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译者序
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第八章 鱼类的交配系统
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第一节 导言
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鱼类是多样性最高的脊椎动物群，已经记述的种类约为34200种，从季节性的小水洼到海洋的深处都有鱼类的栖息地。在这些差异巨大的生境中对物种作用的选择压力也可能会有很大的不同，鱼类从遗传学的单配制到混交制，再从双亲口育形式的非双亲抚育到雄性鱼类的怀孕，都呈现出交配和抚育系统的多样性。这一章将会讲述非雌雄同体有性生殖的鱼类交配系统的不同类型，综述鱼类交配策略的模式以及分布，最后讨论塑造和维持这些策略的潜在因素。本章主要的论述重点将会放在硬骨鱼类上（Osteichthys），但是文中夹杂有关板鳃亚纲的讨论也是有参考价值的。对鱼类交配系统的研究落后于鸟类和昆虫，这主要是由于研究对象的获得存在固有困难，鱼类生活在水下并且经常位于水的深处，或者位于人类难以进入的环境里。尽管有这些物理环境方面的制约，在最近的40年里我们对于鱼类的交配系统仍然有重大的研究进展。Breder和Rosen（1966）提出的“鱼类的繁殖模式”和Thresher（1984）提出的“珊瑚礁鱼类的繁殖”被证明是宝贵的研究。此后，有几项重要的综述总结了相关研究进展，特别是Barlow（1984, 1986）、Berglund（1997）、Avise等（2000）、Whiteman和Cote（2004）的文章。我们向感兴趣的读者推荐这些文章。
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过去20年来这一领域的许多前沿研究已经开始应用遗传标记。微卫星，也被称为可变数量串联重复序列（variable number tandem repeats, VNTR）和简单重复序列（simple sequence repeats, SSR），在进化生物学等诸多研究领域带来了革命性进展，对鱼类交配系统的研究也不例外。最重要的是微卫星能够确切地将遗传信息传递给子孙后代，已经有相当多的研究采用了这一方法，并获得了启示性的研究成果。这些研究强调了在社会和遗传方面描述交配系统的必要性，因为它们揭示了这两者常常不一致的事实，特别是鱼类与不同异性交配的行为是很常见的。分子标记已被广泛用于许多鱼类家系的研究中，尤其是慈鲷科鱼类（Kellogg et al., 1995, 1998; Parker and Kornfield, 1996; Knight et al., 1998; Taylor et al., 2003）、海龙科鱼类（Jones and Avise, 1997, 2001; Kvarnemo et al., 2000）、三刺鱼（Jones et al., 1998b; Blais et al., 2004）和孔雀鱼（Becher and Magurran, 2004）等。虽然分子技术在这一领域的应用有着革命性的进步，但在解释结果时还需要谨慎。例如，Chesser等（1984）使用同工酶研究显示，56%的雌性食蚊鱼（Gambusia affinis）会与多个雄性交配，然而后来的微卫星研究显示100%的雌性会与多个雄性交配（Zane et al., 1999）。虽然对这种差异有几个可能的解释，但最有可能的原因是，在大部分情况下中，同工酶缺乏足够的可变性来检测多次交配。幸运的是，现在有大量的文献来分析遗传标记的分辨能力（Neff and Pitcher, 2002）。
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亲代抚育模式强烈影响着交配系统，对亲代抚育模式及其演化转变的充分讨论超出了本章的范畴（Blumer, 1982），但笔者会提供一个简短的总结。在硬骨鱼类中，缺乏双亲一方的亲代抚育呈现出一种遗传的状态（Gittleman, 1981; Gross and Sargent, 1985; Reynolds et al., 2002）。大约80%的硬骨鱼类和所有的软骨鱼类无亲代抚育现象（Gross, 2005）。单亲抚育、双亲抚育、口育是从无抚育状态经多次进化形成（Reynolds et al., 2002）。在鱼类中有亲代抚育的情况下，约50%的种类为父本抚育，约30%为母本抚育，约20%为双亲抚育（Gross, 2005）。在硬骨鱼类中从卵生到卵胎生似乎已经发生至少12次进化（Goodwin et al., 2002），而在软骨鱼类中至少进化了9次（Dulvy and Reynolds, 1997）。慈鲷科鱼类似乎从双亲的保护机制进化了多次才发展为口育模式（Goodwin et al., 1998），而在其他8个科的起源中，并未发现明显表征（Rüber et al., 2004）。
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第二节 交配系统的定义
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一、单配制
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单配制（monogamy）似乎是最清晰的交配系统：单个雄性与单个雌性交配然后产生后代（图8-1）。实际上，很少情况这么简单，并且在这个基本主题上有很多变化，而这个基本主题通常又属于特定的分类单元。最极端的情况是，单配制这一词形容的是长期拥有极为忠诚的配偶，但是这在鱼类这样的交配系统中是极其罕见的，并且似乎仅限于蝴蝶鱼科（Fricke, 1973）。符合单配制并不需要在交配系统中永久地配成一对，单配制也可用来指在一个交配周期中单个个体与专一的异性配对并交配，不管其是否由亲代抚育，这种方式也常被称为“连续的”单配制。单配制可以分为社会型和遗传型。许多种类很显然建立了配对关系，却同时存在与配偶之外的其他个体的交配现象，因此被称为社会型的单配制。遗传型的单配制通常限定在活着的单个雄性与单个雌性建立起的专一的配对关系中，可能维持一个繁殖季节或者更久。遗传型的单配制是极其罕见的单配形式，目前仅在海龙科（Syngnathidae）（Jones et al., 1998a, 2000）、慈鲷科（Cichlidae）（Taylor et al., 2003）和太阳鱼科（Centrarchidae）（DeWoody et al., 2000）中有相关记录。
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图8-1 交配系统示意图
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二、多配制
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（一）交配系统并不是绝对的
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同一个物种中，个体交配行为也可能是变化的。在海湾海龙（Syngnathus scovelli）中，雄性孵卵，雌性与多个雄性交配。这似乎是典型的一雌多雄制，但是雄性偶尔也会孵出不止一个雌性的卵（Jones and Avise, 1997）。从专业层面上讲，这个系统事实上是混交制，但是该多配制有偏向雌性的倾向，所以通常被称为一雌多雄制。西澳海马（Hippocampus subelongatus）则显然是单配制，一些雄性会与雌性形成长期的配对关系，并在产卵时也表现为单配制。然而其他一些雄性在产卵时会改变配偶，因此，其可以被归为一雄多雌制（Kvarnemo et al., 2000）。窄头双髻鲨（Sphyrna tiburo）80%的雌性表现为遗传型的单配制，但20%的较大个体却可与多个雄性交配（Chapman et al., 2004），笔者将这种交配系统总结为单配制。在单配制的尖吻单棘鲀（Oxymonacanthus longirostris）中，一些未找到配偶的雌鱼会寻求已有配偶的雄性进行交配。而已有配偶的雌性对同种其他雌性个体极具攻击性，Kokita（2002）将之称为“重婚”，事实上有5%～29%的雄性表现为一雄多雌制。
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（二）交配系统常常是兼性的
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受具体的环境条件影响，交配系统常常会发生变化。例如，当资源比较充足时，个体会与多个异性交配，然而在资源有限的情况下则会转变为单配制。因此，交配系统在空间尺度上可能是不同的，在物种种群的交配策略中也存在显著变化，这在茉莉花鳉（Poecilia latipinna）（Trexler et al., 1997）和孔雀鱼（Kelly et al., 1999）中已有记录。交配系统在时间上可能也存在显著差异，例如，在资源可利用性或捕食压力的改变时，双斑虾虎鱼（Gobiusculus flavescens）由于捕食压力偏向于雄性，造成在整个季节中有效性别比改变，进而导致一个繁殖季节内性别角色发生逆转（Forsgren et al., 2004）。
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（三）交配策略的选择
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一个种群中同时存在几种不同的繁殖策略，以作为独特的进化稳定策略（Henson and Warner, 1997），而不是“第二选择”（交配系统通常不是绝对的，见前面的讨论）。在睛斑扁隆头鱼（Symphodus ocellatus）的一个种群中，有四种不同的雄性繁殖策略，每一种似乎都有相似的繁殖成功率（Taborsky et al., 1987）。伽利略帚齿非鲫（Sarotherodon galilaeus），一种口育的种类，其共存的策略包括了单亲抚育和双亲抚育、单配制和多配制（Ros et al., 2003）。有些时候，这些策略似乎表现为一种“本能”，个体要么在其一生中被限制为一个状态，要么更普遍地随年龄或个体大小发展出不同的繁殖策略。然而，繁殖策略也可以被塑造。例如Leiser和Itzkowitz（2004）改变鳉（Cyprinodon variegatus）种群密度的实验发现，雄性繁殖策略都因密度变化而改变（Leiser and Itzkowitz, 2004）。因此，有一个问题也变得越来越清楚，即有的种类表现出完全的一致性的生殖策略可能是例外而不是规律。
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（四）存在描述上的固有偏见
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对于这个偏见主要有两个方面。首先，相对于远海或深海鱼类，我们对一些较容易获得的族群，例如珊瑚礁鱼类和浅水区的淡水鱼种类的交配系统的了解要多得多。此外，目前深入研究的系统仅有一小部分。其次，遗传学技术的参考专一性较差，这使得交配系统可能影响研究的可靠性。例如，针对雌性柠檬鲨（Negaprion brevirostris），Feldheim的研究结果相对准确，留巢的雌性逗留在一个地方，对雌性及其后代的取样相对简单，结果显示其为一雌多雄制（Feldheim et al., 2004）。与之相反的是，无证据表明雄性只与一尾雌鱼交配，由于其活动范围较广，其他的交配很可能并未被发现，因此这类动物可能不是真正的一雌多雄制。基于此，当我们对雌性的交配模式了解很少时，一个系统可能被错误地定义为一雌多雄制。尽管有上述这些说明，笔者会继续使用这些分类方法，因为它们提供了一个有用的讨论框架。
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第三节 单配制
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一、单配制的淡水鱼类科
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1．慈鲷科
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慈鲷科是一类物种丰富、行为和形态多样的鱼类，自然分布于撒哈拉以南非洲、中南美洲和印度次大陆的部分地区（Keenleyside, 1991）。它们展示了各种各样的繁殖系统和繁殖策略，包括栖息地保卫、母系口育和双亲口育。单配制似乎表现为一种祖先遗传特征的家族状态（Barlow, 1963, 1964; Gittleman, 1981; Goodwin et al., 1998），社会型的单配制在家系中仍然普遍存在（Barlow, 1984, 2000）。在撒哈拉以南非洲地区的慈鲷可以大致分为几个族群：Tilapiine族群、Haplochromine族群，以及位于坦噶尼喀湖的一些族群。生活在马拉维湖和维多利亚湖（Lakes Malawi and Victoria）的慈鲷几乎完全是Haplochromine族群，所有已知的物种都是混交制的母系口育种类，因此在这些湖泊中，单配制的慈鲷非常罕见。而在坦噶尼喀湖，社会型的单配制非常常见，仅有几个族群的繁殖系统为单配制（Eretmodinae族群，Lamprologinae族群，Ectodinae族群和Boulengerochromis族群）。最著名的慈鲷科小鳞丽鱼属的小鳞短线脂鲤（Boulengerochromis microlepis）为坦噶尼喀湖特物种，并且是社会型的单配制双亲抚育种类（Matthes, 1961; Kuwamura, 1986）。雄性和雌性会积极保护卵细胞和后代，后代先被安放在一个巨大平坦的岩石表面，随后被雌性转移至一个大型沙坑中，幼鱼将被保护至体长达到10cm（Kuwamura, 1997）。坦噶尼喀湖中的大多数其他单配制物种都属于Lamprologinae族群，它们都是底栖型的繁殖者和保护者。双亲会联合起来共同守护它们放卵的沙底岩石。在坦噶尼喀湖至少有20种社会型的单配制物种（Kuwamura, 1997），有几种双亲口育的慈鲷科鱼，均采用社会型或遗传型的单配制。桨丽鱼属的蓝带桨丽鱼（Eretmodus cyanostictus）是坦噶尼喀湖特有的双亲口育的慈鲷科鱼，双亲会联合守护位于浅岩石海岸涌浪带的繁殖地。产卵后，雌鱼孵卵8～12d后，将后代交给雄鱼继续孵10～16d（Neat and Balshine-Earn, 1999; Morley and Balshine, 2002），后代被雄鱼释放后，便不再有进一步的保护。至少在一个繁殖季节内，蓝带桨丽鱼表现为遗传型和社会型的单配制（Taylor et al., 2003）。坦噶尼喀湖中，可能存在许多社会型的单配制慈鲷科种类转变为遗传型的单配制。来自中南美洲的许多慈鲷科种类也是单配制的，例如研究比较透彻的双冠丽鱼（Amphilophus sp.）（McKaye, 1977; McKaye and McKaye, 1977）和黑带娇丽鱼（Archocentrus nigrofasciatum）（Makareth and Keenleyside, 1993; Wisenden, 1994, 1995）复合种群。
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2．骨舌鱼科
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骨舌鱼科是发现于非洲和南美洲的大型淡水鱼科。该科中至少有两个单配制种类。巨骨舌鱼（Arapaima gigas）是世界上最大的淡水鱼类，采用社会型或遗传型的单配制策略。双亲在沙中挖产卵巢，雌性最多可以存放50000枚卵，随后雄性授精。父母共同保护后代达3个月（Luling, 1964），雄性保护幼鱼，雌性守护领地（Lowe-McConnell, 1987）。非洲的龙鱼（Heterotis niloticus）也是单配制的，雌雄双方以植物和泥在浅水池中建造圆形的巢。雌雄鱼会共同参与到幼鱼保护中，守护鱼卵、抚育鱼苗（Bard, 1973）。
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3．鲿科
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鲿科属于鲇类，广泛分布于亚洲和非洲。南鲿（Bagrus meridionalis）体长可达1.5m，为马拉维湖特有种（Snoeks, 2004）。亲本共同保护一个繁殖地，包括一个巨大的沙坑或者突出的岩石下的沙坑，并共同看护自主活动的后代（McKaye and Oliver, 1980）。在坦噶尼喀湖的鲇（Phyllonemus filinemus）也采用社会型的单配制。一对雌雄亲鱼口育后代直至其体长达到大约1 cm，口育和保护行为均由亲本共同执行（Ochi et al., 2001）。似乎鲿科鱼类的其他生物也是单配制（Ochi et al., 2000），尽管仅有其孵卵行为的资料记录（Ochi et al., 2002）。
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4．蛇头鱼科
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蛇头鱼科是一种大型非洲和亚洲鱼科，该科鱼类以泡沫筑巢或口育卵。在整个产卵季节，泡沫筑巢的亲鱼组成单配制的双亲。一对亲鱼通过清理周围植被区域，并将剩余的植被编成一列，以建造精心设计的产卵巢（Soin, 1960）。产卵的过程中，亲鱼会抬高产卵巢，同时雌鱼产卵、雄鱼授精。父母一方或双方均有强烈的护卵行为（Lowe McConnell, 1987; Talwar and Jhingran, 1992）。鳢属的宽额鳢（Channa gachua）和C. orentalis是蛇头鱼科仅有的2个口育种类。在这些种类中，雄性口育卵和鱼苗，但是双亲都会保护自主活动的后代（Ettrich and Schmidt, 1989）。
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5．异囊鲇科
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异囊鲇科包括2个物种，其中一种印度鲇（Heteropneustes fossilis）采用单配制策略。在泰国、斯里兰卡和缅甸发现的化石显示其体长为50cm左右。黄绿色的卵被放置在亲鱼准备的位于水底的洞中，并且由父母双方共同守护鱼卵和鱼苗（Holly, 1928, 1931）。
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6．太阳鱼科
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太阳鱼科的2种淡水鱼中，体外受精的大口黑鲈（Micropterus salmoides）被证明采用遗传型的单配制策略。大口黑鲈似乎主要采用单配制，同一个世代中88%个体都被确定为一对成年亲鱼配对的产物（DeWoody et al., 2000）。在这个种类中，雌性产卵，受精后，雄性保卫巢穴受精卵和自主活动的幼体达30d。大口黑鲈有双亲抚育的报道（DeWoody et al., 2000），但是似乎雄性抚育更加常见。与之密切相关的小口黑鲈（Micropterus dolomieu）是社会型或遗传型的单配制（Weigman et al., 1992; Weigman and Bayliss, 1995）。
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二、单配制的海洋鱼类
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Whiteman和Cote（2004）鉴定了18种单配制的海洋鱼类物种，我们可以将双髻鲨科（Sphyrnidae）也加入其中（Chapman et al., 2004）。这些种类有：刺尾鲷科（Acanthuridae）、天竺鲷科（Apogonidae）、鳞鲀科（Balistidae）、Canthigastrinae，鳎科（Cirrhitidae）、蝴蝶鱼科（Chaetodontidae）、虾虎鱼科（Gobiidae）、隆头鱼科（Labridae）、软棘鱼科（Malacanthidae）、蚓虾虾虎鱼科（Microdesmidae）、单棘鲀科（Monacanthidae）、后颌鱼科（Opistognathidae）、海蛾鱼科（Pegasidae）、盖刺鱼科（Pomacanthidae）、雀鲷科（Pomacentridae）、鲳科（Serranidae）、沟口鱼科（Solenostimidae）、海龙鱼科（Syngnathidae）。Barlow（1984）总结，单配制的海洋物种通常个体小，有强烈的位置附着，季节性不明显，受精卵存在一个浮游分散阶段，而且没有双亲抚育现象。尽管并没有明确证据显示单配制的种类个体小，但是Whiteman和Cote（2004）仍然支持Barlow的结论。由于他们的样本规模较小，有待进一步分析评估Barlow（1984）结论的对错，即身体规格和繁殖策略之间的联系是否存在。
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虽然社会型和浮游产卵单配制在海洋岩礁鱼类中属于常态，但在一些海龙科鱼类（Syngnathidae）中已经证实了亲代抚育的遗传型单配制的存在。雄性妊娠的海龙是性别角色逆转极具代表性的物种（见后面的讨论）。雌性将未受精的卵产至雄性腹中部的育儿袋中受精。随后卵和幼体在海马的育儿袋中孵化。有两个种类的海马表现为遗传型的单配制：H. subelongatus（Kvarnemo et al., 2000）和H. angustus（Jones et al., 1998a），其他几种海马也很可能是遗传型的单配制，它们在野外表现为长期的配对关系（H. comes, Perante et al., 2002; H. whitei, Vincent and Sadler, 1995）或者在实验室已经被证明为单配制（H. fuscus, Vincent, 1994; H. zoterae, Masonjones and Lewis, 1996）。一些海马可能是遗传型的单配制，但其行为表现为社会型的单配制（Vincent et al., 1992）（请参阅下面关于一雌多雄系统的讨论）。遗传型的单配制不局限于硬骨鱼类，许多软骨鱼类也被认为是一雌多雄制，因为雌鱼具有储存精子的能力，例如柠檬鲨（Negaprion brevirostris, Feldheim et al., 2001, 2002）和铰口鲨（Ginglymostoma cirratum, Saville et al., 2002），但是窄头双髻鲨（Sphyma tiburo）似乎主要为遗传型的单配制。雌性个体产下3～18个胚胎，81%的雌性所产胚胎的父本为单一雄性（Chapman et al., 2004）。
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第四节 多配制
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一、一雄多雌制
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1．保卫资源的一雄多雌制，雄性控制着相对较好或较安全的资源
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在鱼类中，这通常意味着雄性捍卫领地和／或巢穴。例如在蛇齿单线鱼（Ophiodon elongatus），雌性产下一团卵，雄性守护这些卵团，或是有时守护几个不同雌性产下的卵（King and Withler, 2005）。三刺鱼（Gasterosteus aculeatus）作为另一例子，其雄性个体会守护鱼巢，鱼巢中可能有6个或更多种雌性的卵（Wootton, 1984）。
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2．保卫雌性的一雄多雌制，即一个雄性直接保护一群雌性
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通常被保护的一群雌性被称为“后宫群”，且一个雄性会与其所保卫的所有雌性交配，例如三纹蝴蝶鱼（Chaetodon trifascialis）（Yabuta and Kawashima, 1997）。大眼比目鱼（Bothus podas）雄性和雌性在全年内都是有领土的，但是雄性的领地包括了一些雌性的领地，而雌性对雄性则是忠诚的（Carvalho et al., 2003）。在不同种类的鱼中发现的聚集求偶系统，例如一些马拉维湖丽鱼［如美口桨鳍丽鱼（Copadichromis eucinostomus）］（McKaye, 1983, 1984; Taylor et al., 1998）经常被划分为一雄多雌制系统的第三类。然而，大多数这样的系统被归类为混交制更合适（见下文）。一般来说，在鱼类分类单元中，保卫资源型较保卫雌性型的一雄多雌制更常见。
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二、一雌多雄制和混交制
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（一）一雌多雄制
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1．雌性与多个雄性交配
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在继续讨论这两种类型的多配制的交配系统之前，我们首先需要考虑的问题是为什么雌性会与几个不同的雄性交配。对雌性多次交配的综合性综述见Hosken and Blackenthorn（1998），Jennions and Petrie（2000），Zeh and Zeh（2003）。
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异配生殖和典型偏向雄性主导的性别比例表明（Emlin and Oring, 1977），在大多数情况下雄性（而不是雌性）繁殖代价随着配偶的数量增加而增加（Bateman's经典规则，1948）。与多个个体交配的成本构成了这一规则的基础（Orsetti and Rutowskl, 2003; Maklakov et al., 2005），即与多个个体交配可能符合雄性兴趣，而不是雌性。Burke and Bruford（1987）和Wetton（1987）在同时暴露出高比例混交的两种鸟类中进行了实验，他们对这一观点提出了质疑并引发了使用基因标记重新评估动物交配系统的大量研究。我们现在知道雌性与多个雄性交配不仅在包括鱼类的所有主要动物群体中是常见的（Birkhead, 2000），而且可能是一种常态。这反过来带动了对雄性和雌性生殖策略的重新评估。在Jennions和Petrie（2000）综述发表之后，我们注意到雌性与多个雄性交配的情况，每一个繁殖周期中雌性与不止一个雄性交配。有一些例子是雌性会与同一雄性重复交配（因此是在单配制的体系下），但是因为这种情况在鱼类中非常罕见，所以笔者将这一讨论局限到上述特定的场景。作为进化的潜在因素，为更清晰地描述这一现象，雌性的多次交配行为被划分为几个不同的类别，尽管界限并不绝对，但也并不矛盾（Fedorka and Mousseau, 2002）。这些类别所涉及的例子并不局限于鱼类，后文将会概述对鱼类特别重要的一些情况。
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2．性别角色逆转
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在性别角色逆转的情况下，传统的雌雄角色完全颠倒过来了，有时也被称为“经典”的一雌多雄制，雌性与多个雄性交配同时在亲代抚育上没有任何投入，而雄性仅交配一次且投入较大。在鱼类中有几个著名的例子，尤其是海龙科的鱼类（Berglund and Rosenqvist, 2003）。这一系统不难理解，因为其与传统概念（如性比不平衡等概念）一致。在接下来的一节中，笔者将对其进行详细讨论。
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3．被动型多重交配
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确定一个雌性后代的父权在很大程度上是很难的，特别是在产卵量大的情况下。这在鱼类中是非常常见的，这种情况下，无论是雄性还是雌性都无法直接控制受精，多尾雄性的精子可能与一个雌性的卵同时受精。雌性盗鲈（Aphredus sayanus）在喉咙中有生殖孔，可以产卵，例如雌性产卵后数尾雄性迅速冲过去释放精子。因此，雌性盗鲈的后代均有多个父本（Fletcher et al., 2004）。
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雌性可能是雄性这种“偷偷摸摸”行为的受害者，当雌性与所选择的对象交配时，其他雄性也会偷偷释放精子，并且雄性的这种行为占主导地位。这种行为在许多动物包括鱼类中是很常见的，虽然会导致后代有多个父本，但雌性不会对不同雄性主动求偶。雌性产卵和雄性“偷偷摸摸”的行为将会在下文的混交制部分讨论。
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最后一种归类为被动型多重交配的情况是，当雌性和多个雄性交配时，雌性想要避免或减少被骚扰，这类一雌多雄制似乎还见于一些海龟种类（Lee and Hays, 2004）。在这一例子中，很明显被多尾雄鱼骚扰的成本超过了雌性与多尾雄性交配获得的利益，因此定义为被动型多重交配。
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4．主动型多重交配
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（1）直接收益
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①物质收益：雌性从雄性精液或精包获取营养收益，例如一些蝴蝶（Torres-Vila and Jennions, 2005）和丛林蟋蟀（Hockham et al., 2004）；或是雄性会献给雌性一些物质当作“彩礼”，如某种苍蝇（LeBas et al., 2004）。在这些例子中，雌性与多个雄性交配的优势可能只是获取能量。这在昆虫系统中普遍存在。其他直接的物质收益包括进入雄性领地，甚至有报道描述蛾类可从雄性处获得防捕食者的化学物质（Gonzalez et al., 1999）。
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②生育保障：与不止一个雄性交配可以使雌性未受精卵子的比例降至最低，因为与之交配的雄性可能最近与其他雌性交配过而精子耗尽，甚至完全不育，或者一个雄性的精子量不足以使一个雌性的卵全部受精。一些种类的交配系统似乎已经证实了这一点（Osikowski and Rafinski, 2001）。雄性的双带锦鱼（Thalasomma bifasciatum）在一些情况下表现出有趣的转变，雄性在雌性产卵过程中释放的精子总数表现出显著差异，而最受雌性青睐的雄性的精子产量反而较少（Warner et al., 1995）。
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（2）间接收益
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上述情况中，雌性的收益是直接的且容易理解。而接下来描述的益处则并不明显。其中，最有可能的情况是雌性的行为的目的是提高后代的遗传质量，从而间接使自己受益。这种基因优化的方式主要概括为：
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①基因交易升级：雌性与一个雄性交配完，如果随后遇到拥有更加优良基因的雄性，会再次发生交配行为。孔雀鱼中的一些证据显示，这是鱼类重复交配策略的一个影响因素（Pitcher et al., 2003）。
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②促进精子竞争：雌性与几个雄性交配的遗传品质通过精子活力来评估，如粪蝇（Scathophaga stercoraria）（Hosken et al., 2003）。后交配的选择可能涉及雌性的直接行为，即隐秘的雌性选择。例如，雌性岩虾（Rhynchocinetes typus）根据所感知的雄性质量对其精包进行巧妙处理（Thiel and Hinojosa, 2003）。
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③“两头下注”：因为无法直接评估雄性质量，雌性会“两边下注以避免损失”，与多个雄性交配确保至少能有一些高质量的后代产生。如雌性杂色鳉（Cyprinodon variegatus）的多重交配模式（Draud and Itzkowitz, 2004）。
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④避免近亲繁殖：如果雌鱼与近亲交配的概率较高，而亲属又不好辨认，多重交配则减少了产生大量近亲交配后代的机会。如河堤田鼠（Myodes glareolus）（Ratkiewicz and Borkowska, 2000）和蟋蟀（Tregenza and Wedell, 2002）的交配行为。
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⑤遗传互补性：雌性与多个雄性交配可以将其卵与基因不兼容精子受精的成本降到最低。一些研究支持这种假说，如对伪蝎目（Newcomer et al., 1999）和果蝇的研究（Clark, 2002）。
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⑥杂合性最大化：雌性与多个雄性交配会最大化后代关键基因位点的杂合性，这与物种活力和二次选择性状直接相关（Brown, 1998）。
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大多数关于雌性多交配行为的研究都是在鸟类中进行的，而类似行为在鱼类中同样普遍。随着研究工作的持续多样化，可能会发现新的模式。而笔者只能做一些归纳总结。性别角色逆转仅限于少数鱼类，如海龙鱼科。相比之下，各种各样鱼类的大范围产卵和由雄性主导的被动型多重交配是非常常见的。因为在鱼类中雄性无法直接控制雌性，导致一雌多雄制可能不太常见。值得注意的例外是胎生鱼类，这种情况下的性胁迫和一雌多雄制可能会显著地促进雌性交配模式向胎生进化（Magurran, 2001; Plath et al., 2003）。主动型多重交配同样普遍存在。生活在水中的鱼类，其直接食物供应并不受限，因此鱼类获得的物质收益不太可能对其生殖交配系统产生重大影响，生育保障更可能是驱动雌性多重交配行为的直接收益。在间接机制中，雌性确保其后代的遗传质量很难在个体水平进行评估。尽管如此，一雌多雄系统较为普遍，且被多数物种采用，虽然在选择雄性时很难对其质量进行评估，但该系统可以有效避免由于基因不相容或近亲繁殖导致后代出现严重问题。
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如前所述，一雌多雄结合产生后代可能是由不同因素驱动的进化结果驱使的，严格的一雌多雄制是指在一个生殖周期中雌性与几只雄性交配，而雄性只与一只雌性交配。
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一些雌雄鱼类角色完全颠倒，雄性为后代提供所有照顾，雌性比雄性具有更强大的选择权，也就是所谓的经典的一雌多雄制。某些种类的海龙似乎是典型的一雌多雄制，大量的实质性研究都集中在这一物种上（Berglund et al., 2005）。Andersson（2005）提出了经典的一雌多雄制进化的三个步骤。首先，必须出现雄性抚育，这种情景不难想象，因为雄性抚育是双亲抚育中最常见的。其次，雌性必须能够在巢穴或领地中产下数量足够多的卵。最后，雌性必须相互竞争才有获得雄性的机会。在海湾海龙（Berglund et al., 1989; Berglund and Rosenqvist, 2003）中，雌性的确能够产出超过雄性“容纳量”的卵，而分子标记也证实多达4个雄性可能携带同一个雌性的卵（Jones and Avise, 1997）。
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某些情况仅部分满足了标准，角色并未完全颠倒，但仍然可以观察到一雌多雄制现象。一雌多雄制的天竺鲷（Apogon notatus）是很好的例子，其性别角色逆转似乎并没有发生，由于雌性死亡率偏高导致有效性别比（operational sex ratio, OSR）仍然偏向于雄性（Okuda, 1999）。在斑带尖嘴丽鱼（Julidochromis marlieri）和坦噶尼喀湖的丽鱼中，大的雌性个体产出的卵超过单个雄性的保卫能力，此时雌性会在不止一个雄性的巢中产卵（Yamagishi and Kohda, 1996）。另一个可能的例子是日本琵琶湖特有的淡水虾虎鱼（Gymnogobius isaza）。在任何一个繁殖周期内，雄性不接受第二个雌性的卵，这或许是为了减少真菌感染，此外雄性所能保卫的卵的个数有一个最佳范围（Takahashi et al., 2004）。
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海葵（Amphirion spp.）展示了一种罕见的保卫资源的一雌多雄制，其中一个雌性在每个海葵中控制着几个雄性。偶尔，占主导地位的雌性可能会控制超过一个海葵，从而有了一雌多雄制的交配形式（Moyer and Sawyers, 1973）。Berglund（1997）还引用了一个不同寻常的深海的例子，其雄性个体将身体依附在雌性身上来交配，而一个雌性身上可附着多个雄性，因此从可行性角度来说这是一个一雌多雄制的交配系统。
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（二）混交制的形成与进化
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混交有时被称为“滥交”，指的是在一个繁殖周期内不管雄性还是雌性都与不止一个异性交配。
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我们已经讨论过混交制，其包括许多不同类型的交配情景。个体可能在吸引异性的过程中扮演着重要的角色，例如在马拉维湖中的岩栖慈鲷科鱼，雄性会吸引多个雌性来它的领地产卵（连续的），但是雌性在产每一批卵的过程中会“拜访”多个雄性（Kellogg et al., 1995; Parker and Kornfield, 1996）。另一种情况是，交配的情景很大程度上是被动的，就像播卵情况一样，在这种情况下，“爆炸性的繁殖集合体”（explosive breeding assemblages）一般会形成，且事实上没有个体会选择唯一的伴侣（Thresher, 1984）。在这样的系统中，精子竞争和基因的互补性可能更为重要，尽管这可能很难。一个位于以上两点的遗传型混交制的例子是一些雄性会“偷偷”交配，显然这在鱼类中是很常见的策略，这对一雄多雌交配系统有很大的影响（Jones et al., 2001）。在通常情况下，交配双方可能都没有意识到它们的配子与其他异性配子结合，在某种意义上它们都是被动的，但是“偷偷摸摸”的雄性则不是。作为生命周期中的一个阶段，“偷偷摸摸”的交配策略可能是固定的，也可能是可塑的。那些较年轻或体型较小的雄性无法保卫领地，便会采用这种策略。在某些物种中，所有的雄性会适时地选择上述策略，例如虎科鱼类，弱小的雄性常常是附近许多雌性的“群主”（Ohnishi, 1997）。一般来说，“偷偷摸摸”者均为雄性，尽管有记录显示雌性也可作为“偷偷摸摸”者（Henson and Warner, 1997; Johnston, 1996）。棕色光鳃鱼属雀鲷（Chromis multilineata）中，雄性会拒绝此类雌性进入到其巢穴，但这些雌鱼会潜入其中并在雄性阻止之前产下卵。在蓝鳃太阳鱼（Lepomis macrochirus）中，雄性会竭尽全力避免其他雄性“偷偷”排精的行为，而阻止的成本是很大的（Neff et al., 2004）。在血副鳚（Parablennius sanguinolentus）中，雄性能忍受这种“偷偷摸摸”的行为，这表明雄性可能会获得一些额外的收获，或是“偷偷摸摸”者并不会那么容易成功产生后代（Oliviera et al., 2002）。
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第五节 交配系统的决定因素
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一、系统发生的制约
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尽管许多鱼类具有各种繁殖策略，但这些策略的执行在某种程度上或多或少受到系统发育的制约（Thresher, 1984; Goodwin, 1995; Gross, 2005）。因此，一个群体祖先的状态很可能对现存的群体成员有很大的影响，因为有些策略很可能是逐步进化而来（Reynolds et al., 2002; Ah-King et al., 2005）。例如，单配制就不太可能从古老的混交制进化而来，更可能是从一雄多雌制进化形成。随着鱼属和科之间分子标记系统有效性的提高，系统发育的影响将得到有效评估，而这一领域的发展正在逐步推进（Goodwin et al., 1998, 2001; Reynolds et al., 2002）。
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二、生物因素
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Barlow（1984）观察到，至少在淡水鱼中，单配制的群体似乎占很大比例。小型鱼的代谢率比大型鱼类高，因此，在理论上小型雌鱼可以通过在产卵后遗弃雄鱼来增加其适应性，并与另一雄鱼再次交配。大型雌鱼可能没有足够的时间完成二次交配，因此其最好的策略可能就是与雄性生活在一起，彼此协助并共同护卵。
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如果配偶之间熟悉度较高导致两次交配之间的时间间隔变短从而使得繁殖成功率变高，那么单配制可能会比多配制更高效，坦噶尼喀湖的蓝带桨丽鱼似乎就是这样的一个案例。雌性在没有雄性的帮助下会释放出更小的、发育较差的后代个体，导致存活率降低，同时也会增加两次产卵之间的时间间隔（Gruter and Taborsky, 2004）。这个假设或许有助于理解海马（Hippocampus fuscus）的单配制，其后代的数量随着配对形成时间的增加而增加。
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三、两性冲突和性比偏移
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两性冲突对交配系统潜在有效性的影响是一个相对较新而又充满活力的研究领域（Henson and Warner, 1997; Cameron et al., 2003; Chapman et al., 2003; Zeh and Zeh, 2003; Pizzari and Snook, 2004; Hardling and Kaitala, 2005）。雄性和雌性的进化方向可能相去甚远，因此带来适应与应对适应的直接竞争。坦噶尼喀湖的小鳞奇齿丽鱼（Perissodus microlepis）雄性与雌性都看护幼鱼，但是雄性会将后代“过继”给其他鱼，这可能是一个可选择的更划算的养育遗孤的策略（Ochi and Yanagisawa, 2005）。这是否是一种稳定进化的策略还有待观察。类似的冲突也发生在双亲慈鲷科鱼类中（Gruter and Taborsky, 2005）。然而，一般情况下，两性冲突会对多配制尤其是混交制的交配系统产生特别深远的影响，在这些系统中，雄性和雌性的行为可能与异性的进化利益相反，因此这样的系统倾向于推进对抗交配策略的进化（Chapman et al., 2003; Morrow and Arnqvist, 2003）。
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种群中雄性和雌性的种群密度和相对丰富度会在时间和空间上影响伴侣的可获得性（Vincent and Sadler, 1995），同步繁育问题或种群密度偏低会导致单配制系统的进化和维持。在这种情况下，一旦有了伴侣，最好的策略就是生活在一起（Knowlton, 1979; Wittenberger and Tilson, 1980; Wickler and Seibt, 1981; Nakai et al., 1990）。相反，一种性别密度过高会导致不同的交配策略占主导地位。如果一种性别在环境感知和行为中更加突出，例如，不同的捕食压力会导致严重的性比偏离，这反过来可能也会对交配系统产生重大影响（Forsgren et al., 2004）。如果种群在一雄多雌制水平上极其偏向雄性，那么“偷偷摸摸”的行为是不可避免的。
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四、生态与环境因素
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交配系统也会严重依赖于基本生存资源的分配和供应，包括食物、产卵或筑巢地点（Emlin and Oring, 1977）。如果资源很难保护，如许多浮游生物和深海生物，那么混交制的交配系统将会占主导地位（Berglund, 1997）。相反，如果一对个体必须防御同种或异种竞争者抢占领地，单配制通常是有利的。在维持单配制方面，领土防卫是很重要的，相对于单个个体，一对雌雄鱼应该能保卫更大的领地，如白胸刺尾鱼（Acanthurus leucosternon）。配偶一方移除似乎并不会导致领地范围的减小，但是雌性似乎会遭受一些损失而降低摄食率，而雄性似乎不会遭受摄食相关的一些损失（Fricke, 1986; Hourigan, 1989）。资源可能会以间接的方式影响交配系统。例如，一对虾虎鱼在资源丰富栖息地进行自由交配，表明它们在维持着单配制系统（Reavis and Barlow, 1998）。影响通常是复杂的，在海洋中伊夫林（Gobiosoma evelynae）的单配制可能是为抵抗异性侵略而维持，这与配偶可得性和其他的资源竞争相关（Harding et al., 2003）。
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在环境资源不足时，雌性位置较分散，导致雄性无法与多个雌性交配。在海洋鱼类中，这种情况似乎会形成兼性的单配制：在资源丰富的地方，个体是多配制的；然而在资源贫瘠的区域，个体被限制为单配制。在一些鹰斑鲷科（Cirrhitidae）鱼类中，当与它们有关的珊瑚较少或尺寸较小时，个体是单配制，而当珊瑚较多或尺寸较大时，就会形成一雄多雌制（Donaldson, 1989）。类似的情况还发生在金鳍鼓气鳞鲀（Sufflamen chrysopterus）中，单配制和多配制取决于雌性的密度（Fricke, 1980; Kawase and Nakazono, 1994）。
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如前所述，捕食压力也可能会对交配策略产生重大影响。捕食压力较高时可能需要双亲共同保护卵和后代，这种情况会偏向于单配制。在海洋鱼类中，单配制不太可能由双亲抚育来维持，因为几乎所有的海洋生物都表现出无亲代抚育或是频繁的单亲抚育（通常是雄性）。但多刺棘光鳃鲷（Acanthochromis polyacanthus）是个例外。这在珊瑚鱼类中也不常见，因为幼鱼受亲鱼保护而非自由生活，并且亲代会保护子代数月（Robertson, 1973）。
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双亲抚育在淡水物种中更为常见，而其他策略较为罕见。这可能与浮游生物传播率低有关。在淡水物种中，单配制与双亲抚育似乎有紧密的联系，尤其是当鱼苗和卵被保护的时候（Barlow, 1974）。如果对双亲抚育的需求最终导致了单配制的进化和维持，那么在父母一方被移除后，后代的存活率就会降低。在慈鲷科鱼中，对这种假说已经进行了广泛的研究。对于在坦噶尼喀湖中的底栖产卵鱼类托氏新亮丽鲷（Neolamprologus toae），移除雄性会降低后代的存活率（Nagoshi, 1987）。然而，这种影响是在特定年龄才有的，若雄性所看护的鱼苗小于6mm，移除雄性会造成子代全部死亡；若鱼苗长度长于18mm，移除雄鱼则没有影响。小鳞奇齿丽鱼中也存在类似的结果（Perissodus microlepis），其原始的口育形式中卵被放置在底泥上，然后在双亲的口中孵化（Yagisawa and Nshombo, 1983）。在双亲口育的蓝带桨丽鱼（Eretmodus cyanostictus）中，移除雄性亲本会降低后代的存活率，表明只有一个亲本存在时，后代的存活率就会降低（Morley and Balshine, 2002）。在橘色双冠丽鱼（Amphdophus citrinellus）中，成功养育后代必须双亲同时存在（McKaye, 1977; McKaye and McKaye, 1977; Barlow, 1984）。由于存在不适合雄性亲本口腔结构的大型受精卵或对释放后的鱼苗有保护的必要性，双亲抚育在口育鱼类中可能是必要的（Kuwamura, 1986; Balshine-Earn, 1995）。
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交配系统的转换也会随着物理环境的渐变而转变，表明环境变化也可能会对交配系统的进化产生重大影响。例如，Thresher（1984）观察到岩礁鱼类群体里从浮游到底栖的产卵鱼群中有频繁的纬度转变。由外部环境因子对个体的限制可能导致单配制的进化或维持。在高纬度地区，季节性的低温和短日照长度可能会降低雌性在繁殖季节的产卵量，而在低纬度地区发现了明显的雨季（Lowe-McConnell, 1975）。在雄性亲本抚育系统中，当第二次繁殖时间不足时，雌性将选择留在雄性身边共同保护卵和后代。因此，对亲代抚育的选择也会倾向单配制进化。
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第六节 总结与展望
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鱼类展现了更为广泛、多样的交配策略，虽然绝大多数都表现为多配制的交配系统，非社会型的混交制是最常见的交配遗传型策略。单配制则较为稀有，似乎在大型、底栖产卵物种中最常见。有几种策略可以同时出现，随种群和物种的个体差异变化，这种变化取决于多种因素，如资源的分布可用性、有效性比、两性冲突的程度，以及生理驱动的栖息地环境条件。许多鱼类在交配策略的选择上是兼性的，例如当资源处于短缺时，可能会选择单配制，当资源充足时，可能会选择多配制。因此，总的来说，交配策略是一个连续统一的整体，严格地将物种分类为诸如“单配制”“多配制”的尝试是不现实的。尽管这些术语在描述性的分类意义上是有用的，但总是受到案例的限制。随着越来越多关于交配系统信息细节的收集，我们对为什么一些物种为单配制和为什么一些物种的雌性与多个雄性交配的理解将变得更加完善。除去实验方法，像微卫星标记等分子标记的使用将会促进在物种中难以观察到的知识的积累。种群分子系统发生学的发展，也将允许我们用比较严格的方法测试演化假说。更进一步来讲，将个别鱼类作为模式生物（斑马鱼、红鳍东方鲀、青鳉）用于基因组测序项目中，也将让我们以前所未有的详细程度掌握在分子层面上交配策略选择的效果。此外，水下技术的进步也将使我们能够越来越多地接触到那些由于所处的极端环境而无法接触到的物种。
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致谢：我们要感谢Martin Genner的校对和编辑，以及Martin Genner、Jonathan Ellis和Derek Dunn的评论。
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参考文献
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第九章 鱼类的繁殖策略
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第一节 导言
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世界上有3万多种鱼类，不仅形态和生活方式各异，其繁殖策略也多种多样。在漫长的进化过程中鱼类形成了许多不同的生殖模式。例如，Breder和Rosen（1966）、Balon（1975, 1981）和Thresher（1984）对鱼类繁殖方式进行了综述。本章概述在鱼类各种生活史中的不同繁殖模式以及鱼类的不同的繁殖策略。
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第二节 生殖方式
