中國石龍子精子形成的超微結(jié)構(gòu)觀察

中國石龍子精子形成的超微結(jié)構(gòu)觀察

精子發(fā)生和形成是一個(gè)復(fù)雜的生理過程。這一過程的研究是繁殖生物學(xué)和發(fā)育生物學(xué)的重要組成部分。特別是對(duì)于爬行動(dòng)物,因處于特殊的進(jìn)化地位,在從水生過渡到陸生以至于更高水平的脊椎動(dòng)物的過程中,其精子在形成過程中所出現(xiàn)的不同結(jié)構(gòu)及其微妙變化,無疑會(huì)包含系統(tǒng)發(fā)生信息,這些信息可為確定動(dòng)物的分類地位、演化和親緣關(guān)系提供相關(guān)依據(jù)。對(duì)爬行動(dòng)物精子發(fā)生和形成過程已有了較多的研究,幾乎涉及爬行類的各大類群[6,7,8,9,10,11,12,13],但內(nèi)容相對(duì)分散,特別是對(duì)科水平的研究,缺乏系統(tǒng)性,尚需作進(jìn)一步的研究積累。石龍子科(Scincidae)蜥蜴共有1000余種,廣泛分布于熱帶和溫帶地區(qū)。到目前為止,只報(bào)道了該科兩個(gè)種的精子形成過程。中國石龍子(Eumeceschinensis)隸屬石龍子科(Scincidae)、石龍子屬(Eumeces),主要分布在中國南部(包括臺(tái)灣、海南)和越南,是華東和華南許多地區(qū)蜥蜴區(qū)系的重要組成成分,對(duì)其精子形成過程的研究未見有相關(guān)的報(bào)道。本文對(duì)中國石龍子精子形成過程進(jìn)行超微結(jié)構(gòu)觀察,旨在探討中國石龍子精子形成的規(guī)律,為爬行動(dòng)物有鱗類精子形成和系統(tǒng)發(fā)生的研究提供新的資料。1極低水勢(shì),進(jìn)行切片分離和滲透,制備實(shí)生動(dòng)物,并將其作為重塑家庭的動(dòng)物樣品,其得到高溫水分、磷酸緩沖液、酸雙固液和酸緩沖液體系中的催化劑.研究用中國石龍子采自浙江麗水三巖寺,系雄性成體(體長≥100mm)。分別于2003年3月中旬、3月底及4月中旬,每次2條～3條,斷頭處死動(dòng)物后,迅速剖取精巢,切成1mm3左右的小塊,分別用0.1mol/L、磷酸緩沖液(pH=7.4)配制的2.5%戊二醛(體積比)和1%鋨酸雙固定,酒精系列脫水,618環(huán)氧樹脂滲透并包埋,瑞典LKB2088超薄切片機(jī)切片,醋酸鈾和檸檬酸鉛雙重染色,日立H-600透射電鏡觀察并拍照。2結(jié)果2.1糖體、滑面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)及核旁甲基復(fù)合材料proacroomalvesiphe精子形成始于早期精細(xì)胞,這種細(xì)胞有圓形或多角形的核,位于細(xì)胞中央,核含細(xì)的顆粒狀染色質(zhì),胞質(zhì)中有高爾基復(fù)合體、游離的核糖體、滑面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)及大量的線粒體。核旁高爾基復(fù)合體較為規(guī)則。隨著分化的進(jìn)行,其成熟面分泌大量的小囊泡,這些小囊泡逐漸融合形成一個(gè)大而電子透明的、無頂體顆粒的前頂體囊泡(proacrosomalvesicle)(圖版Ⅰ-1)。前頂體囊泡向核移動(dòng),并逐漸增大(圖版Ⅰ-2)。中國石龍子精子形成的接下來過程,可根據(jù)Butler對(duì)蜥蜴類精子形成的過程劃分成四個(gè)時(shí)期。2.2凹陷內(nèi)部的染色當(dāng)前頂體囊泡移至核膜時(shí),接觸部位的核膜迅速向內(nèi)凹陷,與此同時(shí),前頂體囊泡內(nèi)的顆粒物質(zhì)開始相互融合形成一頂體顆粒(acrosomalgranule),前頂體囊泡也就成為頂體囊泡(acrosomalvesicle),位于核稍有凹陷一側(cè)的胞質(zhì)中(圖版Ⅰ-3、圖版Ⅰ-4)。