超微结构分析青蛤cyclinasinensis精子发生中精细结构的演变

超微结构分析青蛤cyclinasinensis精子发生中精细结构的演变

动物精子的形态结构可以作为动物分类的基础之一。另一方面，海洋环境中动物精子的微结构变化是检测海洋环境的指标。因此，儿童血浆的超微结构形成的研究一直受到相关科学家的重视。20世纪60年代，加兰德首次使用电镜技术研究了crisotic壳中的双重精子。以后一些学者分别对Mytilusedulis、Mytilusperna、Spisulasolidissima、Bankiaaustralis和B.carinata、Laternulalimicola、Lyonsiaventricosa、Musculusdiscors、Nuculasulcata和Dreissenapolymorpha等双壳类精子超微结构做过研究。但关于青蛤精子发生的超微结构,目前尚未见报道.青蛤俗称墨蛤,它是我国重要的海产养殖贝类,研究其精子发生,不仅有理论意义,而且对养殖业有所裨益.本文对青蛤精子发生过程中精细胞的形态结构变化和各细胞器的演变过程进行观察,藉以补充前人在双壳类精子方面的工作.一、双氧铀块染色法本实验所用的材料于1987年7—11月采自福建漳浦县佛昙湾潮间带.将活体青蛤迅速剖壳取出精巢,以2.5%的戍二醛和1%锇酸双固定(两者均用0.2mol/dm3,pH7.2的磷酸缓冲液配制),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-Ⅱ型超薄切片机切成厚度为30—50nm片子,以饱和醋酸铀和枸椽酸铅双重染色,JEM-100CXⅡ透射电镜观察及摄影.二、观察结果1.初级精母细胞的形态和形态在青蛤繁殖季节,精巢滤泡腔内,从生殖上皮向腔中央排列一群不同发育阶段的生殖细胞(图版Ⅰ-1)。精原细胞呈椭圆形,细胞平均切面大小约5.2μm×3.5μm.核大,长径约3.8μm,短径约2.9μm。核中着色的细颗粒状染色质在核内均匀分布。核仁小,电子密度高。初级精母细胞体积较精原细胞大,细胞平均切面大小约9.2μm×5.8μm。细胞核大,长径约5.1μm,短径约4.0μm.核内少部分染色质聚结为团块状.胞质少.精原细胞和精母细胞细胞质都含有内质网、高尔基复合体、线粒体和核糖体。尤其高尔基复合体在次级精母细胞中发育较好,周围分布一些高电子密度颗粒小囊。细胞之间有细胞间桥相联结。2.高电子密度的核型早期精细胞,细胞呈卵圆形,细胞核呈椭圆形,核内细颗粒状染色质聚结成的团块明显增多(图版Ⅰ-2)。细胞质中线粒体较多,分布于核的周围,有的紧贴核膜,有的甚至凸进核中,线粒体呈长条状,平均切面长径约1.39μm,短径约0.28μm,片层状嵴垂直线粒体表面,纵横无规则排列,嵴间充满颗粒状基质。在核周围分布一些膜围扁平囊状的内质网,大多是粗糙型内质网(图版Ⅰ-2)。高电子密度的核糖体颗粒分散或成簇地散布于细胞质中.两中心粒大小、结构相象,呈圆柱状,横切面近圆形,中心有一孔,无高电子密度颗粒物质,周缘明显的“9×3”风车状结构(图版Ⅰ-3)。中心粒开始逐渐移向核后端.高尔基体数量丰富,呈新月状,它由一系列致密平行的双层膜瓣组成。小的、球状的高电子密度的高尔基小泡以单个或链状排列于高尔基体形成面(图版Ⅰ-4)。高尔基体成熟面两端膨大部含有高电子密度物质,它分泌一些膜围嗜锇颗粒,叫前顶体颗粒(proacrosomalgranule),颗粒周缘电子密度略高于中心区.同时这些颗粒开始逐渐融合,体积变大(图版Ⅰ-4,5).