über die unterschiedliche Antimitotica-Empfindlichkeit

B. HACCIUS
2 0 6
über die unterschiedliche Antimitotica-Empfindlichkeit der Zellen
noch undifferenzierter Embryonen von Eranthis hiemalis
Von
B a r b a r a H a c c iu s
Aus dem Botanischen Institut der Universität Mainz
(Z. Naturforsdig. 14 b. 206— 209 [1959] ; eingegangen am 7. Oktober 1958)
In noch ungegliederten Embryonen von Eranthis hiemalis beobachtet man eine vom Apex zum
Suspentor hin fortschreitende Zunahme der Zelldifferenzierung. Die großkernigen apikalen Zellen
werden durch geeignete IPC-Lösungen oder andere Antimitotica irreversibel geschädigt, während die
kleinkernigen, aber ebenfalls noch vollmeristematischen basalen Elemente fähig sind, sich zu erholen
und nach einiger Zeit die Teilungstätigkeit wieder aufzunehmen. Dabei entwickeln sich organisierte
Neubildungen in Form von seitlich herauswachsenden, mehr oder weniger normal gestalteten AdventivEmbryonen. Die Vergleichbarkeit der geschilderten Verhältnisse an Keimen mit denjenigen an anti­
mitotisch beeinflußten Sproß- und Wurzelvegetations-Punkten wird diskutiert.
In früheren Veröffentlichungen1 haben wir über
die Regenerationsleistungen junger Embryonen von
Eranthis hiemalis berichtet. Setzt man die noch un­
differenzierten Keime einige Zeit der Einwirkung
von antimitotisch wirksamen Substanzen (Colchicin.
Maleinhydrazid, Isopropyl-ZV-phenylcarbamat) oder
von Röntgenstrahlen (2000 —4000 r) aus, dann
beobachtet man, daß sich nach einer gewissen Latenz­
zeit bevorzugt am basalen, aber auch am apikalen
Ende des ursprünglichen Embryos organisierte Neu­
bildungen in Form von einem oder mehreren em­
bryonalen Auswüchsen oder von normal gestalteten
Adventiv-Embryonen entwickeln. Werden die Keime
später, d. h. nach Anlegung der Kotyledonen mit den
gleichen Substanzen behandelt, dann vermögen sie
nicht mehr zu regenerieren, sondern bleiben irrever­
sibel geschädigt.
Nachdem die ersten Versuchsserien bereits gezeigt
hatten, daß die einzelnen Bereiche der jungen Keime
auf die experimentell gesetzten Noxen verschieden
reagieren, wurden weitere Untersuchungen über den
bevorzugten Entstehungsort der Adventiv-Bildungen
angestellt. Über die Ergebnisse soll im folgenden
berichtet werden.
weiter, bis sie zu Beginn des Auskeimens (Anfang De­
zember) die 20-fache Länge erreicht haben.
Anfang Mai 1958 wurden, ebenso wie früher, frisch
geerntete Samen zu je 200 Stück viermal 24 Stdn. in die
Behandlungslösungen gelegt, gewaschen und in Blu­
mentöpfe ausgesät. Es wurden die gleichen Substanzen
wie im Vorjahr verwendet: Reines Isopropyl-A^-phenylcarbamat (IPC) und Maleinhydrazid (MH) als Natrium­
salz. Die angewandten Konzentrationen waren: IPC
0,2% und 0,1%; MH 0,1% und 0,05 Prozent.
In Abständen von 3 Tagen wurden je lOSamen ent­
nommen und die Embryonen nach teilweiser Freilegung
histologisch untersucht (Fixierung nach P e t r u n k e w i t s c h ,
J o h a n s e n 3,
S. 41; Färbung mit Hämatoxylin nach
D e l a f ie l d ) .
Da die unterschiedliche Empfindlichkeit der Embryo­
zellen nach IPC-Anwendung am ausgeprägtesten in Er­
scheinung trat, wird im folgenden in erster Linie über
die IPC-Effekte berichtet.
