ЭМБРИОНАЛЬНОЕ РАЗВИТИЕ ЕВРОПЕЙСКОЙ КОРЮШКИ
реклама
БИОЛОГИЯ МОРЯ, 2006, том 32, № 3, с. 204–216 УДК 597.553.2:591.3 БИОЛОГИЯ ИНДИВИДУАЛЬНОГО РАЗВИТИЯ ЭМБРИОНАЛЬНОЕ РАЗВИТИЕ ЕВРОПЕЙСКОЙ КОРЮШКИ OSMERUS EPERLANUS EPERLANUS (L.) (НЕВСКАЯ ПОПУЛЯЦИЯ)1 © 2006 г. Ю. Н. Городилов, Е. Л. Мельникова Биологический НИИ Санкт-Петербургского государственного университета, Санкт-Петербург 198504 e-mail: [email protected] Статья принята к печати 28.10.2005 г. Описано эмбриональное развитие европейской корюшки Osmerus eperlanus eperlanus. Весь период развития разделен на 6 подпериодов, в пределах которых по предложенным критериям можно выделить свыше 80 стадий. Развитие зародышей европейской корюшки исследовали при пяти режимах постоянной температуры в диапазоне от 9.5 до 18.3°С. Продолжительность одинаковых стадий при разной температуре выражали в относительных единицах τ0 (время одного деления дробления) и τS (время образования одной пары сомитов). Установлено, что при колебаниях температуры только величина τS изменялась пропорционально эмбриогенезу, поэтому продолжительность стадий выражали лишь в τS. Выведена зависимость скорости эмбриогенеза европейской корюшки от температуры, которую выражали через стандартный интервал τS и описывали уравнением: lg τS (t) = = 3.22665 – 0.13876t + 0.00297t2, где t – температура. Ключевые слова: корюшка, Osmerus eperlanus, эмбриогенез, стадии развития, темп развития. Embryonic development of the European smelt Osmerus eperlanus eperlanus (L.) (Neva River population). Yu. N. Gorodilov, E. L. Melnikova (Biological Research Institute of Saint Petersburg State University, Saint Petersburg 198504) Embryonic development of the European smelt Osmerus eperlanus eperlanus is described. The entire development period is divided into 6 subperiods, within which over 80 stages can be distinguished according to specific criteria. Egg incubation was carried out at 5 constant temperature regimes in the range from 9.5 to 18.3°C. Duration of the same development stages (age) for the various temperature regimes was expressed in relative units, τ0 (time of one cell cleavage) and τS (time of one somite pair formation). At temperature variations, only τS was proportional to whole embryogenesis; therefore, the age of embryos was expressed only in τS. The relationship between developmental rate of European smelt and temperature, which was expressed using the standard interval (τS), is described by the equation: lg τS (t) = 3.22665 – – 0.13876t + 0.00297t2, where t is the incubation temperature. (Biologiya Morya, Vladivostok, 2006, vol. 32, no. 3, pp. 204–216). Key words: smelt, Osmerus eperlanus, embryogenesis, developmental stages, development rate. Корюшек относят к подотряду лососевидных рыб Salmonoidei, к семейству Osmeridae (Дорофеева и др., 1980). Данное семейство включает 6 родов и 13 видов. Из них 6 видов, входящих в 3 рода, встречаются в водах России, в том числе 5 видов обитают на акваториях Дальнего Востока (Клюканов, 1977). Описанию эмбрионального и личиночного развития этих корюшек посвящена серия работ, выполненных Гриценко с соавторами (1984) и Шадриным (1988а, б, 1989а, б). В европейской части России обитает только один полиморфный вид – европейская корюшка Osmerus eperlanus (L.), который образует проходную, озерно-речную и озерную формы. Предметом нашего исследования стала проходная форма европейской корюшки Osmerus eperlanus eperlanus. В литературе представлено чрезвычайно мало данных, связанных с описанием раннего онтогенеза европейской корюшки. Одна из работ выполнена на балтийской корюшке из р. Эльба (Lillelund, 1961) и содержит лишь фрагментарные сведения о ее эмбриогенезе. 1 Более подробно изучено развитие близкого вида – азиатской корюшки O. mordax dentex из Белого моря (Унанян, Соин, 1963), которую авторы рассматривали как подвид европейской корюшки. Кроме того, они использовали несколько архаичную для нашего времени классификацию этапности, а, главное, развитие зародышей исследовали при переменной температуре, что не дает возможности судить о реальной продолжительности стадий или тех же самых этапов онтогенеза. Что касается невского стада балтийской популяции европейской корюшки, то нам неизвестны работы, посвященные ее раннему развитию. Характерной особенностью корюшек является образование вокруг яйцеклетки двух оболочек zona radiata: внешней z. r. externa и внутренней z. r. interna (см.: Lillelund, 1961). При попадании яйцеклетки в воду во время нереста внешняя оболочка лопается и становится клейкой, благодаря чему она прикрепляется к различным субстратам на дне водоема, оставаясь связанной с внутренней оболочкой в области микропиле. Работа посвящена 300-летнему юбилею г. Санкт-Петербурга. 204 ЭМБРИОНАЛЬНОЕ РАЗВИТИЕ 205 В результате сама икринка оказывается в подвешенном состоянии, обеспечивая зародышу условия наилучшей аэрации. Для стандартизации измерений продолжительности одинаковых стадий развития зародышей при разных режимах температуры возраст каждой из выделяемых стадий оценивали в относительных единицах. В качестве таковых использовали временной интервал двух разных отрезков эмбриогенеза: одного клеточного цикла (τ0) в период синхронных делений дробления (Детлаф, Детлаф, 1960) и образования одной пары сомитов (τS) (Городилов, 1980, 1990). Ранее нами были проведены сравнительные измерения длительности стадий эмбриогенеза щуки и окуня (Городилов, 1985, 1991) с использованием обеих эталонных единиц. Показано, что только интервал τS обеспечивал адекватные результаты, т.