Zur Entwicklung der Keimpflanze von Epilobium hirsutum

Zur Entwicklung der Keimpflanze von Epilobium hirsutum

(Aus dem Max-Planck-Institut fiir Ziichtungsforschung (Erwin-Baur-Institut), Abteilung fiir Plasmavererbung, Kiiln-Vogelsang) Zur Entwicklung cler Ke...

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(Aus dem Max-Planck-Institut fiir Ziichtungsforschung (Erwin-Baur-Institut), Abteilung fiir Plasmavererbung, Kiiln-Vogelsang)

Zur Entwicklung cler Keimpflanze von Epilobium hirsutum II. Die im Vegetationspunkt wahrend eines Plastochrons ablaufenden Zellteilungen 1) Von

Fritz Bartels Mit 9 Abbildungen im Text (Eingegangen am 3. Februar 1960)

Einleitung Mit der vorliegenden Arbeit finden die entwicklungsgeschichtlichen Untersuchungen am Proembryo von Epilobium hirsutum (BARTELS 1956) ihre Fortsetzung. Diese Arbeiten sollen wesentliche Grundlagen fUr die MICHAELIssche Konzeption tiber die intraindividuelle Umkombination plasmatischer' Erbfaktoren liefern (MICHAELIS 1950, 1955, 1957, 1958). Urn das quantitative Verhalten der Zellkonstituenten wahrend der Ontogenese beurteilen zu ktinnen, ist zuvor eine genaue Kenntnis der die Pflanze aufbauenden Zelldeszendenzen erforderlich. Ferner setzt die MICHAELIssche Entmischungstheorie die Kenntnis der Anzahl der Zellteilungen voraus, die ablaufen, urn ein bestimmtes Gewebe aufzubauen. Erst wenn Zellteilungsfolgen und das gesetzmaBige, quantitative Verhalten der Zellkonstituenten ermittelt sind, laBt sich die MICHAELIssche Konzeption bei dem vorhandenen heteroplasmonischen Pflanzenmaterial anwenden. Den Studien am Proembryo hatten nach chronologischen Gesichtspunkten die Untersuchungen der ubrigen Embryostadien mit der Entwicklung der Keimblatter folgen mussen. Aber die groBe Zahl der sich teilenden Zellen, die bereits die Keimblattanlage enthalt, erschweren die Deutung anatomischer Schnittpraparate sehr. Wahrscheinlich fUhrt diese Methode zu unbefriedigenden Ergebnissen, wenn nicht zuvor mit Hilfe von genetischen Musteranalysen die Entwicklungstendenzen der Cotyledonen festgelegt sind (BARTELS 1960b). 1) Mit Unterstiitzung der Deutschen Forschungsgemeinschaft.

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Anders liegen die Verhiiltnisse am Vegetationspunkt. Dieser wird bereits im Laufe der Proembryostadien angelegt und andert sich wahrend del' Entwicklung der Keimpflanze nicht wesentlich. Die vorliegende Arbeit in Verbindung mit noch folgenden VerOffentlichungen werden zeigen, da13 Epilobium hirsutum ein Scheitelzellenwachstum besitzt, das die Spro13gestaltung entscheidend beeinflu13t. Von diesem Scheitelmeristem leitet sich auch das Mesophyll der Laubblatter ab, an dem sich hauptsachlich die Entmischungsmuster manifestieren, die durch das Verhalten von grtinen und weiBen Plastiden ausgeliist werden. Dies ist ein Grund, warum der Vegetationspunkt bevorzugt beobachtet wurde. Bei den Untersuchungen selbst ist es wiederum die zweite Zellschicht (L-II), die eingehender untersucht wird, da die Entwicklung dieser Schicht zur Bildung des Palisadenund des Schwammparenchyms ftihrt.

Methodik Die Aussaat des Epilobium-Samens erfolgte in mit Erde gcfiillte Kultursehalen, die im wasserdampfgesattigten Liehtthermostaten unter Langtagbedingungen bei 21 0 C standen. Als Liehtquelle diente eine 500- Watt-Osram-Gliihlampe in einer Entfernung von 35 em iiber den Keimpflanzen. Zur Kiihlung war cine 2 em dieke Sehieht flie1.lenden Wassers eingefiigt. Ungefahr bis zur Anlage des 4. Wirtcls (260 Stunden nach der Aussaat) fand die Fixierung der Vegetationskegel in Abstanden von 6 Stunden statt, zwischen dem 4. und 8. Wirtel in Abstanden von 12 Stunden. Die Objektauswahl umfa1.lte so den Zeitraum von 60 bis 500 Stunden nach der Aussaat. Durch entsprechende Auslese kam es zu cinem Bestand von annahernd gleiehma1.lig entwickelten Pflanzen. Als Fixierungsmittel erwies sich fiir die meristematischen Zellen der Spr01.lspitze 1 %iges, mit Veronal auf pH 7,2 gepuffertes OsO 4 als vorteilhaft. 1m Anschlu1.l an diese Fixierung wurden die Objekte zum weiteren Erharten 2-4 Stunden mit einer 4 %igen wa1.lrigen Formaldehydliisung behandelt. Diese fiir die jiingsten Zellen besonders giinstige Fixierung ist allerdings fiir altere Zellen, die Reservestarke enthalten, weniger geeignet. Jedoch wird auf diese Weise im mikroskopischen Bild das meristematisehe Gewebe des Vegetationspunktes deutlich vom umgebenden Gewebe abgegrenzt. Diese Unterscheidung war besonders bei Sehnitten, die die Randzone des Vegetationspunktes erfa1.lten, von Vorteil. Die Einbettung zum Mikrotomschneiden erfolgte vorwiegend in Palaffin, Gelatinegefrierschnitte erganzten die Untersuehung. Von jedem Fixierungsstadium liegen so viele Reihen von 5 bis 8 f1 dicken Sehnitten vor, da1.l jeweils 30 Vegetationspunkte in 10 Median-, 10 Transversal- und 10 Quersehnittserien ausgewertet werden konnten. Bei den mit Kristallviolett gefarbten Mikrotomsehnitten wurde zur besseren Kontrastierung der Chromosomen das Cytoplasm a mit Lichtgriin gegengefarbt. Zum Mikroskopieren stand das LEITzsche Or tho lux mit eingebauter Beleuchtung und den Objektiven Apo PI 40 : 1; A 0,65 und Apo PI Oel100: 1; A 1,32 zur Verfiigung. Fiir die photographischen Aufnahmen fand die Aufsetzkamera von Zeiss-Winkel in Verbindung mit den obigen Objektiven Verwendung. Konnte der Schnitt nicht in einem Gesiehtsfeld erfa1.lt werden, so wurden mehrere nebeneinanderliegende Auf-

