Quá trình phát triển phôi ở Cầu Gai

Đại học Sư phạm Hà Nội
Khoa Sinh học

Bài tiểu luận
Đề tài:
Quá trình phát triển phôi ở Cầu gai




Giáo viên hướng dẫn: ThS.Nguyễn Thanh Vân
Nhóm sinh viên thực hiện: Hoàng Thị Hồng Nhung
Phạm Thị Thủy
Bùi Thị Thủy
Vũ Thị Thu Thảo
Nguyễn Thị Diệu Huyền
Nguyễn Lan Hương
Nguyễn Huyền Chi
Nguyễn Thị Thanh Bình
Mai Thị Thu Thúy












Nội dung thuyết trình:
I. Đặt vấn đề và giới thiệu đề tài.
II. Nội dung đề tài:
1. Cấu tạo của giao tử
2. Quá trình thụ tinh
3. Quá trình phân cắt trứng
4. Quá trình phôi vị hóa
5. Quá trình tạo trung bì
6. Sự biệt hóa các lớp phôi bì
III. Kết luận
IV. Tài liệu tham khảo

I. Đặt vấn đề:
Phát triển là một loạt những biến đổi kế tiếp của cơ thể, phát triển đi kèm với sinh sản có ở đa số các cơ thể đa bào. Ở động vật đa bào, quá trình sinh sản không chỉ là quá trình di truyền mà nó liên quan đến sự điều chỉnh nội tiết sinh trưởng, sự rụng trứng và sinh tinh. Sự gặp gỡ giữa giao tử đực và giao tử cái để tạo thành hợp tử, sau các quá trình phân chia nguyên phân để tạo ra các tế bào của cơ thể.
Ngày nay, sự phát triển của sinh vật được mở rộng lên tất cả các sinh vật từ đơn bào đến đa bào ở mọi mức độ tổ chức. Do vậy, sinh học phát triển cá thể là một ngành khoa học nghiên cứu hàng đầu trong mọi các vấn đề sinh học. Nó là cơ sở không thể thiếu trong lĩnh vực sinh học khác.
Cầu gai thuộc ngành Da gai (Echinodermata), lớp Cầu gai (Echinoidea) có mặt trên hầu hết các vùng biển trên thế giới. Cầu gai là đối tượng nghiên cứu phổ biến hiện nay của sinh học phát triển. Đặc biệt là sự phát triển phôi của chúng mang những nét đặc trưng riêng của loài.
“ Sự phát triển phôi của Cầu gai”


Một số loài Cầu gai phổ biến ở Việt Nam











Astropyga radiata Diaema setosum
Cầu gai sống trong thềm biển và vùi trong cát biển. Thức ăn của chúng là rong, tảo, mùn bã và động vật nhỏ. Ở Việt Nam có khoảng 70 loài, gặp nhiều ở các vùng đáy đá, vùng biển san hô. Các giống có nhiều loài: Salmacis, Temnopleurus, Diadema, Clypeaster...Các loài thường gặp là Diadema setosum, Tripneustes gratilla... Ở Vịnh Bắc Bộ gặp khoảng 20 loài, thường gặp là Astropyga radiata có thân lớn (khoảng 20 loài) và dẹp...

II. Nội dung đề tài
1. Cấu tạo của giao tử

1.1 Các tế bào mầm
Một phần tế bào chất của noãn thụ tinh sẽ cho ra các tế bào tiền thân của các tế bào sinh dục đó là tế bào mầm (germ cell). Các tế bào mầm di chuyển đến các tuyến sinh dục và biệt hóa thành tế bào sinh dục.
Sự phát triển các tế bào sinh dục chỉ hoàn tất khi cá thể đã thành thục sinh dục. Lúc đó, các tế bào sinh dục được giải phóng và tham gia vào quá trình thụ tinh.
Sự tồn tại của các tế bào sinh dục được quyết định qua hai bước cơ bản: Sự tạo thành tế bào sơ khai và sự di chuyển của các tế bào mầm đến các cơ quan sinh dục và sự biệt hóa của chúng tại đó.