е. при изменении температуры лишь время образования одной пары сомитов изменялось пропорционально длительности любой стадии эмбриогенеза. Время одного клеточного цикла находилось в другой зависимости от температуры в толерантном для зародышей диапазоне последней. Поэтому нами был сделан вывод о непригодности интервала τ0 для измерения относительной продолжительности эмбриогенеза рыб. Учитывая критику полученных нами результатов (Детлаф, 1990), мы решили проверить пригодность данных эталонных единиц для измерения относительной продолжительности стадий эмбриогенеза европейской корюшки. от дна чашки и переносили пипеткой в другую чашку с солевым изотоническим раствором (раствор Гольтфретера ×2). Удаление оболочки проводили под бинокуляром. Тонким пинцетом икринку брали за кончик "стебелька", представляющего собой вывернутую наружную оболочку, соединенную с икринкой, и, оттягивая стебелек, подрезали его микрохирургическими ножницами у основания вместе с внутренней оболочкой. В образовавшееся отверстие вставляли кончик ножниц и разрезали внутреннюю оболочку пополам. Зародыш без оболочки переносили на предметное стекло в капле солевого раствора. На всю операцию уходило около 1 мин. Используя микроскоп, описывали зародыш, измеряли его некоторые части, при необходимости зарисовывали. В ходе наблюдений в каждом режиме температуры определяли значения τS и в части режимов – значения τ0. Время τ0 оценивали по продолжительности 2-го деления дробления (от 2 до 4 бластомеров) (Игнатьева, 1979). В период сомитогенеза в выборках из 6–8 зародышей подсчитывали число сомитов у каждого экземпляра, затем усредняли значение для всей выборки. Таких определений на протяжении сомитогенеза делали, как правило, 3–4. Усредненное число сомитов для каждой выборки наносили на график прироста их числа в зависимости от времени инкубации при постоянной температуре, затем прямо на графике или по формуле (1) рассчитывали значение τS (см. ниже). Возраст зародышей во время инкубации определяли, ведя отсчет от момента осеменения икры, как в абсолютном времени tn (часы, минуты), так и в относительном (по числу эквивалентов τS или τ0) из соотношения tn/τS или tn/τ0. Подвижных зародышей перед микроскопированием обездвиживали с помощью анестетика трикаинметансульфата (MS-222). МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА РЕЗУЛЬТАТЫ Материал для исследования собирали в Финском заливе в районе дамбы у Ломоносовского берега в мае 1994–1996 гг. в период миграции европейской корюшки Osmerus eperlanus eperlanus на нерест в р. Нева. Оплодотворение производили на месте отлова зрелых самок и самцов. В чашках Петри порции икры от двух самок перемешивали со спермой от двух самцов. Затем чашки Петри с приклеившимися икринками в сумке-холодильнике в течение 1 ч доставляли в Биологический НИИ Санкт-Петербургского государственного университета. Здесь их помещали в аппараты, предназначенные для инкубации икры лососевых рыб, в которых обеспечивается непрерывный проток воды и регулируется температурный режим (Объекты биологии развития, 1975; Gorodilov, 1996). Уровень воды в ячейках инкубаторов был таким, что чашки полностью погружались в проточную воду, причем проток обеспечивал колебательные движения икринок. Инкубацию икры проводили при постоянной температуре (± 0.1°С). Для наблюдений за развитием икры и личинок корюшки использовали следующие пять режимов постоянной температуры: 9.5, 10.8, 12.0, 13.8 и 18.3°С. В процессе инкубации периодически производили выемку небольших порций икры (не менее 5 икринок) для изучения морфологического состояния зародышей. На ранних стадиях (дробление, бластула, процесс эпиболии или обрастания желтка бластодермой) наблюдения проводили на целых икринках. На более поздних стадиях снимали оболочки и готовили препараты живых зародышей. Икра европейской корюшки очень мелкая: диаметр зрелых яйцеклеток составляет 0.7–0.8 мм, а диаметр набухших икринок – 1.0–1.1 мм (Кузнецов, 1964; Соин, 1980). Однако оболочки икринок можно легко снимать, если следовать разработанному авторами методу. Для этого несколько икринок с помощью иголок отклеивали Особенности организации яйцеклеток корюшки БИОЛОГИЯ МОРЯ том 32 № 3 2006 Диаметр зрелых ооцитов европейской корюшки невской популяции составляет 0.7–0.8 мм (Кузнецов, 1964). На срезе яичника перед началом нереста видно, что зрелая яйцеклетка имеет две оболочки: внешняя оболочка обволакивает внутреннюю, и обе оболочки прочно связаны друг с другом в области микропиле (рис. 1). Обычная плодовитость невской корюшки составляет 20–28 тыс. икринок (Кожевников, 1949). При попадании в воду диаметр яйцеклетки увеличивается до 1.0–1.1 мм за счет набухания, в результате которого обе оболочки отделяются от желточной плазматической мембраны перивителлиновым пространством, заполненным водой. Затем, как описано выше, внешняя оболочка лопается, вследствие чего прилипает к разным субстратам на дне водоема. Таким образом, икринка висит на стебельке, образованном лопнувшей оболочкой, как воздушный шарик на ниточке. Желток состоит из рядов плотно уложенных глыбок, между которыми имеется небольшое число жировых капель. Зависимость между числом пар сомитов в период сомитогенеза и временем инкубации при постоянной температуре Первая пара сомитов появляется после завершения процесса эпиболии желточного мешка. Всего в результате сомитогенеза образуется 67–69 пар, но не- 206 ГОРОДИЛОВ, МЕЛЬНИКОВА τS = t2 – t1/n2 – n1, (1) где t1 и t2 – время наступления стадий сомитогенеза с числом сомитов n1 и n2, причем очевидно, что, чем больше разница между n1 и n2, тем выше точность определения интервала τS. При температуре 10.8°С время τS оказалось равным 116 мин. Так же определяли время τS при остальных четырех режимах температуры (табл. 1). Длительность стадий развития корюшки в эквивалентах τ0 и τS при разной температуре Рис. 1. Зрелые яйцеклетки в яичнике европейской корюшки. 