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Chromosoma (Berl.) 13, 341--384 (1962) Aus dem Zoologisehen Institut der Universitii~ Marburg DIE PUFFS DER SPEICHELDRUSENCHROMOSOMEN VON Dt~0SOPHILA MELANOGASTER II. Mitteilung DIE AUSLOSUNG DEI~ PUFFBILDUNG, IHRE SPEZIFITAT UND IHRE BEZIEHUNG ZUR FUNKTION DER RINGDR~JSE* Von HANS JOACHIM BECKER Mit 24 Textabbildungen (Eingegangen am 20. Februar 1962) Inhalt Seite A. Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34i B. Met~morphosehormone und Puffbildung . . . . . . . . . . . . . . . 342 I. Vorbemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342 1. Die Puffbildung im dritten Larvenstadium ........... 342 2. Die Puffbildung in den iibrigen Entwicklungsstadien ....... 346 3. Die Deu~ung der rhythmischen Puffbildung ........... 346 II. Material und Methoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348 III. Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349 1. Der Zeitpunkt der Hormon~ussehiittung . . . . . . . . . . . . 349 2. Die Reaktion des Puffmusters in den Speicheldrfisen-Chromosomen . 356 C. Die Stadienspezifitgt der Puffbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . 365 I. Vorbemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365 II. Material und Methoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367 III. Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369 1. Der Vorversueh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369 2. Der Hauptversueh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369 D. Diskussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383 A. Einleitung Puffs sind lokale Strukturver~nderungen an den I~iesenchromosomen der Dipteren (B~MA~N 1952a, b; MECHELK~ 1953; B~vs~ und PAVA~ 1955). Morphologiseh erseheint der betreffende Chromosomen- absehnitt, der den Puff ausbildet, aufgeloekert und verdiekt (s. Abb. 1). In diesen Bereichen ist Protein- und Ribonueleins/iure-haltiges Material angesammlt (RuD~:I~ und WooDs 1959, ScItURIN 19.59, KIK~ADZE und * Herrn Professor ~RIEDRICH SEIDEL aUS AnlaB seines 65. Geburtstages. -- Mit Unterstiitzung dureh die Deutsche Forsehungsgemeinsehaft. Chronlosoma (Berl.), Bd. 13 23

Die Puffs der Speicheldrüsenchromosomen von Drosophila melanogaster

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Page 1: Die Puffs der Speicheldrüsenchromosomen von Drosophila melanogaster

Chromosoma (Berl.) 13, 341--384 (1962)

Aus dem Zoologisehen Insti tut der Universitii~ Marburg

D I E P U F F S D E R S P E I C H E L D R U S E N C H R O M O S O M E N

V O N D t ~ 0 S O P H I L A M E L A N O G A S T E R

I I . M i t t e i l u n g

DIE AUSLOSUNG DEI~ PUFFBILDUNG, I H R E SPEZIFITAT UND I H R E B E Z I E H U N G ZUR F U N K T I O N D E R RINGDR~JSE*

Von

H A N S JOACHIM B E C K E R

Mit 24 Textabbildungen

(Eingegangen am 20. Februar 1962)

I n h a l t Seite

A. Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34i B. Met~morphosehormone und Puffbildung . . . . . . . . . . . . . . . 342

I. Vorbemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342 1. Die Puffbildung im dritten Larvenstadium . . . . . . . . . . . 342 2. Die Puffbildung in den iibrigen Entwicklungsstadien . . . . . . . 346 3. Die Deu~ung der rhythmischen Puffbildung . . . . . . . . . . . 346

II. Material und Methoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348 I I I . Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349

1. Der Zeitpunkt der Hormon~ussehiittung . . . . . . . . . . . . 349 2. Die Reaktion des Puffmusters in den Speicheldrfisen-Chromosomen . 356

C. Die Stadienspezifitgt der Puffbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . 365 I. Vorbemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365

II. Material und Methoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367 III . Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369

1. Der Vorversueh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369 2. Der Hauptversueh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369

D. Diskussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383

A. Einleitung

Puf f s s ind loka le S t r u k t u r v e r ~ n d e r u n g e n an d e n I ~ i e s e n c h r o m o s o m e n

de r D i p t e r e n ( B ~ M A ~ N 1952a, b ; MECHELK~ 1953; B ~ v s ~ u n d

PAVA~ 1955). Morpho log i s eh e r s e h e i n t de r b e t r e f f e n d e C h r o m o s o m e n -

a b s e h n i t t , de r den P u f f ausb i lde t , a u f g e l o e k e r t u n d v e r d i e k t (s. A b b . 1).

I n d iesen B e r e i c h e n i s t P r o t e i n - u n d R i b o n u e l e i n s / i u r e - h a l t i g e s M a t e r i a l a n g e s a m m l t (RuD~:I~ u n d W o o D s 1959, ScItURIN 19.59, KIK~ADZE u n d

* Herrn Professor ~RIEDRICH SEIDEL aUS AnlaB seines 65. Geburtstages. - - Mit Unterstiitzung dureh die Deutsche Forsehungsgemeinsehaft.

Chronlosoma (Berl.), Bd. 13 23

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342 I-~ANS oYOACttlM BECKER:

FILATOV 1961). Zum Wesen der Puffs geh6rt es, dab sie an spezifischen Chromosomenorten ausgebildet werden und ferner, dal~ der Puff eines bestimmten Chromosomenortes nur in einem ffir ihn charakteristischen Entwicklungsstadium auftritt . Schliei31ich sind die Puffs gewebsspezi- fisch; der Puff eines bestimmten Chromosomenortes kann im einen Gewebe vorhanden sein, in einem anderen Gewebe des gleichen Tieres dagegen fehlen.

Die vergleichende Betrachtung der morphologischen, stofflichen und stadienspezifischen Eigenschaften der Puffs legte die Auffassung nahe, dem durch die Puffs gekennzeichneten Strukturmuster der Chromo- somen mfisse ein Funktionsmuster derjenigen Gene, welche in den puff- bildenden Chromosomenorten lokalisiert sind, zugrunde liegen. Diese Interpretation fand kfirzlich eine bedeutsame Stfitze in den l~esultaten BEEI~AN~s (1961) aus seinen Untersuchungen fiber die Mutation eines in der Speicheldrfise aktiven Gens.

In einem anderen Falle konnte ein Zusammenhang zwischen einer Chromosomeninversion und dem AusmM~ eines innerhalb des inver- tierten Bereiches gebildeten Puffs beobachtet werden (M~cHELXE 1960). Hier scheint offenbar auch eine Mutation am puffbildenden Locus vor- zuliegen, mSglicherweise sogar - - aber weniger wahrscheinlich - - ein Positionseffekt.

Die Frage nach den puffausl6senden Faktoren und nach ihrer Spezi- fit/~t in Beziehung zum Puffmuster wird damit zu einem genphysio- logischen Problem: Man fragt nach der Art und der Spezifit~t der Faktoren, die den Genbestand einer Zelle zur Funktion anregen.

Im ersten Teil dieser Untersuchungen soll ein Beitrag zur Frage der Abhgngigkeit des Puffmusters yon den Metamorphosehormonen gegeben werden, im zweiten Teil ein Beitrag zur Frage der Stadien-Spezifit/~t der Puffinduktion. Uber die Ergebnisse dieses zweiten Teiles ist bereits in kurzer Form berichtet worden (BEcKEI~ 1962).

B. Metamorphosehormone und Puffbildung

I. Vorbemerkungen 1. Die P u f f b i l d u n g im d r i t t e n L a r v e n s t a d i u m

Wie die Untersuchung der Puffs in den Speicheldrfisenchromosomen von Drosophila melanogaster (BECKER 1959) gezeigt hatte, ver~ndern sich kurz vor dem Ende des letzten Larvenstadiums nicht viel weniger als 100 verschiedene Stellen der Chromosomen in der ffir einen Puff eharakteristischen Weise. Teilweise sind die Puffs recht klein, und ihr genauer Entwicklungsablauf ist daher nur sehr schwer zu verfolgen. Eingehend wurden jedoch die Puffs des linken Armes vom Chromosom I I I (IIIL) und die des distalen Endes vom X-Chromosom untersucht.

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Die Puffs der Speicheldriisenchromosomen yon Drosophila melanogaster. II 343

Abb. 1. zeigt die Chromosomen eines Speicheldrfisenkerns. Der eine Arm des ersten Chromosoms, die je zwei Arme des zweiten und dritten Chromosoms und das kleine vierte Chromosom h/~ngen mit ihren Kineto- chorenregionen im Chromozentrum (Chr) zusammen. Im Gegensatz zu den gew6hnlich in Lehrbfichern gezeigten Bildern sind in diesem Kern zahlreiche Puffs ausgebildet. Die Larve befand sich bei ihrer Prgparation

Abb. 1. Die Chronlosomen eines Zellkernes der Speieheldrfise von Drosophila melanogaster. RSmische Z i f fe rn : Die Ai~ae der v i e r C h r o m o s o m e n (L l inks ; R rechts) . Arabische Zi f fe rn :

Die Abschni t t e des C h r o m o s o m e n a r m e s I I I L , in denen Pnf f s ausgebi lde t sind. Chz C h r o m o z e n t r n m

kurz vor dem Ende des Larvenstadiums. Die Puffs sind mit der Nummer des Chromosomenabschnittes benann~, in dem sie auftreten.

Die gezeichnung der Chromosomenabschnitte (~rabische Ziffern) und Unter- abschnitte (grol3e Buchstaben) beziehen sich auf diejenigen der Chromosomenkarte von BmDGES (1935). Die gelegentlieh hinter einem grot~en Buchstaben folgenden Ziffern weisen auf die Querscheiben des betreffenden Unter~bsehnittes hin (BRIDGES und BREI~M~ 1944).

In Abb. 2 ist der Entwicklungsablauf der Puffs im I I I L-Chromo- somen-Arm schematisch wiedergegeben. Die zeitlich aufeinander- folgenden Entwicklungsmuster wurden als Pu//musterstadien (PS) be- zeichnet lind fortlaufend yon 1--15 numeriert (Tabe]le 1).

Das dritte Larvenstadium dauert bei einer Entwicklungstemperatur von 25 o C etwa 44 Std. Die Speicheldrfisenchromosomen sind erst in

23*

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344 HANS JOACHIM ]~ECKER:

der Mitre dieses Larvenstadiums grol~ genug, um analysiert werden zu kSnnen. Die jfingsten der untersuehten Larven waren 20 Std alte drit te Larv an.

Wghrend der Entwicklung lassen sigh am linken Arm des dritten Chromosoms folgende Vergnderungen beobachten:

Das Puffmusterstadium (PS) 1 wurde bei allen Larven des drit ten Stadiums im Alter von 20 bis etwa 40 Std gefunden. Der Abschnitt 68 C

82E 63[ 63F

~B

71C'-E

7~ E F 7SB

78D

3 5 6 8 10 72 73 15 Abb. 2. Schemat ische Dars te l lung einer Auswahl yon Puffs des Chromosomenarmes I I I L in neun der insgesamt 15 yon links nach rechts aufe inander io lgenden Stadien der La rven- Pnffbi ldungsperiode. Links die Bezeichnung der Chromosomenabschni t te , in denen Puffs ausgebi ldet werdeu; un te r j e de m Chromosom die Nm3]mer des bet reffenden Pnf fmus te r - s tadiums. Die Stadien 1--10 liegen vor , die Stadien 12--15 nach der P~par iumbi ldung .

Vgl. Abb. 1 und 2 in BECKER (1959) u n d Tabelle 1

des I I I L-Chromosomenarmes ist etwas verdickt, ebenso die Ab- schnitte 71C- -E und 72CD (Tabelle 1). In der 40 Std alten dri t ten Larve, d .h . etwa 4 Std vor dem Ende des dri t ten Larvenstadiums, beginnt die larvale Pu//bildungsperiode. Zungehst schwellen gleichzeitig die Abschnitte 63F, 74EF und 75B an (PS 2). Mit der GrSl]enzunahme dieser Abschnitte versehwindet die Verdickung des Absehnittes 68C (PS 3). Kurz danaeh kommt der Puff des Absehnittes 62E zum Vor- schein (PS 4) und wenig spgter aueh der des Abschnittes 67B (PS 5). Die Puffs in den Absehnitten 63F, 74EF und 75B haben jetzt ihre maximale Ausdehnung erreieht. Dann zeigt auch der Absehnitt 78D die ersten Anzeichen eines Puffs (PS 6). Er n immt sehnell ~n Umfang zu (PS 7), wghrend der Puff des Absehnittes 63F zurfickgebildet und abgelSs~ wird von einem anderen im Abschnitt 63 E (PS 8). Zu dieser

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Die Puffs der Speicheldriisenchromosomen yon Drosophila melanogaster. I I 345

Tabelle 1. Das Pu]]muster im linken Arm des I l l . Chromosoms ]i~r das Ende des dritten Larvenstadiums (Stadium 1~10) und den Beginn des Vorpuppenstadiums (Stadium 11--15), au/geteilt in 15 zeitlich au/einander/olgende Stadien (Aus BECKEI~ 1959.)

- - Kein Puff ausgebildet, + Puff voll ausgebildet, (+) Puff mehr oder weniger deutlich ~usgebildet (bei gut analysierbaren Puffs Bildungs- und Riickbildungs- St~dien). Vgl. Abb. 2.

P u f f m u s t e r - s t a d i c n ( P S )

1

3. Larve

C h r o m o s o m c n a b s c h n i t t e

',) <i)

I I ,

1

7 8 D

(+) +

+

@

@

(+) (+)

Zeit sind die Puffs der Absehnitte 62E und 78D auf der HShe ihrer Ausdehnung. Nun verschwinden die Puffs in den Abschnitten 74 EF und 75B (PS 9), sehlieglieh aueh die in 67 B und 62E, und es erseheint gleieh- zeitig ein neuer im Absehnitt 66B (PS 10). Die Reduktion des 78D- Puffs geht einher mit der Ausbildung der bis dahin nur sehwachen Ver- diekung im Absehnitt 71 C - - E zu einem sehr groBen Puff (PS 11 und 12). SehlieBlich gehen aueh die Verdiekungen der Absehnitte 66B (PS 13) und 63 E (PS 14) naeheinander zur/iek, und am Ende der Puffsbildungs- periode (PS ]5) sieht der Chromosomenarm ghnlieh aus wie im PS 1. PS 1 und PS 15 unterscheiden sieh in der Hauptsache dadureh, dab im PS 15 der Absehnitt 71 C - - E zu einem sehr groBen Puff entwiekelt ist. Zwisehendurch lassen aueh die Absehnitte 70C (PS 4--8) und 76D (PS 12 und 13) ein puffartiges An- und Absehwellen erkennen (Tabe]le 1). PS ]0 und 11 sind charakteristiseh f/ir das Entwieklungsstadium, in dem sieh die erwaehsene Larve zur Vorpuppe verwandelt. Bei dieser Ver- wandlung wird die Larveneutieula yon der Epidermis abgestol~en und zum tSnnehenf6rmigen Pupar ium umgebildet.

