Die Ultrastruktur von Wurzelmeristemzellen der Erbse (Pisum sativum)

Die Ultrastruktur von Wurzelmeristemzel len der Erbse

(Pisum sativum) E i n e e l e k t r o n e n m i k r o s k o p i s e h e S t u d i e

u

Peter Sitte, I n n s b r u c k

M i t 24 T e x t a b b i l d u n g e n

(Eingegangen am II. Dezember 1957)

Inhaltsiibersieht Seite

I. E i n l e i t u n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447 II. M e t h o d i k . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450

1. U n t e r s u c h u n g s l n a t e r i a l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450

2. F i x i e r u n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4~0 3. Y e r s u c h e z u r M e t h a c r y l a t e i n b e t l u n g . . . . . . . . . . . . . . . . . 452

4. E i n b e t t u n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436 5. H e r s i e l l u n g d e r U l f r a d i i n n s c h n i i f e . . . . . . . . . . . . . . . . . 457

6. U n f e r s u c h u n g i m E l e k i r o n e n m i k r o s k o p . . . . . . . . . . . . . . . 457 7. A u s w e r t u n g des A u f n a h m e m a t e r i a l s . . . . . . . . . . . . . . . . 438

I I I . G r u n d p l a s m a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45S 1. D a s G r u n d p l a s m a s . s i r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459

2. D a s E n d o p l a s m a f i s c h e R e t i c u l u m . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471 3. E c h t e V a c u o l e n u n d P l a s m a g r e n z s c h i c h t e n . . . . . . . . . . . . . . 476

4. T o t e E i n s c h l i i s s e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480 IV. G o 1 g i - A p p a r a t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 481

V. M i t o c h o n d r i e n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4S9

VI. D e u t u n g d e r , , D o p p e l m e m b r a n e n " . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 491 VII . Z e l l k o m p o n e n t e A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 496

VI I I . P r o p l a s t i d e n . . . . . . . . . . . . . . . . ~ . . . . . . . . . . . . 496

IX. Z e l l k e r n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 502 X. S c h l u l l b e m e r k u n g e n . . . . . . . . . . . . . . . . . . : . . . . . . . 507

Z u s a m m e n f a s s u n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50S

L i t e r a t u r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 510

I. E in le i tung

D e r F o r t s c h r i t f , d e n d i e E r f o r s c h u n g de s Z e l l f e i n b a u e s d u r c h d ie E i n f t i h r u n g de s E l e k t r o n e n m i k r o s k o p s (EM) g e m a c h t ha t , i s t h e u f e b e r e i t s a n d e r be t r~ ich t l i chen Z a h l y o n E r g e b n i s s e n z u e r m e s s e n , d ie o h n e ( ~ b e r m i k r o s k o p i e n i ch f d e n k b a r s ind .

448 P. Sitte

Mehr und mehr wird aueh deutli&, wieweit es sidl um Gesiehertes handelt und worth man zuniiehst irrte. G i n wesenilicher Punkt stem heute test: Aueh o rgani- sehes Material kann im EM mit Erfolg untersueht werden; es ~-eriindert sieh zwar dureh die starke Ionisationswirknng der Elektronenstrahlen im Hoeh~Takuum grundlegend (vgl. B r o e k e s e t al. 1955 und die dort zit. Lit.) und geht sehliefl- lieh in Graphit fiber (K ti n i g 1953), abet ohne Strukturiinderungen, die ira EM aufgeliist werden ktinnten. DJese ;4ndernngen sind also normalerweise nur amikro- skotaisehe n 1 Ausmal3es.

Damit ist freilieh erst eine der notwendigen u erfiillt. Die Elek- tronenmikroskopie als d i r e k t e Methode den x~erschiedenen indirekten Yerfahren zur Strukturaufkli i rung ira submikroskopisehen Beret@ gegeniiberzustellen, ist z. Z. wohl verfriiht. Leider ist ja eine sinnx-olle L e b e n d b e o b a e h t u n g im EM ganz und gar ausgeschlossen, und man dart sieh aueh fiir die Zukunft kaum giinstigere Aspekte erhoffen; die wenigen Yersuehe zur Beseitigung dieser Sehranke braehien keinen Fortsehritt. Organisehe Pr'aparate -yon mehr als 1 ,~ Dieke ktinnen bet den iiblidlen Besdfleunigtlngsspannungen ni&t durchstrahlt werden; damit aber die volle AufliJsungskraft des EM ausgeniitzt werden kann, soll die Priiparatdicke das Zehnfaehe der AuftiJsung nieht wesentlieh iibersehreiten (C o s s 1 e t t 1955, 1956), also tinter 500A liegen, sonst macht sieh die ehromalisehe Aberration stiSrend bemerk- bar und feinere Details des Pr~iparais entziehen sich dureh idberlagerung einer gesonderten Abbildung. Es gibt demnach nur sehr wenige belebte Objekte, die fiir die elektronenmikroskopisehe Untersuehung geniigend diinn sind (Bakterien, einige Gameten und Sporen; allenfalls no& bestimmte Gewebekulturen, a~gl. P o r t e r et al. 1945; F r e y - W y s s l i n g und M i i h l e t h a l e r 1946; C l a u d e et al. 1947; M a r t i n und T o m 1 i n 1950). Wetters diirfen die Pr~iparate der Elektronen- mikroskopie kein Wasser enthalten (Beobaehtung im Hoeha, akuum!); ohne Was- ser ist abet aktives Leben nndenkbar 2. Es bleibt aueh fraglich, ob eine Lebend- untersuehung (wenn sie sonst miSglieh ware) bet elektronenopiisd~er YergriJlternng i iberhaupt sinltvoll sein kann, da natiirlieh aueh die Bewegungen vergrtifiert wiir- den; wenn aus diesem Grunde also sehon im Lichtmikroskop mitunier das Photo- g~raphiere n lebender Zellen sehwierig oder unmtiglieh ist, um wieviel mehr miifiie sieh dies im EM auswirken! Sehliel~lieh ist daran zu erinnern, dall die energiereiehen, leicht absorbierbaren Elektronenstrahlen raseh tiSten.

Die Untersudaung im E:M ist also auf fixierte und meist ul t radi inn gesdanittene Priiparate besehriinkt. Im erforderliehen Priiparationsgang bestehen viele MiSglidl- keiten zur Artefaktbildung, und es ist versiiindlieh, dal~ die Ergebnisse der Elek- tronenmikroskopie zuniiehst mit Zuriiekhaltung beurteilt warden (vgl. u. A. P i s e h i n g e r 1950 a). Seit sich aber die yon P a 1 a d e (1952 a) eingeftihrte Fixie- rung mit sehwaeh alkaliseher, gepufferter OsO4-Ltisung fiir x'ersehiedenste Objekte gut bewiihrt hat und seit es mtiglieh ist, UltradiinnseImitte routinem~ltig herzu-

1 Wir behalten die herkiSmmliehe Gliederung der Grtiltenbereiche (vgl. z. B. F r e y - W y s s 1 i n g 1953) in einen makroskopisehen, mikroskopisehen0 submikro- skopiscken (Gr~l~en zwisehen 2000 und 20 3.) und amikroskopiseben aus Zweek- miiltigkeitsgriinden bet, wenn auch die Bezei&nung ,,submikroskopiseh" dutch die Einfi ihrung der idbermikroskol3ie nicht mehr korrekt ist; andererseits hat sieh aber das ungefiige und wenig s&tine Wort ,,subliehtmikrosko.piseh '~ kaum ein- gebiirgert.

Aus diesem Grunde besagen die Y-on v. A r d e n n e und F r i e d r i e h - F r e k s a (1941) erhaltenen Bilder yon Bakteriensporen im Zustand latenten Le- hens wenig; die Vitalbeobaehtung erhiilt ja erst dann ihren vollen Sinn, wenn aueh Lebens v o r g ii n g e ~-erfolgt werden kiinnen.

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stellen (vgl. die bet H. S i t t e, 1955, gesammelte Lit.), ist vor allem in Medizin und Zoologie Beaehtliehes geleistet worden, und es gibt heute neben sehr viele1~ Detailarbeiten bereits Monographien bestimmter Zelltypen (u. A. F e r n fin d e z- M o r f i n 1952, R h o d i n 1954, Z e t t e r q v i s t 1956, K i s e h 1957) oder Zellkom- ponenten. Der Feinbau fast aller wichtigeren Organellen konnfe bis ins Detail ab- gekl~irt werden, bisher unbekannte kamen hinzu (so das Endoplasmatisehe tleti- eulum, vgl. Abschnitt III, 2). Das Bild, das man sieh bislang mit tIilfe der indirekten Methoden, vor allem der Polarisationsmikroskopie und der t/iintgen- diffraktographie, maehen kennte, wurde in wesentliehen Punkten best/itigt, i n manehen korrigiert und vor allem um sehr vieles reiehhaltiger gemaeht. Denn die beiden erw/ihnten Methoden setzen Objekie hoher feinbaulicher Ordnung voraus und er!auben tiber weniger geordnete Organellen keine Aussagen.

Ein l~berbliek fiber den Feinbau der Organellen in tierisehen Zellen versehie- denster Herkunft zeigt, dal~ im submikroskopisehen Beret& gegentiber dem mikroskopisehen eine gewisse Yereinfaehung eintritt und relativ wenige Bauprinzipien sehr allgemein realisiert sind (vgl. etwa P o r t e r 1955, R u s k a 1956). Es w/ire yon gr61~tem Interesse zu wissen, wieweit diese seheinbar grundlegenden Gesetzm/iflig- keiten aueh in der Pflanzenzelle Giiltigkeit besitzen; leider abet ist die Zahl der entspreehenden Arbeiten auf botanisehem Gebiet sehr gering, gemessen an d e r m i t tierisehem Gewebe befal~ten Literatur. Es kommt no& hinzu, dal~ vor allem jene Organellen untersueht wurden, die den Tieren fehlen: Zellwand und Plastiden s.

Bisher fehlte aus dem Bereieh der Botanik die detaillierte Besehreibung eines Zelltypus; so~ set hier versudlt, auf Grund der Ergebnisse dreij/ihriger Unter~ suehung eine solche ,,Monographie des Feinbaues" ftir die meristematischen Zellen (vor allem aus dem Periblem) der Erbsenwurzelspitze zu geben. Aufler Betraeht bleibt die eigentliche Zellwand (weil ihre Untersu&ung niehts ergab, was nieht sehon bekannt ist) und die Zell- und Kernteilung. Besonderer Weft wurde dagegen auf den Yergleieh der Ergebnisse mit jenen anderer Auto ren gelegt, da ja - - wie einleitend bemerkt - - die Artefaktfrage kamn ernst genug genommerf werden kann; da ein e l~berprtifung der Ergebnisse mit prinzipiell anders gearteter Methodik in den meisten F/illen ausgeschlossen ist, mul3 wo irgend mi3glieh wenigstens der Vergleieh herangezogen werdei1. Dal] hiebei sehr vieles aus dem zoologischen Bereieh zur Spraehe kommt, liegt daran, dal~ dort unsere Kenntnis wetter fortgesehritten ist, und hat zugleieh den Vorteil, dal3 dabei die Pflanzenzelle der Tierzelle vergliehen werden kann.

Es ist keine Frage, da~ aueh das naeh m~gliehst grtindlieher Untersuehung ent- werfbare Bild der submikroskopisehen Morphologie embryonaler Pflanzenzellen sehr u n v o l l s t ~ n d i g und aueh v e r ~ b e s s e r u n g s b e d i i r f t i g ist. Vor allem ersdleint bedenklidl, dal] sich der Pr/iparationsgang fiir die EM-Untersuehung sehen so weitgehend standardisiert hat, obwohl das den Vorteil der Vergleiehbarkeit yon Ergebnissen bietet; abet es besteht die Gefahr systematiseher Fehler. Ins- besondere mag auch die F i x i e r u n g und Kontrastierung mit OsO4 immer wieder das gleiehe gut und - - wie man wohl hinzusetzen mul~ - - das gleiche n i e h t zeigen; es ist sehr zu begriil3en, dat3 mehr und mehr dureh die Einfiihrung ileuer Fixierungsmethoden ein Wandel gesehaffen wird (vgl. L iJ w und F r e e m a n 1956, L u f t 1956, P. S i t t e 1957b). In der vorliegenden Arbeit wurde getraehtet, tun- liehst Pr/iparate, die nach versehiedenen Methoden fixiert waren, zu vergleiehen

3 Beztiglich der Zellwand vgl. die Zusammenfassungen bet P r e s t o n (1952), F r e y - W y s s 1 i ng (1955) und M ii h 1 e t h a 1 e r (1956/57) ; beztiglieh der Plastiden set auf die kritisehe Literaturtibersicht bet v. W e t t s t e i n (1957 a) ~erwiesen.

450 P. Sitte

und so einer Mil~deutung dutch Artefakte zu entgehen, f2ber die versehiedenen Versuche zur Fixierung wird an anderer Stelle beriehtet (P. S i t t e 1957 e), so da~ im folgenden (Absehn. II, 2) eine kurze l~bersicht geniigen mag.

Ein weiteres Problem isf die E i n b e t t u n g. Die Plexiglaseinbettung ist - - wie mehrfaeh nachgewiesen und aueh bier noch ausgefiihrt werden wird - - weir davon entfernt, verlal~lieh gute Resultate zu liefern 4. Die z. T. erfolgreiehen Ver- suehe mit neuen Einbetfungsmitteln ~ sind daher sehr zu begrtif~en; sie kamen allerdings fiir meine Untersuehungen zu spat, so daft hier ausschliel~lieh mit Plexi- material gearbeitet wurde (fiber Verbesserungsversuche vgl. Absehn. II, 3).

II. Methodik

1. U n t e r s u c h u n g s m a t e r i a l

Saaterbsen amerikanischer Provenienz, die sich dureh hohe und durch Jahre stabile Keimungsrate (96%) auszeichneten, wurden zun/iehst in mehrfaeh gewech- seltem Leilungswasser 6 dureh 24 Std. bei 200 C gequollen, dann in mit feuchtem Filterpapier ausgelegten und lose bedeckten Beehergl~isern im Brutsehrank bei 20~ angekeimt; durch Beliiften und Befeuchten wurde mehrmals t@lich dafiir gesorgt, dal~ die Luft geweehselt, aber immer wasserdampfgesattigt war. Nach _5--5 Tagen haben die Keimwurzeln eine Lange yon etwa _5--4 cm erreieht und sind nunmehr (ha& Abbau iiberschiissiger Reservestoffe) fiir die Untersuchung der Wurzelspitzen geeignet. Dutch Dreh- oder Bandwuchs mil~gestaltefe Wurzeln wurden nieht verwendet.

Ftir die Gewinnung der Wurzelspitzen ist naeh eingehenden Versuehen folgende Teelmik geeignet: Von der Keimwurzel wird auf feuchtem Filterpapier dutch einen Quersehnift mit einer ungebrauchten Rasierklinge die Wurzelhaube enffernt und sofort 1/~ mm hinter dem ersten ein zweiter Qucrschnitt gefiihrt und das dadurch abgetrennte embryonale Gewebe so fort in die Fixierungsfliissigkeit iibertragen. Bei der Einbettung ist dann lediglieh darauf zu achfen, dal] die apikale Seite dieser Scheibe naeh unten zu liegen kommt. Die dann im Sehnitt liegcnden Zellen sind alle embryonal, doch nieht immer gleieh jung; ihr relatives Alter lal]t sich am Stand der Vaeuolenbildung abschatzen.

2. F i x i e r u n g

Zun/iehst wurde in V o r v c r s u e h e n bei bester lichtoptiseher AuflSsung an Moosblattern, geeigneten Blattepidermen und Mcsophyllgewebe yon Fiehtennadeln der Fixierungsverlanf bei versehiedenen Fixant ien vergleiehend untersucht mit dem Ergebnis, da~ lediglich neutrales Formol und O s Q unter den gepriiften Agenzien ]ebensgetreu erhalten. Diese Fixierer wurden daher an Wurzelspitzengewebe angewendet und ihre Eignung weiterhin im EM gepriift. OsO4 wurde dazu in den verschiedensten Medien l%ig angewendet, vor allem in Na-Acetat-Veronal-Puffer (pH zwisehen 5,8 und 8,0) sowie in desf. Wasser, aufierdem in LSsungen versehie-

4 Diese Feststellung soll in keiner Weise das Verdienst yon B a u d (1949) und vor allem N e w m a n et al. (1949) schmiilern, die seinerzeit die Plexieinbettung einfiihrten; den vorher bekannten Methoden ist diese Technik ohne Zweifel sehr iiberlegen.

5 Fiir Vinox K 5 vgl. K e 11 e n b e r g e r et al. (1956) sowie H e i t z (1957) ; f i i r Araldit M a a l o e und B i r c h - A n d e r s e n (1956) und G l a u e r t und B r i e - g e r (1956) sowie G 1 a u e r t et al. (1956).

6 Sterile Aufzucht ist mSglich, abet iiberfliissig.

Die Ultrastruktur Yon Wurzelmeristemzellen der Erbse 451

denen osmotischen Wertes (Toniereihen ~on 0,04 bis 4~,0 molar dutch Zusatz yon Anelektrolyten). Die Ergebnisse waren mit keiner Misehung fiir alle Zellteile zugleieh optimal; etwa ist das Plasma in l%iger OsO4-LSsung ill dest. Wasser am besten erhalten (Abb. 4~), wogegen besonders die Proplastiden und die Elemente des Endoplasmatisehen Reticulum bet dieser Fixierung -~erquellen. -- Die Fixie- rung Init dureh Pyridin neufralisiertem Formol (ca. i molar) erwies sieh (gegentiber manchen negativen Befunden in der Lit., z. B. P a 1 a d e 1955 c) als ausge- zeiehnet geeignet nnd teflweise der Fixierung mit OsO~ iiberlegen; allerdings ist die Gewebestabilitiit naeh der gleichen Fixierungszeit (4 Stunden) wesentlieh geringer als bet 1 Niger OsO4-Li3snng. Dies fiihrt bet der iibliehen Plexiglaseinbeitung zu sehr betr~iehtliehen Sehiiden (B o r ~( s k o 1956); es wurde daher so ~-orgegangen, daft die Wurzelspitzen naeh ~-ierstiindiger Formolfixierung eine halbe Stunde in Wasser gewaschen nnd dann noeh �89 bis 2 Std. ill l%iger w~isseriger OsO4-Li3sung naehstabilisiert wurden. Die so erhaltenen Pr~iparate lassen sieh in Plexiglas wesentlieh leiehter einschliel3en.

Ergebnisse wurden nur dann als einigermaften gesiehert angesehen, wenn die mit OsO4 fixier~en Pr~iparafe gleiehe Strnkturen ergaben wie die formolfixierten, aufter wenn -- wie im Fall der Lipoidtropfen (~gl. unten) -- eine der beiden Fixierungen offensiehtlick nieht lebensgetreu zu erhalten vermag. Es kann vorweg- genommen werden, daI3 sich fiir die moisten Strukturen gute ~bereinstimmung ergab. Die Problematik der Fixierung wird ftir jede Zellorganelle eigens kurz be- handelt werden; dies mag aueh einen Eindruek davon ~ermitteln, daft es hier genau so wenig wie in der Liehtmikroskopie eine Fixierungsmethode gibt, die alle Zellorganellen gleieh gut zu erhalten imstande ist,

Die Fixierung erfolgte also entweder in reiner , 1 Niger wiisseriger OsO~- LSsung odor in 1%igen OsO4-LiSsungen unter Zusatz ~on Puffer naeh der Vorsehrift yon P a 1 a d e (1952 a), wobei die L5sungen vor Gebraueh ange- setzt und ihr p H jeweils mit der Glaselektrode gepriift wurde. Ferner wurden versehieden molare Lgsungen Yon Urea, Glycerin, Dextro,se ocler Sac- &arose zugesetzt (OsO~-Konzentration immer 1%)7, pH und Pufferkapa- zitiit ebenfalls mit der Glaselektrode und dureh Titrat ion gepriift. Fixie- rung 2 4 Stunden bet 18 o C. - - Formol wurde zuniiehst mit Pyr id in unter der Glaselektrode neutralisiert (bis p H ~,2), bis zu ca. I molarer Konzen- trafion verdiinnt und sofort verwendet; der Pyr id inzusatz beeinflul~t die Molar itiit nur unwesentlich. Fixierung d~ Siunden bet 180 C, dann �89 Std. Wiisserung und Naehstabilisierung in 1% wiisseriger OsO4-LiSsung (olme Zusatz) �89 bis 2 Std. (Naehimpriignierungen mit 1 Niger wiisseriger KMnO4-, neutraler Chro,mat-Diehromat-LiJsung und wiisserigem Uranylaee ta t wurden -~ersucht, stabilisierten abet dos Gewebe fiir die Plexieinbet tung nieht ausreichend.)

u zus/itzlichen Kontrastierungen wurde in den meisten F~illen Abstand genommen; wo tiberhaupt, wurden erst die fertigen Sehnitte ,,gefiirbt '~ (G i b b o n s und B r a d f i e 1 d 1956/57), wodureh zus~itzliche Verlagerungen dutch Schrumpfung odor Quellung infolge des Kontrastmediums ausgesehlossen erseheinen. Wesentlicl-1 neue Ergebnisse braehten derartige Kontrastrierungen (Phosphorwolframsiiure, Uranylaeetat) bet meinen Untersuehungen nicht, womit aber natiirlieh nieht be- stritten werden soll, daft Kontrastierungen sehr nutzbringend sein kSnnen.

7 Die Molarit~it des Fixierungsgemisches wurde berechneL nicht gemessen.

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5. V e r s u c h e z u r M e t h a c r y l a t - E i ~ l b e t t u n g

U b e r d ie E i g n u n g de r P l e x i g l a s e i n b e t t u n g u n d ih re u ge ge n i i be r t ' r f iher v e r w e n d e t e n E i u b e t t u n g e n s b r a u e h t nieht d iskutf ier t zu w e r d e n - sic s i nd b e k a n n t . D a sie auch h e u t e noch griSflte B e d e u t u n g bes i t z t , se ien k u r z e in ige Versuehe u n d E r f a h r u n g e n d a z u mi tge t e i l t . 15her d ie t l e a k t i o n s k i n e - t i k vgl. K f i c h l e r (1951) sowie d ie do r t z i t i e r t e L i t e r a t u r , b e s o n d e r s 5 e h u 1 z u n d B 1 a s e h k e (1941, 1962); d a n a e h h a n d e l t es sieh u m e ine exo- t h e r m e P o l y m e r i s a f i o n s r e a k t i o n e n g e r e n S innes m i t , , exp lo s ivem" Ver l au f .

D i e wesent l ich ,s ten M ii n g e I d ieser E i n b e t t u n g s ind f o l g e n d e :

1. Plexiglas ist thermoplastisch, die Schnitte daher auf den Pr~paratnetzen nieht selbsttragend; sie miissen auf einer Folie untersuebt werden (fiber Versuche, mittels Loehfolien diesen Naehteil aufzuheben, vgl. W a t s o n 1956, S j 5 s t r a n d 1956).

2. Plexiglas ist auch bei Zimnlertemperatur plastisch; daher mu~ man init einer Verformung der Schnitte reehnen, und tats/ieblich gibt es in der Li tera tur kaunl Bilder yon Ultradtinnsehnitten, die nicht diese Verformungen deutlieh erkennen lassen (ovale Kerne und Lipoidtropfen, Einregelung der Mitoehondrien- l~ngsachsen usw.). Ein etwa dem bekannten ,Streeken" yon Paraffinschnitten ana- log'es u ist bei Plexischnitten leider ausgeschlossen.

3. Die Polymerisai ion ist mit einer Volumskontraktion verbunden (bis 20%, vgl. K ii c h 1 e r 1951, R i d d 1 e 1954). Ant diese nicht in allen Pr/~paratteilen g]eich- m/~fiige Schrumpfung fiihrt B o r y s k o (1956) die yon ihm erstmals genauer stu- dierten Sch/idignngen zurtiek. B o r y s k o sieht in der Anwendung hoher Poly- merisat ionstemperaturen eine M6glichkeit, diese Schaden zu vermeiden (vgl. jedoch M o o r e nnd G r i m l e y 1957). Die erw~ihnten neuen Einbettnngsmit tel po]y- In erisieren unter u

6. Plexiglas bleibt inn Elektronenstrahl nidl t s trukturlos; bei der Graphi t ie rung tr i t t eine K6rnung auf, die das ganze Pr~parat mit Scheinstrukturen iiberlagert und besonders in nieht e inwandfrei fokussierten Bildern deutlich hervortri t t . In un- gtinstigen F/illen (besonders fiber Lipoid- und Zellwandstrukturen) kommt es sogar zu Ausfressungen, die allerdings an ihrer seharfen Umgrenzung leicht erkannt und dutch vorsiehtiges Graphi t ieren t iberhaupt vermieden werden k6nnen.

5. Das Monomer ist ein Lipoidli~sungsnlittel und kann daher die Pr~iparate ver- ~ndern.

6. Die Polymerisat ionsreakt ion ist stark beeinflul~t durc|l Verunreinigungen. Anch die einzubettenden Pr~iparate und die daraus in L6sung gehenden Stoffe sind Verunreinigungen, und tats~tchlich verl~uft je naeh eillg'ebrachtem Pr~iparat die ]?olymerisation nnterschiedlieh. Eng damit zusamnlen h~ingt wohl audl das Auf- treten yon st6renden G a s b l a s e n in unmit te lbarer Umgebung des Pr~parates. Diese Erseheinung stSrt in der Praxis wohl am allermeisteu, and es zeigt sich, dal~ gerade pflanz|iclles Material in dieser Hinsicht sehr ungtinstig ist. L e y o n und v. W e t t s t e i n (1954) empfehlen, die Pr/~parate w~ihrend der Polymerisat ion im Brutschrank zn zentrifugieren.

s Ygl. u. a. O ' B r i e n und M c K i n l e y 1943, C l a u d e und F u l l a m 1945, G e s s l e r und V u l l a m 1946, F u l l a m und G e s s l e r 1966, P e a s e und B a k e r 1948, B r e t s c h n e i d e r 1969, B e a m s et al. 1950, P e a s e 1951, S e d a r und W i l s o n 1931, F l e w e t t und C h a l l i c e 1951, B a k e r nnd W a r r e n 1952, F e r n ~ n d e z - M o r f i n t952, J o h n 1953, S e h w a r z und V e s t e r 1955, besonders D a n o n 1955 (Obersieht!).

Die Ul t ras t ruktur yon Wurzelmeristemzellen der Erbse 453

7. Die Polymerisat ion wird entweder mit Peroxyd trod Hitzeanwendung oder dutch UV-Strahlung bewirkt ; beide Einfliisse kiSnnen bekanntlich das Prgpara t schhdigen.

I n den e igenen Y e r s u c h e n w u r d e vor a l l e m gep r i i f t , w i e G a s b l a s e n i m Block v e r m i e d e n w e r d e n kidnnen u n d wie d ie P r ~ p a r a L s c h g d i g u n g be i in E i n - b e t t e n m ~ g l i c h s t g e r i n g g e h a l t e n w e r d e n k a n n .

D i e e igen t l i che Ur sache der G a s b l a s e n b i l d u n g ist u n b e k a n n t (vgl. im g a n z e n M o o r e u n d G r i m 1 e y 1957). Nach den p r a k t i s c h e n E r f a h r u n g e n is t ~edoch fo lgendes sicher:

t. Die Blasenbildung ist ceter, par. um so kraft iger , je hiJher die Temperatur ist, die beim Erreichen des Gelat inierungspunktes herrscht (Z~ihigkeit~--~oo ; Abb. 1). Hier inag mit hereinspielen, daft die Polymeri- sat ionsreaktion einen exp, losionsartigen Yerlauf ha~ und exotherm ist, was sich gerade bet raschem Yer- lauf (hohe Temperatur) am sthrksten auswirkt ; nach Messungen mit Thermoelementen in pr@a,rat- freiem Plexiglas, das bet 47~ in der iiblichen Weise (Gelatinekapseln Grafle 0 yon Parke und Davis) mit l%igem Peroxyd polyinerisier t wurde, sind die Temperaturi iberschrei tungen zwar mefi- bar, abe.r unerheblich (cal 5 o C). - - Zu beachten ist, daft in der Praxis vielfach auch die Polymerisat ion in UV-Licht keine ,Kal tpolymer isa t ion '~ ist, da sich die Bl~ckchen oft nicht unerheblich in der Strahlung erw/irmen (tiber die Anwendung yon W/irmeschutz- filtern vgl. -~V e Ln r e b i955, u o g e 1 1957).

2. Die Blas enbildung ist ceter, par. je nach Ein- bet tungsgut verschieden stark (Einflufi objektspe- zifischer Yerh~ltnisse oder Stoffe auf die Polymeri- sation). Schon im leeren (nicht mit Prhpara t be- schickten) Plexig}as ist das sehr leicht zu zeigen, wenn man vergleichsweise streng filtriertes Monomer und unfiltriertes (n,ach Aufwirbeln des oft kaum sichtbaren Bodensatzes) polymerisier t : Der Anteil blasiger Blacke war bet einem Yersuch (80 ~ C Poly- merisationsteinperatur) im einen Fal l 0, im anderen 100%! Was hier die Blasen erzeugt, ist ungewifi; im erw/@nten Bodensatz finden sich winzige Kristal le (wohl kristallisie:rtes, also kris tal lwasserhal t iges CaC12). Die Pri ifung auf dem K o f 1 e r - Mikroheiz- tisch (L. und A. K o f 1 e r 1948) ergab aber, daft das

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2'o k 6'o T oc) Abb. 1. Ausfal l A yon Bl6k- ken (in %) durch Blasen- bi ldung beira Einbetten in Plexiglas in Abh~ngigkeit yon Objekt und Polymeri- sationstemperatur. Punk- tiert: Blattgewebe yon He- dera; strichliert: Picea- Mesophyll; ausgezeichnet:

Meerschweinchenlunge (Wert f. S0 ~ F. M i l l e r ) .

