[Ultrastructural study of sperm flagella schistosomes (Trematoda: Digenea)]

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Etude ultrastructurale du flagelle spermatique des Schistosomes (Trematoda: Digenea) JEAN-LOU JUSTINEET XAVIERMATTEI Département de Biologie Animale, Faculté des Sciences, Dakar, Sénégal Received December 29, 1980 The spermatozoon of schistosomes possesses a single centriole, classically made up of'nine triplets, and a single flageiium. In this paper, we show the peculiar structure of this flagellum which is not a 9+0 pattern as hitherto believed. The axoneme is made up of nine peripheral doublets devoid of arms. The flagellum central region is occupied by an electron-dense element.

This rodlike element is not a microtubule, and it contains glycogen. It is different from the central structure of 9+1 pattern flagella which prevail among Platyhelminths. The flagellum of schistosomes is compared with different spermatic flagella with 9+0 and 9+1 patterns. A new flagellar type, 9+" l", is proposed to designate al1 flagella with a central element which is not a microtubule. It seems that there are no spermatic flagella with true 9+0 pattern in Platyhelminths.

Dans l'embranchement des Plathelminthes les auteurs ont décrit une structure particulière du flagelle dite "9+1" qui est le plus communément rencontrée comme le signale Rees en 1979. A côté de ce type existent quelques exemples de type 9+2 (Tyler et Rieger, 1975; Hendelberg, 1977). Quelques rares types 9+0 sont également signalés (Henley et Costello, 1969) ou décrits (Costello et al., 1969; Hendelberg, 1977) et c'est en particulier le cas chez Schistosoma mansoni (Kitajima et al., 1976). Nous reprenons cette dernière étude en nous intéressant plus spécialement à une espèce voisine: Schistosoma bovis.

60 mn dans le tétroxyde d'osmium froid à 1% dans le même tampon. Les temps de fixation courts ont donné les meilleurs résultats. Après déshydratation par l'alcool et l'oxyde de propylène, l'inclusion est faite dans l'épon. Les coupes sont réalisées à l'ultramicrotome Porter-Blum MT, et contrastées par l'acétate d'uranyle et le citrate de plomb. Les observations sont faites au microscope électronique Siemens Elmiskop 101. Les polysaccharides ont été mis en évidence par la méthode à l'acide periodique-thiosemicarbazide-protéinate d'argent selon la technique de Thiéry (1967) (Technique PATAg). Les durées de flottage des coupes sur la TSC ont varié de 30 min à 48 hr. Des témoins ont été réalisés en omettant l'acide periodique et en le remplaçant par l'eau oxygénée. La technique de Markham et al. (1963) a été appliquée pour mettre en évidence les structures à symétrie radiaire, et celle de Gachet et Thiéry (1964) pour les structures périodiques longitudinales. Un exemplaire de S. mansoni (Souche guadeloupéenne maintenue sur souris) nous a été aimablement donné Par C. Combes et A. Fournier (Université de Perpignan, France). La fixation utilisée est la suivante: 90 min dans du glutaraldéhyde à 4% dans un tampon cacod~late0,4 M (PH 7,3) ajusté à 450 mosm puis p0st-fixation au tétroxyde d'osmium dans le même tampon et inclusion dans l'épon.

MATERIEL ET METHODES Des intestins de zébus (Bos indicus) et de moutons (Ovis aries) naturellement infestés sont triés aux abattoirs de Dakar puis rapidement amenés au laboratoire. ~~s spécimens de S. bovis sont prélevés par incision des vaisseaux sanguins mésentériques et recueillis dans une solution de NaCl à 9%0,puis immédiatement disséqués. Sous la loupe binoculaire, les testicules et la vésicule séminale des mâles sont prélevés et rapidement placés dans la fixateur. Pour les femelles, nous repérons à la loupe binoculaire la zone de bifurcation du tube digestif; cette zone, où se situent l'ovaire et le réceptacle séminal, est sectionnée puis placée dans le fixateur. Les testicules ou vésicules séminales des mâles et les tronçons de femelles sont fixés 5 à 60 min par le glutaraldéhyde froid à 2,5% dans un tampon cacodylate 0,l M à PH 7 2 ; puis 5 à

