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Institut für Botanik und Mikrobiologie
KERNFORSCHUNGSANLAGE JOLICH
des Landes Nordrhein-Westfalen - e.V.
Phasenoptische Beobachtungen über
Vakuolisierungserscheinungen bei Allium cepa L.
von
Alfred Feldmann
Jül - 462 - 80 1966
Berichte der Kernforschungsanlage Jülich Nr. 462
Institut für Botanik und Mikrobiologie Jül - 462 - BO
Dok.: Cytoplosm - Radiation Effocts
Cytoplasm • Vocuolization
DK: 576.311 : 539.12.04
576.311.33
Zu beziehen durch: ZENTRALBIBLIOTHEK der Kernforschungsanlage Jülich, Jülich, Bundesrepublik Deutschland
Sonderabdruck aus Band LXII, 1966, Heft 4
PROTOPLASMA
Nicht im Handel
Unter besonderer Mitwirkung von R. Biebl, Wien, J. Brachet, Bruxelles, N. Kamiya, Osaka, H. Kinzel, Wien, A. Pischinger, Wien, und P. Sitte, Heidelberg Herausgegeben von K. Höfl er, Wien. und K.R. Porter, Cambridge/USA
Springer-Verlag/ Wien ·New York · Alle Rechte vorbehalten
Phasenoptische Beobachtungen über Vakuolisierungserscheinungen bei Allium cepa L.
Von
Alfred Feldmann Aus dem Institut für Botanik und Mikrobiologie der Kernforschungsanlage Jülich
Mit 17 Textabbildungen
(Eingegangen am 14. April 1966)
Einleitung
In einer neueren Arbeit ha1t Ur 1 (1%4) Lichtmikroskopi~ch sichthare Pla:smavakuolen bei Allium cepa beschrieben. Ur 1 weirs,t darauf hin, daß diese Vakuolen hinsichtlich ihrer Veriteilung und ·ihres Verhalten:s vid Ähnlichkeit mit dem Endop1asmaüschen Retikulum (ER) zei,gen. Er diskutiert auisführlich die Friage nach einer eventuellen Iden1tifät beider Struktuven, kommt jedoch zu delIIl Schluß, daß die Dimensionen 1der Vakuolen zu groß seien, UiID sie mi1t dem ER in Verbindung zu bringen.
Beveits vorher waven von Drawert und Mix (1%1/62) unter anaemben VerhäHnissen die gleichen Gehi1de bei M icrasterias und Allium beobachtet und als :s:ichtbare Elemente des ER 1g"edeutet wovden. Die gleichen Autoren berichteten (1%3) über elektronenop1ti,sch sichthare „intriaplasma,tische Vakuolen" bei Allium cepa. Sie teilen mit (S. 274), daß das Grurndplasma von größeren vakuolenarügen Gehi1den durchsetzt sein könne und daß hin und wi,eder sehr starke Aufblähungen :im Plasmaschlauch zu beobachten seien, d:ie Lichtmikroskopis·ch sich1tibaren kleineren Vakuolen entsprechen dürften. An anderer Stelle (S. 276) heißt es: „In Verbindung mit dem ER sind größere (Miitoch·ondriengröße und darüber) vakuolenartige Gebilde zu erkennen, di1e von einer einfacheren Membmn um:sdilOStSen werden."
Unabhängig von den Beobachtungen und der Deutung von Dr a wert und Mix nahm auch Jaro:sch (1%1) an, daß die von ihm in ausgepreßtem Characeen-Protoplasma ·gefundenen feinen schlauch- und blasenförmigen Vakuolen „ein durch Oberflä·chens1pannungskräfte umgewandeltes und beherrschtes ER darstellen." So 1 b er g und Ba 1 d (1 %2) und Honda et al. (1%4), die Triehome von Tahak bzw. Tomaiten untersuchten, vermuteten in dem heobachieten zytoplas.ma1t1i:s1chen Netzwerk viakuoLiiger Natur eine
318 A.Feldmann
lich:tmikroskopi,sch wahrnehmbare Erscheinungrsfo11m des ER vor s:ich zu haben. über das Auftmten ,intrap1asmaitiischer Schläuche und Ves.ikel bei Allium nach Rönt,genhestrahhmg be11ichtete 0 k y a r (1%5). In Kenntnis d,er Arbeit von Ja ros c h (1%1) und der von So lh e r.g und Bald (1964) schHeß.t auch Okyar auf „some relation w:ith the endoplasmat,ic veticm1um".
In jün.gsfor Zeit haben Url und Bolhar-Nordenkampf (1%5) weitere Beobach1trnrugen über intrapl1asma.t,i,s1che V1akuolen, die von den Autol'en kurz a1s „Schläuche" bezeichnet wel'den, bei Allium mitgeteilt. Auf Grund eines ausführlichen vergleichenden Stud:iums der eJekitronenmikl'oskop:ischen Literatur sehen es die Verfasser als ziemlich sicher an, daß es sich bei den Schläuchen um Teile des ER handdt. Bol 1h a r - No r 1d e nk am p f (1966) hat in einer weiter,en Veröffentlichung, die imit der F 1el'tigste11ung des Manuskriptes d,ieser Arhei1t ers1chien, inshesondere auf vermrutliche Hydl'atiionsvorgänge bei der Ausihi1dung der Pliaismaschläuche aufmerkisam gemacht. Er nimmt an, daß 1sich d:ie Permeabi1ifät der „unit membrane" de:s ER geäm.d•ert hat, wodurch eine Hydration und Vermehrung und damiit ein Sichtbarwerden ,der intrapl•a•smat,ischen Phase (IZP) möglich erscheine.
Die phasenoptiisch 1sich·tbal'en 1schlauch- und bläschenförmigen Vakuolen, die im nachfolgenden a1s irrtrapla:smaiti:sche Vakuolen bezeichnet we11dren, z·eigen recht vie1seitiige und bei sitrömendem Plasma auch stark wechselnde Formen. In jedem Falle aber handelt es S1ich um sehr 1aruffällige Strukturen, deren Auftreten einfach nicht zu ühevs.ehen iif;.t. Es über11a1scht daher, daß diese Plasimavakuolen eDS1t jertz.t be:s1chri,eben worden sind, zumal insbesondere ,di.e Zw~ebel ein klassisches Objekt der zellmorphologischen und insbesondere zellphy1S1iologischen Forechunig irst. EIS el'giibrt sich di1e Vemnufonig, daß besondere und relativ se1ten gegebene KonsteUa,tionen die UrrSachen für die Bildung intrap1aismatischer Vakuolen s1ind. Zweifellos liegen die Gründe zum überwiegenden Teil aber im technischen Bereich.
Im nachfolgenden we!'den weitere Beobachtungen über Auftreten und Erscheinun~formen intropla1Smatiischer Vakuolen be:i Allium cepa mi1tgeteilt. Es handelt .s;ich dabei um Befunde, die äm Rahmen ieyrtüiffiorphologischer und -physiologischer UnteDSuchungen an röntgenbestrah1ten Zw:iebelep1dermen gewonnen wuooen und über d:ie hier gesondert heriditet weooen soll.
Material und Methodik
Für die Untersuchungen wurde Zwiebelmater,ial von neun Handelssorten aus eigenem Anbau verwandt. Darüber hinaus mußten Zwiebeln unibek,annrter Sorten aus dem Angebot des Einzelihanrd.e1s mit herangezogen weroen.
Die Präp1aration erfolgte nach dem vron St r u.gg er (1949) entwickelten und inzwisdien allgemein eingeführfon V erfahren. Zur U nteDSuchung kamen nur Epidermen d·er Obe!'seite (KonkaviseHe) des dritten Schuppenblattes von ,auflen. Nach der Infiltration mit Leitungswasser wuooen die Oberepidermishäutchen zum Teil ·sofort freiipräpariert, auf Lei1tulJllgswaSJSCr .bestvahlt und ans1chließen<l auf fr~schem Leitungswasser aufbewahrt, zum anderen
Phasenoptische Beobachtungen über Vakuolisierungserscheinungen 319
Teil verblieben die E:pidermisteilsföckchen auf der Schuppe, deren Aufbewahrung bi,s zur Beobachtung 'in einer fouchtcn Kammer erfolgte. Zur Hcvstelhmg der Präparate diente Le:i1tungswas1ser.
