尹 敏,解崇友,金 麗,王志堅(jiān)
(西南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,淡水魚類資源與生殖發(fā)育教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,水產(chǎn)科學(xué)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400715)
四川華鳊(Sinibramataeniatus)屬鯉形目(Cypriniformes)鯉科(Cyprinidae)鲌亞科(Cultrinae)華鯿屬(Sinibrama),僅分布于長(zhǎng)江上游岷江、青衣江、嘉陵江以及大渡河等水域[1],是長(zhǎng)江上游珍稀特有小型魚類。近年來,長(zhǎng)江上游干流及主要支流大規(guī)模修建電站,攔河筑壩,致其生境尤其是繁殖環(huán)境遭到不同程度破壞,持續(xù)的高強(qiáng)度捕撈壓力也使得四川華鳊種群數(shù)量銳減,解崇友等[2]的研究發(fā)現(xiàn),四川華鳊的種群已出現(xiàn)小型化趨勢(shì),因此有必要開展四川華鳊種質(zhì)資源保護(hù)相關(guān)工作。目前關(guān)于四川華鳊的研究資料主要集中在資源調(diào)查[3]、年齡生長(zhǎng)[2]以及繁殖生物學(xué)[4]等,未見室內(nèi)人工繁殖的相關(guān)研究。人工繁殖是實(shí)現(xiàn)漁業(yè)資源保護(hù)和自然種群恢復(fù)、增殖的重要技術(shù)手段,而生殖細(xì)胞發(fā)生作為繁殖生物學(xué)的重要組成部分,了解其在生殖周期中的動(dòng)態(tài)變化,對(duì)于掌握物種繁殖規(guī)律具有重要意義。本研究以四川華鳊成魚為研究對(duì)象,通過性腺組織學(xué)切片,輔以透射電鏡技術(shù),對(duì)其精子發(fā)生過程進(jìn)行顯微及超微結(jié)構(gòu)的觀察,豐富其繁殖生物學(xué)基礎(chǔ)資料,為人工繁殖提供科學(xué)指導(dǎo)。
岷江眉山段采集的性成熟四川華鳊,在實(shí)驗(yàn)室條件下暫養(yǎng)兩周后開始取材,每月一次。養(yǎng)殖條件:自然光照,水溫(20±2) ℃,pH值7.5±0.5,溶解氧>7 mg/L,每日9∶00投喂浮性顆粒飼料。
解剖取四川華鳊成魚精巢,顯微觀察采用Bouin氏液固定24 h,梯度酒精脫水,二甲苯透明,石蠟包埋,Leica RM 2235切片機(jī)切片5 μm,H.E染色[5],Nikon Eclipse 80 i顯微鏡觀察并拍照;超微結(jié)構(gòu)觀察采用預(yù)冷的4%戊二醛固定,經(jīng)0.1 mol/L磷酸緩沖液(pH值7.4)沖洗3次,1%鋨酸后固定1~2 h,雙蒸水清洗3次(每次不超過3 min),梯度酒精脫水(50%乙醇,15 min;70%乙醇+醋酸雙氧鈾過飽和溶液,過夜;90%乙醇,10 min),丙酮置換(90%乙醇+90%丙酮1∶1,10 min;90%丙酮,10 min;100%丙酮,10 min,3次),環(huán)氧樹脂650聚合包埋,LBK-5型超薄切片機(jī)切片,醋酸超氧鈾和枸櫞酸鉛雙染,JEM-1400 Plus透射電鏡觀察并拍照。
使用圖像分析軟件Image-Pro Plus 6.0測(cè)量生殖細(xì)胞直徑及核徑,SPSS 17.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。