OBSERVATIONS

comme le remarquent ~ i t ~et j al.i ~ (1976) dans leur étude ultrastructurale de S . mansoni~les de S . bovis sont peu nombreux dans les testicules et la vésicule séminale, ce qui rend difficile leur 89 0022-53201811070089-07$02.00/0 Copyright 1981 by Academic Press, Inc. Al1 rights of reproduction in any form resemed.

Fie. 1. Coupe transversale de la région basale d'un spermatazoïde. C,centriale; N, noyau. Les flèches indiquent les microtubules sous-mernbranaires. x 70 000. , F ~ G2. . Coupe transversale du flagelle a la sortie du corps spermatÎque. Autour de I'axonème se trouvent les extrémités des microtubuEes sous-rnembranaires (flèches). x 66 OM). FIG.3. Coupe transvenale du flagelle située en arrière de la précédente. Seuls quelques microtubules sousmernbranaires sont encore visibles (flèches). x 95 000. FIG.4. Coupe transversale d'un Aagelle spermatique, Les doublets sont dépourvus de bras, Un Hément opaque aux electms est visible dans la région centrale de Saxonéme (flèche). LRs pointes de fléche indiquent une liaison entre doublet et membrane fiagellaire. x 120000.

FLAGELLE SPERMATIQUE DE Schistosoma

étude et en particulier celle du flagelle qui nous intéresse ici. Le spermatozoïde présente la même structure que celle déjà décrite chez S. rnansoni (Kitajima et al., 1976). Le cytoplasme spermatique apparaît uniformément dense aux électrons. Le gamète possède un centriole unique constitué de neuf triplets (Fig. 1) et auquel est associée une racine striée. Une coupe transversale du flagelle à la sortie du corps spermatique, juste à la base du centriole, montre le cylindre axonématique constitué de neuf doublets ainsi qu'un ensemble de microtubules situés contre la membrane flagellaire (Figs. 2 et 3). Ces derniers correspondent aux microtubules sous-membranaires longitudinaux présents sur toute la superficie du spermatozoïde et dont on trouve ici les extrémités. Légèrement en arrière de cette zone, on ne trouve plus de microtubules sous-membranaires, et seuls les doublets de l'axonème sont présents sur toute la longueur du flagelle (Figs. 4 et 6). Sur les coupes transversales, le flagelle apparaît constitué de neufs doublets périphériques totalement dépourvus de bras. Des liaisons ténues semblent exister entre doublets voisins, de même qu'entre doublets et membrane flagellaire (Fig. 4). La technique de renforcement de l'image par rotation confirme ces caractéristiques (Fig . 5). Aucun tubule n'est visible dans la région centrale de l'axonème. Nous avons toutefois observé, contrairement à ce que nous avons l'habitude de voir dans les flagelles 9+0 classiques, l'existence d'un matériel

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dense aux électrons au centre du flagelle. Une étude approfondie nous a permis de mettre en évidence la présence constante de cette formation axiale, non tubulaire et de forme mal définie. En coupe transversale sa plus grande dimension est de l'ordre de 50 nm. Cette formation est présente dans les flagelles spermatiques trouvés dans les testicules, dans la vésicule séminale ainsi que dans le réceptacle séminal chez la femelle (Fig. 9). Sur les coupes longitudinales cette formation se retrouve; elle montre une structure périodique constituée d'une succession d'éléments de 50 nm de large et épais de 30 nm (Figs. 7 et 10). La périodicité est de 42 nm environ; ceci a été confirmé par la technique de renforcement de l'image par translation (Fig. 8). Cette formation centrale est reliée aux doublets périphériques par des rayons disposés le long du flagelle avec la même périodicité que les éléments étagés du corps central. Au niveau de l'extrémité distale du flagelle, les doublets se simplifient pour donner neuf singulets et la formation centrale est toujours présente (Fig. 6). La technique PATAg nous montre des particules de glycogène P (Drochmans, 1962) à l'intérieur de l'axonème (Fig. 11). En coupe longitudinale, ces grains sont étagés dans la région centrale du flagelle correspondant à l'élément axial. Les coupes transversales ne montrent que de rares granules. Nous avons remarqué que les flagelles des organes excréteurs de S. bovis, chez le mâle comme chez la femelle, sont de type