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Abb. 1. Schematische Zeichnung der Entwicklungsstadien des Vegetationskegels bis zur Herausbildung der Primordien des Primarblattes. 1m natiirlichen Wachstumsverlauf treffen die idealisierten Symmetrieverhaltnisse nur annaherungsweise zu, auBerdem

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nahmen mit derselben VergriiBerung hergestellt und zur Wiedergabe zusammengeklebt, Letzteres laBt sich mit Hilfe des Zellwandnetzes korrekt durchfiihren.

Zur T erminologie In Analogie zu der Scheitelzelle der Pteridophyten, auf die das g€mmte zum SproBaufbau verwandte Zellmaterial zuriickzufiihren ist (vgl. ESAU 1953, Kapitel 5), wird in der vorliegenden Arbeit bei Epilobium yom Scheitelmeristem gesprochen. Es stellt das "Urmeristem" im Sinne von NAGELI (1858) dar und entspricht in etwas engerer Fassung dem "Vegetationspunkt" von C. F. WOLFF (1759). Die einzelnen Zellen des Scheitelmeristems werden in Anlehnung an VON GUTTENBERG (1948) als "Z e n tr alz ell en" bezeichnet. Teilt sich eine Zentralzelle, so iibernimmt eine Tochterzelle die Funktion der Mutterzelle, wahrend die zweite Tochterz()lle aus dem Verband des Scheitelmeristems heraustritt. Diese letztgenannten Abgliederungen kiinnen "Initialen" fiir bestimmte Gewebe darstellen, sie kiinnen aber auch noch indifferent sein und erst nach spateren Teilungen zu bestimmten Gewebeoder Organinitialen werden. Ferner besteht die Miiglichkcit, daB von Initialen aufgebaute spezifische Meristeme sich durch erneute Abgabe von Initialen weiter differenzieren (vgl. hierzu VON GUTTENBERG 1955, 434-435). Der "Vegetationskegel" umfaBt aile meristematischen Zellen der SproBspitze ausschlieBlich der "Halbmeristeme" (ScHiiEPP 1926). Zur Bezeichnung der auBeren, der zweiten und der dritten Schicht (im Englischen: "layer") des Vegetationskegels werden die Abkiirzungen ~,L-I" (= Epidermis), "L-II" und "L-III" benutzt. Die Termini sind von SATINA und BLAKESLEE (1941) iibernommen und gehen wahrscheinlich auf KOCH (1893) zuriick. -Die Begriffe "Tunika" und "Corpus" werden bewuBt vermieden, da diese durch die Definitionen von SCHMIDT (1924) und BUDER (1928) so eingeengt sind, daB sie dem Verfasser, im Gegensatz zu THIELKE (1954), auch als rein deskriptive Ausdriicke nicht angebracht erscheinen (BARTELS 1960c). "Plastochron" (ASKENASY 1880) ist die Zeitspanne, die zwischen periodisch wiederkehrenden Entwicklungsstadien liegt. Die median e S y m m etri e eben e (Mediane) der dorsiventralen Keimblatter wird auf den mehr oder weniger radiarsymmetrischen Vegetationspunkt iibertragen und die Senkrechte zu dieserEbene, in der ebenfalls die SproBachse liegt, Tr ans v ers al e genannt. Bei dieser Definition bringt die wirtelig-dekussierte Blattstellung von Epilobium es mit sich, daB die medianen Bilder den transversalen im nachstfolgenden WiTtel entsprechen. Die Festlegung der Orientierungsebenen erfolgte stets unter Bezug auf die Keimblatter.

Ergebnisse L - I I - Zen t r a I z ell e n. Beo bachtet man Epilobium- Samen etwa 60 Stunden nach der Aussaat, so liegt im Vegetationskegel ein Entwicklungsstadium vor, dessen Medianschnitt den Abb. 1, III und 2 a entspricht. 1m Scheitel sind in der Zeichnung fiir die Zellen innerhalb der einzelnen Meristeme synchrone Teilungen angenommen worden. 1m Text werden die Zeichnungen eingehend erlautert. I.-IX. Entwicklungsstadien in der Transversalen, Il'-IV'. entsprechende in der Medianen; L-II-Z = L-II-Zentralzellen; L-III-Z = L-III-Zentralzellen; P = Prokambium; M = Mesophyllinitiale; R = Rindeninitiale; Pr. N. = Nodium der Primarblatter; K. N. = Nodium der Keimblatter; 3. N. = 3. Nodium; 2. In. = 2. Internodium. - P. V. = Zellreihe, die das Prokambium des Seitensprosses mit dem des Blattprimordiums verbindet.

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Abb. 2 a. Scheitelmeristem nach dem Keimblattnodium im transversalen Langsschnitt. Die Sehnittebene ist etwas geneigt, so daB die rechte Bildseite die Symmetrieebene nicht ganz erreicht hat. Die teilungsreifen L-II-Zentralzellen sind von den Prokambiumstrangen (P) der Blattprimordien und den L-III-Zentralzellen halbkreisfiirmig umgeben. AuBerhalb dieses Halbkreises liegt jeweils rechts und links in L-II eine Rindeninitiale (R). - Der Vegetationskegel zeigt die fiir das erste Internodium charakteristische Hache Wiilbung.

