Z. Zellforsch. 100, 552--559 (1969)

Die Feinstruktur der Geschmacksknospen von Welsen [ Clarias batrachus (L.) und Kryptopterus bicirrhis

(Cuvier et Valenciennes)]*

ULRICH WELSCH

Anatomisches Institut der Universit~t Kiel (Direkter: Prof. Dr. W. BARGMANN)

VOLKER STORCH **

Zoologisches Institut der Universit~t Kiel (Direktor: Prof. Dr. R. SeHusT]~R)

Eingegangen am 16. Juni 1969

The Fine Structure o/the Cat/ish Taste Buds Summary. The taste buds of the catfishes Clarias batrachus and Kryptopterus bicirrhis

contain four different cell types: 1. Basally and peripherally situated cells which represent transitory forms between the

epidermis- and the sensory cells. 2. Basal oval light cells, possibly precursors of the 3. elongated light cells, a narrow villus bearing process of which reaches the epidermal

surface. These cells contain well developed systems of smooth membranes as well as numerous mitochondria.

4. Elongated dark cells, which also reach the surface, being characterized by bundles of filaments and dense secretory granules.

Cell types 3 and 4 are at their bases in contact with synapses. Both are considered to be receptor cells.

Zusammen/assun9. In den Geschmacksknospen der Welse Clarias batrachus und Kryptopterus bicirrhis werden vier Zel]typen unterschieden:

]. Basale und marginale Ubergangszellen zum Epidermisepithel. 2. Basale, ovule und helle Zellen, mSglicherweise Vorstufen von 3. langgestreckten hellen Zel]en, die mit einem schmaten, villustragenden Ausl~ufer die

Epidermisoberfl~che erreichen und gut entwickelte glattwandige Membransysteme sowie zahlreiche Mitochondrien enthalten.

4. Langgestreekte dunkle Zellen, die ebenfalls die Hautoberfl~che erreichcn und durch ihren Gehalt an Faserbiindeln und dichten Sekretionsgranula gekennzeichnet sind.

An den basalen Abschnitten yon Zelltyp 3 und 4 sind Synapsen ausgebildet. Diese Zell- formen werden als Rezeptoren angesehen.

Die in unterschiedlicher Zahl am vorderen Kopfende ausgebfldeten Bar te ln der Welse (Clarias: 8, Kryptopterus: 4) dienen nach l ichtmikroskopisehen neuro- anatomisehen Beobaehtungen (WRmKT, 1884; HV.~RICX, 1901), elektrophysio- logisehen (HOAGLAND, 1933) u n d ethologischen Unte rsuchungen (v. Luxowlcz , 1966) der Rezept ion olfaktoriseher und takt i ler Reize. Die Sinnesze]len des Gesehmackssinnes sind in Knospen konzentr ier t , die vers treut in der Epidermis auf t re ten und von Fasern des N. facialis (aus dem Ganglion genieulatum) sowie

* Die Untersuchungen wurden mit dankenswerter Unterstiitzung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft ausgefiihrt.

** Herrn Prof. Dr. W. BARG~L~N~ danke ich ffir einen Arbeitsplatz im Anatomischen Institut Kieh

Geschmacksknospen von Welsen 553

in geringem Umfang auch des N. glossopharyngeus und des N. vagus innerviert werden (Hv, I~RICX, 1901). In den Knospen kommen naeh liehtmikroskopisehen Belunden (ScHNWIDV, R, 1931; RAJBA~SHI, 1966; V. LUKOWICZ, 1966) neben den Sinneszellen, die die Epidermisoberfl~ehe erreichen, basale Stfitzzellen vor. Die Tastrezeptoren stellen freie Nervenendigungen des 57. trigeminus dar, welehe dem Ganglion Gasseri ents tammen (H]~RRICK, 1091).

Da naeh elektronenmikroskopischen Befunden in den Gesehmacksknospen der S/~uger eine grSl~ere Zahl yon Zelltypen beschrieben wurde, fiber deren Funktion weitgehende Unklarheit besteht, sollen in der vorliegenden Arbeit die hchtmilcroskopisch einfaeher gebauten Gesehmacksknospen der Fische am Bei- spiel der Welse elektronenmikroskopiseh untersucht werden. Aul~erdem ermSg- lieht ihre Kenntnis einen Vergleich der in den Gesehmacksknospen l i e g e n d e n Chemorezeptoren land- und wasserlebender Vertebraten.

