Institut für Botanik und Mikrobiologie

KERNFORSCHUNGSANLAGE JOLICH

des Landes Nordrhein-Westfalen - e.V.

Phasenoptische Beobachtungen über

Vakuolisierungserscheinungen bei Allium cepa L.

von

Alfred Feldmann

Jül - 462 - 80 1966

Berichte der Kernforschungsanlage Jülich Nr. 462

Institut für Botanik und Mikrobiologie Jül - 462 - BO

Dok.: Cytoplosm - Radiation Effocts

Cytoplasm • Vocuolization

DK: 576.311 : 539.12.04

576.311.33

Zu beziehen durch: ZENTRALBIBLIOTHEK der Kernforschungsanlage Jülich, Jülich, Bundesrepublik Deutschland

Sonderabdruck aus Band LXII, 1966, Heft 4

PROTOPLASMA

Nicht im Handel

Unter besonderer Mitwirkung von R. Biebl, Wien, J. Brachet, Bruxelles, N. Kamiya, Osaka, H. Kinzel, Wien, A. Pischinger, Wien, und P. Sitte, Heidelberg Herausgegeben von K. Höfl er, Wien. und K.R. Porter, Cambridge/USA

Springer-Verlag/ Wien ·New York · Alle Rechte vorbehalten

Phasenoptische Beobachtungen über Vakuolisierungserscheinungen bei Allium cepa L.

Von

Alfred Feldmann Aus dem Institut für Botanik und Mikrobiologie der Kernforschungsanlage Jülich

Mit 17 Textabbildungen

(Eingegangen am 14. April 1966)

Einleitung

In einer neueren Arbeit ha1t Ur 1 (1%4) Lichtmikroskopi~ch sichthare Pla:smavakuolen bei Allium cepa beschrieben. Ur 1 weirs,t darauf hin, daß diese Vakuolen hinsichtlich ihrer Veriteilung und ·ihres Verhalten:s vid Ähn­lichkeit mit dem Endop1asmaüschen Retikulum (ER) zei,gen. Er diskutiert auisführlich die Friage nach einer eventuellen Iden1tifät beider Struktuven, kommt jedoch zu delIIl Schluß, daß die Dimensionen 1der Vakuolen zu groß seien, UiID sie mi1t dem ER in Verbindung zu bringen.

Beveits vorher waven von Drawert und Mix (1%1/62) unter anaem­ben VerhäHnissen die gleichen Gehi1de bei M icrasterias und Allium beob­achtet und als :s:ichtbare Elemente des ER 1g"edeutet wovden. Die gleichen Autoren berichteten (1%3) über elektronenop1ti,sch sichthare „intriaplasma,ti­sche Vakuolen" bei Allium cepa. Sie teilen mit (S. 274), daß das Grurnd­plasma von größeren vakuolenarügen Gehi1den durchsetzt sein könne und daß hin und wi,eder sehr starke Aufblähungen :im Plasmaschlauch zu beobachten seien, d:ie Lichtmikroskopis·ch sich1tibaren kleineren Vakuolen ent­sprechen dürften. An anderer Stelle (S. 276) heißt es: „In Verbindung mit dem ER sind größere (Miitoch·ondriengröße und darüber) vakuolenartige Gebilde zu erkennen, di1e von einer einfacheren Membmn um:sdilOStSen wer­den."

Unabhängig von den Beobachtungen und der Deutung von Dr a wert und Mix nahm auch Jaro:sch (1%1) an, daß die von ihm in ausgepreß­tem Characeen-Protoplasma ·gefundenen feinen schlauch- und blasenförmi­gen Vakuolen „ein durch Oberflä·chens1pannungskräfte umgewandeltes und beherrschtes ER darstellen." So 1 b er g und Ba 1 d (1 %2) und Honda et al. (1%4), die Triehome von Tahak bzw. Tomaiten untersuchten, vermute­ten in dem heobachieten zytoplas.ma1t1i:s1chen Netzwerk viakuoLiiger Natur eine

318 A.Feldmann

lich:tmikroskopi,sch wahrnehmbare Erscheinungrsfo11m des ER vor s:ich zu haben. über das Auftmten ,intrap1asmaitiischer Schläuche und Ves.ikel bei Allium nach Rönt,genhestrahhmg be11ichtete 0 k y a r (1%5). In Kenntnis d,er Arbeit von Ja ros c h (1%1) und der von So lh e r.g und Bald (1964) schHeß.t auch Okyar auf „some relation w:ith the endoplasmat,ic veticm1um".

