陳琦,孫雨晴,鄭欣宜,山谷,李雅娟,曹小娟,朱新平,周賀*
(1.大連海洋大學(xué) 水產(chǎn)與生命學(xué)院,遼寧 大連 116023; 2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 水產(chǎn)學(xué)院,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部淡水生物繁育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,農(nóng)業(yè)動(dòng)物遺傳育種與繁育教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,池塘健康養(yǎng)殖湖北省工程實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430070; 3.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院珠江水產(chǎn)研究所,廣東 廣州 510380)
雄核發(fā)育是指通過用放射線照射或其他方法完全使卵核的遺傳物質(zhì)失活,僅把卵子作為營養(yǎng)源,依靠精子由來的精核發(fā)育成胚胎的現(xiàn)象[1]。由于雄核發(fā)育僅含有來源于父本的一套染色體組即單倍體,魚類單倍體雖能較好地通過胚胎發(fā)育,但到孵化期或孵化后數(shù)天,就會(huì)因“單倍體綜合征”而陸續(xù)死亡,因此,需要染色體加倍。現(xiàn)有染色體加倍的主要方法是利用溫度、壓力刺激或化學(xué)誘變劑阻止第一次卵裂,但所獲得二倍體存活率極低。若用四倍體個(gè)體的精子(2n)使遺傳失活的卵子“受精”,染色體不用加倍可以直接獲得能正常發(fā)育的雄核發(fā)育二倍體后代。但人工誘導(dǎo)魚類四倍體難度大,如果某種魚類存在自然四倍體,則是解決染色體加倍難的最好方法。據(jù)報(bào)道,中國長江流域存在大量的自然四倍體泥鰍Misgurnusanguillicaudatus,研究發(fā)現(xiàn),其是含有4套染色體組的遺傳四倍體(4n=100),是同源四倍體,能產(chǎn)生正常的2n配子(雌或雄)[2-4]。本研究室林忠喬等[5]利用冷休克方法誘導(dǎo)自然四倍體泥鰍雄核發(fā)育二倍體,有效解決了誘導(dǎo)魚類雄核發(fā)育二倍體的瓶頸,具有良好的應(yīng)用前景。
無論是采用物理方法還是化學(xué)方法人工誘導(dǎo)雄核發(fā)育,由于遺傳失活卵子的處理并非百分之百成功,因此,雄核發(fā)育的倍性檢測和鑒定是判斷誘導(dǎo)成功與否的重要環(huán)節(jié)。魚類上常用的倍性鑒定方法有形態(tài)學(xué)鑒別、染色體核型分析、受精細(xì)胞學(xué)檢測、同工酶鑒定及分子標(biāo)記等,其中,染色體核型、Ag-NORs及熒光原位雜交(FISH)是雄核發(fā)育后代倍性鑒定最直接和最準(zhǔn)確的方法,但目前魚類雄核發(fā)育染色體鑒定方面還未見報(bào)道。因此,本研究中以自然四倍體泥鰍為父本,二倍體泥鰍為母本進(jìn)行雜交,通過冷休克處理受精卵誘導(dǎo)雄核發(fā)育二倍體,并對其后代的染色體核型、Ag-NORs帶型及熒光原位雜交(FISH)信號(hào)等進(jìn)行研究,旨在探索魚類雄核發(fā)育新途徑及自然四倍體泥鰍所產(chǎn)生的配子染色體組構(gòu)成,并為四倍體雄性泥鰍是具有4套染色體組的遺傳四倍體提供遺傳學(xué)證據(jù)。
