枝角类动物生殖生物学研究进展

枝角类动物生殖生物学研究进展 生物学教学2012年(第37卷)第1期 枝角类动物生殖生物学研究进展 赵云龙(华东师范大学生命科学学院上海200062) 摘要本文综述了杖角类动物孤雌生殖和两性生殖方式生殖细咆发生,外环境因子 诱导两种生殖方式转化的研究现状以及现 代,{i物学技术枝加类生殖转化机理研究方面取得的成果.' 关键词杖用类孤雌生殖两性生殖生殖转化研究进展 枝角类俗称水蚤或红虫,是一类小型浮游动物, 隶属节肢动物门(Arthropoda),甲壳纲(Crustaeea),鳃 足亚纲(Branehiopoda),双甲目(Diplostraca),枝角亚目 (Cladocera).枝角类身体左右侧扁,略呈长圆形,分为 头部和躯干部,体节不明显;除头部裸露外,身体其余 部分包被于透明的介形壳瓣内;体长约0.2,2.1mm, 一 般不超过1mm. 枝角类是一类重要的水生经济动物.它具有较高 的蛋白质含量(占干重的40%一60%),还含有水产 经济动物鱼,虾,蟹等生长发育所必需的氨基酸,维生 素及钙质,是水产业十分理想的活体饵料,其产量与渔 业生产关系密切.随着我国水产养殖及苗种生产的不 断发展,枝角类的需求量越来越大,生产上要求对枝角 类进行大规模人工培养,并能在不同季节保障供给. 因此,深入研究枝角类的生殖生物学,弄清其生殖方式 转化的规律和机理,不仅对水生经济动物鱼,虾,蟹等 的规模化养殖和育苗,推动渔业生产的发展具有重要 的现实意义,而且对研究动物生殖发育的模式,实现动 物生殖发育的人为调控具有重要的理论意义. 枝角类的生殖方式十分特殊,具有两种生殖模式: 孤雌生殖(单性生殖)和两性生殖(有性生殖).通常 在外界条件比较适宜时行孤雌生殖,雌体(孤雌潘)所 产卯于经受精而直接发育成子代;而受温度改变,食 物匮乏,种群密度过大等环境因素胁迫时,雄体出现, 生殖方式即转变为两性生殖.枝角类这种生殖方式随 环境条件的不同而相互交替进行,是对外界环境的一 种适应,也是其在漫长的生物演化过程中形成的生态 对策.孤雌生殖有助于枝角类种群的迅速发展,有性 生殖形成的休眠卵(受精卵)能确保枝角类渡过恶劣 环境条件,维持种群的存在与延续.本文对枝角类动 物的生殖生物学研究进展作一综述. 1关于枝角类动物生殖细胞的发生 对枝角类的研究始于l8世纪初,内容涉及形态 学,种群生态学,种质遗传学,环境毒理学和生殖生物 学等方面,,其中枝角类的生殖生物学一直是关注 的热点.这方面的研究内容包括隆线涵(Daphniacad— ruTta)生殖系统结构和生殖细胞发生的描述'4j,各种 生态因子如温度,食物,光照对隆线澄,微齿喜马拉雅 低额潘(Simocephalushimalayensis)及大型潘(Daphnia magna)生殖力和生殖量的影响-5,6J,隆线潘,大型潘 的两性雌溢(行有性生殖雌体)休眠卵显微和亚显微 结构的观察等. 然而,对枝角类在不同生殖状态下生殖细胞发生 和成熟分裂过程至今还存在争议.蒋燮治等提出孤雌 潘卵子的成熟只经历一次均等分裂,染色体未曾减半; 两性雌溢的卵子的发育则经历两次正常的成熟分裂, 育成的卵子是单倍体j.但Bacci等认为蚤状潘 (Daphniapulex)孤雌潘的卵子的形成要经历两次成熟 分裂,而非蒋燮治等描述的只有一次分裂,且认为第一 次分裂为"核内减数分裂",同源染色体配对,但细胞 没有分裂,也未释放出第一极体,因此孤雌溢卵仍为二 倍体J.Zaffagnirii等对意大利湖泊的蚤状潘和Daph— niamiddendorffiana的研究则发现,蚤状潘孤雌涵的卵 子的形成只经历一次均等分裂,释放出一个极体;两性 雌溢的卵子的发育则要经历两次减数分裂,释放出两 个极体,染色体数目减半.而Daphniamiddendorffiana 两种卵子的成熟都只经历一次均等分裂,释放出一个 极体,育成的卵子最后均为二倍体,两性雌溢的卵子不 需要受精就能正常发育j. 对枝角类不同种类卵子发育过程中的成熟分裂方 式引起争议的原因可能是由于早期研究方法和技术的 限制,如大多学者主要从外部形态观察生殖细胞的成 熟分裂,而不是通过连续组织学切片标本和染色体标 本来进行研究,导致无法清晰地观察到卵子分裂过程 中的染色体变化情况等,加之枝角类个体较小,难以把 握生殖细胞发育分裂的确切时间,故未对某一种枝角 类的生殖发育规律进行系统,深入的研究,这在一定程 度上影响了枝角类生殖方式转化原因的深入探索.