安得爱胜蚓精子及精子形成的超微结构

安得爱胜蚓精子及精子形成的超微结构 3安得爱胜蚓精子及精子形成的超微结构 陆雅君 邱江帄 ( )上海交通大学农学院 上海 201101 ( ) 摘要 : 利用透射电镜研究了安得爱胜蚓 Eisenia anderi精子的超微结构及其形成过程 。精子呈纤毛状 , μ由顶体 、核 、中段和鞭毛四部分组成 ,全长 92m 左右 。储精囊中可见成束的各种发育阶段的生精细胞 。 文中详细描述了从精子细胞到成熟精子的精子形成过程 。 关键词 :爱胜蚓 ;精子 ;超微结构 ;精子形成 () 中图分类号 :Q954 文献标识码 :A 文章编号 :025023263 200203209206 An Ultra structural Study of Sperm and Spermiogenesis in Eise nia a nderi LU Ya2J un QIU J iang2Ping ( )Agricultural College , S hanghai Jiao2Tong University S hanghai 201101 , China Abstract : This paper describes the ultrastructure of sperm and the spermatogenesis of Eisenia anderi Bouché. The sperm of E. anderi is fibrous2tike , including four parts : acrosome , nucleus , midpiece μand flagellum , with a length of about 92m. In the seminal vesicle , different stages of development of sperm cell bundle were observed. The description of spermiogenesis from spermatid to mature sperm is given in detail . Key words : Eisenia ; Sperm ; Ultrastructure ; Spermiogenesis 关于寡毛纲动物的超微结构国外已有广泛 1 材料与方法 1 ,6 的研究, 有关其精子和精子发生也有许多 7 ,12研 究 用 标 本 取 自 实 验 室 养 殖 的 报道111 材 料 , 而在国内 , 对蚯蚓的超微结构研究 E. anderi ,该种群引自法国国家农业科学研究 ( ) 尚未见报道 。安得爱胜蚓 Eisenia anderi 在分 () 院土壤动物生态学实验室 Montpellier。 类学上属于环节动物门寡毛纲正蚓目正蚓科爱 13112 方法 成熟蚯蚓活体用 215 %戊二醛固定 ( ) , 为 赤 子 爱 胜 蚓 E. f oetida 的 近 缘 胜蚓 属 14 ,15杀死后解剖 ,取受精囊加磷酸缓冲液经研磨后 ,也是目前在环保 、医药和科研上应用最 种 16 ,17 磷钨酸负染 。另取受精囊和储精囊用 215 %戊 多的蚯蚓种类之一。随着人们对蚯蚓经济 价值认识的提高 ,特别是其在改良土壤结构 、城 二醛和 1 %锇酸双重固定 ,乙醇2丙酮系列脱水 , 市垃圾和污水处理等环境保护方面的特殊作 环氧树脂 618 包埋 ,超薄切片用醋酸双氧铀和 用 ,对蚯蚓的基础研究也日益得到重视 。作者 对 E. anderi 和其它蚯蚓的应用及生物学特性 3 上海市自然科学基金资助项目 ; 正在作深入研究 ,其中关于精子及精子形成的 第一作者介绍 陆雅君 ,女 ,57 岁 ,高级实验师 ; 主要从事细胞 超微结构如下 。 超微结构研究 。 收稿日期 :2001205210 ,修回日期 :2001208201 柠檬酸染色后 J EM2100CX 电镜观察拍片 。 生阶段 。同束的每一个细胞和 支 持 细 胞 相 联 接 ,联接处无质膜分隔 ,细胞质狭长 ,称之为领 2 结 果 带 。领带质膜内外侧均有电子致密物质附着而 ( ) 特别加厚 图版 ?: 9 , 10。