Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Электронно-микроскопическое исследование мужской половой системы и сперматогенеза свободноживущих морских нематод из отряда Enoplida

ВАК РФ 03.03.05, Биология развития, эмбриология

Автореферат диссертации по теме "Электронно-микроскопическое исследование мужской половой системы и сперматогенеза свободноживущих морских нематод из отряда Enoplida"

005006033

АФАНАСЬЕВ-ГРИГОРЬЕВ Алексей Григорьевич

ЭЛЕКТРОННО-МИКРОСКОПИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МУЖСКОЙ ПОЛОВОЙ СИСТЕМЫ И СПЕРМАТОГЕНЕЗА СВОБОДНОЖИВУЩИХ МОРСКИХ НЕМАТОД ИЗ ОТРЯДА ЕШРЬГОА ^ЕМАТООА, Е1ЧОРЬЕА)

03.03.05 - биология развития, эмбриология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

1 5 ДЕК 2011

Владивосток - 2011

005006033

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте биологии моря им. A.B. Жирмунского Дальневосточного отделения РАН

Научный руководитель:

доктор биологических наук, член-корреспондент РАН Юшин Владимир Владимирович

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, ст.н.с. Долматов Игорь Юрьевич

доктор биологических наук, профессор Чесунов Алексей Валериевич

Ведущая организация

Учреждение Российской академии наук Институт биологии развития им. Н.К. Кольцова РАН

Защита состоится 27 декабря 2011 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д005.008.01 при Учреждении Российской академии наук Институте биологии моря им. A.B. Жирмунского Дальневосточного отделения РАН по адресу:

690041, г. Владивосток, ул. Пальчевского, 17. Телефон: (423) 2310905, факс (423) 310900, электронный адрес: inmarbio@maiI.prjmorye.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии наук Института биологии моря им. A.B. Жирмунского Дальневосточного отделения РАН (690041, г. Владивосток, ул. Пальчевского,

Отзывы просим присылать на электронный адрес: mvaschenko@mail.ru

17).

Автореферат разослан " tOß " ноября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук

faaufWifo М.А. Ващенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Нематоды - одна из самых многочисленных и широко распространенных групп многоклеточных животных, освоивших гигантский диапазон сред обитания и находящихся на стадии активного биологического прогресса (Парамонов, 1962; Малахов, 1986; Чесунов, 2006). Причина этого прогресса заключается, в том числе, в особенностях строения тканей, клеток, а также в биологии размножения нематод. Исследование ультраструктуры нематод с помощью трансмиссионных электронных микроскопов начались в 50-х годах прошлого столетия, и уже тогда предметом исследования стали в основном нематоды - паразиты растений и животных, играющих важную роль в медицине, ветеринарии и сельском хозяйстве. Позднее такая почвенная нематода, как Caenorhabditis elegans, стала модельным объектом, с помощью которого были исследованы и продолжают в настоящее время исследоваться ключевые вопросы генетики, клеточных дифференцировок, механизмов старения и другие вопросы биологии развития.

В настоящее время существует дисбаланс в данных по гистологии и цитологии нематод, так как свободноживущие морские нематоды, составляющие большую часть разнообразия класса и играющие колоссальную роль в морских экосистемах, изучались лишь эпизодически (Малахов, 1986; Bird, Bird, 1991; Wright, 1991; Lee, 2002). В то же время, свободноживущие морские нематоды включают таксоны, сохранившие большое число плезиоморфных признаков, анализ которых дает богатый материал для решения вопросов сравнительной эмбриологии, цитологии и гистологии (Малахов, 1986). К таким таксонам относятся прежде всего эноплиды (отряд Enoplida), которые, по мнению некоторых авторов, сохраняют ряд первичных черт класса нематод (Maggenti, 1963; Платонова, 1976; Малахов, 1986).

Ультраструктуру мужской половой системы нематод до сих пор изучали только на примере нескольких видов - паразитов животных и растений, есть также данные по С. elegans (Апуа, 1966; Hulinska, 1973; Frantz, 1982; White, 1988; Takahashi et al., 1994). Для свободноживущих морских нематод долгое время уникальными оставались данные по традиционной гистологии мужской половой

системы эноплиды Deontostoma californicum (Hope, 1974), но в недавно вышедшей работе Зограф (Zograf, 2010) впервые детально рассмотрена ультраструктура мужской половой системы на примере представителя отряда Chromadorida, Paracyatholaimus pugettensis. Ограниченность данных по морским свободноживущим нематодам потребовала нового детального исследования мужской половой системы на примере нематод-эноплид для первого сравнительного анализа гистологии мужской половой системы нематод.

По имеющимся в настоящее время данным, сперматогенез эноплид демонстрирует большое разнообразие от семейства к семейству (Wright et al., 1973; Baccetti et al., 1983; Yushin, Malakhov, 1994; Turpeenniemi, 1998; Yushin, Malakhov, 1998; Yushin, Malakhov, 1999; Justine, Jamieson, 1999; Justine, 2002; Yushin et al., 2002; Yushin, 2003), чего обычно не наблюдается у других нематод. Поэтому второй частью данной работы было ультраструктурное исследование сперматогенеза представителей ранее неизученных семейств эноплид. Особое внимание при этом уделялось судьбе ядерной оболочки в мейозе, а также процессам формирования специфических для сперматозоидов нематод мембранных органелл (МО) и волокнистых тел (ВТ). Исследования сперматозоидов нематод дают не только общебиологическую информацию по основным принципам строения и биологии гамет, обеспечивающих внутреннее оплодотворение, но могут быть использованы и для филогенетического анализа.

Цели и задачи работы. Основной целью настоящей работы было исследование ультраструктуры мужской половой системы и сперматогенеза свободноживущих морских нематод-эноплид. На основе оригинальных и литературных данных предполагалось провести сравнительно-цитологический анализ строения мужской половой системы и развития сперматозоидов нематод-эноплид.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи.

1. Изучить строение дистального конца семенника у Enoplus michaelseni (Enoplidae) с целью описания аналогов концевых клеток других нематод.

2. Детально изучить строение мужской половой системы на примере Anoplostoma cuticularia (Anoplostomatidae).

3. Изучить строение и развитие сперматозоидов у представителей трех семейств отряда ЕпорМа (АпорЬвЮтаШае, ЬерЮвотаМае, ТпруЫсШае).

4. Исследовать развитие диморфных сперматозоидов нематоды ВаШуШтш аш1гаШ (ТпруЫсШае).

5. На основе полученных данных провести сравнительно-цитологический анализ строения мужской половой системы и развития сперматозоидов нематод-эноплид.

Научная новизна. Впервые детально исследован дистальный участок семенника нематоды-эноплиды и показано, что характерную для гонад других нематод специализированную концевую клетку у эноплид представляет многоклеточный эпителий. Впервые с помощью электронной микроскопии детально изучена мужская половая система нематоды-эноплиды и охарактеризована ультраструктура всех ее отделов; впервые детально исследованы предстательные железы свободноживущих нематод-эноплид. Впервые исследован сперматогенез трех видов нематод-эноплид, представителей трех семейств Апор^ШтаМае, ЬерК^отаШае и ТпрукмёМае и определены общие черты сперматогенеза и сперматозоидов нематод-эноплид. На примере ВаЖуЫтия аияКаНз (ТпруЫсШае) впервые исследован феномен диморфизма сперматозоидов у нематод-эноплид и впервые для нематод описано развитие двух типов сперматозоидов (эу- и парасперматозоидов), развивающихся в единственном семеннике.

Теоретическое и практическое значение работы. Анализ строения и развития сперматозоидов нематод может быть полезен для понимания процессов формирования половых клеток у многоклеточных животных, а так же путей возникновения аберрантных сперматозоидов. Полученные в ходе исследования данные могут быть направлены на разработку естественной системы класса №таЮс1а, являющейся научной основой для прикладной нематологии как раздела гельминтологии. Представленные в диссертации результаты о строении половой системы нематод-эноплид могут быть включены в программу общих и специализированных курсов по эмбриологии и биологии развития, гистологии и

цитологии, зоологии беспозвоночных животных и нематологии для высших учебных заведений.

Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на 28-м Международном симпозиуме Европейского общества нематологов, (Благоевград, Болгария, 2006); на Седьмом Международном симпозиуме Российского общества нематологов (Петрозаводск, 2007); на Пятом международном конгрессе нематологов (Брисбен, Австралия, 2008); на Международном нематологическом симпозиуме «Нематоды в тропических экосистемах» (Ханой, Вьетнам, 2009); на ежегодных научных конференциях ИБМ ДВО РАН (2008, 2009); на семинарах лаборатории эмбриологии ИБМ ДВО РАН.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 научных работ, из них две статьи в журналах из списка ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендуемых ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 112 страницах и состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов исследования, результатов, обсуждения полученных данных, выводов и списка литературы. Список литературы включает 104 источника, из которых 92 на иностранных языках. Диссертация включает 15 оригинальных схематических рисунков и 78 оригинальных электронограмм.