1.2. Cấu tạo tinh trùng

Hình 1: Tinh trùng cầu gai
a. Phần đầu: là bộ phận của tinh trùng tiếp xúc với trứng trong quá trình thụ tinh. Đầu tinh trùng có chứa nhân đơn bội và thể đỉnh
Nhân: Trong quá trình trưởng thành của tinh trùng, nhân bị nén lại do DNA của nó bị xoắn chặt. Sự đóng xoắn của DNA giúp cho tinh trùng ít bị các tổn thương vật lý hoặc đột biến trong quá trình dư trữ và di chuyển đến nơi thụ tinh. Sự nén của nhân là do tương tác giữa DNA và protein của nhiễm sắc là protamin.
Thể đỉnh: nằm ngay phía trước nhân, là một bao kín, dẫn xuất từ thể Golgi, có chứa các enzyme tiêu hóa protein và các đường phức tạp.
Giữa nhân và bào thể đỉnh còn có một vùng gồm thành mấu thể đỉnh của tinh trùng trong giai đoạn sớm của sự thụ tinh.
b. Phần giữa:
Nằm ngay sau đầu là một cổ ngắn nối đầu và đuôi tinh trùng. Phần giữa được đặc trưng bởi sự hiện diện của các ty thể xếp xoắn ốc, bao quanh sợi trục bên trong. Ty thể có các emzyme có khả năng chuyển hóa yếm khí đường, glycerol, sorbitol, lactate, acetate, các loại acid béo và nhiều loại acid amin.
c. Phần đuôi:
Là cấu trúc phức tạp. Cơ quan vận động chính của đuôi là sợi trục. Sợi trục được tạo thành bởi các vi ống xuất phát từ trung tử ở phần dưới của nhân. Sợi trục bao gồm hai vi ống trung tâm được bao chung quanh bởi chín cặp vi ống. Các vi ống này được cấu tạo bới các protein là α và β-tubulin, gắn vào các vi ống bên ngoài là protein dynein
1.3. Cấu tạo trứng
Ở Cầu gai, con cái tạo ra một lúc hàng trăm hoặc hàng nghìn trứng. Trứng có thể tích khoảng 200 picoliter, gấp 10.000 lần thể tích của tinh trùng.








Hình 2: Cấu tạo trứng Cầu gai trong quá trình thụ tinh
Tế bào chất của trứng bao gồm:
- Protein.
- Ribosome và tRNA: cần cho phôi tổng hợp protein của riêng
chúng sau khi thụ tinh.
- mRNA: trứng Cầu gai có khoảng 25.000 đến 50.000 loại mRNA
khác nhau, được duy trì ở trạng thái không hoạt động cho đến khi
trứng được thụ tinh.
Bên trong khối tế bào chất là một nhân lớn. Ở Cầu gai, nhân đã
ở trạng thái đơn bội vào thời điểm trứng thụ tinh.
Bao quanh tế bào chất là màng nguyên sinh. Màng này có khả
năng điều hòa sự trao đổi ion trong quá trình thụ tinh và có khả
năng hợp nhất với màng tế bào tinh trùng. Bên ngoài màng nguyên sinh
là màng noãn hoàng.
Bên ngoài màng noãn hoàng còn có lớp vỏ mỏng là màng keo cấu tạo
từ glycoprotein, đảm nhận nhiều chức năng nhưng điển hình là hấp dẫn
và hoạt hóa tinh trùng.












Hình 3: Bề mặt trứng chưa được thụ tinh ở Cầu gai
2. Quá trình thụ tinh
2.2. Sự nhận biết giao tử
2.2.1. Sự hấp dẫn tinh trùng
Sự hấp dẫn của tinh trùng đặc trưng cho loài. Ở Cầu gai, tinh trùng được thu hút về phía trứng cùng loài nhờ tính hướng hóa, tức là theo gradient của chất hóa học tiết ra từ trứng.
Ở Cầu gai Arbacia punctulata người ta đã ly trích được resact, một peptit gồm 14 acid amin có khả năng hấp dẫn tinh trùng bơi ngược chiều gradient nồng độ đến khi chúng tiếp xúc với trứng. Resact còn có vai trò hoạt hóa tinh trùng do chúng làm tăng hoạt động của ti thể và chuyển động của tinh trùng.
2.2.2. Sự hoạt hóa thể đỉnh
Phản ứng thể đỉnh xảy ra khi tinh trùng tiếp xúc với màng keo của trứng. Khi đó xảy ra những biến đổi nhanh trong khoảng 10 – 20 giây ở trong bộ máy của thể đỉnh.