精细胞之间仍为细胞间桥联结。细胞间桥短,圆筒状,横切面直径约0.32μm,小型细胞器、颗粒物可从一个细胞到另一个细胞(图版Ⅰ-6),它对精细胞营养物质起着互相沟通的作用.3.高电子密度周缘深度融合中期精细胞,细胞核稍变长。染色质为中等体积颗粒状,颗粒直径20—11nm,但一部分染色质仍为聚结的团块(图版Ⅱ-7)。线粒体逐渐移向核后端,并出现线粒体融合,有的线粒体出现解体(图版Ⅱ-9)。在融合过程中,线粒体脊数量减少,电子密度降低。融合结果,线粒体数目减少,体积增大。中心粒移至核后端。细胞质中内质网极少.前顶体颗粒的融合,使颗粒体积增大,电子密度增高,最终发育形成大的球形颗粒(图版Ⅱ-8),它的直径约0.8μm。为一高电子密度周缘所包绕。接着球形颗粒内凹变扁,并逐渐移向核前端,呈倒“U”型覆盖在核的一极,称为前顶体(proacrosome)(图版Ⅱ-7,10).在这期,细胞质中仍可观察到高尔基体。4.嘴唇或岩圆面质后期精细胞,细胞核伸长,呈圆柱状,粗颗粒状染色质均匀分布于细胞核,颗粒直径约36.8—52.6nm(图版Ⅱ-11).随着精细胞的进一步分化,线粒体仅为5个,呈球状或椭球状,它们紧密邻接排列成一线粒体环,位于核后端。线粒体平均切面长径约为0.83μm,短径约0.52μm,内部基质的电子密度增大,嵴的数量、长度都增加(图版Ⅱ-12)。移至核前端的前顶体,在近核面进一步内折、伸长,前顶体内容物进一步浓缩,形成一帽状顶体(acrosome)(图版Ⅱ-11).亚顶体区有一高电子密度的球形颗粒(图版Ⅲ-13),直径约0.15μm.随着前顶体移向核的前端,细胞质向相反方向流动,仅在中段线粒体环周围及顶体处存在一部分细胞质,其余均脱离精子.5.成熟精核膜的表现青蛤的精子分为头部、中段和尾部(图版Ⅲ-15).头部由顶体和细胞核组成。顶体呈帽状,外区电子密度较内区大.在顶体和核之间的亚顶体区内有一片细小颗粒状亚顶体物质,中央有一在后期精细胞就出现的高电子密度的球状颗粒(图版Ⅲ-16)。精核呈圆柱状,稍弯曲,后端有一凹窝,颗粒状染色质高度凝聚使核成一致密物。核体积虽减小,但核膜仍保持双层结构,并无任何变化,也没观察到皱褶或卷起的多余核膜,这与Frank(1967)对Mytilusedulis精子的观察结果一致.成熟精核长2.0μm,横截面直径约0.9μm.中段由线粒体环和中心粒组成,位于核凹窝的中心粒为近侧中心粒,横切面直径约0.32μm.另一个为远侧中心粒,长度约0.42μm,它位于线粒体环中央,其主轴与精子主轴平行,与近侧中心粒主轴垂直。由远侧中心粒生成精子尾鞭的轴丝,轴丝结构为典型的“9+2”型,它是由位于中央的两条单根纤维(由远侧中心粒表面发出)及其周围9条成双纤维(与远侧中心粒小管相连接)组成(图版Ⅲ-15,18).包绕尾鞭的细胞膜呈波浪状皱褶。成熟精子仍为细胞间桥联结(图版Ⅲ-17),这为Roosen-Range(1977)的观点提供了超微结构方面的证据。Roosen-Range等人认为双壳类成熟精子以250—2000个聚集成精子球,这些精子为细胞间桥所联结。但他们无超微结构方面的证据。三、成熟精子部分染色体的出现和网结1.动物精细胞核演化为精子核过程中,染色质浓缩后的形态有三种基本类型:颗粒状、纤维状和片层状(Walker,1970)。软体动物原生型精子核染色质大都是颗粒状,少数是纤维状(William,1983)。本文研究结果表明,青蛤精子表现为典型的原生型,但精核染色质既不是颗粒状,也不是纤维状浓缩类型。