烏梢蛇頭超微結構的觀察

烏梢蛇頭超微結構的觀察

精子表成是指精子細胞通過復雜形狀的變化形成成熟精氣的生理過程，這是精子發(fā)生的最后一步。由于爬行動物處于特殊的演化地位,其精子在形成過程中所出現(xiàn)的不同結構及其變化,無疑包含較為豐富的系統(tǒng)發(fā)生信息,這些信息可為確定動物的分類地位、系統(tǒng)演化和親緣關系等提供重要依據(jù)。國內外已對有鱗類精子形成的超微結構變化積累了比較豐富的資料。烏梢蛇(Zaocysdhumnades)為我國特有的常見大型無毒蛇類,分布于我國21個省區(qū),在維持農林業(yè)生態(tài)系統(tǒng)平衡方面具有重要的作用。本文作者觀察了烏梢蛇精子頭部形成的超微結構,旨在掌握其精子形成的規(guī)律,為進一步探討爬行動物的親緣關系及四足動物系統(tǒng)演化等積累基礎資料,也為烏梢蛇的人工飼養(yǎng)與繁殖、野生資源的有效保護及合理開發(fā)利用等提供理論依據(jù)。1烏梢蛇的感染觀察用烏梢蛇購于陜西省漢陰縣某養(yǎng)蛇場,均系雄性性成熟個體。依據(jù)本實驗室已有的研究結果,在2009年7、8、9三個月的10日選取健康活躍的烏梢蛇各2條,共取材6條,體重為(103.67±80.74)g,全長為(118.4±15.2)cm。用乙醚將烏梢蛇麻醉后,立即取出精巢置于裝有冰塊的培養(yǎng)皿表面(滴加了少量冷的2.5%戊二醛固定液),用新刀片切成約1mm3小塊,分別用2.5%戊二醛與1%鋨酸固定,酒精系列脫水,618環(huán)氧樹脂滲透并包埋。LKB2088超薄切片機切片,醋酸鈾和檸檬酸鉛雙重染色。日立H-600型透射電鏡觀察并拍照。2頂體囊泡的發(fā)育與形貌烏梢蛇的精子細胞靠近生精小管的腔面,常聚集成團狀,細胞界限比較清晰,相鄰細胞間有細胞質間橋。早期精子細胞呈圓形(約7μm);細胞核圓形、較大(約3μm),位于細胞中央,核膜清晰,染色質呈顆粒狀并彌散分布,核仁明顯,位于核的中央;在細胞核的周圍分布有圓形管狀嵴線粒體;高爾基體發(fā)達,在其成熟面附近有大小不一、圓形的小囊泡;在細胞核的一側還分布有許多圓形的小囊泡(圖版Ⅰ:1)。依據(jù)頂體復合體發(fā)育的進程,并參照蔡亞非等對黑眉錦蛇(Elaphetaeniura)精子形成及Hofling等對蜥蜴類精子形成的分期,將烏梢蛇精子頭部形成劃分為以下4個階段。階段Ⅰ:烏梢蛇精子細胞的高爾基復合體成熟面許多大小不一、圓形的小囊泡相互融合,形成1個近似圓形(約2μm)、沒有頂體顆粒的前頂體囊泡,并逐漸向細胞核移動(圖版Ⅰ:2)。當前頂體囊泡移至核膜時,接觸部位的核膜向內凹陷并逐漸加深,同時,前頂體囊泡內的顆粒物質融合成1個頂體顆粒,位于頂體囊泡底部、細胞核凹陷的一側,前頂體囊泡發(fā)育成為橢圓形且電子透明的頂體囊泡(圖版Ⅰ:3)。隨著細胞核繼續(xù)凹陷,核仁消失,頂體囊泡(呈圓形、約2μm)最終完全陷入核內,到達核直徑約1/3處停止(圖版Ⅰ:4)。隨后,頂體囊泡逐漸增大、變扁,在頂體囊泡與核膜之間連接處的間隙里,有一薄層顆粒物質(頂體下顆粒subacrosomalgranule)將頂體顆粒與核膜連接起來,形成了致密的纖維物質層,此時,在該處可見由囊泡膜、纖維物質層與核膜共同構成的典型三層膜結構;此外,染色質較均勻的分布在細胞核內,使細胞核的電子密度變高(圖版Ⅰ:5)。