Die ]arvale Puffbildungsperiode beginnt wahrscheinlieh etwa 4 Std vor der Pupariumbildung, und sie li~uft i Std naeh der Pupariumbildung bus. Wghrend der sieh ansehlieBenden Stunden der Vorpuppenzeit befinden sich die Chromosomen zungehst unvergndert im PS 15.

A m distalen Ende des X-Chromosoms t reten im gleichen Zeitabsehnit* wie im I I I L-Arm Ver~nderungen ein (s. Abb. 7 in BEO~ZER 1959). Der

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346 HANS JOACHIM BECKER:

Puff des Abschnittes 3C 11--12 wird mit dem Beginn der Puffbildungs- periode kleiner und verschwindet schliel31ich. Im gleichen Zeitraum erscheinen n aeheinander die Puffs der Absehnitte 2B 5--6, 2 B 13--17 und 2EF. Sie werden in derselben Reiheufolge bis zur Puparium- bildung wieder zurfiekgebildet.

2. Die P u f f b i l d u n g in den i i b r i g e n E n t w i c k l u n g s s t a d i e n

Wie wir friiher aul3erdem zeigeh konnten (BEoKEI~ 1959), t reten 7 Std naeh der Pupariumbildung diese vier Puffs erneut auf, und zwar in einer Reihenfolge, die der des dri t ten Larvenstadiums sehr/~hnlich ist (pri~pupale Pu]/bi~dungsperiode). Bis zur 12. Std sind sie abermals zurfiekgebildet. Dieser Zeitpunkt, d .h . 12 Std nach der Puparium- bildnng, ist ausgezeichnet dureh einen der Pnpariumbildnng entspre- chenden Vorgang. Je tz t findet n~mlich die eigentliehe Verpuppung statt. Bei beiden, bei der Pupariumbildung und bei der Verpuppung, wird eine Cuticula abgestol3en, wghrend die Epidermis des Tieres eine neue ausbildet. Es hat den Ansehein, dal3 jedesmal im Zusammenhang mit der Vorbereitung eines H~utungsaktes in den Speicheldrfisenchromo- somen geh~uft Puffs auftreten. Die gleiche Beobachtung gilt ffir den I I I L-Arm, fiber dessen Besonderheiten unten (S. 366) eingehender berichtet wird.

Eine Verallgemeinerung der Beobaehtungen in diesen beiden unter- suchten Entwicklungsstadien in bezug auf alle Hautungsvorggnge, d. h. aueh auf die Larvenh~utungen, erscheint gerechtfertigt, weil wir in den Chromosomen yon Larven des zweiten Stadiums, die sich unmittelbar vor der I-Iautung befanden, ebenfalls Puffs beobachteten. Die Chromo- somen dieses Stadiums sind zwar zn klein, als dal~ sich die Puffs mit einem bestimmten Chromosomenabschnitt identifizieren lieBen. Jedoch konnten mit Sieherheit mehr Puffs gesehen werden, als in den Chromo- somen der Larven des dri t ten Stadiums vor der Puffbildungsperiode zu finden sind.

3. Die D e u t u n g d e r r h y t l i m i s c h e n P u f f b i l d u n g

Die Beobachtung, dal3 jeweils w~hrend der Vorbereitung zu einer Hgutung eine Periode geh~tufter Puffbildung auftritt , l~Ll3t eine gemein- same Ursaehe ffir beide Erscheinungen vermuten. Bekanntlieh sind der Zeitpunkt und die Qualit/~t einer Hautung bei alien nntersuehten In- sekten hormonal gesteuert (PIEPHO 1952).

~ber die ersten Experimente zu diesem Problem hat KoPE~ (1917) berichtet. Nach Schnfirung yon ausgewachsenen Lymantria-Raupen vor einem bestimmten kritisehen Stadium verpuppte sieh nur der vor der Ligatur gelegene Teil, w~hrend der hintere dauernd larval blieb. F~XNKEI~ (1935) machte ebensolehe Versuehe mit dem gleichen Resul~at bei Calliphora. Nachdem HADORN (1937) gefunden hatte,

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Die Puffs der Speicheldriisenchromosomen yon Drosophila melanogaster. I I 347

dab die die Verpuppung auslSsenden Hormone bei den Dipteren in der Ringdriise gebildet werden, konnten BU~TT (1938) und Posso~Pi~s (1953) zeigen, dab naeh Exstirpierung der Ringdriise tatsiehlieh die Verpuppung ausbleibt. HADOlCN und NEEL (1938) besehleunigten bei Larven des dritten Stadiums das Einsetzen der Pupariumbildung, indem sie l~ingdriisen implantierten; und VOGT (1942) induzierte Pupariumbildung dutch Ringdriisen-Implantation in L~rvenabdomin~, die dutch reehtzeitige Sehniirung larval geblieben waren.

I m ganzen he r r s eh t folgende Vors te l lung yon den Metamorphose- ho rmonen der I n s e k t e n u n d ihrer F u n k t i o n : Naeh Ak t iv i e rung d u t c h neurosekre tor i sehe Zellen des Gehirns sezernieren die P ro thoraxdr f i se das sog. H/~utungshormon und die Corpora a l l a t a das sog. Juge ndho rmon .

RD G I

I SD Abb. 3. L~rve des dr i t ten S tad iums in Seiten~nsieht. Eingezeiehnet sind die SDeichel- drtisen (SD), das Gehirn (G) und v o r n a m Gehirn als kieiner schwarzer R ing die Ring- driise (RD). Die Pfeile bezeichnen die Region, in der im Schni i rungsexper iment die L iga tu r

angelegt wurde

Jede H g u t u n g wi rd e ingele i te t durch eine Hormonaussch t i t t ung be ider Drfisen. W e n n viel J u g e n d h o r m o n in der H g m o l y m p h e vo rhanden ist , d a n n hat, die ngchs te H g u t u n g l a rva l en Charak te r . Mit der A b n a h m e oder gar dem Er l6sehen der J u g e n d h o r m o n - B i l d u n g se tz t die Metamorphose zur I m a g o ein. Naeh der P u p p e n h g u t u n g wi rd die P r o t h o r a x d r i i s e zur t iekgebi ldet . Die Corpora a l l a t a b le iben dagegen e rha l t en und nehmen naeh vor i ibe rgehender Pause v e t nnd wghre nd der Me tamorphose ihre T i t i g k e i t in tier I m a g o wieder auf.

Corpora allata und Prothoraxdriise sind bei den Dipteren in der Ringdrfise ver- einigt. Sie machen den zentrMen Teil bzw. die grogen Sehenkelzellen der Drfise aus. VOGT (1943) konnte in geschniirten Larvenabdomina von Drosophila hydei durch Transplantation isolierter Sehenkelabsehnitte Pup~riumbildung ausl6sen. In der gleiehen Arbeit liefert sie Hinweise dafiir, dab die Ringdriise der Dipteren ebenso rhythmisch funktioniert, wie es naeh KAISEI~ (1949) bei der Prothoraxdriise und den Corpora allata von Pieris der Fall ist. SchlieBlieh konnte in Calliphora- Larven, denen vorher die I~ingdriisen exstirpiert waren, dureh Injektion extrahier- ten Hiiutungshormons Pupariumbildung induziert werden (KAI~LSON and HANSEI~ i953). Die Lage der l%ingdrfisen in Drosophila-Larven zeigt Abb. 3.

Eine sorgfgltige Bestimmung des Zeitpunktes der Hormonausschiittung haben BECKER und PLAGGE (1939) bei Calliphora durehgefiihrt. Nut wenn eine Larve weniger als 14 Std vor der Pupariumbildung gesehniirt wurde, konnte aueh der Hinterteil ein Puparium bflden. Fiir Drosophila existieren nut approximative An- gaben. Danach sell die Hormon~ussehfittmag bei D. melanogaster (BODENSWEIN 1938) etwa 12 Std und bei D. hydei (VoaT 1942) etwa 4--12 Std vor der Puparium- bildung stattfinden.

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348 HANS JOACH~I ~BEcKER:

Zuniichst wurde daher der Ze i tpunk t der Hormonausschf i t tung bei Drosophila melanogaster systematisch bes t immt . Dabei zeigte es sich, dag bei geeigneter Lage der Ligatur (Pfeile in Abb. 3) die Speicheldriisen der Larve d u r c h t r e n n t werden kSnnen. Auf diese Weise bleibt der

Vorderteil der Speicheldrfisen vor der Durchschnfirungsstel le im gleichen K5rpe rabschn i t t wie die l~ingdrfise, wghrend der Hinter te i l beider Driisen in den t t i n t e r a b s c h n i t t ger~t u n d daher yon weiteren Ein-

flfissen durch die ]~ingdrfise bewahr t wird. Diese gfinstige morphologische S i tua t ion wurde ansgenutzt , um die

Abhgngigke i t der Puf fb i ldung yon der F u n k t i o n der Ringdrfise zu un te r suchen .

II . Material und Methoden Als Versuchstiere dienten Fliegen des Stammes Berlin-normal. Sie stammen

aus einer langj~hrigen Zucht des GSttinger Zoologischen Instituts. Abgesehen von den Zeiten, die ffir die Behandlung benStigt wurden, verbrachten alle Tiere ihre gesamte Entwieklung bei 24--250C. Zur Eiablage wurden die Elterntiere 1--3 Std in den Zuehtflasehen belassen. Alte Larven des dritten Stadiums, die das am Boden der Flaschen befindliehe Futter verlassen und an den Glasw~nden umherkrieehen, wurden abgesammelt und fiir etwa 2 Std in einer Petrischale auf feuchtem Filtrier- papier aufbewahrt. Dann wurden sie mit einem 52 # starken Diolenfaden geschnfirt und anschlie~end wiederum in Petrisehalen auf feuchtem Filtrierpapier bei 25~ gehalten. In verschiedenen Versuchsserien waren diese Petrischalen mit 10--30 ge- schnfirten La.rven besetzt. Eine Larve kann etwa innerhalb 1 min geschniirt wer- den, so da[3 die Schnfirung der Tiere in einer Petrisehale nach jeweils mindestens 10 und hSchstens 30 rain abgeschlossen war. Die Mitre eines solchen Zeitabschnit- tes gMt als Sehniirungszeit.

Nach der Schniirung wurden Ver~nderungen an den geschniirten Larven in Zeitabsehnitten yon meistens 1~2 Std registriert. Wiederum galt die Mitre des Zeitabschnittes, in dem die Ver~nderung aufgetreten war, als Zeitpunkt des Ein- tritts der Ver~nderung. Wenn z.B. eine Gruppe yon 20 Larven yon 13.00 bis 13.20 Uhr geschnfirt women war und wenn eine der Larven zwisehen den Kontroll- zeiten yon 17.30 und 19.00 Uhr ein Puparium gebildet hatte, dann wurde als Inter- vall zwischen Schniirung und Pupariumbildung (SP-Interwll) die Zeit yon 13.10 bis 18.15 Uhr gerechnet.

Um den Zeitpunkt der Hormonausschfittung mSglichst genau zu bestimmen, wurden allein die Versuche mit einem ]~egistrierungs-Zeitabschnitt bis zu 2 Std berficksiehtigt.

Der Eintritt der Pupariumbildung ist daran zu erkennen, dal~ die vorderen TracheenSffnungen hSrnchenartig nach vorn ausgestiilpt werden. Die Braunf~r- bung des PuppentSnnchens setzt jedoch erst sp~ter ein, sehreitet nur langsam fort und ist erst 2--3 Std sp~ter vollendet. Daher wurde erst am Tage nach einem Schniirungsversuch entschieden, ob der Hinterteil einer Larve, dessen Vorderteil ein Puparium gebildet hatte, ebenfalls Vorpuppencharakter angenommen hatte, oder ob er larwl geb]ieben war. Der AufenthMt auf Filtrierpapier vor der Sehnii- rung erwies sich besonders bei solehen Larven als gfinstig, die noch eine l~ngere Zeit bis zur Pupariumbildung vor sieh batten. Offenbar iiberstehen die Larven den Eingriff besser, wenn die vor der Schnfirung gelegenen Darnmbschnitte keine ~ahrung mehr enthalten. Bei den als ,,tot" registrierten Lurven war meistens nur der Abschnitt vor der Schnfirung abgestorben und schwarz geworden.

Page 9: Die Puffs der Speicheldrüsenchromosomen von Drosophila melanogaster

Die Puffs der Speicheldriisenchromosomen yon Drosophila melanogaster. I I 349

Es wurde immer versucht, die Schlinge im Bereich des vierten Segmentes der Larve unzulegen, besonders bei den Tieren, deren Speicheldriisen sparer prEpariert werden sollten. Manchmal sal~ jedoch die Sehlinge etwas weiter vorn, m~nchmM etwas weiter hinten.

Ein Tefl der Larven wurde benutzt, um die Chromosomen in den vor der Schniirung und hinter der Schniirung gelegenen Speicheldriisenabschnitten zu untersuchen. Zur Pr~Lparation der Speicheldriisen wurden nur solehe Larven aus- gew~Lhlb, deren vor der Schnfirung gelegener Teil sieh im Augenblick der Puparium- bildung befand, oder kurz d~vor oder kurz danaeh. Diese Larven wurden auI einem Hohlschliffobjekttr~ger in Ringerl6sung (B]~CKEI~ 1959) an der Schnfirungs- stelle raft einer Mikroschere durebschnitten. Meistens traten aus einem der beiden Larvenabschnitte nach dem Schnitt die inneren Organe heraus. Dieser Teil wurde gew6hnlich ~uf dem Objekttr~ger belassen, der andere Teil d~gegen ~uf einen ande- ren ObjekttrEger tiherffihrt, dann auch in Ringerl6sung aufgerissen, womSglich nach Entfernung der Sehlinge, so da{~ auch seine inneren Organe heraustraten. Beide Teile wurden getrennt weiterbeh~ndelt: Fixierung in AlkohoI-Eisessig, Vor- fiirbung mit Karmin-Essigs~ure, Quellung dureh Zusatz 45% iger EssigsEure und schlieBlich Quetschen in Orcein-Milchs~iure-Essigsiiure.

])as Untersuchen, Zeichnen und Photographieren der Chromosomen wurde mit Hilfe der Ph~senkontrast-Optik durchgefiihrt.

I I I . Ergebnisse

1. D e r Z e i t p u n k t d e r t t o r m o n a u s s c h i i t t u n g

U m den Z e i t p n n k t de r R i n g d r f i s e n f u n k t i o n zu b e s t i m m e n , w u r d e n

in 17 Se r i en i n s g e s a m t 832 L ~ r v e n geschnf i r t . D e r E n t w i c k l u n g s v e r l a u f

de r ge schn f i r t en T i e r e i s t in T~be l l e 2 z u s a m m e n g e s t e l l t .