1 – внешняя оболочка zona radiata externa; 2 – внутренняя оболочка zona radiata interna; 3 – микропиле. Ув. ×130. сколько каудальных пар из этого числа позже дегенерируют. По продолжительности подпериод сомитогенеза занимает около 2/5 всего времени эмбриогенеза. Данные по увеличению числа пар сомитов в зависимости от времени инкубации при постоянной температуре 10.8°С отражены на рис. 2. Начиная от стадии 3 пары и кончая стадией, соответствующей среднему числу 57.6 пары сомитов, все точки графика ложатся строго на прямую линию. Лишь точка, соответствующая среднему числу 63.8 пары сомитов, несколько отклоняется от прямой линии. Таким образом, все сомиты в промежутке от 3-й пары (а, скорее всего, от 1-й пары), по крайней мере, до 58-й пары образуются с одинаковым интервалом. Последующие сомиты образуются более медленно и, по-видимому, позднее дегенерируют. Благодаря равномерному темпу прироста числа пар сомитов время образования одной пары сомитов (τS) можно определить либо непосредственно по точкам на прямолинейной части графика, либо расчетным способом по тем же точкам, исходя из формулы: Рис. 2. Зависимость числа пар сомитов у зародышей европейской корюшки от времени инкубации в период сомитогенеза при постоянной температуре 10.8°С. Пунктирная линия – предполагаемый ход кривой, если бы ритм образования сомитов сохранялся равномерным до конца данного процесса. Отрезок эмбриогенеза, используемый для измерения относительной продолжительности других его стадий, может быть пригодным для данной цели, если его время изменяется пропорционально времени измеряемых стадий при всех значениях температуры в толерантном диапазоне. Пригодны ли для измерения относительной продолжительности стадий эмбриогенеза корюшки оба предлагаемых в качестве единиц относительного времени отрезка τ0 и τS? При температуре 18.3°С (максимальной из использованных температур) значения τ0 и τS оказываются равными, но по мере снижения температуры они изменяются по-разному: при 10.8°С τS почти в 1.5 раза превышает τ0 (рис. 3). Об этой разнице можно также судить по температурному коэффициенту Вант-Гоффа Q10, который показывает, во сколько раз возрастает скорость процесса при повышении температуры на 10°С. Мы рассчитали Q10 для изменения длительности τ0 и τS в диапазоне 10.8–18.3°С: для τ0 этот коэффициент равен 2.29, для τS – 2.58. Таким образом, пропорция между этими отрезками эмбриогенеза корюшки в толерантном диапазоне температур не сохраняется, следовательно, в роли относительной единицы может быть использован либо один из них, либо оба они не соответствуют предъявляемым критериям. Для того, чтобы выяснить это, мы выбрали три стадии, продолжительность которых можно определить с большой точностью (табл. 2), и эмпирически измерили их длительность (tn) в часах при трех разных температурах инкубации. При тех же температурах были получены значения τ0 и τS в минутах (рис. 3), а затем определено, сколько раз временные интервалы τ0 и τS укладываются в продолжительности каждой из выбранных стадий при данной температуре. Иными словами, поделив tn на τ0 и τS, мы вычислили относительный возраст зародышей в τ0 и τS на каждой из стадий при трех режимах постоянной температуры (табл. 2). Очевидно, что значения относительной продолжительности, выраженные числом эквивалентов τ0, существенно варьируют, возрастая по мере снижения температуры инкубации. При измерении стадий в единицах τS относительная продолжительность стадий практически одинакова независимо от температуры. Однако отметим, что при низкой температуре она немного занижена. Итак, период делений дробления находится в другой зависимости от температуры, чем все последующие стадии, включая сомитогенез. БИОЛОГИЯ МОРЯ том 32 № 3 2006 ЭМБРИОНАЛЬНОЕ РАЗВИТИЕ 207 Таблица 1. Сравнение эмпирических и теоретических значений τS у зародышей европейской корюшки 9.5 10.8 12.0 13.8 18.3 Отклонение теоретического значения от эмпирического Значение τS, мин Температура инкубации, °С эмпирическое теоретическое абсолютное, мин относительное, % 152 116 98 76 48 150.136 118.707 97.550 75.403 48.084 1.864 2.707 0.450 0.597 0.084 1.23 2.33 0.46 0.78 0.18 П р и м е ч а н и е. Теоретические значения рассчитаны по формуле (3), где С = 3.22665, a = –0.13876, b = 0.00297. Зависимость скорости развития зародышей корюшки от температуры По продолжительности какого-либо отрезка эмбриогенеза можно судить о скорости развития зародышей. Поскольку время образования одной пары сомитов τS нами рассматривается как эталонное, причем при смене температуры оно изменяется в одной пропорции практически со всеми стадиями эмбриогенеза, то скорость всего эмбриогенеза в зависимости от температуры может быть описана по изменению τS (рис. 3). Как было показано раньше на других видах позвоночных животных (Городилов, 1992), подобная зависимость описывается логарифмической параболой 2-го порядка, выражающейся формулой: lg τS (t) = lg τS (0o) + at + bt2, (2) где a и b – коэффициенты параболической регрессии, характеризующие зависимость измеряемого показателя от температуры (t) (Городилов, 1992). Значение lg τS при 0°С представляет собой постоянную величину. Если обозначить ее символом С, уравнение получит следующий вид: lg τS (t) = С + (a + bt)t. (3) При его решении с использованием найденных эмпирическим путем величин τS получим следующие значения коэффициентов: С = 3.22665, a = –0.13876, b = 0.00297. Вершиной данной параболы является точка a/2b = 23.36 (°C). Эмпирические и теоретические значения τS, рассчитанные по программе логарифмической параболы 2-го порядка, представлены в таблице 1. Легко убедиться, насколько близко совпадают эти два ряда данных. Очевидно также, что τS в приведенной формуле может быть заменено продолжительностью эмбриогенеза в целом или любой из его стадий (кроме делений дробления). признаки либо являются счетными, либо имеют большое количество градаций, либо просто однотипные, например, связанные с развитием одной функциональной системы или одного органа (Городилов, 1982, 