In jün.gsfor Zeit haben Url und Bolhar-Nordenkampf (1%5) weitere Beobach1trnrugen über intrapl1asma.t,i,s1che V1akuolen, die von den Autol'en kurz a1s „Schläuche" bezeichnet wel'den, bei Allium mitgeteilt. Auf Grund eines ausführlichen vergleichenden Stud:iums der eJekitronen­mikl'oskop:ischen Literatur sehen es die Verfasser als ziemlich sicher an, daß es sich bei den Schläuchen um Teile des ER handdt. Bol 1h a r - No r 1d e n­k am p f (1966) hat in einer weiter,en Veröffentlichung, die imit der F 1el'tig­ste11ung des Manuskriptes d,ieser Arhei1t ers1chien, inshesondere auf vermrut­liche Hydl'atiionsvorgänge bei der Ausihi1dung der Pliaismaschläuche auf­merkisam gemacht. Er nimmt an, daß 1sich d:ie Permeabi1ifät der „unit membrane" de:s ER geäm.d•ert hat, wodurch eine Hydration und Vermehrung und damiit ein Sichtbarwerden ,der intrapl•a•smat,ischen Phase (IZP) möglich erscheine.

Die phasenoptiisch 1sich·tbal'en 1schlauch- und bläschenförmigen Vakuolen, die im nachfolgenden a1s irrtrapla:smaiti:sche Vakuolen bezeichnet we11dren, z·eigen recht vie1seitiige und bei sitrömendem Plasma auch stark wechselnde Formen. In jedem Falle aber handelt es S1ich um sehr 1aruffällige Strukturen, deren Auftreten einfach nicht zu ühevs.ehen iif;.t. Es über11a1scht daher, daß diese Plasimavakuolen eDS1t jertz.t be:s1chri,eben worden sind, zumal insbeson­dere ,di.e Zw~ebel ein klassisches Objekt der zellmorphologischen und ins­besondere zellphy1S1iologischen Forechunig irst. EIS el'giibrt sich di1e Vemnufonig, daß besondere und relativ se1ten gegebene KonsteUa,tionen die UrrSachen für die Bildung intrap1aismatischer Vakuolen s1ind. Zweifellos liegen die Gründe zum überwiegenden Teil aber im technischen Bereich.

Im nachfolgenden we!'den weitere Beobachtungen über Auftreten und Erscheinun~formen intropla1Smatiischer Vakuolen be:i Allium cepa mi1tge­teilt. Es handelt .s;ich dabei um Befunde, die äm Rahmen ieyrtüiffiorphologi­scher und -physiologischer UnteDSuchungen an röntgenbestrah1ten Zw:iebel­ep1dermen gewonnen wuooen und über d:ie hier gesondert heriditet weooen soll.

Material und Methodik

Für die Untersuchungen wurde Zwiebelmater,ial von neun Handelssorten aus eigenem Anbau verwandt. Darüber hinaus mußten Zwiebeln unibe­k,annrter Sorten aus dem Angebot des Einzelihanrd.e1s mit herangezogen weroen.

Die Präp1aration erfolgte nach dem vron St r u.gg er (1949) entwickelten und inzwisdien allgemein eingeführfon V erfahren. Zur U nteDSuchung kamen nur Epidermen d·er Obe!'seite (KonkaviseHe) des dritten Schuppenblattes von ,auflen. Nach der Infiltration mit Leitungswasser wuooen die Oberepi­dermishäutchen zum Teil ·sofort freiipräpariert, auf Lei1tulJllgswaSJSCr .bestvahlt und ans1chließen<l auf fr~schem Leitungswasser aufbewahrt, zum anderen

Phasenoptische Beobachtungen über Vakuolisierungserscheinungen 319

Teil verblieben die E:pidermisteilsföckchen auf der Schuppe, deren Auf­bewahrung bi,s zur Beobachtung 'in einer fouchtcn Kammer erfolgte. Zur Hcvstelhmg der Präparate diente Le:i1tungswas1ser.

Für die Besfrahlung wurde eine Gle:ichspannungs-Röntgenapparatur mi't einer Berylliullllfensiterröhre vom Typ Mö1d 150 Be, Eigenfilterwerit 2,5 mm Beryllium verwandt. Es wu11de ohne zusätzliche Filterun:g besfoahlt, da 1sich sorust bei der hohen Res1i1stenz der Zwiebeldauerzellen schon hei 1,7 mm Al-Fiilter Besitrah1ungiszeiten bis zu 8 Stunden erigeben hätten. Auf der anderen Seite ·ergab iSlich danms w1ieder der Nachteil, daß hei der Breiite des ungefilterten Strahlenrspektrums eine ,exakte Bestimmung ,der Do1sisleisümg nicht mög1ich war. Bestrahlt wul'de einheitlich hei 100 KV, 13mA und einem Focusiabstand von 11 cm. Unter diesen Bedingungen wuvde mit einer PTW­Weichstrahlkammer eine Dooislei1s1tung von 18,7 Kr/min 1ge:mes:sen.