但 这方面的工作恰恰是研究枝角类生殖生物学的基础, 也是进一步研究枝角类生殖转化机理的前提. 2关于枝角类动物的生殖转化机理 对枝角类生殖转化机理的探讨,早期的研究大多 集中在外界环境因子对枝角类生殖方式转变的诱导现 象,如研究发现温度,食物,光照周期等非生物因子和 种群密度,代谢产物及捕食等生物因子的改变均会诱 发两性雌体的产生,且能够增加子代幼溢中雄性的比 生物学教学2012年(第37卷)第1 例.多年的研究已经证明了枝角类生殖转化与环境因 子变化密切相关,但有时环境条件的改变并不会导致 枝角类生殖方式的转变或者环境条件良好的状况下仍 有雄体和两性雌体出现_I.于是有学者认为枝角类 进行有性生殖主要是由内部因素决定,环境变化在一 定程度上仅起诱导作用.支持这种观点的曹文清等认 为,蒙古裸腹潘(Moinarnongolica)孤雌生殖的个体本 身就存在着隐性基因,有向其中任一性别转化的潜能, 环境起着诱导作用l?;王金秋也提出枝角类的两性生 殖,并非只在环境恶化时才出现,而是一种生存对策, 在种群基因库中,同时存在着控制雄性个体和雌性个 体发生的基因,环境良好时,控制雌体和雄体发生的基 因频率极低,反之则高[加j.可见,枝角类生殖方式转 变是一个复杂的过程,由于研究极少,其发生的原因至 今未有确切定论. 近年来,许多学者对枝角类的研究已由宏观转向 微观,试图从细胞,分子水平上解释枝角类生殖转化的 机理.对枝角类基因的研究主要集中在核糖体DNA 和线粒体DNA等方面:Crease等对蚤状潘核糖体DNA 和线粒体DNA进行了序列测定和结构分析?;Ender 等对潘属微卫星DNA的位置进行了描述L1;Sullend— er则将一Pokey片段插入28SbrRNA编码基因的位点 上,尝试启动或改变枝角类的生殖状态,但发现枝角类 的生殖转化不受核糖体基因改变的影响L1.值得关 注的是近年科学技术的进步,为深入研究枝角类生殖 转化机理提供了新的思路.如张明凤等用蛋白质组学 技术研究了隆线潘不同生殖状态下的蛋白质 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 达差 异,发现隆线溢孤雌潘和两性潘有18个显着的蛋白质 差异点,并证实其中一个差异点为类酸脱氢酶,与生殖 转化相关?;Watanabe等于2005年构建了大型潘 cDNA文库,并从中随机挑选7210条基因表达序列标 签(EST),序列聚类拼接后得到2958条非冗余序列. 经同源性比对得到1218条惟一序列(uniquese— quences)与已知基因有较高同源性(其中,与ATP合 成,功能蛋白及蛋白酶相关的基因表达量尤其高),这 一 结果为后续深入研究枝角类生物学功能,生态和基因组之间的关系有重大帮助_】;之后,Yasuhiko等从 大型溢的cDNA文库中克隆表达了与生殖转化相关的 DM—domain基因?1;xu等构建了隆线溢孤雌潘cD— NA文库,并通过不同环境因子的影响,研究了环境感 应蛋白Chemonsensory基因的表达差异等?.虽然以 上这些工作未能真正探明枝角类生殖转化的机理,但 为深入研究枝角类的生殖生物学,即从宏观转向微观, 从细胞,分子水平上探索枝角类的生命本质打下了一 定的基础. ? 3? 自20世纪6O年代起,华东师范大学动物学研究 团队在老一辈科学家的领导下就开始了对枝角类形态 学,发育生物学和种群生态学等方面的研究.在了解 枝角类生长发育基本规律的基础上,近年来研究团队 对于枝角类生殖生物学作了重点研究,并主要以淡水 枝角类中个体较大,分布较广,易于人工培养的隆线潘 为研究对象,较为系统地研究了3种潘体(孤雌潘,两 性雌涵和雄潘)生殖腺的形态结构及生殖细胞发生的 显微和超微结构l,,生殖细胞发生过程中染色体的 行为变化以及成熟分裂中染色体联会复合体的形态 学【l9J,并应用蛋白质组学方法对隆线潘不同生殖状态 溢体(孤雌潘,两性雌溢)的差异蛋白进行序列测定和 功能分析l_1.在此基础上,于2009年进一步构建了 隆线潘孤雌潘和两性潘cDNA文库-l.