Tabelle 2 Der Entwickl.ungsverlau[ de,r Tiere, die im dritten La~wenstadium geschni~rt wu~'den

I II I III I IV ] V I VI I VII VIII IX X

N u m m c r P u p a r i u m b i l d u n g L ~ r v c Spei - chcl ~ Anz~h]

des spf i tc t ~bge- dr f i sen d e r v o r n ~md rim' n u t i r s to r - E x p c r i - h i n t c n v o r n h i n t e n n t e ~ v e r - k e i n c p r ~ p a - T i e r e m e n t e s (VH-Tierc) , (V-Tie re ) ( H - T i e r e ) m e o l I b e n r i e r t

1 6 3 2 2 1 3 1 - - 4 38 5 5 39 18 6 4 20 7 29 5 8 8 9 9 9 14

10 - - 6 11 9 1 12 10 1 13 9 2 14 5 4 15 13 4 16 1 3 17 - - - -

183 I 96 Z

1 1

3 7 7

24 13 13

1 15 16 5 3 6 4 2

I

1 - - 29 - - 40 - - - - 4 4 2 - - 50 - - - - - - 6 4 - - 65 4 2 8 - - 60 2 - - 3 11 - - 80

- - 33 13 3 80 - - 9 1 1 2 8 0

- - 2 6 2 2 6 0

- - 1 8 5 1 6 0

- - 2 0 5 4 3 6

- - 1 4 6 3 6

- - 1 5 2 1 36 6 1 7 30

- - 8 9 6 35 - - 1 7 2 2 3 5

- - 1 4 6 7 35 . . . . . 3 9 14

7 I 3 [ 150 L 213 832

Page 10: Die Puffs der Speicheldrüsenchromosomen von Drosophila melanogaster

350 HANS JOACHIM B:ECKER:

In den Spalten I I - - V I sind die Tiere aufgefiihrt, bei denen Puparisierungs- erseheinungen auftraten. Spalte I I enth~lt die Tiere, bei denen der vet und der hinter der Sehniirung gelegene Teil ein Puparium gebildet haben (VH-Tiere; Abb. 4, untere l~eihe). Der Beginn der Pul0ariumbildung ist, wie erw~hnt, am Ausstiilpen der vorderen TraeheenSffnungen zu erkennen; die Braunfarbung des Pupariums lgl3t sieh erst Sparer, im Hinterteil jedenfalls erst naeh 2--3 Std beobaehten. AuBer- dem sieht man im hinteren Teil des Tieres naeh der Puparisierung bei durehfallen- dem Lieht deutlieh den ExuviMraum. In Spalte I I I der Tabelle 2 sind die Tiere

Abb. 4. Tiere, die nach der Sehniirung im dritten Larvenstadium vor der Ligatur ein Puparillm gebildet haben. Bei den Tieren der oberen Reihe ist der hinter der Ligatur gelegene Teil larvM geblieben (V-Tiere), bei den Tieren der unteren Reihe ist er ebenfal]s

puparisiert (VH-Tiere)

aufgenommen, deren Vorderteil puparisiert und deren Hinterteil larval geblieben ist (V-Tiere; Abb. 4, obere Reihe). Bei diesen Tieren haben sieh im hinter der Sehniirnng gelegenen KSrperabsehnitt alle larvalen Merkmale erhalten, einsehlielL lieh der Bewegungsfahigkeit. Bei den Tieren der Spalte IV bildete nur der hintere K6rperteil ein Puparium (H-Tiere). Der vordere blieb in diesen Fallen dauernd larval. Gelegentlieh war der Vorderteil noeh fiir einige Stunden beweglieh. In drei Fallen (Spalte VI) setzte jedoch noch naehtr/~glieh auch im Vorderteil eine Puparisierung ein. t~ei einem dieser Tiere unterblieb die Ausstiilpung der vorderen Traeheen6ffnungen. Bei den Tieren der Spalte V erreichte der Hinterteil nur eine sehwaehe hellbraune Pigmentierung. In Spalte VII sind alle Tiere aufgef/ihrt, die vorn und hinten ihr larvales Aussehen behielten, die vielfaeh jedoeh vorn sehon am Tage der Sehniirung bewegungsunfahig wurden. Als tot wurden nut solehe Tiere registriert (Spalte VIII) , bei denen ein K6rperabschnitt oder beide Absehnitte Merkmale des Absterbens zeigten und schlieglieh sehwarz wurden.

Page 11: Die Puffs der Speicheldrüsenchromosomen von Drosophila melanogaster

Die Puffs der Speicheldriisenchromosomen von Drosophila ~nelanogaster. I I 351

In der iiberwiegenden Mehrzahl der Fiille starb nur der vordere KOrperabschnitt ab. Spalte IX schlie$lich fiihr~ die Tiere auf, die bei der Pupariumbildung zur Untersuchung ihrer Speicheldrfisenchromosomen pr/ipariert wurden.

Wie HADORN (1937), ]~ODE:NSTEIN (1938) und VOGT (1942) nach- gewiesen haben, produziert die l~ingdrfise das Hormon, welches die Pupariumbildung einleitet. Die Ergebnisse der ersten beiden Spalten der Tabelle 2 sind daher ohne weiteres verstiindlich: In den Fi~llen, in denen vor und hinter der Schnfirung Pupariumbildung eintrat (Spalte II) , war das Hormon bereits ausgeschfittct worden und mit der t t~molymphe fiber den ganzen KSrper verteilt. Selbst bei Abtrennung der Ringdrfise setzt in allen Teilen der Larve Pupariumbildung ein. In den Fi~llen jedoch, in denen nur der vor der Schnfirung liegende KSrperabschnit t ein Pupar ium bildet (Spalte I I I ) , ist die Schnfirung offenbar vor der Hormonausschfit tung angelegt worden. Die zeitliche Verteilung des Auftretens dieser beiden Typen best~tigt diese Annahme.

Urn die zeitliche Verteilung der verschiedenen Reaktionen nach der Schnfirung zu verdeutliehen, sind in Tabelle 3 die VH-Tiere, V-Tiere und H-Tiere (Tabelle 2, Spalte I I - - I V ) aufgegliedert worden in halb- stfindige Gruppen mit verschiedenen Zeitintervallen zwischen der Schnfirung und der Pupariumbildung (SP-Interval le ; Tabelle 3, Spalte I).

In den Spalten I I - - IVa ist jeweils das Gesamtmaterial gegeben (vgl. Tabelle 2). Die Spalten I I - - IVb enthalten jeweils nur die Tiere, deren Registrierungs-Zeit- abschnitt 2 Std und kfirzer war. (Siehe dazu im Abschnitt Material und Methoden S. 348.) In den Spalten I I Ic und IVc schlie~lich sind die Tiere aufgeffihrt, die am Schnfirungstage noch Larven waren und erst am folgenden Morgen Puparisierungs- erscheinungen zeigten. Das SP-Intervall, unter dem sie eingetragen sind, gibt die Mindestzeit an, die zwischen der Schnfirung und der Pupariumbildung ver- strichen war.

Wie Tabelle 3 zeigt, beobachtet man den ersten der beiden Typen nur dann, wenn die Schnfirung weniger als 5 Std vor der Puparium- bildung angelegt wird (Spalte II) . Der zweite Typus t r i t t nur dann auf, wenn die Schnfirung mehr als 3 Std vor der PuparJumbildung angelegt wird (Spalte I I I ) .

Die Zahlen der Spalten I I und I I I , d .h . der VH- und V-Tiere, fiberschneiden sich nur im Bereich yon 31/2--5 Std vor der Puparium- bildung. Daraus kann man schliel~en: 31/2--5 Std vor der Puparium- bildung schiittet die Ringdriise yon Drosophila melanogaster die Hormone aus, welehe die Pupariumbildung einleiten.

Auf diese Weise li~]~t sich das Auftreten der VII- und I~-Tiere er- kl~ren und ihre zeitliche Verteilung verstiindlich machen. Nun mn~ welter nach den Ursachen ffir alle fibrigen in Tabelle 2 verzeichneten Erscheinungen gefragt werden, zuni~chst ffir das Auftreten der H-Tiere.

Spalte IV der Tabelle 2 enths a]le H-Tiere. Tabelle 3 gibt in Spalte IV die zeitliche Folge ihres Auftretens nach der Schnfirung an.

Page 12: Die Puffs der Speicheldrüsenchromosomen von Drosophila melanogaster

352 I~ANS ~OACHIM BECKER:

Tabelle 3. Alle VH-Tiere (vor und hinter der Ligatur Pupariumbildung), V-Tiere (nur vor der Ligatur Pupariumbildung) und H-Tiere (nut hinter der Ligatur Pnpariumbildung), au/gegliedert in halbstiindige Gruppen mit verschiedenen Zeit-

intervaUen zwischen Schniirung und Pupariumbildung Zur Auswahl der ausgewerteten Tiere (Spalte I I - - I V b ) siehe Abschnitt ,,Ma-

terial und Methode".

Die versp~itet beobachteten Falle (Spalte I I I c und IV c) waren am Schnfirungs- rage noch Larven und zeigten erst am folgenden Morgen Puparisierungserscheinun- gen. Bei ihnen bedeutet des SP-Intervall (Spalte I), unter dem sie eingetragen sind, die Zeit zwischen der Schnfirung und der ]etzten Registrierung am Abend des Schnfirungstai eS.

Zeitintervalle zwischen

Schnfirung und Puparium -

bildung (Std und rain; SP-Intervalle in Gruppen

Pupariumbildung

vorn und hinten nur vorn nur hinten (VH-Tiere) (V-Tiere) (H-Tiere)

a b a b c a b c ver - Yer-

gefun- ausge- gefun- ausge- sp~itct gefun- ausge- sp~ttet dene wertete done wertete beob- dene wertote beob-

achtctc achtete

F~ille F~lle F~ille

zu je 1/2 Std

0.00-- 0.30 10 10 0 0 0.30-- 1.00 27 27 0 0 1.00-- 1.30 43 11 0 0 1 .30- -2 .00 25 17 0 0 2.00-- 2.30 10 10 0 0 2.30-- 3.00 20 17 0 0 3.00-- 3.30 17 14 3 0 3.30-- 4.00 18 13 4 4 4 .00- -4 .30 8 8 7 7 4.30-- 5.00 5 5 7 7 5.00-- 5.30 0 0 13 13 5.30-- 6.00 0 0 5 5 6.00-- 6.30 0 0 5 5 6.30-- 7.00 0 0 7 5 7.00-- 7.30 0 0 3 3 7.30-- 8.00 0 0 3 2 8.00-- 8.30 0 0 4 1 8.30-- 9.00 0 0 14 4 9.00-- 9.30 0 0 8 4 9.30--10.00 0 0 4 3

10.00--10.30 0 0 2 1 10.30--11.00 0 0 1 1 11.00-- 0 0 10 1

[ 183 [ 1 3 2 66

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 2

10 3 1 1 0 9

27

S~llnme aller

a~sge- werteter

Tierc (vgl.

Abb. 6)

0 0 0 10 0 0 0 27 0 0 0 l l 2 1 0 18 1 1 0 11 4 4 0 21

l l 10 0 24 6 5 0 22

13 10 0 25 24 22 0 34 19 15 0 28 7 7 0 12 3 3 0 8 9 7 0 12 5 5 0 8 3 1 2 3 2 1 0 2 6 0 4 4 2 1 0 5 3 0 3 3 1 1 0 2 0 0 0 1 0 0 0 1

121 I 94 292

E i n i g e w u r d e n b e r e i t s 11/2--2 S t d n a c h d e r S c h n f i r u n g b e o b a c h t e t ,

a n d e r e e r s t 10 S t d n a c h d e r Schn f i rung . Die m e i s t e n ze igen in Ze i t -

i n t e r v a l l e n v o n 3 - - 7 S t d n a c h d e r S c h n f i r u n g i m h i n t e r e n K 6 r p e r t e i l

d ie B r ~ u n u n g , n a c h d e r sie als H - T i e r e a n g e s p r o c h e n w e r d e n . Sie s i n d

j e d e n f a l l s sp/~ter ~ls V H - T i e r e u n d f r f ihe r als V -T i e r e zu b e o b a c h t e n .

Page 13: Die Puffs der Speicheldrüsenchromosomen von Drosophila melanogaster

Die Puffs der Speicheldriisenchromosomen yon Drosophila melanogaster~ I I 353

Ffir die Erseheinung, dab bei einem Tier nur der hintere K6rper- abschnitt puparisiert, gibt es zwei m6gliehe Ursachen. Entweder sind die Tiere so welt vorn gesehnfirt worden, dal~ die Ringdriise hinter die Ligatur geriet; die Sehntirung hiitte in solch einem Fall vor der Hormon- aussehfittung stattgefunden. Oder die vorderen K6rperabsehnit te haben, t rotz normaler Lage der Ligatur, aus irgendeinem anderen Grunde kein Pupar ium gebildet; in diesen F/~llen w~re die Schnnr nach der t tormon- ausschfittung angelegt gewesen. Sehr wahrscheinlieh trifft ffir den fiberwie- genden Anteil der t t-Tiere diese letzte M6glichkeit zu. Die Begrfindung fiir diese Annahme sell im einzelnen aus- gefiihrt werden.

Ganz sieher gilt die zweite der beiden M6glichkeiten ffir denjenigen Teil, bei dem die Larven so spgt geschnfirt worden waren, dab die Br~u- nung des hinteren K6rperabschnit tes weniger als 3 Std spi~ter auRrat . Bei diesen Tieren ist demnach die Pupari-

A b b . 5 a u. b. Tiere m i t v o l l s t ~ n d i g e r sierung im vorderen U6rperabschnitt P n p a r i s i e l m n g h i n t e r der L i g a t u r m i d

unterb]ieben, obwohl Hiiutungshormon in verschiedenem Grade ausgebildeter T e i l p u p a r i s i e r u n g v o r t ier L i g a t u r .

vorhanden w a r . a Die v o r d e r e YI~lfte des v o r de r Ligatur gelegenen l~6rperabschnittes

Das Auftreten dieser Versuchstiere ist braun gefhrbt; die hintcre H~Ifte

war nach den Ergebnissen einiger fr/i- (unmittelbar vor der Ligatur) hat die weii]e, l a r v a l e F~ i rbung b e h a l t e n .

herer Untersueher zu erwarten, b N u r d ie ganz v o r n a m Tie r zu er- kennenden ausgestiilpten Tracheen-

BOI)E~ST~,I~(1938), FRiNKEL (1935) und 6ffnungen sind braun gef~rbt; der BECKEI~ und PLAGGE (1939) haben die glei- Rest des vor der Ligatur befindliehen

Teiles ist larval geblieben. Die Natur che Erscheinung beobachtet. Sie halten der dunlden Region unlnittelbar vor mangelnde Sauerstoffzufuhr fiir ihre Ursache. und hinter der Ligatur ist unbekannt

Durch eine zweifache Ligatur kann man n~imlich z. ]3. erzielen (BODENSTEIN 1938), dai3 nur der Vorder- und Hinter- absehnitt louparisiert, der Mittelabschnitt aber larval bleibt.

Eine andere Erseheinung, die bei zwei Tieren beobachtet wurde, stfitzt diese Annahme. In diesen F~Lllen waren die vorderen Traeheen- 6ffnungen ausgestfilpt, aber nur der vordere Teil des vor der Ligatur gelegenen K6rperteils war braun gefiirbt. Der Absehnitt unmittelbar vor der Ligatur hatte die helle larvale Fi~rbung behalten (Abb. 5a). Bei einem dritten Tier waren nur die ausgestfilpten Tracheen6ffnungen braun gef~rbt (Abb. 5b).