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一、卵生
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卵生主要指雌雄鱼分别将未受精卵与精子排出体外发生受精的生殖形式。而体内受精主要发生在一些非胎生的鲨鱼类和鳐形目鱼类，以及少量的硬骨鱼类。Balon（1981）将上述体内受精的非胎生鱼类分为2类：第一类为专性卵黄营养型（obligate lecithotrophic live-bearers），指卵在体内受精，在雌性生殖系统内孵育，直至受精卵发育至胚胎期或幼鱼，以卵黄为营养源；第二类兼性体内受精型（facultative internal bearers），指在正常的卵生鱼类中通过关闭生殖孔通道，偶尔发生体内受精，受精卵可能在雌性的生殖系统中保留至其完成胚胎发育早期阶段。
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二、胎生
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胎生为一种亲本依赖型抚育方式，在这种情况下，受精卵在母体内停留一段时间，释放的子代为自主游动的幼鱼。胎生的先决条件是与雄性交配完成体内受精，这就需要雄性具备形态学上与雌性不同的交配器官。受孕鱼只繁殖数量很小但相对个体较大的幼鱼，这些幼鱼有更多机会生长存活到成年。Balon（1981）将这一生殖方式称为“胎生”（viviparous）。
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母体额外营养（matrotrophy）是指由母体所提供的受精与分娩之间的胚胎发育所需营养，而卵黄营养（lecithotrophy）指的是卵母细胞发育过程所积累的胚胎发育营养。鱼类中，胚胎营养是包括从单一的卵黄营养到额外的母体补偿营养的连续统一体。许多种群中母体额外营养已经在卵黄营养的祖先基础上发生多次独立进化（Wourms and Lombardi, 1992; Texler and De Angelis, 2003）。母体额外营养的益处尚不清楚。有人提出，卵黄营养在变动的环境中更有利，因为胚胎发育所需的所有能量需求都已预先准备完成（Wourmsa and Lombardi, 1992）。
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许多鲨鱼物种已经进化出给未出生后代增加可获得食物量的方法，其后代在出生时体型更大、发育更好，更有可能在海洋中生存最危险的第一周存活下来。在鲭鲨中，有些种类只会产生少量发育潜力大、营养物质丰富的卵细胞，此时，每个卵巢只产生一枚卵子，许多不可育或营养物质贫瘠的卵细胞成为子宫内不断生长的幼体的饵料，这一过程被称为食卵。Balon（1981）将这一群体称为母体额外营养的食卵型和子宫食同胞型。类似的例子还有鼠鲨（Larrma nasus）（鼠鲨目、鼠鲨科）。
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在锥齿鲨中（Carcharias taurus）（软骨鱼纲Chondrichthyes、鼠鲨目Lamniformes、锥齿鲨科Odontaspididae），发育中的胚胎在子宫内存在同类相食的情况。在母体内时，幼鱼不仅以其他受精卵为食，也会吃卵巢内正在发育的其他胚胎，直到只剩最后一个（Compag et al., 2005）。在西印度洋矛尾鱼（又名东非矛尾鱼，Latimeria chalumnae，肉鳍亚纲Sarcopterygii、腔棘鱼目Coelacanthiformes）中也有类似报道（Musick et al., 1991）。雌鱼会产生较大的有卵壳包围的卵，受精后，并不是所有胚胎的发育速率均一致。第一个离开卵壳的幼鱼不仅会吃大的卵，而且还会吃其他还处于发育早期阶段的胚胎。其结果是，仅有很少的后代产出，但这些后代的生长发育良好，从而增加了其发育成熟的机会。
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Greven（1995）对几种胎生淡水鱼进行了综述。花鳉科（Poeciliidae）、四眼鳉科（Anablepidae）、谷鳉科（Goodeidae）（鳉形目）和科（颌针鱼目）鱼类是卵胎生或胎生。以上四个硬骨鱼科中，雌性亲本为卵巢中发育的子代提供营养。为了准确判断一个物种是否归类为胎生，需对子代和母本之间的营养关系进行检测。在卵黄营养的胎生种类中，胚胎发育完全依赖于卵形成期间的卵黄储备。然而，在母体额外营养的胎生种类中，处于妊娠期的母本至少在一定程度上为子代发育提供营养。“孵卵器官”通常指卵巢，卵母细胞在卵泡中发育，并被一个逐渐减小的包膜（放射带）包围。受精后，胚胎或在卵泡中发育（卵泡内妊娠的有花鳉科、四眼鳉科、科），或从卵泡中释放出来并在卵巢中发育（卵巢内妊娠的有青鳉科、任氏鳉属的种类，以及一些科种类）。此类繁殖策略的先决条件是体内受精，需要雄性的生殖孔逐步进化为一个交配器官来实现。一些种类（不包括谷鳉科）将精子储存在卵巢上皮组织的褶皱当中。当胚胎组织与母体组织紧密相连时就形成了类胎盘结构。根据所涉及的组织形态，其可分为卵泡状胎盘（花鳉科、四眼鱼科种类和一些科种类），一种营养体胎盘（谷鳉科）或一种鳃状胎盘（任氏鳉属种类）。在卵泡内妊娠和母体提供额外营养的条件下，如矮小胎鳉和美丽异小鳉，母体血清中的营养物质等大分子需要穿过毛细血管内皮、卵泡上皮和缩小的卵膜。之后，它们会被胚胎表面的特殊细胞所吸收。在卵巢内妊娠和发育的鱼类（谷鳉科）中，大分子物质经母体血清穿过毛细血管和卵巢上皮进入卵巢腔内。这些物质被胚胎后肠衍生出的覆盖了特殊营养索（营养联系带）的细胞重吸收，并被运输至胚胎血管中。在一些花鳉科鱼类的研究中发现异期复孕均与母体额外营养有关。在一些特定条件下，胎生是相对成功的繁殖策略，其缺点是雌性的体重明显增加，但这种情况也得到了相应的补偿。而其优点显而易见，却很难通过实验证明。胎生的出现也适用于研究选择压力或促进胎生进化条件的模型，但不一定与实验胎生动物的适应性进化完全一致。此外，胎生在相关类群中已独立进化多次，例如鳉形目鱼类至少进化了三次。
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第三节 产卵类型
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一、筑巢产卵鱼／亲本抚育
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（1）产卵地选择型
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①浮性卵产卵型：浮性的较大卵聚集在含氧量低的水体中；②表层水产卵型：雌鱼所产的卵附着在水面，定期会有雄性释放精液；③岩石产卵型：产出的卵通过纤维附着在岩石；④植物产卵型：卵附着在水生植物上，胚胎不具有黏液腺。
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（2）筑巢产卵型
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①泡沫筑巢型：卵被储存在富含黏液的泡沫丛中，胚胎具有黏液腺；②混杂材质筑巢型：卵被逐个或成簇地附着在任何可用的材料上；③岩石与沙砾筑巢型：黏性卵被储存在沙石建成的圆形或椭圆形的包围结构中；④胶质筑巢型：卵被储存在由肾脏纤维状分泌物组成的巢内；⑤植物材料筑巢型：卵被依附在植物上，胚胎通过其黏液腺分泌的物质依附在植物上；⑥沙质巢：卵被储存后上面覆盖一层沙质，胚胎发育过程中沙子逐渐被洗掉；⑦洞筑巢型：该类型具有两种主要模式——具有中度发育的胚胎呼吸系统的洞顶筑巢者和具有高度发育的胚胎呼吸系统的洞底筑巢者；⑧海葵筑巢型：黏性卵在海葵的基部聚集成簇。
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二、其他产沉性卵鱼类
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（1）开放水域产卵种类
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①幼鱼以浮游状态生存于岩石和沙砾中的产卵类型：卵最初为沉性，随后上浮，逐渐转变为浮游幼体。②幼鱼以底栖状态生存于岩石和沙砾中的产卵类型：胚胎通常位于石头下面。③非限制性的植物型产卵类型：卵依附于水中的物体上，自由漂动的具有黏液腺。④限制性的植物型产卵个体：卵膜依附在水下的死亡或生活的植物上，胚胎也具有黏液腺。⑤沙质产卵类型：卵会沉积在沙子表面的流水中或者附着于沙中的水生植物细根上。胚胎不具黏液腺。⑥陆地的产卵类型：卵黏着于潮湿水面之外。
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（2）藏卵类型
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①沙滩产卵类型：在高潮线之上产卵。②年度产卵类型：有一个兼性的滞育期和两个专性休眠间隔。卵和胚胎可以在干燥的泥土中存活数月。③岩石和沙砾产卵类型：卵被埋藏在砾石洼地或岩石间隙中，早期孵化的游离胚胎畏光，直到稚鱼期才自主游出。④洞穴产卵类型：较大的黏性卵被藏在空隙当中，新生的幼鱼个体较大。
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在几种鲨鱼和一些硬骨鱼类中，卵在雌性的体内受精，并且分娩前可在卵巢内储存数月。这种产卵类型大大减少了卵暴露在外部环境和捕食者威胁下的时间，并且胚胎在母体外发育的时间可能很短。
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表9-2 不同原生鱼类的生态学、卵表结构、卵膜黏性
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三、产浮性卵鱼类
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在珊瑚礁鱼类中，已经发现产浮性卵的鱼类中存在几种行为策略（Shapiro et al., 1988）。其产卵时间和地点的选择依据是尽量躲避其他珊瑚礁鱼类或无脊椎动物捕食受精卵，从而最大化其分散范围；或为在食物分布不规律的水域中生存的浮游幼鱼提供最大的生存机会。浮性卵和幼鱼最主要的优势是可以尽快从浅水中随水漂流走（表9-3），而存在的问题是这些幼鱼还需要返回浅水中去占领其最终栖息地。因此，卵通常被产在风或水流很弱的地方，以减少幼鱼从它们的出生地被冲走（Johannes, 1978）。
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许多大型的珊瑚礁鱼类迁徙到较深的水域产卵，它们的卵和幼虫通常漂浮在水面上，从而远离水底的捕食者和猎食者。个体小的物种，由于其成年个体更容易被捕食，所以通常在它们正常的生活环境下产卵，卵多被产在水面附近，这里远离水底沉性卵捕食者的狩猎范围。
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表9-3 热带海洋鱼类的繁殖策略Johannes（1978）
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珊瑚礁鱼类幼鱼需回到浅海，以完成它们的生命周期。因此，一些物种把它们的卵产在循环水流的附近，以便幼鱼随水流回到浅水区，这增加了它们回归最初的群体的机会（Johannes, 1978）。
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四、特殊的繁育种类
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1．口育鱼
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亲本为保护其卵或幼体不受捕食者和细菌的危害而把它们放在嘴里抚育。在不同的鱼类中发现了几种不同的口育抚育形式：①雄性（父亲）护卵；②雌性（母亲）护卵，这种情况多发生在一雌多雄制的种类中；③双亲共同护卵，通常发生在配对关系较强的物种中。
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在大多数物种中，雄性先为后代准备一个巢。雌性将卵产在其中然后雄性使其受精。因此雄性会将卵含起，在口腔中使其孵化。如果不经过口孵，这些卵就永远不会孵化，因为它们很容易被细菌感染。
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萨罗罗非鱼（Sarotherodon melanotheron，鲈形目Perciformes、慈鲷科Cichlidae）是一种口育鱼类，雄鱼在卵受精之后将其含在口腔内14～18d（Specker and Kishida, 2000）。这些卵留在雄性的口中，直到发育为可以自由游动的幼体时离开。繁殖前的雄性血清中睾酮和雌二醇的水平相对较高，随着口育的开始，激素水平会显著升高，并且会在口育结束时达到最高水平（图9-7）。人工养殖的萨罗罗非鱼展示出雄性和双亲的口育行为。随着口育行为的开始，双亲血清中睾酮和雌二醇浓度开始降低。Specker和Kishida（2000）认为卵细胞的存在会抑制亲本的垂体－性腺轴，该化学信号还会推迟下一次交配的启动。
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辐鳍亚纲的几个目的鱼类已进化出口育模式。表9-1中类出了一些示例。在电鳗亚目中，带状刀鱼、裸背电鳗（裸背电鳗科）均为雄性口育鱼类（Kirschbaum and Schugardt, 2002）。鲈形目的几个科的鱼类同样进化出口育模式，例如鳢科（Channa bleheri, Vierke, 1991）、慈鲷科、蓝纹鲈科（Gramma loretto, Rosti, 1967）、丝足鲈科（Betta splendens, Smith, 1993; Luciocephalus spp., Kokoscha, 1995）、七夕鱼科（Assessor macneilli, Allen and Kuiter, 1975），以及一些拟牛鱼科鱼类。在鲇形目中，海鲇科、疣体鲇科和骨甲鲇科中也进化出口育模式。
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图9-7 雄性萨罗罗非鱼血清睾酮浓度（左）和血清雌二醇浓度（右）的变化
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一些北美洞穴鱼类在它们的鳃腔中孵卵。鳃腔孵育可能由口育进化而来（Balon, 1975）。雌鱼将卵含入口中，并转移至鳃腔中，受精卵在那里将孵化发育一段时间。最后阶段，鳃盖肌肉逐渐松弛，而后代则会掉落出来。据报道，每一尾雌鱼大约可同时抚育70枚直径约为2.3mm的受精卵（Balon, 1975）。
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2．在无脊椎动物体内的繁育
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雌性斯氏鳑鲏（Rhodeus sericeus）会将卵存放在活着的蚌体内。雄性在数种正常生活淡水蚌（珠蚌科Unionidae）附近建立领地。在产卵之前，亲鱼通常花几分钟检查河蚌，这一过程具有高度的选择性。雌鱼每次产2～4枚卵，通过长产卵器将卵插入蚌的呼吸管中。而雄鱼于产卵前后在河蚌的呼吸管中释放精子使卵细胞受精（Wiepkema, 1961; Candolin and Reynolds, 2002）。雄性在求偶期间每分钟释放1～4次精子。和许多淡水鱼一样，鳑鲏精子的寿命很短（Smith et al., 2000; Mills and Reynolds, 2002a, 2002b）。在蚌中产卵后的雌鱼更具攻击性（Candolin and Reynolds, 2002b）。在第一尾雌鱼产卵前，雄性鳑鲏会根据竞争雄性的密度调整其射精速率。当只有一尾雄鱼在场时，其射精率达到峰值，随着其他竞争对手的数量增多而降低。当竞争者超过一尾时，射精速率会降低，这可能是由每一次射精产生的效益降低所致（Candolin and Reynolds, 2002a）。
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在日本的管吻刺鱼（Aulichthys japonicus，刺鱼目Gasterosteiformes、管吻刺鱼科Aulorhynchidae）中，一尾雌鱼会在海鞘类如真海鞘的围鳃腔内产下40～70枚卵（Uchida, 1934; Akagawa et al., 2004）。超过20尾在生殖期的雌鱼聚在一起进入雄鱼的领地。随后，这些雌鱼逐渐分成五组分别检查各雄性的领地，其间一些雌鱼会经常接近一尾雄鱼的领地。求偶分三个步骤：①具有领土的雄鱼冲向雌鱼，停止并返回其领土，雄鱼多次重复这一动作，直至雌鱼离开或进入他的领土。②雄鱼引导雌鱼进入领地内的某个位置。③雄鱼通过接近并停止来指示特定海鞘。在雌鱼检查了它移动的区域后，双方进入尾部互相拍打的循环。管吻刺鱼的卵仅在海鞘类的海菠萝体内发现。在管吻刺鱼的领地内，约40%的海鞘体内有孵化中的受精卵。一尾雌鱼将40～70枚卵产入一个海鞘中，受精卵穿过海鞘的鳃裂孔附着在围鳃腔内。管吻刺鱼的卵是沉性的，有轻微的黏性，几近球形，直径为2.2～2.6mm。海鞘中受精卵的发育几乎同步。雄鱼不会表现出任何亲代抚育的行为（Akagawa et al., 2004）。
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3．雄性“怀孕”和皮肤孵化
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海马和海龙（海龙鱼目Syngnathiformes、海龙鱼科Syngnathidae）进化出独特的亲代抚育模式，它们对其后代的发育投入很大的成本。大多数海龙鱼目物种是单配制，这意味着它们通过多次交配形成的配对关系是非常稳定的。在海马中，卵细胞在雌性的螺旋形卵巢中发育成熟，而这种卵巢结构中含有相对较少的卵母细胞（Boisseau, 1967）。卵呈椭圆形或梨形，橙色半透明，这是由于其食物以含类胡萝卜素的甲壳类为主（Foster and Vincent, 2004）。在交配过程中，雌性将全部卵产在雄性一个特殊的抚育结构中，即所谓的“育儿袋”。卵细胞在“育儿袋”内受精，以确保亲代关系。胚胎在“育儿袋”中发育，这一结构类似哺乳动物的子宫。子代得到保护，不受捕食者的侵害，并通过毛细血管网获得氧气。而雌性在交配后不扮演任何亲代抚育的角色。根据不同的物种和水温（Foster and Vincent, 2004），雄性“怀孕”的时间范围在9～45d。在“怀孕”结束时，雄性会主动将孵化出来的幼体挤出自己的“育儿袋”。刚出生的子代外形类似成年海马，有着坚硬的鳍、躯干和色素（Boisseau, 1967）。出生后它们不再接受父母的照顾。所有海龙科的物种雄性均表现出类似形式的亲代抚育，但“育儿袋”结构有所不同，包括一些海龙科鱼类简单的腹侧黏合结构以及海马中发现的完全封闭的小袋（Wilson et al., 2003）。
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Balon（1975）提出皮肤孵化也是鱼类抚育后代的一种模式。皮肤孵化这一术语指卵细胞和发育中的胚胎黏附到父母一方的皮肤上。Wetzel等（1997）描述了黏附有孵化过程中卵的鱼类皮肤的形态学变化，如委内瑞拉扁蚪鲇（Platystacus cotylephorus，鲇形目Siluriformes、蝌蚪鲇科Aspredinidae）和细吻剃刀鱼（Solesnostomus paradoxus，海龙鱼目Syngnathiformes、剃刀鱼科Solenostomidae）。
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在钩头鱼（Kurtus gulliveri，鲈形目Perciformes、钩鱼科Kurtidae）中，雄鱼会把卵团或卵簇黏附在头部的钩子形结构上。这可能是对低氧和高混浊度环境的适应（Berra, 2001）。
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第四节 雌雄异体和性别转变
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一、雌雄异体
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大约88%的鱼类都是雌雄异体（图9-8）。雌雄个体相互独立，这是由基因决定的。在这些鱼的一生中，性别不会发生转变（图9-9）。然而，成熟个体最终的性别可能并不能反映出最初的性腺发育路径（Devlin and Nagahama, 2002）。性腺可能直接发育成雌性或雄性，或性腺最初是雌雄同体的，后期发展为功能性的卵巢或精巢。雌雄异体存在两种不同类型（Atz, 1964; Devlin and Nagahama, 2002）：①在初级雌雄异体早期，性腺的发育是从未分化性腺直接发育为卵巢或精巢；或者所有的个体最初都发展成卵巢组织，接着群体中一半的个体卵巢退化并被体细胞吸收，这些体细胞最后发育为正常精巢。②在次级雌雄异体早期，所有的性腺最初均表现为间性，后期分化成卵巢或精巢。与雌雄异体不同，在雌雄同体的鱼类中发现了几种不同的类型，包括连续雌雄同体和同步雌雄同体。
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图9-8 雌雄异体和雌雄同体的不同模式
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图9-9 鱼生活史的性别决定途径
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二、雄性到雌性的性转变：雄性先成熟
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此类中，性成熟的雄鱼会缩小精巢大小，发育成卵巢，成为性成熟的雌性。雄性先成熟的鲷类（鲷科Sparidae）和牛尾鱼（牛尾鱼科Platycephalidae）较为特殊，因为它们在拥有功能性精巢阶段的同时还拥有卵巢组织。但当卵巢叶中的卵母细胞直径与经历过两次连续产卵的功能性卵巢中的卵母细胞大小基本一致时，卵母细胞的生长会停滞在核仁期。精巢组织会逐渐越来越少而卵巢部分则逐渐发育成熟。这个基本过程在所有同类物种中均一致（Reinboth, 1970）。
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Hesp等对黄鳍鲷（Acanthopagrus latus，鲈形目Perciformes、鲷科Sparidae）进行了宏观和微观学研究（Hesp et al., 2004），结果显示，该鱼为雄性先成熟的雌雄同体类型。在小于9 cm的个体中，其性腺纤细如丝。在体长8～9 cm鱼的性腺中发现了精原细胞。在体长超过11 cm（图9-10）的鱼体内发现精巢和卵巢组织同时存在。体长在11～19 cm的鱼，其精巢区包含精原细胞、精母细胞，偶尔会有精子，而卵巢区则含有未成熟的卵母细胞。精巢区包括精原细胞、精母细胞或精小叶中的一些精子，或大量的褐色结缔组织，没有精小叶或精子发生的证据。在繁殖期前，一些性腺中的精巢要比卵巢区域大得多，并且含有精母细胞、精细胞和精子。笔者认为，具有这种性腺的鱼注定会成为功能性的雄性。在繁殖期间，雄性个体的精巢区内的精小叶会破裂并释放精子。虽然在功能性雄性的性腺中有少量的卵巢组织存在，但这个组织中的卵母细胞仅从未成熟达到核仁染色质分裂阶段。产卵后，这些性腺的精巢区会缩小到与卵巢区相似大小。因此，这些性腺会恢复到类似于11～19 cm幼体性腺的状态，但体积更大（图9-10）。在非繁殖期，精巢区含有大量的退化组织，并且比卵巢区域要小（图9-10）。在繁殖期前不久，卵巢区包含卵母细胞发育的多个阶段（图9-10），这类鱼在繁殖时注定成为功能性雌鱼（图9-10）。其精巢区非常小，无法在其中检测到生殖细胞（Hesp et al., 2004）。
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鲷科鱼类为雌性先成熟的雌雄同体。然而有综述显示，鲷科鱼类不仅有雌性先成熟的类型，也有雄性先成熟的。据报道，鲷科鱼类都是同步或初级的雌雄同体（Buxton and Garratt, 1990）。组织学研究显示，即使在那些性别分化的种类中，其幼鱼阶段也存在雌雄同体的情况。研究人员认为在鲷科中表现出两种生殖方式：性别转变和“较晚的”雌雄异体。鲷科性腺的性别变化趋势是对这一种类连续的雌雄同体发展的预先适应，在这个种类中生殖成功与个体大小有关，这一观点被普遍接受。在这些物种中，性别转变是一种进化的生殖方式，使个体能够在体型较小的时候经历另一性别的生殖阶段，进而使它们的繁殖成功率最大化（Buxton and Garratt, 1990）。
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图9-10 黄鳍鲷（Acanthopagrus latus）一生中卵巢内变化过程的图解
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三、雌性到雄性的性别转变：雌性先成熟
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该类型物种中，性成熟的雌性会缩小卵巢，发育为精巢，成为功能性雄性。雌性先成熟的雌雄同体已经在鲯塘鳢属（Coryphopterus）（鲈形目、虾虎鱼科）的几个种类中被证实。这一属具有广泛的地理、形态和生态多样性。雌性先成熟的发生表明雌雄同体是一种祖先遗传，而不是最近才出现的一种情况（Cole and Shapiro, 1990）。卵巢中没有明显的精巢组织，一旦性别转变完成，次级精巢中不再有卵巢组织，且转变过程中精巢组织首先出现在卵巢腔的边缘。类似于其他雌性先成熟的虾虎鱼科，性腺卵泡与卵巢有关，随后发育成为与次级精巢相关的较明显的分泌性附属性腺结构。
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在某些物种中，雌雄异体和雌性先成熟都可能发生。例如，地中海的杂斑盔鱼（Coris julis，鲈形目、隆头鱼科Labridae）以相同的外形发育为雄性和雌性个体。这些“初级雄鱼”具有正常发育的精巢，并产生正常的精子。然而，雌性开始性别转换后，会使卵巢退化，并建立起一个功能性精巢。这些经历性别转换的雄鱼长得更大，并获得了不同的、更丰富多彩的外形，被称为“次级雄鱼”。在正常的繁殖行为中，只有雌鱼和次级雄鱼参与其中。初级雄鱼只能作为“寄生”或“卫星”来繁殖。它们试图在一对正常繁殖的雌雄鱼排卵排精时在旁边同时释放精子，在各种鱼类和其他脊椎动物中也发现了类似行为（Reinboth, 1957; Laurent and Lieune, 1988）。
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雌雄同体的另一个不同的转变是双向的或相互的性别转变（图9-9）。Munday调查了珊瑚礁鱼类，宽纹叶虾虎鱼（Gobiodon histrio）性别转变表现为结构和模式的连续变化（Munday et al., 1998）。一个群体的社会结构通常包括单个未成年个体或成对的成年异性。宽纹叶虾虎鱼是一种雌性先成熟的雌雄同体类型。所有未成熟的个体均为雌性，当两个成熟的雌性被置于珊瑚群中时，就会发生雌性到雄性的性别变化。另外，当两只成熟的雄鱼被放在珊瑚里时，雄鱼也能变回雌鱼。然而，从雌性到雄性发生性别转换的频率是雄性转换为雌性的两倍多。
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四、同步雌雄同体
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该类型中，每个个体都是同时为雄性和雌性，并能在产卵期间释放精子或卵细胞。这种雌雄同体的现象并不像两种连续的雌雄同体现象那样普遍。这一现象仅出现在少数的鱼类种类中。
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有几种科（Serranidae），特别是亚科的代表种类，都是同步雌雄同体。Thresher（1984）对这些鱼类进行了概述：在性腺中，卵巢和精巢组织是分开的，被称为“区域性雌雄同体”的结构。精子和卵细胞通过不同的开口被排出，从而防止它们混合后发生自体受精。在臀鳍前有三个开口：第一个是卵巢孔，中间的是精子导管口，最后一个是肛门。Smith（1965）认为这种类型的性腺是一种原始的特征，并且认为连续的雌雄同体现象是由此进化而来的。
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导致科鱼类中出现同步雌雄同体的进化的因素尚不清楚（Thresher, 1984）。这种雌雄同体现象通常只在低密度种群中稳定存在，在这种情况下，每个个体都可以适应与它所遇到的其他个体进行交配（Ghiselin, 1969）。然而，这一论点显然不适用于大多数常见的科鱼类。Fischer（1981）研究了大西洋西部的科横带低纹（Hypoplectrus nigricans）的产卵系统。他提出，每一个雌雄同体的鱼都通过参与复杂的产卵行为来保护自己相应的雄性或雌性的利益。首先，每个个体作为雌性在产卵之前都要进行“求偶表演”，且每次只释放几个卵细胞。之后产卵的一对轮换角色：首先，如果其他个体释放精子，则会有个体释放卵细胞，然后这个过程会重复发生，反之亦然。后者会确保每个个体至少有一些卵细胞能受精。其结果就是，即使在较高的种群密度下，这种雌雄同体的类型比相对应的非雌雄同体具有更高的繁殖力（Thresher, 1984）。
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参考文献
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第十章 繁殖的能量分配：成本效益权衡与适应
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第一节 导言
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绝大多数高等生物都必须在生命中特定的时间段内将时间和资源分配到繁殖中，以便在后代中延续其基因。亲本的健康程度依据后代在下一代中所占的比例来衡量。因此，在限定的时间内，对繁殖的最优能量分配，都是对后代数量和生存成本的权衡以及对未来繁育模式的尝试（Williams, 1966; Steams, 1992; Schaffer, 2004; Stevenson and Woods, 2006）。关于这种权衡，生物面临两个基本问题：①个体应该在多大的年龄成熟？②如果个体繁殖启动，那么每一次繁殖中各子代分配的能量比例是多少？有许多因素决定面临这些问题时个体的选择，每种因素各有一套权衡方案。对许多生物体来说，繁殖期是生命中最重要的时期。在繁殖期前，从食物中获得的能量被分配到新陈代谢和器官结构组织中。在繁殖期，这些资源被分配到繁殖的关键步骤中，包括将能量分配到繁殖行为、性特征和性腺组织中（图10-1）。繁殖过程中分配的能量会使其用于个体生命发育的能量减少，从而导致下次繁殖的可能性降低。因此，繁殖中能量的使用与其寿命呈负相关关系（Williams, 1966; Steams, 1992; Schaffer, 2004）。个体所获得的资源总量是有限的，因此构成繁殖的不同组成成分之间资源的分配存在权衡。这种权衡的最佳解决方案取决于个体的一些生物学特性，如性别、大小、年龄、健康状况或能量储存、物种的繁殖系统以及繁殖的时间和繁殖地的物理特征（Wootton, 1998; Schaffer, 2004）。
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生物能量学提供了一个规范的、具有能量流通的功能框架，将生理过程与进化和生态理论联系起来。本章中，笔者基于优化模型，如生活史理论及个体和群体对优化分配模式的影响，来讨论硬骨鱼类繁殖相关的能量分配问题（图10-1）。揭示像鱼类这样种类繁多、分布广泛的类群的一些性能特征是极具挑战性的。由于所发表的关于这一主题的文献非常多，我们仅能通过简要的概括（而不是进行全面的论述），并借助一些例子说明繁殖能量分配理论。
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图10-1 个体通过食物摄入获得的有限能量与维持和生长有关的不同分配途径（实线）
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第二节 繁殖中的能量资源分配
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一、雄性和雌性的性别作用
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在鱼类中有性繁殖占据主导地位，并且几乎所有有性繁殖的生物（除细菌和病毒）都是产生单倍的、单核的配子，通过形成二倍体合子的方式完成繁殖过程（Otto and Nuismer, 2004）。在生物体生活史后期的某个阶段，通过减数分裂再次减少染色体数目，进而形成下一代配子（Jobling, 1995）。配子可能大小相等（同配繁殖，isogamy），也可能（稍微）大于异性（异配繁殖，anisogamy）。在鱼类中，异配繁殖是主要的繁殖模式，即形成一个相对大的卵细胞和略小的精子，这对两性间能量平衡的差异有很大的影响。
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鱼类作为种类繁多的动物群体（Hickman et al., 2004），在其繁殖过程中展示了一系列不同的与性别相关的能量和物质分配方式。交配系统反映了个体在繁殖过程中所获得的配偶数量和雌雄能量分配之间的差异。与单配制相反，一个个体有多个配偶的交配系统，被称为多配制。Berglund从单配制到多配制（一雄多雌制、一雌多雄制和混交），对不同交配制度中繁殖的能量分配进行了综述（Berglund, 1997）。
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大多数的鱼类均表现为雌雄异体（Wootton, 1998）。然而，在硬骨鱼类中也存在连续性或继发性的雌雄同体的物种（Jobling, 1995; Wootton, 1998; Munoz and Warner, 2004）。连续性的雌雄同体指一个生物个体发育至一定阶段时同时具有精巢、卵巢，例如玛拉巴石斑鱼（Epinephelus malabaricus）；继发性的雌雄同体指一个生物个体发育至一定阶段会发生性逆转，如海葵双锯鱼（Amphiprion percula）、黄鳝（Monopterus albus）。某些深海鱼类是连续性雌雄同体物种的典型例子（Jobling, 1995），潜在配偶之间相遇概率可能很低，但当它们相遇并发生交配行为时，每个个体可以同时产生两种配子（精子和卵细胞）。继发性的雌雄同体存在于具有繁殖能力的单性别中，且对能量或体型高度依赖。该种类中性别的变化通常是由体型决定的，雌性的繁殖成功率与体型（产卵数量）的关系更为紧密。因此，继发性的雌雄同体个体的性别转变由能量或身体大小决定，并且通常以雄性开始，只有在达到一定的大小后才改变为雌性（Jobling, 1995; Allsop and West, 2004; Munoz and Warner, 2004）。
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对于生物体而言，幼年阶段是死亡率非常高的时期，但一些适应性进化可以减少这一时期的损失（Roff, 1992）。这些适应性进化体现在对繁殖的额外能量投入，除投入到卵细胞成熟的能量之外，还包括保护受精卵和亲代抚育行为的能量投入（Clutton-Brock, 1991; Mousseau and Fox, 1998; Wilson et al., 2003）。有颌超纲（现属于有颌下门Gnathostomata）和软骨鱼纲（如鲨鱼、鳐鱼和银鲛）通常代表一种繁殖系统，即亲代（雌性）分配相对多的能量给每一个子代。硬骨鱼类（硬骨鱼高纲Osteichthyes）通常是以产生大量子代的方式进行繁殖，分配到每个后代的能量相对较少，通常不具有护卵（幼）行为。然而，在硬骨鱼类的一些目和科中，亲代会保护体外受精卵或体内胚胎，额外增加了对每个子代的能量投入（Balon, 1975; Jobling, 1995; Wilson et al., 2003; Moyle and Cech, 2004; Mank and Avise, 2006）。硬骨鱼类中有21%的科存在双亲抚育，单独雌性抚育较为少见（就科而言，占双亲抚育的7%）（Fleming and Reynolds, 2004）。受精后，亲代对后代的能量投入随着受精或分娩对后代的保护进一步增加。受精后的过程可能涉及雄性／雌性或两者，这可能与典型的雄性和雌性性别角色及繁殖相关的能量收支有关。
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对于具有护卵（幼）行为的物种来说，后代数量可能受保护能力和允许集中养育数量的限制。在能量和资源有限的前提下，雌性分配给一个卵细胞的能量同样受限，但雌雄亲本都可以通过产后保护和抚育的形式增加对子代投入的能量。因此，在这些鱼类的繁殖中，一系列不同的能量分配模式可用于对每一个后代进行能量投入，例如，不同的卵尺寸和成分，或者卵受精后被保护在类似哺乳动物子宫的器官中，也可以另外由亲代一方或双方共同保护或喂养。
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二、性腺能量投入、第二性征能量投入、生殖行为能量投入
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生物体内组织来源通常为可逆体细胞组织（Ps）和已经激活的性腺组织（Pr）。通用能量预算说明了这两个来源之间的典型分配冲突：
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Ps+Pr=C-(F+U+M)
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如果能量预算中其他组成部分在繁殖期间保持不变，则Ps和Pr代表的两个过程可被视为资源的直接竞争者。
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在异配生殖中，与雄性精子的低消耗、低投入相比，雌性卵细胞的发生以及产卵需要大量的物质和能量消耗。雌性个体通常会产生含有高能量的卵细胞（Kamler, 1992），这些丰富的能量是一个受精卵发育成一个独立个体所需的储备。卵细胞是雌性亲本对后代的一项重大物质和能量投入，由于卵细胞的数量与雌性可能拥有的后代数量存在直接关系，因此雌性繁殖产量在很大程度上取决于自然选择，主要是子代数量与每个卵细胞能量投入对存活率影响之间的平衡。涉及子代能量投入的取舍（Smith and Fretwell, 1974; Einum et al., 2004），包括卵的大小和数量之间的矛盾，将在后面详细探讨。不过，为了完成交配，雌性也会投入能量用于一系列形态变化和行为适应（Fleming and Reynolds, 2004）。雌性体型或体质与性腺大小之间呈高度正相关，而性腺大小（卵数量）与后代数量呈正相关，因此，雌性的体型或体质可能决定后代的数量。
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相对于雌性卵细胞，雄性的精子则是低能量、低投入的配子。例如大西洋鳕（Gadus morhua）精巢和卵巢的能量分别约为2.8kJ/g和5.0kJ/g（Lambert and Dutil, 1997）。红大麻哈鱼的对应值分别约为3.0kJ/g和7.0kJ/g（Hendry and Berg, 1999; Berg et al., 2001）。此外，对于形成性腺消耗的能量成本（如DNA复制的成本），一些生产小配子的鱼类所消耗的能量可能比许多生产大配子的鱼类更高。Kamler（1992）综合了20种不同鱼类卵细胞的能量含量，认为一尾雄鱼投入精子生成的能量足够使多尾雌鱼的卵细胞受精。精子数量的增加不可能进一步提高受精率，因此这种雄鱼过剩的受精能力可能源于对雌鱼和卵细胞的竞争。在配子数量足以保障繁殖成功的条件下，即使雄性性腺规格进一步增加，繁殖成功率也很难提高。
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由于雌雄性别角色之间的根本区别，任何与繁殖有关的能量利用的分析都必须考虑到性别。雌性和雄性通用的能量预算方法，例如性腺成熟系数（gonadosomatic index, GSI），由于精巢大小与体型的相关性较卵巢大小与体型之间的相关性弱（图10-2），其准确性出现局限性。由于精巢的能量密度约为卵巢的一半，雌雄性腺投入的能量差异可能大于性腺质量的差异。
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图10-2 总湿重与性腺湿重（左）或总能量与性腺能量（右）的对比图
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雄性配子能量投入相对较少，导致雄性配子数量过剩，因为任何雄性都可以产生足够的精子使多个雌性受精（Forsgren et al., 2004; Munoz and Warner, 2004）。为了吸引异性以提升繁殖成功率，雄性会对第二性征进行能量投入。第二性征可作为对抗其他雄性个体的武器，或作为吸引异性的装饰或指示信号，通常可以表明个体的能量水平或健康情况等其他指标（Dugatkin and Fitzgerald, 1997; Kinnison et al., 2003; Fleming and Reynolds, 2004; Svensson et al., 2006）。这些结构的进化是性别选择的结果，但往往会降低亲代的存活率，并常产生明显的两性异形现象。性别选择被定义为提高交配成功率的性状选择过程（Fleming and Reynolds, 2004; Mank and Avise, 2006），并且对雄性来说更为重要（Darwin, 1871; Anderson, 1994; Fleming and Reynolds, 2004）。这说明雌性和雄性能量预算之间可能存在的差异，雌性通常将大量的能量资源分配到卵巢中，而雄性则更多地分配给第二性征发育和繁殖行为。
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第三节 繁殖时间
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一、第一次性成熟时的大小和年龄——生殖策略和手段
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初次性成熟是生命的一个重大转变。在能量、时间和物质被分配给生长和生存的情况下，资源（重新）分配给繁殖，通常是直接与生长和生存对立的。
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生活史理论提供了一个框架来预测生命周期的能量分配模式，它定义了环境对特定年龄段死亡率、生长和生育力的影响。人们认为，与群体中的其他基因型相比，选择过程有利于具有特定年龄段能量分配模式的基因型，其产生的平均后代数量在种群中所占的比例最高。从数学上讲，种群自然增长的瞬时速度（r）最大化（Steams, 1992; Schaffer, 2004）。
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X代表年龄，r依照欧拉－洛特卡（Euler-Lotka）方程定义，l是从出生到x年龄的存活概率，m是一个雌性在x年龄的预期能量值。如果个体在每个年龄阶段的m+（pv/v0）均为最大值，那么个体所产后代的平均数量最多。公式中，m为1尾鱼在i龄时的繁殖力，p为1尾鱼从i龄到i+1龄存活的概率，v/v0为1尾鱼在i+1龄时的生殖值。
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在每一个年龄段（i），如果1尾鱼最大限度地将其目前的繁殖力（m）和其预期的潜在繁殖力（p v/v0）总和最大化，那么其后代的平均数量最多（Stearns, 1992; Wootton, 1998; Schaffer, 2004）。
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生命史理论建立在欧拉－洛特卡（Euler-Lotka）稳定年龄分布（stable-age-distribution）方程的基础上，假定繁殖力、存活率和生长率是年龄的函数。然而，特定年龄个体的表现可能取决于个体的其他生理特征（Wootton, 1998）。例如，在降低能量储备的情况下，繁殖中的鱼类可能通过降低分配到生殖组织的能量来应对（Berg et al., 1998; Lambert and Dutil, 2000）。可选的策略是以身体状况或能量为代价维持生殖投资，但存在因能量耗尽而增加死亡率的风险。
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鱼类初次繁殖年龄的种内和种间差别很大。这种变化很大程度上是由鱼类生存的各种环境所决定的，影响着繁殖产量与未来生存之间的平衡。一个极端的例子是鲤科鱼类，特别是在热带和亚热带地区的季节性池塘的鲤。它们可以在几周的时间内达到性成熟（Miller, 1979; Simpson, 1979）。另一个极端的例子是软骨鱼纲的大多数种类和硬骨鱼纲的庸鲽属（Hippoglossus）和拟庸鲽属（Hippogbssoides）鱼类，个体在15龄或以上才达到性成熟。即使是在一个种属内，性成熟年龄也可能有很大的不同，例如在鲽形目（Pleuronectiformes）中，有的1年性成熟，例如半滑舌鳎（Cynoglossus semifasciatus）；而有的15年或更长才达到性成熟，如美洲拟庸鲽（Hippoglossoides platessoides）（Wootton, 1998）。鱼类对环境变化的常见反应是加速生长，降低性成熟年龄，这可能伴随着成熟时大小的变化（Aim, 1959; Stearns and Koella, 1986; Wootton, 1998）。相比于生长缓慢的个体，具有较高生长速度的个体的预期繁殖产量（包括能量投入和配子数目）有所增加。
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二、繁殖成本与生存
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个体在每次繁殖活动中应该投入多少能量？目前收入和未来的生殖产出之间的负相关是用微分方程表示的，即增加一个活动的能量分配，就会减少其他活动可用的剩余能量。这一原则也在大量的实证研究中得到证明。特别的是，许多研究是基于鸟类和哺乳动物的研究，它们都表现出对当前繁殖能量投入与繁殖之前亲代生存呈负相关关系（Steams, 1992; Daan and Tinbergen, 1997; Berg et al., 1998; Lambert and Dutil, 2000; Ruusila et al., 2000）。
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产卵场亲鱼的高死亡率或能量供应不足可能导致性成熟的鱼类不经历繁殖过程（Jorgensen et al., 2006），类似的现象称为“休息年”，即本应性成熟的亲鱼性腺发育停滞，可能是由于确定以往产卵历史的方法存在问题。有大量的证据表明，在许多物种中存在“休息年”现象（Engelhard and Heino, 2006; Rideout and Rose, 2006），这一现象是基于后代数量最大化的原则（生活史理论）而做出的选择，因为剩余群体生命周期的生殖产量可能会由于经过“休息年”而增加。
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三、多次生殖和单次生殖
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有的生物可能分配相对大量的资源和能量用于当前的繁殖，完成繁殖使命后即会死去，这是所谓的单次生殖类型。单次生殖的生物体主要包括1年生和2年生的植物、部分昆虫和一些脊椎动物，鱼类以鲑科（Salmonidae）和鳗鲡科（Anguillidae）为代表。大多数鱼类一生中可以多次生殖，多次生殖和对应的生殖次数要比单次繁殖事件更具有现实意义（Schaffer, 2004）。投入到繁殖中的能量和死亡率之间呈正相关关系，单次生殖情况代表了多次生殖的一种特殊情况，即在一次生殖中投入全部可支配的物质和能量。
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鲑科鱼类中的不同物种具有不同的生殖能量分配方式，这些物种常被用于分析繁殖过程中生殖与生存之间能量分配制衡。Kinnison和Hendry指出，太平洋鲑（大麻哈鱼属Oncorhynchus spp.）一般为终生一胎（Kinnison and Hendry, 2004），特征为性成熟个体繁殖后的高死亡率、幼体的高存活率（Groot and Margolis, 1991）。大西洋鲑（鲑属Salmo spp.）通常一生繁殖多次（Fleming and Reynolds, 2004），这是通过改变单次生殖能量的投入来实现的（Charnov and Schaffer, 1973; Schaffer, 2004）。
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单次生殖的大麻哈鱼属有一个共同的系统进化起源，但由于目前的繁殖资源最大化，该生殖形式已完善到无法进一步延长寿命的程度（Kinnison and Hendry, 2004）。单次生殖可以代表一类独立的遗传进化，与其他多次生殖的鲑科物种的区别是在能量分配程度上的不同，而不存在更深层次的区别（Kinnison and Hendry, 2004）。这种平行进化似乎为不同物种的一系列特征做出了巨大贡献，例如大麻哈鱼属（Oncorhynchus spp.）和鲑属（Salmo spp.），鲑属鱼类主要是非溯河产卵和多次生殖的种群，而太平洋鲑营溯河产卵为单次生殖。这表明，平行和趋同进化是造成当前形势的原因。因此，单次生殖的鲑科鱼类的出现并不一定是共同祖先的问题，而是在每一个属中都呈现了趋同的生活史（Kinnison and Hendry, 2004）。
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溯河产卵的大麻哈鱼属的特征是长距离迁徙，这将增加繁殖期的死亡率。这些迁移可能是大麻哈鱼属单次生殖现象起源的必要条件（Crespi and Teo, 2002）。类似的理论也很容易解释鳗鲡科（Anguillidae）鱼类的生殖行为。因为在无法预测的环境中繁殖可能有风险，多次生殖则更具优势，从长远角度来看，这避免了单次生殖中后代全军覆没所带来的不利影响。在这样的环境中，当前的繁殖投入与成年个体存活率之间的矛盾，应该比在非极端的环境中更为明显（Sibly and Callow, 1983; Wootton, 1998; Schaffer, 2004）。
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相对于多次生殖的鳟属鱼类来说，单次生殖的大麻哈鱼属鱼类似乎增加了对第二性征的能量投入，特别是背部凸起和下颌区域增大，这在红大麻哈鱼（Oncorhynchus nerka）和细鳞大麻哈鱼（Oncorhynchus gorbuscha）中尤为显著。单次生殖的策略可能会增加用于第二性征的能量投入，然而，这些物种也正经历着最高水平的繁殖竞争（Kinnison and Hendry, 2004）。因此，很难断定是能量的分配问题还是种内繁殖竞争，或是两者都对这些复杂的第二性征的形成产生影响。
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太平洋和大西洋的鲑科鱼类能量投入差异很小。其中一个原因可能是能量限制，即可以投入到不同的繁殖任务中的能量和物质是有限的。因此，雌雄鱼都必须优先保护和维持基本的身体机能，并与同类竞争。在太平洋鲑（大麻哈鱼属）中，种内竞争异常激烈，在其死后仍留有大量的资源，特别是蛋白质（Hendry and Berg, 1999）。进一步将资源分配到性腺中，可能会削弱生殖过程中对身体机能的保护。相对于多次生殖个体，单次繁殖的鱼类消化系统可能是唯一对产卵性能无重大影响的组织。因此，单次生殖的太平洋鲑（大麻哈鱼属）和多次生殖的大西洋鲑（鲑属）之间对消化系统能源分配的差异并不显著。
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第四节 繁殖能量库
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一、卵巢
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每个卵细胞都代表了个体对生殖活动大量的能量投入，因为卵细胞通常为受精卵提供发育所需的卵黄，直到其发育为一个独立的生命并有能力摄取外源性营养。