1985, 1991). Серия таких стадий, выделенных на основе одного признака-маркера или ряда однотипных признаков, первоначально объединялась в категорию "период" (Городилов, 1985, 1988, 1991), но позднее мы пришли к выводу, что удобнее обозначать ее как "подпериод" (Gorodilov, 1996; Городилов, 1998), сохраняя свободным такой многозначный термин, как "период". Предполагается, что система подпериодов и стадий, которые были выделены нами для описания раннего развития европейской корюшки, не является окончательной и по мере углубления знаний об эмбриогенезе может быть модифицирована. Учитывая такую возможность, мы предпочитаем стадии не нумеровать, а обозначать только признаки, по которым в пределах подпериода может быть выделено то или иное число стадий. Например, в подпериоде сомитогенеза у корюшки по числу пар сомитов может быть выделено более 60 стадий. Подпериоды и стадии эмбрионального периода корюшки Весь период эмбрионального развития корюшки разделен нами на 6 подпериодов: 1) оплодотворение, Принципы разделения эмбрионального периода европейской корюшки на серии стадий В более ранних работах первого автора статьи сформулированы новые подходы к выделению стадий в раннем онтогенезе, которые, естественно, используются и в данной работе. Для характеристики эмбриогенеза как наиболее динамичного периода в онтогенезе предпочтение отдается таким признакам, по которым можно выделять стадии сериями. Обычно данные БИОЛОГИЯ МОРЯ том 32 № 3 2006 Рис. 3. Зависимость времени образования одной пары сомитов (τS) и одного клеточного цикла в период синхронных делений дробления (τ0) у зародышей европейской корюшки от температуры инкубации. 208 ГОРОДИЛОВ, МЕЛЬНИКОВА Таблица 2. Продолжительность некоторых стадий развития европейской корюшки при различной температуре инкубации 14 пар сомитов Температура, °С 10.8 13.8 18.3 τ0, мин 80 63 48 τS, мин 116 76 48 Закладка полукружных каналов 55 пар сомитов Возраст ч τ0 τS ч τ0 τS ч τ0 τS 94 65 44 70.5 62 53 48.5 52 53 170 118 76 128 112 95 88 93 95 270 184 115 202 175 144 140 145 144 П р и м е ч а н и е. Возраст выражен в часах (ч) и эквивалентах τ0 и τS. 2) дробление, 3) бластуляция, 4) гаструляция, 5) сомитогенез, 6) предвылупление и вылупление (табл. 3). Оплодотворение. Во время этого процесса происходит слияние половых клеток: яйцеклетки и спермия, причем главным событием является слияние ядер этих клеток – пронуклеусов. Весь подпериод от проникновения спермия в яйцо до появления метафазы первого деления дробления, когда завершается образование зиготы, у костистых рыб занимает время, эквивалентное двум клеточным циклам дробления τ0 (Игнатьева, 1979). Помимо этого процесса происходит агрегация цитоплазмы, образующей на анимальном полюсе яйца дисковидное скопление – так называемый бластодиск. В этом же подпериоде происходят набухание икринки, разрыв внешней оболочки и образование перивителлинового пространства. Дробление. После образования зиготического ядра бластодиск вступает в серию последовательных делений, приводящих каждый раз к удвоению числа бластомеров. Подобных синхронных циклов удвоения с одинаковой продолжительностью у разных рыб совершается от 10 (Kimmel et al., 1995) до 11 (Городилов, Лильп, 1978). Таким образом, продолжительность подпериода дробления, если ее выражать в единицах τ0, может достигать 10–11 τ0. Бластуляция. После 10–11 синхронных и равных по времени делений образуется 1–2 тыс. клеток. Зародыш на этой стадии представляет собой куполовидный бластодиск с плоским основанием, граничащим с желтком. Именно в это время начинается формирование первых дифференцированных клеточных структур: на границе бластодиска и желтка формируется синцитиальный слой, а на поверхности бластодиска образуется одноклеточный слой эпителия (рис. 4А). Первый слой называют перибластом, или желточным синцитиальным слоем (ЖСС); второй – покровным эпителиальным слоем (ПЭС) (Trinkaus, 1993). Данный подпериод довольно короткий и длится всего 8–9 τS (после дробления отсчет относительной продолжительности ведется только в единицах τS, что определено аргументацией, изложенной выше). Гаструляция. К началу данного подпериода основание бластулы вспучивается, видимо, под воздействием каких-то процессов, происходящих в желтке, что приводит к вытеснению массы глубоколежащих клеток к внешним краям бластодиска (рис. 4Б). Интересно, что среди нормальных зародышей встречались икринки, у которых не наблюдалось дробление бластодиска. Тем не менее, и в этих, по-видимому, неоплодотворенных икринках происходили процессы морфогенеза, напоминающие гаструляцию (рис. 5). В результате вспучивания дна бластодиск перестраивается в чашевидное образование, в котором почти все клетки сосредоточиваются в стенках этой опрокинутой чаши. Считают, что на данной стадии начинается процесс эпиболии (Kimmel et al., 1995). Наибольшее количество клеток скапливается по краю чаши, образуя на границе с ЖСС так называемое зародышевое кольцо. В результате последующего продвижения (эпиболии) зародышевого кольца по поверхности желтка с Таблица 3. Подпериоды и признаки для выделения стадий эмбрионального развития европейской корюшки, а также относительная продолжительность стадий в единицах τS Маркерный признак для выделения стадий Основные события подпериода и сопутствующие признаки данной стадии Продолжительность развития от осеменения, τS Оплодотворение Фазы ядерного цикла В результате слияния женского и мужского пронуклексов происходит образование зиготического ядра, которое начинает готовиться к первому делению дробления (рис. 6) Дробление (0–2) Число клеток: 2, 4, 8 и т.