試驗(yàn)用二倍體泥鰍(雌)取自大連市農(nóng)貿(mào)市場,自然四倍體泥鰍(雄)取自湖北省赤壁市,暫養(yǎng)于大連海洋大學(xué)細(xì)胞遺傳功能實(shí)驗(yàn)室水族箱中。挑選發(fā)育良好的二倍體雌魚、四倍體雄魚各1尾作為親本,二倍體雌魚體長為14.1 cm,體質(zhì)量為17.3 g,四倍體雄魚體長為16.5 cm,體質(zhì)量為29.6 g。親本的倍性經(jīng)流式細(xì)胞儀檢測確定。
1.2.1 人工催產(chǎn)及授精 雜交前一天晚間注射催產(chǎn)素絨毛膜促性腺激素(HCG),二倍體雌魚注射劑量為 20~25 UI/尾,四倍體雄魚劑量減半,12 h后用稀釋1 000倍的苯甲醇將泥鰍麻醉,待雌魚麻醉后,擠卵并收集到鋪有保鮮膜的9 cm培養(yǎng)皿中,用毛細(xì)管收集精液于1.5 mL塑料離心管中(用精子稀釋液稀釋100倍),干法授精(2n×4n)。
1.2.2 冷休克誘導(dǎo)雄核發(fā)育 具體方法參照本實(shí)驗(yàn)室篩選出的誘導(dǎo)自然四倍體泥鰍雄核發(fā)育二倍體各因素的最優(yōu)水平組合進(jìn)行[5],即受精后5 min,將一部分受精卵放入3 ℃冰水中,處理60 min。冷休克解除后將受精卵放回到(20±1)℃的曝氣水中進(jìn)行孵化。未進(jìn)行冷休克的一部分受精卵作為對照組(2n×4n)。
1.2.3 血紅細(xì)胞核體積測量 用苯甲醇稀釋液(1 mL/L)麻醉魚,抽血少許,迅速滴在載玻片上。風(fēng)干后滴一滴甲醇于載玻片上,之后用體積分?jǐn)?shù)10%的吉姆薩染色 5 min,自然風(fēng)干后顯微拍照。隨機(jī)測量 50 個(gè)血紅細(xì)胞核的長徑(a)和短徑(b),結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差 (mean±S.D.) 表示,細(xì)胞核體積(V)按下式計(jì)算:
V=4/3×π (a/2)×(b/2)2。
1.2.4 單個(gè)胚胎染色體標(biāo)本制備 取發(fā)育至肌肉效應(yīng)期的胚胎處理組和對照組各30個(gè),剝?nèi)ヂ涯ず吐腰S,用質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.002 5%的秋水仙素處理45 min,質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.8%的檸檬酸低滲20 min,再用預(yù)冷的卡諾固定液(甲醇與冰醋酸的體積比為3∶1)固定3次,每次15 min,最后于-20 ℃冷凍過夜。單個(gè)胚胎冷滴片,過火,風(fēng)干。一部分用質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的吉姆薩染色45 min,在普通光學(xué)顯微鏡下鏡檢,油鏡下拍照。一部分白片用于Ag-NORs和FISH。
1.2.5 染色體核型分析 分別選取對照組雜交三倍體和處理組雄核發(fā)育二倍體中分散均勻、染色清晰、無重復(fù)的中期分裂相各5張,測量其長臂和短臂的長度,計(jì)算相對長度和臂比,參照Levan等[6]的方法進(jìn)行核型分析。
1.2.6 Ag-NORs分析 參考Howell等[7]的快速銀染法,取100 μL質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%的硝酸銀與50 μL質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%的明膠混勻后滴在染色體標(biāo)本上,加上蓋玻片,70 ℃下處理 2 min,用同樣溫度的水進(jìn)行沖洗,自然干燥后鏡檢、拍照。
