趙海霞 王學(xué)穎 杜騰飛 周 莉 徐世宏王彥豐 肖永雙 劉清華 李 軍

體內(nèi)受精許氏平鲉(Sebastes schlegelii)和體外受精大菱鲆(Scophthalmus maximus)精子結(jié)構(gòu)及生理特性比較*

趙海霞1, 2, 3王學(xué)穎1, 2杜騰飛1, 2, 3周 莉1, 2, 3徐世宏1, 2王彥豐1, 2肖永雙1, 2劉清華1, 2①李 軍1, 2①

(1. 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所 實(shí)驗(yàn)海洋生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 海洋大科學(xué)研究中心 青島 266071; 2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室海洋生物學(xué)與生物技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室 青島 266237; 3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

為了解硬骨魚(yú)許氏平鲉精子體內(nèi)受精以及精子在雌性體內(nèi)保持長(zhǎng)期存活的特性, 本研究應(yīng)用掃描電鏡與透射電鏡對(duì)體內(nèi)受精卵胎生硬骨魚(yú)許氏平鲉與體外受精卵生大菱鲆的精子進(jìn)行超微結(jié)構(gòu)觀察, 并使用計(jì)算機(jī)精子分析系統(tǒng)比較精子激活后運(yùn)動(dòng)參數(shù)差異。結(jié)果顯示, 這兩種魚(yú)的精子均由頭部, 中段和尾部構(gòu)成, 無(wú)頂體, 尾部軸絲為“9+2”微管結(jié)構(gòu)。許氏平鲉精子特點(diǎn): 頭部呈短棒狀, 細(xì)胞核呈長(zhǎng)錐狀; 中段不對(duì)稱(chēng), 約30—40個(gè)線粒體呈垛疊狀緊密排列在中段; 軸絲質(zhì)膜延伸形成的側(cè)鰭較為發(fā)達(dá)。大菱鲆精子特點(diǎn): 頭部呈橢圓形, 頭部和鞭毛結(jié)構(gòu)松散, 含有大量囊泡狀結(jié)構(gòu); 精子中段較短, 向外突出的線粒體包裹鞭毛形成“半袖套”結(jié)構(gòu)且尾部鞭毛側(cè)鰭不發(fā)達(dá)。許氏平鲉精子密度和體外激活壽命均顯著高于大菱鲆精子, 而激活后精子的平均曲線速度(VCL)、平均直線運(yùn)動(dòng)速度(VSL)、平均路徑速度(VAP)顯著低于大菱鲆精子。研究表明, 上述精子結(jié)構(gòu)差異主要表現(xiàn)在精子頭部與中段: 體內(nèi)受精硬骨魚(yú)精子大多具有細(xì)長(zhǎng)的頭部, 發(fā)達(dá)的中段, 線粒體數(shù)量較多; 體外受精硬骨魚(yú)具有圓形或橢圓形的頭部, 中部不明顯, 線粒體較少。

許氏平鲉; 大菱鲆; 精子超微結(jié)構(gòu); 體內(nèi)受精; 體外受精

精子是由雄性個(gè)體產(chǎn)生并傳遞其遺傳物質(zhì)的一種高度分化的細(xì)胞, 目前研究表明, 精子結(jié)構(gòu)具有極高的多樣性, 物種的生殖方式和系統(tǒng)發(fā)育地位共同決定它特殊的形態(tài)結(jié)構(gòu)(喬志剛等, 2017)。精子的多樣性反映在有無(wú)頂體, 頭部形狀, 線粒體的數(shù)量、形狀和位置以及鞭毛的數(shù)量、長(zhǎng)度中(Guo, 2016)。通常認(rèn)為, 體外受精卵生硬骨魚(yú)精子有著球形或橢球形的頭部, 較短的中部以及長(zhǎng)度有物種特異性的鞭毛與側(cè)鰭(李君等, 1998)。目前研究中, 將受精方式列為區(qū)分精子結(jié)構(gòu)的重要分界嶺, 普遍認(rèn)為體內(nèi)受精物種精子有著細(xì)長(zhǎng)的頭部以及發(fā)育良好的中段, 例如, 在爬行動(dòng)物龜中, 演化出了有線粒體單層垛疊, 同心排列的中段, 被認(rèn)為是在長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存期間支持精子活力的一種適應(yīng)(Nicander, 1970; Hess, 1991)。

