本文介绍了两种快速高效收集小型模式鱼类青鳉(Oryzias latipes)精子的方法,以及利用计算机辅助精子分析(CASA)可靠评估精子质量的实验方案。
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本文介绍了两种快速高效收集小型模式鱼类青鳉(Oryzias latipes)精子的方法,以及利用计算机辅助精子分析(CASA)可靠评估精子质量的实验方案。
日本青鳉(Oryzias latipes)是一种辐鳍鱼类,也是生态毒理学、发育生物学、遗传学和生理学研究中日益重要的脊椎动物模型。 青鳉还被广泛用于研究脊椎动物的繁殖过程,因为繁殖是物种延续的关键生物学功能。精子质量是衡量雄性生育能力的重要指标,因而直接影响繁殖成功率。目前已有多种物种(包括辐鳍鱼类)的精子采集与分析技术的详细文献记录。对于体型较大的鱼类,精子采集相对简单;但对于产精量较少且身体更为脆弱的小型模式鱼类,采集过程则更为复杂。因此,本文介绍了两种适用于小型模式鱼类日本青鳉的精子采集方法:睾丸解剖法和腹部按摩法。本文证明,这两种方法均适用于青鳉,并且由于个体在操作后能迅速恢复,腹部按摩法可重复多次进行。此外,本文还描述了一种用于青鳉的计算机辅助精子分析方案,以客观评估青鳉精子质量的多个关键指标(包括运动性、前进性、运动持续时间及相对浓度)。这些针对这一重要小型辐鳍鱼类模型所优化的技术,将显著增进我们对影响脊椎动物雄性生育能力的环境、生理和遗传因素的理解。
日本青鳉是一种原产于东亚的小型卵生淡水硬骨鱼类。青鳉已成为生态毒理学、发育遗传学、基因组学以及进化生物学和生理学研究中一种优秀的脊椎动物模型系统1,2。与常用的斑马鱼类似,青鳉相对易于繁殖,并对多种常见鱼类疾病具有较强的抗性1,2。使用青鳉作为模型的优势包括世代周期短、胚胎透明1,2,以及已完成基因组测序3。与斑马鱼不同,青鳉具有明确的性别决定基因4 ,并且对温度(4–40 °C) 和盐度(广盐性物种)具有较强的耐受能力5。此外,目前已开发出多种遗传学和解剖学工具及实验方案6,7,8,9,10,11,12,以促进对青鳉生物学特性的研究。
繁殖是一种重要的生理功能,因为它使物种得以延续。脊椎动物的繁殖需要一系列精确协调的事件,包括雌性产生卵母细胞和雄性产生精子。精子是一类独特的细胞,通过复杂的精子发生过程产生,在此过程中存在多个质量控制检查点,以确保最终产生高质量的精子13。由于配子质量直接影响受精成功率和幼体存活率,它已成为水产养殖和鱼类种群研究中的关注重点。因此,精子质量是衡量脊椎动物雄性生育力的重要指标。
评估鱼类精子质量的三个有用指标是活力、前向运动能力和存活时间。精子活力百分比和前向运动能力是精子质量的常用指标,因为前向运动对于受精成功至关重要,并且与其密切相关14,15。运动持续时间在鱼类中也是一个重要指标,因为在大多数硬骨鱼类中,精子完全活跃的时间少于2分钟,且其运动轨迹通常不如哺乳动物线性明显15。然而,过去许多评估精子活力的研究依赖于主观或半定量的分析方法15,16。例如,过去曾通过显微镜下目视观察来估计青鳉的精子活力17。也有人通过记录精子运动并使用成像软件合并帧图像,以测量其游动路径和速度来进行评估18,19,20。这类方法往往缺乏稳健性,不同分析人员可能得出不同的结果15,21。
计算机辅助精子分析(CASA)最初是为哺乳动物开发的。CASA 是一种快速定量评估精子质量的方法,通过自动记录和测量精子的运动速度与轨迹来实现15。在鱼类中,该技术已被应用于多种物种,用于监测多种水污染物对精子质量的影响,筛选优良亲本以提高种群繁殖性能,提升冷冻保存与储存效率,以及优化受精条件15。因此,CASA 是一种可靠评估不同脊椎动物物种精子质量的有力工具。然而,由于鱼类在繁殖策略上存在显著多样性,硬骨鱼类的精子在结构上既不同于哺乳动物,也因鱼种而异。硬骨鱼类主要通过将配子释放到水中进行体外受精,其精子浓度高,结构相对简单,且无顶体;而哺乳动物为体内受精,无需应对水中稀释的问题,但需耐受更为黏稠的体液环境14。此外,大多数鱼类的精子激活后运动迅速,但完全活跃的时间通常少于 2 分钟,尽管存在若干例外情况15,22。由于大多数鱼类精子活力下降迅速,在制定鱼类精子分析方案时,必须极其注意激活后分析的时间点。
