徐文剛,劉立明,王九龍,于文松,孫明,征矢野清,唐永政*
(1.煙臺大學(xué) 海洋學(xué)院,山東 煙臺 264005;2.煙臺市海洋經(jīng)濟研究院,山東 煙臺 264003;3.山東海洋現(xiàn)代漁業(yè)有限公司,山東 煙臺 264003;4.長崎大學(xué) 環(huán)東シナ海環(huán)境資源研究センター,日本 長崎 851-2213)
大多數(shù)雌雄同體的魚類一生中要經(jīng)過性腺分化、卵原細(xì)胞增殖、卵母細(xì)胞發(fā)育、性成熟和性逆轉(zhuǎn)階段[8],而性腺分化作為其中一個關(guān)鍵階段,研究者已開展了一些相關(guān)研究和報道,如利用外源17α-甲基睪酮誘導(dǎo)赤點石斑魚[9]和褐石斑魚E.bruneus[10]幼魚性腺分化為雄性。近期的研究表明,赤點石斑魚的性細(xì)胞起源于胚胎時期的原始生殖細(xì)胞(primordial germ cells,PGCs),PGCs分裂和分化并遷移到生殖脊后共同形成原始性腺,原始性腺發(fā)育至一定階段后開始加速有絲分裂,形成卵巢[5,11]。但在石斑魚性腺分化階段,有關(guān)其內(nèi)分泌調(diào)節(jié)機制的報道相對較少。
硬骨魚類生長發(fā)育過程中,內(nèi)分泌系統(tǒng)受到下丘腦-垂體-性腺軸(hypothalamic-pituitary-gonadal axis, HPG軸)的調(diào)節(jié)。魚類受到光照和水溫等環(huán)境因子的刺激后,下丘腦分泌的促性腺激素釋放激素(gonadotropin-releasing hormone, GnRH)誘導(dǎo)垂體合成分泌促性腺激素(gonadotropins, GtHs)。GtHs中的促卵泡激素(follicle stimulating hormone, FSH)和黃體生成素(luteinizing hormone, LH)隨血液到達性腺并促進性腺合成性類固醇激素(雌、雄激素),從而促進魚類性腺分化及性腺發(fā)育與成熟[12-13]。研究表明,F(xiàn)SH和LH是非共價結(jié)合的糖蛋白,由一個共同的α亞基和具有特異性的β亞基組成異源二聚體,這表明其具有生物學(xué)特異性[14]。對鮭Oncorhynchus[15-18]、星康吉鰻Congermyriaster[19]、日本鰻鱺Anguillajaponica[20]和歐洲鱸Dicentrarchuslabrax[21]的研究表明,F(xiàn)SHβ對性腺早期發(fā)育(如精子和卵子的生長)具有重要影響,LHβ主要調(diào)控性腺發(fā)育的成熟階段如排卵和排精等行為。而對蜂巢石斑魚E.merra的研究表明,F(xiàn)SHβ作為一種潛在的雄激素能夠誘導(dǎo)雌性逆轉(zhuǎn)為雄性[22]。以上研究表明,F(xiàn)SHβ和LHβ對魚類性腺生長、發(fā)育和成熟具有重要作用。然而在石斑魚性腺分化階段,有關(guān)其FSHβ和LHβ的角色和功能僅在點帶石斑魚E.malabaricus中運用免疫組織化學(xué)(immunohistochemistry,IHC)和分子生物學(xué)(qRT-PCR)技術(shù)的研究中有少量報道[23]。本試驗中,以日本較具代表性的經(jīng)濟魚類赤點石斑魚和黑邊石斑魚為研究對象,運用蘇木精-伊紅染色、免疫組織化學(xué)和qRT-PCR技術(shù),對兩種魚類性腺分化前后腦垂體中的FSHβ和LHβ細(xì)胞進行免疫識別定位研究,并測定其腦垂體中fshβ和lhβ基因含量,探討FSHβ和LHβ在其性腺分化過程中的角色,以期為未來石斑魚在中國的人工繁殖和苗種生產(chǎn)提供科學(xué)參考。