光學(xué)顯微鏡及透射電鏡下隨機(jī)選取不同標(biāo)本的不同區(qū)域進(jìn)行拍照,統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。
表1 四川華鳊雄性生殖細(xì)胞大小統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Statistics of male germ cell sizes in S. taeniatus μm
2.2.1 精原細(xì)胞
精原細(xì)胞在成魚性腺的各個(gè)時(shí)期中都能找到,精原細(xì)胞沿精小葉分布,一般在精巢邊緣分布較多(圖版I-1)。精原細(xì)胞為精子發(fā)生過程中體積最大的細(xì)胞,H.E染色后,精原細(xì)胞著色最淺,可分為兩種類型,分別稱A型精原細(xì)胞和B型精原細(xì)胞。A型精原細(xì)胞為精原干細(xì)胞,細(xì)胞卵圓形,細(xì)胞長(zhǎng)徑(9.80±0.62) μm,細(xì)胞核也為卵圓形,長(zhǎng)徑(6.28±0.50) μm,核膜清晰,核仁明顯,位于細(xì)胞核中央或偏向一側(cè),嗜堿性強(qiáng),染成藍(lán)色。核質(zhì)中有極少的嗜堿性物質(zhì)也著藍(lán)色,細(xì)胞質(zhì)與細(xì)胞膜均不著色,因此細(xì)胞邊界不清晰但高倍鏡下基本能分清細(xì)胞界限(圖版I-2)。A型精原細(xì)胞分裂產(chǎn)生B型精原細(xì)胞。B型精原細(xì)胞稍大,長(zhǎng)橢圓形,細(xì)胞直徑的長(zhǎng)徑為(11.02±1.13) μm,細(xì)胞核長(zhǎng)徑為(7.42±0.82) μm,光學(xué)顯微鏡下B型精原細(xì)胞核仁不明顯,核內(nèi)嗜堿性染色質(zhì)分散于核膜邊緣或核質(zhì)內(nèi)各處(圖版I-2)。
兩種類型的精原細(xì)胞在顯微結(jié)構(gòu)上只能根據(jù)核仁大小及核膜是否清晰加以區(qū)分,而超微結(jié)構(gòu)顯示,二者除了在核仁大小、電子密度以及核膜上的區(qū)別外,其胞質(zhì)中擬染色質(zhì)小體的數(shù)量、線粒體的多少等也是區(qū)分兩種細(xì)胞的重要依據(jù)。A型精原細(xì)胞的細(xì)胞膜及核膜清晰,中央大核仁電子密度高,核內(nèi)染色質(zhì)均一,核膜外周有多個(gè)擬染色質(zhì)小體,核內(nèi)有與其電子密度相似的顆粒物質(zhì),胞質(zhì)中線粒體豐富,內(nèi)嵴清晰,透射電鏡下整體呈棒狀或橢圓形(圖版II-7)。B型精原細(xì)胞其核膜較前者模糊,核仁松散,電子密度較低,核質(zhì)均一,核膜外周擬染色質(zhì)小體較少,胞質(zhì)中線粒體明顯減少。兩種類型的精原細(xì)胞在與相鄰細(xì)胞接觸的位置均出現(xiàn)了細(xì)胞膜的缺口,猜測(cè)為細(xì)胞質(zhì)橋(圖版II-8)。
2.2.2 初級(jí)精母細(xì)胞
B型精原細(xì)胞經(jīng)有絲分裂生長(zhǎng)形成初級(jí)精母細(xì)胞,初級(jí)精母細(xì)胞主要存在于Ⅱ期和Ⅲ期精巢中,在較晚時(shí)期的精巢中數(shù)量不多。初級(jí)精母細(xì)胞長(zhǎng)徑(8.08±0.46) μm,細(xì)胞核長(zhǎng)徑(4.95±0.58) μm,光學(xué)顯微鏡下只能觀察到初級(jí)精母細(xì)胞的細(xì)胞核,細(xì)胞邊界幾乎不可見,與精原細(xì)胞相比,細(xì)胞核質(zhì)內(nèi)染色質(zhì)凝縮,絲狀或團(tuán)塊狀不均一分布,胞核嗜堿性增強(qiáng),H.E染色后呈淺藍(lán)色,核膜清晰,細(xì)胞核形態(tài)不一,部分初級(jí)精母細(xì)胞有中央大核仁,呈深藍(lán)色,部分初級(jí)精母細(xì)胞無明顯的中央大核仁(圖版I-3)。