Kristallwa:s'ser bis fiber 150 o C gehalten wird: Die Kristal le sind also nicht die unmit te lbare Ursache fiir das Auftreten der Blasen. Dieser Versuch zeigt auch, wie vor- sichtig man bet der Erstellung yon Hypothesen fiber die Blasenbildung sein muff.

Sehr deuilich wird der erw/~hnte Unterschied je nach Material in der Praxis: Ira allgemeinen ist tierisches Material sehr viel leichter blasenfrei einzubetten als pflanzliches; aber auch Pflanzengewebe unterschiedlich schwer: Etwa wiesen unter immer gleichen Bedingu.ngen bet 470 C polymerisier te B15cke mit Moosbl~ttchen keine Blasen auf (49 Blt~cke!), w~ihrend schon bet Wurzelspitzen ca. 70% der B15cke dutch Blasenbildung unbrauchbar sind und Mesophyllgewebe yon Picea sich in der erw~ihnten Weise praktisch i iberhaupt nicht einbetten l~fff (Abb. 1).

454 P. Sitte

Beziiglieh des e inzubet tenden Materials ist man festgelegt. K m m aber wenigstens die Te,mperatur t ier gehal ten werden? B o r y s k o (1956) ft ihrt die w~ihrend der Pol~merisa t ion au[ t re tenden Zerreiflungen usw. d a r a u f zuriiek, daft das Plexiglas in benaehbar ten Gewebsbereiehen nicht gleichzeitig erstarr t , mi th in nieht im ganzen Block gleiehm~ifiig sehrumpft ; mn diese me&anisehe Wi rkung hintanzuhal ten , empf ieMt B o r y s k o hShere Po lymer isati . 'onstemperaturen: Das Plexiglas ist dann plastiseher. Es l~[~t sieh aber pr inzipie l l auch der umgekehr te Weg einschlagen: Langsame Poly- merisat ion bet t iefen Tempera tu ren . Die Polymer isa t ion verli iuft dann so langsam, daft lokale Untersehiede im Gehal t an Monomer dutch Diffusion ausgegliehen werden ktinnen; zugleich entspr id l t dies der erwiihnten l~'or - derung naeh t iefer T e m p e r a t u r zur Vermeidung yon Blasen. Leider sind die ausgedehnten die sbeziigliehen Versuehe nieht bef r iedigend ver laufen; zwar e~hiilt man taisiiehlieh allein oder i iberwiegend blasenfre ie BliJeke einer aus- gezeiehneten Konsistenz, abe t die Ob jek te selbst sind grob entstellt 9 (vgl. A b E 2 a gegeniiber A b E 4). Dabei t reten nieht Zerreif~ungen o. dgl. auf, sondern eine al lgemeine Auslaugung. Man wird naeh diesen E r f ah rungen generell das lidngere Liegenlassen yon Pr~iparaten im Monomer vermeiden; e s seheint dami t aueh erwiesen, daft neBen den von B o r y s k o be sehriebe- hen Sehiiden no eh andere zu beaehten sind.

Einige Versuehe mit P lex igum P 7469 (t/tihm u. Haas GmbH. , Darms tad t ) v erl iefen ebenfal ls negat iv: Es wurden zwar ausnahmslos blasenfre ie Blti&e erhalten, doeh sind die Pr i ipara te s tark ver~indert (Abb. 2 b).

Bessere Erfolge brachte die Polymerisa t ion mittels UV (ohne Pe roxyd) ; doeh selbst wenn eine Erwi i rmung der Blb&e sicher vermieden wurde, k a m es zu Blasenbi ldungen (bet Wurzelsp i tzen ca. 30%).

In der Folge wurde noeh die Pr i ipolymerisa t ion untersueht sowie die wirklieh erforderliehe Pe roxydmenge .

9 Urspriinglieh konnte angenommen werden, daft die LSsungsprozesse bet Herabsetzung der Temperatur in ~-ielleieht gleidler Weise verlangsamt werden wie die Polymerisationsreaktion selbst; dies ist aber - - wie die gersuehe zeigeu - - nieht der Fall.

Abb. 2. Wurzelspitzengewebe der Erbse, Fix. in ungep. 1%, 0,4mol. (Rohrzueker) OsO~-Lsg'. Einbettung: u) in Plexiglas dutch Kaltpolymerisation. 24.500:1. b) in

Plexigum P 7469 (sehaumige Seheinstrukturen). 25.0'00 : 1. Hier and in den folgenden Abbildungen bedeutet

Z Zellwand, A Zellkomponente A E Elemente des Endoplasm. Reticulum P Proplastiden V e&te Vaeuolen G Plastidenzentrum L Lipoidtropfen N Zellkern Go G.o 1 g i - Zonen Nn Nueleolus Go G o 1 g i - Vakuolen N m Kernmelnbran :1] ~fitoehondrien

Abb. 4. Typische Plasmapartie: Das Plasma ist dicht erfiillt yon Meiosomen; man beaehte auflerdem die verdiinnte Zone (Zo) im Plasma. Fix.: 1% ungep. OsO4.

69.000 : 1.

Die Ultrastruktur yon Wurzehneristelnzellen der Erbse 455

q reL

200

456 P. Sitte

Durch P r h p o l y m e r i s a t i o n vermag man die Zeit zu kiirzen, die das Pr/iparat im Monomer liegt. Das Vorpolymerisieren sollte aber wohl auch nieht zu welt getrieben werden. Die Polymerisation ~erlguft ja -- als Kettenreaktion -- nicht so, dat3 bereits bestehende, noch niederpolymere Molekel schriitweise und iiberall in der Probe ungef~ihr gleichzeitig naeh nnd nach verl/ingert werden, sondern so, daft sieh im Monomer an Keimen fast sehlagartig hochpolymere Molekel bilden (die zun~iehst im Monomer geltist bleiben). In stark vorpolymerisierten Medien liegen also betr~iehflieh viele Polymermolekiile neben den restlichen des Monomer, und es ist zu erwarten, da~ letztere leiehter in das Pr~iparat eindringen, mithin osmotisehe Ersdaeinungen auftreten, deren Einflufl ant das Pr/iparat schwer abzusch~itzen ist ~0. Ein so weitgehendes Vorpolymerisieren (also his knapp vor den Gelatinierungspunkt) ist abet aueh aus anderen Griinden gar ni&t notwendig. Der Verlauf der Polymerisation (wie er sieh u. a. in etwa an der zunehmenden Z~ihig-

keit verfolgen l~iflt) ist ja der ether Explosion: Zu- n~iehst verstreieht geraume Zeit, his die Reaktion in Gang kommt, die dann mit rasch zunehmender Ge- schwindigkeit erfolgt (Abb. 5). Pr/ipolymerisiert man nun, his ~ gerade merkli& zu steigen beginnt, so ist damit naehweislieh noeh keine Gefahr in der oben angedeuteten Riehtung verbunden, und doeh spart man an Zeit etwa ~ier Fiinftel.

Die normal ~,erwendete Peroxydmenge (1%) ist naeh meinen u unntitig hoeh; es geniigt etwa die H~ilfte (vgl. auch T t i t i a n un,d K e l l e n b e r g e r 1956).

100

4. E i n b e t t u n g

Naeh der F ix ie rung zuniiehst iibliche Ent- wiisserung d u r & Alkohol (nadl Formolf ixie-

d rung stufenlose Alkoholreihe]) . Vom abso]. . Alkohol in 3 : 1 Alkohol + Monomer 1~, dann

16 32 ~'8 Std. 1 : 1, wet ter 1 : 5 (jeweils I Stunde, drei Wech- Abb. 3. Charakteristische sel); schlie~lich in reines Monomer ohne (flit Zunahme der Z~ihigkeit ('n) UV-Polymerisat ion) oder mit 0,5% 2,4-Di- bet Plexiglaspolymerisation ch lorbenzoylperoxyd (in 50~ Paste mit

(1% Peroxyd, 20~ Dibutylphthalat). Im Laufe der vor l iegenden Unte r suchnn-

gen wurde jede Objektcharge geteilt und zur Hglf te mit UV, zur Hi/lfte mit Hitze und Pero.xyd p~lymerisiert und Ergebnisse nur dann als gesichert angenommen, wenn yon verschieden po]ymerisierten BliScken iiberein- st immende erhalten wurden.

10 Aus /ihnliehen Griinden ist eine ,,Doppeleinbettung '~ unmiJglich: Wenn man das eigentliche Prgparat aus einem dutch Btasenbildung unbraudfl3aren BIock heraussehneidet und nochmals einbettet, treten zwar hie Blasen ant, abet das Pr~i- parat ist meist his zur Unkenntliehkeit entstellt.

11 Entstabilisierung durcl-1 seehsmaliges Ausschiitteln mit 10%NaOH, Wasehen mit Leitungswasser (!), Tro&nen fiber gektirntem CaC12. Misehungsverh~iltnis. Methyl- zu Butylester gleieh .7:95.

Die Ultrastruktur ~-on Wurzehneristelnzellen der Erbse 457

Die P o l y i n e r i s a t i o n s b e d i n g u n g e n wareil: H i t z e p o 1 y In e r i s a t i o n : Entstabilisiertes, gewaschenes, getroeknetes,

streilg filtriertes and sehwach -Jorpolyinerisiertes ,Monomer" Init 0,5% 2,4-Di- chlorbeilzoylperoxyd; 470 C dutch zwei Tage; naeh Abkiilfien Abl6sen der Gelatinekapseln. - - Das P r ~ p o 1 y in e J" i s i e r e n erfolgte Ilach dell einpiriseh ermittelten optiinaleil Bedingungeil durdl Bestrahlung Init Uu (Quarzbrenner S 500, Hanau) dutch 5 Miiluten voil oben aus 15 cin Entferilung (Monomer in oftener Schale; es ist wahrseheinlich, dai~ die Polyinerisation Inehr auf die Er- w/irinung als auf die chemisehe Wirkuilg des UV zuriiekgeht).

U u Monomer wie oben, jedoeh ohne Katalysator; Bestrahlung horizontal aus 60 cin Entfernung Init Quarzbreniler S 300 (Hanau). Unter diesen Bediilguilgen ist die ErWhrmung der eiilzeln an Klebestreifen auf- geh~ngten Kapseln nur sehr gering (Messung Init Therlnoelement) und kann w~ihrend der Gelatinierungsphase dutch eineil Ventilator unterbunden werden.

5. H e r s t e l l u n g d e r U l t r a d i i n n s c h n i t t e

Diese erfo~gt ansnahmslos mi t dem R e i c h e r t - Ul t ramikro, tom nach H. S i t t e (1955, 1956). DieBliScke wurden zuniichst am Ul t r amik ro tom unter l aufender Kontrol le angeschnit ten (Schnittdicken ca. 2000 A), bis die ersten Pri iparat~eile in den Schnitten sichtbar w u r d e n (i21berpriifung nach Heraus - 15sen des Plexiglases im Phasenkontras t ) . Die eigentlichen Ultradi innsehnit te sind ausnahmslos Schnitte durch die 4 0 # dicke Randzone d e r Pri ipara• blticke (vgl. R h o d i n 1954). I m Phasenkon t r a s tmik roskop erfolgte dann auch die Auswah l des Objektbereiches im zuniichst ziemlich groflfliichigen Schnitt sowie die Beur te i lung des re laf iven Alters und der Lage der Zellen im Gewebe; durch ,,Trimmen" unter dem Pr i ipa r ie rmikroskop wurde die Schnittfliiche auf den fiir die EM-Untersuchung gewiinschten Bereich einge- sehriinkt (ca. 0,3 ram2). Gesehn~tten wurde mi t ausgesuchten Glaskl ingen (Ge- riiteglas G 2 0 yon Schott u. Gen., Mainz; Winke l der schneidenden Kan te ca. 50 ~ und die ents tehenden Sehnitfbiinder auf H 2 0 desf. aufgefangen. Es wurden Schnitie mi t grauer oder si lbriger In te r fe renz 12 ~:erwende~, in spe- ziellen Fiillen auch solche mi t goldiger In te r fe renz (tiber 1000 A Dicke). Die wei tere Pr i ipara t ion erfolgte ausschliefilich nach dem ~on H. S i tcf e (1957) angegebenen Zie lpr i ipara t ionsverfahren .

6. U n t e r s u c h u n g i m E M

Die elektronenoptischen Untersuchungen wurden z. T. an einem Siemens- Geriit iilterer Baua r t (t3M Nr. 29) ausgefi ihrt , das zusiitzlich mi t zentr ier- ba re r Objekt i 'vblende (Durchm. 40 #) und fiir Fokussierungsser ien mi t einer Rollf i lmkasset te (6 X 6 cm) ausgesta t te t worden war ; der Abbildungsmaf~- stab bet rug elektronenoptisch ca. SS00: 1. E i n e Auf l5sungsbes t immung ergab fiir dmi n e twa 45 A. Der andere Tell der Untersuchungen wurde an einem Elmiskop I (Siemens) ausgefi ihr t (Abbildungsmal~sfab elektronen-

12 Schllittdicken zwischen 500 und 800 A. Diese Werte werden Inanchem Prak- tiker hoch erscheiilen; man ~'ergleiehe jedoch die Untersuehung yon B a c h in a n n und P. S i t t e (1957)!

Protoplasma, rid. XLIX/~--4 30

4t58 P. Sitte

optiseh meist 19.700 : 1). In beiden Fiillen wurde bet Spammngss tufe 2 (etwa 60 kV) gearbeitet. Der griJl3te Teil der Aufnahlnen wurde auf Kranz- l lepro- plat ten gemaeht (Entwieklung mit Agfa-Dia-Entwiekler Nr. 22, vgl. B e e k nnd W e s t e n d o r p 1942). Grol~er Wert wurde auf sehr sehonendes Gra- phit ieren der Pri iparate gelegt. Die Seharfeinstellung erfolgfe, wenn mSglieh, auf das Kontrastminimum, das bei geeigne:ten Pr~iparaten mit einiger {)bung leieht aufgefunden werden kann. Mitunter wurde als Einstellhilfe Goldsol aufgetragen.

7. A u s w e r t u n g d e s A u f n a h m e m a t e r i a l s

Fiir die Ausmessungen wurden YergrSfierungen auf Hoehglanzpapier verwendet (Maflstab zwischen 30.000 und 150.000:1). Die Mal3angaben erfolgen hier wombglieh in A ( = i0-7 ram). Die Gesamtliinge des den Abbil- dungen beigegebeimn Ma~sfabes entsprieht, wenn nieht anders angege- ben, 1 ~u ( : 104 A) ; die kteinere der zusiitzlieh eingetragenen Teilliingen entsprieht 10 ~ A und dient d er iibersehlagmiil~igen GrSfienabsehiitzung yon Ele- menten der eigentliehen Ultrastruktur .

Beziiglieh der mit noeh so gro~er Genauigkeit ermittelten Werte ist allerdings einige u am Platze. Statistische Behandlung ist oft unerl/il~lieh, dart aber nieht dazu ~'erleiten, die Sieherung yon Mittelwerten zu iibersehiitzen (vgl. aueh S t r u g g e r 1957 b). Meist ist die Streuung und damit die Standardabweiehung nicht unbetr/iehtlieh. Hier ist auch auf das bekannte ,,Tonmtensalat-Problem" zu verweisen (L e n z 1954, 1955, M a d e r et al. 1955) ; bet blol~ vergleiehenden Messungen kann es unberiieksiehtigt bleiben, nieht aber wenn absolute GrSt~enangaben yon Elementen gemacht werden miissen, deren Ausmal~e die Sehnittdieke wesentlieh iibersehreiten. Ganz abgesehen davon ist die Elektronenmikroskopie eben nieht sehleehthin ein direktes Verfahren. Sehon bet der Fixierung lassen sieh Quellungen oder Sehrumpfungen selten ganz vermeiden, noeh weniger bet Entw/isserung und Einbettung (vgl. insbesondere au& M e n k e 1957 a). Hinzu kommt, dal] es lei&t mSglieh ist, da13 die kontrastgebenden Os-Oxyde nicht in bestimmte S trukturen ei n gelagert, sondern an s i e a n gelagert w~rden. Die Sehnittverformungen lassen sieh oft nieht quantitativ angeben u. dgl. mehr.

Ebenso is,t Vorsicht geboten bet der Abseh~itzung der relativen Diehte bestimm- {er Obiektpartien naeh ihrer Elektronentransparenz; na& W i 11 i a m s und K a 11- m a n (1954) und B a e h m a n n und P. S i t t e (t957) ist ein Ultradiinnsehnitt keineswegs planparallel, aueh wenn man yon ,,Chattern" und Messerriefen absieht, und so ist es mSglfeh, da~ eine dunkler erseheinende Partie nieht dichter, sondern di&er ist. Da die Ursaehe dieser Erseheinungen, die sieh wohl erst naeh dem Sehneiden, abet noeh vor der Elektronenbestrahlnng (B a e h m a n n und P. S i t t e) herausbilden, unbekannt ist, ist eine Abseh~itzung der dadureh entstehenden Fehler- mSgliehkeifen sehr sehwierig.

IlL Das Grundplasma

Es ist heute etwas schwierig, das Grundp lasma zu definieren (vgl. F r e y- W y s s 1 i n g 1955, S. 5); am ehesfen sdwint es mSglieh, alles das unter dem Begriff zu vereinen, was yore lebenden ZellkSrper iibrigbleibt, wenn yon den mikroskopisehen Zelleinsdl|iissen (vor allem den Plasten) abgesehen wird.

Die Ul t r a s tmk tu r yon Wurzelraeristemzellen der Erbse 459

Diese Teilung in Einscbliisse raikroskopischer Grtifie und das Grtmdplasraa als Matr ix wird hier freilich raehr aus Griinden der Zweckraafligkeit vorgeno,mraen und kann nicht etwa vorwegnehraen, wieweit die Zellorganellen Redupl ikanten sind oder sial1 allenfalls aus dem Grundplasraa zu bi lden verra6gen; umgekehrt wird ja fiir die Mikrosoraen im Sinne der C1 a u d e scben (194,3) Definition (wir wollen weiterhin das, was darait ~'or allem geraeint ist, mit H 5 f 1 e r, 1957, besser als Meiosoraen bezeidmen) versdfiedentlich ang'enoramen, sie seien sui generis: Diese sind aber nach der gegebenen Abgrenzung Teile des Grundplasraas. Kurz - - die hier verwendete Definition des Grundplasmas ist eine raorphologische, keine natiirliche; sie ist wetters willkiirlich, weil die Abgrenzung des raikroskopischen Bereiches gegen den subraikroskopischen rait der AuflSsungsgrenze der Licht- mikrosko.pie gegeben ist und rait den charakteristisdaen Gr~f~en der Zellkorapo,nen- ten nichts zu tun hat.

Mi t d e m G r u n d p l a s m a z u s a m m e n w e r d e n h ie r auch se ine Grenzsch ich ten u n d i m Z u s a m m e n h a n g d a m i t auch be , s t immte Y a c u o l e n zu b e h a n d e l n seth; d a a b e r d iese S t r u k t u r e n v i e l f a c h e igene P r o b l e n l e a u f w e r f e n , w i r d ~'on i l m e n e rs t i m Anschlul~ a n das , , G r u n d p l a , s m a s. s t r ." ge sp rochen we~den. E b e n s o d i i r f t e es b e r e c h t i g t sein, da s E n d e p l a s m a t i s c h e R e t i c u l u m in e ine R e i h e m i t d e m G r u n d p l a s m a zu s te l len , a b e r g e s o n d e r t ~:on i b m a b z u h a n - de ln .

1. D a s G r u n d p l a s m a s. s i r .

Fixierung

Nach alleln, was tiber die Erapfindlichkeit des Plasraas den verschiedensten ~iufieren Einfliissen gegeniiber bekannt ist, verwunder t nicl~t, dal~ die F ix ierung ein sehr heikles und sd~wieriges Problem ist; dies ist auch arts der Lichtraikroskopie bekannt (vgl. z. B. die Diskussion um die ~ilteren Strukturlehren, etwa bet H a a s 1955, S. 171 ff., oder K i i s t e r 1956, S. t13 ft. und die dort zit. Lit.) ; aud~ die ersten Ergebnisse der Elektronenraikroskopie zu diesera Problem waren zieralich wider- spruchsvoll (vgl. die Zusaramenfassung bet H a a s 1955, S. 178--186). Nach ul t ra- raikroskopischen Befunden ist das lebende Grundplasraa optisch leer ( M e y e r 1920; , ,Kryptoplasma": S e i f r i z 19_51). Danach geben am ehesten jene Elektronen- raikrogrararae einen lebensnahen St rukturzus tand wieder, die keine Flocknngen oder fibrill/iren Ausf~illnngen zeigen. Nach den ~ergleichenden Untersuchungen yon B r e t s c h n e i d e r (1950) und yon R o z s a und W y c k o f f (1950, 1951) sind demnach OsO, und Forraol die besten Fixierer ; dies war nach friiheren l idlt- optischen und ul t ramikroskopisdlen Untersucl~ungen nicht anders zu erwarten. Andere Fixierer rufen fibril lare oder ret iculare Strukturen hervor, die wohl als Ar tefakte zu deuten sind. Dutch Pergmanganat werden die Plasraagranula nidl t erhal ten (L u f t 1956).

In der vorliegenden Untersuchung erwiesen sich ungepufferte, l%ige OsO4- LSsung und pyridin-neutral is ier tes Forraol als gute, einander etwa gleichwertige Fixierer . Der Zusatz yon Puffern, die anorganische Ionen enthalten, fief an unseren Objekten ausnahmslos Flockungen verschiedenen Ausraafies hervor, besonders ira sauren Bereieh, aber auch ira ann/ihernd neutralen (pH 6: vgl. Abb. 16 b und 23a; pH 7,2: vgl. Abb. 8 b). Es hat sich wetter gezeigt, daft auch die Ein- bet tung gerade im Grundplasma - - ebenso wie ira Nucleolus - - erhebliche u ~inderungen hervorrufen kann. Zur Auswertung war daher ein grofles Aufnahrae- mater ia l yon verschiedenen Pr~iparatchargelr notwendig, aus dem jeweils nur Bilder ausgewiihlt wurden, die naeh den yon P a 1 a d e (1954/56) gegebenen Kri-

30*

460 P. Sitte

terien am ehesten gut erhaltene Bereidm darsteUen. Fiir die Bewertung der Er- gebnisse seheint voI1 Wi&tigkeit , dal~ Formolfixierung und zweckm~l~ige OsO 4- Fixierung p rak t i s& iibereinstimmende Bilder liefern.

D i e K o m p o n e n t e n des G r u n d p l a s m a s

D a s G r u n d p l a s m a e rsehe in t f e i n g r a n u 1 ii r (ABB. 4, 9 b, 16 a). D a - be t l i egen d ie P l a s m a g r a n u l a so dieht , dal ] ange :nommen w e r d e n k t inn te , sie repr i i , sen i i e ren das P l a s m a sehleehthin. D ie s t r i f f t a b e r n i e h t zu, w ie vor a l l e m d ie B e o b a e h t u n g de r P l a s m o d e s m e n (S t r u g g e r 1957 e; P. S i t t e 1957a; } l o d g e et al . t957) ze ig t ; in d i e sen e r sehe in t das P l a s m a f re t yon G r a n u l a 18. D a s Grm~.dp la sma be s i t z t a l so m i n d e s t e n s z w e i K o m p o- n e n t e n : E i n e g r a n u l a r e u n d e ine d ie G r a n u l a e inseh l ie l ]ende M a t r i x { , , H y a l o p l a s m a i m e l e k t r o n e n m i k r o s k o p i s e h e n S inn" , S t r u g g e r 1957 a).

Bevor a u f d i e g e s o n d e r t e D a r s t e l l u n g d ie se r b e i d e n K o m p o n e n t e n e inge- g a n g e n w i r d , ~st noeh yon den e r w i i h n t e n P 1 a s m o d e s m e n zu spreehen. W e n n m a n yon e l e k t r o n e n o p t i s e h e n U n t e r s u e h u n g e n i so l i e r t e r Ze l lw i inde a b s i e h t {vgl. d a z u u o 1 z 1952, P. S i t t e 1954 a, b, 1955 a, b, 1956) u n d sieh a u f d ie B e f u n d e , d i e a n U l t r a d i innsehr i i t t en erhoBen w u r d e n , besehr i ink t , seheinf es zwe i A r t e n -con P l a s m o d e s m e n zu geben : r e l a t i v grobe , d i e aus - na tnns los seh r d u n k e l e r sehe inen (~gl. H u b e r et al . 1956, H a s s e n k a ~11 p u n d L i e s e 1957), u n d sehr za r t e , d i e e4ne miil~ige E l e k t r o n e n s f r e u u n g a u f w e i s e n ( S t r u g g e r J957b , e, P. S i ~ t e 1957a, H o d g e e t al . 195Z).

Die Deutung der zuerst genannten Strukturen ist etwas s&wierig, und es ist wohl nieht ausgesehlossen, dal3 es sieh um Artefakte der Sehnittprfiparation handelt . Diese M~iglichkeit wird yon den Autoren d~skutiert und yon H a s s e n k a m p und L i e s e offengelassen, zumal audl solehe Objekte ~,erglei&bare Bildungen zeigen, die sieher keine Plasmodesmen besitzen. Audl in unseren Ulltersuchungen traten mehr fa& derart ige Strukturen auf (~'gl. Abb. 5). In unserem Fal l (!) sind s i e a l s Artefakte zu bezeiehnen, ~or allem wegen ihrer mlgew6hnlich geringen Elektronen- transparet~z und aueh, weil sie ausnahmslos ungef~hr senkreeht zur Sehnittriehtung ~erlaufen. Allerdings konnte aueh i& die Beobaehtung ma&en, da[~ die ,,Kanhle ~ praktiseh immer etwa senkreeht zur Zellwanderstreekung im S&nit t verlaufen uild meist gerade die ganze Zellwand durehsetzen, ohne tiber sie binauszuragen. I lmnerhin konnten aueh abweidlende F~lte gefunden werden, wo die ,,Kan~le" no& tier ins Plasma ragen (oder sog:ar nur dort ausgebildet sind) usw., au~erdem deutet die genauere Beobaehtung auf lokale Fal tungen infolge der Pressung beim Sdmeiden him womit in Einklang steht, da~ sieb die Strukturen nur in soldlen Zellwfinden fanden, die im S&nit t der Schnittriebtung paral le l laufen. Set dem wie immer - - tun P l a s m o d e s m e n kann es sich sehon der ungewt~hnlieh hohen Massendieke wegen nieht handeln.

Bet den wesen t l i eh z a r t e r e n Kan~ilen b e s t e h t d a g e g e n k e i n H i n w e i s d a r -

~3 Ftir Pisum konnte die Beobad!tung S t r u g g e r s (1957b) an Zwiebel- wurzeln, dal] sieh Cytonemata auch in den Plasmodesmen linden, nieht best/itig't werden : .gon t34 untersuehten Plasmodesmen enthielt keines Plasmagranula (diese entspreehen den Cytonemata S t r u g g e r s, vgl. unten!).

Die Ultrastruktur yon Wurzehneristemzellen der Erbse 461

auf , daft es sich um Ar te fak te handeln ktiunie; sie finden sich - - v ie l fa& gruppenweise vereint und n u t selten gegabelt - - in jeder Zellwand und in beliebiger Schnittlage (Abb. 6), haben eine ftir Prote ine normale Elektronen- durchlhssigkeit und bi lden mit der Mat r ix des Grundplasmas ein Konti- numn. Ihr Durch.messer be t r@t zwischen 300 und 500 A, der Abs tand yon Mitre zu Mitre betriigt innerhalb der G r u p p e n etwa 1000 bis 3000 A; diese Abmessungen s t immen mit denen der Plasmodesmenkan~ile in Korkzel lwhn- den yon Quercus suber gut tibere.in (P. S i t t e 1954 a, b, 1955 a, b, 1956). Dies ist insoweit nicht ohne Bedeutung, als S t r u g g e r (1957 b) die Ergeb- nisse seiner Messungen an Plasmodesmen wegen der Schrumpfung sehr vor- sichtig beurtei l t ; dazu i sf fiir unseren Fal l jedoch zu bemerken, daft die Ab- messungen auch dann im wesentlichen dieselben waren, wenn eine Schrump- tung yon Pro.toplast und Zellwand (die sich nach S t r u g g e r in ether gegen- :seitigen Abhebung huf~ert) nichf zu beobachten war. Bet den toten Kork- wiir~den kgnnte die Membransd~rumpfung lediglich zu einer Vergrtiflerung des Porendurchmessers fiihren. - - Im H y a 1 o p 1 a s m a sind weder in den bespr0chenen Plasmodes'men noch zwischen den P lasmagranula S t ruk turen aufltisbar; dies bedeute t jedoch nicht, daft es keine ihrer Grtifle nach aufltis- b a r e S t ruk turen e nth~ilt, da die A b b 6 - FoTlnel nur e i n e der notwendigen Voraussetzungen fiir das tats~ichliche Sichtbarwerden yon Sf rukturen mar- kiert. Es isf miSglich, daft Plasmaelementen, die in ihren Abmessungen tiber der Aufl6sungsgrenze des EM liegen, der notwendige Kontras t fehl t oder ihre Abmessungen in einer Dimension am.ikroskopisch sind oder beides zutrifft. Wiewei t der K o n t r a s t dutch die Einlagerung yon Os-Verbindun- gen in das P r g p a r a t bee inf luf t wird, ist z. Z. noeh schwer abzuschgtzen. Einerseits dsf zweifelsfrei erwiesen (vgl. B a h r 1956), daft nach OsO4-Fixie- rung best immte Os-Verbindungen im Gewebe verbleiben und wegen des hohen Atomgewichtes yon Os (190,2; OZ ~ 76) uicht ohne Einflul3 auf den Kontras t sein ktinnen. Anderer;seits gibt es manchen Anhal t dafiir, daft der , ,Fgrbungseffekt" der Os-Verbindungen wenigstens bet besf immten Struk- turen doch nicht sehr erheb]ich sein kann (vgl. L u f t 1956). Nach den Unter- suchungen yon B a h r (1954) reagieren besiimmfe A,minoshuren relativ stark mit OsO~, ~r andere sowie die einfache Kohlenstoffbindung und die Pro- te inbindung aber nicht. Aus den Elek t ronenmikrogrammen ergibt s,ich, daft die Massendicke der Plasmodesmen und in gleicher Weise die des intergra- nularen Plasmas erwartungsgem:~if grSl]er is't als die der Kohlehydra te (Zellwand, St~irkekSrner) und des Yacuoleninhaltes, aber kleiner als die der Plasmagranula , der Plasmagrenzsclfichfen und der hul~ereu Membranlagen yon Mitochondrien, Proplas t iden, des Endoplasmafisehen Ret iculum und der G o 1 g i - Membranen sowie vor allem auch a]s die des Nueleolusl Danaeh da~f man im Hya lop lasma ein im nat iven Zusfand wasserreiehes, l ipoid- armes oder -freies P r o t e i n vermuten. Die kontras tgebendeu G r u p p e n kiinnen in diesem Cyt0plasmaante i l innerf des auf l6sbaren GrSl~enbere~i- ehes n i c h t eha~akteristiseh vertei l t seth, sonst miil~teu sieh im EM enispre- ehende S t ruk turen ze~gen; aueh an Schnitten, die mif Uranylace~at naeh- kontrast ier t Worden waren, wurden trotz merklich h(iherer Dichte des Hyalo- plasmas - - in U'bereinsti 'mmung mit S t r u g g e r s (1957 a) Ergebnissen - -

462 P. Sitte

ke ine S t r u k t u r e n deut l ich . D ies b e d e u t e t a b e t auch, dal] sich u n t e r den ange- g e b e n e n B e d i n g u n g e n das H y a l o p l a s m a s t r u k t u r l o s (also ohne A r t e f a k t e ) f i x i e r en l~il~t (vgl. W o h l f a r t h - B o t t e r m a n n n n d P f e f f e r k o r n 1953, W o h l f : a r t h - B o t t e r m a n n u n d K r f i g e r 1954).