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典型的卵巢是单个（非对称）或成对（对称）的结构。Bond（1996）对不同类群的卵巢解剖特征进行了阐述，特别的是，软骨鱼类卵巢或“育儿袋”可以给后代分泌营养物质（Balon, 1975），因此，软骨鱼类与典型硬骨鱼类的卵细胞成分可能差异较大。硬骨鱼类卵通常含有20%～40%的干物质（主要是蛋白质和脂肪），其能量含量范围在5～8kJ/g（Jobling, 1994）。在卵巢或卵母细胞中仅合成少量卵黄，而肝脏是生成卵黄蛋白原的主要场所，并从肝脏运输到卵巢。例如，在鲑科鱼类的卵黄发生过程中，卵母细胞的直径可能会增加100万倍，从50μm到约5mm（Jobling, 1994）。Kamler（1992）总结了各种鱼类种内种间以及个体内卵的大小和组成，发现物种之间卵大小的变化非常大，最小的卵直径在0.3mm以下（墨西哥海Cymatogaster aggregata），而最大的卵直径在85～90mm（西印度洋矛尾鱼Latimeria chalumnae），最大的卵湿重约为最小卵的3000万倍（Kamler, 1992）。
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确定分配给性腺的能量和物质是一个相当实际的问题，特别是对于批量产卵的物种来说。目前测量批量繁殖力的方法可能并不适合测量年繁殖力（Manning and Crim, 1998; Kjesbu et al., 2003）。由于卵母细胞的快速水合作用，基于卵母细胞质量测量的繁殖能量投入变动相当复杂，特别是测量不同成熟度的雌性时，会造成相当大的误差（Manning and Crim, 1998; Kjesbu et al., 2003; Hesp et al., 2004）。
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二、精巢
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典型的精巢是单个（非对称）或成对（对称）的结构。Bond（1996）对不同类群的精巢解剖特征进行了综述。精巢的大小可能与体型并无直接关系。通常情况下，雌性卵细胞数量的增加与体质量的增加直接相关，与之相反，雄性的性腺大小和肥满度通常与体质量没有直接关系。生殖系统发生巨大变化时，雄性对精子的能量投入模式多样。导致这种多样性的主要因素包括体内和体外受精、繁殖时雄性和雌性相遇的概率，以及同性和异性之间的竞争（包括与其他雄性精子竞争和与雄性间的竞争）。
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雄性通常积极参与求偶、繁殖领地的防御及与其他雄性争斗。这些繁殖行为的成本通常被忽视，但实际上雄性精巢的发育和繁殖活动所消耗的总能量超过雌性，因为雌性通常将大部分生殖能量用于性腺中。也就是说，雄性的主要生殖成本侧重于行为而不是精巢，在生殖行为代谢（Mbeh）而非在性腺发育（Pgon）方面投入能量较多。
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三、性腺成熟系数
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人们提出了许多不同的指标来描述繁殖能力（Bagenal, 1978; Kamler, 1992; Kjesbu et al., 2003），此处不作细述。繁殖能力最常用的一个指标是体质量与性腺质量的比值（即性腺成熟系数gonadosomatic index, GSI）。其他指标包括在繁殖中输出和摄入的能量比，用符号Pgon×100/C表示。这类指标的使用应该是受限的，因为C（消耗／摄入）难以确定，因此Pgon会低估生殖投入（Kamler, 1992）。
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GSI的计算并不标准，因为体质量没有明确是否包含性腺，而去性腺质量是不包括性腺在内的身体总质量。
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GSIgross=100×性腺质量／体质量
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或
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GSInet=100×性腺质量／去性腺质量
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GSI的两种表达方式略有不同，基于体质量的GSI将比基于去性腺的GSI的值更低。在性腺相对于体质量较小的情况下，两者之间的偏差较小。由于湿重的变化往往反映了水含量的变化，所以GSI也可以直接用干重表示，从而避免了以湿重衡量生殖能量投入所产生的误差。虽然该指数提供了一个描述性腺随时间变化的简单工具，但它存在一系列的缺点。以去性腺质量为基础的GSI是在特定时间内对个体的性腺大小进行真正的质量预测。然而，GSI的改变可能反映性腺或体组织的重量变化，即不同个体间的差异也可能是由体质量与性腺质量之间的异速生长所致。因此，只要有可能，GSI就应该以适当的回归分析代替。尤其是当身体和性腺大小或能量含量之间的关系涉及测试特定假设的统计分析时，回归分析更加可靠。
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成熟雌性的GSI在种内和种间都存在着巨大的差异，鲑科和鲤科鱼类中，通常在GSI 20%～30%时达到性成熟（Wootton, 1998）。在其他一些鱼类中，成熟卵巢重低于体质量的5%，而成熟雌性慈鲷科的白斑口孵非鲫（白斑罗非鱼Oreochromis leucostictus）的GSI仅为3%（Welcomme, 1967）。同属于虾虎鱼亚目（Gobioidei）的不同物种，其性成熟时的GSI范围甚至达5%～30%。
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四、对个体后代的资源分配
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雌性投入到每一个后代的能量可能对体质（身体健康）产生显著影响（Crespi and Semeniuk, 2004）。卵生雌鱼投入能量的一个重要结果是卵尺寸和包含的能量。从较大卵中发育而来的幼体体长更长，并有较高的生长率和较好的体质（Hutchings, 1991; Roff, 1992; Heath and Blouw, 1998; Einum et al., 2004）。因此，在所有其他条件相同的情况下，通常是大的、能量丰富的卵细胞有利于后代发育。卵细胞不能无限生长，不仅因为雌性能向卵细胞提供的资源有限，更是因为卵细胞的大小最终受输卵管直径的限制（Roff, 1992; Bernardo, 1996; Einum et al., 2004; Kolm and Ahnesjo, 2005）。
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在卵细胞能量的最佳分配方案中，母体生长和后代发育经常是矛盾的（Crespi and Semeniuk, 2004）。从进化的角度来看，雌性应该最大化自己的身体机能，而不是子代的身体机能。这种特性很重要，因为母体的健康是子代健康和数量的前提（Smith and Fretwell, 1974; Einum et al., 2004）。如果子代具有相同的基因，那么亲代和子代就不会发生冲突，从雌性亲本或子代体质健康的角度来看，最优卵细胞的大小是相同的。然而，在有性繁殖中，多对多交配的二倍体生物，同胞间的同源性最高为50%，所以子代会通过牺牲其同胞以获得额外的资源。
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亲本投入到卵细胞的能量必须在单个卵细胞所需能量（例如尺寸）和数量之间进行分配。从雌性亲本健康的角度来看，最理想的卵细胞大小应该是子代的体质健康与卵细胞大小的进一步增加不超过雌性亲本体质要求，而雌性亲本能将相同比例的资源投入到每个卵细胞中（Smith and Fretwell, 1974; Trivers, 1974; Mock and Parker, 1997; Einum et al., 2004）。
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亲代与子代的矛盾被认为是脊椎动物中胎生和胎盘演化的根本成因（Crespi and Semeniuk, 2004; Perrand Roitberg, 2006），通常认为这些繁殖特性是由子代调节引起的，以增加父母对每个子代的能量投入。除了生殖器官发育，后代调节可能包括将激素和其他物质释放到母体血液中（Crespi and Semeniuk, 2004）。卵或胚胎能量来源主要分为卵黄源性（能量来自卵黄）和母源性（能量直接从母体提供）两类。在胎生脊椎动物中，营养方式主要为母源性。子代与母体有更为直接的营养联系，因此涉及雌性亲本与子代间的矛盾更加显著。鱼类胎生主要分为三种主要形式：①食卵性，在许多软骨鱼类（鲨鱼和鳐）和硬骨鱼类中，正在发育的仔鱼以其他卵细胞和胚胎（兄弟姐妹）为食（Gilmore, 1993）；②自噬，包括在软骨鱼类所见的胚胎摄取母体分泌物；③胎盘式胎生，在某些软骨鱼类和硬骨鱼类中，胎盘结构的形成表明仔鱼与母体间建立了更为紧密的物质和能量联系（Crespi and Semeniuk, 2004）。随着子代与母体之间的联系增强，子代调节母体输入能量的能力增强了。值得注意的是，在亲本到后代能量和物质转移的调节中，仔鱼产生的激素或其他化合物可能发挥更大的作用（Crespi and Semeniuk, 2004）。亲子冲突在各种生殖系统多样化中的作用目前仍存在争议，未来的研究者必须结合生理、形态和生态数据来理解最终的因素。
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几乎所有母体供能和卵细胞质量的研究仅限于分析不同卵和鱼苗的大小（Brooks et al., 1997; Heath and Blouw, 1998; Balon, 1999）。这种方法受到认可是因为：①许多鱼卵非常小，以至于无法准确地确定其能量含量；②能量含量的测定会使胚胎死亡，从而无法进行后续的评估；③似乎较大的卵细胞包含更多的能量储备是直观合理的。然而，这种方法是存在问题的，因为能量存储或其他因素在给定大小的细胞之间可能存在差异（Brooks et al., 1997; Balon, 1999; Berg et al., 2001; Jaworski and Kamler, 2002）。一些研究表明，卵细胞的总能量与它们的大小相关（Kristjansson and Vollestad, 1996），但只有少数的研究确定了单个卵细胞的脂肪、蛋白质和能量含量（Einum and Fleming, 1999, 2000; Keckeis et al., 2000; Berg et al., 2001）。在三刺鱼（Gasterosteus aculeatus）中除了明显的环境特征影响幼鱼早期生长，强大的基因表达也表现出响应作用（Wright et al., 2004）。
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由于鲑科鱼类拥有比较大的卵细胞，对其卵细胞大小和子代质量的研究相对完善。较大的卵细胞可以孵化出较大的幼鱼（Thorpe et al., 1984; Hutchings, 1991; Hayashizaki et al., 1995），较大的幼鱼具有更强的生存能力、竞争能力、游泳运动能力、生长率和整体适应能力（Bagenal, 1969; Ojanguren et al., 1996; Cutts et al., 1999; Einum and Fleming, 1999, 2000a; Einum et al., 2004）。因此，子代的体质因素应该对母体供给产生强烈的影响，以利于产生大的、能量丰富的卵细胞。然而，在种群中卵细胞大小和数量之间通常相互制约，对于卵细胞生长的总能量投入一定时，雌性要产生较大的卵细胞就必须减少数量（Thorpe et al., 1984; Bromage et al., 1992; Quinn et al., 1995; Heath et al., 1999; Jonsson and Jonsson, 1999）。这些条件为经典亲子矛盾奠定了基础，母体应该通过停止交配（在子代能产生任何影响之前）来控制这种矛盾。有证据表明，大西洋鲑种群的平均卵径确实最大化了雌性亲本的体质健康水平（Einum and Fleming, 2000b; Einum et al., 2004）。
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卵细胞大小的变化已被证明受遗传、母体和环境的影响（Thorpe et al., 1984; Jonsson et al., 1996; Heath et al., 1999; Jonsson and Jonsson, 1999）。在鲑科鱼类中，种群间的差异很大，这些差异可以通过选择的孵化温度（Fleming and Gross, 1990; Jonsson and Jonsson, 1999）、砾石大小（Quinn et al., 1995）和迁移距离（Beacham and Murray, 1993）予以解释。某些情况下，种群间的周年变化被认为是对雌性所经历的生长条件的一种可塑性反应（Lobon Cervia et al., 1997）。身体大小是造成种群内雌性差异的一部分原因，即较大的雌性产生较大的卵细胞（Quinn et al., 1995）和较高的增长率（Morita et al., 1999），但大部分情况仍无法解释。雌性亲本间的差异可能有小有大，而这一现象至今没有合理的解释。
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第五节 总结与展望
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笔者认为生殖是生物学中最重要、相互关联程度最高的一个过程，生物体进化的大部分过程都与生殖有直接或间接的关系。本章重点关注影响鱼类群体生殖系统不同部分之间能量转移的因素。通过能量原理可知，每个个体都应该在将能量投入到与生殖或非生殖相关的各种活动中做出权衡。一系列相互作用的因素，包括个体特征（如性别和表型状态）、同性竞争以及影响生长和生存的环境因素将决定最佳能量分配模式。鱼类是最多样化的脊椎动物群，栖息在各种环境中。与繁殖相关的能量分配模式也相应变化，试图回顾这种变化是一个巨大的挑战。因此，本章并未引用绝大多数鱼类繁殖结果的文章。
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生物能量学提出了通用的手段和模型工具包，具有不同背景的科学家如生理学家、生态学家和行为生态学家可以找到一个共同的平台，以提高对生殖过程的理解和预测能力，进而掌控生命过程。笔者鼓励对生殖分配模式进行进一步的研究，以了解能量平衡中产生的巨大差异，并探究产生巨大差异的根本原因，这些是发现包括鱼类在内的生物体体内生殖能量分配模式多样性的基础。
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致谢：感谢Chris Bingham对手稿提出的宝贵意见。
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第十一章 鱼类繁殖行为对群居社会组织的影响
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第一节 导言
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在硬骨鱼类中，群居行为十分常见。在27000种鱼类中（至2019年，全球已命名约34200种鱼），约有50%的物种稚鱼存在集群生活习性，有25%的物种终生保持这种行为特征（Shaw, 1978）。选择群居，代表了以效益交换为代价的结果，这可能受多种因素影响，包括捕食危险、寄生虫威胁、体型大小、营养状况、资源的分布及可利用性以及生殖策略（Krause and Ruxton, 2002）。物种内和物种间的趋群居性有很大的可变性，例如来自两极的一些物种（特别是深海物种），其包含数以千计的个体，形成极地群体；而其他的物种，特别是淡水物种，形成了更具动态的非两极群体，但个体数量较少。
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虽然有大量的综述性文章涉及群居行为（Godin, 1986; Magurran, 1990; Hoare et al., 2000; Krause et al., 2000），但是关注生殖策略所造成影响的文章很少（Magurran and Macias-Garcia, 2000）。从某种意义上来说，硬骨鱼类具有一定的特殊性，因其具有不同交配系统的组合，例如受精方式有体内受精和体外受精，亲代抚育可能来自单亲（雄鱼或雌鱼）或双亲，性别转变相对而言比较常见（雄鱼也有可能“怀孕”）（Helfman et al., 1997）。不同的交配系统体现交配对象选择程度的变化（Kodric-Brown），例如对于一雄多雌制的物种，雄鱼潜在的生殖率要远远高于雌鱼，这可能会导致强烈的性选择，进而造成在体型、第二性征以及复杂的交配展示方面的雌雄异形（Kodric-Brown, 1990）。相反，当交配选择呈现低水平的时候，例如单配制（一雌一雄制）的物种，性别可能是单型的。然而，鱼类性别二态性模式是复杂的，而且在一些单配制物种中，性别二态性是最复杂的（例如光棒属Photocorynus，Magurran and Macias-Garcia，2000)。
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交配系统的本质以及性别二态性的程度可能会直接或间接影响社交机制的模式（Magurran and Macias-Garcia, 2000），例如生殖策略可能会影响生境利用、活动策略，从而减少发生社交互动的机会。相反，在决定选择群居后，生殖策略可能直接影响社交行为，例如雄鱼可能会更趋向于拥有更大比例的雌鱼的群居区，目的是最大化繁殖成功率。本章将会探讨生殖行为的选择对群居鱼类社会组织的影响，先是回顾了群居生活的代价及益处，为评估生殖行为对社会组织的直接与间接的影响提供基础，进而论述了这些影响的生态以及进化意义。
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第二节 群居的代价及益处
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一、繁殖对社会组织的间接影响
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（一）生境利用
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大量研究表明，不同体长的鱼类对栖息地的利用通常是非随机的（Greenberg et al., 1996; Lightfoot and Jones, 1996; Bremset and Berg, 1999; Croft et al., 2003b）。特定大小的栖息地适应可能是导致社交群体表型分化的重要机制。例如，Croft对孔雀鱼的调查显示，与小规格鱼相比，体长较长的鱼类更频繁地出现在深水区域（Croft et al., 2003b）。这样一个非随机性的分布可能会降低不同大小鱼类的社交互动的机会，并通过体长差别来促进社交群体的表型分化（Croft et al., 2003b）。
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对生境的适应来自于权衡觅食力与捕食风险（Gilliam and Fraser, 1987），特定大小的栖息地隔离可能因为鱼类体长不同，进而造成竞争能力（Bremset and Berg, 1999）以及捕食风险（Post and Evans, 1989; Fuiman and Magurran, 1994）的差异。繁殖策略可能会影响捕食风险，也会影响栖息地上个体的分布情况（Ruckstuhl and Neuhaus, 2002）。例如，对于孔雀鱼来说，在个体大小（雌性孔雀鱼体长更长）、着色（雌鱼体色隐秘，而雄鱼体色更具有多态性且具有明亮的装饰，Houde，1997）、行为（雌鱼在对抗捕食者行为上投入更多的时间）上存在性别差异（Magurran and Nowak, 1991），导致雄鱼因被捕食而出现更高的死亡率（Seghers, 1973; Rodd and Reznick, 1997）。Croft观察到在栖息地存在性别隔离的孔雀鱼中（Croft et al., 2004b, 2006），雄性栖息在浅水区域中与较低的捕食风险相联系（Mattingly and Butler, 1994），而较大比例的雌鱼栖息在深水区域（图11-2）。个体的非随机性分布会影响群体间相遇的机会，这会导致物种内的社交隔离（雌性和雄性群体的非随机性分布）（Croft et al., 2004b）。
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图11-2 特立尼达拉岛的北部山脉的阿里马河（Arima River）群居
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尽管捕食风险可能对于栖息地的适应很重要，但是其他的机制同样也具有一定的作用，例如存在性别差异的繁殖策略可能会导致对环境需求的性别差异现象。Noltie和Johansen的研究结果显示，在实验环境下的雌性和雄性孔雀鱼对水深呈现不同的偏好性，雌性孔雀鱼更偏好浅水区域（Noltie and Johansen, 1986）。Johansen和Cross的研究证实，在一个独立的调查研究中，相比于雌性，雄性孔雀鱼偏好低温（Johansen and Cross, 1986）。这些观察结果可以通过胎生雌性个体增加胚胎的代谢率来解释（Magurran and Macias-Garcia, 2000），这可能会导致在自然环境下不同的性别个体利用不同的栖息地。
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（二）游动速度
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一个群体的表型构成依赖于个体分散和集群的变化，进而受游动速度影响。鱼类中，最佳的游动速度取决于体长大小（Beamish, 1978）。在一个有着不同体长规格的群体中，部分个体可能会被迫以次优速度游动，这可能会导致高耗能，也可能导致由体长决定的群体分化。体长和运动速度的正相关关系作为一个机制被提出，这个机制在大量的分类群体中，按照从小到大的方式产生分化（Watkins et al., 1992; Gueron et al., 1996）。体型大小存在性别差异的物种（由于生殖策略引起的性别差异），运动速度存在的性别差异可能导致性别隔离（Conradt, 1998; Ruckstuhl, 1998）。例如，如果雄性和雌性的运动速度差异很大（性别差异所致），混合性别群体可能会付出巨大代价，导致群体分裂成不同性别和年龄的数个群体（Ruckstuhl, 1999; Ruckstuhl and Kokko, 2002）。对有蹄类动物的研究表明，不同的活动能量收支是解释性别隔离最可能的机制（Ruckstuhl and Neuhaus, 2002）。尽管可进行野外和实验室条件下的研究，但是目前还没有关于鱼类的实验性工作。下一步研究工作应该聚焦生殖策略、体长、性别差异与鱼类活动能量收支和运动速度之间的联系。
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（三）运动策略
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自由活动群体的社会组织可能会受到栖息地中个体运动的影响（Krause et al., 2000），运动的增加会提高个体之间相遇（和混合）的概率（Croft et al., 2003c）。驻留在同一个栖息地对个体可能会有直接的好处，例如，这些好处包括个体留在有利环境的栖息地（Winker et al., 1995; Aparicio and De Sostoa, 1999）以及获取食物、避难所和其他资源的位置信息（Wootton, 1998; Perrin and Goudet, 2001）。相反，动物通过移动降低捕食风险（Gilliam and Fraser, 2001; Schaefer, 2001），逃避严酷的环境条件（Railsback et al., 1999; Labbe and Fausch, 2000），避免近亲繁殖或规避竞争（Pusey and Wolf, 1996），增加潜在伴侣出现的概率（Greenwood, 1980）。
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雌雄个体运动的优势可能不会相同，这导致了许多物种中性别差异的扩散。虽然多种因素（如避免近交和亲缘竞争）可能起作用，但这些偏差与鸟类和哺乳动物的交配系统密切相关（Greenwood, 1980）。相反，鱼类的分布和交配系统之间没有建立起良好的关系，这可能解释27000种硬骨鱼类（至2019年，全球已命名约34200种鱼，参考Fishbase）及其交配系统的多样性。事实上，许多研究发现，性别与运动之间没有任何关系（Aparicio and De Sostoa, 1999; Schleusner and Maughan, 1999）。然而，部分证据表明，在群居鱼类中，交配系统和潜在的性别差异分布存在联系。例如，在卵胎生物种中存在一些雄性偏好运动的证据（Brown, 1985; Chapman and Kramer, 1991; Croft et al., 2003a），雄性交配成功取决于与雌性交配的机会，而雌性依靠投入能量来抚育幼体。由于雄性偏好运动，在这些物种中，雌性之间可能比雌性和雄性之间保持更加稳定的关系（Croft et al., 2004c）。未来的研究应该关注性别和交配系统对鱼类运动模式的影响以及对社会组织的潜在意义。
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二、繁殖对社会组织的直接影响
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（一）体长
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第十二章 鱼类亲代抚育行为及被捕食风险
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第一节 导言
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第十三章 内分泌和环境因素对雌雄异体鱼类性腺分化的影响
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第一节 导言
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包括鱼类在内的脊椎动物，正常情况下其性别通常是由基因型决定。然而，温度等各种环境因素也对一些非哺乳类动物，如爬行类、两栖类和鱼类等的性别决定有很大的影响（Adkins-Regan, 1987）。Yamamoto（1969）使用青鳉作为模式动物进行了一系列实验，结果表明，雄激素和雌激素分别诱导形成完全雄性化和雌性化的个体，据此提出类固醇是内源性诱导剂的假设，即雌激素和雄激素分别是雌性和雄性的诱导剂。此后，科研工作者们对雌雄异体鱼类内分泌调控及性腺分化的影响开展了大量的研究。
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本章主要关注5种模式鱼类，分别为青鳉、尼罗罗非鱼、虹鳟、鲤和牙鲆，以此研究雌雄异体（Gonochoristic）鱼类中的性别决定和分化的机制。在具有XX（雌性）/XY（雄性）性别决定系统（Aida, 1921）的青鳉中，DMY基因（染色体上的DM相关基因），也被称为DMRTIY（在Y染色体上的doublesex和mab-3相关转录因子1），已被确定为青鳉的性别基因（Matsuda et al., 2002; Nanda et al., 2002）。青鳉是具有体型小、代时短、基因组规模小等优点的重要品系（Ishikawa, 2000）。因此，青鳉是分子遗传学研究中极好的脊椎动物模型，可用于分析胚胎发育和性别决定等各种生物学现象。尼罗罗非鱼、虹鳟、鲤和牙鲆是研究性别分化的有效模型，因为同型配子雄性（YY）和性转变雄性（XX）的精子使遗传雌型（XX）的卵子受精可产生遗传型的全雄性（XY）和全雌性（XX）群体（Tabata, 1991; Gimeno et al., 1996; Guiguen et al., 1999）。此外，在性别由雄性异型配子（XX/XY）系统遗传决定的牙鲆中（Tabata, 1991），所有雌性和雄性表型种群可通过分别在18℃和27℃下养殖获得遗传雌性（XX）个体（Kitano et al., 1999），因此牙鲆是研究温度依赖的性别决定机制的良好模型。
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本章将回顾性别决定和分化基本机制的最新发现，然后讨论性类固醇激素、水温和内分泌干扰物对包括5种模式鱼类在内的雌雄异体鱼类性腺分化（sex differentiation）的影响。
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第二节 雌雄异体鱼类的性别决定
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Sry已经在哺乳动物中被确定为性别决定基因（Sinclair et al., 1990）。然而，在任何非哺乳动物的脊椎动物中都没有发现类似的基因。在对青鳉的研究中，使用定位克隆和鸟枪法测序，分离出了Y染色体上性别决定基因的有力候选者DMY（Matsuda et al., 2002）。DMY的全长cDNA序列编码267个氨基酸，包括高度保守的DM结构域。DM结构域最初被描述为与果蝇（Drosophila melanogaster）中的doublesex（dsx）和秀丽隐杆线虫（Canorhabditis elegans）中的mab-3之间同源的DNA结合序列。有趣的是，DMY似乎来源于DMRTI的复制，DMRTI是另一个参与其他脊椎动物雄性发育的DM结构域基因（Nanda et al., 2002）。DMY mRNA在XY性腺发生性别分化前后的体细胞中特异性表达，甚至在通过注射雌二醇而性逆转的XY雌性的卵巢中表达（Nanda et al., 2002），但在XX性腺中不表达（Matsuda et al., 2002）。为了阐明DMY在性别分化中的作用，Matsuda筛选得到具有天然存在的DMY突变体的野生青鳉种群，并从不同的种群中获得具有DMY不同突变体的两个XY雌性（Matsuda et al., 2002）。第一个可遗传的突变体（在外显子3中单一插入且随后的DMY提前终止）产生所有XY雌性的后代。类似地，第二个XY突变体雌性DMY表达降低而XY雌性后代的比例较高。这些发现有力地表明性别特异性DMY是精巢发育所必需的，也是青鳉性别决定基因的主要候选基因。DMY基因也在弓背青鳉（Oryzias curvinotus）中表达（Matsuda et al., 2003）。然而，其他鱼中如西里伯斯青鳉（O. celebensis）、曼谷青鳉（O. mekongensis）、孔雀鱼、罗非鱼、斑马鱼和河鲀中却不存在该基因（Kondo et al., 2003）。因此，DMY似乎是某些特定青鳉属最新进化出的基因。
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第三节 雌雄异体鱼类的性腺分化
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一、卵巢分化
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尼罗罗非鱼间质组织中狭窄空腔的出现代表着卵巢腔的形成，标志着卵巢分化的开始（Nakamura and Nagahama, 1985）。在青鳉和虹鳟中，卵巢初始分化的标志是生殖细胞发生减数分裂导致的生殖细胞增多，进而形成卵巢腔（Yamamoto, 1958; Lebrun et al., 1982）。在罗非鱼卵巢分化期间，在性腺中观察到4种甾体生成酶多克隆抗体的阳性免疫反应，分别为细胞色素P450胆固醇侧链裂解酶（P450scc）、3β-羟基类固醇脱氢酶（3β-HSD）、细胞色素P45017α-羟化酶/17, 20裂合酶（P450c17）和细胞色素P450芳香化酶（P450arom），其中最后一种酶催化睾酮转化为雌二醇，而在性别分化期间，在精巢中未检测到这些酶。此后，P450scc、3β-HSD和P450c17抗体的弱阳性反应在发育30d的精巢中首先出现，但未发现P450芳香化酶抗体的阳性免疫反应。这些结果表明，内源性雌激素是罗非鱼卵巢分化的天然诱导因子。此外，Guiguen等的研究结果显示，用芳香酶抑制剂（1, 4, 6-androstatriene-3, 17-dione）处理幼鱼导致虹鳟和罗非鱼中全雌（XX）群体的雄性化率较高（Guiguen et al., 1999）。在虹鳟性别分化之前、期间和之后采集的性腺中的P450芳香化酶和雌激素受体（ER）基因表达的研究表明，尽管在两性之间的ER基因表达完全没有差异，但在雌性性腺P450芳香化酶基因的表达比雄性性腺高出几百倍，表明P450芳香化酶在虹鳟卵巢分化过程中起重要作用（Guiguen et al., 1999）。在大鳞大麻哈鱼中，在性别分化期间用芳香酶抑制剂（fadrozole, 法倔唑）短暂处理，导致遗传雌性发育为正常表型雄性（Piferrer et al., 1994）。这些结果表明，内源性雌激素对某些硬骨鱼类向雌性分化是不可或缺的。
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二、精巢分化
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在众多鱼类中，尽管精巢中的生殖细胞长期处于静止状态，但性别分化过程中性腺体细胞的形态学变化通常具有性别特异性（Nakamura et al., 1998）。在罗非鱼中，当生殖细胞保持在精原细胞阶段时，可以观察到从生殖腺近端区域延伸到中心基质组织的狭缝状空间（Nakamura and Nagahama, 1989）。随后，在精巢发育过程中该空间被认为是输精管的前体，精子发生始于孵化后50～70d。因此，罗非鱼精巢开始分化的标志是输精管的形成。精巢分化期间未检测到P450scc、3β-HSD、P450c17和P450arom抗体的阳性免疫反应（Nakamura et al., 1998），在罗非鱼的精巢分化中似乎都没有内源性雄激素和雌激素参与。然而，有必要研究在其他鱼类的精巢分化过程中激素的生成情况，因为在性别分化过程中类固醇生成的报道很少。在罗非鱼中，DMRT1mRNA在精巢中特异性表达（Guan et al., 2000）。在虹鳟中，半定量RT-PCR和Northern blot分析表明，与分化后的卵巢相比，DMRT1mRNA在分化后的精巢中高度表达（Marchand et al., 2000）。因此，DMRT1可能在硬骨鱼类的精巢分化中起重要作用。
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第四节 温度对性腺分化的影响
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第十四章 鲨鱼繁殖生态学
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第一节 导言
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鲨鱼繁殖数据的获得是一个缓慢的过程，并且大部分工作仅有生物学家和博物学家在进行。尽管世界范围内已知鲨鱼种类超过350种，生活史已被完整了解的却不超过10种。大部分鲨鱼的生活史不完整或者是通过不同种群、地区、流域组合拼凑的。事实上，对鲨鱼生物学的研究仍在未知中探索。但由于环境恶化、栖息地丧失和过度捕捞（Manire and Gruber, 1993; Camhi, 1998; Baum and Myers, 2004），鲨鱼的生物多样性在减少，但是鲨鱼种群如何随时间发生变化以及它们如何受到环境影响的问题仍然没有得到充分的研究。对于鲨鱼自然种群数量的波动几乎一无所知，表明我们尚未意识到人类活动变化的不良影响（Parsons and Hoffmayer, 2005a）。如果人们接受自然选择关于繁衍的理论，那么就可以提出一个论点，即有机体生物学的所有方面最终都是一套生殖生活史参数。然而，本章主要讨论那些被传统定义为生殖的生活史特征，如出生大小、成熟规格、雌性的最大规格和后代的数量。笔者将利用这些指标对不同物种和栖息地进行比较，并考虑生殖策略、性别隔离、两性异形、交配行为、多重关系、精子储存、育幼场以及繁殖参数的纬度变化等方面。
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第二节 鲨鱼的繁殖策略
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一、卵生
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卵生（oviparous）的鲨鱼受精卵具有厚厚的卵鞘，能够依附于岩石或沉于海底。胚胎仅从卵黄摄取营养，没有其他的亲本抚育方式。坚韧的卵膜为发育中的胚胎提供了唯一的保护，而在这个脆弱的生命阶段，胚胎死亡率非常高（Wourms, 1977）。Nakaya（1975）区分了鲨鱼的两种卵生方式：产单一卵的卵生（下文简称“产单卵卵生”）和产多个卵的卵生（下文简称“产多卵卵生”）。若鲨鱼的每个输卵管每次只形成并储存一个受精卵，即为产单卵卵生，这时孵化时间长达几个月至一年，这种情况仅在虎鲨科和猫鲨科（表14-2）中的109个物种当中存在（Compagno, 2001）。若输卵管中储存多个受精卵并且在储存之前就已开始胚胎发育，则为产多卵卵生，孵化时间相对较短，产多卵卵生发生在喉须鲨科、天竺鲨科和豹纹鲨科（表14-2）的20个物种中（Compagno, 2001）。
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表14-2 鲨鱼8个目34个科的不同繁殖策略（按照系统发育学排序）
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表14-2 鲨鱼8个目34个科的不同繁殖策略（按照系统发育学排序）（续）-1
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在卵生种类的鲨鱼之间存在一些有趣的共性，其中最主要的是营深海底栖生活（Tortonese, 1950）。它们有许多生活在复杂的环境中（如珊瑚礁、硬质底等），便于为子代提供庇护，降低被捕食的风险。此外，大部分卵生种类体型较小，例如喉须鲨科全长31～49 cm，天竺鲨科全长65～105 cm；猫鲨科全长26～115 cm，虎鲨科全长59～135 cm（Compagno, 1984; Cortés, 2000）。孵化中的子代体型也很小（全长7～22 cm），这是由于母体体型相对较小而卵黄囊能够提供的营养有限。同样，对于产单卵卵生型和产多卵卵生型的物种来说，最大母体和最大子代体型之间的相对关系也支持这一结论（图14-1）。较小体型的后代容易被捕食，而繁殖力的增强可以抵消较高的死亡率。虽然大多数卵生种类每年繁殖力的详细数据至今未知，但据估计，雌性每年的产卵量巨大（Compagno, 1984）。在以高死亡率为特征的海底环境中，卵生种类更高的繁殖力使胎生种类在生存竞争中取得明显优势。
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图14-1 产单卵卵生型和产多卵卵生型（F=1.76, R2=0.18, p=0.223, n=9）鲨鱼物种中最大后代规格（TL）和最大母体规格（TL）之间的关系（F=4.54, R2=0.25, p=0.051, n=16）
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二、卵黄营养型胎生（卵胎生）
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卵黄营养型胎生（卵胎生）是一种从卵生进化而来的繁殖方式（Breder and Rosen, 1967; Springer and D’Aubrey, 1972; Dulvy and Reynolds, 1997）。鲨鱼中，卵胎生是最常见的繁殖方式，六鳃鲨目、角鲨目、锯鲨目、扁鲨目、须鲨目和真鲨目6个目19个科约166个物种均以卵胎生方式进行繁殖（Wourms, 1977; Compagno, 2001）。卵胎生鲨鱼仅依靠卵黄囊来摄取营养，没有额外的营养摄取方式。卵胎生鱼类的胚胎在子宫内孵化，这使发育中的胚胎在这个高度脆弱的阶段受到保护，从而增加了存活的机会。
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营卵胎生繁殖的鲨鱼具有高度多样性，很难在这些物种中找到相似点，尽管如此，一些有趣的趋势还是显而易见。与卵生种类类似，除了大型种类鲸鲨（Rhincodon typus），大多数以卵胎生进行繁殖的种类体型较小，营底栖生活。由于鲨鱼需要通过不停地游动以鳃裂进行气体交换，而卵胎生种类不产卵，从而无须因停止游动而影响呼吸，这也是这种繁殖方式的优点之一。后代的体型也相对较小（70%已知物种的全长在20～40 cm，图14-2），小部分种类除外（灰六鳃鲨Hexanchus griseus全长60～70 cm，鼬鲨Galeocerdo cuvier全长70～85 cm）（Compagno, 1984; Cortés, 2000）。此外，最大母体体型和最大繁殖力之间存在正相关关系（图14-3）。最大繁殖能力似乎受母体可供后代生长的空间大小影响，体型较小种类的鲨鱼，例如短吻角鲨（Squalus megalops），全长76 cm繁殖能力较低（n=3），而较大的种类（如R. Typus全长1900 cm）则具有更高的繁殖能力（n=300）（Joung et al., 1996; Cortés, 2000）。体型较小的卵胎生种类受限于营养供应和空间，而大型种类仅受限于营养供应。在体内进行发育是这种繁殖方式的优点，虽然较长的孕期和较小的子宫空间限制了产出后代的数量。
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图14-2 卵黄依赖型物种（n=31）最大后代体型（20～40, TL）和最大母体体型（TL）之间的关系
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图14-3 卵黄依赖型胎生物种中最大后代生长空间和最大母体体型（TL）之间的关系（F=128.6, R2=0.76, p＜0.0001, n=45）
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三、食卵型胎生
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食卵型胎生的繁殖方式是解决卵黄提供营养有限所进化出的一种繁殖方式。在这种方式中，未受精的卵作为额外的营养提供给发育的胚胎。在妊娠初期，每个子宫角内仅存在少量受精卵。短期内（几周）胚胎需要的营养由卵黄囊提供，几周后母体产生未受精的卵为子代提供营养，胚胎发育出贲门胃，被未受精的卵填满。由于需要大量营养，母体通常有一个很大的卵巢，重量可达5kg以上（Gilmore, 1993）。在全长达到5 cm时，胚胎发育出临时性的牙齿来摄食未受精的卵以吸收营养。后代的竞争也使得幸存下来的个体具有较大的体型。食卵行为在鲭鲨目中最为常见，糙齿鲨、长尾鲨、姥鲛、鼠鲨、锥齿鲨都存在食卵行为。尖吻鲨和巨口鲨科似乎也具有食卵行为，但尚未得到证实（Compagno, 2001）。
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仅有很少一部分物种会以这种方式繁殖（n=15）。所有食卵的物种后代个体均较大（全长70～90cm），而其妊娠期也相对较长（通常9～18个月），栖息于海洋的上层或中上层，有利于个体的气体交换。糙齿鲨科、长尾鲨科、巨口鲨科的鲨鱼大多在远洋出生，而姥鲨科、鼠鲨科、锥齿鲨科的种类在近岸海区生活。通常来说，近海种类具有更高的繁殖力（6～18个后代），后代体型较小（母体性成熟时30%的大小）。相比之下，远洋种类繁殖力较低（2～4个后代），但子代体积较大（达性成熟母体的48%）。在卵生和卵胎生物种中发现了产生子代的数目和子代体型大小之间存在平衡关系。营此繁殖策略的鲨鱼需要解决营养限制和生存空间限制的问题。
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四、食同胞型胎生
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子宫内同类相残这种生殖策略仅存在于一个科，即锥齿鲨科的后鳍锥齿鲨［Eugomphodus（=Carcharias）taurus］（Gilmore et al., 1983），子宫中最有优势的子代吃掉它的同胞及其他未受精的卵。在这一物种中，处于妊娠初期的每个子宫中均能发现多达12颗受精卵。一旦这些受精卵沉积，母体开始产生未受精的卵来喂养正在发育的胚胎。一旦第一个子代发育到10～12 cm，就会寻找并且杀死其余的同胞。存活下来的子代会吃掉死去的同胞（子宫内自相残杀）和未受精的卵，并发育出充满卵黄营养物质的胃。后鳍锥齿鲨的胚胎在出生前1～2个月会停止摄食并且会重吸收它们在胃中储存的营养。其他类似于鼠鲨目等产大型子代的种群比其他种群鲨鱼的死亡率要低。
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五、胎盘营养型胎生
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1．胎盘胎生
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胎生种类的鲨鱼在怀孕期间通过胎盘直接从母体向胚胎传输营养。最初，胚胎由卵黄囊提供营养。然而，几周之后，卵黄囊拉长附着在母体的子宫壁，形成卵黄囊胎盘。一旦建立了这种联系，胚胎发育的营养需要通过母体来提供。由于供应和需求的本质关系，胎盘胎生是在鲨鱼中最有效的生殖策略。真鲨目的须皱唇鲨科、皱唇鲨科、沙条鲨科、白眼鲛科、双髻鲨科的73个种采用胎生的繁殖方式（Compagno, 1988）。
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在胎生类鲨鱼中，最大母体与最大子代大小之间具有显著的正相关关系，表明体型大的鲨鱼繁殖出的子代体型较大（图14-4）。此外，最大繁殖力随母体增大而增加（图14-5），最大的母体可产30～40个子代。然而，相对子代大小（最大子代大小／最大母体大小）随母体的增大而减小（图14-6），体型较小物种的子代是母体大小的40%～60%，而体型较大物种的子代仅为20%～40%。
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图14-4 胎盘营养型胎生在不同环境（沿岸，沿海－深海，深海）中最大后代体型（TL）和最大母体体型（TL）之间的关系（F=102.5, R2=0.73, P=0.0001, n=60）
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图14-5 胎盘营养型胎生物种中最大后代生长空间和最大母体体型（TL）之间的关系（F=28.4, R2=0.35, P＜0.0001, n=59）
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大多数胎生种类的鲨鱼为强制游泳保持呼吸类型，在自然界中大多生活在远洋深海。与食卵的种类类似，鲨鱼生存的环境会影响它们的体型大小。为探明环境对子代大小的影响，对真鲨科鱼类进行了变量为环境因素的测试。结果表明，大多数沿岸的鲨鱼体型较小（全长＜160cm），其子代体型也较小［全长（44.9±3.3）cm］；而多数远洋种类体型较大（全长>160cm），并且产生的子代体型也较大［全长（68.4±3.0）cm］（图14-4）。在不均匀的食物分布和被捕食的压力的选择下，仅体型较大的子代得以存活。
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图14-6 胎盘营养型胎生物种中相对后代体型（后代成熟体型／母体成熟体型）和最大母体体型（TL）之间的关系（F=29.3, R2=0.48, P＜0.0001, n=56）
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这种繁殖策略具有若干优点。一是由于子代在母体体内发育，它们在这个关键的生命阶段得到保护。二是由于胎盘的连接，与其他繁殖方式相比，母体提供了更多的营养供应。如果胎生鲨鱼能够为子代提供较多的营养，其子代体型确实会比卵生种类的子代大。繁殖策略对出生体型大小的显著影响（F3, 93=10.6, P＜0.0001）如图14-7所示。此外，在两两比较中，与卵生物种相比，胎生鲨鱼出生时体型更大。有趣的是胎生和卵胎生种类在出生时的体型并无显著差异。
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2．胎生的进化演变
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研究者提出胎生这种繁殖方式已经独立进化至少100次，发生在哺乳动物、爬行动物、两栖动物和鱼类之中（Blackburn, 1995），卵生是鲨鱼进化为其他繁殖方式的最原始状态。然而，斑马鲨（Stegostoma fasciata）是个例外，它由胎生进化为卵生（Dulvy and Reynolds, 1997）。胎生发生了9～10次独立进化（Dulvy and Reynolds, 1997），这区别于其他鱼类群体，这是软骨鱼类中一种常见的繁殖策略。而胎生是最先进的繁殖方式（Wourms, 1977, 1981; Dulvy and Reynolds, 1997）。
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我们很难判断哪个因素导致物种发生生活史变化。然而，一些假说解释了进化为胎生的原因。寒冷气候假说认为在较为寒冷的环境中，卵子留在子宫之中进行温度调节有利于胚胎的发育（Shine, 1983）。但与陆地环境相比，海洋环境的热稳定性更高，并没有足够的证据证明温度是软骨鱼类进化的决定性因素（Carey and Scharold, 1990; Morrissey and Gruber, 1993），表明这一假说也许并不适用于鲨鱼。
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也有另一种可能，胎生是为了应对环境压力，产生体型较大的子代以增加繁殖力。鲨鱼的繁殖策略与子代大小的相关性关系支撑这一假说（F3, 93=10.6, P＜0.0001）（图14-7）。胎生鲨鱼与卵生或卵胎生相比，子代出生时体型明显更大，这支持胎盘胎生进化增加后代的大小这一假说。然而，笔者的研究结果表明，随着母体体型的增大，相应子代的大小反而减小，同时繁殖力增加，这意味着子代大小和繁殖数量之间存在平衡。当母体体型增大时，对其产生更大的子代、产生更多的子代可能更有利，也就是说，体型较小的母鲨鱼产出的子代很少，后代个体相对较大，而体型较大的母鲨鱼产生的后代相对较多，体型相对较小（图14-5和图14-6）。
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图14-7 不同繁殖策略下相对后代体型（后代最大体型／母体第一次成熟体型）
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Crespi和Semeniuk（2004）提出亲代－子代冲突（parent-offspring conflict）在胎生种类的进化中具有重要作用，并导致了动物繁殖策略的多样性。亲代－子代冲突理论（Trivers, 1974）指的是子代即使在子宫内，也有可能与母体在能量分配上存在竞争。在胎生种类中，子代意欲从母体获取的能量多于母体自愿提供的。此外，亲代－子代冲突假说认为亲代和子代在孕期的资源分配方面是敌对关系（Crespi and Semeniuk, 2004），这种繁殖的“竞争关系”引起了胎生形式和胎盘形成的多样性。
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笔者提出了一个最终的假说以解释鲨鱼胎生繁殖方式的出现。许多鲨鱼种类都是远洋的强制游泳换气鲨鱼，永远不能停止游动。鲨鱼在进入远洋环境中时与胎生和不停游泳换气之间协同进化，不能停止游泳使得卵生不能成为最适宜的繁殖策略，而强制游泳换气鲨鱼必须出生在“旅途中”。Parsons（1991）发现窄头双髻鲨以它们“泄殖腔拖动”和“急转弯”向前运动的行为来促进分娩。同样有趣的是，鳐类中生活在远洋中的科（Dasyatidae）、鲼科（Myliobatidae）、牛鼻鲼科（Rhinopteridae）和蝠鲼科（Mobulidae）也是胎生种类。相反，生活在海底的鳐通常体型较小，营卵生。在深海环境中，产生体型较大的子代更有利于其提高自身竞争力，降低被捕食的风险。因为游泳速度与绝对大小之间的正相关关系，更大的子代捕食效率更高（Marshall, 1971）。在远洋环境中，食物往往呈区域化分布，体型大、游泳速度快可能是对于觅食的一种适应。也许近海环境中大量的食物导致了大量较小子代被选择，而在深海环境中则有较多体型较大的胎生后代（图14-3）。