Es ist m6glich, dab sehr leieht eine Verstopfung der vorderen Traeheen6ffnungen eintritt und die ffir die Puparisierung erforderliche

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354 H A N S J O A C H I M B E C K E R :

Sauerstoffzufuhr verhindert. Wenn dies tatsgchlich die Ursache f/Jr das Verhalten des Vorderteiles ist, dann mu6 man schliel~en, dal~ die hinteren Traeheen5ffnungen weniger leieht verstopfen. Bei allen 135 Tieren, bei deren Vorderende in den ersten 3 Std nach der Sehnfirung Puparium- bfldung eintrat, zeigte auch der hintere KSrperabschnit t Pupariumbil- dung. Bei einem einzigen Tier, einem H-Tier, erstreckte sich die Pupari- sierung nicht fiber den ganzen Hinterabschnitt . Auch hier war das distale Ende braun gefgrbt. Die Fgrbung nahm naeh vorn hin ab, und die Region unmit telbar hinter der Ligatur war weilL

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1 ' 2 1 1 ]0 9 8 7 6 5 g 3 2 1 P A b b . 6. D i e H g u f i g k e l t g e s c h n i i r t e r T i e r e m i t d r e i v e r s e h i e d e n e n T y p e n d e r P u p a r i u m - b i l d u n g f i i r v e r s e h i e d e n e Z e i t i n t e r v a l l e z w i s c h e n d e r S c h n f i r n n g n n d t ier P u p a r i u m b i l d u n g (vgl . T~be l l e 3). V H - T i e r e ( . ; v o r n n d h i n t e r d e r L i g a t u r P u p a r i u m ) , V - T i e r e (o; n u t v o r d e r L i g a t n r P u p a r i u m ) n n d I : i -T ie re (• n u r h i n t e r d e r L i g a t u r P u p a r i u m ) . A b s z i s s e : S t u n - d e n v o r d e r P u p a r i u m b i l d u n g ( P ) ; O r d i n a t e : P r o z e n t s a t z a l le r T i e r e f f i r j e d e s Z e i t i n t e r v a l l

Um die Entstehungsweise der iibrigen H-Tiere, die auf einem frfiheren Entwicklungsstadium gesehniirt wurden als die eben besprochenen, erklgren zu kSnnen, mul~ man die Besonderheit ihrer Registrierung berfieksiehtigen. Den genauen Zeitpunkt der Pupariumbildung kann man bei H-Tieren nicht feststellen, well die Vorderstigmen bei ihnen nicht ausgestfilpt werden. Das in der Tabelle 3 angegebene Zeitintervall zwischen Sehn/irung und Pupariumbildung ist daher bei H-Tieren in Wahrheit das Zeitintervall zwisehen Schnfirung und Braunfgrbung des Abdomens. Diese Braunfgrbung setzt bekanntlich spgter ein und ist erst 2- -3 Std naeh der Ausstfilpung der Vorderstigmen vollendet. Tat- sgchlieh wurden H-Tiere im allgemeinen erst 2--31/2 Std nach der eigentlichen Pupariumbildung an der Braunfgrbung ihres Abdomens als solehe erkannt.

Ungeachtet des normalen Ablaufes der Braunfgrbung kann man aus einer ver- gleichenden Betrachtung der V- und H-Tiere abschiitzen, wann frfihestens n~ch der Pupariumbfldung die Braunfiirbung in den Abdomina registriert wurde. V-Tiere dfirfen bei der Schniirung hSchstens 5--31/2 Std vor der Pupariumbildung stehen (Tabelle 3). Innerhalb dieses Zeitabschnittes nimmt ihr Anteil mit zunehmendem Schniirungsalter der Larven ab (Abb. 6). Demgegenfiber diirfen Larven etwa 11/2 Std glter sein, damit sie noeh zu H-Tieren werden kSnnen. Dieses wird am

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Die Puffs der Speicheldriisenehromosomen von Drosophila melanogaster. I I 355

besten aus dem parallelen Abfall der Kurven fiir V-Tiere (o---o) und H-Tiere (x---x) in den ]etzten 6 Std vor der Pupariumbildung deutlich (Abb. 6). Man kann daher {olgendermagen argumentieren: Die Hormonaussehiittung finder zwischen 5 und 31/2 Std vor der Pupariumbfldung start. Die Larven k6nnen bei ihrer Sehniirung im ganzen 11/2 Std iilter sein, um sich noch zu H-Tieren entwickeln zu k6nnen. Sie miissen also sp~testens 31/2--2 Std vor der Pupariumbildung geschniirt werden. Und das bedeutet wiederum, dag die Briiunung der Abdomina bei H-Tieren im allgemeinen erst 2--31/2 Std nach der Pupariumbildung registriert wurde.

Mi t Hi l fe dieser Ta t saehe k a n n m a n e rmi t t e ln , wie jung die L a r v e n im i~ugersten Fa l l e sein d/irfen, u m sieh bei o rdnungsm~giger Lage der L iga tu r noch zu H-T ie ren entwiekeln zu kSnnen. Dazu i s t ein Vergleich mi t den VH-Tie ren notwendig . Diese k6nnen noeh ents tehen, wenn L a r v e n 5 S t d vor der P u p a r i n m b i l d u n g geschnt i r t werden. D e m oben Gesagten nach kSnnte eine Larve , soll sie sich zu e inem H-Tie r ent- wiekeln, 31/2 S td jf inger sein. Sie d i i r f te also 81/2 S td vor de r P u p a r i u m - b i ldung stehen. Demnach kann der grS/3te ~Feil der H-Tiere angesehen werden als das Ergebnis yon Experimenten, in denen Tieren die Ligatur zwar hinter der Ringdriise angelegt war, der Vorderteil jedoeh aus irgend- einem Grunde kein Puparium bildet.

F/Jr die le tz te , noeh n ieh t besproehene Gruppe von H-Tieren , deren L a r v e n bei der Sehnfirung 1/~nger als 81/e S t d vor der Pupa r iumbf ldung s tanden , g ib t es zwei Erkl /~rungsm6gliehkeiten. E n t w e d e r verl ief die Br/ iunung des Abdomens bei ihnen e twas langsamer , oder sie wurde e twas sp/ i ter e r k a n n t ; oder die Tiere waren zu wel t vorn gesehniir t , so dab die Ringdr / i se h in te r der L iga tu r lag. W i t haben n ieh t versueht , diese l e t z te M6gl iehkei t auszusehl iegen, ha l t en sie ]edoeh ffir unwahr-

seheinlieh. Schlieglieh kann man noeh versuehen, alle Larven, die naeh der Schnfirung

keinerlei Puparisierungserseheinungen zeigten (Tabelle 2, Spalte VII) und die als tot registriert wurden (Tabelle 2, Spalte VIII), nach ihrem Schniirungsalter einzu- ordnen. Naeh dem oben Gesagten (S. 351 ff.) wiirden VH- und H-Tiere zur gleiehen Altersklasse gehSren; d.h. sie wtirden beide naeh der Hormonaussehtittung ge- schniirt worden sein.

Naeh Tabelle 2 wurden 183 VH- und 121 H-Tiere registriert, zusammen also 304, gegeniiber nur 96 V-Tieren. Dieser Befund ist zungehst verwunderlieh, da in den meisten Versuehsserien (Tabelle 2) sowohl Vii- und H-Tiere als aueh V-Tiere registriert wurden. Die Gleiehm~Bigkeit dieser Verteilung und die Kfirze der Ei- ablage-Intervalle bei der Larvengewinnung (S. 348) sehliegt die MSgliehkeit aus, da/3 beim Auslesen der Larven eine so einseitige Auswahl soleher Tiere stattfinden konnte, die sieh 5 oder weniger Stunden vor der Pupariumbildung befanden. Im Gegenteil sollten sieh bei den zur Sehniirung benutzten Larven weit mehr jtingere Tiere befunden haben. Man muff deshalb wohl alle Dauerlarven and die als ,,tot" registrierten Tiere fiir solehe halten, die bei der Sehnfirung relativ lung waren. Das ist aueh insofern verniinftig, als die Absterbe-Wahrseheinliehkeit naeh der Sehnii- rung zweifellos gr6ger ist, je mehr Zeit yon der Sehnfirung bis zum zu erreiehenden Ziel, n~mlieh der Pupariumbildung verstriehen ist. Die Absterbeziffern der ersten drei Versuehsserien sincl wohl deshalb so hoeh, weil die Tiere beim Auslesen relativ

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356 I~ANS JOACHIM BECKEK:

jung waren und obendrein unmittelbar nach der Entnahme aus dem Zuchtglas geschniirt wurden.

Bei den sieben Intermedigren (Tabelle 2, Spalte V) ist das Intervall zwischen Schniirung und Pupariumbildung 3 Std 3 min, 3 Std 15 rain, 4 Std, 4 Std 10 rain, 4 Std 10 min, 4 Std 18 rain und 4 Std 30 rain. Sie sind demnaeh w/~hrend bzw. kurz naeh der Ringdriisenfunktion geschniirt worden. Jedenfalls enthielt bei ihnen offenbar die Hs noch nicht die volle Hormonmenge, die zu einer normalen Puparinmbildung erforderlieh ist.

Die vorstehende Besprechung sollte zeigen, dab weder das Auftreten der H-Tiere noch das derjenigen mit versp~tteter oder intermedigrer Pupariumbildung etwas an der oben geguSerten Feststellung s Werden die Larven yon Drosophila melanogaster bei einer Temperatur von 24--25 o C au/gezogen, dann schiittet die Ringdriise in der Zeit zwischen 31/2 und 5 Std vor de~ �9 Pupariumbildung die Hormone aus, die den Vorgang der Pupariumbildung einleiten.

2. D ie R e a k t i o n des P u f f m u s t e r s in d e n S p e i e h e l d r f i s e n e h r o m o s o m e n

Von den in Tabelle 1 verzeiehneten Tieren wurden 50 kurz vor, w/~hrend oder kurz naeh der Pupariumbildung pr~pariert und auf das Puffmuster ihrer Speieheldriisenchromosomen bin untersueht. Sp/~ter

T a b e l l e 4. Geschniirte Tiere, die bei beginnender Pupariumbildung pr~ipariert und au/ das Pu//musterstadium der Speicheldriisenchromosomen in den vor und hinter der

Ligatur liegenden Teilen der Driisen untersucht wurden

Praparierte Larven

Driisenteile mit anMysierbaren Chromosomen

vorn told hinten I nut hintenl nut vorn i i

1

39 f 3

Vorn u n d h i n t e n

~ lnbranehbar

I l i n t e n intermedi/~r

wurden einige weitere Tiere gesehniirt, von denen zusgtzlieh 8 pr/~pariert wurden. Tabelle 4 gibt das gesamte Material wieder. 7 Tiere waren vollst~ndig unbrauehbar, und zwar in 6 Fgllen, weft weder die vorderen noeh die hinteren Dr/isenabsehnitte analysierbare Chromosomenpr/~- parate lieferten. I m 7. Fall war das Tier zu frfih prs worden; auch die vorderen Driisenabschnitte waren noch nieht in die Puffbil- dungsperiode eingetreten.

In allen 48 F~llen, in denen die Vorderabsehnitte der gesehnfirten Driisen analysierbare Chromosomen hatten, befanden sie sieh im einen oder anderen Puffmusters tadium (vgl. Taeblle 1). Bei den 7 F~llen, in denen nur der Vorderteil analysierbare Chromosomen hatte, lag meist

Page 17: Die Puffs der Speicheldrüsenchromosomen von Drosophila melanogaster

Die Puffs der Speicheldriisenehromosomen yon Drosophila melanogaster. I I 357

die L iga tu r zu wel t hin- ten, so dal~ der h in te r s K 6 r p e r a b s e h n i t t ent- weder einen zu Meinen oder gar ke iuen Tell der Speieheldr~se abbekom-

Nr. men har t s . Die S tad ien der Dr t i senvorder te i le dieser 7 Tiers zeigt 1 Tabel le 5, 2

3 Die 39 Tiers , deren 4

vorde re u n d h in te r s 5 Dri isente i le analys ier- 6

7 ba r und auf das Puff- mus te r ansp reehba r wa- ren, lassen sieh deut l ieh in zwei Gruppen teilen. Bei der einen Gruppe bef inden sieh die vor u n d die h in te r der Liga- fur gelegenen Drilsen-

L&rve te l l s in Puf fb i ldung (Ta- Nr. belle 6 u n d Abb. 7, 8). Bei der anderen Gruppe s ind nur die vo rde ren 1 Tel ls in Puf fb i ldung; d is 3 h in te r de r L iga tu r gels- 4

5 genen bef inden sieh im 6 P u f f m u s t e r s t a d i u m 1,

7 also noeh n ieh t in der 8 Puf fb i ldungsper iode 9

(Tabelle 7 u n d Abb. 9, 10 10). I n den Tabel len 6 11

12 u n d 7 s ind die T ie rs 13 naeh fo r t schre i t enden 14

I5 Ze i t in te rva l l en geord- 16 net , die zwisehen der 17 Sehnfirung und der Prg- 18

19 paration der Larven 20 lagen, In Tabelle 6 be-

Tabelle 5. Sieben Tiers aus Tabelle 4, bei denen nut die Chromosomen der vor der Ligatur gelegenen Driisenteile analysierbar waren, die Pu//musterstadien der Chromo~omen (vgl. Abb. 2 und Tabelle 1) und das Zeitintervall zwischen Sehniirung und Priiparalion

Puf fmus tc r - s t ad iu m

9/lO 11

11/12 u

lO/U 8 8

Zeit interval l zwisehen

Schniirung und Pr~iparation

(Std u n d rain)

2.37 3.20 3.55 3.55 4.05 5.20 5.40

Tabelle 6. Die Pu//musterstadien derjenigen Tiere, deren vor und hinter der Ligatur gelegenen Driisenteile die Muster der larvalen Pu//bildungsperiode zeigten, angeordnet naeh dem Zeitintervall zwischen Schniirung und Prdparation der Speicheldriisen (vgl, Tabelle 1

und Abb. 7, 8)

Intervall zwisehen

Schniirung und Pr~iparation

(Std und min)

0.42 0.52 1.07 1 . 3 7 1 . 3 7 1 . 5 0

2.02 2.20 2.25 2.25 2.25 2.35 2.35 3.10 3.10 3.10 3.20 3.30 3.30 3.55

Puf fmus te r s t ad ien der Driisenteile

vor hinter dee L iga tu r der L iga tu r

10, 11 10, II , 12 11 12 8 8, 9

11, 12 13 11 12

- - m/u, 11/12, 12

13/14 13 8 10 8 12

lO 10, 11, 12 12 12

10/11 12 - - 11

10, 10/11, 11 12 11 12 11 12 11 13

10/11, u 12, 13 10/11 12

10 12

t rgg t das gr6gte I n t e r v a l l 3 S td 55 min ; in Tabel le 7 be t rgg t das klein- s te I n t e r v a l l 4 S t d 55 rain, Die d re i L a r v e n bei denen allein die Chro- mosomen der h in te ren Drf i senabsehni t t e ana lys i e rba r waren, fi igen sieh

Chromosoma (Berl.), Bd. 13 24

Page 18: Die Puffs der Speicheldrüsenchromosomen von Drosophila melanogaster

358 HANS JOAC]itlIV[ BECKER:

diesem Bild ein (Tabelle 6 und 7). O//enbar be/indet sich in dem Zeitab- schnitt zwischen 4 und 5 Std vor der Pupariumbildung eine kritische Periode /i~r das Ablau/en der Pu//musterstadien in den Speicheldri~sen- chromosomen.