Globul~i re M a k r o m o l e k i i l e auch r e l a t i v g e r i n g e r GrSl3e so l l t en im E M a u f l b s b a r se in (vgl. F r e y - W y s s l i n g 1953, H a l l 1956), z u m a l im Be- reich d e r P l a s m o d e s m e n . D a s u de ra r f4ger M a k r o m o l e k i i l e is t z w a r nach den v o r l i e g e n d e n U n t e r s u c h u n g e n nich• ausgeschlossen , a b e r auch n i c h t z u e r w e i s e n. N i c h t - g l o b u l i i r e Molekf i l e s i n d u n t e r den a m Schni t t h e r r s e h e n d e n Be(~bach tungsbed ing tmgen (UnmSgl i chke i t e i n e r Be- scha t tung) m i t S i che rhe i t n i c h t a u f l b s b a r .

D i e A n g a b e n , d i e sich in d e r L i t e r a t u r f iber d ie M a t r i x l inden , s ind nicht ganz e inhe i t l i ch : W e n n m a n voi1 ~ilteren U n t e r s u c h n n g e n abs i eh t , in d e n e n w e g e n g r S b e r e r A r t e f a k t e v i e l f ach n icht e i n m a l d i e b e i d e n K o m p o l l e n t e n des G r u n d p l a s m a s u n t e r s c h i e d e n w e r d e n k o n n t e n , wechse ln A n g a b e n f iber e ine vS l l ig s t r u k t u r l o s e M a t r i x (Z e t t e r q v i s t 1956, S t r u g g e r 1957 a) m i t solchen, nach d e n e n g e r a d e noch e ine S t r u k t u r a u s z u m a c h e n w a r (1~ h o- d i n 1954, P a 1 a d e u n d S i e k e v i t z 1956 a). D a s A u f t r e t e n leich/~ b e m e r k - b a r e r S t r u k t u r e n w u r d e m. W. in k e i n e m F a l l e beschr iebcn .

Auch bez i ig l ich d e r B e d e u t u n g d e r M a t r i x in d e r Zel le he r r s ch t n icht vol le Ubere ins t im~nung . Doch d i i r f t e d ie auch b i e r ge t e i l t e A u f f a s s u n g , es h a n d l e sich u m das e igent l iche , v o r n e h m l i c h aus s t a r k g e q u o l l e n e n P r o t e i n e n be- s t e h e n d e , , P r o t o p l a s m a " engs t en Sinnes , d i e v e r b r e i t e t s i e seth. S ie k a n n sich u v. a. d a r a u f b e r u f e n , daft d i e a n d e r e erw~ihnte P l a s m a k o m p o n e n t e n e b e n P r o t e i n sehr v ie l Pen t (~senuc le inshure (PNS) enth~ilt.

P l a s m a g r a n u l a (vgl. P a l a d e 1955c)

F i i r sie h a t sich bis j e t z t k e i n e e inhe i t l i che B e z e i c h n u n g s w e i s e du rchge - setzt .

Die Bezeichnung , M i k r o s o m ~ ( C l a u d e 1943; v. H a n s t e i n , der 1880 den Begriff erstmals priigte, vers tand allerding's ganz anderes darunter!) wird mit wechselndem Beg'riffsumfang verwendet; die yon C 1 a u d e zunhchsf so bezeichneten and ftir einheiflich gehaltenen KSrper sind nach neueren Erfahrungen (P a 1 a d e und S i e k e v i t z 1955, 1956 a, b; H o d g e et al. 1957) Zertr i immerungsprodukte des Endoplasmatischen Reticulum nnd enthalten mindestens dreierlei: Den Inhal t der Zisternen, deren Wandungen und schlie~lich die daran haftenden P a r t i k e 1 n (Durchmesser 80--500 .~), abet auch einen Teil jener ihnen gleiclxartigen Parfikeln, die in der P lasmamatr ix als ,,P 1 a s m a g r a n n 1 a" verteilt sind. Den C 1 a n d e- schen Begriff ,,Mikrosomen" auf diese Par t ike ln allein anzuwenden, erscheint daher unzul/issig, obwohl es in gewisser Hinsicht eher der frtiheren Konzeption der ,;Mikrosomen" entspred~en w iirde (B r a c h e t, C 1 a u d e, M o n n 6 u. a.) ; denn d i e s e Teilchen enthalten ja die fiir die gesamte , ,Mikrosomenfraktion" als charakterist isdl geltende PNS ( J . e e n e r 194s, P a l a d e und S i e k e x T i t z J955), und sie allein sind wirklich individuell , wie es der Bezeichnung entspricht.

Wenn nun also schon - - dem wohlbegriindeten Vorschlag H 5 f l e r s (1957) entsprechend - - der Begriff ,,Mikrosom" C 1 a u d e seher Definition ersetzt werden soll, so mSehte idt vorschlagen, dabei d e n n e u e r e n E r k e n n t n i s s e n R e c h-

Die Ultrastruktnr ~-on Wurzelmeristemzellen der Erbse 463

n u n g zu t r a g e n u n d a l s M e i o s o m e n (HSf l e r 1957) n u r d i e er- w / i h n t e n P a r t i k e l z u b e z e i c h n e n . Dem s o - - wieicb hof fe - - s inn- und zweckgem~l~ definierten Begriff sind u. a. folgende Bezeichnungen synonym: Cyto- plasmic particles ( R o b i n s o n und B r o w n 1953; B r o w n et al. 1955); small granules (P a 1 a d e 1955 c u. v. a.); ribonucleoprotein particles (L i t t 1 e f i e 1 d et al. 1955); microsomal (nucleoprotein) particles (T.s'o et al. 1956); sowie die verbreitete Bezeichnung , P a l a d e - Granula" oder die hier gebrauchte ,,Plasmagranula". MSglicherweise sind anch folgende Bezeichnungen synonym (n. P a l a de 1955 c): Small microsomes (Sla u t t e r b a ck 1955); Ultra- microsomes ( B a r n u m und H u s e b y 1948); macromolecnles ( P e t e r m a n n et al. 1954 und friihere Arbeiten); dense do4s ( S j S s t r a n d und R ] l o d i n 1955) ; macromolecnlar units (P o r t e r 1954 b). - - Diese Liste zeigt wohl eindringlich genug, da~ eine einheitliche, klare und sinngem~i~e Bezeichnung tats/ichlicl~ einem Bediirfnis entspricht.

In unseren Schnitten (Abb. 4, 16 a, b, 8 b) erscheinen die Meiosomen als kugelige, ellipsoide oder kurz stabfSrmige, relafiv s tark elektronenstreu- ende KSrperchen, deren Durchmesser um einen M, i t telwert yon 140 A nicht unerheblich streut (vo~ etwa 100--200 A). Mitunter erscheinen sie aus feinen KSrnchen zusammengesetzt, do ch ist dies eine Scheinstruktur, die ebenso wie scheinbare Quers t re i fung l~inglicher Meiosomen auf der KSrnung des Plexi- glases beruht. Bet sfiirkster VergrSfierung erscheint ein weniger dichter Kern yon einer dunkleren Hiille umschlossen; es ist schwer zu entscheiden, wieweit es sich hier um e~ne reelle S t ruktur handel t (Anlagerung yon Os- Oxyden?) .

Die Meiosomen treten im Plasma in doppel ter Weise auf: EinInal frei verstreut im Hya lop lasma (Abb. 4), zum anderen fixiert an a -Cytomembra- hen (vgl. dazu nnten; Abb. 8 b, c, d ) u n d den Annnli an der Kernmembran (Abb. 10). In b e,stens fixierten Zellen sind sie - - wie erw~ihnt - - sehr g 1 e i c h m ~i 1~ ~ g (also nieht zufallig!) verteilt, lassen aber kein klar be- vorzugtes Anordnungspr inz ip erkennen. Auffal l ige Zusammenlagerungen treten nur bet schlechter (besonders saurer) Fixierung oder schlechter Ein- bet tung ant ; sie kommen wohl dadurch zustande, daft das Hya lop lasma koaguliert und Strange oder Netzwerke ausbfldet, an denen nunmehr die Meiosomen geh~iuft stud; dies zeigte sich in gewissen unserer Pr~iparate sehr deutlich (Abb. 7).

An Hand der Abmessungen der Meiosomen und ihrer Dichte seien noch kurz die H y d r a t a t i o n s v e r h ~i 1 t n i s s e i m Plasma gestreift. Nach den Angaben yon T s'o et al. (1956) haben die meisten Meiosomen des Pisum-Keimlings ein Molekulargewieht von 74 SvE (die Meiosomen der Keimwurzel sind kleiner). Einem solchen Molekiil entspr~iche, wenn es sich um Protein handelte, ein Teilchendurch- messer yon etwa t44 A (Fr e y - W y s s 1 i n g 1953), wahrend T s'o ef al. in ihren Homogenisatpr~iparaten einen Durchmesser (Miffed yon 280 s fanden. Da nun aber die Meiosomen dichter sind als das vor allem aus Proteinen gebildete Protoplasma, sollten sie kleiner sein ats entsprechende Proteinteilchen ~4; davon ist keine Rede,

~4 Dies zeigt sich nieht nur in ihrer auch bet Formolfixierung gegeniiber dem ttyaloplasma geringeren Elektronentransparenz (P a I a de 1956 c), die man allenfalls ant den hohen Phosphorgeha]t znriiekfiihren kSnnte, sondern auch bet der Zentrifugierun~.

464 P. $itte

was verstiindli& wird, wenn mall beriicksi&tigt, da~ F r e y- W y s s l i n g die Werte fiir reine (also aueh wasserfreie) Proteine bereehnet. Die Teil&en miissen also beachtlich hydratisiert seth, das sie umgebende Hyaloplasma noch st~irker. Bemerkenswert ist auch, daft sie beim Eintrocknen zwar sieher ihr Hydratations- wasser ~-erlieren, aber an GrSf~e ni&t abnehmen, und so mag' es wohl sein, daft ihnen - - wie iSfter s&on aus anderen Griinden vermutet warde - - ein besonderer s t a b i l e r A u f b a n zukommt.

Obe r die e i g e n t l i e h e G e s t a l t d e r M e i o s o m e n b a b e n sich z w e i M e i m m g e n h e r a u s g e b i l d e t (tiber die Erforschungsgesehiehte vgl. e twa F r e y - W y s s 1 i n g 1955 sowie H a a s 1955, Absehn i t t e fiber , ,Mikroso- nlell~),

Zuntiehst bet der Zentrifugation Yon Homogenisaten besonders tierischer (aber anch einiger pflanzlicher) Gewebe aufgefunden, wurden die ,Mikrosomen" bereits vor der Einfiihrung geeigneter Ulti 'adiinnsehnittmethoden im E1V[ al~gel~ildet an3 erwiesen sich meist als rundliehe Kiirper mit Durchmessern zwisehen 500 und l_~00 ~_; &emisdle Untersuchungen hatten den hohen PNS-Gehalt erwiesen, und J e e n e r (1948) zeigte, da~ sie die gesamte PNS des Cytoplasmas enthalten, so daf~ sie dessen Basophilie bedingen. Die Identifizierung dieser ,,Mikrosomen '~ in Schnitten maehte anfangs begreiflieherweise S ehwierigkeiten, ist aber miitlerweile besonders dureh die Untersuehungen ~on P a l a d e und S i e k e v i t z (1955, 1956 a, l~) fiir tierisehes Gewebe, fiir Pflanzen dur& B r o w n et al. (1953) gelungen: Es handelt sich bet den C 1 a u d e schen Mikrosomen wie erw~ihnt um Trihnmer des Endoplasmatlschen Retieulum und Meiosomen. u sincl diese letzteren an r gebunden (besonders in Zellen mit starkem Stoffwechsel), oft an& fret im Hyaloplasma Yerteilt (besonders in raseh wa&senden Geweben, P a l a d e 1955a, P o r t e r 1955). Nach der eingehenden Untersuehung P a l a d e s (1955 c) sehwankt der Durehmesser der tieris&en Meiosomen erheblieh, ist aber natiiriich im ganzen geringer, als sieh urspriinglieh aus den Zentrifug'ationsversuchen ergeben hatte. Meiosomen fanden sich in allen daraufhin untersuehten tierisehen Zellen (~'gl. P a 1 a d e 1955 e, i956 a, P o r t e r 1955).

An& der C h e m i s m u s ist dutch die erw~ihnten kombinierten Zentrifugations- und EM-Untersuehungen weitgehend abgeki~irt, 5esonders seit gelungen ist, die membranBsen Anteile der Mikrosomenfraktion dutch Behancllung mit Desoxyeholat Yon den Meiosomen zu trennen und diese fiir sieh zu untersuehen (L i t t 1 e f i e 1 d et al. 195~, P a 1 a d e und S i e k e v i t z 1955, 1956 a, b). Formolfixierung erh~ilt die Meiosomen ebenso wie Dichromat (P a 1 a d e und S i e k e v i t z 1956 a).

Auch ~on pflanzli&em Gewebe lassen sieh die Meiosomen aus Plasmaextrakten nnd Homogenisaten darstellen ( P i r i e 1950, K a n n g i e s s e r 1952, l ~ o b i n s o n and B r a w n 1955, B r o w n u. Mitarb. 1953, besonders T s'o et al. 1956 sowie H o d g e et al. 1957). Weder n~orphologiseh no& chemiseh konnten gegeniiber den tierischen Meiosomen wesentliehe Unterschiede festgestellt werden.

Naeh der heu te ~-orherrsehenden, au f die geschi lder ten E r f a h r u n g e n ge- s tf i tz ten A u f f a s s u n g s ind also die M e i o s o m e n a n n i i h e r n d k u g e - l i g e , r e l a t i v s t a r k e l e k t r o n e n s t r e u e n d e T e i l e h e n m i ! l ) u r e h m e s s e r n z w i s e h e n 80 u n d 500 A. die r e l a t i v v i e l P N S , da fi ir wen ig L ipo ide u n d (wenn f i b e r h a u p t ) K o h l e h y d r a t e en tha l t en , im H y a l o p l a s m a vie ler Zel len tells fret, tells g e b u n d e n an b e s i i m m t e M e m b r a n - sys teme u a n d das basoph i l e E l e m e n t dars te l len .

Die Ultrastruktur yon Wnrzelmeristemzellen der Erbse 465

E i n e a n d e r e A u f f a s s u n g ve r t r i t t S t r u g g e r (1956a, 1957a) a u f G r u n d yon e l ek t ronenop t i s chen U n t e r s u c h u n g e n u l t r a d i i n n e r Schni t te durch

W u r z e l m e r i s t e m e der Ki ichenzwiebel .

Danach (t957 a, S. 95) ,~... mu~te die Deutung der Ultradiinnschnittbilder im Sinne des Vorkommens ,globul/irer Elemente ~ -r werden . . . " ; denn (S. 101 f.): ..... alle scheinbar glo.bul/iren Elemente, welche im Ultradiinnschnitt beobachtbar sind, stellen Schnittbilder durch eine recht dichte Population sublicht- mikroskopisch dimensionierter, schraubig gewundener ,Cytonemata' dan" Fiir das gorkommen globul/irer Elemente land S t r u g g e r k e i n e Belege.

Das yon S t r u g g e r beschriebene schraubenbildende Cytonema hat nach seinen Angaben einen mittleren Durchmesser -con 155 X (Extrema 110 und 220 X), die Ganghi~he der Schrauben ist etwa 300 3~ (Schwankungen bis 167 bzw. 667 3~) und ihr Durchmesser 4.30 X (Extrema 179 nnd 789 -&_). S t r u g g e r bediente sieh bet seinen Untersuchungen der yon ihm (1956b) entwickelten Uranylkontra- stierung (Behandlung mit 0,5%iger w~isseriger Uranylacetat lbsung zwischen OsO4- Fixierung - - ~gl. dazu auch S t r u g g e r 1957 e - - und Entwfisserung) und er- stellte zur Deutung seiner S&nittbilder makroskopisehe Modelle.

Kiirzlieh hat W e i s s e n f e 1 s (1957 a) aueh fiir tierisehe Zellen den Naehweis enfspreehender Struktnren zu erbringen getrachtet (dort angeblieh aueh in Mito- ehondrien vorkommend!).

Naeh d i e s e r A u f f a s s u n g l iegen also globul i i re E l e m e n t e n i e h t v o r , sonde rn zu Seh rauben a u f g e w u n d e n e f i i d i g e, die du tch das Schne iden in sehe inbar globul~ire E l e m e n i e zer legt w u r d e n u n d ira Sehni t t als Meio,so- m e n erseheinen.

Die be iden gesehi lder ten A u f f a s s u n g e n d i i r f t en sieh sehwerlieh v e r e i n i g e n ]assen.

S t r u g g e r ist der Meinung, dal~ man lediglieh ,,ant Grnnd der bisherigen elektronenmikroskopisehen Erfahrnngen" globul/ire Elemente angenommen hat; dies trifft jedoeh nieht ganz zu: Den viel stiehhaltigeren Naehweis fiir das Vorhandensein globulgrer Elenlente erbraehten die mit EM-Beobachtungen kombinierten Zentri- fugationsversuehe, in deren Verlauf nur z. T. Ultradiinnsehnitte, ~:ielfaeh aber Snspensionspr/iparationen verwendet wurden, so dal~ bier die MiJgliehkeit einer Zerlegung mikrofibrill~irer Elemente durch das Setmeiden wegf/illt ~s. W e i s s e n- f e 1 s zitiert zwar eine Arbeit ~-on P o r t e r (1953), die fiber basophiles Plasma handelt, geht abet ebenfalls auf die erw/ihnte Diskrepanz nieht ein.

Die Unstimmigkeit k6nnte nun allerdings (wenn man yon der Arbeit W e i s s e n f e 1 s' absieht) dadureh gegeben sein, dal~ tierisehes und pflanzliches Plasma tats/iehlieh v e r s e h i e d e n g e s t a l t e t sind; doeh 1~131 sieh eine solehe

25 Man k6nnte einwenden, da13 dutch das Homogenisieren, Zentrifugieren und Auftreeknen die Zellelemente grob ver~indert werden ki~nnen, und tats/ichlieh ist dies ~ielfaeh naehgewiesen worden (vgl. P e r n e r 1955 und die dort zit. Lit.). Mittlerweile haben abet die erw/ihnten Untersuehungen gezeigt, daf~ sich in geeigneter Weise hergestellte Homogenisatpr~iparate sehr wohl deuten und verwerten lassen. - - Fiir nnseren Fall ist nieht einzusehen, warum die Cytonemata in globu- 1/ire Teilehen zerfallen sollten, wenn sie nieht s&on urspriinglieh aus diesen bestehen; trifft dies zu, dann handelt es sieh mn Bekanntes: Denn die Anordnung ~'on Meiosomen zu ,,Perlenketten" u. /i. ist mehrfaeh besehrieben worden (vgl. F r e y - W y s s l i n g 1955, P a l a d e 1955e, M i i h l e t h a l e r 1956/57 usw.).

466 P. Sitte

Annahme durch nidlts stiitzen, hn Gegenteil, die hier beschriebenen Strukturen stimmen mit jenen, die son verschiedensten Autoren aus tierisehen Zellen beschrieben wurden, bis ins Detail in Grbl~e, Form und Lagerung iiberein (~gl. auch den Absdm. II l , 2).

[5'berdies liegen au& mehrere Z e n t r i f u g a t i o n s u n t e r s u e h u n g e n y o n H o m o g e n i s a t e n a u s p f l a n z l i e h e m G e w e b e vor. R o b i n s o n und B r o w n (1953) fanden im w~sserigen Ex t rak t aus zerkleinerten Bohnen- wurzeln globul/ire Teildlen mit einem yore Zellalter abh~ngigen Durehmesser (Wurzelspitze im Mittel 370 3.); du r& Tryps inverdauung wurde Aufl6sung er- reicht (Proteingehalt), du r& PNase dagegen keine sichtbare Vertinderung. Damit war freilich - - wie die Autoren selbst her vorheben - - nicht erwiesen, da~ PNS den Teildlen fehlt ~6. Den Nachweis, dal~ tats/idllieh in diesen Meiosomen erhebliehe Mengen an PNS vorhanden stud, erbraehten B r o w n e t al. (1953), die Wurzel- spitzenhonmgenisate der Bohne frakt ionierend zentrifugierten, die Frakt ionen sowohl auf ihren Stickstoff- wie PNS-Gehalt priiften, anfierdem die Zentrifugate und Diinnschnitte im EM untersuchten; sie fanden einen erheblichen PNS-Gehalt der globul~iren Teild~en (Dur&messer ca. 400 A). {Jber ~ihnliche Ergebnisse bet Tabakbe r i ch te t en P i r i e (1950) und K a n n g i e s s e r (1952). - - Eine sehr griind- liche Untersudmng fiihrten T s'o et al. (1956) an Erbsenkeimlingen (dabei aud~ gesondert an der Keilnwurzel) dureh, indem sie das homogenisierte Material mit der Ultrazentr i fuge frakt ionierten und die Mikrosomenfraktion in ~Tersgiedener Weise sowohl elektrcnenoptisch in Suspensionsprhparaten und chemisch priiften. D a n a & handel t es sich aueh hier um eine Populat ion g 1 o b u 1/i r e r Par t ikel 17, deren meiste ein Molekulargewieht x-on 74 SvE haben (in der Wurzel 66 SvE). Die elektronenoptisdm Untersuehung besehatteter Suspensionspri iparate ergab fiir Sprof~meiosomen einen mit t leren Durehmesser yon 280 X. Die Par t ikel f rakt iou enthielt 60--80% der eytoplasmatisehen PNS, die einzelnen Meiosomen enthalten 51--37% PNS und werden auf Grund der ehemisehen Zusammensetzung (geringer Lipoidgehalt , unmefibar geringer Kohlehydratgehal t , hoher Proteingehalt) als Nueleoproteide angesproehen (vgl. aueh P a l a d e und S i e k e v i t z 1956b). Zu hiemit prinzipiel l i ibereinstimmenden Ergebnissen beziiglieh der Meiosomenform in Pflanzenzellen kamen seinerzeit schon K a n n g i e s s e r (1952) und M e n k e (vgl. 1957b), sowie neuerdings H o d g e et al. (1957) und S a g e r und P a l a d e (1957).

Diese Untersuchungen zeigen, da~ auch die Zellen hiiherer Pflanzen (und gerade au& die unseres Objektes) Meiosomen enthalten, die im Wesen den tierisctlen ent- sprechen, und so ist nieht anzunehmen, daft sich pflanzlidies und tierisches Plasma in dieser Hinsicht wesentlich unterscheiden. Ebensowenig ist denkbar, dal~ der durch die Uranylbehandlung erhi3hte Bildkontrast den Unterschied in der Deutung verursacht: Auch in lediglich mit O s Q behandelten Pr~iparaien sind die den Cytone- mata im Schlfittbild entspredlenden Meiosomen mit aller wtinschenswerten Klarhei t zu sehen; bet Suspensionspr~iparaten yon t tomogenisaten spielt diese Art der Kontrast ierung t iberhaupt keine Rolle.

D i e e r w h h n t e D i s k r e p a n z b e s t e h t a lso ta tsgchl ich, und w i r h a b e n zu er-

is Sp~iter ergab die Spektrophotometrie tatsadll ich einen PNS-Gehalt (R o b i n- s o n , vgl. B r o w n et al. 1955).

17 Die membrani3sen Elemente der Mikrosomenfraktion sind bet Pflanzen nach den bisherigen Erfahrungen nie so kriif t ig entwiekelt wie in bestimnlten tierischen Driisenzellen, so da~ hier die Mikrosomenfraktion teilweise nur Meiosomen enth~ilt; vgl. jedoch auch H o d g e et al. 1957.

Die Ultras~ruktur yen Wurzehneristemzellen der Erbse 467

br te rn , was sieh aus den e igenen U n t e r s u e h u n g e n dazu sagen ltiflt is. D ie

E rgebn i s se s ind mi t der Ansieht S t r u g g e r s - - vor a l l em in ih re r Aus- schliel31iehkeit - - n i e h t in E i n k l a n g zu b r ingen . D i e G r i i n d e h ief i i r s i nd

folgende.

1. In optimal fixierten Zellen wurden immer wieder Lagerungen yon Meiosomen aufgefunden, die eine Deutung als zersehnittene Sehraubenfiiden kaum zulassen, es set denn, man billigt den S&rauben (was freilieh erforderlich sein k a n n) innerhalb wetter Grenzen beliebigen Umfang, beliebige Ganghbhe und beliebige Flexibilitfit zu: Dann liefe sieh jedes Ul ' tradiinns&nittbild im Sinne des Vor- handenseins der Cytonemata denton (man beachte aueh die starke Sehwankung der entsprechenden Werte yon S t r u g ge r). Deutliche Schraubenbilder fanden sieh nu t in sehlecht (sauer) fixiertem Material (vgl. Abb. 7); genaue Betraehtnng legt allerdings nahe, d a f e s sieh aueh hier nieht nm Schrauben handelt. Yielmehr ist das Hyaloplasma denaturiert, und an seinen Str~ingen reihen sich die Meiosomen so ant, daf brier (abet keineswegs immer) der Eindru& Yon Schrauben entsteht.

In dieser Hinsicht ist aueh die Uranylkontrast ierung nieht ganz unbedenklieh (vgl. auch W o h l f a r t h - B o t t e r m a n n 1957), da alle Uranyllbsungen stark sauer sind und ohne quantitative Ausf~illung der UO2++ nicht neutralisiert werden kbnnen. Ob bet der Kontrastierung nicht doch eine gewisse Yer/inderung der Pr~i- parate eintreten kann, miif te wohl gepriift werden (vgl. iibrigens aueh M e n k e 1957 b).

2. An den Membranen des Endoplasmatischen ttetieulum und dalnif aueh den Kernmembranen, die (wenigstens stellenweise) Meiosomenbesatz haben, sind gewisse Orientierungen der Cyt0nemafa ausgesehlossen und ihre Lage somit genauer festgelegt: Entweder verlaufen sie den Membranen enflang, odor sie stehen yon diesen weg in das Hyaloplasma hinaus (eine Lage, die naeh ether Bemerkung S t r u g g e r s - - 1957 a, S. 106 - - an Vaeuolengrenzen und Mifochondrienober- fl/iehen vorherrs&en soll). Nun zeigten sieh aber bet beliebiger Sehnittlage weder an der Kernmembran noeh an den a-Cytomembranen Strukturen, die als schrau- bige Cytonemata deutbar sind. Da beispielsweise die Meiosomen in den Annuli der Xernmembran sehr zusammengedr/ingt liegen, miiEten yon dort klar kenntliehe, dichte Biischel yon Sehrauben ausgehen; entsprechende Beoba&tungen konnten abet nie gemacht werden.

5. Daft die Cytonemata in den Sehnitten in globul/ire Elemente zerlegt erseheinen, setzt voraus, daft die S&nittdieke den mittleren Sehraubendurehmesser (4,30 A) niebt tibersehreitet (vgl. dazu Abb. 7. Der ,,Sehrauben"'-Durchmesser betr~igt hier im Mittel 350 X). l~ber die tatsiiehlieh erreiehten Selmittdieken herrsehten bis vor kurzem rage nnd widerspruehsvolle Ansiehten; S t r u g g e r durfte auf Grund der Untersuehungen ~on R e i m e r (1957) mit relativ geringen Sehnittdieken reehnen. Naeh B a e h m a n n und P. S i t t e (1957) ergaben allerdings die allermeisten Sehnittdiekenabselditzungen bisher zu geringe Werte. Set dem wie immer - - es wurden absiehtlich aueh besonders dicke S&nitte (1000--1300 A) untersu&t, ohne daf Sebrauben gefunden werden konnten. Es set in diesem Zusammenhang auch an die Untersnchnng yon B r o w n e t al. (1953.) erinnert, die Bohnenwurzel sehr dick (fiber 1000 A) sehnitten, das Einbettungsmittel auslSsten und im Plasma verstreut liegende globul~ire Teileben, die ohne Zweifel Meiosomen sind, abbilden konnten.

is Allerdings muff noch einmal darauf hingewiesen werden, daft die Unter- suchung yon Ultradiinnschnitten nicht annghernd so geeignet ist, das Problem zu kl~iren, wie die Untersudmng yen zweckmfiflig hergestellten Suspensionspr~iparaten.

