魚類繁殖生物學(簡版)

魚類性腺的結構特征、功能和變化的規(guī)律性以及下丘腦—垂體—性腺軸相互作用及其調控生殖腺生長、發(fā)育和成熟的作用機制。是主要經(jīng)濟魚類人工繁殖的理論依據(jù)。

魚類的性腺起源于中胚層。在胚胎時期由背系膜兩側的體腔壁發(fā)育成一對上皮縱褶隆起，與結締組織的基質一起構成生殖褶，繼而伸入體腔，與體壁分開，其后逐漸膨大形成明顯的性腺（卵巢或精巢），并由背系膜懸掛于腹腔背壁。大多數(shù)硬骨魚類的卵巢位于鰾的腹面，左右對稱，呈囊狀器官。鯉科魚類，例如鰱、鳙、草魚、青魚等，沒有單獨的生殖導管，只是卵巢的后端通向泄殖孔的部位有相當于生殖導管的結構，它是卵巢組織的延伸。

卵子發(fā)育

硬骨魚類從卵原細胞發(fā)育成為成熟卵子，需要經(jīng)過三個時期：卵原細胞繁殖期、卵母細胞生長期和卵子的成熟期。

卵原細胞繁殖期

在這個時期中卵原細胞進行無數(shù)次有絲分裂，細胞數(shù)目不斷增加，其后部分卵原細胞就停止分裂，開始長大，向無卵黃的初級卵母細胞過渡。此階段的卵細胞為第Ⅰ時相卵原細胞。以第Ⅰ時相卵原細胞為主的卵巢即稱為第Ⅰ期卵巢。

卵母細胞生長期

此期可分為小生長期和大生長期。小生長期由于細胞質和細胞核的增長而使初級卵母細胞的體積顯著增大，在細胞質中出現(xiàn)卵黃核。它與卵黃的形成有關。細胞膜外形成一層濾泡細胞。處在小生長期的初級卵母細胞，稱為第Ⅱ時相初級卵母細胞，以第Ⅱ時相初級卵母細胞為主的卵巢為第Ⅱ期卵巢。鰱、鳙、草魚、青魚等性成熟以前的個體，其卵巢都長期地停留在第Ⅱ期。大生長期依卵黃積累狀況和程度，又可分成兩個階段：卵黃開始積累階段和卵黃充塞階段。當細胞內緣逐漸出現(xiàn)卵黃泡，即為卵黃積累的開始。與此同時，卵徑增大。濾泡細胞由第Ⅱ時相的單層發(fā)展為兩層。此時，由濾泡細胞伸出許多指狀突起與卵母細胞微絨毛互相連結。溝通形成放射孔道，稱為放射帶。它具有交換卵母細胞內外物質和信息的功能。此階段的初級卵母細胞，稱為第Ⅲ時相初級卵母細胞。以第Ⅲ時相初級卵母細胞為主的卵巢為Ⅲ期卵巢。初級卵母細胞進入卵黃充塞階段的主要特征是卵黃以卵黃泡和卵黃顆粒兩種形式在卵母細胞質內先后積累，并充滿全部細胞質部分，這時卵黃生長即告完成，卵母細胞長足身材，達到成熟的第Ⅳ時相。以此時相的初級卵母細胞為主的卵巢，稱為第Ⅳ期卵巢。

卵子成熟期

卵母細胞大生長期完成后，其體積不再增大，而進行核的成熟變化。此期的主要特征是細胞核極化，核膜消失，并進行兩次成熟分裂，即減數(shù)分裂和均等分裂。第一次成熟分裂（減數(shù)分裂）放出第一極體，形成一個次級卵母細胞，緊接著次級卵母細胞進行第二次成熟分裂（均等分裂）排出第二極體，并停留在分裂中期。此過程稱為成熟。在卵子成熟變化中，濾泡細胞指狀突起和卵母細胞微絨毛各自從卵膜上縮回，使濾泡與卵之間形成空隙，隨之初級卵母細胞脫離濾泡向流動狀的次級卵母細胞過渡，即從濾泡中解脫出來，成為成熟卵子，跌入卵巢腔內。此過程稱為排卵。在適宜的生理、生態(tài)條件下，成熟卵從卵巢腔內向體外產(chǎn)出，稱為產(chǎn)卵。成熟時期進行得很快，僅數(shù)小時或數(shù)十小時即可完成。成熟流動的卵子，稱為第Ⅴ時相次級卵母細胞，此時的卵巢為第Ⅴ期。

