頭足類獨(dú)特的精子轉(zhuǎn)運(yùn)方式*

張秀梅, 王 展

(1. 海水養(yǎng)殖教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國海洋大學(xué)), 山東 青島 266003; 2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室, 海洋漁業(yè)科學(xué)與食物產(chǎn)出過程功能實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266071)

頭足類在分類地位上與貝類是近親，除鸚鵡螺具外殼之外，其他現(xiàn)存頭足類均為內(nèi)殼或殼消失，內(nèi)殼的形態(tài)也因種而異。其神經(jīng)和感官系統(tǒng)非常發(fā)達(dá)，同時也具有復(fù)雜的交配、產(chǎn)卵行為，屬于軟體動物門中進(jìn)化程度最高的一個類群(見圖1)。頭足類雌雄交配時，雄體用特化的交接腕(莖化腕)或者終端器把貯藏精子的精莢送到雌體身體的特定部位[1-3]。此時，精莢會發(fā)生一系列復(fù)雜的變化形成精子囊植入到雌性的外套腔內(nèi)、輸卵管周邊或口膜下方等部位[4]。精子從精子囊末端開口逐漸釋放出來，部分精子直接與卵細(xì)胞結(jié)合形成受精卵，部分進(jìn)入雌性納精囊以便在后續(xù)的產(chǎn)卵過程中利用。隨著對頭足類交配模式、父權(quán)貢獻(xiàn)等繁殖行為策略的深入研究，明確精莢的放射、精子囊植入方式和精子進(jìn)入雌性納精囊的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制、產(chǎn)卵過程中精子的利用方式等，對揭示頭足類精子競爭和遺傳多樣維持機(jī)制意義重大。本文主要對頭足類雄性生殖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、精莢的放射、精子囊的植入和精子在雌性體內(nèi)的儲存和利用方式等進(jìn)行綜述，以期揭示頭足類精子的轉(zhuǎn)運(yùn)、儲存和利用過程及其獨(dú)特的繁殖、進(jìn)化機(jī)制。

1 雄性生殖系統(tǒng)

頭足類各種屬雄性生殖系統(tǒng)的組成基本相同，由精巢(Testis)、輸精管(Vas deferens / sperm duct)、精莢器(Spermatophoric organ)或精莢腺(Spermatophoric gland)、精莢囊(Spermatophoric sac)或尼氏囊(Needham’s sac)和陰莖(Penis)組成(見圖2)[5-6]。國外學(xué)者還通常將精莢囊和陰莖統(tǒng)稱為終端器(Terminal organ)，將輸精管、精莢器和終端器統(tǒng)稱為精莢復(fù)合體[7]。

1.1 精巢

精巢是雄性頭足類精子形成和成熟的場所，位于外套腔的后端，乳白色，形狀各異(球形、心形、橢圓形、圓錐形等)[6]。精巢主要由精巢壁、精小葉和間質(zhì)組成。精巢壁由大量的結(jié)締組織組成，部分結(jié)締組織向內(nèi)延伸將精巢分割，形成眾多精小葉[8-10]。在精小葉之間還有一定的空隙，稱為小葉腔，小葉腔起到聚集成熟精子并將其輸送至輸精管的作用[10-11]。

1.2 輸精管

輸精管是連接精巢和精莢器的管狀結(jié)構(gòu)，主要起將成熟的精子輸送至精莢器的作用[6]。八腕目的輸精管通常在中部膨大形成儲精囊，由此輸精管被分成前后兩部分[8]。近端輸精管通常較細(xì)長，高度盤曲，內(nèi)壁具有大量纖毛，其末端與儲精囊相連[12]。儲精囊內(nèi)部具有大量的突起和分泌細(xì)胞，這些細(xì)胞的分泌物將儲精囊中的精子粘合到一起，形成精子團(tuán)的“雛形”[9]。初步形成的精子團(tuán)再通過遠(yuǎn)端輸精管進(jìn)入精莢器中，經(jīng)過進(jìn)一步的包裝最終形成完整的精莢。烏賊目的輸精管細(xì)長且高度盤曲，完全展開的輸精管可長達(dá)20 cm[13]，管徑較均勻，通常僅在精巢和輸精管的連接處形成膨大的壺腹。壺腹具有發(fā)達(dá)的肌肉層，通過肌肉有節(jié)律的伸縮，控制一次進(jìn)入精莢器的精子剛好能夠形成一個精莢[13-14]。

