ELEKTRISCHE POTENTIALE PFLANZLICHER GEWEBE

Von KARL UMRATH

Eiilgegangen am 5. M~i 1928

Anl~61ich yon Besprechungen tiber die von F[~rth (3) angegebene Methode zur Messung yon elektr0motorischen Kr~iften mikroskopisch kleiner Elemente und die mit dieser Methode yon G i c k l h o r n und mir (5) gewonnenen Ergebnisse ~ul~erte sich Herr Professor B e n n d o r f dahin, dal~ er fftr derartige ~[essungen ein elektrostatisches Instrument , insbesondere ein Quadrantenelektrometer, ftir vorteilhafter hielte. Es wurden mir im physikalischen Institut ein Arbeitsplatz und die erforder- lichen Instrumente zur Verfiigung gestellt. Daf~ir, sowie ftir die Ein- ffihrung in die Arbeitsweise mit dem Quadrantenelektrometer, bin ich Herrn Professor B e n n d o r f sehr zu Dank verpflichtet.

Unsere Prager Untersuchungen (5) haben gezeigt, da6 Messungen mit Platinelektroden an Pilanzenschnitten noch grSfiere Anforderungen an die Me6einrichtung stellen als Messungen an einzelnen Zellen mit Agarelektroden; um die Leistungsf~higkeit des Quadrantenelektrometers zu erproben, wurden daher zun~chst die ersteren Messungen versucht. Blattstiele von Bananen (Musa sapientum), die ieh aus dem botanischen Garten erhielt, erwiesen sich als reeht giinstiges Untersuehungsobjekt;

a n diesem Objekte war es mOglich die unverletzte Oberfl~che des Parenchyms, das die Luftkammern des Blattstiels begrenzt, gegen die Schnittfl~che des Parenchyms zu messen. Aufier diesem Objekte wurde auch Grundgewebe anderer Pflanzen mit Platin und Agarelektroden gegen Wasser gemessen, um zu prtifen, ob ein Einflul~ des Elektroden- materials besteht.

Methodik . Das Quadrantenelektrometer wurde in Quadranten- schaltung verwendet. Das eine Quadrantenpaar, eine Elektrode, das Geh~use des Instrumentes und das Mikroskop waren geerdet, das andere

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Quadrantenpaar w~hrend der Messung mit tier zweiten Elektrode ver- bunden, wfihrend der Me~pausen geerdet, wobei aber die zweite Elektrode frei war. Die Nadel war mittels eines 10/L dicken Platindrahtes, ab- ge~tzten Wollastondrahtes, aufgeh~tngt und auf ein Potential yon 90 Volt aufgeladen. Die Ablesung erfolgte mit Fernrohr und Skala, 0,2 mm wurden noch gesch~ttzt, 1 mm entsprach 2,9 Millivolt. Ein Zei~-Mikro- manipulator wurde aus dem Institut ftir Histologie und Embryologie von Herrn Professor R a b l in zuvorkommender Weise zur Verfiigung ge- stellt, woftir ich ihm auch an dieser Stelle bestens danke. Beziiglich der Elektrodenherstel]ung und weiterer Einzelheiten verweise ieh auf die Publikation yon G i c k l h o r n und mir (5). Vor und nach jeder Messung wurde das Potential zwischen den Elektroden bestimmt, wenn sich beide in Wasser oder wenn sich beide an Grundgewebe (Parenchym) befanden. Es wurden nur Messungen verwendet, w~hrend denen sich dieses Potential zwischen den. Elektroden im gleichen Medium nicht oder nur sehr wenig ~nderte und dieser Betrag wurde dann von dem gemessenen in Abzug gebracht.

Die von E t t i s c h und P 4 t e r f i (1) angewandte elektrostatisehe Abschirmung von Zuleitungsdr~hten, Elektroden und 0bjekt unterblieb. Bewegungen des Beobachters erzeugten mitunter, wenn dtinne Platin- elektroden verwendet wurden, durch Influenz vortibergehende Ausschl~ge des Elektrometers. Diese waren abet (in Millivolt) keiuesfalls gr(ifer, als die bei Yerwendung der Ft i r thschen Apparatur beobachteten (5) und liel~en sich durch ruhiges Verhalten leicht vermeiden. Erscheinungen, wie sie bei der Fi i r thsehen Methode als Polarisation durch den Gitter- strom beobachtet wurden, traten hier naturgem~tl~ nicht auf.