Ở Cầu gai, phản ứng thể đỉnh xảy ra do sự tiếp xúc giữa tinh trùng với lớp keo của trứng.









Hình 4: Phản ứng thể đỉnh ở tinh trùng Cầu gai
Ở Cầu gai, phản ứng thể đỉnh được lại khởi động do một polysaccharide có chứa fucose trong lớp keo của trứng gắn vào tinh trùng làm cho ion calcium đi vào đầu tinh trùng. Ion này làm cho màng thể đỉnh hợp nhất với màng tế bào tinh trùng dẫn đến sự xuất bào của túi thể đỉnh. Sự kéo dài của mấu thể đỉnh là do các phân tử actin hình cầu bị polymer hóa thành các actin hình sợi.
2.3. Sự tiếp xúc của tinh trùng và trứng
Khi tinh trùng của Cầu gai đã xuyên qua lớp keo của trứng, mấu thể đỉnh của nó sẽ gắn với các vi nhung mao trên bề mặt của trứng. Sự gắn này mang tính đặc hiệu của loài nhờ một protein thể đỉnh là bindin. Ngoài ra, sự tương tác giữa bindin với trứng có tính đặc hiệu: bindin được ly trích từ thể đỉnh của loài nào thì chỉ gắn vào màng trứng của loài đó.
Các nghiên cứu về hóa sinh đã cho thấy bindin hoàn toàn khác nhau ở những loài Cầu gai có quan hệ gần. Đó là trên màng noãn hoàng hoặc màng nguyên sinh của trứng có các thụ thể bindin đặc trưng



2.4. Sự xâm nhập giữa tinh trùng và trứng
Sau khi gắn vào màng noãn hoàng, mấu thể đỉnh của tinh trùng tiết ra các emzyme tiêu hủy một phần giúp cho đầu tinh trùng xuyên qua và tiếp xúc với màng trứng. Sau đó gắn tinh trùng vào trứng do sự polymer hóa các phân tử actin hình cầu của vi nhung mao.






A B C D
Hình 5: Sự xâm nhập tinh trùng vào trứng của Cầu gai
Sự tiếp xúc giữa đầu tinh trùng với các vi nhung mao của trứng qua mấu thể đỉnh. (B) Sự thành lập nón thụ tinh.
(C) Sự xâm nhập của tinh trùng vào bên trong trứng
(D) Đầu tinh trùng bên trong nón thụ tinh
Sau khi màng tinh trùng và màng trứng hợp nhất thì nhân, các ti thể, trung tử và cả đuôi tinh trùng có thể đi vào trứng nhờ cầu nối tế bào chất. Ở Cầu gai, tất cả các vùng trên màng nguyên sinh trứng đều có khả năng hợp nhất với màng tinh trùng. Đặc biệt nếu nhiều tinh trùng Cầu gai cùng xâm nhập vào trứng thì sẽ làm tế bào con chết hoặc phát triển bất thường.
3. Quá trình phân cắt và tạo phôi nang
3.1. Quá trình phân cắt
Trứng Cầu gai là trứng đẳng hoàng (isolecithal), lượng noãn hoàng ít, phân bố đều trong tế bào chất và không ảnh hưởng đến sự phân cắt. Trứng Cầu gai phân cắt kiểu đối xứng tỏa tròn.



Hình 6: Sự phân cắt đối
xứng tỏa tròn ở Cầu gai.
Ở Cầu gai Paracentrolus lividus, hai lần phân cắt đầu tiên theo chiều kinh tuyến thẳng góc nhau, rãnh phân cắt đi ngang qua hai cực chia trứng thành bốn phôi bào bằng nhau. Lần phân cắt thứ ba theo mặt phẳng xích đạo, trực giao với mặt phẳng của hai lần phân cắt trước tạo thành 8 phôi bào.




