Für die Besfrahlung wurde eine Gle:ichspannungs-Röntgenapparatur mi't einer Berylliullllfensiterröhre vom Typ Mö1d 150 Be, Eigenfilterwerit 2,5 mm Beryllium verwandt. Es wu11de ohne zusätzliche Filterun:g besfoahlt, da 1sich sorust bei der hohen Res1i1stenz der Zwiebeldauerzellen schon hei 1,7 mm Al-Fiilter Besitrah1ungiszeiten bis zu 8 Stunden erigeben hätten. Auf der anderen Seite ·ergab iSlich danms w1ieder der Nachteil, daß hei der Breiite des ungefilterten Strahlenrspektrums eine ,exakte Bestimmung ,der Do1sisleisümg nicht mög1ich war. Bestrahlt wul'de einheitlich hei 100 KV, 13mA und einem Focusiabstand von 11 cm. Unter diesen Bedingungen wuvde mit einer PTWWeichstrahlkammer eine Dooislei1s1tung von 18,7 Kr/min 1ge:mes:sen.
Die Beobachtungen wurden mit üinem Zei1s,s-Photomikroskop mit Mikroblitzeinrichtung durchgeführt. Um bei 1sfärkerer Vevgrößerung im Pha,senkontrast eine ,ausreichende Belichtung de1s Filmes zu erreichen, mußte mit l\faitcrial von 170 DIN Empfindlichkeit gearheitet wel'den.
Beobachtungen
Geistalt und Formwan1del d,er 1intrapla1smatischen Vakuolen unter verschiedenen Bedingungen
a) Röntgenbestrahlung isolierter Epidermen auf Wasser
Nach ,der Bestrahlung von Zwiebelepidermen auf Le:itungswasiser erfolgte im allgemeinen als enste morphologisch erkennbare Reaktion ein Einziehen der Plasmasfränge in den Plasmawandbelag. Anschließend kam die Plasmaströmung zum Erliegen. Mei:s1t wurden mit einer Erhöhung der Strahlendosis sy,sitrophi,sche Ballungen von Or,ganellen zu kleineren oder auch größeren Gru1ppen s1ichthar. Die nächsHolgende Schädigungsstufe war durch ein Abkugeln und Anschwellen der Mitochondrien und Leukoplasten gekennzeichnet.
Vornehmlich in dieser Phase, die etwa bei einer Doisi1s von 200 bis 300 Kr erreicht wurde, te:ilwe:ise ,aber auch schon früher, traten im Plasma der besfrahlten Zellen fast regelmäfög teil1s runrde, teils längliche, helle nicht kontras1tierte Komplexe auf, die in cihrer Größe und Form viel Ähnlichkeit mit abgekugdten und angeschwollenen Pl1astiden und Mitochondrien zeigten. Man hatte den Eindruck eines M.ischbildes von positivem und negativem Phasenkontrast und war versucht, Änderungen in der Lichtbrechung ,aufgequollener Origanellen für einen solchen optiischen Effekt verantwortlich zu machen. In Wirklichkeit handeHe es s'ich jedoch um eine der mannigfachen mor·phologis.chen Erscheinungsformen intraplaismaNscher V'akuohsierung (Abb. 1 und 2).
Das Auftreten dieser Vakuolen war, wie ,schon angedeutet, keineswegs an eine bestimmte Strahlendosis ,gebunden, wenn auch ein Bildung,smaximum eindeutig in jener zuvor charakteris1ierten Schädi,gungs:situfe lag. Bei stärkeren Graden der Stmhlenschädiigung, die vor allem durch eine ringförmige Vakuoli1sierung von P,liastiden und Mitochondrien gekennzeichnet
Protoplasma, Bd. LXII/! 22
320 A. Feldmann
warnn, konnten die hell brechenden Plaisma vakruolen bald nicht llUehr fos.tg.esfoUt werden, bei schwächeren .Str1ahlendosen nahm 1ihre I-läufi1gkeit zwar ab, aber gelegent1ich fanden si·e •sich auch noch be.i relativ schwachen Dosen
Abb. t und 2.
Abb. J. Kreisrunde, kleinblasige, hell kontrastierte intraplasmatische Vakuolen nach Röntgenbestral1lung auf H20 mit 299Kr, 10min nach Bestrahlungsende. Die Organellen sind abgekugelt und dunkel kontrastiert , teilweise auch bereits vakuolisiert
(Pfei le). Abb ildungsmaßstab: 1500: J. Abb. 2. Intra plasmatische Vakuolen bei „Zittauer Gelbe", JO min nach Bestrahlung auf H20 mit 225 Kr. Organellen noch teilweise identifizierbar, insbesondere Leukoplasten (L). Mitochondrien (M) meist abgekugelt, vereinzelt auch vakuolisiert.
Schwache Organellensystrophe. Abbildungsmaf!stab: 1500: 1.
v.on ?O Kr. Allerd1i.ngs enschienen di.e V aJ<.1uo.len d ,ann e11St mehrere Stunden oder s·ogar ein bis zwei Tage nach der Bestrahlung.
Die intraplas1ma·hschen Vakuolen zei1gten Veränderun,g1en ihr·er Üd1s1l1age. Nachckm ·die primäre Plasma1strömung j.nfo1g.e der Be,str.ahhmg zum Erlieg·cn gekommen war, hiieben zunächst sd1wache Plasmahewegungen, die
Phasen optische Beobachtungen über Vakuol isierungserscheinung·en 321
Abb. 3- 5.
Abb. 3. Schlauchartige, am Zellkern (K) ansetzende intraplasmatische Vakuolen, ?2 Std. nach Bestrahlung der Epidermis auf .der Schuppe. Dosis 299 Kr, seit 30 min
auf H20. AbbiJ.dungsmaflstab: 1024: 1. Abb. 4. Typische Schlauchvakuolen. Bestrahlung vor 48 Std. mit 224 Kr auf der Schuppe. Photographische Aufnahme 5 min nach Fertigstellung des Präparates (L =
Leukoplasten). Abbildungsmaflstab: 1500 : 1. Abb. 5. Stark v-0.kuolisierter Plasmastrang. Schuppenbestrahlung mit 598 Kr, seit
40 min auf H20. Abbildungsmaflstab: 1500: 1.
22*
322 A. Feldmann
bevorzug;t 15,enkrecht zur Längs1acl:k'le der Zellen verl:icfen, besitehcn. Die Bewegungserscheinung·en der E1inzelvakuolen oder auch ganzer V1akwolenfelder enfaprachen dabei 1dcnen der Orrganellcn.
b) Röntgenbestrahlung von Epidermen auf der Schuppe
Dominierten bei der Besfrahlung auf Waissier die 1-l-undvakuolen, S·O traten bei der trockenen Bestrahlung der Epidermen auf der Schu:prpe fo stavkem Maße auch unregelmäßig geformte Blasen von großer Formenvariabil1i1tät im Zyto:p],asma auf. Bei noch int,akter P.la'Smaisihömung fanden s1ich viielf ach sch1auchartige, l1ang ausgezogene V,akuolen von gering·erem Durchmesiser (0,3~0,4 fl), die sich hier und dorit zevtei1ten, .arndcrer1seit.s aber auch wieder ve11s·chmo1zen und ebenso auch benachbarte Vakuolen aufnahmen (Abb. 3 und 4). Sofern d1ie den Zellisaf.traum durchischne:idenden Plasmastränge noch n;icht .in den Wandbel,ag 1aufgenommen waren, konnten V1akuolien auch hier fest1ge:stellt werden (Abb. 5).
Mi1t einem N achla·sis·en der Pl:asmahewegung überwogen :immer me1hr rundliche Vakuolcnformen, bis 1s.chließlich in völlig ruhendem Pla·sma die Kugelform stark hervortrat (Abb. 6). Sehla,ucharbgie Vakuolenty:pen fehlten dann aber keineswegs rgänzl,ich, s:ie waren vielmehr ger1wde bei zur Ruhe gekommenem Plaisma häufig hesonder1s lang und dünn a:rnsgehi1det. Diese Langvakuolen zeigten oft über Minuten kaum Veränderungen ihrer Fmm. Sie waren immer in nur relaitiv 1s.chwach strahlengieschädi1g,ten Zellen anzutreffen. Ebens10 konnten in 1solchen Zellen auch drehte P1akete länglicher, :parallel liegender und recht formbesfändiger V1akuolen, die foilweise in M~schung mit Kugelvakuolen auftraten, beobachtet werden (Abb. 7). Insbes1ondere bei höheren Striahlendosen wal'en beim Aufareten von initraplrnsmaüschen Vakuolen ,auch Abrundungis- und Quellungiserscheinungen an den Mitochondrien und Leukoplasten festzustellen.
