全 文 ：傅氏凤尾蕨精子发生超微结构的研究*
曹建国,代小菲,王全喜
(上海师范大学生命与环境科学学院,上海暋200234)
摘要:超微结构研究显示傅氏凤尾蕨 (PterisfaurieiHieron)精子发生过程包括生毛体、多层结构和鞭毛
等运动细胞器重新发生,环状线粒体形成,核塑形等过程,最后形成一个螺旋形的游动精子,这与其他真
蕨类精子发生过程相似。本研究观察到的一些新现象包括:精细胞在分化早期呈极性,细胞核位于精细胞
的近极端,生毛体、线粒体和质体等细胞器主要分布远极端;在生毛体分化早期,可见大量微管从其发
出,其周围线粒体丰富;基体分化经历了前中心粒、中心粒和基体3个阶段,它们的内部结构不同;研究
表明生毛体内的不定形物质是微管组织者,多层结构、附属微管带及鞭毛等细胞器均由不定形物质分化形
成;精细胞在分化过程中产生了丰富的膜结构,它们可能为精核塑形提供原料。本研究报道了傅氏凤尾蕨
精细胞分化的一些细节,这有助于进一步揭示蕨类植物精子发生的细胞学机制。
关键词:蕨类;傅氏凤尾蕨;精子发生;超微结构
中图分类号:Q944暋暋暋暋 暋暋文献标识码:A暋暋暋 暋暋暋暋文章编号:0253灢2700(2010)04灢303灢12
AnUltrastructuralStudyoftheSpermatogenesisofthe
FernPterisfauriei(Pteridaceae)
CAOJian灢Guo,DAIXiao灢Fei,WANGQuan灢Xi
(ColegeofLifeandEnvironmentSciences,ShanghaiNormalUniversity,Shanghai200234,China)
Abstract:TheultrastructuralresearchrevealsthatthespermatogenesisofthefernPterisfaurieiundergoes
thedenovooccurrenceofthemotileorganeles,includingtheblepharoplast,multilayeredstructureandfla灢
gela,theformationofthecoiledmitochondrionandnuclearshaping,andfinalyformsaspiralspermatozoid,
whichresembleotherhomosporousfernsdescribed.Somenewphenomenonordetailsduringspermatiddif灢
ferentiationinpresentstudyincluding:Spermatidsshowpolardifferentiationintheearlystage,thenucleus
liesintheproximalend(theendofcelplateformationinmitosis),andtheblepharoplast,mitochondriaand
plastidsmainlylocatedinthedistalend.Abundantmicrotubulesextendfromtheblepharoplastandplentyof
radialmitochondriasurroundtheblepharoplast.Thedifferentiationofthebasalbodiesundergoes3stages,
i灡e.procentriole,centrioleandbasalbody.Theirinternalstructuresshowdifferentpatterns,whicharethe
tubularpattern,cartwheelpattern,andstelatepatternrespectively.Theamorphousmaterialintheblephar灢
oplastisconsideredtobethemicrotubuleorganizer,fromwhichthemultilayeredstructure,theaccessorymi灢
crotubularribbonandflagelaaredifferentiated.Abundantmembranousstructuresareproducedinthecourse
ofspermatiddifferentiation,whichmaybeusedasenvelopematerialsinnuclearshaping.Thisstudyreveals
somedetailsduringspermatogenesisofthefernPterisfauriei,whichcontributestounderstandthemecha灢
nismofspermatogenesis.