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第三节 鲨鱼的交配行为
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一、雄性交配前的行为
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研究者观察并定义了一些物种雄性交配前的行为（表14-3）。这些行为包括追逐、社会地位分级、嗅、啃咬。Carrier等人发现，雄性铰口鲨会追逐雌性铰口鲨，雄性护士鲨啃咬雌鲨的胸鳍以求交配（Carrier et al., 1994），类似的行为也在养殖的沙虎鲨中出现过。一尾占优势的雄性会紧跟一尾竞争的雄性后面，阻止其尾鳍的运动，同时还会表现出攻击行为，如以快速但较浅的方式撕咬该区域的其他物种（Gordon, 1993）。嗅是指雄性紧紧跟随雌性并用吻部接近雌性的泄殖腔。这种行为在乌翅真鲨（Carcharhinus melanopterus）、后鳍锥齿鲨（E. Taurus）和姥鲨（Cetorhinus maximus）中出现（Johnson and Nelson, 1978; Gordon, 1993; Harvey-Clark et al., 1999），雌性通常会略微抬高尾鳍以示配合。咬痕作为交配期间撕咬的痕迹在许多鲨鱼物种中较常见，咬痕往往是我们推断某个特定物种生殖行为的唯一信息。咬痕是雄性撕咬引起的，在雌鱼背部、侧面、胸鳍或腹鳍上均会出现（Dempster and Herald, 1961; Stevens, 1974; Pratt, 1979; Klimley, 1980; Gilmore et al., 1983; Tricas and LeFeurve, 1985; Castro et al., 1988; West and Carter, 1990; Castro, 1993, 1996, 2000; Gordon, 1993; Carrier et al., 1994; Hazin et al., 1994, 2000; Ebert, 1996; Feldheim et al., 2002）。Stevens（1974）将撕咬类型分成三类：完整的半圆形颌印模（一般为上颌）、斜齿痕和齿痕。雄性的撕咬是雌性交配前的标记过程（Springer, 1960; Stevens, 1974），雌性大青鲨皮肤增厚无疑是对交配撕咬的适应性进化（Pratt, 1979）。
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在更为灵活的物种中，雄性会撕咬雌性（通常在胸鳍的后面和侧面部分）以辅助其与雌性交配。在野生雌性长吻真鲨（Carcharhinus signatus）中发现了交配的疤痕，但这些疤痕并不明显。这意味着该物种在正常交配中并不使用撕咬的方法，或者在捕获之前伤口已经愈合（Hazin et al., 2000）。在野生雌性黑吻真鲨（Carcharhinus acronotus）中没有发现交配的疤痕（Hazin et al., 2002）。而野生雌性黑边鳍真鲨（Carcharhinus limbatus）的咬痕长80～150mm，深达15～20mm，但这些咬痕表明并未刺破腹膜（Castro, 1996）。
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表14-3 鲨鱼生殖行为综述
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此外，在雌性鲨鱼中观察到了逃避交配的行为。雌性护士鲨会向较浅的水域游动以躲避雄鲨（Carrier et al., 1994），或者干脆把胸鳍埋在沙地里以拒绝交配（Castro, 2000）。养殖的雌性肩章鲨（Hemiscyllium ocellatum）试图让它们的腹部表面贴伏于水底，从而保护其泄殖腔（West and Carter, 1990）。当雄鲨啃咬其胸鳍时，雌鲨会进行翻滚企图逃避交配（Pratt and Carrier, 2001）。如果雌鲨不能从雄鲨撕咬中逃逸，养殖的雌性肩章鲨会将背部拱起形成一个圆形阻止雄鲨接触自己的泄殖腔（West and Carter, 1990; Pratt and Carrier, 2001）。在养殖的雌性肩章鲨中观察到了撕咬雄鲨胸鳍的情况。这种行为在雄鲨的交配之前进行，属于由雌鲨发起的求偶行为（West and Carter, 1990）。养殖的雌性后鳍锥齿鲨会撕咬雄鲨作为报复（Gordon, 1993）。在雄鲨尾部抬高的过程中，雌鲨的尾鳍略微抬高（Johnson and Nelson, 1978; Gordon, 1993; Harvey-Clark et al., 1999）。有人提出雌鲨在这一行为中可能会释放一种信息激素来吸引或警告成熟的雄鲨（Johnson and Nelson, 1978），以引起雄鲨的追随。
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虽然已观察到交配行为的鲨鱼种类有限，但某些行为仍受到了关注。在某些物种中，虽然雄鲨会试图使雌鲨处于一个更有利的位置以发生交配。对于毯鲨、猫鲨和角鲨这些更加灵活的种类，雌鲨和雄鲨会相互缠绕。例如，雄鲨会用鳍脚在雌鲨的在第二背鳍前固定她的身体，然后另一个鳍脚插进雌鲨的泄殖腔（Bolau, 1881; Dempster and Herald, 1961; Johnson and Nelson, 1978; Castro et al., 1988; Westand Carter, 1990）。在护士鲨中也观察到了交缠的行为，雄鲨在雌鲨的上面（腹面），或者雌鲨与雄鲨并排紧挨着彼此，雄鲨将鳍脚插入雌鲨的泄殖腔中（Klimley, 1980）。
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在短吻柠檬鲨（Negaprion brevirostris）、哈那鲨（Notorynchus cepedianus）、白顶礁鲨（Triaenodon obesus）和后鳍锥齿鲨中，当雌鲨和雄鲨同时并排缓慢游动时，雄鲨会选择一定角度将鳍脚插入雌鲨的泄殖孔中（Clark, 1963; Tricas and LeFeurve, 1985; Gordon, 1993; Ebert, 1996）。在所有种类中，一旦雄性鳍脚插入雌性泄殖腔，精子立即释放。
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当雌鲨接受雄鲨时，雌鲨对于交配的行为变得顺从，这是一种表示接受的信号。有些雌鲨会表现为动作麻痹而不能抵抗雄鲨进入（Bolau, 1881; Dempster and Herald, 1961; Johnson and Nelson, 1978; Castro et al., 1988; Gordon, 1993）。在护士鲨和后鳍锥齿鲨中，雌鲨的臀鳍会围成杯状，在泄殖腔周围形成一个碗状结构。这会吸引雄鲨的注意，并且与某些信息激素的释放有关（Johnson and Nelson, 1978）。在雄鲨插入泄殖腔之前，雌鲨也会张开尾鳍，充分暴露泄殖腔开口（Gordon, 1993; Pratt and Carrier, 2001）。雌性后鳍锥齿鲨会降低游泳速度或完全停止游泳来提醒雄鲨准备交配（Gordon, 1993），在交配过程中，雄鲨会上下摆动自己的躯体。雄性护士鲨会对雌鲨的泄殖腔进行间歇性的猛烈推动（Tricas and LeFeurve, 1985; Carrier et al., 1994），促使精子从输精管中释放。
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在一些种类中观察到了雄性在交配中合作的现象（Carrier et al., 1994）。雌性护士鲨被六只雄鲨包围，六只雄鲨面对同一方向，第七只雄鲨与其他雄鲨保持垂直，有效地阻挡雌鲨逃脱。在交配的撕咬和滚动开始后，负责阻挡的雄鲨不停上浮下沉来阻止交配对象向前游动，也有发现数只雄鲨撕咬住同一只雌鲨的胸鳍。不同的物种在交配之前的行为不同。后鳍锥齿鲨交配之前的求偶行为会持续三周到一个月，而实际交配仅进行1～2min（Gordon, 1993）。而角鲨（Heterodontus francisci）的交配行为会持续30min（Dempster and Herald, 1961）。
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几种鲨鱼在交配过程中体色会发生变化。Gordon（1993）发现养殖的雄性后鳍锥齿鲨在交配中发生体色变化，这种变化在雄鲨的优势者中更加明显。在护士鲨的交配行为中也观察到了这种变化，其雄鲨体色比雌鲨更深（Klimley, 1980）。在佛罗里达州的佛罗里达湾，雄性窄头双髻鲨接近同类时体色迅速变暗。然而，并不清楚这是否与交配之前的求偶或者与其他雄鲨表示敌意有关。
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二、鲨鱼交配行为的进化
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研究者已经以许多动物模型作为对象进行交配行为的进化研究。在大多数情况下，交配行为是在性选择理论的背景下讨论的。达尔文提出了性选择理论，该理论解释了生物体为了增加繁殖概率而表现的生理和行为特征。用来展示和吸引异性的第二性特征并非自然选择的结果，通常会降低展示者的整体适应性（Andersson, 1994），拥有较明显的性特征的雄性可能会在交配中展现出优势。
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适用于鲨鱼交配对象选择的研究目前存在一些问题。首先，鲨鱼可能不是行为研究的适宜对象，尤其是那些持续游泳的物种。因此，测试交配对象选择理论的方法很难建立。其次，鲨鱼几乎没有明显的第二性征，即吸引交配对象的主要外在特征。当然，雌鲨可以根据雄鲨的鳍脚来选择交配对象，这是雄鲨最明显的第二性征，但是我们并未找到证据证明这种行为。其中一个例外是一些鲨鱼物种在交配前和交配期发生的颜色变化。这种皮肤颜色的加深可能使雄鲨对雌鲨更具吸引力，并增加雌鲨选择的可能性。其他更具体的交配对象选择机制尚未被发现。此外，研究者们在鲨鱼配偶定位机制方面的研究有了一定的成果。
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海洋环境的大小和隐蔽性使鲨鱼定位配偶成为有趣的挑战，笔者认为，信息素可能在这一过程中扮演重要角色。“嗅”行为在一些雄鲨中的存在，表明信息素具有潜在功能。此外，鲨鱼发达的嗅觉和高度发达的运动能力表明它们有可能远距离探测和定位异性。Parsons和Hoffmayer观察到成年雌大西洋斜锯牙鲨（Rhizoprionodon terraenovae）从沿岸水域突然迁移，研究者提出这种迁移可能是繁殖信号引起的（Parsons and Hoffmayer, 2005a）。大西洋斜锯牙鲨雄鲨迁移至密西西比海峡可能是对近海的雌鲨的信息素刺激的回应，也可能是大西洋斜锯牙鲨和其他鲨鱼种类进行竞争，这一行为是早期的寻找和定位交配对象（Thornhill and Alcock, 1983），具有这种行为的物种特征是具有发达的感觉器官和运动器官。
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繁殖能量分配的性别差异也可能在解释鲨鱼交配行为方面具有重要意义。鲨鱼表现出极端的异配生殖且配子之间大小差异极显著。雌鲨产出的卵个体大，富含营养价值高的卵黄，比雄性产出的数百万精子更耗费能量且对子代具有更高价值（Andersson, 1994）。这反过来可能导致雄鲨会选择更适合的雌鲨进行交配。雌鲨与不合适的雄鲨进行交配，将损失更多的能量，因此雌鲨的逃避行为则会导致同性及两性之间的竞争。竞争可能表现在一些雄鲨间互相攻击并导致雄鲨社会等级的分化（合作可能是社会等级的结果）。而雄鲨对雌鲨的攻击可以理解为雄性仅以交配和繁衍后代为目的的攻击。
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三、一雌多雄制、一雄多雌制、精子储存与精子竞争
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1．雄性多次交配（一雄多雌制）
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雄性多次交配是生物体中普遍存在的一种现象。雄性用于繁殖的能量通常少于雌性（Adams and Parsons, 1998），因此，雄性能够更好地进行多次交配，但可能会因交配而增加死亡率。这可能由于某些鲨鱼交配行为较暴力，尤其是雄性体型显著小于雌性（见后文性别二态性章节）。试图与一个不配合的雌鲨交配对于雄鲨来说是极具风险的。然而，繁衍后代的隐形价值高于其所带来的风险。雄性可能通过与尽可能多的伴侣交配来展现出遗传最大化的策略（Becher and Magurran, 2004）。
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2．雌性多次交配（一雌多雄制）
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雌性多次交配在生物体中也广泛存在，多重亲本关系实际上是生物界中一种繁殖方式（Crespi and Semeniuk, 2004）。然而，这种生殖行为的进化机制还不是很清楚（Clapham and Palsboll, 1997; Kichler et al., 1999; Haynie et al., 2003; Eakley and Houde, 2004; Sorin, 2004; Thom et al., 2004）。一般理论认为，与多个个体的交配增加了后代的遗传多样性（Baer and Schmid-Hempel, 2001; Brown and Schmid-Hempel, 2003），尽管由于交配地点和交配本身的风险，多次交配可能会增加死亡率等（Fjerdingstad and Keller, 2004）。然而，相比较于一雄一雌制的雌性，一雌多雄的雌性寿命延长且繁殖力增加（Wagner et al., 2001），在其他种类中多次交配可能导致生殖回报的减少（Lewis, 2004），雌性寻找多个个体交配是为了避免近亲繁殖（Lehman and Perrin, 2003; Mateo, 2003; Stockley, 2003; Hanson et al., 2004）。一种解释是为了增加遗传多样性，雌性会与许多雄性交配（Jennisons and Petrie, 2000; Tregenza and Wedell, 2000; Zeh and Zeh, 2001）。另一种解释是一些生物可能以一雌多雄制为手段来调控性别比例（Brown et al., 2004）。一雌多雄制的物种中，精子竞争也可以成为有性生殖的一种重要的进化力量（Pilastro et al., 2002）．
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已知有三种鲨鱼采用一雌多雄制进行繁殖。Feldheim首次在柠檬鲨（Negaprion brevirostris）中证明了一雄多雌的交配和多个亲本关系的存在（Feldheim et al., 2001a, 2001b）。在另一个案例中，一尾雌性柠檬鲨的子代至少具有三个父本的基因。Feldheim发现86%的柠檬鲨后代具有多个父本，表明一雌多雄制已经在胎生鲨鱼中发生进化，以增加母体与后代之间的基因多样性（Feldheim et al., 2002）。在护士鲨中，一雌多雄制和一雄多雌制都很常见（Pratt and Carrier, 2001）。这可能是因为可交配的个体减少，而一雌多雄制可以减少近亲繁殖。柠檬鲨和护士鲨在交配行为中均表现出了强烈的“归家”冲动，回到各自的保育区进行交配（Pratt and Carrier, 2001; Feldheim et al., 2002）。一雌多雄制也已在窄头双髻鲨中观察到（Chapman et al., 2004），尽管测试的22尾雌鲨中的18尾仅与1尾雄鲨进行交配。一雌多雄的直接证据是Chapman等在美洲（Dasyatis americana）中观察到的，一尾雌鱼和2尾雄鱼交配（Chapman et al., 2003）。
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多个鲨鱼物种中观察到在输卵管腺中储存精子的现象（表14-4）。Metten（1941）首次在狗鲨（Scyliorhinus canicula）中证明了精子储存在输精管中。Hamlett等（2002）在大眼前鳍皱唇鲨（Iago omanensis）中也观察到储存的精子。Pratt（1993）将大西洋西部鲨鱼的精子储存方式分为三类：①非储存／立即授精，②短期储存／延迟授精，③长期储存／多次授精。Pratt（1993）认为拟层鲨没有储存精子的现象。然而，其他研究人员从噬人鲨（大白鲨）（Carcharodon carcharias）的精囊中收集到了精子（Adams et al., 1994）。在噬人鲨中，精子转入精囊中是一些雌鲨的储精机制。鼠鲨所产的卵用以抚育胚胎（食卵型），由此导致输卵管中储存的精子被冲走（Pratt, 1993）。然而，精囊也许可以阻止精子从腺体中被冲走。Parsons（1993a）研究了交配季节和受孕之间的时间差异，以及发育中的窄头双髻鲨胚胎大小的置信区间，结果暗示了精子储存机制的存在。
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表14-4 不同鲨鱼精子储存时长
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精子竞争是指两个或两个以上雄性精子争夺卵子受精的概率。在鲨鱼中，一雌多雄和精子储存于同一雌鱼导致精子竞争的发生。然而，据笔者所知，精子竞争从未在任何软骨鱼类中有过记录。
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四、鲨鱼种群的性别隔离和性别二态性
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有蹄类动物中已被广泛研究的性别隔离这一现象存在各个物种之中，但其原因尚不清楚（Ruckstuhl and Neuhaus, 2000）。性别二态性在鲨鱼种群性别隔离进化中起重要作用，是关于性别隔离和身体大小性别二态性的假说。不同于有蹄类动物中雄性具有更大的体型，鲨鱼中雌性体型一般较大。Cortés（2000）报道了169物种／种群内的7个科的鲨鱼体型数据，性别二态性在大多数鲨鱼物种中很常见。但二态性的程度和方向在各科之间有所不同。在大多数科（皱唇鲨科、真鲨科、双髻鲨科、角鲨科、鼠鲨科、长尾鲨科）中，92%～100%的物种／种群雌性具有更大的体型。此外，在猫鲨科中，58%的物种／种群雌性具有较大的体型，而42%的雄性体型更大。仅在雌性较大的物种中观察到的性别二态性（图14-8）。猫鲨科、真鲨科、长尾鲨科、皱唇鲨科、双髻鲨科、鼠鲨科、角鲨科的雌鲨分别平均比雄鲨大1.0%、7.0%、9.8%、12.3%、12.7%、17.7%、18.2%。值得注意的是卵生的猫鲨科的雌雄性别差异较小。笔者认为不同于胎生种类，卵生种类中子代不会对母体产生较大的能量需求，所以两性之间的体型很相近。
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图14-8 7个科中鲨鱼的性别二态性
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许多研究根据物种生活的水深确定了性别隔离的存在，特别是在深水鲨鱼物种中更为明显。Wetherbee（1996）在新西兰的南方乌鲨（Etmopterus granulosus）也观察到了性别二态性。在黑霞鲨（Centroscyllium fabricii）中发现过体型和性别的分化，雌性倾向于生活在深海之中（Yano, 1995）。Girard and DuBuit（1999）在不列颠群岛不同深度分布的腔鳞荆鲨（Centroscymnus coelolepis）中观察到了性别差异分化。Klimley（1985, 1987）在路氏双髻鲨群体中观察到了性别隔离。成年雌性路氏双髻鲨围绕着加利福尼亚湾一座海沟追逐体型较小的雌鲨。雄鲨能够通过冲入不同水域找到并且与雌鲨进行交配。雌性灰礁鲨（Carcharhinus amblyrhynchos）被观察到环绕太平洋中的约翰逊环礁游动，仅在白天聚集（Economakis and Lobel, 1998）。Goldman（2002）在太平洋北部观察到太平洋鼠鲨（Lamna ditropis）有性别隔离，雄鲨主要分布在北太平洋西部，而雌鲨分布在东部。性别和体型隔离也在大西洋斜锯牙鲨（Rhizoprionodon terraenovae）中被数次证实（Springer, 1967）。Parsons和Hoffmayer（2005a）在墨西哥湾中北部观察到大西洋斜锯牙鲨有雌雄隔离。在密西西比海峡观察到大量的大西洋斜锯牙鲨聚集，但是雌鲨很少见到。在性成熟之后，雌性大西洋斜锯牙鲨从海峡中游出并且很少迁回，显然是在成熟阶段将栖息地迁移向外海。这些观察结果表明，在夏季成年雄性必须移居外海进行交配。Springer（1967）注意到鲨鱼因繁殖原因经常迁移到特定的地点。虽然一些底栖鲨鱼物种的交配迹象已有报道（Carrier et al., 1994; Pratt and Carrier, 2001），但大多数远洋鲨鱼的交配行踪仍不为所知。此外，妊娠期雌性大西洋斜锯牙鲨从未在密西西比海峡出现过（尽管在夏季早期新生的鲨鱼有开放的脐痕），这同样暗示分娩发生在海峡之外。据笔者所知，尚未发现鲨鱼的保育场，新生鲨鱼的近岸迁徙可能类似于刚孵出的海龟穿越开阔的海滩（Parsons and Hoffmayer, 2005a）。
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目前至少有5个假说解释性别隔离的演变，在此讨论其中三个假说，假说基础均为性别二态性，均可以解释鲨鱼种群的性别隔离。①捕食风险假说指出，体型较大的性别将寻求有较多食物供应的栖息地，而较少考虑被捕食的风险，而体型较小的性别选择栖息地时，首要考虑被捕食的风险，食物的供应则是次要的。②饵料选择假说，雌雄分开是因为体型大小的差异导致了不同的能量需求，因此会选择不同的栖息地来摄取食物。③活动预算假说，活动预算和运动率的性别差异是性别隔离的关键因素。虽然鲨鱼物种的性别隔离已被频繁报道，但我们对鲨鱼这一现象的了解还不够深入，无法对上述假设进行任何评价。
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五、鲨鱼的育幼场
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各物种在胚胎发育这个重要的生活史阶段会使用育幼场来使后代获得最大的生存机会。育幼场意味着有利于生长和生存的环境或生物特性。育幼场的选择可能取决于：①适当的食物供应（质量和数量）；②有利于生长发育的环境条件（温度、盐度等）；③减少生物相互作用（捕食、竞争等）。
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已经发现了一些鲨鱼种类疑似或者确定的育幼场（Meek, 1916; Springer, 1967; Parsons, 1983, 1993a; Castro, 1993; Pratt and Merson, 1996）。用微卫星基因分型检测雌性和子代柠檬鲨，发现了极度的“归家”繁殖冲动。雌性柠檬鲨必须回到同一地区生产，年轻的鲨鱼则在该地区停留数年（Gruber et al., 1988; Feldheim et al., 2002）。然而，这一物种是底栖的，可能无法反映出更为活跃的鲨鱼物种的状况。Carlson（1999）观察到新出生和幼年的铅灰真鲨（Carcharhinus plumbeus）在墨西哥东北部海湾地区大量生存，表明该地区是该物种的育幼场。Parsons and Hoffmeyer（2005a）在墨西哥湾北部进行了一次广泛的调查，并确定了大西洋斜锯牙鲨、黑边鳍真鲨（Carcharhinus limbatus）、长孔真鲨（C. isodon）、低鳍真鲨（C. leucas）、路氏双髻鲨、蔷薇真鲨（C. brevipinna）的重要的育幼场。鲨鱼聚集地点的环境特征（溶解氧、盐度等）通常与鲨鱼未采样地区没有差别，而通常的环境变量难以预测鲨鱼的物种密度。
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笔者认为，育幼场给无助或脆弱的生命史阶段的鲨鱼提供特定的生存条件，可能不适用于大多数鲨鱼种群。有研究表明曾在河口环境中发现新生和幼年的鲨鱼，这使得预测其存在和物种密度十分困难。此外，许多鲨鱼出生于远洋，是高度活跃和高效的掠食者（有些甚至在出生之前就看到了其在子宫内同类相残的场景），活跃在广泛的海区。鉴于上述情况，我们有必要放宽研究区域。如果将育幼场的经典概念应用于鲨鱼，那么许多中上层鱼类最佳育幼场可能是子宫内。
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六、生殖生活史参数中的纬度变化
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生活史参数随纬度而变化是一个有据可查的现象，是生态学原理的一个组成部分（Bergman's, Allen's, and Jordan's Rules）。这种变化明显发生于硬骨鱼类种群中（Leggett and Carscadden, 1978; L’Abee-Lund et al., 1989），但纬度对软骨鱼类生活史的影响没有得到系统研究。Parsons（1993a, 1993b）比较了两个种群的窄头双髻鲨，一个来自坦帕湾，另一个来自佛罗里达湾，发现在成熟期、受精时间、胚胎发育速度、出生体重、后代的能量平衡、妊娠期以及不孕的发生率方面存在大小和年龄的差异。在北太平洋水域，Taniuchi等观察到长吻角鲨（Squalus mitsukurii）在越往北的地方其性成熟个体体型越大（Taniuchi et al., 1993），Yamaguchi等在白斑星鲨（Mustelus manazo）中发现雌性也有类似的趋势（Yamaguchi et al., 2000）。然而，这些差异并不具备统计学意义。Carlson和Parsons（1997）以及Lombardi-Carlson发现在墨西哥湾的三个窄头双髻鲨群落的繁殖参数随纬度升高表现为阶梯式变化，位于最北部的窄头双髻鲨群落的生长速度最快。
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尽管不同的鲨鱼种群随纬度不同具有特异性，但是纬度差异是否是最终因素尚不明确。管理鲨鱼渔业需要鲨鱼更详尽的生活史信息，有关部门应起草更灵活的鲨鱼管理政策。
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致谢：非常感谢Dennis Goulet博士和Trey Driggers博士审阅稿件草稿。
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第十五章 鱼类雌激素通路
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第一节 导言
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环境雌激素（environmental estrogens）、内分泌干扰物（endocrine disruptors）、内分泌调节剂（endocrine modulators）、生态雌激素（ecoestrogens）、环境激素（environmental hormones）、外源性雌激素（xenoestrogens）、激素相关毒素（hormone-related toxicants）和植物雌激素（phytoestrogens）等术语描述了一类合成化学物质及天然植物或动物化合物，这些物质可能会影响生物体的整个内分泌系统（控制机体内部功能的腺体、激素和细胞受体的信号系统）。无论是对野生动物还是养殖动物而言，这些物质都会影响其发育、生殖和癌症等方方面面（Colborn et al., 1993; Gray et al., 1998）。人们也越来越担心这些化合物可能会对人类造成同样的影响（Toppari et al., 1996; Gray, 1998）。
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鱼类的生殖内分泌由一套错综复杂的系统控制，其调控通过系统轴进行分泌交流和相互作用。激素和其他生理系统在确保繁殖发生在一年中最适合后代生存的季节中发挥作用（Duston and Broage, 1987; Davies et al., 1999）。在温带地区，繁殖的季节性周期是非常重要的，它能确保产卵时间与环境条件、鱼苗生存与生长所需的营养物质相一致。例如，在鲑科鱼类中，繁殖是一个季节性事件（Ueda et al., 1984; Cyr et al., 1988）。因此，性成熟只在特定情况下发生，即鱼类在不同环境下的反应模式（reaction norm）必须在一年中的关键时间之前出现，以确保在最佳产卵时间产卵，一旦错过，性成熟便会延迟一年。因此，这意味着鱼类的性成熟关键在于适宜的环境条件，而不是年龄（Stearns, 1983; Stearns and Koella, 1986）。在性成熟过程中，与外部信号同步的内部反应依赖于遗传决定的执行阈值，在冬季或春季的关键时刻，如果这种阈值超过了遗传决定的设置点，则成熟过程将启动（Thorpe, 1994）。成熟过程和相关的能量需求极易受到外部环境条件特别是激素类似物的影响，从而产生潜在的有害的生态后果。
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第二节 雌激素通路
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一、雌激素受体
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在生物体中，类固醇激素的作用由特异性受体介导，其生理活性控制靶基因的转录并引发一系列的细胞活动。雌激素受体（estrogen receptors, Erα, ERβ）属于配体依赖型转录因子核受体（NR）超家族的成员，该家族成员还包括类固醇受体、甲状腺受体和类视黄酮受体（以及具有未定义配体的其他孤儿受体）。结构上，ERs由六个结构域组成（A～F，具有不同程度的序列保守性）。C结构域（即DNA结合结构域；DNA-binding domain，DBD）负责与雌激素应答元件（estrogen response element, ERE）的特异性识别，而E结构域（即配体结合结构域；ligand-binding domain，LBD）与激动剂和颉颃剂（激素和非激素）相互作用。氨基（NH2）末端（A/B），羧基（COOH）末端（F）和铰链区域（D）以及转录激活功能AF-1（配体独立转录激活结构域）和AF-2（配体诱导活化结构域）都是ER的结构成分。ERα和ERβ基因亚型的序列存在一定的相似性（47%）。具体而言，A、B结构域在两种ER亚型之间保守性较差（17%相似性），在这些位置没有明确的二级结构。相反，C和E区域的功能和结构数据已有报道（Ruff et al., 2000; Gangloff et al., 2001），含有DBD和LBD的C和E区在ER亚型之间高度保守（分别为97%和59%）（Gustafsson, 1999; Nilsson and Gustafsson, 2002）。D和F两个区域的大小也不一样，并且不保守。D区可被认为是DBD和LBD之间的连接肽，F是LBD的C末端延伸区。
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ER与雌激素应答元件（EREs）结合并以雌激素剂量依赖的方式激活转录（Katzenellenbogen, 1996）。这种转录激活需要辅助激动因子复合物（Tremblay et al., 1997; Tremblay and Giguere, 2002）。目前，人们已在多种脊椎动物中克隆了ER cDNA并对其结构进行了描述（Pakdel et al., 1990; Kuiper et al., 1996; Mosselman et al., 1996; Tremblay et al., 1997; Tchoudakova et al., 1999; Socorro et al., 2000）。配体激活的受体与特定基因的启动子区域结合，募集辅助激活因子或辅助抑制因子以及其他转录调控元件从而引起基因的转录（Nilsson and Gustafsson, 2002）。在特异性mRNA转录本改变后，核mRNA被加工并转运至细胞质，在细胞质中进行蛋白质翻译。因此，ER与ERE相互作用是导致细胞功能发生变化的事件级联中的重要环节（Nilsson and Gustafsson, 2002）。
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二、类固醇合成酶
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第十六章 雄激素干扰的分子标记
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第一节 导言
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人们逐渐意识到环境污染物对人类和野生动物健康和福祉的不利影响（Olsson et al., 1998; Tyler et al., 1998）。虽然没有直接证据表明环境污染物对人类产生影响，但是野生动物中出现的各种发育和生殖紊乱现象，显然与其接触环境污染物有关。部分原因是人为造成的污染物最终进入水环境，在水生生物中已经报道了许多明显的发育和生殖障碍案例。例如，迄今为止一个最明确的内分泌干扰事件可能是海洋腹足类由于接触三丁基锡所致的畸形（雌性产生阴茎和输精管）（Gibbs et al., 1990）。另一个被广泛记载的水生生物内分泌干扰事件是雄性淡水鱼的雌性化（Jobling et al., 1998）。在长期接触家庭废水后，雄鱼血清中出现雌性特有的卵黄蛋白前体和卵黄蛋白原（Vtg）水平升高，并出现高概率的雌雄同体现象。
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由于大多数发育和生殖功能紊乱现象都归因于干扰内分泌系统的环境污染物，这些化合物通常被称为内分泌干扰物（endocrine disrupting substances, EDS）。环境中出现越来越多的潜在干扰内分泌系统的物质，其中许多物质可能会干扰脊椎动物的繁殖。虽然大多数相关研究的目的是确定雌激素效应，但许多其他内分泌系统，包括雄激素系统，可能会受到环境中化学物质的影响。本章综述了EDS对鱼类的雄激素效应。
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EDS因对人类以及养殖和野生动物福利的深远影响而备受关注。然而，激素效应是系统性的，因此在不进行活体实验的情况下很难识别EDS。1996年在英国威布里奇举行的“欧洲研讨会”上特别强调“内分泌干扰物是一种外源性物质，对完整生物体或其后代健康造成不利的影响，导致内分泌功能发生变化”。会议也认为，“潜在的内分泌干扰物是一种具有可能导致完整生物体内分泌紊乱的复杂特性物质”（EUR 17549, 1996）。正如这些定义所表明的，开发用于测定EDS的在体系统是重要的，而离体系统可能有助于候选物质的筛查。1998年，美国环境保护局将EDS定义为“干扰机体内天然激素合成、分泌、运输、结合、激活或消除的外源性物质，其影响生物体的生殖、发育和行为”（EPA, 1998）。目前，已经确定了大量直接或间接影响多种内源性激素通路的物质。已经证明：基于类固醇激素和性激素的调节途径格外灵敏，并且易受外源性内分泌干扰物的影响而发生改变。其原因之一是这些调节途径基于穿透细胞脂质膜的脂溶性配体以结合并激活其中的靶类固醇受体。具有类似类固醇激素化学性质的外源性物质不仅不断地竞争性抑制内源性激素，而且还可能在任何高级生物体的脂肪组织中进行生物累积直至达到危险剂量。内分泌干扰物发挥其作用的机制一般有四种：①模拟内源性激素并激活下游信号通路；②颉颃内源性激素并阻断下游通路；③干扰内源性激素的合成和代谢；④干扰激素受体水平。
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第二节 雄激素及雄激素受体
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一、雄激素
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第十七章 水产养殖鱼类的繁殖
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第一节 导言
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3000多年前，水产养殖起源于中国，公元前460年，范蠡最先对水产养殖进行了记载（Chinese Aquaculture Society, 1986）。早期，水产养殖一直被认为是一种“艺术”，直到20世纪下半叶，世界开始意识到，要想满足人们对水产食品日益增长的需求，仅仅依靠传统产业供应，特别是海洋捕捞渔业，是无法实现的。从此，水产养殖开始发展，在过去的30年间，水产养殖业成为全球第一产业中增长率最高的部分（De Silva, 2001）。
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2002年，世界水产养殖产量约为5140万t，价值599亿美元，约占所有水产品消费量的33%（FAO, 2002）。虽然在2000—2001年，水产养殖增长率只有6.5%，但在过去20年间，总增长率平均每年可达到10%，并仍在继续增长（De Silva, 2001）。养殖鱼类占世界总水产业的70%以上，预计将来仍将保持这种增长趋势。水产养殖业由以中国为主的发展中国家主导（FAO, 2002），养殖鱼类大部分是在食物链中摄食最低饵料级别的非食肉类，以鲢（Hypophthalamichthys moutrix）、鳙（Aristichthys nobilis）、草鱼（Ctenopharyngodon idellus）、鲤、南亚野鲮（Labeo rohita）、印度鲮（Cirrhinus mrigla）等鲤科鱼类和慈鲷科的罗非鱼为主，这些种类多生活在热带和亚温带地区。在冷水鱼中，鲑鳟鱼类产量最高，特别是大西洋鲑和虹鳟。
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目前，水产养殖已经成为水产品越来越重要的供应来源。首先，现在人们普遍认为海洋捕捞渔业产量已趋于平稳，其对世界鱼类产量的贡献难以超过1亿吨，即使过度捕捞，最多也只能提供近50%的重要经济鱼类（Botsford et al., 1997）。其次，全球鱼类消费量正在增长（Ye, 1999; Delgado et al., 2003），再加之人口增长，食物资源与食物需求之间的差距日益扩大，水产养殖将在缩小这一日益扩大的差距方面发挥越来越大的作用。研究表明，鱼肉是获取ω-3和ω-6系列高度不饱和脂肪酸（HUFA, 通常称为n-3和n-6脂肪酸）的较好的食物来源，这进一步增加了水产品的消耗。这些高度不饱和脂肪酸包括二十碳五烯酸（EPA, 20：5n-3），二十二碳六烯酸（DHA, 22：6n-3）和花生四烯酸（AA, 20：4n-6）等。EPA和DHA对人类健康具有积极作用，特别是能够缓解冠状动脉血栓的形成（Stansby, 1990; Ulbricht and Southgate, 1991; De Deckere et al., 1998）。HUFA的其他功能包括作为细胞膜的结构成分；作为类二十烷酸的前体，一种非常活跃的“局部激素”；促进渗透调节；影响繁殖和卵细胞的质量；促大脑发育和视力发育。
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此外，人类大脑的发育以及我们今天的发展，特别是从进化的角度来看，也与富含ω-3（EPA和DHA）和ω-6（AA）PUFA的食物有关。大量证据表明，人类不是生活在大草原，而是生活在富含鱼类和贝类资源的栖息地（Crawford et al., 1999）。关于鱼类对人类健康、生长和总体幸福感方面的医学研究越来越多。然而，本章不对这部分内容做过多的描述，但已知内容足以说明，由智人进化到现在的人类离不开鱼类食品。
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综上，水产品正日益成为人类饮食中重要的组成部分，因此对水产养殖的依赖也越来越高。此外，水产养殖业不可能也无法无限扩张，特别是会受到水土资源和环境问题的限制。因此，本章的特殊意义在于思考人工繁殖和种质库改进的重要性。
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第二节 鱼类繁殖对水产养殖发展的重要性
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大规模水产养殖的成功得益于拥有庞大的种质库和苗种资源。以前，很少有养殖鱼类能够在人工控制条件下自然繁殖（Jhingran and Gopalakrishnan, 1974）。罗非鱼、鲤、斑点叉尾（Ictalurus punctatus）和亚洲鲇（Clarias batrachus）等一些种类较易在池塘中繁殖。但是由于产卵时间难以预测，卵和幼鱼的存活率变化很大，所以人类对这些物种产卵的调控能力有限（Harvey and Hoar, 1979）。
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在许多传统的水产养殖业中，早期的先驱者直接从野外捕捞卵、仔鱼、稚鱼或幼鱼进行养殖。例如中国鲤、草鱼、鲢、鳙、青鱼（Mylopharyngodon piceus）、鲮（Cirrhina molitorella）和印度鲤（卡特拉、南亚野鲮、印度鲮）的养殖主要在产卵季节从河流中采集卵、仔鱼或稚鱼（Pillay, 1990; Landau, 1992）。已经延续了数个世纪的胭脂鱼（Mugil spp.）和虱目鱼（Chanos chanos）养殖，最初也是从沿海和河口地区捕捞野生的稚鱼开始（Nash and Shehadeh, 1980; Pillay, 1990; Su et al., 2002）。鳗（Anguilla spp.）养殖是亚洲和欧洲一些国家的支柱产业，但至今仍完全依靠从野外捕获玻璃鳗或鳗线（Brusle, 1990; Heinsbroek, 1991; Gousset, 1992）。对于其他鱼类，主要在产卵季节捕获成熟的亲鱼，随后将其配子进行授精。这种方法到今天仍适用于一些种类，比如在上游产卵场捕获鳟（例如虹鳟和褐鳟以及大西洋鲑和太平洋鲑）。成年条纹鲈也在产卵季节聚集时被捕获（Landau, 1992）。一种游泳能力很强的，在亚洲被认为有很大水产养殖潜力的结鱼属（Tor spp.）鱼类，可以通过用激素诱导雌鱼成熟，与野外捕获的雄鱼进行人工繁殖（Joshi, 1988; Ogale, 2002）。
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人工养殖的鱼类无法正常繁殖阻碍了几个重要经济种类的水产养殖进程。将野生捕捞的幼鱼和即将产卵的亲鱼作为苗种的唯一来源对于许多种类及其产业具有一定的限制。不同年份产卵的成鱼（亲鱼）的可利用性高度不一致且不稳定。预测亲鱼何时产卵以及何时可以捕获幼鱼也很困难，尤其对于季节性产卵鱼类或产卵周期较短的鱼类来说更加困难。除此之外，获得的苗种质量也参差不齐，优质苗种往往供不应求，阻碍了行业的发展。此外，由于过度捕捞、栖息地破坏、环境退化等原因，野外种群减少，使这种获取方式从长期角度来看是不可持续的。
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全球鱼类水产养殖产量在过去30～40年里无疑取得了长足的进步，已经成为全球市场上鱼类的稳定来源。思考这个产业如何在相对较短的时间内实现如此高的生产水平具有重要意义。显然，国家与国家、地区与地区间的差异受技术、管理、财务、社会经济和政策等众多因素影响，直接或间接影响了这个产业的发展（Subasinghe et al., 2001）。然而，在技术因素中，最重要的是人工繁殖技术的发展，通过垂体激素注射的方式使鱼类养殖不再依赖天然苗种的供应，同时通过选择育种也提高了苗种的质量。
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总体而言，目前全球约有50种鱼类进行商业养殖。其中，除鳗以外，几乎所有鱼类都是以人工繁殖的苗种为基础。因此，人工授精以及这些鱼类的繁殖对水产养殖的发展至关重要。
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第三节 鱼类繁殖调控
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一、环境调控
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某些养殖鱼类在满足生殖周期的适当环境时很容易产卵。例如，一些热带石斑鱼属的鱼类，在适宜的盐度、温度条件下，优良的亲本更倾向于在养殖池塘中自然繁殖。其他鱼类如罗非鱼、鲤、鲇和墨瑞鳕，其繁殖周期受到环境因素如水温、光周期、光照强度、水体积和流速的变化以及产卵栖息地的影响（Munro et al., 1990）。环境条件的控制可以成功地用于控制人工养殖鱼类的产卵。通过覆盖温室结构、加热养殖水体可提高产卵率，现已使用一系列特殊的栖息地构造来诱导鱼类产卵，包括用于筑巢的砾石（例如黑鲈属鱼类和一些鲇类）、植物、产卵垫（例如塑料棕榈树叶）和用于卵沉积或附着的产卵箱（例如鲤、斑点叉尾和墨瑞鳕）。此外，通过提高水位可以诱导圆尾麦氏鲈（Macquaria ambigua）产卵（Lake, 1967）。综上，通过对温度和光周期调控诱导鱼类在非产卵季节产卵，可以为水产养殖提供稳定可靠的苗种供应（Bromage et al., 1993; Carrillo et al., 1993; Bromage, 2001）。
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二、激素处理
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（一）鱼类垂体
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垂体激素注射是指通过注射鱼类垂体提取液来诱导排卵。Houssay（1931）首先证明了这种技术在诱导鱼类产卵方面的可行性，随后von Ihering（1937）验证了这种方法。注射垂体提取物来模拟内源促性腺激素水平的升高，这在某种程度上可以减少促性腺激素分泌对环境刺激如温度或光周期的依赖。
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垂体激素最初在供应和剂量上存在困难，主要是由于收集、提纯、保存和管理技术的不完善。然而，这些技术现已被开发并完善。如今，提取、提纯和保存的鲤垂体（carp pituitary glands, CPG）被广泛用于许多鱼类，特别是鲤科鱼类。在鲤科鱼类中CPG的使用方法和剂量已经被标准化，通常在初始时注射低剂量（总剂量的10%～20%），12～24h后注射较高剂量（Lam, 1982）。现在很多供应商可以提供确定活性成分纯度和浓度的CPG。然而使用垂体激素也有一些缺点，由于供体鱼的体质量、性别和年龄的差异，收集和保存的时间不同，效力（激素含量）变化很大，并且使用CPG持续处理可能使鱼类产生应激，对产卵产生不利影响，而且供受体鱼类之间存在疾病交叉感染的风险。
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（二）人绒毛膜促性腺激素
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哺乳动物促性腺激素和人绒毛膜促性腺激素（HCG），通常以单剂量（100～4000μg/kg）给药，已被证实能够诱导多种鱼类的配子成熟和配子释放（Lam, 1982; Zohar and Mylonas, 2001）。哺乳动物的促性腺激素直接作用于生殖腺，不需要垂体促性腺激素的合成和释放。具有标准生物活性的高纯度的哺乳动物促性腺激素被广泛用于家畜业（宠物和家畜），使其容易通过商业途径获得。然而在一些种类如鲤科鱼中，哺乳动物促性腺激素效果不明显，鱼类垂体提取物则能够更有效地诱导排卵。此外，已有研究表明，一些经常用HCG处理的鱼会产生HCG抗体，这可能会降低这种激素在后续应用中的有效性（Zohar and Mylonas, 2001）。
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（三）促性腺激素释放激素
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序
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第十八章 冷水性海洋鱼类养殖
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第一节 大西洋鳕
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一、亲鱼标准和选择
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可以从捕获的鱼中选择亲鱼，也可以通过遗传育种选择表型优良的品系作为亲鱼。研究人员对不同来源的大西洋鳕种群进行试验，进而确定适合驯化和养殖的亲鱼类群，结果显示大多数情况下，各个种群之间的差异很小，其他因素也可能是繁育成功与否的决定因素。来自人工捕获亲鱼的受精卵，或养殖设施中的成熟受精卵，有时会意外逃逸到自然水域。因此，有人提出是否仅使用本地种群作为亲鱼，以避免遗传混交造成的未知后果。在找到这些问题的确切答案之前，鳕养殖业所需要的受精卵和仔稚鱼交易可能会在不同地区遇到瓶颈。
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大西洋鳕是一种分批同步产卵亲鱼（group-synchronous spawner），捕获的雌鱼在可控的间隔内产出多达20批次的卵。产卵间隔时间随温度而变化，但每个排卵周期通常需要48～60h（Kjesbu, 1989; Kjesbu et al., 1990）。产卵期的首次和末次产卵，卵的数量相对较少，但总体而言，鳕的产卵量很大，平均每千克体重每批次能产约5万粒卵。卵细胞很小，直径为1.2～1.5mm，在整个产卵期内，卵细胞的规格逐渐减小（Mangor-Jensen et al., 1994; Kjesbu, 1996）。首次产卵的鱼繁殖力较低，产卵量和所产卵细胞的规格也比较小（Kjesbu et al., 1996）。
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即使在人工养殖条件下，鳕也能自然产卵。当养殖在水箱或其他水族容器中时，鳕会产出大量的受精卵，因此需要在表面收集并转移到合适的孵化器中（图18-1）。偶尔也会人工挤出成熟卵，但效果不佳，这主要是因为在人工挤卵过程中雌性鳕会收缩输卵管内壁肌肉。多数情况下，仅需要获得单独某个批次受精卵时，必须麻醉或处死鳕后才能进行后续操作。
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图18-1 产卵箱中的大西洋鳕亲鱼与安装在一侧的卵收集器
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二、亲鱼的营养
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亲鱼全人工饲料非常重要，原因如下：
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①卵的最佳营养成分对仔鱼的生存能力来说非常重要，并且取决于均衡的饲料配方，因为食物的营养成分将影响卵的生化组成。
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②亲鱼的“生殖疲惫”是鳕养殖者日益关注的问题，如果给亲鱼投喂营养缺乏或不平衡的食物，可能会导致这种情况的出现。如果这种亲鱼连续养殖几年，这样的饲料配方最终会导致鳕严重的健康问题。
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通过对鳕营养需求的研究，包括食物中的碳水化合物与蛋白质比例（Hemre et al., 1995）、维生素C含量的研究（Mangor-Jensen et al., 1994）以及脂肪酸水平对卵巢影响的研究，发现鳕不易消化碳水化合物，且亲鱼对蛋白质需求较高。此外，在饲料中添加不同水平的维生素C对卵细胞质量、孵化率或仔鱼质量没有影响。相反的是，不同实验组卵巢中的维生素C含量却存在较大差异。