淡水養(yǎng)殖魚類性成熟的親魚，在良好的生理、生態(tài)條件下，卵子由第Ⅳ時相向第Ⅴ時相過渡，完成產(chǎn)卵后，卵巢就成為第Ⅵ期卵巢。如果第Ⅲ、Ⅳ時相的卵母細胞得不到進一步發(fā)育成熟或卵已成熟而錯過了產(chǎn)卵的適宜季節(jié)，卵母細胞自行退化而被吸收，過熟和退化的卵為第Ⅵ時相。與卵母細胞退化吸收的同時，新生一代的卵母細胞又開始發(fā)育生長。卵巢回復到第Ⅱ期。

精子發(fā)育

分繁殖、生長、成熟和變態(tài)四個時期。

繁殖期

由原始生殖細胞經(jīng)過有絲分裂形成數(shù)量很多的精原細胞。其特點為核大而圓，核內染色質均勻分布，形成染色很深的大線球。

生成期

精原細胞停止分裂，進入生成期，形成初級精母細胞。核內染色質變成粗線狀或細絲狀，為成熟期的減數(shù)分裂做準備。

成熟期

精母細胞連續(xù)進行兩次成熟分裂。第一次為減數(shù)分裂，每個初級精母細胞分裂成兩個次級精母細胞；接著進行均等分裂，每個次級精母細胞分別形成兩個精子細胞。

變態(tài)期

這是雄性生殖細胞在發(fā)育中特有的階段，整個過程較為復雜，每個精子細胞經(jīng)過一系列的變態(tài)，而形成具有活力的精子。

性腺分期

為了便于觀察鑒別魚類性腺發(fā)育的程度，根據(jù)性腺外觀、細胞組織形態(tài)學和生理學特征，通常把卵巢和精巢各分成六期。以鰱為例。

卵巢分期

第Ⅰ期卵巢緊貼體腔膜上，肉眼不能分辨雌雄，只能見到一對透明呈淡肉色的細線，寬度為1毫米左右。卵原細胞較小，核占細胞的一半，核仁極少，位于核的中部。處于卵原細胞繁殖期。第Ⅱ期卵巢已能分辨雌雄，呈扁帶狀。肉色、透明。固定后，呈花瓣狀，肉眼看不見卵粒，卵巢表面分布有微血管。寬約1厘米左右。處于初級卵母細胞小生長期。第Ⅲ期卵巢呈青灰色，肉眼已能分辨出卵粒，但互相粘連成團塊，不能分離，固定后，呈海蜇頭狀。血管分布明顯。寬度2厘米左右。初級卵母細胞處于大生長期卵黃開始積累階段。第Ⅳ期卵巢體積增大，呈長囊狀，充滿整個腹腔，約占體重的15%～25%。卵巢膜出現(xiàn)粗血管，形成網(wǎng)狀分布。卵粒充滿卵黃，飽滿，呈小米粒大小，置固定液中能游離脫落。一般為青灰色，或淡灰色或棕黃色。寬度在4～5厘米以上。初級卵母細胞處于大生長期卵黃充塞階段，并增至最大體積，根據(jù)卵徑大小和核的位置，本期可分為早、中、末三個階段，早期卵徑500微米左右，核在正中；中期卵徑800微米左右，核稍偏位，移向動物極；末期卵徑1000微米左右，核移向動物極一端。第Ⅴ期卵巢，卵從濾泡中排出，成為成熟卵。卵粒透明如玉，卵粒分離，進入卵巢腔，處于流動狀態(tài)，輕壓腹部，有卵粒從生殖孔流出。第Ⅵ期為產(chǎn)過卵不久或退化吸收的卵巢，卵巢中有過分成熟而未排出的卵，核消失，卵黃液化，放射膜增厚。卵巢松弛，表面充血，呈紫咖啡色。