Lần phân cắt thứ tư xảy ra không giống nhau trên các phôi bào ở hai bán cầu.
- Ở bán cầu động vật, 4 phôi bào phân chia theo những mặt phẳng kinh tuyến thẳng góc với nhau, cách mặt phẳng phân cắt trước 450 tạo ra 8 trung phôi bào có thể tích bằng nhau
- Ở bán cầu thực vật, mặt phân cắt là một mặt phẳng vĩ tuyến nằm gần đáy bán cầu tạo ra 8 phôi bào kích thước khác nhau: 4 phôi bào lớn là đại phôi bào và 4 phôi bào nhỏ gọi là tiểu phôi bào.







Hình 7: Sự thành lập các tiểu phôi bào ở lần phân cắt thứ tư
















Ở lần phân cắt thứ năm, 8 trung phôi bào phân chia theo mặt phẳng xích đạo tạo thành hai lớp an1 và an2 ở cực động vật. Các đại phôi bào phân chia theo mặt phẳng kinh tuyến tạo ra một lớp gồm 8 phôi bào nằm bên dưới lớp an2. Các tiểu phôi bào cũng phân chia mặc dù muộn hơn. Tất cả các rãnh phân cắt của lần thứ sáu đều theo mặt phẳng xích đạo và lần thứ bảy theo mặt phẳng kinh tuyến.






Hình 8: Sự phân cắt tỏa tròn của Cầu gai
3.2. Sự tạo phôi nang
Phôi nang bắt đầu được thành lập ở giai đoạn 128 tế bào. Các tế bào tạo thành một khối cầu rỗng bao quanh một xoang ở trung tâm gọi là xoang phôi. Lúc này, các tế bào có kích thước bằng nhau, các tiểu phôi bào giảm tốc độ phân chia. Mỗi tế bào tiếp xúc với dịch protein bên trong và màng hyaline bên ngoài.
Trong thời gian này, các tế bào tiếp xúc với nhau chặt hơn. Khi các tế bào tiếp tục phân chia, lớp tế bào rộng ra và mỏng dần, phôi nang vẫn duy trì một lớp tế bào do các phôi bào dính vào màng hyaline và nước đi từ ngoài vào làm xoang phôi ngày càng lớn.





Hình 9: Phôi nang loài L. variegatus




4. Quá trình phôi vị hóa
Sau các quá trình phân cắt liên tục tạo thành phôi nang rỗng điển hình. Do đó, phôi nang của Cầu gai là một khối cầu rỗng chỉ có một lớp phôi bì khoảng 1000 tế bào, dẹt ở cực thực vật. Các phôi bì bắt nguồn từ những vùng khác nhau của hợp tử, có kích thước và bản chất khác nhau








Hình 10: Phôi nang Cầu gai












Các phôi vị bắt đầu từ hợp tử, nó có nguồn gốc từ các vùng khác nhau của hợp tử, có kích thước và bản chất khác nhau. Số phận các vùng khác nhau của phôi nang khi chúng phát triển qua giai đoạn phôi vị đến giai đoạn ấu trùng pluteus đặc trưng của Cầu gai.










Hình 11: Sự phát triển của Cầu gai
Hợp tử (B), (C) Phôi nang (D) Phôi vị
(E) Ấu trùng hình lăng trụ (F) Ấu trùng Pluteus




4.1. Sự di nhập của trung bì sơ cấp
Sau khi phôi nang chui ra khỏi màng thụ tinh, phía cực thực vật bắt đầu dày lên và dẹt. Tại trung tâm vùng này, một đám tế bào nhỏ bắt đầu biến đổi thành dạng amip và tạo ra các giả túc dạng sợi từ bề mặt bên trong của chúng. Sau đó, các tế bào này tách ra khỏi lớp biểu mô và di nhập vào xoang phôi. Những tế bào có nguồn gốc từ các tiểu phôi bào được gọi là trung mô sơ cấp.
Sự di nhập của các tế bào bắt nguồn từ tiểu phôi bào. Đó là do những tế bào này mất đi ái lực giữa chúng với các tế bào chung quanh và với màng hyaline, đồng thời chúng lại có ái lực rất mạnh với một nhóm protein lót trong xoang phôi. Sự thay đổi ái lực này làm cho các tiểu phôi bào tách khỏi màng hyaline và các tế bào xung quanh, di cư vào xoang phôi.






