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食物脂肪酸对卵巢的脂肪酸组成具有较大影响（Lie et al., 1991），尤其是花生四烯酸（ARA, 20：4n-6）在卵巢中的比例（PI）。此外，食物中DHA（22：5n-3）和EPA（20：5n-3）的增加会导致中性脂质中DHA和EPA水平增加，而磷脂比例增加较少。DHA和EPA增加后，相应ARA含量的增加对卵细胞和仔稚鱼质量影响的相关信息较少。亲鱼的摄食量也是影响卵细胞质量的重要因素。鳕将大量能量储存到卵黄中，随着能量增加，储存的能量也增加。过度投喂会导致产卵量极高，而相应的能量消耗又会导致亲鱼在产卵期的体重大幅下降，造成产卵质量下降、卵细胞大量死亡（Kjesbu et al., 1991）。
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三、全年产卵
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在温带硬骨鱼类中，季节性繁殖是有助于后代获得最佳生存条件的重要特征。性成熟是由内源性节律控制的，且这种节律受到外部因素，诸如光周期和水温等影响。为了确保全年均可获得受精卵和仔稚鱼，控制产卵时间极为重要。鳕和其他许多物种（包括大西洋庸鲽）一样，在非生殖季节，光周期是影响繁殖最重要的外部因素，常常用调节光照来控制其性成熟和产卵（Bromage et al., 2000）。使用最广泛的光周期实验方法是全年光周期的缩短或延长，伴随着12个月相对应时相的平移（Norberg et al.，2004a；图18-2）；或在对应的时相变化后，暴露于连续光照（Hansen et al., 2001）。大西洋鳕亲鱼对光周期的变化极其敏感，然而产卵时间通常不会完全延迟至光周期干预后的第一个繁殖期。改变光周期，控制生育的内源节律将会发生变化，但在第一年并不会完全改变。此外，长时间养殖在黑暗环境中的亲鱼性腺发育可能会逐渐发生变化，特别是雄性和雌性之间出现不同步现象，还可能造成雌性产卵不规律，导致不能正常产卵或排卵。这些问题的原因尚不清楚，推测是在养殖环境中，鱼类所经历的人造光源和光照时间与自然条件不同。自然条件下，鱼类所处的水深会影响光照强度及时间。然而光谱组成和光照强度对已设定的光周期影响的相关研究较少。
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水温也是决定鳕能否顺利产卵的关键因素。鳕产卵的适温区间较窄，即产卵成功的温度间隔很窄，最佳产卵温度约为8℃，最高耐受温度为10℃（Van der Meeren and Ivannikov, 2006）。高温导致排卵周期变短、卵细胞“过熟”以及排卵期的卵细胞死亡率增加。鳕在超过10℃的情况下会出现大量死卵，并且此时亲鱼的产卵总量较低，高温对鳕繁殖产生不利影响的机制尚未完全被解析。而对于真鲷（Lim et al., 2003）和大西洋鲑（Andersson et al., 2003; Taranger et al., 2003）的研究显示，温度会对脑－垂体－性腺轴的关键激素的分泌造成直接影响。
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图18-2 光周期对鳕产卵时间的影响
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四、卵、受精和孵化
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第一章 卵母细胞发生
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第一节 导言
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第二章 鱼类促性腺激素的生理功能
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第一节 导言
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在所有脊椎动物中，繁殖是受垂体促性腺激素（GtH）控制的。众所周知，在哺乳动物中，两种GtH——促卵泡激素（follicle stimulating hormone, FSH）和促黄体素（luteinizing hormone, LH）均可促进雄性和雌性的性腺活动。有很长一段时间，人们认为鱼类仅有一种GtH，并且这种GtH作为唯一的刺激因素对雌性和雄性的配子具有调控作用（Fontaine, 1987）。对鱼体中两种不同的垂体GtH的纯化与鉴定（Suzuki et al., 1988），使得原本只有一种GtH调节鱼类性成熟过程的概念得到了修正（Swanson, 1991）。鱼类垂体产生截然不同的两种GtH，最初分别命名为GtH Ⅰ和GtH Ⅱ，与脊椎动物的促卵泡激素（FSH）和促黄体素（LH）具有相似的结构。目前，已从鲑科（Suzuki et al., 1988; Swanson et al., 1991）、鲈形目（Koide et al., 1993; Tanaka et al., 1993; Okada et al., 1994; Garcra-Hernández et al., 1997）、鲤形目（Van der Kraak et al., 1992）、鲽形目（Weltzien et al., 2003）中筛选鉴定出这两种不同的GtH并获得了关于其生物学活性的相关信息。此外，这两种截然不同的GtH亚基，已通过分子克隆技术在其他一些鱼类中确定。因此，鱼类的GtH具有二象性的概念已经被大家接受。
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在过去的几年中，通过纯化鱼类的GtH，获得了足够的生物学信息证明GtH Ⅰ和FSH以及GtH Ⅱ和LH之间存在重要功能的同源性。鉴于这些研究结果，Planas等提出了从GtH Ⅰ到促卵泡激素（FSH），从GtH Ⅱ到促黄体素（LH）的专业名词的改变（Planas et al., 2000）。因此，在现有的文献中，鱼类GtHs是指促卵泡激素（FSH）和促黄体素（LH）。
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第二节 精巢促性腺激素调控
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一、精巢类固醇激素合成的调节
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在鱼类中，精巢类固醇激素的合成主要是受GtHs调控。依据雄鱼血清性类固醇激素水平可以推测，性成熟期间精巢内的类固醇激素合成细胞中性激素水平的变化是由GtHs调控的（Baynes et al., 1985）。大量研究表明，用主要含有LH（成熟GtH，SGA或SGG100）或类LH活性物质（HCG）的GtH制剂进行鱼类精巢组织体外培养，可以刺激类固醇激素的合成和分泌（Ueda et al., 1983, 1984; Schulz, 1986; Saad et al., 1987; Miura et al., 1991; Schulz et al., 1994）。精巢中的11-酮基睾酮（11-KT）和双羟孕酮（DHP）是雄鱼产生的两种主要类固醇激素，可以通过GtH在体内和体外刺激而改变其表达水平，并且其效果随着精巢发育期的变化而变化（Sakai et al., 1989; Schulz et al., 1990）。
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放射性免疫测定系统（RIAs）的发展使我们可以观测到性成熟过程中雄鱼血清中FSH和LH的变化模式。在性成熟期间，雄性鲑血清类固醇激素水平与FSH和LH的水平之间的相关性结果支持了FSH和LH在调节精巢类固醇激素生成中起双重作用的观点。在精子发生的中后期，血清FSH水平已被证明在血清中与11-KT水平呈正比例增长。但随着鱼排精的临近，血清FSH水平下降，而LH水平随DHP增加。
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利用处于精子发生不同阶段的银大麻哈鱼（Oncorhynchus kisutch）精巢组织证实FSH和LH均可以显著性提高类固醇激素合成活性（Swanson et al., 1989; Planas et al., 1993, 1995），这与性成熟过程中不断变化的FSH和LH水平一致。在精子发生中期，银大麻哈鱼幼鱼的精巢在FSH和LH调控下合成11-KT和DHP的能力是均等的。然而，随着精子发生的进行，鱼类开始进入排精状态，LH增加其效力来刺激11-KT和DHP产生，而FSH明显失去了刺激DHP合成的能力，仅保留促进11-KT合成分泌的能力。此前，应用纯化的GtH刺激鱼体的研究指出，性腺成熟阶段的LH具有更强的促进DHP合成的能力（Sakai et al., 1989; Schulz et al., 1990），这是由于排精期间，精巢间质细胞中LH受体（GtH-RⅡ）的出现（Miwa et al., 1994）和血清LH水平的升高（Swanson, 1991）。因此，鲑科鱼类精巢中LH的主要作用就是刺激DHP的产生，这对精子成熟的过程和排精来说是必不可少的（Nagahama, 2000）。此外，在精子发育的早期阶段，血清中检测不到LH的存在，只在精巢中发现FSH受体（Miwa et al., 1994）。FSH是鲑精巢中产生类固醇激素的生理激动剂，而LH不是。因此，在鲑科鱼类精子发生的早期阶段，FSH似乎是精巢类固醇（主要是11-KT）合成的主要调节因子。根据已知的11-KT在促进硬骨鱼精巢精子发生方面的作用，FSH应该是鱼类精子发生的一个主要调节因子。
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LH在鱼精巢中的靶细胞是精巢间质细胞，这一结论的证据是鲑精巢间质细胞中存在LH受体，以及在原代培养的鳟间质细胞中，鲑GtH（类LH）有刺激类固醇产生的能力（Loir, 1990）。然而，迄今尚不清楚哪种细胞在硬骨鱼类的精子发生期影响FSH对类固醇激素合成的作用。在哺乳动物中，FSH作用于精巢间质细胞并增加LH受体数量，使精巢间质细胞对LH产生反应。在鲑精巢中FSH受体只在精子发生阶段的支持细胞中被检测到，然而这些支持细胞并没有合成类固醇激素的能力[1]。但是，精巢间质细胞可能存在FSH受体，只是受放射自显影技术敏感性的限制而没有被发现。对日本鳗鲡（Anguilla japonica）精巢早期生精组织的体外研究支持了上述假设，结果表明，HCG（可能是通过FSH受体作用）可以刺激11-KT产生并激活精巢间质细胞，这进一步表明，HCG在精巢中的靶细胞是间质细胞（Miura et al., 1991）。为了证明这一结论，需要应用分子生物学手段对精巢中鱼类FSH和LH受体转录本进行细胞定位。
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在精巢类固醇激素合成细胞中，GtHs通过刺激类固醇激素合成通路中的关键酶的活性来增加类固醇激素的合成与分泌。在成熟虹鳟的精巢组织中，LH已被证明通过刺激一些类固醇生成酶（如P450ssc, 3β-HSD, P45017c和20β-HSD）的活性来刺激硬骨鱼类精巢中最主要的两种类固醇——11-KT和DHP的生成（Saad et al., 1987）。在日本鳗鲡精巢中已证明，在鱼体内注射HCG可以促进定位于精巢间质细胞的11β-羟化酶的表达（Jiang et al., 1996; Nagahama, 2000）。然而，尽管在鲑科鱼类中，大多数编码关键精巢类固醇合成酶的基因已被克隆，但是仍然没有FSH、LH调控这些酶表达等功能的证据。在过去的几年中，20β-HSD在鲑科鱼类精巢中的定位及其是否受GtH的调控一直是科学家们争论的焦点[2]。研究表明，由于20β-HSD活性的存在，精子可以将体细胞产生的17-羟孕酮（17-OHP）转换为DHP，但这种转换不是在GtH的作用下完成的。然而，精巢细胞（最有可能是精巢间质细胞）也具有20β-HSD活性，但在文献中关于GtH是否可以刺激这种酶的活性也有一些观点分歧。一方面，Sakai等人研究指出，离体培养处于精子发生期的鲑精巢碎片，GtH并未影响20β-HSD的活性，因此HCG促进DHP的合成并不是通过调控20β-HSD完成的，而是通过刺激前体类固醇17-OHP的合成完成的（Sakai et al., 1989）。另一方面，离体培养的银大麻哈鱼精巢中，纯化的银大麻哈鱼LH刺激合成DHP比17-OHP更有效（Planas et al., 1995），这个结果间接暗示20β-HSD活性受LH影响。此外，离体培养的虹鳟精巢中，鲑GtH促进17-OHP酶转化为DHP（Saad et al., 1987）。因此，在成熟的鲑精巢中，DHP可能有两个不同的细胞来源：精巢间质细胞和成熟的精子。前者似乎对LH有反应，但对后者没有反应。两种不同细胞合成DHP的功能意义及其对LH的不同反应仍有待进一步研究。
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目前，对其他鱼类FSH和LH的生物学活性研究的信息仍很有限，这主要是由于FSH纯化难度高。纯化的FSH和LH对精巢类固醇合成的调控作用，在鲤（Van der Kraak et al., 1992）、鲷（Tanaka et al., 1995）和大菱鲆（Weltzien et al., 2003）中已有报道。在这些物种中，FSH和LH在刺激精巢雄激素合成分泌方面具有非常相似的功能。尚无针对鲑科鱼类之外的鱼类物种的精子发生过程中精巢对FSH和LH的敏感性的研究。日本鳗鲡中，通过克隆鉴定得到编码FSHβ和LHβ的基因，并证明其在未性成熟的鳗鲡脑垂体中表达（Yoshiura et al., 1999），这些结果暗示FSH合成后分泌到血液循环系统中。因此，这些结果进一步证明FSH在硬骨鱼类中可以促进类固醇激素的合成与分泌。通过重组表达获得的鳗鲡FSH可以促进未成熟的鳗鲡精巢中11-KT的合成与分泌（Kamei et al., 2003）。
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二、精子发生的调控
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精子发生是精巢生殖细胞增殖、分化和成熟为单倍体精子的发育过程。生精过程分为四个阶段：精原干细胞的更新，干细胞定向分化为精子及精原细胞的增殖（有丝分裂），减数分裂和精子形成（精子细胞分化为成熟的精子）。与大多数脊椎动物一样，硬骨鱼类的精子发生依赖于垂体GtH活动。在大多数已研究的物种中，使用经典的研究方法——垂体切除术及激素补偿替代发现，垂体GtH是精子发生的过程中所需的，但并非所有阶段均依赖于GtH刺激（Billard et al., 1982; Billard, 1986）。此外，GtH处理导致一些鱼类精子的发生过早完成。
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如上所述，精原干细胞的更新被认为是精子发生过程中第一个且必不可少的一个阶段。这种有丝分裂过程提供了精原干细胞群，通过特定因子的刺激，细胞可以进入生精过程并启动精原细胞增殖（有丝分裂）。一般认为，鱼类精巢中精原干细胞的有丝分裂增殖并非受垂体GtH的控制（Billard, 1986），而是受雌激素的控制（Miura et al., 1999）。在未达到性成熟的日本鳗鲡中，雌二醇（E2）被证实在体内和体外均能通过刺激分布于支持细胞中的雌激素受体促进精原干细胞更新（Miura et al., 1999），但E2在精巢中的作用位点仍然未知。
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在过去的十年中，关于硬骨鱼类中GtHs刺激精原细胞的增殖和精子发生的信息量极大地增加。这些信息大部分是来自对日本鳗鲡精巢的研究，而日本鳗鲡是研究精子发生的内分泌调节的很好的实验模式动物（Nagahama, 2000）。在鳗鲡中，可以在体内或离体条件下利用HCG诱导完整的精子发生过程（Miura et al., 1991a, 1991b）。在日本鳗鲡精巢中，HCG的主要作用是刺激精巢间质细胞合成11-KT，启动精子发生（Miura et al., 1991c）。此外，HCG刺激精巢支持细胞中雄激素受体的出现（Ikeuchi et al., 2001）。因此，目前存在的理论模型是：11-KT受HCG影响而合成，就会与支持细胞中的雄激素受体结合，刺激活化素B的合成，从而刺激精原细胞的增殖。一个有待回答的重要问题是，由日本鳗鲡脑垂体分泌的能够刺激精巢间质细胞11-KT合成的内源性GtH本质是什么？日本鳗鲡的FSHβ和LHβ亚基的cDNA已经被克隆，鳗鲡FSHβ亚基在未成熟的日本鳗鲡垂体中表达（Yoshiura et al., 1999），表明其合成后分泌到血液中。因此，这进一步支持了FSH可刺激硬骨鱼类精子发生的观点。近期，重组的日本鳗鲡FSH已经产生，并显示可刺激未成熟的日本鳗鲡精巢中11-KT的分泌（Yoshiura et al., 1999）。
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在其他硬骨鱼类中，还有资料表明雄性FSH的主要功能之一是刺激精子发生。在虹鳟中已证实，FSH可以直接刺激原代培养的精巢（体细胞和生殖细胞）中精原细胞的增殖（Loir, 1999b）。虽然没有检测到FSH刺激产生11-KT，但是结果显示外源11-KT或人活化素B对精子增殖没有影响（Loir, 1999b），因此，FSH刺激虹鳟精原细胞增殖的机制仍不清楚。在其他的鲑科鱼类如日本哲罗鲑（Hucho perryi）（Amer et al., 2001）和大鳞大麻哈鱼（Oncorhynchus tshawytscha）（Campbell et al., 2003）中的间接证据表明，FSH可刺激精子形成。在鲑科鱼类中，在精子形成的早期阶段发生了相似的内分泌变化：在成熟的鱼体内，11-KT的血清水平随晚期B型精原细胞的出现而增加，这是一种精子发生起始的标志（Loir, 1999a）。在大鳞大麻哈鱼中，这些变化发生之前都出现血清FSH水平显著增加（Campbell et al., 2003）。此外，GtH以及11-KT可以促进离体培养的日本哲罗鲑精巢组织中精原细胞的增殖（Amer et al., 2001）。鉴于已知的FSH刺激11-KT合成的能力（Planas et al., 1993, 1995）及在精子发生早期鲑科鱼类精巢中FSH受体的存在（Miwa et al., 1994），推断FSH在鲑科鱼类的精子形成过程中起着重要作用（图2-1）。同样，在革胡子鲇（Clarias gariepinus）中，用11-KT处理刺激了精子发生，表明11-KT可能介导了革胡子鲇FSH的作用（Cavaco et al., 1998）。
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图2-1 FSH和LH在鱼精巢中主要作用的示意图
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除了11-KT之外，其他因子也可能参与精子发生过程。例如，以胰岛素样生长因子1（IGF-1）可以促进原代培养的虹鳟精巢细胞中精原细胞的增殖（Loir, 1999b）。在日本鳗鲡精巢中IGF-1与11-KT结合，刺激精子发生（Nader et al., 1999）。IGF-1和IGF-1受体均已在虹鳟的精巢细胞中检测到（Le Gac et al., 1996），表明IGF-1的刺激作用可能通过自分泌或旁分泌同时存在的方式发生。重要的是要确定FSH如何直接或间接通过调控11-KT的合成，调节硬骨鱼类的精巢IGF系统（肽和受体）的激活。此外，IGF-1刺激精子形成过程的机制尚需进行深入研究。有趣的是，DHP是在鲑科鱼类精巢相应FSH刺激下产生的类固醇（Planas et al., 1993, 1995），具有刺激日本哲罗鲑的精原细胞的增殖的功能，其效果甚至比11-KT更强。在注射HCG后（Todo et al., 2000），鳗鲡精巢的DHP受体表达在第3天和第6天显著升高，与精子发生的时间吻合，该结果支持了FSH诱导的DHP在早期精子形成中具有潜在作用。
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众所周知，在大多数硬骨鱼类的小叶型精巢中，精巢生殖细胞的发育与支持细胞的存在是密切相关的。在未成熟精巢中，支持细胞包围单个精原细胞。此外，由于这些细胞在包囊内增殖，支持细胞也会增殖从而包围整个包囊。有学者认为，由于卵泡或精囊细胞发生了持续的发育变化，周围的支持细胞必须以很高的速度更新和增殖（Billard, 1986）。在鲑科鱼类支持细胞中存在FSH受体（Miwa et al., 1994），这表明FSH可能会刺激支持细胞的增殖。但这部分内容仍需深入研究，以进一步解析硬骨鱼类精巢中支持细胞的内分泌调节功能。
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在完成精子发生的过程中，几个导致精子释放进入输精管（排精）和精子获得运动能力（成熟）的重要过程似乎是由垂体GtH调节。在一些硬骨鱼类中，以GtH制剂或GnRH类似物在体处理可以诱导鱼类精子产量增加（Pankhurst, 1994）。此外，自然排精时，一些硬骨鱼类的血清LH水平显著增加，与DHP和11-KT的增加是一致的（Fitzpatrick et al., 1986; Swanson et al., 1991）。目前已知，在离体培养处于排精前期的精巢中发现DHP和11-KT对LH反应的敏感性显著上升，此外还发现，处于该时期的精巢中表达LH的特异性受体（Miwa et al., 1994; Planas et al., 1995）。因此，在LH刺激下所产生的DHP和11-KT可能在精子的形成过程中发挥了重要作用。Miura等人已经证明DHP通过增加精子数量和输精管的pH来调节LH的影响，反过来又通过提高成熟精子中细胞内cAMP浓度来增加精子活力（Miura et al., 1992）。而11-KT在排精中所发挥的作用还不是很确定。尽管缺乏确定性的数据，但普遍认为11-KT可以调节生发泡破裂和促进精子进入输精管的过程（Baynes et al., 1985）。除了类固醇介导的作用外，LH在排精中可能对雄性生殖组织有直接的影响。在鳟中，GtH（可能是LH）直接作用于精小管上皮，调节精浆的离子组成（Marshall et al., 1993）。
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第三节 卵巢促性腺激素调控
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一、卵巢类固醇激素生成调节
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在鱼类卵巢中，滤泡产生类固醇的工作模型是基于Nagahama和他的合作者在20多年前以鲑科鱼类为研究对象提出的两种细胞类型模型。根据这一模型，在底鳉属（Fundulus）鱼类和青鳉（Oryzias latipes）中，两个滤泡层——卵泡膜细胞（theca cell）层和颗粒细胞（granulosa cell）层在脑垂体GtH的组织下完成类固醇激素的合成（Nagahama et al., 1995）。在卵泡膜细胞层中，促性腺激素GtH刺激了睾酮和17-OHP的产生，同样在GtH的作用下，它们在颗粒细胞层中分别转化为E2和DHP，这一类固醇激素合成过程在卵黄发生和卵母细胞成熟的过程中始终存在（Nagahama et al., 1995）。由于FSH和LH的血清水平与E2和DHP之间的高度相关性，最初有人提出FSH主要诱导卵巢E2的合成，而LH主要诱导卵巢DHP的合成（Swanson, 1991）。随着GtHs纯化技术的出现，对FSH和LH在促进卵泡层激素（类固醇）合成方面的相对活性有了进一步的研究。最初的离体研究显示，在幼年银大麻哈鱼（Oncorhynchus kisutch）（Swanson et al., 1989）、卵黄发生期的樱鳟（马苏大麻哈鱼，Oncorhynchus masou）（Suzuki et al., 1988）、黄鳍金枪鱼（Thunnus obesus）（Okada et al., 1994）、鲤（Van der Kraak et al., 1992）、真鲷（Pagrus major）（Tanaka et al., 1995）和美洲红点鲑（Planas et al., 1997）的卵巢碎片中，均发现生理浓度的FSH和LH可以诱导与在体实验类似的类固醇合成作用。在鲑科鱼类中，FSH和LH通过结合卵泡膜细胞层及颗粒细胞层中的特异性受体（GtH Ⅰ受体）促进E2合成（Yan et al., 1992; Miwa et al., 1994），尽管FSH主要在卵巢发育时期行使功能。相反，在排卵前的卵泡中，LH诱导类固醇激素合成的活性明显高于FSH，这可能是由于在卵母细胞成熟过程中GtH Ⅱ（特指LH）特异性受体的出现（Yan et al., 1992; Miwa et al., 1994）。
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LH和FSH诱导类固醇激素合成的活性变化还体现在从卵母细胞生长到卵母细胞最终成熟的转变过程中，诱导卵巢合成E2和DHP的能力存在差异（Nagahama et al., 1995; Senthilkumaran et al., 2004）。在一些非鲑科鱼类（如真鲷）的这一转变过程中，合成的主要类固醇激素从E2转变为到DHP（Ohta et al., 2002）。卵巢中类固醇激素合成的转变决定了在雌性繁殖过程中E2和DHP血清水平有不同的模式，并最终控制了卵母细胞生长和成熟的过程（见下文）。然而，由于迄今为止研究的硬骨鱼类数量较少，尚不明确卵巢类固醇激素的转变是否是硬骨鱼类体内的常见机制。目前的假说认为，鱼类卵巢中的类固醇激素的转变是由垂体GtHs来调节的（Nagahama et al., 1995）。然而，由于鲑科鱼类可以进行FSH和LH血清水平、生物活性和受体水平的比较，这一假说仅在鲑科鱼类中得到验证。目前已知，类固醇激素合成的转变发生在卵母细胞成熟之前，伴随着血清LH水平上升，颗粒细胞中LH特异性受体的出现以及LH促进DHP合成的活性增强（Swanson, 1991; Yan et al., 1992; Miwa et al., 1994; Planas et al., 2000）。卵巢颗粒细胞中Ⅱ型GtH受体的出现被认为是这一转变的一个关键的调节点，因其可能介导了卵母细胞成熟过程中LH两种截然不同的特异性功能。第一，通过在卵母细胞成熟前分离颗粒细胞层（Suzuki et al., 1988; Maestro et al., 1997; Planas et al., 2000）和抑制芳香化酶活性（Sire et al., 1981; Fostier, 1995），可导致LH直接抑制E2合成，进一步抑制E2介导的卵母细胞成熟。第二，通过在卵母细胞成熟前分离颗粒细胞层，可导致仅有LH可通过调节20β-HSD活性来合成DHP，表现为将17-OHP转变成DHP（Suzuki et al., 1988; Maestro et al., 1997; Planas et al., 2000）。有趣的是，在非鲑科鱼类中，卵巢20β-HSD的活性似乎也由GtH控制。对日本鳗鲡体内注射鲑垂体提取物可以显著地提高卵巢20β-HSD的活性（Kazeto et al., 2001），离体条件下，HCG显著地增加了尼罗罗非鱼（Oreochromis niloticus）20β-HSD mRNA的表达水平（Senthilkumaran et al., 2002）。考虑到在卵母细胞成熟过程中LH作用的特性和时机，鉴定出卵巢中控制Ⅱ型促性腺激素受体表达的因子是非常重要的。
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长期未解的一个重要问题是，GtH调节鱼类E2合成的因素是否涉及芳香化酶活性的改变。在对樱鳟（Oncorhynchus masou）卵巢中分离得到的颗粒细胞的研究中，通过检测T转化为E2的量，间接显示芳香化酶的活性，结果发现，纯化的GtH对芳香化酶活性并未产生任何影响（Young et al., 1983）。这些结果质疑了在鲑科鱼类卵巢中GtH对芳香酶活性存在调控作用（Nagahama et al., 1995）。然而，在其他如青鳉和金鱼的硬骨鱼类中，已经证明了部分纯化的GtH制剂或环腺苷3′，5′－单磷酸（cAMP）生成剂促进了T向E2的转化（Kagawa et al., 1984; Tan et al., 1986; Nagahama et al., 1991）。已有一项研究检测了鲑科鱼类FSH对芳香化酶活性具有直接激活的作用，结果表明，在离体条件下，以FSH刺激处于卵黄发生期的褐鳟卵细胞可以提高芳香化酶活性，增加P450芳香化酶基因的表达，从而促进E2的合成（Montserrat et al., 2004）。GtH调节芳香化酶活动的不同结果可能是方法学或物种特异性因素的结果。不能排除颗粒细胞层的分离所导致的卵巢结构不完整，及由此引起的其他调控因子的缺失，而这些因子很可能是GtH刺激芳香化酶活性所必需的（Young et al., 1983）。在这一点上，尽管仅对少量物种进行了研究，但FSH对卵巢芳香酶活性的调控作用在鱼类中很可能是一种普遍存在的机制。
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二、卵母细胞发生的调控
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在鱼类中，卵母细胞的发育主要经过四个阶段：卵原细胞增殖；初级卵母细胞增长；卵黄形成；卵母细胞成熟（图2-2）。一旦卵母细胞经历了激素诱导成熟，一系列的生物学事件就会随之发生，如滤泡层破裂并释放出可受精的卵母细胞，这一过程被称为排卵。在卵巢中，卵细胞的形成是由卵原细胞有丝分裂增殖开始，并且这一过程贯穿大多数的多次产卵的雌性硬骨鱼类的一生（Selman et al., 1989）。卵原细胞分化为初级卵母细胞，预定数目（取决于物种）的初级卵母细胞进入初级发育阶段。同时，随着初级生长阶段的开始，初级卵母细胞开始了第一次减数分裂，并经历了前期的第一个阶段，但在减数分裂的双线期，卵母细胞的发育出现停滞。处于减数分裂的停滞期时，大部分的卵母细胞已经度过卵黄发生期，这一阶段的卵母细胞主要是积累卵黄蛋白。一旦卵母细胞的卵黄发生完成，在适当的激素刺激下，恢复并完成第一次减数分裂，此时，第二次减数分裂启动，即卵母细胞进入最后的成熟阶段。在成熟的卵母细胞中，第二次减数分裂在中期再次停滞，直到发生受精。
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长期以来，普遍观点认为卵母细胞的生长和发育都是受GtH控制的。然而，大多数研究均集中于GtH对卵母细胞最后成熟的调控，而其对卵原细胞增殖和卵母细胞生长等其他发育过程中的功能仅有少量报道。我们对于GtH在卵巢中功能认知的滞后主要是由于从大多数硬骨鱼的垂体中纯化FSH的技术进展缓慢，这就导致我们无法针对鱼类自身的FSH功能进行详细研究。与卵母细胞所处的时期无关，GtH控制对卵母细胞生长和发育的调控作用似乎并非直接作用于卵母细胞的结果；相反，其通过作用于卵母细胞周围的滤泡细胞间接行使功能。因此，需要指出的是，卵母细胞的生长和发育是建立在其周围的滤泡细胞和颗粒细胞共同发育的背景下的。事实上，大多数已知的GtH对卵母细胞发生的影响都是通过位于滤泡细胞表面的FSH和LH受体所介导的，通过受体激活下游信号通路，GtHs诱导类固醇激素合成并行使其功能（Yan et al., 1992; Miwa et al., 1994）。在金鱼卵黄发生期的卵泡中，HCG通过一些生长因子的作用来促进DNA的合成（Srivastava et al., 1995）。遗憾的是，迄今为止，类固醇激素介导GtH诱导鱼类卵母细胞增殖的潜在作用尚未见报道。
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图2-2 FSH和LH在鱼卵巢中主要作用的示意图
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三、卵母细胞生长调控
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到目前为止，垂体GtH对鱼类卵母细胞生长调节的确切作用尚不明确。通过对鲑科鱼类整个生殖周期血清FSH和LH水平的检测发现，FSH的水平变化与卵母细胞的生长期呈正相关（Swanson, 1991; Oppen-Berntsen et al., 1994; Prat et al., 1996; Santos et al., 2001）。基于这些信息，笔者认为FSH是与卵母细胞生长调节密切相关的GtH。然而，目前关于FSH在鱼类卵母细胞生长中的作用，大多数证据是间接的，是基于对单侧卵巢切除术后剩余一侧卵巢生长情况的研究结论。通过对虹鳟进行单侧卵巢切除术，Tyler等人证明，剩余卵巢中处于初级卵母细胞被激活并开始发育进入生长阶段（Tyler et al., 1996）。研究显示，单侧卵巢切除后，鱼类血清FSH水平显著升高，据此认为，FSH可能是刺激初级卵母细胞生长的激素（Tyler et al., 1997）。自然产卵的虹鳟中，排卵后其血清FSH水平上升与其促进下一个初级卵母细胞激活及生长周期的启动相关（Prat et al., 1996）。在大西洋鲑（Salmo salar）（多次产卵鱼）中也有类似的情况，处于排卵期的雌鱼血清中也发现了相对较高水平的FSH（Oppen-Berntsen et al., 1994）。然而，在一次性产卵的银大麻哈鱼的排卵阶段，其血清FSH水平很低（Swanson, 1991）。此外，利用免疫中和手段人为降低虹鳟血清中FSH水平，导致了卵母细胞量下降，进一步表明FSH在卵母细胞生长中的作用（Santos et al., 2000）。一种可能的假设是，在诱导初级卵母细胞进入生长阶段之前，FSH可能促进了卵原细胞的增殖。众所周知，通过单侧卵巢切除手术证实，在多次产卵鱼类中，卵细胞的增殖通常发生在排卵期间或排卵后（Tyler et al., 1996）。显然，还需要进一步的研究来确定调节卵原细胞增殖的因子，这对于了解鱼类繁殖力的决定因素是必不可少的。
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FSH通过刺激滤泡层合成E2，间接调节卵母细胞生长的两个重要过程：卵壳蛋白或卵黄膜的形成，以及卵黄蛋白的累积。目前已知，E2在FSH诱导下合成，而E2直接诱导了鱼类肝脏中卵壳蛋白的合成（Hyllner et al., 1995）。在大西洋鲑中，FSH、E2和卵壳蛋白的血清浓度具有高度相关性（Oppen-Berntsen et al., 1994）。有趣的是，卵壳蛋白的合成及其在卵母细胞中沉积的过程起始于初级卵母细胞生长阶段，在卵黄发生期继续，直至卵母细胞成熟。与卵壳蛋白相似，对FSH反应产生的E2刺激了肝脏合成卵黄蛋白原（Vtg），这是一些硬骨鱼类中最主要的卵黄蛋白来源。此外，FSH特异性刺激虹鳟卵泡对Vtg的吸收（Tyler et al., 1991）。目前，这是FSH促进卵母细胞生长的唯一直接证据。在鱼类中，Vtg通过受体介导的内吞作用被卵母细胞分解利用，并且多个物种中均已发现Vtg受体的存在（Tyler et al., 2000）。由于Vtg受体的数量和表达量在卵黄发生期出现显著性上升（Tyler et al., 2000），其趋势与报道的FSH变化相同（Swanson, 1991; Oppen-Berntsen et al., 1994; Prat et al., 1996; Santos et al., 2001），所以普遍认同FSH可以诱导卵母细胞表面Vtg受体的出现。然而，目前还没有关于鱼类FSH对卵巢中Vtg受体数量或表达量调控的具体信息。
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在鱼类卵母细胞的生长过程中，卵巢功能的另一个重要方面是卵泡闭锁，其也可能受GtH控制。然而，鱼类卵泡闭锁的激素调节的研究仅有极少报道。在虹鳟中，部分纯化的GtH和E2被认为抑制了卵黄发生期卵巢中卵泡的细胞凋亡（Wood et al., 2002）。因此，有可能FSH直接或间接地通过E2的合成，在卵细胞发生的过程中扮演促进卵原细胞存活的重要角色。
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四、卵母细胞成熟的调控
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第三章 性类固醇激素的作用及代谢模式
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第一节 导言
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类固醇激素在所有脊椎动物的内分泌系统中均扮演了非常重要的角色，其功能包括矿物质和水分平衡的调节、免疫应答的调节、影响繁殖的各种因素的调节。类固醇是由胆固醇通过一系列酶的裂解途径合成的，包括碳原子的连续丢失和多种活跃基团的增加和减少。不同类型的脊椎动物和类群中产生的类固醇激素存在很大的差异，但在应用中通常忽略这些差异。皮质醇激素通常以21碳类固醇激素形式存在，其功能主要与新陈代谢和渗透压调节相关，在生殖调控中仅起间接作用，而孕激素类固醇在所有物种的生殖调控中均起主要作用。孕酮在生殖调控中具有多方面的功能，包括诱导卵母细胞成熟、排卵，维持妊娠或在体内受精的物种中调节卵细胞受精。在水生脊椎动物中，由于孕激素及其衍生物在生殖过程中还以性外激素行使功能，是发育、交配等发生的信号。19碳类固醇（统称为雄激素）是“雄性”类固醇，但事实上，雄激素的代谢产物同时参与了雌雄两性的生殖发育过程。雄激素的作用包括促进性腺及雄性第二性征的发育，并对两性生殖行为、下丘脑和垂体的功能起关键调控作用。18碳类固醇（雌激素）在两性中均可合成，但在雌性中具有更高的水平，其在调节卵巢发育、雌性第二性征的发育以及促进肝脏合成卵黄前体卵黄蛋白原（Vtg）和卵壳蛋白（统称为透明质蛋白）方面具有重要作用。
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由于类固醇激素普遍在脊椎动物繁殖中起着至关重要的作用，确定其基本的功能以及检测其在血清和组织中的含量相对容易（类固醇激素在结构上的共性致使其功能在不同物种中几乎没有差别），因此，性类固醇激素已经被广泛用于描述内分泌状态，关联内分泌调控及生殖发育状态，以及评估外界环境对生殖过程影响等方面。出于同样的原因，类固醇激素水平也被普遍用作人工繁殖中的激素调控功能的内分泌指标，以及环境压力和污染物对内分泌影响的指标，尤其是一些内分泌类似物的化合物对生物生殖系统影响等。目前，在很多脊椎动物特别是鱼类中，出现了大量的关于类固醇激素的综述。已知鱼类物种超过34200种（大多数是硬骨鱼），由于其生存环境存在差异，相应地进化出多种多样的繁殖模式。由于肽类和蛋白质激素在不同种群中具有特异性，因而类固醇激素测定是相对容易的用以评估生殖模式和控制过程异同的途径。值得注意的是，这种标准化的激素测定方式，往往会导致研究人员仅关注他们想要的结果，而该结果很可能是对生物体实际反应的一种简化形式，并不能完全展示生物体内完整过程。
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本章将综述鱼类繁殖的上述相关问题，总结现有知识，为该领域的进一步研究提供参考。本章的目的并非全面综述鱼类类固醇激素的所有文献，而是尽可能地指导读者更进一步了解类固醇激素。
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第二节 类固醇激素的生成
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垂体合成的糖蛋白类促性腺激素释放到血液循环系统中，在这种激素的作用下，在性腺支持细胞内储存的胆固醇逐步被修饰为各种类固醇激素。与其他脊椎动物一致，促性腺激素分为两种，即促卵泡激素（FSH）和促黄体激素（LH）（Swanson et al., 2003, Yaron et al., 2003）。基于少数物种FSH和LH的实验数据分析，得出在卵巢同步发育的物种中FSH和LH的释放有短暂的时间差。其中，FSH与性腺生长发育的早期阶段有关，而LH调控性腺的成熟（Swanson, 1991; Swanson et al., 2003）。相反，在卵巢非同步发育的物种中，FSH和LH在血液中的变化似乎一致（Elizur et al., 1995; Jackson et al., 1999）。LH和FSH均通过结合卵巢滤泡细胞（Yan et al., 1992：Miwa et al., 1994）和精巢中的睾丸间质细胞表面的膜受体发挥作用，导致细胞内cAMP水平升高，从而激活蛋白激酶A通路（PKA），进而活化并合成类固醇合成酶（Van der Kraak and Wade, 1994; Nagahama, 2000）。类固醇合成过程中的一个关键调控步骤是通过一种叫做类固醇激素合成急性调节蛋白（StAR）的转移作用，将胆固醇分子运输到线粒体内膜。对哺乳动物的初步研究表明，StAR是一种大小为30ku的蛋白质，首先在cAMP－蛋白激酶A细胞内信号转导作用下，在细胞质基质中合成37ku的前体蛋白。该前体蛋白与线粒体外膜结合，随后经磷酸化成为30ku的成熟蛋白，成熟蛋白具有改变膜特性的功能，从而使胆固醇能够转运到线粒体内膜（内膜和外膜被隔膜间水分隔开，防止疏水性胆固醇转移）（Stocco, 1997, 1999）。已有的研究表明，只有新合成的StAR才能有效介导胆固醇转运，而该新合成的蛋白通常含量很低，但其活性相对较高，据估计，每个StAR分子每分钟便可转运400多个胆固醇分子（Artemenko et al., 2001）。对鱼类的研究表明，低等脊椎动物如虹鳟的肾间组织中，皮质醇激素的合成机制与哺乳类类似，均对PKA和StAR具有依赖性（Lacroix and Hontela, 2001; Kusakabe et al., 2002; Geslin and Auperin, 2004）。在美洲红点鲑的卵母细胞成熟、排卵和成熟过程中，类固醇激素达到峰值的同时，卵巢的StAR蛋白量也达到峰值（Kusakabe et al., 2002）。
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类固醇的正式系统命名法通常基于其化学结构，包括碳氢类层次结构、饱和度以及其取代基原子或基团个数、位置等（Kirk and Marples, 1995）。然而，生物学文献通常使用普通命名法，除非命名间存在混淆或通用名称缺失，本节将使用普通命名法对这些类固醇激素进行介绍及讨论。在胆固醇侧链裂解酶（P450scc）复合物的催化控制下，转运至线粒体内膜胆固醇的6碳侧链被切断，形成类固醇合成途径中的第一种类固醇——21碳孕烯醇酮，随后孕烯醇酮通过两种不同的途径进一步酶解为其他类固醇激素。孕烯醇酮可能通过3β-羟化类固醇脱氢酶（3β-HSD）转化为孕酮，或者通过17α-羟化酶/C17, 20裂解酶细胞色素P450（P450c17）转化为17-羟基孕（甾）烯醇酮（Norris, 1996; Nagahama, 2000）。孕酮或17-羟基孕烯醇酮的后续代谢命运在一定程度上取决于组织类型和物种，对鱼类来说总体的框架模式如图3-1所示。除了稍后讨论的一些例外情况，配子形成和性腺生长过程中合成的最终活性产物，在雄性中是11-酮基睾酮（11-KT），在雌性中是17β-雌二醇（即E2）。在两性中，配子成熟之前转为产生21碳类固醇［通常为17α，20β-二羟基-4-孕烯-3-酮（DHP）］，并且在雄性和雌性中分别诱导排精和排卵。
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图3-1 硬骨鱼类固醇激素合成的总体过程
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在类固醇骨架中，活性基团取代基的分子量是很大的，事实上，离体条件下通过使用放射性前体物质孵育卵巢或精巢组织的实验表明，所合成的化合物的数量远比图3-1所示的多得多（Schoonen et al., 1987, 1989; Canário and Scott, 1989; Kime, 1990, 1992; Kime et al., 1991; Borg et al., 1992; Vermeulen et al., 1993; Guigen et al., 1995）。研究结果显示，尽管浓度通常很低，中间产物始终存在于类固醇激素合成的性腺组织中；同时，性腺组织通过进一步代谢或修饰使类固醇激素反复失活并合成新的激素种类，从而达到一种动态的平衡（将在本章后面类固醇的作用模式和代谢方式的介绍内容中进一步讨论）。还需要考虑的是，离体孵育系统中类固醇激素的合成过程不一定在活体情况下发生。例如，在Kime等人的一系列研究中发现，底物的浓度对所产生的类固醇的种类和数量有很大的影响。当底物浓度较低时，共轭类固醇及其极性代谢物占主导地位，而在高底物浓度时这些产物是检测不到的（Kime, 1992; Kime and Abdullah, 1994; Ebrahimi et al., 1995）。这是因为在酶解过程中不同酶的相对能力和活性不同。此外，离体孵育温度也会影响类固醇及代谢产物组成的复杂性，例如，在较高温度下会产生更多的共轭类固醇（Kime, 1979; Kime and Hyder, 1983）。因此，虽然离体孵育实验能够作为性腺中类固醇激素合成的研究方法，但其结果还需在活体研究中再次证实，从而最终证明其生物活性或作用。
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第三节 类固醇激素的作用模式
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一、诱导成熟型类固醇
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1．雄激素
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雄激素存在于雌、雄鱼的血清中。然而在雌性中，雄激素主要作为雌激素合成的底物，通过细胞色素P450芳香化酶进一步芳香化为18碳类固醇激素，主要是E2。雄鱼通常仅有低水平的P450芳香化酶，而在大多数物种中，通过几种潜在的代谢途径合成活性雄激素——11-KT（Borg, 1994; Nagahama, 2000）。其他雄激素也同睾酮一起出现在血清中，如雄烯二酮（AD）和羟基睾酮（11β-OHT），这些雄激素在性成熟的雄鱼血清中均有一定量的升高（Borg, 1994）。但这些雄激素是否具有功能，还是仅作为代谢的中间产物，尚不清楚。
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雄鱼也会合成低水平的雌激素，而E2似乎在精巢中通过雌激素受体（ER）的介导，在刺激精原干细胞的重激活中发挥重要作用（Miura and Miura, 2003）。11-KT似乎在刺激精原细胞增殖中行使主要功能（Schulz et al., 2000）。至少，11-KT在日本鳗鲡的精巢中能够刺激精子发生的各个阶段（Miura et al., 1991b）。目前尚未在生殖细胞中检测到雄激素受体的存在，而在支持细胞中已有雄激素受体表达的报道，这一结果表明支持细胞通过某种尚不清楚的分子机制介导雄激素对生殖细胞发育的影响（Nagahama et al., 2000; Schulz et al., 2000）。已有研究表明，11-KT通过上调生长因子活化素B（activin B），同时下调精子发生抑制因子，来完成对精子发生启动的调控（Miura and Miura, 2003）。
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据报道，雄激素与排精和精子水合有关，但这一点的证据尚不十分明确。甲基睾酮（MT）注射可以诱导鲻（Mugil cephalus）排精（Weber and Lee, 1985），T注射也可以诱导黑鲷（Acanthopagrus schlegelii）（Lau et al., 1997）和大西洋鲑（Berglund et al., 1995）排精。相反，雄激素在虹鳟（Billard et al., 1981）、樱鳟、金鱼（Ueda et al., 1985）、金赤鲷（Pankhurst, 1994）或绿背菱鲽（Pankhurst and Poortenaar, 2000）的排精和性腺体积方面却没有影响。Weber和Lee（1985）等报道认为，雄激素的刺激作用似乎是间接发挥的（见本章类固醇反馈调节作用部分），而不是雄激素对排精的直接作用。
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所有脊椎动物中，雄激素的主要作用是刺激雄性第二性征的发育，虽产生的效果各不相同，但通常与外部特征相关联。这些特征能说明动物们已经为生殖做好了准备或有能力保护领土。例如，在绿鹦鲷（Sparisoma viride）中，雄鱼着色程度与血清11-KT水平上升相关，外源11-KT同样可以诱导雌性产生相同的变化（Cardwell and Liley, 1991a）。棘背鱼科、孔雀花鳉（即孔雀鱼）（Poecilia reticulata）和大麻哈鱼属的体色变化同样依赖雄激素，如慈鲷科的花斑剑尾鱼（即月光鱼）（Xiphophorus maculatus）和青鳉（Oryzias latipes）雄鱼鳍着色和鳍条发育（Borg, 1994）。雌鱼中也有类似现象，黑体光鳃雀鲷（Chromis dispilus）在产卵期的细胞色素沉着与T和11-KT的血清水平升高相关（Pankhurst, 1990）。雄激素可引起鲑科鱼类表皮增厚（Pottinger and Pickering, 1985），还可以引起繁殖活跃的雄性虹鳟的心脏增大（Davie and Thorarensen, 1997）。以11-KT处理雌性蓝带血虾虎鱼（Lythrypnus dalli），会致其出现雄性特征的生殖乳突（Carlisle et al., 2000）。其他依赖雄激素产生的第二性征包括棘背鱼科的肾脏增生，该增生可以产生筑巢用的黏性胶状物质（Borg, 1994）。在11-KT的影响下，斑光蟾鱼（Porichthys notatus）发声肌肉开始增长以便发出求爱声音，同时出现占领领地行为（Brantley et al., 1993）；而不需要领地，偷偷进行产卵的雄性具有升高的血清T水平和完全发育的精巢，但是其发声肌肉更接近雌鱼或幼鱼。在小吻翎电鳗（Apteronotus leptorhynchus）中也发生类似的现象，其中雄性产生一种特征性电器官来放电或“鸣叫”，雌性通过T或双羟睾酮处理之后也能够发育出雄性的“鸣叫”器官。
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雄激素是雄性脊椎动物行为的主要调控激素，血清雄激素水平的增加通常伴随着侵略性和领地意识的增加（Pfaff et al., 1994）。多种鱼类中占领领地行为与血清11-KT和T水平升高密切相关，包括蓝鳃太阳鱼（Lepomis macrochirus）（Kindler et al., 1989）、黑体光鳃雀鲷（Chromis dispilus）（Pankhurst, 1990）、绿鹦鲷（Sparisoma viride）（Cardwell and Liley, 1991b）、高欢雀鲷（Hypsypops rubicundus）（Sikkel, 1993）、三刺鱼（Gasterosteus aculeatus）和刺棘光鳃雀鲷（Acanthochromis polyacanthus）（Pall et al., 2002）。精巢切除后雄激素补偿实验表明，这些行为往往直接依赖于雄激素（Pankhurst, 1995）。然而，雄激素介导的行为某些方面取决于其所处的社会背景。例如上面提到的，筑巢的雄性黑体光鳃雀鲷中，T和11-KT血清水平的显著升高与炫耀领地和产卵有关，但是对于处于孵卵阶段的野生鱼，人工提高雄激素到同一水平对其行为没有任何影响（Pankhurst and Carragher, 1995）。反过来，雄激素水平也受到行为或者社会状况所调节，例如，同种个体的密度（Cardwell and Liley, 1991b）、领土挑战的强度（Cardwell and Liley, 1991b）和未能获得领土的性成熟的鱼（Barnett and Pankhurst, 1994）等因素都影响血清雄激素水平的变化。一般来说，鱼类反应证实了一般脊椎动物的“挑战假设”的模型，其中社会条件调节雄激素水平，以使雄激素介导的行为水平与其所处的社会环境统一（Oliveira et al., 2002）。
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生殖行为的另一个方面是产卵过程。用11-KT对雌性金鱼进行缓释处理能够诱导其产生雄性特有的求爱和产卵等行为，同时雌鱼还出现活动量增加及摄食减少的行为（Stacey and Kobayashi, 1996）。一些鱼类中，埋植T可以导致第二性征的出现，但是对其行为并没有影响。Kobayashi和Nakanishi（1999）研究显示11-KT在雌核发育的银鲫（Carassius auratus langsdorfi）（现用学名为Carassius langsdorfii）中产生雄性典型生殖行为的相似效果。这些学者的结论是，与硬骨鱼类不同的是，哺乳动物“行为”或“大脑”性别在生命的早期就被分化了；硬骨鱼类保留脑性别的双向性，这可以通过雄激素处理来调节。
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2．雌激素