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von L-II liegen vier Zentralzellen (L-II-Z) (vgl. Abb.9), von denen im Uingsschnittbild nur zwei in Erscheinung treten. Diese Zentralzellen kiinnen in allen spateren Entwicklungsstufen immer wieder beobachtet werden (Abb. 2b und c). Sie unterscheiden sich auf den jeweiligen Bildern lediglich durch ihr Volumen, denn dieses schwankt periodisch zwischen dem einer umfangreichen, teilungsreifen Mutterzelle und dem einer schmalen, soeben geteilten Zelle. Die Zentralzellen in L-II teilen sich nur antiklin. Eine perikline Teilung wurde bei den vorliegenden Untersuchungen bis zur Herausbildung des achten Wirtels nicht beobachtet. -- Bei dieser Feststellung mu13 nochmals auf die angewandte Methodik hingewiesen werden: Urn die Lage der neuauftretenden Zellwande genau beobachten zu kiinnen, erfolgten die Fixierungen zeitlich geordnet in Abstanden von 6 bzw. 12 Stunden. Die angewandten Farbungen ermiiglichten nicht nur die Beobachtung der Zellwande, sondern auch die genaue Ermittlung der Lage der Kernspindeln und lie13en so den Schlu13 auf die Richtung des Vermehrungswachstums zu. Schlie13lich sci zur Beurteilung obiger Aussage auf die gro13e Anzahl der erstellten Praparate hinge wiesen (von etwa 45 Entwicklungsstadien je 30 Vegetationskegel). Das Prokambium des Vegetationskegels. Zu beiden Seiten der Zentralzellen (Abb. 1, III und Abb. 2) liegen Zellen (P), die durch einen Zellstrang mit den zentralen Zellen von L- III (L-III -Z) verbunden sind. Es handelt sich hier urn die Anlage der Prokombiumstrange der Blattprimordien, wie die Beobachtung spaterer Entwicklungsstadien lehrt (BARTELS 1960b). Diese Prokombiumstrange lassen sich ebenfalls deutlich aus aufeinanderfolgenden Abbildungen einer Schnittserie all,alysieren, bei der die Strange in der Senkrechten zur Schnittebene liegen' (Abb. 3 b~d). Man erkennt immer wieder, da13 es sich urn eine Zellreihe handelt, die von den L-IIIZentralzellen aus zwischen die langgestreckten Zellen der L-II fiihrt. Die Beobachtungen, nach den en im Vegetationskegel von Epilobium Prokambiumstrange und kein Prokambiumring vorliegen, kiinnen durch Anstiegsversuche mit Fluorochromen (nach STRUGGER 1949) weiter gestiitzt Abb. 2b. Scheitelmeristem im Medianliingsschnitt. Die Situation entspricht der Darstellung in Abb. 2 a (transversaler Liingsschnitt) nach Ablauf eines Plastochrons (wirtelig-dekussierte Blattstellung I). Die SproBentwicklung ist soweit fortgeschritten, daB die Rindeninitialen (R) fiir das zweite Internodium bereits abgegliedert sind. Die aus periklinen Teilungen hervorgegangenen Zellen zwischen den L-III-Zentralzellen und dem Keimblattnodium (an Hand des Leitgewebes yom rechten Keimblatt zu lokalisieren) verkiirpern die beginnende Ausbildung des 1. Internodiums (1. In.). Abh. 2 c. Ebenfalls ein medianer Liingsschnitt. Die Entwicklung ist weiter fortgeschritten. Die linke L-II-Zentralzelle hat sich geteilt und so bereits eine Mesophyll-Initiale (M) abgegliedert. Die Rindeninitialen sind in den N achbarschnitten deutlicher zu erkennen. - Die Wiilbung des gesamten Vegetationskegels hat in b) und c) gegeniiber a) zugenommen.

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Abb.3. 6 Schnitte (a-f) aus einer medianen Langsschnittserie durch das Scheitelmeristem nach dem ersten Nodium. Die Schnittebene ist links etwas starker zum Symmetrieebene geneigt als rechts. In a) sind auf der linken Seite in L- II -Rindeniniti'alen (R) zu erkennen, die in Richtung der Transversalen, also in Richtung auf den Betrachter, abgegliedert sind. Die unter dies em Schnitt a) liegende Prokambiumverbindung (P) aus L-III nach L-II laBt sich aus den Schnitten b) bis d) analysieren. In d) und e) werden die ferner in transversaler Richtung abgegliederten Mesophyllinitialen (M)

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sichtbar. In f) ist etwa die Medianebenc erreicht und die L-II- und L-III-Zentralzellen sind sichtbar: Bei den rechts und links neben den L-II-Zentralzellen liegenden Zellen wird es sich vorwiegend noch urn Mesophyllinitialen der Transversalen handeln. Daneben werden aber auch schon teilweise die Rindeninitialen der Medianen, also die Initialen fiir den iibernachsten Wirte!, zu sehen sein. 1m transversalen Schnitt wiirde der abgebildete Vegetationspunkt der Abb. 1, IV entsprechen, Abb. 2 c liegt etwas friiher.