在生物学研究领域中,硬骨鱼类和青鳉被广泛用作模式生物来研究繁殖。事实上,雄性青鳉表现出多种有趣的生殖与社会行为,例如交配守护23,24。此外,已有多个转基因品系可用于研究该物种生殖的神经内分泌调控机制25,26,27。精子采集在体型较大的鱼类中是一项相对简单的操作,但在小型模式鱼类中则更具挑战性,因其产生的精子量较少且个体更为脆弱。因此,目前大多数涉及青鳉精子采集的研究均通过碾碎解剖所得的睾丸来获取精液(鱼类精液)17,28,29,30。少数研究采用改良的腹部按摩法,将精液直接挤入激活液中18,19,20;然而,该方法难以观察所采集精液的量和颜色。在斑马鱼中,通常采用腹部按摩法挤出精液,并立即用毛细管收集31,32,33。该方法可估测精液体积,并观察射出精液的颜色,后者是评估精子质量的一种快速而简便的指标32,33。因此,目前尚缺乏针对青鳉精子采集与分析的清晰且详尽描述的操作方案。
因此,本文介绍了在小型模式鱼类日本青鳉中采集精子的两种方法:睾丸解剖法和利用毛细管进行腹部按摩法。文章证明了这两种方法在青鳉中均是可行的,并表明由于鱼类在操作后能迅速恢复,腹部按摩法可重复多次进行。本文还描述了一种适用于青鳉的计算机辅助精子分析方案,可用于可靠地测定青鳉精子质量的多个重要指标(包括运动性、前进性、持续时间和相对精子浓度)。这些针对这一重要的小型硬骨鱼模型所优化的技术,将极大促进人们对影响脊椎动物雄性生育力的环境、生理及遗传因素的理解。
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所有实验操作和动物处理均遵循挪威生命科学大学(NMBU)关于实验动物福利的建议进行。实验使用在挪威生命科学大学(NMBU,Ås,挪威)饲养的成年雄性日本青鳉鱼(Hd-rR品系,6-9月龄)。此外,在法国农业、食品与环境国家研究所(INRAE,雷恩,法国)饲养的9月龄雄性日本青鳉鱼(CAB品系)中也对这些方法进行了简要测试。
1. 仪器与溶液准备
2. 精子采集
注意:精子采集可通过两种不同方法实现:腹部按摩法或睾丸解剖法。

图 1:通过腹部按摩(A-D)和睾丸解剖(E-H)收集精液。(A)用于腹部按摩的器械:固定用海绵、钝头平滑镊子,以及配有吸液管组件的10 µL一次性校准玻璃微量移液器;(B)鱼在固定海绵中的位置,鳃部暴露于海绵中的麻醉剂,泄殖腔朝上;(C)钝头平滑镊子置于腹部,微量移液器紧贴泄殖腔;(D)经轻柔按摩并吸取后,微量移液器中的精液。(E)用于睾丸解剖的器械:钝头镊子、精细镊子和小型解剖剪;(F)进行睾丸解剖时鱼的位置;(G)内脏器官的侧面观;(H)用精细镊子剪断两端连接组织以取出睾丸。比例尺:2 mm。请点击此处查看该图的放大版本。
3. 使用 CASA 系统进行精子分析

图2:SCA Evolution 软件截图。 (A)一个视野的精子追踪结果。在右侧查看视野数据,双击精子可查看个体数据;(B)所有视野的结果汇总,配置菜单已打开。请点击此处查看此图的放大版本。
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获得的数据类型