超微結(jié)構(gòu)中觀察到的初級(jí)精母細(xì)胞為不規(guī)則長(zhǎng)橢形,細(xì)胞核圓形,胞質(zhì)中細(xì)胞器較多,核質(zhì)比增大不明顯,仍能觀察到核膜的雙層膜結(jié)構(gòu),核膜開始出現(xiàn)不同程度波曲,核質(zhì)電子密度較精原細(xì)胞大,核內(nèi)染色質(zhì)團(tuán)塊狀不均勻分布,核膜外有擬染色質(zhì)小體存在,膨大線粒體附著在擬染色質(zhì)小體附近,胞質(zhì)中也有許多線粒體分布,可觀察到內(nèi)質(zhì)網(wǎng),未觀察到具中央大核仁的初級(jí)精母細(xì)胞,在初級(jí)精母細(xì)胞群附近觀察到了橋粒連接(圖版II-9)。
2.2.3 次級(jí)精母細(xì)胞
初級(jí)精母細(xì)胞在減數(shù)第一次分裂后形成次級(jí)精母細(xì)胞,次級(jí)精母細(xì)胞大量存在于III期、IV期及V期早期的精巢中,其體積進(jìn)一步減小,細(xì)胞長(zhǎng)徑(4.75±0.49) μm,約為初級(jí)精母細(xì)胞的一半,細(xì)胞核長(zhǎng)徑(3.75±0.24) μm,核質(zhì)比明顯增大,核內(nèi)染色質(zhì)進(jìn)一步凝縮,高倍鏡下可觀察到核質(zhì)線團(tuán)狀散亂分布,核質(zhì)嗜堿性增強(qiáng),整個(gè)細(xì)胞核染成較均一的藍(lán)色(圖版I-4)。
超微結(jié)構(gòu)中觀察到的次級(jí)精母細(xì)胞呈卵圓形,細(xì)胞核形態(tài)與初級(jí)精母細(xì)胞相似,近圓形,細(xì)胞膜的雙層膜結(jié)構(gòu)不清晰,但可根據(jù)電子密度區(qū)分細(xì)胞核與胞質(zhì),核內(nèi)染色質(zhì)均一,電子密度增大,核膜附近未見擬染色質(zhì)小體,胞質(zhì)內(nèi)仍分布有大量線粒體,但內(nèi)嵴不明顯,此外,胞質(zhì)內(nèi)還有許多電子密度較大的顆粒狀物質(zhì)。同樣,次級(jí)精母細(xì)胞間也有細(xì)胞質(zhì)橋存在(圖版II-10)。
2.2.4 精子細(xì)胞
次級(jí)精母細(xì)胞通過減數(shù)第二次分裂產(chǎn)生精細(xì)胞,在Ⅳ期的精巢中較易觀察到精細(xì)胞,精細(xì)胞長(zhǎng)徑(3.81±0.38) μm,較次級(jí)精母細(xì)胞進(jìn)一步縮小,核長(zhǎng)徑(2.94±0.36) μm,光學(xué)顯微鏡下觀察到精細(xì)胞的細(xì)胞核圓形,較精母細(xì)胞體積明顯減小,只比精子稍大,細(xì)胞整體呈深藍(lán)色(圖版I-5)。
圖版I 四川華鳊精子發(fā)生的顯微結(jié)構(gòu)(H.E 染色)Plate.I Microstructure of Sinibrama taeniatus spermatogenesis
電鏡下觀察到的精細(xì)胞有多種形態(tài),根據(jù)核質(zhì)濃縮程度及細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu)特征,可將精細(xì)胞產(chǎn)生到成熟精子形成之前的過程大致分為三個(gè)階段,早期的精細(xì)胞體積較次級(jí)精母細(xì)胞稍小,細(xì)胞間開始出現(xiàn)明顯縫隙,但仍有少量的細(xì)胞質(zhì)橋連接,核質(zhì)電子密度稍有增加,核質(zhì)比增大,胞質(zhì)減少并向一側(cè)集中,胞質(zhì)內(nèi)可見多個(gè)膨大的線粒體,高爾基體結(jié)構(gòu)明顯,大部分精細(xì)胞在精子頭部正下方的胞質(zhì)中有一空腔,內(nèi)有形似微管的結(jié)構(gòu),猜測(cè)為基體的橫切面。