硬骨魚(yú)種類(lèi)繁多, 其受精方式也不盡相同(Hart, 1990)。體外受精, 硬骨魚(yú)精子與卵子分別被排入水體, 精子受到水體滲透壓及離子刺激激活, 劇烈運(yùn)動(dòng), 精子通過(guò)受精孔, 完成受精過(guò)程。整個(gè)過(guò)程在精卵排出后瞬間完成, 精子的存活壽命非常短, 卵生硬骨魚(yú)基本都是以這種方式完成受精, 例如鰈形目、鯉形目、鱸形目的絕大部分硬骨魚(yú)均屬于此類(lèi)(尤永隆等, 1996; 張永忠等, 2004; 張濤等, 2015)。體內(nèi)受精, 親魚(yú)通過(guò)交尾將精子排入雌魚(yú)生殖道, 精子受到生殖道體液刺激獲能, 進(jìn)而繼續(xù)運(yùn)動(dòng)直到受精場(chǎng)所。由于卵子發(fā)育狀態(tài)以及外界環(huán)境變化的影響, 受精過(guò)程并非即刻發(fā)生(Pusey, 1989; Pavlov, 1997)。因此這種特殊的精子儲(chǔ)存行為要求其精子擁有更長(zhǎng)的壽命, 以及特殊結(jié)構(gòu)和能量代謝方式來(lái)支持完成受精過(guò)程, 卵胎生以及胎生魚(yú)類(lèi)擁有體內(nèi)受精的受精方式, 例如平鲉屬、杜父魚(yú)科, 以及花鳉科的魚(yú)類(lèi)屬于此類(lèi)物種(Gardiner, 1978; 林丹軍等, 1998; Fishelson, 2007)。許氏平鲉為胎生硬骨魚(yú), 有著典型的體內(nèi)受精的受精方式, 精子在雌魚(yú)體內(nèi)的生存時(shí)間長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月(藺玉珍, 2013)。但是, 對(duì)于體內(nèi)受精魚(yú)類(lèi)精子的特化結(jié)構(gòu)以及精子儲(chǔ)存的支撐結(jié)構(gòu)并不明晰。

本研究對(duì)比典型卵生硬骨魚(yú)類(lèi)大菱鲆精子及其他體外受精的硬骨魚(yú)類(lèi)精子結(jié)構(gòu), 闡明體內(nèi)受精魚(yú)類(lèi)許氏平鲉與其長(zhǎng)期貯存能力相適應(yīng)的精子超微結(jié)構(gòu)及其生理特征, 以期為海水魚(yú)類(lèi)受精生物學(xué)以及繁殖發(fā)育生物學(xué)研究積累資料。

1 材料與方法

1.1 親魚(yú)來(lái)源及精液采集

實(shí)驗(yàn)用6條性成熟雄性許氏平鲉于2019年11月捕獲自青島近海, 其后暫養(yǎng)于青島市中國(guó)科學(xué)院海洋研究所一號(hào)樓養(yǎng)殖室, 以供取精。采集精液時(shí), 使用濃度為120μg/mL間氨基苯甲酸乙酯甲磺酸鹽(MS222)作為麻醉劑, 使親魚(yú)迅速深度麻醉, 剖出帶有完整生殖道的精巢, 用濾紙擦凈表面血漬, 輕壓輸精管, 將精液采集到離心管中。實(shí)驗(yàn)用6條性成熟雄性大菱鲆于2019年9月采自威海市圣航水產(chǎn)有限公司。采集精液時(shí), 先用蒸餾水將生殖孔周邊海水沖凈, 用濾紙擦凈生殖孔周邊, 輕壓魚(yú)腹流出的干凈黏稠精液移入離心管備用。所采集到的精液均用0.1mol/L pH 7.2—7.4的磷酸緩沖液(PBS)漂洗三次, 置于預(yù)冷的2.5%戊二醛固定液(使用磷酸緩沖液配制)中備用。

1.2 方法

1.2.1 掃描電鏡樣品的制備 將精液于預(yù)冷的2.5%戊二醛固定液4°C固定4h后, PBS緩沖液漂洗3次, 每次10min。梯度乙醇脫水(30%, 50%, 70%, 80%, 90%, 100%), 每次10min。使用無(wú)水乙醇重復(fù)脫水兩次, 每次20min。二氧化碳臨界點(diǎn)干燥, 干燥后的樣品放入離子鍍膜儀中噴金鍍膜。在掃描電鏡(日立-4800)下觀察并拍照。