圖1 頭足類的分類地位Fig.1 Taxonomic status of cephalopods

1.3 精莢器

精莢器是雄性頭足類精莢形成的場所，通常為1個，僅在狼烏賊(Lycoteuthislorigera)[15]、月烏賊(Selenoteuthisscintillans)、斯普林氏狼烏賊(Lycoteuthisspringeri)、霍氏帆烏賊(Histioteuthishoylei)[5]等少數(shù)幾個種類中成對出現(xiàn)。槍形目和烏賊目等種類的精莢器由黏液腺、放射導(dǎo)管腺、中被膜腺體、外被膜腺、硬腺和終腺組成[5,13-14,16]。黏液腺位于精莢器中部的一側(cè)，與輸精管的末端相連，由輸精管運(yùn)送的精子首先進(jìn)入黏液腺，并與該腺體中的黏液物質(zhì)混合，形成精子團(tuán)的雛形[7,13-14]。放射導(dǎo)管腺前端與黏液腺相連，其管壁向內(nèi)凹陷在管腔內(nèi)形成1個大的突起，表面具有大量纖毛，輔助正在形成的精莢向前運(yùn)動。初步形成的精子團(tuán)進(jìn)入放射導(dǎo)管腺被進(jìn)一步包裝，形成內(nèi)膜、中膜、外膜、膠合體等結(jié)構(gòu)[13-14]。中被膜腺是一個細(xì)長直管狀的腺體，精莢的中被膜正是在此腺體中形成。此后，正在形成的精莢在外被膜腺包裹上外被膜后便進(jìn)入硬腺。硬腺是一個長橢圓形的腺體，內(nèi)壁有大量著生纖毛的縱行褶皺[13-14]。不同種硬腺的功能會有所不同，正在形成的金烏賊(Sepiaesculenta)精莢在此腺體中會發(fā)生3個顯著的變化，即精莢脫水變細(xì)、帽子和冠線的形成和頭尾的調(diào)轉(zhuǎn)[13]。而曼氏無針烏賊(Sepiellamaindroni)的精莢并未在此腺體中發(fā)生顯著變化[14]。終腺是精莢形成的最后一個腺體，從終腺排出的精莢會進(jìn)入精莢囊。但剛從終腺排出的精莢結(jié)構(gòu)與完全成熟的精莢還有所不同，由此認(rèn)為精莢在精莢囊中完成最后的形態(tài)變化后達(dá)到完全成熟[13-14]。而蛸類精莢器是由黏液腺(Mucilagenous gland)或儲精囊(Seminal vesicle)、攝護(hù)腺或前列腺(Prostate)以及遠(yuǎn)端輸精管(Distal vas deferens)組成[8,12,17,18]。但有學(xué)者認(rèn)為這種劃分方式并不能完全體現(xiàn)精莢器的功能，還有待進(jìn)一步細(xì)化[14]。