精巢分期

第Ⅰ期精巢細線狀，透明，緊貼鰾腹面兩側，肉眼不能區(qū)分雌雄。壺腹尚未形成，精原細胞分散在結締組織之間，未顯示固定排列，體積較大，直徑約16微米，核徑為9微米。第Ⅱ期精巢細帶狀，半透明，肉眼可以區(qū)分雌雄。精原細胞增多，不是分散，而是排列成束，壺腹形成，實心壺腹間有結締組織分隔。第Ⅲ期精巢圓桿狀，表面具彈性，血管明顯，呈粉紅色或淡黃色。實心壺腹中央出現(xiàn)管腔，壺腹壁由一層至多層的初級精母細胞組成的一束束的精小囊排成。第Ⅳ期精巢呈圓柱形，乳白色，表面有皺紋，血管分布明顯。壺腹壁的精小囊由一群群的初級、次級精母細胞和精子細胞組成。往往以同型的細胞群成堆排列，呈現(xiàn)活躍的分化與分裂，易與其他各期區(qū)別，在有的精子囊中出現(xiàn)少數(shù)精子。第Ⅴ期精巢豐滿，呈乳白色，已達完全成熟。表面凹凸不平，皺紋加深。精小囊和各壺腹中充滿了成熟精子。此外，尚有精子細胞及變態(tài)不完全的精子。輕壓魚的腹部，有大量乳白色精液流出。第Ⅵ期為排精后的精巢，淡紅色或粉紅色，精巢枯萎，體積縮小，擠不出精液，精小囊壁只剩下結締組織及少量的初級精母細胞和精原細胞，囊腔及壺腹中尚有殘留的衰老的精子。

性周期

魚類達到性成熟年齡之后，性腺即按季節(jié)發(fā)生周期性的變化，稱為性周期。大多數(shù)鯉科魚類性成熟后，每年繁殖一次，稱為單周期產(chǎn)卵類型；有些魚類如非鯽，只要溫度適宜，營養(yǎng)條件得到滿足，一年中可繁殖多次，稱為多周期產(chǎn)卵類型。

鰱、鳙、草魚、青魚在性成熟前，卵巢只發(fā)育到第Ⅱ期，沒有性周期變化。達到性成熟年齡后，冬季卵巢可由第Ⅱ期發(fā)育到第Ⅲ期，開春后即發(fā)育到第Ⅳ期，人工飼養(yǎng)的上述親魚在5～6月間經(jīng)人工催情可達成熟和產(chǎn)卵（不經(jīng)催情不能發(fā)育到第Ⅴ期）。產(chǎn)卵后或未經(jīng)催情的卵巢，即行退化吸收，經(jīng)過第Ⅵ期迅速回復到第Ⅱ期，越冬后卵巢再發(fā)育，進行周期性的循環(huán)。精巢成熟排精后，經(jīng)第Ⅵ期回轉到第Ⅲ期（相當于卵巢的第Ⅱ期）。開春后發(fā)育到第Ⅳ期，有的雄魚已能擠出少量精液。一進入生殖季節(jié)，發(fā)育好的輕壓腹部能擠出大量精液。排精后，秋冬季節(jié)，精巢中未排出的精子經(jīng)退化吸收，再進入新的循環(huán)（見表）。

江浙地區(qū)鰱、鳙、草魚、青魚卵巢和精巢發(fā)育的周年變化表

性激素

魚類性腺除了產(chǎn)生精子和卵子外，還是一種分泌性激素的內分泌腺體器官。卵巢的濾泡上皮細胞分化成鞘膜細胞和顆粒細胞，在雙層細胞協(xié)同下，合成雌激素——17β-雌二醇和孕激素——17α-20β-雙羥孕酮、孕酮以及雄激素——睪酮、雄烯二酮，有些魚類的卵巢，還可以產(chǎn)生皮質類固醇激素。精巢中的間質細胞和小葉界細胞能分泌雄性激素——睪酮、11-酮睪酮。這些性激素的功能，不僅調節(jié)性腺的生長發(fā)育、性行為和第二性征的出現(xiàn)，而且通過其反饋作用，調節(jié)下丘腦釋放激素和垂體促性腺激素的分泌，從而達到調控魚類的繁殖。