In bezug auf die an die MeBeinrichtung zu stellenden Forderungen und im Vergleich mit der yon F i i r th (3) angegebenen Methode ergibt sich folgendes:

1. Der dem Pr~tparat entnommene Strom oder besser, die eine Elektrode passierende Elektrizit~tsmenge, ist bei Verwendung des Quadrantenelektrometers wesentlich geringer, d. h. yon ganz anderer GrOflenordnung. Man weil~ jetzt, da~ der durch das Praparat fliel]ende Gitterstrom der Verst~rkerriihre bei der Fi i r thschen Methode bei Agar- elektroden, auch bei Messungeu in einzelnen Zellen, keine Stiirung bedingt und sich bei Platinelektroden in manchen F~tllen eben erst stSrend bemerkbar macht, in anderen allerdings die Messung vereitelt (5). Daher kann als sicher angenommen werden, daft die bestehenden Po- tentiale bei Verwendung des Quadrantenelektrometers durch die Messung

Elektrisehs Potentials pflanzlieher Gswsbe 541

selbst nieht ver~ndert werden. Ieh konnte jetzt aueh Platinelektroden von 0,04 mm Durchmesser verwenden, was bei der Ff t r thschen Anordnung nicht mSglich war.

2. Eine Mefigenauigkeit yon etwa 1 Millivolt ist mit dem Quadranten- oder Binantenelektrometer leicht zu erreichen. Eine gr(il3ere dtirfte, wenigstens vorl~ufig, nicht in Betracht kommen, weil sich bei einer solchen die Inkonstanz der Elektroden zu stark bemerkbar machen wiirde.

3. Die Zeitdauer einer Messung ist geringer als bei der F i i r t h - schen Methode, es sind weniger Handgriffe erforderlich und diese sind einfacher so daft auf die besonderen Umsti~nde des Arbeitens mit mikro- skopisch kleinen und lebenden 0bjekten gentigend Rticksicht genommen ist.

Ich bin so ausfiihrlich auf diese wichtigen Vorteile des Quadranten- bezw. Binantenelektrometers eingegangen, da das Arbeiten mit Verst/~rker- rShren jetzt modern ist und die erstgenannten Instrumente auch dort verdr~ngt werden, wo sie am Platze sind.

Das P o t e n t i a l von G r u n d g e w e b e g e g e n W a s s e r , mit Agar - und mit P l a t i n e l e k t r o d e n gemessen . Bei jeder Potentialmessung in Fliissigkeiten wird die algebraische Summe mindestens dreier Potentiale gemessen, wobei zwei Potentiale ihren Sitz an den Elektroden haben. Im vorliegenden Fall kommen die Potentiale Elektrode-Grundgewebe, Grundgewebe-Wasser, Wasser-Elektrode in Betracht. Es l~t6t sich fiir keine Elektrode wahrscheinlich machen, dal3 ihr Potential gegeu Grundgewebe dasselbe sei, wie das gegen Wasser ~). Besonders ungtinstig liegen die Verh~ltnisse bei Metallelektroden, well schon der Potential- sprung Metall-Wasser ein sehr grol3er ist. Nur wenn mit vielerlei, untereinander m(iglichst versehiedenen Elektroden nahezu dasselbe Po- tential gemessen wird oder wenn ein gemessenes Potential mit dem aus anderen Griinden, z. B. nach der elektrostatisehen Theorie tier F~rbung, K e l l e r (6), G ick !horn und Ke l l e r (4), iibereinstimmt, ist es ent- sprechend wahrscheinlich, da6 es sich nm das gesuchte, z .B. Grund- gewebe-Wasser, handelt.