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雌激素在鱼中的主要作用是刺激磷脂蛋白前体——卵黄蛋白原在肝脏中合成。在大多数物种中，涉及的雌激素主要是雌二醇（E2）。此外，雌酮（E1）在某些物种中可能在卵黄发生作用中具有一定功能（Specker and Sullivan, 1994; Tyler et al., 2000）。由卵巢滤泡细胞分泌的E2通过循环系统运送至肝脏，与肝细胞细胞核中的雌激素受体（ER）结合进而行使功能。在硬骨鱼类中已经发现了三种ER类型：α和β均为肝脏中表达受体，而γ仅在波纹绒须石首鱼卵巢中发现（Hawkins et al., 2000）。E2与雌激素受体结合刺激卵黄蛋白原基因的转录活性，各种研究表明，硬骨鱼类中可能含有一个到多个控制卵黄蛋白原的基因拷贝（Watts et al., 2003）。卵黄蛋白原的结构通常因物种而异，但是总体结构均以分子量超过500ku的二聚体形式存在（Sun et al., 2003）。处于卵黄发生期的鲑科鱼类卵黄蛋白原的血清滴度非常高，可达到50mg/mL（King et al., 2003）。在非鲑科鱼类中，血清滴度往往较低，例如，绿背菱鲽中约为2mg/mL（Sun and Pankhurst, 1994）。卵黄蛋白原通过血液运输至卵巢，通过卵黄蛋白原受体（VtR）介导的胞吞作用将其摄入发育中的卵母细胞内部，随后被切割成几个卵黄蛋白（Tyler et al., 2000）。雄性也拥有卵黄蛋白原基因，但是其表达通常因为E2血清滴度过低而被阻断（Sun et al., 2003）。
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雌激素的第二个重要作用是刺激肝脏合成三种结构蛋白（ZP）前体，这种结构蛋白转变为发育中的卵母细胞的透明带，随后发育为成熟的卵膜，这些蛋白质的分子量小于卵黄蛋白原，通常在50～70ku（Tyler et al., 2000）。相比于Vtg基因，ZP基因对雌激素显示出更高的敏感性，合成时间更短，雌激素处理后很快在血清中出现（Celius et al., 2000; Berg et al., 2004; Fujita et al., 2004）。此外，肝脏对E2的敏感性要高于其他雌激素（Celius and Walther, 2000）。然而，已有的研究表明，ZP的合成并不完全依赖于雌激素，皮质醇激素具有增强E2对ZP基因表达的刺激作用（Westerlund et al., 2001; Berg et al., 2004）。
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二、类固醇激素的反馈调节作用
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研究显示，性类固醇激素可以反馈调节垂体合成并释放促性腺激素。对金鱼、虹鳟、革胡子鲇（Clarias gariepinus）和欧洲鳗鲡（Anguilla anguilla）的研究表明，性腺切除术可以增加其血清LH水平，T和E2补偿可以降低性腺切除的影响，同时增加垂体中促性腺激素分泌细胞中的LH积累（Kobayashi and Stacey, 1990）。同样，对处于发育期的大西洋鲑、虹鳟、花斑剑尾鱼、欧洲鳗鲡和日本鳗鲡的研究表明，雌激素和雄激素增加LHβ亚基合成，但对FSH合成影响不大（Dufour et al., 2000）。其他最近的研究显示，类固醇对FSH与LH表达、合成和释放存在不同影响。埋植T对大西洋鲑的FSH无影响，但会增加垂体LH含量（Antonopoulou et al., 1999a）。用芳香化酶抑制剂处理和性腺切除所得结果类似，均能降低脑垂体和血清LH水平，这表明LH的合成和释放具有芳香化酶依赖的正反馈调节。同时也有证据表明，FSH的合成和释放具有芳香化酶依赖的负反馈调节（Antonopoulou et al., 1999b）。三刺鱼的精巢切除导致血清雄激素水平下降，从而降低LHβ亚基的表达，但对FSHβ没有影响（Hellqvist et al., 2001）。在金鱼中，成熟早期将卵巢切除会导致FSHβ的表达增加，这种上调可以通过补偿T、E2和11-KT抑制。T和E2导致性腺完整的鱼LHβ表达增加，从而得出结论：在成熟早期阶段，性类固醇激素抑制FSHβ表达，却促进LHβ表达（Kobayashi et al., 2000）。在黑鲷中，用E2处理也能增加垂体LH mRNA水平及血清LH水平（Du et al., 2001），此外，在杂交罗非鱼中，高浓度的T诱导LHβ表达水平升高，同时抑制FSHβ的表达（Melamed et al., 1997）。同一研究还表明，低浓度的T对FSHβ的表达也具有促进作用，表明浓度高低在FSH表达的类固醇激素的反馈调节中具有重要意义。
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性腺类固醇在内分泌调控网络中具有其他水平的调节作用，T和E2能增强金鱼垂体对GnRH的反应性，E2在虹鳟中具有相同的效果，而11-KT会降低革胡子鲇垂体对GnRH的反应性（Trudeau and Peter, 1995）。类固醇也具有调节垂体在响应GnRH时多巴胺和γ-氨基丁酸的抑制和刺激作用（Trudeau and Peter, 1995）。这些作用中的一部分由类固醇激素直接调节GnRH系统。埋植T和E2，在不改变革胡子鲇GnRH细胞数量的情况下，会增加下丘脑神经元中GnRH含量。同样的效果存在于樱鳟、虹鳟、花斑剑尾鱼（Dubois et al., 2001）和印度囊鳃鲇（Heteropneustes fossilis）中（Tiwary et al., 2002）。在波纹绒须石首鱼中也报道了类固醇激素的抑制作用，其中MS的20β-S降低了雌、雄成熟亲鱼垂体对LHRH-A的响应，并导致雌鱼性腺退化，这一过程伴随着脑视前区和垂体GnRH含量的相应减少（Mathews et al., 2002）。
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类固醇激素反馈调节的另外一个调控层面发生在性腺水平，如前文所指出的，波纹绒须石首鱼的卵巢和精巢中均已鉴定出T和E2的膜受体，这两种受体分别在卵巢雌激素和精巢雄激素作用下通过快速非基因组效应表达（Thomas, 2003）。Govoroun等研究指出，投喂E2的雄性虹鳟，P450c17、3β-HSD和11β-羟化酶的表达显著降低（Govoroun et al., 2001）。其他类固醇激素生成酶和肾间类固醇生物合成过程不受影响，表明这是性腺特异性的作用。此外，根据该效应的起效时间长度推测，这一过程为经典的基因组效应。离体研究显示E2对虹鳟肾间类固醇合成没有显著影响，但抑制了大鳞大麻哈鱼（Oncorhynchus tschawytscha）中孕烯醇酮（P5）转化为皮质醇的能力（McQuillan et al., 2003）。Barry证明了DHP对离体培养的鲤精巢11-KT的合成有抑制作用（Barry et al., 1989），但在大西洋鲑中没有类似的效果（Antonopoulou, 1997）。总而言之，这些研究表明，类固醇激素对其自身的合成具有反馈调节能力，这种能力通常是通过改变类固醇激素合成酶的活性来完成的。
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第四节 繁殖模式对类固醇激素代谢的影响
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一、配子同步发育的物种
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这种类型的鱼类所显示的类固醇分泌模式以鲑科鱼类为代表，其中每年或每两年产卵并且每次仅排卵一次（single ovulatory clutch）。从卵母细胞重新聚集到卵黄发生期直至排卵完成的整个时间段约为9个月（鲑科鱼类），在这一过程中，卵母细胞的发育从最初的大小参差不齐逐步转变为卵黄发生作用下的完全一致（Tyler et al., 1990; King and Pankhurst, 2003）。在卵黄发生期之前，血清中的类固醇激素水平极低，甚至检测不到，但在卵黄发生期，雌鱼血清E2水平逐渐升高，同时伴随着血清T的上升。升高的血清E2水平导致高Vtg滴度，该滴度大致反映E2的分泌状态。E2水平在卵黄发生结束时达到峰值，然后随着P450芳香化酶活性的抑制而迅速下降，这导致血清T水平有一个瞬间升高。随着卵母细胞的成熟，血清T水平下降，而此时血清DHP水平迅速上升（Scott et al., 1980, 1982; Van der Kraak et al., 1984; Fitzpatrick et al., 1986; Goetz et al., 1987; Mayer et al., 1992; Slater et al., 1994; Pankhurst and Thomas, 1998; Tveiten et al., 1998; King and Pankhurst, 2003）。对（该物种）排卵后血清中激素水平进行测量，DHP和LH的血清水平在排卵前后保持在高水平（Fitzpatrick et al., 1986; Liley and Rouger, 1990），这被认为与DHP和LH在产卵前维持排出卵的活性相关（Hobby and Pankhurst, 1997b）。虹鳟内分泌水平和卵巢发育的综合情况如图3-2所示。
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图3-2 性腺成熟系数（GSI）、卵径及血清E2、T和DHP在塔斯马尼亚虹鳟种群的变化情况
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雄鱼在精子发生期间显示出类似的类固醇分泌模式，血清T和11-KT水平升高的时间延长，随着排精的临近，血清雄激素水平开始下降。此外，血清中DHP水平在排精及精子水合时出现一个峰值（Scott et al., 1980; Ueda et al., 1983; Baynes and Scott, 1985; Mayer et al., 1992; Tveiten et al., 1998）。鲑科鱼类生殖周期的一致特征是具有相对较高的血清类固醇水平。雌性中E2、T、DHP的峰值分别为：大于50ng/mL、150～250ng/mL和大于250ng/mL（Scott et al., 1980, Van der Kraak et al., 1984; Pankhurst and Thomas, 1998），并且虹鳟中T、11-KT和DHP峰值水平分别高达150ng/mL、100ng/mL和50ng/mL（Baynes and Scott, 1985; Mayer et al., 1992）。上述浓度水平已经达到硬骨鱼类中的最高值。
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尽管绝对类固醇水平较低，但相似的发育模式在多种冷水鱼包括大西洋狼鳚（Anarhichas lupus）（Tveiten et al., 2000; Tveiten and Johnsen, 2001）、黄金鲈（Perca flavescens）（Dabrowski et al., 1996; Ciereszko et al., 1997; Sulistyo et al., 2000）、玻璃梭吻鲈（Stizostedion vitreum）（Malison et al., 1994）、似鲱月眼鱼（Hiodon alosoides）（Pankhurst et al., 1986），以及一系列鲤科鱼类中均有发现（Kagawa et al., 1983; Kobayashi et al., 1986; Aida, 1988; Barry et al., 1990）。这类鱼类与已知的鲑科鱼类模式存在差异，包括在一些物种中发现DHP水平较低伴随高水平的21碳类固醇与硫酸盐或葡萄糖醛酸结合物（Tveiten et al., 2000）。并且在鲤科鱼类中，行为和温度可以快速诱导卵母细胞成熟和排卵（伴随MS出现）（Aida, 1988）。似鲱月眼鱼中存在一种很特别的现象，处于卵黄发生期的似鲱月眼鱼血清中竟然没有E2（Pankhurst et al., 1986）。
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在所有温度较低（＜5℃）且稳定的深水中，鱼类的发育模式类似，其卵巢或精巢发育期较长（Pankhurst et al., 1987）。关于这类鱼类的生殖内分泌功能的信息很少。然而，对生活在水中层的大西洋胸棘鲷（Hoplostethus atlanticus）已有一些研究数据。大西洋胸棘鲷生活在800～1300m的水深处，冬季中期产卵，新西兰地区该群体的数量常年保持不变。其精确的产卵日期随着纬度而变化，但统计显示，处于不同纬度的不同群体产卵期的日照时长是相同的，这表明该物种的繁殖调控明显受到光周期信号的影响（Pankhurst, 1988）。拖网捕获的该鱼类的血清类固醇数据显示，其两性血清T水平在整个配子成熟期稳定增加，在产卵（排精）前期达到峰值（约10ng/mL）。血清E2水平始终保持在低水平（＜1ng/mL），但在雌性卵黄发生晚期时升高，雌性个体中17-OHP和DHP的水平始终处于较低水平，而雄性个体中则检测不到这两种类固醇激素（Pankhurst and Conroy, 1988）。不同于其他鱼类，在该鱼卵母细胞的最后成熟阶段，11-脱氧皮质醇（11-DOC）升高。离体实验显示，11-DOC具有诱导卵母细胞成熟的作用，而DHP则没有该功能。然而，由于卵巢11-DOC的合成并不受到促性腺激素的调控（Pankhurst, 1987），因此大西洋胸棘鲷中的成熟诱导激素的种类仍未被证实。
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卵生或胎生的一些软骨鱼类也具有类似于高纬度周年产卵的特征。然而，在软骨鱼类中，内分泌激素的相关信息要比硬骨鱼类少得多。目前所知的是，雌性卵黄发生期伴随血清T和E2水平升高，而排卵和卵黄沉积伴随血清孕酮（P）峰值的出现，此外，妊娠期的雌性血清中P的含量也会有一定程度的升高（Sumpter and Dodd, 1979; Koob et al., 1986; Heupel et al., 1999; Koob and Callard, 1999; Rasmussen et al., 1999）。这些模式在一些物种中具有季节性同步（Heupel et al., 1999; Rasmussen et al., 1999），而其他物种为非季节性同步（Koob and Callard, 1999）。这反映了那些产大型卵或卵胎生物种的同步孵化或分娩对类固醇激素的依赖。雄性血清中T升高与生殖器伸长和钙化（其标志着向性成熟的过渡）以及精子发生相关（Heupel et al., 1999）。软骨鱼类中其他雄激素研究信息还很少。然而，关于澳大利亚绒毛鲨（Cephaloscyllium laticeps）的研究表明，即使血清T水平高达14ng/mL，性成熟期的鱼类中也不能检测到11-KT。雌性绒毛鲨血清P含量高达12ng/mL，但雄鱼中P的含量始终很低。目前尚不确定雄性软骨鱼类的成熟诱导激素与硬骨鱼类作用是否一致，还是软骨鱼类中整个过程均是雄激素所介导的。
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卵胎生硬骨鱼类可以作为上述软骨鱼类的对照参考。有限的证据表明，这类硬骨鱼类中也存在与软骨鱼类相似的内分泌模式。孔雀鱼是一种卵胎生动物，其受精和妊娠过程均发生在滤泡层内。血清T和E2水平在卵黄发生和分娩期间（此时下一批卵母细胞开始发育）升高，但在妊娠期间水平较低。P、17-OHP和DHP水平保持相对恒定，因此不清楚21碳类固醇是否在维持妊娠中具有一定的作用（Venkatesh et al., 1990）。茉莉花鳉（Poecilia latipinna）表现出类似的T和E2变化模式；17-OHP存在变化，但与成熟或妊娠期似乎并无明显关系，而DHP一般检测不到（Kime and Groves, 1986）。对妊娠期间胎生纵痕平鲉（Sebastes rastrelliger）的21碳类固醇的更全面的检查显示，DHP和17α，20β-DHP浓度在妊娠期间升高，而在其他时期这两种激素浓度很低或检测不到（Moore et al., 2000）。该研究的作者认为，一系列21碳类固醇可能对纵痕平鲉具有促孕作用。
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二、配子非同步发育的物种
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这类物种的卵巢和精巢发育的模式更加多变，但是正如前面所指出的那样，存在多次配子成熟和产卵周期的季节性繁殖周期的延长。这类物种多为海洋生物，Pankhurst和Carragher（1991）先前曾对非同步发育的海洋生物内分泌模式的特征进行了综述。该类物种的一致特征是血清雄激素和雌激素的水平很低（＜2ng/mL），而较高类固醇水平通常出现在排卵周期较长的物种中。血清MS水平也普遍较低或检测不到，或者在性腺发育周期中仅表现出微小变化，这可能是由进一步代谢而引起的，或者检测手段不够精准导致精巢或者卵巢激素水平的短期变化无法检测。下面将根据已有的研究数据，集中对非同步产卵物种之间的常见的产卵模式——月产卵或半月产卵类型、日产卵类型进行讨论。
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如前所述，月产卵或半月产卵类型在海洋物种中十分普遍，其具有多种功能，包括影响生殖周期的同步化，并通过将产卵与大潮时期同步来尽可能多地使卵和幼鱼远离礁石、海岸（Robertson et al., 1990）。该类物种往往具有明确的性腺周期，并且在各排卵阶段具有离散的卵母细胞团，因此，其血清类固醇激素的模式与同步产卵物种不同，主要的区别在于类固醇T和E2水平在排卵时不一定会下降，特别是在卵巢中的卵母细胞即将开始新一轮发育的情况下，激素水平下降到几乎检测不到。在一些物种中，正在进行卵母细胞成熟或排卵中的雌鱼血清中T和E2水平达到峰值（Pankhurt et al., 1999）。底鳉（Fundulus heteroclitus）为半月产卵鱼类，在其产卵前6d左右开始出现卵黄发生和卵母细胞成熟，这一阶段伴随血清E2水平的升高，随后在产卵后6d E2水平降低（Bradford and Taylor, 1987; Cerdá et al., 1996）。大底鳉（Fundulus grandis）具有类似半月产卵类型的类固醇变化规律，但更精细的取样结果表明，在产卵的前几天类固醇水平每日也都有变化，且在午夜出现T的峰值（Emata et al., 1991）。篮子鱼属表现出月周期生殖活动模式且其产卵期可以维持数月。在每月的第一周，雌性点篮子鱼（Siganus guttatus）出现产卵行为，并伴随血清E2、T、DHP和20β-S水平升高，此时血清E2和T水平超过10ng/mL（Rahman et al., 2000a）。雄性同时表现出类似的模式，而其血清T、11-KT和DHP水平分别达到20ng/mL、5ng/mL和10ng/mL（Rahman et al., 2000b），这与先前的观点一致（Pankhurst and Carragher, 1991），即在产卵间隔较长的物种中，血清中类固醇绝对水平往往较高。其他种类的点篮子鱼显示出类似的趋势，但随产卵时机不同而存在差异。例如，在银篮子鱼（Siganus argenteus）每月周期最后一周产卵时，雄性中血清T、11-KT和DHP水平升高（Rahman et al., 2003a），而雌性中的E2和DHP的水平变化与产卵期有关（Rahman et al., 2003b）。
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规模较小的一类是由诸如鲷科鱼（海鲷）和隆头鱼科等群体所展示出的每日产卵类型。大西洋鲷（Sparus aurata）在排卵前6h血清中E2出现峰值，但是DHP水平并没有明显变化（Zohar et al., 1988）。真鲷（Pagrus major）在13：00—14：00排卵，在16：00—19：00产卵。其中，DHP在早上出现峰值（约0.4ng/mL），该峰值的出现可能与卵母细胞成熟有关，而E2（约1.2ng/mL）的峰值似乎与随后卵黄发生期的启动相关（Matsuyama et al., 1988; Kagawa et al., 1991）。分布于澳大利亚和新西兰沿海的金头鲷（Pagrus auratus）每天午后排卵，晚上产卵（Scott et al., 1993）。此后，还存在几个月的产卵期延长，其间血清E2和T水平仍然升高（Carragher and Pankhurst, 1993）。精密取样监测（3次/h）显示，T或E2的血清水平没有明显的昼夜模式，但是在成熟末期的卵巢中，T和E2的水平在21：00—24：00达到峰值，可能与卵黄发生的最后阶段相关。相反，DHP在卵巢的水平没有变化，而其在血清的水平在09：00出现一个峰值，此时的卵母细胞正处于水合过程中（Hobby and Pankhurst, 1997a）。与其他鲷科鱼一样，金头鲷的激素水平最高值通常小于2ng/mL（Carragher and Pankhurst, 1993; Hobby and Pankhurst, 1997a）。金头鲷的血清类固醇季节性变化及日变化如图3-3和图3-4所示。
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图3-3 金头鲷性腺系数（GSI），雌性血清E2、T及DHP，雄性血清中T、11-KT及DHP水平的季节性变化
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图3-4 雌性金头鲷血清及卵巢液E2、T及DHP的日变化情况
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粗拟隆头鱼（Pseudolabrus japonicus）中也存在类似的模式，其产卵时间段为06：00—09：00，此时血清DHP和20β-S出现峰值，与其卵母细胞成熟起始时间刚好吻合（Matsuyama et al., 1998）。在少数针对雄性鱼类类固醇激素短期变化的研究中，Matsuyama等发现粗拟隆头鱼血清中的11-KT在中午出现一个高峰（Matsuyama et al., 1995），而血清DHP在中午和午夜出现两次高峰。Sundaray等发现雄性隆头鱼（Pseudolabrus sieboldi）体内血清T、11-KT和DHP的全天会有变化（Sundaray et al., 2003）。这种模式并不限于隆头鱼科和鲷科鱼类。每日产卵的少鳞（Sillago japonica）卵母细胞在约16：00完全成熟，在20：00时排卵。其血清E2和DHP在约16：00达到高峰，与卵母细胞的卵黄发生和主要卵母细胞的成熟相关（Matsuyama et al., 1990）。此外，类固醇激素的日变化还体现在非成熟排卵期，这可能是由于性腺的发育状态也存在日变化。Lambda等描述了鲇类中一系列成熟状态下血清T、E2和皮质醇的昼夜变化模式（Lambda et al., 1983）。Bayarri等发现雄性欧洲舌齿鲈（Dicentrarchus labrax）在精子发生早期，脑中sbGnRH含量和血清LH及T水平存在日循环变化模式（Bayarri et al., 2004）。
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从上述研究中可以清楚地看到，日产卵鱼类的卵巢和精巢的变化在很短的时间内发生，相应地伴随着短暂的血清类固醇水平升高。尽管在性腺中的类固醇激素合成酶具有活性，但血清中激素水平往往很低，那么，在血清中检测到浓度的变化可能会非常困难。因此，想要清晰地描述短排卵周期物种的内分泌调控情况，对样品采集点及相隔时间要求就相对较高，并且，检测对象不仅要包含血清，还要对精巢、卵巢中的激素水平进行定量分析。测定类固醇激素合成酶的表达也可作为替代测量类固醇产物的方法，尤其是针对激素合成期短的情况，这种方法更易操作。目前这种方法应该与血清类固醇水平的检测结果相结合，从而进一步表明类固醇合成酶基因转录是类固醇生成的主要决定因素（Kumar et al., 2000）。
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大量研究显示一些物种具有较长的产卵季节，在一个产卵季节中存在多次产卵，但目前其排卵周期仍不完全清晰。一般来说，处于卵黄发生期和产卵期的雌性其血清T和E2水平会出现明显的升高（Pankhurst and Conroy, 1987; Prat et al., 1990; Berlinsky and Specker, 1991; Dedual and Pankhurst, 1992; Clearwater and Pankhurst, 1994; Murayama et al., 1994; Haddy and Pankhurst, 1998; Johnson et al., 1998; Rocha and Reis-Henriques, 1999; Asturiano et al., 2000; Poortenaar et al., 2001; Lee and Yang, 2002）。在雄性的整个生殖发育和生殖期，其血清T和11-KT水平同样出现上升（Prat et al., 1990; Dedual and Pankhurst, 1992; Berlinsky et al., 1995; Haddy and Pankhurst, 1998b; Johnson et al., 1998; Poortenaar et al., 2001）。MS情况尚不清楚，目前还没有检测到其明显变化的相关报道（Pankhurst and Conroy, 1987; Pankhurst and Kime, 1991; Johnson et al., 1998; Lee and Yang, 2002）。在其他研究中，雌性中DHP或20β-S水平升高与卵母细胞的最终成熟相关（Murayama et al., 1994; Haddy and Pankhurst, 1998b; Rocha and Reis-Henriques, 1999; Asturiano et al., 2000; Poortenaar et al., 2001）。而在非同步成熟的物种中，MS水平的数据很难清晰、准确地测量，取样间隔之内很可能出现一些尚不清楚的生殖细胞发育事件，因此很难将激素水平与发育状况对应起来。但是毫无疑问，生殖过程中精确的血清激素水平必将进一步增加我们对相关生物学事件的了解。
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三、其他因素的影响
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如前所述，成熟诱导类固醇激素和雄激素具有调控行为的能力，同时，其水平也会受到行为的影响。这意味着鱼类所处群体中的地位及其直接行为可以在繁殖过程中影响的类固醇激素水平。雄性所在群体中统治地位、领地获取及其体格大小都会影响其血清雄激素的水平（Pankhurst, 1995）。例如，精子成熟期的新西兰拟鲈（Parapercis colias）血清中T和11-KT水平明显升高，但具有更多领地的体型较大的雄性个体的上述两种激素水平均高于体型较小的个体（Pankhurst and Kime, 1991）。类似地，光鳃雀鲷类排精期血清T和11-KT水平显著升高，而在占有领地的个体中这两种激素的水平更高。领地占有者血清中的DHP水平随排卵期临近而升高，但在没有领地的个体中，该激素几乎检测不到（Barnett and Pankhurst, 1994）。这种行为多样性大多表现为该物种雄性具有可变的生活史策略，一般呈现为较大的“雄性色彩（male coloration）”——领土性雄性或Ⅰ型雄性；和较小的“雌性色彩（female coloration）”——流窜产卵的非领土性雄性或Ⅱ型雄性。例如红项锦鱼（Thalassoma duperrey）（Hourigan et al., 1991）、平鳍美洲蟾鱼（Plainfin midshipman）（Sisneros et al., 2004）、小角副鳚（Parablennius parvicornis）（Oliveira et al., 2001b）。虽然Ⅰ型和Ⅱ型雄鱼均具有成熟的精巢，其血清T水平也均出现升高，但Ⅰ型雄鱼通常具有更高且持续时间更久的血清11-KT水平。
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鲑科鱼类的研究进一步证实，行为对类固醇激素水平具有调控作用。在产卵期，雌、雄鲑科鱼类血清DHP均随求偶及筑巢行为上升（Liley et al., 1986a, 1986b; Liley and Roger, 1990）。这是行为调控雌鱼类固醇激素水平的少数例子之一。另一个有趣的例子是莫桑比克罗非鱼（Oreochromis mossambicus），雌性罗非鱼会将受精卵含在口中保护起来，这个过程将持续2～4周。而其他雌鱼在其25d的产卵周期中，血清T和E2水平出现两次高峰，分别是卵黄发生早期和产卵后的卵巢重组。口孵仔鱼的雌性罗非鱼，其血清T水平与其他雌鱼无异但有稍许延迟，而血清E2水平在整个孵化过程中持续升高（Smith and Haley, 1988）。相近的莫桑比克罗非鱼中，虽然激素的绝对水平与卵巢发育阶段直接相关，相较于非口孵仔鱼的雌鱼，口孵仔鱼的雌鱼在卵黄发生期间血清T和E2水平升高较为缓慢（Tacon et al., 2000）。上述实验结果显示，行为对激素水平影响的评估对理解激素水平变化与繁殖事件之间的关系尤为重要。一个值得注意的情况是，相当数量的鱼类在其生殖发育的过程中出现性别转变的情况，而这种性别转变很显然会影响到类固醇激素的合成。在雌雄同体雄性先成熟的物种中，雄性阶段中11-KT为主导类固醇激素，而性别发生转变时，11-KT水平开始下降，同时E2水平开始上升，随后，卵黄发生期开始。在雌雄同体雌性先成熟的物种中，其模式刚好相反，11-KT水平的持续上升标志着功能性雄鱼状态转变完成（Frisch, 2004）。有一些性逆转物种表现出双向的性别变化，这使得季节性性腺发育模式更加复杂（Kroon et al., 2003）。这些影响因素使得我们在研究潜在的性别转变的物种时，需要注意研究每个个体性腺发育状况所对应的内分泌变化。
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一些物种具有“怪癖”，在这些物种中，类固醇激素的功能并不像我们之前得到的结果那样简单。例如，新西兰双色鳗（Anguilla dieffenbachii）和澳洲鳗鲡，在其性成熟洄游的个体中，与预测相符的是雌性血清T和E2水平明显升高，雄性T、11-KT和雄烯二酮（AD）水平升高（Lokman and Young, 1998; Lokman et al., 1998）。然而，雌鱼血清中11-KT的水平非常之高，这与此前普遍认为11-KT是雄性类固醇激素相矛盾。一种解释是，雄激素升高与其所介导的体壁和感官在鳗鲡洄游过程中发生的变化相适应。另一种解释是，11-KT可以加强E2促进肝细胞合成卵黄蛋白原的功能（Asanuma et al., 2003）。因此，单纯检测类固醇激素水平并不能完全解释所观察到的现象。与之类似，处于卵母细胞重组阶段的似鲱月眼鱼，其血清中几乎检测不到E2，但其卵巢已经开始同步发育并且具有较高的血清T水平（Pankhurst et al., 1986）。目前尚不清楚这是有另一种类固醇激素同样刺激卵黄发生作用的发生，还是在这一阶段血清E2水平被严格限制的结果。小眼绿鳍鱼（Chelidonichthys spinosus）中就出现血清E2受限制的情况，虽然其产卵期长达6个月，其血清E2水平仅在卵黄发生期起始时升高（Clearwater and Pankhurst, 1994）。虽然E2的突然升高在诱导卵黄蛋白原合成中具有重要作用，但上述结果表明E2水平的上升并不是维持卵黄发生所必需的（Vaillant et al., 1988）。如Kime在文章中所述，硬骨鱼类性腺产生多种多样的类固醇激素，研究者却仅检测其中的几种而忽略了其他可能在生殖过程中起重要作用的类固醇激素种类（Kime, 1993）。因此，当忽略此前对类固醇激素功能的判断时，我们会发现，在雌、雄鱼类性成熟阶段，血清中的T都是增加的（Pankhurst and Carragher, 1991）。Fitzpatrick在文章中写到，血清T的上升是银大麻哈鱼对LHRH-A响应最明显的指示信号（Fitzpatrick et al., 1987）。综上所述，在不同物种中，虽然T不一定是最主要的活性雄激素，但T可以作为繁殖事件最有效且最易检测的内分泌指示信号。
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第五节 总结与展望
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类固醇激素广泛分布于脊椎动物的内分泌系统中，并且在调控性腺发育及成熟中起着重要作用。在鱼类中，性腺类固醇分别在雌性卵巢的滤泡细胞和雄性精巢的间质细胞中合成。和其他脊椎动物一样，类固醇的合成是通过前体分子胆固醇逐步裂解完成的，胆固醇先是经急性调节蛋白StAR转移到线粒体内膜。裂解产物可以作为终产物激素行使功能或下一步新陈代谢的前体物质。鱼类中的类固醇裂解酶具有一些普遍存在的模式，但同时还表现出相当的多样性，因而所产生的类固醇激素也具有相应的变异性。孕激素（21碳类固醇）在两性中都具有诱导成熟的活性。此外它们在许多物种中还具有信息素的功能。雄激素调节雄性的性腺和第二性征的发育，同时还具有对中枢神经系统的反馈调节作用。雄激素还是合成雌激素（18碳类固醇）的前体。雌激素刺激肝脏合成卵黄和蛋壳的前体，同时具有对中枢神经系统和性腺的反馈调节作用。性腺发育的具体特征强烈影响血清类固醇激素水平的变化模式。在卵巢同步发育的物种中，雌激素和雄激素水平通常随配子发育缓慢升高，在配子成熟阶段孕激素水平出现明显峰值。非同步发育的物种常常具有更复杂的血清类固醇激素变化模式，其雌激素和雄激素水平表现为季节性升高，但其孕激素并没有明显的变化。短期的血清和组织检测结果显示，21碳类固醇激素会出现波动，但其变化幅度小且持续时间短。有些物种表现出“怪异”的类固醇合成模式，在其卵黄发生期明显缺少雌激素的存在，或在雌性中存在高水平的雄性特异性激素。鱼类中类固醇激素的种类众多，但目前的大多数研究均集中于少数几种类固醇激素的检测，因此一些“怪异”的类型可能比目前所认为的更为普遍。在目前的条件下，检测血清中关键类固醇激素的水平仍然是确定生殖内分泌状态和理解生殖过程的生理控制的重要手段。
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致谢：感谢Shilo Ludke为书稿编写提供帮助。
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第四章 卵黄生成作用
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第一节 导言
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一、环境影响
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生殖周期的调节是在多重激素控制下进行的，脑（下丘脑）和垂体构成内分泌控制的上游系统。脑－下丘脑－垂体轴将环境刺激转化为内源性信号从而调控外周组织的发育。因此，硬骨鱼类繁殖的季节性不仅受外周靶器官的正、负反馈的影响，同时还受到外界环境，如温度、光周期、食物供应、渗透压、应激源和其他自然环境变化的影响。温带地区鱼类季节性生殖周期起始和终止依赖于适当的环境刺激，同时也确保了雌雄个体间配子发生同步性。环境温度和光周期的变化是目前已知的对生殖周期具有强烈影响的两个环境因素。
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在初次入海的大西洋鲑中，外源雌二醇（E2）诱导卵黄蛋白原的合成效果取决于激素诱导期间的环境温度，而不是激素处理前对温度的短期（1个月）适应。与10℃的对照组相比，低环境温度（3℃）能够抑制雌二醇诱导的卵黄生成作用，即使更高剂量的雌二醇也无法逆转这种效果（Korsgaard et al., 1986）。在广东弹涂鱼（Periophthalmus modestus）中也出现类似的结果，即高温处理可诱导卵黄生成，而在低温环境下性腺不发育。然而，在将大西洋鲑置于高温（22℃），1个月后发现卵黄生成作用及随后的卵发育均受到抑制（Watts et al., 2004）。在高温（16℃）下，雌性大西洋鲑对LHRH-A的反应性的作用表明：高温致使垂体内分泌功能障碍，导致在较高温度下的雌鱼缺乏性成熟能力（King and Pankhurst, 2004a, 2004b）。对置于各种光周期和温度条件下底鳉的性腺活动观察表明：在恒温下其性腺活动具有节律性，而光周期是产卵前性腺发育的基本诱发因素（Shimizu, 2003）。光照控制操作对雌性虹鳟脑－垂体－性腺轴影响的研究显示：长短光周期可以诱导产卵提前3～4个月，相应地其血清LH在此时达到峰值。然而，性腺的早期发育似乎并未受光周期的影响，置于刺激性长短光周期的鱼，其血清FSH浓度升高与性腺的快速发育相关，表明sGnRH、GtH及类固醇激素在自然条件及人工条件下分别或共同行使功能促进卵巢成熟（Davies et al., 1999）。在置于加快光周期条件下的雌性虹鳟中也发现了类似的观察结果，即光周期加强组更早产卵，但是随着卵粒变小，提早产卵情况并未发生。这似乎并不是由血清FSH的降低而是由卵黄生成晚期卵泡生长的改变引起的。此外，卵巢生长的早期和中期似乎对光周期敏感，而后期阶段似乎受到内源性生物钟的控制（Bon et al., 1999）。温度和光周期的协同作用对食蚊鱼（Gambusia affinis）周年生殖周期的相互作用表明，卵巢发育起始由环境温度升高引起，而卵巢退化由短光照引起（Koya and Kamiya, 2000）。
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二、下丘脑－垂体复合物
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下丘脑与垂体之间的相互作用代表了在硬骨鱼类生殖周期的上游激素调控水平，其中脑作为介导上述外界环境因子的核心器官对生殖活动进行调控。刺激性神经激素促性腺激素释放激素（GnRH）和抑制性多巴胺是两个重要的调节因子。前者的主要作用是促进GtH的合成与分泌，后者在垂体水平颉颃GnRH的作用。GnRH由10个氨基酸残基组成，在脑和性腺中表达。迄今为止，在鲑科鱼类中已经鉴定出了2种促性腺激素释放激素（sGnRH和cGnRH-Ⅱ），其中sGnRH控制虹鳟GtH释放。然而，在大多数其他硬骨鱼类中鉴定出3种GnRH亚型，这表明鲑科鱼类sGnRH可以在功能上弥补第三种GnRH的损失（Adams et al., 2002）。相比之下，多巴胺对GnRH的颉颃作用具有明显的物种特异性。雌激素行使功能需要靶器官具有雌激素受体，脑作为雌激素的靶器官表达功能型雌激素受体（ERs）（Shoham and Schachter, 1996）。在脑中，在视前区的多巴胺神经元，以及该区域的GABA神经元中表达雌激素受体（Kah et al., 1997; Anglade et al., 1998）。在自然界中，多巴胺抑制作用的消除与循环系统雌二醇的降低相关，这表明多巴胺的抑制作用可能由高水平的雌二醇介导（Anglade et al., 1994）。在雌性虹鳟的卵黄生成晚期，多巴胺的生成量下降，而在未成熟鱼的垂体中多巴胺活性明显高于成熟鱼（Hernandez-Rauda et al., 1999）。激活GnRH刺激LH的合成和释放，从而诱导欧洲鳗鲡（Anguilla anguilla）幼鱼的卵巢发育，首先需要消除多巴胺的抑制作用（Vidal et al., 2004），而雌二醇也可能对GnRH分泌具有重要的调控作用。雌二醇的直接调节作用是由位于脑内的雌二醇受体所介导，而雌二醇对GnRH的间接调控作用很可能是通过多巴胺能神经元介导的（Anglade et al., 1994）。因此，生殖周期不仅受到类固醇激素合成途径的变化所导致的反馈调节作用的平衡机制的影响，还可能受到脑中调控因子的促进或颉颃作用的影响（Jalabert et al., 2000）。
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芳香化酶是参与生殖调控的另一个因素。该酶的主要作用是通过芳香化反应将19碳雄激素的A环芳香化为18碳的雌激素（Lephart, 1996）。到目前为止，CYP19基因的两个亚型已经被鉴定，其中CYP19A1基因在卵巢中表达，而CYP19A2基因在脑和脑垂体中表达。与卵黄蛋白原基因类似，脑CYP19A2基因的启动子区域含有两个雌激素反应元件（Kazeto et al., 2001）。目前已经确定该酶具有调控雌激素合成的功能，但脑中雌激素合成的生理作用机制尚未完全确认（Callard et al., 2001）。生殖周期中芳香化酶活性升高，且雌激素可以诱导脑中芳香化酶的表达，因此该酶的活性与繁殖相关（Gonzalez and Piferrer, 2003）。神经性雌激素的季节性变化也可能参与介导环境信号诱导的生殖周期性启动（Gelinas et al., 1998）。而脑形式的芳香化酶并不仅存在于神经组织中，例如雌二醇以剂量依存的模式直接反馈调节成年黑头呆鱼（Pimephales promelas）卵巢中CYP19A2（P450arom B）基因的表达（Halm et al., 2002）。最后，两种芳香化酶的mRNA都存在于未受精的斑马鱼卵中（Kishida和Callard, 2001），受精后表达量下降表明卵母细胞中的芳香化酶转录产物通过母体转移获得。
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三、垂体激素
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垂体对生殖活性的调控模式在一些硬骨鱼类中已有报道，总体而言，这种模式在不同物种之间似乎并无太大区别。性腺类固醇激素直接改变垂体底部促性腺激素（GtH）的释放也可以影响性腺激素的反馈调节。与哺乳动物类似，硬骨鱼类中同样存在两种不同的GtH（GtH Ⅰ和GtH Ⅱ）：分别对应哺乳类的FSH和LH。其中，GtH Ⅰ主要通过诱导滤泡细胞合成雌二醇参与卵黄生成的调控，此外，GtH Ⅰ还具有促进卵黄蛋白原进入卵黄生成期的卵母细胞的功能（Santos et al., 2001）。GtH Ⅱ的主要作用是通过促进成熟诱导激素（maturation inducing hormone, MIH）的合成来调节卵黄生成后期的卵母细胞的最后成熟、排卵和产卵（Kawauchi et al., 1989）。作为重要的调控物质，雌二醇对两种促性腺激素分别存在正、负反馈调节作用，即降低GtH Ⅰ的分泌，同时增加GtH Ⅱ的分泌。虽然目前雌二醇调节促性腺激素分泌的确切机制尚不清楚，但可以确定的是类固醇受体参与了该过程。在鱼类中，已有研究表明，在GtH Ⅱ基因的启动子调控区存在雌激素反应元件，表明雌二醇可能直接作用于促性腺激素（Xiong et al., 1994; Kah et al., 1997）。在卵黄生成期的虹鳟中，研究雌二醇对雌性虹鳟垂体多巴胺受体及FSH、LH分泌的影响，注射的雌二醇可以增加血液循环系统中LH的水平，同时降低卵黄生成前期鱼类的外周血浆FSH的水平。多巴胺处理对处于卵黄生成前期和卵黄生成期的虹鳟脑中sGnRH Ⅰ和sGnRH Ⅱ基因的表达量并无显著影响。因此，在卵黄生成期，多巴胺对促性腺激素的抑制作用需要雌二醇及其他影响因子，而雌二醇在一定程度上降低FSH的释放（Vacher et al., 2002）。从欧洲舌齿鲈（Dicentrarchus labrax）垂体中克隆得到编码GnRH受体（GnRH-R）的cDNA，随后的生殖周期表达分析显示，垂体近端部LH细胞和部分FSH细胞均表达GnRH-R基因。GnRH-R基因在产卵期欧洲舌齿鲈的脑中具有最高的表达量。而在垂体中，该基因在卵黄生成晚期的欧洲舌齿鲈中具有更高的表达量（Gonzalez-Martinez et al., 2004），这一结果表明该基因在欧洲舌齿鲈脑和垂体中具有不同的调控方式。
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底鳉中FSH细胞和LH细胞的数量呈季节性变化，在产卵期间两种细胞的数量显著增加，而在产卵后期细胞数量明显减少。在早期性腺发育过程中，观察到FSH细胞数量增加，而LH细胞数量不变。此外，FSH细胞数量在卵黄生成期增多，这一结果表明两种GtHs在雌性底鳉生殖中功能方面存在区别（Shimizu et al., 2003）。在雌性日本鳗鲡（Anguilla japonica）中，研究了卵黄生成前，卵巢发育的不同阶段垂体促性腺激素GtH Ⅰβ和GtH Ⅱβ mRNA水平的变化。在银鳗阶段就已经出现2种GtH亚基的mRNA表达水平上的差异（Han et al., 2003）。另一项实验表明，重复注射鲑GtH诱导雌性日本鳗鲡卵巢发育的过程中，两种GtH亚基也存在差异表达，这些结果进一步证明，两种GtHβ亚基的表达存在时序性差异，且具有相对独立的功能（Suetake et al., 2002）。两种GtH在鳗鲡的卵母细胞发生功能中的不同还体现在GtH ⅠmRNA水平在卵黄生成期的初级阶段已经达到顶峰，而在油滴出现的阶段才检测到GtH Ⅱβ mRNA，并且其表达量随卵巢的进一步发育显著增加，（Kajimura et al., 2001b）。
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在卵黄发生中期及随后雌二醇替代过程中，分析了GtH体系对实施了性腺切除术的雌性条纹鲈（Morone saxatilis）的响应。结果显示，垂体中两种GtHβ亚基的表达受到性腺的负反馈调节，与雌二醇替代后的对照组相比，去除性腺的雌性条纹鲈GtHβ亚基mRNA水平也表明了这一点（Klenke and Zohar, 2003）。在真鲷（Pagrus major）从配子发生到产卵过程中，LHβ（GtH Ⅱβ）mRNA始终维持在较高的水平，直到性腺退化开始出现下降（Gen et al., 2003），而FSHβ（GtH Ⅰβ）mRNA在整个卵母细胞发育中始终保持在低水平，因此LH似乎同时参与调控早期和晚期的卵母细胞发生。在银大麻哈鱼（Oncorhynchus kisutch）性成熟过程中，FSH和LH体外诱导卵巢类固醇生成的研究，为在FSH和LH作用下，银大麻哈鱼卵巢成熟相关的变化提供了证据，进一步说明这两种促性腺激素在调控硬骨鱼类卵巢发育中可能具有不同的功能（Planas et al., 2000）。类似地，在香鱼（Plecoglossus altivelis）中发现两种不同类型的促性腺激素，FSHβ亚基主要出现在早期卵黄发生过程中，而LHβ亚基mRNA可以在性腺发育后期观察到。这些研究再次证实了FSH的功能是启动卵子发生，而LH调节卵母细胞后续发育（Yoshida et al., 2001）。然而，在未成熟的雌性牙鲆（Paralichthys olivaceus）中，GtH Ⅰβ和GtH Ⅱβ mRNA的相对水平低，但随着卵巢的发育其水平逐渐升高，并在成熟时达到最高水平。两种促性腺激素β亚基的表达与循环系统中的雌二醇浓度以及性腺系数（GSI）高度相关（Kajimura et al., 2001a）。在卵子发生过程中，两种亚基的mRNA水平的一致性现象，被认为是多次产卵鱼类GtH合成的特征，与之相反的是，两种亚基的mRNA水平的差异现象通常出现在一次性产卵鱼类（如大麻哈鱼）中。
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许多其他激素因子可能在垂体水平影响鱼类的生殖周期。利用原代培养的虹鳟垂体细胞，检测了重组人瘦素（leptin）在离体条件下对培养基和细胞内FSH和LH含量的影响。结果显示，瘦素在整个卵母细胞发育过程中均具有促进两种促性腺激素释放的直接作用，但对细胞内的促性腺激素含量没有影响（Weil et al., 2003）。研究显示，瘦素仅作用于卵母细胞发育启动后的FSH和LH释放，因此，瘦素不是激活促性腺轴的唯一信号，还需要其他激活因子的参与（Reidy and Weber, 2000）。
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在研究虹鳟促生长和促性腺轴之间的潜在相互作用时发现，GtH Ⅰ（即FSH）在卵黄生成期的起始阶段上升，之后开始下降，并在性腺成熟的最后阶段再次升高。GtH Ⅱ（即LH）在卵母细胞的最终生长和排卵后的成熟期间明显上升（Gomes et al., 1999）。两种促性腺激素的季节性变化表明转录及转录后水平调节模式的存在。然而，在垂体水平，没有观察到促生长和促性腺轴之间简单的关系，因为血浆GH水平既不与性成熟相关，也不涉及促性腺激素活性的变化。这与欧洲舌齿鲈中GnRH受体基因在LH和FSH细胞中表达，而不在腺垂体近端的生长激素细胞中表达研究结果相一致（Gonzalez-Martinez et al., 2004）。
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第二节 卵黄生成作用的组分
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一、类固醇结合蛋白
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雌二醇对于卵黄生成作用至关重要，因此，首先了解雌二醇运输至肝脏的途径及其在肝细胞中的功能是后续研究的前提。在卵巢类固醇细胞合成并扩散到血液循环后，类固醇倾向于与血浆结合蛋白结合（Young et al., 2005）。研究显示，循环系统中仅有1%～3%的性类固醇激素以非结合形式存在，其余大部分激素与低亲和力结合蛋白［如白蛋白或皮质激素结合球蛋白（corticosteroid-binding globulin, CBG）］或高亲和性类固醇激素结合球蛋白（sex hormoned-binding globulin, SHBG）结合。其中SHBG主要由鱼肝脏和肠道合成并分泌，但已有研究显示在其他组织也存在编码该蛋白的转录产物，这意味着该蛋白还具有旁分泌作用（Miguel-Queralt et al., 2005）。SHBG通常具有保护类固醇激素免被快速降解的功能，同时还控制与靶组织激素受体结合的类固醇激素的水平（Hammond, 1995）。
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硬骨鱼类血清中的类固醇结合蛋白（steroid-binding proteins, SBP）对18和19碳类固醇激素（如雌二醇或睾酮）具有较高亲和性，可以结合纳摩每升级别的类固醇激素，而对21碳类固醇激素或其他雌激素（如二乙基雌酚）的亲和力相对较低（Laidley and Thomas, 1997）。这些结合特征区别于类固醇结合蛋白与类固醇激素特异性受体。SHBGs也在细胞内存在，但主要的生理作用仅归于循环的SHBGs，它是一种在细胞表面启动的新型类固醇信号系统的一部分。这一功能独立于经典的细胞内类固醇受体。SHBGs是细胞膜类固醇信号转导系统的一部分，SHBG仅与未结合类固醇激素的受体结合，因此成为细胞膜上类固醇信号转导系统的一部分，随后，受体－结合蛋白复合物结合类固醇并导致细胞内信号转导的激活，这通常由环磷酸腺苷cAMP启动。与受体相互作用的结合球蛋白（BG）的结构域在哺乳动物（TWDP/SEGVIFY）和硬骨鱼类（TxDPEGyIFY）之间高度保守，其中x可以是苯丙氨酸、酪氨酸或亮氨酸，y可以是丙氨酸、亮氨酸或缬氨酸（Miguel-Queralt et al., 2005）。已结合类固醇激素的性激素结合球蛋白SHBG不再结合其受体。有趣的是，鱼类SHBG与潜在的内分泌干扰物质（如合成雌激素17β－炔雌醇）以物种特异性方式相互作用，在斑点叉尾（Ictalurus punctatus）和欧洲舌齿鲈中，对雌二醇和17β－炔雌醇的结合亲和力相似，而在虹鳟和大西洋鲑中仅与17β－炔雌醇存在弱结合（Tollefsen et al., 2002a, 2002b）。
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处于卵黄发生期的虹鳟和黑椎鲷（Spondyliosoma cantharus）血清中，SHBG对类固醇的结合能力明显强于非生殖期（Hobby et al., 2000; Tollefsen et al., 2002b）。因此，干扰SBPs的内分泌功能可能为异种雌激素引起“雌激素样”功能分析提供内分泌干扰新机制，同时为发育中雄性的繁殖紊乱提供了可能的解释。同时还有证据表明，鱼类生殖周期中，循环系统中SHBG的水平存在明显变化。
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二、雌激素受体