1.2.7 FISH分析 以人的5.8S+28S rDNA為探針,采用生物素(Biotin-16-dUTP)進(jìn)行標(biāo)記。標(biāo)記后的探針用混合純化液進(jìn)行純化。將純化后的探針在75 ℃恒溫水浴10 min進(jìn)行變性;染色體玻片在65 ℃干燥箱烘干2~3 h,干燥后的染色體玻片浸在70 ℃體積分?jǐn)?shù)70%的甲酰胺/2×SSC變性液中變性2 min。已變性并脫水的染色體玻片標(biāo)本上加50 μL變性探針-雜交溶液混合液。蓋上封口膜置于2×SSC濕盒中,37 ℃下雜交18 h以上。雜交結(jié)束后置于洗脫液中洗脫,雜交信號(hào)檢測和放大,復(fù)染和封片,用Leica DM2000熒光顯微鏡觀察雜交信號(hào),用Leica DF 450C CCD裝置捕獲圖像,用Leica和Photoshop軟件進(jìn)行圖像處理。
泥鰍血紅細(xì)胞呈橢圓形,核位于細(xì)胞中央,近橢圓形。對照組雜交三倍體泥鰍血紅細(xì)胞核體積為(38.29 ±3.14)μm3,處理組雄核發(fā)育二倍體泥鰍血紅細(xì)胞核體積為(27.92±3.58)μm3(表1,圖1),雜交三倍體與雄核發(fā)育二倍體泥鰍血紅細(xì)胞核體積之比為1.37∶1,符合三倍體與二倍體血紅細(xì)胞核體積比1.5∶1。這表明,處理組雄核發(fā)育的染色體組構(gòu)成為二倍體。
表1 對照組和處理組血紅細(xì)胞核測量結(jié)果
A—對照組雜交三倍體泥鰍;B—處理組雄核發(fā)育二倍體泥鰍。A—hybrid triploid in control group; B—androgenic diploid in treatment group.圖1 雜交三倍體泥鰍和雄核發(fā)育二倍體泥鰍的紅細(xì)胞Fig.1 Erythrocytes of hybrid triploid loach and androgenic diploid loach
對照組雜交三倍體泥鰍胚胎染色體數(shù)目為3n=75,核型公式為15m+6sm+54t,NF=96(表2,圖2A、B);處理組雄核發(fā)育二倍體泥鰍胚胎染色體數(shù)目為2n=50,核型公式為10m+4sm+36t,NF=64(表2,圖2C、D)。
表2 雜交三倍體泥鰍和雄核發(fā)育二倍體泥鰍的染色體核型數(shù)據(jù)Tab.2 Indices of karyotype analyses in hybrid triploid loach and androgenic diploid loach
A、B—雜交三倍體泥鰍(3n=75); C、D—雄核發(fā)育二倍體泥鰍(2n=50)。A and B—hybrid triploid (3n=75) loach; C and D—androgenic diploid (2n=50) loach.圖2 雜交三倍體泥鰍和雄核發(fā)育二倍體泥鰍胚胎染色體分裂相及核型Fig.2 Chromosome division and karyotype of embryos in hybrid triploid loach and androgenic diploid loach
以人的5.8S+28S rDNA為探針,對雜交三倍體泥鰍和冷休克雄核發(fā)育二倍體泥鰍的中期染色體進(jìn)行FISH定位。在雜交三倍體泥鰍的3個(gè)染色體短臂的端部檢測到3個(gè)FISH雜交信號(hào)(圖3A、B);雄核發(fā)育二倍體泥鰍的2個(gè)染色體短臂的端部檢測到2個(gè)FISH雜交信號(hào)(圖3C、D)。
在間期核中,Ag-NORs的數(shù)目均表現(xiàn)出不同的多態(tài)性,雜交三倍體泥鰍間期核中呈現(xiàn)出Ag-NORs的數(shù)目為1~3個(gè),含有3個(gè)Ag-NORs的頻率最高,為75%(表3,圖3E);雄核發(fā)育二倍體泥鰍間期核中呈現(xiàn)出Ag-NORs的數(shù)目為1~2個(gè),含有2個(gè)Ag-NORs的頻率最高,為 87%(表3,圖3F)。雜交三倍體泥鰍胚胎染色體中,在3個(gè)染色體短臂的端部檢測到3個(gè)銀染點(diǎn)(圖3G、H);雄核發(fā)育二倍體泥鰍胚胎染色體中,在2個(gè)染色體短臂的端部檢測到2個(gè)銀染點(diǎn)(Ag-NORs)(圖3I、J)。Ag-NORs結(jié)果與上述FISH定位結(jié)果一致,均表明處理組雄核發(fā)育二倍體泥鰍染色組構(gòu)成為2套染色體組。
