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四指马鲅性逆转过程初步研究

蓝军南 区又君 温久福 李俊伟 牛莹月 李加儿

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四指马鲅性逆转过程初步研究

    作者简介: 蓝军南(1994—),男,硕士研究生,研究方向为海水鱼类繁殖发育和基础生物学。E-mail: ljn009@126.com;
    通讯作者: 区又君, ouyoujun@126.com
  • 中图分类号: S 917.4

A preliminary study on process of sex reversal in Eleutheronema tetradactylum

    Corresponding author: Youjun OU, ouyoujun@126.com ;
  • CLC number: S 917.4

  • 摘要: 该研究测量和统计了人工养殖四指马鲅 (Eleutheronema tetradactylum) 的形态及性别比例,并观察其性腺的组织学和形态学特征。结果显示,当盐度为10.8~13.0、水温为28.0~30.7 ℃时,在228尾7月龄四指马鲅样本中检测到雄性、雌性和雌雄同体3种个体,其比例分别为85.53%、5.70%和8.77%;3种个体的体质量、全长、体长和体高等形态性状无明显差异。解剖学观察显示,雌雄同体性腺的两背内侧为精巢,呈白色,两腹外侧为卵巢,呈浅黄偏红色。组织学显示精巢侧已有成熟精子形成,为典型精巢的Ⅳ或Ⅴ期特征,卵巢侧具卵巢腔,主要为卵原细胞和早期Ⅱ时相卵母细胞,为典型卵巢的Ⅱ期特征,可判断四指马鲅为雄性先熟雌雄同体;其性逆转过程可分为早、中、晚3个阶段,主要组织结构变化特征为卵巢结构逐渐形成并发育成Ⅱ期卵巢,而精巢组织则逐渐退化消失,在整个性逆转过程均检测到精巢的细胞凋亡信号。
  • 图 1  四指马鲅性逆转时全长、体长、体高与体质量的关系

    Figure 1.  Correlation between total length, body length, body height and body mass of E. tetradactylum in sex reversal process

    图 2  四指马鲅性腺的解剖结构和组织结构

    Figure 2.  Anatomical and histological structures of gonad in E. tetradactylum

    图 3  四指马鲅性逆转过程的组织学观察

    Figure 3.  Histological observation of sex reversal in E. tetradactylum

    图 4  四指马鲅性逆转过程中的细胞凋亡 (绿色荧光)

    Figure 4.  Apoptosis during sex reversal in E. tetradactylum (Green fluorescence)

    表 1  四指马鲅各形态性状和性别比例统计

    Table 1.  Morphometric traits and sex ratio of E. tetradactylum n=228

    性别
    Sex
    体质量
    Body mass/g
    全长
    Total length/cm
    体长
    Body length/cm
    体高
    Body height/cm
    样本量
    Sample size/尾
    比例
    Percentage/%
    雄性 (♂)
    Male
    192.69±74.65 26.40±3.15 21.16±2.51 5.64±0.82 195 85.53
    雌性 (♀)
    Female
    191.34±79.00 26.54±3.80 21.38±2.93 5.46±0.68 13 5.70
    雌雄同体 (♀/♂)
    Hermaphrodite
    193.71±68.76 26.30±2.37 21.32±1.77 5.81±0.85 20 8.77
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-04-27
  • 录用日期:  2020-06-05
  • 网络出版日期:  2020-10-13

四指马鲅性逆转过程初步研究

    作者简介:蓝军南(1994—),男,硕士研究生,研究方向为海水鱼类繁殖发育和基础生物学。E-mail: ljn009@126.com
    通讯作者: 区又君, ouyoujun@126.com
  • 1. 中国水产科学研究院南海水产研究所/农业农村部南海渔业资源开发利用重点实验室,广东 广州 510300
  • 2. 水产种质资源发掘与利用教育部重点实验室(上海海洋大学)中国科学技术部/海洋生物科学国际联合研究中心(上海海洋大学)/水产科学国家级实验教学示范中心(上海海洋大学),上海 201306