1.2.2 透射電鏡樣品的制備 精液于預(yù)冷的2.5%戊二醛固定液4°C固定4h, PBS緩沖液漂洗3次。梯度乙醇脫水, 其后使用無(wú)水乙醇重復(fù)脫水2次。最后樣品環(huán)氧樹(shù)脂包埋, 溫箱固化, 使用Ultracut E超薄切片機(jī)半薄切片, 甲苯胺藍(lán)染色, 半薄定位。醋酸雙氧鈾硝酸鉛染色后, 樣品使用JEM-1200 EX透射電鏡(JEOL, Japan)進(jìn)行觀察拍照。

1.2.3 精子運(yùn)動(dòng)指標(biāo)觀測(cè) 許氏平鲉精液使用Hank’s平衡液作為稀釋液稀釋至1×106, 使用5%雄魚(yú)血清作為激活劑; 大菱鲆使用自然海水稀釋精子至1×106并激活。許氏平鲉和大菱鲆精子激活后30s在10倍相差顯微鏡(Nikon-eclipse-E20)下觀察精子的運(yùn)動(dòng)情況, 并用計(jì)算機(jī)輔助分析系統(tǒng)(CASA)采集相關(guān)數(shù)據(jù)并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

1.2.4 數(shù)據(jù)分析 本實(shí)驗(yàn)超微結(jié)構(gòu)測(cè)量與運(yùn)動(dòng)指標(biāo)數(shù)據(jù)使用SPSS22統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行處理, 所有數(shù)據(jù)均表示為平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差。平均數(shù)的比較采用One-Way ANOVA分析法檢驗(yàn),<0.05為差異顯著。

2 結(jié)果

2.1 許氏平鲉與大菱鲆精子超微結(jié)構(gòu)比較

許氏平鮋和大菱鲆超微結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)經(jīng)統(tǒng)計(jì)如表1所示。許氏平鲉與大菱鲆的精子均由頭部、中段和尾部構(gòu)成, 無(wú)頂體。許氏平鲉精子頭部細(xì)長(zhǎng), 彎向一側(cè), 長(zhǎng)徑為(3.15±0.17)μm, 短徑(1.44±0.10)μm (圖1a, 1b, 1c)。精子頭部無(wú)頂體, 主要由染色較深的電子致密物組成, 細(xì)胞核核質(zhì)于線粒體側(cè)排列較稀疏, 在非線粒體側(cè)排列較為致密, 無(wú)核空泡(圖1b, c)。細(xì)胞核外由雙層質(zhì)膜包裹并與質(zhì)膜相連, 細(xì)胞核呈細(xì)長(zhǎng)短棒狀, 近鞭毛端向內(nèi)凹陷形成較淺的植入窩(圖1b)。大菱鲆精子的頭部為橢圓形, 長(zhǎng)徑為(1.48±0.06)μm, 短徑為(0.97±0.15)μm。精子頭部中央向內(nèi)凹陷, 無(wú)頂體存在(圖2a, a′)。細(xì)胞核位于其頭部頂端, 充斥著染色較深的電子致密物質(zhì), 核空泡位于細(xì)胞核頂端(圖2b)。質(zhì)膜包裹在核膜外, 大量細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)分布其中。植入窩約占1/2頭長(zhǎng), 主要由近端中心粒與遠(yuǎn)端中心粒(基體)構(gòu)成的中心粒復(fù)合體和部分鞭毛構(gòu)成, 鞭毛的質(zhì)膜內(nèi)側(cè)與頭部質(zhì)膜內(nèi)側(cè)均分布著大量囊泡狀結(jié)構(gòu)(圖2b)。

表1 許氏平鲉與大菱鲆精子超微結(jié)構(gòu)及生理特性比較

Tab.1 Comparison of sperm ultrastructure and physiological characteristics between S. schlegelii and S. maximus

注: “*”示許氏平鲉精子“頭部長(zhǎng)徑”、“中段長(zhǎng)”、“精子密度”、“體外激活精子壽命”顯著高于大菱鲆精子, 大菱鲆精子“鞭毛長(zhǎng)”和“全長(zhǎng)”顯著高于許氏平鲉精子