Bei den im folgenden, sowie bei den unten yon Musa mitgeteilten Messungen ist der Mittelwert und der wahrscheinliche Fehler angegeben. In Klammer stehen die Einzelwerte, sofern sie umgekehrtes Vorzeichen

1) Giinstigsr lisgen die Verh~tltnisss, wenn das Potential vsn Protoplasma oder Vakuolenfliissigksit g-sgeniibsr dem Aul~snmedinm g'emessen wsrden soll, wsil man bier bei Agarslektroden (2 ~ Agar, 0~1 ~ K C1) annehmen kann, daft die Potentials an den Elektroden klein sind, gegeniibsr denen an den Grsnzsehiehtsn, z. B. Protoplasma- Augsnfliissigkeit.

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haben wie der Mittelwert mit negativen Vorzeichen, und de~" Elektroden- durchmesser, bei Agarelektroden der Durchmesser der Agarseele und der ~tu6ere der Glaskapillare.

Hedera helix, junges Spro6, Mark gegen Wasser. Agar-Elektro den:

- -3 ,8 ~0 ,6 Millivolt (i ; 2; 3; 4; 6; 7; El. ~ 1,t bez. 2,1 ram) Platin-Elektroden:

-~-21,0 _zL-7,1 Millivolt (13; 15; 19; 91; 22; 36; El. ~ 0,6 mm) Tulipa, Bltitenstiell Parenchym gegen Wasser.

Agar-Elektroden: - -1 ,7 ~ 0,2 Millivolt (1; 1; 2; 2; 2; 2; El. 0 1.1 bez. 2~1 mm)

Platin-Elektroden: -~-18,0 • Millivolt (12; 18; 19; 20; 21; 22; El. 0 0,6 ram; 9; 23;

El. 0 0,1 ram) Man sieht, dab das Grundgewebe, Mark oder Parenchym, mit

Agarelektroden (2% Agar, 0,1 n K CI) gemessen, schwaeh negativ gegen Wasser erscheint, mit Platinelektroden im Fall yon Hedera und Tulipa stark positiv, im Fall yon Musa (siehe unten) schwach positiv. Es ist bemerkenswert, dab man das fiir Platinelektroden mitgeteilte Potential des Sternparenchyms von Musa, das die Diaphragmen in den Blattstielen bildet, im Mittel -~- 1,8 Millivolt, nur dann erh~tlt, wenn man die Elektroden unter leichtem Druek anlegt. Wird hingegen mit derselben Elektrode ein s t a r k e r Druck ausget~bt, so dal~ mitunter Zellen angerissen oder sonst bleibend deformiert werden, so kann man Potentiale bis zu 100 Millivolt messen. Im Mittel yon 6 Versuchen habe ich 47 Millivolt er- halten. Ahnlich hohe Potentiale habe ich bei Messungen am Parenchym yon Musa geIegentlich beobachtet, wenn eine feiae Platinelektrode ver- sehentlich in eine Zelle eingestochen, anstatt yon auBen angelegt wurde. All alas kOnnte dahin gedeutet werden, da6 tier Zellsaft, der bei der Verletzung yon Zellen frei wird, die Oberfl~tehe des Platins derart ver- ~tndert, da6 hierdurch ein positives Potential des Parenchyms gegen Wasser vorget~uscht wird. Klarheit in diese Frage k~nnen aber erst systematische Messungen des Zellsaftpotentials verschiedener Pflanzen bringen.

Die Potentiale, die man einerseits mit Agar- andererseits mit Platin- elektroden zwischen verschiedenen Geweben eines Schnittes toilet, scheinen nach den bisherigen Ergebnissen voneinander nicht sehr versehieden zu sein. G i c k l h o r n und ich (5) haben an Primula allerdings nur wenig Messungen mit Agarelektroden aasgef~hrt, diesehaben aber Werte ergeben, wie sie aueh mit Platinelektroden erhalten wurden. Unsere damaligen

Elektrische Potentiale pflanzlicher C~ewebe 543

Messungen mit Agarelektroden an Querschnitten den Karpells yon Tulipa ergaben ftir des Phloem gegen Paremchym - -8 und - -4 Millivolt, ich habe jetzt mit Platinelektroden yon 0,04 mm Durchmesser--5 u n d - - 3 Millivolt erhalten. Bei Hedera helix scheinen allerdings nach den yon uns in Tabelle 1 mitgeteilten Messungen, sowie nach einigen neueren Versuchen, die mit Platinelektroden gefundenen Werte welt starker ge- strettt zu sein, als die mit Agarelektroden erhaltenen. Es mul~ auch hervorgehoben werden, da~ die zwischen verschiedenen Geweben eines Schnittes gemessenen Potentialdifferenzen mit den nach der F~trbbarkeit erwarteten (4, 6) tibereinstimmen, w~thrend dasselbe nut yon dem mit Agarelektroden gemessenen Potential Grundgewebe-Wasser behauptet werden kann.