д. Совершается 10–11 циклов синхронных делений клеток одинаковой продолжительности. В конце дробления появляются зачатки двух слоев дифференцированных клеток: синцитиального (ЖСС) и поверхностного эпителиального (ПЭС) (рис. 4А, 7а–г) (2–12/13) БИОЛОГИЯ МОРЯ том 32 № 3 2006 ЭМБРИОНАЛЬНОЕ РАЗВИТИЕ 209 Таблица 3. Продолжение Маркерный признак для выделения стадий Основные события подпериода и сопутствующие признаки данной стадии Продолжительность развития от осеменения, τS Бластуляция Форма бластодиска Высокий бластодиск с плоским основанием (рис. 4А, 7г) превращается в вогнутое со стороны желтка куполовидное образование (рис. 4Б, 8) (12/13–21) Гаструляция (21–39) Степень эпиболии бластодермы Постепенное обрастание желточного мешка бластодермой и образование основного плана строения зародыша. В результате 2-го процесса происходит закладка комплекса осевых органов 2/5 эпиболии Начало эпиболии (рис. 9а) характеризуется образованием наружной части ЖСС (рис. 4А), которая, являясь фронтом обрастания, словно обручем сжимает желток. Вслед за ЖСС по его поверхности продвигается бластодермальное зародышевое кольцо, с внутренней стороны которого образуется утолщение (зародышевый узелок) – зачаток собственно зародыша (рис. 4Б) 24 1/2 эпиболии Зародышевый узелок разрастается в зародышевый щиток 27 3/4 эпиболии Бластодерма охватывает большую часть поверхности желтка. Конвергентное движение клеток в области зародышевого щитка приводит к преобразованию его в зародышевый язычок (рис. 9б) 30 100%-ная эпиболия Желток полностью охвачен бластодермой. Закладываются органы оси: хорда, нервная пластинка и два параосевых пласта мезодермы (рис. 9в) 33–35 Сомитогенез По числу пар сомитов можно выделить не менее 65 стадий Формируется 67–69 пар сомитов, из них 58–60 (считая от 1-й пары) появляются одна за другой через одинаковый интервал времени τS 3 пары сомитов Закладка глазных бокалов и основных отделов мозга. На каудальном конце имеется пузырек Купфера (рис. 10а) 42 9 пар сомитов Задний мозг делится на 8 сегментов. Длина тела (L) равна 1.5 мм (рис. 10б) 48 14 пар сомитов Тело зародыша охватывает около 1/2 окружности желтка. Закладка отдела мозжечка. L = 2.0 мм (рис. 10в) 53 16–17 пар сомитов Закладка слуховых пузырьков. Образуются перикардий и зачатки вольфовых протоков 22 пары сомитов Закладка сердечной трубки. В глазных пузырях образуются хрусталики. Закладка зачатка кишечника. В дальнейшем зачатки вольфовых протоков и кишечника растут в каудальном направлении почти на одном уровне с фронтом движения сомитогенеза 61 28 пар сомитов Тело зародыша охватывает почти всю окружность желтка. Образуется прямая сердечная трубка. Оформляются нейромеры заднего мозга (рис. 10 г) В слуховых пузырьках образуется по 2 отолита. Закладка 4 пар жаберных карманов. Хорда не вакуолизирована, представляет собой хрящ "типа столбиков монет". L = 2.2 мм Сердце начинает пульсировать. В части передних миотомов дифференцируются мышцы, что вызывает слабые подергивания туловища. Формируется желудочно-печеночный зачаток. По краям глазных пузырей образуется меланиновый пигмент – начало пигментации глаз. Образовалась 1-я жаберная щель. Появились зачатки обонятельных органов. Хорда вакуолизируется от переднего конца до уровня 20-го сегмента. L = 2.4 мм (рис. 10д) Хорда вакуолизируется до 27–28-го сегментов: продвижение уровня вакуолизации происходит со скоростью продвижения фронта сомитов. Пигментация глаз охватывает сферу глазных бокалов. Открылись щели в 3-й паре жаберных карманов. L = 2.5–2.6 мм 67 32 пары сомитов 42 пары сомитов 50 пар сомитов БИОЛОГИЯ МОРЯ том 32 № 3 2006 (39–115) 55–56 71 81 89 210 ГОРОДИЛОВ, МЕЛЬНИКОВА Таблица 3. Окончание Маркерный признак для выделения стадий 55 пар сомитов 63 пары сомитов 66–67 пар сомитов 68–69 пар сомитов Положение органов пищеварения Основные события подпериода и сопутствующие признаки данной стадии Вакуолизация хорды до уровня 33-го сегмента. Открылись щели в 4-й паре жаберных карманов. На уровне 5–7-го сегментов происходит формирование желудка. Вдоль дорсальной стороны головы и передней части туловища образуются железы вылупления. На поверхности желточного мешка появляются отдельные звездчатые по форме меланофоры. Начинает формироваться плавниковая складка. L = 2.7 мм (рис. 10е) После 58–60 пар образование сомитов замедляется. Формируется просвет кишечного канала. Желудок сдвигается на уровень 7–9-го сегментов. Хорда вакуолизирована до уровня 42–43-го сегментов. В глазных бокалах развивается глазное давление. L = 3.0 мм Хорда вакуолизирована до 47–48-го сегментов. Впереди от желудка отделяется и начинает дифференцироваться зачаток печени. Желудок сдвигается на уровень 9–12-го сегментов. В извлеченном из оболочки зародыше головная и хвостовая части согнуты по отношению к туловищу под углом почти 90°. Вдоль вентральной плавниковой складки образуется цепочка из нескольких локальных скоплений меланофоров. L = 3.3 мм (рис. 10ж) Из этого числа сомитов или сегментов 41–42 являются туловищными и 26–27 хвостовыми. Закладка грудных плавников. Хорда вакуолизируется до уровня 57–58-го сегментов. Пигментация глаз достигает максимума. На уровне кишечника и далее в хвостовой части в виде одной прерывистой линии видна цепь скоплений меланофоров. L = 3.5 мм Предвылупление и вылупление Наибольшее число изменений, прослеживаемых у живых зародышей, связано с дифференциацией органов пищеварительной системы. Это дает возможность выделить несколько признаков, благодаря которым можно идентифицировать стадии Печень на уровне 9–12-го сегмен- Тело зародыша после удаления из оболочки спрямленное, кроме тов головной части, которая еще наклонена к основной оси. Начало закладки полукружных каналов. Голова отделилась от желточного мешка, при этом становится заметной слабо выраженная округлая ротовая ямка. Вакуолизация хорды достигает уровня последних сегментов. Оформилась плавниковая складка. На уровне 42–43-го сегментов формируется анальный отдел кишечника. Закладываются жаберные крышки. L = 3.8 мм, в том числе длина тела от рострума