Verbreitet waren Anhäufungen von 1intriapla1smatii1schen Vakuolen ·in Kernnähe zu heohachten (Abb. 8). Die Erscheinung is1t wenigs1tens teilweise da1durch zu erklären, daß d1ie Pla:smastränge und Plasimahahnen gehäuft am Kern zwsammenlaufen, wodurch 1gemde in diesem Knoitenpunkt 1sit1ark wechselnde und sehr lebhafte Bilder entstanden. Es kam hier zu veigelrechten Versitopfung·en der Strömung1swege, di·e :sich bei nach1asis·ender V1akUJolenzufuhr dann nach und nach wieder auflösten. Es sei in diesem Zusammen-
Abb. 6. Anfangsstadium einer Vakuolisierung direkt im Anschluß an Schuppenbestrahlung mit 598 Kr. Leichte Organellensystrophe, Mitochondrien in drei Formen: als kokkenförmige (--+), als Kurzstäbchen, teils hantelförmig (~) und als streichholz-
ähnliche Langstäbchen (=f). (Vergleiche hierzu: Perner und Pfefferkorn 1953, S. 101.) (L = Leukoplasten.) Abbildungsmaßstab: 1500 : 1.
Abb. ?. Dichtgcpacktes Vakuolenfeld aus schlauchförmigen und rundlichen Vukuolentypen. 2'2 Stunden nach Schuppenbestrahlung mit 299 Kr, seit 30 min auf H20.
Abbildungsmaßstab: 1500: 1. Abb. 8. Ansammlung intraplasmatischer Vakuolen in Kernnähe. Schuppenbestrahlung mit 598 Kr, sofort anschließend für 40 min auf H20. Organellen normal (L ~= Leukoplasten, M =Mitochondrien, S = Sphärosomen). Abbildungsmaßstab: 1500: 1.
Phasenoptische Beobachtungen über Vakuolisierungserscheinungen 323
Abb. 6-8.
324 A. Feldmann
harug jedoch darauf hinigewiesen, daß S eh ä f er (1965) bei Hühnerherzmyoblais.ten mach Röntgenbestrahlung elektronenopt.iisch einen F<lü6s1i1gke1ifaaustr~tt aus dem Zellkern und eine dadurch bedingte Bildung von Röntgenvakuolen ·in Kernnähe nachweisen konnte.
Es fä'gaben ·sich Bez.iielrnngen zwi1schen der Stmhlendosis ,und ·dem Gmd der Vakuoli:s1ierung. Bei einer Beobachtung diirekt 1i1m Anschluß an die Stmhleneinw1iirlmrng nahm mit zunehmendfä Strahlendosi1s die Zahl der vakuolisierten Zellen und 1das Ausmaß der V1akuCYli1sierurng in den ei1nzdnen Zellen zunächst zu. Für eine maximale VakTuol1i1s:ierung w,aren aber höhere, z. T. 1s·ogar do1ppe1t 1so hohe Striahlerndosen (400-600 Kr) erforderlich, wie bei der Bestrahlung auf W1a1sser. Bei einer höheren Stmhlenbelaistung trait·en Vakuolen nicht mehr auf.
Der Faktor Ze1it änder1te die 1aufgezeigt1e Relaüon. Mit zunehmender Vergröß.erung des Zeiitahstandes zwischen Bestra:hlurng:sende und Beohacht:ung wurde .die Ber1eitschaft zur Vakuoliisierung be,i immer kleineren St,l'1ahlendosen erreicht. Am interns1ivskn und umfangreichsten war die Entwicklung von Vakuolen zwei bi1s drei Ta1ge nach der BeSitrahlung im Dos,isbereich von 200 h.is 300 Kr. In den er.stien 24 Stunden konnten hei diesen Dosen keine Vakuolen gefunden werden, nach 48-72 Stunden stellten 1S1ie 1s1ich bei aUen unt·ersuchten Zwiebel:s101rten reigelmäfü1g in 1großem Umfang e:i·n. Sofern es sich nicht um frisch geerntete Zwieheln handeHe, ge1ang es unter .den aufgezeigten Bed1ingungen fast :immer, die Erscheinung sy1s.temafa,sch herbeizuführen.
Die intraplais1mat:i1schen V:akuolen war·en, w:ie die !bisher mi,t1geteilten Befunde bereits zeigen, nicht von vornherein vorhanden, Sündern ,ihr Entstehen konnte währeJ1Jd der Beobachtung 1immer wieder verfolgt wevden. Sofern eine Vakuoliisierungisbereitschaft vorlag, ·erschienen die ersten V:akuo1en in der Re,gel einige Minuten nach Beginn der mikroskopischen Beoibachturng. Für den ei.gentlichen Bildung:svo11gang, d. h. die Zeit vom evsten Sichtbarwerden bis zur optimalen optiischen Endpiha1se, wurden viielfoch nur 30-60 Sekunden und nur <in Ausnahmefällen mehrere Minuten benöt1ig1t. Anderersei t1s waren aber :in E1inzelfällen immer wieder l'lchon zu Beohachtungisbeginn Vakuolen vorhand·en, und zwar auch dann, wenn die Hevs.tellung und Einstellung des Prä:parate:s 1in kürzesit·er Fris1t .gelarng.
Abb. 9. Schwach vakuolisiertes Zytoplasma nach Plasmolyse mit 0,8 mol KN03•
Frühstadium. Zellorganellen unwrändert und klar identifizierbar. Schwache Systrophe bei den Mitochondrien (111). [Leukoplasten (L), große Sphärosomen (S), kleine
Sphärosomen (ss).J Abbildungsmaßstab: 1j00: 1.
Abb. 10. Schwache intraplasmatische Vakuolisierung nach Plasmolyse mit 1 mol KN03 • Deutliche Tendenz der Organellen zur Abkugelung und Zusammenballung. Mitochondrien (M) teilweise noch stäbchenförmig, meist aber abgekugelt und im
Phasenkontrast nicht mehr Yon den Sphärosomen (S) zu unterscheiden. Abbildungsmaßstab: ßOO: 1.
Abb. 11. Plasmolyse mit KNO:i, 1 mol. Starke Vakuolisierung mit parallel gelagerten Schlauchrnkuolen. Schwache Systrophe mit auffälliger Parallellagerung der
Mitochondrien (siehe auch Abb. 9). Abbildungsmaßstab: 1500: 1.
Phasenoptische Beobachtungen über Vakuolisierungserscheinungcn 325
Abb. 9- 11.
326 A. Feldmann
c) Behandlung mit hypertonisdien und hypotonisdien Medien
Auch nach ·der Einwirkung plasmoly.sierender Stoffe kam eis im P.Ja,s,ma der Allium-Zellen zu VakuoJ1i1s1ierungsersche:inungen, die mit denen nach Röntgenbestrahlung weitgehend identi1sch waren (Abb. 9-14). Zur AnwenduThg gelan.gten Kaliumnitrat, Kaliumchlorid, Kaliumrhodanid, Polyaethylenglykol, Harnstoff und Traubenzucker.
Mi·t jedem ,dies:er S1toff e ließen sich intrapl.asmai:ische Vakuolen setzen. Als entscheidend erwies sich dabei die Molarifät deis Pl1a1smolyt.ikums. Bei langsiainer und schonender Plasmoly.siierung konnten keine Vakuolen feistgestellt werden, bei schnellem Wasserentzug traten sie nach 2-4 M:inuten rege1mäfüg auf. Von 0,6mol an aufwäDts waren intrapla1smatiische Vakuo1en immer zu beobachten, und zwar um 1so z.ahlreicher und autS:geprä,g.ter, je we~ter •Sich die Konzentmi:ion vom isotoni1schen Punkt entfernte. Dabei zeigten 1sich zunächst locker gestreute, mehr kompaktere Vakuolentypen (Abb. 9 u. 10). Mit zunehmender Entzugs.geschwindigkeit wurden di,e Vakuolen schlauchförmiger, sie waren unregelmäßig gewunden und zu größeren Komplexen veminig;t (Abb. 11).