2018年6月在日本山口縣水產(chǎn)研究所和東京都小笠原水產(chǎn)研究所分別對赤點石斑魚和黑邊石斑魚親魚進行培育、催產(chǎn)、人工授精和魚苗培育。育苗期間,用水先經(jīng)沉淀沙濾,再用58 μm篩絹過濾。育苗池水溫為23~28 ℃,鹽度為29~31,pH為7.9~8.3,溶解氧為5 mg/L以上,保持24 h增氧。育苗池上方用布簾調(diào)節(jié)光照,避免陽光直射。
飼養(yǎng)期間,每日早晚各投喂一次。仔魚孵化后3日左右開始開口攝食,投喂體長為100 μm的SS型輪蟲(日清丸紅飼料, 日本),直至12日齡,保持水體中餌料密度為25~35 ind./mL;12~30日齡的仔魚投喂體長為200 μm的L型輪蟲,保持水體中餌料密度為5~15 ind./mL;30~50日齡的仔魚投喂配合飼料Ohitome B1(日清丸紅飼料, 日本);50~120日齡的稚魚投喂配合飼料Ohitome C2。
1.2.1 性腺和腦樣品組織的采集 分別取孵化后55、80、120日齡的赤點石斑魚和黑邊石斑魚幼魚用于試驗,每次采樣數(shù)量各12尾。將幼魚用2-苯氧乙醇麻醉后測量其體長和體質(zhì)量,然后解剖采樣。性腺的采集中,由于幼魚的性腺太小,肉眼無法識別,故將55日齡幼魚體腔的后半部全部固定在波恩試劑中;80和120日齡的幼魚,去除體腔后半部的肌肉后將性腺連同內(nèi)臟一起固定在波恩試劑中,用于性腺組織學(xué)觀察。腦的采集中,取6尾55日齡幼魚的頭部整個固定在波恩試劑中,各取6尾80、120日齡幼魚的頭蓋骨去除外骨骼后,將腦和腦垂體連同部分骨骼一同固定在波恩試劑中,用于腦垂體組織學(xué)及免疫組織化學(xué)試驗。固定在波恩試劑中的樣品24~48 h后均需轉(zhuǎn)移至體積分?jǐn)?shù)為70%的酒精中保存,用于試驗。再分別另取6尾55、80、120日齡幼魚的腦垂體保存在RNAlater試劑(Ambion Inc., Invitrogen Life Technologies, Japan)中于4 ℃下低溫保存,一周后廢棄RNAlater,并轉(zhuǎn)移至-80 ℃超低溫冰箱中長期保存,用于分子生物學(xué)試驗。
1.2.2 切片的制備和組織學(xué)試驗 將保存在體積分?jǐn)?shù)70%酒精中的體腔、頭部和頭蓋骨用EDTA脫鈣液脫鈣,對脫鈣樣品進行常規(guī)梯度酒精脫水、二甲苯透明、石蠟包埋和連續(xù)切片,切片厚度為5 μm。體腔切片采用蘇木精-伊紅(H.E.)染色、中性樹膠封片,在光學(xué)顯微鏡(Olympus FX380型)下觀察并拍照。頭部和頭蓋骨切片用于免疫組織化學(xué)試驗。參照文獻[24-26]中的方法對性腺發(fā)育進行分期并描述如下:
1)性腺未分化階段(undifferentiated gonadal stage, Ug)。生殖脊(gential ridge, Gr)在胚胎階段由中胚層的體細(xì)胞發(fā)育而成,位于背腸系膜兩側(cè)的腹腔壁膜上。原始生殖細(xì)胞(PGCs)在胚胎發(fā)育過程中遷移至生殖脊中形成性腺原基。性腺原基成對出現(xiàn),由腸系膜連接且位于腸道附近,含有性原細(xì)胞和血管。
中藥產(chǎn)業(yè)具有衛(wèi)生資源、經(jīng)濟資源、科技資源、文化資源和生態(tài)資源5大資源優(yōu)勢,同時具有傳統(tǒng)和現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)的特點。從傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)看,中藥產(chǎn)業(yè)是中醫(yī)藥體系中不可分割的一部分,其產(chǎn)業(yè)特征與化學(xué)制藥具有明顯的不同,中藥產(chǎn)業(yè)鏈長,依賴自然資源、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和氣候條件,且地域性強[7]。