摘要: 该研究测量和统计了人工养殖四指马鲅 (Eleutheronema tetradactylum) 的形态及性别比例,并观察其性腺的组织学和形态学特征。结果显示,当盐度为10.8~13.0、水温为28.0~30.7 ℃时,在228尾7月龄四指马鲅样本中检测到雄性、雌性和雌雄同体3种个体,其比例分别为85.53%、5.70%和8.77%;3种个体的体质量、全长、体长和体高等形态性状无明显差异。解剖学观察显示,雌雄同体性腺的两背内侧为精巢,呈白色,两腹外侧为卵巢,呈浅黄偏红色。组织学显示精巢侧已有成熟精子形成,为典型精巢的Ⅳ或Ⅴ期特征,卵巢侧具卵巢腔,主要为卵原细胞和早期Ⅱ时相卵母细胞,为典型卵巢的Ⅱ期特征,可判断四指马鲅为雄性先熟雌雄同体;其性逆转过程可分为早、中、晚3个阶段,主要组织结构变化特征为卵巢结构逐渐形成并发育成Ⅱ期卵巢,而精巢组织则逐渐退化消失,在整个性逆转过程均检测到精巢的细胞凋亡信号。

English Abstract

  • 雌雄同体是鱼类较常见的一种繁殖策略,性逆转现象在热带及亚热带的海水鱼类中普遍存在,如马鲅科、鮨科、雀鲷科、隆头鱼科、鲷科及大多数珊瑚礁鱼类等23个科,已发现约500种鱼类存在自然性逆转现象[1-5]。性腺先分化为精巢,待其成熟后通过性逆转过程而转变成卵巢的称为雄性先熟雌雄同体,如黑鲷 (Acanthopagrus schlegeli)[6]、黄鳍鲷 (Sparus latus)[7]等;反之,由卵巢转变成精巢的称为雌性先熟雌雄同体,如石斑鱼 (Epinephelus sp.)[8]、黄牙鲷 (Dentex tumifrons)[9]、黄鳝 (Homopterous albums)[10]等。

    四指马鲅 (Eleutheronema tetradactylum) 隶属于鲻形目、马鲅亚目、马鲅科、四指马鲅属,俗称马友、午鱼等[11],广泛分布于热带和温带海区,在澳大利亚、印度、东南亚及中国沿海均有分布[11-14],具有生长快速、营养价值高等特点,现已成为我国的优良水产养殖新品种[15-16]。目前,关于四指马鲅的研究主要集中在种群结构[13]、遗传多样性[17]、发育生物学[18-21]、养殖生物学[22-26]等方面,有关繁殖生物学的研究鲜有报道。马鲅科鱼类中大多数种类为雄性先熟雌雄同体,少数为雌雄异体[3]。早期研究表明,四指马鲅在澳大利亚地区为雄性先熟雌雄同体,但在印度和新加坡地区则是雌雄异体,似乎在不同水域其繁殖策略有明显差异[3,27]。近年来,有详细的组织学证据表明印度沿海的四指马鲅群体同样存在雌雄同体现象,为雄性先熟雌雄同体,与澳大利亚沿海的群体一致[3]。目前,国内关于四指马鲅野生或养殖群体性逆转现象的报道极少,因此,本文从组织学、细胞学方面对人工养殖四指马鲅性逆转现象进行了初步研究,以期了解其性逆转过程中性腺发育变化特征,丰富其繁殖策略的研究资料。

    • 实验用的7月龄四指马鲅采自中国水产科学研究院南海水产研究所在台山市的封闭式工厂化循环水养殖水箱。养殖盐度为10.8~13.0,水温为28.0~30.7 ℃,每日早晚各投喂1次配合饲料。2019年1月27日采集样本228尾,平均体质量为 (192.69±74.65) g,平均全长为 (26.40±3.15) cm。

    • 用数显游标卡尺 (精度为0.01 mm) 测量样本的全长、体长、体高、尾柄长、尾柄高,测量时鱼体置于水平面上;体质量使用电子天平 (精度为0.01 g) 称量,测量前用吸水纸将鱼体表面的水分吸干。用Excel 2010软件进行统计分析,所有统计值以“平均值±标准差($\overline X \pm {\rm{SD}} $)”表示。测量后立即解剖,观察性腺的形态特点,将性腺取出,分别剪取前、中、后各一小段置于4 %多聚甲醛通用型组织固定液 (BL539A) 中固定24 h后,转至70 %乙醇中保存。将固定的样品进行50%~100%梯度乙醇脱水,二甲苯透明,石蜡包埋,以3~5 μm的厚度分别做横切和纵切,苏木精-伊红 (Hematoxylin-eosin,H-E) 染色,中性树脂封片,在ZEISS型显光学微镜下观察并采集图像分析确定性别。将四指马鲅的雌雄同体性腺切片筛选出来用Tunel法进行细胞凋亡检测,具体过程参照Tunel试剂盒(Roche-11684817910)说明书的实验步骤进行操作,用正置荧光显微镜 (NIKON ECLIPSE C1) 进行观察并采集图像分析。