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werden. Zu diesen Versuchen eignet sich u. a. Berberinsulfat als Farbstoff. Das Fluorochrom steigt in den Keimpflanzen, von den en die Wurzel entfernt ist, mit dem Transpirationsstrom an. Nach einer ausreichenden Tingierung stellt man mit dem RasiermesserQuerschnitte durch die SproBspitze her bis ins Meristem hinein. An Orten der zukunftigen Nodien lassen sich jeweils zwei gegenuberliegende Strange beobachten, die im Querschnittsbild als hellgelb fluoreszierende, wenige Zellen umfassende Kreisflachen erscheinen. Die Lage dieser Kreisflachen dreht sich auf Grund der wirteligdekussierten Blattstellung von Epilobium von Wirtel zu Wirtel urn 90 0 • Die zur SproBachse und auch zur Querschnittebene schrag verlaufenden Verbindungsstrange zwischen den Nodien sind ebenfalls im AuflichtfluoreszenzMikroskop sichtbar. Es fragt sich nun, ob alle Zellen des Prokambiumstranges Abkommlinge der L-III-Zentralzellen darstellen, oder ob sich der Strang aus Abkommlingen von L- III und solchen von L-II zusammensetzt, wobei die letzteren zu Zellen des Leitgewebes umgestimmt werden. Eine eindeutige Entscheidung dieser Frage konnen die statischen Bilder, die die angewandte Untersuchungsmethode liefert, nicht geben. - Es sei an dieser Stelle lediglich darauf hingewiesen, daB die Bilder vom Prokambium der Blattprimordien und die vom Prokambium der SeitensproBanlagen sich in L-II unterscheiden. Beim SeitensproB liegen uber dem Prokambiumstrang in L-II schmale Zellen (Abb. 4, S), die in ihrer Lange den von den L-II-Zentralzellen abgegebenen Initialen entsprechen. Beim Prokambium der Blattprimordien treten dagegen im oben beschriebenen Stadium in L-II immer Zellen auf, die etwa halb so lang wie die benachbarten Zentralzellen oder die abgegliederten Initialen sind. - In dies em Zusammenhang sei noch eine Beobachtung bei den Primordien der Laub- und Keimblatter erwahnt. Der Prokambiumstrang fuhrt bei den beiden Blattarten bis an die Spitze und endet hier beim Laubblatt in einer Vorlauferspitze und beim Keimblatt in einer Hydathode (vgl. BARTELS 1960b und c). Der Verfasser neigt zu der Ansicht, daB sich die Prokambien der Blatter ausschlieBlich von L-III des Vegetationspunktes ableiten. Die exakte BeweisfUhrung steht allerdings noch offen. Die Vorstellung, daB sich ein wachs en des Gewebe an den benachbarten Zellen vorbeischiebt, erscheint zunachst ungewohnlich. Letztlich setzt aber jede bisherige Konzeption, die die Wachstumsvorgange der SproBspitze beinhaltet, ein derartig "gleitendes Wachstum" voraus. Es drangt sich in diesem Zusammenhang die Frage auf: Wie kommt es bei den neben- und iibereinanderliegenden, unterschiedlich wachsenden Zelldeszendenzen innerhalb einer Pflanze zu einer ganzheitlich protoplasmatischen Reaktion? Es diirften

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hierzu vermutlich die mit der Zellteilung gebildeten und in der neuen Zellwand liegenden Plasmorlesmen nicht ausreichen (vgl. STRUGGER 1956 und die dortigen Literaturhinweise). Wie aber korrespondieren die Protoplasten benachbarter Zelldeszendenzen miteinander? Werden sekundar neue Plasmodesmen gebildet und unterscheiden sich (liese in ihrem zeitlichen Auftreten und Aussehen von den primaren? Vielleicht kann die experimentelle Klarung dieser Frage helfen, den Verlauf der Zelldeszendenzen exakt aufzuzeigen.

Ferner kann immer wieder aus den Praparaten herausgelesen werden, daB der Prokambiumstrang der Blattanlage durch Zellreihen (Abb. 1, yom Stadium VI ab, P. V.) mit dem Prokambium der vorhergehenden SeitensproBanlage in Verbindung steht. Wenn man sich das gesamte Strangsystem riiumlich vorstellt und dabei die wirtelig-dekussierte Blattstellung von Epilobium beriicksichtigt, wird verstandlich, warum jeweils nur Teile dieses Systems in den Ebenen der Schnittpraparate zu erkennen sind. Wie weit und wie lange im Verlauf der weiteren Entwicklung die beiderseitigen Prokambiumstrange, die zu den Strangen der Blatter und den en der Seitensprosse fiihren, ihren urspriinglichen Zusammenhang iiber die L-III-Zentralzellen beibehalten, kann bisher noch nicht iibersehen werden. Die mit Fluorochromen durchgefiihrten und oben bereits erwahnten Anstiegsversuche zeigen an, daB diese Verbindungen in einiger Entfernung yom SproBscheitel nicht mehr vorhanden sind. Die L-III-Zentralzellen beteiligen sich auch am Aufbau des Markes. Vermutlich werden durch diese Tatigkeit die Prokambiumzellen mehr zur Peripherie gedrangt, und so konnten sie ihre friihere Beriihrung mit den L-III-Zentralzellen verlieren. Initialen fiir das assimilierende Gewebe der iiuBeren Rinde. 1m Stadium III der Abb. 1 liegen in L-II yom Scheitel des Vegetationskegels abwarts neben den Zellen des Prokambiumstranges solche, die sich durch eine groBere Langsachse von den Nachbarzellen unterscheiden. Diese Zellen (R in Abb. 1 und 2) stell en Initialen des assimilierenden Gewebes der auBeren Rinde dar und sind von der Entwicklung des Proembryos (BARTELS 1956) her bekannt. Diese Rindeninitialen werden mit der 7. Teilungsfolge von den Keimblattinitialen getrennt. Sie liegen, wie damals berichtet, zweireihig vor. Bis zum Keimungsbeginn ruht ihre weitere Entwicklung. Initialen fiir das Mesophyll. Nach einer kurzen Zeitspanne (etwa 80 bis 100 Stun den nach der Aussaat) sind Stadien des Vegetationspunktes anzutreffen, bei denen sich die Zentralzellen in JAI teilen und hierbei d e Initialen (M) fiir das Mesophyll der ersten Laubblatter (Primarblatter) (vgl. BARTELS 1960b) abgliedern (Abb. 1, IV; Abb. 2c). Wie beim Keimblatt (BARTELS 1956) sind fiir das Mesophyll jedes Blattprimordiums ebenfalls 2 Initialen, Abkommlinge von 2 Zentralzellen, angelegt. Diese Initialen liegen im transversalen Langsschnitt hintereinander und ihre Anzahl ist Flora, !ld. 149