一薄層含顆粒的胞質(zhì)將頂體囊泡與核膜分開,在這間隙里,頂體下顆粒(subacrosomalgranule)將頂體顆粒和核膜連接起來,在連接處,核膜形成一個(gè)輕微的凹陷,顆粒物質(zhì)變得輕微的電子致密(圖版Ⅰ-5)。與頂體囊泡相連的那部分核膜比其它地方更緊密和電子致密。隨著頂體囊泡逐漸增大,核繼續(xù)向內(nèi)凹陷,直至深入到核直徑的約三分之一處停止,凹陷部分呈半圓形(圖版Ⅰ-4)。在此期,染色質(zhì)仍呈顆粒狀,彌散在細(xì)胞核內(nèi)。在精細(xì)胞分化的早期,近端中心粒位于核后極的核陷窩(nuclearfossa)中,在頂體顆粒形成的過程中,鞭毛也開始形成(圖版Ⅰ-4),其主段結(jié)構(gòu)與成熟時(shí)的已十分相近(圖版Ⅰ-6),終環(huán)清晰可見(圖版Ⅰ-7)。2.3頂體囊泡狀突出的原因在染色質(zhì)開始濃縮前,核移向胞質(zhì)中的一個(gè)離心的位置,這一移動(dòng)引起胞質(zhì)的重新安排,大多數(shù)細(xì)胞器,如線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)移向精細(xì)胞的后極,同時(shí),頂體囊泡變扁平(圖版Ⅰ-7、圖版Ⅰ-8)?？亢饲皡^(qū)域形成突起,即將來的核喙(nuclearrostrum)或稱核尖(nuclearpoint)。在此期,核質(zhì)不甚清晰,雙層核膜明顯,核內(nèi)染色質(zhì)顆粒呈短絲狀排列,核延長(圖版Ⅰ-8)。2.4小鼠骨髓頂體及核型的組織演變精子形成接下來的過程是核和細(xì)胞的延長,與此同時(shí),染色質(zhì)濃縮(圖版Ⅰ-9)。核的分化包括變長和核質(zhì)的丟失,形成子彈形核,染色質(zhì)變成粗纖維狀,在橫切面上交織成網(wǎng)狀,網(wǎng)眼內(nèi)核質(zhì)電子透明(圖版Ⅰ-10)。隨著核的進(jìn)一步延長,其前端形成一個(gè)突起,推著頂體囊泡使其行進(jìn)性凹陷,囊泡內(nèi)的頂體顆粒彌散成細(xì)小的顆粒物質(zhì)。頂體下腔(subacrosomalspace)擴(kuò)大,粗大而電子致密顆粒散開,充滿整個(gè)頂體下腔。這意味著頂體復(fù)合體(acrosomalcomplex)分化的開始:由核肩(nuclearshoulder)所支撐著的頂體囊泡和頂體下錐(subacrosomalcone)所構(gòu)成(圖版Ⅰ-11)。圖版I中國石龍子精子形成的超微結(jié)構(gòu)ag:頂體顆粒;an:終環(huán);av:頂體泡;ax:軸絲;er:內(nèi)織網(wǎng);f:鞭毛;fs:纖維鞘;gc:高爾基復(fù)合體;m:線粒體;n:細(xì)胞核;pv:前頂體泡;pc:近端中心粒;sc:頂體下錐體。1:時(shí)期I精細(xì)胞,具細(xì)顆粒狀染色質(zhì)、高爾基復(fù)合體、內(nèi)織網(wǎng)和大量的線粒體;高爾基復(fù)合體分泌大量的囊泡,形成一個(gè)無頂體顆粒的前頂體泡(×17000)。2:時(shí)期I精細(xì)胞,示前頂體泡移向細(xì)胞核(×14000)。3:時(shí)期I精細(xì)胞,前頂體泡中的顆粒物開始融合,頂體顆粒(▲)逐漸形成(×10000)。4:時(shí)期I精細(xì)胞,示在核凹陷中的含頂體顆粒的頂體泡,近端中心粒和鞭毛開始形成(×7000)。5:示將頂體顆粒和頂體泡黏附于核膜的電子致密狹板的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)(×44000)。6:精子鞭毛主段的縱切,示纖維鞘和軸絲(×34000)。7:時(shí)期II精細(xì)胞,示扁平頂體泡、近端中心粒和終環(huán)(×10000)。8:時(shí)期II精細(xì)胞,細(xì)胞核和細(xì)胞延長,染色質(zhì)濃縮(×10000)。9:時(shí)期III精細(xì)胞,核進(jìn)一步延長,染色質(zhì)進(jìn)一步濃縮變長變粗(×7000)。