1.4 精莢囊和陰莖

精莢囊是雄性頭足類暫時儲存成熟精莢的場所，囊狀，較透明[6]。成熟雄性個體精莢囊中儲存的精莢數(shù)量和精莢的排列方式存在種間差異。金烏賊精莢囊中的精莢呈螺旋狀排列[10]，數(shù)目多達(dá)200～300個(見圖3)；狼烏賊單個精莢囊中精莢的數(shù)量為55～135個；北太平洋巨型章魚(Octopusdofleinimartini)精莢囊中的精莢尾部朝向陰莖開口，數(shù)量較少，僅為10～32個[17]；菱鰭烏賊(Thysanoteuthisrhombus)精莢的數(shù)量也較少，通常不超過17個[19]。精莢囊壁上發(fā)達(dá)的肌肉有助于在交配過程中精莢的排出[8,10]，此外，在大王烏賊(Architeuthisdux)中還具有調(diào)轉(zhuǎn)精莢方向的作用[7]。精莢囊在前端逐漸變細(xì)，形成陰莖，起到排出精莢囊中精莢的作用。在不具有莖化腕的種類中，陰莖還起到將精莢輸送給雌性的作用[20]。

(① Reproductive gland; ② Vas deferens; ③ Gonopore; ④ Penis; ⑤ Spermatophoric sac; ⑥ Spermatophoric organ; ⑦ Testis; ⑧ Capsule sac; ⑨ Glandular sac; ⑩ Spermatophoric gland;Prostate;Seminal vesicle;Ampulla.)

圖2 頭足類雄性生殖系統(tǒng)(改編自林東明等[6])

Fig.2 The male reproductive system of cephalopods(adapted from Lin Dongming[6])

圖3 金烏賊精莢囊中精莢的排列方式Fig.3 The arrangement of spermatophores in the spermatophoric sac of Sepia esculenta

2 精莢的放射和精子囊的植入

頭足類成熟雄性，特定的腕會變形成為交接腕(莖化腕)。雌雄交配時(見圖4)，雄性通過莖化腕(見圖5)將精莢轉(zhuǎn)移給雌性[2]。此時，精莢會發(fā)生放射反應(yīng)形成精子囊并植入到雌性個體的口膜腹面或輸卵管周邊(見圖6)[21-22]。隨后，雌性個體會將精子囊中的部分精子儲存在納精囊(一個精子儲存器官)中，以供卵子受精使用。頭足類的精莢(鸚鵡螺除外)是由外被膜特化而來的帽子結(jié)構(gòu)、彈射裝置、膠合體、精子團(tuán)以及包圍它們的復(fù)雜的膜鞘結(jié)構(gòu)組成，各部分相互協(xié)調(diào)、相互配合完成精莢復(fù)雜的放射和精子囊神秘的植入過程(見圖7)[23]。位于精莢最前端的帽子結(jié)構(gòu)是精莢發(fā)生放射反應(yīng)的“突破口”。但在不同種類中其形態(tài)和開啟方式各異。太平洋褶柔魚(Todarodespacificus)精莢外被膜在帽子結(jié)構(gòu)處最薄，便于其發(fā)生放射反應(yīng)[22]。而曼氏無針烏賊和普氏槍烏賊(Doryteuthisplei)的外被膜在帽子處最厚，如沒有外力作用則不易發(fā)生放射反應(yīng)。但這些種類在帽子頂端形成一條貫穿帽子的凹痕或突起，該凹痕或突起正是精莢發(fā)生放射反應(yīng)的突破口[24-25]。凹痕或突起的一端繼續(xù)向外延伸形成細(xì)長的冠線，冠線則起到傳遞外力的作用[24-25]。當(dāng)冠線被拉動時，外力通過冠線傳遞到帽子結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其在凹痕或凸起處發(fā)生斷裂，精莢的放射反應(yīng)由此開啟。帽子結(jié)構(gòu)破裂后，彈射裝置迅速從精莢中彈出，其中的螺旋絲或黏液管開始外翻。在具有螺旋絲的種類中，位于螺旋絲表面鋒利的星形體在精莢植入過程中起到了初步固定的作用，而螺旋絲則在固定處不斷 “旋入”雌性組織中，從而完成初步的嵌入過程[26]。在不具有螺旋絲的種類中，通常具有一根黏液管[25]，其中的黏液和顆粒物質(zhì)可能起軟化溶解組織、輔助膠合體在雌性身體特定部位完成植入的作用[23]，但其具體功能還有待進(jìn)一步研究。此過程的動力主要來自外被膜的滲透作用和中被膜的吸水膨脹。待黏液管或螺旋絲完成外翻后，膠合體開始外翻。通常認(rèn)為，膠合體的植入是精子囊植入雌性組織最為關(guān)鍵的一步。伴隨膠合體的外翻，膠合體會經(jīng)歷一個復(fù)雜的結(jié)構(gòu)重塑過程。在此過程中，其前端的尖狀結(jié)構(gòu)和其中的黏性物質(zhì)會進(jìn)入到雌性組織內(nèi)，從而完成植入過程[26]。Marian等[27]認(rèn)為，膠合體植入雌性組織的方式有兩種，一種為通過膠合體內(nèi)的黏液物質(zhì)粘附在雌性組織上的化學(xué)方式，另一種為膠合體前端的尖狀結(jié)構(gòu)直接刺入雌性組織的物理方式。Austin等[28]研究發(fā)現(xiàn)，皮氏槍烏賊(Loligopealii)膠合體呈堿性；而普氏槍烏賊的膠合體呈極強(qiáng)的嗜酸性[27]。這些酸堿性不同的成分在精子囊化學(xué)植入的過程中起到了十分重要的作用。膠合體植入到雌性組織內(nèi)部后，精子囊便不再向前移動，空精莢壁(外被膜、中被膜、中膜、內(nèi)膜)在滲透壓的作用下開始向后運(yùn)動，與中膜相連的外膜和內(nèi)被膜被不斷拉伸直至斷裂，空精莢壁脫落，精子囊形成[25]。