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nur aus der Analyse einer Schnittserie zu erkennen. Die L-II -Zentralzellen stellen beim "reifen Embryo" Zellen der VII. Generation dar (BARTELS 1956), somit ist die Abgliederung der Mesophyllinitialen fur die Primarblatter ihr 8. Teilungsschritt. Erstes Internodium. 1m Verlalif der weiteren Entwicklung erscheint der gesamte Vegetationskegel starker gewolbt. Diese Formveranderung ist auf das Auftreten von neuen Zellschichten zwischen dem Keimblattnodium (K. N.) und den L-III-Zentralzellen (= P. N.) zuriickzufiihren (Abb. 1, IV). Hierin sind die erst en Anfange der Ausbildung des erst en Internodiums zu sehen, des Internodiums zwischen den Keim- und Primarblattern. Fast gleichzeitig sind auch in den L-III-Zentralzellen Teilungen quer zur SproJ3achse zu erkennen (Abb. 1, V), die zur Entfernung der L-IIIZentralzellen von dem Primarblatt-Nodium fiihren, denn es erscheinen sehr bald zwischen diesen Zentralzellen und diesem Nodium mehrere Zellschichten. Mit diesen Teilungen wird ein Meristem gebildet, das das Markgewebe mit aufbaut. Die Ermittlung der Zellteilungsfolgen muJ3 gesonderten Untersuchungen vorbehalten bleiben. SeitensproJ3anlage. Zum greichen Zeitpunkt (etwa 90 bis 110 Stunden nach der Aussaat) ist nunmehr das Anlegen der Seitensprosse zu beobachten. Hieran beteiligen sich die Zentralzellen aller drei Schichten durch entsprechende Zellteilungen (Abb. 1, VI; Abb.4). Die Abp gliederungen in L-II (9. Teilungsfolge) sind schmal und unubersichtlich und lassen eine eindeutige Aussage daruber, welche \~ Abb. 4. .Medianer Langsschnitt durch das Scheitel- von den vier Zentralmeristem nach dem 3. Nodium (median zum Keimblatt zellen dieser Schicht an und gleichzeitig zu den Blattprimordien des 3. Wirtels). der Bildung des SeitenDer Schnitt ist in der rechten und oberen Halfte der Symmetrieebene mehr zugeneigt. Die rechte SeitensproBspro13-Vegeta tionsanlage ist sichtbar. In L-II haben die SeitensproBzellen punktes beteiligt sind, (S) die gleiche Lange wie die L-II-Zentralzellen (L-II-Z) des Hauptvegetationspunktes. Der Zusammenhang der an Hand der vorliegenProkambien (P) von SeitensproB und Blattprimordien denPraparatenicht zu. laBt sich in der unteren rechten Bildecke nur andeutungsweise erkennen. Esmiissen noch weitere

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Musteranalysen von gescheckten Epilobium- Pflanzen, deren Blatthalften unterschiedlich gefarbt sind, ausgeftihrt werden, urn genauere Aussagen zu bekommen. ,Jedoch ist jetzt schon offensichtlich, daB die I.-II-Zentralzellen des Seitensprosses von den I.-II-Zentralzellen des Hauptsprosses abstammen. Ein gleiches Verhaltnis liegt zwischen den L-III-Abgliederungen und den I.-III-Zentralzellen des Seitensprosses vor. Eine Zellverbindung von diesen letzteren Zentralzellen zu denen in I.-III des Hauptsprosses und ferner zum Prokambiumstrang der vorhergehenden Blattprimordien wird immer wieder beobachtet. Allerdings sind diese Verbindungsstrange unregelmaBig und liegen schiefwinklig zu den Orientierungsebenen, so daB ihr Zusammenhang nur aus Schnittserien oder aus asymmetrischen Schnitten (Abb. 5) herauszulesen ist.

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Abb. 5. Ein desorientierter Liingsschnitt dureh das Scheitelmcristem nach dem 6. ~odium. Es ist dem Zufall zu verdanken, daB def asymmetrische Verlauf der Prokambiumverbindung zwischen L-III, der jiingsten und vorhergehenden Blattanlage, teilweise im Schnittpriiparat erfaBt wurde. Es sind auf der Abbildung zwei L-II-Zentralzellen, eine der L-IIl-Zentralzellen und die seitlichen Teile des Prokambiums (P) der jiingsten Blattanlage sichtbar. Ferner ist die Prokambiumverbindung (P. V.) yom jiingsten Blatthiicker zur Insertionsstelle des vorhergehenden Blattprimordiums zu sehen. Zu dieser Stelle fiihrt ebenfalls eine Zellverbindung von L-IIl-Z. Zum besseren Verstandnis sind die Prokambiumstrange nochmals herausgezeichnet.

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Zweites Internodium. Nach Ausbildung der Seitenspro13analage setzt bei den Mesophyll-, Rinden- und Prokambium-Initialen eine Zellvermehrung ein, die dem Vegetationskegel im Schnittbild das Aussehen eines Trapezes gibt (Abb. 1, VI; Abb. 6). Daneben setzen unter den basalwarts gerichteten Abkommlingen von L- III quer zur Spro13achse Teilungen ein. Dadurch riickt das Nodium der Primarblatter weiter zur Basis des Vegetationskegels. Ebenso ergeht es dem Prokambiumstrang des Seitensprosses (Abb. 1, VII). Mit diesen Zellteilungen beginnt die Ausbildung des zweiten Internodiums, des Spro13abschnittes zwischen dem ersten nnd zweiten Laubblattpaar. L-][-Z 11

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Abb. 6. Medi,tllcr Langsschnitt durch ('as Scheitelmcristcm nach clem G. ~odillm. ])m Schnitt ist wiederum in seiner rechten oberen Hiilfte der Symmetrieebene mehr zugeneigt. Neben den zwei L-II-Zentralzellen (L-II-Z) sind auf der rechten Seite zwei Mesophyll-(M) und frokambiuminitialen (P) zu erkennen. Auf das Vermehrungswachstum dieser Initialen in L- II und L- III ist die abgeflachte Form des Vegetationskegels zuriickzufiihren. An der Stelle, an der der Prokambiumstrang (P) mit der Epidermis zusammentrifft, wird sich im Verlauf der weiteren Entwicklung die Spitze des Blattprimordiums erheben. - Der Schnitt liegt schiefwinklig zur Symmetrieebene, so daB die entsprechenden Initialen der linken Halfte auf den Nachbarschnitten liegen.

