端,另一端在体腔中游离,为远端】, .. ,核膜呈波纹状包围在核物质外,核 区别于单环刺蜢精巢体后部定位,两端分别与体 内染色质高度浓缩,但可见个别呈透明状的核泡 壁和呼吸肠相连的方式。其次,生精细胞种类和 图版 ? 。在精细胞核分化的同时,胞质中的 分布规律不同,虽然二者精巢中处于相同发育时 细胞器也发生变化。其中最早变化的是线粒体, 期的生精细胞都聚集成团,但星虫的生精细胞团 在核物质开始浓缩时即开始融合,并逐渐向核的 由包被精巢的腹膜内陷分隔为指状小叶,从近端 预定后方迁移,形成一个大的环状线粒体 图版? 向远端发育,精原细胞发育至精细胞后掉落到体。伴随线粒体的融合,胞质内 可见发达的高尔 腔中 而单环刺蜢则由外周向中央发育,精原 基小泡出现在核的一端 图版,也逐渐愈合, 细胞团分布于精巢中央结缔组织的外周,并陷入 其中前顶体内含物不断增加,首先合成电子致密 其中发育为精母细胞团,最终脱离精巢落人体腔 内含物,而后出现电子密度低的物质 图版/一 、 中,尚不确定精巢的结缔组织细胞对生精细胞的 ,愈合的高尔基泡沿细胞长轴方向向前突起, 发育是否有辅助作用。从精子发生的过程看,单 最终形成奶嘴状顶体 图版 。中心体一分为 环刺蜢的精巢比星虫更低等。与蜢虫动物的另一 二,迁移到核后方,形成近端和远端中心粒,并 个近亲一环节动物比较,多毛纲沙蚕科中部分物 被环状线粒体包围,由此发出的“”型轴丝和 种的精子发生方式与单环刺蜢也有相似之处,即 部分胞质构成尾部,精细胞完成分化脱离精细胞 均在精巢和体腔液中共同发育,但前者的精巢无 团,进入肾管形成成熟精子图版?一 。 固定形态,且只有精原细胞分布 ?,比单环刺嗌中国水产科学 第 卷 精细胞时期可见发达的高尔基泡集合于细胞核的 的精巢更为低等。上述 类动物生殖细胞的产生 分化过程基本相同,但生殖腺的类型存在着较大 顶端,随着小泡的愈合以及顶体内含物的产生, 的差异。这些差异据推测应该是进化过程中生殖 最后形成一个奶嘴状顶体,有人认为顶体的形态 系统由低级向高级进化过程中形成的。 由构造决定,也可能与精卵相遇时顶体反应的情 形相关 。在单环刺蜢精子的顶体中,可见两种 单环刺蜢生殖腺体积较小,成熟期精巢长度 仅约 峨 难于观察,因此多年来仅是推测刺蜢 致密度不同的内含物,至于它们在受精时的表现; 动物生殖腺可能由某处体腔膜和精原细胞组成 。 笔者将另文报道。 本研究通过组织学方法首次确定了单环刺嗌精巢 单环刺 的精子属于鞭毛型,该型精子的形 的位置、形态和结构,即单环刺蜢精巢位于虫体 态变异主要表现在尾部中段,其次是头部 而中 尾部呼吸肠处,为条带状组织,由结缔组织和精 段的变化主要是长度以及线粒体的形态和数量 原、精母等生精细胞团组成。这一研究结果,为 多数无脊椎动物精子的中段由 ~ 个或更多的线 粒体围成环状【? 引,哺乳类线粒体则融合形成两 单环刺缢生殖生物学、生物进化地位研究提供了 条鞘鞭【 】。单环刺蜢精子中段的线粒体只有 个, 新的基础资料。根据精巢大小、结构组成及体腔 呈圆环状,这是比较少见的一种形式。但在早期 液中生精细胞的发育状况,将单环刺蜢精巢的年 精子细胞阶段,胞质内线粒体体积较小,数目较 周期发育分为 个时期:增殖期、生长期、成熟 多,散布于细胞质中,随着精子形成过程的进行, 期、排放期和休止期。精巢的成熟期与生殖周期 线粒体间相互融合,数目减少,体积增大,最后 并不完全同步,精巢成熟期比繁殖期稍早。因此, 融合成 个大的环状线粒体,说明线粒体融合程 对单环刺蜢生殖腺年发育周期和繁殖周期规律的 度高。并且该环状线粒体的基质密度很高,嵴高度 进一步研究,尤其是对影响生殖腺和生殖细胞发 发达,这一结构与其精子的高活力也是相适应的。 育因素的研究,可为苗种繁育、良种培育及增养 殖提供理论指导,是今后单环刺蜢繁殖生物学研 参考文献: 究的重点。 【 李凤鲁,王玮,周红.我国黄渤海缢虫动物蝼虫动物门 . 精子发生的超微结构变化 的研究】.青岛海洋大学学报, , :. 本研究对精巢和体腔液中各期生精细胞的显 】 李诺,宋淑莲,唐永政,等.山东沿海单环刺蟮虫繁殖生 微和超微结构变化进行了观察。在精子发生过程 物学的研究】.动物学报,,: ?. 中,细胞核体积逐渐减小,核内染色质浓缩,致 【 康庆浩,郑家生,金在敏. 单环刺蟠的人工苗种生产研究 水温对胚胎发育及幼体培育的影响.青岛海洋大学 密度增高,最后整个细胞核被电子致密的均质染 学报, , : . 色质所充满,呈杯状。有观点认为,精子核的形态 【 】,. 由两个方面的因素决定:一是精子形成过程中染【 】. 色质的凝聚方式,其最终的浓缩程度与精子的活 ,, : ?. 性有关;二是核外的微管对核施以一定的压力, 【 】 , 起到定形作用【?。在本研究的观察中未见到胞质 【】. ,, : . 中大量微管产生,因此认为单环刺蜢精子核形状 【 】. 的变化是通过核物质浓缩实现的,且浓缩程度较: . ,, : 高。另外在本次观察中,笔者也发现成熟精子的 . 核内有一些核泡,核边缘偶有缺刻,但具体功能 【】 牛从从,张志峰,邵明瑜.单环刺蜢虫精子生物学特性和 尚不清楚。 环境因子的关系 【 .中国水产科学, ,: 高尔基复合体形成顶体的过程中,可见次级 . 精母细胞的许多高尔基小泡分散于细胞质中,至 【 】 郑燕玲,冯丹青,郭丰,等.星虫动物繁殖生物学研究进第 期 王航宁等: 单环刺蜢精巢年周期发育及精子发生展 】.海洋科学, ,: . 陈大元.受精生物 学 】.北京:科学出版社, . 【 】,. 竺俊全,王武,许式见,等.可口革囊星虫的精子发生及 【 】 精子结构 【 .动物学报, , :?.】., . ,:.,, , . ? : . , , , : ? . 张红卫.发育生物学.北京:高等教育出版 社, . ., , : ., , , , ,:. . . , .... : ,, , , . , , ,.: ; ; ;:.:. .