10:時(shí)期III精細(xì)胞,核染色質(zhì)變成粗纖維狀,在橫切面上(插入圖)組織成網(wǎng)狀(×15000)。11:頂體縱切,示頂體泡和頂體下錐體(×20000)。12:過核尖的頂體橫切,示細(xì)胞核、頂體下錐體和頂體泡(×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頂體下錐系統(tǒng)論在此期內(nèi),支持細(xì)胞的突起圍住整個(gè)頂體復(fù)合體,核變得非常緊密。頂體區(qū)的變化較大,頂體囊泡前后膜重疊,并向前擴(kuò)展為電子致密的帽狀結(jié)構(gòu)。頂體下腔膨大,顆粒物質(zhì)擴(kuò)散,形成頂體下錐。細(xì)胞核前方變細(xì)、變尖的部分稱為細(xì)胞核伸展部(nuclearprolongation)或核尖,頂體下錐覆蓋住整個(gè)細(xì)胞核伸展部。頂體囊泡與頂體下錐之間的透明空隙稱為頂體下腔(圖版Ⅰ-11、圖版Ⅰ-12)。頂體復(fù)合體沿著細(xì)胞核伸展部向下延伸,一直延伸到核肩(nuclearshoulders)為止。核內(nèi)染色質(zhì)纖維濃縮到最大限度而使核呈高度電子致密度,幾乎不見核質(zhì)(圖版Ⅰ-12)。3頂體顆粒的變化觀察結(jié)果表明,在中國石龍子精子形成過程中,頂體囊泡源于核附近的高爾基體,由其成熟面分泌大量的囊泡,互相匯聚形成一個(gè)大的前頂體囊泡,并逐漸向核移動(dòng),核凹陷,前頂體囊泡中的顆粒物質(zhì)逐漸融合形成一頂體顆粒,前頂體囊泡也便成為頂體囊泡。而斑鬣蜥(Agamastellio)的頂體囊泡源于兩個(gè)液泡。一般認(rèn)為在哺乳動(dòng)物精子發(fā)生過程中,早期精細(xì)胞內(nèi)的高爾基體區(qū)出現(xiàn)一些電子致密的前頂體顆粒,然后逐漸集中形成大的頂體顆粒,外包有膜性囊泡向核移動(dòng),頂體囊泡由電子致密的物質(zhì)組成;在兩棲類,如蟾蜍(Bufoaererum)、墨西哥葉蛙(Rachymedusadacnicolor)的精子形成過程中,只形成電子透明的頂體囊泡,而不出現(xiàn)前頂體囊泡及頂體顆粒;在鳥類,白來享雞(Whiteloghorm)的精子形成中,早期精細(xì)胞內(nèi)的高爾基體部位出現(xiàn)一個(gè)前頂體顆粒,逐漸移動(dòng)接觸核膜,并在核前端擴(kuò)展為半月形結(jié)構(gòu),稱為頂體,亦由電子致密物質(zhì)組成,無頂體囊泡。由此可見,中國石龍子在頂體的形成過程中,與鳥類及哺乳類差異較大,而與兩棲類較為相似。如同其它蜥蜴種類和蛇類等爬行動(dòng)物,中國石龍子的頂體囊泡在向核移動(dòng)時(shí),核出現(xiàn)凹陷,而在哺乳類和鳥類精子形成中未出現(xiàn)核凹陷的情形。與其它已報(bào)道的蜥蜴相似,中國石龍子在頂體形成過程中,核凹陷成半圓形,頂體囊泡則只是半陷入到核中,還有一半的頂體囊泡突出在核外。同樣的現(xiàn)象也出現(xiàn)于黑眉錦蛇和無蹼壁虎。而Butler報(bào)道的巴爾干巖蜥(Podarcistaurica)核凹陷終止時(shí)呈深杯狀。斑鬣蜥(Agamastellio)精子頂體囊泡形成過程中核有兩個(gè)凹陷,最后二者匯合為一個(gè)大頂體囊泡,凹陷終止時(shí)也呈深杯狀。Hofling報(bào)道的脊尾蜥(Tropiduruscytologia)在核凹陷時(shí)整個(gè)頂體泡完全陷入到核中。不同種類的爬行動(dòng)物其頂體顆粒的存在及其變化也有所不同。中國石龍子的頂體囊泡中只出現(xiàn)一個(gè)頂體顆粒,且與赤鏈蛇(Dinnodonrufozonatum)一樣,它們的頂體顆粒在時(shí)期Ⅱ時(shí)沒有消失,而脊尾蜥(Tropiduruscytologia)、黑眉錦蛇、無蹼壁虎的頂體顆粒在時(shí)期Ⅱ時(shí)則消失。在紅耳龜及鏈紋脊尾蜥(Tropidurustorquatus)頂體囊泡中無頂體顆粒。而西亞鬣蜥(Agamablandifordi)、棘趾蜥(Acanthodactylusboskianus)、短頸南