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鱼类具有两种不同的雌激素受体亚型——esr1和esr2，旧称ERα和ERβ。此外，在一些硬骨鱼类中，已经明确了esr2的两个亚型，即a亚型（旧称ERα2或ERα）和b亚型（旧称ERβ1）。esr2a直系同源基因是在辐鳍鱼和肉鳍鱼进化之间通过基因组复制所产生的。有趣的是，这些亚型之间存在相当大的表达和功能差异。鉴于鱼类中具有多种雌激素响应组织，即在许多组织和细胞类型中发现雌激素受体的表达，如肝脏、脑、脑垂体、鳃、性腺和肠中均存在靶点。在黑头呆鱼（Fathead minnow）中，esr1和esr2b基因在肝组织中表达，而esr2d的2个亚型均在肌肉中表达，但肌肉通常不是鱼类雌二醇作用的主要目标。肠中esr2a mRNA水平最高，肝脏中esr2a mRNA水平最低。雄性黑头呆鱼暴露于浓度为0.4nmol/L雌二醇的水环境中时，其肝脏中雌激素受体的表达量显著升高。令人惊讶的是，仅esr1 mRNA出现5倍的升高，而两种esr2 mRNA水平没有明显变化（Smith et al., 2004）。配体与不同种类受体的结合具有一定特异性（Menuet et al., 2002; Hawkins and Thomas, 2004），这可能与雌二醇的低浓度相关，同时还由于雌激素受体的不同，组织表达模式具有明显的差异。例如，在斑马鱼性腺中esr2 mRNA水平非常高，而esr1 mRNA水平却很低（Menuet et al., 2002）。所有三种雌激素受体基因均可以在肝脏中检测到，偏向于β－直系同源。
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大口黑鲈（Micropterus salmoides）中也报道了类似的情况（Sabo-Attwood et al., 2004），esr1基因主要在肝脏中表达，并且也是对雌激素最敏感的esr基因。在雌性大口黑鲈中，esr1和esr2a基因均在肝脏中具有最高的表达量，而esr2基因的另外两种亚型却并不在肝脏中表达。在生殖周期中，血浆雌二醇和Vtg升高的时间与esr1基因表达量出现峰值的时间一致，其中esr2b基因表达量略有升高，esr2a基因表达量无变化。在血浆雌二醇浓度达到峰值之前，这三种esr基因亚型均在卵母细胞发育的早期卵巢中表达水平最高。此外，与杂色鳉（Cyprinodon variegatus）（鳉科Cyprinodontidae）的变化相比较，雄性大口黑鲈暴露于雌二醇后，esr1基因表达量大幅增加，微上调esr2b基因的表达，然而esr2a基因表达量保持不变。
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据报道，暴露于雌二醇后激活下游靶基因的表达存在两种机制。第一种即标准模型，涉及核转录因子，即上文介绍的雌激素受体。配体（通常为雌二醇）与这些受体结合后形成受体二聚体，随后配体-受体复合物与位于下游基因的启动子区域雌激素反应元件（estrogen response elements, EREs）的特定DNA序列直接结合。esr1在配体结合后磷酸化，导致esr1-ere复合物的增加。esrs即使不与配体结合，也可以被磷酸化和活化。
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随后，复合物与多种共激活蛋白和RNA聚合酶Ⅱ反应以增加启动子中含有ere基因的转录率。配体结合是雌激素受体二聚体转移到EREs的先决条件，并且依赖于Hsp70和Hsp90与雌激素受体的解离。第二种激活途径被称为“锚定”（tethering），由雌二醇－雌激素受体复合体与其他DNA结合的转录因子的相互作用来介导，而雌二醇－雌激素受体复合体实际上并不与DNA直接结合。锚定的结果是增加其他转录因子的稳定性，再次作用于另外的共激活因子和RNA聚合酶Ⅱ。有趣的是，在哺乳动物中同样发现了至少三种基因，这些基因调节的机制与在鱼类中的论述相似，即LDL－受体基因的雌二醇依赖性激活，Hsp70的转录，组织蛋白酶D启动子的结合。
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雌二醇的第三种作用模式为非基因表达调控途径，涉及细胞表面上的膜受体和细胞内信号转导的途径，如蛋白激酶等。与通过激活细胞核转录机制的途径相比，这种调控机制大大缩短了对类固醇激素的反应时间，短的反应时间可以通过对不同靶点的额外核作用得到支持，而不是通过EREs的方式。尽管鱼类中其他类固醇激素，特别是皮质醇（Borski, 2000）的非基因表达调控作用也得到了一些研究数据，但目前关于鱼类雌二醇的锚定和非基因表达调控作用的信息仍然有限。因此，本章将讨论限于已经研究明确的由EREs所介导的传统功能。
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如图4-2所示，鱼类肝脏中雌激素通过其核受体esr1行使功能，图中还显示了受雌激素调控的基因和对雌激素依赖的一些变化。然而，雌激素远远不止激活敏感基因的转录。例如，雌二醇也可以影响阻遏物与eres的结合，并稳定卵黄蛋白原Vtg或降低一些特定mRNA的稳定性。奇怪的是，雌二醇对其自身的受体同样具有调控作用。一方面，类固醇诱导esr基因转录；另一方面，它通过蛋白酶依赖机制增强esr蛋白的降解（Nawaz et al., 1999）。事实上，Vtg（及许多其他种类蛋白）的大量生成必须基于相当大的代谢成本，消耗蛋白质生物合成的能量，此外，Vtg在肝细胞的运输及向细胞外的释放同样需要消耗大量能量。因此在激活下游基因转录的同时，通过蛋白酶或溶酶体途径分解的机制是符合生物学常识的。
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图4-2 鱼肝脏中雌二醇基因表达的活化机制
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S－亚硝基化具有通过影响半胱氨酸残基，在翻译后修饰过程中逆转蛋白质的功能，如磷酸化或乙酰化作用等。此外，已有报道称哺乳动物DNA结合和雌激素的转录受靶细胞的氧化还原状态的强烈影响。而且一氧化氮通过S－亚硝基化也引起雌激素受体复合物结构的变化，进一步导致DNA结合受损，从而阻碍雌激素依赖性基因转录。考虑到脊椎动物中雌激素受体的高度保守性，分析硬骨鱼类中发现的三种esrs及其下游功能的潜在差异将是非常有价值的。当然，雌激素受体的这种特殊行为（可能还有许多其他蛋白质）为赋予氧化应激的内分泌干扰物提供了另一个潜在的接入点。
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鱼类还表达几种雌激素受体相关受体（Bardet et al., 2004），这些受体属于大型孤儿受体家族，其天然配体及生理学功能尚不清楚，但它们可能在脂肪细胞代谢中具有重要作用。目前已经证实这些受体存在相互作用并可能干扰雌二醇调控核基因的作用（Giger, 2002）。
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如图4-2所示，Vtg基因仅为肝脏中雌二醇调控的众多基因之一。有时，Vtg似乎是最重要的，而所有这些基因及其编码的蛋白共同构成了肝细胞调节雌激素的相应网络。为了简要地描述雌二醇的功能，本章将对处于卵黄生成期鱼类的肝脏中卵黄蛋白原Vtg的合成，包括短期功能方面的特性等进行阐述。请注意，列举的信息并不完整，仅涵盖最明显的变化。
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第三节 卵黄蛋白原
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一、其他雌激素应答基因
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差异蛋白研究显示，在雌激素作用后，大口黑鲈肝脏中的其他几种蛋白的量也出现显著变化。其中之一是一种名为纤维蛋白原γ的分泌蛋白，其表达量与血清白蛋白的量均显著下降。与非洲爪蟾模型结论一致（Pastori et al., 1991），其下降的原因为mRNA的稳定性降低，而不是直接转录水平的调节。肝脏中另一个受雌激素调控的基因是蛋白二硫化异构酶，其表达模式与Vtg的mRNA水平刚好相反（Bowman et al., 2002）。这种酶的常见缩写为Erp72（Endoplasmic reticulum protein 72），其中Er表示内质网。在真核生物中，分泌蛋白（如Vtg）和膜蛋白（如Esrs）在内质网中折叠，并且在Erp72的作用下，这些蛋白质完成二硫化产物的合成。该基因表达量的变化并不意外，硬骨鱼类的Vtgs和雌激素受体基因编码产物均含有许多高度保守的半胱氨酸残基，这些残基均为Erp72酶的底物。笔者只关注高度保守的半胱氨酸残基，在Vtg中定位到20～24个保守的半胱氨酸，在3个雌激素受体中定位到14或15个，这些半胱氨酸残基并不都集中在富含半胱氨酸的C端区域。
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二、卵黄蛋白原基因
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脊椎动物Vtg的共同特征是存在的多个Vtg基因重复。例如，虹鳟基因组中存在多个头尾相接的串联重复的Vtg，导致这些串联的Vtg比其他群集上的任何Vtg均具有更密切的相关性。虽然这种描述目前仅在虹鳟的Vtgs中报道过，但是在进行系统发育树构建时发现这种串联重复的Vtg，同样存在于日本鳗鲡、斑马鱼和鲤中。虽然起初似乎串联重复仅在未分配组的Vtgs中出现，但近期在红鳍东方鲀的基因组DNA中发现似乎有许多串联重复序列出现在Vtg-B组（位于同一scaffold）。总之，虹鳟基因组的Vtg区域含有20个拷贝的Vtg基因以及10个假基因，所有基因拷贝均为相同主体的变异体，位于单个1500kbp区域，以串联形式存在，并由保守的4.5kbp内含子序列分开（图4-2）。在红鳍东方鲀中，这些串联的Vtg基因相距略小于2kbp。通过在单个基因座的基因扩增产生的这样的多个基因的发生并不局限于卵黄蛋白原，还在其他一些基因中存在类似的现象，如一些核糖体RNA和硬骨鱼类抗冻蛋白，这种现象可能有助于快速合成这些功能密切相关的基因产物的能力。在鲑科鱼类的卵黄蛋白原进化中，大麻哈鱼属占据独特的地位，因为它们只有一种类型的卵黄蛋白原，而鳟属、红点鲑属、白鲑属和茴鱼属具有两种类型的Vtg，但这两种Vtg基因仍具有6～32个拷贝。虽然部分鲑科鱼类的Vtg序列可用于初步阐明不同属之间的进化关系，但要完整了解Vtg进化情况，必须首先确定其完整的序列，至少是在确定卵黄脂磷蛋白H域的情况下才能进行。斑马鱼中似乎也出现类似的情况。利用斑马鱼cDNA文库的EST测序方法，Wang等确定了至少7种不同的Vtg基因，其中包括Vtgs-A～C，以及缺失卵黄高磷蛋白结构的Vtg-C，其表达量仅占Vtg-A的十分之一（Wang et al., 2000）。青鳉（Oryzias latipes）雌激素受体对于Vtg-A和Vtg-B的mRNA的产生存在对外源性雌激素和雌激素模拟物的反应的不同敏感性。已经处理过的雄性鱼肝脏，两种Vtg基因表达对esr1刺激反应更为灵敏。此外，直接进行比较研究结果表明，肝脏Vtg-B基因表达比Vtg-A基因表达对雌二醇诱导更敏感（Yamaguchi et al., 2005），可能对这两种Vtg在血液中的相对比例产生直接影响。在天然卵黄发生过程中，如果类似的因素适用于雌性青锵和其他鱼类，可以预期任何影响雌二醇有效性的激素都可能对卵黄成分产生影响，这个课题将是十分有趣的。
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三、转录后加工
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如果我们假设硬骨鱼类和两栖动物有一些共同的特点，那就是磷脂蛋白的磷酸化和Vtg卵黄脂磷蛋白区域的糖胺基化都发生在肝脏平滑膜隔室内，并且可能同时发生。磷脂蛋白的最终磷酸化和半乳糖的添加发生在Vtg成熟期间，即Vtg在高尔基体的分泌囊泡中包装时发生。然而，脂质成分的获取机制仍存在争论。在脊椎动物中，富含甘油三酯的脂蛋白组装和分泌需要载脂蛋白B（apolipoprotein B, apoB）、丰富的辅助因子以及微粒体甘油三酯转运蛋白（microsomal triglyceride transfer protein, MTP）。MTP位于内质网中，并且在组装极低密度脂蛋白（very low-density lipoprotein VLDL）的过程中，负责将TAG转移到内质网内腔中。一般脂质结合区域位于MTP，载脂蛋白B和卵黄发生素中是常见的，并且存在一种假设：MTP应该是脂质转运蛋白。在这种情况下，应该指出，Vtg也可以看作是一种密度非常低的脂蛋白，可以将不溶于水的脂类从肝脏运输到卵巢，其重点在于蛋白结构域，而不在于脂质部分或脂质化的机制和位点。
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已知VLDL的脂质化随着饮食结构的变化而改变，鱼卵中的中性脂质组成也会随之发生变化。Vtg携带的脂质主要是磷脂（表4-1），最有可能融入胚胎膜脂质中。在卵黄生成和产卵季节继续饲养的产卵数量多的鱼类中，卵的重量可能超过母体体重，从而在饮食、母体储存和代谢能力以及卵组成之间可以建立有趣的脂质动力学。一些数据证明，鱼类膳食脂质对中性脂蛋白的影响要大于磷脂（Almansa et al., 1999），这意味着可以通过母体系统密切地控制Vtg的脂质化。
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表4-1 来自食蚊鱼卵黄蛋白A和卵黄蛋白-400的脂质
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在大量硬骨鱼类的卵中发现的油滴主要成分是甘油三酯，而与卵黄相关的脂质则主要由磷脂和少量的甘油三酯组成，尽管在一些种类中，蜡酯占卵磷脂的最大比例（Anderson et al., 1990）。鱼卵的脂质含量变化巨大，最高出现在唇斑丽鱼属（Labeotropheu）（质量百分比近50%），最低则为鲽（Pleuronectes platessa）（质量百分比为0.1%）（Barry et al., 1995）。遵循August Krogh原则（Krebs, 1975），鲽类将是寻找非脂化Vtg或探讨肝脂化机制复杂性的良好模型。Vtg携带中性脂质及甘油三酯和（或）蜡酯的能力有限，这些蛋白质必须在卵黄发生过程中到达卵母细胞，这就引起了有关卵母细胞运输和摄取的来源以及机制的有趣的问题。
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尽管虹鳟卵黄发生素具有比其他鱼类Vtg更短的聚丝氨酸结构域，但是虹鳟Vtg的总磷酸盐含量并不低于其他硬骨鱼类，因而虹鳟中丝氨酸磷酸化程度可能相对提高，至少能够补偿其卵黄蛋白中较少的丝氨酸。
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除了脂质、磷酸盐、钙和氨基酸之外，鱼卵黄蛋白原还携带碳水化合物，其变化在Vtg质量的2%～20%。不幸的是，对实际碳水化合物组成、Vtg的共价结合位点和加工过程的系统分析仍有待完成。例如，Vtg的N－糖基化是否是肝细胞分泌的先决条件的问题，就像许多其他分泌蛋白一样，尚未得到解决。然而，使用常用的蛋白质组学工具（http：//www.cbs.dtu.dk/services/NetNGlvc/），可以从潜在的糖基化位点的直接分析中获得一些信息，使我们能够解释后面的问题。由于进化树中列出的四个Vtg缺乏明显的糖基化位点［虹鳟、黑头呆鱼、斑马鱼Vtg-C，纹缟虾虎鱼（Tridentiger trigonocephalus）Vtg-C］，因此，从肝脏分泌的Vtg不需要糖基化。由于Vtg-C仅占整个Vtg的一小部分，所以斑马鱼和纹缟虾虎鱼中肝脏到卵巢的碳水化合物流量几乎不会受到负面影响。然而，鳟属鱼类Vtg可能没有明显的糖基化位点，虹鳟中10个串联Vtg中隐含的大量微观异质性，可以提供足够的可转移Asn位点的Vtg，用于将碳水化合物转移到卵巢中，特别是糖蛋白，约占总蛋白的10%（Nagakawa, 1970）。
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在其他一些Vtg中，也可以注意到关于糖基化的常见问题。溪鳉属（Rivulus）、底鳉属（Fundulus）和食蚊鱼属（Gambusia）的Vtg具有潜在的N－糖基化位点，位于448号位置（食蚊鱼属的编号），将其置于Lv-H的中间，使这一现象是否与脂质化有关，能否通过脂质化阻止糖基化机制进入该部位，也是大家关注的问题之一。无论如何，图4-4中描述的四个Vtg簇中的其他Vtg的大部分（但不是全部），具有N末端和靠近卵黄结构域（如果存在），即位置1050和1076（编号为星蝶属Vtg-A）的天冬酰胺残基，因此完全不同于卵黄脂磷蛋白的方式。Vtg-A特有的一种模式是信号蛋白1396（食蚊鱼属）的潜在糖基化位点，位于卵黄脂磷蛋白L的C末端前30个残基。
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四、氨基酸和脂类来源
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大部分外周肌肉蛋白水解活化，涉及溶酶体酶的活化，尤其是组织蛋白酶D和其他组织蛋白酶的作用已在本书其他地方进行了回顾（Mommsen, 2004），其包括对组织蛋白酶进化的讨论，这里不再赘述。可以说，卵黄期的鱼在蛋白水解酶和内源性抑制剂之间取得良好的平衡，以引导蛋白质衍生的氨基酸进行肝脏卵黄发生。需要特别注意，在摄取过程中氨基酸转运蛋白的作用，尽管在卵黄发生过程中氨基酸特定漏斗结构已经引起了一些关注（Washburn et al., 1992; Korsgaard and Mommsen, 1993），但是描述具体的模式似乎为时尚早。
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虽然对鱼类脂肪细胞的研究进展缓慢，但新的研究似乎与其他脊椎动物脂肪细胞研究情况有所不同。由于鱼卵具有潜在高比例脂质的特殊性质，对脂肪细胞分解的讨论似乎是有必要的，首先，该过程是卵母细胞中类似过程的代表，其次，在卵黄发生的情况下，脂质促进一部分卵黄发生，而不仅仅是雌二醇的作用。
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通常，脂肪细胞生成的主要决定因素是脂蛋白脂肪酶（lipoprotein lipase, LPL）作用的脂肪酸再酯化效率；激素敏感性脂肪酶（hormone sensitive lipase, HSL）在甘油三酯脂解过程中起关键作用。如预期的那样，雌二醇本身倾向于降低LPL转录水平的活性，同时增加脂肪分解的酶标记。此外，雌二醇调节哺乳动物脂肪细胞上的受体丰度。与哺乳动物一致，在鱼类脂肪细胞中，胰高血糖素、肾上腺素（通过α1型受体）、生长激素和肿瘤坏死因子-α都能激活脂肪分解，而胰岛素抑制脂肪分解并抵消胰高血糖素的作用。如图4-5所示，笔者简要总结了一些重要脂肪分解的过程和目标。
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图4-5 鱼类脂肪细胞脂解作用的模型
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在卵泡发生过程中，该模式的主要目标是HSL，它是一种受激素作用的独特的细胞内脂肪酶，并且在脂肪和类固醇生成组织中广泛存在。通过cAMP依赖的级联激活蛋白激酶A（PKA），导致皮质脂蛋白和HSL的磷酸化。磷酸化后，HSL被转移到脂滴的表面。事实上，PKA介导的脂滴容易在细胞质中形成储存位点，这一位点及其对脂滴的作用部位的形成似乎是酶活化的限定步骤。部分蛋白与脊椎动物脂滴密切相关，包括皮质脂蛋白，这是一个小家族的伴侣蛋白，具有常见的N-末端氨基酸基序，其调节HSL与脂肪细胞脂滴表面的结合。该基序与脂滴相关蛋白Adrp以及通常被鉴定为与脂滴相关的甘露糖-6-磷酸受体结合蛋白Tip47相同。这些脂滴相关蛋白一起被称为PAT-1结构域基因家族，代表皮质脂蛋白、Apdr和Tip-47。在哺乳动物中，围脂滴蛋白仅限于在脂肪细胞和类固醇生成细胞中表达，这两种组织可能将脂质物质递送到肝脏和卵母细胞。
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笔者通过分析最近的公开数据库，可以知道的是，鱼类含有PAT蛋白，并在翻译的斑马鱼和红鳍东方鲀数据库中鉴定了许多具有PAT-1结构域的蛋白。此外，已有研究表明哺乳动物围脂滴蛋白的抗体可以与条纹鲈脂肪细胞中的脂质储存液滴（LSD）结合（Lu et al., 2001）。
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在脂滴附着的围脂滴蛋白中的磷酸化改变，导致脂肪酶结合成为二聚体并促进脂肪细胞甘油三酯（triacylglycerol, TAG）的水解。除了通过激活酶的磷酸化的共价修饰，与脂质体的相互作用及易位到脂质液滴的表面之外，HSL还通过寡聚化来调节，其中酶同二聚体显示出比单体高得多的活性。此外，HSL与脂肪细胞型脂肪酸结合蛋白（fatty acid binding proteins, FABPs）相互作用，增加HSL的活性，并通过去除游离脂肪酸来保护酶免于产物抑制。FABP属于一个蛋白家族，这些蛋白具有15个与脂肪酸及其他亲脂性配体结合的共同成员。这些蛋白质在鱼组织中是广泛存在的，尽管尚未从鱼类脂肪组织中分离出来，但是有些被归类为“脂肪细胞型”（FABP Hh6）（Vayda et al., 1998）。因此，在卵黄发生过程中FABP Hh6的表达可能发生变化，特别是在非肝脏脂质储存组织中。当然，随着卵黄发生的进行和脂质物质被转移到生长中的卵母细胞上，无论是在Vtg上还是在其他脂蛋白上，FABP在卵巢中也需要脂肪分解，而在卵母细胞中也需要脂肪生成。这种观点得到了早期和卵黄生成中的心脏脂肪酸结合蛋白FABP的表达的支持（Liu et al., 2003），并且这种FABP的丰度与卵母细胞中脂肪酸的积累一致。脂肪酸与卵母细胞内的FABP结合可进行脂质合成或储存。
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虽然已经对鱼类超过6个HSL进行了克隆和测序以及一些生理方面的研究，但是仍然需要进行适当的结构－功能分析。所有脊椎动物HSL，包括通过初步比对而判断的硬骨鱼类酶类，含有由Ser-Asp-His组成的催化三联体，激素敏感性脂肪酶的C末端部分含有约150个被称为调节模块的残基。在该模块中存在蛋白激酶PKA磷酸化的关键——丝氨酸残基。
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在外周或肝脏脂质动员激活的同时，雌二醇还刺激羟甲基戊二酮CoA还原酶活性，这种酶参与胆固醇生物合成，在蛙肝中不改变其mRNA的浓度，而增加低密度脂蛋白（low density lipoprotein, LDL）受体蛋白和mRNA的丰度（Di Croce et al., 1997）。两种化合物在卵黄发生过程中都是必需的，伴随着外周脂质释放的增加，到肝脏的加工，以及周转量的增加和通过甲羟戊酸－胆固醇进行的活化和生物合成。游离脂肪酸在卵黄发生过程中的可用性和流通量的增加可能具有额外的次要作用。多不饱和脂肪酸如花生四烯酸（本身就是重要激素的潜在来源，包括前列腺素）的浓度与血浆雌二醇同步变化，并在卵黄发生过程达到峰值（Booth et al., 1999; Cottrill et al., 2001）。其通过降低亲和力而不改变整体结合能力来降低雌二醇与SHBGs的结合能力（Van der Kraak and Biddiscombe, 1999）。最终，结合的和游离的类固醇之间的平衡将打破，导致类固醇降解速率增加，并且靶细胞对类固醇摄取也发生改变。
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五、矿物质来源
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如上所述，脂质、雌激素活性和Vtg组分的传递在组织之间高度协调。在雌二醇的作用下，在鳞片上激活钙和磷酸盐，并由雌激素受体介导，而一部分被重新定位于骨骼（Armor et al., 1997），其他的可用于肝脏合成。雌激素同时作用于破骨细胞和成骨细胞。在破骨细胞中，矿物质吸收增强，其中除了其他作用外，成骨细胞下调一种控制矿化的糖蛋白－骨粘连蛋白的表达（Lehane et al., 1999）。虽然刚刚受精的鱼胚胎不表达骨粘连蛋白，但是当甲状旁腺激素（PTH）相关肽增强表达时，骨细胞表达的上调在胚胎发育过程中尤为重要（Estevao et al., 2005）。
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在雌二醇和其他物质的控制下，磷酸钙和钙对合成卵黄蛋白原是非常重要的，这也引发了人们对另外两种激素作用的思考。第一种是斯钙素（Stanniocalcin），它是由斯坦尼斯小体（Corpuscles of Stannius）产生的糖蛋白，通常是鱼类中磷酸盐和钙稳态的关键内分泌调节剂。显然，在卵黄发生过程中，斯钙素在鳃、肠和肾脏中的正常抗高钙血症作用及其在肾磷酸盐摄取中的作用，必须与雌二醇对矿物质的动员相协调。与鳃后腺体（ultimobranchial gland）产生的降钙素（calcitonin）可能存在类似的相互作用，降钙素可实现与斯钙素作为抗高钙血症因子相同的作用，与哺乳动物的情况类似，也会导致磷酸盐的动员增加，从而导致鱼类中的高磷酸血症。此外，这些相互作用可能受到周围水中钙的供应以及Vtg螯合钙的影响。
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尽管Vtg可能将铁转运到卵母细胞，但通常转铁蛋白会承担这一角色。对卵黄生成中转铁蛋白的动力学机制知之甚少，但可以确定的是鱼类转铁蛋白含有雌激素反应元件（Estrogen response element, Ere）（Mikawa et al., 1996）。
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六、卵母细胞摄入卵黄蛋白原
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卵母细胞通过受体介导的胞吞作用吸收Vtg（Tyler et al., 1991）。Vtg受体（Vtg-R）负责识别Vtg，使其内化并引发Vtg受体复合物的降解。该受体隶属于低密度脂蛋白受体（LDL-R）家族（Davail et al., 1998），该受体家族结合不同配体并调节脂质转运和组织摄取。LDL-Rs具有共同结构：富含半胱氨酸的约40个残基的配体结合重复序列（Ligand binding repeats, LBR），并且在其羧基末端含有酸性Ser-Asp-Glu共有序列。LBR区域在鱼类中由8个重复的序列组成，给予这种受体首字母缩略词LR8，其后是富含半胱氨酸的重复序列，其与表皮生长因子（epidermal growth factor, EGF）前体具有相似性。这些EGF前体重复序列（A和B）之后是含有5个YWTD基序（或相似序列）的半胱氨酸贫乏的间隔区；所谓的螺旋桨重复，参与酸性内体区室中受体和配体的pH依赖性解离（图4-6）。接下来是与短跨膜结构域相邻的另一EGF－前体结构域（C）。细胞质尾部由约50个氨基酸残基组成，并含有介导配体－受体复合物聚集的NPXY基序，并引导它们进行包被，从而引发内吞作用。
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图4-6 硬骨鱼类卵黄蛋白原受体结构（美洲狼鲈）
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通过位于其卵黄脂磷蛋白重链（Lv-H）区域中的结合位点使循环中的Vtg二聚化。似乎存在关于Vtg-R/Vtg复合物的化学计量学的一些争论，其中最令人信服的鱼类模型表明：单个Vtg-R可以转运Vtg二聚体，并且二聚体优先被前三个LBR捕获（Ding, 2005）。
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Vtg和其他配体如apoA和apoE，通过赖氨酸或精氨酸残基与LDL-R超家族（LDL-R，极低密度脂蛋白受体-VLDLR，Vtg-R）的受体结合，指向它们各自受体的LBR结构域中的酸性氨基酸。Vtg二聚体通过卵黄脂磷蛋白-1的部分关键区域结合其受体，特别是氨基酸162和248（罗非鱼）之间的序列。Li等（2003）使用定点诱变对奥利亚罗非鱼（Oreochromis aureus）的Vtg进行定位，作为该相互作用中的关键氨基酸，鉴定了Lys181，作为形成保守八肽（HLTKTKDL）的一部分碱性残基。毫无疑问，这种赖氨酸在大多数硬骨鱼类Vtgs中是完全保守的，而这个受体超家族的其他配体是八肽中的基本碱性残基（所有Vtg-A都有R而不是K）。在与该模型的主要偏差中，迄今为止鉴定的四个Vtg-C（图4-4），在对应这两个赖氨酸的位置上，包含多个替代物，即使周围的氨基酸相同或出现单碱基变化，通常保留残留物的化学特性。表4-2给出了代表性的Vtg-A和图4-4的四个Vtg-C的双Lys区的11个核苷酸。笔者给一个暂时确定的Vtg-C［斑点绿河鲀（Tetraodon nigroviridis）］中添加了11个核苷酸（表4-2），以强化笔者的观点。这种系统的差异，使笔者想知道这一特定领域对受体结合或关于受体本身的特异性的重要性。Vtg-C很可能不与“罗非鱼”类型的受体结合，并且在表4-2中列出的五个物种中存在特异性Vtg受体，或者超家族的其他受体接受并运输较少的Vtg-C。
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表4-2 硬骨鱼类卵黄蛋白原受体结合域
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表4-2 硬骨鱼类卵黄蛋白原受体结合域（续）-1
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在鱼类中鉴定出两种形式的Vtg-R cDNA，其区别仅在于是否存在短的Ser/Thr富集区域，所谓的O－连接的糖类结合域，即位于表皮生长因子（EGF）前体C之间的跨膜结构域。两个转录本是相同mRNA的剪接变体。有趣的是，在条纹鲈（Morone saxatilis）以及日本鳗鲡中，没有发现含有O－连接的糖类结合域的转录物的证据，而在虹鳟中，较短的mRNA已被鉴定为卵巢特异性（表4-3）。除了这个方面的微小变化，可以确定的是Vtg-R mRNA在卵黄发生之前产生，在卵黄发育早期达到峰值，并且每个卵泡的Vtg受体的数量随着卵泡大小的增加而增加。在卵黄生长期，受体蛋白的表达逐渐减弱，排卵时受体蛋白显著降低（Lancaster and Tyler, 1994; Hieble et al., 1995; Prat et al., 1998; Li et al., 2003）。Vtg-R转录产物的时间点可能表明：在卵黄发生期的生长阶段，受体在卵母细胞表面形成，并且受体的存活时间随卵黄发生的不同阶段而变化。
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表4-3 Vtg受体中O－连接的糖类结合域
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当笔者查询红鳍东方鲀（Takifugu rubripes）、斑点绿河鲀（Tetraodon nigroviridis）和斑马鱼（Danio rerio）与美洲狼鲈（Morone americana）Vtg-R的蛋白质序列的公共数据库时，找到了两个斑点绿河鲀Vtg受体［包括一个含有O-连接的糖类结合域（表4-3）］，以及两种河鲀LDA-R，红鳍东方鲀的低密度脂蛋白受体相关蛋白-1（α2-巨球蛋白受体）与斑马鱼和红鳍东方鲀的LPR2（megalin）及美洲狼鲈Vtg-R具有同源性序列（T. Mommsen and B. Korsgaard, 未发表的数据）。由于所有三种受体类型都可能与摄入卵母细胞单元组成有关，所以这些问题为未来研究提供了一个有趣的开始。
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至少在虹鳟中，Vtg-R似乎对Vtg具有特异性（Tyler and Lubberink, 1996），并且接受和运输包括低密度脂蛋白（LDL）的脂质，而其他脊椎动物的Vtg-R（包括美洲狼鲈Vtg-R）可能并不具有功能。当然，虹鳟似乎是一种Vtg会影响绝大多数卵母细胞生长的鱼，需要强调的是大麻哈鱼仅具有单一类型的Vtg（Trichet et al., 2000）。许多其他硬骨鱼类与鳟属鱼类不同，它们可能不需要专一性很强的Vtg-R。与在水底产卵并且含油滴不多的虹鳟不同，大多数硬骨鱼类产中性卵，其中中性脂质由甘油三酯、蜡酯和硬脂酯组成，占卵中总脂质的大部分。因此，它们的组成与磷脂，特别是磷脂酰胆碱和磷脂酰乙醇胺主导的Vtg携带的脂质显著不同（表4-1）。因此，可以想象，大部分中性脂质通过LDL或极低密度脂蛋白（VLDL）到达卵母细胞，需要另外的受体或比较多的Vtg-R存在。
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七、脂蛋白脂肪酶
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人们已经注意到哺乳动物中脂蛋白脂肪酶（LPL）和极低密度脂蛋白受体（VLDL-R）之间的存在有趣的关系，考虑到哺乳动物和其他脊椎动物之间的相似之处，可以预期鱼类中有相似机制。首先，VLDL-R和LPL通常在相同的组织中表达；其次，LPL直接与受体结合，因此受体控制LPL内化和降解；最后，在通过受体内吞之前，LPL将循环的VLDL降低为较小的残留物。考虑到围绕卵黄发生的卵泡LPL的特定动力学，也许应该采用新的角度来进行VLDL-R和Vtg-R的研究，因为卵巢LPL更有可能促进除Vtg之外的脂蛋白水解，为成长的卵母细胞提供脂肪酸，促进其摄取和再酯化。鉴于卵黄发生素或其他脂蛋白对生长卵母细胞的脂质的重要性，鱼卵巢在卵黄发生过程中显示出高浓度的LPL并不奇怪。通常LPL被锚定到血管内皮，与血清脂蛋白结合，水解一些脂质，导致产物摄取到相邻组织中。显然，卵母细胞是一个靶标，并在卵黄发生的所有阶段，特别是在后期阶段表达LPL mRNA。有趣的是，在胚胎发生期间不存在酶的表达或其表达量非常低（图4-7）。但是功能蛋白的表达和翻译不一定相关，酶在胚胎发生过程中仍然具有活性。显然，必须激活某些脂肪分解机制，以解释胚胎发生期间随之产生的脂肪分解，尽管目前尚不清楚Vtg水解残留物在这一点上是否需要脂质化，可以确定的是需要LPL或其他脂肪酶的参与。
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图4-7 组织蛋白酶和脂肪酶在卵母细胞发育过程中的动力学
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八、卵母细胞的生长
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硬骨鱼类卵母细胞的生长模式存在较大的物种差异，具体与卵黄发生末期卵母细胞的最终大小有关，也与产卵类型和环境盐度有关。然而，所有的卵母细胞都经历相同的基本生长阶段，即卵子发生后，在卵母细胞发生前的生长阶段缓慢获得卵黄素包膜蛋白（vitelline envelope proteins），即卵黄发生前期（previtellogenic stage）。接下来是主要由雌二醇驱动的卵黄化阶段，其特征在于大量摄取卵黄蛋白原和其他母体物质，之后生殖卵母细胞进入成熟阶段。直到这时，细胞在减数分裂前期Ⅰ的G2/M边界被限制，它们的第一次减数分裂停止。在成熟期间，由LH的激增引发，减数分裂恢复并完成，随后排卵。在成熟的最后阶段，促性腺激素也可以通过刺激一些称为成熟诱导类固醇（MIS）的21碳孕激素的产生来诱导卵母细胞，MIS通过膜结合受体非常快速地发挥作用，即类固醇通过非基因组途径介导其作用（Thomas, 2003）。其他脊椎动物体系的类似数据也提出了许多类固醇激素的核和膜相互作用的新见解（Watson et al., 2005），此外，非基因组作用也涉及雌激素依赖性抑制卵巢细胞中雌二醇的合成（Braun and Thomas, 2003）。
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卵母细胞体积的最大增加通常出现在卵黄发生过程中。而促性腺激素在卵黄蛋白原摄入卵母细胞中的作用是很明确的，GtH Ⅰ在刺激Vtg摄取方面具有主要功能（Prat et al., 1998），而对于卵母细胞中卵黄蛋白原的加工途径知之甚少。在卵巢中，卵黄蛋白原随着血液循环进入卵泡毛细血管网，穿透基底层到达卵泡，通过辐射体的通道最终内化，以卵黄颗粒、卵黄球蛋白或血小板的形式储存在卵质中。
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在产浮游性卵的海洋和半咸水鱼中，观察到其卵质量会出现第二次显著增加。特别是在最终成熟期间，水含量迅速增加到85%～95%，同时体积增加3～5倍，称为“水合作用”（Reith et al., 2001）。卵母细胞体积的增加由大量游离氨基酸驱动，这些氨基酸通过Vtg衍生的卵母细胞蛋白完全或部分水解得到（Thorsen and Fyhn, 1996; Matsubara andand Koya, 1997; Polzonetti-Magni et al., 2004）（图4-7），并通过卵母细胞中水通道蛋白的活性表达得以实现（Fabra et al., 2005）。除促进水吸收外，通过酸碱状态和其他渗透条件同时发生改变，这些游离氨基酸也有助于早期的渗透调节，为浮游卵提供浮力，并且在早期发育过程中作为重要的底物促进有氧代谢和蛋白质合成。
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为了给卵母细胞提供所需的组分，必须建立卵巢支持组织和卵母细胞（酶系统）以处理这些化合物。例如，围绕卵母细胞的毛细血管上皮中的LPL，它能将蛋白质和脂质递送到需要脂蛋白的卵母细胞。在卵母细胞中，通过受体介导的胞吞作用隔离Vtg之后，特异性酶介导卵母细胞中卵黄蛋白的加工。在鱼类中，卵母细胞的溶酶体系统储存了降解Vtg、化合物的合成和重排成卵黄所必需的所有酶。卵黄蛋白原前体和卵黄的蛋白水解加工很可能是通过溶酶体酶介导的，这些酶能够攻击肽键、糖苷键和磷酸键。组织蛋白酶D是参与卵母细胞内Vtg裂解的酶之一，即溶酶体产生的酸性天冬氨酸蛋白酶。真骨鱼类似乎表达了两种酶的旁系同源物，可能是鱼类的初始基因组复制的遗留物（Taylor et al., 2003）。组织蛋白酶D在鱼类大多数组织中表达，包括肌肉、肝脏和卵母细胞。这些酶存在可变的作用，包括控制肌肉蛋白水解和在发育的卵母细胞中分解卵黄蛋白原，这两者都是卵黄发生过程中的基本过程。该酶由18个氨基酸组成信号肽，信号肽转移至高尔基体前在内质网中被切除。糖基化后，酶被转移到溶酶体，酶活性是通过半胱氨酸蛋白酶的刺激而形成的，该半胱氨酸蛋白酶切割形成N－末端46残基的序列（Nielsen and Nielsen, 2001）。组织蛋白酶D的表达对雌二醇及其他类固醇都具有调控作用，并清楚地说明了某些（可能是大部分）鱼卵母细胞发育过程中Vtg早期破裂的原因。尽管组织蛋白酶D mRNA的高活性和丰度并不总是一致，并且不能从mRNA推断出活性蛋白，但是在受精阶段前后其组织蛋白酶D mRNA丰度达到峰值（Kwon et al., 2001）。至少在鸟类中，组织蛋白酶D的作用并不仅限于处理Vtg，而且还可以积极参与载脂蛋白B的分解，载脂蛋白B可以借助Vtg-R通过内吞作用到达卵母细胞。因此，酶可能在Vtg-R转运的任何蛋白脂质载体的降解中起作用。在虹鳟的卵黄发生过程中，在多泡体中可以共同定位组织蛋白酶D和Vtg（Sire et al., 1994），表明组织蛋白酶D是负责Vtg降解的第一步中的关键溶酶体酶。在后期阶段，溶酶体表现出更广泛的活性，随着其他水解酶（包括酸性磷酸酶）的转录和活性增加，可能需要卵黄高磷蛋白衍生出的卵黄蛋白的水解作用。
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并不是只有组织蛋白酶D在卵黄蛋白原及其组分的分解中发挥作用，至少有5种蛋白酶参与其中。一种是雌性特异性天冬氨酸蛋白酶，其被称为非胰蛋白酶或肝特异性天冬氨酸蛋白酶（Lap），最初在鱼肝脏中发现，但后来发现其也在卵巢中表达（Kurokawa et al., 2005）。该酶与组织蛋白酶D密切相关（Riggio et al., 2000），并且也可以被雌激素诱导，因此已经有学者提出将其作为雌激素类似物的潜在指标（Mommsen, 2004）。在许多鱼组织中，包括卵巢组织，组织蛋白酶L和B、半胱氨酸蛋白酶是非常丰富的，并长期与卵母细胞和卵蛋白水解相关（Kestemont et al., 1999）；特别是组织蛋白酶L涉及脂蛋白的二级加工（Carnevali et al., 1999）。在鳟属鱼类中，两种酶的mRNA丰度在早期和中期卵黄发生过程中达到顶峰（图4-7）（Kwon et al., 2001）。半胱氨酸蛋白酶和其他蛋白酶在底鳉卵母细胞发育和成熟中发挥了重要作用。例如，在卵母细胞成熟过程中，底鳉组织蛋白酶F的mRNA的丰度大幅增加（图4-7），而在此期间组织蛋白酶K和H的mRNA丰度降低。有趣的是，mRNA丰度和酶活性的动力学联系似乎并不紧密（图4-7），尽管物种差异可能导致丰度或活性存在差异（图中的数据来自不同的物种）。在经过17α，20β-二羟基-4-孕烯-3-酮（DHP）诱导成熟的后卵泡时期发育中，组织蛋白酶F、L、S和H的mRNA均在给予激素20～30h后或在生殖泡囊分解阶段之前达到峰值（图4-7）。
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与雌二醇调控鱼类肌肉蛋白水解相似，内源蛋白酶抑制剂可能在引导和调节蛋白水解活性中起作用。鱼类组织包括肌肉、皮肤、肝脏和卵巢中富含多种特异性的蛋白酶抑制剂（Ohkubo et al., 2004a）。两种蛋白酶抑制剂与虹鳟卵黄生成期卵母细胞中卵黄蛋白的摄取直接相关。由这些转录物编码的蛋白质被定位在卵黄发生期卵母细胞的皮质卵泡中，并与卵黄蛋白原加工部位直接相关（Wood et al., 2004）。在卵母细胞的卵黄生长阶段检测到两种卵母细胞蛋白酶抑制剂的cDNA，并且表达下调与卵母细胞时相相符。在水合阶段发生的第二波蛋白水解（显然是十分有针对性的）产生了有助于大量水分聚集所需的游离氨基酸。
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有趣的是，类似于卵母细胞中卵黄蛋白原以及卵黄的其他组分的降解和重排机制，酶系统似乎在母体系统的外围发挥作用。与卵母细胞一样，在组织蛋白酶L、钙蛋白酶和组织蛋白酶L样酶的共同作用下，组织蛋白酶D在肌肉动员氨基酸过程中起到了重要作用（Mommsen, 2004）。在发育的卵母细胞中，参与Vtg处理的酶机制可以清楚地区分不同形式的Vtg，导致在卵母细胞生长、卵母细胞成熟以及进一步加工过程中产生大量不同的产物，这些卵黄蛋白被用来命名Vtg的不同部分。图4-8描述了海洋硬骨鱼类中，产浮性卵的条斑星鲽（Verasper moseri）卵母细胞蛋白质的程序化谱系，这些卵子在排卵前会引起大量的水分流入，这是由Vtg和渗透剂衍生而来的游离氨基酸浓度（超过10倍）的增加所驱动的。在产沉性卵的物种中，Vtg降解的量显著不同，仅经历游离氨基酸的适度增加（3倍），并且其吸水作用受限。鳉作为一种硬骨鱼类的代表，在成熟后，尽管Lv-H的主要部分仍为卵母细胞中的103ku成分，但通过降解LvH，Vtg-A似乎是游离氨基酸的主要来源。相比之下，Vtg-B在生长的卵母细胞中被处理成较小的组分，但在最终成熟期间没有观察到进一步的降解。因此，Vtg-B似乎不会在最终成熟期间对氨基酸的增加产生贡献。在两个物种中分析了不含磷酸蛋白的Vtg-C的去向，日本常见的虾虎鱼在卵黄积累期间，320ku二聚体Vtg-C保持不变，而在食蚊鱼中，400ku二聚体Vtg-C被蛋白水解加工成不同的脂蛋白H和卵黄脂磷蛋白L亚单位，但不再有进一步的降解（Ohkubo et al., 2004b; Sawaguchi et al., 2005）。
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图4-8 在牙鲆卵母细胞和卵母细胞成熟过程中卵黄蛋白原的加工
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第四节 绒毛肽生成素
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卵黄高磷蛋白降解
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通过对条斑星鲽成熟卵母细胞卵黄蛋白的完全降解的描述（Matsubara et al., 1999），可以推测其在卵母细胞最后成熟期间，将特异性地促进磷酸盐和丝氨酸的增加。事实上，在卵母细胞成熟期和水合初期的庸鲽（Hippoglossus hippoglossus）中已经观测到丝氨酸增加之前的游离无机磷酸盐增加（图4-9），这意味着在此阶段磷酸酶比蛋白酶水解卵磷脂的丝氨酸主链更具活性（Finn et al., 2002）。有两种水解过程最可能涉及溶酶体机制的活化，包括酸性磷酸酶降解磷酸丝氨酸以及保护蛋白的组织蛋白酶的混合。
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图4-9 庸鲽卵母细胞成熟期间磷酸盐和丝氨酸浓度的变化
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第五节 唾液糖蛋白
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一、vasa样基因
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vasa样基因是原始生殖细胞发育的关键调节因子和生殖细胞的有效标记物，在罗非鱼的卵原细胞到双线期的卵母细胞中表达，并且可以在前生殖卵母细胞的细胞质中定位到。随后，从卵黄发生到卵黄发育成卵母细胞时期表达量减少（Kobayashi et al., 2002）。有趣的是vasa蛋白并不总是与其mRNA共同定位到同一组织中（Knaut et al., 2000）。在成熟的后期阶段，鱼卵巢中vasa基因的表达增加。在鱼类体内注射雌二醇或促性腺激素释放激素（GnRH）同样会引起vasa基因表达的增加；而与生长激素共同注射雌二醇的鱼中显示vasa基因mRNA的浓度降低（Cardinali et al., 2004）。
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二、核黄素结合蛋白
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在鱼类中还有一个有趣的化合物是核黄素（维生素B2）结合蛋白，该蛋白在鸡的卵子中发现是肝脏对雌二醇产生的蛋白反馈，来调节核黄素对生长中的卵母细胞的转运。核黄素存在于鲑科鱼类卵母细胞中，其浓度与鸡卵相似（H. B. White and M. A. Letavic，未发表的数据），目前已对尼罗罗非鱼（Oreochromis nilotieus）（GenBank AAP42246）相应的结合蛋白进行序列测序，但其在硬骨鱼类中雌激素的诱导和在维生素中的作用仍有待分析。然而，应该提及的是，核黄素结合蛋白可与鸡中的Vtg-R结合，可以推测，该结合蛋白在鱼类与在鸡中发挥类似的作用。
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三、类纺锤体蛋白基因
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在鲤成熟的卵中检测到纺锤体基因的产物，这种蛋白在成熟卵母细胞向早期胚胎过渡期间非常重要。受精后其含量降低，银鲫（Carassius gibelio）（早期研究将其拉丁学名写作Carassius auratus gibelio，将其认定为鲫Carassius auratus的一个亚种，现认为银鲫为鲫属的独立物种）类纺锤体蛋白是在卵母细胞成熟期间表达的母体蛋白，并具有与哺乳动物相似的功能（Wang et al., 2005）。
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第六节 总结与展望
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图4-10给出了鱼类卵黄发生的综合轮廓。在这里，重点是卵黄蛋白原合成的来源，并将合成卵黄的器官——肝脏这个中间体作为最重要的信息交换所。外周调节和肝脏生物合成途径都在雌二醇的控制之下。在卵黄发生前，肝脏为合成卵黄包膜提供物质。在卵黄发生过程中，需要卵黄蛋白原、脂蛋白和其他载体为正在发育的卵母细胞提供物质。一些化合物（非卵黄发生素）可能通过其他卵巢细胞发挥作用。在最终成熟过程中，卵黄蛋白原被部分或完全降解，产生各种卵黄蛋白、脂滴和游离氨基酸，以驱动水合作用（如需要）。
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图4-10 从肝脏组织细胞到卵母细胞的卵黄蛋白原合成的简化代谢流程
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致谢：感谢Tom Moon和Mathilakath Vijayan提供的建设性意见，以及Gord Brown帮助进行系统发育分析。
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参考文献
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第五章 鱼类卵泡中的类固醇生成
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第一节 导言
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（1）日本鲭
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隶属于鲭科（Scombridae），远洋鱼类。日本鲭具有非同步卵巢，即不同发育阶段的卵母细胞同时存在，自然条件下，处于产卵季节的雌性可以每2d产一次卵（Yamada et al., 1998）。不同于许多商业鱼类孵化场饲养的亲鱼（Zohar, 1989），雌性日本鲭无法在人工养殖条件中完成其繁殖周期，在网箱或室内水池中，雌鱼在4—6月的产卵季节保留卵母细胞（Shiraishi et al., 2005），这些卵母细胞不会经历卵母细胞的成熟和排卵。因此，捕获日本鲭的内分泌功能紊乱似乎主要与垂体中促黄体激素（LH）分泌的缺乏有关，LH在卵黄发生完成后诱导卵母细胞成熟。我们可以通过使用具有LH样活性的人绒毛膜促性腺激素（HCG）获得日本鲭成熟卵巢卵泡（Shiraishi et al., 2005）。
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（2）五条
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是一种鲹科（Carangidae）鱼类，在日本是最主要的食用海水鱼类。五条也是一种连续产卵鱼类，与日本鲭类似，在人工养殖条件下其卵母细胞不能达到成熟，但可以通过注射HCG来刺激卵母细胞的成熟。
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（3）红鳍东方鲀
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属于四齿鲀科（Tetraodontidae），已被用作基因组研究的新模型生物（Brenner et al., 1993; Venkatesh et al., 2000）。产卵季节的河鲀卵巢包含2种时相的卵母细胞，大多数卵母细胞处于卵黄发生期，少数卵母细胞处于卵黄发生前期。野生雌性每个繁殖季节产卵一次，通常通过连续注射促性腺激素释放激素类似物（GnRH-A）诱导垂体释放内源性的LH（Matsuyama et al., 2001），来诱导捕获的河鲀卵母细胞成熟。
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（4）西氏拟隆头鱼
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是一种雌雄同体、雌性先成熟的鱼类。雌鱼在繁殖季节两个月的时间几乎每天都产卵（连续产卵型），并且在卵母细胞生长、成熟、排卵和产卵中具有昼夜节律（Matsuyama et al., 1998a）。根据形态学特征和线粒体DNA序列，将日本拟隆头鱼分为两种，分别为西氏拟隆头鱼和红颈拟隆头鱼（P. eoethinus）（Mabuchi et al., 2000）。之前研究已经清楚地鉴定出红颈拟隆头鱼的形态学特征。因此，本章中日本拟隆头鱼指的是西氏拟隆头鱼（Matsuyama et al., 1997, 1998a, 1998b）。
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（5）真鲷
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是一种鲷科（Sparidae）鱼类，与五条同为日本水产养殖业中最重要的物种之一。真鲷的性别模式是幼鱼阶段存在雌雄异体和雌雄同体，精巢起源于未发育的卵巢，幼鱼阶段同时具有两性性腺（Matsuyama et al., 1988b），成年雌性在产卵季节持续两个月以上，每天产卵（Matsuyama et al., 1988a）。
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第二节 卵黄发生期的类固醇生成
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一、日本鲭
