Ultrastructure des spermatozoides des males haploides et diploides de Diadromus pulchellus wesmeal (Hymenoptera : Ichneumonidae)

Int. J. InsectMorphol. & Embryol., Vol.17,No.4/5, pp. 359-366,1988

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U L T R A S T R U C T U R E DES S P E R M A T O Z O I D E S DES M A L E S H A P L O I D E S ET D I P L O I D E S D E D I A D R O M U S PULCHELLUS WESMEAL (HYMENOPTERA : ICHNEUMONIDAE)

G. CHAUVIN*, M. EL AGOZEt, C. HAMON:~, et J. HUIGNARD§ *Laboratoire d'Entomologie Fondamentale et Appliqu6e, Campus de Beaulieu, Avenue du G6n6ral Leclerc, 35042 Rennes Cedex, France; tFacult6 des Sciences, D6partment d'Entomologie, Ain Shams Universit6, Abassia, Le Caire, Egypte; ~:Groupde Recherche de Biologie Cellulaire, Laboratoire Associ6 au Centre National de la Recherche Scientifique No 256, Campus de Beaulieu, Avenue du G6n6ral Leclerc, 35042 Rennes Cedex, France; §Institut de Bioc6notique Exp6rimentale des Agrosyst~mes, Universit6 Francois Rabelais, Avenue Monge, 37200Tours, France

(Accepted 26 May 1988)

Abstract--The mature spermatozoa were described in the haploid and diploid males of Diadromus pulchellus Wesmeal (Hymenoptera : Ichneumonidae). Diploid males produce spermatozoa, which do not seem to be different from those produced by haploid males. The spermatozoon is about 100 ~m long, and consists of a head, 0.8 ixm in diameter, and a tail 0.3 I.Lmin diameter. Its anterior part shows an acrosomal complex, including a perforatorium and a compact and electron-dense fusiform nucleus. The postnuclear region includes a longitudinal axoneme with 2 mitochondrial derivatives. The axoneme shows 2 typical central units, 9 peripheral doublet microtubules, 9 accessory internal tubules, and 9 external microtubules with dense contents. In the testes of diploid males, a great number of abnormal spermatozoa were observed. These spermatozoa with degenerative structures are probably not implicated in egg fertilization. Index descriptors (in addition to those in title): Entomophagus Hymenoptera, arrhenotokous hymenopteran, scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, parthenogenesis. INTRODUCTION LES SPERMATOZOI'DES des insectes pt6rygotes p r 6 s e n t e n t de n o m b r e u s e s analogies s t r u c t u r a l e s qui c n t 6t6 r6sum6es dans des sch6mas propos6s par Baccetti (1972, 1979). T o u t e f o i s , c h a q u e esp~ce poss~de des caract6res qui lui sont p r o p r e s ainsi que F o n t m o n t r 6 diff6rents, t r a v a u x d o n t ceux de Baccetti e t al. (1973a, 1973b, 1974), Baccetti et Dallai (1973a, 1976), Dallai e t al. (1984) et l ' u l t r a s t r u c t u r e du s p e r m a t o z o i d e , ainsi que l ' i n d i q u e J a m i e s o n (1987) est u n crit6re f o n d a m e n t a l e n t a x o n o m i e . P o u r pr6ciser cette m o r p h o l o g i e sp6cifique il est i n d i s p e n s a b l e d ' 6 t u d i e r plusieurs individus, car ainsi q u e le s o u l i g n e T u z e t (1977), les insectes p r o d u i s e n t r 6 g u l i 6 r e m e n t des s p e r m a t o z o i d e s de structure a b e r r a a t e . C ' e s t le cas de certains H 6 t 6 r o p t 6 r e s (Schrader, 1960), de P h a s m o p t 6 r e s ( E e r g e r a r d , 1962), de Dyctiopt~res (Richards, 1963), de L 6 p i d o p t 6 r e s ( Z y l b e r b e r g , 1963, 1965, 1969). Les a n o m a l i e s sont m 6 m e r e l a t i v e m e n t f r 6 q u e n t e s et 359