精子细胞最初是圆 211 精子的形态 受精囊中的成熟精子经负 μ染观察 ,精子呈纤毛状 ,长达 92m 左右 ,和大 形的 ,近似等轴的细胞 ,核大也呈圆形 ,无核仁 , 多数动物的精子一样 , 分为头 、颈 和 尾 三 部 分 核周围的细胞质中有许多内质网和糖元颗粒 , (() ) 图版 ?:1。 高尔基体发达 ,线粒体少许且分散 图版 ?:6。 随着精子细胞的伸长 ,同时伸长的核贴近 头部 :头部的前后又明显分顶体和核 。顶 μμ 体长 515m ,直径约 014m ,顶体的顶端锥形 ,领带 ,高尔基体明显位于细胞的远轴处 ,在远轴 ( 在圆筒形顶体内有初级顶体囊泡 、次级顶体囊 处还出现中心粒和成群的线粒体 图版 ?: 7 , ) 泡 、顶体管 、围轴鞘 、轴棒 、轴棒头 ,连接膜等复 9。为方便起见 ,现将精子细胞各部分在精子 ( ) 成熟过程中继续的变化分别叙述如下 。 杂结构 图版 ?: 2,4。顶体后是极度延长的 μ核 ,核 长 28 m , 直 径 比 顶 体 基 部 略 小 , 约 为21211 核和微管 微管的形成和核的致密密 切 μ0138m 。成熟精子的核质高度浓缩 ,电子密度 相关 。最初的精子细胞核接近圆形 ,几乎占 据高且均匀 ,核膜和质膜间空隙小 ,内不含糖元和 大部精子细胞 ,染色质是小颗粒均匀分布于 ( ) 微管等任何细胞器 ,核的前端和顶体相邻 ,后端 核内 ,基本上见不到微管 图版 ?: 6。核的延 ( ) 和中段相邻 。相邻处的界线明显 ,并都较帄坦 长起始于纵向微管的产生 图版 ?: 18 ,20。许 () 图版 ?:2 ,3e ,4。 多微管组成微管轴 ,它们绕核周围 ,这时核池略 μ 颈部 :颈部又称中段 , 长 614m , 主要由 6显膨胀 。随着细胞的延长 ,染色质收缩 ,最后变 个辐射状紧密排列的线粒体组成 ,线粒体嵴少 ,成电子密度很高的致密团 。围核微管轴的微管 μ外由细 胞 膜 紧 紧 包 裹 , 直 径 为 0135 m 左 右 。 数目减少 , 而细胞质中游离微 管 数 目 增 加 , 最 ( 成熟精子线粒体周围无糖元分布 图版 ?:3f ;图 后 ,当发育为成熟精子时 ,这部分的微管全部消 ) () 版 ?:11 ,14 ;图版 ?:20。 失 图版 ?:3e。 尾部 :尾部主要由鞭毛组成 。鞭毛和中段 21212 中段的形成 在精子形成的一开始 ,细 相联处有一特殊结构 ,它由远轴中心粒 、实心杆 胞质中的线粒体分为两组 ,一组移到支持细胞 , () ( ) 和致密环组成 图版 ?:19,由此向后长达 50 多 另一组在细胞的远轴处 图版 ?: 8 , 11集中在 μm 鞭毛轴丝的构型为典型的 9 + 2 , 直径开始 一起 ,不久 ,除此外的细胞其它部位线粒体都已 μμ为 013m ,向后缓缓变细 ,末端仅为 0115m 左 不存在 。远轴处 6 个线粒体互相接近并紧密接 () 右 图版 ?:2,9 + 2 构型的轴丝周围分布许多 触 ,它们的外膜挤压在一起形成隔膜 ,从中心向 糖元颗粒 ,随着鞭毛直径的减小 ,糖元颗粒的数 外辐射 ,轴中心留有很小的空隙 ,每个线粒体的 ( 内膜有少量嵴向内突起 。从开始伸长时的细胞 量也逐渐减少直至消失 图版 ?: 3h ; 图版 ?: 14 ; ) ( 图版 ?:19 ,20。到成熟的精子中段线粒体数目维持不变 图版 ) 212 精子形成 精原细胞发育到 16,32 个细 ?:3 ;图版 ?:18 ,20,也有被称为副核 。它们在 ( ) 胞组成的细胞束时从精巢释放到贮精囊 ,观察 精子形成过程中随之延长 图版 ?: 14,与核一 贮精囊切片 ,可见到由不同数量组成的细胞束 样 ,在副核的周围有微管随精子的伸长出现 ,在 ( ) 图版 ?:5,一般情况下 ,32 个细胞一束的初级 精子发育成熟时消失 。 精母细胞 ,64 个细胞一束组成的次级精母细胞 21213 顶体和高尔基体 每个精子细胞具有 1和 128 个 一 束 的 精 子 细 胞 。尽 管 由 于 切 片 局 ,2 个高尔基复合体 , 它由一堆多达 12 、13 片 限 ,一个切面每束精子细胞数目不一定完整出 的扁帄池及其周围的囊泡组成 ,这些池要比一 现 ,大量的观察可以确定一束细胞处于那个发 般体细胞的来得伸展 ,它处在核的远轴端 ,在此 ( ) 附近顶体和鞭毛产生 图版 ?: 7,9。