圖1 許氏平鲉精子超微結(jié)構(gòu)

注: a, a’: 掃描電鏡示許氏平鲉精子; a: 示許氏平鲉精子, 示頭部(H), 中段(MP), 尾部(F); a’: 掃描電鏡示短棒狀頭部, 植入窩(IF)。b—f: 透射電鏡示許氏平鲉精子內(nèi)部結(jié)構(gòu); b, c: 精子縱切, 示不同角度下精子頭部和中段的細(xì)胞核(N), 質(zhì)膜(PM), 軸絲(AX); d: 中段橫切, 示線粒體及遠(yuǎn)端中心粒結(jié)構(gòu); e: 頭部前端縱切, 示近端中心粒(PC), 遠(yuǎn)端中心粒(DC), 線粒體(M); f: 尾部橫切, 鞭毛“9+2”微管結(jié)構(gòu), 示中心微管(CM), 雙聯(lián)體微管(PD)及側(cè)鰭(LF)

許氏平鲉精子中段長(zhǎng)度為(1.23±0.48)μm, 縱截面呈三角形, 非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu), 主要由質(zhì)膜包裹的半袖套結(jié)構(gòu)與中心粒復(fù)合體組成(圖1c)。袖套結(jié)構(gòu)呈不對(duì)稱(chēng)囊袋狀, 一側(cè)袖套膨起, 大量圓球形線粒體多層壘疊, 緊密擺列, 其中一個(gè)截面大約有15個(gè)線粒體(白色三角所示), 數(shù)量約有30—40個(gè)(圖1d)。線粒體內(nèi)膜向內(nèi)折疊形成嵴, 大大增加了線粒體膜面積。袖套未膨起側(cè)也有線粒體隨機(jī)排列其中。中心粒復(fù)合體位于植入窩內(nèi), 由近端中心粒和遠(yuǎn)端中心粒(基體)組成, 始于植入窩末端, 遠(yuǎn)端中心粒向后延伸出軸絲(圖1e)。大菱鲆精子中段較短, 質(zhì)膜包裹著向外突出的線粒體, 形成“半袖套”結(jié)構(gòu)。線粒體為圓球形, 均勻散布在鞭毛周邊, 一個(gè)精子中約有10—20個(gè)線粒體(圖2c)。

許氏平鲉精子的尾部長(zhǎng)度為(22.10±1.18)μm, 尾部鞭毛細(xì)長(zhǎng), 約占全長(zhǎng)的83.46%。鞭毛由質(zhì)膜包裹的軸絲組成, 軸絲為典型的“9+2”微管結(jié)構(gòu), 即9組外周二聯(lián)微管和一對(duì)中央微管構(gòu)成。在鞭毛的外側(cè), 質(zhì)膜向兩側(cè)擴(kuò)展形成較為發(fā)達(dá)的側(cè)鰭(圖1f)。大菱鲆精子尾部鞭毛細(xì)長(zhǎng), 長(zhǎng)度為(48.29±1.31)μm, 約占全長(zhǎng)的95.81%, 顯著高于許氏平鲉。鞭毛部分伸入植入窩進(jìn)入袖套內(nèi), 絕大部分鞭毛位于袖套以外。遠(yuǎn)端中心粒延伸出的鞭毛的軸絲具有典型的“9+2”微管結(jié)構(gòu)(圖2b)。

圖2 大菱鲆精子超微結(jié)構(gòu)

注: a—c: 掃描電鏡示大菱鲆精子; a: 精子頭部(H), 中段(MP), 植入窩(IF); a′: 精子頭部核前凹陷(AP); b, c: 透射電鏡示大菱鲆精子內(nèi)部結(jié)構(gòu); b: 精子縱切, 示精子頭部, 示細(xì)胞核(N), 近端中心粒(PC), 遠(yuǎn)端中心粒(DC), 軸絲(AX), 囊泡(V), 核空泡(NV)等結(jié)構(gòu); b′: 示精子尾部橫切, 示鞭毛“9+2”微管結(jié)構(gòu), 示中心微管(CM), 雙聯(lián)體微管(DM)及側(cè)鰭(LF); H: 大菱鲆頭部后端橫切, 示線粒體(M)與遠(yuǎn)端中心粒

