发育生物学实验讲义.doc

发育生物学实验讲义 主编：余雪松 贾伟章 李浩明 2007年7月 （仅供内部使用，请勿外传） 前言 发育生物学被公认为是当今生命科学的前沿分支学科，是研究生物体发育过程及其调控机制的一门学科。发育生物学不同于传统的胚胎学，它是生物化学、分子生物学、细胞生物学、遗传学等学科与胚胎学相互渗透的基础上发展形成的一门新兴的学科，是胚胎学的继承和发扬。海胆，别名刺锅子、海刺猬，体形呈圆球状，就像一个个带刺的紫色仙人球，因而得了个雅号—“海中刺客”。渔民常把它称为“海底树球”、“龙宫刺猬”。世界上现存的海胆约有850多种，我国沿海约有150多种。常见的如马粪海胆、大连紫海胆、心形海胆、刻肋海胆等。海胆是海洋里一种古老的生物，与海星、海参是近亲。据科学考证，它在地球上已有上亿年的生存史它们在世界各大海洋中都生活过，以印度洋和太平洋的活动最为频繁。 海胆（sea urchin）是生物科学史上最早被使用的模式生物，它的胚胎对早期发育生物学的发展有举足轻重的作用。早在1875年，奥斯卡·赫特维格（Oscer Hertiwig, 1849-1922）就开始以海胆为材料研究受精过程中细胞核的作用1890年后，海胆更在受精和早期胚胎发育的研究中起了重要作用。1891年，汉斯·德瑞熙（Hans Driesh，1876－1941）在海胆中完成了海胆胚胎分裂实验，为现代发育生物学奠定了第一块观念里程碑。他在显微镜下把刚刚完成第一次分裂的海胆一分为二，结果发现，分开后的两个细胞各自形成了一个完整幼虫。这一实验的意义在于证明胚胎具有调整发育的能力，并使盛行一时的机械论发育思想完全破产为现代发育生物学奠定了第一块观念里程碑。海胆：胚胎发育的早期事件 海胆是雌雄异体，雌体可终年怀卵，一年排卵数次。生长3年的海胆达到了它的成熟阶段，开始履行繁殖后代的重任。它们是群居性动物，在繁殖上，它有一种奇特的现象，就是在一个局部海区内，一旦有一只海胆把生殖细胞，无论精子或卵子排到水里，就会像广播一样把信息传给附近的每一个海胆，刺激这一区域所有性成熟的海胆都排精或排卵。这种怪现象被形容为“生殖传染病”。文昌鱼出现于距今五亿多年前，至今仍保持古代的特征及原始性状，被认为是与脊椎动物亲缘关系最近的无脊椎动物，也可以说是脊椎动物始祖的现存代表。文昌鱼独特的进化地位，吸引了众多生物学家的目光，被认为是研究动物进化和动物胚胎发育的典型材料。文昌鱼从发现到现在仅仅只有200多年的历史，文昌鱼属于脊索动物门头索动物亚门。脊索动物门是动物界最高等的一个门，其形态结构复杂，生活方式多样，共同特征是具有脊索、背神经管、和咽鳃裂。脊索动物分属三个亚门，即尾索动物亚门（主要代表为海鞘）、头索动物亚门（主要代表为文昌鱼）和脊椎动物亚门。前两个亚门属于低等脊索动物，统称为原索动物。原索动物是介于脊椎动物和无脊椎动物之间的过渡类型，它既保留了无脊椎动物的一些特性，又具有脊椎动物的某些特点。文昌鱼是脊索动物门头索动物亚门的重要代表，具备脊椎动物的三大特征：脊索、背神经管和咽鳃裂。达尔文曾指出，文昌鱼的发现是一个伟大的发现，它使人们看到了5亿年前脊椎动物始祖的模样，提供了指示脊椎动物起源的钥匙。黑格尔把文昌鱼称作“最后的马希坎人”（Mohicans），在其1874年出版的《人类进化》中描述为“在所有已灭绝动物中唯有文昌鱼能使我们勾画出志留纪最早的脊椎动物祖先”。因此，文昌鱼的研究具有极大的学术价值，对探讨脊椎动物的起源和进化具有重要意义。文昌鱼一年产卵3～4次，产卵时间在4～7月，雌雄异体。不同海域气候不同产卵时间也有所差别，如我国广东和福建海域由于气温较高，一般在每年的4月份即开始产卵，而青岛文昌鱼的产卵高峰期一般在7月初。文昌鱼的生殖细胞成熟后，从围鳃腔中排到体外，在海水中自然受精发育受精卵迅速进行卵裂，很快发育成为被有纤毛的幼体，沉人海底，发生变态，3个月以后发育为成体。文昌鱼发育到11个月左右即开始性成熟，但在外形上雌、雄性并无明显区别，只是在生殖腺的颜色上略可分辨；精巢呈乳白色，卵巢呈淡黄色。 文昌鱼的早期胚胎发育 关于文昌鱼胚胎发育，经过著名美国胚胎学家康克林数十年的研究，有了比较系统的认识。我国著名的生物学家童第周先生等在20世纪50～60年代进行的一系列研究工作，对文昌鱼卵的发育能力提出了重要的修正意见，使我们对文昌鱼胚胎发育的规律有了进一步的认识。尽管如此，文昌鱼的胚胎发育并没有引起发育学家的足够重视。直到近年来分子生物学的发展，揭示了文昌鱼的胚胎发育是脊椎动物胚胎发育的原型，才引起了人们的兴趣，受到广泛的关注。文昌鱼的胚胎发育分为受精卵、桑椹胚、囊胚、原肠胚、神经胚、幼体等阶段。文昌鱼早期胚胎发育与棘皮动物相似，伴随着精子的进入和细胞质的重排，卵母细胞形成了动植物极的极性。受精卵不久即