Ergebnisse
1. U n b e h a n d e l t e
Embryonen
Wie in früheren Publikationen2 näher ausgeführt
wurde, sind bei Eranthis hiemalis die Embryonen zur
Zeit der Samenreife (Ende April bis Anfang Mai) noch
ungegliedert. Sie entwickeln sich während der Sommer­
und Herbstmonate in den im Boden liegenden Samen
Die Embryoentwicklung höherer Pflanzen wird in
der Mehrzahl der Fälle durch eine zur Längsachse
der Zygote senkrecht verlaufende Querteilung ein­
geleitet. Dabei handelt es sich bekanntlich um eine
typisch inaequale Teilung ( B ü n n i n g 4) insofern, als
bei den beiden Tochterzellen die mit der Embryo­
sackwand in Berührung stehende, sogenannte basale
Zelle einen höheren Differenzierungsgrad aufweist
als die vollembryonal bleibende apikale. Die Inaequalität kann als die Folge von senkrecht zur Tei­
lungsrichtung verlaufenden stofflichen und strukturel­
len Gradienten in der Zygote angesehen werden.
1 B. H a c c iu s , Naturwissenschaften 44, 18 [1957]; Beitr. Biol.
Pflanzen. 34,3 [1957].
2 B. H a c c iu s , Planta 41, 439 [1953]; Experientia [Basel]
11, 149 [1955]; Nature [London] 176, 355 [1955].
3 D. A. J o h a n s e n , Plant Microtechnique, New York u. Lon­
don 1940.
4 E. B ü n n in g , Polarität und inäquale Teilung des pflanzlichen
Protoplasten. Wien 1957.
Material und Methoden
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ANTIMITOTICA-EMPFINDLICHKEIT DER ZELLEN UNDIFFERENZIERTER EMBRYONEN
Auch im Verlauf einer Reihe weiterer Teilungen
bleibt die ursprüngliche Polarität in Form einer vom
Apex zum Suspensor fortschreitenden Zunahme der
Zelldifferenzierung erhalten. Erst mit Beginn der
Organbildung, d. h. mit der Anlegung von Sproß-,
Blatt- und Wurzelvegetations-Punkten, werden die
Polaritätsverhältnisse komplizierter.
In Abb. 1 * ist ein Eranthis -Embryo zur Zeit der
Samenreife ( = Behandlungsstadium) wiedergegeben.
Er ist etwa 0,1 mm lang, bimförmig und geht in
einen aus mehreren Reihen stark vakuolisierter Zel­
len zusammengesetzten Suspensor (S) über. Im
eigentlichen Embryokörper sind Zellen mit großen,
locker strukturierten Kernen von solchen mit kleine­
ren und stärker chromophilen Kernen zu unterschei­
den. Die ersteren, die in ihrer Struktur mehr der
Zygote und ihren Tochterzellen ähneln, überwiegen
im apikalen und zentralen Bereich des Embryos,
während es sich bei den letzteren um die in der zytologischen Differenzierung fortgeschritteneren, an den
Suspensor angrenzenden basalen Zellen handelt.
Beim Vergleich einer größeren Anzahl von Schnitten
gewinnt man den Eindruck, daß die Teilungsaktivi­
tät der kleinkernigen Zellen derjenigen der großker­
nigen zumindest gleicht.
Der nächste, bereits im ausgefallenen Samen statt­
findende Entwicklungsschritt ist charakterisiert durch
eine die Anlegung der Cotyledonen einleitende er­
höhte Teilungstätigkeit in den peripheren Partien
des apikalen Embryo-Bereichs (Abb. 2). Dadurch,
daß sich in dessen Zentrum eine Gruppe von weni­
gen, extrem großkernigen Zellen (Z) relativ teilungs­
träge verhält, entsteht eine von einem Ringwall um­
gebene zentrale Depression des Embryoscheitels. Sie
stellt das eigentliche Achsenende dar, den späteren
Sproßvegetations-Punkt.