Die P o t e n t i a l e vom B l a t t s t i e l e yon Musa. Nach K e l l e r s elektrostatischer Theorie der F~rbung (4, 6) bestimmeu die Ladung des Farbstoffes und das Potential des Gewebes das l~esultat der F~trbung, so zwar, da6 Gewebe yon negativem Potential gegen Wasser von kathodisch wandernden Farbstoffen, solche yon positivem Potential yon anodisch wandernden angefiirbt werden und die Intensit~t einer F~rbung mit zu- nehmendem Absolutbetrag des Potentials gegen Wasser zunimmt. Ich habe daher, um tiber die F~trbbarkeit der Gewebe im Blattstiel yon Musa orientiert zu sein, Querschnitte mit 18 verschiedenen Farbstoffen gef~rbt, aber nar die F~rbung derjenigen Gewebe beachtet, die, wegen ihrer Ausdehnung, auch ftir die Potentialmessungen in Betracht kamen. Die negativen Gewebe f~trbten sich mit Alizarinblau S., Boraxcarmin, carmin- saurem Ammoniak, H~matoxylin n. Delafield und Nigrosin, die positiven mit Anilingrtin, Corallin, Dahlia, Eosin, !Fuchsin, Geutianaviolett, Jod- grtin, Methylgrtin, Methylgrtin-Essigs~ure, Methylviolett und Safranin, beiderlei Gewebe, abet in verschiedener Farbe mit H~matoxylin, negative blauviolett, positive rot, rotgelb oder gelb und mit Picrocarmin n. Weige r t , negative rot, positive gelb. Die relative Intensit~t der F~rbung der verschiedenen Gewebe war bei fast allen Farbstoffen einer Gruppe die gleiche; Gentianaviolett ergab eine etwas sti~rkere Anfi~rbung des Stern- parenchyms als andere Farbstoffe, die positive Gewebe f~trben. Unter Bertick- sichtigung yon Art und Intensit~tt der Anf~trbung lassen sich die Gewebe nach der elektrostatischen Theorie der F~rbung in folgende Reihe bringen:

Phloem mit negativem Potential Parenchym Holzparenchym meist schwach gef~rbt Sternparenchym

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Tracheen } Konenchym mit positivem Potential Sklerenchym

Was die Resultate der elektrischen Messungen betrifft, kann ich beztiglich der Ergebnisse mit Agar und Platinelektroden auf das oben Gesagte verweisen. Da diese Verschiedenheit aber bei Musa verh~tltnis- m~l~ig gering ist, kann den nur mit Platinelektroden ausgeftihrten Mes- sungen der einzelnen Gewebe gegen Parenchym eine gewisse Bedeutung beigemessen werden.

Musa sapientum, Bla t t s t i e l , Aga re l ek t roden

Parenchym des Querschnitts gegen Wasser: - -3 ,0 ~ 0,4 Millivolt (1; 2; 3; 4; 5; El. 0 0,31 bez. 0,34 mm, 3; El. 0 0,21 bez. 0,28 mm)

Parenchym des L~tngsschnitts gegen Wasser" - - 3,5 ~ 0,4 Millivolt (2; 2; 3; 4; El. 0 0,31 bez. 0,34 ram, 1; 2; El. 9 0,19 bez. 0,28 ram) Parenchym nattirliche Oberfl~che gegen Wasser: - -6 ,6 ~0 ,9 Millivolt (6; 11; 12; 13; El. ~ 0,25 bez. 0,36 ram, 2; 2; 4; El. 0 0,15 bez. 0,24 ram,

5; 5; 6; El. 0 0,21 bez. 0,28 mm) Parenchym nattirliche Oberfl~che gegen L~ngsschnitt: --0,4 ~ 0,3 Millivolt (--1; --1; 0; 0; 0; 3; El. 9 0,25 bez. 0,36 ram, 0; 1; 2; El. 00,19 bez.