Keywords:Fern;Pterisfauriei;Spermatogenesis;Ultrastructure
云 南 植 物 研 究暋2010,32(4):303~314
ActaBotanicaYunnanica暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋DOI:10灡3724/SP灡J灡1143灡2010灡10035
* 基金项目:国家自然科学基金项目 (30970267);上海市教委项目 (08YZ67)
收稿日期:2010灢02灢05,2010灢04灢06接受发表
作者简介:曹建国 (1968-)男,博士,主要从事蕨类植物生殖与发育生物学研究。E灢mail:cao101@shnu灡edu灡cn
暋 蕨类植物精子发生是一个非常复杂的细胞
学过程,精子器内的原始精原细胞 (theinitial
spermatogenouscel)通常经4~5次连续同步分
裂形成16~32个精母细胞 (spermitocytes),超
微结构和免疫荧光技术研究表明蕨类精母细胞中
含有2个生毛体,它们随着细胞分裂分配到2个
精细胞中 (Doonan等,1986;MarcandGun灢
ning,1986;RenzagliaandGarbary,2001)。精
细胞经过生毛体、多层结构 (片层带和微管带)
和鞭毛等运动细胞器的发生,线粒体重新组织,
核塑形等过程,最终分化为1个游动精子。迄
今,已对真蕨类中的蕨 (Pteridiumaquilinum )、
苹 (Marsileavestita)、球子蕨 (Onocleasen灢
sibilis)、水蕨 (Ceratopterisrinchardi )等蕨
类植物精子发生的全部或部分过程进行了研究
(Bel andDuckett,1976;Mylesand Hepler,
1977;Kotenko,1990;Vaughnand Bowling,
2008)。尽管如此,蕨类植物精子发生因其复杂
的细胞学变化,许多细节仍然未知,如精细胞发
生的早期特征,附属微管带、膜结构的形成等。
本研究以无配子生殖蕨类傅氏凤尾蕨 (Pteris
fauriei) (沈建等,2009)为材料,对其精子发
生过程进行超微结构研究,试图揭示其生毛体、
多层结构、基体和鞭毛等运动细胞器发生和发育
的详细特点。该研究对进一步揭示蕨类植物精子
发生的机制具有一定的科学意义。
1暋材料与方法
傅氏凤尾蕨 (PterisfaurieiHieron)的孢子采自福
建建瓯万木林保护区。孢子经5%的次氯酸钠溶液消毒,
无菌水洗涤,接种于改良 Knop曚s固体培养基上。置于
人工智能气候箱内培养,每天光照18h,光强为150
毺mol·m灢2s灢1,温度25曟;黑暗6h,温度20曟。2个月
左右配子体发育成熟。在解剖镜下选取带有精子器的配
子体,将材料迅速放入0灡1mol·L灢1磷酸缓冲液配制的
3%的戊二醛中,室温下固定6~12h。用同样的缓冲液
冲洗3h(每小时换一次缓冲液),转入2%的锇酸中室
温下固定2h,再用0灡1mol·L灢1磷酸缓冲液冲洗4h,
经系列丙酮脱水,最后用Spurr曚s树脂渗透并包埋,先
在切片机上切1毺m厚的薄切片,用甲苯胺兰染色,进
行光镜观察和定位,然后进行超薄切片,切片经饱和醋
酸铀和柠檬酸铅染液染色,用 Hitachi灢600透射电镜观察
并照相。
2暋观察与结果
2灡1暋精原细胞和精母细胞的形成
傅氏凤尾蕨精子器产生于雄配子体的边缘或
表面,精子器壁由3个细胞构成,分别为盖细
胞、环细胞和基细胞 (图1:A)。壁内为精原细
胞 (spermatogenouscels),呈方形或多边形,
宽度约15毺m (图1:A,B),精原细胞的核显
著,核仁不规则 (图1:B),精原细胞内线粒
体、高尔基体发达,质体几不含淀粉粒,片层结
构发育不良 (图1:C,D),而精子器壁细胞内
质体具有发达的片层结构和丰富的淀粉粒 (图
1:E)。精原细胞与精子器壁之间的细胞壁较厚
(图1:C,E),而精母细胞之间的细胞壁较薄,
且具有发达的胞间连丝 (图1:D)。精原细胞经
4或5次有丝分裂形成16或32个精母细胞,精
母细胞再经最后一次有丝分裂产生32或64个精
细胞 (spermatid)。
2灡2暋生毛体发育与多层结构形成
早期生毛体:本研究从已经略微变圆的精细
胞中发现了早期生毛体 (blepharoplast) (图2:
A,B)。生毛体早期呈球形,直径约为0灡8毺m,
由一团电子染色暗的物质构成,染色浅的通道纵
贯整个生毛体,通道的中心具有 1 条暗核
(core)(图2:C,D)。该阶段的一个显著特点