    • 7月龄四指马鲅各形态性状和性别比例见表1。四指马鲅在该阶段存在雄性、雌性和雌雄同体 (性逆转时期) 3种类型的个体。在收集的228尾样本中,雄性195尾,占85.53%,具有显著优势;雌性13尾,占5.70%;雌雄同体20尾,占8.77%。测量了该时期3种个体的体质量、全长、体长、体高、尾柄长、尾柄高等形态性状数据并进行统计分析,发现其在形态性状上差异不明显,在外形上无法分辨。将雌雄同体四指马鲅的体质量与全长、体长、体高分别进行相关性分析和曲线拟合,体质量与全长的相关方程为y=0.656 8x2-12.43 1x+56.718 (R2=0.916 4,图1-a);体质量与体长的相关方程为y=0.014 7x3.075 5(R2=0.869 8,图1-b);体质量与体高的相关方程为y=2.005 4x2.602 9(R2=0.833 3,图1-c)。

      性别
      Sex
      体质量
      Body mass/g
      全长
      Total length/cm
      体长
      Body length/cm
      体高
      Body height/cm
      样本量
      Sample size/尾
      比例
      Percentage/%
      雄性 (♂)
      Male
      192.69±74.65 26.40±3.15 21.16±2.51 5.64±0.82 195 85.53
      雌性 (♀)
      Female
      191.34±79.00 26.54±3.80 21.38±2.93 5.46±0.68 13 5.70
      雌雄同体 (♀/♂)
      Hermaphrodite
      193.71±68.76 26.30±2.37 21.32±1.77 5.81±0.85 20 8.77

      表 1  四指马鲅各形态性状和性别比例统计

      Table 1.  Morphometric traits and sex ratio of E. tetradactylum n=228

      图  1  四指马鲅性逆转时全长、体长、体高与体质量的关系

      Figure 1.  Correlation between total length, body length, body height and body mass of E. tetradactylum in sex reversal process

    • 7月龄四指马鲅发现有3种个体,即雄性、雌性和雌雄同体,对应的性腺为精巢、卵巢和雌雄同体性腺。

      精巢扁平带状,呈灰白色 (图2-A),横切面中间宽两端窄,呈梭形,内部精小叶呈辐射型分布 (图2-a)。早期的卵巢为短棒状,呈橘黄色,表面血管明显 (图2-B),横切面呈圆形或椭圆形,卵巢壁较厚,内部为产卵板,由卵巢壁向内部突起,呈指状 (图2-b)。

      图  2  四指马鲅性腺的解剖结构和组织结构

      Figure 2.  Anatomical and histological structures of gonad in E. tetradactylum

      雌雄同体性腺有2种类型。第一种性腺呈肉质厚带状或棒状,性腺的两支从头到尾均为雌雄同体,两支大小无明显区别,外表观察可分辨出两背内侧为精巢,呈白色,两腹外侧为卵巢,呈浅黄偏红色 (图2-C),该性腺横切面为长椭圆形,两内侧为精巢,被膜较薄,两外侧为卵巢,被膜较厚,精巢和卵巢间有类似精小叶间质的结缔组织隔开,卵巢部分卵巢腔明显,产卵板指状分布,尚未充满卵巢腔 (图2-c);第二种性腺呈肉质厚带状,一般为乳白色,有卵巢部分为浅黄色;两支性腺其中一支的前端为雌雄同体,中部及后端为精巢,另一支则全为精巢,雌雄同体的一支较为均匀粗大 (图2-D)。精巢一支的横切面为长梭形,雌雄同体一支的横切面为长椭圆形,精卵巢分布与第一种不同,卵巢部分从外侧某一处向内凹陷,中间有狭长的卵巢腔,产卵板指状由外侧向内突起,卵巢部分被膜较厚,卵巢两端为精巢组织,被膜较薄 (图2-d)。