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tr6s diversifi6es chez les h y m 6 n o p t 6 r e s h p a r t h 6 n o g 6 n 6 s e a r r h 6 n o t o q u e . W i l k e s et L e e (1965) o n t t r o u v 6 5 t y p e s d e s p e r m a t o z o i d e s diff6rents dans les testicules de l ' h y m 6 n o p t 6 r e Dahlbominus fuscipennis. II s e m b l e q u e les a b e r r a t i o n s o b s e r v 6 e s p u i s s e n t 6tre reli6es h des m o d i f i c a t i o n s de la m 6 i o s e qui se p r o d u i s e n t lors de la s p e r m i o g 6 n 6 s e qui a b o u t i t ~ la f o r m a t i o n de s p e r m a t o z o i d e s h a p l o i d e s ( R u t t n e r , 1968; C r o z i e r , 1975; W o y k e , 1984). N o u s a v o n s r e c h e r c h 6 , chez l ' h y m 6 n o p t 6 r e I c h n e u m o n i d a e Diadromus pulchellus p a t h d n o g 6 n ~ s e a r r h 6 n o t o q u e , si les s p e r m a t o z o i d e s p r o d u i t s p a r des mfiles d i p l o i d e s 6 t a i e n t diff6rents d e ceux p r o d u i t s p a r des mfiles h a p l o i d e s et si, p a r m i eux, se t r o u v a i e n t des s p e r m a t o z o i d e s d e s t r u c t u r e a b e r r a n t e . D. pulchellus est un e n d o p a r a s i t e solitaire des n y m p h e s d e L 6 p i d o p t 6 r e s P l u t e l l i d a e ( R o j a s - R o u s s e , 1973, 1980). Les f e m e l l e s p o s s 6 d e n t 22 c h r o m o s o m e s et les mfiles 11 ( H e d d e r w i c k et al., 1985). D a n s les p o p u l a t i o n s n a t u r e l l e s , les mfiles sont n o r m a l e m e n t h a p l o i d e s mais il existe q u e l q u e s mfiles d i p l o i d e s a 22 c h r o m o s o m e s ( e n v i r o n 5 % de la p o p u l a t i o n de mfiles). D a n s ces p o p u l a t i o n s il est i m p o s s i b l e d e d i s t i n g u e r les 2 t y p e s de mfiles, ils sont de c o u l e u r s o m b r e et ne se d i f f d r e n c i e n t ni p a r leur m o r p h o l o g i e ni p a r leur c o m p o r t e m e n t (El A g o z e , 1985). A u l a b o r a t o i r e , il est p o s s i b l e d ' o b t e n i r , ~ f r 6 q u e n c e 61ev6e, des mfiles d i p l o i d e s faciles ~ d 6 t e c t e r p a r leur c o u l e u r p a r t i c u l i 6 r e , grfice a une s6rie s t a n d a r d de c r o i s e m e n t s c o n s a n g u i n s e n t r e des i n d i v i d u s d e la s o u c h e s a u v a g e au corps noir, et des individus d ' u n e s o u c h e m u t a n t e rdcessive, au corps j a u n e . C h e z ces mfiles d i p l o i d e s , il n ' y a pas d e r e s t a u r a t i o n d e la m 6 i o s e et les s p e r m a t o z o i d e s f o r m d s sont ~ 22 c h r o m o s o m e s (El A g o z e et al., 1987). Ces s p e r m a t o z o i d e s d i p l o i d e s sont c a p a b l e s d e p 6 n 6 t r e r dans les oeufs et de p r o v o q u e r leur d 6 v e l o p p e m e n t . T o u t e f o i s , il ne s e m b l e pas qu'il puisse y a v o i r a m p h i m i x i e , t o u s l e s ovules ins6min6s p a r des s p e r m a t o z o i d e s d i p l o i d e s d o n n a n t n a i s s a n c e a des mgdes h a p l o i d e s ( E l A g o z e , 1985). L e s s p e r m a t o z o i d e s de D. pulchellus n ' a y a n t e n c o r e 6t6 l ' o b j e t d ' a u c u n e 6 t u d e u l t r a s t r u c t u r a l e , n o u s d d c r i r o n s leur structure fine et nous c o m p a r e r o n s les s p e r m a t o z o i d e s d i p l o i d e s aux s p e r m a t o z o i d e s h a p l o i d e s p r o d u t s n o r m a l e m e n t . MATERIEL ETMETHODES Les exemplaires utilisds sont 61evds au laboratoire, sur des nymphes de Teigne du poireau (Acrolepiopsis assectella), dans les conditions d'61evage de cet insecte: 16 hr de photophase ~ 25°C alternant avec 8 hr de scotophase a 15°C, ~t70% RH. Trois cents femelles de D. pulchellus sont plac6es dans une cage contenant 150 nymphes d'A. assectella. Les adultes de D. pulchellus 6mergent 10 a 12 jours apr6s la ponte. Afin d'analyser la structure des spermatozoides, les testicules sont prdlevds sur des larvae et sur des adultes pour rdaliser des observations au microscope 61ectronique ~t balayage JEOL JSM35 et au microscope 61ectronique a transmission JEOL X I00. Pour l'etude au microscope h balayage, les testicules sont diss6qu6s dans du liquide physiologique de Ringer puis fix6s entiers ou dilac6r6s entre 2 lamelles histologiques dans du glutarald6hyde ~ 2.5% tamponn6 par une solution de cacodylate de sodium (pH = 7.2). Cette technique permet d'observer des spermatozoides isol6s. Apr6s fixation sur les lamelles pendant 5 min, le mat6riel est lay6 dans une solution de cacodylate de sodium (0.1M) puis d6shydrat6 avant d'6tre ombr6 au carbone et h l'or. Pour l'observation au microscope 61ectronique transmission, les testicules sont fix6s pendant 2 hr ~t la temp6rature de +4°C dans un m61ange de glutarald6hyde et de tampon phosphate (pH = 7.2) ou dans du glutarald6hyde ~ 2.5% dans une solution tampon de cacodylate (pH = 7.4). Apr6s un lavage dans le tampon pendant 12 hr, les pr6parations sont postfix6es pendant 1 hr dans du t6troxyde d'osmium avant d'6tre incluses dans l'6pon. Les coupes semi-fines n6cessaires h l'orientation des blocs sont color6es par du bleu de toluidine h 1%. Les coupes ultrafines sont contrast6es par l'uranyle et le plomb. RESULTATS L a p l u p a r t des s p e r m a t o z o t d e s des mfiles d i p l o i d e s p r 6 s e n t e n t la m 6 m e s t r u c t u r e que