圖4 頭足類的交配方式(改編自奧谷喬司[29])

圖5 頭足類的莖化腕(引自奧谷喬司[29])

圖6 精子囊在雌性身體植入的部位(引自奧谷喬司[29])

3 精子囊的植入類型

根據(jù)精子囊植入雌性組織深淺不同可將精子囊植入分為3種類型(見圖8)：(1)淺植入型：僅精子囊的基部植入到雌性的組織中，如金烏賊[30]、滑柔魚(Illexillecebrosus)[31]、福氏槍烏賊(Loligoforbesi)[32]、火神蛸(Vulcanoctopushydrothermalis)[33]等；(2)深植入型：精子囊全部或者大部分植入到了雌性的組織中，如大王烏賊[7]、南太平洋爪烏賊(Onychoteuthismeri-diopacifica)[34]、狼烏賊[15]等；(3)塞入型：精子囊被塞入遠(yuǎn)端輸卵管，并通過輸卵管進(jìn)入到輸卵管腺或卵巢中，如大愛爾斗蛸(Eledonemassyae)[35]、北太平洋巨型章魚[17]、真蛸(Octopusvulgaris)[36]等。此外，精子囊植入的位置也存在種間差異，如曼氏無針烏賊和金烏賊植入到雌性口膜腹面[25,37]，耳烏賊科的某些種類植入到雌性交配囊內(nèi)[38]，長槍烏賊(Loligobleekeri)、普氏槍烏賊則植入到雌性外套腔內(nèi)開放的輸卵管附近[39-41]。

精子囊植入的類型可能與頭足類不同的生活方式有關(guān)。頭足類通過外套腔的伸縮吸水和噴水來維持自身運(yùn)動，植入到雌性身體表面的精子囊則會暴露在巨大的水阻力中，這樣不僅會增大雌性個體在運(yùn)動過程中的能量消耗，還大大增加精子囊丟失的風(fēng)險[26]。因此，在深水性、運(yùn)動速度較快的種類中，精子囊通常深深地植入到雌性組織內(nèi)部[7,43]，從而降低了精子囊丟失的風(fēng)險。在近岸水域、運(yùn)動速度相對較慢的種類中，精子囊則植入到雌性口膜腹面[25,30]。精子囊植入的類型可能還與交配和產(chǎn)卵的時間間隔有關(guān)。在交配一段時間后才開始產(chǎn)卵的種類中，精子囊的植入類型通常為深植入型[44]，這樣可以大大減少產(chǎn)卵前精子不必要的損失；而在繁殖過程中不斷交配的種類中，精子囊的植入類型通常為淺植入型[25,30]，這樣更有利于其中精子快速的釋放。此外，強(qiáng)烈的精子競爭也可能會對精子囊的植入類型產(chǎn)生影響。頭足類雌性個體通常會與多個雄性個體交配導(dǎo)致多重父權(quán)的產(chǎn)生[45]。而雄性個體則會采取不同的方式將自己的父權(quán)最大化[21,46]，如用腕抹除或用漏斗噴出的水柱沖洗之前交配留下的精子囊[30,47]。與植入較淺的精子囊相比，植入更深的精子囊在交配過程中更不容易被移除。