Material und Methode

Etwa 5 em lange Individuen yon Ciarias batrachus und ebenso lange Kryptopterus bicirrhis wurden in Thailand in SfiBgew/issern der Umgebung Bangkoks gefangen 1. Die Barteln der lebend nach Deutschland transportierten Tiere wurden in 3,5 % igem phosphatgepuffertem Glutaraldehyd bei pH 7,5 und 4~ 2 Std fixiert und dann mehrfaeh mit Phosphatpuffer ausgewasehen. AnsehlieBend wurden die Gewebestficke ffir 2 Std in 4% iges Osmiumtetroxid iiberffihrt und fiber Alkohol und Epoxypropan in Araldit eingebettet. Am Porter-Blum- Mikrotom hergestellte Dfinnsehnitte wurden mit Uranylacetat (gesiittigte LSsung in 70 % igem Methanol) und Bleicitrat kontrastiert. - - Elektronenmikroskop: Zeiss EM 9 A.

Befunde

In das mehrsehichtige kuboidale Epidermisepithel aller Tentakel sowohl yon Clarias batrachus als auch yon Kryptopterus bicirrhis sind in unregelm/~Bigen Abst~nden Gesehmacksknospen eingelagert, in denen sich vier Zellformen unter- scheiden lassen (Abb. 1):

1. Am Rande und an der Basis der Knospe kommen langovale Zellen vor, die in ihrer Gestalt Ubergangsformen zwischen den langgestreckten Zellen im Innern der Knospe und den kuboidalen Epidermiszellen bilden. Sie enthalten viel granul/ires endoplasmatisehes Retikulum.

2. Basal lagern in der Knospe rundiiehe sehr helle Zellen, in deren Zytoplasma nur wenig Zellorganellen anzutreffen sind. Glattes und granul~res E.R. t reten hervor. Das gesamte Zentrum der Knospe wird yon zwei langgestreckten, meist birnfSrmigen Zelltypen ausgeffillt, die sich in mehreren Merkmalen unterscheiden.

3. Das Zytoplasma des einen Zelltyps ist relativ dieht und wirkt daher dunkel (Abb. 2). Es enth/~lt neben Mikrotubuli Bfindel yon Fflamenten, Ribosomen und zahlreiehe grSBere elektronendichte Granula. Apikal erreiehen diese Zellen mit einem sehmalen Ausl/~ufer die Oberfl/~ehe der Epidermis, wo sis einige kr/~ftige Mikrovilll ausbilden, auf denen feinf/idiges Material lagert (Abb. 3). Basal ent- halten sie oft glattwandige BIKsehen und sind in Kon tak t mit mehreren Synapsen, die Mitochondrien und nur wenige Vesikel enthalten. Die elektronendichten Ver- st/~rkungen sind meist auf beiden Seiten der Synapse anzutreffen.

1. Herrn Dr. G. Kiim~OR(~E~r (Ministry of Agriculture, Bangkok) danken wir ffir viel- f~ltige Unterstiitzung w~hrend unseres Thailandaufenthaltes.

37*

554 U. WELSCH und V. STORCH:

Abb. 1. Halbschematische Darstellung einer Gesehmacksknospe von Kryptopteru8 bicirrhis. E Epidermiszelle; HZ helle Zelle (Rezeptorzelle) mit basalen Synapsen (Sy); DZ dunkle Zel]e

(Rezeptorzelle), ebenfalls mit basalen Synapsen (Sy), N Nerven

4. I m Gegensatz zu Zelltyp 3 ist das Zytoplasma dieses Zelltyps auffallig hell (Abb. 2). Es enth~lt besonders glattwandige tubul~re Membransysteme, die sieh drei verschiedenen Zellorganellen zuordnen lassen: a) Mikrotubuli, die besonders apikal auftreten; b) glattwandige relativ weitlumige E.R.-Zisternen. Sie sind gelegentlich nicht eindeutig yon den sehr engen und langen Zisternen des c) Golgi- apparates zu unterscheiden. I m Lumen des Golgisystems lagert h~ufig elektronen- dichtes Material. AuBerdem wird es yon hellen Bl~schen umgeben. I m distalen

Geschmacksknospen yon Welsen 555

Abb. 2. Ausschnitt aus dem Zytoplasma einer hellen und einer dunklen Rezeptorzelle aus einer Geschmacksknospe yon Kryptopterus bicirrhis. Beachte die Sekretionsgranula (Sg) in der dunklen Zelle und die glattwandigen Membransysteme in der hellen. Vergr. 18000•

ve reng ten Teil de r Zellen t r e t en ve rmehr t Mi tochondr ien mi t z .T. sehr u n r e g e l - m ~ i g e r Anordnung tier Cris tae auf. R ibosomen s ind re la t iv selten. Auch diese Zellen erreichen die Oberfl~che der Ep ide rmis und bflden hier einige sehr kr~f t ige