Die Plasmasitrömung war ·in den Fällen, :in denen V.aku·olen beobachtet wurden, meist zum E.rlie1gen gekommen. Formveränderungen der Vakmo1en traten dann nicht •auf, teilweise auch dann nicht, wenn noch Strömung fos.tzustellen war. Gelegentlich ließen sich •auch 1schwache Ansammlungen intl'aplasmati.scher Vakuolen in Kernnähe beobachten (Abb. 12), häufig und auffällig war .diese Erischeinung aber nicht. Mit der Vakuoliis;iel'Ung IP'araUel gehende Aufquellungen und Abrundungen von Miitochondrien und Leukoplais.ten waren seltener gegeben als nach Röntgenhestr.ahlung (Abb. 10, 13, 14).
Wesentlichen Einfluß auf die Bildung .intraplasmatischer Vakuolen hatte cla.s Alter der Zwiebeln. Zum W.inieriausgang war diie Vakuoienbi,ldung weiter verhreitet und 1stärker als kurz nach der Ernte iim Herhst. Eine be1sonder.s infrnsive Vakuolenbildung konnte bei "p,olni1schem Zwiehelmaterial", welches weiter unten noch beschrieben wird, beobachtet werden (Ahh. 13 und 14). Allgemein waren aber die Streuungen bei der Gesiamtheii1t der mitgeteiHen Befufüle sowohl bei den Einzelzellen einer Epidermi•s als auch von Zwiebel zn Zwiebel und von Sorte zu Sorte sehr groß.
Bemerkenswert war d.ie Festistellung, daß beim Depla,smoly1seversuch mit Harnstoff ,die Vakuohsierung reverisihel war. Mrt einsetzender Rückbildung der plasmolytischen Kontraktion nahm auch die V1akuolisierung
- - - -- - -- -- - - - - ---------------------~
Abb. 12. Plasmolyse mit KN0,1, 0,8 mol. Ansammlung von Vakuolen dicht am Zellkern (links oben). Rechts Vakuolen mit dazwischenliegenden Leukoplasten.
Abbildungsmaflstah: 150-0 : 1. Abb. n. Starke Vakuolisiernng bei polnischem Zwiebelmaterial nach Plasmolyse mit KNO:i, 1 moi. Mitochondrien und Leukoplasten ausnahmslos stark gequollen und
abgekug·elt. Deutlich treten die großen dunklen Leukoplasten hervor.
Abb. 14. Polnisches ZwiPbelmaterial plasmolysiert mit 1 mol. KN03
• Die Vakuolen sind didit um den Kern, der rechts oben erkennbar ist, gruppiert. AbbildungsmaR
stab: 1920: 1.
Phasenoptische Beobachtungen über Vakuolisierungserscheinungen 327
Abb.12-14.
328 A. Feldmann
ba1d deutlich erkenn!bar ab. Die ,leitzten Vakuolen ve11Schwanden mei,s1t recht pfötzLich kurz vor Erreichen der ,grenzplasmolyti:schen Pha1se.
Auch hyipofonische Medien v,erur1sachten eine intrapla1smatische Vakuolelllbildung. Allerdings war bei 1den durchgeführten Versuchen 1immer nur ein isehr ,geringer Prozentsatz (maximal 8%) der Zellen eines Epidermistei1stückchens vaku0Hs1iert.
d) lntraplasmatisdie Vakuolisierungen bei „unbehandelten" Zroiebele pidermen
Anfang Februar 1964 zeigte sich bei frii1sch eingekauftem Zwiebel.material schon nach der üb1ichen Präp,araition, al,s,o ohne zuisätz.liiche E:inw:irkungen, wie Röntigenbes.trahlurng oder hyipertonische Medien, :in frast 1aUen Ep,idermisz:ellen eine iintelllsive intriap1aisma1tische Vakuolenbi1dung. über da·s V1er:suchsmaterial war ledii,giich ~n Erfahrurng zu bringen, dafl es aus Polen importiert wurde.
In ähnlicher We:ise wie bei den Bestrahlungen der Epide11men auf der Schuptpe trat die Vakuoliisierung bei der Mehrz,ahl der Zellen 1in den ,ersten zwei bis vier Minrnten der Beobachtung ein. Gele1genfüche Späthildurugen nach fünf und mehr Minuten waren aber ebenso zu beobachten w:ie jene Fälle, 1in denen rSofort nach der Einstellung des p,räp1araierS Vakuolen zu finden waren. Diese FrühbiMun:gen zeig1ten aber me:iist eine Weiterentw:icklung, so 1dafl auf einen geraic:Le eingeleiteten V1akuoli1s1ieruTugsprozefl 1ge1schlossen wel'den konnte.
Von heherrschendem E:influfl ,auf das Viakuoliis1ierurngsbi1d war die Piasnmsitrömung und deren Intens1tät. Zwei Ers,che:inungen, nämlich Formwande,l und Ortswechsel der Vakuolen wul'd·tfü hier1durch besümmt. Bei normaler Piaismabewegung zeigten :sich wieder die bereits heri der Schuppenbes,foahlung beschriebenen und mit den Be:obachturngen von Ur l (1964) ii!bereins<timmenden Bilder, ,als,o ·lebhafter Formwandel urnd rschnelle Lageveränderungen der Vakuolen und daher ständig wechselnde Aspekte des Zellbildes. War die Plasmaströmung zum Erlie.g,en tg'ekommen, 1so un:terhliehen auch nennenswerte Form- und Ortsveränderungen. Ve11schie:dentlich war dabei ein teilwei'S·er Zerfall von Schla,uch- in Kugelvakuolen zu beobachten.
Es ergaben sich also ei1ndeuti,ge Bez:iehungen zwi1s.chen 1der Fo11msfabiiEtät der irntflaplasimat.iischen V1akuolen :und der Strömungs1geschw:indigkeit des
Abb. 15 a. Polnische Zwiebel, seit 57:! Std. auf H 20, 20 min nach Anfertigung des Präparates. Vakuolena11Sammlung um den Kern, die in einem vakuolisierten Plasmaschlauch ausmündet. Wahrscheinlich altersbedingter Einbruch von Präparations-
wasser. Abbildungsmaastab: 1500: 1. Abb. 15 b. Wie 15 a, jedoch 3 min später. Die Vakuolisierung hat die abnehmende Phase erreicht. Die Schlauch vakuolen im Plasmastrang beginnen in kleinere Einzel·
blasen zu zerfallen. Abbildungsmaastab: 1500: 1.
Abb. 16 a. Polnische Zwiebel mit vakuolisiertem Plasmastrang, 15 min nach Anfertigung des Präparates. Plasmastriimung sistiert. Abbildungsmaßstab: 1500: 1.
Abb. 16 b. Wie 16 a, jedoch 5 min später. Infolge Austrocknung des Präparates ist Vakuolisierung zurückgegangen. Gleich im Anschlufi an Aufnahme setzte Plasma
slrömung wieder ein. Abbildungsmaflstab: 1500: 1.
Phasenoptische Beobach lungen über Vakuolisierungserschei nun gen 329
Abb. 15 und 16.
330 A.Feldmann
Zytoplasmas. Je inten:siver die Plasmasfrömung war, um so lebhafüer war auch der Formwandel der Vakuolen. Daigegen bes.timmte die Piaisma1sfrömung keineswegs, wie es manchmal schien, auch die V1akuiolenform. Sie bedingte zwar durch ihre Bewegung einen mehr oder we11iger :S1tarken Formwandel und insbesondere auch e:in Iängliiches Verformen der Vakuolen, war aiber letztlich nicht die Ursache für die Biildunrg schlauchförmi1ger Typen. Eis bestanden jedoch deutliche p,a·mllelen zwi1schen der V,akuolenform und dem Schädigung.s1gTad ,der Zellen. Je mehr sich die morpho1ogisch faflbaren Kriterien für eine ZeUschädi1gung ver1stärkiten, um s10 verbrei1teter waren auch Rrnndvakuolen anzutreffen.