是精细胞呈极性,细胞核位于精细胞近极端 (精
母细胞有丝分裂时形成细胞板的一端),线粒体
和质体等细胞器集中分布在远极端 (图2:A)。
生毛体发生在远极端,其周围细胞器丰富,尤其
是发育良好的线粒体在生毛体周围呈放射状排列
(图2:A,B)。放大观察可见微管从生毛体发
出,呈放射状向外延伸 (图2:C,箭示)。细胞
核与生毛体对应处通常会有凹刻或凸起 (图2:
A,B)。本研究还发现由不定形的颗粒状物质构
成的球形结构,其周围放射状排列的微管明显,
该球形结构可能是更早期的生毛体 (图2:E)。
中期生毛体:随发育生毛体直径增大至1灡5
毺m左右,其周围分化出多数中心粒 (centri灢
oles),成为疏松的球形或椭球形 (图3:A~
C),中心粒横切面呈轮状结构 (cartwheelpat灢
tern),周围由9个三联体微管组成,呈覆瓦状
排列,柱状体中心是1个暗塞 (hub),从暗塞
发出9条辐条 (spokes)延伸到对应的三联体微
403暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋 暋暋暋暋暋暋暋云暋南暋植暋物暋研暋究暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋第32卷
管上 (图3:C,插图)。生毛体内部由电子染色
暗的不定形物质 (OM)构成 (图3:C)。本阶
段,精细胞逐渐由多边形变为圆形 (图3:A),
尽管细胞之间的连接减少,但细胞之间仍存在发
达的胞间连丝 (图3:A,插图)。细胞核在近生
毛体处通常向内凹陷,细胞核内异染色质明显,
未见核仁存在。此期,质体和线粒体发达,主要
围绕着细胞核分布 (图3:A)。在生毛体附近,
可见发育良好的线粒体,有些线粒体相互接近,
似乎在相互融合 (图3:B)。有时,可见质体内
含1~2小淀粉粒,片层结构发育不良,质体基
质与线粒体的十分相似 (图3:D)。内质网、高
尔基体等细胞器均较发达 (图3:D)。
生毛体消失与多层结构的发生:生毛体发育
末期,精细胞已由多边形转变为圆形,细胞之间
形成明显的分离腔 (图4:A)。此时,中心粒在
图1暋精原细胞。A:精子器,周围是基细胞 (BC)、环细胞 (RC)和盖细胞 (CC),内含32个精原细胞;B:精原细
胞,细胞核 (N)较大,细胞质丰富。C:精原细胞内线粒体 (M)和高尔基体 (G)发育良好,质体 (P)内光合片
层较少;D:精原细胞之间具发达的胞间连丝 (Pd);E:与精原细胞相比,精子器壁细胞内质体较大,光合片层发育
良好,含多数淀粉粒。ER灢内质网;JC灢壁细胞;Ri灢核糖体;S灢淀粉粒;Ve灢囊泡;W灢细胞壁
Fig灡1暋Spermatogenouscels.A:Anantheridiumcontainingabout32spermatogenouscels,whichsurroundedbyabas灢
alcel(BC),aringcel(RC)andacapcel(CC);B:Aspermatogenouscel,containingalargenucleusandabundantcy灢
toplasim;C:Organelesinthespermatogenouscel,includingweldevelopedmitochondria(M),Goldgibodies(G)and
plastids(P)whichcontainingfewlamelae;D:Plasmodesmata(Pd)areweldevelopedbetweenthespermatogenous
cels.E:Plastid(P)ofthejacketcelsismuchlargerandcontainmorestarchgrainsthanthoseofspermatogenouscels.
ER灢endoplasmicreticulum;JC灢jacketcel;Ri灢ribosome;S灢starchgrain;Ve灢vesicle;W灢celwal
5033期暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋曹建国等:傅氏凤尾蕨精子发生超微结构的研究暋暋 暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋
图2暋生毛体发育早期。A:略变圆的精细胞,在精细胞远端可见早期的生毛体 (B),生毛体周围线粒体 (M)发
达,呈放射状排列;B:图2A的局部,显示生毛体 (B)及其周围放射状排列的线粒体 (M);C,D:由暗物质组
成的球形的生毛体 (B),内部贯穿有染色浅的通道,微管 (箭示)从生毛体发出,呈放射状排列;E:由电子暗的