Ultrastructure des Spermatozoides de D. pulchellus

FIG. 1. Morphologie du spermatozoide du m~le haploide. A. Un spermatozoide observe au microscope Elecl:ronique ~ balayage. La tEte (re) se prolonge par un long flagelle (fl) dont l'extrEmitE terminale est rEtrEcie (zt). B. Partie antErieure d'un spermatozoide montrant l'acrosome (ac), le noyau (n) et la piece intermEdiaire (pi). C. DEtail de la zone terminale (zt) et du flagelle (fl). D. DEtail de la parfie antErieure d'un spermatozoide montrant la tEte (re), la piece intermEdiaire (pi), l'axon~me (ax) et les 2 cordons mitochondriaux (mi) parall~les entre eux. E. Coupe transversale dans un faisceau de spermatozoides au niveau de la piece intermEdiaire. Un seul cordon mitochondrial est present pros du noyau (n) et de l'axon~me (ax).

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FIG. 2. A. Spermatozoide de mille haploide. B, C, D et E. Spermatozoides de mfiles diploides. A. Coupe longitudinale axiale dans l'acrosome (ac), le perforatorium (pe) et le noyau (n). B. Coupes transversales de spermatozoides ~ diff6rents niveaux: darts l'acrosome (ac) et le perforatorium (pe); au niveau du noyau (n); darts le flagelle avec son axon6me (ax) et ses 2 cordons mitochondriaux (mi);