可见高 ,估计正在排除多余的细胞质 内有各种大小泡 () 尔基复合体在其中具有重要的分泌作用 ,产生 成分 图版 ?:8 ;图版 ?:20。 的物质用于顶体的形成 。在逐步伸长的精细胞 3 讨 论 中 ,高尔基体移于核和中段线粒体周围的细胞 1 ,3 ,5 ,18 ,19( ) 质中 图版 ?: 12, 后期精子细胞核继续伸长 , 与国 外 有 关 文 献 比 较, 安 德 爱 胜 细胞质的体积缩小 ,随之高尔基复合体消失 。 蚓精子超微结构同已作报道的寡毛纲其它种类 顶体的最早原基开始于紧靠高尔基复合体 的质的精子具相似的结构 ,都可分为三部分 : 头 、中 膜下 ,它是具有电子致密物的帽状小泡 ,被 称作段和鞭毛 。各部分的功能与其它动物的精子一 样 有 比 较 一 致 的 认 识 , 已 报 告 的 寡 毛 初级顶体囊泡 ,质膜就盖在小泡的凸面 ,随 1 ,3 ,7 ,9 ,12 ,20 精子的 结 构 和 发 生 仅 在 一 些 细 小 着凸面越来越明显 ,逐渐与高尔基体失去联系 。纲 顶体稍后出现的另一变化是紧挨在初级顶体囊 之处的 差 异 , 如 核 的 浓 缩 伸 长 过 程 中 颤 蚓 科 9 ,21 ( ) 泡下 。它由中间的电子致密颗粒和周围的围轴 Tubificidae的核有明显的旋转 , 排列在周 鞘组成 。致密颗粒以后开成轴棒 。轴棒顶端膨 围的微管随之旋转 ,在不同种类之间 ,微管排列 大成轴棒头 ,插入初级顶体囊泡 ,轴棒基部略收 的图形不同 。然而在核的形状和微管的图形之 缩 ,周围形成的空间叫做次级顶体囊泡 。顶体 间不具直接的关系 。 发育中第三个出现非常早的结构是顶体管 。它 精子的中段在寡毛纲都是圆柱形的结构 , 由互相挤压并延长的线粒体组成 ,线粒体的数在顶体的基部 ,围轴鞘的外侧 ,此管上方是初级 ( ) ( 顶体囊泡圆形的边缘 ,顶体管很快向后延伸直 目在 Tubificidae 从 2 个 Tubifex 到 4 个 Limno2 ) ( ( ) driloides winckelmann i到 5 个 Heterodrilus queens2 达核的顶部 图版 ?:13 ; 图版 ?: 15,17。顶体 ) ( ) 管的伸长最后结果把顶体的初级囊泡等其它结 landicus或 4 到 6 个 L . winckelmanni , 与核一 () 构全部包围在内 图版 ?:2 ,4。样有的发生旋转 ,有的却是直的 。 蚯蚓精子顶21214 鞭毛 精子的鞭毛位于尾部 ,主要由鞭 体的结构相对比较复杂 。不同 毛轴丝和周围的糖元颗粒组成 。轴丝具正常 9 种类 形 态 差 异 较 大 , 如 Tubificid , Enchytraeid , + 2 构型 , 周围 9 对二联管 。二联管的 2 个管 Phreodrilid , Megascolecid , Lumbricid 的精子都有 子中间有共同的壁 ,不具小臂 。轴丝中心 2 个 初级顶体囊泡 、次级顶体囊泡 、顶体管 、轴杆等 单体微管 , 在鞭毛的近轴的一段 。轴丝中心 2 结构 ,但其形态差别明显 ; 而围轴鞘 、轴杆头联 个单体微管外还有 2 个致密小单元 ,与 2 个单 接膜等结构则在有的科的精子中甚至没有 。亲 ( ) 根微管组成正方图形 图版 ?: 20。在精子细 缘越 近 , 顶 体 的 形 态 差 异 越 小 。 Eisenia anderi 胞开始伸长时 ,线粒体群移向细胞一端 。这些 的顶体结构具有正蚓类完全一致的模式 。科内 线粒体附近可观察到一对互相垂直的中心粒 的差异仅在大小和比例等细微处 。顶体被普遍 () 图版 ?: 7,9 ; 图版 ?: 21。精子发生开始 , 两 认为有帮助精子的核进入卵达到受精的作用 8 中心粒分开 ,其中一个中心粒离核较近 ,不久后 Henley从负染观察到一根笔直的细毛样物从 消失 ,另一个位于线粒体远轴处 ,形成鞭毛轴丝 顶体突出 ,它的长度等于中轴棒 ,而此时在精子 的基体 。精子细胞开始伸长时 ,顶体 、线粒体 、 中不再见到中轴棒 。