Nachdem die L-III-Zentralzellen die Initialen fiir dieses Internodium in Richtung auf die Basis abgegeben haben, hat das Scheitelmeristemim rhythmisch wiederkehrenden Ablauf der Zellteilungen die Konfiguration (Abb. 1, VII) eingenommen, die erstmalig wahrend der Embryoentwicklung auftritt. In der Abb. 1 ist diese erste Ausgangsstellung als Stadium I dargestcllt. 1st das Stadium VII (Abb. 1) crreicht, verharren die Zentralzellen aller drei Schichten eine langere Zeit in der eingenommenen Konfiguration, indessen setzen lebhafte Teilungen bei den abgegliederten Zellen ein. Diese Wachstumsvorgange fiihren schliel3lich zur Hervorwolbung und Aufrichtung der Blattprimordien (Abb. 1, VIII; BARTELS 1960b). Zur Epidermis. Den Zellteilungen in L-I ist bei den vorliegenden Untersuchungen nicht geniigend Beachtung geschenkt worden, urn die

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Entwicklung der Epidermis abschlieBend beschreiben zu kiinnen. Es solI deshalb nur folgendes tiber das AbschluBgewebe gesagt werden: Nach den sHindig gleichen Bildern in den jeweils periodisch wiederkehrenden Entwicklungsstadien, liegt die Vermutung nahe, daB auch dil:) Epidermis durch die rhythm is chen Abgliederungen der L-I-Zentralzellen Impulse zur Gestaltung erhalt. Es konnten in L-I nur anti kline Teilungen beobachtet werden. Da die aufeinanderfolgenden Abgliederungen der L-I -Zentralzellen meristematisch bleiben, kommen innerhalb der epidermal en Schicht Zellgruppen neb eneinander zu liegen, die sich in der Generationsfolge durch den anfanglichen Teilungsschritt weiterhin unterscheiden. Diese Uberlegung erscheint im Hinblick auf das Verstandnis ftir die weitere Blattentwicklung (BARTELS 1960b) an dieser Stelle angebracht. Rhythmische Entwicklungsperioden. Die in Abb.1 aus der transversalen Ebene dargestellten und im Vorhergehenden beschriebene Entwicklung wiederholt sich im weiteren Wachstumsverlauf periodisch. Der Vegetationskegel erscheint allerdings mit zunehmender Wirtelzahl starker gewiilbt. Bis zum Primarblattwirtel wirken sich die breiten Insertionsstellen der Keimblatter formgebend auf den Vegetationspunkt aus, dadurch tritt dieser sehr flach in Erscheinung. Derartig unterschiedliche Formen bedingen wohl, daB die Abgliederungsprozesse in alteren Vegetationskegeln leichter zu erkennen sind als innerhalb der ersten Wirte!. 1m Hinblick auf die wirtelig-dekussierte Blattstellung von Epilobium hirsutum kiinnen dieselben Perioden der beschriebenen Abgliederungsprozesse auch in der Medianen beobachtet werden, nur laufen hier die Prozesse mit einer zeitlichen Verschiebung gegentiber denen in der Transversalen abo In der Abb. 1 ist versucht worden, die Phasenverschiebung innerhalb der ersten Plastochrone darzustellen. Wahrend in der Transversalen die Initialen flir das Mesophyll abgegeben werden (Abb. 1, IV), sind es in der urn 90 0 gedrehten Orientierungsebene die Rindeninitialen (Abb. 1, II'). In der Medianen verharrt dann das Scheitelmeristem. Der Schwerpunkt des Teilungswachstums liegt nunmehr in der Transversalen. Ungefahr von Stadium VII ab verhiilt auch hier das Scheitelmeristem und cine auBerst aktive Teilungstatigkeit ist bei den abgegliederten Initialen zu erkennen. Dadurch kommt es zur Hervorwiilbung der Primordien der Primarblatter. Erst hiernach setzt in der Medianen innerhalb des Scheitelmeristems die Weiterentwicklung ein (Abb.1, IV'). Die beschriebene Phasenverschiebung der Zellteilungen in der Transversalen zu denen in der Medianen wurde sehr hiiufig angetroffen, jedoch darf dieses Verhiiltnis nicht als konstant angesehen werden. In Zeiten optimalen Wachstums sind Pausen im Teilungsgeschehen kaum wahrzunehmen, so

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daB die Abgliederungen dicht aufeinanderfolgen. Dadurch kann es zu Abweichungen von den in Abb. 1 beschriebenen Verhaltnissen kommen. Ebenso variabel ist auch das Verhaltnis des Zustandes der Zentralzellen von L-l, L- II und L- III zu den Entwicklungsstadien der abgegliederten Meristeme, der Organe oder Teilen von diesen in derselben Schnittebene, also z. B. zur Entwicklung der Blattprimordien (Abb. 7). Obwohl die beschriebenen Zuordnungen haufig anzutreffen sind, kann man nur sagen, daB lediglich die Reihenfolge der Abgliederungen beim normal verlaufenden Wachstum konstant ist.