Благодарности. Автор выражает благодарность профессору Дальневосточного федерального универститета Н.П. Фадеевой за помощь в определении видов нематод и консультации по таксономии и морфологии морских нематод; начальнику отдела электронной микроскопии ИБМ ДВО РАН Фомину Д.В. за обучение и помощь в работе с электронными микроскопами; коллективу лаборатории эмбриологии ИБМ ДВО РАН за консультации и помощь в работе на всех этапах исследований и подготовки диссертации. Работа выполнена при финансовой поддержке грантов РФФИ (№№ 05-04-48268, 08-0400580, 11-04-00368) и ДВО РАН (№ 09-Ш-А-06-216).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Обзор литературы

В главе приводятся краткие сведения о строении мужской половой системы и данные по электронной микроскопии сперматозоидов нематод, делается вывод об актуальности исследования нематод-эноплид для расширения знаний о репродуктивной биологии свободноживущих морских нематод. В главе кратко характеризуется классификация крупных таксонов нематод Де Лея и Блакстера (De Ley, Blaxter 2002), которая используется в работе.

Материал н методика

Исследования мужской половой системы и сперматозоидов были выполнены на четырех видах морских свободноживущих нематод - представителей четырех семейств из трех подотрядов отряда ЕпорШа, таблица 1:

Подотряд Семейство Виды Что изучалось

Enoplina Enoplidae Enoplus michaelseni Дистальная часть

Linstow, 1896 семенника

Anoplostomatidae Anoplostoma cuticularia Мужская половая система,

Belogurov etAlekseev, 1977 Сперматогенез

Ironina Leptosomatidae Leptosomatides mariitae Спермиогенез

Platonova, 1976

Tripyloidina Tripyloididae Batliylaimus australis Сперматогенез,

Cobb, 1894 Диморфизм

сперматозоидов

Строение гонад, строение и развитие сперматозоидов изучали с помощью трансмиссионной электронной микроскопии (ТЭМ), для чего использовали методы фиксации в глютаральдегиде и тетроксиде осмия, заливки в эпоксидные смолы. Тонкие срезы контрастировали уранилацетатом и цитратом свинца и исследовали на микроскопах Jeol JEM-100S и Zeiss Libra 120. На Libra 120 дополнительно использовалась функция сканирующей трансмиссионной электронной микроскопии (СТЭМ).

Результаты

1. Мужская половая система морских нематод-эноплид

1.1. Дистальный конец семенника Ettoplus michaelseni (Enoplida, Enoplina, Enoplidae)

В семенниках эноплид, по аналогии с другими нематодами (аскарида, С. elegans), мы рассчитывали обнаружить и исследовать концевую клетку (distal tip cell, DTC), играющую важную роль в регуляции клеточного цикла сперматогенных клеток, однако у Е. michaelseni специализированную крупную клетку на дистальном конце семенника обнаружить не удалось. Эпителий дистальной части семенника, окружающий пролиферирующие сперматогонии, построен из множества относительно небольших клеток, эти соматические клетки образуют длинные тонкие отростки, проникающие в полость семенника между сперматогониями и иногда окружая их целиком.

1.2. Мужская половая система Anoplostoma cuticularia (Enoplida, Enoplina, Anoplostomatidae)

У Anoplostoma cuticularia семенники парные, обращенные, они соединяются с семяпроводом единым семявыносящими каналами, семяпровод открывается в клоаку через семяизвергательный канал (Рис. 1). В семеннике отчетливо выделяются две части - дистальная, содержащая развивающиеся сперматогенные клетки (сперматогонии, сперматоциты и сперматиды) и семенной пузырек, содержащий плотно упакованные незрелые сперматозоиды одинакового строения. Семенник в дистальной части плотно прилегает к кишечнику, растущие сперматоциты отделены от кишечных клеток только тонким слоем эпителия семенника, базальными мембранами эпителиев гонады и кишечника и узким пространством полости тела (Рис. 2А). Отдел сперматид, следующих в семеннике за сперматоцитами, заканчивается коротким, но хорошо выраженным участком

Дистальны семяпрово

Проксимальным

Семявыное проток

Передний семенник

Задний 'семенник

Предстательн железы

семяпровод

В

2

Рис. 1. Приблизительная схема половых трубок мужской половой системы Лпор1оИота сиИси1апа с указанием уровней, на которых были сделаны поперечные срезы, показанные на рисунке 2.

Рис. 2. Схемы поперечных срезов мужской половой системы Апор]оз1ота сиИси!апа. А - поперечный срез семенника в районе сперматоцитов; Б - поперечный срез семенника в районе семенного пузырька; В - поперечный срез проксимальной части семяпровода. Обозначения: Жк - железистая клетка эпителия семенника, Мс -мышечная клетка стенки семяпровода, С - сперматозоид, Сц - сперматоцит, Эк -эпителиальная клетка семенника.

семенника, в котором происходит отделение резидуальных тел.

Железистый семенной пузырек охватывает кластер плотно упакованных незрелых сперматозоидов (Рис. 2Б). Эпителиальные клетки семенного пузырька имеют базально расположенные ядра неправильной формы, цитоплазма клеток включает развитый синтетический аппарат (цистерны ЭПР и диктиосомы, рибосомы, многочисленные митохондрии) и заполнена сферическими осмиофильными гранулами секрета.

В дистальной части семяпровод состоит только из эпителиальных клеток, в проксимальной части со стороны базальной мембраны эпителий семяпровода одет слоем гладкой мускулатуры (Рис. 2В). Семяпровод представляет собой эпителиальную трубку с узким центральным просветом. Железистые клетки

семяпровода имеют базально расположенное ядро, в цитоплазме клеток множество рибосом и митохондрий, цистерн ШЭР и диктиосом. Апикальная часть клетки содержит большое количество осмиофильных сферических секреторных гранул. В проксимальной части со стороны бластоцеля трубка семяпровода охватывается гладкими мышечными клетками, формирующими кольчатую перистальтическую мускулатуру (Рис. 2В).

Семяпровод открывается в клоаку, куда также открываются протоки двух одноклеточных предстательных желез. Тела этих крупных железистых клеток, хорошо заметных и на тотальных препаратах, располагаются друг за другом над кишкой и семяпроводом (Рис. 1). Клетки имеют одинаковое строение: тело клетки содержит крупное ядро с ядрышком, хорошо развитый ШЭР, диктиосомы и митохондрии. В основании протоки каждая клетка содержит скопление осмиофильных секреторных гранул характерной овальной формы, затем клетка переходит в длинный тонкий отросток («проток»), соединяющийся с клоакой в месте присоединения семяпровода.

2. Развитие и строение сперматозоидов нематод-эноплид

В главе представлены результаты исследования строения и развития сперматозоидов нематод отряда ЕпорПс1а из трех семейств, представляющих подотряды ЕпорНпа, 1гошпа и Тпру1о1с1та.

2.1 .Апор1о51ота си1ки1апа (ЕпорНйа, ЕпорНпа, Апор^^таМае)

В цитоплазме растущих сперматоцитов появляется много митохондрий, развивается мощный синтетический аппарат в виде многочисленных рибосом, цистерн ШЭР и диктиосом (Рис. ЗБ). Результатом синтетической активности является формирование большого количества мембранных органелл (МО) и волокнистых тел (ВТ), уникальных клеточных органелл, характерных только для сперматогеных клеток нематод. В поздних сперматоцитах происходит трансформация МО и разделение их на два легко различимых компонента.

Осмиофильная цистерна освобождает центральную, «сетчатую», часть пузырька. При этом осмиофильное содержимое цистерны становится волокнистым, а «сеточка» теряет свое содержимое и становится сложной системой мембран. В конечном счете, вакуоли с волокнистым содержимым становятся самостоятельным компонентом цитоплазмы. Эти вакуоли следует идентифицировать как волокнистые тела, ВТ, обнаруженные в сперматогенных клетках многих других нематод. В то же время в цитоплазме остаются пузырьки с системой внутренних мембран, не потерявшие осмиофильное содержимое, МО.

Рис. 3. Схема сперматогенеза у АпорЬяЮта сиПсиШпа. А. Сперматогоний. Б. Сперматоцит. В. Сперматида. Г. Незрелый сперматозоид. Д. Зрелый сперматозоид. Обозначения: г - гало; вт - волокнистые тела; дс - диктиосома; мо - мембранные органеллы; мт - митоходрии; по - псевдоподия; пт - плотные тела; рт - резидуальное тело; эпр - эндоплазматический ретикулюм; яо - ядерная оболочка; Я - ядро.

Мейоз в семенниках наблюдать не удалось, непосредственно за сперматоцитами располагаются сперматиды. Это округлые или овальные клетки с центрально расположенным лопастным ядром (Рис. ЗВ). Ядро имеет ядерную оболочку, оно окружено обширным электроносветлым гало. Периферическая часть цитоплазмы сперматиды включает митохондрии, ВТ и МО. У одного из

полюсов главное тело сперматиды соединяется мостиком с резидуальным телом, в котором сконцентрирован синтетический аппарат клетки.

Проксимальный отдел семенника, семенной пузырек, заполнен незрелыми сперматозоидами, формирующимися после отделения резидуального тела. Это неполяризованные полигональные клетки, содержащие центрально расположенное ядро неправильной формы (Рис. ЗГ). Хроматин полностью конденсирован, ядерная оболочка различима за счет тонкого светлого пространства, разделяющего ее и хроматин. Ядро окружено прозрачным гало, на периферии клетки сохраняется набор органелл, характерных для сперматиды.

