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2姗2》摘要本文综述了枝角类动物孤雌生殖和两性生拉方式生殖细胞发生、外环境因子诱导两种生殖方式转化的研究现状以及现代生物学技术在枝角类生殖转化机理研究方面取得的成果。关键词枝角类孤雌生殡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(DII,l、traea)、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0.2一2.1~,一般不超过1~。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(孤雌搔)所广卯于不经受精而直接发育成子代;而受温度改变、食物匾乏、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18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i',“了,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搔(刀哪〕hn记cari-nata)生殖系统结构和生殖细胞发生的描述〔3,4〕,各种生态因子如温度、食物、光照对隆线搔、微齿喜马拉雅低额搔(SIInocePhaloh~坛尸。is)及大型搔(刀即hn必mag、)生殖力和生殖量的影响〔5,e],隆线搔、大型搔的两性雌搔(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。蒋燮治等提出孤雌搔卵子的成熟只经历一次均等分裂,染色体未曾减半;两性雌搔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川。但Bacci等认为蚤状搔(刀叩h瓜ap以ex)孤雌搔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,因此孤雌搔卵仍为二倍体[“]。z`:ag币ni等对意大利湖泊的蚤状搔和及切h-n记。记山耐。亦ana的研究则发现,蚤状搔孤雌搔的卵子的形成只经历一次均等分裂,释放出一个极体;两性雌搔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Daphnia而ddendori五ana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,两性雌搔的卵子不需要受精就能正常发育川。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、深人的研究,这在一定程度上影响了枝角类生殖方式转化原因的深人探索。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,且能够增加子代幼搔中雄性的比生物学教学2012年(第37卷)第1期例。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[lo:。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,蒙古裸腹搔(Moinamongolica)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〔川;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['”〕。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等对蚤状搔核糖体DNA和线粒体DNA进行了序列测定和结构分析〔'2从Ender等对搔属微卫星DNA的位置进行了描述['3〕;Sulend-er则将一Pokey片段插人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t'4〕。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搔不同生殖状态下的蛋白质表达差异,发现隆线搔孤雌搔和两性搔有18个显著的蛋白质差异点,并证实其中一个差异点为类酸脱氢酶,与生殖转化相关['5卜watan己祀等于2005年构建了大型搔cDNA文库,并从中随机挑选72ro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),这一结果为后续深人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〔'6从之后,Yasuhik。等从大型搔的。DNA文库中克隆表达了与生殖转化相关的DM一domain基因〔'7];xu等构建了隆线搔孤雌搔。n-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,但为深人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。自20世纪60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,近年来研究团队对子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搔为研究对象,较为系统地研究了3种搔体(孤雌搔、两性雌搔和雄搔)生殖腺的形态结构及生殖细胞发生的显微和超微结构〔3,']、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〔'9〕,并应用蛋白质组学方法对隆线搔不同生殖状态搔体(孤雌搔、两性雌搔)的差异蛋白进行序列测定和功能分析〔'5〕。在此基础上,于2以为年进山步构建了隆线搔孤雌搔和两性搔cDNA文库['“]。经过对隆线搔两性搔与孤雌搔的万余条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著的、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。以上这些工作为深人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日趋成熟,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)]主要今考文橄[1]Gu彻zH,OnalanSK,1998.仆e脚份山Of及叩彻自m马梦目indjf-fe花ntculturem司ia.Tutkish」ournalofVet巴dn创叮&人爪m目豁-enc吧s,2(3):237一242〔2〕o园~,E,凡腼hofD,址b肠咖GA.1998.、刀t击而而试〔c-14〕一test以蛇eroneme.aboli。研盯c知旧nic.拜目川托of公甲彻自栩曰召侧沼to曰butyltin.人代hives试Envi咖m.ntalC朋场.inati二ndTo石即10叮,34(1):21一25〔3〕张明凤.赵云龙,杨志彪,等.2(X抖.隆线搔孤雌搔生殖系统的组织学.动物学杂志,39(4):68一72〔4]张明风,赵云龙,曾错,等.2(X抖.隆线搔雄性生殖系统的组织学研究、华东师范大学学报,118(4):111一116〔5〕施心路,史新柏.1996.微齿喜马拉雅低倾搔的生殖与发育.动物学报,42(3):287一296[6〕KhmelevaNN,GolubevAp,幻davaA.1995.Gro叨thand哪耐ue-tionofDaPh碗加呀加underehogingphoto拌ri曰助dtemPeratU比e二ditions.DokladyAkademiiNaukBel二51.39(3):71一74f7〕蒋燮治,堵南山编著.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,l一297〔8]Baeeie,co,e币G,Vace“A.1961.Endomeiosisandsexdeter-minationinDaPhn必P“众比.Expenentia,17:505一5肠[9」z研吻linir,sa玩111B.1972.K哪IOgieobsetvationsonthematu-耐ionofthe。ummerand初ntere脚ofD叩hn她p理场吠andD叩hn如生物学教学2012年(第37卷)第l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05300)王卫东(河北省沧州职业技术学院眼001)摘要植物细胞壁的特化是指由于细胞壁渗人不同的化学成分,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、矿质化和猫液化等。在植物体保护组织、机械组织和箱导组织中,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型的特化,体现了结构与功能的高度适应。关健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〔`〕。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[z]。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〔3〕。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胞间层胞间层亦称中层,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璧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,植恤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人的化学成分不同,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、矿质化细胞壁和私液化细胞壁等[4]。2.2.1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、双及三经基脂肪酸,这些经基脂肪酸主要通过醋键相互连接。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人钙盐m讨女川白叨认no.C肠~ma,36(2):193一2()3【rol王金秋,张佳忆,黄博.2以刃.生态因子的波动对多刺裸腹搔雄体发生的影响.应用生态学报,11(1):135一137【11]曹文清,林元烧,郭东晖,等.1999.蒙古裸腹搔染色体组型研究.台湾海峡,xs(一):71一75[12]creasTJ.1999.Thee二plete肚叼,enee试themi吮hon而alse-nomeofD叩hn她p以“(Clad概ra:Crustacea).Gene,233:89-9[13]EnderA,Sch初cnkK.SmedierT,etal.19%.RApDident访cationOfmierosatellitesinD叩h响.MOlecularEeol呵,5(3):437一441[14]SullenderBW.1993.p戈limin刊ryeha功etedzationodpopulation~y'ofthe凸甲hn自rDNA、日附曲leel~nt,几key(钾汕e-no罗nesis).PhD,Universityof加名on,11一48[15]Mingfengz,Yunlongz,Guo2.2006.Differen`alpoteinexn,-sionbetwenp时hen卿neticandsexualfemaleofD叩h碗(c比份公,人n必)翻洲抽国随.AetaZoologicasinica,52(5):916一923[16]Wa切旧aljeH,介切田”泣koN,odas,atal.2005.Analyoi。Ofex-p玲叫泪二qUencetagsofthewater瓜aD即h吻m四g协.Cenome,48:6《拓一609〔17]YaauhikoK,KaoruK,Shigetoo,etal.2(X)8.MoleculareloningandsexuailydimorPhieexP找,sionOfDM一domain罗nesinD叩知公口m口召刀。.C七nomies,91:94一101[18〕Xia以护anx,ShuhuiS,QunW,etal.2侧为.Analysisofaoetofpar-theno脚etie耐erOea(。叩彻妇ca泊.ata)exp姗刻阴甲encet叫笋衍theomP面sontothegenome肚闷ueneesOftheD.P以改.Moleeu-larGenet￡esandGenomi。,282(2):z卯一203【19]张明风,曾错,陈寅山,等.2(X为.隆线搔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):868一叨今