Auch bei diesem „unbehandelten" Zwiebelmaterial zeigte sich wiederum als auffälliige Erscheinung eine MasLSierung der V1akuolen :in Kernnähe. Ebenso i:r1a,ten aber auch an den Polen der Zellen und [n 1den Srt:römungsbahnen des Wandbelages Vakuolen 1gehäuft auf. EiJne demHiche quantifative Differenzierung hirns1ichtlich der Vakuoli1s1ieruu,g war auch zwischen dem mesoiphyllseiügen und dem zur Kutikul,a hinliegenden Pl,asmabelag .gegeben. Auf der Seiite zur Kutikula war:en Vakuolen - wie 1schon von Ur l (1964) beohachtet - viel seltener zu finden als an der gegenüberliegenden Zellwand. Langgestreckte, typische Schlauchvakuolen wurden hier nur selten gefunden. Die Norm waren einzeln oder in schwachen Gruppen liegende Vakuolen von geringer Längenausdehnung und mehr kugeliger Ausformung.
Par·allel zur Ausbi1dung und En.tw1icklung der V1akl1olen konnten in vielen Prä paraten Veränderungen in der Strömungs1geschwindi1gke1it des Zy1topla1sma1s beobachtet wevden. Mi1t fortschre~tender VakuoliS!ierung nahm die Plasma1sfrömunrg 1immer mehr ab und kam schhefilich gänzlich zum Stillstand. Auch die Brownsche Molekularhewegung der Üriganellen, diie zunächst noch normal war, wurde nach und nach ·schwächer und war ba1d kaum noch wahrnehmbar. In dieser Phase hatte man den Eindruck einer letalen Zells.chäd.igung.
Bei längerer Beoha1chtung ohne Engänzung des verdunsteten Präparationswassers kam jedoch mit zunehmender Ausfoocknung deis Präparaites
Abb. 17 a. Polnische Zwiebel. Vakuolisierung durch Präparationswasser. Im Plasma sind zahlreiche Leukoplasten mit je einer kleinen Vakuole gut zu erkennen. Dieser Plastidentyp ist in Zwiebelzellen häufig anzutreffen und als normal anzusehen. Mitochondrien in mehreren morphologischen Formen, teilweise abgekugelt, was präparationsbedingt sein kann. Links im Bild der Zellkern mit Nucleolus. Aufnahme
9.25 Uhr direkt nach Anfertigung des Präparates. Abb. 17 b. Wie 1? a. 9.30 Uhr. Die Plasmaströmung ist zum Erliegen gekommen. Lugen~rändcrungen bei den Organellen nur gering. Die große gedrungene Vakuole
in der Mitte des Bildes ist inzwischen in zwei Einzelvakuolen zerfallen (Pfeil). Abb. 17 c. Wie 17 a, 9.50 Uhr. Die Austrocknung des Präparates wird wirksam, der Umfang der Vakuolisierung geht zurück. Erste schwache Plasmabewegungen setzen ein. Organellen teilweise bereits weitertransportiert, bisher nicht sichtbare Vakuolen
wurden herangetragen. Abb. 17 d. Wie 17 a, 9.53 Uhr. Die Plasmuströmung hat soeben eingesetzt und die Vakuolisierung ist nur noch schwach erkennbar. Wenig später sind die Vakuolen gänzlich verschwunden und die Zelle zeigt wieder das normale Bild. Abbildungs-
maßstab: 17 a-17 d: 1500: 1.
Phasenoptische Beobaclitungen über Vakuolisierungserscheinungen 331
Abb.17 a-d.
332 A. Feldmann
zunächst schwach, dann aber <Sfändig schneHer werdend die Brownsche Moleku1arbewegm1g fast gleichz·eiüg in allen Zdlen wieder in Gang. Die gleiche Rückentwicklung war auch hirns:ichtlich der Plasmaströmung zu beohacht1en. Sobald sich die Browrns1che Molekularbewegurng wieder annähernd normalisiert hatrte, be1gann mit mei1s·t ruckartiiigen Anforng1sbeweigungen das Pfa,sma wi·eder weitgehend normal zu Hießen. Gleichzei1hg setzte auch der Transiport urud der damit verburndene Formwandel der Vakuolen Wiieder ein.
Im weiteren Ver1auf der Beohachturng verloren di1e Vakuolen zunächst an Größe. Dann trat ein Zerfall ·in kleinere Blasen eiin, die dann ,schließlich nach der vollkommenen Ausitrocknung ·des Präparaiteis auch noch verschwanden. Damit waren die beobachteten Entwicklungen in umgekehrter Reihenfolge rückgängi1g gemacht worden. Die Ep1idermen boten wieder dias gewohnte Nomnalbi1d (Ahb. 14 a urnd b, 15 a und b, 17 a-d).
Der ·zuvor heschriebene Vor1gang 1iefl 1s1ich durch eine Er1gänzung des vevdull'8tetcn Prä1par1at1im:llswassers erneut induzieren und war 1durch Austrocknurng ebensi0 wieder ·aufzuheben. Auch bei bestrahltem Material konnte durch ein si0lches Vo11gehen ·tei1lwei1se eine Erntv1akuoli1sierung erreicht werden. Eine zwe·imali1ge Ergänzung des W asserver 1us.tes briachte aber mei1s1t kurzfri1süg den Zelltod, der von einer starken Pl1aismaquellung und einer Vakuohis,ierung der Mifochondrien und L•eukoplasten begleitet war.
W1ie 1schon bei den he1sifrahlten und plasmolysierten Epidermen, zeigte sich mich bei dem :polnischen Zwieibelmaterial gelegentlich eine Ahkugelung und Quellung der Mitochondrien und Leukoplia,s1ten. Teilweise <traten aber auch Volumenvergröfiertmgen an Pla1s1t1iden und Mitochondrien ein, ohne daß intraplasmatische Vakuolien erkennhar wur•den. Längere Aufbewahrung der Ep.idermen auf Le:itungswa1s1ser führte bei einem Teil der ZeHen zrum Tod. Nach zweistündii.ger W1as1sereinwirkung unter den üblichen Aufbewahrungshedingungen wurden ma:x;imal 32 % der ZeUen eines Epiderimis,te:iletückehens abgetötet. Diese waren wie nach der Einw1irkurng letaler Stvahlerndosen vaku·olig-,s·ehaumig degencrrier.t. Eine längere Wa1s1s1ereinwirrk;ung erhöhite den Prozenifsiatz der abgetöiteiten Zellen nicht mehr weserntlich. Wurde an Stelle von Leitungswasser Parraffinöl zur Herstellung der Prä1p•arate benutzt, 1so unterblieb jegliche Bildung intraplasmatischer Vakuo1en.
Ende Februar Anfong März zeiigten sich auch bei dem 1selbs,t heriangezo1genen Zwiebelma•terial, inshesondere ibe:i der „Zittiauer Gelben", plö:tzlich in den unbesitrahHen Korntrollen Vakuolen. Die Bere1i1t,schaft zur Vakuolisicrunig war somit wohl ·eine vom Alter des Materi·als abhärngi,ge Erscheinurng. Auch Ur 1 (1964) führte übrigens seine Untersuchungen iim Februar durch.
Diskussion Es stellt •siich 1die Fm.ge nach Wesen und U11s;ache der intraplaismaoti:schen
Vakuolenbi1dung. Nun S1ind V1akuol1i1s1ierung1ser:scheinungen nach der Einwirkung ionisierender Strahlen eine bekannte und immer wieder beschriebene Erscheinung. E:s handelt 1sich dabei um eine blasige Entar:tunig von Mifo.chondrien und Plashden sowie eine vakuolige De1generaiÜon des Grundpla1smas in Form rneist unrcgehnäfüg aus.gebildeter Hohlräume. Mit diesen Erscheinungen ist die auf.gezeigte intrapl1aismatische Vakuo.Jisi.erimg footz
Phasenoptischc Beobachtungen über Vakuolisierungserscheinungen 333
naher Verwandtschaft nicht idenüsch, denn sie wil'ld durch ihre auffallende phasienopüsche Hel.liigke:it deutlich von den wesentlich trüberen OrganeUenund Pl1a1smablasen, also jenen Erscheinungen, die heufo in der med1izini1s1chen und zoologischen Zytopathologie allgemein als „trübe Schwellung" bezeichnet werden und die auch bei pflanzlichen Objekten als „schaumige Degeneration" (K 1 e mm 1895), „vakuolige Degeneration" und „Röntgenbläschen" u. a. schon lange bekannt sind, deutlich unterschieden. Während wir es bei der trüben Schwellung mit pathobiotischen Veränderungen an den nachweisbaren Zellstrukturen zu tun haben, handelt es sich bei der intraplasmatischen Vakuolisierung um ein Sichtbarwerden von im Zytoplasma abgelagerten Stoffen.