0,28 ram, 0; El. 0 0,15 bez. 0,24 mm) Sternparenchym gegen Wasser: - -1 ,8 + 0,5 Millivolt

(0; 1; '2; 3; 5; El. 0 0,31 bez. 0,34 ram, 0; El. 9 0,2l bez. 0,28 ram)

Musa sapientum, Bla t t s t i e l , P l a t i n e l e k t r o d e n

Parenchym des Querschnitts gegen Wasser: + 3,8 +_ 1,3 Millivolt (--7; --1; ~; ~; 3; 3; 6; 7; 7; 16; El. 0 0,6 ram)

Parenehym des L~ingsschnitts gegen Wasser: -}-3,5 ~ 0,9 Millivolt (--2; 2; 4; 5; 6; 6; El. 0 0,6 ram)

Parenehym der nattirlichen Oberfl~iche gegen L~ingsschnitt: - - 3,6 ~ 1,2 Millivolt

(--1; 0; 1; 2; 4; 6; 13; El. ~ 0,6 ram) Parenchym der nattirlichen Oberfli~che gegen Liingsschnitt:

- - 0,6 ~ 0,7 Millivolt (--3; - -2; 0; 0; 1; 3; 5; El. ~ 0,1 mm)

Sternparenchym gegen Wasser: d-1,8 ~ 1,1 Millivolt (--3; --1; --1; 3; 5; 8; El. ~ 0,6 mm)

Phloem gegen Parenchym: - - 10,9 + 1,4 Millivolt (4; 7; 8; 11; 12; 13; 21; El. 0 0,1 ram)

Elektrische Potentiale pflanzlicher Gewebe 545

Phloem gegen Parenchym: - - 14,4 ~_ 1,6 Millivolt (7; 10; 11; 15; 17; 26; El. 0 0,07 mm, 15; El. 0 0,04 mm)

Sklerenchym gegen Parenchym: -t- 7,7 -4- 1,3 Millivolt (4; 4; 5; 6; 12; 15; El. 0 0,1 mm)

Sklerenchym gegen Parenchym: d- 14,4 d-- 1,9 Millivolt (8; 9; 14; 15; 15; 19; 21; EI.O 0,07 mm)

Kollenchym gegen Parenchym: d-13,9 ~ 1,4 Millivolt (7; 12; El. 0 0,1 ram, 11; 12; 14; 16; 25; El. 0 0,07 mm)

Xylem (Holzparenchym, fanktionslose Gef~6e, etwas Sklerenchym) gegen Parenchym: d-5,1 d-1,6 Millivolt (--4; 3; 4; 6; 9; 13; El. 0 0,1 mm)

Holzparenchym gegen Parenchym: -~ 0,3 + 0,7 Millivolt ( - -3 ; - -1 ; - -1 ; 1; 3; 3; El. 0 0,04 ram).

Die Potentialmessungen stehen jedenfalls in sehr guter I]berein- stimmung mit der aus der elektrostatischen Theorie der F~rbung er- schlossenen Potentialverteilung. Sie haben auch gezeigt, da6 die ver- wendeten Eleklroden so dimensioniert sein sollen, dal~ sie die Grenzen des zu messenden Gewebes nicht erreichen. Die 0,1 mm Platinelektroden haben die Grenzen der gemessenen Phlo~me kaum erreicht, die des Sklerenchyms kaum iiberschritten; in beiden F~llen haben abet kleinere Elektroden, welche die Grenzen der betreffendeu Gewebe nirgends er- reichten, h~ihere Absolutbetri~ge der Potentialdifferenz ergeben. Da die Tracheen im Blattstiel yon Musa sehr weitlumig and wenig zahlreich sind, beziehen sich die Messungen am Xylem anf sehr hete1"ogene Ele- mente, vor allem auf Holzparenchym mit den ein his drei weniger weit- lumigen und schon mit Thyllen verschlossenen Tracheen und unter Um- st~tnden auf Teile des Sklerenchyms, die gegen das Holzparenchym vor- springen. Das gemessene Potential ist also als Mittelwert aufzufassen.