Die Beobachtungen wurden mit üinem Zei1s,s-Photomikroskop mit Mikro­blitzeinrichtung durchgeführt. Um bei 1sfärkerer Vevgrößerung im Pha,sen­kontrast eine ,ausreichende Belichtung de1s Filmes zu erreichen, mußte mit l\faitcrial von 170 DIN Empfindlichkeit gearheitet wel'den.

Beobachtungen

Geistalt und Formwan1del d,er 1intrapla1smatischen Vakuolen unter verschiedenen Bedingungen

a) Röntgenbestrahlung isolierter Epidermen auf Wasser

Nach ,der Bestrahlung von Zwiebelepidermen auf Le:itungswasiser erfolgte im allgemeinen als enste morphologisch erkennbare Reaktion ein Einziehen der Plasmasfränge in den Plasmawandbelag. Anschließend kam die Plasma­strömung zum Erliegen. Mei:s1t wurden mit einer Erhöhung der Strahlen­dosis sy,sitrophi,sche Ballungen von Or,ganellen zu kleineren oder auch grö­ßeren Gru1ppen s1ichthar. Die nächsHolgende Schädigungsstufe war durch ein Abkugeln und Anschwellen der Mitochondrien und Leukoplasten gekenn­zeichnet.

Vornehmlich in dieser Phase, die etwa bei einer Doisi1s von 200 bis 300 Kr erreicht wurde, te:ilwe:ise ,aber auch schon früher, traten im Plasma der besfrahlten Zellen fast regelmäfög teil1s runrde, teils längliche, helle nicht kontras1tierte Komplexe auf, die in cihrer Größe und Form viel Ähnlichkeit mit abgekugdten und angeschwollenen Pl1astiden und Mitochondrien zeig­ten. Man hatte den Eindruck eines M.ischbildes von positivem und negativem Phasenkontrast und war versucht, Änderungen in der Lichtbrechung ,aufge­quollener Origanellen für einen solchen optiischen Effekt verantwortlich zu machen. In Wirklichkeit handeHe es s'ich jedoch um eine der mannigfachen mor·phologis.chen Erscheinungsformen intraplaismaNscher V'akuohsierung (Abb. 1 und 2).

Das Auftreten dieser Vakuolen war, wie ,schon angedeutet, keineswegs an eine bestimmte Strahlendosis ,gebunden, wenn auch ein Bildung,smaxi­mum eindeutig in jener zuvor charakteris1ierten Schädi,gungs:situfe lag. Bei stärkeren Graden der Stmhlenschädiigung, die vor allem durch eine ring­förmige Vakuoli1sierung von P,liastiden und Mitochondrien gekennzeichnet

Protoplasma, Bd. LXII/! 22

320 A. Feldmann

warnn, konnten die hell brechenden Plaisma vakruolen bald nicht llUehr fos.t­g.esfoUt werden, bei schwächeren .Str1ahlendosen nahm 1ihre I-läufi1gkeit zwar ab, aber gelegent1ich fanden si·e •sich auch noch be.i relativ schwachen Dosen

Abb. t und 2.

Abb. J. Kreisrunde, kleinblasige, hell kontrastierte intraplasmatische Vakuolen nach Röntgenbestral1lung auf H20 mit 299Kr, 10min nach Bestrahlungsende. Die Orga­nellen sind abgekugelt und dunkel kontrastiert , teilweise auch bereits vakuolisiert

(Pfei le). Abb ildungsmaßstab: 1500: J. Abb. 2. Intra plasmatische Vakuolen bei „Zittauer Gelbe", JO min nach Bestrahlung auf H20 mit 225 Kr. Organellen noch teilweise identifizierbar, insbesondere Leuko­plasten (L). Mitochondrien (M) meist abgekugelt, vereinzelt auch vakuolisiert.

Schwache Organellensystrophe. Abbildungsmaf!stab: 1500: 1.

v.on ?O Kr. Allerd1i.ngs enschienen di.e V aJ<.1uo.len d ,ann e11St mehrere Stunden oder s·ogar ein bis zwei Tage nach der Bestrahlung.

Die intraplas1ma·hschen Vakuolen zei1gten Veränderun,g1en ihr·er Üd1s1l1age. Nachckm ·die primäre Plasma1strömung j.nfo1g.e der Be,str.ahhmg zum Erlie­g·cn gekommen war, hiieben zunächst sd1wache Plasmahewegungen, die

Phasen optische Beobachtungen über Vakuol isierungserscheinung·en 321

Abb. 3- 5.