2.2 許氏平鲉與大菱鲆精子生理特性及運(yùn)動(dòng)特征比較

在自然狀態(tài)下, 許氏平鲉精子與大菱鲆精子在生理活性方面具有顯著差異。許氏平鲉精液呈乳白色膏狀, 密度高達(dá)(32.79±2.31)×1012/mL, 而大菱鲆精液為淺白色黏稠液體, 較為稀薄, 密度為(10.27±1.49)×109/mL。大菱鲆為典型的卵生硬骨魚(yú), 其精子成熟排出體外后, 在海水(滲透壓為939mOsm/kg)的刺激下, 開(kāi)始迅速運(yùn)動(dòng), 在幾秒內(nèi)使卵子受精, 其壽命在2min左右。對(duì)于許氏平鲉, 親魚(yú)在11月份交尾后, 精子一直保留在雌性親魚(yú)的卵巢內(nèi), 次年4月在雌性卵巢內(nèi)使卵子受精, 精子壽命長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月左右(表1)。

許氏平鲉和大菱鲆精子激活30s的運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)經(jīng)統(tǒng)計(jì)如表2所示。本實(shí)驗(yàn)將體內(nèi)受精許氏平鲉與體外受精大菱鲆精子在激活后的運(yùn)動(dòng)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比, 其中許氏平鲉和大菱鲆精子的活動(dòng)率、前向運(yùn)動(dòng)率(PR)、精子頭側(cè)擺幅度(ALH)、運(yùn)動(dòng)的直線性(LIN)、運(yùn)動(dòng)的擺動(dòng)性(WOB)、運(yùn)動(dòng)的前向性(STR)、精子平均鞭打頻率(BCF)差異不顯著, 而許氏平鲉精子的平均曲線運(yùn)動(dòng)速度(VCL)、平均直線運(yùn)動(dòng)速度(VSL)和平均路徑速度(VAP)顯著低于大菱鲆精子。

3 討論

為比較體內(nèi)受精硬骨魚(yú)類(lèi)精子與體外受精硬骨魚(yú)精子的結(jié)構(gòu)差異, 本研究將精子超微結(jié)構(gòu)特征匯總比較(表3)。體外受精硬骨魚(yú)精子與體內(nèi)受精精子結(jié)構(gòu)差異主要體現(xiàn)在精子頭部形狀、中段長(zhǎng)度與線粒體數(shù)量中。許氏平鲉為體內(nèi)受精硬骨魚(yú), 具有長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月的精子儲(chǔ)存時(shí)間, 其精子也有著與之相適應(yīng)的結(jié)構(gòu)。

體外受精硬骨魚(yú)精子頭部呈圓形或橢圓形, 但在體內(nèi)受精硬骨魚(yú)精子通常擁有細(xì)長(zhǎng)的頭部。絕大多數(shù)硬骨魚(yú)精子并不具備頂體結(jié)構(gòu)(Mattei, 1991)。本研究中, 大菱鲆的精子頭部呈橢圓形[長(zhǎng)徑: (1.48±0.06)μm, 短徑(0.97±0.15)μm], 無(wú)頂體, 符合典型的卵生硬骨魚(yú)特征, 與草魚(yú)(林光華等, 1998)、鲇(喬志剛等, 2016)、大口黑鱸(喬志剛等, 2017)等淡水體外受精硬骨魚(yú)與海水體外受精硬骨魚(yú)精子頭部形狀相同, 而許氏平鲉精子擁有細(xì)長(zhǎng)的頭部[長(zhǎng)徑: (3.15±0.17)μm, 短徑: (1.44±0.10)μm], 與胎鳚(Fishelson, 2007)、海鱮(Gardiner, 1978)、狼魚(yú)(Pavlov, 1997)等海水體外受精硬骨魚(yú)精子和褐菖鲉(林丹軍等, 1998)、孔雀魚(yú)(郭明申等, 2006)、劍尾魚(yú)(溫茹淑等, 2012)在內(nèi)的淡水體內(nèi)受精硬骨魚(yú)精子相同。體內(nèi)受精魚(yú)類(lèi)精子在交尾后, 需要穿過(guò)生殖道到達(dá)卵巢和精子儲(chǔ)存的位置, 待卵子成熟后方可穿過(guò)受精孔進(jìn)行受精, 細(xì)長(zhǎng)的頭部為精子運(yùn)動(dòng)減少了極大阻力, 為受精過(guò)程提供了良好的結(jié)構(gòu)支撐。