Einer besonderen Erw~hnung bediirfen noch die Messungen der natiirlichen Oberfl~tche des die Luftkammern begrenzenden Parenchyms gegen dessen Schnittfl~che. Mit Agar- und mit 0,1 mm Platinelektroden war kaum eine Potentialdifferenz nachweisbar, mit 0,6 mm Platinelek- troden scheint die Schnittfl~che etwas positiv gegeniiber der nat~rlichen 0berfl~che, doch habe ich die Schnitte, um sicher unverletzte Ober - f l~che zu haben, einigerma6en dick hergestellt und es ist dann schwer, die grol~en Platinelektroden richtig und ohne zu starken Druck anzu- legen; m6glicherweise erscheint die Schnittfl~che durch ausgedrtickten Zellsaft hier starker positiv. Da an der unverletzten Oberfli~che n u r yon den Z e l l u l o s e m e m b r a n e u a b g e l e i t e t w e r d e n kann , s c h e i n t es, da6 d iese fiir die g e m e s s e u e n P o t e n t i a l e so gu t wic a l l e in

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v e r a n t w o r t l i c h zu m a e h e n s ind, wie ja aueh die oben ge- n a n n t e n F~ t rbungen M e m b r a n f ~ r b u n g e n d a r s t e l l e n .

Die Untersuchung wurde im physikalischen Institut der Universit~t Graz ausgeftihrt. Herrn Professor B e n n d o r f danke ich bestens ftir die F5rderung, die er meiner Arbeit in jeder Weise angedeihen liel~, und ftir das Interesse, das er ihr entgegenbrachte; ebenso tIerrn Professor R u m p f fttr seine Ratschli~ge und ftir sein Interesse an der Untersuchung.

Zusammenfassung

1. Ftir Potentialmessungen an kleinen biologisehen Objekten ist das Quadrantenelektrometer in vorztiglieher Weise geeignet und bietet entschieden Vorteile gegentiber der yon F t i r t h angegebenen Methode.

~. Es ist yon vornherein damit zu rechnen, dat3 das an einem Gewebe gemessene Potential vom Elektrodenmaterial abh~tngt und eine solche Abh~ngigkeit zeigt sich bei der Messung yon Grundgewebe gegen Wasser.

3. Die an verschiedenen Geweben des Bananenblattstiels ge- messenen Potentiale stimmen mit den nach R. K e l l e r s elektrostatischer Theorie der F~rbung erwarteten tiberein.

4. Die nnverletzte Oberfl~che des die Luftkammern im Bananen- blattstiel begrenzenden Parenehyms hat dasselbe oder nahezu dasselbe Potential wie dessert Schnittfl~tche uud da im ersteren Fall sicher nut yon Membranen abgeleitet wird, scheinen diese fiir die gemessenen Potentiale bestimmend zu sein.

L i t e r a t u r n a c h w e i s e

1. E t t i s e h , G. und P 6 t e r f i , T., Zur Methodik der Elektrometrie der Zelle. Pfliigers Arehi7 f. d: ges. Physiol. 208, 451, 1925.

2. - - - - Elektrometrisehe Untersnehungen an Amoeba terrieola. I. Mitt. Ibid. 467. 3. F t i r t h , R., l~ber die Messung yon elektrisehen Kr~ften mikroskopiseh kleiner Ele-

mente. Physikal. Zeitsehr., 28. J ahrg-.~ 697, 1927. 4. G i e k l h o r n , J. und K e l l e r , R.~ Methoden der Bioelektrostgtik. Handb. d. biol.

ArbMtsmeth., Abt. V, Teil 2, 1189, 1928. 5. - - u n d U m r a t h , K.. 3{essnng elektriseher Potentiale pflanzlieher Gewebe und

einzelner Zellen. Protoplasma 4, 249, 1928. 6. K e l l e r , R., Die Elektrizitgt in der Zelle. II . Aufl. J. Kittl 's Naehf. Keller & Co.,

Mghriseh-Ostrau 1925.