Abb. 7a u. b. C h r o m o s o m e n a r m I I I L aus e inem vor (a) und h in te r (b) der L i g a t u r ge- legenen Dr i i s enabschn i t t der L a r v e Nr. 3, Tabelle 6. P n f f m u s t e r s t a d i u m v o r n 8, h in ten 9.

Vgl. Tabelle 1 und Abb. 2

Ein Vergleich dieses kritischen Stadiums mit dem Zeitpunkt der Hormonausschiittung der Ringdriise bietet sich an dieser Stelle ohne weiteres an. Ffir die Hormonausschfittung konnte die Zeit zwischen 31/2 und 5 Std vor der Pupariumbildung angesehen werden (S. 356). Wird eine Speicheldrfise vorher durchschniirt~ dann kSnnen nur die Chromosomen des vor der Ligatur gelegenen Abschnittes die

Page 19: Die Puffs der Speicheldrüsenchromosomen von Drosophila melanogaster

Die Puffs der Spaieheldriisenahromosomen yon Drosophila melanogaster. I I 359

S t a d i e n d e r P u f f b i l d u n g s p e r i o d e d u r c h l a u f e n . D u r c h t e i l t m a n d a -

g e g e n e ine Spe i che l d r f i s e i n s p / i t e r e n S t a d i e n , d a n n d u r c h l a u f e n d ie

C h r o m o s o m e n s o w o h l d e r v o r d e r e n als a u c h d e r h i n t e r e n D r / i s e n a b -

s c h n i t t e d ie S t a d i e n d e r P u f f b i l d u n g s p e r i o d e . D ie se enge Abhi~ngig- keit der Pu//bildung in den Chro- mosomen vom Vorhandensein des Puparisierungshormons in der Hiimolymphe eines ligaturierten KSrperabschnittes w i r d d e u t l i c h

a u s d e r A b b . l l .

In den Tabellen 6 und 7 sowie in der Abb. 11 sind zwai Tiere unberfick- sichtigt gablieben. In Tabelle 4 sind sic als Intermediiire aufgeffihrt. Eins von ihnen wurde 4 Std 50 min und das andere 5 Std l0 rain nach dar Sehnfi- rung pr/ipariert. Die Chromosomen in den vorderen Dri isenabschni t ten des einen waren im Puffmustersta- dium 6, die der andaren im Stadium 13/14. Die Chromosomen der h interen Drfisenabsehnit te beider Tiere zeigten ein vom normalen abweichendas Puff- muster. Beim ersten Tier maehten die vier analysierbaren Kerne den Ein- druck, als seien sie zwar im Puff- musters tadium 6, aber die Puffs w/iren besonders schwach ausgebildet. Bei der anderen Drfise waren Puffs gemein- sam ausgebildet, die gewShnlich nieht gemeinsam auftreten, n~imlieh die der Absehni t te 78 D und 71 C--E.

Das Zei t-Interval lzwisehan Schnfi- rung und Pr/ iparat ion ist bei beiden Tieren ira gleichen Bereieh wie die kfirzesten der Tabelle 7. Es ist daher sehr gut mOglieh, daB die abweiehen- den Puffmuster als eine Reakt ion auf subnormale Hormonmengen in den hinteren KSrperabsehni t ten der bei-

Tabelle 7. Die Pu//musterstadien der]eni- gen Tiere, deren vor der Ligatur gelegenen Driisenteile die Muster der larvalen Pu//- bildungsperiode zeigten, deren hinter der Ligatur gelegenen Driisenteile ]edoch das Muster des Stadiums i beibehalten batten, angeordnet nach dem Zeitintervall zwischen Sehniirung und Prdiparation der Speichel- driisen (vgl. Tabelle 1 und Abb. 9, 10)

Intervall Larve zwisehen

Nr. Schnfirung told Preparation

(Std uud rain)

1 4.55 2 4.55 3 5.10 4 5.20 5 5.25 6 5.40 7 5.45 8 5.50 9 5.50

10 6.15 l l 6.20 12 6.25 13 6.25 14 7.50 15 7.50 16 8.00 17 8.12 18 8.20 19 9.15 20 9.25 21 10.40 22 18.05

Pnffmuster- stadien der Driisenteile

vor hinter tier der

Ligatur Ligatur

2 1 - 1 1 1 9 1 1 1 7 1 9 1 8 1

1 12 1 8 1 8 1

6 , : 1 1

lO 1 1

6 i

i 10 /1~ ,n 1 1

8, 1 1

den Tiere vers tanden werden mfissen. Daft das In terval l bei diesen Tieren etwas gr6fter ist als das derjenigen Tiere mit intermedi~rer Brs des hinteren K6rper- absehnit tes (S. 356), k6nnte bedeuten, die Chromosomen reagieran auf kleine Hormonmengen empfindlicher als die Cuticula. Ob es siah jedoch tats/ichlich so verhal t oder ob noch andere Ursachen ffir die Puffmuster diesar Drfisen verant- wortlich sind, ist nicht sicher. Es k6nnte n iml ich auch die Schlinge nicht fast genug zugezogan gewesen sein, so dal] die beiden K6rperabsehni t te noah mite inander kommunizierten. Jedenfalls 1/iftt siah fiber das Verhal ten der Chromosomen in den hinteren Drfisenabsehnit ten bei Schnfirung w~hrend der kri t ischen Phase, d.h. w/ihrend der Hormonaussehii t tung, niahts aussa.gen. Das Problem der Puff-

24*

Page 20: Die Puffs der Speicheldrüsenchromosomen von Drosophila melanogaster

3 6 0 I~ANS JOACHIM BECKER :

A b b . 8 ~ u . b. C h r o r a o s o n m n ~ r m I I I L a u s e i n e m v o r (a) u n d h i n t e r (b) d e r L i g a t u r g e l e g e n e n D r i i s e n a b s e h n i t t d e r L a r v e N r . 5, T a b e l l e 6. P u f f m u s t e r s t a d i u m v o r n 11, h i n t e n 12.

Vgl . T ~ b e l l e 1 u n d A b b . 2

Page 21: Die Puffs der Speicheldrüsenchromosomen von Drosophila melanogaster

Die Puffs der Speicheldr i i senchromosomen von Drosophila melanogaster. I I 361

bi ldung bei subnormalen H o r m o n m e n g e n rech t fe r t ig t eine e ingehende Unte r - suchung dieses Zei tabschni t tes .

Bei zwei anderen Tieren wurden im h in te ren Dr i i senabschni t t einzelne Kerne gefunden, die ein von den iibrigen abweiehendes Pu//muster zeigten (Tabelle 8). Bei

Abb. 9a u. b. Abschnitte aus dem Chromosomenarm I I IL eines IsXerns aus einem vor (a) und einem hinter (b) der Ligatm . gelegenen Driisenabsehnitt der Larve Nr. 6, Tabelle 7.

Puffmusterstadium vorn 7, hinten 1. Vgl. Tabelle 1 und Abb. 2

Tabelle 8. Die Kerne der Tiere 19 und 20 aus Tabelle 7 aus den hinter der Ligatur gelegenen Driisenabschnitten. In Klammern 0 steht ]eweils die Anzahl der Kerne, bei denen neben der Abwesenheit des Pu//s im Abschnitt 78D aueh die Anwesenheit des Pu//s im Absehnitt 3C 11--12 als Kriterium ]iir das Stadium 1 benutzt werden

konnte. (Vgl. Abb. 12 und 13)

Larve Nr. I (Tabelle 7) im Puffmuster- stadium 1

T

19 / 41 (24) 20 | 35 (19)

Anzahl de rKerne

mit Puff in Absehnitt 78 D

11 5

Puffmusterstadien der vorderen

Drtisenabsehnitte

~o/u, u 3

beiden Tieren durchl iefen die vorde ren Driisenteile die Puffbi ldungsper ioden. Der gr6gte Teil der K e r n e in den h in te ren Dri isentei len be fand sieh im S tad ium 1, also vor der Puffbi ldungsper iode. Das war e inmal am Fehlen sgmtl ieher fiir die Puffb i ldungsper iode typ i schen Puffs fes tzustel len; zum anderen aueh an der puff-

Page 22: Die Puffs der Speicheldrüsenchromosomen von Drosophila melanogaster

362 HANS JOACtII~ BECKEIr Die Puffs der Speicheldriisenchromosomen

artigen Verdickung des Abschnit tes 68 C (s. Tabelle 1) und besonders am Vorhanden- sein der Puffs im Abschni t t 3 C 11--12 in den Fgllen, in denen das Ende des X-Chromosoms analysierbar war. Bei der einen Drfise waren in 11 und bei der anderen in 5 Kernen der Abschni t t 78 I) zum Puff verdickt (Abb. 12). Das Auf- t re ten dieser Kerne muB wohl dami~ erkliirt werden, dab bei diesen beiden Tieren

Abb. 10a u. b. Chromosomenarm IIIL aus einem vor (a) nn4 einem hinter (b) der Ligatur gelegenen Drfisenabschnitt der Larve Nr. 20, Tabelle 7. Puffmusterstadium vorn 3,

hinten 1. Vgl. TabeUe 1 un4 Abb. 2

die Ligatur nicht lest genug zugezogen war. GewShnlich wurde durch die Schnti- rung ein mitt lerer Driisenteil im Bereich der Schniirung so s tark gequetscht , dal3 in diesem Bereiche die Zellen mindestens abgetStet wurden, dab manchmal sogar der vordere und der hintere Tell einer Speiche]driise voneinander get rennt worden waren. Wen n die Schlinge nicht vollst~ndig zugezogen wird, dann ist es durchaus denkbar, dab zwar die beiden mittels der Schlinge get rennten KSrperabschni t te nicht frei kommunizieren, da6 sich aber innerhalb einer unver le tz ten Speicheldriise

Page 23: Die Puffs der Speicheldrüsenchromosomen von Drosophila melanogaster

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Page 24: Die Puffs der Speicheldrüsenchromosomen von Drosophila melanogaster

364 H&NS ~OACttlI~ BECKER:

das Hormon in den vorderen Driisenzellen und sehlieglieh aueh in den unmiCtelbar angrenzenden Zellen des jewefligen hinteren Driisenabsehnittes auswirkt. Fiir die Riehtigkeit dieser Erklgrung sloreehen zwei Beobaehtungen. Erstens waren die Kerne, in denen der Puff in Absehni~ 78 D ausgebildet ~'ar, nieh~ regellos im Pr~parag verteilt; sie lagen vielmehr in einer Region des Pr~parates geh~uft. Zweitens war der Puff des Absehnittes 78 D sehr versehieden stark ausgeprggt. Abb. 12 zeig~ ihn in der stgrksten Ausprggung innerhalb des betreffenden Prgl0ara - tes; in Abb. 13 fehlt er vollstgndig. Der in Abb. 10b abgebildete Kern entstammt

Abb. 12. Basis eines der ff inf I I I L - C h r o m o s o m e n a r m e aus den h in t e r der L i g a t u r gelegenen Drf isente i len des Tieres Nr. 20, Tabelle 7 u n d 8, m i t s t a r k ausgeb i lde t em P u f f

i m Absehni t t 78D

Abb. 13. Bas is e ines tier 35 I I I L - C h r o m o s o m e n a r m e arts den h in t e r der L i g a t u r ge legenen Dr~isenteilen des Tieres Nr . 20, Tabelle 7 u n d 8. I m A b s e h n i t t 78D fehl t jede Spur yon

e inem P u f f

dem gleiehen Prgparat. Die Chromosomen zeigen im ganzen das Bild des Puff- musterstadiums 1 ; der Absehnitt 78 D ist jedoeh ganz sehwaeh verdickt.

I m Z u s a m m e n h a n g gesehen e r lauben die vorgehend mi tge te i l t en Befunde einige wei te re SehluBfolgerungen. Zun/~ehst bes t eh t die MSg- l iehkei t , sieh eine Vors te l lung vom zeitlichen Verhi~ltnis zwischen Ho~on- ausschiittung und Pu//bildung zu maehen. Wie der Sehn/ i rungsversueh zeigt (Tabelle 3 u n d Abb. 11) erfolgt 31/2--5 S td naeh der t Io rmonaus - seh/i tgung die Bi ldung des Pupa r iums . Naeh dem Ergebn i s der Speiehel- d r t i senunte rsuehung im Anschlug an die vorangegangene Sehnt i rung (Abb. 11) se tz t die Puf fb i ldung in den Chromosomen n u t in Verb indung m i t der Vorbere i tung zur P u p a r i u m b i l d u n g ein, d. h. nur, wenn Meta-

Page 25: Die Puffs der Speicheldrüsenchromosomen von Drosophila melanogaster

Die Puffs der Speieheldriisenchromosomen yon Drosophila melanogaster. II 365

morphosehormone in der tt~tmolymphe vorhanden sind. Die Entwick- lungsdauer der Puffmusterstadien 2--10, d. h. vom Beginn der larvMen Puffbflduugsperiode bis zur Pupariumbildung (Tabelle 1), ist nicht genau bekannt. I~echnet man damit, dab die Dauer der larvalen Puffbildungs- periode von der der pr/ipupMen nicht sehr verschieden ist, dann wird sie nicht vim kiirzer als 4 Std sein (BEcK:E~ 1959). Man dar/daher annehmen, daft die Pu//bildungsreaktion der Chromosomen au/ die Hormonausschiit- tung schlagartig er/olgt. Das mag daran liegen, daft die Hormone unmittel- bar die Gene in den Speieheldri~senehromosomen zur Funktion anregen.

Die gleiche Vermutung sprechen CL]~V]~R und KARLSON (1960) aUS. In ihren Versuchen an Chironomus-Larven kann man 2 Std nach Ecdyson-Injektion Ver- gnderungen am Puffmuster erkennen, mSglicherweise noch eher.

Uber die Wirlcungsbreite der Hormone geben die Abb. 7--10 Auf- schluB. Bei den vor der I-Iormonausschfittung geschnfirten Tieren fehlen in den hinteren Driisenabschnitten s/imtliche Puffs, die f/Jr das Ende des Larvenstadiums charakteristisch sind (Abb. 9, 10). Andererseits zeigen die nach der tIormouausschfittung geschnfirten Tiere in den hinteren Drfisenabschnitten mindestens hinsichtlich der untersuchten Chromosomenabschnitte das gesamte Puffmuster der betreffenden Puff- musterstadien (vgl. Tabelle 1 und Abb. 7, 8). Demnaeh hi~ngt o//enbar die Entwielclung des gesamten Pu//musters vonder Gegenwart der Meta- morphosehormone ab.