SCA Evolution 软件提供的精子运动分析数据包括精子活力(活动精子与不活动精子的百分比)、前向性(前向运动与非前向运动精子的百分比)以及运动速度(快速、中速和慢速运动精子的百分比)。此外,该软件还结合前向性与速度进行分类(快速前向、中速前向、非前向)。这些分类依据的是程序所提供的精子运动轨迹的测量结果(图3A)和计算方法(图3B),详见(补充表1)。对于青鳉,以下阈值参考了先前文献中推荐的斑马鱼参数19,34,35,并结合来自18个个体的青鳉数据分布进行调整。活力分类基于曲线速度(VCL):不活动 < 10 µm/s ≤ 慢速 < 20 µm/s ≤ 中速 ≤ 40 µm/s < 快速。当直线性指数(STR)> 68...
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渗透压是影响鱼类精子活化的重要因素36,37。通常情况下,精子在睾丸内处于不活动状态,而在海水鱼类中,当环境介质相对于精浆为高渗时,精子被激活并开始运动;在淡水鱼类中,则是在相对于精浆为低渗的介质中激活37。与血液类似,淡水鱼类精浆的渗透压通常低于海水鱼类(约为300 mOsmol/kg,而海水鱼类约为400 mOsmol/kg)22,37。因此,鱼类精子通常在接触到其生存水体时即被激活,而该水体也是进行精子分析时最适宜且最具生物学意义的激活介质。然而,在两个不同实验室饲养的Hd-rR和CAB品系青鳉鱼中,通过腹部按摩和睾丸解剖采集的精子在养殖用水中并未表现出运动能力(图4A)。此外,在287 mOsmol/kg的HBSS溶液中,精子的运动能力高于在36 mOsmol/kg的HBSS溶液中的表现(<...
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作者无任何利益冲突需要披露。
本工作由挪威生命科学大学和美国富布赖特项目资助。作者感谢NMBU的Anthony Peltier和Lourdes Carreon G Tan在鱼类养殖设施维护方面的支持,以及法国国家农业、食品和环境研究院(INRAE)ISC LPGP的Guillaume Gourmelin提供鱼类和实验室空间,以进一步测试这些方法。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1.5 mL 离心管 | Axygen | MCT-150-C | 可使用任何标准品牌 |
| 10 µL 一次性校准玻璃微量移液器及吸管组件 | Drummond | 2-000-010 | |
| 带相差功能的 10x 物镜 | Nikon | MRP90100 | |
| 2 mL 离心管 | Axygen | MCT-200-c-s | 可使用任何标准品牌 |
| 钝头镊子 | Fine Science Tools | 11000-12 | |
| 钝头平滑镊子 | Millipore | XX6200006P | |
| 一次性 20 微米计数板载玻片 | Microptic | 20.2.25 | Leja 双腔计数载玻片 |
| 解剖显微镜 | Olympus | SZX7 | 可使用任何标准品牌 |
| 精细镊子 | Fine Science Tools | 11253-20 | |
| HBSS | Sigmaaldrich | H8264-1L | |
| 固定海绵 | 自制 | ||
| 倒置显微镜 | Nikon | Eclipse Ts2R | |
| SCA Evolution | Microptic | ||
| 小型解剖剪刀 | Fine Science Tools | 14090-09 | |
| 氯化钠 (NaCl) | Sigmaaldrich | S9888 | |
| 台式涡旋振荡器 | Labnet | C1301B | |
| Tricaine | Sigmaaldrich | A5040 |
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