在結(jié)構(gòu)完整的早期精細(xì)胞中,觀察到互相垂直的基體和近端中心粒,已有鞭毛沿基體伸出(圖版II-11)。中期的精細(xì)胞體積進(jìn)一步減小,沒有多余胞質(zhì),精子頭部基本形成,細(xì)胞邊緣可觀察到多層膜結(jié)構(gòu),由細(xì)胞膜及核膜緊貼形成,細(xì)胞核進(jìn)一步濃縮,核質(zhì)密度明顯增大,可觀察到核空泡,高爾基體和膨大的線粒體位于胞核后端兩側(cè)的胞質(zhì)內(nèi),胞核正下方為內(nèi)含基體結(jié)構(gòu)的腔(圖版II-12)。晚期的精細(xì)胞中,由基體延伸出的鞭毛仍位于胞質(zhì)下方的空腔內(nèi),未見結(jié)構(gòu)清晰的近端中心粒,但在基體上方靠近核膜的位置有中心粒附屬物的形成(圖版II-13)。
圖版II 四川華鳊精子發(fā)生的超微結(jié)構(gòu)Plate.II Ultrastructure of Sinibrama taeniatus spermatogenesis
2.2.5 精子
精子細(xì)胞經(jīng)變態(tài)發(fā)育為成熟精子,精子大量存在于Ⅳ期及Ⅴ期精巢的小葉腔中,在早期的精巢中也可觀察到少量的成熟精子。精子嗜堿性極強(qiáng),為染色最深的生殖細(xì)胞,呈深藍(lán)色(圖版I-6)。
電鏡下觀察到的精子分三部分(圖版II-14):精子頭部近圓形或稍不規(guī)則,無頂體,長(zhǎng)徑(2.42±0.02) μm,核長(zhǎng)徑(2.28±0.05) μm,絕大部分為細(xì)胞核,電子密度極大,電鏡下呈黑色,精子頭部切面可觀察到核空泡,但較小,核凹窩不發(fā)達(dá)(圖版II-15);精子中片緊靠精子頭部下端核膜,由精子尾部著生位置的中心粒復(fù)合體和袖套共同構(gòu)成,在成熟精子中,中心粒復(fù)合體中最明顯的結(jié)構(gòu)為基體,未見中心粒及其附屬物,精子尾部著生位置胞質(zhì)凹陷形成袖套腔,腔內(nèi)有膨大的線粒體及一些囊泡化的細(xì)胞器結(jié)構(gòu),精子尾部由軸絲構(gòu)成,貫穿精子細(xì)長(zhǎng)尾部,形成精子運(yùn)動(dòng)的支撐結(jié)構(gòu),精子鞭毛橫切可觀察到軸絲由外圍9組二聯(lián)體微管及中央2根獨(dú)立微管共同組成,精子尾部?jī)蓚?cè)有側(cè)鰭,基本對(duì)稱,精子尾部后端的側(cè)鰭中有囊泡存在(圖版II-15,16,17)。
四川華鳊精子發(fā)生過程經(jīng)歷了精原細(xì)胞、初級(jí)精母細(xì)胞、次級(jí)精母細(xì)胞以及精子細(xì)胞變態(tài)的過程。A型精原細(xì)胞通過有絲分裂形成B型精原細(xì)胞,B型精原細(xì)胞不斷進(jìn)行有絲分裂,產(chǎn)生能夠進(jìn)入減數(shù)分裂的初級(jí)精母細(xì)胞,初級(jí)精母細(xì)胞經(jīng)兩次減數(shù)分裂形成精細(xì)胞,再經(jīng)變態(tài)形成成熟精子。在這個(gè)過程中,除兩次減數(shù)分裂以外,生精細(xì)胞的細(xì)胞核及細(xì)胞質(zhì)結(jié)構(gòu)均發(fā)生了一系列變化。