до ануса (антеанальное расстояние – аа) составляет 2.9 мм, длина хвоста от ануса (аб) – 0.9 мм (рис. 11а) Печень на уровне 12–15-го сегОбласть желудка сдвигается назад до уровня 15–17-го сегментов. ментов Просвет кишечника заполняется бледно-желтой желчью. L = 4.6–4.7 мм Печень на уровне 14–18-го сегНачало вылупления при температуре выше 14°С. Область желудка ментов сдвигается до уровня 18–20-го сегментов. Рот расположен снизу на уровне передней границы глаз. В плавниковой складке формируется анальный канал, открывающий наружу анальное отверстие. Благодаря образованию иридофоров глазные сферы вокруг линз становятся серебристыми. Не вакуолизирован лишь кончик хорды – около 0.1 мм. В кровеносных сосудах циркулирует только бесцветная плазма, клетки крови отсутствуют. Меланофоры на поверхности желточного мешка смещаются в нижнюю его часть, в результате чего образуется единая вентральная цепочка из локальных скоплений пигмента вдоль всей туловищно-хвостовой части тела. L = 5.0– 5.3 мм, в том числе аа = 3.6–3.8 мм, аб = 1.40–1.45 мм (рис. 11б) Завершение вылупления Вылупление завершается при всех режимах температуры Продолжительность развития от осеменения, τS 94 104 108 118 (140–200) 140 155 170 200 П р и м е ч а н и е. 1. Относительная продолжительность каждого подпериода, представленная значениями τS для его начала и окончания, заключена в скобки; продолжительность стадий в τS указана без скобок. 2. При температуре ниже 14°С для стадий в составе подпериодов оплодотворения и дробления при пересчете продолжительности развития в абсолютном времени можно делать поправку, учитывающую разницу во времени между τS и τ0 (рис. 3). БИОЛОГИЯ МОРЯ том 32 № 3 2006 ЭМБРИОНАЛЬНОЕ РАЗВИТИЕ 211 Рис. 4. Срезы зародышей корюшки в начале подпериода бластулы (А) и гаструлы (Б). 1 – бластодиск; 2 – желток; 3 – наружная и 4 – внутренняя части желточного синцитиального слоя; 5 – поверхностный эпителиальный слой; 6 – утолщенный край бластодиска, где начинается процесс гаструляции и происходит закладка собственно зародыша. Ув. ×130. анимального полюса к вегетативному желток постепенно покрывается слоем клеток – бластодермой, имеющей почти везде одинаковую толщину (Kimmel et al., 1995). Начало гаструляции, как правило, совпадает с началом эпиболии. Одновременно с эпиболией начинаются морфогенетические процессы инволюции через зародышевый узелок (рис. 4Б) и конвергенции (стягивания) клеток вдоль оси зародышевый узелок – вершина бластодермы. Эти процессы приводят к закладке комплекса зародышевой оси. Весь процесс эпиболии длится в течение времени, эквивалентного 12–14 τS, а подпериод гаструляции, если считать его окончанием начало сомитогенеза, – 18–19 τS. Сомитогенез. Этот подпериод является наиболее интересным как по насыщенности событиями, так и по возможности наиболее точной идентификации стадий развития. На сомитогенез приходится почти 2/5 длительности всего эмбриогенеза корюшки. В ходе данного подпериода закладываются почти все основные органы и системы органов. Очень перспективным для их точной идентификации является то, что все закладки и часть последующего развития органов можно соотнести со стадией сомитогенеза по признаку числа сомитов. Наиболее поразительное свойство процесса сомитогенеза – его строгая ритмичность. У корюшки 58–60 пар сомитов образуются с одним и тем же интервалом времени τS. Значение этого интервала можно вычислить по формуле (3) для любой температуры. Предвылупление и вылупление. В этот подпериод мы включили все остальное развитие зародыша до вылупления его из оболочек. К настоящему времени не удалось выделить серию каких-либо однотипных признаков, на основе которых можно было бы идентифицировать стадии в этом подпериоде. Единственный варьирующий признак, выделенный нами, связан с растущей печенью, положение которой относительно порядкового номера сегментов тела зародыша постепенно изменяется. Этот признак будет использован и при описании личиночного развития корюшки в нашей следующей статье. Рис. 5. Поздняя бластула, характеризующаяся вспучиванием желтка и вытеснением дна бластодиска в сторону поверхностного эпителиального слоя. 1 – бластодиск нормального зародыша, состоящий из делящихся клеток; 2 – бластодиск неразвивающегося зародыша из той же кладки, в котором клетки отсутствуют; 3 – желток. Ув. ×80. Рис. 6. Образование бластодиска. 1 – бластодиск, 2 – желток, 3 – жировые капли, 4 – zona radiata interna, 5 – zona radiata externa, 6 – микропиле. БИОЛОГИЯ МОРЯ том 32 № 3 2006 212 ГОРОДИЛОВ, МЕЛЬНИКОВА Рис. 7. Стадии подпериода дробления: а – 2 бластомеров, б – 4 бластомеров, в – 8 бластомеров, г – позднего дробления – ранней бластулы. 1 – бластомеры, 2 – желток, 3 – жировые капли, 4 – zona radiata interna, 5 – zona radiata externa, 6 – микропиле (5 и 6 представлены только на рис. 7а). Продолжительность подпериодов и стадий эмбрионального развития корюшки выражена в относительном виде числом эквивалентов τS (табл. 3). Зная значение τS [его можно определить для любой температуры по формуле (3)], легко вычислить продолжительность любой стадии в абсолютных единицах времени для той или иной температуры. Нулевой точкой отсчета Рис. 8. Стадия поздней бластулы. 