468 P. Sitte

Nach al[em Be sprochenen diirfte nicht zutreffe~l, dal~ a]le Meiosomen in Wirkl ichkei t C y t o n e m a t a sin& Unbes t r i t ten bleibt - - wie erwiihnt-- , daft sick die Meiosomen zu bes t immten Aggregaten anordnen ktinnen und daft manche Meiosomen nicht kugelig, sondern kurz s tabfSrmig, vielleicht sogar kurz fiidig sind 19

Zusammenfassend sei noch einmal kurz auf die S t r u k t u r d e s C y t o- p i a s m a s schlechthin eingegangen. Die iilteren und auch vie,le neuere St ruktur theor ien kSnnen unberiicksichtigt bleiben - - sie scheinen uns geniigend diskutiert . Es ist abe t da rau f hinzuweisen, dal~ man auch die e lekt ronen- optischen Bilder z. T. sehr verschieden deutet (dabei i st auf t iberholte Auf - fassungen aus der Zeit der beginnenden E lek t ronenmikroskop ie und Ul t ra- mikroto,mie gar nicht einzugeheu). Vor a l lem steht fiir uns test, dal] die M e i o s o m e n n i c h t d a s e i g e n t l i c h e P l a s m a ausmachen; sie repr~isentieren lediglich das basophi le Element darin, das e twa durch Zentri- fugierung yore eigentlichen P lasma gesondert werden kann. Heu te al lein auf Grund de,r e lektronenoptischen Untersuchungen zu behaupten , das P lasma sei granular , d. h. au,s globulhren Teilchen aufgebaut , ist zumindes t v e r - r r ii h t. D a h e r liifit die E lek t ronenmikroskop ie auch e.ine detai l l ier te Dis- kussion verschiedeuer wichtiger Auffassungen, wie beispielsweise der Ha f t - punk t theor i e F r e y - W y s s l i n g s , m.E . vorers t n i c h t zu.

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

19 Pentosenucleoproteide mit st~ibchenfiSrmiger Gestalt sind in verschiedenen Pflanzenvira (speziell TMV) bekannt geworden. Nach S c h r a m m et al. (1955) ist die Nucleinsiiure im TMV-Partikel als Faden ausgebildet. Auck fiir typische Meiosomen wurde eine St/ibchengestalt iJfter beschrieben (vgl. z. B. P a l a de 1955 c).

Abb. 5. Artefizielle ,,Plasmodesmen" in Zellw/inden (Pfeile). Man beachte auch die zahlreiche Einschliisse der Zellsaftr/iume. Forlnolfixierung. 1900 : 1.

Abb. 6. Plasmodesmen (Fix. OsO4, pH6). a, b: L~ingsscknitte (in b setzt sick das Plasmodesma in einer Zisterne des Endoplasmatischen Reticulum fort); Quer-

schnitt durck Gruppe (Zellwand im Schr/igscknitt). 53.000:1.

Abb. 7. Sckleckt erhaltenes Pr~iparat (man vergleiche das Mitochondrium!) mit scheinbar schraubigen Strukturen iln Plasma. Fix.: OsO4 mit 0,3 tool. Glucose,

gep. pH 3,5. 37.000:1.

Abb. 8. Endoplasmatisdles Reticulum. a: Bildungszone mit Bl~ischen (B) und ersten Zisternen. OsO4, pit6. 24.000:1. b: Desgl., beim Pfeil bereits typische Zisterne mit Meiosomenbesatz: OsO4, gep. pH 7,2. 43.000:1. e. Ausschnitt aus junger Zelle mit Bl/isckenzonen (B) und schleckt parallelisierten Zisternen (teilweise Meiosomenbesatz deutlich). Man beachte ferner die G o 1 g i -Zonen (hier mit aus- nehmend gro~en Vacuolen!) und den EiweiB.kristall (K). Formolfixierung', 32.000 : 1. d: Ergastoplasma. Stellenweise (Pfeile!) Meiosomenbesatz deutlich. Formolfixierung.

64.000 : 1.

Die Ultrast~-uktur yon Wurzelmerisfemzellen der Erbse 469

470 P. 8i~te

Die Ultrastruktur yon Wurzelmerisiemzellen der Erbse 471

2. D a s E n d o p l a s m a t i s c h e R e t i c u l u m ( E R )

Im Plasma fast aller tierischen Zellen (vgl. P a 1 a d e 1955 a) liegt ein oft ausgedehntes System yon meist flachen Sehl/iuchen (Zisternen), die sich gegen das Grundplaslna durch Membranen abgrenzen und untereinander durck Anastomosen verbunden sind. Naeh friiheren elektronenoptis&en Untersuchungen an gesprei- teten Gewebekulturen (vgl. P o t t e r et al. 1945: ,,lace-like retieululn~176 P o t i e r und T h o m p s o n 1947, 1948; P o r t e r und K a l l m a n 1952; P o r t e r 1955) wurde dieses System ,,endoplasmie reticulum ~ genannt, weil es sich vor allem im inneren der Zellen, nieht abet in Randzonen fan& Dieser Name ist nieht ganz zutreffend (x~gl. auch P a l a d e 1956a), wie die Untersuehung yon Ul t r ad t inn - s&nitten gezeigt hat (P a 1 a d e und P o r t e r 1954; P o r t e r 1955), denn die Mem- branen setzen sich so.wolff in der Kernmembran wie im Plasmalemma fort. Do& diirfte es angebracht sein, den bereits weitgetlend eingebiirgerten Namen beizu- behalten.

Je nachdem, ob die Membranen des ER auf ihrer dem Grundplasma zugewen- deten (Au~en-) Seite mit Meiosomen besetzt sind odor nieht, liegt die ,,rough-surfaeed"'-Form vor (yon S j t i s t r a n d , 1956, und seinen SchtilernS~ als a-Cyto- membranen bezeichnet) oder die ,,smooth-surfaced"-Form. Im sogenannten E r g a s t o p 1 a s m a (G a r n i e r 1899) sind die reichli& mit Meiosomen besetzten Zisternenw//nde des ER dieht und parallel gelagert, so dal~ diese basophile (PNS- Gehalt der Meiosomen!) Plasmadifferenzierung im EM jederzeit leicht erkannt werden kann.

Das E R ist ein Beispiel ftir eine Organelle, die trotz betr~&tlicher Gesamt- gr~i13e im Liehtmikroskop weder entdeckt (wenn man yore Ergastoplasma absieht) noeh in ihrem Bau besehrieben werden konnte, weil die einzelnen Elemente submikroskopiseh sind. Naeh ihrer Auffindung im EM konnte es an gtinstigen Objek- ten dann in vivo wiedergefunden werden.

Das Vorkommen in t i e r i s c h e n Zellen ist - - wie erwLihnt - - allgemein (vgl. die Obersiehten bet P o r t e r 1955, P a l a d e 1955a, 1956a, Z e t t e r q v i s t 19~6. Dort au& jeweils die ~iltere Lit. zit.). Gewisse stark basophile Strukturen des Cytoplasmas erscheinen als Differenzierungen des ER (R e b h u n 1956 a, b). 12ber- haupt ist das Aussehen sehr wechselnd, teilweise auch im Zusammenhang mit dem physiologiseheu Zustand (besonders Stoffweehsel 2~ der Zelle, P a l a d e 1955 a, P o r t e r 1955). Mitunter (wenn auch selten) finden st& in den Zisternen homogene Granula (P a l a d e 1956 b); fiber eine Beteiligung des ER am Strofftransport in der Zelle vgl. P a l a d e (1955b); tiber die entspreehende Bedeutung der Kern- membran fiir den Stoffaustauseh zwischen Karyo.plasma und Cytoplasma wird noch zu spreehen seim

~0 Z e t t e r q v i s t (1956, S. 39) kritisiert die Bezeichnung ,,ER" mit dem Hin- wets, daft man eher die gut definierten Strukturelemente des Plasmas benennen sollte, nieht gr61~ere Systeme, die weniger eindeutig besehrieben werden ktinnen. Man vergleiehe aueh M i 11 e r 1957. Umgekehrt gibt P a 1 a d e (1956 a) eine Kritik der S j b s t r a n d sehen Bezeichnungsweise, besonders aueh seiner Auffassung ~on den , ,Doppelmembranen ~176 Ieh sehe kein Hindernis, beide Bezeiehnungsweisen nebeneinander zu verwenden, denn beide Begriffe sind hinreiehend klar pr~izisiert. Nut wird man im Auge behalten miissen, daft es sieh bet den a- und ),-Cyto- membranen nieht einfaeh um aufeinandergelegte Folien handelt, sondern um Grenzmembranen abgesehlossener Riiume.

~l idber den Enzymgehalt und die ehemisehe Zusammensetzung iiberhaupt ~,gl. P a 1 a d e und S i e k e v i t z (1955, 1956 a, Lebermikrosomen; 1956 b, Pankreas- mikrosomen).

r P. Sitte

Gegentiber der Mlgemeinen Verbreitung in tierisehe13 Zellen s&ien das ER bet Pflanzen yon sehr besehriinktem u lediglieh bet Nitella fanden es H o d g e et al. (1956) gut ausgebildet. In Zellen hSherer Pflanzen fanden sieh dagegen bestenfalls kurze Stiieke ~on a-Cytomembranen ( S t r u g g e r 1957a: Be- sehreibung als ,,Doppellamelle"; P e a e h a y 1957; Objekte: Zwiebelwurzel). In etwas ~ilteren Zellen der Erbsenwurzelspitze konnte neuerdings jedoeh ein ausgedehntes Eli, teilweise sogar t y p i s e h e s E r g a s t o p l a s m a naehgewiesen werden, das his in die Einzelheiten mit den entspreehenden Strukturen tieriseher Zellen tibereinstimmt (P. S i t t e 1957 a, b). 12ber den Naehweis in Petiolen- zellen der liiibe und in Keimwurzelzellen des Weizens vgl. H o d ge et al. 1957; tiber das gorkommen bet Chlamydomonas ~gl. S a g e r und P a 1 a d e (1957).

Fixierung

Die Labilit~it des ER ist seit seiner Entdeckung bekannt (vgl. etwa P o r t e r 1955). Besenders durdl die Isolierungsversuche aus Homo,genisaten und die Unter- suchung der Kernmembran ist die extreme Quellbarkeit des Zisterneninhaltes bekannt; die Membranen sind semipermeabel, so dal~ sieh isolierte Zisternen wie Osmometer verhalten. In tether, 1%iger OsO~-LSsung sind daher die Elemente des Ell stark aufgequotlen. Diese Quellung ist dutch (auch hypotonischen!) Puffer- zusatz, nieht aber dureh selbst hypertonischen Anelektrolytzusatz ~ermeidbar; dementspredlend hat die Zugabe yon Rohrzueker oder NaC1 zu gepufferten OsO4-LiSsungen keinen bemerkliehen E ffekt (P a 1 a d e 1955 a).

Gute Erhaltung gew~hrleisten also gepufferte OsO4-LiSsungen; neutrales Formol hat sieh gleicherweise bew/ihrt.

E r g e b n i s s e

Im entwiekelten E r g a s f o p 1 a s m a (das aber nut ii1 etwas iilteren Zel- l e n d e r Wurzelspi tze gefunden wurde; vgl. Abb. 8 d) konnten bis zu etwa 20 ungefiihr parallel liegende Zisternen im Sehnitt bis zu ether Ausdehnung yon mehreren Mikron verfolgt werden; sie liegen parallel der Zellwand oder gegebenenfalls einer in der Niihe befindliehen Vaeuolen- oder Kernbegren- zung. Anastomosen sind iJfter beobachtbar (aueh ,,Gabelung" yon a-Cyto- membranen, Abb. 9a), ebenso lokale Durehbrechungen (Durelnnesser 100--400A, ~-gl. Abb. 9 b). Im Inneren de r Zisternen fanden sieh nie eha- rakteristisehe Einsehliisse. Die begrenzenden, parallelen Membranen haben einen mittleren Abstand yon 150 A (die Streuung ist ziemlieh erheblich, was z. T: m~t der Fixierungslabiliti i t zusammenhiingen diirfte; aueh entlang ether a -Cytomembran weehselt der Abstand mitunter betriiehtlieh). Der Abstand parallelisierter Zisternen des Ergastoplasmas betriigt yon Mitre zu Mitre e,twa 400 A, wobei ebenfalls erhebliehe Sehwankungen auftreten. Extra- z isternal sind die Membranen reiehlieh mit Meiosomen (mittlerer Dureh- messer 130 A) besetzf (Abb. 8 b, c, d); ihr Abstand auf der Membran mifit im Mittel 240 A, verstiindlieherweise mit betr~iehtlieher Streuung der Einzel- werte.

J u n g e Z e 1 1 e n enthalten nut relativ wenige und kleine Zisternen, diese b esonders in unmittelbarer Nachbarschaft der Zellwand und des Ker- nes; wenn mehrere Zisternen benaehbart liegen, sind sie in diesen Zellen nieht parallelisiert (Abb. 8 c, 23 a).

Die Ultrastruktur yon Wurzelmeristemzellen der Erbse 473

Abb. 9. Endoplasmafisches Reficulum. a: Gabelung yon a-Cyfomembranen (Pfeile). Formolfixierung. 71.000:1. b: Lokale Durchbrechungen yon Zisternen (Pfeile).

Formolfixierung. 116.000 : 1. Abb. 10. Kernmembran. a, b: Querschnitfe. a: 1% OsO4 ungep.: Zisternen und perinuclearer Raum verquollen. Poren (Pfeile) und Zusammenhang 'yon Kernmem- bran und ER (Doppelpfeil) deutlich. 17.000 : 1. b: ,,Poren" mit einfacher osmiophiler Schicht verschlossen. F,ormolfixierung. 106.000:1. c: Flachscbnitt, ringfSrmiger

Meiosomenbesatz (Annuli) deutlich. OsO4 ungep. 5S.000:1.

Pro top lasma , Bd. XLIXi3--4 31

474 P. Sitte

Es konnte n i&t mit Sicherheit festgestellt werden, dal~ sich die a-Cylo- membranen im Plasmale.mma fortsetzen ; die K e r n m e m b r a n ist dagegen sicher eine Differenzierung des ER (Abb. 10 a). Die In te rphasekerne besitzen demnach eine echte, dreischichtige Membran (Abb. 10 b), deren osmiophile Lagen e twa 70 A dick sind und ebenso wie die Z is te rnenmembranen in giinstigen F~illen noch einmal fein gedoppel t erscheinen. De r Abs tand der Lamel lenmi t ten voneinander betr~igt bei der K e r n m e m b r a n 180--200 A. Die K e r n m e m b r a n trhgt auf ihrer dem C y t o p l a s m a zugewandten Seite charakteristische Anh~ufungen yon Meiosomen in Kreisform, sogenanme A n n u I i (Abb. 10c; ~iuflerer Durchmesser 710 A, innerer 320 A). hn Bereich dieser Annul i fusionieren die osmiophi len Lagen der Membran (Abb. 10 a, b). Eine wirkliche Durchbrechung ko.nnte al lerdings hie mit Sicherheit beobachtei werden, v ie lmehr scheinen die ,,Poren" yon einer einfaehen, osmiophilen Membran verschlossen (Abb. 10 b). Flachschnitte (Abb. 10 c) zeigen, da~ die Annuli nicht sehr regehnh~ig fiber die K e r n m e m b r a n vertei l t sind; als ge- r ingster Abs tand zweier Poren wurde yon Zent rum zu Zentrum 880 A ge- l / l e s s e l l .

B e s p r e e h u n g d e r E r g e b n i s s e

Die erhobenen Befunde s t immen mit entspreehenden yon tierisehen Zel- len gut iJberein (vgl. u. a. 5 j i J s t r a n d und H a n z o n 1954a; P a l a d e 1956 a; Z e t t e r q v i s t 1956). I m Zellinneren sind alle ausgedehnteren Mem- b rans t ruk tu ren - - soweit sie nieht Plas ten angehSren - - voln T y p der a -Cy tomembranen . Dal~ sehr viele Meioso,men zwisehen den Membranen frei im P lasma liegen (besonders in den ganz jungen Zellen), entsprieht den Er- f ahrungen bei Tieren: In raseh waehsenden Zellen (gemeint ist hier naifir- lieh das e lnbryonale Waehstum, nieht die pos tembrTonale Zellstreekung) l and man im al lgemeinen das P la sma dieht erfiillt yon Meiosomen; die bekann,te, diffuse Basophi l ie des Cy top la smas in Wurzelspi tzenzel len steht dami t in guter l~bereinst immung.

Nach den Beobaehtungen kann k a u m ein Zweifel dari iber herrschen, dal~. das ER in den einzelnen Zellen e inen ausgesproehenen F o r m w e e h s e 1 durehmaeht: In ganz jungen Zellen i s / yon ihm meist nu t wenig zu bemerken. Daff i r t re ten in diesen Zellen hiiufig P lasmazonen auf, die mehr oder weniger dieht ~on kleinen Bliisehen erf[illt sind (Abb. 8 a, b), die un te re inander wahrseheinlieh nieht zusammenhiingen, also nieht als , ,smoofh-surfaeed"- Form des ER angesehen werden diirfen 2.2. In den etwas ~ilieren Zellen der

22 Ob diese Art in Pflanzenzellen in Form eines ,,Retieulum" iiberhaupt vor- kommt, muff erst gekl/irt werden; auch fiir tierische Zellen erseheint in manchen F~llen ihr u einer Best~tigung bediirftig. Z e t I e r q v i s t (1956) beispielsweise bes&reibt aus dem Plasma yon Jejunumzellen der Maus vergleiehbare Bl~isehen, die weder untereinander noell mit den a-Cytomembranen zusammen- h~ngen (Seriensebnitte!); fihnliehes erw/ihnt auch P o r t e r (1955) fiir bestimmte tierische Zellen, die ein diskontinuierliches Vaeuolensystem aufweisen. - - In diesem Zusammenhang erseheint aueh der Befund yon P a 1 a d e und S i e k e v i t z (1956 a) bemerkenswert, daft in Homogenisaten (in denen das ER v611ig zerrissen ~orliegt) sieh ringsum begrenzte Teilstiieke vorfinden, die si& wie Osmometer verhalten; iiber mi3gliche Bildungsweisen aus dem'ER vergleiche man das Original.

Die Ultrastruktur ven Wurzehneristemzellen der Erbse 475

Wurze l sp i t z e sind diese Bl~isehen n u t selten zu beobachten, daf i i r ist hier ein ausgedehn tes E R entwiekelt . Da s seheint verstiindlieh, w e n n m a n die H y p o - these yon H o d g e e,t al. (1956) zur Erk l i i rung der A u s b i l d u n g des E R he ran - zieht. Es gelang mir a l le rd ings niehf, alle Stadien, die H o.d g e eL al. fiir Nitella belegen, au fzu f inden ; denno,eh seheint mir diese H y p o t h e s e am ehesten geeignet , die B i ldung des ER zu deuten.

Ob das ER im eigentlichen Sinne sui generis ist, ist danach fraglich. In jiingsten, eben durch Teilung entstandenen Zellen wiirde man nach dieser Ansieht kein ER vermuten; doeh zeigen sieh an den eben gebildeien, sehr zarten Zellwhnden kugelige Massen aus wirr verlaufenden Zisfernen (?, Abb. l l a ) ; yon anderen Zellkomponenten kommen nut Mitoehondrien, Lipoidtropfen und Zellkomponente A ausnahmsweise darin vor (Abb. 11b). Es handelt sieh um Reste des in der Telephase sehr kr~ftig entwickelten P h r a g m o p l a s t e n . Ob es sieh dahei allerdings wirklieh um eine Differenzierung des ER handelt, mtissen weitere Unter- sudmngen zeigen (die Entstehung des Phragmoplasten ist bekanntlieh kontrovers, ~gl. Kii s t e r 1956). Stellenweise sind den Membranen Meiosomen angelagert (Abb. 11 a, Pfeile), abet weite Membranbereiehe sind fret davon; Verzweigungen und Anastomosen kommen vor. Dal~ es sich ferner iiberwiegend um fla&e Sehl/iuehe, nieht um Fibrillen handelt, die an ihrer Oberfl~iehe Os-gerbindungen adh/irieren, ist naell dem seltenen Vorkommen kreisfi3rmiger oder ovaler Quer- sehnitie zu sehlielten.

Alle morphologisehen u ki~nnen jedoeh nut Indizien geben, keine Beweise: Dazu w~ire die ltiekenlose Kenntnis des Teilungsablaufes unerliiNieh.

h n Z u s a m m e n h a n g mit Beobaeh tungen yon P a 1 a d e (1955 b) fiber die B e d e u t u n g des E l l ffir die S t o f f a u f n a h m e der Zelle scheint die Beobaehfung fiber gelegentl iehe enge ri iumliehe Bez iehungen zwisehen Zis ternen u n d Plas- raodesmen b e m e r k e n s w e r t (Abb. 6 b). - - E in unmi t t e lba r e r Zusamlnenhang mit den M e m b r a n e n der G o 1 g i - Zonen, wie er an einigen tierisehen O b j e k - ten g e f u n d e n wurde , k o n n t e nieht mit Sieherheit naehgewiesen werden . Da - gegen ist der Z u s a m m e n h a n g mif der K e r n m e m b r a n aueh bei Pisum dureh zahlreiehe Belege gesieher{: D e r , ,per inueleare t / au ra" (W a t s o n 1955) hi ingt mi t dem Zis te rnen inha l t des E R z u s a m m e n (aueh dann, wenn sons/ in der Zelle noeh k a u m ein E R ausgebi lde t is/, f inder sieh fast ausnahmslos eine Zis ternenre ihe en t lang der Kern.membran) . Dies s t immt mi t den en t sp reehenden Verhi i l tnissen bet Tieren fiberein (W a t s o n 1954, 1955), fiber die, m a n dureh ein sfatt l iehe Re ihe yon Unte rsuchungene3 in fo rmie r t is/. Bet a l len d a r a u f h i n un te r such ten tierisehen O r g a n i s m e n f a n d e n sieh die e rwi ihn ten , ,Poren" und Annu l i ; unsere Kenn tn i s yon der K e r n m e m b r a n pf lanzl ieher Zellen e4 w a r demgegent iber bis vor k u r z e m gering. Mi t t le rwei ie ha t D e (1957) Un te r suehungen fiber die K e r n m e m b r a n versehiedener Zellen yon Tradescantia reflexa vorgelegt . Sowohl bet d iesem O b j e k t wie bet der Erbse (P. S i t t e 1957 a) k o m m e n , ,Poren" in der K e r m n e m b r a n vor. Sie sind

-~ Man vergleiche die Literaturangaben bet W a t s o n (1955), H a g u e n a u und B e r n h a r d (1955a), A n d e r s o n und B e a m s (1956), M t i h l e t h a l e r (1956/57), I-I a s s e n k a m p, (1957) ; ferner G a y (1956), G r e i d e r et al. (1956) und P a p p a s (1956).

2~ K a u f m a n n und D e (1956), H a s s e n k a m p (1957). 31"

476 P. Sitte

b e s o n d e r s d a n n deut l ich , w e n n der sehr q u e l l b a r e p e r i n u c l e a r e R a u m au['- g e q u o t l e n is t : Sei l le M e m b r a n e n h i ingen d a n n a m Sehni t t j ewe i l s nu r an den , ,Poren" z u s a m m e n (Abb 10 a). Mi t S i & e r h e i t offene P o r e n w u r d e n b i she r be i Pisum nicht g e f u n d e n 25. D i e P a r t i k e l , d ie den A n n u l u s b i lden , s ind naeh i h r e r M o r p h o l o g i e e i n d e u t i g Meiosomen. Daf t m i t u n t e r aueh iln z e n t r a - len Bereieh de r P o r c h e inze lne Me iosomen l iegen, is t aueh yon t i e r i schen O b - i e k t e n m e h r f a e h be seh r i eben worder t (vgl. z. B. G a y 1956).

I m g a n z e n d a r t m a n D e (1957) z u s i i m m e n : . . . . . t he n u c l e a r m e m b r a n e cf b o t h p l a n t a n d a n i m a l s is f u n d a m e n t a l l y the s a m e . . . "

5. E c h t e V a c u o l e n 2s u n d d i e P l a s m a g r e n z s c h i c h t e n

Die Erhalfung der Plasmagrenzstrukturen und Vaeuolen gelingt besonders dutch F ix ie rung mit OsO~, wogegeu mit Pyr id in neutralisiertes Formol besonders ans den Tonoplasten artefizielle Myelinfiguren austreten lgflt (Abb. 13). Bei der F ix ierung mif OsO4-LSsungen kann es indessen unter Umst/inden zur Sdlrumpfung gewisser u kommen oder abet (ira Fall reiner, 1%iger OsO4-LSsung) zum gerquel len der Elemente des ER und der Proplastiden, die dann ein den eigentlichen Vaeuolen sehr ~lmliches Aussehen annehmen kSnnen und allenfalls mit ihnen verwedlselt werden kSnnten. Es sei auch darauf besonders hingewiesen, daf~ gerade die u und oft au& ihre unmiftelbare Umgebung - - ghnlieh wie der Nueleolus - - yon Polymerisationsseh~idigungen der Plexieinbettung h~ufig be- troffen sind; yon einem Tonoplasten ist dann entweder i iberhaupt nidlts zu sehen, oder er erscheint lnehrfaeh dur&broehen.

E r g e b n i s s e

D e r P r o t o p l a s t e r s d l e i n t sowohl gegen d ie Z e l l w a n d 27 (Abb. 6 a, b; 8 a), wie gegen d ie V a e u o l e n (Abb. 10 a, 12 a) durch e ine e infaehe , o s m i o p h i l e M e m b r a n e ine r m i t t l e r e n D i c k e yon 75 A a b g e g r e n z t ; D u r e h b r e e h u n g e n d ieser M e m b r a n e n k o n n t e n nieht beobaeh te t w e r d e n : Sic i i b e r z i e h e n P l a s m a p r o -

-~5 Kii rz l i& berichtete N i e k 1 o w i t z (1957) tiber e&te Dur&bre&ungen der Kernmembran bei Myxomyeeten; eehte Durchbreehungen sind nach den Ergeb- nissen der Zellphysiologie zu erwarten (vgl. die l~bersicht bei h l i i h 1 e t h a l e r 1955 a). l~ber die Membranverh~iltnisse ~on Allomyces-Kernen vgl. T u r i a n und K e 11 e n b e r g e r (1956), fiir Chlamydomonas S a g e r und P a 1 a d e (1957).

2s Zur Klassifizierung der Vacuolen vgl. Abschnitt IV[ 27 Dies (entgegen den Beoba&tungen v. W e t t s t e i n s 1957 a) aueh dann,

wenn das Plasmalemma der Zellwand unmit te lbar anliegt.

Abb. 11. Phragmoplast . OsO4, pH 8. a: Pfeile deuten auf Meiosomen an den Membranen. Man beachfe die junge Zellwand, die yon Lipoidtropfen begleitef ist. 20.000:1. b: Lipoidtropfen und Zellkomp. A im Phragmoplasfenbereieh. 25.000:1.

Abb. 12: Eehte Vacuolen. a: Mit feinfloekigen Ausf~illungen des Zellsaffes. 1% OsO~, durch Harnstoff 0,2 mol. 20.00.0 : 1. b: Mif Einschliissen degenerierter Plasmateile

(mit Lipoidtropfen). Formolfixierung. 52.009:1.

Abb. t5. Artefizielle Myelinfiguren (Formolfixierung). a: Abhebung des Tono- plasten in eehter Vacuole. Die Pfeile deuten auf eine sp~ter enfstandene, sehw/i- there Myelinbildung. 59.000 : 1. b, c: AussehnittvergrSflerungen (Sehi&tung!).

300.000 : 1.

Die U l t r a s t r u k t u r yon W u r z e l m e r i s t e m z e l l e n der Erbse 477

47S P. Sitte

tuberanzen, die in das Vacuo.leninnere vorragen, ebenso wie Plasmodesmen. Eine doppehe Kontur ierung ko.nnte nu t in wenigen Fgllen, also. ausnahmsweise beo.bachtet werden. Weitere S t rukturen konnten weder in Quer- no.ch hi Flachschnitten aufgel~st werden. Plasmalemma und Tonoplast sind in o r- p h o l o , g i s c h n i c h t u n t e r s c h e i d b a r . Weder Quer- noch Fla&- schnitte durch die Grenzflgchen zeigen eine besondere Differenzierung des Grundplasmas in umni t te lbarer Umgebung der Grenzmembranen; lediglidl das hiiufige Auf t re ten feinster Bliisehen unmit te lbar an der Zellwand erscheint bemerkenswert .

Die V a c u o 1 e n sind meist etwa kugelig; do& kmmfen lnehrfaeh audl lm~ggestre&te und Fusionsformen gefunden werden. Die Gr5i~e schwankt erwartungsgemiil3 erheblieh. Eine obere Crenze :ist durch die Ausma~e des sp~iteren Zellsaftramnes gesetzt, der sich offensichtlieh dureh Fusion kleine- ~'er Vaeuolen bildet. Si&er erkennbare Vacuolen treten ab einer Grb[~e yon 0.2# Durehmesser in Erseheinung; es gibt aber auch wesentlieh kleinere vacuo.lenartige Gebilde (helle t/iiume, yon einfacher osmiophiler Membran umgrenzt) , die sieher nur z. T. den G o I g i - Zonen angehSren. Da~ ein tm- mit te lbarer Zusammenhaug des gaeuoleninhal tes mit dem Inhal t des ER besteht, konnte nieht gefuuden werden; "delfaeh ver laufen aber paral lel zum Tonoplasten Zisternen des ER in unmit te lbarer Umgebung yon Vacuolen, ebenso paral lel zum Plasmalemma entlang der Zellwand.