Das Streckungswachstum des Embryos erfolgt ganz
überwiegend im Bereich der gemeinsamen Basis der
Cotyledonen, wodurch eine lange, von einem sehr
engen Spalt durchzogene Cotyledonar-Scheide ent­
steht. Obwohl die Wurzelspitzen bereits Anfang De­
zember aus den Samen geschoben werden, entfalten
sich die Keimblätter frühestens im Februar des fol­
genden Jahres.
Während der gesamten Embryo- und Keimlings­
entwicklung vergrößert sich die Zellgruppe des
Sproßvegetations-Punktes (Z) nur ganz geringfügig.
* Abb. 1 -12 s. Tafel S. 208 a u. b.
207
Ihre wenigen, fast isodiametrischen Zellelemente
heben sich durch ihre sehr großen und wegen ihrer
geringen Färbbarkeit wie „leer“ erscheinenden
Kerne immer deutlicher von der Umgebung ab. Vegetationspunkt-Zellen gleicher Bauart sind von meh­
reren Autoren für verschiedene Dikotylenembryonen
beschrieben worden (vgl. S e n g h a s 5) . R a u h und
R e z n i k 6 haben sie als „Zentralzellen“ bezeichnet,
ein Ausdrude, den wir im folgenden übernehmen
wollen.
Die Ausbildung eines vielzelligen Vegetations­
kegels und die Entfaltung des ersten Laubblattes
vollziehen sich erst im nächsten auf die Keimung fol­
genden Jahr. Im dritten Jahr entwickeln sich wei­
tere Laubblätter.
2. M i t I P C - L ö s u n g e n b e h a n d e l t e
Embryonen
Die Abb. 3 bis 12 stellen Längsschnitte durch
verschieden alte Embryonen dar, die vom 16. bis
20. Mai der Einwirkung von IPC-Lösungen (0,2%
und 0,1%) ausgesetzt waren. In der Zeit vom 9. bis
12 . Tag nach der IPC-Applikation werden die ersten
Anomalien sichtbar. Während bei den Kontrollen
die Vorwölbung der Cotyledonar-Anlagen einsetzt
(Abb. 2 ), vergrößert sich die Mehrzahl der behandel­
ten Keime zwar ebenfalls, aber weniger auf Grund
von Zellteilungen, sondern infolge immer deutlicher
werdender abnormer Veränderungen der einzelnen
Zellen (Abb. 3 bis 6 ).
Bei einem Teil der geschädigten Embryonen
(Abb. 4) degenerieren sämtliche Zellen, soweit sie
nicht nekrotisieren, zu mehr oder weniger abgerun­
deten, stark vakuolisierten Gigas-Formen mit schwach
gefärbten, überdimensionierten oder sonstwie anomal
gestalteten Kernen.
Gelegentlich findet man den ganzen apikalen Be­
reich des Embryokörpers abgestorben, während die
Zellen des basalen Abschnitts und des Suspensors
die geschilderten degenerativen Veränderungen auf­
weisen (Abb. 3).
Wie aus den Abb. 5 und 6 hervorgeht, kann die
Schädigung auch weniger weit um sich greifen. Dann
bleiben die Gigas-Zellen und die anderen Anoma­
lien auf den apikalen Abschnitt beschränkt, während
die Zellen in Richtung auf den Suspensor hin zu­
nehmend normaler erscheinen.
5 K. S e n g h a s , Beitr. Biol. Pflanzen 33, 85 [1956].
6 W. R a u h u . H. R e z n i k , Beitr. Biol. Pflanzen 29, 233 [1953].
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B. HACCIUS
208
Die Befunde lassen sich dahingehend deuten, daß
am noch undifferenzierten Embryo (Behandlungs­
stadium) eine vom Suspensor zum Embryoscheitel
hin fortschreitende Zunahme der Antimitotica-Emp­
findlichkeit der Zellen bestanden hat.
3.
W e iterentwick lung und
W i e d e r h e r s t e l l u n g der g e s c h ä d i g t e n
Keime
Im Juli, also etwa 2 Monate nach der IPC-Applikation, setzt bei der Mehrzahl der leicht bis mittel­
stark geschädigten Keime erneut eine lebhafte Tei­
lungstätigkeit ein und zwar, wie nach dem Voraus­
gegangenen zu erwarten ist, vorwiegend im basalen
Abschnitt des Embryokörpers. Hier entstehen, zu­
nächst noch unorganisiert erscheinende, aber rasch
sich weiterentwickelnde Komplexe normalen Gewe­
bes (Abb. 7 und 8 ).