Wieweit die puffbildenden Chromosomenloci repr/tsentativ fiir M1- f/~llige weitere Gene sind, deren Aktivit~t nicht durch die Bildung eines Puffs sichtbar wird, ist unbekannt. Es ist indessen nicht einzusehen, warum allein die Besonderheit der Puffbildung Ms /~ugeres Anzeichen ffir funktionierende Gone yon den Metamorphosehormonen abh/~ngig sein sollte. So erscheint es als niiherliegend anzunehmen, daft die Meta- morphosehormone der Ringdriise die A ktivitiitsphase des gesamten /iir die zeitweilige Fun/orion der Speicheldriise vorgesehenen Geninventars auslSsen.

C. Die Stadienspezilitiit der Pnffbildung

I. Vorbemerlcungen Nach den bisher geschilderten Befunden ist es aul~erordentlich wahrscheinlich,

dal~ das yon der Ringdriise stammende Hormon die Puffbildung in den Chromo- somen ausl6st. Wie schon einleitend gesagt wurde, wird die Vorbereitung zu allen tt~utungsakten w~hrend der Entwicklung hormonM gesteuer~. So kann man erwarten, dal~ am Ende der bisher untersuchten Stadien die Puffs geh~uft auftreten, wie es auch tats~chlich beobachtet wurde.

Das VerhMten der X-Chromosomenpuffs am Ende beider Stadien, ~m Ende des dritten Larven- und am Ende des Vorpuppenstadiums wurde auf S. 345f. besprochen. Bei dem rhythmischen Auftreten der Puffs bedarf jedoch eine Besonderheit der Aufkls Ws die

Page 26: Die Puffs der Speicheldrüsenchromosomen von Drosophila melanogaster

366 I{ANS JOACHIM BECKER:

Puffs der Absehnitte 2B 5--6, 2B 13--17, 2 E F und 3C 11--12 des X- Chromosoms gegen Ende des Vorpuppenstadiums in ghnlicher Weise ausgebildet und wieder zurfickgebildet werden wie am Ende des dritten Larvenstadiums (Abb. 7 in B~CK~R 1959), ist das Puffmuster des I I I L- Armes in den beiden Puffbildungsperioden versehieden (Abb. 14). Auch hier entfalten sich die Puffs der Abschnitte 66B, 74EF und 75B in beiden Perioden, aber der Puff des Abschnittes 78D nur in der larvalen,

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Vo rp upp e Puppe Abb. 14, Schemat ischc Dars tc l lung der Basis des Chromosomenarmes I I I L in aufeinander- folgenden Entwiek lungss tad ien des dr i t t en L a r v e n s t a d i u m s u n d der u Die Zahlen bezeiehnen die S tunden vor u n d naeh der Pupa r iumbi ldung ; die An g ab en ffir das dri t te L a r v e n s t a d i u m sind geschi~tzt. Die in den Puffs und in den K u r v e n verwen( te ten Symbolc

en t sprcehen einander . (Naeh BEOKER 1959)

]edoeh nieht in der pr~pupalen Puffbildungsperiode. Aueh der Puff des Absehnittes 75C- -D t r i t t nur in einer der beiden Puffbildungsperioden auf, und zwar nur in der pr/~pulalen. Es ist interessant, die Ursache /iir diese Unterschiedlichkeit des Pu/[mu~ters kennenzulernen.

Naeh den geschilderten Sehnfirungsversuchen muB man annehmen, dab die die Puffbildung stimulierenden Faktoren auf dem Wege fiber die H~molymphe zur Speicheldrfise gelangen. In der Zeit yon einem Entwieklungsstadium zum anderen sind vie]e Ver~nderungen in der Zusammensetzung der H~molymphe denkbar. Nun sind die beiden Ent- wicklungsschritte, n~mlich die Pupariumbfldung am Ende des dri t ten Larvenstadiums und die Verpuppung am Endes des Vorpuppenstadiums, aueh qualitativ versehieden. Es besteht daher die eine MSgliehkeit, dag die hormonMe Zusammensetzung der H~molymphe in den beiden Stadien

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Die Puffs der Speicheldriisenchromosomen yon Drosophila melanogaster. I I 367

verschieden ist, d e n k b a r z .B. als eine Verschiebung des Verhgltnisses zwisehen t I / iu tungs- u n d J u g e n d h o r m o n , und dal~ der Un te r seh ied des Puf fmus te r s zwisehen den be iden S tad i en die Fo lge solch einer un te r - sehiedl ichen Zusammense t zung der t t g m o l y m p h e ist.

Die andere M6gl iehkei t be s t eh t dar in , dab die Puf fb i ldung al lgemein dureh einen b e s t i m m t e n Stoff s t imu l i e r t wird , dag die Vergnderung, die in der Vorpuppe zu e inem ande ren Puf fmus te r f i ihr t als in der Larve , jedoeh an den Chromosomen selbst s t a t t g e f u n d e n ha t . Dieser Stoff h/~tte d a n n in j edem S t a d i u m v o r h a n d e n zu sein, abe t er t rgfe im Vor- p u p p e n s t a d i u m Chromosomen an, die sieh sei t der vorhe rgehenden Puff- b i ldungsper iode hins ieht l ieh der K o m p e t e n z ihrer Gene v e r g n d e r t haben.

Mit Ver~nderungen dieser Art mug man rechnen, z. B. beim Differenzierungs- gesehehen im Laufe der IndividuMentwieklung der Organismen, wie dutch die Kerntransplantationsversuehe yon BRINGS und KI?cG (1956, 1957) gezeigt wurde.

Es wurde versueht , auf die F rage , welehe der be iden M6gl iehkei ten f/it die Versehiedenhei t des Puf fmus te r s aufe inander fo lgender Entwiek- lungss tad ien ve ran twor t l i eh ist, eine A n t w o r t zu geben. Das P r inz ip soll te sein, das Milieu, in dem sieh eine Speieheldrf ise bef indet , kont ro l - l ie r t zu ver/~ndern. Man erzie l t dies am einfaehsten, i ndem m a n eine Speieheldr i ise yon e inem Tier eines b e s t i m m t e n S t ad iums in ein Tier eines anderen S t ad iums t r ansp l an t i e r t . U m die Reak t ions fgh igke i t e iner Speieheldrf ise h ins ieht l ieh der Puf fb i ldung naeh der T r a n s p l a n t a t i o n festzustel len, wurden in e inem Vorversueh Speicheldr t isen yon jungen L a r v e n des d r i t t e n S t ad iums in a l te L a r v e n des d r i t t e n S t ad iums ein- gepf lanzt . I m t I a u p t v e r s u e h sehliel31ieh wurden Speieheldr i i sen yon jungen Vorpuppen in L a r v e n des d r i t t e n S t ad iums zu r i i ck t ransp lan t i e r t .

I I . Material und Methoden Zur Transplantation w~hlten wir zun~chst Mtersbestimmte Wirtstiere aus.

F/ir ein Einzelexperiment wurden 10--20 Tiere in einem Hohlschliffobjekttr~ger in l~ingerl6sung aufpr~p~riert. Die gefundenen Speicheldriisen mugten dann von der Hauptmasse des anhfingenden FettkSrpers gereinigt werden. Darauf ste]Iten wir Wirtslarven bereit, spfilten sie auf einem Objekttr~ger kurz mit 95Toigem Alkohol ab, trockneten sie anschlieBend mit Fliegpapier ab und bet~ubten sie mit _&ther. W~hrend der Bet~ubungszeit wurde die ,,Impl~nt~tions-Pisto]e" mit Ringer16sung gefiillt.

Die Implantations-Pistole (Abb. 15) besteht aus einer 2 cma-Injektionsspritze, an der zwei Bleche befestigt sind; eins dient als Handgriff, das andere zur Befesti- gung des KaniilenhMters. Spritze und KanfilenhMter sind mit einem Plastik- schlauch verbunden. Vorn am Kaniilenhalter wird mit einer Uberwurfmutter die Injektionskaniile befestigt. Die Kaniile wurde n~ch den Angaben yon Er~RvssI und B]~AI)LE (1936) aus 1 ram starkem Glasrohr hergestellt. Zun~chst wird dieses Rohr ausgezogen. Der ausgezogene Tell soll etwa 240 # stark sein, so dM~ bei einer Wandst~rke yon etwa 30 # noch ein Innendurchmesser yon etwa 180 # fibrigbleibt. Der ausgezogene Tell wird dann mit einer Pr~pariernadel unter der Binokularlupe so lange yon der Spitze her abgespli~tert, his eine ~iuBers~ feine Spitze entstanden

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368 HANS JOACttII~ BECKEIr

ist. 3 mm yon dieser Spitze entfernt wird der ausgezogene Tell des Rohres ver- engt. Man fiihrt diese Stelle ganz kurz an die Flamme eines Mikrobrenners heran. Die Verengung so]] einen Innendurchmesser yon etwa 15 # haben.

15--20 betBubte Larven wurden jetzt auf einen mit einer diinnen Hefesuspen- sion iiberzogenen Objekttr~ger nebeneinandergelegt. Wenn die Hefesuspension eintrocknet, kleben die Larven lest genug und setzen auf diese Weise dem Einstich der Kaniile den nStigen Widers~and entgegen. Au~erdem kunn die Here den aus

zooo/~ 7oo,u. 75~ a~o,u. 3o~ ~ i i

. . . . 3ram, . . . . t

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/ Abb. 15. Vorrichtung zur Implantation yon Speicheldriisen. Unten: die gebrauchsiertige

Pistole; oben: vergr52erte Darstellung des Endes der Injektionskanfile

der Narkose erwachenden Tieren als erste Nahrung dienen. Zur Implantat ion wird eine Speieheldriise in die Kanfile aufgesogen. Die Verengung in der Kaniile ver- hiibet, da6 die Driise zu welt in die Kaniile hineingesogen wird. Man fiihrt die Kaniile dann, yon hinten kommend, in die Seite der hinteren KSrperh~lfte der Wirtslarve ein. Bei der Injektion der Drfise in die Wirtslarve erfiillt die Kaniilen- verengung ihre zweite Funktion: Erstens kann die Drfise selbst bei starkstem Druck auf den Kolben der Injektionsspritze nur ganz langsam in die Wirtslarve hiniibergleiten. Und zweitens reicht der Gegendruck des Tieres nun nicht aus, um die Driise wieder in die Kaniile zurfickzudrficken; das geschieht leieht, wenn die Kanfilenverengung einen grSl~eren Innendurchmesser hat.

Tabelle 9. Das Mater~al des Transplantations-Experimentes

Gesamt~nz~hl Davon Anzahl dcr Davon mit Impl~ntat Puff 78D tier Trans- erfolg- pr~parierten analysicrbaren nicht a~sgebildet

plantationen reich ~Virtstiere Chromosomen gefunden

187 124 63 41 5 6

Bei den Implantationen, die als nicht erfolgreich bezeichnet sind (vgl. Tabelle 9), wurden beim Herausziehen der Kaniile aus dem Wirtstier ein gr6Berer Tropfen H~molymphe oder Teile der inneren Organe oder die injizierte Drfise ausgestol~en.

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Die Puffs der Speieheldriisenehromosomen yon Drosophila ~,elanogaster. II 369

Diese Tiere haben wir sofort vom Objekttrgger entfernt, d~ sie erfahrungsgemgit sehr bald absterben. Alle iibrigen Wirtslarven wurden auf dem Objekttr~ger in eine mit feuchtem Filtrierpapier ausgelegte Petrischale gelegt und im Thermostaten bei 25~ gehMten. Von diesem Zeitpunkt ab standen die Tiere unter laufender Kontrolle. Wenn eine Larve sieh zur Pupariumbildung ansehickte, pr~parierten wir sie in t{ingerlSsung. Die Weiterbehandlung der Wirtsspeicheldriisen und der implantierten Speicheldriise zu je einem Prgparat gesehah nach der auf S. 349 beschriebenen Methode.

I I I . Ergebnisse

1. De r V o r v e r s u e h

Abb. 16 zeigt die Anordnung des Vorversuehes: Aus einer jfingeren dritten Larve wurde eine Speieheldriise herauspr/~pariert und in eine /~ltere dritte Larve implantiert. Vier Stunden naeh der Transplantation

Embryo ~ F v e f ? Z ]Z

v

; t a d / u r n : Ill Puppe /mayo

z

Abb. 16. Die Entwicklungsst~dien yon Drosophila melanogasler. Ira dritten Larvenstadinm sind Spender- und Wirtslarve des Vorversuches eingezeiehnet

wurde die Wirtslarve get6tet und fixiert, und aus den beiden Wirts- driisen und der implantierten Dr/ise wurde je ein Prgparat hergestellt. Den I I I L-Arm einer Wirtsdrfise zeigt Abb. 17. Er befindet sieh im Puffmusterstadium 7, denn es sind in den Absehnitten 62 E, 63 F, 74NF, 75B und 78D Puffs ausgebildet. Abb. 18 zeigt zwei Kerne der Implan- tatsdr/ise aus der gleiehen Wirtslarve. Ihre Chromosomen befinden sieh im Puffmusterstadium 8: Der Puff des Absehnittes 62N beginnt gerade mit seiner Ausbildung, die Puffs der Absehnitte 63F, 74EF und 75B sind yell entwiekelt, aber noeh nieht der des Absehnittes 78D. Das Implantat ist also sehon in die Puffbildungsperiode eingetreten. Es hinkt zwar etwas hinter dem Wirt her, ist jedoeh dureh das Milieu des Wirtes in seiner Entwieklung derartig besehleunigt worden, dab es sieh zur Zeit der Fixierung in einem Nntwieklungszustand befand, den es normalerweise erst 17 Std spgter erreieht hgtte.

2. De r I - I a u p t v e r s u e h

F/it diesen Versueh wurden Tiere ausgelesen, die gerade erst Bin Puparium gebildet hatten. Sie wurden fiir 2 Std in einer kleinen Petri- sehale auf feuehtem Filtrierpapier bei 250 C gehalten. Dann wurden ihre

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370 HANS ~OAC~IIM BECKER:

Speicheldrfisen in der geschilderten Weise prgpariert und transplantiert. Als Wirtstiere wurden alte Larven des drit ten Stadiums benutzt, die den Futterbrei bereits verlassen hatten, und die sich daher in einem Stadium befanden, das nur wenige Stnnden vor der Pupariumbildung liegt. Anschlie•end versuchten wir, die Wirtstiere zu einem Zeitpunkt zu pr~parieren, in dem der Puff des Abschnittes 78D seine maximale

Abb. 17. C h r o m o s o m e n a r m I I I L aus dem Speicheldrt isenkern einer Wir t s la rve des Vorversl lches (vgL Abb. 16) ; Puf fml l s te r s tad imn : 7

Ausdehnung zeigt, d. h. kurz vor der Pupariumbildung. Abb. 19 zeigt die Versuchsanordnung.