Abb. 3. Schlauchartige, am Zellkern (K) ansetzende intraplasmatische Vakuolen, ?2 Std. nach Bestrahlung der Epidermis auf .der Schuppe. Dosis 299 Kr, seit 30 min

auf H20. AbbiJ.dungsmaflstab: 1024: 1. Abb. 4. Typische Schlauchvakuolen. Bestrahlung vor 48 Std. mit 224 Kr auf der Schuppe. Photographische Aufnahme 5 min nach Fertigstellung des Präparates (L =

Leukoplasten). Abbildungsmaflstab: 1500 : 1. Abb. 5. Stark v-0.kuolisierter Plasmastrang. Schuppenbestrahlung mit 598 Kr, seit

40 min auf H20. Abbildungsmaflstab: 1500: 1.

22*

322 A. Feldmann

bevorzug;t 15,enkrecht zur Längs1acl:k'le der Zellen verl:icfen, besitehcn. Die Bewegungserscheinung·en der E1inzelvakuolen oder auch ganzer V1akwolen­felder enfaprachen dabei 1dcnen der Orrganellcn.

b) Röntgenbestrahlung von Epidermen auf der Schuppe

Dominierten bei der Besfrahlung auf Waissier die 1-l-undvakuolen, S·O traten bei der trockenen Bestrahlung der Epidermen auf der Schu:prpe fo stavkem Maße auch unregelmäßig geformte Blasen von großer Formenvariabil1i1tät im Zyto:p],asma auf. Bei noch int,akter P.la'Smaisihömung fanden s1ich viielf ach sch1auchartige, l1ang ausgezogene V,akuolen von gering·erem Durchmesiser (0,3~0,4 fl), die sich hier und dorit zevtei1ten, .arndcrer1seit.s aber auch wieder ve11s·chmo1zen und ebenso auch benachbarte Vakuolen aufnahmen (Abb. 3 und 4). Sofern d1ie den Zellisaf.traum durchischne:idenden Plasmastränge noch n;icht .in den Wandbel,ag 1aufgenommen waren, konnten V1akuolien auch hier fest1ge:stellt werden (Abb. 5).

Mi1t einem N achla·sis·en der Pl:asmahewegung überwogen :immer me1hr rundliche Vakuolcnformen, bis 1s.chließlich in völlig ruhendem Pla·sma die Kugelform stark hervortrat (Abb. 6). Sehla,ucharbgie Vakuolenty:pen fehlten dann aber keineswegs rgänzl,ich, s:ie waren vielmehr ger1wde bei zur Ruhe gekommenem Plaisma häufig hesonder1s lang und dünn a:rnsgehi1det. Diese Langvakuolen zeigten oft über Minuten kaum Veränderungen ihrer Fmm. Sie waren immer in nur relaitiv 1s.chwach strahlengieschädi1g,ten Zellen anzu­treffen. Ebens10 konnten in 1solchen Zellen auch drehte P1akete länglicher, :parallel liegender und recht formbesfändiger V1akuolen, die foilweise in M~schung mit Kugelvakuolen auftraten, beobachtet werden (Abb. 7). Ins­bes1ondere bei höheren Striahlendosen wal'en beim Aufareten von initraplrns­maüschen Vakuolen ,auch Abrundungis- und Quellungiserscheinungen an den Mitochondrien und Leukoplasten festzustellen.

Verbreitet waren Anhäufungen von 1intriapla1smatii1schen Vakuolen ·in Kernnähe zu heohachten (Abb. 8). Die Erscheinung is1t wenigs1tens teilweise da1durch zu erklären, daß d1ie Pla:smastränge und Plasimahahnen gehäuft am Kern zwsammenlaufen, wodurch 1gemde in diesem Knoitenpunkt 1sit1ark wech­selnde und sehr lebhafte Bilder entstanden. Es kam hier zu veigelrechten Versitopfung·en der Strömung1swege, di·e :sich bei nach1asis·ender V1akUJolen­zufuhr dann nach und nach wieder auflösten. Es sei in diesem Zusammen-

Abb. 6. Anfangsstadium einer Vakuolisierung direkt im Anschluß an Schuppen­bestrahlung mit 598 Kr. Leichte Organellensystrophe, Mitochondrien in drei Formen: als kokkenförmige (--+), als Kurzstäbchen, teils hantelförmig (~) und als streichholz-

ähnliche Langstäbchen (=f). (Vergleiche hierzu: Perner und Pfefferkorn 1953, S. 101.) (L = Leukoplasten.) Abbildungsmaßstab: 1500 : 1.

Abb. ?. Dichtgcpacktes Vakuolenfeld aus schlauchförmigen und rundlichen Vuku­olentypen. 2'2 Stunden nach Schuppenbestrahlung mit 299 Kr, seit 30 min auf H20.