Im August beobachtet man dann bei einem Teil
dieser meristematischen Auswüchse aus typischen
Zentralzellen bestehende Sproßvegetations-Punkte
und Cotyledonen (Abb. 9 und 10 ). Diese mehr oder
weniger normal gestalteten Adventiv-Embryonen
wachsen rasch heran und bilden schließlich zugleich
mit der Ausdifferenzierung von Prokambialgewebe
einen eigenen allorhizen Wurzelpol aus (Abb. 11).
Bis zum Beginn der Keimung haben die regenerier­
ten fast die gleiche Entwicklungshöhe erreicht wie
die normal gewachsenen Keime.
Demnach übt die gleiche Noxe, die die apikalen
Zellen des noch undifferenzierten Embryos irrever­
sibel schädigt, im basalen Abschnitt nur eine vor­
übergehende Hemmwirkung aus. Die in diesem Be­
reich überwiegend kleinkernigen und sehr teilungs­
aktiven Zellen sind nach einer gewissen Latenzzeit
wieder erneut teilungsfähig. Das dabei entstehende
Meristem ist fähig, sich in einer Art von Regulations­
prozeß zu einem neuen vollständigen Embryo zu
organisieren.
In einzelnen Fällen werden nach IPC-Anwendung
auch teilgeschädigte Keime mit scheitelständigen Adventiv-Bildungen (Abb. 12) beobachtet. Wir vermuten, daß
es sich hierbei um Embryonen handelt, bei denen zum
Zeitpunkt der Wirkstoff-Applikation die Vorgänge der
Cotyledo-Differenzierung bereits durch das Auftreten
kleinkerniger Zellgruppen im apikalen Bereich eingelei­
tet waren. Einzelheiten werden wir nach Abschluß der
diesbezüglichen Untersuchungen berichten.
7 B.
H
a c c iu s ,
Beitr. Biol. Pflanzen 34, 3 [1957].
Wie wir früher 7 ausführlicher dargestellt haben,
verhalten sich Embryonen, die am Behandlungster­
min bereits Zentralzellen und junge Keimblattprimordien besaßen, den antimitotischen Einwirkungen
gegenüber grundsätzlich anders als die noch undif­
ferenzierten Keime. Die stärker vakuolisierten und
in der Streckungsphase befindlichen Elemente der
Cotyledonar-Scheide und der Keimachse bleiben irre­
versibel verändert, während die zur Behandlungszeit
noch vollmeristematischen und eine lebhafte Tei­
lungstätigkeit aufweisenden Spitzen der CotyledonarAnlagen in einzelnen Fällen durch nachträgliches
ungeordnetes Proliferieren beweisen, daß ihre Zellen
die Schädigung zu überwinden vermochten. In kei­
nem Fall traten an nach feststellbarer Hervorwöl­
bung der Keimblattprimordien behandelten Keimen
organisierte Neubildungen auf.
Diskussion
1. Z u r F r a g e d e r V e r g l e i c h b a r k e i t v o n
E m b r y o g e w e b e m i t Sproß- u n d
Wurzelspitzen-Meristemen
Unsere Untersuchungen haben ergeben, daß bei
sehr jungen Eranthis-Embryonen die unmittelbar an
den Suspensor angrenzenden basalen Zellen durch
Behandlung mit IPC-Lösungen geeigneter Konzen­
tration nur vorübergehend gehemmt werden, wäh­
rend der apikale Bereich irreversibel degeneriert.
Sind diese Befunde vergleichbar mit an Sproß- und
Wurzelvegetations-Punkten gewonnenen Ergebnissen
über die cytologische Wirkung des IPC und anderer
Antimitotica8, wonach das Maximum der Schädi­
gung speziell die Teilungsgewebe der Vegetations­
spitzen betrifft?