1 – бластодерма; 2 – зародышевое кольцо; 3 – часть желтка под слоем бластодермы; 4 – часть желтка, не покрытая бластодермой. всех данных по относительной продолжительности стадий является момент осеменения. ОБСУЖДЕНИЕ Цель представленной работы состояла в описании эмбрионального развития европейской корюшки и выделении в этом периоде серии морфологических признаков, по которым можно надежно идентифицировать стадии развития. В соответствии с системой градаций, использованной в предыдущих исследованиях при описании эмбрионального периода развития у других видов рыб (Городилов, 1983, 1985, 1991, 1998), данный период корюшки был разделен на 6 подпериодов, в пределах которых по соответствующим критериям возможно выделение в общей сложности более 80 стадий. Наблюдения за развитием икры при разной температуре позволили вывести математическую зависимость скорости эмбрионального развития корюшки от температуры. В современной эмбриологии остро стоит проблема оценки времени развития зародышей любых видов в сопоставимом масштабе. Эта проблема обусловлена видоспецифичностью скорости эмбриогенеза, а у пойкилотермных животных она усугубляется также их способностью нормально развиваться в широком диапазоне температур. Необходимость разработки способа БИОЛОГИЯ МОРЯ том 32 № 3 2006 ЭМБРИОНАЛЬНОЕ РАЗВИТИЕ 213 Рис. 9. Стадии гаструляции (по степени эпиболии желтка бластодермой): а – 2/5 эпиболии, б – 3/4 эпиболии, в – 100% эпиболия. 1 – бластодерма; 2 – зона внешнего синцитиального слоя, осуществляющего эпиболию; 3 – часть желтка под слоем бластодермы; 4 – часть желтка, не покрытая бластодермой; 5 – зародышевый язычок; 6 – бластодерма, покрывающая весь желточный шар; 7 – место завершения эпиболии; 8 – закладка осевого отдела зародыша. учета времени эмбриогенеза, оценка которого не зависела бы ни от генетических факторов, ни от внешних условий инкубации, впервые в полной мере была осознана Т.А. Детлаф. Ею была обоснована категория "относительного времени" и предложено в качестве единицы такого времени использовать интервал τ0 (Детлаф, Детлаф, 1960). Позднее для позвоночных животных для этой же цели было предложено использовать время образования одной пары сомитов τS (Городилов, 1980). Одна из задач данной работы состояла в том, чтобы определить, какой из двух показателей (τ0 или τS) может лучше оценивать стадии эмбриогенеза позвоночных в количественном выражении, причем условием адекватности показателя поставленной задаче должно быть стабильное число в оценке относительного времени развития измеряемой стадии, независимое от режима температуры инкубации. При анализе данных по приросту числа пар сомитов во время сомитогенеза корюшки, наблюдаемого при постоянной температуре, установлено, что бóльшая часть сомитов (не менее 58 пар) образуется с одинаковым временем τS. Это согласуется с данными, полученными на многих видах рыб: первичная метамеризация осевого отдела зародышей рыб, или сомитогенез, при постоянной температуре совершается строго ритмично, т.е. с равномерной скоростью (Городилов, 1980, 1985, 1988, 1991, 1992). Уже из-за большого числа повторов в сомитогенезе работа с τS представляет большое удобство, так как это время может определяться на протяжении длительного периода и с большой точностью, согласно условиям использования формулы (1). Однако главная причина предпочтения нами τS, а не τ0, состоит в том, что у европейской корюшки, как и у других видов рыб (Городилов, 1985, 1991), не сохраняются пропорции продолжительности этих двух эталонных отрезков при изменениях температуры в толерантном диапазоне (рис. 3, табл. 2). При высокой температуре БИОЛОГИЯ МОРЯ том 32 № 3 2006 значения τS и τ0 практически совпадают, но при низкой значительно отличаются. Из этих двух сравниваемых величин только τS оказывается пригодной для оценки относительной продолжительности развития зародышей, так как изменение времени этого интервала и других стадий эмбриогенеза при изменении температуры инкубации происходит в одинаковой пропорции. В то же время продолжительность τ0 и других стадий эмбриогенеза, включая τS, не сохраняет пропорциональности, что видно по значительному варьированию показателя τ0 для трех стадий при разных температурах (табл. 2). Это делает бессмысленным применение τ0 в качестве относительной единицы. Итак, τ0 и, соответственно, длительность стадий дробления у зародышей рыб находятся в иной зависимости от температуры, чем длительность всех последующих стадий, в том числе стадий сомитогенеза. Деления дробления, которые происходят за счет накопленных в яйцеклетке запасов макромолекул, могут быть инициированы даже без оплодотворения, при простом погружении в воду (Макеева, 1992; Kane, Kimmel, 1993). Возможно, поэтому их зависимость от температуры может быть легче видоизменена, в отличие от сомитогенеза, поскольку образование сомитов является сложным морфогенетическим актом, связанным с синтезом новых веществ, перемещением клеток и формированием многоклеточных структур. Можно сказать, что τS является более "эмбриологичной" единицей, и в этом состоит ее преимущество перед τ0 в плане предлагаемого использования обеих единиц для измерения относительной продолжительности эмбриогенеза. Стоит отметить, что при необходимости точно воспроизвести ту или иную стадию эмбриогенеза при низких температурах в численный показатель длительности эмбриогенеза, выраженный в единицах τS, следует вводить поправку, учитывающую более высокую, 214 ГОРОДИЛОВ, МЕЛЬНИКОВА Рис. 10. Стадии подпериода сомитогенеза. а – 3 пары сомитов: 1 – сомиты, 2 – закладка глазных бокалов, 3 – хорда, 4 – пузырек Купфера, 5 – желточный мешок (бластодерма на его поверхности на этом и последующих рисунках не изображена); б – 9 пар сомитов: 1 – сомиты, 2 – сегменты заднего мозга, 3 – глазной бокал, 4 – хорда; в – 14 пар сомитов: 1 – зачаток мозжечка, 2 – хорда, 3 – пузырек Купфера; г – 28 пар сомитов: 1 – зачаток линзы в глазном бокале, 2 – сердечная трубка, 3 – слуховой пузырек, 4 – невакуолизированная хорда, 5 – зачаток кишечного канала, 6 – пузырек Купфера; д – 42 пары сомитов (I – вид зародыша под оболочкой и II – без оболочки): 1 – начало пигментации глазных бокалов, 2 – жаберный отдел, 3 – отолиты в слуховом пузырьке, 4 – пульсирующее сердце, 5 – передний конец почечных протоков, 6 – желудочно-печеночный зачаток, 7 – граница вакуолизации хорды (20-й сегмент); е – 55 пар сомитов (I – вид зародыша под оболочкой и II – без оболочки): 1 – железы вылупления, 2 – зачаток желудка, 3 – первые меланофоры, 4 – граница вакуолизации хорды (33-й сегмент), 5 – образование плавниковой складки; ж – 66–67 пар сомитов: 1 – зачаток печени, 2 – локальные участки пигментации вдоль вентральной плавниковой складки, 3 – граница вакуолизации хорды (48-й сегмент), 4 – плавниковая складка. Масштаб 1 мм. БИОЛОГИЯ МОРЯ том 32 № 3 2006 ЭМБРИОНАЛЬНОЕ РАЗВИТИЕ 215 Рис. 11. Стадии подпериода предвылупления и вылупления. а – печень на уровне 9–12 сегментов (I – вид зародыша под оболочкой и II – без оболочки); б – печень на уровне 14–18-го сегментов (начало вылупления). 