Der V a e u o 1 e n i n h a 1 t ist zmn gri313ten Teil erwartungsgemgl~ leidlt durehstrahlbar; je iilter (grbl~er) eine Vacuole ist, desto deutlicher trelen in ihrem Inneren feinste Ausfgllungen auf (Abb. 12 a; wohl Koagulate yon Zellsaftkomponenten2S). Au~erde.m siud in vielen Vacuolen plasmaiisehe KSrper zu linden, die mi tunter sogar Mitoehondrien oder Lipoid t ropfeu einsehlie[~en (Abb. 12b). Sic kommen zu hgufig vor, mn in allen g~llen als angesehnittene P lasmapro tuberanzen gedeutet zu werden.

Nach Formolfixierung linden sieh hiiufig die erwiihnten a r t e f i z i e l- l e n M y e 1 i n f i g u r e n, deren Bildung das Vorhandensein yon lo&er ge- bundenen Lipoiden im Tonoplasten beweisf (G i c k 1 h o r n 1932). Meist sind die Myelinfiguren lokale Bildungeu mid diinne, oft mehrschiehtige Schlhuche, erwartuugsgemiifl fast immer in sich geschlossen; mi tunter heben si& abet auch gesehlcssen yore gesamten Touoplasten kr~iftigere Schlguche ab und dr~ingen in ihrem Inneren die geformten Teile des Vacuoleninhaltes zusammen (Abb. 15a); in ihren extrem osmiophilen Wandungen ist bei guter Auf[bsung ausnahmslos eine feine S c h i c h t u n g kenntlich( Periode "55 A; Abb. 13 b, c. Dber die Deutung vgl. Absehn. Vl).


Die Strukturerforsehung der Plasmagrenzsehiehten steht trotz ihrer Widl- �9 qgkei t fiir viele physiologisehe Fragen noch ganz in den Anfiingen, und audl

ss In ausgewadlsenen Zellen vers&iedenster Pflanzen treten bei Fixierung mit OsO4 auch im Li&tmikroskop sidltbare Niedersdfl~ige auf, besonders kr~iftig z. B. in Mesophytlzellen der Fidlte, deren Zellsaftraum undurdlsidltig sehwarz wird. Die Reaktion ist wohl vor allem auf Gerbstoffe zuriickzufiihren, womit verst~indiidl wird, da~ sic in den jiingsten Vacuolen am schwgichsten ist.


die hier erhobenen Befunde sind vorers t nicht geeignet, einen Fortschri t t zu bringen. Denn einerseits sind an anderen Ob jek ten sehr abweichende Ergeb- nisse erhal ten worden (fiber hltere Arbei ten vgl. H a a s 1955 und F r e y - W y s s 1 i n g 1955; neuerdings v. W e t t s f e i n 1957 a 29), anderersei ts zeigen tmsere Untersuchungen, dal~ den beobachteten unterschiedlichen Permeabi l i - t~itseigenschaften yon P lasmalemlna und To.no,plast (H5 f l e r 1951, 1932; vg'l. auch die Diskussion bei F r e y - W y s s l i n g 1953) vorers t k e i n s t r u k t u r e l l e r U n t e r s c h i e d zugeordnet werden kann. Besonders iJberraschend und bemerkenswer t scheint dabei, daf] die osmiophile, fiber- wiegend oder allein aus Lipoiden gebildete Grenzschicbt des P lasmas im P l a s m a l e m m a e twa die gleicbe Dicke wie im Tonoplas ten aufweist . Nach den Beobachtungen steht immerh in lest, dal~ es sich bei den Plaslnagrenz- schicbten nichf um eine der sonst vielfach so charakterist ischen , ,Doppel- m e m b r a n e n " handelt , iiber die noch zu sprechen sein wi rd (Abschn. VI)so. Dies steht in Widerspruch zu so ziemlich allem, was fiber die Fest igkeif und Elasfizi t~t der Grenzschichten bekann t ist, denn Lipoidsctfichfen sind weder lest noch elastisch. Es mag sein, dal3 die dfirffigen Ergebnisse der elektro- ~enoptischen Forschung gegeniiber den vorher indi rekt erschlossenen dami t zusammenh~ingen, dal~ fiber das eigentliche P lasma mangels Kontras t oder auf l6sbare r S t ruk tur nichts ausgesagt werden kann (auch die obige Fest- sfellung fiber das Fehlen besonderer, sichtbarer P lasmadi f ferenz ierungen enflang den Grenzfl~ichen befrifft m ehr die: Dichte und Anordnung der Meio- somen als das P lasma selbst!). E r w a h n t sei, daE bei den meisten tierischen Zellen, die da raufh in untersucht sind, ~ihnliche Verhhltnisse wie hier beschrieben gefunden wurden.

Ebenso ungeklhr t wie der Fe inbau der Plas.mahhute ist das Prob lem der V a c u o l e n b i l d u n g (vgl. K i i s t e r 1956, D r a w e r t 1955). Hie r wird klar, wie ungeeignet die EM-Untersuchung fiir die Ermi t t lung des Ablaufes yon Vorghngen ist; da dutch die F ix ie rung immer nu t s tarre Momentbi lder aus einem in Wirkl ichkei t fliel~enden Geschehen festgehal ten werden kSn- l:len, ist die Deu tung unsicher, oft - - wie in unserem Fal le - - i iberhaupt nicht mSglich. So kiSnnen lediglich einige MSglichkeiten diskut ier t werden, ffir die sich gewisse Anhal te aus den Bildern ergeben.

29 V o n We t t s t e i n beschreibt und belegt fiir die Gerste andere Strukturen, als hier beobachtet; dal] sich aul~erhalb der osmiophilen Schicht des Plaslnalemmas noch eine proteinische befindet, ist auch nach einigen meiner Bilder wahrscheinlich; doch waren die yon v. W e t t s t e i n abgebildeten doppelten ,,Punktreihen" nie deutlich. Weitere Arbeiten werden zeigen miissen, wie sich dieser Unterschied erkl~iren l~i[~t.

3o K a u f m a n n und D e (1956) fanden den Tonoplast bei Trade.scantia in giinstiger Schnittlage doppelt konturiert, und ich konnte ebenfalls solche Beobach- tungen machen. Doch handelt es sich dabei - - wenigstens bei unserem Objekt - - uln die Aufspaltung einer osmiophilen Schicht in zwei wesentlich feinere (wie sie ftir verschiedene Membranen beobadltet wurde, vgl. F re em a n (1956), mithin nicht um eine ,,Doppehnembran" im iiblichen Sinn, wie sie Mitochondrien, Pro- plastiden usw. zukolnmt.

480 P. Sitte

1. Bildutlg der Vacuolen aus den bereits erwfilmten kleinen Bl~is&en, die sidl, wie es sd, eint, aus abgesdmiirten Einsttilpungen der Lipoidsehidlt des Plasmalem- mas bilden. Aus dieser Bildungsweise w/ire die strukiurelle Nhnli&keit yon Plasma- lemma und Tonoplast verst~indlieh. Schwierigkeiten erwaehsen dieser Deutung allerdings mehrfaeh: Da ER und Vacuolen wesensverschieden sind, k6nnen ni&t beide Strukturen aus den gleichen B1/ischen hervorgehen; fiir das Vorliegen versehiedener Bl~is&entypen konnte kein Anhalt gefunden werden. Ebenso ist die Entstehung ,,kiinstlieher '' Vaeuolen (P f e f f e r 1890) auf diesem Wege unmbgli&. Oberhaupt ktinnen diese B1/isehen am ehesten mit den yon de V r i e s (1885) geforderten ,,Tonoplasten" vergliehen werden; was gegen d e V r i e s ~ Theorie vor- gebra&t wurde, riehtet siel~ au& gegen diese Erkl~irungsm6gliehkeit. Sollten sid~ auf diese Weise tiberhaupt Vaeuolen bilden, dann ist dies doeh keinesfalls die einzige M6gliehkeit. Wahrsdleinlicher ist freilieh, da~ sieh so nur das Ell bildet.

2. Bildung dureh Entmisd~ung besiimmter Plasmapartien: Gewisse Bilder, in denen das Plasma lokal verdtinnt erseheint, spreehen daftir (Abb. 4). Diese Deutung entsprieht eher den herrs&enden Vorstellungen tiber die Vaeuolenbildung und wird vor allem dem gorhandensein plasmatis&er Partikeln im Vaeuoleninneren geredlt.

5. Teilung bereits vorhandener Vaeuolen. ,,Fusionsformen '~ ktinnen prinzipiell ebensogut als Teilungsformen betradltet werden; eine Entseheidung dartiber, weldle Deutung im einzelnen Fall zutrifft, kann meist nieht gef~illt werden.

Die zweite Deutungsmggliehkeit hat am meisten fiir sieh; es wird an geeigneteren Objekten noeh zu priifen sein, wieweit sic tatsiiehli& zutrifft.

4. T o t e E i n s c h 1 ii s s e (Lipoidtropfen; Eiweifikristalle)

Die L i p o i d t r o p f e n werden durch OsO4-Fixierung nur in seltenen Fiillen gestaltgetreu erhaltenS~: Meist bilden sieh stark verdriiek~e Formen aus, was S t r u g g e r dazu veranlal3t haben mag, yon ,,sternfidrmi- gen KiJrpern '~ zu spreehen (1957a, S. 103/104; vgl. Abb. 4, 6b, 8a, 11 a, b). Lebensgetreu erhiilt dagegen Formolfixierung (Abb. 8 d, 12 b, bes. 14 tt, b). Naeh OsO4-Fixierung oder -Impr~ignierung erscheinen sie sehr dunkel. Sie haben einen Durchmesser yon 380--5000 A und liegen oft beziehungslos im Plasma; mitunter sind sic entlang der Zellwand gehiiuft. Eine Me'mbran fehlt ihnen. Ihr Inneres ist ohne Struktur : Sehiehtung konnte hie naehgewiesen werden; eine feine Granul ierung ist ohne Zweifel ar tefakt iv (Nie- dersehlag yon Os-Verbindungen). Die Zahl der Lipoidtropfen pro Zelle schwankt sehr stark; im allgemeinen haben alte Zellen wesentlieh weniger als junge; doeh gibt es davon auch Ausnahmen.

Wesentlieh seltener als die, Lipoidt ropfen sind quaderfiSrmdge E i w e i il- k r i s t a 11 e s2 (Abb. 8 c, 14 a) anzutreffen, die in OsO4- und fonnolfixier- ten Pri iparaten gleieh gut erhalien seheinen. Ihre GriSl3e sehwankt zwisehen 0,3 nnd 1,u. Sie sind ni&t sehr elektronendicht, meist ohne Mar kenntliehe Struktur; mitunter konnten aber do& Git teranordnungen aufgelbst werden

a Audl bei Tieren ist vielfa& die Erhaltung schle&t, aber oft besser als in pflanzlichem Gewebe.

32 Da~ es sieh um Eiweifi handelt, ist ni&t bewiesen, sondern nadl dem Aus- sehen erschlossen. Anorganis@e Kristalle kommen nach dem Feinbau ni&t in Betracht.


mi t P e r i o d e n yon 60 A in dre i unge f i i h r 600 g e g e n e i n a n d e r gene ig t en N e t z e b e -

nenseharen . Es d i i r f t e sieh demnaeh u m (hexagona l ) dichtes t l i egende kuge-

l ige M a k r o m o l e k i i l e yon e t w a 6 SvE h a n d e l n . D i e K r i s t a l l e s i~d nach den

b i she r i gen E r f a h r u n g e n me i s t Yon E l e m e n t e n des E R u m g e b e n , l i egen a b e t

e x t r a z i s t e r n a l .

IV. Der Golgi-Apparat

Die Erforschungsgeschichte des G o 1 gi -Apparates ist auch fiir eine Zellorga- nelle starker Ver/inderlichkeit eigenartig bewegt und verworren 3~; aus der Unzahl der verschiedenen Meinungen tiber Bau und Funktiou der G o 1 g i-Zonen erhellt die Schwierigkeit der Untersuchung. Die GrSfle der Bauelemente liegt zum guten Teil an der Grenze zwischen mikroskopischem und submikroskopischein Bereich odor sogar darunter. Vitaluntersudmng ist nut an wenigen giinstigen Objekten mSglich; die Untersudmng an fixierten Zellen stiitzte sich bekanntlich auf ]mpr@nierungstedmiken (vgl. R o m e i s 1948) oder spezielle F~irbungen, deren oft nicht eindeutig reproduzierbare Ergebnisse aber zu den verschiedensten Vor- stellungen fiber den Bau des G o 1 gi -Apparates fiihrten. Quot capita, tot sensus. Es wurde lnehrfach und nicht chne an und fiir sich gute Belege sogar die Ansicht vorgebracht, es g~ibe iiberhaupt keinen eigenen G o l g i - A p p a r a t ; was man fiir ihn halte, seien lediglich Mitodiondrien, Lipodmndrien (B a k e r 1944, 1949, 1955, 1955; vgl. jedoch C h u nnd S w i n g a r d 1956) oder u Besonders die letzte Ansidlt wurde bis in die neueste Zeit auch ftir die Pflanzenzelle diskutiert (vgl. M i l o v i d o v 1957).

Es ist hier nieht der Ort, die verwirrende Fiille frtiher vorgebrachter Ansichten fiber den Bau des G o l g i-Apparates kritisch zu diskutieren; viele davon haben nur mehr geschichtliches Interesse, seit das EM erfolgreich in der Zellforschung angewendet wird. Denn hier vielleieht mehr als irgendwo anders hat sich die Sachlage dutch elektronenoptische Untersuchungen gekl/irt. Seit den ersten Arbeiten yon D a 1 t o n (1951), D a 1 t o n und F e 1 i x (1952, 1955 a, b, 1954, 1956 a, b) sowie yon S j S s t r a n d und H a n z o n (1954b) und H a g u e n a u und B e r n - h a r d (1955b) hat man ftir verschiedene tierische Gewebe und vor allem auch fiir Gewebe aus Tieren der verschiedensten Yerwandtschaftskreise immer wieder den G o 1 g i-Apparat beschrieben und prinzipielle Ubereinstimmung im Aufbau feststellen kSnneu (vg�94 u. a. R h o d i n 1954, P a 1 a y und P a 1 a d e 1954, P a 1 a d e 1955a, 1956a, F a w c e t t 1955, G r a s s 6 1956/57, L a c y und C h a l l i c e 1956, Z e t t e r q v i s t 1956, G a t e n b y und L u f t y 1956, G r a s s 6 und C a r a s s o 1957 und friiher, L a c y 1957). Diese Untersuchungen erbrachten iibereinstimmend den Na&weis, daft der G o 1 g ' i -Apparat in den fierischen Zellen als e i g e n e D i f f e r e n z i e r u n g e x i s t i e r t u n d an gewissen allgemeinen Baueigentiim- lichkeiten leicht erkannt werden kann. Mit S j 5 s f r a n d und H a n z o n (1954, b) u. a. kSnnen folgende morphologische Elemente als wesentlich, fiir die Charakleri- sierung angenommen werden: Die G ol g i-Grundsubstanz als Matrix in der G o l g i - Z o n e ; die G o l g i - M e l n b r a n e n (ha& S j S s t r a n d , 1956, 7-Cytomem- branen); und die G o l g i - G r a n u l a (hierher gehSren die , , D a l t o n - F e l i x - bodies" und vMe der h~iufig beschriebenen kleinen Vacuolen, z. B. Z e t t e r q v i s t 1956: ,,small vacuoles or vesicles"; tiber die versehiedenen verwendeten Bezeich-

33 Erste Beschreibung als ,appara to reticolare interno" 1898 durch C. G o 1 g i ; tiber die Ergebnisse der lichtmikroskopischen Untersuchungen vgl. etwa K i r k- m a n und S e v e r i n g h a u s 1938, H i r s c h 1939, H i b b a r d 1945, B o u r n e 1951.

482 P. Sitte: Die Ultrastruktur yon Wurzehneristemzellen tier Erbse

nungen vgl. (lie ZusamInenstellmlg bet Z e t t e r q v i s t 1956, S. 55). Aufierdem sind die G o l g i - Z o n e n meist (abet nicht immer, wie u. a. die D i ' e t y o s o m e n zeigen, die dichte Stapel yon ),-Cytomembranen sind, vgl. G r a s s ~ und C a r a s s o 1957, G a t e n b y und L u f t y 1956, D a l t o n und F e l i x 1956a) rei& an gr6l~eren Vaeuolen. Auf vers&iedene Details dieser Ergebnisse werden wir unten noch zuriiekzukommen haben. Besonders zu verweisen ist hier no& auf die Fest- stellung P a l a d e s (1955 a, 1956 a), dal~ die G o 1 gi-Zonen besonders differen- zierte Bereiehe im ER seien; ein kontinuierl i&er Obergang yon smooth-surfaeed- Elementen in die G o l g i - M e m b r a n e n konnte naeh P a l a d e mehrfaeh belegt werden. Naeh dieser, wohl erst dur& weitere Arbeiten zu festigenden Ansi&t 34 ist also der G o l g i - A p p a r a t eine Differenzierung des El{ und w~re demeni- spre&end mit diesein abzuhandeln; set dem abet wie immer: Die Sonderstellung sowohl in morphologis&er wie physiologiseher Hinsieht re&tfertigt eine gesonderte Behandlung.

Alle oben erwtihnten Untersu&ungen beziehen sidl auf tieris&es Gewebe. Mittlerweile wurden abet auch in den Zellen versehiedener tffiherer Pflanzen Strukturen gefunden, die morphologisch mit den tieris&en G o 1 g i-Zonen weitgehend tibereinstimmen und aueh als G o 1 g i-Apparate angesprochen wurden; die m. W. erste VeriJffentli&ung hieriiber stammt von H o d g e et a!. (1957); unab- htingig yon dieser Arbeit und untereinander kamen P e r n e r (1957) und der Verf. (1957a) 3~ zum gleiehen Ergebnis: Es gibt a u e h i n d e r P f l a n z e n - z e l l e Differenzierungen, die wenigstens morp|mlogiseh mit den aus tierisehem Gewebe bes&riebenen G o 1 g i-Zonen weitgehend tibereinstimmen. Die Homologi- sierung hat dureh die Untersuehung yon S a g e r und P a l a d e (1957) eine weitere Stiitze erhalten: Der G o 1 g i -Appara t konnte in im wesentlidlen unver- tinderter Gestalt au& bet Chlamydomonas Reinhardi naehgewiesen werden.

So d a r f aueh bet P f l anzen yon e inem G o l g i - A p p a r a t gesprochen we t - den; die gegente i l ige Ansieht yon K ti s t e r (1956) bes teht nicht zu Reeht. Ube r die Yacuo len theor i e w i rd noch zu spreehen seth.

Fixierun~

Die Fixierung gelingt sowoht mit Formol wie mit OsO4 unter geeigneten ge- dingungen; die G o 1 g i - Vaeuolen sind naeh Fixierung in gepufferten OsO4-L~isun- gen klein und fehlen bet pH6 praktiseh iiberhaupt; naeh den Ergebnissen bei Formolfixierung daft dieses Yers&winden der Vaeuolen abet als Artefakt a ug gefafit werden. Die formolfixierten Pr~iparate ki3nnen als die besseren angesehen werden, well in ihnen die G o 1 g i -Membranen geradlinig und weitgehend parallel sind, ~ i h r e n d sie nadl OsO4-Fixierung h/iufig, wenn audl nieht immer un- regelmtifiig und knitterig verlaufen. Man darf also annehmen, daft es bei OsO4- Fixierung (wohl infolge lokaler Sehrmnpfungen) za Vers&iebangen der Struk- turen kommt, wfihrend bet Fcrmolfixierung solehe Erscheinungen nidlt auftreten;

a4 Ihr wurde etwa yon Ze t t e r q v i s t (1956) ents&ieden widerspro&en; er konnte keinen unmittelbaren Zusalnmenhang der 7- und a-Cytomembranen findell und aueh keine Anastomosen; solche scheinen jedoeh besonders in Neuronen fat- stichli& h'aufig vorzukommen (vg'l. L a e y 1957).

a5 S t r u g g" e r (1957 a) hat in sein Struktursehelna der embryonalen Pflanzen- zelle G o l g i - Strukturen nnter der freilidl irrefiihrenden Bezeichnung ,,Faden- biisdlel '~ eingefiigt und erwhllnt (S. 103) die 2~hnlichkeit mit deln G o l g" i - Apparat der tierischen Zellen.

Abb. 14. G o 1 g i - Zonen. a: t ?bers ich t sb i ld (man beach te auch die i ib r igen Zell- k c m p o n e n t e n ! ) . Fo rmo l f i x i e rung . 25.000 : 1. (K Eiwei~kr i s ta l l . ) b: Typischer G o 1 g i- A p p a r a t . Fo rmol f ix i e rung . 75.000:1. c: Schief zu den M e m b r a n e n geschn i t t ene r

G o 1 g i - A p p a r a t m i t A n a s t o m o s e (Pfeil). Fo rmol f ix i e rung . 138.00D : 1.

484~ P. Sitte

mithi:n k6nnell die oft statdi&en G o 1 g i- Vacuolen der formolfixierten Prfiparate kaum ais Artefakte angesehen werden.

Es set noeh besonders darauf verwiesen, dal~ Fixierung' oder Kontrastierung in l%igen OsO4-L6sungen niehts zu tun hat mit einer O s - I m p r a g n i e r u n g , die in Gegenwart s, on Puffern ni&t gelingt und wesentlich 18ngere Zeiten erfordert ( D a l t o n 1952, D a l t o n and F e l i x 1956a, L a c y und C h a l l i c e 1956). Die Ablagerung der Os- odor Ag-Niedersehltige erfolgt dabei je na& Objekt in ~'ersehiedenen Bereichen, meist in den grorien Vacuolen oder in den Go 1 g i- Gra- nula. Wodurch OsO4 oder Ag+ reduziert werden, ist unbekannt; D a l t o n und F e l i x (1956a) vermuten, dart es sidl um Lipoide handelt, die aus Lipoproteid- komplexen fret werden. Entspreehende Untersuchungen an Pflanzen stehen no& aus.

Abb. 15. Sehematis&e Darstellung des G o l g i - Apparates (Marie im vergrtirierten Aussehnitt).

g r g e b n i s s e

Die 7 -Cytomeml) ra - nen l iegen in e iner yon Meiosomen, Lipoid t ropfen und P las ten freien, gegen das H y a l o p l a s m a nieht seharf abgegrenzten , a m o r p h e n odor feinst granul i i ren Mat r ix (G o 1 - g i - S u b s i a n z ) ; sie selbst sind fret yore Besatz nlit Meiosomen und fusionie- ten am Rand der G o l g i Zone paarweise , sind also die M e m b r a n e n f l a&er Sehliiuche. Diese Sehl~iu- &e (moist v ie r his so&s) sind wenigs tens im zen-

t ra len Bereieh der G o 1 g i - Zonen streng paral le l is ier t (Abb. 14 b, c), im ganzen abe t iSfter s ta rk gebogen (Abb. 14 a, 8 e). Anasto,mosen unter ihnen sind nu t sehr selten zu beobaehten (Abb. 14c). Fiir die Ergebnisse der Diekelmlessungen an den einzelnen Melnbranlagen ,wgl. Abb. 15. - - Vielfaeh sind die Sehliiuehe an ihrem Rand zu Vaeuo.len aufget r iebeu; geformter lnha l t konnte in diesen nie gefunden werden, in seltenen Fiillen naeh Formo.lfixierung artefizielle Myelinfiguren.

Die G o l g i - Z o n e n enthal ten also Matrix, 7-C.vtomembranen und yon ihnen umsehlossene G o 1 g i -Vacuo len . Sie sind im Sehniit ausnahmslos re- la t iv besehriinkter GriJl?e (etwa 0,5 his 1,5,ct); ein Zusammenhang der Mere- b ranch benaehbar te r G o 1 g i - Zonen konnte nieht erwiesen, abe t aueh nicht ausgeschiossen werden. Jede Zelle enthiilt betriiehtlieb viele (wohl tiber 50) G e 1 g i - Zonen, die keine bevorzugte Lagerung erkennen lassen.

B e s p r e c h u n g d e r E r g e b n i s s e

Wiihrend ill vielen tierischen Zellen der G o 1 g i - A p p a r a t eine charak- teristischc L a g e hat (vielfaeh ill unmi t te lbare r Niihe des Nucleus), kann

Die Ultrastruktur yon Wurzelmerisfemzellen der Erbse 485

dies fiir die embryonale Pflanzenzelle nieht behaupte t werden; aueh hier liegen zwar mi tunter G o l g i - Z o n e n dem Kern fast an, aber oft aueh mitten im Cytoplaslna oder gar an der Zellwand. Dies mag damif zusammenhiingen, daft hinsiehtlieh des Sto.ffweehsels die Wurzelmeristemzellen kaum polar sind, wiihrend etwa tierische Dri isenzdlen sehr streng basal- apikal polarisiert sind. Die Zahl der G o 1 g i - Z o n e n innert ether Zelle ist ziemlieh befriiehtlieh, aueh sehon in jtingsten Zellen, denen ein gut entwiekel- tes ER no eh fehlt. Es ist ,mbglieh, daft die G o. 1 g i - Zonen als Or te spezifi- seher Stoffwechselvo.rgiinge bier - - w o e s sieh ja im Gegensatz zu tierisehen Drtisenzellen nieht mn Abgabe yon Sekreten an der ap,ikalen Zellseite handelt - - wie aueh die Mitoehondrien ungefiihr gleiehmiil3ig dureh das Plasma hin verteilt sind.

Geformte S e k r e t e der G o 1 g i - Zonen waren bet unserem Objekt nie feststellbar. Die Lipoidtropfen, deren Ents tehung man noeh am ehesfen in die G o 1 g i - Zonen verlegen kbnnte, wiesen fast nie auffiillige Lagebezie- hnngen zu diesen auf (Abb. 14 b zeigt eine Ausnahme!). Die (grol~en) G o 1 g i - V a e u o l e n entbehren irgendweleher Einschliisse, wie sie lnitunter bet Tieren gefunden wurden (Z e t t e r q v i s t 1956; Lipoidtriipfehen: D a i- t o n und F e l i x 1956 a).Wenig auff~illig stud bet unserem Objekt die G o 1 g i - Granula ; die im Plasma besonders jugendlieher Zellen vorkommenden Felder kleiner Bl~.schen haben vielfaeh gar keine riiumliehe Beziehung zu G o 1 g i - Zonen. Allerdings s,ind die 7-Cytomembranen mitunte~ (bes. an den Randpar t ien) durehbroehen, so daft dort kleine Bl~isehen zu liegen seheinen (vgl. dazu auch Z e t t e r q ~- i s t 1956) ; o13 diese als zusammenhiin- gende Elemente eines Netzwerkes betraehtet werden diirfen (wie die Auf- fa.ssung als , ,agranular retieulum" yon P a 1 a y und P a 1 a d e 195~ nahelegt) oder tatsiiehlieh individualisierte Bliisehen sind, die dann im Sinne der Theo,rie yon H o d g e et al. (1956) zur Entstehung lamellarer Strukturen zu deuten sind, miissen weitere Untersuehungen zeigen. Ebenso mul~ often- bleiben, o.b die einzelnen G o 1 g i - Zo.nen ether Zelle ein Kont inuum darstellen oder nieht. Die vorgewiesenen Bilder spre&en zwar ebensowenig dafiir wie die Seriensehnitte yon P e r n e r (1957) und die Beo,baehtung einer Diktyo- kinese dureh G r a s s 6 und C a r a s s o (1957); gesiehert erseheint dieser negative Befund abet nicht 36.

Die M a t r i x ist wie die Grundsubstanz in tierischen G o 1 g i - Zonen homogen und im allgemeinen dichter als das umgebende Plasma. In man- then Bildern erscheint sie feingranuliir, doch ist dies vielleicht auf Plexi- glaskbrnung zurtickzufiihren. Sind in unmit te lbarer Niihe der G o 1 g i - Zo- hen a-Cytomembranen, so kehren sie - - wie auch aus Pankreaszellen bekannt ist (S ~ 5 s t r a n d und H a n z o n 1954 b) - - diesen ihre mit Meioso- men besetzten Fl~ichen zu; die G o 1 g i - Zonen liegen demnach extrazister- na l .

Die y-Cytomembranen sind etwas weniger dick als die von Tieren (wo

3~ S j iJ s I r a n d und H a n z o n (1954 b), die in der exokrinen Pankreaszelle der Maus mehrere G o 1 gi-Zonen finden, lassen die Frage des gegenseitigen Zu- sammenhanges ebenfalls often.

486 P. Sitte

die e l i t sp rechenden Wer te zwischen 60 mid I~0 A schwanken) ; dagegen Hegt (tie Zahl der M e m b r a n p a a r e mi t (2 )4 - -6 (7) im Stret lbereich der Ergeb- nisse aus t ier ischen Zel len (vgl. die Z u s a m m e n s t e l l u n g bet G a t e n b y u n d L u f t y 1956). D e n T e r m i n u s , , M e m b r a n p a a r " v e r w e n d e n wi r im i ibl ichen Sire), wie ihn Z e t t e r q v i s t (1956) def in ier t ha t (nicht nach der Def in i t i on

yon S j S s t r a n d u n d H a n z o n 1954b). Die G o I g i - V a c u o I e n erseheinen in D b e r e i n s t i m m u n g mi t den Er-

gebn i s sen bet T i e r en als A u s w e i t u n g e n der flaehen Sehl i iu&e u n d s ind yon jewei ls zu e inem , ,Paar" geht i r igen M e m b r a n e n umsehlossen, h n Bereieh der u ist der Seh laueh inha l t n u r sehwaeh e l e k t r one ns t r e ue nd .

W i e v e r h a l t e n sieh die G o 1 g i - Vaeuo len zu den i ib r igen u der Zelle? Dies zu b e a n t w o r t e n ist ku rz au f die K l a s s i f i z i e r u n g d e r g a c u o 1 e n e inzugehen .