FIG. 5. La technique de rotation met nettement en évidence les particularités mentionnées sur la Fig. 4, à l'exception de l'élément central qui est un artefact dû à la rotation. X 140 000. FIG.6. Coupe transversale de flagelles montrant l'élément axial (flèches). Cet élément est également présent à l'extrémité du flagelle (EF). x 62 000. FIG. 7. Coupe longitudinale d'un flagelle, montrant une périodicité au niveau de l'élément axial et des rayons (flèches). x 110000. FIG. 8. La technique de translation met nettement en évidence la structure périodique intraflagellaire (flèches). x 110000. FIG. 9. Coupe transversale de spermatozoïdes dans le réceptacle séminal de la femelle. N, noyau (la faible densité des noyaux résulte de la coloration régressive à 1'EDTA que nous avons pratiquée sur cette coupe). Les flèches indiquent l'éïément central des axonèmes. x 85 000.

Fio. 10. Coupe longitudinale. d'un flagelle. Les Aèhes indiquent i'alément axial. x K! M)0. FIG.11. Coupe de spermatozoïdesdans le testicule. Coloration de Thiéry. CS, prolongement cytoplasmique de ceüule de soutien. très riche en glycogène. Les flèches indiquent les granules de glycogène dans les axonbmes. X 24 000.

9+2, ainsi qu'il est classique chez les PlatheIminthes, quelle que soit la structure de leurs flagelIes spermatiques. Une observation de coupes transversales de flagelles spermatiques de S. mansoni

nous a montré une formation centrale cornparasable à celle de S. buvis. L'illustration que nous présentons se rapporte uniquement à S. bovis. DISCUSSION

blets flageiiaires sont d6pourvus de bras; Baccetti et Dallai (1978) associent cette particularité avec l'existence d'un centnole formé de doublets. Le flagelle spermatique de S. bovis ne confirme pas cette cosrélalion. Parmi l'abondante littérature qui se rap porte à la structure des flageIIes spematiques, nous nous sommes intéressés plus particulièrement aux deux types qui se rapprochent le plus de ce que nous décrivons ici, c'est-A-dire les types 9+0 et 941. 11 est difficile de situer nettement le ffagelIe spermatique de S. bovis dans ]"un ou l'autre

Contrairement aux observations de Kiiajirna er al, (1976), les schistosomes ne présentent pas une structure flagellaire 9 +O classique, Dans le cas de S. bovis que nous type. avons plus particulièrement étudié, les douNous avons rapport6 dans le Tableau 1

F L A G E L L E SPERMATIQUE DE Schistosoma TABLEAU 1 FLAGELLES SPERMATIOUES D E TYPE 9+0 Schéma de l'élément central

ET

9+''1"

Auteurs

Genre

Type Mobilitéa ~ r o ~ o s é

9+0 9+0 9+0 9+0

Lithodesmium Stylocephalus Childia Schistosoma Illiosentis Myzostomium Myzostomium Mastotermes Vejovis Anguilla divers Elopomorpha Lampanyctus

Diatomée Sporozoaire Turbellarié Trématode Acanthocépk de Annelide Annelide Insecte Arachnide Téléostéen Téléostéen Téléostéen