顶体中的其它结构究竟还 中心粒和由此发出的鞭毛轴丝都位于细胞的远 有什么用途 ,很少有关于这方面的报道 。 轴处 ,相邻存在 。以后细胞极度延长 ,并脱离了 蚯蚓精子尾部的鞭毛轴丝都为 9 + 2 的微 支持细胞 。顶体和鞭毛逐渐远离 ,最后分别成 管图形 ,近轴段中心四方形的图形在正蚓和巨 为成熟精子的前 、后端 。 蚓中也有报道 。有关报告中二联体均无小臂 在精子形成过程中 ,由于细胞内容物的变 轴丝周围的糖元颗粒在纵切和横切面上均显示 1 β 化和体积收缩 ,可见到有宽松的膜向外凸起 ,膜 排列均匀整齐 ,已被为2糖元,为精子运 Ferraguti M , Lanzavecchia G. Morphogenetic effects of micro2 7 ] 动的重要能量来源 。鞭毛轴丝 由 中 心 粒 出 发 tubules . ?. Spermiogenesis in Annelida Tubificidae . J ournal () 图版 ?: 7, 中心粒的典型结构是由 9 组三联 of S ubmicroscopic Cytology , 1971 , 3 :121,137. (( ) ) 微管组成 图版 ?:21,本文 图版 ?: 20中显示 Henley C. Ultrastructure of the spermatozoom of the earthworm 8 ] as revealed by negative staining. J ournal of Morphology , 的切片与典型中心粒不同 ,由 9 小撮有规则排 1973 ,140 :197,213. 列的微丝组成 ,每小撮有 10 多根微丝 。该切面 Jamieson B G M. A comparison of spermiogenesis and sperma2 9 ] 可能位于中心粒边缘 。 有关寡毛纲精子超微tozoal ultrastructure in megasscolecid and L umbricid earth2 结构的文献表明 ,顶 () worms Oligochaeta : Annelida. Australian J ournal of Zoolo2 体都位于高尔基体外边的质膜下 。早期出现的 gy , 1978 , 26 :225,240 . Jamieson B G M , Daddow L , Bennett J D. Ultrastructure of 三个顶体原基和由此形成的顶体结构中 ,都具 10 ( ) the tubificid acrosome Annelida , Oligochaeta . Zoologica 顶体管 、初级囊泡 、次级囊泡 、轴棒 。不同种之 Scripta , 1978 ,7 :115,118. 间的差别仅在大小和形状方面 。顶体的一些其 Martinucci G B , Felluga B. Mitochondria2mediated chromatin 11 它结构差别较大 。 condensation and nucleus reshaping during spermiogenesis in 显然 ,不同种类精子结构的差异大小与其 Lumbricidae . J ournal of S ubmicroscopic Cytology , 1979 ,11 : 间的亲缘关系相关 。正蚓科之间的精子构造非 221,228. 1 ,2Weissman A , Anderson W A. Ultrastructural observations of 常接近,因此 ,研究精子及精子形成可为系 12 spermiogenesis in L umbricus terrestris . J ournal of Cell Biolo2 统分类提供部分依据 。值得一提的是精子的大 gy ,1965 ,27 :145A. 小与蚯蚓个体的大小并不相关 ,许多个体较小 BouchéM B. L′évolution spatiotemporelle des lombriciens. 13 1 () Doc Pédozool Intgérol , 1998 , 3 1:1,28 . 的蚯蚓都具有较大的精子。 