    • 根据雌雄同体性腺发育的形态学和组织学特征,可将四指马鲅性逆转过程分为早期、中期和晚期3个阶段。

    • 性逆转早期的性腺解剖学上呈灰白色,扁平带状,与典型的雄性精巢无异。组织学观察显示,该阶段的性腺切面呈长梭形,有一空大的卵巢腔形成,具卵巢腔一侧的被膜较厚,与典型的卵巢壁类似,而精巢一侧则与典型精巢一样 (图3-a);此时卵巢腔中产卵板尚未完全形成,仅一端有呈短指状的结缔组织沿性腺内壁向内突起,呈波浪状分布,在靠近卵巢腔一侧有卵原细胞零散分布,卵原细胞呈圆形,细胞核较大,中位,嗜碱性较强,被染成紫色,而细胞质不着色 (图3-b);与精巢侧交界处有一到两层卵原细胞,精巢与卵巢的界限为一小层结缔组织,与精小叶间质类似,且界限不明显 (图3-c);精巢部分与典型的原始性精巢一样,精小叶中存在精子发生过程中的各级生精细胞,精小叶腔中已有较多的成熟精子形成,部分精小叶中精子已排空 (图3-d)。

      图  3  四指马鲅性逆转过程的组织学观察

      Figure 3.  Histological observation of sex reversal in E. tetradactylum

    • 随着发育进行,性腺呈厚带状或棒状,外观上可分辨出两背内侧呈乳白色,为精巢部分,两腹外侧呈肉红色为卵巢部分。组织学观察显示,性腺的横切面呈椭圆形,性腺外层被膜部分明显增厚,精巢和卵巢的分界结缔组织增厚而变得界限分明,有较多的血管分布,卵巢侧向精巢侧挤压发育而增大,产卵板完全形成,呈分叉的指状,占据2/3的卵巢腔 (图3-e),大部分卵原细胞发育成第Ⅱ时相的卵母细胞,分布在产卵板内部,嗜碱性增强,细胞质被染成深紫色,与典型的Ⅱ期卵巢的组织学特征一致 (图3-f);精巢部分的精小叶间的结缔组织明显增厚,呈紫红色,精小叶腔中成熟精子密度减小 (图3-g),精小叶边缘的精母细胞退化,结构不清晰,界限模糊,连成块状,嗜碱性增强,被染成蓝紫色 (图3-h)。

    • 性逆转晚期的性腺多为棒状,呈橘黄色,与典型的雌性卵巢外观特征类似。组织切片观察显示,性腺的横切面呈卵圆形,基本转变为卵巢组织,产卵板发达,充满卵巢腔,卵母细胞大部分处于Ⅱ时相阶段,与Ⅱ期卵巢的组织学特征类似 (图3-i);在性腺一侧的边缘有一小层精小叶结构,小叶内精子退化,内部仅有少数的强嗜碱性小颗粒分布 (图3-j)。

    • 四指马鲅性逆转早期,精巢侧主要在外侧边缘及内部的精小叶检测到凋亡细胞,可见较强的凋亡信号,且密度较大 (图4-a);在卵巢侧,凋亡细胞主要出现在卵巢壁及向卵巢腔突起的部分结缔组织中,卵巢壁的凋亡信号较强,结缔组织的凋亡信号较弱 (图4-b)。四指马鲅性逆转中期,精巢侧的凋亡细胞主要出现在内部精小叶,信号较早期时减弱,密度减小 (图4-c);卵巢侧主要在卵巢壁和产卵板边缘检测到有少数凋亡细胞,凋亡信号减弱 (图4-d);四指马鲅性逆转晚期,仅在性腺的一侧边缘少部分精巢残迹处检测到较多的凋亡细胞,凋亡信号较强 (图4-e);而在卵巢壁部分未检测到凋亡细胞,内部的产卵板部分仅有极少数的凋亡细胞,且其凋亡信号微弱,几乎很难观察到 (图4-f)。

      图  4  四指马鲅性逆转过程中的细胞凋亡 (绿色荧光)

      Figure 4.  Apoptosis during sex reversal in E. tetradactylum (Green fluorescence)