階段Ⅱ:在烏梢蛇精子細胞的頂體囊泡進一步發(fā)育過程中,核膜凹陷消失,細胞核逐漸延長為卵圓形,其前部的染色質凝聚成短絲狀的染色質纖維,網(wǎng)眼內核質電子密度低;由于頂體囊泡內胞液的丟失,頂體囊泡進一步變扁平并凹陷,緊貼在細胞核的前部(圖版Ⅰ:6)。隨后,頂體顆粒物質分散在頂體囊泡內,前后囊泡膜逐漸相互融合,形成帽狀頂體囊(圖版Ⅰ:7)。階段Ⅲ:烏梢蛇精子細胞核逐漸離開中心位置移向細胞的一極,在核周圍開始有微管聚集,同時,染色質濃縮呈均質狀,電子密度進一步變高;細胞質重新排布,線粒體和內質網(wǎng)等其他細胞器移向精子細胞的另一極;此外,在細胞核附近出現(xiàn)了1個呈圓形的致密體(densebody,約1.5μm),在遠離細胞核的一側還出現(xiàn)了許多圓形的空泡狀囊泡(約0.3μm)(圖版Ⅰ:7)。遠端中心粒與近端中心粒出現(xiàn),近端中心粒固著在核陷窩內(圖版Ⅰ:8)。階段Ⅳ:烏梢蛇精子細胞核周圍匯聚大量微管,在橫切面上,這些微管較規(guī)律地排列在一起,環(huán)繞在細胞核周圍形成環(huán)帶狀結構,其中,在環(huán)帶狀結構的內緣與外緣,這些微管各自排列成比較完整的一圈(圖版Ⅰ:9);在縱切面上,這些微管與細胞核長軸基本平行,呈直線狀,兩側各有2~3排微管(圖版Ⅰ:8)。隨著環(huán)帶狀微管圍繞細胞核的直徑縮小,使得細胞核不斷伸長,直至由卵圓形變?yōu)殚L卵圓形;此后,細胞核周圍的微管和致密體消失,空泡狀囊泡遷移至細胞核的周圍形成完整的一圈,并且在緊貼細胞膜下方出現(xiàn)了許多線粒體,其中一些線粒體的電子密度較高(圖版Ⅰ:10~12)。隨著細胞核周圍空泡狀囊泡的消失與線粒體的移動,頂體復合體逐漸發(fā)育完成,在橫切面上呈圓形,在縱切面上呈帽狀(長約2.5μm),由前向后依次由頂體囊、穿孔器、頂體下腔和頂體下錐組成。頂體囊位于頂體復合體的外表面,可分為淺層的皮質和深層的髓質;穿孔器位于頂體囊的前部內,與頂體囊之間有一不明顯的狹窄腔隙;頂體下腔是頂體囊與頂體下錐之間電子密度低的區(qū)域;頂體下錐位于頂體囊與細胞核前部之間,其內側緊貼在核膜表面,電子密度高;此外,在頂體下錐與核喙之間具有核外電子透亮區(qū)(圖版Ⅰ:13~15)。在頂體復合體發(fā)育完成時,細胞核從前向后可明顯地區(qū)分為核喙、核肩、核體和核陷窩4部分。核喙近似桿狀,前端較細、后端較粗;核肩是核喙后端的直接延續(xù)部分,屬于圓形核肩;核體呈圓柱狀,與核肩后部的直徑基本一致;在核體后端的中央有一個圓形的核陷窩,其內鑲嵌著近端中心粒(圖版Ⅰ:13,14)。至此,烏梢蛇精子頭部的發(fā)育基本完成。3頂體囊泡的出現(xiàn)與高體發(fā)育的關系Giugliano等指出,精子超微結構的多態(tài)性可以增加系統(tǒng)發(fā)生分析的準確性。從已有的研究及我們的觀察結果看,四足動物在精子形成過程中,頂體囊泡與頂體顆粒在不同類群之間存在著較大的差異。Burgos等和Rastogi等分別觀察了蟾蜍(Bufoaererum)及墨西哥葉蛙(Pachymedusadacnicolor)的精子形成過程,結果表明,只出現(xiàn)電子透明的頂體囊泡,而不出現(xiàn)前頂體囊泡與頂體顆粒。