经过对隆线 潘两性潘与孤雌潘的万余条EST序列进行特异表达分 析,筛选得到了在表达上差异极为显着的,且有可能在 生殖转化过程起主要调控作用的12个惟一序列,并正 在对它们展开相关的研究.以上这些工作为深入研究 枝角类生殖转化的机理积累了较好的基础资料.可以 相信,随着现代生物学技术的应用13趋成熟,在相关科 研工作者的齐心努力下,在不远的将来枝角类生殖的 奥秘一定会揭开. [本文得到国家自然科学基金项目的资助(No. 31172043)] 主要参考文献 [1]GurbuzH,OnalanSK,1998.ThegrowthofDaphniamagnaindif- ferentculturemedia.TurkishJournalofVeterinary&AnimalSei— enees,22(3):237,242 [2]OberdorsterE,RittsehofD,LeblaneGA.1998.Alternationof[c一 14]一testosteronemetabolismafterchronicexposureofDaphnia magnatotfibutyltin.ArchivesofEnvironmentalContaminationand Toxicology,34(1):21,25 [3]张明凤,赵云龙,杨志彪,等.2004.隆线潘孤雌潘生殖系统的 组织学.动物学杂志,39(4):68,72 [4]张明凤,赵云龙,曾错,等.2004.隆线潘雄性生殖系统的组 织学研究.华东师范大学,118(4):111—116 [5]施心路,史新柏.1996.微齿喜马拉雅低额潘的生殖与发育.动 物,42(3):287,296' [6]KhmelevaNN,GolubevAP,KidavaA.1995.Growthandreproduc— tionofDaphniamagnaunderchangingphotoperiodandtemperature conditions.DokladyAkademiiNaukBelamsi,39(3):71,74 [7]蒋燮治,堵南山编着.1979.中国动物志:节肢动物门甲壳纲淡 水枝角类.北京:科学出版社,1,297 [8]BacciG,CognettiG,VaecafiA.1961.Endomeiosisandsexdeter- min~ioninDaphniapulex.Experientia,17:505-506 [9]ZaffaguiniF,SabelliB.1972.Kawologicobservationsonthematu. rationofthesummerandwintereggsofDaphniapulexandDaphnia ? 4?生物学教学2012年(第37卷)第1期 植物细胞壁的特化及其与组织功能的适应 牛玉璐(河北省衡水学院生命科学系0530oo)王卫东(河北省沧州职业技术学院061001) 摘要植物细胞壁的特化是指由于细胞壁渗入不同的化学成分,引起细胞壁的结构和理化性质产生明显差异的现象.植物细 胞壁的特化类型主要包括木质化,角质化,栓质化,矿质化和黏液化等.在植物体保护组织,机械组织和输导组织中,表皮细胞,木 栓层细胞,纤维,石细胞,导管分子和筛管分子的细胞壁不同类的特化,体现了结构与功能的高度适应. 关键词细胞壁特化植物组织 细胞壁是包围在植物细胞原生质体外的一层有一 定硬度和弹性的固体外壳,是植物细胞特有的结构,其 主要功能是维持细胞形状,支持和保护原生质体l_lJ. 植物组织是完成植物体各项生理功能的结构基础.不 同组织细胞壁结构和化学成分均发生特化,与其功能 高度适应,并构成了植物组织最为鲜明的特征2. 1细胞壁的层次与化学组成 细胞壁是原生质生命活动中所形成的多种壁物质 加在质膜外方所构成的.由于这些壁物质种类,数量 和比例组成上的差异,使细胞壁具有成层现象.细 胞壁由内到外一般分为胞间层,初生壁和次生壁三个 层次,也有一些细胞仅具胞间层和初生壁. 1.1胞问层胞间层亦称中层,是细胞分裂产生新细 胞时形成的,主要成分是果胶质.胞间层的存在使相 邻的细胞粘连在一起,并可缓冲细胞间的挤压. 1.2初生壁初生壁是在细胞生长过程中形成的细 胞壁层次,主要成分是纤维素,半纤维素和果胶质.初 生壁具有较大的可塑性,既可使细胞保持一定形状,又 能随细胞生长而延展. 