表2 許氏平鲉與大菱鲆精子運(yùn)動(dòng)參數(shù)比較

Tab.2 Comparison of kinetic parameters of sperms between S. schlegelii and S. maximus

表3 體內(nèi)受精魚(yú)類(lèi)精子與體外受精魚(yú)類(lèi)精子超微結(jié)構(gòu)比較

Tab.3 Comparison of sperm ultrastructure between internal and external fertilization of fish

值得注意的是, 體內(nèi)受精魚(yú)類(lèi)精子中段較長(zhǎng), 線粒體數(shù)量較多, 但體外受精魚(yú)類(lèi)精子均具有不明顯或者較短的中段, 線粒體數(shù)量較少。許氏平鲉精子中段較長(zhǎng), 達(dá)(1.23±0.48)μm, 縱截面呈不對(duì)稱(chēng)三角形, 一側(cè)膨起并含有大量圓球狀線粒體。線粒體層層垛疊, 大約有三到四層, 每層有10—15個(gè)線粒體緊密排列, 共約有30—40個(gè)線粒體。許氏平鲉與鱸形目進(jìn)化關(guān)系較近, 這種不對(duì)稱(chēng)精子符合典型的鱸形目精子特征, 精子結(jié)構(gòu)也與褐菖鲉非常相似(Mattei, 1991; 李君等, 1998)。同時(shí)在其他體內(nèi)受精魚(yú)類(lèi)孔雀魚(yú)和褐菖鲉精子中均發(fā)現(xiàn)了30—40個(gè)線粒體。對(duì)于大菱鲆精子而言, 中部較短[(0.62±0.11)μm], 線粒體呈環(huán)狀排列在植入窩內(nèi)鞭毛周邊, 可達(dá)10—20個(gè)。普遍而言, 對(duì)于硬骨魚(yú), 線粒體通常在8個(gè)以?xún)?nèi)(胡謀等, 2014)(表3)。線粒體的數(shù)量與精子的能量供應(yīng)情況息息相關(guān), 許氏平鲉精子線粒體的數(shù)量極多, 這與許氏平鲉體內(nèi)受精的受精方式和長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月精子儲(chǔ)存時(shí)間的能量供應(yīng)相適應(yīng)。在硬骨魚(yú)中, 精子的全長(zhǎng)具有物種特異性, 與受精方式關(guān)聯(lián)性較小。

許氏平鲉和大菱鲆精子在激活后, 運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)表現(xiàn)出一定差異。在活動(dòng)率和前向運(yùn)動(dòng)率沒(méi)有顯著性差異的情況下, 許氏平鲉精子的VCL、VSL、VAP顯著低于大菱鲆精子, 其中精子BCF也有小幅度差異, 表明許氏平鲉精子在激活后速度更低。受精過(guò)程中精子間的競(jìng)爭(zhēng)推動(dòng)了不同種類(lèi)脊椎動(dòng)物中與精子大小、游泳速度、精子發(fā)生和能量學(xué)相關(guān)的結(jié)構(gòu)和功能特化的進(jìn)化(Parker, 2010)。來(lái)自許多比較研究的證據(jù)大多支持中段更大, 線粒體更為豐富, 運(yùn)動(dòng)速度更高, 具有較大尾頭比的精子具有較大的競(jìng)爭(zhēng)力(Stockley, 1997)。許氏平鲉精子尾部鞭毛長(zhǎng)(22.10±1.18)μm, 顯著短于大菱鲆精子[(48.29±1.31)μm], 大菱鲆精子較長(zhǎng)的尾部推動(dòng)精子有著更高的VCL、VSL和VAP。許氏平鲉與大菱鲆精子的鞭毛軸絲均具有典型的“9+2”的二聯(lián)微管結(jié)構(gòu), 質(zhì)膜向外擴(kuò)張形成側(cè)鰭。Mattei(1988)指出了鞭毛側(cè)鰭也具有提高精子的活動(dòng)能力作用。