從現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)看,中藥產(chǎn)業(yè)是以中藥農(nóng)業(yè)為基礎(chǔ)、中藥工業(yè)為核心、中藥商業(yè)為紐帶、中藥知識業(yè)為動力的完整產(chǎn)業(yè)體系,目前各環(huán)節(jié)日益規(guī)?;?、標(biāo)準(zhǔn)化,逐步脫離自然經(jīng)濟的特征。
2)性腺分化階段(differentiated gonadal stage, Dg)。性腺原基兩端的結(jié)締組織向前延伸并形成突起,但兩端突起部位尚未完全連接在一起,表明性腺分化正在進行,卵巢腔正在形成。
3)卵巢階段(ovarian stage, Ov)。性腺原基兩端的突起完全連接在一起,卵巢腔已經(jīng)形成,卵原細(xì)胞開始出現(xiàn),具有較大的細(xì)胞核且被較薄的細(xì)胞質(zhì)所包圍。卵巢腔的形成標(biāo)志著性腺已分化為卵巢,石斑魚性腺分化為雌性。
1.2.3 抗原暴露試驗 頭部和頭蓋骨固定在波恩試劑后其腦垂體中的蛋白抗原會被封閉,因此,必須進行抗原暴露試驗。將頭部和頭蓋骨切片用梯度酒精脫水后浸泡在10 mmol/L檸檬酸溶液中,用微波爐加熱至90 ℃并恒溫保持15 min。隨后將切片置于室溫下冷卻1 h并用蒸餾水洗凈。
1.2.4 腦垂體中FSHβ和LHβ細(xì)胞免疫組織化學(xué)的識別和定位 細(xì)胞免疫組織化學(xué)試驗采用抗生物素蛋白-生物素過氧化物酶法。將切片浸泡在含0.3% H2O2的甲醇中1 h后,用PBS緩沖液沖洗干凈后在體積分?jǐn)?shù)為10%的山羊血清中封閉15 min,分別滴加兔抗底鳉FundulusheteroclitusFSHβ(稀釋1 000倍)和LHβ(稀釋5 000倍)第一抗體(日本Shimizu博士贈送)在4 ℃下孵育一晚。然后用PBS緩沖液沖洗15 min,用SAB-PO(R)試劑盒(nichirei Biosciences Inc., Japan)中的山羊抗兔IgG第二抗體溶液孵育1 h,在PBS中漂洗15 min后用鏈霉親和素-HRP(horseradish peroxidase)溶液孵育30 min。再用PBS緩沖液沖洗10 min,用試劑盒中的DAB辣根過氧化物酶顯色液(DAB horseradish peroxidase)觀察免疫反應(yīng)的信號。切片用蘇木精復(fù)染后在顯微鏡下觀察并拍照。
1.2.5 腦垂體總RNA的提取與反轉(zhuǎn)錄 取凍存的石斑魚腦垂體,參照TRIzol試劑盒(Life Technologies Corp., USA)中的說明書進行總RNA的提取,經(jīng)10 g/L瓊脂凝膠電泳檢測RNA完整度,用NanoDrop 2000 分光光度計檢測RNA濃度。根據(jù)Transcriptor first strand cDNA synthesis(Roche Diagnostic GmbH, Mannheim, Germany)說明書操作,取1 μg總RNA為反轉(zhuǎn)錄模板合成第一鏈cDNA,用于PCR的擴增。
1.2.6 腦垂體中fshβ和lhβ基因的實時熒光定量檢測 根據(jù)基因庫中各基因序列設(shè)計熒光定量引物,赤點石斑魚fshβ和lhβ引物用Primer Express軟件設(shè)計,由Integrated DNA Technologies公司(USA)合成;黑邊石斑魚fshβ、lhβ和18S引物用Primer 3 Plus軟件設(shè)計,由Fasmac公司(Kanagawa, Japan)合成(表1)。
