烏梢蛇頭超微結(jié)構(gòu)的觀察

烏梢蛇頭超微結(jié)構(gòu)的觀察

精子表成是指精子細(xì)胞通過(guò)復(fù)雜形狀的變化形成成熟精氣的生理過(guò)程，這是精子發(fā)生的最后一步。由于爬行動(dòng)物處于特殊的演化地位,其精子在形成過(guò)程中所出現(xiàn)的不同結(jié)構(gòu)及其變化,無(wú)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(dòng)物的分類(lèi)地位、系統(tǒng)演化和親緣關(guān)系等提供重要依據(jù)。國(guó)內(nèi)外已對(duì)有鱗類(lèi)精子形成的超微結(jié)構(gòu)變化積累了比較豐富的資料。烏梢蛇(Zaocysdhumnades)為我國(guó)特有的常見(jiàn)大型無(wú)毒蛇類(lèi),分布于我國(guó)21個(gè)省區(qū),在維持農(nóng)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(jié)構(gòu),旨在掌握其精子形成的規(guī)律,為進(jìn)一步探討爬行動(dòng)物的親緣關(guān)系及四足動(dòng)物系統(tǒng)演化等積累基礎(chǔ)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(hù)及合理開(kāi)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(gòu)于陜西省漢陰縣某養(yǎng)蛇場(chǎng),均系雄性性成熟個(gè)體。依據(jù)本實(shí)驗(yàn)室已有的研究結(jié)果,在2009年7、8、9三個(gè)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(zhǎng)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(shù)脂滲透并包埋。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(xì)胞靠近生精小管的腔面,常聚集成團(tuán)狀,細(xì)胞界限比較清晰,相鄰細(xì)胞間有細(xì)胞質(zhì)間橋。早期精子細(xì)胞呈圓形(約7μm);細(xì)胞核圓形、較大(約3μm),位于細(xì)胞中央,核膜清晰,染色質(zhì)呈顆粒狀并彌散分布,核仁明顯,位于核的中央;在細(xì)胞核的周?chē)植加袌A形管狀嵴線(xiàn)粒體;高爾基體發(fā)達(dá),在其成熟面附近有大小不一、圓形的小囊泡;在細(xì)胞核的一側(cè)還分布有許多圓形的小囊泡(圖版Ⅰ:1)。依據(jù)頂體復(fù)合體發(fā)育的進(jìn)程,并參照蔡亞非等對(duì)黑眉錦蛇(Elaphetaeniura)精子形成及Hofling等對(duì)蜥蜴類(lèi)精子形成的分期,將烏梢蛇精子頭部形成劃分為以下4個(gè)階段。階段Ⅰ:烏梢蛇精子細(xì)胞的高爾基復(fù)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(gè)近似圓形(約2μm)、沒(méi)有頂體顆粒的前頂體囊泡,并逐漸向細(xì)胞核移動(dòng)(圖版Ⅰ:2)。當(dāng)前頂體囊泡移至核膜時(shí),接觸部位的核膜向內(nèi)凹陷并逐漸加深,同時(shí),前頂體囊泡內(nèi)的顆粒物質(zhì)融合成1個(gè)頂體顆粒,位于頂體囊泡底部、細(xì)胞核凹陷的一側(cè),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(xì)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(nèi),到達(dá)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(zhì)(頂體下顆粒subacrosomalgranule)將頂體顆粒與核膜連接起來(lái),形成了致密的纖維物質(zhì)層,此時(shí),在該處可見(jiàn)由囊泡膜、纖維物質(zhì)層與核膜共同構(gòu)成的典型三層膜結(jié)構(gòu);此外,染色質(zhì)較均勻的分布在細(xì)胞核內(nèi),使細(xì)胞核的電子密度變高(圖版Ⅰ:5)。階段Ⅱ:在烏梢蛇精子細(xì)胞的頂體囊泡進(jìn)一步發(fā)育過(guò)程中,核膜凹陷消失,細(xì)胞核逐漸延長(zhǎng)為卵圓形,其前部的染色質(zhì)凝聚成短絲狀的染色質(zhì)纖維,網(wǎng)眼內(nèi)核質(zhì)電子密度低;由于頂體囊泡內(nèi)胞液的丟失,頂體囊泡進(jìn)一步變扁平并凹陷,緊貼在細(xì)胞核的前部(圖版Ⅰ:6)。隨后,頂體顆粒物質(zhì)分散在頂體囊泡內(nèi),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(xì)胞核逐漸離開(kāi)中心位置移向細(xì)胞的一極,在核周?chē)_(kāi)始有微管聚集,同時(shí),染色質(zhì)濃縮呈均質(zhì)狀,電子密度進(jìn)一步變高;細(xì)胞質(zhì)重新排布,線(xiàn)粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等其他細(xì)胞器移向精子細(xì)胞的另一極;此外,在細(xì)胞核附近出現(xiàn)了1個(gè)呈圓形的致密體(densebody,約1.5μm),在遠(yuǎn)離細(xì)胞核的一側(cè)還出現(xiàn)了許多圓形的空泡狀囊泡(約0.3μm)(圖版Ⅰ:7)。遠(yuǎn)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(nèi)(圖版Ⅰ:8)。階段Ⅳ:烏梢蛇精子細(xì)胞核周?chē)鷧R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(xì)胞核周?chē)纬森h(huán)帶狀結(jié)構(gòu),其中,在環(huán)帶狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)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(xì)胞核長(zhǎng)軸基本平行,呈直線(xiàn)狀,兩側(cè)各有2~3排微管(圖版Ⅰ:8)。隨著環(huán)帶狀微管?chē)@細(xì)胞核的直徑縮小,使得細(xì)胞核不斷伸長(zhǎng),直至由卵圓形變?yōu)殚L(zhǎng)卵圓形;此后,細(xì)胞核周?chē)奈⒐芎椭旅荏w消失,空泡狀囊泡遷移至細(xì)胞核的周?chē)纬赏暾囊蝗?并且在緊貼細(xì)胞膜下方出現(xiàn)了許多線(xiàn)粒體,其中一些線(xiàn)粒體的電子密度較高(圖版Ⅰ:10~12)。