556 U. WELSC~ und V. STOm~H:

Abb. 3. Apikaler Saum einer Geschmacksknospe von Clarias batrachus. Beachte die unter- schiedlich dicken Mikrovilli der hellen und dunklen Zellen sowie das glattwandige E.I~. in den

hellen Zellen. Vergr. 18000 •

Mikrovilli aus, deren Durchmesser doppelt so groB ist wie der yon Typ 3. Der gesamte distale Abschnitt ist besonders in seiner Peripherie von dicht gelagerten glatten Zisternen des endoplasmatischen Retikulums ausgeffillt. Vom Plasma- lemm ziehen Einstfilpungen in die Tiefe, an deren Basis oft Stachelsaumbl~schen vorkommen. Basal stehen auch diese hellen Zellen mit Synapsen in Verbindung, deren pr~synaptische Verdickung etwas st/irker als die subsynaptische ist. Besonders im verschm~lerten distalen Bereich der Zellen sieht es so aus, als seien die hellen Zellen yon blattfSrmigen Forts~tzen der dunklen Zellen umhfillt. In der basalen H~lfte der Epidermis sind vereinzelt Anschnitte durch kleinere Bfindel yon Nervenfasern anzutreffen. Der zentrale Raum der Tentakel wird yon Blut- gefKgen, Nerven und sehr regelm~13ig angelegtem Knorpelgewebe (Abb. 4) auf- gebaut.

Diskussion

Im Gegensatz zu den zwei lichtmikroskopisch nachgewiesenen Zellformen - -ba sa l en Stfitzzellen und langgestreckten Sinneszellen - - in den Geschmacks- knospen der Welse (v. LUKOWICZ, 1966; RAZBANSm, 1966; SCHNEID~.~, 1931) lassen sich im elektronenmikroskopischen Bild vier Zelltypen unterscheiden. Basal und peripher ]iegen Zellen, die weitgehende feinstrukturelle ~berein- stimmungen mit den Epidermiszellen zeigen und daher l~bergangsformen zwischen diesen und den zentralen Sinneszellen zu sein scheinen, wie sie auch mit Hilfe

Geschmacksknospen yon Welsen 557

Abb. 4. L~ngsschnitt durch den zentralen Knorpelstab im Maxillartentakel von Claria8 batrachus. Vergr. 7200 •

radioaktiver Markierung in der Peripherie der S~ugetiergeschmacksknospen nach- gewiesen wurden (BEIDLER und SMALL~A~, 1965). Die basal lagernden sehr heUen Zellen stellen mSglicherweise schon weiter differenzierte Vorstufen der hellen Rezeptorzellen dar. In ~hnlicher Form treten sie basal an den Geschmacksknospen der Rattenzunge auf (F~_RBMAN, 1965).

Uber die Funktion der beiden mit Synapsen in Verbindung stehenden Zell- typen herrscht keine Klarheit. FA~BMA~ (1965) land sie in entsprechender Form bei der Rat te ; er sieht die dunklen Zellen als Rezeptoren an, w~hrend die hellen eine Rolle bei der Bildung und Strukturerhaltung der Knospe spielen sollen, eine Ansicht, die auch M u ~ A r und MUR~AY (1966) teilen. Er weist gleichzeitig auf die ~-------~nlichkeit der dunklen Zellen mit Schwannschen Zellen hin. Wir konnten

558 U. WELSC~ und V. STORCH:

entsprechende Befunde (Reichtum an Fasern und Umhfillung der hellen Zellen) bei den untersuchten Welsen erheben. Wegen des Vorkommens yon Synapsen an ihrer Basis und der langen Ausl/~ufer zur Oberft/iche halten wir jedoch beide Zelltypen fiir Rezeptoren. Die hellen Zellen weisen dabei besonders J~hnlichkeit mit den typischen Sinneszellen des olfaktorischen Epithels der Vertebraten auf (A~CDRES, 1969); hierher geh6ren das reichliche Vorkommen des glatten apikalen E.R., tiefe Einsenkungen des Plasmalemms und Stachelsaumbl/~schens (Hinweise fiir einen Stofftransport) sowie Bfindel yon Mikrotubuli und Anh/iufungen yon Mitochondrien. Auf eine besonders stoffwechselaktive Oberfl/iche der Geschmacks- sinneszellen bei S/~ugern deuten auch die histochemischen Befunde yon TAXASHI und OSAMI (1969).