Manton et Von Stosch (1966) Desportes (1966) Costello et al. (1969) Kitajima et al. (1976) Marchand et Mattei (1976a) Afzelius (1962) Baccetti et Afzelius (1976) Baccetti et Dallai (1978) Hood et al. (1972) Billard et Ginsburg (1973) Mattei et Mattei (1974) Mattei et Mattei (1976)

9+0 9+9+0

Pentagenia Chloeon

Insecte Insecte

Phillips (1969) Baccetti et al. (1969a)

M M

9+9+1 9+9+1

Culiseta, Culex Culex

Insecte Insecte

Breland et al. (1966) Phillips (1969)

M

9+ 1

Nombreuses espèces décrites

Plathelminthes

Très nombreux auteurs, voir M par exemple Rees (1979)

9+0 9+0 9+0

Hadrurus Hadrurus Centruroides

Arachnide Arachnide Arachnide

Jespersen et Hartwick (1973) M Phillips (1974) M M Hood et al (1972)

9+0 9+0

Plecia Bibio

Insecte Insecte

Trimble et Thompson (1974) NP Dallai (1979) NP

,@

9+0

Psocus

Insecte

Phillips (1969)

NP

$,

9+0 9+0

Nymphon Anaperus

Pycnogonide Turbellarié

Van Deurs (1974) Hendelberg (1977)

M NP

Chlamydomonas

Protozoaire

Witman et al (1978)

1

IOOnrn

O"

Type, donne par les auteurs

Qe 6

0

@

O*

.,

0

9+0 9+0 9+0 9+0 9+0 9+9+0

:::

9+"19'

O

a), "

M, mobile; N P , non précisé par l'auteur; PM, peu mobile; 1, immobile.

les divers flagelles spermatiques dénommés 9+0 ou 9+1 par les auteurs et ayant fait l'objet d'une représentation photographique lisible. Les types 9+9+0, qui comprennent 9 tubules uniques périphériques supplémentaires, sont aussi mentionnés. Un flagelle 9+0 a été décrit dans divers groupes animaux (première partie du Tableau 1); dans ce cas le cylindre des dou-

blets ne possède aucune formation axiale, à l'exception des rayons présents dans certains cas. Les "fibres secondaires" internes décrites par certains auteurs peuvent être rapportées aussi à des rayons (Baccetti et Afzelius, 1976). Dans le cas des Ephémères (Pentagenia et Chloeon), le centre du cylindre axonématique comporte une formation constituée de têtes de rayons

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JUSTINE ET MATTEI

(Baccetti et Afzelius, 1976) et le flagelle doit donc être considéré aussi comme un 9+0. Le type flagellaire 9+2 étant parfaitement défini comme possédant deux tubules axonematiques centraux, le type 9+1 devrait, par analogie, posséder un tubule axonématique central unique. Dans la deuxième partie du Tableau 1, nous avons rapporté des cas de flagelles pourvus d'un élément central unique, de forme, de dimension e t de structure variable auquel s'ajoutent ou non des rayons. Il faut donc les distinguer des 9+0 véritables. Baccetti et Afzelius (1976) considèrent le flagelle spermatique des moustiques (Breland et al., 1966; Phillips, 1969, 1970, 1974) comme le seul véritable 9+ 1; or l'élément central dans ces cas est plein et de dimension supérieure à celle d'un tubule flagellaire: 30 à 37 nm d'après les mensurations que nous avons faites sur les microphotographies présentées par Phillips (1969, 1974). Les flagelles des spermatozoïdes de Plathelminthes qui possèdent un axe central complexe ont été dénommés 9+ 1 par la plupart des auteurs. Baccetti et Afzelius (1976) proposaient, dans ce cas, d'utiliser le terme "9+ 1" pour préciser leur singularité. Nous proposons de rassembler les divers flagelles dans lesquels l'élément central est une structure différente des rayons ou d'un microtubule axonématique sous le type 9+ " 1" . Cette nouvelle appellation permet de préciser que la particularité de ces flagelles se situe uniquepent au niveau de l'élément central. La structure flagellaire 9+ 1 vraie existe uniquement chez certains spermatozoïdes d'Acanthocéphales. Dans ce cas particulier les flagelles spermatiques d'un même individu présentent un nombre de tubules centraux variant de O à 5 (Marchand et Mattei, 1976b, 1977); les flagelles qui possèdent un seul tubule axial sont de véritables 9+ 1. Le flagelle spermatique de S . bovis serait donc ainsi un flagelle 9+" 1". Sa structure originale est à rapprocher de celle des flagelles d'un mutant de Chlamydomonas reinhardii (Randall et al., 1964; Witman et