隨著細(xì)胞核周?chē)张轄钅遗莸南c線(xiàn)粒體的移動(dòng),頂體復(fù)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(zhǎng)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(fù)合體的外表面,可分為淺層的皮質(zhì)和深層的髓質(zhì);穿孔器位于頂體囊的前部?jī)?nèi),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(xì)胞核前部之間,其內(nèi)側(cè)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(fù)合體發(fā)育完成時(shí),細(xì)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(xì)、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(gè)圓形的核陷窩,其內(nèi)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(guān)系Giugliano等指出,精子超微結(jié)構(gòu)的多態(tài)性可以增加系統(tǒng)發(fā)生分析的準(zhǔn)確性。從已有的研究及我們的觀察結(jié)果看,四足動(dòng)物在精子形成過(guò)程中,頂體囊泡與頂體顆粒在不同類(lèi)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(guò)程,結(jié)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(dòng)物,例如蜥蜴(Lacertataurica)、中國(guó)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(guò)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(zhì)逐漸融合形成1個(gè)頂體顆粒。鳥(niǎo)類(lèi)如白來(lái)航雞(Gallusgallusdomesticus)在精子形成中不出現(xiàn)頂體囊泡,早期精子細(xì)胞內(nèi)的高爾基復(fù)合體部位出現(xiàn)1個(gè)前頂體顆粒,該顆粒逐漸移動(dòng)接觸核膜并在核前端擴(kuò)展為半月形的頂體。較多的資料表明,在哺乳動(dòng)物精子形成過(guò)程中,頂體囊泡是由電子致密的物質(zhì)組成的,早期精子細(xì)胞內(nèi)的高爾基復(fù)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(dòng)。通過(guò)對(duì)以上結(jié)果比較后顯示:(1)在四足動(dòng)物精子形成過(guò)程中,爬行動(dòng)物保留了兩棲動(dòng)物所具有的電子透明的頂體囊泡;哺乳動(dòng)物保留了兩棲爬行動(dòng)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(niǎo)類(lèi)從古爬行動(dòng)物分支出來(lái)后,現(xiàn)代鳥(niǎo)類(lèi)的頂體囊泡已經(jīng)消失。(2)在四足動(dòng)物精子形成過(guò)程中,兩棲類(lèi)沒(méi)有頂體顆粒,而爬行類(lèi)、鳥(niǎo)類(lèi)和哺乳類(lèi)等羊膜動(dòng)物均出現(xiàn)了頂體顆粒。從以上四足動(dòng)物不同類(lèi)群在精子形成過(guò)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(shuō)明了頂體囊泡在四足動(dòng)物各綱之間存在較為明顯的差異,而且也說(shuō)明頂體顆粒的出現(xiàn)可能是羊膜動(dòng)物的共同超微結(jié)構(gòu)特征。微管是細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的重要骨架之一,廣泛存在于各種動(dòng)物細(xì)胞中,細(xì)胞的形態(tài)變化以及胞質(zhì)內(nèi)物質(zhì)的運(yùn)輸?shù)染蕾?lài)于微管。一般認(rèn)為,在精子頭部的形成過(guò)程中,染色質(zhì)的變化是導(dǎo)致精子細(xì)胞核延長(zhǎng)的原因之一,而微管的存在可能是導(dǎo)致精子細(xì)胞核延長(zhǎng)的另一個(gè)重要原因,然而,有關(guān)微管是存在于精子細(xì)胞內(nèi)還是存在于支持細(xì)胞內(nèi),目前有兩種不同的觀察結(jié)果:(1)Nagano在研究家雞的精子細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)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(jìn)一步觀察家雞精子細(xì)胞變態(tài)過(guò)程后提出了微管系統(tǒng)的概念,認(rèn)為微管系統(tǒng)與精子的形態(tài)建成有關(guān)。雞在精子形成過(guò)程中,精子細(xì)胞核周?chē)霈F(xiàn)了環(huán)形核套微管。美洲鴕鳥(niǎo)(Albisceusamericans)在精子細(xì)胞變態(tài)時(shí),精子細(xì)胞核周?chē)刃纬森h(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(guò)渡的斜行核套。我們觀察到烏梢蛇在精子形成過(guò)程中,精子細(xì)胞核周?chē)鷧R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(jié)構(gòu)并環(huán)繞在細(xì)胞核的周?chē)?圖版Ⅰ:7,9);在縱切面上,這些微管與精子細(xì)胞核長(zhǎng)軸基本平行,兩側(cè)各有2~3排的微管(圖版Ⅰ:8);隨著環(huán)帶狀微管?chē)@細(xì)胞核的直徑縮小,使得細(xì)胞核不斷伸長(zhǎng),直至由卵圓型變?yōu)殚L(zhǎng)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(xì)胞質(zhì)突起所包圍,在頂體復(fù)合體后部支持細(xì)胞質(zhì)突起內(nèi)可見(jiàn)有縱行的直微管?chē)@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(shí)精子頭部被支持細(xì)胞質(zhì)突起所包圍,在支持細(xì)胞質(zhì)突起內(nèi)可見(jiàn)許多縱行微管?chē)@著精子頭部,待支持細(xì)胞質(zhì)突起退化,頭部外周仍有縱行微管環(huán)繞。