不定形物质组成的初生生毛体 (B),箭示微管。P灢质体
Fig灡2暋Earlystageofblepharoplast.A:Aslightlyroundspermatid,ablepharoplast(B)ofearlystageoccursnear
thedistalend.Theradialmitochondria(M)areabundantaroundtheblepharoplast;B:Partoffigure2A,showingthe
blepharoplast(B)andtheradialmitochondria;C,D:Sphericalblepharoplastofopaquematerialpenetratedbylight
stainedchannels.Numerousmicrotubules(arrows)extendfromblepharoplast.E:Thenascentblepharoplast(B)
consistsofamorphousopaquematerials,thearrowsindicatethemicrotubules.P灢plastid
生毛体内侧 (朝细胞核一侧)打开,其内的不定
形物质很快分化产生多层结构 (multilayered
structure,MLS) (图4:A~D)。多层结构是
精细胞重新产生的一种细胞器,放大观察,可见
多层结构由3层构成,最外层是微管带 (Micro灢
tubularribbon,MTR),它由一排紧密相连的微
管构成,微管之间距离约为30nm (图4:D);
在微管带下方是由类似于鳃膜的隔板组成片层带
(Lamelarstrip,LS),片层带在整个发育过程
中高度不变,约为50nm,纵向可螺旋状伸长,
隔板间的距离约15nm,正好是微管直径的一
半,即隔板数比对应的微管数多一倍 (图4:D,
图6:C)。片层带下侧为嗜锇层,厚度约15nm
(图4:D,箭示)。片层带一旦形成,立即与一
个线粒体相连,该线粒体称为环状线粒体 (coiled
mitochondrion) (图4:B~D)。生毛体内部的不
定形物质沿着微管带外侧分散,中心粒仍呈放射
状排列在电子暗物质的外围 (图4:B,C)。
2灡3暋微管带生长与基体形成
微管带一旦形成,很快延伸到核的表面,此
时,精细胞仍然呈圆形,细胞之间具有明显的壁
层 (图5:A),放大观察,可见微管带约覆盖
1/2核表面,中心粒沿着微管带扩散 (图5:
B),但在微管带的前端仍可见丛状分布的中心
603暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋 暋暋暋暋暋暋暋云暋南暋植暋物暋研暋究暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋第32卷
粒 (图5:A,B)。在核的表面,微管与核膜结
合紧密,微管带下方双层核膜清晰可辨 (图5:
C,箭示)。一层电子染色暗的不定形物质分布
在微管带外侧 (图5:C),该层物质与生毛体内
的不定形物质相连。当中心粒一旦分布到微管带
表面后,其远端开始向前生长,形成星状结构区
域,中心粒分化为基体 (basalbody)(图5:D,
图6:E2),基体的近极端与不定形的暗物质相
连接,外方有内质网分布 (图5:D)。
2灡4暋核塑形
核塑形阶段,精细胞原生质体明显消瘦,质
膜与细胞壁之间产生了空腔 (图6:A)。随着微
管带在精核表面的生长,基体已全部分散于微管
带的外侧 (图6:B)。此时,细胞核形态开始发
生不可逆的转变,核逐渐由圆形变为不规则形
状,内部的染色质也开始凝结 (图6:A,B)。
在微管带侧方,多层结构仍是最显著的细胞器,
其片层带的高度和宽度基本保持不变,纵向可螺
旋状生长 (图6:C)。微管带的长轴与片层带的
长轴之间夹角约为45o (图6:D)。在多层结构
图3暋生毛体发育中期。A:生毛体 (B)常常发生在细胞核 (N)凹刻处,细胞器围绕细胞核,相邻精细胞之间有
宽的胞间连丝连接 (插图);B:多个线粒体 (M)出现在生毛体 (B)内侧,它们似乎在相互融合;C:生毛体内
部分化出不定形暗物质 (OM),外围是中心粒 (箭),其横切呈车轮结构 (插图);D:精细胞内细胞器发达,如质
体 (P)、线粒体 (M)、高尔基体 (G)、内质网 (ER)等。Ri灢核糖体;S灢淀粉粒
Fig灡3暋Middlestageofblepharoplast.A:Theblepharoplast(B)oftenoccursintheindentationofthenucleus(N).