Hình 12: Sự di nhập của các tế bào trung bì sơ cấp
Chung quanh các tế bào trung mô sơ cấp, nồng độ các chất ngoại bào rất cao. Khi ở bên trong xoang phôi, các tế bào trung mô sơ cấp tiếp tục di chuyển dọc theo lớp dịch ngoại bào của thành xoang phôi nhờ các giả túc. Các tế bào này tự sắp xếp thành một vòng tại một vị trí xác định dọc theo trục động – thực vật. Ở hai vị trí phía bụng tương lại của ấu trùng, một số tế bào hợp nhất lại va tạo thành các gai xương.


4.2. Sự tạo thành ruột nguyên thủy
4.2.1 Giai đoạn đầu
Khi vòng tế bào trung mô sơ cấp rời khỏi vùng cực thực vật của xoang phôi, những biến đổi đã xảy ra trong các tế bào còn lại ở tấm thực vật.Các tế bào này vẫn còn gắn vào các tế bào khác và vào màng hyaline của trứng, chúng di chuyển lấp đầy khoảng trống do sự di nhập của trung mô sơ cấp. Tấm thực vật uốn cong và lõm vào ½ - ¼ phía trong xoang phôi. Sau đó dừng lại. Vùng lõm vào gọi là ruột nguyên thủy, nơi thông ra ngoài vùng cực thực vật là phôi khẩu.








Hình 13: Sự lõm vào của tấm thực vật



Màng hyaline được cấu tạo thành hai lớp: Lớp ngoài cấu tạo chủ yếu là các protein hyaline và lớp trong có các protein fibropellin. Ở giai đoạn phôi nang, fibropellin tạo thành một mạng lưới trên bề mặt phôi. Khi tấm thực vật bắt đầu lõm vào, các tế bào của tấm này tiết proteoglycan vào lớp trong của màng hyaline. Các phân tử của lớp này hút nước và phồng lên làm cho màng hyaline ở vùng cực thực vật uốn cong.









Hình 14: Sự tạo thành ruột nguyên thủy



4.2.2 Giai đoạn sau
Sau một thời gian tạm dừng ngắn, sự thành lập ruột nguyên thủy bắt đầu. Trong suốt giai đoạn này ruột nguyên thủy từ từ dài ra và ống ruột ngắn, rộng được biến đổi thành ống ruột dài, dày. Kết thúc là các tế bào của ruột nguyên thủy tự sắp xếp đan xen nhau và dẹp lại. Đồng thời, các tế bào này tiếp tục phân chia tạo ra nhiều tế bào trung mô thứ cấp và tế bào nội bì.
Phần đỉnh của ruột nguyên thủy tiếp xúc với thành xoang phôi, chúng mở ra ngoài tạo thành miệng, các tế bào trung mô sơ cấp phân tán trong xoang phôi , tăng sinh và tạo thành các cơ quan có nguồn gốc trung bì.

5. Quá trình tạo trung bì
Lá phôi giữa hình thành bằng cách lõm ruột. Đáy của khoang ruột nguyên thủy phân hóa thành một túi. Túi này sớm tách thành 2 phần hai bên để hình thành nên lá phôi giữa và thể xoang chính thức.
Cùng với hình thành thể xoang chính thức ở bên trong, miệng phôi bịt kín và lá phôi ngoài lõm vào đúng vị trí đó thông với khoang ruột nguyên thủy hình thành hậu môn. Ở vị trí đối diện, lá phôi ngoài lõm vào thông với phần đáy của khoang ruột nguyên thủy để hình thành nên lỗ miệng.