魚類的生殖是一個復雜的過程，它需要中樞神經(jīng)和內分泌系統(tǒng)的調節(jié)。整個生殖過程的完成，依賴于下丘腦—腦垂體—性腺軸的相互協(xié)調和相互制約，分泌一些化學物質來進行調節(jié)和控制，使生殖生理活動協(xié)調一致，有規(guī)律、有節(jié)奏地進行。

腦垂體

腦垂體的結構和功能如下。

結構

魚類腦垂體位于間腦腹面，由垂體柄與下丘腦緊密相連，懸垂在第三腦室底部。分腺垂體和神經(jīng)垂體兩部分。腺垂體起源于胚胎發(fā)生的口腔部；神經(jīng)垂體起源于胚胎發(fā)生的腦部，兩者的組織結構截然不同。神經(jīng)垂體主要由下丘腦神經(jīng)元的軸突組成，軸突纖維廣泛分布于腺垂體內，使腦與腺垂體緊密地聯(lián)系起來，傳遞由中樞神經(jīng)系統(tǒng)下丘腦部分對腺垂體分泌機能的調節(jié)控制。腺垂體可分為前葉、間葉和后葉三個區(qū)。前葉靠近神經(jīng)垂體的基部，在腦垂體的背面，有兩種類型的細胞，大小比較一致，嗜酸性細胞占的比例多，嗜堿性細胞很少，間雜一些嫌色性細胞。這些細胞分泌促腎上腺皮質激素和催乳激素。間葉在腺垂體的中間部分，排列成索狀的嗜堿性細胞分泌促甲狀腺激素和促性腺激素。后葉（過渡葉）位于垂體頂端，垂體神經(jīng)的分枝主要深入此葉，葉內嗜酸性細胞層多，分泌黑色刺激素。

激素功能

腺垂體各葉分泌的激素，與繁殖有關的有促性腺激素、促甲狀腺激素、催乳激素和促腎上腺皮質激素等。

促性腺激素（GtH）。硬骨魚類腦垂體中的GtH與哺乳類的促黃體生成激素（LH）和促濾泡成熟激素（FSH）分子結構相似。魚類GtH是一種糖蛋白激素，分子量為30000道爾頓左右。與LH、FSH一樣，也具有由α和β兩個亞基所組成的兩條氨基酸鏈。不同的魚類，其GtH的氨基酸組成和排列順序不盡相同，從而導致魚類GtH具有種的特異性和生物活性的差異。一般采用分類上較接近如同屬或同科魚的腦垂體作催產(chǎn)劑，效果較顯著，而不同目的魚類腦垂體相互作用，效果就不明顯。

GtH的功能主要有三個方面：①調節(jié)卵黃生成。首先在ConA-Ⅱ-GtH的作用下，促使卵母細胞的鞘膜細胞和顆粒細胞協(xié)同合作，提高血漿中雌二醇的水平，促進肝臟合成卵黃蛋白前體，轉而進入血液，輸入卵母細胞，并在ConA-l-GtH的作用下，轉化成卵黃脂磷蛋白和卵黃高磷蛋白。②調節(jié)卵母細胞成熟和排卵，由GtH作用于濾泡膜雙層細胞（鞘膜細胞和顆粒細胞），產(chǎn)生17α-20β-雙羥孕酮（17α20βP），誘導卵母細胞最后成熟。當卵巢達到完全成熟和臨近產(chǎn)卵時，GtH水平顯著升高，達到一個釋放高峰值，才使鮭科和鯉科魚類排卵。③調節(jié)精子生成和排精。GtH先刺激精巢3β-羥甾脫氫酶的活性增強，然后促使雄激素的分泌，使其在血液中的濃度增高，轉而影響精子的生成。排精包括精巢的水合作用以及精子從精小管中排入介質，精液變稀反應和排出等過程。

促甲狀腺激素對魚類繁殖的作用主要是促使甲狀腺產(chǎn)生甲狀腺素（T4）和三碘甲腺原氨酸（T3）。T3、T4在血液中濃度增高后，促使能量代謝旺盛，攝食量加大，加速營養(yǎng)物質在魚體內的積累和貯備，以利于春季向性腺轉化。另外，甲狀腺激素分泌亦與洄游性魚類的滲透壓調節(jié)關系密切。