Bekanntlich umfaßt der Begriff Teilungsgewebe
( = Meristeme) pflanzliche Gewebe verschiedenen
cytologischen Differenzierungsgrades und damit zu­
sammenhängend auch verschiedener Teilungsinten­
sität, ein Umstand, dem man (wenn auch unvollkom­
men) durch die Unterteilung in „voll- und halbmeristematische Gewebe“ Rechnung getragen hat.
Zweifellos handelt es sich bei den erholungsfähi­
gen, also (im Vergleich zu den apikalen) resistente­
ren basalen Zellen junger Keime um meristematische
Zellelemente. Sie sind zwar cytologisch differenzier­
ter, aber zumindest nicht weniger teilungsaktiv als
8 Literaturangaben in B.
3 [1957].
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H
a c c iu s ,
Beitr. Biol. Pflanzen 34,
B.
H
a c c iu s ,
Über die unterschiedliche Antimitotica-Empfindlichkeit der Zellen noch undifferenzierter Embryonen von Eranthis
hiemalis (S. 206)
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Zeitschrift für Naturforschung 14
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Abb. 1. Embryo von E. hiemalis zur Zeit der Samenreife.
Abb. 2. Embryo von E. hiemalis 3 Wochen nach der
Samenreife.
Abb. 3 u. 4. Vollgeschädigte Eranthis -Embryonen 3 Wochen
nach der IPC-Applikation.
Abb. 5 u. 6. Teilgeschädigte £Vflrc?/n‘s-Embryonen 3 Wochen
nach der IPC-Applikation.
Abb. 7 u. 8. Teilgeschädigte £Yern//u's-Embryonen 6 Wochen
nach der IPC-Applikation. Wiederaufnahme der Teilungs­
tätigkeit im basalen Abschnitt.
Abb. 9 u. 10. £Vön?/ns-Embryonen 9 Wochen nach der IPCApplikation mit jungen Adventiv-Embryonen.
Abb. 11. ErantAis-Embryo(R) 4 Monate nach der IPC-Appli­
kation mit vollständig ausgebildetem Adventiv-Embryo.
Abb. 12. Eranthis -Embryo 9 Wochen nach der IPC-Applika­
tion mit Adventiv-Bildungen an der Basis und am
Embryo-Scheitel.
Abkürzungen: S = Suspensor; Z = Zentralzellen.
Zeitschrift für Naturforschung 14 b. Seite 208 b.
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NOTIZEN
die (mehr der Zygote und ihren ersten Abkömmlin­
gen gleichenden) großkernigen apikalen Zellen.
Audi die Beobachtungen an zur Behandlungszeit
bereits etwas älteren Keimen weisen darauf hin, daß
in erster Linie teilungsintensive Bereiche nach einiger
Zeit die antimitotische Hemmung zu überwinden ver­
mögen.
Diese Feststellung widerspricht nur scheinbar dem
oben erwähnten Faktum, daß die Meristeme der
Vegetationsspitzen am empfindlichsten auf MitoseGifte reagieren. Unseres Wissens gibt es kaum ge­
nauere Angaben darüber, welche Bereiche der be­
kanntlich zonierten und aus Zellgruppen verschiede­
ner cytologischer Differenzierung zusammengesetzten
Vegetationskegel mehr und welche weniger geschä­
digt werden. Untersuchungen, die wir zur Zeit durch­
führen, machen wahrscheinlich, daß die Verhältnisse
an Sproßspitzen mit denjenigen an Embryonen
durchaus vergleichbar sind.
2. Z u r T e r m i n o l o g i e d e r b e o b a c h t e t e n
Neubildungen
Es bleibt noch zu diskutieren, ob die früher von
uns verwendete Bezeichnung „Regenerat-Embryonen“ für die geschilderten Bildungen zutreffend ist.
Auf den sicher besser passenden Ausdruck „Adventiv-Embryonen“ hatten wir zunächst verzichtet, weil
er bereits als Terminus technicus für die nicht-zygo9 E. Korschelt in Handwörterbuch d. Naturw., 2. Aufl.,
Jena 1933, S. 269.