6. Sự biệt hóa các lớp phôi bì
Kết quả của sự phôi vị hóa là sự tạo thành 3 lớp phôi bì: nội bì, trung bì và ngoại bì. Ngoại bì sẽ tạo ra các tế bào của biểu mô và của hệ thần kinh. Trung bì tạo ra nhiều cơ quan ( tuyến sinh dục...), mô liên kết (cơ, xương, dây chằng) và các tế bào máu. Nội bì tạo ra phần lót bên trong ống tiêu hóa.
Các tế bào của 3 lớp phôi bì tương tác với nhau và sắp xếp lại tạo thành các cơ quan. Quá trình này là quá trình phát sinh cơ quan. Trong quá trình này có các tế bào biệt hóa và sự tạo hình để có được các chức năng sinh lý chuyên biệt.
III. Kết luận
Tóm lại, quá trình phát triển phôi ở Cầu gai bao gồm các bước sau:
Trong quá trình phát triển, một phần tế bào chất của trứng sẽ tạo thành các tế bào mầm sinh dục. Các tế bào mầm sinh dục di chuyển đến tuyến sinh dục. Tại đó, chúng tạo ra các giao tử qua quá trình phát sinh giao tử. Khi cơ thể trưởng thành, các giao tử được giải phóng và trải qua quá trình thụ tinh để tạo ra thế hệ mới.
Ngay sau khi thụ tinh, hợp tử trải qua hàng loạt quá trình nguyên phân nhanh gọi là sự phân cắt. Quá trình này tạo thành phôi nang gồm nhiều phôi bào bao quanh một túi ở trung tâm gọi là xoang phôi.
Các phôi bào trải qua hàng loạt chuyển động trong phôi nang bằng cách thay đổi vị trí chúng so với các tế bào khác. Quá trình này là sự phôi vị hóa. Kết quả là tạo thành 3 lớp phôi bì. Các tế bào của 3 lớp phôi bì lại tiếp tục tương tác với nhau và sắp xếp lại tạo thành cơ quan.
IV. Tài liệu tham khảo
1, Mai Văn Hưng, (2003), “Sinh học phát triển cá thể động vật”, Nxb ĐHSPHN, Hà Nội.
2, GS.TSKH. Thái Trần Bái, (2007), “Động vật học không xương sống”, Nxb Giáo dục.
3,http://www.bio.davidson.edu/courses/GENOMICS/method/UrchDev.html
4, http://d.violet.vn/uploads/resources/211/39622/preview.swf



Câu hỏi thảo luận
Câu 1:
Tại sao ở Cầu gai nếu nhiều tinh trùng cùng xâm nhập trứng sẽ làm cho các tế bào phôi tạo thành bị chết hoặc phát triển bất thường ?.
Trả lời:








Hình 15: Hậu quả của việc nhiều tinh trùng xâm nhập vào trứng.
Câu 2:
Các yếu tố nào quyết định đến sự phát triển phôi đặc trưng chỉ có ở Cầu gai ?
Trả lời:
Cấu tạo của trứng Cầu gai: Màng thứ hai của trứng nhìn thấy rõ, nó bao quanh tế bào chất đó là màng nguyên sinh có khả năng điều hòa sự trao đổi ion trong quá trình thụ tinh và có khả năng hợp nhất với màng tế bào tinh trùng.
Sự hoạt hóa thể đỉnh: ở Cầu gai, phản ứng fertilizing-antifertilizing kích thích Ca2+ đi vào đầu tinh trùng gây vỡ và giải phóng chất chứ thể đỉnh. Sự đi vào của Ca2+ gây sự đi ra của H+ và thay thế bằng Na+ . Do đó, làm tăng độ pH trong đầu tinh trùng gây bùng nổ qua trình trùng hợp actin để tạo sợi thể đỉnh.
Sự phân bố noãn hoàng trong trứng: Trứng của Cầu gai là trứng đồng noãn hoàng ( isolecithal), trứng này có sự phân bố đồng đều noãn hoàng trong noãn bào chất. Do đó, trứng Cầu gai phân cắt theo kiểu đối xứng tỏa tròn.



Quá trình phân cắt trứng liên tục tạo thành phôi nang rỗng điển hình. Phôi nang Cầu gai là một khối cầu rỗng chỉ có một lớp phôi bì khoảng 1000 tế bào, dẹt ở cực thực vật.
Ở Cầu gai sự tách trung bì xảy ra cùng thời gian với quá trình lõm vào để tạo nội bì. Sau này, nội bì sẽ hình thành biểu mô ruột, phôi khẩu sẽ hình thành hậu môn và tạo miệng mới.



CẢM ƠN CÔ VÀ CÁC BẠN ĐÃ LẮNG NGHE !