al., 1978). Alors que C. reinhardii possède des flagelles normaux de type 9+2 classique, deux souches de mutants montrent un type aberrant de flagelle, immobile, dépourvu de doublet central et présentant un élément axial de même diamètre et de même périodicité que celui du flagelle de S . bovis. Les spermatozoïdes de S . bovis observés dans la vésicule séminale du mâle, dans les voies génitales de la femelle ou recueillis dans une goutte de solution de NaCl à 9%0 nous sont apparus immobiles. Comme Kitajima et al. (1976) mentionnent une faible mobilité des gamètes de S . mansoni, nous avons observé longuement de très nombreux spermatozoïdes de S. bovis. Nous avons remarqué dans quelques cas des déformations du flagelle mais sans pouvoir être sûr que ceci n'était pas dû à l'agitation des particules voisines animées de mouvement brownien. Les flagelles cités dans le Tableau 1 sont le plus généralement mobiles, quel que soit leur type. Cette mobilité peut être réduite (Mastotermes, Baccetti et Dallai, 1978) ou désordonnée e t inefficace (Illiosentis, Marchand et Mattei,~1976a). La paire de tubules axiaux ne semble donc pas nécessaire pour la mobilité flagellaire lorsque le type normal du flagelle est 9+0 ou 9+ "1 ". Par contre la perte accidentelle de ces tubules chez des flagelles qui sont normalement de type 9+2, les rend immobiles. Ceci a été mentionné dans deux cas: chez un flagelle spermatique humain anormal de type 9+0 (Baccetti et al., 1979b) et chez les mutants de Chlamydomonas (Witman et al., 1978) qui montrent une structure 9+"1". Le spermatozoïde de S. bovis aurait pu, de la même manière, perdre sa mobilité en même temps qu'une structure flagellaire ancestrale 9+2. La non mobilité du flagelle spermatique de Schistosoma bovis peut également être attribuée à l'absence de bras sur les doublets. Cette absence des bras de dynéine est mise en relation avec l'immobilité de spermatozoïdes anormaux chez l'homme

FLAGELLE SPERMATIQUE DE Schistosoma

(Afzelius et al., 1975). Dans le règne animal, les flagelles démunis de bras sont immobiles (Protoures, Baccetti et al., 1973; Thysanoptères, Baccetti et al., 1969b) sauf dans le cas du Pycnogonide Nymphon (Van Deurs, 1974). La structure du flagelle des schistosomes est différente de celle de tous les autres Trématodes décrits, qui répondent au type 9+ " 1" des Plathelminthes. Ce fait semble isoler les schistosomes au sein du groupe, de même que les mettent à part leur gonochorisme, leur mode de vie sanguinicole et leur cycle. Si nous nous plaçons au niveau de l'embranchement des Plathelminthes, le flagelle 9+0 d3Anaperus(Hendelberg, 1977) serait donc un 9+" 1", ainsi que celui de Schistosoma. La structure 9+0 du flagelle de Childia (Costello et al., 1969) est mise en doute par Hendelberg (1977). Le 9+0 vrai existe-t-il chez les Plathelminthes?

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