10 Mitgeteilt auf der Tagung der Deutschen Botanischen Ge­
sellschaft in Kiel vom 1. bis 7. Sept. 1958.
209
tischen Embryosack- und Nucellus-Keime in Ge­
brauch ist.
Nach K o r s c h e l t 9 wird der Begriff Regeneration
als „die Fähigkeit der Organismen, verloren gegan­
gene Teile ihres Körpers zu ersetzen“ definiert. Bei
den in Frage stehenden Vorgängen an EranthisEmbryonen handelt es sich jedoch nicht um den
Ersatz von Organen, sondern um die vollständige
Wiederherstellung teilgeschädigter Keime dadurch,
daß ihre weniger empfindlichen Zellkomplexe zu
neuen, intakten Embryonen auswachsen.
W ir möchten daher vorschlagen, alle durch das
Vorhandensein von Cotyledonen und einer allorhizen
Primärwurzel als „echte Embryonen “ gekennzeichne­
ten nicht-zygotischen Bildungen als „Adventiv-Embryonen“ zu bezeichnen.
Nach R e in e r t 10 und S t e w a r d und Mitarb . 11
sollen auch in vitro gezüchtete Gewebe zur Ausbil­
dung von Adventiv-Embryonen bzw. „embryo-like
structures“ zu veranlassen sein. Diese verdanken ihre
Entstehung sicher tiefergreifenden Entdifferenzie­
rungs-Vorgängen als die schon länger bekannten, an
Organ-Explantaten, Gewebe-Kulturen und organi­
sierten Tumoren auf tretenden, homorhiz bewurzelten
„Adventiv-Sprosse“ . Eine sorgfältige nomenklatorische Unterscheidung beider Bildungen ist daher nötig.
Wir danken der D e u t s c h e n F o r s c h u n g s ­
g e m e i n s c h a f t für die Unterstützung der Unter­
suchungen.
11 E. C. Steward u . Mitarb., Nature [London]
[1958]; Amer. J. Bot. 45, 693 u. 705 [1958].
182, 828
NOTIZEN
Über die O-Methylierung von Alkoholen
m it Diazom ethan unter Borfluorid-Katalyse.
II. M itte ilung1
Von
E ugen M ü l l e r , M a rt in B a u e r
W o lfga n g R undel
und
Chemisches Institut der Universität Tübingen
(Z. Naturforschg. 14 b, 209— 210 [1959] ; eingegangen am 27. Februar 1959)
In der ersten Mitteilung1 haben M ü l l e r und R u n d el
über Versuche berichtet, Alkohole mittels Diazomethan
unter Katalyse mit Borfluorid-ätherat in die entspre­
chenden Methyläther überzuführen. Es gelingt so, die
betreffenden Methyläther in Ausbeuten von 70 —80%
zu erhalten. Ferner wurde über die ersten Versuche be­
richtet, auch Glykole in die Methyläther überzuführen.
Je nach der angewandten Menge Diazomethan liefern
Glykole Gemische von Mono- und Diäthern.
Die weitere Bearbeitung der katalysierten Methylie­
rung von Alkoholen setzten wir zunächst an Polyalkoho­
len fort. Dabei erweist sich erneut die gute Anwendbar­
keit unserer Methode. Propandiol-(1.3) (61%), Butandiol-(1.4) (66%), Pentandiol-(1.5) (67%), und Hexandiol-(1.6) (68%) lassen sich durch Anwendung eines
Diazomethan-Überschusses in guten Ausbeuten in die
entsprechenden Dimethyläther überführen, ohne daß
nennenswerte Mengen der Monomethyläther anfallen.
Sogar Glycerin kann man in ätherischer Emulsion in
seinen Trimethyläther mit einer Ausbeute von 73% ver­
wandeln. Gegen Ende dieser Reaktion tritt in geringem
Umfang Polymethylenbildung ein.
1 E. M ü lle r u. W. Rundel, Angew. Chem. 70, 105 [19ci8],
gilt als I. Mitteilung.
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