Зрелые сперматозоиды из матки отчетливо поляризованы, они имеют на переднем конце небольшую псевдоподию, с помощью которой прикрепляются к стенке матки (Рис. ЗД). Ядро лопастное, хроматин конденсирован, ядерная оболочка различима только на больших увеличениях. Ядро окружено прозрачным гало, к ядру часто прилегают аморфные овальные или округлые тела (ВТ), на периферии клетки концентрируются МО и редкие митохондрии.

2.2. ЬерШотаШеэ тат'тае (1готпа, ЬерЬвотаМае)

По окончании мейоза в сперматидах происходят преобразования гаплоидного ядра и развитие цитоплазмы. В начальной стадии коллапса ядра хроматин еще остается в виде отдельных конденсированных хромосом, окруженных четко различимой ядерной оболочкой. На этой стадии в цитоплазме отмечается также резкое увеличение количества митохондрий, цистерн ШЭР и диктиосом, но количество еще МО незначительно. На следующей стадии ядро уменьшается в диаметре, становится сферическим, хроматин превращается в единую губчатую массу, появляется множество диктиосом с осмиофильными цистернами, они соседствуют с растущими МО, непосредственно участвуя в их формировании (Рис. 4В). На завершающих стадиях формирования сперматиды ядро начинает удлиняться, хроматин трансформируется в продольные ленты (Рис. 4Г).

Рис. 4. Схема сперматогенеза у ¿ер!о5ота!Шез тагтае. А. Сперматогоний. Б. Сперматоцит. В. Ранняя сперматида. Г. Поздняя сперматида. Д. Ранний незрелый сперматозоид. Б. Незрелый сперматозоид. Обозначения: г - гало; вт - волокнистые тела; дс - диктиосома; мо - мембранные органеллы; мт - митоходрии; рт - резидуальное тело; эпр - эндоплазматический ретикулюм; яо - ядерная оболочка; Я - ядро.

В поздних сперматидах цитоплазма становится отчетливо сегрегированной, МО концентрируются вокруг ядра, митохондрии и органеллы синтеза оказываются на периферии клетки.

После отделения резидуального тела формируются незрелые сперматозоиды. Ранние незрелые сперматозоиды, располагающиеся непосредственно за зоной сперматид, сохраняют предыдущее характерное состояние хроматина (Рис. 4Г). Центральное вытянутое ядро с ядерной оболочкой окружено слоем цитоплазмы, основу которого составляют МО. В приядерной зоне и между МО встречаются тяжи филаментозного материала со слабо выраженной продольной исчерченностью. По аналогии со сперматозоидами других нематод, эти тяжи

можно интерпретировать в качестве ВТ. Между МО встречаются также редкие митохондрии. Окончательно сформировавшиеся сперматозоиды из семенника -это овальные клетки длиной до 20 мкм и шириной 6-8 мкм. Эти сперматозоиды имеют вытянутое ядро из полностью конденсированного хроматина, представляющего собой осмиофильную массу неправильной формы (Рис. 4Г). Ядро окружено прозрачным гало, а периферия клетки представляет собой плотный матрикс, в который погружены МО и немногочисленные митохондрии; ВТ на этой стадии не обнаруживаются.

2.3. Ва&уШтт аиИгаШ (Тпру1оМта, ТпруЫеШае)

Зрелые сперматозоиды В. аш1га1и, обнаруженные в матке, это небольшие клетки длиной 4-5 мкм и шириной 2 мкм. Диффузный хроматин ядра окружает ядерная оболочка, в цитоплазме располагаются митохондрии и две крупные мембранные органеллы, расположенные на противоположных полюсах клетки.

У самцов в единственном семеннике развиваются два типа половых продуктов - «эусперматозоиды» и «парасперматозоиды». Эусперматозоиды - это клетки с ядрами нормальных размеров и строения, описанные Юшиным и Малаховым (1999) в половых путях самок. Парасперматозоиды - особый вид клеток, имеющих значительно меньшие размеры и лишенные, по-видимому, не только ядра, но и всего или почти всего ядерного хроматина. Дистальная часть семенника содержит одинаковые сперматоциты, Стадии делений мейоза в изученных семенниках не были обнаружены, но результатом их становятся клоны сперматид, содержащие десятки (точное число не установлено) ядер.

Развитие эусперматозоидов

Основные события по формированию ядер и содержимого цитоплазмы эусперматозоидов происходят в клонах сперматид. После завершения делений мейоза формируется обширная цитоплазматическая масса, в которой равномерно рассеяны гаплоидные ядра овальной формы. Хроматин ядер окружен вновь сформировавшейся ядерной оболочкой, обширная цитоплазма заполнена

рибосомами, митохондриями, цистернами ШЭР и диктиосомами. Позднее ядра выделяются в цитоплазматические компартменты, соединенные с общей цитоплазмой (резидуальным телом) мостиками. В компартментах кроме ядра и митохондрий концентрируются цистерны с прозрачным содержимым -предшественники МО. Поздние сперматиды имеют центральное ядро окруженное митохондриями, а на двух противоположных полюсах клетки концентрируются цистерны - предшественники МО.

Незрелые сперматозоиды из семенного пузырька имеют размеры 6 мкм, В центре клетки располагается ядро, окруженное митохондриями, на противоположных концах клетки расположены мембранные органеллы, содержащие плотную субстанцию (Рис. 4 А).

Развитие парасперматозоидов

Парасперматозоиды также развиваются в клонах. После мейоза в обширной цитоплазматической массе клона формируется огромное количество вакуолей размером около 2 мкм с осмиофильным содержимым. Эти вакуоли, по-видимому, аналогичны типичным МО сперматозоидов нематод. Цитоплазма клетки, формирующей МО, наполнена рибосомами, в ней много митохондрий, диктиосом, цистерн ШЭР. В цитоплазме встречаются также многочисленные осмиофильные сферы диаметром 0,6 мкм.

В более поздних клонах наблюдается концентрация трех компонентов цитоплазмы - МО, митохондрий и плотных сфер - в многочисленные небольшие кластеры, каждый из которых выделяется в отдельный цитоплазматический компартмент, окруженный мембраной. Каждый компартмент содержит только одну МО, одну или две сферы и несколько небольших митохондрий. В кластерах органеллы организованы в определенном порядке, который сохраняется и в дальнейшем, когда парасперматозоиды отделяются от резидуального тела и становятся самостоятельными компонентами эякулята (Рис. 4Б). Центр клетки занимает МО, заполненная осмиофильным содержимым, МО окружена

Рис. 5. Схема строения сперматозоидов ВаЖуЫтш дглу/га/м. А. Незрелый эусперматозоид из семенного пузырька. Б. Парасперматозоид. В. Схема среза через кольцевую митохондрию парасперматозоида. Обозначения: км - кольцевая митохондрия; м - мостик; мо - мембранные органеллы; мт- митохондрии; ос - осмиофильные тельца; с - осмиофильная сфера; яо - ядерная оболочка; я - ядро.

митохондриями. У одного из полюсов располагается плотная сфера, соединенная с МО аморфным мостиком толщиной 70 нм. В результате общая структура клетки приобретает очевидную поляризованность. Мостик, соединяющий сферу с МО, окружен митохондрией, имеющей форму кольца (Рис. 4В).

В дистальной части семенника - семенном пузырьке - скапливаются сперматозоиды двух типов: крупные эусперматозоиды и многочисленные парасперматозоиды меньших размеров (Рис. 4А, Б). Матка В. спШгаШ содержит относительно небольшое количество эусперматозоидов наряду с большим количеством парасперматозоидов.

Обсуиеденне

1. Концевая клетка в мужской половой системе нематод

У большинства изученных нематод в гонадах описана единственная концевая клетка (cap cell или distal tip cell) - крупная эпителиальныя клетка, располагающаяся на дистальном конце гонады (Zograf, 2010). Эти клетки регулируют клеточный цикл герминативных клеток, поддерживая пул герминативных клеток, размножающихся митозом (Kimble, White, 1981). У эноплиды Е. michaelseni в дистальном конце семенник состоит из множества эпителиальных клеток, которые, по-видимому, являются гомологом концевой клетки. Единственная концевая клетка отражает детерминированность развития большинства нематод, у которых наблюдается явление эутелии. Отсутствие концевой клетки у эноплид, имеющих недетерминированное развитие, можно трактовать, как еще один плезиоморфный признак этого таксона нематод.

2. Мужская половая система нематод-эноплид

Как мы установили на примере A. cuticularia, эпителий семенника неоднороден. В районе развивающихся сперматоцитов эпителий очень тонкий, в проксимальной части - это толстый железистый эпителий, который охватывает пул незрелых сперматозоидов. Подобное строение отмечено и для семенников других нематод (Shepherd et al., 1973; Shepherd, Clark, 1976; Hess, Poinar, 1986). Обычно семенник находится в плотном контакте с кишечником, из которого, поступают питательные вещества в развивающиеся клетки (Wolf et al., 1978).