在精细胞分化过程中,核染色质的形态演变经历:由细颗粒聚结成的小团块→直径为20—41nm的中等体积颗粒(还含少部分团块状)→直径为36.8—52.6nm的粗颗粒→高度浓聚为一致密体(精子核)。这种染色质的浓缩方式却与文昌鱼类似。随着染色质浓缩过程的进行,核的形态也发生变化,由椭圆形渐渐拉长成圆柱状.一般认为染色质的高度浓缩是由于接合蛋白的活动,而核的特殊形状则是染色质浓缩时DAN与蛋白质相互作用的结果。一些研究者认为核形态变化也因核外微管施加压力所产生的结果。2.双壳类动物精子中段线粒体有比较稳定的形态(Franzen,1983)除了线粒体的大小和数目外,青蛤精子中段线粒体环与前人报道的其他双壳类基本相同。在中期精细胞,随着线粒体移向核后端,有的线粒体出现融合,有的解体,导致线粒体数目减少,体积增大.而线粒体的解体现象在其他双壳类软体动物精细胞中还未见报道,其机制有待研究。成熟精子的中段线粒体嵴发达,数量、长度增加,有的相互网结.这在Mytilusedulis,Dresseniapolymorpha也有发现这种变化,但其意义未见报道。作者认为,作为“动力厂”的线粒体,其内膜、嵴分布许多酶系和运转载体,因此线粒体内膜在能量转换方面起着主要作用。那么,成熟精子线粒体嵴数量和长度增加,可能与精子尾部运动积蓄所需的能源有关。3.轴丝被认为是由中心粒生成。作者对青蛤精子研究表明,尾鞭周缘的9对轴丝与远侧中心粒小管相连接,它是由中心粒小管延伸形成,而中央二轴丝仅从远侧中心粒表面发出。这与Frank和Franzen分别对Mytilusedulis、Dreissenapolymorpha的观察结果相同。在青蛤成熟精子中段的线粒体之间、中心粒周围和尾鞭轴丝间沉淀一些高电子密度颗粒物(图版Ⅲ-14.18).这种颗粒也发现于Nuculasulcata(Franzen,1983),Laternulalimicola(Kuvo,1977)、Mytilusedulis(Frank,1967)等几种双壳类中.Anderson&Personne(1970)利用细胞化学方法(PATSCSP)对这种沉淀颗粒进行研究,表明它们对多糖呈正反应,能为α-淀粉酶所消化,是糖元颗粒。同时,他们所报道的双壳类成熟精子的糖元颗粒多分布于线粒体之间与中心粒周围,未报道尾鞭有沉积糖元颗粒。而对青蛤精子的观察,发现其尾鞭轴丝间沉淀一些颗粒,其形态上似糖元颗粒(图版Ⅲ-18),Anderson等人认为这种糖元颗粒是精子运动和代谢的内在能源,它的代谢由精子内的淀粉磷酸化酶系控制。4.Franzen(1955)认为双壳类精子顶体是由一杯状的高尔基体移至核前端发育形成的。1967年Frank对Mytilusedulis研究认为,在精细胞分化期间,由高尔基体分泌的前顶体颗粒融合为一前顶体囊,并在离核顶一段距离处发育。最后移至核顶部发育为顶体。以后一些学者对其他双壳类种类的观察结果都支持了Frank的观点。本文对青蛤精细胞的观察结果,为Frank的观点提供新的佐证.Frank对Mytilusedulis研究.认为亚顶体区(subacrosomalarea)的亚顶体物质(subacrosomalmaterial)也是高尔基体的分泌产物,是由位于高尔基体顶部的分泌颗粒发育形成,随着前顶体移至核的顶端,充塞亚顶体区.对青蛤精细胞的研究结果,没观察到由高尔基体分泌亚顶体物质,亚顶体物质的来源尚待进一步研究。青蛤精子顶体不具有某些双壳类,如Mytilusedulis、Musculusdiscors、Dreissenapolymorphaa、Crassostreaui