4 結(jié)論

許氏平鲉與大菱鲆的精子均由頭部, 中段和尾部構(gòu)成, 且頭部無(wú)頂體, 尾部鞭毛軸絲為“9+2”微管結(jié)構(gòu)。體內(nèi)受精硬骨魚(yú)許氏平鲉精子頭部細(xì)長(zhǎng), 長(zhǎng)徑: (3.15±0.17)μm, 短徑: (1.44±0.10)μm; 中段長(zhǎng)(1.23±0.48)μm, 兩側(cè)不對(duì)稱(chēng), 呈囊袋狀, 線粒體呈垛疊狀緊密排列在中段, 約有3—4層, 共30—40個(gè)線粒體, 為長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月的精子儲(chǔ)存以及受精過(guò)程提供能量; 尾部側(cè)鰭較發(fā)達(dá)。體外受精硬骨魚(yú)大菱鲆精子頭部呈橢圓形, 頭部, 大量囊泡分布其中; 中段較短[(0.62±0.11)μm], 向外突出的線粒體包裹鞭毛形成“半袖套”結(jié)構(gòu); 尾部側(cè)鰭不發(fā)達(dá)。許氏平鲉精子密度和體外激活壽命均顯著高于大菱鲆精子, 而激活后精子的平均曲線速度(VCL)、平均直線運(yùn)動(dòng)速度(VSL)、平均路徑速度(VAP)顯著低于大菱鲆精子。

王 茜, 王小剛, 李 鵬等, 2015. 4種蝦虎魚(yú)類(lèi)精子超微結(jié)構(gòu)的研究與比較. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué), 43: 320—322

王小剛, 駱 劍, 尹紹武等, 2013. 點(diǎn)帶石斑魚(yú)的精子活力及超低溫冷凍前后精子超微結(jié)構(gòu)的比較. 海洋科學(xué), 37: 70—75

尤永隆, 林丹軍, 1996. 鯉魚(yú)精子超微結(jié)構(gòu)的研究. 動(dòng)物學(xué)研究, 17(4): 377—383

喬志剛, 劉淑琰, 沈方方, 2016. 鲇精子超微結(jié)構(gòu)及pH、溫度對(duì)其精子活力的影響. 大連海洋大學(xué)學(xué)報(bào), 31(6): 602—606

喬志剛, 張曉光, 沈方方等, 2017. 大口黑鱸精子超微結(jié)構(gòu)研究. 四川動(dòng)物, 36(6): 686—690

李 君, 蔡亞非, 1998. 動(dòng)物精子形態(tài)的進(jìn)化趨向. 安徽師大學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 21(2): 101—104

張 濤, 鄒桂偉, 梁宏偉等, 2015. 四種羅非魚(yú)精子超微結(jié)構(gòu)的比較. 淡水漁業(yè), 45(5): 29—34

張永忠, 徐永江, 柳學(xué)舟等, 2004. 圓斑星鰈精子的超微結(jié)構(gòu)及核前區(qū)特殊結(jié)構(gòu)(英文). 動(dòng)物學(xué)報(bào), 50(4): 630—637

林丹軍, 尤永隆, 1998. 褐菖鲉精細(xì)胞晚期的變化及精子結(jié)構(gòu)研究. 動(dòng)物學(xué)研究, 19(5): 359—366

林光華, 林 瓊, 胡成鈺等, 1998. 草魚(yú)、興國(guó)紅鯉和革胡子鲇精子超微結(jié)構(gòu)的比較研究. 南昌大學(xué)學(xué)報(bào)(理科版), 22(3): 283—287

胡 謀, 苗 亮, 李明云等, 2014. 黃姑魚(yú)()與大黃魚(yú)()精子超微結(jié)構(gòu)的觀察與比較. 生物學(xué)雜志, 31(2): 1—4

郭明申, 劉 龍, 穆淑梅等, 2006. 孔雀魚(yú)精子發(fā)生的顯微與超微結(jié)構(gòu). 河北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 26(6): 653—658

溫茹淑, 曾德莉, 方展強(qiáng), 2012. 劍尾魚(yú)精巢的顯微和超微結(jié)構(gòu)觀察. 華南師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 44(4): 113—116

藺玉珍, 2013. 許氏平鲉繁殖生理及發(fā)育生物學(xué)研究. 青島: 中國(guó)海洋大學(xué)碩士學(xué)位論文

Fishelson L, Gon O, Holdengreber V, 2007. Comparative spermatogenesis, spermatocytogenesis, and spermatozeugmata formation in males of viviparous species of clinid fishes (Teleostei: Clinidae, Blennioidei). The Anatomical Record: Advances in Integrative Anatomy and Evolutionary Biology, 290(3): 311—323