Theorganelessurroundingthenucleus.Widenedplasmodesmataconnectingtheadjacentspermatids(inset);B:Sev灢
eralmitochondria(M),oftenseenneartheblepharoplast,seemtobefusingwitheachother;C:Blepharoplastinmid灢
dlestageconsistsofinneramorphousopaquematerials(OM)andoutercentrioles(arrow),whichshowscartwheel
patternincrossseciton(inset);D:Weldevelopedorganeles,includingthemitochondria,plastids(P),Golgibodies
(G)andendoplasmicreticulum (ER)inspermatid.Ri灢ribosome;S灢starchgrain
7033期暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋曹建国等:傅氏凤尾蕨精子发生超微结构的研究暋暋 暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋
图4暋多层结构发生 (生毛体发育末期)。A:细胞核 (N)变得不规则,生毛体 (B)呈半球形,下方分化产生了
多层结构 (MLS);B:生毛体下方中心粒 (箭)打开,不定形物质 (OM)沿微管带 (MTR)外侧分布,多层结
构内侧是环形线粒体 (CM);C:图4B放大,示中心粒 (箭)的纵切、多层结构和环形线粒体横切;D:多层结构
由微管带 (MTR)、片层带 (LS)和嗜锇层 (箭)三部分构成。M灢线粒体;ER灢内质网
Fig灡4暋Formationofthemultilayeredstructure(latestageofblepharoplast).A:Thenucleusbecomesirregular.The
blepharoplasttransformsitselftoasemisphericalshapeandthemultilayeredstructure(MLS)isformedunderthe
blepharoplast;B:Magnificationshowingthatthecentrioles(arrows)openedandtheamorphousopaquematerials
(OM)oftheblepharoplastspreadoutsideoftheMTR.UndertheMLSisthecoiledmitochondrion(CM);C:Magni灢
ficationshowingthelongitudinalsectionofcentriolesandtransversesectionoftheMLSandcoiledmitochondrion.D:
TheMLSconsistsofthreelayersi灡e.themicrotubularribbon(MTR),Lamelarstrip(LS)andosmiophilicplate(ar灢
rows).M灢mitochondrion;ER灢endoplasmicreticulum
的前端,微管带上方有冠状的不定形物质,其内
部已分化出了附属的微管带 (图6:D,箭示)。
此期,基体已经长出鞭毛,鞭毛内部结构会依据
所在的位置而不同。在鞭毛的基部 (近端),基
体管壁是由三联体微管 (triplets)构成,中间
有一个塞,塞向外辐射出9条辐,形成 “车轮结
构暠(图6:E1)。在基体的远端,横切面上可见
到 “星状结构暠,星状结构共有9个角,每个角
正对着一个三联的微管 (图6:E2)。基体伸出
质膜的位置为隔板 (plate) (图6:E,箭示)。
隔板外是鞭毛的轴丝 (axoneme),轴丝基部微
管呈 “9+0暠结构,中心无微管 (图6:E3)。
轴丝其余部分为 “9+2暠结构,中心有1对微管
(图6:E4)。该阶段精细胞内线粒体进一步发
育,高尔基体周围有大量的高尔基小泡,它们似
乎正在通过质膜向外释放 (图6:F)。前一阶段
少见的内质网,此时大量出现,这些内质网主要
发生于细胞的边缘 (图6:F)。在质膜和初生壁
之间有丝状的物质沉积形成膜状的细胞壁 (图
6:F)。
803暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋 暋暋暋暋暋暋暋云暋南暋植暋物暋研暋究暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋第32卷
图5暋微管带在细胞核表面生长。A:正在分化的精细胞整体,生毛体 (箭)紧贴细胞核 (N);B:大部分生毛体
基体 (BB)沿着核表面微管带 (MTR)外侧分布,一少部分仍呈丛状;C:微管带 (MTR)与核膜 (箭)紧密结
合,电子染色暗的不定形物质 (OM)分布在核膜外侧。D:基体的纵切,示轮状结构 (CP)和星状结构 (SP)
区。ER灢内质网;P灢质体;W灢细胞壁
Fig灡5暋Themicrotubularribbonextendandgrowthonnuclearsurface.A:Thedifferentiatingspermatid,blepharo灢
plast(arrow)liesonthenuclear(N)surface;B:Mostofbasalbodies(BB)oftheblepharoplastspreadalongthemi灢