In unserem Material fanden sidl drei Vaeuolentypen:

1. Artefizielle Vaeuolen, 2. ,,Eehte" Vaeuolen, und 5. G o 1 g i - gaeuolen. Von den vacuoligen Artefakten wurde sehon gesprod~en; da sie mitunter li&t-

optisdle Dimensionen erreiehem ist aueh bet lichtoptisehen Untersuchungen Vorsi&t geboten. - - Yon einiger Wiehtigkeit ist die Ents&eidung dariiber, ob echte und G o 1 g i - Vaeuolen nieht letzten Endes w e s e n s g 1 e i e h sind, also auseinander hervorgehen kiJnnen. Auf Grund der bekannten Differenzierung in versehiedene Vacuolenartem die sehon die Li&tmikroskopie erbraehte (vgl. G u i 1.1 i e r m o n d 1935, S. 206; sowie K ti s t e r 1956) und auf Grund der dargelegten Ergebnisse ist die Frage wahrs&einli& zu verneinen. Die Argumente dafiir sind kurz folgende:

1. Die G o 1 g i -Vacuolen iiberschreiten im Gegensatz zu den e&ten Vaeuolen bestimmte Grtifien ni&t; eine Abgliederung besonders grofier Vaeuolen aus den G o l g i -Zonen konnte hie mit Sicherheit beobaehtet werden. Auf~erdem sind die G o I g i - Zonen in jenen Zellen und Zellberei&en, in denen sich gerade viele edlte Vaeuolen bilden, keineswegs geh~iuft.

2. Die beiden Vaeuelentypen verhalten si& tinter bestimmten Bedingungen vers&ieden: W/ihrend etwa die eehten Vaeuolen na& OsO4-Fixierung bet pH6 gegeniiber Kontrollen in Formol ni&t irgendwie verkleinert sind, s&einen die G o l g i - V a c u o l e n (die naeh Formol ziemli& grofi sind) zu fehlen.

3. Das Aufgehen e&ter Vacuolen in noch grtil]eren konnte immer wieder beobachtet werden, nie aber ein Einlntinden yon G o l g i - V a e u o l e n ; aueh Fusionen ~on G o l g i - Vaeuolen untereinander wurden ni&t beobachtet.

4. E ehte Vaeuolen enthalten vielfa& die erw~ihnten feineren und grSberen Einschliisse und Protuberanzen des Protoplasten (vgl. auch ~.. W e t t s t e i n 1957 a, S. 443); Vergleiehbares fehlt den G o l g i -Yaeuolen in unserem Fall ~ollst~ndig. (2berhaupt zeiehnen sieh hier die G o I g i - Vaeuolen aufier dureh ihre Lage in der Matrix der G o l g i -Zonen und ihre immer relativ besehr~inkte Gr6fie ~or allem dureh den glatten Verlauf ihrer Wandungen und das Fehlen yon Einsehliissen aus.

5. Sollte es sieh best~itigen, da~ die y-Cytomembranen nur besondere Differen- zierungen des EB mngrenzen, dann bef~inden sieh die G o 1 g i -Vaeuolen intra- zisternal, die eehten Vaeuolen dagegen extrazisternal (was allerdings seinerseiis noeh zu erhfirten ist!).

6. Wenn es zutrifft, daft st& die eehten Vaeuolen dureh lokale Entmisdmngen der Protoplasten bilden, wtirden sie sietl hierin wesentlich yon den G o 1 g i -Va- euolen unterseheiden.

Die U l t r a s t ruk tu r yon Wurzehner i s temzel len der Erbse 487

Wix" sprachen eingangs yon Yersu&en, den G o 1 g i - Appa ra t dem u a c u o m s&lechthin gleiehzusetzen (vgl. M i l o v i d o v 1957 und die dort zit. Lit.). N a & dem u kann diese Ansicht sdlwerl ich au f red l t e rha l t en werden, wenn man nieht untersehiedslos alle Vacuolen einer Zelle als zum Vaeuom ge- hiSrig erachtet. Es empfiehl t sieh aber, den Begriff , ,Vaeuom" auf die Gesamthe i t der echten Vaeuolen, die bet der wei te ren Entwiek lung letztlieh im Zel lsaf t rauin aufgehen ktinnen, einzusehriinken. - - Da nun aber die E M - U n t e r s u d m n g e n e indeut ig gezeigt haben, daft die G o 1 g i - Vaeuolen nur e i n E lement des G o 1 g i - Appara tes (und nieht e inmal ein wesentliches, wie die D ik tyosomen zeigen) sind, kann man M i l o v i d o v n i e h t z u s t i in m e n, wenn er (S. 100) schreibt: ,,Der Begriff ,G o 1 g i - A p p a r a t ' ha t demnaeh je tz t keine wei tere Exis tenzbereeh t igung mehr, da er keine selbst~indige Zel l s t ruktur darstell t , sondern sieh nur auf eine der Demons t ra t ionsa r t en der Vaeuomelemente in gewissen Zellen g r i i n d e t . . 2'; wohl aber D a 1 t o n und F e l i x (1956 a), die auf Grund ihrer ausgedehnten licht- und e lek t ronenmikroskopisehen U n t e r s u d m n g e n zum Sehlufi kmmnen, der G o l g i - A p p a r a t set als eine der C y t o p l a s m a o r g a n e t l e n e i n e d i s t i n k t e , m o r p h o l o g i s e h e E i n h e i t .

Zu den P 1 a s t e n geh~Sren die Mitoehondrien aT, die Proplas t iden und die Sphiirosomen. t2ber die gegenseit ige Abgrenzung yon Mitoehondrien und Pro- p las t iden herrsehte nach der Liehtmikroskopie eine gewisse Unsieherhei t (vgl. die t2bersiehten bet N e w e o m e r 1951, S t r u g g e r 1955, 1954, S t e f f e n 1955 sowie K i i s t e r 1956); es gab im wesentl ichen drei Ansiehten:

1. Proplas t iden und Mitochondrien sind identisch (Transformat ionshypothese) ; 2. es gibt zweier le i Mitochondrien: Solche, die trainer Mitochondrien ble lben

(inaktive, ap las togene M.) und p las t idenbi ldende (aktive, plastogene) Mitochon- dr ien (Dualif i i tshypothese) ;

3. Proplas t iden und Mitochondrien sind genetisch und morphologisch von- e inander zu t rennen.

Die T rans fo rma t ionshypo these ist seit l~tngerem - - vor a l lem aus a l lgemeinen E r w @ u n g e n - - widerlegt , wie besonders deutl ich G e i t 1 e r (1934) gezeigt ha t as. Die zwei te Hypo these kann verschieden aufgefal~t werden: Wird eine t3bergangs- m~Sgliehkeit der beiden T y p e n bejaht , dann hande l t es sieh um eine Trans for lna- t ionshypothese ; wi rd die gegenseit ige U m w a n d l u n g der T y p e n ausgeschlossen, dann l iegen gegeni iber der dr i t ten Hypothese nu t Unterschiede in der Bezeichnungs- weise vor. Da tibrigens nach vielen (besonders neueren) Ergebnissen zwisdlen Pro- p las t iden und Mitochondrien doch erhebliche Unte r s&iede bestehen (vgl. die Ober- sicht bet S t e f f e n 1955), ha t es ke inen Sinn, die Proplas t iden wei te rh in in i rgend- einer F o r m - - also auch nu t dem Namen nach - - den Mi todmndr ien zuzureehnen.

Bet unsereln Ob jek t fand sich noch ein dri t ter , im a l lgemeinen weniger hhufiger P las tentyp, den wir bier als Z e 1 l k o m p o n e n t e A beze idmen wollen, weil noeh keine U n t e r s u d m n g e n tiber seine eigentliche Na tu r ~orliegen.

~7 Der Ausdruck Mi tod londr ium (B e n d a 1900) wi rd hier an Stelle der sonst in der botanischen Li te ra tu r daf i i r hgufig ve rwende ten Bezeichnung ,Chondr io som" gebraucht. Zur Begrf indung x~gl. N e w c o in e r (1946, 1951).

as Der Beweisf f ihrung G e i t 1 e r s ]iegt a l lerdings zugrunde, daft beziiglich der C h r o m a t o p h o r e n bet F lage l la ten und Algen tatshchlich die ursprfinglichen, bet den hSheren Pflanzen abgelei te te Verh~iltnisse herrschen. Diese Ansicht erscheint - - wenn auch nicht zwingend bewiesen (vg]. v. W e t t s t e i n 1957 b) - - um so viel wahrscheinlicher, als die entgegengesetz te Annahme, daft wir die Trans fo rmat ions - hypothese mi t G e i t l e r fiir nicht ver t re tbar hal ten,

Abb. 16. Mito&ondrien. (Die Pfeile deuten auf Stellen, an denen die Sacculi als Membraneinstii lpungen deutlich sin& die Doppelpfeile auf die Mitochondrien- granula), a: l% ungep. OsO4. 70.000:1. b: Mit Zellkomponente A. OsO4, pH 6.

63.000 : 1.

Abb. 19. Zellkomponente A, a: Lage in der Zelle. Formolfixierung. 25.000 : 1. b: Mit scheinbar punktfSrmigen Innenstrukturen (Pfeil). OsO4, pHS. 50.000:1.


V. Mitochondrien

F i x i e r u n g

Die Labilitgt der Mitochondrien ist bekannt (vgl. die t3bersichten bei R o in e i s: i948, S. 230; R i e s and G e r s e h 1953, S. 28; S t e f f e n 1955, S. 586 f.; G e i t l e r 1955; K ii s t e r 1956, S. 396), besonders ihre leichte Quellbarkeit in hypotonischen Medien (vgl. u. a. B a n g und S j S v a l l 1916; C l a u d e 1966 a, 13; P o t t e r 1966; L e h n i n g e r und K e n n e d y 1948; Z o l l i n g e r 194S; O p i e 196S; D i a n z a n i 1953). Hinzu kommt die bekannte Labilit~it bei der Fixierung selbst infolge des hohen Lipoidgehaltes; es eignen sich nut gewisse Lipoidstabilisatoren, unter ihnen OsO4 und Formol; Formol wird meist in Verbindung mit Chromaten oder Dichro- maten verwendet, doch erh~ilt auch reines Formol die Mitochondrien (Ro m e i s 1912; B a n g und S j 5 v a 11 1916), was sich im Verlauf der vorliegenden Unter- suchung best/itigte.

Die Labilit~it der Mitochondrienstruktur ist auch durch die EM-Untersuchungen tierischer und vor allem pflanzlicher Mitochondrien sehr deutlich geworden; h~iufig zeigt sich nach der iiblichen Fixierung (gepufferte OsO4-LSsungen) und Einbettung im zentralen Bereich eine undeutlich begrenzte, helle Zone. Da diese Aufhellunge~ in den sonst am besten fixierten Zellen meist fehlen, diirfen sie als Artefakte angesprochen werden, die iibrigens eher durch Quellung verursacht sind als durch HerauslSsen bestimmter Substanzen (iiber entsprechende Sch/iden durch postmorta]e Ver~nderungen vgl: S j S s t r a n d und t I a n z o n 1954a; R h o d i n 1954; Z e t t e r - q v i s t 1956). Die Mitochondrien haben nacb den pH-Reihenversuchen mit OsO4- LSsungen bei pH 6 ein Quellungsminimum (P. S i t t e 1957 c); in ungepufferten, t%igen OsO4-LSsungen sind sie gequollen. Der geringste Quelhmgsgrad wird mit Formolfixierung erhalten, doch treten sogar nach dieser Fixierung bisweilen zen- trale Quellungen auf. Umgekehrt hat man aber hierin einen verl~ifllichen Indi- kator fiir den Erhaltungszustand des einzelnen Mitochondriums, der um so will- kommener ist, als oft in ein und derselben Zelle die Mitochondrien verschieden gut erhalten sind.

E r g e b n i s s e

Die Mitochondrien sind kugelig oder ellipsoidisch (Abb. 16a, b sowie, S a), seltener ~-erzweigt, und besi tzen Abmessungen zwischen 0,3 und 1,2/,. ]hre Oberfl~iche i:st g la t t und yon einer nirgends durchbrochenen, d o p p e l t kontur ie r ten M em bran t iberspannt (Abmessungen: vgl. das Schema Abb. 17). Die" mit t lere, hell erscheinende Membran lage und die innere, die (wie die huflerste) ziemlich elektronendicht ist, ragen als 5f ter ungefi ihr rad ia l an - geordnete Membranforts~itze in das Organel leninnere . Die L~inge dieser Forts~itze b e t r @ t e twa 1200 A; ihre Dicke ist an der Basis gering, im Mito- chondrieninneren bis zu 400 A vergrSflert. Die r~iumliche Rekons t ruk t ion ergibt fiir diese Sacculi mitochondriales (vgl. unten) eine f lach-keulenfSr- mige Gestal t . De r eigentliche I n n e n r a u m der Mitochondrien ist yon einer feingranul~iren Mat r ix erfiillt, der Yacuolen fehlen; sie ist meist e lektronen- dichter als das Hya lop l a sma . In ihr finden sich 5t ier kleine, dunkle Bereiche (Durchmesser zw~schen 130 und 400 A, Abb. 16 a, b), die nie den Membranen anhaf ten , sondern immer zwischen den Sacculi m. liegen. - - Die Zahl der Mitochondrien in der Zelle ist sehr betr~chtlich. Sie liegen scheinbar beziehungslos zu anderen Plas ten im C y t o p l a s m a r a u m zwischen Zel lwand und Zellkern, beziiglich des ER extrazis ternal .

Protoplasma, Bd. XLIX/3--4 32

490 P. Sitte


l~ber den F e i n b a u der Mito.ehondrien - - besonders der t i e r i s&en - - exi- s t ier t eine heu te berei ts fas t un t ibe r sehbare L i t e r a tu r ; d a n a & seheint es bei Tieren zwei (al lenfal ls drei) T y p e n zu geben: Wi ih rend bei n iederen Tie- ren, abe r aueh in bes t i lnmten Zellen hSherer Tiere 39 das Inne re yon fe inen S&li iuehen (Tubuli mitochondriales, W o h 1 f a r t h - B o t t e r m a n n 1956) erfti l l t ist, ist bei hSheren Tieren t iberwiegend eine I n n e n s t r u k t u r aus Sehei- ben fes(gestel l t wo.rden (Cristae mitodmndriales, P a 1 a d e 1952 b). Beide T y p e n bes i tzen eine no rmMerwe i se ununte rbroehene , e lek t ronendieh te A u f l e n m e m b r a n ; ihr pa ra l l e l l i iuft - - von i h r du tch e8ne wen ige r diehte

Abb. 17. Schematische Darstellung eines Mitochondriums.

M e m b r a n l a g e g e i r e n n t - - e ine inhere , w i e d e r d u n k l e Sehieht, so dal~ de r E i n d r u e k e ine r D o p p e l - ( g e n a u e r Dre i faeh- ) Mere- b r a n en t s t eh t ( S j S s t r a n d 1953). Nach P a l a d e u n d v i e l e n a n d e r e n U n t e r s u - & e r n s ind dabe i die cristae m. ( abe r aueh die tubuli m., vgl. b e s o n d e r s S e d a r u n d P o r t e r 1955) E i n s t i i l p u n g e n de r i n n e r e n Lage d iese r D o p p e l r n e m b r a n . D i e s e m Be- f u n d w i r d j edoeh y o n S j S s t r a n d und se inen M i t a r b e i t e r n (R h o d i n J954, Z e I- t e r q v i s t 1956) w i d e r s p r o c h e n u n d ange- fi ihrt , die ,,innere~/ M e m b r a n s y s t e m e " (geme in t s ind d a m i t die cristae o d e r tubuli) seien ..... i n d i v i d u a l s t r u c t u r e s w i t h o n l y to- p o g r a p h i c re la t ions to the o u t e r m e m b r a n e " ( S ~ S s t r a n d und H a n z o n 1954a

S. 413); das seheint a l l e rd ings in d iese r F o r m heu te nicht m e h r ve r t r e tba r , denn die Beobach tungen tiber e inen unmi t t e lba ren Z u s a m m e n h a n g der wen ige r diehten Membranmi t te l seh ieh t ( , , ln termeInbranSse Lage" , vgl. D e m p s e y 1956) init der en t sp rechenden ] ,age der Cris(ae (Tubuli) sind zahlre ich u n d gu t belegt 4o

39 Vgl. u. a. P a l a d e 1953, F a w c e t t 1955, P o w e r s et al. 1956; auf einen interessanten Zusammenhang zwischen Aktivitat und Struktur weisen B e 1 t u n d P e a s e (1956) bin. Die tubulare Struktur wird yon P o w e r s et al. (1956) - - wohl mit Recht - - als Grundform (phylogenetis& und ontogenetisch) angesehen. Nach W e i s s e n f e 1 s (1957 b) sollen in jungen Tumor-Mitochondrien cristae und tubuli nebeneinander in derse]ben Organelle vorkommen.

40 Gelegentlich ebenfalls solche Beobachtungen gemacht zu haben, geben S j S s t r a n d und H a n z o n (1954a, S. 406) und Z e t t e r q v i s t (1956, S. 28) zu; Z e t t e r q v i s t bemerkt abet S. 30: ,,This investigation has not provided any evidence supporting the view advanced by P a 1 a d e . . . that the inner membranes are folds projecting from the outer membrane and making contact with it all along" their base." Auf dieses letztere diirfte sich heute die Kontroverse beziehen. Da~ abet die ,,Inneren Membranen, mit den ~iufleren nicht oder nur lose zusammenh~ingen, kann aueh fiir das von uns untersuchte Material nieht aufrecht- erhalten werden (Abb. 16Z).

Die Ultrasfruktur yon Wurzelmeristemzellen der Erbse 491

Naeh den bisher mi t geeigneter Teehnik ausgef i ihr ten Untersuehungen fiber p f l a n z l i e h e M i f o e h o n d r i e n ( P a l a d e 1953, W o l k e n und P a l a d e 1954, L e y o n und v. W e f t s f e i n 1954, T u r i a n mad K e l - l e n b e r g e r 1956, P.. S i t f e 1957a, b, H e i t z 1957, v. W e f t s f e i n 1957 a) zeigt sietl, daft hier Mitoehondrien mit para l le l angeordneten cristae nieht v o r k o m m e n (aul~er bei Pilzen, wenigstens Allomyces, vgl. T u r i a n und K e 11 e n b e r g e r 1956), sondern Innens t ruk tu ren , die morphologiseh zwisehen den tubuli und den cristae stehen ( , ,po&et l ike b ladders" , G r a - n i e k 1955). Die Bezeiehnung ,,Cristae m." (etwa S t r u g g e r 1957 a) isf daher fiir sie nieht ganz freffend (vgl. H e i t z 1957); wir mSehfen dafi ir die Be.ze.iehnung ,,Sar m." (lat. sacculus z Sii&ehen) vorsehlagen.

Ffir die Mitoehondrien ergibt sieh aus unserer Untersuehung ein Aufbau , wie ihn Abb. 17 darstell t . Man sieht, daft sie im wesentl iehen mi t der S t r u g g e r sehen Dm~stellung i ibereinstinrmt (1957 a, S. 103). D a n a & ist das pflanzliehe Mi todmndr ium yon einer doppe l t kontur ie r ten M e m b r a n umhfil l t (ein gegenteiliger, vorliiufiger Befund yon H e i f z wurde yore Au to r naeh weife,ren Unfersud lungen zurfiekgezogen). Durehbreehungen dieser Membran konnten nidlf beobaehtet werden, was jedoch ihr Vorhandense in nieht aussehliel~t ( A n g a b e n fiber eehte Poren sind - - wenn auch ffir andere Objekte , besonders Prot i s ten - - zahlreieh und gut belegt). Die Sacculi m. sind gegen die Ma t r ix hin immer gesehlossen (nieht teilweise often, wie S t r u g g e r in seinem Sehema andeufet) . Ih re Zahl isf re laf iv gering; dies ist als Ausdruek geringer Stoffweehselleistung zu werten, da zwisehen der cristae-Zahl und der Aktivi t i i t der Mitoehondrien ein Zusammenhang zu bestehen seheint (P a 1 a d e 1952 b, P o r t e r 1955, D e m p s e y 1956). DaiS. gewisse E n z y m e an die Membranen der Mifoehondrien gebunden sind, haben neuerdings W a t s o n und S i e k e v i f z (1956a, b, sowie S i e k e - v i f z und W a t s o n 1956) gezeigt (vgl. aueh B e 1 f und P e a s e 1956).

Die M a f r i x ist naeh dem f ibere ins t immenden Urte i l fast aller Autoren homogen oder feinst g ranu la r ( R h o d i n 1954). In der Ma t r ix e ingebet te t liegen - - wie bei t i e r i s ~ e n Mifoehondrien al __ dunkel erseheinende Par t lke l ; die Miigliehkeif, daft es sieh bei ihnen um A r t e f a k t e handel t , w i rd durch ihren Naehweis aueh in pf lanzl idlen Mitoehondrien noeh geringer und man da r t S j i J s t r a n d nnd R h o d i n (1953) zusf immen, die in ihnen reelle S t ruk tu ren sehen.

VI. Deutung der ,,Doppelmembranen"

Ansehliellend an den vorhergehenden Abschn i t t sei versucht, die wieh- t igsten stoffLichen Komponen fen der Mifochondrien bes t immfen S t rukfu ren zuzuordnen. Dabe i wi rd zwar yon den Membransys t emen der Mitochondrien

41 Da eine einheitlicbe Benennung fehlt, werden die versdriedensten Bezeich- nungen fiir diese Parfikeln gebraucht, etwa ,,dark areas" (S j 5 s t r a n d und B h o d i n 1953), ,,opaque spherical bodies" S j 5 s t r a n d und H a n z o n 1954 a), ,,opaque bodies" ( Z e t t e r q v i s f 1956), ,,dark granular areas" ( D e m p s e y 1956; diese Bezeidmung beschreibt das Aussehen am treffendsten), ,,mifochondrial granules" (W a t s o u und S i e k e v i t z 1956 a) usw.

32*

-492 P. Sitte

a u s g e g a n g e n w e r d e n ; doeh s ind die a u f t r e t e n d e n P r o b t e m e a l l geme ine r u n d d i i r f en dahe r in e inem w e i t e r e n t l a h m e n disknf ie~t werden . Es ist freilieh im A u g e zu beha l t en , dM] a n d e r e S-ysieme ande r s g e b a u t sein ktJliiien; fi ir die a - C y t o . m e m b r a n e n ha t S j ti s t r a I I d bere i t s 1955 e ine kompl i z i e r t e r e S t r u k t u r fi ir mtiglich eraehiet , als sie die , , D o p p e l m e m b r a n e n " besitzeli .

[Jber die s t o f f t i e h e Z u s a m l n e n s e t z u l l g d e r M i t o e h o n d r i e n wissen wit einiges Weiiige dllrcll die Analyse yon Gewebehomogenisateii, die dutch die Zentrifuge fraktioiiiert wordeii waren 4-~. Nach den Untersuehungen yon S t a f- f o r d (1951) an Pisuin-Mitoehondrieii enthalten diese - - iii prinzipieller t3bereiii.- stiininuiig Init den Ergebnissen an gaiiz andereii Objekten (vgl. die Zusamineii- stellung bet F r e y - W y s s 1 i n g 1955) - - 30--40% Protein, etwa .50% Lipoide und his t% PNS (tierisehe Mitoehondrien zeigen hiihere Proteinwerte - - 6 0 his 70%; die Lipoidwerte sind vergleiehbar). Phosphatide Inaeheii bis tiber die H/ilfte der Lipoide aus (naeh L e u t h a r d lind E x e r 1955 fiir Ratteiilebern sogar zwei Drittel; vgl. jedodl aueh F a u r 6 - F r e in i e t 1946!). Der PNS-Anteil ist nach neueren Unter- suehungen gering 4a; dal~ PNS viJllig abwesend ist, ist unwahrseheinlieh, sowohl aus allgeineinen Erw/igungen wie audl naeh den Analyseresultaten (vgl. S t e f f e n 1955); IIadl Z o 11 i n g e r (1950) liJsen sieh im Mitoehondrieiiinneren liegende, dunkle Kiirper (er niitersuehte t{oinogeiiisate!) dutch PNase auf, nidlt abet die Membraii.

Welchen S t r I Ik t u r e I1 lassen sidl die gefundenen Konstituenten zuordnen? Sowohl Proteine wie Lipoide iniissen erheblidle Voluinanteile ausinaeheii und daher in solehen Struktureii angereid~ert oder aussehliel~lieh ~ertreten sein % die .ebenfalls erhebliehe Volumsanteile ausinaehen; als solche sind bekannt:

1. die Matrix; 2. die (wenigsteiis naeh OsO4-Behandlung) elektronendiehten Meinbranlagen: 3. die mittlere Meinbranlage mit In~il~igein Elektronenstreu~erintigen. Die 3/[ a t r i x besteht wohl vorwiegend aus Proteinen, da etwa 60% des Pro-

teiiigehaltes der Mitodmndrienfraktion in l~islicher Form fret werden, wenn die Meinbranen dutch Ultrasehall zerst6rt werden (vgl. H a as 1955); dal] die Matrix xdelfach (jedoeh nicht iinmer, -r H e i t z 1957) didlter erseheint als das Hyalo- plasma, war naeh den Ergebnisseli der Zentrifugierung zu erwarten: Naeh B e a in s und K i IIg (1939), H a r v e 3~ (1956) u. a. bewegen sieh Mitoehondrien trotz ihres hoheii Lipoidgehaltes zentrifugal im Plasma. Danaeh Intissen die Lipoide wenigstens tiberwiegend in der 3/[ e In b r a n lokalisiert sein, die abet aueh Eiweil~ eiit- h~ilt (vgl. W e b e r 1952, 1954,; F a r r a i i t et al. 1953; M t i h l e t h a l e r et al. 1950; aueh naeh IIeuereii Homogenisataiialysen - - vgl. S i e k e v i t z uiid W a t s o n 1956 - - besteht die Meinbranfraktion aus Proteinen und Lipoiden). Es erseheint zu- ngehst umniJg]ieh, die 30% Lipoide in den dunklen (oder hellen) Meinbranlagen

42 Zur Methodik vgl. etwa die bei N e w e o I n e r (1951), S c h n e i d e r (1955), P e r n e r (1953}, F r e y - W y s s l i n g (1955), H a a s 1955) lind S t e f f e i 1 (1955) zit. Lit. Die Kritik P e r IIe r s geht wohl - - so begrtil~enswert sie an ulld ffir sic'h ist - - zu weir und Inag ffir die ,,Mitoehondrienfraktion" pflanzlieher Gewebe eher zutreffeii als fiir die tieriseher. Es ist ja neuerdings mehrfaeh IIaehgewiesen worden, dal~ sieh Init geeigneten Methoden tats~iehlieh sehr reiiie Fraktionen erhalten lassen, und beiin t3berbliek tiber die neueren Ergebnisse wird trotz aller Untersehiede im Detail doeh grnnds~tzliehe 13bereinstiininung deutlieh.

as Dies geht nicht nur aus den Zentrifugatanalysen hervor; es fehlt aueh UV-Absorption I1nd F~irbbarkeit Init Pyronin (3/[ o n n 6 1948). 4

44 Daf~ sie sieh gegenseitig ohne Ordnung (inolekular) durd~dringen, ist naeh den bekannteii physikoehemischeii Eigensehaften der Komponenten anszuschliel~en.

Die Ultras~ruktur yon Wurzelmeristemzellen der Erbse 493

,,unterzubringen", doch kann dies nad~ ether rohen t~berschlagsrechnung gut m~g- lich sein, wobei wir uns auf die bekannten Analysenresultate einerseits (27,4% Lipoide, B a r n u m Und H u s e b y 1948), auf die elektronenoptische Untersudmng der entsprechenden Lebermitochondrien andererseits (P a t a d e t953) beziehen. Der Radius der kugelig gedachten Mitochondrien ist demnach mit 0,3 ~ anzunehmen, die Zahl der crisgae pro Mitochondrium mit 10; fiir die cristae wird wetter angenommen, dai3 sie bet radialer (raedianer) Stellung jeweils das Organelleninnere zur H/ilfte durdxtrennen~. Dann ergibt sich fiir das Mitochondrienvolumen 0,108 ua, fiir die Fl~ichenerstreckung etwa der dunklen Membranlagen ca. 5 ~ , das Volumen dieser Lagen (Dicke 0,00~5 #) zu 0,0275 #~, so daf~ also das ,,Lipoidvolumen" 25,4% des Gesamtvolumens ausraachi; dies bedeutet unter Beriicksid~tigung der unsicheren Annahmen und der Dichteverh~iltnisse gute ~bereinstimmung mit den Analysen- resultaien.

Die Berechnung zeigt also~ daI~ die Lipo~de in Membran lagen lokalis ier t sein k 6 n n e n, kann aber nichts dar i iber aussagen, ob sie in der helleren Mittelschicht oder in den dunke l erschei- nenden G r e n z l a g e n v o r k o m m e n (die Mit- telschicht ist z w a r n u r einfach, daf i i r abe r dicker). Nun ha t S j i S s t r a n d (1955) in An lehnung an Membranmode l l e , die D a n i e 1 1 i (1956, 1951) nach den Er- gebnissen i n d i r e k t e r V e r f a h r e n erstel l te , die , ,Doppehnem branen" fo lgend gedeutet : Die dunk len ~iul~eren M e m b r a n l a g e n sind P r o t e i n f i l m e , die im Schnitt hel l e rscheinende mi t t l e re Schicht bes teh t urspr i ingl ich aus L i p o i d e n, die a b e t whhrend der E inbe t t ung te i lweise ausge-

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[ ] Lipoid ~Pro te in

Abb. 18. Schematische Darstellung der Stoff-zerteilung in Dreifach- membranen (Querschnitte). a: Nach S j ~ s t r a n d . b: Nach bier

vorgetragener Ansicht.

waschen werden. Diese Deu t ung wurde ziemlich a l lgemein angenommen (vgl. indes auch F r e y - W y s s l i n g 1955, S. 80I). Wir verm6gen uns ihr aber n i c h t anzuschliel~en und m~chten eher (in Anlehnung an H e s s und L a n s i n g 1955 sowie M e n k e 1957 a und S t o e c k e n i u s 1957) aus gleich zu eri~rternden Gri inden eine umgekehr t e Deu tung zur Diskussion stellen, wonach die s ta rk e lek t ronens t reuenden huf~eren Membran lagen ,:on Lipo- iden ge'bildet sind, die in t e rmembran~se Lage yon Prote in (vgl. Abb. 1S).