爬行動物,例如蜥蜴(Lacertataurica)、中國石龍子(Eumeceschinensis)、嵴尾蜥(Tropidurustorquatus)、鬣蜥(Agamaadramitana)、北草蜥(Takydromusseptentrionalis)、赤鏈蛇(Dinnodonrufozonatum)、黑眉錦蛇和烏梢蛇,在精子形成過程中也出現(xiàn)了電子透明的頂體囊泡,前頂體囊泡中的顆粒物質逐漸融合形成1個頂體顆粒。鳥類如白來航雞(Gallusgallusdomesticus)在精子形成中不出現(xiàn)頂體囊泡,早期精子細胞內的高爾基復合體部位出現(xiàn)1個前頂體顆粒,該顆粒逐漸移動接觸核膜并在核前端擴展為半月形的頂體。較多的資料表明,在哺乳動物精子形成過程中,頂體囊泡是由電子致密的物質組成的,早期精子細胞內的高爾基復合體區(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,包裹上膜性囊泡后向核移動。通過對以上結果比較后顯示:(1)在四足動物精子形成過程中,爬行動物保留了兩棲動物所具有的電子透明的頂體囊泡;哺乳動物保留了兩棲爬行動物的頂體囊泡,但頂體囊泡由電子透明狀演化為電子致密狀。而鳥類從古爬行動物分支出來后,現(xiàn)代鳥類的頂體囊泡已經消失。(2)在四足動物精子形成過程中,兩棲類沒有頂體顆粒,而爬行類、鳥類和哺乳類等羊膜動物均出現(xiàn)了頂體顆粒。從以上四足動物不同類群在精子形成過程中是否出現(xiàn)頂體囊泡,以及頂體顆粒、頂體囊泡的形態(tài)特征,不僅說明了頂體囊泡在四足動物各綱之間存在較為明顯的差異,而且也說明頂體顆粒的出現(xiàn)可能是羊膜動物的共同超微結構特征。微管是細胞質內的重要骨架之一,廣泛存在于各種動物細胞中,細胞的形態(tài)變化以及胞質內物質的運輸?shù)染蕾囉谖⒐?。一般認為,在精子頭部的形成過程中,染色質的變化是導致精子細胞核延長的原因之一,而微管的存在可能是導致精子細胞核延長的另一個重要原因,然而,有關微管是存在于精子細胞內還是存在于支持細胞內,目前有兩種不同的觀察結果:(1)Nagano在研究家雞的精子細胞超微結構后首先提出了核套(manchette)的概念,該文指出核套是由許多精致的小管所組成的。MeIntosh等在進一步觀察家雞精子細胞變態(tài)過程后提出了微管系統(tǒng)的概念,認為微管系統(tǒng)與精子的形態(tài)建成有關。雞在精子形成過程中,精子細胞核周圍出現(xiàn)了環(huán)形核套微管。美洲鴕鳥(Albisceusamericans)在精子細胞變態(tài)時,精子細胞核周圍先形成環(huán)形核套,后出現(xiàn)縱行核套,而且在兩種形式核套之間還發(fā)現(xiàn)過渡的斜行核套。我們觀察到烏梢蛇在精子形成過程中,精子細胞核周圍匯聚了大量的微管,在橫切面上,這些微管較規(guī)律地排列在一起,形成環(huán)帶狀結構并環(huán)繞在細胞核的周圍(圖版Ⅰ:7,9);在縱切面上,這些微管與精子細胞核長軸基本平行,兩側各有2~3排的微管(圖版Ⅰ:8);隨著環(huán)帶狀微管圍繞細胞核的直徑縮小,使得細胞核不斷伸長,直至由卵圓型變?yōu)殚L卵圓形。(2)蔡亞非等在觀察了赤鏈蛇精子頭部形成后指出,正在形成的精子被支持細胞質突起所包圍,在頂體復合體后部支持細胞質突起內可見有縱行的直微管圍繞著精子核膜的外周。蔡亞非等還觀察到,黑眉錦蛇在階段Ⅳ時精子頭部被支持細胞質突起所包圍,在支持細胞質突起內可見許多縱行微管圍繞著精子頭部,待支持細胞質突起退化,頭部外周仍有縱行微管環(huán)繞。