    • 本研究显示,在水温为28.0~30.7 ℃的循环水养殖的7月龄四指马鲅群体中,经过性腺的形态学和组织学鉴定,该群体同时存在雄性、雌性及雌雄同体3种个体,从外形上不能将其区别开来;经统计发现其性别比例明显偏向于雄性,且占绝对优势;此外,平时在养殖早期的小样本检测中几乎均为雄性个体,这符合顺序性雌雄同体鱼类的一般特征[28]。Chopelet等[28]认为鱼类的雌雄同体和偏性别比例会导致其有效种群大小降低而提高遗传结构。Shihab等[3]对印度沿海四指马鲅野生种群的研究结果显示,雄性个体平均全长约24.0 cm,平均体质量约300 g,雌性个体平均全长约38.0 cm,平均体质量约806 g,雌雄同体的平均全长约32.0 cm,平均体质量约400 g,介于前两者之间,与澳大利亚沿海种群的研究结果类似,其性逆转符合临界年龄-大小阈值理论[5]。而本研究中,3种类型的四指马鲅个体在体质量、全长、体长、体高等形态性状上并无明显差异,基于较高且稳定的养殖水温,推测本研究中观察到的四指马鲅性逆转现象可能是由于高温诱导使其提前发生性逆转,但需要进一步研究验证。另外,本研究观察到有5.70%的雌性个体,可能是在早期性别分化时直接形成,也有可能是后期通过性逆转由雄性转变而来,目前尚未明确其形成方式。

      本研究结果表明,四指马鲅雌雄同体性腺有2种类型,大部分为两背内侧呈乳白色,为精巢组织,两腹外侧呈浅黄偏红色,为卵巢组织,这与Frisch[4]对野生四指马鲅种群雌雄同体的研究结果一致;而个别为两支性腺,其中一支全为精巢组织,另一支在前端有一小部分为卵巢组织,中部和后端为精巢组织,这与Frisch[4]报道的结论不同。雌雄同体的性腺中,精巢侧的组织特征与Ⅳ或Ⅴ期的原始性精巢一样,已有成熟的精子形成,达到性成熟状态;而卵巢侧的组织结构与Ⅰ期或Ⅱ期的原始性卵巢一致,主要为卵原细胞和Ⅱ时相早期卵母细胞,产卵板正在发育或已形成。性逆转过程的组织变化特征表现为精巢组织逐渐退化直至消失,卵巢组织逐渐形成并发育至Ⅱ期卵巢;在整个性逆转过程中,在精巢侧组织和卵巢侧的产卵板和结缔组织中均检测到凋亡细胞信号,且精巢侧的凋亡细胞密度较大,凋亡信号较强,而卵巢侧的凋亡细胞密度很小,凋亡信号微弱,这再次证明四指马鲅性逆转过程是精巢退化卵巢增长的过程。本研究结果表明,四指马鲅为雄性先熟雌雄同体,与Shihab等[3]的研究结果一致。

    • 野外调查和相关实验表明,社会和行为因素通常会触发该种鱼类从一种性别向另一种性别转变,例如将性别比例占绝对优势的雄鱼或雌鱼从该雌雄同体的鱼类中去除后,将会引发剩余个体合理地发生相应的性别转变[5]。此外,大量研究表明,环境中的温度和激素水平也较易影响鱼类的性别比例并诱导性别转变的发生[29-30]。例如,性成熟的剑尾鱼 (Xiphophorus helleri) 在最适生存温度 (25 ℃) 时,性逆转率为零,在12 ℃时性逆转率最高,35 ℃次之,表明剑尾鱼的性逆转对温度具有较大的依赖性[29]。本研究中,人工养殖四指马鲅从15日龄开始在28.0~30.7 ℃水温较为稳定的环境中生长,在7月龄时出现性逆转现象,此时体质量约 (193.71±68.76) g,体长约 (21.32±1.77) cm。但国外调查报告显示,在澳大利亚沿海的野生种群中,所有的1龄个体几乎为雄性,4龄及以后的个体几乎为雌性,性逆转在2龄或3龄的个体中出现,平均全长约40.19 cm;在印度沿海的野生种群中,性逆转个体的平均全长为32.0 cm,平均体质量约400 g[3]。这表明在不同环境条件下生长的四指马鲅群体,其性逆转发生时的年龄和体型存在差异。本研究中的养殖四指马鲅在较小的年龄和体型时便出现了性逆转现象,并不遵循顺序性雌雄同体性逆转的临界年龄-大小阈值理论,这可能与环境条件有关。因此,关于四指马鲅的性逆转发生规律及其调控机制等仍需更深入的研究。

参考文献 (30)

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