表3 間期核中核仁的頻率Tab.3 Number of nucleolus per interphase nucleus
A、G—雜交三倍體泥鰍; C、I—雄核發(fā)育二倍體泥鰍; E—雜交三倍體泥鰍間期核; F—雄核發(fā)育二倍體泥鰍間期核; B、D—FISH雜交信號(hào); H、J—銀染點(diǎn)(Ag-NORs)。A and G—hybrid triploid; C and I—androgenic diploid;E—interphase nucleus of hybrid triploid;F—metachase nucleus in androgenic diploid; B and D—arrows indicate NORs shown by FISH signals; H and J—Ag staining.圖3 雜交三倍體泥鰍和雄核發(fā)育二倍體泥鰍胚胎染色體分裂相的FISH及Ag-NORs分析Fig.3 Chromosome division phases in embryos of hybrid triploid loach and androgenic diploid loach by FISH and Ag-NORs staining
在水產(chǎn)養(yǎng)殖上,由于很多重要經(jīng)濟(jì)魚類不同性別往往表現(xiàn)出不同的生產(chǎn)性能,如生長速度的快慢及性產(chǎn)物用途不同等。所以控制魚類的性別,選擇具有最佳生長性能的性別進(jìn)行單性養(yǎng)殖,具有極為重要的應(yīng)用價(jià)值。雄核發(fā)育是生產(chǎn)魚類全雄苗種的重要途徑,人工誘導(dǎo)魚類雄核發(fā)育的常規(guī)途徑(圖4(a))主要包括兩個(gè)步驟,即卵細(xì)胞染色體遺傳失活及精子染色體加倍。在魚類雄核發(fā)育中常用的卵細(xì)胞染色體遺傳失活手段是射線照射(γ射線、Х射線及紫外線),此種滅活方法雖然簡單易行,但是用射線破壞卵子細(xì)胞核的同時(shí),細(xì)胞質(zhì)和其他細(xì)胞器也會(huì)遭受到不同程度的破壞,導(dǎo)致其受精后不能正常發(fā)育,成活率極低。Purdom[8]使用60C0-γ射線照射川鰈Platichthysflesus卵子,隨后與川鰈精子受精,獲得雄核發(fā)育單倍體胚胎。Thorgaard等[9]使用四倍體虹鱒Oncorhynchusmykiss精子與γ射線照射后的虹鱒卵子受精,成功獲得虹鱒二倍體雄核發(fā)育后代。Arai等[10]使用γ射線照射雌性馬蘇大馬哈魚Oncorhynchusmasou卵子,與雄性馬蘇大馬哈魚精子結(jié)合,成功得到35%的單倍體。Grunina等[11]與Corley-Smith等[12]分別用25~30 kR、15 kR的X射線強(qiáng)度照射鯉Cyprinuscarpio和斑馬魚Daniorerio卵子,與對應(yīng)雄魚精子受精,得到了12%和14%的雄核發(fā)育單倍體后代。
因此,無須卵子失活,快速、高效生產(chǎn)雄核發(fā)育個(gè)體成為亟待解決的關(guān)鍵問題。