Auch im Zytoplasma der dunklen Zellen, die fibrigens beim Kaninchen yon DE LOl~ENZO (1958) als St/itzzellen angesehen werden, sind Mikrotubuli enthalten. Das Vorkommen yon elektronendichten Sekretionsgranula stimmt abet besonders mit den Chemorezeptoren im Carotis-Sinnesorgan der Vertebraten, z.B. der Amphibien (ISHII und OOSAXL 1969), fiberein, auf deren Oberfl~che ebenfalls Synapsen auftreten.

Die Mikrovilli beider Rezeptorzelltypen sind bei Clarias batrachus und Kryptopterus bicirrhis einfache Strukturen; sic zeigen weder aufgebl/~hte End- abschnitte, wie sie GRAY und WATKINS (1965) nach OsO4-Fixierung bei der Ratte beschreiben noch kompliziertere Geschmackspinsel (NEMETSCHEx-GANSLER und FERNER, 1964, beim Kaninchen).

Die Struktur der Synapsen an der Basis der Geschmackssinneszellen der Ratte wird ausfiihrlich yon GRAY und WATK/NS (1965) beschrieben. Sie weisen darauf hin, dab sowohl im pr/i- als auch im postsynaptischen Bereich Vesikel auftreten, die h/~ufig ungew6hnlich groB sind (bis zu 2000 ~ in den Rezeptorzellen). Wie bei der Ratte sind aber auch bei den untersuchten Welsen auffallend wenige Vesikel im pr/~synaptischen Bereich ausgebfldet. Mitochondrien dagegen kommen in normaler H/iufigkeit vor.

Typische elektronendichte Verst/~rkungen sind bei der Ratte nur im pr/i- synaptischen Anteil nachgewiesen; bei Clarias und Kryptopterus sind beide Synapsenmembranen ,,verdickt", jedoch ist die pr/isynaptische Verst/irkung an den hellen Zellen oft kr/~ftiger als die postsynaptische.

Literatur

ANDROS, K. H. : Der olfaktorische Saum der Katze. Z. Zellforsch. 96, 250--274 (1969). BEIDLER, L. M., and R. L. SMALLMAN: Renewal of cells within taste buds. J. Cell Biol. 27,

263--272 (1965). FARBMA~, A. J. : Fine structure of the taste bud. J. Ultrastruct. Res. 12, 328---350 (1965). GRAY, E. G., and K. C. WATKIZqS: Electron microscopy of the taste buds of the rat. Z. Zell-

forsch. 66, 583--595 (1965). HERRICK, C. J.: Nerves of Siluroid fishes. J. comp. Neurol. 11, 177--249 (1901). I-IOAGLAND, H. : Specific nerve impulses for gustatory and tactile receptors in cat fish. J. gen.

Physiol. 16, 685--693 (1933). Isrm, K., and T. OOSAKI: Fine structure of the chemoreceptor cell in the amphibian carotid

labyrinth. J. Anat. (Lond.) 104, 263--280 (1969). LORENZO, A. J. DE: Electron microscopic observations on the taste bud of the rabbit. J.

biophys, biochem. Cytol. 4, 143--150 (1958).

Geschmaeksknospen von Welsen 559

LUKOWICZ, M. voN: ~be r die Barteln und die Lippenepidermis verschiedener ~gyptischer Siii]wasseffisehe mit einigen Versuchen zum Geschmackssinn. Zool. Anz. 176, 396--419 (1966).

MURRAY, R. G., and A. MURRAY: Fine structure of rabbit taste buds. In: Electron microscopy, vol. II , p. 485-486. Tokyo: Ryozi Uyeda Maruzen Company Ltd. 1966.

NE~ETSCHEK-GANsL]~R, H., u. H. F~RNER: ?2~ber die Ultrastn~ktur der Geschmacksknospen. Z. Zellforsch. 63, 155--178 (1964).

RAZBANSHI, V. K. : The cutaneous sense-organs of Clarias batrachus (GRol~ovIous). Zool. Anz. 176, 379--384 (1966).

SCHNEIDER, A.: Zur vergleichenden mikroskopiseh~n Anatomic der Fisehbarte]. Sitz.-Bcr. Ges. naturforsch. Freunde, Berlin, S. 31--74 (1931).

TAKAS~, I., and N. OSAMI: Histochemical observations on phosphatase activities of degen- erating taste buds. Anat. Rec. 168, 31--38 (1969).

WRIGHT, R. R. : On the skin and cutaneous sense organs of Amiurus. Proc. Canad. Inst., Iq.S. 11, (1884) (zit. n. HERRICK).

Dr. ULRICH W:ELSCH Anatomisehes Insti tut der Universit~t 23 Kiel, Olshausenstr. 40--60

Dr. VOLKER STORCH Zoologisches Insti tut der Universit~t 23 Kiel, Hegewischstr. 3