Семенной пузырёк большинства нематод - это расширенная проксимальная часть семенника, содержащая сперматозоиды. Клетки эпителия здесь утолщены и имеют выраженную железистую природу. По-видимому, семенной пузырёк создаёт специальную среду для сохранения половых продуктов (Marcaillou, Szöllösi, 1980). Также важной функцией эпителия семенного пузырька является абсорбция абортивных или избыточных половых продуктов (Zograf, 2010).

Семяпровод A. cuticularia представляет собой трубку с небольшим просветом, построенную из множества железистых эпителиальных клеток. На всем протяжении со стороны бластоцеля к базальной мембране семяпровода прилегают мышечные клетки. Такое трубчатое строение семяпровода характерно и для другой эноплиды - D. californicum (Норе, 1974).

Предстательные железы на электронно-микроскопическом уровне впервые были описаны у нематоды-хромадориды Paracyatholaimus pugettensis (Zograf, 2010). Это крупные железистые клетки, соединенные узкими протоками (шейками) с клоакой в месте впадения семяпровода (семяизвергательного канала). У A. cuticularia имеются 2 крупные предстательные железы, расположенные дорзально одна за другой, протоки желез открываются в клоаку.

3. Сперматозоиды и сперматогенез нематод-эноплид

Сперматозоиды нематод глубоко модифицированы и обычно характеризуются как аберрантные (Baccetti, Afzelius, 1976; Реунов, 2005). Они не имеют аксонемы и акросомы, обычно это биполярные амебоидные клетки с передней псевдоподией и задним главным телом клетки, включающим ядро и органеллы (Justine, 2002). Для подавляющего большинства сперматозоидов характерно отсутствие ядерной оболочки и развитие уникальных аберрантных органелл - так называемых "мембранных органелл" и "волокнистых тел". Накопившиеся данные по нематодам-эноплидам позволяет обсудить общие черты и отличия в развитии и строении их мужских гамет (табл. 2).

3.1. Форма и размеры сперматозоидов

Размеры сперматозоидов нематод могут различаться на порядок. Наиболее крупные сперматозоиды описаны у аскариды - 27 мкм в длину (Sepsenwol et al., 1989). Сходные размеры (28 мкм в длину) имеют и сперматозоиды эноплиды Enoplus anisospiculus (Yushin, Malakhov, 1994). Различны размеры и у изученных нами сперматозоидов. У L. marinae сперматозоиды имеют 20 мкм в длину и 6-8 мкм в

Таблица 2. Ядерная оболочка в сперматозоидах нематод отряда Enoplida.

Подотряд Семейство Изученные виды Ядерная оболочка Ссылки

Enoplina

Enoplidae Enoplus demani + Yushin, Malakhov, 1994

Enoplus anisospiculus + Yushin, Malakhov, 1998

Thoracostomopsidae Mesacanthion hirsutum + Baccetti et al., 1983

Enoploides delamarei + Justine, Jamieson, 1999

Anoplostomati dae Anoplostoma cuticularia + Afanasiev-Grigoriev, Yushin, 2007

Anticomidae Anticoma possjetica + Yushin, 2003

Oncholaimina

Oncholaimidae Adoncholaimus fuscus Не обнаружена Calcoen, Dekegel, 1979

Pontonema vulgare + Yushin et al, 2002

Ironina

Leptosomatidae Deontostoma califomicum Не обнаружена Wright et al., 1973

Leptosomatides marinae + Afanasiev-Grigoriev et aL, 2006; Afanasiev-Grigoriev, Yushin, 2009

Oxystominidae Halalaimus leptoderma + Turpeenniemi, 1998

Tripyloidina +

Tripyloididae Bathylaimus australis + Yushin, Malakhov, 1999; Afanasiev-Grigoriev, Yushin, 2009

ширину, у A. cuticularia вытянутые сперматозоиды имеют длину 8,5 мкм, эусперматозоиды В. australis длиной 6 мкм, а парасперматозоиды всего 2 мкм.

3.2. Ядро сперматозоидов

В большинстве случаев хроматин ядра в спермиях нематод конденсируется до единой плотной массы. В сперматидах эноплид описаны самые различные состояния конденсации ядерного хроматина - гомогенная масса, структурирование в виде лент, диффузное состояние неполной конденсации.

3.3. Ядерная оболочка

Одна из основных особенностей сперматозоидов нематод - это отсутствие ядерной оболочки, которая не восстанавливается после мейотических делений (Justine, 2002). Исключение составляют лишь представители отряда эноплид, у которых ядерная оболочка сохраняется на всех стадиях сперматогенеза. К настоящему моменту ядерная оболочка в сперматозоидах известна для представителей 8 семейств из 4 подотрядов отряда Enoplida (табл. 2). Потеря ядерной оболочки указывает на высокую специализацию мужских гамет, тогда как сохранение ее может быть истолковано как плезиоморфный признак.

3.4. Митохондрни

Большинство сперматозоидов нематод имеют многочисленные митохондрии обычного для соматических клеток строения (Justine, Jamieson, 1999; Justine, 2002). Для двух отрядов нематод (Mononchida и Dioctophymida - оба из подкласса Enoplia) сообщается о редукции митохондрий в сперматогенезе (Justine, 2002).

Функции митохондрий, по-видимому, тесно связаны с подвижностью сперматозоидов. Это проявляется в том, что у всех поляризованных сперматозоидов основная масса митохондрий скапливается под подвижной псевдоподией, на границе между цитоскелетом псевдоподии и цитоплазмой

главного тела клетки (Sepsenwol et al., 1989). Концентрация митохондрий под псевдоподией наблюдалась также в поляризованных сперматозоидах эноплид Enoplus anisospiculus и Anticomapossjetica (Yushin, Malakhov 1998; Yushin, 2003).

3.5. Синтетический аппарат клетки

Считается, что основные процессы синтеза в клетке завершаются перед мейозом, в сперматоцитах, а в сперматидах происходит только перераспределение органелл и вещества в клетке (Foor, 1983). Для некоторых нематод резидуальная цитоплазма, удаляющаяся с резидуальным телом, - это не просто пассивное вместилище для отработавших органелл, но активно-синтезирующая часть сперматиды, без которой были бы невозможны дальнейшие преобразования клетки. Формирование МО и ВТ у ряда иематод-зноплид начинается лишь в сперматидах. Так у Enoplus anisospiculus (Yushin, Malakhov, 1998) и L. marinae ВТ формируются только на стадии поздней сперматиды, у Anticoma possjetica (Yushin, 2003) МО появляются в ранней сперматиде, только на стадии сперматид происходит пролиферация МО у L. marinae.

3.6. Мембранные органеллы, волокнистые тела и их комплексы

Аберрантные органеллы - мембранные органеллы (МО) и волокнистые тела (ВТ) - рассматриваются как уникальная особенность сперматозоидов нематод (Justine, 2002). Оба типа органелл находят в спермиях эноплид (Turpeenniemi, 1998; Justine, Jamieson, 1999; Yushin et al., 2002, настоящая работа).

Существуют различные комбинации МО и ВТ в сперматогенезе нематод. У некоторых нематод МО и ВТ развиваются в комплексе, это характерно для многих рабдитид и известно для монхистерид (Justine, Jamieson, 1999). У эноплид МО и ВТ развиваются отдельно друг от друга, без образования комплексов (Yushin, Malakhov, 1998; Turpeenniemi, 1998; Justine, Jamieson, 1999; Yushin et al., 2002).

3.7. Активация сперматозоидов

Активация сперматозоидов у нематод происходит в половых путях самки. При активации происходит опорожнение мембранных органелл и соединение их с внешним пространством через пору. Процессы активации, по-видимому, такие же и у изученных эноплид. Зрелые сперматозоиды, обнаруженные в матке А. сийси1аг1а и В. ашКаНя, содержат типичные опорожненные МО с внутренней системой мембран и открытые наружу порами.

3.8. Диморфизм сперматозоидов

У самцов эноплиды В. аия^аИя в семеннике развиваются два типа половых продуктов - «эусперматозоиды» и «парасперматозоиды». Первые - это клетки с ядрами нормальных размеров и строения, парасперматозоиды - особый вид клеток, которые лишены нормально развитого ядра и имеют очень маленькие размеры. В дистальной части семенника - семенном пузырьке - скапливаются сперматозоиды двух типов: крупные эусперматозоиды и многочисленные парасперматозоиды меньших размеров. Функция парасперматозоидов В. агШгаШ пока остается загадочной.

Описаны и другие случаи диморфизма сперматозоидов нематод, у которых диморфизм мужских гамет возникает независимо как у свободноживущих, так и у паразитических групп, при этом радикальное различие в размерах и строении сперматозоидов, производимых одной особью, у каждого вида развивается для решения совершенно разных задач репродуктивной стратегии (УшЫп, 2008).

ВЫВОДЫ

1. Характерной особенностью мужской половой системы нематод-эноплид можно считать отсутствие специализированной эпителиальной концевой клетки на дистальном конце семенника. У эноплид регуляторную функцию концевой клетки других нематод, по-видимому, выполняют множественные эпителиальные

клетки дистальной части стснки семенника, окружающие пул пролиферирующих сперматогониев.