An der Deu tung S j i5 s t r a n d s iJberrascht vor allem, daft die i m EM- Bild hellen Membran lagen ,,a mul t i l aye r of l ip id molecule:s" (1. c., S. 32) darstel len so]len, well bekann t ~sf, dal~ gerade viele Lipoide s t a rk mi t OsO~ reag'ieren 4~. Es f~illt tatshchlich auf, daft die fiir ihren hohen Lipoidgehal t bekann ten Teile der Zelle nach OsO~-Behandlung im EM auf fa l l end dunkle Par t i en enthal ten; aus der Lichtmikroskopie w a r fiir die gleichen Teile Schw~irzung durch Os-Verb indungen bekann t ~6 (Lipoidt ropfen; Chloro-

45 Beziiglich der dabei auftretenden, charakteristischen polarisationsoptischen Verh/iltnisse vgl. die t~bersicht bet I-I a a s (1955, S. 167) und die dort zit. Lit.

4s Freilich hat die in-oitro-Untersuchung der Reaktion yon OsO4 (B a h r 1954~ gezeigt, daI~ OsO4 kein allgemeines Fettreagens ist, wie man friiher oft annahm. Paraffine und viele Triglyceride reagieren nicht mit OsO4, und so erkl~iren sich

494 P. Sitte

p l a s t e n sowie das C h r o m a t o p l a s m a bet B l a u a l g e n - - vgl . N i c k 1 o w i t z u n d D r e w s 1956, 1 9 5 7 - - ; M e m b r a n b e r e i c h e de r G o l g i - Z o n e n ; Tono- p l a s t u n d P l a s ~ n a l e m m a ; M i t o c h o n d r i e n ; be t T i e r e n d i e M ye l i n sc he ide n , d i e in d e r B o t a n i k in den a r f e f i z i e l l en M y e l i n f i g u r e n - - P. S i t t e 1 9 5 7 b - i h r Ge :gens t i i& haben ) . D i e e i n f a c h s t e A n n a h m e zu r D e u t u n g d ie se r S t r u k - t u r e n ist , daft d i e L i p o i d e in den f i i r d ie E lek t ro ,nen w e n i g e r durch l i i s s igen Schichten l o k a l i s i e r t s i n & d a solche p r a k t i s c h n u r be t h o h e m L i p o i d g e h a l t a u f i r e l e n . O d e r abe~r m a n k o m m t z u r w e n i g e r e in f aehen A n n a h m e , daft in d e r u n m i t t e l b a r e n U m g e b u n g yon L i p o i d s c h i c h t e n i m m e r ( u m g e k e h r t a b e r irn w e s e n t l i c h e n n u r h i e r) P r o t e i n e a u f t r e t e n , d ie O s O , k r i i f t i g zu r e d u - z i e r en v e r m i i g e n ~r. D i e z w e i i e A u f f a s s u n g scheint a b e r - - w e n i g s t e n s f i i r b e s t i m m t e F h l l e - - w i d e r l e g b a r . So g ib t es e t w a i m F a l l e d e r C h I o r o - p l ' a s t e n m e h r e r e H i n w e i s e da f i i r , daft d i e L i p o i d e in den d u n k e l er- s che inenden Schichten l o k a l i s i e r t s i n& Die s w i r d h e u t e auch a l l g e m e i n a n g e - nom~nen (vgl. W o l k e n u n d S c h w e r t z 1953, F r e y - W y s s l i n g u n d S t e i n m a n n 1953, H o d g e et al . 1955 as, M e n k e u n d M e n k e 1956). D i e wesen i l i ch s t en a l l g e m e i n e r e n G r i i n d e h i e f i i r s i nd (P. S i t t e 1955 c):

1. Zumindest ein Tell der Proteine, die jeder Chloroplast enthiilt, mul3 s tark hydraf is ier t sein (fiber den Wassergehalt der Plast iden vgl. M e n k e und M e n k e 1956). Solches Protein erscheint im EM erfahrungsgem~l~ hell. Die bekannte Quell- barkei t der Chloroplasten (vgl. n. a. S t r u g g" e r 1947) beruht nach eigenen elek- tronenaptischen Untersuchungen auf einem Aufquellen der im Schniit hellen Schichten, die demnach aus Pro@inen bestehen (eine Quellung yon Lipoiden in w~isserigen Medien ist nur unter Bildung leicht kenntlicher Myelinfiguren m~iglich, die aber bier hie nachgewiesen werden konnten).

2. Nada S t r u g g e r (1947) u. a. wird Stiirke - - ihren physikochemischen Eigen- schaften entspre&end - - ausschliel~lich in den Proieinschichfen gebildet (auch in den Proplast iden erfolgt die Sti irkekondensation im proteinischen Stroma). Die Siiirke ist hie in den dunklen, sondern immer in den hellen Sdfichten gelagert.

3. "Die St ruktur der hellen S&ichten ist der des Grundplasmas ~ihnlich (L e y o n 1953).

4. Die Grana fert iger Chloroptasten erscheinen im Schnittbild meist auffa l lend dunkler (dutch Verzweigung oder Verdickung der dnnklen Lagen, vgl. v. W e t t- s t e i n 1957 b) als die Stromaberei&e; sie sind als besonders l ipoidreick liingst erwiesen und lassen sich beispielsweise mit l ipoiden Farbstoffen f~irben (W i e 1 e r 1956, S t r u g g e r 1956) ; das Chlorophyl l ist ausschliel~lich (M e t z n e r 1957) oder doch ,vorwiegend (H o d g e et al. 1955) in ihnen lokalisiert. Ahnliches gilt auch fiir das Plast idenzentrum der Proplastiden.

Eiiotierten Plast iden und Lenkoplasten fehlen die dunklen Schichtensysteme.

auch die (fibrigens auff/il l ig wenigen) Befunde fiber Fei i t ropfen, die im EM nach OsO4-Behandlung hell ersdminen (v. W e t t s f e i n 1957 a). Doch reagieren viele Lipoide sehr kriif t ig mit OsO4; dies zeigen die Myelinfiguren sehr eindringlich.

47 Diese Auffassung wurde iJfter vertreten (z. B. yon H o d g e et al. 1955, die sich fiir ihr Objek t - - Chloroplastenlamellen ,con Z e a - - immerhin atff einen hohen Schwefelgehalt des Proteins berufen konnten).

4s Auf die interessanfe Deutung, die H o d g e et al. (1955) ffir die einzelnen, yon ihnen nachgewiesenen feineren Lagen der dunklen Schichten (P-, L-, C-Zonen) geben, kann hier nicht eingegangen werden.

Die Ultrasfruktur yon Wurzelmeristemzellen der Erbse 495

Ffir die Chloroplas ten erscheint also die verbre i te te Ansieht, daft die o s m i o p h i 1 e n Schichten zugleich die 1 i p o i d h a 1 t i g e n sind, unaus- weichlich. Noch k la re r zeigen dasselbe die bereits e rwahn ten und besproche- hen artefiziellen M y e 1 i n f i g u r e n 49. Sie bestehen aus abwechselnden Sehiehten -r Tonoplas ten-Lipo iden und Wasser und zeigen im Schnitt er- wartungsgemiif i feins~e Sehiehtensysteme 50, wobei Lagen sehr ge r inger Elek- t ronen t r anspa renz mi t leieht durchs t rah lbaren weehseln. ~3ber die Annahme, die wasser igen Schichten f a t t e n mi t OsO4 k ra f t ig reagiert , w a h r e n d sich die lipoSden iner t ve rha l ten f a t t en , ist kein Wor t zu verlieren. Diese Myelin- figuren zeigen demnach zweierlei:

1. N a t i v e L i p o i d e r e g i e r e n m i t O sO4 s e a r k r a f t i g (wesentlieh s tarker , als yon i rgendeinem EiweifikiJrper bekann t ist);

2. im fer t igen Schnitt sind wenigstens die en /s tandenen Os-Verb indungen nodl enthal ten.

D a m i t sind die zwei wesentlichsten P u n k t e der Kr i t ik an der yon H e s s und L a n s i n g (1953) und uns vorge t ragenen Ansicht fiber die Lokal isa t ion der L ipo ide unhaltba1". D e r eine betr i ff t die yon B a h r (1954) in oitro ge- maehte E r fah rung , daf~ manche Lipoide nieht so k ra f t ig mi t OsO~ reagieren wie erwarfet , umgekeh r t abe t manche Prote ine wesentl ich s tarker , als zu erwar ren stand. B a h r selbst ha t al lerdings davor gewarnt , die in der Eprou- ve t te e rmi t te l ten Reakt ionsweisen unmi t t e lba r mi t jenen in der Zelle zu vergleiehen. Tatsachlich da r t In. E. vor al lem ein Ums tand nieht i ibersehen werden: B a l l r untersuchte die Lipoide in 0,1 tool. L6sungen in Tetrachlor- kohlenstoff, die Eiweifie, deren Molar i ta t einen sehleehten Anha l t fiir die Zahl der r eak t iven G r u p p e n gibt, in 5%igen LiSsungen in Wasser. D a die S ta rke der Reak t ion abe t yon der Konzent ra t ion der Reak t ionspa r tne r ab- hangt , ist zu beriicksiehtigen, daft in oioo die Eiweifie fast ausnahmslos s t a rk hydra t i s i e r t (gewissermafien mi t Wasser verdiinnt) vorliegen, dagegen die L i p o i d e i m m e r u n v e r d i in n t (wenn sie in Wasser quellen, bilden sie Myelinfiguren, deren Lipoidschichten abe t w iede rum kein Wasser enthal ten) . Danaeh ist zu erwar ten , daft die L ipo ids t ruk tu ren mit OsO4 s ta rker reagieren als die aus Pro teinen gebilde~en, was die Myelinf iguren bestat igen.

De r zweite P u n k t betr i ff t die bekann te Erseheinung, daft Lipoide wahrend der En twasse r tmg und Einbe t tung ausgewasehen werden kiSnnen. Es scheint abe t nicht, daft S j i i s t r a n d s (1953) an und ffir sieh durchaus be-

4~ Diese nur aus Wasser und Lipoiden bestehenden Myelin f i g u r e n sind fiir die Kl~irung des Problems wesentlieh besser geeignet als die proteinhaltigen Myelin- s c h e i d e n. Fiir letztere wird tats~ichlich die Mtigliehkeit diskutiert, die durch Os-Verbindungen dunklen Lagen seien die proteinischen (B a u e r und H a g e r 1957). Diese Ansicht besteht aber sehwerlich zu Recht; kiirzlieh hat ihr S t o e c k e n i u s (1957) mit schwerwiegenden Argumenten widersprochen.

50 Die Schichtenperiode ist geringer als bet Myelinfiguren aus tierisehen Lipoiden (4.5--50 A, nach S t o e c k e n i u s 1957) ; dies weist darauf hin, dal~ die bet Pflanzen vorherrschenden Lipoide kiirzerkettig sind; so erkl~irt sich auch zwanglos die ge- ringere Dicke der 7-Cytomembranen (~0 A, gegeniiber mindestens 60 A bet Tieren).

496 P. Sitte

reehtigte Bemerkung, die Lipoide der D o p p e l m e m b r a n e n seien ,,... partiall-y dissolved during the embedding" , die leiehte Durehs t rah lba rke i t der mi t t - ]eren Membran lage erkliiren kann. Wenn aueh Lipoide (iibrigens aueh Pro- teine) whhrend der E inbe t tung ex t rah ie r t wevden, was a:ueh naeh eigenen E r f ah rungen .~1 nieht bestr i t ten werden kann, so ist doeh eine Ex t r ak t i on der an ihnen ents tandenen Os-~rerbindungen nieht nur aus theoretisehen Griin- den, sondern a u & naeh der E r f a h r u n g an den Myelinf iguren (aber a u & Lipo id t ropfen usw.) ausgesehlossen.

Die Diskussion kann nunm ehr wohl beendet werden mi t der zusammen- [assenden Feststellung, daft die yon S j 5 s t r a n d (1953) vo.rges&lagene Deu tung der , ,Doppe lmembranen" wahrseheinlieh nieht zutrifft, dal~ vielmehr wohl die d u n k l e n M e m b r a n l a g e n l i p o i d i s e h sind, die h e l l e n dagegen aus P r o t e i n e n bestehen.

VII. Zellkomponente A

Neben Mitochondrien und Prop las t iden finden sich in wechselnder (meist re lat iv geringer) Zahl noeh weitere Plas ten (vgl. Abb. 19a, 4, S c, d, 11 b, 14 a, 16 b, 23 a), die besonders naeh Formolf ix ierung gut erhal ten seheinen. Sie sind iihnlieh wie die Mitoehondrien geformt, aber kleiner (Durehmesser zwisehen 1800 und 2600 A), aulqe.rdem yon ether e i n f a e h e n, osmiophilen, g la t ten und po~enfreien Membran umschlossen. Il lr Inneres ersdaeint dichter als die Mat r ix der Mitochondrien und meist ohne. auf l t isbare St ruktur , mit- un te r granular . In einigen Fal len konnten in ihren~ Inneren verschiedene S t ruk turen ( , ,Punktreihen", vgl. Abb. 19b; oder melnbrantise Elemente) gefunden weeden, s~ daI~ ihre Unterscheidung yon kleinen Mitochondrien mi tun te r Sehwie.rigkeiten maeht.

Die Bedeutung dieser Zellkomponente ist schwer abzuscll/itzen. Sie weist morphologische Beziehungen zu den aus tierischen Zellen beschriebenen , , m i e r o - b o d i e s" auf, die ebenfalls eine einfache osmiophile Membran und ein dichtes, strukturloses oder ~erschieden strukturiertes Inheres besitzen und yon manehen Autoren als u der Mitoch, ondrien angesehen werden (vgl. t /o u i 11 e r u n d B e r n h a r d 1956 mid die dort zit. Lit.). Wieweit es sich - - was die eben be- rfihrte DeutungsmiAglichkeit nicht ausschlieflt - - urn S p h/i r o s o m e n (P e r n e r 1955) handelt, kann -r nicht gesagt werden. Biochemisehe Untersuchungen stehen noch aus. Morphologiseh besteht eine gewisse Ahnlichkeit, doch wird fiir die Sphiirosomen eine doppelt konfurierte Wand angenommen (S t r u g g e r 1957 a).

VIII. Proplastiden

Fixierung

Die Proplastiden sind noch fixierungslabiler als die Mitochondrien; die starke Quellbarkeit ist sehon aus der Lichtmikroskopie fiir Proplastiden und auch fertige Chloroplasten bekannt (H e i t z 1936, S t r u g g e r 1947, 1955), wobei die Quellung im wesentlichen osmotisch erfolgt und pH-abh/ingig ist (Me r c e r et al. 1955, fiir

51 OsO4-fixierte Chloroplasten yon Mnium undulatum verlieren ihre griine Farbe in den hohen Alkoholstufen und im Monomer. Ahnliches beobachteten H o d g e et al. (1955) an Mais-Chloroplasten.


Nitella). Nach S t r u g g e r (1950) ist vornehmlieh wegen schlechter Fixierung das Prim/irgranum nicht sehon friiher entdeckt worden. S t r u g g e r (1953) h~ilt - - wohl mit Recht - - rasehes Eindringen der Fixantien [iir wesentlich, sowohl bet 2%iger OsO4-Ltisung wie bet L e w i t z k y s Gemiseh (Formol + Chromtrioxyd). Eine eingehendere lichtoptische Untersuchung stammt yon G r a v e (1954); sie finder, dan sich intravitale Zellseh/idigungen zuerst an den Proplastiden zeigen; OsO 4 und A 1 t m a n n s Gemisch (OsO4 2% und K.~Cr207 3%, 1:1) fixieren gut, Formol mit Zusatz yon CaC12 ,,ausreichend". Bemerkenswert scheint, daft gegen- fiber Lipoidlbsungsmitteln die ,,Prim~irgrana" stabiler sind als die Grana der fertigen Chloroplasten.

Nach eigenen Erfahrungen ruff ungepufferte, l%ige OsO4-LiJsung extreme Vei~ quelhmg hervor; dureh geringen Rohrzueker- zusatz kann die QueHung verhindert und Sehrumpfung hervorgerufen werden (bereits bet Molarit~it 0,2), wozu allerdings die Mole- kiilgrtifie der Saceharose erforderlich seheint (bet Harnstoff etwa geniigt eine Molarit/it yon 0,5 noeh nieht, die Quellung zu verhin- dern). Der Quellungszustand ist aufierdem erwartungsgem/if pH-abh~ingig; wie bet den Mitochondrien liegt auch hier das Quellungs- minimum bet pH 6.

Die mit Abstand besten Bilder ergaben sich naeh F o r m o l f i x i e r a t n g (ohne Ca++- Zusatz; doeh mag leicht seth, daft ein solcher Zusatz sich giinstig auswirkt): Das Propla- stideninnere ist dann dieht und homo,gen, ohne Anzeiehen yon Quellung oder Schrump- tung.

Die Membranen verquellen nie. Dies kann abet ein insoweit Sekund~irer Effekt sein, als unter jenen Bedingungen, unter denen die Membran quellen ki~nnte, auch der Prophistid quillt und die Membran dehnt. Die kleinen Lipoidtropfen im Proplastideninneren sind auch nach OsO4-Fixierung ausnahmlos als kugeli~e', nicht verformte TrSpfehen erhalten.

E r g e b n i s s e

Die P r o p l a s t i d e n s ind r e l a t iv grol~ u n d f o r m v e r h n d e r l i c h ; von l angges t r eck - t en (L~inge bis 4,6 tl, Bre i t e 0,25 , ) bis zu k u g e l i g e n F o r m e n (mi t t l e r e r Durchmesse r 1,2#) l inden sich alle ~be rghnge . Sie sind yon einer poren- losen, glat ten, doppe l t kon t u r i e r t e n M e m b r a n umhii l l t (Abme:ssungen: vgl. Abb. 20). Das Inne re ist yon einer re la t iv dichten f e i n g r a n u l a r e n M a t r i x erfiillt , in der verschiedene Einschliisse v o r k o m m e n ; Vaeuolen f[ihrt sie nieht - - aul~er solehen, die S thrke enthal ten . Diese hell e rseheinenden S t h r k e - k i5 r n e r s ind oft recht au f fa l l ig und weehseln s ta rk in Zahl und GriStle,

Abb. 20. Schematische Darstellung eines Proplastiden mit St~irke- ktirnern (oben, teilweise gesehieh- tet, eines mit ZentralkiJrper), Lipoidtropfen und Makromole- kiilen, die grti~tenteils im Plasti- denzentrum (unten) vereint sind.

498 P. Sitte

s ind me i s t a m d i h e r n d k u g e l i g ( iedigl ieh be t D i c h t l a g e ka n t i g ) u n d ohne s i eh tba re M e m b r a n ; sie e rsehe inen m i t u n t e r f e ine r ode r g rSbe r gesehiehte t (Abb. 21 a, b) u n d e n t h a l t e n b i s w e i l e n d u n k l e I n n e n k S r p e r (Abb. 21 e). Mi t - m i t e r f inden sieh in d e r M a t r i x aueh m e m b r a n S s e E l e m e n t e (Abb. 22 a) o d e r k l e i n e Bli isehen (Abb. 22b); w i e w e i t es sieh d a b e i u m A r t e f a k t e h a n d e i t , k a n n vo re r s t n ieht abgesch i i t z t w e r d e n ; d iese E l e m e n t e w a r e n n u t h a & O s O , - F i x i e r u n g deu t l i eh u n d f a n d e n sieh n u r in g e q u o l l e n e n P r o p l a s t i d e n . D i e M a t r i x en th i i l t f as t a u s n a h m s l o s aueh k l e i n e L i p o i d t r o p f e n ( A b E 22 c, D u r e h m e s s e r zwisehen 200 u n d 700 A, M i t t e l 470 A). In v i e l en P r o p l a s t i d e n f inden sieh a u ~ e r d e m e x t r e m o s m i o p h i l e u n d d a h e r t ro tz i h r e r K l e i n h e i t u n d u r e h s t r a h l b a r e g i o b u 1 ~i r e M a k r o m o 1 e k i i 1 e (mi t t - l e r e r D u r e h m e s s e r 58 A, vgl. A b b 22 d) ; me i s t s ind sie in de r M a t r i x an be- s t i m m t e n S te l l en (v ie l faeh zen t r a l ) zu d ieh ten Massen yon e t w a 0,3 # D u r e h - messe r gehi iuf t , m i t u n t e r a b e r aueh e inze ln ode r in k l e i n e r e n G r u p p e n in de r M a t r i x ve r t e i l t ; u n t e r sieh h i ingen sie in k e i n e r W e i s e z u s a m m e n . Sie l i n d e n sieh v ie l f ach n e b e n L i p o i d t r S p f e h e n u n d S t i i r k e k S r n e r n im gle iehen P r o p l a s t i d e n - - e ine g e r w e e h s l u n g d iese r E l e m e n t e is t viSllig ausgesehlossen . E i n e b e s o n d e r s regelmii l3ige Anor ,dnung naeh A r t de r G i t t e r p u n k t e e ines K r i s t a l l s k o n n t e nieht f e s tges t e l l t w e r d e n .

D i e P r o p l a s t i d e n l i egen e x t r a z i s t e r n a l hi iufig in de r Ni ihe des Z e l l k e r n s u n d w e i s e n k e i n e au f f i i l l i gen L a g e b e z i e h u n g e n ztt a n d e r e n Z e l l k m n p o n e n - t en auf .


Die genaue Untersu&ung der Proplast iden war besonders wi&tig, weil - - mit v. W e t t s t e i n (1957 a) zu sprechen - - , . . . . trotz weitgehend t ibereinstimmender elektronenmikroskopischer A b b i l d u n g e n . . . " , . . . . im Augenbliek so viele Auf- fassungen wie M6gliehkeiten ~ tiber die Kontinuit~t des ~on S t r u g g e r auf- gefundenen Prim8rgranums bestehen.

S t r u g g e r s (1950) ursprtingliche Annahme (naeh liebtoptischen Untersuehun- gen an Draeaena, Agapanthus und Crinum) geht damn, daft sieh (lie Proplast iden dureh den Besitz eines scheibehenfSrmigen ,,P r i m ~i r g r a n u m s" auszeiehnen, das sieh zu teilen vermag und als , ,Plastidogenkomplex" bezeiehnet wird; es ist . . . . . in den lebenden Mesophyllzellen aus der Basis sehr junger B l~ t t e r . . . " (1. e., S. 166) mit RhodaminB f/irbbar und dadureh im ungef~irbten Stroina sichtbar; an ihm erfolge auch die Chlorophyllbi ldung.

Die Existenz eines , ,Prim/irgranums" konnte - - wenigstens ftir bestimmte Stadien der Plastidenentwicklung - - yon sehr vielen Autoren an x-ersehiedensten

Abb. 21. St~irkekSrner. a: Mit feiner Schidltung. 1% ungep. OsO4. 40.000:1. b: Mit schichtenweiser Einlagerung dunkler FremdkSrper (?). 1% OsO4, pH 3,8 (!).

40.000:1. c: Mit zentralem KSrper. Os()4, pH 7,2. 56.000:1.

Abb. 22. Einschliisse yon Proplastiden. a: Lamellen in verquollenem Proplasi id. OsO4, pH 7,2, 46.000:1. b: B1/isehen aus verquollenem Proplastiden. OsO4, ungep., 0,4 mol. (Urea). 65.000:1. c: Lipoidtropfen (L) neben Plast idenzentrum (G). For- inolfixierung. 75.000 : 1. d: Makromolekiile aus Plastidenzentrmn eines verquollenen

Proplastiden. 1% ungep. OsO4. 130.000:1.

Die U l t r a s t r u k t u r yen W u r z e l m e r i s t e n i z e l l e n der Erbse 499

500 P. Sitte

Objekten im Lieht -a~ und Elektronemnikroskop aa na&gewiesen werden. Der ursprtinglidl yon d e D e k e n - G r e n s o n (1954) vorgebrachte Einwand, es kiinne gerwe&slung mit Stiirkeeinsehltissen vorliegen, war yon vornherein unwahrs&einlieh und tats~i&lieh in keiner Weise stiehhaltig (P. S i t t e 1954, c).

Wesen t l i eh he ik le r ist die F r age naeh der u n m i t t e 1 b a r e n S t r u k - t u r k o n t i n u i t i i t der , ,P r i ln i i rg ranen" ; nach S t r u g g e r s Ansichf (1950) sol l ten die pr im~iren G r a n a in j e d e m S t a d i u m der P r o p l a s t i d e n e n t w i e k - h m g naehwe i sba r sein, wei l sic sieh du tch T e i l u n g v e r m e h r e n u n d bet der P l a s t i d e n t e i l u n g jewei ls we i t e rgegeben w e r d e n ; fe rner sol l ten die , ,sekun- d~iren" G r a n a den p r i m i i r e n wesensgle ieh seth, da sic ebenfa l l s a u s d i e s e n d u r c h T e i 1 u n g h e r v o r g e h e n. Beide P u n k t e s ind zur Zeit kon t ro - vers. U b e r den z w e i t e n w e r d e n wi r b ier insowei t nieht wet te r zu h a n d e l n haben , als j a im R a h m e n dieser U n t e r s u e h u n g e n die E r g r i i n u n g s s t a d i e n nieht unfersueht w u r d e n ; naeh f r t ihe ren Beobaeh tungen a n j u n g e n Sepa len yon Diplotaxis (P. S i i t e 1954 c) ergab sieh jedoeh in l ~ b e r e i n s i i m m u n g mi t a n d e r e n A u t o r e n (L e y o n 1953, 1954 a, b, 1956, M ii h 1 e t h a 1 e r 1955 b, t956/57, P e r n e r 1956 b, e, v. W e t t s t e i n 1957 a, b), dal3 die , ,sekundii- t en" G r a n a mi t den p r i m i i r e n weder gestal tgleich s ind noeh u n m i t t e l b a r aus i h n e n he rvo rgehen ; viel 'mehr waehsen aus dem , , P r i m i i r g r a n u m " Lamel - len aus, wobei es naeh u n d naeh ve rb raueh / wi rd . A n den e n t s t a n d e n e n L a m e l l e n b i l d e n sieh d a n n die e igent l iehen G r a n a 54

D ie h ier g e f u n d e n e n P 1 a s t i d e n z e n t r e n 55 un i e r sche iden sieh f u n - d a m e n t a l yon solehen, die yon a n d e r e n P f l anzen aus der Sprol~region besehr ieben s ind (vgl. i ib r igens aueh S t r u g g e r 1957 d!); w h h r e n d b ie r atteh

52 S t r u g g e r (1955, 1954); H e i t z und M a l y (1953); P e r n e r (1954): G r a v e (1954.); B a r t e l s (1955); B 6 i n g (1956); S t r u g g e r und L o s a d a - V i l l a s a n t e (1956). In etwa auch D i i v e l (1954).

53 p. S i t t e (1954e, 1957a, b); L e y o n (1953, 1954a, b, 1956); H e i t z (1954); M i i h l e t h a l e r (1955b); S t r u g g e r und P e r n e r (1956); P e r n e r (1956a, b, c); S t r u g g e r (1957d); v. W e t t s t e i n (1955, 1957a).

54 Dies zeigt, da~ die Benennung als ,,Plastidogenkomplex" verfrtiht war; selbst- verst~ndlieh ist auch heute (also unter der Annahme, dal~ das Primiirgranum bet der Plastidenentwieklung nieht persistiert) n i e h t gesagt, dal~ dem Prim~irgranuln erbwirksame, den Genen des Kerns in etwa vergleiehbare Strukturen fehlen, denn der Begriff der Strukturkontinuit / i t kann in der Genetik sehr weit gefafit werden (vgl. u. a. P. S i t t e 1957 d). Auflerdem ist mehrfach gezeigt worden, daft die Ent- wicklung der Plastiden monotrop ist (vgl. besonders F r e y - W y s s 1 i n g e t al. 1956). Abet umgekehrt dart aus der (seheinbaren) Persistenz eines Zellpartikels nicht ohne weiteres auf seine genetisehe Bedeutung gesehlossen werden (vgl. die Diskussion bet v. W e t t s t e i n 1957 a), aueh wenn es Nucleins~iure enth/ilt, was mittlerweile fiir unseren Fall R u t h (1956) und S p i e k e r m a n n (1957) sehr wahrseheinlieh gemacht haben (vgl. aueh Me t z n e r 1.952 a, b). Ganz abgesehen davon, da[3 fiber die eigentliehe Natur der Erbtr/iger gerade in unserem Falle niehts bekannt ist, so daft man L e y o n (1953) zustimmen wird, wenn er schreibt (S. 528): ,,These non-Mendelian heredity factors may, however, very well be of a kind that is not detectable by any microscopy."

5~ Mit diesem Ausdruek set hinfort bezeiehnet, was S t r u g g e r und seine Schiller Prim~irgranum nennen; wit beziehen uns dabei auf den begriindeten Vor- sehlag v. W e t t s t e i n s (1957a).

Die Ul t ras t ruktur yen Wurzelmeristemzellen der Erbse 50t

be t b e s t e r Auf l i~sung nieht w e t t e r s t r u k t u r i e r t e M a k r o m o l e k i i l e yon 55 A D u r e h m e s s e r vo r l i egen , l a n d P e r n e r (1956 a, e) 170 bis 190 A grol~e, d e u t - l ieh , ,he te rogene G e b i l d e " ; w i i h r e n d h ie r yon e the r g i t t e r a r t i g e ~ A n o r d - h u n g 56 niehts zu e r k e n n e n ist, i s t e ine solehe f i i r Chlorophytum (H e i t z 1954, P e r n e r 1956 a, c) u n d Aspidistra (L e y o n 1954 b) be l e g t ; u n d wi ih- r e n d d ie , , E l e m e n t a r e i n h e i t e n " be t Chlorophytum naeh P e r n e r (1956 a, e) , , i n spez i f i seher W e i s e m i t e i n a n d e r v e r b u n d e n s ind" , s i nd sie in de r E r b s e n w u r z e l vi311ig v o n e i n a n d e r u n a b h i i n g i g , w a s sieh i i f ter aueh in i h r e r sehr l oeke ren V e r t e i l u n g i iuflert . A u s a l l d e m geh t deu t l i eh g e n u g he rvo r , daft u n t e r de r Beze i ehnung , , P l a s t i d e n z e n t r u m " (bzw. , , P r i m i i r g r a n u m " ) reeht Yer seh iedenes z u s a m m e n g e t r a g e n w i r d ; es w i r d d a h e r zu p r i i f e n sein, w i e w e i t d ie s y s t e m a t i s e h e n U n t e r s e h i e d e de r u n t e r s u e h t e n P f l a n z e n d iese D i s k r e p a n z e n e r k l i i r e n k b n n e n ode r w i e w e i t i n n e r h a l b d e r P r o p l a s t i d e n - e n t w i e k l u n g e in F o r m w e e h s e l d e s P l a s t i d e n z e n t r u m s a n g e - n o l n m e n w e r d e n nmfi .