(CB: 膠合體; CC: 連接線; CP: 帽子; CT: 冠線; IM: 內(nèi)膜; IT: 內(nèi)被膜; MM: 中膜; MT: 中被膜; OM: 外膜; OT: 外被膜; SM: 精子團(tuán); SMM: 精子團(tuán)被膜。CB: Cement body; CC: Connecting cylinder; CP: Cap; CT: Cap thread; IM: Inner membrane; IT: Inner tunic; MM: Middle membrane; MT: middle tunic; OM: Outer membrane; OT: Outer tunic; SM: Sperm mass; SMM: Sperm mass membrane.)

圖7 頭足類精子囊放射過程的模式圖
Fig.7 Pattern diagram of spermatophoric reaction of cephalopods

(A. 深植入型(細(xì)長型精子囊，如大王烏賊科、小頭烏賊科等); B. 深植入型(球形精子囊，如蛸烏賊科、耳烏賊科等); C. 淺植入型(如槍烏賊科、柔魚科等); D. 塞入型(如大部分八腕目種類)。A. Deep implantation (elongated spermatangium, e.g. Architeuthidae, Cranchiidae); B. Deep implantation (bulbous spermatangium, e.g. Octopoteuthidae, Sepiolidae); C. Shallow implantation (e.g. Loliginidae, Ommastrephidae); D. Plugged attachment (e.g. incirrate octopods).)

圖8 頭足類精子囊的植入類型(改編自Marian等[42])

Fig.8 Types ofspermatangium attachment in female tissue of cephalopods(adapted from Marian[42])