Als U rsiache dieser ,intrapl1a,sma tiischen Abischeid ungen wären 1theol'eti1sd1 mehrere Möglichkeden 1gegeben. Zunächsit ii1s1t an eine Abnahme der Biindungsfähigkeit des Zytoplasmas, die eine relative üherla1dung der bretroffonen ZeUen bedeuten wül'lde, zu denken. Ebenso :is1t 1aber auch eine absolute Erhöhung des Stoföbes,tiandes in ErwäJgung zu ziehen. Im eTisfon Falle kommt es zur Abpreissung von Dehy1drationswa:s1s,er und zur Bildung von „Expulisionsvakuolen" (K 1 e mm 1895), im zweiten FiaHe kann die Entstehung von Vakuolen durch e1ine Hemmung der Ausscheidurng oder eine erhöhte Aufoahme in die Zelle bedingt sein. Da die Vakuolen1bildung bei den hier mit1geteiilten Beobachtungen, wenn man vom Auftreten von Vakuolen bei Pla1smolyse zunächst einmal absieht, än eindeutiger Abhängigkeit vom Kultur- und P1räpamtfonsmedium W1a,s1ser steht, i1s1t die letztere Möglichkeiit, nämlich eine erhöhte Aufnahme v,on außen, wahrscheinlich. Dafür sprechen auch die ,mit der V1akuolis1ierung des Plaismas ja häufig korrelierten Veränderungen an den Miifochorndr.ien und Pl1asüden. Die Quellung dieser Ü11ganel1en kann nur durch eine W 1a1s:seraufnahme erfolgen, und in vivo ist dies,e Transformaition mach Altmann (1955, S. 438) fast regelhafit mit einem höheren W asser,gehalt der ganzen Zelle und daher mit 1deven Volumenvergrößerung verbunden. Bei pflanzlichen Zellen, 1insbeso11clere bei solchen mi{ großer Zentralvakuole, i1st allerdings eine wesentliche Eins,chränkurng zu machen, denn auch be:i einer alleinigen Filüss~gkei1tsve11schieburng in der Zelle, näm1ich bei einer Profopl1asmaquellurng 1auf Kositen des Zel1s1aft.ets (Vakuolenkontrakifaon), treten Quellungen an den Organellen auf. Da eine Vakuolenkontraküon j,edoch nicht vorlag, muß 1die V1akuoli1sierung also als eine intrapl1asmati1sche Absonderung von Flüs1s,igkeit, die im wesentlichen dem exfrazelluiaren Raum entnommen wurde, 1gedeutett werd,en. Die bei dem polni1schen Zwiebelmater1i1al beobachtete Deviakuoli:sierung durch Austrocknurng und die Möglichkeit zur Ausilöisung einer abermaligen Vakuolisierung durch eine erneute W1as1ser.gabe lassen an der Bereruti:gulllg zu einer derarti,gen Deutung kaum mehr einen Zweifel. Darü:ber hinaus wird die:se Annahme auch durch das Au1sbleihen intrap1asmaitischer Vakuolen nach Einbettung der Epidermen ,in Paraffinöl gestützt.
Der Vorgang des übermäfügen Flüs1sigkeitseinbruche:s in die ZeUe ,setzt eine Störung der Schrankenfunktion der Membranen oder eine V ers,chiebung der osmohschen Zustandsgröße oder auch beides gemeilllsam voraus. In der Tat sü1d denn auch Veränderung,en in der W,a,s1serpel'meabilität und Beeinflusisungen des osmotischen Wertes als Folge der Einwirkung ionisie-
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rendeJ' Strahlen wiederholt nachgewiesen w@den (R. Bi e b l 1943, B. Hluchov.sky und V. Srb 1963, J. P. Skou 1963). Aber iauch nach Sauer:sfoffarmut, nach :schweren Störungen der Zellatmung und daraus fast zwangsläufi:g resultierend auch nach ener:getisch unzureichenden Lei1stun1gen wur1de bei menschlichem Gewebe die Hi1dung von Vakuolen mit wässerigem InhaH beobachtet. Störungen der gerichteten Permeabilität, verbunden mit einer Transmineuali1s1atii.on, 1s1ind die Folge (Altmann 1955). Die wä,s1ser.ige Vakuolisierung 1ist ein 1indirekter Ausdruck für die Beeinträchtigung dieser phy1s1ioloigischen Funktionen, e.ine Mawifest.ation, die nur unter der V1or1au:ssetzung eines aus.reichenden Flüssi:gkeifoangebo.fe,s in der Umgehung der Zellen fmtzrns.tellen war. Unter diesen Gegebenheiten wird dann das Kulturund Präpara,t1ionsmedium Wasser plötzlich zu einem unphy:siologischen urnd leben1s1gcfährdenden Ag·ens.
Nun kann daraus zweifelLais n:ieht .gefolgerit werden, daf! eine wässerrige intraplasmatische V:akuolis.ierung grundsätzlich nur in einem künstlich mit W a:s:ser angereicherten Milieu möglich 1i.st. Die Tat:siache, ,dafl intraplasma.tische Vakuolen auch bei Plasmolyse ·auftraten, ze1i,gt., daf! zum wenig1s.ten bei der Zw.i·ehelepidermis die zelleigene Flüs1si1gkeit durchaus für eine V.akuolenbildung ausreicht. Es mag zunächst zwar überraschen, daf! ein flüssigkei:t:s.entziehender Vorgang wäs1ser:ige 1i1ntr1ruplarSmatii1s·che Ansammlungen im Zytoplasma bewirken soll. Bei dieser hypertoni:sch bedingten Vaku1olisierung kann die ün Zytoplasma ausgeschiedene Flüss1i.gke:i.t :aber nur dem Zyfoplasma selbst ent1sfammen, aus welchem .sie dur·ch Dehydration der ~ollo:ide freigesetzt würde, oder aher der Zentral vakuole, wobei der Zell:s:afü auf dem Wege in das Aufl.enmedium beim Pas:sieren des Wandbeliages hier t.eilweise zur Absonderung käme.
S ·i g ,e n 1a g a (1950) heohachtete die Biildung intraplasma:iischer V1akuolen nach der Einwirkung plas.molyis1ierender Stoffe bei WurzelspitzenzeHen von Vicia faba und Allium cepa. Hier kann die V1akuolenflü:ssiigkcit im wes:entJichen nur dem Zyfoplasma selbs:t entnommen w,orden iSein. Beii den Dauerzellen der Zwiebelepidermen jcdnch dürfte es sich bei den wässer1i1gien intra plasmatischen Abscheidungen, die auch von B o 1 h a r - Nord ·e nk am p f (1966) nach Plasmolyse beo:bachtet wurden, vornehmlich um Flüssigkeit aus der gvoflen Zentralviakuole handeln. In jedem Fall aber mufl für eine Vakuoli:s1ierung sowohl die Entquellung der Plasmakolloide als aiuch der Entzug aus ·der Zentralvakuole mit gröf!erer Geschwind:igkeit vor :sich gehen, da sonst die freigesetz,te Flüss1igkeit ohne Stauungen und wäsiserige Ausischeidungen au:s der Zelte ·entfernt werden kann. Darauf deutet rricht nur die Abhängigkei:t der Vakuolenhi1dung von der Moliariifät des Pla1smolytikums hin, sondern auch die Tatsache, daf! ibei Vakuolcnkontrak:tiionen eine intra plasmatische Vakuolenbildung ausblieb. Kontraktionen der Zentralvakuole, zum Teil in extrem starker Form, wurden hei den Bestrahlungen der Zwiebelepidermen auf der Schuppe mit mittelletalen Dosen im Verlauf von 24 bis ?2 Stunden verbreitet angetroffen. Wässerige Vakuolisierungen des Zytoplasmas konnten dabei nie beobachtet werden. Wahrscheinlich waren die verlagerten Flüssigkeitsmengen doch zu gering bzw. die Verlagerungsgeschwindigkeit zu langsam, um Abscheidungen notwendig zu machen.