2. На примере нематоды Anoplostoma cuticularia показано, что мужская половая система эноплид состоит из трех основных частей - семенников, семяпровода и предстательных желез:

- эпителий семенников состоит из очень тонкого эпителия средней части, окружающего развивающиеся сперматоциты и сперматиды, а также из железистого семенного пузырька, содержащего незрелые сперматозоиды;

- семяпровод эноплид представляет собой настоящую эпителиальную трубку, построенную из множества железистых клеток; со стороны полости тела семяпровод охватывается кольцевыми эпителиально-мышечными клетками;

- вместе с семяпроводом в клоаку впадают протоки двух одноклеточных предстательных желез.

3. На основе изучения трех видов нематод-эноплид, представителей трех семейств из трех подотрядов и анализа литературных данных можно заключить, что общими чертами сперматогенеза эноплид можно считать сохранение ядерной оболочки в сперматозоидах, отсутствие центриолей, обилие митохондрий обычного для соматических клеток строения, развитие мембранных органелл в целом сходного строения у всех эноплид. Волокнистые тела, предположительно аккумулирующие цитоскелетный белок MSP, у эноплид встречаются редко и никогда не объединяются в комплексы с мембранными органеллами.

4. Отсутствие концевой клетки в эпителии семенника, трубчатый семяпровод, сохранение ядерной оболочки у сперматозоидов, необычное разнообразие паттернов сперматогенеза эноплид могут рассматриваться как плезиоморфные признаки, подчеркивающие общую примитивность эноплид среди других таксонов нематод.

5. У эноплиды Bathylaimus australis наблюдается радикальный диморфизм сперматозоидов, которые развиваются отдельными клонами в единственном семеннике. Фертильные эусперматозоиды имеют строение, обычное для сперматозоидов эноплид; нефертильные парасперматозоиды не имеют нормально развитого ядра, их основу составляет гипертрофированная мембранная органелла.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

Публикации в журналах из списка, рекомендованного ВАК:

1. Afanasiev-Grigoriev A.G., Zograf J.K., Yushin V.V. Nuclear envelope in the spermatozoa of the leptosomatid nematode Leptosomatides marinae (Enoplida, Leptosomatidae) II Russian Journal ofNematology. 2006. V. 14. P. 119-125.

2. Афанасьев-Григорьев А.Г., Юшин B.B. Электронно-микроскопическое исследование спермиогенеза у свободноживущей морской нематоды Leptosomatides marinae Platonova 1976 (Enoplida: Leptosomatidae) // Биология моря. 2009. Т. 35, №2. С. 124-131.

Публикации в материалах конференций:

3. Afanasiev-Grigoriev A.G., Yushin V.V. Nuclear envelope in spermatozoa of the leptosomatid nematode, Leptosomatides marinae (Enoplida, Leptosomatidae) // European Society of Nematologists XXVIII International Symposium of the European Society of Nematologists, Blagoevgrad, Bulgaria, 5-9 June 2006: Programme and Abstracts. Sofia-Moscow: Pentsoft, 2006. P. 160.

4. Afanasiev-Grigoriev A.G., Yushin V.V. Electron microscope study of spermatogenesis in Anoplostoma cuticidaria (Enoplida, Anoplostomatidae) // Russian Journal ofNematology. 2007. V. 15. №2. P. 138.

5. Afanasiev-Grigoriev A.G., Yushin V.V. Sperm development in the free-living marine nematode Leptosomatides marinae (Enoplida, Leptosomatidae) // 5th International Congress ofNematology, 13-18 July 2008, Brisbane, Australia: Abstracts.

2008. P. 194.

6. Yushin V.V., Afanasiev-Grigoriev A.G. Euspermatozoa and paraspermatazoa in nematodes: spermatogenesis in the trypyloidid nematode Bathylaimus australis (Enoplida, Tripyloididae) // International Nematology Symposium "Nematodes in Tropical Ecosystems", Hanoi, Vietnam, 17-21 August 2009: Program & Abstracts.

2009. Hanoi, IEBR-VAST, P. 41.

7. Afanasiev-Grigoriev A.G., Yushin V.V. Absence of a distal tip cell in testes of the marine enoplid Enoplus michaelseni (Enoplida, Enoplidae) // International Nematology Symposium "Nematodes in Tropical Ecosystems", Hanoi, Vietnam, 17-21 August 2009, Program & Abstracts. 2009. Hanoi, IEBR-VAST, P. 44.

АФАНАСЬЕВ-ГРИГОРЬЕВ Алексей Григорьевич

ЭЛЕКТРОННО-МИКРОСКОПИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МУЖСКОЙ ПОЛОВОЙ СИСТЕМЫ И СПЕРМАТОГЕНЕЗА СВОБОДНОЖИВУЩИХ МОРСКИХ НЕМАТОД ИЗ ОТРЯДА ЕШРЬГОА (КЕМАТОБА, ЕГТОРЬЕА)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Подписано в печать 18.11.2011 Формат 60x84/16 Усл. печ. л. 1,45 Уч-изд. 1,35 Тираж 100 экз. Заказ 733 Отпечатано в Типографии №2 ИПК ДВФУ 690990, г. Владивосток, ул. Пушкинская, 10

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Афанасьев-Григорьев, Алексей Григорьевич

ВВЕДЕНИЕ

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Мужская половая система морских нематод-эноплид.

1.1. Дистальный конец семенника Епор1ш тткаеЪет (ЕпорНёа, ЕпорНпа, ЕпорНс1ае).

1.2. Мужская половая система Апор1оз^та сийси1аг'ш (ЕпорНёа, ЕпорНпа, АпорЬБШша^ёае).

2. Развитие и строение сперматозоидов нематод-эноплид.

2.1. Апор1озШта сиНси1апа (ЕпорНпа, Апор1о81оша^ёае).

2.2. ЬергоБотаййеБ таппае (1гошпа, ЬерШБота^ске).

2.3. ВмЬуЫтия ат^аИз (Тпру1о1сНпа, Тпру1о1сИс1ае). 72 ОБСУЖДЕНИЕ

1. Концевая клетка в мужской половой системе нематод.

2. Мужская половая система нематод-эноплид.

3. Сперматозоиды и сперматогенез нематод-эноплид.

3.1. Форма и размеры сперматозоидов

3.2. Ядро сперматозоидов

3.3. Ядерная оболочка

3.4. Митохондрии

3.5. Синтетический аппарат клетки

3.6. Мембранные органеллы, волокнистые тела и их комплексы

3.7. Активация сперматозоидов

Введение Диссертация по биологии, на тему "Электронно-микроскопическое исследование мужской половой системы и сперматогенеза свободноживущих морских нематод из отряда Enoplida"

Актуальность исследования. Нематоды - одна из самых многочисленных и широко распространенных групп многоклеточных животных, освоивших гигантский диапазон сред обитания и находящихся на стадии активного биологического прогресса (Парамонов, 1962; Малахов, 1986; Чесунов, 2006). Причина этого прогресса заключается, в том числе, в особенностях строения тканей, клеток, а также в биологии размножения нематод. Исследование ультраструктуры нематод с помощью трансмиссионных электронных микроскопов начались в 50-х годах прошлого^ столетия, и уже тогда предметом исследования стали в. основном нематоды — паразиты растений и животных, играющих важную роль в медицине, ветеринарии и сельском хозяйстве. Позднее такая почвенная-нематода, как Caenorhabditis elegans, стала модельным* объектом, с помощью которого были исследованы и продолжают в настоящее время, исследоваться; ключевые вопросы генетики, клеточных дифференцировок, механизмов старения и другие вопросы биологии, развития.

В настоящее время существует дисбаланс в данных по гистологии.' и цитологии нематод, так как свободноживущие морские нематоды, составляющие большую- часть» разнообразия- класса и играющие колоссальную роль, в морских экосистемах, изучались лишь эпизодически (Малахов, 1986; Bird, Bird; 1991; Wright, 1991; Lee, 2002). В то же время, свободноживущие морские нематоды включают таксоны, сохранившие большое число плезиоморфных признаков, анализ которых дает богатый материал для решения вопросов сравнительной эмбриологии, цитологии и гистологии (Малахов, 1986). К таким таксонам относятся прежде всего эноплиды (отряд Enoplida), которые, по мнению некоторых авторов, сохраняют ряд первичных черт класса нематод (Maggenti, 1963; Платонова, 1976; Малахов, 1986).

Ультраструктуру мужской половой системы нематод до сих пор изучали только на примере нескольких видов — паразитов животных и растений, есть также данные по С. elegans (Апуа, 1966; Hulinska, 1973; Frantz, 1982; White, 1988; Takahashi et al., 1994). Для свободноживущих морских нематод долгое время уникальными оставались данные по традиционной гистологии мужской половой системы эноплиды Deontostoma califomicum (Hope, 1974), но в недавно вышедшей работе Зограф (Zograf, 2010) впервые детально рассмотрена ультраструктура мужской половой системы на примере представителя/ отряда Clïromadorida, Paracyatholaimus pugettensis. Ограниченность данных по морским свободноживущим нематодам потребовала нового детального исследования мужской половой системы на примере нематод-эноплид для первого сравнительного анализа: гистологии мужской половой системы нематод.