Eisenia anderi 的 Bouché M B. Lombriciens de France . Ecologie et 个体较小 ,而它的精子的长度却几乎处于最长 14 Systématique ed. INRA , Ann Zool2écol Anim , Numéro Spé之列 。 cial , 1972 , 7222 , : 1,671 . Qiu J P , BouchéM B. Révision des taxons supraspcéifiques de 参 考 文 献( ) Lumbricoidea. Doc Pédozool Intgérol , 1998 , 3 6 : 179 , 15 216 . 1 ] Jamieson B G M. The Ultrastructure of the Oligochaeta . Lon2 BouchéM B , Qiu J P. Contributions concrètes des lombriciens don : Academic Press , 1981a . 1,462 . aux téudes environnementales. Doc Pdéozool Intgérol , 1998 , 16 Anderson W A , Weissman A , Ellis R A. Cytodifferentiation () 3 8:225,252 . 2 ] ( ) 邱江帄. 蚯蚓与环境保护. 贵州科学 ,2000 , 18 1,2: during spermiogenesis in L umbricus terrestris . J ournal of Cell 116,133 . Biology , 1967 ,32 :11,26. Martinucci G B , Felluga B. Ultrastructural observations on the 17 Chapron C , Relexans J C. Ultrastructure des gonocytes pri2 3 ] mordiaux et des gonies chez l ’hermaphrodite Eisenia f oetida ( ) testes of Eisenia f oetida Sav. . Bollettino di Zoologia , ( ) Oligochtèes lombricidé. Compt Rendu Hebdomadaire des sé1972 , 39 :693 . 18 ances de l ’Académie des Sciences Paris , D , 1971 , 272 : Martinucci G B , Felluga B , Carli S. Development and degen2 2 916,2 919. eration of cytophorus during spermiohistogenesis in Eisenia f oe2 Rota E , Lupetti P. An ustrastructural investigation of Hrabeiel2 ( ) tida Sav. . Bollettino di Zoologia , 1977 , 44 : 383,398. 19 4 ] () la Pi?l & Chalupsk? , 1984 Annelida. Chaetae and body or2 Jamieson B G M. Ultrastructure of spermatogenesis in Phreod2 ganization. Hydrobiologia , 1996 , 334 :229,239. ( ) rilus Phreodrilidae , Oligochaeta , Annelida. J ourral of Zo2 Ferraguti M , Lanzavecchia G. Comparative electron micro2 ology London , 1981b ,194 :393,408. 