Phasenoptische Beobachtungen über Vakuo.l isierungserscheinungen 335
Neben den verschiedenen Uns1achen für überfl.utungen 1de:s Zytoplasmas kmrnmt der Ausgliederung der eirngebrochenen Flüssigkei,t in örtlich beschränkten Komplexen besmlJd1ere Bedeutung zu. Al1tmann (1955, S. 557~558) verfritt die Ansicht, daß hierzu sdektrive Transpmtvorigänge notwendig se1ien und daß es s1ich somit hei der intrraplasmatischen Vakuolis.ierung um eine vitale Le1istung der Zelle handele. Di,e <intrapiasmrat,ische wä1srse~i1ge Vakuoliis,ierurng i1st nach seiner Auffasisung eine Abwehrr:eaküon gegen eine rnicht mehr konhoUi,erbare, also unfreiwiil1ige Wasiserütberflutung des Zytopiasmas. Die rabgesonderte Flüs1s1igkeit werde für eine gew.i1s1se Zeit im lebenden zytoplasmartischen Gefüge i1solriert, wodurch eine Hyperhydraiion mit mög1icherwei1se lefalen Quellurng,s,reiaktionen erfo1greiich 1ahgewehri werden könne. Wie di,e Befunde an dem polnischen Zwiebelmaterial zeigen, muß in der Vakuolis 1ierurng aber auch ein MiHel zur Regulation der V1iskos,iiät gesehen werden.
Insgesamt betrachtet 1i1st so die wässerige V1akuol1is:ierung nicht ull!bedingt eine nekrobiotische Erscheinung, ,s,ondern zunächst einmal Aus1druck eines Hegula1honsmechanismus zur Flüssigkeit!Skontrolle. Zweifellos treten 1solche wäs1serigen Abschei1dungen in ,morphologisch faßbarer Größe aber nur dann ein, wenn 1i:m Bereich der Zellen hinreichend Flüs1s1igkeit zur Verfügung steht. Es wir,d daher um s'o eher zu derrarügen Er:s·cheinungen kommen, je höher das W aisserangebot i1s,t. Das erklärt wahrscheinlich, warum wässerige Va;kuoien bei menschlichen und tieri1schen ZeUen, und zwar hevorzu1gt bei ödematös,en Geweben, häufiger :beobachtet wurden :a1s tbei Pflanzenzellen.
Neben den bereits zitier·ten Arbeiten hegen für pHanzliche Objekte em1ge weitere Befunde über intraplasu1.atiische Vakuoli,sierungen vor. Lepeschkin (1926) z.B. konnte Protoplasma, das aus Bryopsis-ZeILen herausigequollen war, durch ZU1gabe von SüßwasrS,er zum mikroskopischen Prärpiarat zu einer osnwtis.chen Wasseraufnahme veranlasrSen. Nach einer Alllsdehnung ders Protopl1asmas auf annähernd das DoppeHe ze1igten sich im Protoplasma.innern zahlreiche Vakuolen, di1e 1s1ich teils 1aneirnanderleigten, teil1s zusamllllenflossen. Der Vorgang war r,eversibel. Auch bei den von \Van n er (1945) nach Röntgenbestrahlung im Zytoplasma von AlliumEpidermiszellen beobachteten „Myelinfi1guren" dürfte es s1ich um intraprlasmatirsche Vakuol1i1sierungen gehandelt haben.
In der neueren Literatur werden die intraplasmatischen Vakuolen, wie einleitend dargelegt wtwde, .in Beziehung zum end10'plasmatischen Retikulum gebracht. Insbesondere ur 1 und B rO 1 h a r - N rO r 1d e n k 1a m p f (1965) und B·olhar-Nor,denkampf (1966) haben auf V'iele Parallelen zu elektronenmikrosko,prischen Befunden über da1s ER hingewiesen und weitgehend überzeugende ADgumente für eine 1solche Deutung hei1gebr:acht. Durch die Arbeiten von Emmelot mlid Benedett 1i (1960) und L,acy und Roth 1 a t (1958) ist bewiesen worden, daß durch eine Alteraüon der Zelle eine Vergrößerung von Pal'ltien ,des ER bi1s zur .11ichtmikroskopi,schen Sichtbarkeit möglich ist. Bei diesen Vorgängen wivd, wie B u c k 1 e Y (1965) annimmt, die lZP vemnelrnt, so daß die „unit membrane1s" (R,o b er t so n 1958) bei Teilen des ER auseinanderweichen.
Zieht man zu diesen Befunden noch d:ie elektronenmikrosk01pischen
Protoplasma, Hd. LXII/+ 23
336 A.Feldmann
Ergebnisse von G lause r (1956) an bestrahlten Rattenlebern, von Braun (1960, 1963) an Dünndarmepiithel- und Thymuszellen der Maus sowie von Sc h ä f er (1965) an Hühnerherzmyobla1sten hinz·u, so ·spricht ,sehr vic1es dafür, daß es sich bei den intrapiasmatiischen Vakuolen der Zw1~ebelepidermis um eine vakuoläre Erweiterung des endoplasmatischen Ref'ikulums handelt.
Schäfer konnte nachweisen, daß nach Röntgenbestrahlung mit sublefalen Dosen blasige Erweiterungen im perinuklären Spaltraum auftraten. Gleichzeiüg mit den ersten Erwe~terungen des Kern.spaltriaumes zeigte auch ,das endoplasmaüsche Retikulum lokale Anschwellungen, die sich im Stadirnm der stärksten Schädigung beträchtlich erweiterten und konfluierten. Die in 'J.',eilen des ER akkumuli·erte Flüssi1gkeit war zu einem Teil über den perinuklären Spaltraum aus dem Kern in das Retikular:sy.stem eingedrungen, zum anderen Teil entstammte sie dem Zytop1as.ma. Das 1angesammdte lmbibition:smittel wurde über das endoplasmaüsche Retikulum aus der Zelle abgegeben.
Bei der intrnp1asmatischen V,akuo1lisierung könnte somi,t, w1i'e bei der Vakuolis1ierung von Mitochondr1ien und Plastiden, eine vakuoläre Ausdehnung einer Meimbranstruktur der Zelle vorliegen. Die Erischeinungen hätten eine gemeinsia:me Ursache, nämlich ein Überangebot von FlüsoS.igkeit in der Zel1e. Forma1genetiisch und phyiSio1ogisch ges·ehen scheint jedoch eine Verschiedenheit der Erscheinungen zu besitehen. Bei ausreichendem intra- und extrazellulären Flüssigkeifaangebot .tritt eine Vakuolisierung von Mitochondrien und Leukoplasiten auch bei hohen, kurzfristig letal wirkenden Strahlendosen ein, :intraplasmahsche Vakuolen sind dann aber nicht mehr zu heobachten. Während bei den Organellen wohl vornehmlich piaS1sive o.smot1ische Reaktionen ablaufen, reicht die gleiche Annahme für das ER nicht aus. Das Retikuiarsystem ist auf Grund seiner Ausbreitung in der Zelle für den Stofftransport prädestiniert, und da es wenigstens zeitwei·se mit dem Außenmedium in Veribindung steht (Schäfer 1965), wird seine Bedeutung für Stoffaustausch mit dem Außenmedium klar. Es liegt auf der Hand, daß derartige Vorgänge energiebedürftig sind. Das Ausbleiben dieser vitalen Leistung bei hohen Strahlendosen könnte daher in einem unzureichenden Ener•gi.eangeihot begründet liegen.
Es versteht sich, daß neben der vakuolären Erweiterung des endoplasmatischen Retikulums Vakuolen auch frei im Zytoplasma auftreten können (Wohlfarth-Bottermann 1958, Schneider 1961a, 1961.b) und daß eine klare Trennung der verschiedenen Vakuolenarten, sofern nicht Plasmakomponcnten eingeschlossen ·sind, l1ichtopt:isch häufig schwi·e11i:g ist.
Zusammenfassung Bei Epiclcrmi:szellen von Allium cepa, die auf Leitungswaisser gehalten
wurden, zeigten sich nach Röntgenbestrahlung mit mittelle.talen Do·sen in vielen Fällen kreisrunde, teils auch mehr längliche, hell kontrastierte Vakuolen, deren Inhalt etwa die Dichte des Zellsaftes hatte. Die gleichen Vakuolen konnten nach Bestrahlung der Epidermen auf der Zwiebelschuppe beobachtet werden. Vorherrschend waren dann mehr längliche, zum Teil schlauch-
Phasenoptische Beobachtungen über Vakuolisicrungscrscheinungen 337
artriig ausgez.o,gene Vakuolen typen von gl'ofler Fomnemnannigfalti1gkei,t. Bei intakter Plasnrnströmmtg wurden d:i,e V1ak1wlen, ähnlich den Ürgane1len, weit.er.getragen, dabei vielfach verform1t, teils zerri1ssen und ebenso wieder verisehmolzen, so daf! 1sehnell und stark wechselnde Bilder auftra,ten. Meist war deutlich zu heoihachten, dafl die Vaknoli 1s1ierung erst mit der Hers1tellung des Präparates, also mit der Zugiabe des zur E1inbettung benutzten Leitungswasiseris, einsetzte.