Abb. 7. Liingsschnitt rlurch eincn optimal wachs end en Yegetationskegel. DBf Schnitt liegt in der Keimblattmediane. An der unteren Bildkante sind rechts und links die Insertionsstellen (6. ~.) der Blatter des 6. Wirtels zu sehen. Diese Blattchen liegen iiber und unter der Bildebene. - Die Blattprimordien des 7. Wirtels richten sich gerade auf, die weniger weit entwickelten des 8. Wirtels liegen wiederum vor unrl hinter der Bildebene. Am Scheitel in L-II liegen aber schon neben den Zentralzellen (L-II-Z) die Mesophyll- (M), Prokambium- (P), Rind€ll- (R) und SeitensproB-InitiaJen (S) des 9. Wirtels VOL

Der Vegetationspunkt als raumliches Gebilde. Wie den obigen Ausfuhrungen zu entnehmen ist, steUt das Scheitelmeristem bei Epilobium hirsutum ein dreischichtiges, die Entwicklung des Sprosses beherrschendes Zentrum dar. Von diesem Zentrum werden die Initialen abgegliedert, deren meristematische Tatigkeit zum Aufbau des Sprosses fuhrt. Der Vegetationskegel erscheint also in unserer raumlichen Vorstellung als ein Gebilde, daa von Zelldeszendenzen durchzogen wird, die vom Scheitelmeristem ihren Ausgang nehmen. Die von den L- I - und L-II-Zentralzellen ausgehenden Deszendenzen bilden geschlossene, mantelformige Schichten. Da fur die erst en 8 Wirtel bei L-II eine konstante Konfiguration von 4 Zentralzellen

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Zur Entwicklllng der Keimpflanze von Epilobillln hirsutllm. 11.

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aufgezeigt ist, laBt sich der L- II -Mantel in 4 Sektoren aufgliedern, an deren Spitze jeweils eine Zentralzelle liegt. Die Prokambiumstrange, die von den L-III-Zentralzellen ihren Ausgang nehmen, durchziehen dagegen den Vegetationskegel nur als Radien. Die Zwischenraume werden durch die Tatigkeit meristematischer Zellen, die an der Basis des Kegels liegen, ausgefiillt. Uber die Herkunft dieses basalen Meristems konnen noch keinerlei Angaben gemacht werden. Seine Tatigkeit tritt ebenfalls bei der Entwicklung der Laubblattprimordien (BARTELS 1960b) deutlich in Erscheinung. N ach der vermittelten Vorstellung wird verstandlich, wie schwer es ist, einzelne Schnitte so zu orientieren, urn in ihnen das Vermehrnngswachstum zu beobachten. Bei diesen Uberlegungen ist ferner in Betracht zu ziehen, daB die Zellteilungsvorgange innerhalb der einzelnen Meristeme nicht synchron ablaufen. Auf diese Weise kommt es im Vegetationskegel zu weiteren Dehnungen und Verschiebungen, in deren Verlauf die ZeHvermehrung nicht in den angenommenen Orientierungsebenen vor sich geht. Mit gelegentlichen "medianen Schnitten" allein ist das Geschehen am Vegetationspunkt kaum zu erfassen. Hierzu ist die Zusammensetzung der Schnittserie zu einem raumlichen Ganzen notwendig. Liegen die Schnitte annahernd parallel zu den Orientierungsebenen, wird die Beobachtung, namentlich bei einer wirtelig-dekussierten Blattstellung, zwar wesentlich erleichtert; eine zuverlassige Aussage ergibt sich aber nur, wenn sie sich auf das raumliche Ganze bezieht. - Abb. 8 soIl helfen, obige Ausfiihrnngen zu veranschaulichen. In der Abbildung sind 4 Schnitte einer vollig desorientierten Schnittserie wiedergegeben. Allein ist jeder Schnitt nicht zu deuten; erst zu einem raumlichen Gamen geordnet, wie es in der dazugehOrigen Legende geschieht, sind die einzelnen Elemente von L- II deutlich zu analysieren. Die Betrachtungen tiber die Langsschnitte konnen entsprechend auch tiber die Querschnitte angestellt werden. Nur wenige Zellwande fallen in die Querschnittebene oder stehen senkrecht zu ihr. Aus den Langsschnitten ist zu ersehen, daB fast aIle Zellztige spitzwinklig zur. Querschnittebene verlaufen; es herrscht zu dieser Ebene eine nahezu vollkommene Asymmetrie. Querschnittpraparate wurden deshalb im Rahmen der vorliegenden Arbeit nur in gering em Umfang zur Auswertung herangezogen. Lediglich wenn ein Entwicklungsstadium erreicht ist, in dem die vier L-II-Zentralzellen nach einem Abgliederungsturnus wieder in ihrer Ausgangssituation verharren, ist ein Querschnitt durch den Vegetationspunkt zu tibersehen und kann die bisherigen Aussagen wertvoll erganzen. Dieses Stadium ist in Abb. 9 wiedergegeben und tritt jeweils im Abstand eines Plastochrons immer erneut auf.

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Zur Entwicklung der Keimpflanze von Epilobium hirsutum. II.

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Abb. 9. Querschnitt durch einen Vegetationskegel nach dem 3. Wirte!. Der vorhergehende Schnitt enthiilt das AbschluBgewebe (Epidermis) des Scheitels. Auf dem abgebildeten Praparat sind die vier L-II-Zentralzellen in der Mitte des Bildes deutlich zu erkennen. Das Scheitelmeristem hat gerade wieder seine Anfangssituation erreicht.Die iibrigen Entwicklungstendenzen sind nicht deutbar, da die Meristeme in nnregelmaBig gebogenen Schichten znr Schnittebene liegen.

Zusammenfassung Bei den Keimpflanzen von Epilobium hirsutum liegt ein dreischichtiges Scheitelmeristem vor, das sich aus den Zentralzellen von L- I, L-II und L-III zusammensetzt. Dieses Scheitelmeristem beherrscht die Entwicklung des Sprosses. Von den L-I-Zentralzellen leitet sich durch anti kline Teilungen die Epidermis abo Die L-II-Zentralzellen teilen sich ebenfalls nur antiklin. Diese Zentralzellen, die bei normal entwickelten Pflanzen stets in einer Anzahl von vier vorliegen, gliedern in kontinuierlich wiederkehrender Reihenfolge Initialen ab: Fur das assimilierende Gewebe der au13eren Rinde, fur das Mesophyll und fUr die L- II-Zentralzellen des SeitensprO'Sses. In der Zellteilungsfolge liegen zwischen dem Mesophyll aufeinanderfolgender Blattwirtel drei Zellgenerationen.