Eine (Jbersicht fiber das Material gibt Tabelle 9. Ein Tell der Wirts- larven starb vor der Preparat ion ab; bei einem anderen Teil wurde das Pri~parationsalter verpagt. Diese letzten wurden n~mlich erst am folgenden Morgen als Vorpuppen oder Puppen vorgefunden. Der Ver- lust solcher Tiere'=~St nicht zu vermeiden, weft die Entwicklung der Larven selbst unter konstanten Zuchtbedingungen sehr asynchron ver- li~uft und weft daher das genaue Wirtsalter zum Zeitpunkt der Implan- tation nicht festzustellen ist. In den meisten F/~llen fanden wit bei der Preparation der Wirtslarven die implantierte Orfise wieder, aber nnr bei etwa zwei Dritteln der Implantatsdriisen waren die Chromosomen in analysierbarem Zustand.

Als Kriterium ffir das Verhalten der Implantatsdriise galt der Puff des Absehnittes 78D; denn in seinem Auftreten in der Puffbildungs-

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Die Puffs der Speicheldr/isenehromosomen yon Drosophila melanogaster. I I 371

periode des drit ten Larvenstadiums und in seinem Niehtauftreten in der Puffbildungsperiode des Vorpuppenstadiums liegt der deutliehste Unter- schied zwisehen diesen beiden Perioden. Der Puff ist kurz vor der Pupariumbildung am stgrksten ausgebildet. W/~hrend der Puparium-

Abb. 18. Die C h r o m o s o m e n a r m e I I I L zweier Speieheldrf isenkerne der i m p l a n t i e r t e n Drfise aus der Wi r t s l a rve ~Ton Abb. 17; P n f f m u s t e r s t a d f l l m : 5

bildung befindet er sich in der R/iekbildung, u n d e r t r i t t dann nieht wieder auf. Abb. 20 zeigt die Basis des I I I L-Armes aus einer 111/2 Std alten Vorpuppe. Dieses ist das Stadium der pr/~pupalen Puffbildungs- periode, welches demjenigen der larvalen Puffbildungsperiode am ehesten entsprieht, in welehem der Puff des Absehnittes 78 D auf der tI6he seiner Ausdehnung steht. Die Puffs der Absehnitte 74EF und 75B sind fast zurtiekgebildet, w/~hrend im Absehnitt 78D keine Spur eines Puffs zu erkennen ist.

Zur Transplantat ion wurden Drtisen junger Vorpuppen benntzt, in deren Chromosomen der Puff des Absehnittes 78D vollst/~ndig zurtiek-

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372 HAns JOACmM BECKER: Die Puffs der Speieheldriisenehromosomen

77 E-E

7g EF 75B

78/)

~ j l . /

.~ Lurvenstud/um I Vorpuppe I Puppe

Abb. 19. Die A n o r d n u n g a n d das g e s ~ l t a t des T ransp l an t a t i onsexpe r imen te s . Von l inks naeh r ech t s : W i r t s l a r v e z n m Z e i t p u n k t der T r a n s p l a n t a t i o n ; W i r t s l a r v e z n m Z e i t p n n k t der P r e p a r a t i o n ; Spende r -Vorpuppe ; 111/2 S td al te Vorpuppe . 0 b e n : Die Basen der C h r o m o s o m e n a r m e I I I L aus ] edem der n n t e n abgeb i lde ten Stadien , anl~erdem l inks neben dem W i r t s e h r o m o s o m e n a b s e h n i t t der en t sp rechende Absehn i t t aus der Imp lan t a t sd r f i s e .

Auf der Ze i taehse : Die S tnnden vor n n d naeh der P n p a r i n m b i l d u n g

Abb. 20. Die Basis des C h r o m o s o m e n a r m e s IIIL aus c inem Speiche ldr i i senkern einer 111/2 S td a l ten Vorpnppe

gebildet war. Abb. 21 zeigt einen I I I L-Arm, welcher ftir dieses Stadium reprs ist: Sgmtliehe ffir das Ende des drit ten Larvenstadiums eharakteristisehen Puffs sind zuriiekgebildet: 62E, 63E, 63F, 74EF, 75 B und 78 D. Lediglieh zeigt sieh ein groBer Puff im Absehnitt 71 C--E.

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Abb. 21. C h r o m o s o m e n a r m I I I L aus e inem Speicheldr t tsenkern einer 2 S td a l ten Vorpuppe

�9 . .?~ '--~ ......

et b Abb. 22. ~ Teile des C h r o m o s o m e z ~ r m e s I I I L u n d dis tales Ende des X - C h r o m o s o m s e iner ~Virtsl~rve; b die en t sp rechenden Chromosomen~bschnif~f~e ih re r I raplant~tsdr t i se , welche ~as einer 2 S td Mten Vorptlppe s t~mmt . Aufen thMt der Impl~nt&tsdrt ise i m Wi#t : 4~/~ Std.

P u f f m u s t e r s t ~ d i u m der Wir tsd~fise: 6; der Impl~n t~ t sd r i i s e : 5

Ohromosoma (Berl.), ]~d. ]g 25

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374 HANS JOACHIM BECKER;

Dieser Puff erseheint erst am Ende der larvalen Puffbildungsperiode und persistiert bis zum Beginn der prgpupalen Puffbildungsperiode.

D u t c h d a s E x p e r i m e n t so l l t e d ie F r a g e e n t s e h i e d e n w e r d e n , ob e in

so lches C h r o m o s o m n a e h R i i e k t r a n s p l a n t a t i o n d e r Dr f i se i n e ine L a r v e

n o e h e i n m a l i n d e r L a g e is t , d e n P u f f des A b s e h n i t t e s 7 8 D a u s z u b i l d e n .

In der Zeit vor dem Ein t r i t t der Larve in die Pupar iumbildung gibt es fiir die genaue Best immung des Entwicklungsalters einer Larve kein Kriterinm. Des-

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Abb. 23. a Chromosomenarm IIIL der Wh, tslarve; b Ctn'omosomenmTa IIIL ihrer Im- plantatsdrflse, welehe a~s einer 2 Std alten Vorpuppe stammt. Aufenthalt der Implantats- driise im Wirt: 9~/~ Std. Puffmusterstadium der Wirtsdrfise: 10; der Implantatsdrise: 8

wegen ist es schwierig, dasjenige Stadium herauszufinden, bei dessen Prgparat ion die Implantatsdri ise sich im gewfinschten Puffmusters tadium befindet. Erschwe- rend kommt hinzu, dab die Implantatsdrf ise vielfach, wie sehon aus dem Experi- ment Abb. 17, 18 ersichtlich war, hinsichtlich der Ausbildung ihrer Puffs verschie- den welt h in ter der Wirtsdrfise herh inkt (Abb. 22, 23). Im ganzen wurden daher nur seehs Implanta tsdr i isen gefunden, die sieh offenbar im gewiinsehten Stadium befanden. Bei ihnen war der Abschni t t 78 I) zu einem Puff ausgebildet.

D i e L a r v e , d e r e n C h r o m o s o m e n i n A b b . 22, l i nks , d a r g e s t e l l t s ind ,

b e f a n d s ich b e i i h r e r P r g p a r a t i o n k u r z v o r i h r e r P u p a r i u m b f l d u n g , u n d

z w a r d e n C h r o m o s o m e n n a c h i m P u f f m u s t e r s t a d i u m 6. I m I I I L - A r m

z e i g e n d ie A b s e h n i t t e 6 2 E , 6 3 F , 7 4 E F u n d 7 5 B Puf f s , w g h r e n d d e r A b s e h n i t t 7 8 D n u r e r s t s c h w a c h ve rd i ek t , i s t . D i e I m p l a n t a t s d r / i s e

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Die Puffs der Speicheldriisenchromosomen yon Drosophila melanogaster. II 375

hinkt um ein Puffmusterstadium nach (Abb. 22, rechts) : Der Abschn~tt 78D z d g t noch keinerlei Verdickung.

Abb. 23 und 24 geben je d n Beispiel yon denjenigen F~tllen, in denen die Wirtslarve im geeigneten Augenblick prBpariert worden war. In

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b

" .'! .............. '3E :<"q~ :~! is

a Abb. 2~. a C h r o m o s o m e n a r m I I I L einer \u b Teile des Chromosomenarmes I I I L ihrer Implantatsdri i se , we lche ~us e iner 2 St([ a l te~ VorI)uppe s t a m m t . Aufentha l t der

Implaatatsdrf ise i m Wirt : 5~1~ S td . Puffmnsterst~Clim]l der Wirtsdrfise :1 ] ; der Implantatsdr i i se : 11

Abb. 23 ist links ein III L-Arm des Wirtes bei der Pupariumbfldung und rechts ein III L-Arm des Implantates abgeb~Idet. Das Wirtschromosom befindet sich im Puffmusterstadium 10: Der Puff des Abschnittes 62E ist in der Riickbildung und der des Abschnittes 63 E in der Aushildung

25*

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376 HANS JOACHI~ BECKER:

begriffen; die Puffs der Abschnitte 63F, 74EF und 7513 haben sieh vollsti~ndig eingezogen; der Puff des Abschnittes 78D weist noch fast das Maximum seiner Entwicklung auf. Dagegen befindet sich das Implantatschromosom aus der gleichen Larve im Puffmusterstadium 8, welches auch fiir das dritte Larvenstadium kennzeichnend ist : neben den Puffs dcr Abschnitte 62 E, 74 EF und 75 B ist auch der des Abschnittes 78D ausgebildet. Ein zwcites Beispiel zeigt Abb. 24. Hier befinden sich beide, Wirts- und Implantatschromosom, im Stadium 11, und in beiden ist der Puff des Abschnittes 78D ausgebildet.

Das Ergebnis des Versuches ist in Abb. 19 der Versuchsanordnung hinzugeffigt: Wird die Speicheldriise von einer Vorpuppe in eine Larve zuriicktransplantiert, dann macht sie, mindestens hinsichtlich der unter- suchten Pulls, zusammen mit den Speieheldri~sen de8 Wirtstieres noch einmal eine larvale Pu//bildungsperiode durch, obwohl sie die gleiche Periode vorher schon einmal durchlau/en hat.

So ist im untersuehten Fall die erste der eingangs (S. 366 f.) diskutierten M6glichkeiten realisiert: Das Puffmuster ist vollst~ndig abhi~ngig vom Milieu. Die M6glichkeit einer Ver~nderung am Chromosom selbst als Ursaehe einer stadienspezifischen Vers mag natiirlieh ffir andere nicht gepriifte Genloci und Entwicklungsstadien noch zutreffend bleiben. Im vorliegenden Fall ist die kausale Beziehung zwischen dem in der Hiimolymphe des Tieres auftretenden ,,AuBenfaktor" und dem Ver- halten der puffbildenden Chromosomenabsehnitte deutlieh aufgewiesen.

D. Diskussion

Es besteht kein Zweilel darfiber, dab die Vorbereitung der Puparium- bildung von den Hormonen der t~ingdrfisen ausgeht. Aus der absoluten Korrelation zwischen dem Ablauf dcr Puffbildungsperiode in den Speicheldriisenchromosomen und der darauffolgenden Puparisierung der Larvencuticula darf man entnehmen, dab die Hormone dcr t~ing- drfise die Puffbildung in den Speicheldrfisenchromosomen ausl6sen. Das ffihrt die oben (S. 346) ge~uBerte Vermutung weiter, welche daraus abgeleitet wurde, dab jeweils am Ende eines Entwicklungs- stadiums rhythmisch Puffs auftreten. Diese Interpretat ion steht in (~bereinstimmung mit den Versuchen yon CLEVER und KA~LSO~ (1960). Dort t reten nach Injektion des reinen Puparisierungshormons Ecdyson in Chironomus-Larvcn Ver~nderungen an zwei Chromosomenloci auf, die fiir den Beginn der Metamorphose charakteristisch sind. Nach der Injektion war niimlich ein pr~pupaler Puff zu beobachten, wi~hrend ein larvaler Puff in vielen F~llen verschwand. Ahnliche Ergebnisse hat ten die Versuche yon PAMTZ (1960). Er erreichte in larvalen Speichel- drfisen der Chironomide Acricotopus lucidus, die er in vitro in pr/~pupaler

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Die P u f f s der Spe i che ld r i i s ench romosomen v o n Drosophila melanogaster, n 377

H~Lmolymphe hielt, dab sieh zwei der vier Balbiani-lZinge zurfiekbilden. Diese Ver/inderung tritt normalerweise beim ~bergang vom letzten Larvenstadium zum Vorpuppenstadinm ein.

Dureh das oben in Kapitel B wiedergegebene Schnfirungsexperiment wird jedenfalls klar gezeigt, daft die Bestandteile der Hs welehe die Pupariumbildung in Gang bringen, zugleich das gesamte Muster der analysierten Genloei zur Puffbfldung anregen.

Der Naehweis, dab es sieh tats~ehlieh um die Hormone der l~ing- drfise handelt, die die Puffbildung auslSsen, lieBe sieh ffihren dureh Implantation funktionsbereiter Ring&risen in Larvenabdomina, die vor der Hormonausseh/ittung abgesehntirt wurden. In solchen Fi~llen tri t t in diesen ,,Dauerlarven" naeh kurzer Zeit Puparisierung der Cutieula ein. Vorher schon mfiBten die Puffs in den Speieheldrfisenehromosomen auftreten. Diese Operation ist yon VOGT (1942) an der gr6Beren Droso- phila hydei ausgeffihrt worden. Sie wird bei Drosophila melanogaster, der geringeren Gr613e der Larven wegen, sehwieriger sein.

Wie oben erws (S. 347), sind diejenigen Drfisen, deren Hormone den Zeitpunkt und den Charakter der Hi~utungen bestimmen - - Pro- thoraxdrfise und Corpora allata - - bei den Dipteren in der Ringdrtise vereinigt. Inwieweit die Hormone beider Drfisen an der Ausl6sung der Puffbildung beteiligt sind, ist vorl~ufig unentsehieden. Eine Entschei- dung ist jedoch denkbar, z.B. dureh Ringdrtisen-Tefltransplantation. Aueh die Implantation der Drfisen yon Vertretern anderer Insekten- ordnungen dfirfte erfolgverspreehend sein, denn die Metamorphose- hormone sind ordnungsunspezffiseh (HADol~ und N~v,I. 1938, BECKEg und PLAGO~ 1939, PI~I~O ]950).

Die Puffs der beiden yon CI~]~v~I~ und KAI~LSO~ (1960) untersuehten Loci scheinen allein durch das Prothoraxdr/isenhormon gesteuert zu sein.

Der bei Drosophila melanogaster beobaehtete Unterschied zwischen der larvalen und der pr/~pupalen Puffbfldungsperiode im Muster der auftretenden Puffs kSnnte sehr wohl auf der Reaktion der Chromosomen auf eine unterschiedliche hormonale Konfiguration in den beiden Ent- wicklungsstadien beruhen. Diese Interpretation legt das Ergebnis des im Kapitel C besehriebenen Speieheldrtisen-Transplantationsexperimen- tes nahe. Wurde ni~mlieh eine pr~tpupale Driise in eine Larve zurfiek- transplantiert, dann reagierte sie absolut milieubedingt. Sie bildete unter dem EinfluB des Wirtsmilieus den Puff des Absehnittes 78D aus, was sie unter normalen Bedingungen nicht zweimal hintereinander gemaeht hi~tte. Ob man an eine Verringerung des Anteils an Corpora allata-Hormon oder an eine Vermehrung des Antefls an Prothorax- driisenhormon als Ursaehe fiir das Ausbleiben des 78D-Puffs in der

Chromosoma (Berl.), Bd. 13 25a

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378 ~-~ANS JOAeHIN[BEOKER:

pr~pupalen Puffbildungsperiode denken mul3, ist auf Grund der vor- liegenden Befunde noch nicht zu entseheJden.