Darüber hinaus wurden die intraplasmatischen Vakuolen auch bei nicht bestrahltem oder anderweit,ig behandeltem, allevdings älterem Zwiebelmaterial festgestellt. Die V1akuolis1ierung war in die1sen Fällen reve11siibel. Sie konnte durch ein Austrocknen des Präpiamtes rück1gängig gemacht und durch eine erneute Wasisergabe aiberma1s induzierit we11den. Auch nach Pl1asmolyse trnt eine wä1sserige Vakuoliisierung in den Zellen ein.
Die intraplasmat:isch aibgeschiedene Flüs:si1gkeit mufl nach Plasmolyse dem Zytopl1asma und insbesondere der Zentralvakuole ,entnommen worden sein. In allen 1anderen Fäl1en ent1st,ammte sie im wesentlichen ,dmn zur Aufbewahrung und Einbettung 1der E1pidermen benutzten Leüungswasser, also dem extrazellulären Raum. Es spricht vieles dafür, dafl die intraiplasmatischen Vakuolen ein vakuolär erweiterte1s und dadurch 1ichtophsch sichtbares end,oplas:matiisches Ret,ikulum da11stellen. Da da1s ER für 1den Stoffharnsport prädestiniert i1st und Illlit dem Auflenmed:ium in Verhindung treten kann, dürHe es 1s1ich bei der Vakuoliisierung um eine Abwehrreakitfon der Zelle gegen einen überhöhten Flü,ssigkeitsanfall und somit um eine vitiale Lei1stung der Zelle handeln.
Frau Carolyn H ahn e danke ich für zuverlä1ss1ige A1s1si1stenz.
Literatur
Al im an n, H. W„ 1955: Allgemeine morphologische Pathologie des Zytoplasmas. Die Pa thobiosen. In: Handbuch der allgemeinen Pathologie, Springer-Verlag, Berlin, Bd. Il/1, 419-612.
Bi e b 1, R., 1943: Wirkung der UV-Strahlen auf Allium-Zellen. Protoplasma 3?, 1-24.
B o 1 h a r - Norden kam p f, 1-L 1966: Cytomorphologische Studien am Plasma der Innenepidermiszellen \On Allium cepa L., unter besonderer Berücksichtigung der „Plasmaschläuche". Protoplasma 61, 85-113.
Braun, H., 1960: Elektronenoptische Untersuchungen an Zellen des Dünndarmepithels nach Röntgenbestrahlung. Exper. Cell Res. 20, 26?-2?6.
B n c k 1 e y, I. K., 1965: Phase contrast observations on the endoplasmatic reticulum of living cells in culture. Protoplasma 59, 569-588.
Dr a wert, H„ und M. Mix, 1961/62: Zur Frage von Struktur nnd Funktion des „Golgi-Apparates" in Pflanzenzellen. S. B. d. Ces. z. Beförd. d. Ces. Naturwiss. zu Marburg 83/84, 361-382.
- 1963: Elektronenmikroskopische Studien an den Oberepidermiszellen der Schuppenblätter von Allium cepa L. Protoplasma 5?, 2?0-289.
E mm e 1 o t, P., and E. L. Ben e de t t i, 1960: Changes in the fine strncture of rat liver cells brought abont by dimethylnitrosamine. J. Biophys. Biochem. Cytol. ?, 393-396.
G 1 aus er, 0„ 1956: Elektronenmikroskopische Untersnchungen an Rattenleber nach Röntgenbestrahlung. Schweiz. Z. Path. 19, 150-161.
23*
338 A. Feldmann: Phasenoptische Beobachtungen
H 1 u c h 0 vs k y, B., und V. Sr b, 1963: Veränderungen der Zellpermeabilität bei Allium cepa L. nach Röntgenbestrahlung. Biol. Zbl. 82, 73-94.
Honda, S.L., T. Hongladarum, and S.G. Wildman, 1963: Characteristic movements of organells in streaming cytoplasm of plant cells. In: Allen and Kamiya: Primitive motile systems in cell biology. Academic Press, New YorkLondon, 485-502.
Ja r o s eh, R., 1%1: Das Characeen-Protoplasma und seine Inhaltskörper. Protoplasma 53, 34-56.
K 1 e mm, P„ 1895: Desorganisationserscheinungen der Zellen. Jb. wiss. Bot. 28, 627-700.
La c y, D„ and J. Rot b 1 a t, 1958: Effects of ionising radiation on the testis of the rat with some observations on its normal morphology. IV. int. Kongreß f. Elektronenmikr. Berlin 1958, Springer Verlag 4,84-488.
L e p es c h k in, W. W., 1926: über das Protoplasma und die Chloroplasten von Bryopsis. Ber. dtsch. bot. Ges. 44, 14---22.
0 k y a r, S., 1965: Observations with the phase contrast microscope on the epider~al cell of Allium cepa L. scales irradiated with X-rays. Revue de la Faculte des Scienees de L'Universite D'fstanbul. Serie B. Tome XXX, Fase. 1-2.
Per n er, E., und G. Pfefferkorn, 1953: Pflanzliche Chondriosomen im Lichtund Elektronenmikrm;kop. Flora 140, 98-129.
Roberts o n, J. D„ 1958: A molecular theory of cell membrane structure. IV. intern. Kongr. Elektronenmikr .. Berlin II, Springer Verlag 1%0, 159-171.
Schäfer, D., 1965: über die Wirkung einer subletalen Röntgendosis auf gezüchtete Hühnerherzmyoblasten. Z. Zellforsch. 68, 320-347.
Schneider, L., 1961 a: Elektronenmikroskopische Untersuchungen über die Wirkung von Strahlen auf das Cytoplasmu. I. Die Frühwirkungen von Röntgenstrahlen auf das Cytoplasma von Paramecium. Protoplasmu 53, 530-553.
- 1961 b: Die Spätwirkungen von Röntgenstrahlen auf das Cytoplasma von Paramecium. Protoplasma 53, 554-574.
Si gen a g a, M„ 1950: Experimental studies of abnormal nuclear and cell divisions. V. Observations by fixation method of the effect of various chemicals. Cytologia 15, 30-44.
S k o u, J. P„ 1963: Changes in the permeability of carrot tissue due gamma irradiation and other physical and chemical treatments. Physiol. Plant. 16, 423-441.
So 1 b er g, R. A .. and J. G. Ba 1 d, 1962: Cytoplasmic structure of healthy and TMV-infected living cells. Amer. J. Bot. 49, 149-157.
St r u g g er, S„ 1949: Praktikum der Zell- und Gewehephysioiogie der Pflanze. 2. Aufl„ Springer-Verlag, Berlin.
Ur 1, U., 1964: Phusenoptische Untersuchungen an Innenepidermen der Zwiebelschuppe rnn Allium cepa L. Protoplasma 58, 294-311.
- und H. B o 1 h a r - Norden kam p f, 1965: Beifräge zur Frage der lichtmikroskopischen Sichtbarkeit des endoplasmatischen Retikulums in Pflanzenzellen. Os!t'rr. Bot. Z. 112, 586-602.
Wanne r. H„ 1945: Ober Wirkungen der Röntgenstrahlen auf das Plasma vegeta ti n'r Pl1anzenzellen. Habilitationsschrift, S. Karger-Verlag, Basel.
Wohl f a r t h - Botte r man n, K. E„ 1959: Cytologische Studien. V. Feinstrukturveränderungen des Cytoplasmas und der Mitochondrien von Paramecium nach Einwirkung letaler Temperaturen und Röntgendosen. Protoplasma 50, 82-92,.
Anschrift des Verfassers: Dr. Alfred Fe 1 dm an n, Institut für Botanik und Mikrobiologie der Kernforschungsanlage Jülich, D-517 Jülich.
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