表1 實時熒光定量PCR反應(yīng)中引物序列
赤點石斑魚fshβ和lhβ基因測定參照FastStart Essential DNA Probe Master(Roche Diagnostics, Mannheim, Germany)試劑盒說明書操作。PCR反應(yīng)體系(共10 μL):cDNA 模板2.5 μL,Probe Master(2×concentrate)5 μL,探針引物(Primer F、Primer R 10 pmol/μL,Probe 5 pmol/μL)0.5 μL,滅菌超純水2 μL。在Light Cycler?480進行PCR反應(yīng),條件如下:95 ℃下預(yù)變性3 min;95 ℃下循環(huán)變性 15 s,60 ℃退火復(fù)性1 min,共進行45個循環(huán);95 ℃下熔解5 s,65 ℃下熔解1 min;最后在50 ℃下冷卻30 s。PCR反應(yīng)后獲得熔解曲線,基因表達量用絕對定量法進行統(tǒng)計分析。
黑邊石斑魚fshβ和lhβ基因測定參照FastStart Essential DNA Green Master(Roche Diagnostics GmbH, Mannheim, Germany)試劑盒說明書操作。PCR反應(yīng)體系(共10 μL):cDNA 模板1 μL,Green Master(2×concentrate)5 μL,上、下游引物(10 pmol/μL)各1 μL,滅菌超純水2 μL。在 Light Cycler?480進行PCR反應(yīng),條件如下:94 ℃下預(yù)變性5 min;94 ℃下循環(huán)變性10 s,60 ℃下退火復(fù)性 10 s,72 ℃下延伸 10 s,共進行45個循環(huán);95 ℃下熔解5 s,65 ℃下熔解1 min;最后在50 ℃下冷卻30 s。PCR反應(yīng)后獲得熔解曲線,基因表達量用相對定量法進行統(tǒng)計分析,以18S ribosomal RNA作為內(nèi)參基因。
試驗數(shù)據(jù)均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤(means±S.E.)表示。采用SPSS 22.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進行單因素方差分析,采用Kolmogorov-Smirnov 法進行正態(tài)分布檢測,利用Tukey’s HSD 法進行組間差異性比較分析,顯著性水平設(shè)為0.05。
從表2可見:試驗開始時,55日齡的赤點石斑魚體長為(25.32±0.48)mm,體質(zhì)量為(0.32±0.01)g,黑邊石斑魚體長為(21.67±0.32)mm,體質(zhì)量為(0.25±0.00)g;試驗結(jié)束時,120日齡的赤點石斑魚體長為(88.67±2.18)mm,體質(zhì)量為(11.61±0.59)g,黑邊石斑魚體長為(75.56±1.95)mm,體質(zhì)量為(9.46±0.44)g。
表2 赤點石斑魚和黑邊石斑魚在55、80、120日齡時體長和體質(zhì)量的變化
赤點石斑魚和黑邊石斑魚性腺發(fā)育情況基本一致。55日齡時,性腺位于腸道附近,由一對小葉向前延伸并形成兩片突起,性腺內(nèi)有性細(xì)胞、肌肉細(xì)胞和血管,性細(xì)胞位于中心并被肌肉細(xì)胞所包圍(圖1(a)A、B和圖1(b)A、B);80日齡時,性腺兩端的結(jié)締組織向前延伸并形成小片突起,但尚未完全閉合在一起,表明卵巢腔正在形成(圖1(a)C和圖1(b)C);120日齡時,性腺左右兩側(cè)的結(jié)締組織進一步向前延伸并完全閉合在一起,形成一個空腔為卵巢腔,卵巢腔的形成標(biāo)志著性腺分化為雌性,卵原細(xì)胞出現(xiàn)在卵巢腔周圍(圖1(a)D和圖1(b)D)。