Abbildungsmaßstab: 1500: 1. Abb. 8. Ansammlung intraplasmatischer Vakuolen in Kernnähe. Schuppenbestrah­lung mit 598 Kr, sofort anschließend für 40 min auf H20. Organellen normal (L ~= Leukoplasten, M =Mitochondrien, S = Sphärosomen). Abbildungsmaßstab: 1500: 1.

Phasenoptische Beobachtungen über Vakuolisierungserscheinungen 323

Abb. 6-8.

324 A. Feldmann

harug jedoch darauf hinigewiesen, daß S eh ä f er (1965) bei Hühnerherz­myoblais.ten mach Röntgenbestrahlung elektronenopt.iisch einen F<lü6s1i1gke1ifa­austr~tt aus dem Zellkern und eine dadurch bedingte Bildung von Röntgen­vakuolen ·in Kernnähe nachweisen konnte.

Es fä'gaben ·sich Bez.iielrnngen zwi1schen der Stmhlendosis ,und ·dem Gmd der Vakuoli:s1ierung. Bei einer Beobachtung diirekt 1i1m Anschluß an die Stmhleneinw1iirlmrng nahm mit zunehmendfä Strahlendosi1s die Zahl der vakuolisierten Zellen und 1das Ausmaß der V1akuCYli1sierurng in den ei1nzdnen Zellen zunächst zu. Für eine maximale VakTuol1i1s:ierung w,aren aber höhere, z. T. 1s·ogar do1ppe1t 1so hohe Striahlerndosen (400-600 Kr) erforderlich, wie bei der Bestrahlung auf W1a1sser. Bei einer höheren Stmhlenbelaistung trait·en Vakuolen nicht mehr auf.

Der Faktor Ze1it änder1te die 1aufgezeigt1e Relaüon. Mit zunehmender Ver­größ.erung des Zeiitahstandes zwischen Bestra:hlurng:sende und Beohacht:ung wurde .die Ber1eitschaft zur Vakuoliisierung be,i immer kleineren St,l'1ahlen­dosen erreicht. Am interns1ivskn und umfangreichsten war die Entwicklung von Vakuolen zwei bi1s drei Ta1ge nach der BeSitrahlung im Dos,isbereich von 200 h.is 300 Kr. In den er.stien 24 Stunden konnten hei diesen Dosen keine Vakuolen gefunden werden, nach 48-72 Stunden stellten 1S1ie 1s1ich bei aUen unt·ersuchten Zwiebel:s101rten reigelmäfü1g in 1großem Umfang e:i·n. Sofern es sich nicht um frisch geerntete Zwieheln handeHe, ge1ang es unter .den auf­gezeigten Bed1ingungen fast :immer, die Erscheinung sy1s.temafa,sch herbeizu­führen.

Die intraplais1mat:i1schen V:akuolen war·en, w:ie die !bisher mi,t1geteilten Befunde bereits zeigen, nicht von vornherein vorhanden, Sündern ,ihr Ent­stehen konnte währeJ1Jd der Beobachtung 1immer wieder verfolgt wevden. Sofern eine Vakuoliisierungisbereitschaft vorlag, ·erschienen die ersten V:aku­o1en in der Re,gel einige Minuten nach Beginn der mikroskopischen Beoibach­turng. Für den ei.gentlichen Bildung:svo11gang, d. h. die Zeit vom evsten Sicht­barwerden bis zur optimalen optiischen Endpiha1se, wurden viielfoch nur 30-60 Sekunden und nur <in Ausnahmefällen mehrere Minuten benöt1ig1t. Anderersei t1s waren aber :in E1inzelfällen immer wieder l'lchon zu Beohach­tungisbeginn Vakuolen vorhand·en, und zwar auch dann, wenn die Hevs.tel­lung und Einstellung des Prä:parate:s 1in kürzesit·er Fris1t .gelarng.

Abb. 9. Schwach vakuolisiertes Zytoplasma nach Plasmolyse mit 0,8 mol KN03•

Frühstadium. Zellorganellen unwrändert und klar identifizierbar. Schwache Systro­phe bei den Mitochondrien (111). [Leukoplasten (L), große Sphärosomen (S), kleine

Sphärosomen (ss).J Abbildungsmaßstab: 1j00: 1.

Abb. 10. Schwache intraplasmatische Vakuolisierung nach Plasmolyse mit 1 mol KN03 • Deutliche Tendenz der Organellen zur Abkugelung und Zusammenballung. Mitochondrien (M) teilweise noch stäbchenförmig, meist aber abgekugelt und im

Phasenkontrast nicht mehr Yon den Sphärosomen (S) zu unterscheiden. Abbildungsmaßstab: ßOO: 1.