1.3次生壁次生壁是细胞体积停止增大后加在初 生壁内表面继续积累形成的细胞壁层,其主要成分为 纤维素和半纤维素. 2细胞壁的特化及常见类型 2.1细胞壁的特化在细胞壁停止生长后,由原生质 m/ddendorffiana.Chromosoma,36(2):193—203 [1O]王金秋,张佳忆,黄博.20OO.生态因子的波动对多刺裸腹 潘雄体发生的影响.应用生态11(1):135—137 [il]曹文清,林元烧,郭东晖,等.1999.蒙古裸腹淹染色体组型研 究.台湾海峡,18(1):71—75 [12]CreaseTJ.1999.Thecompletesequenceofthemitochondrialge— nomeofDaphniapulex(Cladocera:Crustacea).Gene,233:89— 99 [13]EnderA,SchwcnkK,SmedierT.eta1.1996.RAPDidenfific~ion ofmicrosatellitesinDaphn~.MolecularEcology,5(3):437,441 [14]SullenderBW.1993.Preliminarycharacterizationandpopulation surveyoftheDaphniarDNAtransposableelement,Pokey(parthe— nogenesis).PhD,UniversityofOregon,l1-48 [15]MinngZ,Yunlongz,GuoZ.20o6.Differentialproteinexpres一 体产生一些特殊的次生代谢物质,并填充到细胞壁纤 维素分子束交错的网状空间里,从而引起细胞壁的结 构和理化性质产生明显的变化,即细胞壁的特化.细 胞壁的特化是植物在长期进化过程中,植物细胞在对 环境和生理功能的适应的结果. 2.2细胞壁特化的类型根据细胞壁中渗入的化学 成分不同,细胞壁的特化类型主要有木质化细胞壁,角 质化细胞壁,栓质化细胞壁,矿质化细胞壁和黏液化细 胞壁等[. 2.2.I木质化细胞壁木质化细胞壁指细胞壁内填 充和附加了木质素.木质素是一种分子量相当高的有 机化合物,是苯基丙烷衍生物的聚合产物.它比纤维 素弹性小,但硬度大.经过木质化后,细胞壁的硬度提 高,增加了细胞壁的机械支撑能力. 2.2.2角质化细胞壁角质化细胞壁指细胞壁为角 质所浸透,并常在细胞壁的表面形成一层无色透明的 角质层.角质的主要单体成分是单,双及三羟基脂肪 酸,这些羟基脂肪酸主要通过酯键相互连接.细胞壁 的角质化使细胞表面形成坚固的疏水层. 2.2.3栓质化细胞壁栓质化细胞壁指细胞壁内填 充和附加了栓质.栓质是脂肪酸组成的高度聚合的化 合物.细胞壁经过栓质化后,失去了对水和空气的通 透性. 2.2.4矿化细胞壁矿化细胞壁指细胞壁渗入钙盐 sionbetweenparthenogeneticandsexualfemaleofDaphnla(Cteno- daphnia)carinata.ActaZoologicaSinica,52(5):916-923 [16]WatanabeH,TatarazakoN,OdaS,eta1.2005.Analysisofex— pressedsequencetagsofthewaterfleaDaphniamagna.Genome, 48:606—609 [17]YasuhikoK,KaoruK,Shigeto0,eta1.2008.Molecularcloning andsexuallydimorphicexpressionofDM—domaingenesinDaphnia magna.Genomics,91:94—101 [18]XiaoqianX,Shuhuis,Q.nW,eta1.2009.Analysi8ofasetofpar- thenogeneticwaterflea(Daphniacarinata)expressedsequencetags withcomparisontothegenomeseqllencesoftheD.pu/ex.Molceu— larGeneticsandGenomies,282(2):197,203 [19]张明风,曾错,陈寅山,等.2OO9.隆线潘生殖细胞成熟分裂 过程中染色体的组型观察.中国水产科学,16(6):868—877