I s t da s P l a s t i d e n z e n t r u m aueh in j i i n g s t e n P r o p l a s t i d e n e n t h a l t e n ? H i e r i i b e r s i nd d ie A n s i e h t e n ge t e i l t 57. W i i h r e n d S t r u g g e r (1950, 1955, 1954, 1957a, d), P. S i t t e (1954e), G r a v e (1954), B a r t e l s (1955), S t r u g g e r u n d P e r n e r (1956), P e r n e r (1956 a, e) d ie F r a g e b e j a h e n , w i r d sie yon H e i t z u n d M a 1,y- (1953), D ii v e 1 (1954), H e i t z (1957) u n d v. W e t t s t e i n (1957 a) v e r n e i n t ode r d o d l d ie de-uouo-Entstehung des Zen t ru ln s f i i r w a h r s e h e i n l i e h e r e raehte t . D i e F r a g e e rsehe in t z u m Tei l aueh e ine de r M e t h o d i k , d a d ie P l a s t i d e n z e n t r e n v i t a l ohne F i i r b u n g nieht ode r n u r sehleeht zu sehen s ind ( S t r u g g e r 1953, 1954). D i e E r g e b n i s s e be t u m i t R h o d a m i n B s ind k o n i r o v e r s ; S t r u g g e r (1950) wies mi f d iese r Teehn ik zuni iehs t i n t r a v i t a l das P l a s t i d e n z e n t r u m naeh; H e i t z u n d M a 1 y (1955) k o n n t e n se ine E r g e b n i s s e n ieht bes t i i t igen . Vor a l l e m gegen d i e M e t h o d i k yon H e i t z u n d M a 1 -y- h a t S t r u g g e r (1955, 1954) E i n - w e n d u n g e n e r h o b e n u n d e rk l i i r t d ie D i s k r e p a n z der D e u t u n g e n aus e ther de r M e t h o d e n 5s; ob m i t t leeht , mi issen w e i t e r e U n t e r s u e h u n g e n zeigen. D i e

s6 Naeh P e r n e r (1956 a, c) handel t es sich n i&t um ein eehtes Kristal lgi t ter ; g i t t e r a r t i g e Anordnung ist aber auch in P e r n e r s Bildern deutlich, und so scheint die Bezei&nung als ,,SchiehtenkSrper" weniger treffend (es sind m e h r e r e Seharen yon Netzebenen nachweisbar!), v. W e t t s t e i n (1957 a) hat bet der Gersfe (Sprol3!) trotz intensiver Suche keine git terart ige Ordnung finder kSnnen. P e r n e r (1956a) erklgrt ihr Fehlen gerade in den jiingsten Proplast iden mit sehlechter Fixierung; fiir unseren Fal l ist eine solche Deutung auszuschliel~en, weil au& in besterhaltenen Zellen nie eine deutlieh git terart ige Anordnung gefunden werden konnte.

57 Auf die /iltere, yon M ii h 1 e t h a 1 e r (1955 b) vorgebrachte Ansicht, na& der zwar das Zentrum, nieht abe t das Stroma persistiere, braueht nieht eingegangen zu werden ( M i i h l e t h a l e r 1956/57).

5s S t r u g g e r (195d~, S. 162) : ,,Die intras~itale F/irbung mit Rhodamin B gelingt naeh S t r u g g e r (1936) nur in /ilteren Zellen. Junge Zellen vermSgen das Rhodamin B im intakfen Zustande nidl t zu spe ichern . . . " Man fragt sich allerdings, wie dann S t r u g g e r s eigene Ergebnisse (1950) zustande kommen konnten, wo doeh - - na& den in diesem Absdmit t eingangs wi3rtlich zitierten Stellen - - sicher auch gerade postembryonale Zellen untersucht wurden.

502 P. Sitte

F i u o r e s z e n z m i k r o s k o p i e k a m l - - wie 53 t r u g g e r (1954) mi t Recht b e t o n t - - ers t a u f den e r g r i i n e n d e n P l a s t i d e n s innvol] a n g e w e n d e f w e r d e n und sag t d a h e r n ichts aus f iber das V o r h a n d e n s e i n odor F e h l e n des P l a s t i d e n z e n t r u m s vor d e m E inse t zen d e r C h l o r o p h y l l b i l d t m g ; m a n k a n n d a m i t woh l das A u f - t r e t e n des C h l o r o p h ) : l l s v e r f o l g e m d e & ist in u n s e r e m Rah.men d ie D i s k u s - s ion h i e r i i b e r ohne In t e r e s se (vgl. S t r u g g e r 1950, 1954, H e i t z u n d M a 1 y 1953, D ii v e l 1954). - - Es b l e i b t d ie U n t e r s u & u n g f i x i e r t e r Pr i i - p a r a t e ; das L i d l t m i k r o s k o p ist das f i i r d ie E n t s e h e i d u n g de r F r a g e wesen t - l ieh be.sser gee igne t e Ger~it. Dennoeh sei a u d t a u f G r u n d der e l e k t r o n e n - op t i sehen B e f u n d e d a z u S t e l l u n g g e n o m m e n .

Dal~ ta tsadl l idl a 11 e Pro plast iden eJner Zelle ein Zentrum besitzen, kann llur die Untersuchung ltiekenloser Seriensehnitte erweisen; eine derart ige Untersuchung steht noeh aus. Ftir den entgegengesetzten (negativen) Befund gentigt es, start Serienschniften eine grSlqere Anzahl yon Einzelsehnitten zu untersudlen (He i t z 1957), aul]er es handel t sieh darum naehzuweisen, da[~ in einer konkreten Zelle nieht ein einziger Plastid ein Zentrum hat. Da Schnittb~inder hinreiehender Lfinge bisher nieht untersueht wurden, ist zu prtifen, ob die unter begrtindeten Annahmen errechenbare H/iufigkeit, in der in Proplast idensdmit ten das Zentruln sichtbar sein muff, mit der Zahl der tats/iehlichen Funde iibereinstimmt. Eine solche Unter- suchung yon bei pH6 in gepufferter OsO4-Li3sung fixierten Erbsenproplast iden ergab, daf~ die H/iufigkeit, mit der Plast idenzentren in Schnitten getroffen s i n & durehaus den Erwartungen entsprieht, wenn das Vorhandensein in jedem Plast id vorausgesetzt wird.

Der mitt lere Durehmesser der vereinfachend als Kugel angenommenen Pro- plast iden be t r@t 1,1 ,u, tier Durehmesser des Plast idenzentrums 0,5-. Ist nun - - was zutrifft - - die Sdmittdicke gegentiber diesen Abmessungen klein, dann miifiten 27% der in den Sehnitten getroffenen Proplast iden Zentren zeigen. Die Absch~itzung komplizier t sich allerdings dadurch, daft nut wenige Proplast iden kugelig sind, viele mehr odor weniger langgestreekt; nimmt man ftir die L~ingsachsen eine Zufallsverteilung an, so sind im Sehnitt dennoch jene Aehsenlagen tibervertreten. die etwa senkre&t zur Sdlnittebene stehen, weil so liegende Plostiden in wesent- lid1 mehr Sdlnitte zerlegt werden als solche, deren L~ingsachse in der SchnittebeJ~e liegt. Es ist also zu erwarten, dal3 der naeh Bildern gefundene Prozentwert unter dem vorhin genannten bleibt. Unter 51 Proplast idensdmit ten war in 12 das Zentrum getrnffen, also in 25,5% der F/ille.

D e m n a c h ist w o h l a n z m l e h m e m da[~ j e d e r P r o p l a s t i d e in Z e n t r u m be- s i tzt , w ie es d e r V o r s t e l l u n g yon S t r u g g e r en t sp r i ch t .

lX. Der Zellkern

E r g e b n i s s e

D e r Z e l l k e r n n i m m t afs e t w a kuge l i ge s G e b i l d e yon ca. 6et D u r & - messer mois t del l z e n t r a l e n Bereich der Zel le ein; zen t r a l in i b m l iegt nor - m a l e r w e i s e t in e b e n f a l l s kuge l i ge r , unbeh~iu te te r und durch grol~c Dich te

Abb. 23. Zellkern. a: Obersid~t. OsO4, pH 6. Man beachte die doppelt konturier te Kernmembran, die helleren und dunkleren Partien des Kar.voplasmas und die beiden didlten Nucleoli. 22.500 : 1. b: Karyoplasma. OsO4, pH 6. 65.000 : 1. c: Mikro-

fibrillen im dunklen Berei& des Karyoplasmas. OsO4, pH 8. 67.000:1.

Die U l t r a s t r u k t u r von Wu. rze lmer i s temzel len der Erbse 503

504L P. Sitte

sofort kenmlicher Nueleolus (ill selteneren Fallen zwei oder drei; vgl. Abb. 23 a).

D~e eigentlichen Interphasenkerne lassen in ihrem Inneren nut mit Mtihe unscharf begrenzte (Membranen fehlen dem Kerninneren!), dunklere Be- reiehe in einer weuiger dichten Grundmasse erkennen (Abb. 23 b); ill eben gebildeten sowie pro.phasischen Kernen sind diese dunklen Partien leichter auszumachen. Sie erreichen mikroskopische Ausmal~e und unterscheiden sich im Feinbau der sie aufbanenden Strukturelemente nicht grundlegend yon den helleren Zonen, in denen also lediglich die Strukturen aufgelockert sind. Teilweise allerdings erscheinen die wen,iger dichten Partien auch aus zar- teren Elementen gebildet. Mikrofibrillen verschiedener Durchmesser sind im Kern reichlich vorhanden; wieweit daneben auch globulare Elemente vorliegen, ist sehwer abzusehiitzen. An Quer-, Sear@- und Langssehnitten dieser Mikrofibrillen wird deutlieh, daft ein weniger di&ter innerer Be- reich yon einer diehteren Seheide umgeben ist. Die Durehmesser sieher er- kennbarer Mikrofibrillen sehwanken zwisehen 60 und 200A. In seltenen Fallen waren dunkel erseheinende Mikrofibrillen filer Stre&en yon mehr als 1/, verfolgbar; sie lagen ausnahnlslos zentral in den dunkleren Betel- ellen bis zu "r nebeneinander und waren nie sehraubig gewunden, sondern gestreekt (Abb. 23 c; Durehmesser 60 A). Wieweit die feineren fadigen Elelnente gestreekt oder spiralisiert s.ind, laflt sieh aus den erhaltenen Bil- dern nieht angeben.

Der N u e l e o l u s (Abb. 24 a) ist meist kompakt, seltener mit ,,Vaeuolen" versehen, die aber weder durch eine Membran abgegrenzt sind noel1 ,,leer": Ihr Inheres ist vielmehr so strukturiert wie die heller ersehei- nenden Parfien des e.igentliehen Kerninhaltes. Der Feinbau ist naeh dell er- baltenen Bildern sehwer zu deuten, zmnal der Nueleolus sear empfindlich gegen Einbettungssehaden ist (wogegen er ahnlieh dem Karyoplasma bei versehiedener Fixierung immer gleieh erhalten ist) und relativ schwer chatterfrei zu sehneiden. Normalerweise ersehe,int er aus elektronendiehten Faden aufgebaut, die mitunter parallelisiert (Abb. 24 b) oder verzweigt erseheinen und sieh bei guter AufliSsung als R e i h e n g 1 o b u 1 a r e r E 1 e- ra e n t e (Dnrehmesser ~ 80 A) erweisen; oft fehlf abet aueh diese Anordnung (Abb. 24 c). Gelegentlieh lassen sieh grSl?ere Elemente linden mit hellerem lnneren und dunkler, ~-ielleieht aus den erwhhnten globularen Elementen gebildeter Obertlaehe; naeh Quersehnitten zu sehliel~en handelt es sieh um Strange. Wieweit diese Strukturen konstante Elemente des Nueleolus sind, laf~t sieh nicht angeben.


l~'ber die K e r n m e m b r a n wurde bereits gesprochen. Sie ist nadl dieser Untersuchung als Differenzierung des Cytoplaslnas (namlich des ER) aufzufassen, womit die alte Frage tiler ihre I terkunft beantwortet erscheint

Abb. 24. Nucleolus. a: idbersi&tsbild. OsO4, pH 6. 62.000:1. b: Reihenweise An- ordnung der globulgren Elelnente (Richtung der Pfeile!). OsO4 ungep. 68.000:1.

c: Ungeordnete Lage der globul~iren Elemente. OsO~, pH S. 6S.00O : 1.

Die Ul tras truktur y e n Wurze l lner i s t emze l l en der Erbse 505

P r o t o p l a s n l a , Bd. X L I X / 3 - - 4 33

506 P. Sitte

(vgl. Kii s t e r 1956). Die brier geiiu[}.erte Ansieht, es handle sieh nieht unt eine eehte Membran, so.ndern lediglieh um eine Phasengrenze (u. a. L u u e t trod E r n s t 1934, P i s e h i n g e r 1950b, R o z s a und W y e k o f f 1950, W a d a 1950) ist unriehtig.

f2ber die mehr als diirftigen Ergebnisse beztiglich des Kerninhaltes ist sehwer zu diskutieren; wegen des Fehlens yon Membranen und gut kon- trastierten, leieht kenntliehen Strukturen ~9 ist vielfach eine Lokalis,ierung sdlwierig. Sehon die Frage, welehe Bereiehe ehromatiseh, welehe aehromatiseh sind, ist sehwer zu beantworten; normalerweise dtirften die d,iehteren Par- tien ehro.matisch sein (G a ~ 1956; besonders M o s es 1956). Aul3erdem ist die elektro,nenoptisehe Erforsehung der Kerns t ruktur yon der Cyto,genetik her mit Prophezeiungen - - sit venia ~erbo - - einigermafien vorbelastet (vg]. an& dieEriSrterung bet F a w e e t t 1956). F i b r i l l i i r e E l e m e n t e sind allerdings naeh dem iibereinstimmenden Urteil aller Autoren vo~handen (vgl. u.a. 6~ P a p p a s 1956, d e R o b e r t i s 1956, R i s 1956, M o s e s ]956, K a u f m a n n und D e 1956, H a r t m a n n 1953, M a r q u a r d t et al. 1956). Die vermessenen Durehmesser liegen allerdings ziemlieh auseinander: Nad~ P a p p a s (der bet Amoeba proteus als bisher einzigem Ob.iekt deutliehe Sehrauben naehweisen konnte mit einem Durehmesser yon 250--280 A, ether Gangh5he yon 140 A nnd ether Liinge his tiber 3000 A) ist der Durehmesser der Mikrofibrille 70 A; naeh d e R o b e r f i s s&wankf er je naeh Teilungs- phase zwisehen 47A (friihe Prophase) und 100A (Metaphase; Objekt : Testes yon Laplatacris), nach t l i s liegt er bet 200 A (fiir verschiedene tieri- s&e und pflanzliehe Objekfe), naeh K a u f m a n n mid D e bet Tradescantia ~25 A; M a r q u a r d t et al. finden fiir versehiedene Liliifloren tibereinstim- mend 115A, iihnliehe Werte geben B e e r m a n n und B a h r (1954) fiir die Speicheldriisenehrolnosomen , 'on Drosophila an. Die hier erhalienen Werte liegen d a n a & im allg'emeinen Streubereieh. Gewisse Sehwierigkeiten maeht die Deutung der vo.n F a w e e t t (1956) und M o s e s (1956) g efunde- hen Strukturen; wieweit ihnen die bier gelegenflieh gefundenen lang- f:~idigen Elemenfe (Abb. 23c) verwandt sind, mul~ offenbleiben. K a u f- ro a n n und D e (1956) sowie M a r q u a r d t (1937) nehmen eine Hierar&ie fibrilliirer Elemente an, die yon der h vpothetiseher Doppelsehraube der DNS-Molekel (vgl. W a t s o n nnd C r i c k 1953 a, b, F e u g h e l - m a n e t al. 1955) his zu den Chromonemata fiihren soll. Aueh aus unseren Bildern ergaben sieh gewisse Anhal te fiir das Vorhandensein vers&ieden gro.fler Elemen{e, do& erlauben sie keine detaillierte Deutung in dieser Hinsieht. Den Naehweis g 1 o b u 1 ii r e n M a t e r i a 1 s i m eigentliehen Kern erbraehten fiir ihre Objek~e d e R o b e r t i s (1956) und G a 11 (1956); beide Autoren halten sie fiir Me.iosomen. ~hnliehe Part ikel linden sieh ha& den Angaben mehrerer AuWren ( P o r t e r 1954, d e R o b e r t i s 1954, 1956, F a w e e t t 1955, B e r n h a r d e t a l . 1955, A n d e r s o n u n d B e a m s 1956,

~" Nueleins/iuren reagieren ni&t mit OsO4; fiber Versuche zu ihrer Kontra- stierung ~gl. B a h r, 1953, und B e r n s t e in, 1956.

,0 Auf die ~iltere elektronenoptisehe Literatur fiber den Zellkern ist hier ni&f einzugehen; vgl. dazu etwa die yon v a n W i n k l e ef al. (1953) oder yon Mar - q u a r d t et al. (1956) zitierte Literatur.

Die Ultrastruktur yen Wurzehneristelnzellen der Erbse 507

Z e t t e r q v i s f 1956, G a l l 1956) im Nucleolus konzentriert ; dies entspr i&t aueh den bio&emisehen Befunden, wonaeh der Nueleolus viel PNS enth~ilt. Der yon F a w e e t t (1955) fiir Leberzellen-Nueleo,li bes&riebenen St ruktur iihnelt die bier ge,fundene am ehesten. Yon einem N n e l e o 1 o- n e m a ( E s t a b l e nnd S o t e l o 1951), wie es naeh elektroneno.pfisehen Studien B o r y s k o und B a n g (1951) sowie B e r n h a r d et al. (1951, 1955) besehreiben, kann bet unserem Objekt niehf gesprochen werden.

Allgemein ergibt sieh, daft die Untersuehung ulfradtinner Sehnitte allein fiir die S ruk tu rau fk lg rung im Kern n i e h t g e n i i g e n k a n n ; so werden, wie bislang (vgl. d e t { o b e r t i s 1956, M o s e s 1956, besonders R i s 1956 und friihere Arbeifen), jene Untersueher ant ehesfen mit konkreten Erfolgen aufwar ten ki3nnen, die sieh zweekm~iflig kombinierter Metho.den bedienen.

X. Schlu~bemerkungen

Zweierlei mag dutch die vorliegende Arbeit deutl,ich geworden sein. Zum einen sind d i e O r g a n e l l e n d e r P f l a n z e n z e l l e d e n e n t - s p r e e h e n d e n t i e r i s c h e r Z e l l e n i m F e i n b a u r e l a t i v s e h r ii h n 1 i e h. Es ist hier an den Aufbau des Grundplasmas zu erinnern und den der Mitoehondrien: Diese lassen sieh yon Mitoehondrien mit tubu- liirer Innens i ruktur zwanglos ableiten, wie sie bet niederen Tieren vorherr- schen. Dutch den Naehweis des Endoplasmatischen Retieulum und des G o 1 g i - A p p a r a t e s aueh in der Pflanzenzelle ist die prinzipielle Xhnlieh- keif zur Tierzelle wetter belegt.

Die submikroskopisehe St ruktur ist einfbrmiger als die mikrnskopisehe; wie ja wiedermn diese weniger Vielfalt, dafiir mehr allgemeines zeigt als die makrosko.pischen Bildungen der Lebewesen. In je kleinere Bere,iehe die Forschung vo,rstbl~t, desto mehr besehriinkt sieh die Fiille der Fo.rmen, desto allgemeiner gilt abet aueh jede Erkenntnis.

Zum anderen mag sieh gezeigt haben, wie sehr die ~bermikroskopie unsere Kenntnis zu erwe,itern v e r m a g - - mehr, als sie dies bisher sehon g e t a n h a t. Vorerst sind die Miingel der neuen Teehnik noch betr~iehtlieh und augenfgllig. Der Fo.rtsehritt der letzten beiden Dezennien bereehtigt abet zu guten Hoffnungen fiir dde Zukunft ; vielleieht wir,d die rein deskrip- five Phase der Elektronemnikroskopie sehon bald abgeli~st werden yon tie- fer gehender Forsehung. Schon heute seheint ein Ziel erreiehbar: Die v e r - g l e i e h e n d e s u b m i k r o s k o p i s e h e M o r p h o l o g i e des Tier- und Pflanzenreiches. Die Zukunf t wird ein weiteres hinzufiigen : D,ie f u n k - t i o n e 11 e Morpholgie des Submikrosko.pisehen.

Die Arbeit set ni&t besehlessen, ohne jenen herzlich zu danken, die sie dutch reges Interesse sehr gefbrdert haben: Zung&st meinen Lehrern, den Herren Pro- fessoren Dr. A. P i s e k und Dr. t/. S t ei n- M a u r e r sowie besonders auch Prof. Dr. O. S t e i n b i3 e k. Mein besonderer Dank gilt wetter Herrn Prof. Dr. E. G r a t z 1 (Vorstand der Medizinis&en Klinik der Tiergrztliehen Hochschule in Wien), der mir bereitwillig die Arbeit am. Ehniskop I der Tier~irztliehen Hoehs&ule Wien ermiiglichte, und dem Bundesministerium fiir Unterrieht, das diese Studienreise subventionierte. Sehr verbunden bin ich auch meinen engeren Fachkollegen, die

83*

508 P. Sitte

reich durch wertvolle Hinweise und lehrreiche Diskussionen untersttitzten; attdl ihnen set herzlieh gedankt, allen voran meinem Bruder, Dr. H. S i t t e, weiter besonders Herrn Prof. Dr. F. M i l l e r , Dr. J. K] i m a und Doz. Dr. D. v. W e t t- s t e i n .

Zusammenfassung Embryonale Zellen der Erbsenwurzelspitze wurden nach Fixierung mit OsO~

oder Formaldehyd in Plexiglas eingeschlossen, ul tradiinn gesdmitten und im Elektronenmikroskop untersueht. Die wesentliehsten Ergebnisse der Untersuchung sind:

1. Das eigentli&e Proloplasma s. sir. ist ohne auflSsbare Struktur.

2. ]m Plasma gleiehm~i~ig und dicht verteilt liegen kugelige bis kurz stab- f6rmige Plasmagranula, fiir die mit H {i f 1 e r die Bezeidmung Meiosomen vor- ges&lagen wird. Die Ansicht ~,on S t r u g g e r tiber das aussehliel~liche Vor- kommen schraubig gewundener Cytonemata konnte nicht best~itigt werden.

3. In etwas filteren Zellen kommt ein ausgedehntes Endoplasmatis&es Reti- eulum (teilweise sogar als Ergastoplasma) vor, das weitgehend dem aus tierisehen Zellen besehriebenen entspricht; seine Bildung wird im Sinne der Theorie von H o d g e , M c L e a n und M e r c e r diskutiert. Der Phragmoplast ist mbgli&er- weise eine Differenzierung des Endoplasmatisdlen Reticulum.

4. Tonoplast und Plasmalemma bestehen gleidmrweise aus einer nur 75 2~ dicken lipoiden Membran.

5. Aus Tonoplasten-Lipoiden gebildete, artefizielle Myelinfiguren erscheinen im Sdmitt erwartungsgemfi~ feinstens konzentriseh geschiehtet (Periode 33 3.).

6. In den Zellen fanden sieh G o 1 g i-Zonen, die den tierisehen sehr ~ihnlich gebaut sind (Matrix, Go 1 gi-Membranen und yon ihnen umsdflossen G o 1 gi- Vaeuolen). Die u des pflanzliehen G o l g i-Apparates konnte ni&t best~itigt werden.

7. Die Mitoehondrien sind den tieris&en prinzipiell ~hnlidl gebaut (gesehlossene dreifaehe Membran umsehliefit die Matrix und dar{n eingelagerte Mitochondrien- granula). Die tlaeh-keuligen Sacculi mitodzondriales sind Einstii lpungen der inneren und mittleren Melnbrans&ieht.

8. Au& die Proplastiden sind yon einer gesehlossenen, dreit'a&en Membran begrenzt. In der feingranul~iren Matrix linden st& St~rkek~irner (mit feiner Sehi&- tung, ohne Membran), Lipoidtropfen und osmiophile, kugelige Makromolekiile (Durehmesser 60 A). Letztere liegen z. T. verstreut, z. T. zu einem Plastidenzentrum vereint, das abet in seinem Bau mit den aus Sproflmeristemen yon Monokotylen besehriebenen nidlt iibereinstilnmt. Wahrs&einlieh enthi~lt jeder Proplastid ein Zentrum.

9. An weiteren Eins&liissen des Grundplasmas werden Lipoidtropfen und Eiweifikristalle sowie eirl vorerst nidlt bestimmbarer Plastentyp kurz besehrieben.

10. Ober die Struktur des Karyoplasmas lassen sidl keine definitiven Angaben ma&en; die Kernteilung wurde nid~t untersu&t. Im Nueleolus liegen dieht ge- dr~ingt und oft za Reihen geordnet globul~ire Partikeln, die morphologiseh den Meiosomen nahestehen. Die Kernmembran ist als Differenzierung des Endo- plasmatisehen Retieulum eine Bildung des Cytoplasmas; sie weist ringfiJrmigen Meiosomenbesatz an den Annuli auf; edlte Durehbreehungen konnten nieht beoba&tet werden.

! 1. Die bei Pflanzen und Tieren allgemein vorkommenden dreisehi&tigen Mem- branen werden entgegen dem Vors&lag ~on S ji5 s t r a n d dahin gedeutet, daft

Die Ul t ras t ruk ta r yon Wurzehneristemzellen der Erbse 509

die nach OsO4-Behandlung dunklen ~iugeren Lagen lipoidisch sind, die Mittellage proteinisch; die Griinde hiefiir werden diskutiert .

12. Die Untersuchung ergibt, daE sich Pflanzenzelle u n d Tierzelle im sub- mikroskopischen Bau der entsprechenden Organellen sehr nahestehen.

Summary

Meristematic root tip cells of pea seedlings were fixed in either osmium tetroxide solutions (of various tonici ty and pH) or formaldehyde, embedded in methacrylate , sectioned, and examined with the electron microscope. The follow- ing results were obtained:

1. The structure of the ground cytoplasm cannot be resolved at present. 2. A granular component was found distr ibuted throughout the p lasma matr ix ;

these small globular or short rod-shaped dense particles are identical with the "small par t icula te component of the cytoplasm" described by P a l a d e. In accordance with H 5 f l e r the common term "meiosomes" is proposed for these particles.

This investigation has not provided any evidence for S t r u g g e r's assumption tha i there are no globular but only filamentous particles in the cytoplasm of meristematic plant cells ("cytonemata" wound in helices).

5. A well developed endoplasmic ret iculum was found, especial ly in more mature cells, pa r t i a l ly with paral lel ized cisternae (ergastoplasm). The phragmoplast perhaps is a special differentiation of it. Its formation is interpreted in accordance with the theory of H o d g e , M c L e a n and Me r c e r .

4. Both tonoplast and plasmalemma are visible only as a single l ip idic layer , 75 A in thickness.

5. The lipids of the tonoplast can form myelinic figures with a 33 AU period. 6. Within the cells there are many G o l g i zones, having a structure very

similar to those described in several animal cells. They are Composed of a matr ix , G o l g i membranes, and vacuoles, surrounded by the membranes. Intercon- neetions between adjacent pairs of membranes are observed very rarely. The "vacuome theory" of the G o 1 g i appara tus in plants is not supported by this investigation.

7. The mitochondria are fundamenta l ly similar to those found in animals. They have a t r ip le- layered outer membrane without pores, surrounding a fine- granular ma t r ix with dark mitoehondrial granules. The pocket-like Saeeuli mitochondriales are projections from the inner and the middle layer of the surrounding membrane.

8. The proplast ids also have a t r ip le- layered outer membrane. Within a fine- granular mat r ix starch granules (without membrane, sometimes showing a lamel- lated structure and a dense core), l ipid droplets, and strongly osmiophilie globular macromoleeules (60 AU in diameter) are observed. The lat ter are pa r t ly i r regular ly scattered throughout the matr ix , pa r t ly concentrated in a more or less compact plast id core (center), but without a regular arrangement in a "lattice." It is shown that p robably any proplast id has a core.

9. Other inclusions of the cytoplasm are described (lipidic droplets; protein c r y s t a l s ; and a plast, tentat ively called cell component A).

10. The fine structure of the interior of the nucleus is not clear. The nuclear division was not investigated. Within the nucleolus there are globular part icles (similar to meiosomes) ar ranged in rows. The nuclear envelope is in connection with cisternae of the endoplasmie reticulum. It shows annuli, but is p robab ly not perforated.

510 P. Sitte

~1. The t r ip le - layered membranes (the so-called "double membranes") are i n t e rp r e t ed - - i n cont radic t ion to S j b s t r a n d - -as a prote in ie layer wi th two ad jacen t l ipidic layers. The la t ter appear da rk in sections af ter t rea t lnent wi th O s Q .

12. This invest igat ion has c lear ly shown that the u l t ras t ruc tu re of the cor- responding organelles in both plants and animals is f u n d a m e n t a l l y the same.

L i t e r a t u r

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Die Ultrastruktur von Wurzelmeristemzellen der Erbse (Pisum sativum)