In diesem Zusammenhang ist jedoch der Vergleich zweier Beob- achtungen interessant. Im Transplantationsexperiment wurde yon der unterschiediichen Reaktion des Abschnittes 78]) auf larvales und pr~- pupales Milieu Gebrauch gemacht. Offenbar sind die anderen, hier auch noch beriicksichtigten Puffs wenig oder gar nicht, der Abschnitt 78D aber besonders empfindlieh auf die Milieu~nderung yon einem Stadium zum anderen.

Die zweite Beobaehtung ist die der beiden F~lle, in denen sich nach Schnfirung die Speicheldrfisen-Chromosomen im hinteren K6rper- abschnitt im Puffmusterstadium 1 befanden, also nicht mit der Puff- bildung begonnen batten, bei denen jedoch im einen Fall 5 nnd im anderen Fall 11 Kerne den Puff des Absehnittes 78 D ausgebfldet batten (S. 361). Es wurde vermutet, dal3 die Ligatur nicht fest genug angelegt war, um den ~ber t r i t t jeglieher Hormonmengen in den hinteren K6rper- abschnitt vSllig zu unterbinden. Da der gr613te Teil der Kerne keine Puffs ausgebildet hatte, waren offenbar nur die unmittelbar hinter der Ligatur liegenden Zellen yon diesem Hormoneinflul3 betroffen, vielleicht auf dem Weg fiber die benachbarten Zellen des Drfisentefles im vorderen K6rperabschnitt . In einem dieser beiden F~lle befanden sioh die vor- deren Drfisenabschnitte im Puffmusterstadium 10/11, im anderen im Puffmusterstadium 3. In beiden F~llen war allein der Puff 78 D deutlich und abweichend yon den anderen Zellen ausgebfldet. Zwar ist es nun ffir das Stadium 10 charakteristiscb, dal3 allein der 78I) Puff sich roll entfaltet, und dal3 alle anderen Puffs des I I I L-Armes mitten im Zustand der l~t~ckbildung bzw. Ausbildung begriffen sind (vgl. Tabe]le 1). Erstens machten aber die Ausnahmekerne im ganzen nicht den Eindruck yon Kernen des Stadiums 10, d. h. alle anderen Chromosomenabschnitte waren unverdiekt; zweitens w~Lre es ein Zufall, wenn in beiden F~llen, die sich ja im Stadium der vorderen Drfisenteile unterscheiden, die Ausnahmekerne in den Drfisenhinterteilen sich hn gleichen Stadium befinden sollten. Vielmehr hat es den Ansehein, als sei unter dem Einflul3 einer sehr niedrigen Hormonmenge keiner der anderen Puffs, dagegen nur der des Abschnittes 78I) aufgetreten. Es w~re interes- sant zu wissen, ob im Abschnitt 781) ein Locus zu linden w~re, de rnur unterhalb einer bestimmten Hormonschwelle einen Puff ausbflden kann. Zum Beispiel w~re vorstellbar, dab diese Schwelle in der Vorpuppe tiberschritten wird. Und dann wfirde man damit rechnen mfissen, dal3 das Auftreten oder Ausbleiben des 78D-Puffs yore Prothoraxdriisen- hormon abh~ngt.

Nun ist es jedoeh noeh nieh~ entschieden, ob die Metamorphose- hormone die einzigen Ausl6ser ffir den Ablauf der Puffbfldungsperioden

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sind. Selbst in Speieheldriisenchromosomen kann ein zwar anders- artiges, aber typisehes Puffmuster dureh Faktoren wahrseheinlieh ganz anderer Art ausgel6st werden, wie das Ergebnis der Aufbewahrung yon Zellkernen aus der Speieheldrfise yon Drosophila buskii im Eiinhalt von Drosophila melanogaster zeigt (K~o~GER 1960). Es ist aueh nieht be- kannt, welehe Reaktionssehritte vom tIormon zur Puffbildung fiihren. Allzu viele intermedigre Vorg~nge k6nnen wohl nieht dazwisehen- gesehaltet sein. Dis Pupariumbildung findet erst 4- -5 Std naeh der Hormonaussehiittung start. Die Puffbildung dagegen setzt offenbar unmittelbar ein. t%eehnet man damit, dag die L~nge der larvalen Puff- bildungsperiode yon der L/~nge der pr/~pupalen nieht sehr versehieden ist, dann wird sie nieht viel kiirzer als 4--5 Std sein k6nnen und demnaeh sofort naeh der tIormonanssehiittung einsetzen mfissen.

Es ist ferner noeh nieht sieher, ob alle Versehiedenheiten zwisehen den Puffmustern zweier Entwieklungsstadien lediglieh dutch die l%eak- tion der Chromosomen auf ein ver/~ndertes Milieu bedingt sind. W/~hrend das Auftreten des Puffs im Absehnitt 78D offenbar vollst/~ndig milieu- bedingt ist, erseheint es als durehaus denkbar, dag dies bei anderen Puffs nieht der Fall ist. Man muB wohl darauf vorbereitet sein, dag Puffs gefunden werden, deren ver/~nderte Reaktion das Resultat einer Ver/inderung am Chromosomenloeus selbst ist. Auf eine stabile Ver- /~nderung der im Zellkern enthaltenen ]~estandteile konnte man unmittel- bar aus den Kerntransplantations-Experimenten an Amphibien (KING nnd B~mGs 1956, B~IGGS und KInG 1957) sehliegen. Indirekt konnte sehlieglieh aueh bei Drosophila auf eine stabileVer/~ndernng an einem ein- zelnen Genloeus im Laufe der Differenzierung gesehlossen werden (B~cKE~ 1960). Es bleibt zu iiberlegen, ob in den Speieheldriisen- ehromosomen noeh im Laufe des Vorpuppenstadiums prinzipiell eine ver- gleiehbare Ver/~nderung im mSglieh ist.

Die Zellen der Drosophila, Speicheldrtise sind zwar im drit ten Larven- stadium ,,ausdifferenziert"; sie maehen sehon seit dem Embryonal- stadium keinerlei Zellteilungen mehr dureh. Und versehiedene Autoren vertreten die Ansieht, dab Differenzierungen am genetisehen Material nut im Zusammenhang mit seiner Reduplikation eintreten k6nnen (J. SCI{~LTz, pers6nliehe Mitteilung). Selbst unter dieser Voraussetzung wiirde sine differenzielle Ver/~nderung einzelner Chromosomenabsehnitte vom Ende des drit ten Larvenstadiums bis zum Ende des Vorpuppen- stadiums m6glieh sein. Der le~zte Poly4/~nisierungssehritt der Speiehel- driisenehromosomen - - niehts anderes als eine Reduplikation des gene%i- sehen Materials - - k6nnte n/~mlieh noeh in der Vorpnppe stattfinden. Man kann zwar nur schwer entseheiden, ob die t~iesenehromosomen vom Ends des dri t ten Larvenstadiums bis zum Ende des Vorpuppenstadiums dicker werden. Erstens vergrSBert sieh bei einer Verdoppelnng des

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genetischen MateriMs der Chromosomendurehmesser nur um das V2-fache. Zweitens trifft man in larvalen Speicheldriisen bereits Chromosomen mit 4 versehiedenen Polyt/~niestufen an (SwisT nnd RASCH 1953). Die meisten Kerne wiirden also bei einer Reduplikation des genetischen Materials in eine GrS~enstufe riicken, die schon vorher durch andere Kerne der gleiehen Drfise vertreten war. Lediglich das Wachstum der grSl3ten Kerne w/irde zum Auftreten einer neuen, hohen Polyt/~niestufe fiihren. Und diese MSglichkeit ist nicht ausgesehlossen.

Nach den Ergebnissen der vorliegenden Untersuehung mul3 man die Abh~ngigkeit der Puffbildung yore inneren Milieu folgendermal3en interpretieren :

Offenbar 15sen die Metamorphose-Hormone allein oder im Zusammen- wirken mit anderen Faktoren des inneren Milieus das geh/~ufte Anf- t reten yon Puffs an spezifischen Orten der Speicheldriisenchromosomen aus. Die Wirkung der Hormone setz~ sofort ein. Vielleicht greifen daher die Hormone unmittelbar an den Chromosomen an, vie]leieht auch an Repressoren, die wahrscheinlich die Funktion der puffbildenden Loci regulieren (JAcoB nnd MONOD 1961). Ihre Wirkung ist nicht auf einzelne Chromosomenorte beschr/~nkt. Vielmehr h/~ngt das Auftreten und der Ab]auf des gesamten normalerweise zu beobachtenden Puff- musters yon ihnen ab. Ob bei Drosophila einer der nach Hormonein- wirkung zuerst auftretenden Puffs allein unmittelbar auf ein Hormon reagiert, gem~13 der Interpretation, die CLEV]S~ (1961) seinen letzten Ergebnissen gibt, ist gegenw~rtig nicht zu entseheiden.

Da die Puffs Funktionszust/~nde derjenigen Gene zu sein scheinen, die in den betreffenden Chromosomenabschnitten lokalisiert shad, muB man annehmen, da~ die Metamorphosehormone in der Speicheldrfise die Aktivit/~tsphase des gesamten Geninventars auslSsen, welches zur zeitweiligen Funktion dieser Zellen den Einsatz gibt. Das Muster der durch den hormonalen Anstol3 aktivierten Gene ist yon Gewebe zu Gewebe versehieden. Es ist ein Merkmal der Zelle, vielleicht der Chro- mosomen, und die Gestaltung dieses Merkmals wird durch den Dif- ferenzierungsproze~ der Zelle hervorgerufen. Offenbar ist jedoeh das Aktivit/~tsmuster einer Zelle nicht ausschliel31ich das Produkt ihres eigenen Differenzierungsgeschehens, denn auch das Puffmuster ~ndert sieh zum Tell mit dem Milieu, vielleicht mit der hormonalen Zusammen- setzung des Milieus. Es bleibt dabei zu bedenken, da~ das Ausbleiben des Puffs 78D in der Vorpuppe nicht gleichbedeutend mit vSlliger Inaktivitgt des betreffenden Chromosomenabschnittes sein muB. Man mul3 aber damit rechnen, dab dieser Chromosomenabsehnitt in der Larve st/~rker aktiv ist als in der Vorpuppe. Dieser Unterschied ist im vorliegenden Falle milieubeding~, und er wird sich im Stoffwechsel der Zelle bei ihrer Funktion auswirken.

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Demnaeh wird man die Funktion der Metamorphosehormone im Zusammenhang mit der Genaktivierung in der Speieheldrtise nnter zwei verschiedenen Gesichtspunkten betrachten m/issen: erstens kSnnen die Hormone die Aktivit/~tsphase des yon der Zelie differenzierungsgem/~B bereitgehaltenen Geninventars im ganzen in Gang setzen, und zweitens kann das Milieu zu einem gewissen Grade aus dem angebotenen Gen- inventar eine Auswahl treffen, m6glicherweise mit Hilfe ver~nderter relativer Hormonmengen.

Summary 1. In salivary gland chromosomes of Drosophila melanogaster a

markedly increased number of puffs appears at both the end of the last larval instar and the end of the prepupal stage (Fig. 1 and 2). Each of these puffing periods has its characteristic pat tern of puff development with regard to the location of the puffs, their number and their sequence (Fig. 14). Puffs are considered to he active sites of their respective chromosomal loci.

2. Experiments were designed to show whether puff formation depends upon the presence of metamorphosis hormones. The first step was the determination of the time of hormone production by the ring gland. To that end late third instar larvae were ligated in or near the fourth larval segment (Fig. 3). The ring gland lay in the portion anterior to the ligature, and the passage of hormones into the posterior portion was effectively prevented when ligating was performed prior to hormone production. If the anterior portion formed a puparium in less than 31/2 hours after ligating, the posterior portion also formed a puparium in all cases. If, however, puparinm formation in the anterior portion set in more than 5 hours after ligating, the posterior portion remained larval in all eases (Table 3, Fig. 4 and l l ) . One can conclude, therefore, that 31/2--5 hours before puparium formation the ring gland produces the hormones that lead to this developmental step.

3. A ligature in the above mentioned region of the larva has the additional effect of separating eaehsalivarygland intotwo parts, onelying in the anterior and the other in the posterior portion. 58 such larvae were dissected at the beginning of puparinm formation, and the chromosomes of the anterior and posterior parts of the glands were examined separately with regard to their puffing pattern. Whenever the anterior portion of a larva formed a pnparium less than 4 hours after ligating then both the anterior and posterior portions of the salivary glands showed the puffing pattern which is characteristic for the end of the third larval instar (Table 6, Fig. 7, 8 and 11). If, on the other hand, puparium formation in the anterior part of a larva set in more than 5 hours after ligating, then only the gland portion contained in this part showed

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the typical puffing pattern, whereas the gland portion behind the ligature showed the larval pre-puffing-period chromosome structure (Table 7, Fig. 9--11.) Therefore the time between 4 and 5 hours before puparium formation appears to be a critical period for initiating of puff formation. From this close correlation between puparium formation and puffing it is concluded, that the puffing period in larval salivary gland chromosomes is triggered by the hormones of the ring gland.

4. A comparison of the time span between hormone production and puparium formation with the assumed duration of the puffing period (about 4 hours) shows that the puffing reaction of chromosomes follows immediately on the production of hormones. This, in turn, supports the idea of a hormone-controlled gene activation without many intermediate steps. Finally, ring gland hormones seem to activate the complete gene pool provided for temporary salivary gland function, since the whole set of investigated puffs was affected by the ligating experiment.

5. The cause for the difference between the puffing patterns in the third instar larva and in the prepupa was the objective of salivary gland transplantations. If a gland from an early third instar larva is transplanted into the abdomen of a late third instar larva (Fig. 16), both implant and host start with puff formation simultaneously, i. e. the implant reacts prematurely under the influence of the host milieu (Fig. 17 and 18).

6. If a salivary gland of an early prepupa is transplanted back into the abdomen of a third instar larva, the puffing pattern of the implant shows characteristics of the host; i. e. section 78D of the implant chro- mosomes forms a puff under the influence of the host milieu (Fig. 19, 23 and 24). This puff is characteristic for the larva and normally does not appear in prepupal chromosomes (Fig. 14 and 20). The specificity of the puffing patterD, therefore, depends at least in part on the milieu which surrounds the gland. The milieu difference between the two puffing periods may well be due to a ehange of the relative amounts of the molting and the juvenile hormones.

7. The results of both ligating and transplantation experiments are discussed in connection with previously available information. There appear to be two different attributes of the function of meta- morphosis hormones with regard to gene activation : (a) they can trigger the activation of the gene pool, which a cell holds in preparation accord- ing to its state of differentiation, and (b) the miheu can select to a certain degree from the offered gene pool, possibly by means of changed relative amounts of hormones.

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