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les spermatozoides des m~les haploides. Toutefois, dans les testicules des mfiles diploides il ya des gametes mgdes de structure aberrante qui coexistent avec les spermatozoides d'apparence normale. Les Figs 1 et 7: montrent la constitution des spermatozoides d'apparence normale. Ils mesurent environ 100 Ixm de longueur et pr6sentent successivement, de l'avant vers l'arri6re, une piece interm6diaire et un long flagelle ruban6 (Fig. 1A). La t&e mesure 5 i~m de longueur sur 0.8 p~m de diam6tre. Elle se termine par un acrosome pointu et recourb6 (Fig. IB). La piece interm6diaire est une partie cylindrique de 1.5 Ixm de longueur sur 0.6 ixm de diam~tre (Fig. 1B). Le flagelle, dont le diam6tre est 6gal ~ 0.3 I~m (Fig. 1D) montre un brusque r6tr6cissement dans sa partie terminale (Fig. 1C). Celle-ci mesure 6.5 Ixm de longueur et son diam6tre est compris entre 0.15 et 0.20 Ixm. L'acrosome est une pi6ce conique dont la base est au contact direct du noyau. I1 est form6 de plusieurs parties: une paroi externe, 6paisse, compacte et extr6mement dense aux 61ectrons et une r6gion interne qui pr6sente une baguette de mat6riel fibreux, le perforatorium. L'extr6mit6 post6rieure de celui-ci fair saillie dans une cavit6 du noyau. La partie basale du perforatorium est r6unie h la paroi externe par une sorte de diaphragme (Fig. 2A). Le noyau, tr6s dense aux 61ectrons, est entour6 sur toute sa longueur par une palissade de microtubules reli6s les uns aux autres par du mat6riel dense aux 61ectrons (Fig. 2B, C). Les d6riv6s mitochondriaux forment 2 cordons longitudinaux dont les longueurs respectives sont sans doute in6gales, ainsi que l'indiquent les coupes transversales r6alis6es au niveau de la base du noyau. Dans cette zone il n'existe ClU'Un seul cordon mitochondrial qui nait parall61ement h la base r6tr6cie du noyau, en m6me temps que l'axon6me (Figs 1E; 2C). L'autre apparalt h la suite du noyau, parall61ement au premier (Fig. 2B). Les 2 d6riv6s mitochondriaux ont une organisation paracristalline (Fig. 2E). Ils sont parall61es entre eux et ~t l'axon6me, saul dans la zone terminale r6tr6cie du flagelle qui ne contient que l'axon6me. Une couche plus ou moins r6guli6re de microtubules reli6s entre eux entoure les d6riv6s mitochondriaux et l'axon~me (Fig. 2B, C). De nombreux autres microtubules, isol6s ou en faisceaux, compl6tent cette architecture (Fig. 2B, C). L'axon6me (Fig. 2B, C) pr6sente dans sa partie centrale, 2 microtubules simples (singlets) et dans sa zone p6riph6rique 2 couronnes concentriques de microtubules (Fig. 2B, C). La pre~rni6re, en position externe, est constitu6e de 9 microtubules simples, denses aux 61ectrons et r6unis entre eux par du mat6riel fibreux. Ils portent des c6tes lat6rales peu marqu6es. La seconde couronne est form6e de 9 microtubules doubles (doublets). Elle est r6unie aux 2 microtubules centraux par 9 structures h disposition rayonnante (br~ts d'Afzelius). Ces derni6res sont renforc6es par des c6tes tubulaires internes que nous avons appel6es "tubules accessoires internes". Chez les mgdes haploides, tousles spermatozoides semblent pr6senter cette structure. Chez les m~tles diploides, au contraire, tout au moins chez les animaux que nous avons

des microtubules (mt) sont r6partis r6guli6rement autour de ces organites. C. Coupe transversale au niveau de la pi6ce interm6diaire montrant la structure de l'axon6me (ax), un cordon mitochondrial (mi) et le prolongement du noyau (n). Autour des 2 microtubules centraux (tc) sont dispos6s en cercle les tubules accessoires internes (tai), les tubules en doublets (dp), la ceinture externe (ce) de tubules simple:~. Ces derniers, r6unis entre eux, pr6sentent chacun une c6te longitudinale (cl). D et E. Coupes loagitudinales axiales, axon6me (ax), d6riv6 mitochondrial (mi), noyau (n), piece interm6diaire (pi).