По имеющимся в настоящее время; данным,, сперматогенез эноплид демонстрирует большое разнообразие, от семейства: к-: семейству (Wright et al, 1973; Baccetti et al., 1983; Yushin, Malakhov, 1994; Turpeenniemi, 1998;; Yushin, Malakhov, 1998; Yushin,. Malakhov, 1999; Justine, Jamieson, 1999; ; Justine, 2002; Yushin et al., 2002; Yushin, 2003),.чего обычно не наблюдается у других нематод. Поэтому второй частью данной работы было ультраструктурное исследование сперматогенеза представителей ранее неизученных семейств, эноплид. Особое внимание при этом уделялось судьбе ядерной оболочки в мейозе, а также процессам; формирования специфических для сперматозоидов! нематод мембранных органелл (МО) и волокнистых тел (ВТ); Исследования: сперматозоидов нематод дают не только общебиологическую информацию по основным принципам строения и биологии гамет, обеспечивающих внутреннее оплодотворение, но могут быть, использованы и для филогенетического анализа.

Цели и задачи: работы: Основной целью настоящей работы было исследование ультраструктуры мужской половой системы и сперматогенеза свободно живущих морских нематод-эноплид. На основе оригинальных и литературных данных предполагалось провести сравнительно-цитологический анализ строения мужской половой системы и развития сперматозоидов нематод-эноплид.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи.

1. Изучить строение дистального конца семенника у Епор1ш т1скаеЬет (ЕпорНёае) с целью описания аналогов концевых клеток других нематод.

2. Детально изучить строение мужской половой системы на примере Апор1о8^та сийсгйаНа (Апор1оБ1;ота1:1с1ае).

3. Изучить строение и развитие сперматозоидов у представителей трех семейств отряда ЕпорНёа (Агюр1оз1:ота1лс1ае, ЬерШэотайёае, Тпру1о1сИс1ае).

4. Исследовать развитие диморфных сперматозоидов! нематоды ВаМуЫтш аш&аШ (ТпруЫсМае).

5. На основе полученных данных провести сравнительно-цитологический анализ строения мужской половой- системы^ и развития; сперматозоидов нематод-эноплид.

Научная новизна. Впервые детально исследован» дистальный^ участок семенника нематоды-эноплиды и показано; что1 характерную для* гонад других нематод специализированную концевую клетку у эноплид, представляет многоклеточный эпителий. Впервые с помощью* электронной микроскопии детально изучена мужская половая г система нематоды-эноплиды и охарактеризована ультраструктура всех ее отделов; впервые детально • исследованы предстательные железы- свободноживущих нематод-эноплид. Впервые исследован сперматогенез трех видов ■ нематод-эноплид, представителей трех семейств Апор1оз1:отайс1ае, ЬерШвотаШае и ТпруЫсЫае и определены общие черты сперматогенеза и сперматозоидов нематод-эноплид. На примере ВсйкуШтт ашЬ-аШ (Тпру1о1сНс1ае) впервые исследован феномен диморфизма сперматозоидов' у нематод-эноплид и впервые для нематод описано-развитие двух типов сперматозоидов-(эу- и парасперматозоидов), развивающихся в единственном семеннике.

Теоретическое и практическое значение работы. Анализ строения и развития сперматозоидов нематод может быть полезен для понимания процессов формирования половых клеток у многоклеточных животных, а так же путей возникновения аберрантных сперматозоидов. Полученные в ходе исследования данные могут быть направлены на разработку естественной системы класса №та1ос1а, являющейся научной основой для прикладной нематологии как раздела гельминтологии. Представленные в диссертации результаты о строении половой системы нематод-эноплид могут быть включены в программу общих и специализированных курсов по эмбриологии и биологии развития, гистологии и цитологии, зоологии беспозвоночных животных и нематологии для высших учебных заведений.

Апробация >работы: Материалы диссертации были представлены, на 28-м Международном симпозиуме Европейского общества нематологов, (Благоевград, Болгария, 2006); на Седьмом Международном симпозиума-Российского общества нематологов (Петрозаводск, 2007); на Пятом международном конгрессе нематологов (Брисбен, Австралия, 2008); на Международном нематологическом симпозиуме «Нематоды в тропических экосистемах» (Ханой, Вьетнам, 2009); на ежегодных научных конференциях ИБМ ДВ0 РАН (2008, 2009); на семинарах лаборатории эмбриологии ИБМ ДВО РАН.

Публикации. По материалам.диссертации опубликовано 7 научных работ, из них две статьи в журналах из списка ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендуемых ВАК.

Структура и? объем диссертации: Диссертация изложена на 112 страницах и состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов исследования, результатов, обсуждения полученных данных, выводов и списка литературы. Список литературы включает 104 источника, из которых 92 на иностранных языках. Диссертация включает 15 оригинальных схематических рисунков и 78 оригинальных электронограмм.

Заключение Диссертация по теме "Биология развития, эмбриология", Афанасьев-Григорьев, Алексей Григорьевич

выводы

1. Характерной особенностью мужской половой системы нематод-эноплид можно считать отсутствие специализированной эпителиальной концевой клетки на дистальном конце семенника. У эноплид регуляторную функцию концевой клетки других нематод, по-видимому, выполняют множественные эпителиальные клетки дистальной части стенки семенника, окружающие пул пролиферирующих сперматогониев.

2. На примере нематоды Anoplostoma cuticularia показано, мужская половая система эноплид состоит из трех основных частей — семенников, семяпровода и предстательных желез:

- эпителий семенников состоит из очень тонкого эпителия средней части, окружающего развивающиеся сперматоциты и сперматиды, а также из железистого семенного пузырька, содержащего незрелые сперматозоиды;

- семяпровод эноплид представляет собой настоящую эпителиальную трубку, построенную из множества железистых клеток; со стороны полости тела семяпровод охватывается кольцевыми эпителиально-мышечными клетками;

- вместе с семяпроводом в клоаку впадают протоки двух одноклеточных предстательных желез.

3. На основе изучения трех видов нематод-эноплид, представителей трех семейств из трех подотрядов и анализа литературных данных можно заключить, что общими чертами сперматогенеза эноплид можно считать сохранение ядерной оболочки в сперматозоидах, отсутствие центриолей, обилие митохондрий обычного для соматических клеток строения, развитие мембранных органелл в целом сходного строения у всех эноплид. Волокнистые тела, предположительно аккумулирующие цитоскелетный белок MSP, у эноплид встречаются редко и никогда не объединяются в комплексы с мембранными органеллами.

4. Отсутствие концевой клетки в эпителии семенника, трубчатый семяпровод, сохранение ядерной оболочки у сперматозоидов, необычное разнообразие паттернов сперматогенеза эноплид могут рассматриваться как плезиоморфные признаки, подчеркивающие общую примитивность эноплид среди других таксонов нематод.

5. У эноплиды ВмИуШтш атКаИз наблюдается радикальный диморфизм сперматозоидов, которые развиваются отдельными клонами в единственном семеннике. Фертильные эусперматозоиды имеют сроение, обычное для сперматозоидов эноплид; нефертильные парасперматозоиды не имеют нормально развитого ядра, их основу составляет гипертрофированная мембранная органелла.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата биологических наук, Афанасьев-Григорьев, Алексей Григорьевич, Владивосток

1. Афанасьев-Григорьев А. Г., Юшин В. В. Электронно-микроскопическое исследование спермиогенеза у свободноживущей морской нематоды Leptosomatides marinae Platonova 1976 (Enoplida: Leptosomatidae) // Биология моря. 2009. Т. 35 №2. С. 124-131.

2. Белогуров О.И., Алексеев В.М. Морфология Anoplostoma cuticularia sp. п. (Nematoda : Enoplida) и положение семейства Anoplostomatidae Gerlah et Riemann, 1974 в системе нематод // Зоол. журн. 1977. Т. 56, вып. 2. С. 188-198.

3. Богоявленский Ю. К., Боголепова И. И., Онушко И. В. Микроструктура тканей паразитических нематод. М.: Наука, 1982. С. 277.

4. Данилова JI.B. Ультраструктурное исследование сперматогенеза. М.: Наука, 1978. С. 206.

5. Дроздов A.JL, Иванков В.Н. Морфология гамет животных: значение для систематики и филогении. М: Круглый год, 2000. С. 458.

6. Малахов В. В. Нематоды: строение, развитие, система и филогения. М.: Наука, 1986. С. 215.

7. Парамонов А. А. Основы фитогельминтологии. М.: Изд-во АН СССР, 1962. Т. 1.С. 351—405.

8. Платонова Т.А. Низшие Enoplida (свободноживущие морские нематоды) морей СССР // В кн.: Нематоды и их роль в мейобентосе. Л.: Наука, 1976. С. 3164.

9. Реунов A.A. Сперматогенез многоклеточных животных. М: Наука, 2005. С. 124.

10. Рузен-Ранге Э. Сперматогенез у животных. М.: Мир, 1980. С. 255.

11. Чесунов А. В. Биология морских нематод. М.: Т-во научных изданий КМК, 2006. С. 367.

12. Юшин В.В, Малахов В.В. Спермии нематод отряда Enoplida имеют ядреную оболочку // Докл. Академии Наук, 1999. Т. 367. С. 718-720.