Gardiner D M, 1978. Fine structure of the spermatozoon of the viviparous teleost,. Journal of Fish Biology, 13(4): 435—438

Guo W, Shao J, Li P, 2016. Morphology and ultrastructure ofspermatozoa by scanning and transmission electron microscopy. Tissue and Cell, 48(4): 321—327

Hart N H, 1990. Fertilization in teleost fishes: mechanisms of sperm-egg interactions. International Review of Cytology, 121: 1—66

Hess R A, Thurston R J, Gist D H, 1991. Ultrastructure of the turtle spermatozoon. Anatomical Record, 229(4): 473—481

Mattei X, 1988. The flagellar apparatus of spermatozoa in fish. Ultrastructure and evolution. Biology of the Cell, 63(2): 151—158

Mattei X, 1991. Spermatozoon ultrastructure and its systematic implications in fishes. Canadian Journal of Zoology, 69(12): 3038—3055

Nicander L, 1970. Comparative studies on the fine structure of vertebrate spermatozoa. In: Baccetti B ed. Comparative Spermatology. New York: Academic Press

Parker G A, Pizzari T, 2010. Sperm competition and ejaculate economics. Biological Reviews, 85(4): 897—934

Pavlov D A, Knudsen P, Emel’yanova N G, 1997. Spermatozoon ultrastructure and sperm production in wolffish (), a species with internal fertilization. Aquatic Living Resources, 10(3): 187—194

Pusey B J, Stewart T, 1989. Internal fertilization inMees (Pisces: Lepidogalaxiidae). Zoological Journal of the Linnean Society, 97(1): 69—79

Stockley P, Gage M J G, Parker G A, 1997. Sperm competition in fishes: the evolution of testis size and ejaculate characteristics. The American Naturalist, 149(5): 933—954

SPERM ULTRASTRUCTURAL AND PHYSIOLOGICAL DIFFERENCES BETWEEN INTERNALLY FERTILIZED BLACK ROCKFISH ()AND EXTERNALLY FERTILIZED TURBOT ()

ZHAO Hai-Xia1, 2, 3, WANG Xue-Ying1, 2, DU Teng-Fei1, 2, 3, ZHOU Li1, 2, 3, XU Shi-Hong1, 2, WANG Yan-Feng1, 2, XIAO Yong-Shuang1, 2, LIU Qing-Hua1, 2, LI Jun1, 2

(1. The Key Laboratory of Experimental Marine Biology, Center for Ocean Mega-Science, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2. Laboratory for Marine Biology and Biotechnology, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266237, China; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

To understand the characteristics of sperm internal fertilization and the long-term survival in the body, the sperm of black rockfish and turbot were observed by scanning and transmission electron microscope, and the computer-assisted sperm analysis (CASA) system was utilized for comparing the differences of kinetic parameters after activation. The results show that the spermatozoa of black rockfish and turbot were composed of head that were devoid of acrosome, midpiece, and the tail showing “9+2” microtubules. In black rockfish, the head was rod-shaped with long conical nucleus. The midpiece was asymmetrical and consisted of 30 to 40 mitochondria closely arranged in stacks. In turbot, the oval head and flagella were loosely arranged with many vesicles. Ten to twenty mitochondria kept inside and formed “half- sleeve”. The lateral fin was shorter. The sperm density and life span of black rockfish were significantly higher than those of turbot sperm, while the average curve-line speed (VCL), straight-line velocity (VSL) and average path velocity (VAP) were lower significantly. Research suggests that the sperm of internal fertilized teleost had longer head, longer midpiece contained with a large number of mitochondria; the sperm of external fertilized teleost had oval head, the midpiece was shorter and less quantity in mitochondria.

;; spermatozoa ultrastructure; internal fertilization; external fertilization

* 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目, 31802278號(hào); 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃, 2018YFD0901205號(hào); 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項(xiàng)目, CARS-47號(hào)。趙海霞, 碩士研究生, E-mail: zhaohaixia9517@163.com

李 軍, 研究員, E-mail: junli@qdio.ac.cn; 劉清華, 研究員, E-mail: qinghualiu@qdio.ac.cn

2020-03-23,

2020-04-27

Q492; S917

10.11693/hyhz20200300087