crotubularribbon(MTR)outsidethenuclearsurface,onlyapartstilclusters;C:MTRcloselyconnectswiththenu灢
clearenvelope(arrows).Alayerofopaqueamorphousmaterial(OM)distributedoutsidetheMTR.D:Longitudinal
sectionofthebasalbodies,showingcartwheelpattern(CP)andstelatepattern(SP).ER灢endoplasmicreticulum;P灢
plastid;W灢celwal
暋暋在多层结构及其微管带螺旋状生长的带动
下,细胞核逐渐变为螺旋状 (图7:A)。该阶段
核内的染色质已凝结成较大的块 (图7:A,
B),并且,凝结的染色质向微管带内侧聚集,
在微管带覆盖的核膜内侧形成一条连续的带 (图
7:B,箭)。随着染色质的凝结与聚集,核形态
发生不可逆的变形。精细胞细胞质继续消瘦,细
胞器主要汇集在螺旋状细胞核的内侧,线粒体发
达,除了环状线粒体外,还有许多游离的线粒体
紧贴细胞核,质体内淀粉粒显著,同心环膜状结
构大量出现于精细胞内 (图7:B,C)。
2灡5暋游动精子
经过核塑形阶段,精细胞最终成为一个螺旋
3灡5圈的游动精子,它由螺旋状的多层结构、微
管带、环状线粒体、细胞核以及鞭毛等构成 (图
7:D,E)。游动精子细胞核的染色质已变得高
度浓缩 (图7:D)。细胞核呈螺旋2灡5~3圈的带
状,核的前端尖细,向后逐渐增宽,横切面呈扁椭
圆形,核的外侧及内侧大部分表面均有微管带覆
盖。在成熟精细胞的后部,环状细胞器的内侧又重
新产生了许多大而明显的造粉质体,除此之外,后
部还有许多大的囊泡和独立的线粒体 (图7:E)。
9033期暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋曹建国等:傅氏凤尾蕨精子发生超微结构的研究暋暋 暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋
图6暋核塑形阶段。A,B:精细胞,细胞核 (N)开始变形;C:精细胞前端,微管带 (MTR)连接多层结构 (MLS)与细胞
核;D:多层结构前端,其外侧的不定形物质 (OM)内部分化产生了附属微管带 (箭);E:鞭毛纵切示基体和轴丝的内部结构,
从近端到远端横切结构分别为轮状结构 (E1),星状结构 (E2),隔板 (箭头),以及轴丝的 “9+0结构暠(E3)和 “9+2结构暠
(E4);F:精细胞内内质网 (ER)形成大量的膜结构。P灢质体;M灢线粒体;G灢高尔基体;MLS灢多层结构;LS灢片层带;CM灢环
状线粒体;W灢细胞壁
Fig灡6暋Nuclearshapingstage.A,B:spermatidwithatransformingnucleus(N);C:Sectionthroughtheanteriorportionofthe
differentiatingspermatid,showingthemicrotubularribbon(MTR)connectsthemultilayeredstructure(MLS)andnucleus(N).D:
VerticalsectionthroughtheanteriorpartofMLSoverlainbyamorphousmaterials(OM),inwhichaccessoryMTR (arrow)has
beenformed.E:Longitudinalsectionoftheflagelumshowingtheinnerstructureofthebasalbodiesandaxoneme.Proceedingfrom
proximaltodistalregioniscartwheelpattern(E1),stelatepattern(E2),plate(arrows),“9+0pattern暠(E3)and“9+2pattern
(E4)暠oftheaxoneme.F:Endoplasmicreticula(ER)formabundantparaleledmembranesinthecytoplasmofthespermatid.P灢plastid;
M灢mitochondria;G灢Golgibody;MLS灢multilayeredstructure;LS灢lamelastrip;CM灢coiledmitochondrion;W灢celwal
013暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋 暋暋暋暋暋暋暋云暋南暋植暋物暋研暋究暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋第32卷
图7暋核塑形和游动精子形成。A:沿螺旋状精子长轴的纵切片,可见细胞质显著减少,鞭毛 (F)伸出质膜。B:图7A 的左侧
放大,示意核 (N)内染色质浓缩,尤其是在微管带 (MTR)内侧浓缩的染色质 (箭)紧贴微管带;C:精细胞后部,示游离线
粒体 (M)、质体 (P)和同心环膜状结构 (Vcm);D:成熟精子 (游动精子)上部的横切,示螺旋状细胞器和细胞核 (N),核
内染色质高度浓缩;E:沿螺旋状3灡5~4圈游动精子长轴的纵切,核螺旋2灡5~3圈,多层结构螺旋0灡75~1圈,N1灢N6是螺旋