精原細(xì)胞核中最顯著的結(jié)構(gòu)為中央大核仁,但B型精原細(xì)胞的核仁更為松散。核仁與蛋白質(zhì)的旺盛合成、細(xì)胞的活躍生長(zhǎng)有關(guān)[6],核仁一般在分裂前期消失,分裂末期重新出現(xiàn)。在四川華鳊的兩種精原細(xì)胞中均觀察到了核仁,而在顯微結(jié)構(gòu)中只有部分初級(jí)精母細(xì)胞可觀察到明顯核仁??惮F(xiàn)江等[7]發(fā)現(xiàn)半滑舌鰨的初級(jí)精母細(xì)胞核仁在減數(shù)第一次分裂前期的偶線期消失,與本研究的結(jié)果基本相符,但沒有說明核仁是否在減數(shù)第一次分裂末期重建,可能由于減數(shù)第一次分裂完成后停留時(shí)間太短,不易觀察到該階段的生精細(xì)胞。四川華鳊精子發(fā)生過程中,初級(jí)精母細(xì)胞之后的生精細(xì)胞中也未觀察到明顯核仁。
在超微結(jié)構(gòu)中,從精原細(xì)胞分裂開始,處于同一精小囊內(nèi)的生精細(xì)胞間就出現(xiàn)了細(xì)胞質(zhì)橋,具體表現(xiàn)為相鄰細(xì)胞在接觸位置細(xì)胞膜出現(xiàn)了明顯缺口,這種現(xiàn)象直至發(fā)育到精細(xì)胞早期才結(jié)束。這與同一精小囊內(nèi)生精細(xì)胞的同步發(fā)育有關(guān),這與車靜[8]對(duì)大眼鱖精子發(fā)育的研究結(jié)果一致,而管汀鷺等[9]在對(duì)金魚精子的研究中,將這一結(jié)構(gòu)稱為細(xì)胞間橋,并認(rèn)為細(xì)胞間橋直至精子成熟前才消失。然而,關(guān)于細(xì)胞質(zhì)橋的具體定義,不同的研究者持有不同觀點(diǎn)。洪萬樹等[10]在對(duì)鯔魚精子發(fā)生的超微結(jié)構(gòu)觀察中發(fā)現(xiàn),初級(jí)精母細(xì)胞有絲分裂過程為不完全胞質(zhì)分裂,胞質(zhì)之間出現(xiàn)合胞體,從而導(dǎo)致細(xì)胞界限不明顯,不同的是,他們僅將精細(xì)胞間的連通結(jié)構(gòu)稱為細(xì)胞間橋。郭申明等[11]也提到,在孔雀魚的精子發(fā)生過程中,從精母細(xì)胞到精子細(xì)胞其胞質(zhì)均有不完全分裂現(xiàn)象,但未將這樣的結(jié)構(gòu)稱為細(xì)胞質(zhì)橋或細(xì)胞間橋。不管稱為合胞體的胞質(zhì)連接還是細(xì)胞質(zhì)橋,這一現(xiàn)象的存在都是精小囊內(nèi)生精細(xì)胞維持高效同步發(fā)育的前提。大量研究表明,細(xì)胞質(zhì)橋在各種生物精子發(fā)生過程中具有普遍性,從低等動(dòng)物如帶絳蟲[12]、人皮蠅[13]等到哺乳動(dòng)物如大鼠[14]以及人的精子發(fā)生過程中,生精細(xì)胞的分裂過程始終伴隨著相鄰細(xì)胞胞質(zhì)的溝通。
在四川華鳊精子發(fā)生過程中,兩種類型的精原細(xì)胞以及初級(jí)精母細(xì)胞的核膜外側(cè)均存在體積較大、數(shù)量不等的擬染色質(zhì)小體,同時(shí)在精原細(xì)胞核內(nèi)觀察到了與其電子密度相似的顆粒,猜測(cè)擬染色質(zhì)小體的形成與核內(nèi)的這些高密度顆粒物質(zhì)有關(guān)。根據(jù)管汀鷺[15]對(duì)金魚精子發(fā)生中擬染色質(zhì)小體的研究,細(xì)胞核內(nèi)物質(zhì)聚集形成致密體,排入胞質(zhì)后形成擬染色質(zhì)小體,在次級(jí)精母細(xì)胞以后,核內(nèi)不再形成致密體,胞質(zhì)內(nèi)的擬染色質(zhì)小體被消耗,數(shù)量和體積減小,這可以解釋為什么在次級(jí)精母細(xì)胞及以后的細(xì)胞中很難觀察到擬染色質(zhì)小體。Walt等[16]認(rèn)為擬染色質(zhì)小體內(nèi)存在肌動(dòng)蛋白,與高爾基體共同作用參與頂體蛋白的形成,并參與RNA代謝。