Abb.8. Vier Schnitte (a-d) aus einer Langsschnittserie durch das Scheitelmeristem. Wie aus den abgebildeten Teilen der Keimblatter zu sehen ist, liegt die Schnittebene znr Medianen und auch znr Transversalen schiefwinklig. AuBerdem lassen die Zellen des hypocotylen Zentralzylinders erkennen, daB auch die 3. Symmetrieebene des Raumes schiefwinklig geschnitten wird. Trotz dieser vollkommenen Asymmetrie kiinnen beim Mikroskopieren der Praparate die Elemente von L-II analysiert werden. Selbst aaf den Aufnahmen kann man in a) auf der linken Seite Rindeninitialen (R) erkennen, in b) kommen einige der zweireihig angelegten Mesophyllinitialen (M) und Zentralzellen (L-II-Z) hinzn. In c) sind neben weiteren Mesophyllinitialen (M) und L-II-Zentralzellen noch Prokambiumelemente (P), in d) einige Abgliederungen (->-) in die dekussierte Richtnng zu sehen. Auf den Abbildungen sind nur die Zellen der linken Halfte des Vegetationspunktes sichtbar. Die Abgliederungen der anderen Halfte liegen in den vorhergehenden Schnitten der Seri9.

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FRITZ

BARTELS,

Zur Entwicklung del' Keimpflanze von Epilobium hiTSutum. IT.

Von den L- III -Zentralzellen werden das Blatt- und SeitensproBprokambium und das dazwischenliegende Markgewebe der Nodien und Internodien durch antikline und perikline Teilungen angelegt. Eine Diskussion der Ergebnisse ist einer folgenden Publikation (BARTELS 1960 c) vorbehalten.

Literatur ASKANASY, E., 1880. Uber eine neue Methode, urn die Verteilung der Wachstumsintensitiit in wachsenden Teilen zu bestimmen. Verh. naturhist. med. Ges. Heidelberg, II, 1, 70-153. - BARTELS, F., 1956. Zur Entwicklung der Keimpflanze von Epilobium hisutum I. Die im Proembryo ablaufenden Zellteilungen bis zum beginnenden "herzformigen Embryo". Flora 144, 105-120. - Ders. Zur Entwicklung der Keimpflame von Epilobium hirsutum. III. Wachstumstendenzen, die zur Entwicklung eines Laubblattprimordiums und eines Keimblattes fiihren. Flora 149, 225-242. - Ders., 1960c. Zur Entwicklung der Keimpflanze von Epilobium hirsutum. IV. Der Nachweis eines Scheitelzellenwachstums. Flora (In Vorbereitung). - BUDER, J., 1928. Der Bau des phanerogamen SproBvegetationspunktes und seine Bedeutung flir die Chimiirentheorie. Ber. Dtsch. Bot Ges. 46,20-21. - ESAU, K., 1953. Plant Anatomy. New York-London.-GUTTENBERG, H. v., 1948. Studien iiber die Entwicklung des Wurzelvegetationspunktes der Dikotyledonen. Plant a 35,360-396. - Ders., 1955. Histogenetische Studien am Cupressus sempervirens L. und Casuarina distyla VENT. Oster. Bot. Zschr. 102, 420-435. - KOCH, L., 1893 Die vegetative Verzweigung der hOhere Gewiichse. Jahrb. wiss. Bot. 25, 380-488. - MICHAELIS, P., 1950. Grundziige der intraindividuellen Plasmon-Umkombination. Protoplasma 39,260-274. - D ers., 1955. Plasma-Vererbung. Handb. d. Pflanzenziicht. 2. Aufl., Bd. I, 140-175. Verlag Paul Parey. - D ers., 1957. Genetische, entwicklungsgeschichtliche und cytologische Untersuchungen zur Plasmavererbung. II. Mitteilung. Uber eine Plastidenmutation mit intracellularer Wechselwirkung der Plastiden, zugleich ein Beitrag zur Methodik der Plasmonanalyse und zur Entwicklungsgeschichte von Epilobium. Plant a 50,60-106. - D ers., 1958. Cytoplasmic inheritance and the segregation of plasmagenes. Proc. X Int. Congo Genetics, Vol. I, 375-385. NAGELI, C., 1858. Das Wachstum des Stammes und der Wurzel bei den GefiiBpflanzen und die Anordnung der GefiiBstr~nge im Stengel. Beitr. Z. wiss. Bot., 1. Heft, 1858. SATINA, S., and BLAKESLEE, A. F., 1941. Periclinal chimeras in Datura stramonium in relation to development of leaf and flowers. Amer. J. Bot. 28, 862-71. ~ SCHUEPP, 0., 1926. Meristeme. Handb. d. Pflanzenanatomie. Bd. IV, I. Abt./2. Gebr. Borntraeger, Berlin. - SCHMIDT, A., 1924. Histologische Studien an phanerogam en Vegetationspunkten. Bot. Arch. 8, 345-404. - STRUGGER, S., 1949. Praktikum der Zell- und Gewebephysiologie der Pflanze. 2. Aufl. Berlin 1949. - D ers., 1956. Der elektronenmikroskopische Nachweis von Plasmodesmen mit Hilfe der Uranylimpriignierung an Wurzelmeristemen. Protoplasma 48,231-236. - THIELKE, CH., 1954. Die histologischc Struktur des SproBvegetationskegels einiger Commelinaceen unter Beriicksichtigung panaschierter Formen. Planta 44, 18-74. - WOLFF, C. F., 1759. Theoria generationis. Halae.

Anschrift des Verfassers: Dr. FRITZ BARTELS, Koln-Vogelsang, MaxPlanck-Institut flir Zlichtungsforschung.