13. Adamson M. L., Van Waerebeke D. Obainia petteri n. sp. (Rhigonematidae; Nematoda) from Pachybolus laminatus (Diplopoda) in Ivory Coast: description and study of the spermiogenesis // Revue Nematol. 1985. V. 8. P. 241-247.

14. Afanasiev-Grigoriev A.G., Zograf J.K., Yushin V.V. Nuclear envelope in the spermatozoa of the leptosamotid nematode Leptosomatides marinae (Enoplida, Leptosomatidae) // Russian Journal of Nematology. 2006. V. 14. P. 119-125.

15. Afanasiev-Grigoriev A.G., Yushin V.V. Electron microscope study of spermatogenesis in Anoplostoma cuticularia (Enoplida, Anoplostomatidae) // Nematodes in undisturbed and human-transformed ecosystem. E.P. Ieshko. Petrozavodsk, PIN. 2007. C.123

16. Alberti G. Comparative spermatology of Chelicerata: review and perspective // Mem. Mus. natn. Hist. nat. 1995. V. 166. P. 203-230.

17. Anya A.O. The Studies on the structure and histology of the male reproductive tract oiAspiculus tetraptera (Nematoda: Oxyutoidea) // Parasitology. 1966. V. 56. P. 347-358.

18. Anya A.O. Serotonin (5-hydroxitryatamine) and other indolealkylamines in the male reproductive tract of nematode // Int. J. Parasitol. 1973. V. 3. P. 573-575.

19. Baccetti B., Afzelius B.A. The Biology of the Sperm Cell. Ed. S. Krager. Basel. 1976.

20. Baccetti B., Dallai R., Grimaldi de Zio S., Marinari A. The evolution of the nematode spermatozoon // Gamete research. 1983. V. 8. P. 309 323.

21. Bedding R. A. Biology of Deladenus siricidicola (Neotylenchidae) an entomophagous-mycetophagous nematode parasitic in siricid woodwasps // Nematologica. 1972. V. 18. P. 482 493.

22. Bedding R.A. «Plant and Insect Nematodes» (W.R. Nickle, ed.) // Marcel Dekker, New York. 1984. P. 755-795.

23. Bird A. F., Bird J. The Structure of Nematodes. San Diego: Academic Press. 1991. P. 316.

24. Buckland-Nicks J. Prosobranch parasperm: Sterile germ cells that promote paternity // Micron. 1998. V.29. P. 267 280.

25. Burghard R.C., Foor W.E. Rapid morpological transformations of spermatozoa in the uterus of Brugia pahangi (Nematoda: Filaroidea) // J. Parasitol. 1975. V. 61. P. 343-350.

26. Burghard R.C., Foor W.E. Membrane fusion during spermatogenesis in Ascaris // J. Ultrastructure Res. 1978. V. 62. P. 190-202.

27. Calcoen J. A., De Kegel D. Spermatozoa in the demanian organ of female Adoncholaimus fuscus (Bastian, 1965) (Nematoda) // Netherlands Journal of Zoology. 1979. V. 29. P. 142-143.

28. Cares J.E., Baldwin J.G. Comparative fine structure of sperm of Heterodera schachtii and Punctodera chalocoensis, with phylogenetic implications for Heteroderinae (Nemata: Heteroderidae) // Canadian Journal of Zoology. 1995. V. 73. P. 309-320.

29. Chitwood B.G., Chitwood M.B. Introduction to nematology. Baltimore, London. Tokyo: University Park Press. 1977. P. 334.

30. Coomans, A.; Loof, P.A.A. Observations on the glands of the male reproductive system in dorylaims and its phylogenetic importance. // Revue de Nematologie. 1986. V. 9. P. 261-265.

31. De Ley, P. & Blaxter, M.L. Systematic position and phylogeny. In: D.L. Lee (Ed.) // The Biology of Nematodes. London, Taylor and Francis. 2002. P. 1-30.

32. Favard P. Evolution des ultrastructures cellulaires au cours de la Spermatogenese de l'Ascaris (Ascaris megalocephala, Schrank = Parascaris eqorum, Goerze) // Ann. Sei. Nat, Zool., Ser. 12e. 1961. V. 3. P. 53-152.

33. Foor W.E. Spermatozoon morphology and zygote formation in nematodes // Biology of Reproduction. 1970. V. 2. P. 177-202.

34. Foor W.E. Nematoda // In: Reproductive biology of Invertebrates. Volume II: Spermatogenesis and Sperm Function. Ed. Aidioydi K.G. and Adioydi R.G. Chichester: John Wiley and Sons. 1983. P. 221-256.

35. Franz M. The fine structure of adult Onchocerca volvulus. II. The intestine and the reproductive system of the male worm // Tropenmed Parasitol. 1982. V. 33. № 3. P. 169-174.

36. Hayakawa Y., Takayama Watanabe E., Watanabe A., Munehara H., Kobayashi M., Onitake K. Dimorphic sperm formation of the cottid fish, Hemilepidotus gilberti, in cell culture // Zoological Science. 2004. V. 21. P. 1289 - 1289.

37. Healy J.M., Jamieson B.J.M. An ultrastructural examination of development and mature paraspermatozoa in Pyrazus ebeninus (Mollusca, Gastropoda, Potamididae) // Zoomorphology. 1981. V. 98. P. 101-109.

38. Hess R., Poinar G.O.Jr. Ultrastructure of the genital ducts and sperm behavior in the insect parasitic nematode Heterorhabditis bacteriophora Poinar (Heterorhabditidae: Rhabditia) // Rev. Nematol. 1986. V. 9. P. 141-152.

39. Hess R., Poinar G.O. Jr. Sperm development in the nematode Neoaplectana intermedia (Steinernematidae: Rhabditida) // J. Submicroscopic Cytol. Pathol. 1989. V.21.P. 543-555.

40. Hodgson A.N. Paraspermatogenesis in gastropod molluscs // Invert. Reprod. Dev. 1997. V. 31. P. 31-38.

41. Hope W.D. Nematoda // In: Reproduction of Marine Invertebrates. I. Acoelomate and Pseudocaelomate Metazoans. Ed. A.C. Giesse, J.S. Pearce. New York: Academic Press. 1974. P. 391-469.

42. Hope W.D., Zhang Z.N. New nematodes from the Yellow Sea, Hopperia hexadentata n. sp. And Cervonema deltensis n. sp. (Chromadoridae, Comesomatidae) with observations on morphology and systematics // Invertebrate Biology. 1995. V. 114. P. 119-138.

43. Hulinska D. Studies on the morphology and histochemistry of the male gonad and spermatogenesis in Enterobius vermicularis (Leach, 1853) // Folia Parasitol (Praha). 1973. V. 20. P. 329-38.

44. Hyman L.H. The Invetebrates. Vol. 3. NY: MvGraw-Hill. 1951. P. 572.

45. Jamuar M.P. Studies on spermatogenesis in a nematode, Nipposstrongylus brasiliensis II Journal of Cell Biology. 1966. V. 31. P. 381-385.

46. Justine J.-L. Male and Female Gametes and Fertilization // In: The biology of Nematodes. Ed. Lee D.L. London, NY: Taylor & Francis. 2002. P. 73-119.

47. Justine J.-L., Jamieson B.G.M. Nematoda // In: Reproductive biology of Invertebrates. Volume IX, part B. 1999. Ed. By B.G.M. Jamieson. New Dehli: Oxford & IBH. P. 183-266.

48. Hernault S. W. Spermatogenesis in C. Elegans) II edited by D. L. Riddle, T. Blumental, B. J. Meyer and J. R. Priess. Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, NY. 1997. P. 271-294.

49. Maggenti A.R. Comparative morphology in nemic phylogeny // In: The Lower Metazoa. Ed. Dougerty, Brown, Hanson, Hartmann. Berkeley: Univ of California Press, 1963. P. 273-282.

50. Malakhov V.V. Nematodes, structure, development, classification and phylogeny // Smithsonian Institution Press, Washington, D.C. 1994. P. 286.

51. Malakhov V.V. Embryological and histological peculiarities of the order Enoplida, a primitive group of nematodes // Russian Journal of Nematology. 1998. V. 6. P. 41-46.

52. Mansir A., Justine J.-L. The microtubular system and posttraslatory modified tubulin during spermatogenesis in a parasitic nematode with ameboid and aflagellate spermatozoa // Molecular reproduction and development. 1998. V. 49. P. 150-167.

53. Marcaillou C., Szollosi A. The "blood-testis" barier in a nematode and fish: a generazable concept // Journal of Infrastructure Research. 1980. V. 70. P. 128-136.

54. Mathumbi A.W., Soetaert K., Vincx M. Deep sea nematodes from the Indian Ocean: new and known species of the family Comesomatidae // Hydrobiologia. 1997. V. 346. P. 25 57.

55. McLaren D J. The structure and development of spermatozoon of Dipetalonema viteae (Nematoda: Filaroideae) // Parasytology. 1973. V. 66. P. 447-463.

56. Morrow E.H. How the sperm lost its tail: the evolution of aflagellate sperm // Biol. Rev. 2004. V. 79. P. 795 814.

57. Nakashima I. 'Adjuvant action of capsular polysaccharide of Klebsiella pneumoniae on antibody response. I. Intensity of its action.'7. // Immunol. 1972. V. 108. P. 1009.