Abb. 11. Plasmolyse mit KNO:i, 1 mol. Starke Vakuolisierung mit parallel gelagerten Schlauchrnkuolen. Schwache Systrophe mit auffälliger Parallellagerung der

Mitochondrien (siehe auch Abb. 9). Abbildungsmaßstab: 1500: 1.

Phasenoptische Beobachtungen über Vakuolisierungserscheinungcn 325

Abb. 9- 11.

326 A. Feldmann

c) Behandlung mit hypertonisdien und hypotonisdien Medien

Auch nach ·der Einwirkung plasmoly.sierender Stoffe kam eis im P.Ja,s,ma der Allium-Zellen zu VakuoJ1i1s1ierungsersche:inungen, die mit denen nach Röntgenbestrahlung weitgehend identi1sch waren (Abb. 9-14). Zur Anwen­duThg gelan.gten Kaliumnitrat, Kaliumchlorid, Kaliumrhodanid, Polyaethy­lenglykol, Harnstoff und Traubenzucker.

Mi·t jedem ,dies:er S1toff e ließen sich intrapl.asmai:ische Vakuolen setzen. Als entscheidend erwies sich dabei die Molarifät deis Pl1a1smolyt.ikums. Bei langsiainer und schonender Plasmoly.siierung konnten keine Vakuolen feist­gestellt werden, bei schnellem Wasserentzug traten sie nach 2-4 M:inuten rege1mäfüg auf. Von 0,6mol an aufwäDts waren intrapla1smatiische Vakuo1en immer zu beobachten, und zwar um 1so z.ahlreicher und autS:geprä,g.ter, je we~ter •Sich die Konzentmi:ion vom isotoni1schen Punkt entfernte. Dabei zeigten 1sich zunächst locker gestreute, mehr kompaktere Vakuolentypen (Abb. 9 u. 10). Mit zunehmender Entzugs.geschwindigkeit wurden di,e Vaku­olen schlauchförmiger, sie waren unregelmäßig gewunden und zu größeren Komplexen veminig;t (Abb. 11).

Die Plasmasitrömung war ·in den Fällen, :in denen V.aku·olen beobachtet wurden, meist zum E.rlie1gen gekommen. Formveränderungen der Vakmo1en traten dann nicht •auf, teilweise auch dann nicht, wenn noch Strömung fos.tzustellen war. Gelegentlich ließen sich •auch 1schwache Ansammlungen intl'aplasmati.scher Vakuolen in Kernnähe beobachten (Abb. 12), häufig und auffällig war .diese Erischeinung aber nicht. Mit der Vakuoliis;iel'Ung IP'araUel gehende Aufquellungen und Abrundungen von Miitochondrien und Leuko­plais.ten waren seltener gegeben als nach Röntgenhestr.ahlung (Abb. 10, 13, 14).

Wesentlichen Einfluß auf die Bildung .intraplasmatischer Vakuolen hatte cla.s Alter der Zwiebeln. Zum W.inieriausgang war diie Vakuoienbi,ldung wei­ter verhreitet und 1stärker als kurz nach der Ernte iim Herhst. Eine be1sonder.s infrnsive Vakuolenbildung konnte bei "p,olni1schem Zwiehelmaterial", wel­ches weiter unten noch beschrieben wird, beobachtet werden (Ahh. 13 und 14). Allgemein waren aber die Streuungen bei der Gesiamtheii1t der mitgeteiHen Befufüle sowohl bei den Einzelzellen einer Epidermi•s als auch von Zwiebel zn Zwiebel und von Sorte zu Sorte sehr groß.

Bemerkenswert war d.ie Festistellung, daß beim Depla,smoly1seversuch mit Harnstoff ,die Vakuohsierung reverisihel war. Mrt einsetzender Rück­bildung der plasmolytischen Kontraktion nahm auch die V1akuolisierung

- - - -- - -- -- - - - - ---------------------~

Abb. 12. Plasmolyse mit KN0,1, 0,8 mol. Ansammlung von Vakuolen dicht am Zellkern (links oben). Rechts Vakuolen mit dazwischenliegenden Leukoplasten.

Abbildungsmaflstah: 150-0 : 1. Abb. n. Starke Vakuolisiernng bei polnischem Zwiebelmaterial nach Plasmolyse mit KNO:i, 1 moi. Mitochondrien und Leukoplasten ausnahmslos stark gequollen und

abgekug·elt. Deutlich treten die großen dunklen Leukoplasten hervor.

Abb. 14. Polnisches ZwiPbelmaterial plasmolysiert mit 1 mol. KN03

• Die Vakuolen sind didit um den Kern, der rechts oben erkennbar ist, gruppiert. AbbildungsmaR­

stab: 1920: 1.