(a)赤點石斑魚Epinephelus akaara
赤點石斑魚的腦垂體結(jié)構(gòu)(圖2(a)A1~A3)和黑邊石斑魚的腦垂體結(jié)構(gòu)(圖2(b)A1~A3)基本一致;腦垂體位于間腦腹側(cè)突起呈漏斗狀結(jié)構(gòu),由神經(jīng)垂體(neurohypophysis, NH)和腺垂體(adenohypophysis, AH)兩部分構(gòu)成,腺垂體進一步分為3小部分,從左至右分別為前外側(cè)部(rostral pars distalis, RPD)、中外側(cè)部(proximal pars distalis, PPD)和中間部(pars intermedia, PI)。
55日齡時,赤點石斑魚的FSHβ和LHβ細(xì)胞分布在PPD和PI區(qū)域(圖2(a)B1、C1),黑邊石斑魚的FSHβ和LHβ分布在RPD和PPD區(qū)域(圖2(b)B1、C1);80日齡時,赤點石斑魚和黑邊石斑魚的FSHβ和LHβ均分布在PPD區(qū)域,LHβ分布在PPD區(qū)域(圖2(a)B2、C2和圖2(b)B2、C2);120 日齡時,赤點石斑魚的FSHβ分布在PPD和PI區(qū)域(圖2(a)B3、C3),黑邊石斑魚的FSHβ和LHβ均分布在PPD區(qū)域(圖2(b)B3、C3)。
(a)赤點石斑魚Epinephelus akaara
從圖3可見:赤點石斑魚腦垂體中fshβ基因含量在120日齡時顯著高于55、80日齡(P<0.05),但lhβ基因含量無顯著性差異(P>0.05);黑邊石斑魚腦垂體中fshβ和lhβ基因含量在120日齡時均顯著高于55和80日齡(P<0.05)。
(a)赤點石斑魚Epinephelus akaara
本試驗表明,赤點石斑魚和黑邊石斑魚性腺發(fā)育在55日齡時為未分化階段,80日齡時為分化階段,120日齡時為卵巢階段。已有研究表明,褐石斑魚在60日齡時性腺兩端結(jié)締組織突起并延伸,卵巢腔雛形開始形成,80日齡時結(jié)締組織突起更加發(fā)達并擴展,110日齡時卵巢腔已經(jīng)完全形成[26]。但在點帶石斑魚中,11、39日齡為性腺未分化期,47、74日齡為分化期,144日齡為卵巢階段[27]。此外,韓國學(xué)者Kim等[5]的研究表明,赤點石斑魚在65日齡時結(jié)締組織開始延伸形成突起,在70、80、90、100日齡時,結(jié)締組織進一步向前生長并延伸,105日齡時卵巢腔已完全形成。而本研究中的赤點石斑魚在120日齡時卵巢腔才完全形成,與Kim等[5]報道的105日齡有所差異,表明性腺分化可能受到棲息地和飼養(yǎng)條件如水溫等環(huán)境因素的影響。有研究表明,水溫對歐洲鱸[28]和金魚Carassiusauratus[29]的性腺分化有重要影響。然而,本試驗中55~80日齡期間兩種石斑魚性腺發(fā)育的情況,以及水溫對其性腺分化影響的研究尚未開展,今后需進一步研究。
目前,運用免疫組織化學(xué)技術(shù)識別魚類FSHβ和LHβ細(xì)胞的試驗中,關(guān)鍵因素在于第一抗體能否較好地與抗原相結(jié)合,因為抗體與抗原間存在物種特異性反應(yīng)。以往的研究表明,由日本學(xué)者Shimizu博士開發(fā)的兔抗底鳉FSHβ和LHβ抗體不僅被運用在檢測底鳉腦垂體中的FSHβ和LHβ細(xì)胞[30],也被運用于真鯛Pagrusmajor[31]、小口黑鱸Micropterusdolomieu[31]和慈鯛Cichlasomadimerus[32]中,表明兔抗底鳉FSHβ和LHβ抗體能夠較好地與多種魚類的抗原相結(jié)合,尤其此抗體也適用于石斑魚類如蜂巢石斑魚E.merra[22]和點帶石斑魚[23]。因此,本試驗中運用此抗體檢測赤點石斑魚和黑邊石斑魚腦垂體中的FSHβ和LHβ細(xì)胞,結(jié)果表明,兔抗底鳉FSHβ和LHβ抗體可有效地對兩種石斑魚腦垂體中的FSHβ和LHβ細(xì)胞進行識別并定位。