本研究中,不用射線照射僅讓受精卵在低溫環(huán)境刺激下產(chǎn)生雄核發(fā)育的新途徑(圖4(b)),目前國內(nèi)外鮮有報(bào)道。最早Gervai等[13]利用冷休克方法除獲得三倍體外,也獲得雄核發(fā)育單倍體胚胎。Ueda[14]發(fā)現(xiàn),在虹鱒受精后30 s或3.5 h后用熱休克(30 ℃,7 min)可獲得少量的雄核發(fā)育二倍體個(gè)體。近年來,日本學(xué)者M(jìn)orishima等[15]報(bào)道了泥鰍受精后利用3 ℃低溫水處理受精卵60 min能誘導(dǎo)產(chǎn)生雄核發(fā)育后代,并報(bào)道了冷休克誘導(dǎo)雄核發(fā)育的細(xì)胞學(xué)機(jī)制是卵核與第二極體一同釋放。Hou等[16]報(bào)道了斑馬魚受精卵在7 ℃水中處理30 min單倍率最高,并得到克隆二倍體個(gè)體。本研究室王玉生等[17]報(bào)道了大鱗副泥鰍受精卵在3 ℃冰水處理60 min,可產(chǎn)生雄核發(fā)育單倍體,其細(xì)胞學(xué)機(jī)制與Morishima等[15]報(bào)道的相一致,即卵核與第二極體一同釋放;本研究室Zhou等[18]利用二倍體泥鰍♀與自然四倍體泥鰍♂雜交產(chǎn)生的受精卵進(jìn)行了冷休克誘導(dǎo)雄核發(fā)育(受精后5 min,放入3 ℃冰水處理60 min),并通過對后代的染色體數(shù)目、親子鑒定、初期胚胎觀察,闡明了該方法可成功誘導(dǎo)雄核發(fā)育二倍體泥鰍,誘導(dǎo)率為73.33%,此人工誘導(dǎo)雄核發(fā)育新途徑效果明顯高于其他途徑,其細(xì)胞學(xué)機(jī)制也是卵核與第二極體一同釋放。關(guān)于卵核與第二極體一同釋放的分子機(jī)制尚不清楚,有待于今后進(jìn)一步探究。利用自然四倍體泥鰍誘導(dǎo)雄核發(fā)育二倍體可以省去精子染色體的加倍,提高成活率。本研究中參照Zhou等[18]報(bào)道的冷休克誘導(dǎo)雄核發(fā)育的最優(yōu)參數(shù)進(jìn)行了自然四倍體泥鰍雄核發(fā)育二倍體的誘導(dǎo),從分子遺傳學(xué)角度探討了冷休克誘導(dǎo)自然四倍體泥鰍雄核發(fā)育的染色體組構(gòu)成。
一個(gè)物種的染色體數(shù)目及形態(tài)特征稱為該物種的核型(karyotype),包括染色體數(shù)目(即基數(shù))及每一條染色體所特有的形態(tài)特征(染色體大小、著絲點(diǎn)的位置及次縊痕、隨體的有無等)。對這些特征進(jìn)行定量和定性的描述,即核型分析(karyotype analysis)[19],染色體核型是染色體研究中的一個(gè)基本方法,它對物種的親緣關(guān)系、系統(tǒng)演化、起源、染色體鑒別等研究具有重要意義。本研究中,以大連當(dāng)?shù)囟扼w泥鰍(2n=50)為母本,湖北省的自然四倍體泥鰍(4n=100)為父本進(jìn)行雜交,其中一部分受精卵在受精后5 min,放入3 ℃冰水中處理60 min,經(jīng)冷休克處理后獲得了染色體數(shù)目為50條的二倍體泥鰍(2n=50),未經(jīng)冷休克處理的對照組染色體數(shù)目為75條(3n=75)。顯而易見,冷休克處理后沒有使第二極體受到抑制,因?yàn)槿绻种频诙O體釋放的話將形成四倍體后代。本研究中經(jīng)染色體核型分析,對照組核型公式為15m+6sm+54t,NF=96,冷休克處理組核型公式為10m+4sm+36t,NF=64。這與以往李雅娟等[20]報(bào)道的二倍體泥鰍染色體核型一致。由此可見,冷休克成功誘導(dǎo)了自然四倍體泥鰍雄核發(fā)育二倍體。表明中國自然四倍體雄性泥鰍能產(chǎn)生二倍體(2n)配子。該研究結(jié)果不僅為魚類雄核發(fā)育增加了新途徑,也為四倍體雄性泥鰍是具有4套染色體組的遺傳四倍體提供了重要的遺傳學(xué)證據(jù)。