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当有卵黄沉积的卵泡与［3H］P5和［3H］17-OHP孵育时，总共鉴定出六种放射性代谢物，分别为P5，17-OHP5，17-OHP，DHEA，AD和T（参见表5-1类固醇缩写）。［14C］AD被代谢成T，［3H］T孵育后产生E2。由［3H］P5产生的主要代谢产物为17-OHP5、17-OHP和DHEA。然而，来自［3H］P5的17-OHP的放射性是来自［3H］P5的DHEA的8.6倍，表明P5通过17-OHP5最终代谢产生17-OHP，而不是产生DHEA。连同另外三种不同的放射性前体的结果，得出E2通过P5经由17-OHP5、17-OHP、AD和T合成（Matsuyama et al., 2005）（图5-1）。
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图5-1 雌雄异体硬骨鱼类日本鲭、五条、红鳍东方鲀和青鳉卵黄生成期卵泡中主要类固醇的生成路径
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二、五条
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当有卵黄沉积的卵泡与［3H］P5孵育时，可以检测到6种类固醇代谢物。分别是P5（前体）、17-OHP5、17-OHP、DHEA、AD和17α，20β-DHP5（参见表5-1类固醇缩写）。然而，DHEA的生物生成强度比17-OHP的生物生成强度高4倍，但是主要通过DHEA到AD途径，这与日本鲭的情况不同。当使用［14C］AD作为前体时，产生E2、T、A5、两种5-还原（5α-和5β-）形式的雄甾烷和两个未鉴定出的产物。该结果清楚地表明AD通过T转化为E2。小的A5产物可能在3β-羟基类固醇脱氢酶（3β-HSD）的作用下从T到A5发生可逆反应。五条卵黄生成过程卵泡中的E2生成途径见图5-1，其中E2主要通过从P5通过17-OHP5、DHEA、AD和T的途径产生（Rahman et al., 2002a）。
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三、红鳍东方鲀
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红鳍东方鲀卵泡中P5至E2的主要途径与五条相同，即从P5通过17-OHP5、DHEA、AD和T合成E2（Matsuyama et al., 2001）。在红鳍东方鲀卵泡中，17α，21-DHP与E2合成一致，在21-羟化酶作用下从17-OHP转化为17, 21-DHP。最后，两种最终产物E2和17α，21-DHP在河鲀卵泡中合成（图5-1）。
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四、西氏拟隆头鱼
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图5-2 西氏拟隆头鱼卵黄和成熟卵泡中孵育［3H］孕烯醇酮类固醇代谢物的放射自显影图
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当卵泡与［3H］P5一起孵育时，在苯∶丙酮（4∶1）显影后，在TLC上出现8个主要成分分离（图5-2）。组分4在氯仿∶乙酸乙酯（2∶1）中被分为DHEA和17-OHP，DHEA的生物合成强度比17-OHP的生物合成强度高7.5倍。组分7在苯∶氯仿∶乙醚∶甲醇（2∶2∶2∶1）中也被分成17α，20β-DHP和17α，21-DHP。组分1、2、3、5、6和8分别被鉴定为E1、AD、P5、E2、17-OHP5和17α，20β-DHP5（参见表5-1的类固醇缩写）。为阐明E2的生成途径，使用另外5种放射性标记的类固醇17-OHP、DHEA、AD、E1和T作为前体。其中，E2由DHEA、AD和E1合成。在所有孵育实验过程中，都检测不到T的产物，并且T并未完全转化为E2（Ohta et al., 2001），表明在西氏拟隆头鱼的卵泡中T并不是E2产生的前体。相比之下，E1代替T由P5、DHEA、AD产生，而外源性E1则直接转换为E2。这些结果表明，在西氏拟隆头鱼中，E2在卵泡中由E1合成。与红鳍东方鲀类似，西氏拟隆头鱼卵泡中，17α，21-DHP和E2一样，由持续的高21-羟酶活性将17-OHP转化为17α，21-DHP作为最终的产物。西氏拟隆头鱼卵泡中的类固醇生成路径如图5-3所示（Ohta et al., 2001）。
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图5-3 两种硬骨鱼--西氏拟隆头鱼和红鳍东方鲀卵泡的主要类固醇生成途径
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两批次分离的卵母细胞的日变化及三种类固醇的血清水平总结如图5-4所示。血清E2水平在03：00达到顶峰，两批卵母细胞的发育阶段分别是晚期卵母细胞核迁移（germinal vesicle migration, GVM）和卵黄发生中期（mid yolk, MY）。西氏拟隆头鱼卵泡具有活跃的卵黄形成能力，但晚期GVM不能产生E2，如下所述（图5-3）。
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图5-4 雌性西氏拟隆头鱼雌酮（E1）、雌二醇（E2）和睾酮（T）血清水平日变化
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血清E1和E2水平呈一致的昼夜变化节律，却与T不同，这些是支持E2由E1而不是由T转化的离体数据。西氏拟隆头鱼性逆转后的雄性次生精巢中类固醇生成途径已被鉴定，11-KT为雄性次生精巢产生的一种主要雄性激素（Borg, 1994），与卵泡中生成路径相似，首先P5合成AD，然后AD通过T和11β-OHT转化为11-KT（Ohta et al., 2003）。
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五、真鲷
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当利用放射性同位素标记的17-OHP、DHEA或AD作为前体时，通过卵泡合成T和E1，最终合成E2。然而，E1转化为E2的离体转化比T转化为E2的效率高16倍，这表明E2主要通过E1而不是通过T合成。来自不同放射性标记前体的代谢物和卵泡中的主要类固醇生成途径几乎与西氏拟隆头鱼相同。即通过从P5到17-OHP5、DHEA、AD和E1的主要途径合成E2（Ohta et al., 2002a）（图5-3）。与E2同样，17α，21-OHP也通过P5到17-OHP5和17-OHP的路径合成。血清T和E1全天候出现并伴随E2波动，其中T水平与E1变化趋势类似。真鲷中相对较高的血清T水平可能由于T也在除性腺外的其他器官中合成。
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在青鳉的卵黄发生过程中，卵泡类固醇生成途径如图5-1所示（Kobayashi et al., 1996），其中E2从P5到17-OHP5、17-OHP、AD和T合成路径与日本鲭相同，日本鲭、五条、红鳍东方鲀和青鳉均为雌雄异体，而西氏拟隆头鱼和真鲷在其生活史上有雌雄同体阶段。有趣的是，在日本鲭、五条、红鳍东方鲀和青鳉卵泡中T是E2的前体底物。然而，E2在西氏拟隆头鱼和真鲷中并不是通过T，而是通过E1合成。性腺类固醇激素可能在雌雄同体鱼类的性逆转中起重要作用（Baroiller et al., 1999; Devlin and Nagahama, 2002）。在雌性先成熟物种中，雄激素处理已被普遍证明可以有效地诱导雌性至雄性的逆转（Reinboth, 1975; Kramer et al., 1988; Grober et al., 1991）。通过对西氏拟隆头鱼使用T和11-KT，成功地诱导了性腺从雌性向雄性的性别转变（Sakai et al., 2004）。因此，尽管信息有限，在真鲷和西氏拟隆头鱼的卵泡中T的低水平或缺乏可能与其生命周期中的性逆转有关。换句话说，卵巢T产物（超过一定阈值）可能影响卵巢结构的维持和在雌雄同体鱼类中雌性的功能。在雌雄异体种类的卵巢中，E2由AD通过T转化而来。
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在西氏拟隆头鱼生命周期中，E2是在卵巢和第二次性逆转（次生性腺）的精巢中生成的。次生雄鱼血清E2水平显示在15：00前后出现了急剧升高（Sundaray et al., 2003）。根据这一特定时间的E2合成，推测它可能与精原细胞增殖有关，因为此时b型精原细胞和精母细胞的数量最多（Matsuyama et al., 1997）。有趣的是，精巢中E2的合成途径与卵巢合成途径不同。在卵泡中E2由AD通过El合成，而次生性精巢中E2则由AD通过T产生，在卵巢卵泡和次生性精巢之间转移E2产物的通路可能与西氏拟隆头鱼的性逆转密切相关。已有学者采用RT-PCR克隆了编码关键酶的cDNA并对其mRNA表达进行了研究，分析了类固醇合成通路的机制。DNA所编码的两个P450芳香化酶亚型（CYP19a和CYP19b）和四种17β-羟基类固醇脱氢酶（17β-HSD-1,-5,-7,-12）被分离出并克隆。RT-PCR显示17β-HSD-1仅表达于卵巢，而其他酶在卵巢和精巢中均有表达。此外，17β-HSD-1在人类胚胎肾细胞（HEK 293）中表达，选择性地将E1转化为E2（Ohta et al., 未发表的数据）。结合以前的研究，这些结果表明西氏拟隆头鱼卵巢卵泡中的E2经过E1从AD合成CYP19a和17β-HSD-1，而在次生性精巢中AD被另一个同型的17β-HSD转化为T。雌雄异体物种之间E2的生成途径也不同，日本鲭卵泡生成E2的路径与青鳉相同，即P5、17-OHP5、17-OHP、AD、T和E2。在五条和河鲀中，AD从17-OHP5通过DHEA合成，而不是17-OHP。这些物种E2生成路径有特异性差异的原因目前尚不清楚。性腺类固醇已被证明对多种硬骨鱼类GtH分泌产生负面或正面的影响（Devlin and Nagahama, 2002; Yaron et al., 2003）。已有大量关于E2和T调节GtH合成和分泌的研究，但有关中间产物在E2合成中的作用的研究很少。有报道称金鱼的卵泡中产生的AD是诱导雄性生殖行为的主要性外激素（Poling et al., 2001）。未来的研究应该考虑E2生成途径中T以外的中间产物的潜在生理学作用，如类固醇反馈或性外激素活性。
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第三节 成熟卵泡中的类固醇生成
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一、日本鲭
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在GVM阶段，用［3H］P5孵化成熟的卵泡共产生包括P5前体在内的10种合成类固醇。它们是AD、P5、17-OHP、17-OHP5、17α、20β-DHP-5β、20β-S、17α，20β-DHP、17α，21-DHP和两种未知的极性代谢物。以［3H］17-OHP为前体时，鉴定出17-OHP、17α-OHP-5β、AD、17α，20β-DHP、17α，21-DHP、20β-S。当以［3H］17α，20β-DHP为前体时，17α，20β-DHP-5β大量产生，但不合成20β-S。当以［3H］17α，21-DHP为前体时，同时产生17α，21-DHP-5β和20β-S。因此，20β-S由17-OHP→17α，21-DHP→20β-S合成，而不是由17α，20β-DHP合成。日本鲭成熟卵泡中的类固醇生成途径见图5-5。在卵母细胞成熟过程中产生的类固醇中，只有17α，20β-DHP才能体外诱导GVBD。20β-S体外诱导GVBD的能力远低于17α，20β-DHP。这些结果强有力地表明17α，20β-DHP在日本鲭中起MIH的作用（Matsuyama et al., 2005）。
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二、五条
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在GVM阶段用［3H］P5孵育共检测出9种类固醇代谢物，即P5（前体）、17-OHP5、17α，20β-OHP5、17-OHP、17α-OHP-5β、AD、17α，21-OHP、17α，20β-DHP和17α，20β-DHP-5β。在与［3H］17-OHP孵育期间，仅检测出上述鉴定的6种4-孕烯类固醇代谢物，无5-孕烯类固醇。从GVM到GVBD之前，17α，20β-DHP的产量增加了5～7倍。除合成17α，20β-DHP外，其还原代谢产物17α，20β-DHP-5β也大量合成。相反，在GVBD期间没有AD合成。未检测到20β-S及其代谢物。五条成熟卵泡中类固醇生成途径见图5-5。在代谢产物中，17α，20β-DHP是体外最有效的GVBD诱导物，第二有效的诱导物是17α，20β-DHP-5β。17-OHP、17α-OHP-5β和17α，21-DHP效价较低（Rahman et al., 2001）。
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三、红鳍东方鲀
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在GVBD阶段，来自17-OHP的17α，21-DHP、20β-S、17α，20β-DHP和17α，20β-DHP的产量增加，特别是有大量的20β-S产生（Matsuyama et al., 2001）。20β-S主要通过17α，21-DHP的17-OHP途径合成。图5-5展示了红鳍东方鲀成熟卵泡中的类固醇合成途径。
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在最终卵母细胞成熟期（final oocyte maturation, FOM）产生的类固醇中，17α，20β-DHP和20β-S在体外表现出成熟诱导活性，然而20β-S诱导GVBD比17α，20β-DHP更有效。这些结果提供了强有力的证据，表明20β-S在红鳍东方鲀中具有作为MIH的生理学作用。在红鳍东方鲀卵泡中，在整个卵黄发育和成熟阶段持续增加的21-羟化酶活性是不同的。在卵黄发生过程中，活性21-羟化酶可能使卵泡积累足够的17α，21-DHP，从而在GVBD期间通过20β-羟基类固醇脱氢酶（20β-HSD）导致大量的20β-S的生成。
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17α，20β-DHP异构体17α，20α-P（由20α-羟基类固醇脱氢酶20α-HSD从17-OHP转化而来）的产量在GVBD时显著增加，其峰值高于17α，20β-DHP，但低于20β-S（Canário and Scott, 1990; Scott and Canário, 1987, 1990）。在鲤科鱼类（Kime, 1992）和鲇（Zairin et al., 1992）的血液和卵巢中发现了大量的17α，20α-DHP，这种类固醇的作用尚不清楚。DHP或许不是有效的卵母细胞成熟诱导剂，但可能是一类行为类固醇或信息素（Scott and Canário, 1987）。
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图5-5 6种硬骨鱼类卵巢成熟卵泡中的主要类固醇生成途径
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四、西氏拟隆头鱼
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在［3H］P5中孵育的成熟卵泡类固醇代谢产物放射自显影照片见图5-2。在隆头鱼成熟卵泡中，E2、E1、AD和DHEA的产量下降或消失。相比之下，17α，20β-DHP5、17α，20β-DHP和20β-S产量增加。当卵泡与［3H］17-OHP一起孵育时，出现三种其他代谢产物，分别是17α-OHP-5β、17α，21-DHP-5β和17α，20β-DHP-5β。尽管［3H］17α，21-DHP和［3H］17α，20β-DHP都被转化为20β-S，但17α，21-DHP和20β-S的产量比17α，20β-DHP的产量高28倍。此外，［3H］17α，20β-DHP5未转化为17α，20β-DHP。这些结果表明，20β-S主要由17-OHP经17α，21-DHP合成，17α，20β-DHP直接从17-OHP转化而不是通过17α，20β-DHP5转化。西氏拟隆头鱼成熟卵泡中的类固醇生成途径如图5-5所示（Ohta and Matsuyama, 2002）。在西氏拟隆头鱼成熟卵泡产生的类固醇中，17α，20β-DHP和20β-S在体外对GVBD同样具有最佳的诱导效果。由于20β-S不是从17α，20β-DHP合成的，所以17α，20β-DHP在体外能够高效诱导GVBD是由于其自身的效力。因此，在西氏拟隆头鱼中，两个20β-羟化孕激素——17α，20β-DHP和20β-S可能作为MIH发挥作用。从有卵黄沉积阶段开始，观察到21-羟化酶在整个卵细胞成熟期间持续保持高的活性，并且极有可能是这种21-羟化酶活性使得卵泡能够合成足够的17α，21α-DHP。因此，活化的20β-HSD在卵细胞成熟期间分别将17-OHP和17α，21-DHP转化为17α，20β-DHP和20β-S。
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五、真鲷
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真鲷成熟卵泡中，不同放射性前体代谢物和主要类固醇生成途径几乎与西氏拟隆头鱼相同（Ohta et al., 2002b）（图5-5）。体外GVBD测定显示17α，20β-DHP和20β-S对诱导GVBD具有重大影响，这表明17α，20β-DHP和20β-S在此类物种中作为MIH，与在西氏拟隆头鱼中的研究结果一致。在青鳉成熟卵母细胞中，类固醇生成模式（Kobayashi et al., 1996）与五条类似（图5-5）。由17-OHP合成的13种代谢物中，17α，20β-DHP是体外诱导卵细胞成熟最有效的诱导剂，表明17α，20β-DHP是青鳉的MIH（Fukada et al., 1994）。通过17-OHP5和17-OHP从P5形成17α，20β-DHP后，17α，20β-DHP-5β出现在滤泡中（Fukada et al., 1994）。在青鳉、日本鲭、五条、西氏拟隆头鱼以及真鲷成熟卵泡中的17α，20β-P-5β（17α，20β-DHP的5β还原型）产量随着17α，20β-DHP的产生而增加。在这些物种中，17α，20β-DHP-5β诱导GVBD的效力远低于17α，20β-DHP，而17α，20β-DHP的快速转化可能代表MIH的失活过程。类似地，有研究发现两栖动物卵泡中孕酮（P）的所有代谢物在诱导卵母细胞成熟方面，都不如孕酮有效（Schuetz and Glad, 1985），特别是5α-和5β-还原衍生物几乎对诱导无明显作用（Ozon et al., 1975; Schatz and Morrill, 1975; Thibier-Fouchet et al., 1976）。
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对于西氏拟隆头鱼和真鲷，17α，20β-DHP并不是唯一可诱导卵母细胞成熟的活性类固醇，20β-S与17α，20β-DHP具有同等效力。然而，20β-S的5β-还原型无法检测到，这表明这些鱼的5β-还原酶选择性地催化17α，20β-DHP，使其活化而并不催化20β-S。实际上，各种21碳类固醇及其葡糖苷酸和硫酸盐缀合物在信息素中具有重要作用（Scott and Vermeirssen, 1994）。性腺是类固醇葡萄糖醛酸化和硫酸化的主要部位，在金鱼排卵前期雌性释放17α，20β-DHP，这种潜在的MIH便会进入水中，刺激GtH释放、精液产生及雄性排精行为（Stacey et al., 1994）。硫酸化的17α，20β-DHP（17α, 20β-DHP-S）也被释放并具有相似的效果（Sorensen et al., 1995）。此外，与17α，20β-DHP相比，有更多的20β-S及其硫酸化形式产生并释放到水中（Scott and Sorensen, 1994）。通过嗅电图记录确定这两种形式的20β-S相对于17α，20β-DHP和17α，20β-DHP-S的有效性较低，表明这种作用可能是去除游离和硫酸化的17α，20β-DHP。这些研究表明，17α，20β-DHP和20β-S的代谢物在鱼类繁殖中可能有一定作用，未来对于17α，20β-DHP和20β-S的分解及其代谢物在每种鱼类中的生理作用的研究仍是十分必要的。
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有研究表明，20β-羟化孕酮不仅能诱导FOM，而且还能促进排卵。排卵的诱导受基因调控，可能是通过孕激素核受体（Pinter and Thomas, 1995, 1999），而成熟的诱导不受基因调控，而是通过卵母细胞膜受体。斑点海鳟卵巢中的膜受体和孕激素核受体对某些类固醇具有结合亲和力，与它们分别诱导成熟和排卵的能力一致（Pinter and Thomas, 1999）。在所测试的不同类固醇中，17α，20β-DHP具有较高的核受体亲和力和诱导排卵的能力，而20β-S则具有更高的膜受体亲和力和诱导成熟的能力。然而，17α，20β-DHP不是由斑点海鳟卵泡产生的，并且在卵母细胞成熟过程中，血清中免疫反应的17α，20β-DHP的浓度保持在较低水平（Thomas et al., 1987; Thomas and Trant, 1989）。因此，有人提出，斑点海鳟的卵母细胞成熟和排卵受20β-S调控（Pinter and Thomas, 1999）。在西氏拟隆头鱼和真鲷的成熟卵泡中，同时合成了17α，20β-DHP和20β-S。因此，在这些鱼类中，尽管17α，20β-DHP和20β-S诱导排卵的能力尚不清楚，但17α，20β-DHP和20β-S不仅能够促进排卵，而且在促进成熟中也具有一定作用。此外，在日本鲭和红鳍东方鲀的成熟卵泡中也产生17α，20β-DHP和20β-S。日本鲭中的17α，20β-DHP和红鳍东方鲀中的20β-S，可能在各自物种中充当MIH的作用，但这两种黄体酮的其他功能尚不清楚，需要进一步研究20β-羟孕激素诱导排卵的能力以及膜和核孕激素受体的表征，以了解17α，20β-DHP和20β-S在硬骨鱼类中功能的区别。
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第四节 成熟诱导类固醇受体
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第六章 鱼体内源激素衍生的性外激素
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第一节 导言
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第七章 卵胎生硬骨鱼类的繁殖生理学
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第一节 导言
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目前，通过对模式物种的研究，养殖鱼类生理学有了快速进展，这些研究阐述了雌性卵生鱼类（oviparous fishes）在性别分化、发育、卵细胞发生、卵母细胞成熟过程中的激素调控机制。20世纪80年代，科学家进行了大量关于卵胎生硬骨鱼类（viviparous teleosts）母体和胚胎营养关系的形态学研究，发表了一些非常好的综述（Wourms, 1981; Wourms et al., 1988; Schindler and Hamlett, 1993）。但是，正如Wourms等人指出的，由于对卵胎生硬骨鱼类繁殖内分泌的研究较少，没有此类综述发表（Wourms et al., 1988）。近年来，一些易于繁殖的花鳉科鱼类，如孔雀鱼、食蚊鱼（Gambusia affinis），被用作实验鱼类进行了内分泌学的研究，有很多与垂体激素相关的文章发表。基于对过去30年关于卵生鱼类繁殖内分泌学的研究和近年对花鳉科（Poeciliidae）、绵鳚科（Zoarcidae）激素干扰方面的研究，目前我们对卵胎生硬骨鱼类的繁殖内分泌学有了足够的了解。此外，自从20世纪80年代起，对平鲉属（Sebastes）（水产养殖的重要种类）的繁殖生理学的研究进展很快并仍在继续。
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针对目前的研究背景，本章主要介绍关于雌性卵胎生的花鳉科、绵鳚、平鲉科的繁殖内分泌学，并尽可能广泛而有比较性地叙述相关的研究进展。很多数据概括了几个科鱼类的繁殖周期、卵胎生特点、分泌周期，以及促性腺激素、卵巢的性类固醇激素、前列腺素这些与调节繁殖相关的激素的功能特点（特别是对花鳉科鱼类，有大量的参考文献）。本章对目前卵胎生硬骨鱼类繁殖内分泌学的研究进展进行分类，阐述这些缺乏关注度的学科领域未来的研究方向。
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第二节 花鳉科
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一、性腺生理学与繁殖周期
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约有300种花鳉科的卵胎生鱼类分布在温带地区，雌性在约1个月的时间内完成卵黄生成、卵母细胞成熟、受精、分娩过程。在这个类群中，有些物种的胚胎发育具有多个阶段，如异小鳉属（Heterandria）中存在异期复孕现象（Turner, 1937），在短时间内可以重复分娩。对食蚊鱼的研究发现，其分娩的间隔受温度和光周期的共同影响（Koya et al., 2004a），其中温度主要影响胚胎发育速率，光周期主要影响卵黄生成速率。食蚊鱼出生时发生性别分化，出生几天后，成对的卵巢融合成单个卵巢（Koya et al., 2003a）。雄性大约在出生90d后性腺成熟，雌性在出生110d后性腺成熟。在雌性生殖过程中，卵黄生成期卵母细胞首次出现在出生后90d时，并在出生110d后达到成熟前期（Koya et al., 2003a）。
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雄性成熟的花鳉科鱼类在交配过程中将精液以精囊（或者精子束）的形式传递给雌鱼。一般认为精囊在进入雌性生殖道时就被分解了，精子通过输卵管进入卵巢。精囊的溶解需要钠离子、钾离子等渗的离子环境（Morisawa and Suzuki, 1981）。精子主要贮存在卵巢内两个地方，一个是通过对精子的电镜观察，发现精子的头部深深地嵌入到输卵管上皮细胞中，因此认为输卵管的上皮细胞具有贮存精子的能力（Potter and Kramer, 2000），其被叫作“纳精囊”（Jalabert and Billard, 1963）；另一个是在电镜下观察到精子贮存在卵泡表面一个突触小体状的结构内，其是由输卵管分支扩展形成的盲道，称作“delle”（Purser, 1938）或者“精子袋”（Kobayashi and Iwamatsu, 2002）。进一步的研究认为，直接参与受精的精子是贮存在精子袋中的（Kobayashi and Iwamatsu, 2002）。但是，现在关于精子是如何通过周围滤泡细胞进入卵细胞中的还不清楚。Fraser和Renton（1940）抓拍到了受精过程的组织学图片，发现滤泡膜被超微结构分成两层，由基底膜隔开（Jollie and Jollie, 1964），第一层膜由非常薄的膜细胞层组成，第二层由粒细胞层组成。在卵泡下面有一层非常薄的绒毛膜（大约0.2μm），其中不存在卵孔（Kobayashi and Iwamatsu, 2002）。
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在花鳉科鱼类中，卵母细胞成熟后不排出体外，而是在卵泡内受精，形成的受精卵在卵泡内发育，分娩时排出。胚胎发育对母体的依赖有很多种类型，包括卵黄营养依赖类型、母体营养供给依赖类型。但是，对于花鳉科鱼类来说，所有种类的卵都从母体中获取一定的能量。花鳉属（Poecilia）和食蚊鱼属（Gambusia）的卵黄在妊娠晚期就聚集在卵母细胞中，以备下一次妊娠的开始（Stolk, 1951a; Sokol, 1955; Ishii, 1961; Young and Ball, 1983a; Koya et al., 2000）。卵黄蛋白原是卵黄蛋白的前体物质，在食蚊鱼中通过分离纯化得到（Tolar et al., 2001; Sawaguchi et al., 2003, 2005）。Sawaguchi等（2005）在食蚊鱼的血浆中鉴定出三种不同形式的Vtg，其中两种Vtg（600ku）被加工成卵黄磷脂蛋白和卵黄高磷蛋白，另一种缺乏卵黄高磷蛋白域的Vtg（400ku）完整地嵌入卵母细胞中。在恒定的饲养条件下（25℃, 16h光照、8h黑暗），食蚊鱼大约可以间隔22d进行重复的繁殖（卵黄生成、妊娠、分娩）（Koya et al., 2000）。为保证下一次的妊娠，卵母细胞受精后一周开始生成卵黄（在上一次分娩10d后），卵黄在分娩后（在上一次分娩20d后）迅速积累，卵母细胞在分娩后3d达到成熟并受精（Koya et al., 2000）。因此，重复的妊娠和卵黄生成对讨论妊娠期间激素变化具有重要意义。适应温带气候的食蚊鱼有一年的生殖周期（Koya et al., 1998），第一次卵黄生成始于春季温度升高时，然后春季、夏季重复上述的卵巢发育周期。最后一次卵母细胞的生成在夏末可以缩短至一天，以确保最后一次繁殖可以在本季节结束（Koya and Kamiya, 2000）。因此可以尝试通过提高早春的温度进行人工诱导卵黄生成来分析卵黄生成过程，而不会造成妊娠的重复（Koya et al., 2003b）。
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二、促性腺激素
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20世纪60年代到70年代中期，科学家同时进行了对垂体激素在繁殖中作用的探究以及在光学显微镜水平下垂体的形态学研究，例如垂体切除术与垂体提取物的注射补偿。从20世纪70年代后期开始，观察到了垂体激素生成细胞的超微结构；20世纪80年代末，对激素完成了抗体的免疫组织化学研究。其中，促性腺激素GtH和繁殖的关系被最先发现，Stolk（1951b）报道了在孔雀鱼中，妊娠期间垂体前叶大小的改变反映了促性腺激素分泌细胞的活动。在进一步的研究中，Sokol证明了在孔雀鱼垂体中有6种不同功能的细胞类型，其中GtH细胞占据了中腺垂体的腹半侧（近端部，PPD）（Sokol, 1961）。在花斑剑尾鱼（Xiphophorus maclatus）（Schreibman, 1964）、茉莉花鳉（Poecilia latipinna）（Batten et al., 1975; Peute et al., 1976）和孔雀鱼（Chambolle, 1977）的研究中，发现腺垂体内的GtH细胞的分布与Sokol（1961）的结果相同。利用绵羊促黄体激素（LH）的抗血清进行免疫标记，发现放射性标记物聚集在PPD部位，可知GtH细胞分布在该区域（Kim et al., 1979）。Schreibman和Margolis-Kazan（1979）使用抗鲤GtHβ的抗血清，观察到了花斑剑尾鱼的腺垂体，并且发现细胞不仅存在于腺垂体的中外侧部，在中部（pars intermedia, PI）也出现了免疫阳性反应。为了鉴定在腺垂体中部出现的免疫阳性细胞是否为GtH细胞，结合中腺垂体细胞在电子显微镜下显示出的免疫阳性反应（Margolis-Kazan et al., 1981）并通过免疫组织化学方法，用抗鲤GtHβ和兔促黄体激素释放激素（LHRH）测定了花斑剑尾鱼的幼鱼（Schreibman et al., 1982a），发现GtH细胞具有存在腺垂体中外侧部和中部的可能性。Schreibman考虑可能在这两个具有免疫阳性反应的地方存在两种不同的GtH细胞，促卵泡激素（FSH）生成细胞和促黄体激素（LH）生成细胞（Schreibman et al., 1982a）。通过抗哺乳动物黄体生成激素的抗血清反应，确认发生免疫阳性的细胞分布在孔雀鱼脑垂体的中外侧部和中部，并且这些黄体生成激素细胞在幼鱼和成鱼中均存在（Zentel et al., 1987）。
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关于PPD的GtH细胞的活性与花鳉科鱼类卵巢周期的关系的研究表明，GtH细胞在分娩后卵黄形成活跃时被激活，妊娠早期活动减弱，妊娠中期到分娩前细胞再一次活跃，卵黄形成重新开始（Sokol, 1961; Ball and Baker, 1969; Sage and Bromage 1970a; Young and Ball, 1983a）。似乎GtH既不参与妊娠也不参与分娩，但它在卵黄发生作用中具有重要的作用。垂体切除实验证明，切除垂体会阻止卵母细胞的发育，但妊娠和分娩会正常进行（Ball, 1962）。此外，在第二周（妊娠中期）使用美他硫脲（methallibure）（GtH阻断剂）处理可以抑制卵黄发生但不影响妊娠过程。然而，在孔雀鱼中，妊娠在分娩后（卵黄发生期）被阻止（Lam et al., 1985）。在食蚊鱼中，注射青蛙垂体前叶匀浆可以缓解雌激素对卵母细胞发育的抑制作用（Ishii, 1961）。
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自20世纪80年代对卵生硬骨鱼类研究以来，对两种GtH的认知逐渐清晰，即FSH和LH同样存在于硬骨鱼类中（Suzuki et al., 1988）。Magliulo-Cepriano等（1994）利用银大麻哈鱼FSH和LH的抗血清对花斑剑尾鱼垂体染色，第一次证实了两种GtH分布在花鳉中垂体的不同位置并出现在不同发育时期。FSH免疫反应阳性细胞分布于PPD腹侧，到中部为止，并在鱼体发育的各个阶段都可以观察到；而LH免疫应答细胞分布在PPD腹侧并且分散于PI中，从发育期到成熟的过程中都可以观察到（Magliulo-Cepriano et al., 1994）。利用先前报道的与花鳉科鱼类分类地位较为接近的底鳉的FSHβ和LHβ的抗体对食蚊鱼垂体中FSH和LH细胞分布进行了研究（Shimizu and Yamashita, 2002），结果表明FSH免疫反应阳性细胞分布于PPD背侧，LH免疫反应阳性细胞分布于PPD腹侧和PI中（图7-1）。此外，在食蚊鱼卵巢发育周期中，FSH和LH抗体的免疫组织化学染色显示两种细胞活动分别呈不同的变化规律（表7-1）。FSH细胞活性在分娩后到达最高，5～10d逐渐下降（受精和妊娠早期），15～20d升高（妊娠中期和晚期）。这些变化与之前研究中在PPD腹侧的GtH细胞的活动变化趋势一致。此外，LH细胞的活动在分娩后达到峰值，在第5天时最低，之后10～20d逐渐恢复。因此，FSH细胞在分娩前后的卵黄生成期内保持高活性，然而LH细胞在受精前后有明显的变化（卵巢成熟）。此外，FSH和LH的免疫应答细胞在早春的繁殖季节前均未检测到，FSH免疫阳性细胞在水温升高时伴随着卵黄生成，LH免疫阳性细胞则与之不同（Koya et al., 2003b）。
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图7-1 成年雌性食蚊鱼垂体的侧向矢状切片
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表7-1 在食蚊鱼卵巢周期中底鳉抗FSH和抗LH抗体免疫组织化学染色的显色强度
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总的来说，卵胎生花鳉科鱼类和先前报道的一些卵生硬骨鱼类以及鲑鳟鱼类（Swanson, 1991）相似，即FSH参与卵黄生成过程，而LH参与最终卵母细胞成熟过程，此外，GtH可能对妊娠并没有重要的作用。
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三、促甲状腺激素、甲状腺激素以及它们在垂体－性腺轴中的关系
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在对卵胎生花鳉科鱼类促甲状腺激素（TSH）和受其调节的甲状腺素与繁殖之间关系的研究中，Stolk（1951c）首次报道了孔雀鱼甲状腺在卵巢发育过程中呈现周期性变化，Grosso（1961）证明，被硫脲处理的成年雌性孔雀鱼的卵黄生成停止，发生流产、分娩数量下降、分娩间隔延长，因此认为甲状腺素通过其直接作用和TSH与GtH之间的相互作用对配子形成和妊娠具有一定的影响。通过胶体干涉法和组织学方法对孔雀鱼的甲状腺活动进行研究，结果显示，甲状腺的活动状态与卵巢发育周期相关（Bromage and Sage, 1968）。因此，甲状腺活动与卵母细胞的外源性卵黄积累相关，并在分娩后立即出现活动高峰（Bromage and Sage, 1968）。通过光学显微镜（Schreibman, 1964）、电子显微镜（Batten et al., 1975）和抗人TSH-P抗体的免疫组织化学方法（Margolis-Kazan and Schreibman, 1981）发现，TSH生成细胞分布于PPD背侧。通过光学显微镜（Sage and Bromage, 1970a）和电子显微镜（Young and Ball, 1983b）的详细观察，发现TSH细胞状态与甲状腺周期性变化一致。由于TSH细胞与甲状腺活动和GtH细胞均表现出了类似的变化，Young和Ball（1983b）认为促甲状腺素对卵黄生成过程的调控有一定的影响。
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下丘脑分泌的神经内分泌调节因子和类固醇激素的反馈作用共同调节包括GtH在内的多种垂体激素的分泌活动。据报道，哺乳动物促黄体激素释放激素（LHRH）可调节GtH的合成和分泌；离体培养的茉莉花鳉脑中的多巴胺（DA）也可抑制GtH的合成和分泌（Groves and Batten, 1986a）。此外，研究显示雌二醇（E2）和睾酮促进GtH活性细胞分泌GtH，并且在相同培养实验中可抑制未活化GtH细胞活性（Groves and Batten, 1986b）。此外，孕酮通常会抑制GtH分泌，而且双羟孕酮（DHP）不具有反馈作用（Groves and Batten, 1986b）。一些离体培养的垂体细胞或在体注射类固醇和甲状腺素的实验证实了GtH和TSH的相互作用。研究显示，甲状腺素抑制体内或体外GtH细胞，而雌激素活化TSH细胞，同时雄激素直接激活甲状腺，抑制活体TSH细胞活性，不同的是，两种类固醇均抑制体外TSH细胞（Sage and Bromage, 1970b）。根据这些结果，Sage和Bromage（1970b）建立了下丘脑－脑垂体－性腺轴和下丘脑－脑垂体－甲状腺轴的交互作用模式（图7-2）。将雌性孔雀鱼在分娩后立即浸入甲状腺素中，其分娩周期会缩短（Lam and Loy, 1985），说明甲状腺素可能直接刺激性腺，并且加快卵黄积累过程及早期胚胎发育。这种方法证明，甲状腺激素可能不仅影响卵黄生成作用，还影响胚胎发育过程。对卵生硬骨鱼类的研究发现，甲状腺素被卵黄吸收（Monteverdi and Di Giulio, 2000），而且在胚胎早期发育中起重要作用（Tagawa et al., 1990）。上述这一现象同样可能出现在卵胎生硬骨鱼类中。
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四、促肾上腺皮质激素
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繁殖和腺垂体分泌的促肾上腺皮质激素（ACTH）之间的关系在最后加以说明。Sage和Bromage（1970a）通过光镜在孔雀鱼垂体中观察到，ACTH分泌细胞（ACTH细胞）在妊娠期间保持失活状态。然而，通过电镜观察茉莉花鳉垂体，发现妊娠期间ACTH具有活性（Young and Ball, 1983c）。
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图7-2 花鳉科鱼类内分泌系统的相互关系+：促进；-：抑制
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也就是说，ACTH分泌细胞在卵黄发生过程中保持相对失活，而在妊娠后期表现出中等活性，与卵母细胞卵黄发育是否开始无关。鉴于这些结果，ACTH对整个分娩过程中糖皮质激素分泌是否起重要作用仍需讨论（Young and Ball, 1983c）。孔雀鱼卵巢发育周期中血清皮质醇水平测定结果显示（Venkatesh et al., 1992a），妊娠期保持的高血清皮质醇激素浓度在分娩前迅速降低，因此血清皮质醇水平在妊娠期末的下降可能是触发分娩的原因之一。垂体切除并不能阻止分娩（Ball, 1962），因此卵巢发育周期中，ACTH周期性变化对分娩并非必不可少。
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五、类固醇激素
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Lambert（1970a）研究了花鳉科鱼类与孔雀鱼卵巢中类固醇生物合成相关酶分布的关系。结果表明，一些酶对于类固醇合成不可或缺，例如3β-HSD、3α-HSD和17β-HSD，它们位于合成类固醇的颗粒细胞中。此外，在孔雀鱼卵巢中的封闭滤泡中没有检测到类固醇合成所需的酶，因此其不具有类固醇合成活性（Lambert, 1970b）。Schreibman等（1982b）证实了花斑剑尾鱼3β-HSD和葡萄糖-6-磷酸脱氢酶定位于卵巢间质细胞而不是颗粒细胞。因此在花鳉科中，是否与卵生硬骨鱼类一样存在这两种类固醇合成细胞的类型还有待证明（Nagahama, 1987）。
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Lambert和Pot（1975）提出Δ-5通路，例如从孕烯醇酮（P5）经由17-OHP、DHEA、AD到T，为孔雀鱼卵巢中的主要类固醇合成通路，根据3H/14C代谢比率，确定来源于孵育卵巢匀浆中两种放射性同位素标记的类固醇前体为孕烯醇酮-7α-3H和孕酮-4-14C。然而，完整滤泡的类固醇代谢的研究结果证实孔雀鱼通过Δ-5通路合成卵巢类固醇（Venkatesh et al., 1992b）。一般认为这两种结果的区别主要由孵化方法不同所致，如使用完整卵巢的匀浆还是分离卵泡细胞。Venkatesh等（1992b）发现孔雀鱼卵巢滤泡和滤泡外组织（EF组织，是将滤泡从卵巢中分离出来后剩余的组织）具有合成类固醇的作用。可能滤泡外组织和滤泡中的类固醇合成通路不同。
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茉莉花鳉的卵巢可将放射性同位素标记的T转变成至5β－还原的雄激素和葡糖苷酸，由于代谢物的产量在卵黄期滤泡中最高，因此认为这些共轭物如性外激素在这一时相具有一定的生理活性（Kime and Groves, 1986）。相似地，孔雀鱼的滤泡中除了5β－还原代谢物和葡糖苷酸之外，还合成了一些极性的7－羟基类固醇（Venkatesh et al., 1992b）。然而，孔雀鱼中也具有经典类固醇合成通路并且卵黄期滤泡中有大量的E2存在（Venkatesh et al., 1992c）。与上述结果一致，在分娩结束到受精前卵黄发生期间，血浆中E2保持高浓度（Venkatesh et al., 1990）。此外，在茉莉花鳉中也得到了相同的结果（Kime and Groves, 1986），这进一步说明卵胎生花鳉科鱼类的卵黄生成作用受E2调控。茉莉花鳉中，卵巢切除术或垂体切除术使卵黄生成过程中的血清E2浓度迅速下降（Kime and Groves, 1986），实验结果显示，垂体GtH细胞分泌的GtH在卵黄发生期间具有高活性，进而刺激卵巢中E2的合成。在食蚊鱼中，通过升高温度诱导卵母细胞的卵黄积累，FSH细胞在水温升高后的第二天变得活跃，同时卵泡的E2产生量增加，Vtg的血浆浓度也迅速增加，到第三天即可以在卵母细胞中看到卵黄的生成（Koya et al., 2003b）。
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在孔雀鱼中，卵黄生成后E2的合成迅速下降，而DHP开始生成（Venkatesh et al., 1992c）。尽管其血清浓度在卵巢发育或妊娠期间没有变化，但在受精期比妊娠期的浓度相对要高（Venkatesh et al., 1990）。该结果证明同很多卵生硬骨鱼类一样，卵胎生花鳉科的DHP是成熟诱导激素。然而，卵黄生成作用后的卵泡可以合成5β－二氢孕酮和5β－二氢雄激素及DHP，而且含量比之前高（Venkatesh et al., 1992b）。说明在该时期，5β－二氢雄激素具有抑制芳香化酶的作用。不过，高浓度的5β－二氢孕酮的功能尚不明确。很难确认这些激素在其他卵胎生鱼中是否具有功能，因为一些报道指出这些激素也出现在卵生硬骨鱼类中（Venkatesh et al., 1992b）。进入妊娠期后，类固醇代谢发生剧烈变化，前体细胞代谢合成具有高极性和水溶性的化合物（Venkatesh et al., 1992b），DHP、17α－羟孕酮和孕酮（P）分泌量开始下降。并且，孕激素的血浆浓度在整个分娩期没有显著性变化（Venkatesh et al., 1990）。正如后面所提到的，卵胎生花鳉科同平鲉科一样，DHP在维持妊娠期方面不发挥作用。上述结果还说明高极性化合物很可能是雌性受孕的化学信号（Venkatesh et al., 1992b）。
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六、分娩的激素调控
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关于分娩的内分泌调控实验从20世纪60年代开始，通过激素注射法，Venkatesh和其团队在20世纪80年代后期到90年代前期解决了大多数关于花鳉科鱼的研究问题。Ishii（1961, 1963）对食蚊鱼进行了一些激素处理和温度处理实验。他的研究包括在妊娠期间雌激素处理（Ishii, 1961）、水温急性降低和注射神经垂体匀浆或催产素（Ishii, 1963），而这些因素均会引发早产。Kujala（1978）报道了在孔雀鱼中注射脱氧皮质醇、催产素、加压素和鲤神经垂体同样可以诱导早产，注射脱氧皮质醇会引发体外滤泡破裂。尽管各种环境因素和内分泌因素与花鳉科分娩相关，但是神经垂体激素很可能直接影响分娩。随后，Venkatesh等（1991）的研究显示，孔雀鱼中E2和抗孕激素（RU 486）会引起早产，然而P、DHP、皮质醇和芳香化酶抑制剂（4-羟基雄甾-4-烯-3, 17-二酮）则会引起推迟产卵。
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花鳉科鱼类的成熟胚胎从滤泡中提前排出（相当于卵生硬骨鱼类的排卵），所以为了明确分娩的机制而阐述排卵的机制就显得十分必要。研究显示，前列腺素（PG）在一些卵生硬骨鱼类的排卵中起重要作用，包括大口黑鲈（Goetz and Theofan, 1979）和美洲红点鲑（Goetz et al., 1982）。Tan等（1987）研究了孔雀鱼产后滤泡（PPF）中PG的合成，发现PPF利用花生四烯酸（PG的前体）合成前列腺素E（PGE）和前列腺素F（PGF）。研究者同样发现PG可能参与卵生硬骨鱼类的排卵。妊娠期间通过注射前列腺素E2（PGE2）或PGF2α可以确认PG不仅诱导排卵和连续分娩，还能诱导早产（Venkatesh et al., 1992d），上述两种PG可以诱导体内和体外培养的胚胎发生滤泡分离（Venkatesh et al., 1992e）。Venkatesh等（1992a）进一步研究了孔雀鱼卵巢发育周期中滤泡PG的合成能力，结果显示，合成PG的能力在卵黄生成作用、卵母细胞成熟期和妊娠早期较弱，在妊娠中后期上升，直至分娩。此外在孔雀鱼中，研究者发现EF组织可以大量合成PG，并且指出可能控制产卵和分娩的PG主要在该组织中合成和分泌。cAMP和腺苷酸环化酶激动剂能以剂量依存模式抑制PPF中PG的合成（Tan et al., 1987），并且cAMP和皮质醇可以抑制滤泡和滤泡外组织合成PG（Venkatesh et al., 1992a）。这些结果显示cAMP和皮质醇参与抑制卵母细胞成熟及排卵。此外，血液皮质醇浓度在妊娠期间保持高水平，在分娩前迅速下降（Venkatesh et al., 1992a），研究显示皮质醇恢复并增加PG合成。这一结论和Venkatesh等（1991）证明的皮质醇会推迟分娩的结果一致。花鳉科鱼在分娩时，卵巢组织分泌的PG可能首先激活胚胎从滤泡中分离，然后通过神经垂体激素分泌诱导平滑肌收缩，从而促进胚胎从卵巢中分离。
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在这种情况下，E2引起早产的机制是什么？一般认为滤泡分泌的E2在上次妊娠后期开始为下次妊娠的卵黄生成作用做准备。事实上，血清E2浓度在妊娠后期开始上升（Venkatesh et al., 1990），在该时期生成的E2开始增加（Venkatesh et al., 1992c）。由于E2和其他性类固醇不能影响PG的分泌（Venkatesh et al., 1992a），可以认为E2导致的分娩诱导作用与皮质醇相颉颃，或介导PG的其他合成途径。这一内容有待进一步研究。
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第三节 绵鳚科
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一、繁殖周期
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现存的65个种类（2019年已发现61个属共计300个种）中，绵鳚科有2种卵胎生鱼类（Wourms, 1981），都属于绵鳚属（Zoarces），即北大西洋种（绵鳚Z. viviparus）和北太平洋种（长绵鳚Z. elongatus）。这2个物种均为底栖鱼类，生活在温带北回归线区域微咸水水域。绵鳚是较早确定的卵胎生物种，因为该鱼生活在内分泌干扰物污染的环境中，近年来常被作为指示内分泌干扰物质影响的生物（Rasmussen et al., 2002）。以长绵鳚为例概括绵鳚科详细的卵巢组织学周年变化（Koya et al., 1993a）。在长绵鳚中，内源性卵黄（卵黄囊泡或皮质小泡）的积累发生在12月到翌年4月的妊娠期；之后，5月到8月外源性卵黄形成，9月卵巢腔中卵母细胞成熟、排卵并受精，10月卵巢内的受精卵孵化，孵化后的胚胎在卵巢内继续生长，在3月到4月分娩。推测雌雄的交尾发生在8月前后，因为精巢的发育刚好在排卵之前（Koya et al., 1993b），但卵巢内没有发现特化的贮存精子的结构（Koya et al., 1993a）。绵鳚和长绵鳚的生殖周期几乎相同，通常在5月或6月开始，8月成熟卵母细胞排出并受精，受精卵在卵巢腔内发育到12月，翌年1月到2月仔鱼出生（Schmidt, 1920; Korsgaard, 1983; Kosior and Kuczyrfski, 1997; Larsson et al., 2002）。据报道，荷兰北部的北海种群每年有两个妊娠期，从9月到翌年1月和从4月到7月（Bretschneider and DeWit 1947）。
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绵鳚的卵母细胞在卵黄生长期内显著增长（直径大约为4.4mm），卵相对较大（Koya et al., 1993a）。在长绵鳚中鉴定出Vtg为540ku蛋白质（凝胶过滤，Koya et al., 1997），在绵鳚中分别鉴定出500ku蛋白质（Native-PAGE, Korsgaard and Pedersen, 1998）和170ku蛋白质（SDS-PAGE, Larsson et al., 2002）。长绵鳚血清Vtg水平在5月开始增加，此时卵黄发生开始，在9月达到最高点，在10月迅速降低，并且之后维持在较低的浓度（Koya et al., 1997）。此外，北大西洋种群中，Vtg在6月和9月表现出较高的浓度（Larsson et al., 2002）。
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卵巢内的胚胎在妊娠早期生长显著，而在妊娠中期到后期主要靠吸收自身的卵黄提供能量（Koya et al., 1994）。在绵鳚中，胚胎的湿重增加了12倍，从20mg增加到240mg（Bretschneider and DeWit, 1947），在长绵鳚中，胚胎湿重从45mg增加到540mg（12倍），干重从7mg增加到65mg（9.3倍）（Koya et al., 1994）。干重增加提供的证据表明，胚胎依赖于母体的营养供应。胚胎的后肠发育良好（Kristoffersson et al., 1973），实验已证明胚胎有从外部液体中吸收蛋白质的能力（Koya et al., 1994）。使用示踪剂研究证明，胚胎能够从卵巢液中吸收氨基酸并代谢利用（Korsgaard, 1992）。
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二、垂体激素
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