研究表明,硬骨魚類中的FSHβ和LHβ細(xì)胞主要分布在腦垂體PPD區(qū)域[33]。本試驗表明,赤點石斑魚和黑邊石斑魚腦垂體結(jié)構(gòu)分為NH、RPD、PPD和PI部分,與大多數(shù)硬骨魚類的腦垂體結(jié)構(gòu)一致[33],且在性腺發(fā)育各階段,腦垂體中FSHβ和LHβ主要集中在PPD區(qū)域,少量出現(xiàn)在RPD或PI區(qū)域。在多數(shù)硬骨魚如銀漢魚Odontesthesbonariensis[31]、底鳉[32]、慈鯛[32]、蜂巢石斑魚[22]和點帶石斑魚[23]中,F(xiàn)SHβ和LHβ信號大量集中在PPD區(qū)域,少量在PI區(qū)域。因此,本試驗中觀察到的FSHβ和LHβ在腦垂體中的分布與上述硬骨魚的分布大致相同。
本試驗表明,赤點石斑魚和黑邊石斑魚腦垂體中FSHβ和LHβ蛋白信號在55、80、120日齡時均被檢測到,且赤點石斑魚腦垂體中fshβ基因含量及黑邊石斑魚腦垂體中fshβ與lhβ含量在120日齡時均顯著高于55、80日齡,這表明FSHβ和LHβ與兩種石斑魚的性腺分化密切相關(guān)。在虹鱒Oncorhynchusmykiss[35]、南方鲇Silurusmeridionalis[36]和赤點石斑魚[37]性腺分化過程中,fshβ和lhβ基因均被檢測到;在銀漢魚性腺分化過程中,F(xiàn)SHβ和LHβ蛋白信號也被檢測到[31]。上述研究結(jié)果分別從PCR和IHC角度表明,F(xiàn)SHβ和LHβ與硬骨魚的性腺分化有關(guān)。然而對點帶石斑魚[23]、尼羅羅非魚Oreochromisniloticus[38]和黃鱔Monopterusalbus[39]的研究表明,F(xiàn)SHβ和LHβ與性腺分化無關(guān)。此外,在底鳉[40]和歐洲鱸[21]中,只有FSHβ對性腺分化和早期卵母細(xì)胞的發(fā)育具有重要作用,而LHβ在性腺分化過程中的角色尚不明確。上述不同研究結(jié)果表明,硬骨魚類腦垂體中FSHβ和LHβ在性腺分化過程中的角色具有物種特異性。本研究中,F(xiàn)SHβ和LHβ信號在兩種石斑魚各階段均被檢測到,且性腺分化剛結(jié)束階段fshβ和lhβ基因含量出現(xiàn)顯著性差異,表明FSHβ和LHβ在兩種石斑魚性腺分化過程中起重要作用,其角色可能是促進個體早期發(fā)育和加速性細(xì)胞的增殖。
1)赤點石斑魚和黑邊石斑魚性腺發(fā)育在55日齡時為未分化階段,80日齡時為分化階段,120日齡時為卵巢階段。
2)兩種石斑魚在55、80、120日齡時的腦垂體結(jié)構(gòu)相似,分為神經(jīng)垂體(NH)和腺垂體(AH),腺垂體進一步細(xì)分為前外側(cè)部(RPD)、中外側(cè)部(PPD)和中間部(PI)。
3)兔抗底鳉FSHβ和LHβ抗體可有效對兩種石斑魚腦垂體中的FSHβ和LHβ細(xì)胞進行識別并定位。在兩石斑魚性腺分化的過程中,腦垂體中的FSHβ和LHβ起重要作用,其角色可能是促進個體的早期發(fā)育和加速性細(xì)胞的增殖。因此,在未來石斑魚的人工繁殖和苗種生產(chǎn)過程中,可以考慮使用注射外源FSHβ和LHβ激素促進兩種石斑魚的個體發(fā)育并縮短性腺分化的時間。