状细胞核的横切面,精子内重新产生大量的质体,内含丰富淀粉粒。BB灢基体;LE灢带状精子的上沿;TE灢带状精子下沿;CM灢环
状线粒体;W灢细胞壁
Fig灡7暋Nuclearshapingandspermatozoid.A:Sectionthroughthelongitudinalaxisofthespiralspermatid,thecytoplasmdiminishesgreat灢
ly.Flagela(F)presentouttheplasmalemma.B:Leftsideofthespiralspermatidinfigure7A,thechromosomecondenses,especialythat
attachesinsidethemicrotubularribbon;C:Theposteriorportionofthespermatid,showingthefreemitochondria(M),plastids(P)andcon灢
centricalmembranousvesicles(Vcm).D:Transversesectionthroughtheupperportionofthespiralmaturesperm(spermatozoid),showing
thecondensednucleus,coiledmitochondrionetc.E:Longitudinalsectionofthespiralmaturesperm,with2灡5-3gyresofnucleus(Nu)and
about0灡75-1gyresofmultilayeredstructure.Sixprofilesofthespiralmalenucleus(N1灢N6)appearinthesection.Plentyofplastidinner
thespiralsperm.BB灢basalbodies;LE灢leadingedgeofthesperm;TE灢trailingedgeofthesperm;CM灢coiledmitochondrion;W灢celwal
1133期暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋曹建国等:傅氏凤尾蕨精子发生超微结构的研究暋暋 暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋
这些质体和囊泡可能是精子形成后剩余的物质,
在精子成熟时以囊泡的形式贮存在精细胞的后
部,当精子从精子器释放出后或在精子进入颈卵
器之前,它们会以大囊泡的形式释放掉。
3暋讨论
迄今,人们已知蕨类植物精细胞的分化经历
生毛体、多层结构和鞭毛等运动细胞器的发生,
线粒体重新组织,核塑形等阶段,最终分化为1
个游动精子 (Bel andDuckett,1976;Myles
andHepler,1977;Kotenko,1990;Vaughnand
Bowling,2008)。傅氏凤尾蕨精子发生与这些蕨
类精子发生过程基本相似,但本研究发现了一些
与前人观察的诸多不同之处。
精细胞的极性分化:傅氏凤尾蕨精细胞发育
早期呈现出极性分化,细胞核位于精细胞的近
极,生毛体、线粒体等细胞器主要分布在细胞远
极,精细胞的这种极性分化可能对后来游动精子
发生具有重要意义,生毛体所在的位置将来可能
分化为游动精子的前端。Doonan等 (1986)曾
指出Platyzomamicrophylum 精细胞中微管对
精细胞极性的建立具有重要作用。本研究发现傅
氏凤尾蕨精细胞发育早期有大量微管从生毛体发
出,在细胞质中呈放射状分布,线粒体等细胞器
与微管的排列方向相同,这可能表明微管通过影
响细胞器分布来决定精细胞的极性发生。
生毛体的发生及其功能:生毛体的发生是人
们感兴趣的问题之一,Hepler (1976)对苹
(Marsilea)的研究表明生毛体在精原细胞倒数
第二次和第一次分裂之前曾2次发生;而 Marc
andGunning(1986),Doonan等 (1986)通过免
疫荧光显微观察指出蕨 (Pteridiumaquilinum )
和Platyzomamicrophylum 生毛体的发生可能
只有一次,即在精母细胞之前发生。本研究通过
大量切片未能在精原细胞内发现生毛体,支持生
毛体仅在精母细胞阶段发生一次。生毛体的最早
形态仍不十分明确,VaudoisandTourte(1979)
认为蕨 (Pteridiumaquilinum )生毛体最初来
自电子染色暗的颗粒状或絮状物质;Hepler
(1976)也认为苹 (Marsilea)的生毛体最初为一
团絮状物质,位于细胞核附近,此处核膜有缺刻,
他设想细胞核参与了生毛体的形成;Doonan等
(1986)和 Kotenko (1990)分别在Platyzoma
microphylum 和球子蕨 (Onocleasensibilis)
精细胞中观察到了颗粒状物质构成的球形结构,
他们认为该结构是微管组织中心,生毛体来自于
该结构。我们在傅氏凤尾蕨精细胞中也观察到了
由不定形物质构成的球形结构,该结构周围微管
发达,内部似乎正在分化出柱状体 (图2:E),
这些证据支持生毛体来源于细胞核附近由不定形
物质构成的球形结构。
多数学者认为生毛体是蕨类植物精细胞的微
管组织中心,具有组织精母细胞有丝分裂的作用
(Hepler,1976;Hoffman等,1994;Vaughnand
Bowling,2008)。但也有学者通过免疫荧光观察
提出生毛体并不是纺锤体的组织者,只是在精母
细胞有丝分裂早后期 (earlyanaphase)聚焦在
纺锤 体 极 上 (Doonan 等,1986)。Marcand