1 – печень, 2 – желудок, 3 – грудной плавник, 4 – закладка полукружных каналов, 5 – жаберная крышка, 6 – граница вакуолизации хорды, 7 – образование анального канала, 8 – вентральное положение рта. Масштаб 1 мм. чем следовало бы ожидать, скорость делений дробления. По мере повышения температуры эта поправка будет уменьшаться, и уже при температуре 14–15°С ею можно пренебречь. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ Городилов Ю.Н. Равномерный темп метамеризации осевого отдела у зародышей костистых рыб при постоянной температуре // Докл. АН СССР. 1980. Т. 251, № 2. С. 469–473. Городилов Ю.Н. Стадии эмбрионального развития атлантического лосося Salmo salar L. I. Принципы стадирования // Сб. науч. тр. ГосНИОРХ. 1982. Вып. 190. С. 62–69. Городилов Ю.Н. Стадии эмбрионального развития атлантического лосося Salmo salar L. II. Описание и хронология // Сб. науч. тр. ГосНИОРХ. 1983. Вып. 200. С. 107–126. Городилов Ю.Н. Периодизация и хронология эмбриональноличиночного развития некоторых видов пресноводных рыб. 1. Щука обыкновенная Esox lucius L. // Сб. науч. тр. ГосНИОРХ. 1985. Вып. 235. С. 31–49. Городилов Ю.Н. Сравнительный анализ динамики раннего онтогенеза лососей рода Salmo // Вопр. ихтиол. 1988. Т. 28, № 2. С. 230–241. БИОЛОГИЯ МОРЯ том 32 № 3 2006 Городилов Ю.Н. Значение фактора времени в регуляции эмбрионального развития (на примере низших позвоночных) // Онтогенез. 1990. Т. 21, № 3. С. 319–330. Городилов Ю.Н. Периодизация и хронология развития окуня обыкновенного Perca fluviatilis L. // Онтогенез. 1991. Т. 22, № 3. С. 282–290. Городилов Ю.Н. Анализ математической зависимости скорости эмбриогенеза от температуры у низших позвоночных // Журн. общ. биол. 1992. Т. 53, № 1. С.118–128. Городилов Ю.Н. Зародышевое и личиночное развитие атлантического лосося // Атлантический лосось. СПб.: Наука. 1998. С. 142–158. Городилов Ю.Н., Лильп И.Г. Продолжительность клеточных циклов и фаз митоза в период дробления у Salmo salar L. // Онтогенез. 1978. Т. 9, № 4. С. 363–375. Гриценко О.Ф., Чуриков А.А., Родионова С.С. Экология размножения зубастой корюшки Osmerus mordax dentex Steindachner (Osmeridae) в реках острова Сахалин // Вопр. ихтиол. 1984. Т. 24, № 3. С. 407–416. Детлаф Т.А. Единицы измерения биологического времени τ0 и τs при использовании метода относительной характеристики продолжительности развития животных // Онтогенез. 1990. Т. 21, № 6. С. 646–652. 216 ГОРОДИЛОВ, МЕЛЬНИКОВА Детлаф Т.А., Детлаф А.А. О безразмерных характеристиках продолжительности развития в эмбриологии // Докл. АН СССР. 1960. Т. 134, № 1. С. 199–202. Дорофеева Е.А., Зиновьев Е.А., Клюканов В.А. и др. Современное состояние исследований филогении и классификации лососевидных рыб // Вопр. ихтиол. 1980. Т. 20, вып. 5. С. 771–791. Игнатьева Г.М. Ранний эмбриогенез рыб и амфибий. М.: Наука. 1979. 176 с. Клюканов В.А. Происхождение, расселение и эволюция корюшковых (Osmeridae) // Основы классификации и филогении лососевидных рыб. Л.: ЗИН АН СССР. 1977. С. 13–27. Кожевников Г.П. Сроки и характер нерестовой миграции невской корюшки // Изв. ВНИОРХ. 1949. Т. 29. С. 165–171. Кузнецов Ю.К. О функциональных основах адаптивной радиации в пределах вида Osmerus eperlanus (L.) // Вопр. ихтиол. 1964. Т. 4, № 3. С. 454–462. Макеева А.П. Эмбриология рыб. М.: МГУ. 1992. 216 с. Объекты биологии развития. Гл. XII: Радужная форель Salmo gairdneri Richardson 1836 / Ред. Т.А. Детлаф. М.: Наука. 1975. C. 278–307. Соин С.Г. Эколого-морфологические особенности развития лососевидных рыб // Лососевидные рыбы. Л.: Наука. 1980. С. 6–17. Унанян Ю.М., Соин С.Г. О размножении и развитии беломорской корюшки // Вестн. МГУ. Сер. биол. и почвовед. 1963. № 4. С. 25–37. Шадрин А.М. Эмбрионально-личиночное развитие корюшковых (Osmeridae) Дальнего Востока. 1. Зубастая корюш- ка Osmerus mordax dentex // Вопр. ихтиол. 1988а. Т. 28, № 1. С. 76–87. Шадрин А.М. Эмбрионально-личиночное развитие корюшковых (Osmeridae) Дальнего Востока. II. Мойва Mallotus villosus socialis // Вопр. ихтиол. 1988б. Т. 28, № 4. С. 632–643. Шадрин А.М. Эмбрионально-личиночное развитие корюшковых (Osmeridae) Дальнего Востока. III. Морская малоротая корюшка Hypomesus japonicus // Вопр. ихтиол. 1989а. Т. 29, № 2. С. 289–301. Шадрин А.М. Эмбрионально-личиночное развитие корюшковых (Osmeridae) Дальнего Востока. IV. Hypomesus nipponensis // Вопр. ихтиол. 1989б. Т. 29, № 6. С. 960– 972. Gorodilov Y.N. Description of the early ontogeny of the Atlantic salmon, Salmo salar, with a novel system of interval (state) identification // Envir. Biol. Fish. 1996. Vol. 47. P. 109– 127. Kane D.A., Kimmel C.B. The zebrafish midblastula transition // Development. 1993. Vol. 119. P. 447–456. Kimmel C.B., Ballard W.W., Kimmel S.R. et al. Stages of embryonic development of the zebrafish // Dev. Dyn. 1995. Vol. 203. P. 253–310. Lillelund K. Untersuchungen über die Biologie und Populationsdynamik des Stintes Osmerus eperlanus eperlanus (Linnaeus 1758) der Elbe // Arch. Fischereiwiss. 1961. Bd. 12, Bh. 1. S. 1–127. Trinkaus J.P. The yolk syncytial layer of Fundulus: its origin and history and its significance for early embryogenesis // J. Exp. Zool. 1993. Vol. 265. P. 258–284. БИОЛОГИЯ МОРЯ том 32 № 3 2006