58. Neill B.W., Wright, K.A. Spermatogenesis in the hologonic testis of the trichuroid nematode, Capillaria hepatica (Bancroft, 1893) // Journal of Ultrastructure Research. 1973. V. 44. P. 210-234.

59. Poinar G.O. Jr., Hess-Poinar R.T. The fine structure of Gastromermis sp. (Nematoda: Mermitidae) sperm // J. Submicrosc. Cytol. Pathol. 1993. V. 25. P. 417431.

60. Riemann F. Nicascolaimus punctatus gen. et sp. n. (Nematoda, Axonolaimoidea), with notes on sperm dimorphism in free-living marine nematodes // Zoologica Scripta. 1986. V. 15. P. 119 124.

61. Roosen-Runge E.C. Germinal cell loss in normal metazoan spermatogenesis // J. Reprod. Fert. 1973. V. 35. P. 339-348.

62. Sepsenwol S., Ris H., Roberts T.M. A unique cytoskeleton associated with crawling in the amoeboid sperm of the nematode, Ascaris suum II J. Cell. Biol. 1989. V. 108. P. 55-66.

63. Shepherd A.M. Interpretation of sperm development in nematodes // Nematologica. 1981. V. 27. P. 122-125.

64. Shepherd A.M., Clark S.A. Spermatogenesis and the ultrastructure of the sperm and male reproductive tract of Aphelenchoides blastophtorus (Nematoda: Tylenchida, Aphelenchina)// Nematologica. 1976. V. 22. P. 1-9.

65. Shepherd A.M., Clark S.A. Spermatogenesis and sperm structure in some Meloidogyne species (Heterodera, Meloidogynidae) and a comparison with those in some cyst nematodes (Hererodera, Hereroderidae) // Rev. Nematol. 1983. V. 6. P. 1732.

66. Shepherd A.M., Clark S.A., Kempton A. Spermatogenesia and sperm ultrastructure in some cyst nematodes, Heterodera spp. II Nematologica. 1973. V. 19. P. 551-560.

67. Spiridonov S.E., Hominik W.M., Briscol B.R. Morphology of ameboid cells on the uterus of Steinernema species (Rhabditida: Steinernematidae) // Russ. J. Nematol. 1999. V. 7. P. 49-56.

68. Swallow J.G, Wilkinson G.S. The long and short of sperm polymorphisms in insects //Biol. Rev. 2002. V. 77. P. 153 182.

69. Takahashi Y., Goto C., Kita K.K. Ultrastructural study of Trichinella spiralis with emphasis on adult male reproductive organs // J. Helmintol. 1994. V. 68. P. 353-358.

70. Turpeenniemi T.A. Four new nematode species from the Bothnian Bay, Northern Baltic Sea, with a redescription of Microlaimus globiceps de Man, 1880 (Nematoda) //Nematologica. 1997. V. 43. P. 31 58.

71. Turpeenniemi T. A. Ultrastructure of spermatozoa in the nematode Halalaimus dimorphus (Nemata, Oxystominidae) // Journal of Nematology. 1998. V. 30. P. 391 -403.

72. Van de Velde M.-C., Coomans A., Van Ranst L., Kruger J.C.D., Claeys M. Ultrastructure of sperm cells in the female gonoduct of Xiphinema // Tissue and Cell. 1991. V. 23. P. 881-891.

73. Van Waerebeke D., Nouiy-Srairi N., Justine J.-L. Spermatozoa of rhigonematid nematodes — morphology of 25 species and ultrastructure of Rhigonema madecassum //Int. J. Parasitol. 1990. V. 20. P. 779-784.

74. Voronov D.A., Panchin Y.V. Cell lineage in marine nematode Enoplus brevis. II Development. 1998. V. 125. P. 143-150.

75. Ward S., Argon Y., Nelson G.A. Sperm Morphogenesis in wild type and fertilization-defective mutants of Caenorhabditis elegans II Journal of Cell Biology. 1981. V. 91. P. 26-44.

76. White J. The Anatomy // In: The Nematode Caenorhabditis elegans. Cold Spring Harbor Laboratory. 1988. P. 81-122.

77. Wolf N., Hirsch D., Mcintosh J.R., Spermatogenesis in males of the free-living nematode, Caenorhabditis elegans II J. Ultrastruc. Res. 1978. V. 63. P. 155-169.

78. Wood W. B. The nematode Caenorhabditis elegans II Cold Spring Harbor, New York, USA, Cold Spring Harbor Lab. 1988. P. 667.

79. Wright K.A., Hope W.D., Jones N.O. The ultrastructure of the sperm of Deontostoma californicum, a free-living marine nematode // Proc. of the Helminthological Society of Washington. 1973. V. 40. P. 30-36.

80. Wright K.A. Nematoda // In: Microscopic Anatomy of Invertebrates, Volume 4: Aschelmintes. Wiley-Liss Inc. 1991. P. 111-195.

81. Wright E. J., Sommerville R. I. Postinsemination changes in the amoeboid sperm of a nematode, Nippostrongylus brasiliensis II Gamete Research. 1984. V. 10. P. 397413.

82. Yushin V. V.: Ultrastructure of spermatogenesis in the free living marine nematode Anticoma possjetica (Enoplida: Anticomidae) // Biologiya Morya (Vladivostok). 2003. V. 30. P. 47 - 52.

83. Yushin V.V. Sperm dimorphism in the free-living marine nematode Terschellingia glabricutis (Nematoda: Monhysterida: Linhomoeidae) // Nematology. 2008. V. 10. P. 189-205.

84. Yushin V.V., Coomans A. Ultrastructure of sperm development in the free-living nematodes of the family Chromadoridae (Chromadorida: Chromadorina) // Nematology. 2000. V. 2. P. 285-296.

85. Yushin V.V., Coomans A., Borgonie G., Malakhov V.V. Ultrastructural study of the tadpole stage of the primitive marine nematode Enoplus demani (Enoplia: Enoplida) // Russian Journal of Nematology. 2002. V. 10. P. 43-53.

86. Yushin V. V., Malakhov V. V.: Ultrastructure of sperm cells in the female gonoduct of free living marine nematodes from genus Enoplus (Nematoda: Enoplida) // Fundamental and Applied Nematology. 1994. V. 17. P. 513 - 519.

87. Yushin V. V., Malakhov V. V. Ultrastructure of sperm development in the free-living marine nematode Enoplus anisospiculus (Enoplida: Enoplidae) // Fundamental and Applied Nematology. 1998. V. 21. P. 213-225.

88. Yushin V. V., Malakhov V. V.: Spermatozoa of nematodes of the Enoplida order have nuclear membrane. Doklady Akademii Nauk. 1999. V. 367. P. 718 720.

89. Yushin V.V., Malakhov V.V. Spermatogenesis and nematode phylogeny // Nematode Monografs and Perspectives. 2004. V. 2. P. 655-665.

90. Yushin V. V., Ryss A. Y. Sperm development and structure in Bursaphelenchus mucronatus (Nematoda: Aphelenchoidea: Aphelenchoididae) // Nematology. 2011. V. 13. P. 395-408.

91. Yushin V.V., Zograf J.K. Ulrtastructure of spermatozoa in the free-living marine nematode Paracanthonchus macrodon (Nematoda, Chromadorida) // Invertebrate reproduction and development. 2004. V. 45. P. 59-67.

92. Yushin V. V. et al. Ultrastructure of spermatogenesis in the free-living marinenematode Pontonema vulgare (Enoplida, Oncholaimidae) // Canadian Journal of Zoology. 2002. V. 80. P. 1371 1382.

93. Yushin V.V., Kosaka H., Kusunoki M. Spermatozoon ultrastructure of the sphaerularioidid nematode Contortylenchus genitalicola (Tylenchomorpha, Sphaerularioidea) // Nematology. 2006. V. 8. P. 191-196.

94. Yushin V.V., Yoshida M., Spiridonov S.E. Riders on the sperm: sperm dimorphism and spermatozeugmata in nematodes from the genus Steinernema (Rhabditida: Steinernematidae) //Nematology. 2007. V. 9. P. 61-75.

95. Yushin V.V., Kosaka H., Kusunoki M. Ultrastructural evidence of sperm dimorphism in nematode Deladenus sp. (Tylenchomorpha, Sphaerularioidea, Allantonematidae) //Nematology. 2007. V. 9. P. 397-404.

96. Yushin V.V., Claeys M., Houthoofd W. Mature spermatozoa of Brevibucca sp. (Nematoda: Rhabditida: Brevibuccidae) // Russian Journal of Nematology. 2011. V. 19: in press.

97. Zograf J.K., Yushin V.V., Malakhov V.V. Ultrastructure of spermatogenesis of the free-living marine nematode Halichoanolaimus sonorus (Chromadorida: Selachinematidae) //Nematology. 2004. V. 6. P. 797-809.

98. Zograf J. K. Ultrastructure of the male reproductive system of the free-living marine nematode Paracyatholaimus pugettensis Wieser & Hopper, 1967 (Chromadorida: Cyatholaimidae) //Nematology. 2010. V. 12 №2. P. 255-268.