Gunning(1986)也观察到蕨 (Pteridiumaquili灢
num )生毛体在精母细胞有丝分裂中期曾远离
纺锤体极,但他们并没有否认生毛体是微管组织
者。本研究发现初期生毛体周围有大量细胞质微
管,向周围呈辐射状排列,在生毛体发育过程中
其内部先后分化出中心粒、多层结构、微管带和
基体,它们都是微管的不同组织形式,这无疑表
明生毛体具有微管组织者的作用。
本研究发现电子染色暗的不定形物质在生毛
体发生过程中变化显著,早期生毛体是由不定形
物质构成,在生毛体发育末期,其内部的不定形
物质又分化产生了多层结构和微管带。当微管带
延展到精细胞核表面后,生毛体内的不定形物质
又分布到微管带的外侧,中心粒也随之分布,此
后,中心粒远极端伸长形成星状结构和鞭毛轴
丝,这一切似乎表明生毛体内的不定形物质具有
分化出微管的功能。Pichett灢Heaps (1969)就
已经提出细胞有丝分裂过程中不定形物质是微
管组织中心。Bel (1974a),Bel andDuckett
(1976)也曾提出微管带外侧的嗜锇物质负责组
织鞭毛的形成,这种颗粒状的物质可能是微管单
体的库,它对运动细胞器的分化十分重要。
Hoffman等 (1994)也指出水蕨精细胞微管带
外面的不定形区是微管组织中心之一。据此,我
们认为真正的微管组织中心是生毛体内的不定形
物质,其内具有微管成核位点负责微管的形成。
213暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋 暋暋暋暋暋暋暋云暋南暋植暋物暋研暋究暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋第32卷
本研究还发现附属微管带也是由电子染色暗的不
定形物质分化而来,进一步表明电子染色暗的不
定形物质是微管组织中心。
基体和鞭毛的发育:不同作者对基体在发育
过程中产生的结构给予了不同的概念和定义,如
MylesandHepler(1977)、Hoffman等 (1994)
将蕨类生毛体分化出的柱状体 (轮状结构)称为
基体。Bel and Duckett (1976),Doonan 等
(1986)将这种柱状体称为中心粒 (centrioles)。
Kotenko (1990)将这种柱状结构称为前中心粒
(procentrioles)。我们通过对傅氏凤尾蕨基体发
育的研究认为基体的发育经历了3个不同的阶
段。早期生毛体内的管道 (channels)应为前中
心粒 (procentrioles)。前中心粒分化为轮状结构
(cartwheelpattern),它与动物细胞的中心粒完
全相同,应称为中心粒 (centrioles)。当中心粒
分布到微管带外侧后,其远极生长出星状结构
(stelatepattern),总长度可达0灡8毺m,此时它
应称为基体 (basalbody),此后,基体继续生
长穿过质膜,长出鞭毛的轴丝 (axoneme)。基
体除了在远端生长外,在近极端也能够延长,形
成楔形结构。鞭毛的生长一般认为是通过顶端伸
长 完 成 的 (Bel,1974b;Bel and Duckett,
1976)。Cavalier灢Smith (1974)在衣藻中观察到
基体远极端存在电子染色暗的不定形物质,他认
为这是鞭毛轴丝通过顶端微管的组装来实现鞭毛
生长的。本研究也观察到基体远极端存在电子染
色暗的不定形物质 (图5:E),支持微管通过顶
端组装实现鞭毛生长的观点。
线粒体:在蕨类植物精子发生过程中,线粒
体的变化非常显著,已有的报道表明蕨类精子发
生过程中多层结构一旦形成即可与下方的线粒体
相连接,该线粒体发育为环状线粒体,一般认为
环状线粒体是由小线粒体相互融合而形成 (Bel
andDuckett,1976;Mylesand Hepler,1977;
Kotenko,1990;Muccifora等,1996;Cao等,
2003)。本研究发现线粒体在生毛体发育早期已
经聚集在其周围,至生毛体发育中期部分线粒体
相互靠近并融合,这可能表明环状线粒体在多层
结构产生之前就已经开始形成,一旦多层结构产
生就可与之结合,这种线粒体也被称为多层结构
结合线粒体 (theMLS灢associatedmitochondri灢
on) (Gori等,1997),或称为前端线粒体 (an灢
teriormitochondrion)(Sakaushi等,2003)。除
大型环状线粒体外,在微管带内侧还有附属线粒
体,亦呈环状 (曹建国等,2009),这两种线粒
体是构成游动精子的主要结构,它们的外侧是鞭
毛带,二者在空间上紧密相连,因此,可以推断
环状线粒体必定为鞭毛的运动提供能量。在核塑
形时期,还经常看到一些卵形线粒体紧贴细胞
核,它们可能为核塑形提供能量和动力。
此外,精细胞在核塑形阶段形成了丰富的内
质网,这些内质网可能是膜的储备形式,精细胞
在核塑形阶段由圆形逐渐转变为螺旋形,精细胞
表面积必然增加,加之鞭毛带的大量发生都需要
膜的形成,因此,精细胞内丰富的内质网可能为
核塑形和鞭毛的发生提供了膜原料。
致谢暋上海师范大学吴世福教授采集和鉴定孢子,张慧
绮高级工程师协助电镜切片和照相。
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413暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋 暋暋暋暋暋暋暋云暋南暋植暋物暋研暋究暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋第32卷