Phasenoptische Beobachtungen über Vakuolisierungserscheinungen 327

Abb.12-14.

328 A. Feldmann

ba1d deutlich erkenn!bar ab. Die ,leitzten Vakuolen ve11Schwanden mei,s1t recht pfötzLich kurz vor Erreichen der ,grenzplasmolyti:schen Pha1se.

Auch hyipofonische Medien v,erur1sachten eine intrapla1smatische Vaku­olelllbildung. Allerdings war bei 1den durchgeführten Versuchen 1immer nur ein isehr ,geringer Prozentsatz (maximal 8%) der Zellen eines Epidermis­tei1stückchens vaku0Hs1iert.

d) lntraplasmatisdie Vakuolisierungen bei „unbehandelten" Zroiebele pidermen

Anfang Februar 1964 zeigte sich bei frii1sch eingekauftem Zwiebel.material schon nach der üb1ichen Präp,araition, al,s,o ohne zuisätz.liiche E:inw:irkungen, wie Röntigenbes.trahlurng oder hyipertonische Medien, :in frast 1aUen Ep,ider­misz:ellen eine iintelllsive intriap1aisma1tische Vakuolenbi1dung. über da·s V1er­:suchsmaterial war ledii,giich ~n Erfahrurng zu bringen, dafl es aus Polen importiert wurde.

In ähnlicher We:ise wie bei den Bestrahlungen der Epide11men auf der Schuptpe trat die Vakuoliisierung bei der Mehrz,ahl der Zellen 1in den ,ersten zwei bis vier Minrnten der Beobachtung ein. Gele1genfüche Späthildurugen nach fünf und mehr Minuten waren aber ebenso zu beobachten w:ie jene Fälle, 1in denen rSofort nach der Einstellung des p,räp1araierS Vakuolen zu finden waren. Diese FrühbiMun:gen zeig1ten aber me:iist eine Weiterentw:ick­lung, so 1dafl auf einen geraic:Le eingeleiteten V1akuoli1s1ieruTugsprozefl 1ge1schlos­sen wel'den konnte.

Von heherrschendem E:influfl ,auf das Viakuoliis1ierurngsbi1d war die Piasnmsitrömung und deren Intens1tät. Zwei Ers,che:inungen, nämlich Form­wande,l und Ortswechsel der Vakuolen wul'd·tfü hier1durch besümmt. Bei nor­maler Piaismabewegung zeigten :sich wieder die bereits heri der Schuppen­bes,foahlung beschriebenen und mit den Be:obachturngen von Ur l (1964) ii!ber­eins<timmenden Bilder, ,als,o ·lebhafter Formwandel urnd rschnelle Lagever­änderungen der Vakuolen und daher ständig wechselnde Aspekte des Zell­bildes. War die Plasmaströmung zum Erlie.g,en tg'ekommen, 1so un:terhliehen auch nennenswerte Form- und Ortsveränderungen. Ve11schie:dentlich war dabei ein teilwei'S·er Zerfall von Schla,uch- in Kugelvakuolen zu beobachten.

Es ergaben sich also ei1ndeuti,ge Bez:iehungen zwi1s.chen 1der Fo11msfabiiEtät der irntflaplasimat.iischen V1akuolen :und der Strömungs1geschw:indigkeit des

Abb. 15 a. Polnische Zwiebel, seit 57:! Std. auf H 20, 20 min nach Anfertigung des Präparates. Vakuolena11Sammlung um den Kern, die in einem vakuolisierten Plasma­schlauch ausmündet. Wahrscheinlich altersbedingter Einbruch von Präparations-

wasser. Abbildungsmaastab: 1500: 1. Abb. 15 b. Wie 15 a, jedoch 3 min später. Die Vakuolisierung hat die abnehmende Phase erreicht. Die Schlauch vakuolen im Plasmastrang beginnen in kleinere Einzel·

blasen zu zerfallen. Abbildungsmaastab: 1500: 1.

Abb. 16 a. Polnische Zwiebel mit vakuolisiertem Plasmastrang, 15 min nach Anferti­gung des Präparates. Plasmastriimung sistiert. Abbildungsmaßstab: 1500: 1.

Abb. 16 b. Wie 16 a, jedoch 5 min später. Infolge Austrocknung des Präparates ist Vakuolisierung zurückgegangen. Gleich im Anschlufi an Aufnahme setzte Plasma­

slrömung wieder ein. Abbildungsmaflstab: 1500: 1.

Phasenoptische Beobach lungen über Vakuolisierungserschei nun gen 329

Abb. 15 und 16.