精子變態(tài)過程中細(xì)胞質(zhì)偏向一側(cè),細(xì)胞核濃縮,在這一過程中,中心粒復(fù)合體起著至關(guān)重要的作用。四川華鳊精子細(xì)胞變態(tài)早期就已出現(xiàn)近端中心粒和基體,變態(tài)中期出現(xiàn)了中心粒附屬物,而成熟精子中只觀察到有基體的存在。根據(jù)林丹君等[17]對(duì)褐菖鲉精子的描述,中心粒復(fù)合體在精子細(xì)胞晚期發(fā)生變化,中心粒附屬物形成,在精子成熟前,中心粒附屬物萎縮直至消失,近端中心粒也在精子成熟時(shí)消失,這與我們的觀察結(jié)果基本一致。Fawcett等[18]認(rèn)為,中心粒附屬物可能與哺乳類精子頸段的形成有關(guān),但尚未有研究提到其在硬骨魚類精子形成過程中的作用。王志堅(jiān)等[19]對(duì)長(zhǎng)薄鰍精子發(fā)生的研究中,認(rèn)為遠(yuǎn)端中心粒(基體)向細(xì)胞后部移動(dòng)導(dǎo)致胞質(zhì)被拉長(zhǎng),近端中心粒向細(xì)胞核方向遷移導(dǎo)致核質(zhì)進(jìn)一步濃縮,形成核凹窩。四川華鳊精子的核凹窩極淺,核空泡小,側(cè)面說明其精子變態(tài)過程中近端中心粒向細(xì)胞核方向遷移程度不大,核質(zhì)濃縮程度較小,這一特性在其精子頭部的形態(tài)上也有所體現(xiàn)。四川華鳊精子頭部與草魚[20]、刀鱭[21]、泥鰍[22]等相似,而與長(zhǎng)吻鮠[23]、胭脂魚[24]等核凹窩極深的精子形態(tài)不同。研究顯示,同為鰍科的泥鰍[22]、大鱗副泥鰍[25]、寬體沙鰍[26]三種魚類精子頭部均為圓形,核凹窩淺,鲿科鮠屬的短尾鮠[27]、粗唇鮠[28]的精子頭部形態(tài)則與長(zhǎng)吻鮠相似,核凹窩都較深,張濤等[29]對(duì)同屬四種羅非魚精子的對(duì)比研究顯示,其精子頭部結(jié)構(gòu)大體相同,推測(cè)精子頭部的形態(tài)特征可能具有種屬特異性,或可作為魚類分類鑒定的一項(xiàng)指標(biāo)及精子結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)的依據(jù),但這一猜想尚待進(jìn)一步驗(yàn)證。
與絕大多數(shù)體外受精魚類[30-32]精子一樣,四川華鳊精子為無頂體型,尾部具兩側(cè)對(duì)稱的側(cè)鰭。側(cè)鰭的有無、發(fā)達(dá)程度以及形態(tài)結(jié)構(gòu)在不同硬骨魚中具有差異性。目前的研究表明,許多硬骨魚精子尾部均具側(cè)鰭,為胞質(zhì)延伸形成。胭脂魚[24]、黃顙魚[33]精子尾部側(cè)鰭發(fā)達(dá),兩側(cè)基本對(duì)稱,鯔魚[10]精子尾部側(cè)鰭亦為兩側(cè)對(duì)稱,但發(fā)達(dá)程度不如四川華鳊精子。江鱈[34]、銀鯧[35]精子尾部側(cè)鰭不對(duì)稱,泥鰍[22]、叉尾鯰[36]精子尾部無側(cè)鰭。關(guān)于精子尾部側(cè)鰭的生理意義,不同研究者持有不同意見:Stoss[37]認(rèn)為側(cè)鰭的存在能提高精子的運(yùn)動(dòng)速度,而尹洪濱等[38]通過對(duì)不具側(cè)鰭的索氏六須鯰精子的研究后,認(rèn)為精子運(yùn)動(dòng)速度主要取決于鞭毛,側(cè)鰭只起到部分作用。但目前尚未有研究者對(duì)不同類型精子做過對(duì)比研究,要明確側(cè)鰭的具體作用還需進(jìn)一步研究。