20 5 ] scopic studies of muscule and sperm cells in B ranchiobdella Jamieson B G M , Daddow L . An ultrastructral study of micro2 ( pentodonta Whitman and Bythonomus lemani Grube Anneli2 (tubules and the acrosome in spermiogenesis of Tubificidae Ol2 ) da , Clitellata. Zoomorphologie , 1977 , 88 : 19,36. ) igochaeta. J ournal of Ultrastructure Research , 1979 ,67 : 209 21 Webster P M , Richards K S. Spermiogenesis in the en2 ,224.6 ] () chytraeid L umbricillus rivalis Oligochaeta :Annelida. J ournal of Ultrastructure Research , 1977 , 61 :62,77. 图版 ? 陆雅君等 : 安得爱胜蚓精子及精子形成的超微结构 LU Ya2J un et al . :An Ultrastructural Study of Sperm and Spermiogenesis in ? Plate Eisenia anderi ?初级顶体囊泡 , ?次级顶体囊 11 成熟精子负染 ,示顶体 、核 、中段和鞭毛 ×3 000 ; 21 顶体局部放大 ×21 000 泡 , ?轴棒头 , ?轴棒 , ?顶体管 , ?联接膜 , ?围轴鞘 , ?核 ; 31 精子各部横切 ×21 000 a . 顶体近末端 , b. 顶 体中部 , c . 顶体轴棒部 , d. 顶体基部 , e . 核 , f . 中段 , g. 鞭毛基部 , h. 鞭毛 ; 41 顶体半模式图 , 说明同图 2 ; 51 储精 囊内不同阶段的细胞束 ×1 300 ; 61 最初的精子细胞 ×8 000 cy :支持细胞 ; G:高尔基体 ; M :线粒体 ; N :核 图版 ? 陆雅君等 : 安得爱胜蚓精子及精子形成的超微结构 LU Ya2J un et al . :An Ultrastructural Study of Sperm and Spermiogenesis in ? Plate Eisenia anderi 7,81 开始伸长的精子细胞 ×15 000 ; 91 进一步伸长的精子细胞 ×7 500 ; 101 图 9 的局部放大 , 示精子细胞和被寄 生细胞相联处膜加厚 ×30 000 ; 111 伸长精子细胞中线粒体集中在核一段 ×15 000 ; 121 继续伸长的精子细胞纵切 ( ) ×5 000 ; 13,141 接近成熟的精子细胞纵切 ×15 000 图版 ?见封 2 ac : 顶体 ; at :顶体管 ; c :中心粒 ; cy :支持细胞 ; dc :致密环 ; f :微管 ; fl :鞭毛 ; G:高尔基体 ; gl :糖元 ; M :线粒体 ; N : 核 ; PV :初级顶体囊泡 ; SC :实心杆 ; SV :次级顶体囊泡 图版 ? 陆雅君等 : 安得爱胜蚓精子及精子形成的超微结构 LU Ya2J un et al . :An Ultrastructural Study of Sperm and Spermiogenesis in ? Plate Eisenia anderi 15,171 顶体形成 ×30 000 ; 181 与 图 12 同 期 细 胞 横 切 ×20 000 ; 191 伸 长 精 子 细 胞 鞭 毛 基 部 和 中 段 联 接 处 ×40 000 ; 201 高度伸长精子细胞横切 ×40 000 ; 211 一精子细胞的中心粒 ×40 000 ac :顶体 ; at :顶体管 ; c :中心粒 ; dc :致密环 ; f :微管 ; fl :鞭毛 ; G:高尔基体 ; gl : 糖元 ; M : 线粒体 ; N : 核 ; PV : 初级 顶体囊泡 ; Sc :实心杆 ; SV :次级顶体囊泡