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6tudids, de n o m b r e u x spermatozoides montrent des aberrations structurales. Plusieurs de ces anomalies sont pr6sent6es dans la Fig. 3. Le noyau peut pr6senter une configuration anormale (Fig. 3A). Les ddriv6s mitochondriaux peuvent 6tre alt6r6s (Fig. 3B). L ' a x o n 6 m e tout entier peut se ddsorganiser (Fig. 3B) et m6me disparaitre (Fig. 3A). Certaines alt6rations structurales plus discr6tes, n'entrainent que la disparition de mi,zrotubules (Fig. 3C).

DISCUSSION La structure fine du spermatozoide de D. pulchellus ne diff6re pas de celle qui caract6rise la plupart des insectes 6volu6s (Jamieson, 1987). L'architecture de l'axon6me s ' a p p a r e n t e 6troitement ~ celle d6crite chez les L6pidopt6res (Andr6, 1961; Jamieson, 1987). L'acrosorne contient un perforatorium bien diff6renci6 et l'axon6me correspond au mod61e structural "9 + 9 + 2". Cette structure, li6e ~ la longueur importante du flagelle, conf6re une grande mobilit6 h ce type de spermatozoide ainsi que le mentionnent Wilkes et Peter (1965) a propos du spermatozoide de l'hym6nopt6re Dahlbominus fuscipennis. Chez cette esp6ce les 2 cordons mitochondriaux sont enroul6s sur l'axon6me, a]ors que chez D. pulchellus, iis sont parall61es h l'axon6me. Les mfiles diploides de D. pulchellus produisent des spermatozoides qui ne semblent pas 6tre diff6rents, par leur ultrastructure, de ceux produits par les mfiles haploides. Chez les mfiles diploides il est toutefois possible d'observer des spermatozoides de structure aberrante, qui, dans certains cystes du testicule, coexistent avec des spermatozoides d ' a p p a r e n c e normale. I1 semble que la plupart des spermatozoides structure alt6r6e ne soient pas aptes h jouer un r61e dans la f6condation. En effet, ils sont g6n6ralement peu mobiles du fait de la d6g6n6rescence de leur axon6me. Par contre, les spermatozoides diploides d ' a p p a r e n c e normale, doivent se comporter de la m6me faqon que les spermatozoides haploides. Ils sont tout aussi mobiles et ils peuvent migrer dans la spermath6que lors de l'accouplement. Cette 6tude morphologique confirme les observations r6alis6es par El Agoze (1985) qui a montr6 que les spermatozoides diploides contenas dans la spermath6que des femelles de D. pulchellus se comportaient c o m m e les sperrnatozoides haploides lors de la f6condation. Ils pdn6trent dans l'ovocyte au m o m e n t de la ponte et provoquent le d6veloppement embryonnaire. L'absence d'amphimixie observ6e par cet auteur ne semble pas 6tre li6e ?a des aberrations structurales des ,;permatozoides mais r6sulter de diff6rences existant entre les garnitures chromosomiques des deux pronuncl6i.

Remerciements--Les auteurs remercient Mademoiselle Germaine Boguais qui a r6alis6 les inclusions et les coupes n6cessaires it la microscopie 61ectronique ~ transmission ainsi que Monsieur Joseph Le Lannic du Centre de Microscopie Electronique a Balayage de l'Universit6 de Rennes I. Ils remercient 6galement Madame Michelle Mathelier ainsi que Messieurs Michel D~delot et Louis Communier pour leur collaboration technique.

pr6sentant 2 masses nucl6aires (nl et n2). L'une d'elles (n2) semble 6tre double. B. Spermatozoides pr6sentant des anomalies de l'axon6me (ax) et des cordons mitochondriaux (mi) au niveau de la piece interm6diaire. C. D6tail d'un axon~me dont les microtubules de la ceinture externe ont disparu et dont les microtubules p6riph6riques (dp) pr6sentent des anomalies structurales.

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