4 精子的儲存和利用

頭足類精子的儲存十分重要，能夠保證其在交配一次后連續(xù)多天產(chǎn)出受精卵。目前，國外學(xué)者相繼報道了福氏槍烏賊[32]、歐洲橫紋烏賊(Sepiaofficinalis)[48]、澳大利亞巨烏賊(Sepiaapama)[49]、玄妙微鰭烏賊(Idiosepiusparadoxus)[50]等十足目頭足類雌性納精囊的組織結(jié)構(gòu)，而國內(nèi)學(xué)者僅對曼氏無針烏賊進(jìn)行過相關(guān)報道[25]。在沒有納精囊的種類中，精子全部儲存于植入到雌性身體特定部位的精子囊中[7]。而在具有納精囊的種類中，精子囊中的部分精子還可以長期儲存在納精囊中(見圖9)[25,48]，但關(guān)于精子從精子囊到納精囊的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制還尚未有定論。有學(xué)者認(rèn)為，雌性個體的某些行為可能對精子的轉(zhuǎn)運(yùn)起到了積極的作用。如雌性玄妙微鰭烏賊會通過口膜的擴(kuò)張收集植入到身體各處的精子囊[51]，而雌性加勒比珊瑚烏賊(Sepioteuthissepioidea)則會用腕拾取精莢，并將其放在納精囊附近[2]。Oordt[52]研究發(fā)現(xiàn)，到達(dá)槍烏賊(Loligovulgaris)納精囊開口附近的精子已經(jīng)不再活躍，其精子只能依靠納精囊肌肉的收縮才能進(jìn)入納精囊。還有學(xué)者認(rèn)為，精子是通過自身的運(yùn)動進(jìn)入到納精囊中的[53]。但由于精子囊開口和納精囊開口并不直接相連，通常認(rèn)為雌性的精子儲存器官能夠分泌某些物質(zhì)吸引精子向其自發(fā)運(yùn)動，從而大幅減少精子在運(yùn)動過程中的損失。Hirohashi等[54]研究發(fā)現(xiàn)，小個體長槍烏賊的精子具有聚集和二氧化碳的趨向性，而這些特性可能在精子向納精囊轉(zhuǎn)運(yùn)的過程中起到了十分重要的作用。此外，雌性個體的某些組織結(jié)構(gòu)可能會對精子進(jìn)入納精囊起到輔助作用[55]，如納精囊中央管中的纖毛、納精囊附近的溝槽結(jié)構(gòu)等。進(jìn)入納精囊的精子在其底部的排列通常十分有序，頭部均朝向納精囊的內(nèi)壁，而尾部則主要占據(jù)納精囊的空腔[50,53]，該現(xiàn)象在蛇和鳥類中也普遍存在[55]。頭足類的納精囊除具有儲存精子的功能以外，還具有抑制精子活性和營養(yǎng)精子的功能。葉德峰[25]研究發(fā)現(xiàn)，曼氏無針烏賊納精囊中的白色物質(zhì)能夠使原本活躍的精子逐漸變得不活躍，認(rèn)為納精囊具有抑制精子活性的作用。Sato等[50]研究發(fā)現(xiàn)，玄妙微鰭烏賊納精囊底部液泡邊緣有大量糖類物質(zhì)出現(xiàn)，由此推測納精囊具有營養(yǎng)精子的作用。

圖9 頭足類的納精囊Fig.9 The seminal receptacle of cephalopods

5 分析與展望

頭足類具有復(fù)雜的繁殖行為。在繁殖季節(jié)，雄性個體通過精莢器(由黏液腺、放射導(dǎo)管腺、中被膜腺、外被膜腺、硬腺和終腺組成)將精子包裝在精莢中。交配時，雄性個體通過莖化腕或終端器將精莢傳遞給雌性，在此過程中，精莢發(fā)生放射反應(yīng)并最終將精子囊植入到雌性身體的特定部位。精子囊末端開口，其中的精子在產(chǎn)卵過程中逐漸被釋放出來，與卵細(xì)胞結(jié)合形成受精卵。在具有納精囊的種類中，精子還會進(jìn)入納精囊中長期儲存，在隨后的產(chǎn)卵過程中逐漸被利用。而目前，國內(nèi)外學(xué)者對頭足類雄性生殖系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行了較多研究，但有關(guān)精子的轉(zhuǎn)運(yùn)、儲存和利用過程等方面仍存在較多空白。如精莢在放射過程中產(chǎn)生穿透雌性組織機(jī)械力的大小、膠合體的化學(xué)成分在精子囊植入過程中發(fā)揮的作用等還有待進(jìn)一步研究；有關(guān)精子進(jìn)入納精囊的過程僅停留在推測和靜態(tài)觀察階段，缺少動態(tài)追蹤精子從精子囊到納精囊轉(zhuǎn)運(yùn)過程的系統(tǒng)研究；精子在納精囊中長期儲存機(jī)制尚不明確；納精囊具有很多儲精小囊，雌性個體能否選擇性地動用不同小囊中的精子來控制后代的父系等仍有待進(jìn)一步探討。因此，利用動態(tài)示蹤、生化分析、分子生物學(xué)等多種手段，系統(tǒng)研究頭足類精子的轉(zhuǎn)運(yùn)、儲存和利用過程將是未來的研究熱點(diǎn)。上述研究將有助于更全面、深入地揭示頭足類精子競爭和遺傳多樣性的維持與進(jìn)化機(jī)制，為提高頭足類人工繁育效率，有效開展資源增殖與保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。