Ag-NORs法在魚類染色體研究中被廣泛應(yīng)用,該方法是研究染色體進(jìn)化和物種親緣關(guān)系的一個(gè)重要指標(biāo)。研究表明,細(xì)胞中的核仁數(shù)目與染色體組數(shù)目有關(guān),大多數(shù)物種具有一套染色體組的單倍體細(xì)胞中僅含1個(gè)核仁,具有2、3、4套染色體組的二、三和四倍體細(xì)胞分別含2、3、4個(gè)核仁。在多倍體魚類的倍性鑒定中,Ag-NORs 法與其他倍性檢測方法相比具有快捷、準(zhǔn)確且省時(shí)省力的優(yōu)點(diǎn),尤其在條件比較簡陋的情況下無須特殊的儀器就可以進(jìn)行,是值得推廣的方法。李雅娟等[21-22]對40余種鯉科魚類與德國鏡鯉的銀染核型進(jìn)行了比較,發(fā)現(xiàn)多數(shù)中國鯉科魚類的Ag-NORs數(shù)目為 4,而德國鏡鯉具有2個(gè)Ag-NORs,說明其染色體倍性是原始類型,是二倍化的四倍體,即染色體數(shù)目為2n=100,這種二倍化的四倍體只能產(chǎn)生單倍體配子(n=50),但無論是雌核還是雄核發(fā)育子代因單倍體均不能存活,需要進(jìn)行染色體加倍才能存活。Li等[3-4]對自然二倍體和四倍體泥鰍、雌核發(fā)育后代進(jìn)行了Ag-NORs分析,闡明了中國自然四倍體泥鰍是含有4套染色體組的遺傳四倍體,即染色體數(shù)目為4n=100,這種遺傳四倍體能產(chǎn)生二倍體配子(2n=50),無論是雌核還是雄核發(fā)育子代均為二倍體(2n=50),因此,不需要進(jìn)行染色體加倍也能存活。本研究中,對雜交三倍體泥鰍及雄核發(fā)育二倍體泥鰍進(jìn)行了Ag-NORs分析,結(jié)果顯示,對照組雜交三倍體泥鰍染色體具有3個(gè)銀染點(diǎn),而處理組雄核發(fā)育二倍體泥鰍染色體具有2個(gè)銀染點(diǎn),這表明自然四倍體泥鰍雄核發(fā)育后代是含有2套染色體組的二倍體。
FISH是指通過分子雜交和熒光顯微鏡進(jìn)行特定DNA序列檢測的技術(shù),F(xiàn)ISH不僅是研究基因組組成的有效手段,也是分析不同基因組染色體交叉互換現(xiàn)象和染色體減數(shù)分裂過程中行為的重要工具。FISH技術(shù)在魚類基因定位中的應(yīng)用主要集中在rDNA定位上,這方面的研究對于魚類染色體的進(jìn)化具有重要意義。rDNA在染色體上的定位可以對傳統(tǒng)核型的分析進(jìn)行校正,尤其對于染色體較小且形態(tài)特征不明顯的材料,可以提高同源染色體配對的準(zhǔn)確性。利用FISH技術(shù),定位rDNA研究核仁組織區(qū)(NORs),從而為魚類染色體結(jié)構(gòu)和功能分析提供理論基礎(chǔ)。與其他方法不同的是,F(xiàn)ISH技術(shù)不依賴物種的核仁組織區(qū)是否有轉(zhuǎn)錄活性,而是直接針對rDNA。Li等[3-4,23]對自然二倍體和四倍體泥鰍、雌核發(fā)育后代及其雜交三倍體泥鰍的染色體進(jìn)行了FISH研究,從分子細(xì)胞遺傳學(xué)角度闡明了不同倍性泥鰍的染色體組成。本研究中對雜交三倍體泥鰍及雄核發(fā)育二倍體泥鰍進(jìn)行了FISH分析,結(jié)果顯示,對照組雜交三倍體泥鰍染色體具有3個(gè)雜交信號(hào),雄核發(fā)育二倍體泥鰍染色體具有2個(gè)雜交信號(hào),再次證明自然四倍體泥鰍雄核發(fā)育后代是含有2套染色體組的二倍體。
1)通過染色體核型、Ag-NORs、FISH等方法對雄核發(fā)育二倍體泥鰍染色體組構(gòu)成進(jìn)行分析,均鑒定出自然四倍體泥鰍雄核發(fā)育后代的染色體組構(gòu)成是含有2套染色體組的二倍體,并證明自然四倍體雄性泥鰍是具有4套染色體組的遺傳四倍體。
2)無須卵子失活或卵子染色體加倍,僅用冷休克可以成功誘導(dǎo)自然四倍體泥鰍雄核發(fā)育二倍體,表明中國自然四倍體雄性泥鰍能產(chǎn)生二倍體(2n)配子。