催乳激素對魚類維持體液滲透壓平衡有重要的作用。對一些洄游性魚類的繁殖甚為重要。如鰻鱺、松江鱸等，在淡水中生長，催乳激素分泌旺盛，抑制了促性腺激素的分泌，卵母細胞發(fā)育停滯；當入海后，因滲透壓的改變，催乳激素分泌減退，促性腺激素則分泌旺盛，促使卵母細胞發(fā)育成熟。

促腎上腺皮質激素能刺激腎間組織產(chǎn)生成熟類固醇激素，通過提高卵細胞對17α20βP作用的敏感性而間接促進卵母細胞最后成熟。

下丘腦

屬于間腦的一部分。由其發(fā)出的神經(jīng)軸突經(jīng)垂體柄伸入腺垂體內，使兩者緊密聯(lián)系起來。下丘腦含有大量的核群，大都是控制垂體分泌激素的神經(jīng)元。其中有兩類核群對魚類生殖功能的調節(jié)起著重要的作用。一類是視前核（NPO），另一類是結節(jié)外側核（NLT）。NPO的軸突終止在神經(jīng)垂體和腺垂體之間以及微血管附近，當神經(jīng)沖動傳遞到末梢時，神經(jīng)末梢貯存的神經(jīng)激素開始釋放，通過脈絡叢，進入毛細血管，運送到靶細胞。有些魚類的NPO神經(jīng)纖維直接終止在腺垂體的分泌細胞上，進行直接調控。NLT的軸突直接終止到腺垂體間葉的分泌細胞上，并在連接處釋放神經(jīng)激素。由NPO和NLT釋放的神經(jīng)激素與魚類繁殖密切相關的有兩種：促性腺激素釋放激素（Gonadotropin releasing hormone，GnRH）和促性腺激素—抑制激素（Gonadoropin release-inhibitory hormone，GnRIH）。這兩種激素或者通過血液循環(huán)，或者由神經(jīng)末梢直接傳遞，都能達到促進垂體釋放或者抑制垂體釋放促性腺激素。

哺乳動物下丘腦分泌的促黃體生成素釋放激素（LRH），能促使腦垂體釋放LH和FSH，從而進一步促進性腺發(fā)育成熟和精卵的排放（見圖）。20世紀70年代初，羊下丘腦中分離純化出LRH。其結構是十肽：焦谷氨酸、組氨酸、色氨酸、絲氨酸、酪氨酸、甘氨酸、亮氨酸、精氨酸、脯氨酸、甘氨酰胺，分子量為1182道爾頓。中國利用人工合成的LRH對鰱、鳙、草魚等催產(chǎn)獲得成功，證明LRH具有相當于魚類GnRH的生理功能。1974年中國又合成促黃體生成素釋放激素類似物（LRH-A），其活性高，催產(chǎn)的效果更好。因此作為一種主要的魚類催產(chǎn)劑，在生產(chǎn)中已普遍使用。LRH和LRH-A的生理功能有：①刺激魚類垂體釋放GtH。鰱、鳙和草魚等經(jīng)LRH或LRH-A注射后，垂體中嗜堿性GtH細胞出現(xiàn)明顯的分泌顆粒排空的現(xiàn)象。同時血液中檢測到GtH含量的高峰值，為注射前含量的20余倍；②刺激垂體合成GtH。草魚注射LRH或LRH-A后，GtH細胞內團塊狀分泌顆粒迅速增多，顯示出強烈的合成活動；③誘導排卵。天然和人工合成的LRH或LRH-A都能明顯地誘導各種動物排卵。經(jīng)注射LRH或LRH-A后，卵巢濾泡細胞中酶的活性產(chǎn)生了一系列的變化。如葡萄糖-6-磷酸酶、堿性磷酸酶、3β-羥甾脫氫酶、17α-羥甾脫氫酶、磷酸酶活性明顯增強，這無疑與卵子的最后成熟和排卵有關；④誘導魚卵成熟和精子生成。應用LRH-A低劑量多次注射方法，可持續(xù)誘導垂體GtH細胞合成和釋放GtH。對性腺發(fā)育尚差的鰱、鳙和青魚等，具有良好的催熟作用，使卵母細胞核象偏位顯著，趨向同步成熟；對雄魚能誘發(fā)增加精液量。

魚類繁殖示意圖