330 A.Feldmann

Zytoplasmas. Je inten:siver die Plasmasfrömung war, um so lebhafüer war auch der Formwandel der Vakuolen. Daigegen bes.timmte die Piaisma1sfrö­mung keineswegs, wie es manchmal schien, auch die V1akuiolenform. Sie bedingte zwar durch ihre Bewegung einen mehr oder we11iger :S1tarken Formwandel und insbesondere auch e:in Iängliiches Verformen der Vakuolen, war aiber letztlich nicht die Ursache für die Biildunrg schlauchförmi1ger Typen. Eis bestanden jedoch deutliche p,a·mllelen zwi1schen der V,akuolen­form und dem Schädigung.s1gTad ,der Zellen. Je mehr sich die morpho1ogisch faflbaren Kriterien für eine ZeUschädi1gung ver1stärkiten, um s10 verbrei1teter waren auch Rrnndvakuolen anzutreffen.

Auch bei diesem „unbehandelten" Zwiebelmaterial zeigte sich wiederum als auffälliige Erscheinung eine MasLSierung der V1akuolen :in Kernnähe. Ebenso i:r1a,ten aber auch an den Polen der Zellen und [n 1den Srt:römungs­bahnen des Wandbelages Vakuolen 1gehäuft auf. EiJne demHiche quantifative Differenzierung hirns1ichtlich der Vakuoli1s1ieruu,g war auch zwischen dem mesoiphyllseiügen und dem zur Kutikul,a hinliegenden Pl,asmabelag .gegeben. Auf der Seiite zur Kutikula war:en Vakuolen - wie 1schon von Ur l (1964) beohachtet - viel seltener zu finden als an der gegenüberliegenden Zell­wand. Langgestreckte, typische Schlauchvakuolen wurden hier nur selten ge­funden. Die Norm waren einzeln oder in schwachen Gruppen liegende Vaku­olen von geringer Längenausdehnung und mehr kugeliger Ausformung.

Par·allel zur Ausbi1dung und En.tw1icklung der V1akl1olen konnten in vielen Prä paraten Veränderungen in der Strömungs1geschwindi1gke1it des Zy1topla1sma1s beobachtet wevden. Mi1t fortschre~tender VakuoliS!ierung nahm die Plasma1sfrömunrg 1immer mehr ab und kam schhefilich gänzlich zum Stillstand. Auch die Brownsche Molekularhewegung der Üriganellen, diie zunächst noch normal war, wurde nach und nach ·schwächer und war ba1d kaum noch wahrnehmbar. In dieser Phase hatte man den Eindruck einer letalen Zells.chäd.igung.

Bei längerer Beoha1chtung ohne Engänzung des verdunsteten Präpara­tionswassers kam jedoch mit zunehmender Ausfoocknung deis Präparaites

Abb. 17 a. Polnische Zwiebel. Vakuolisierung durch Präparationswasser. Im Plasma sind zahlreiche Leukoplasten mit je einer kleinen Vakuole gut zu erkennen. Dieser Plastidentyp ist in Zwiebelzellen häufig anzutreffen und als normal anzusehen. Mito­chondrien in mehreren morphologischen Formen, teilweise abgekugelt, was präpa­rationsbedingt sein kann. Links im Bild der Zellkern mit Nucleolus. Aufnahme

9.25 Uhr direkt nach Anfertigung des Präparates. Abb. 17 b. Wie 1? a. 9.30 Uhr. Die Plasmaströmung ist zum Erliegen gekommen. Lugen~rändcrungen bei den Organellen nur gering. Die große gedrungene Vakuole

in der Mitte des Bildes ist inzwischen in zwei Einzelvakuolen zerfallen (Pfeil). Abb. 17 c. Wie 17 a, 9.50 Uhr. Die Austrocknung des Präparates wird wirksam, der Umfang der Vakuolisierung geht zurück. Erste schwache Plasmabewegungen setzen ein. Organellen teilweise bereits weitertransportiert, bisher nicht sichtbare Vakuolen

wurden herangetragen. Abb. 17 d. Wie 17 a, 9.53 Uhr. Die Plasmuströmung hat soeben eingesetzt und die Vakuolisierung ist nur noch schwach erkennbar. Wenig später sind die Vakuolen gänzlich verschwunden und die Zelle zeigt wieder das normale Bild. Abbildungs-

maßstab: 17 a-17 d: 1500: 1.

Phasenoptische Beobaclitungen über Vakuolisierungserscheinungen 331

Abb.17 a-d.

332 A. Feldmann

zunächst schwach, dann aber <Sfändig schneHer werdend die Brownsche Mole­ku1arbewegm1g fast gleichz·eiüg in allen Zdlen wieder in Gang. Die gleiche Rückentwicklung war auch hirns:ichtlich der Plasmaströmung zu beohacht1en. Sobald sich die Browrns1che Molekularbewegurng wieder annähernd normali­siert hatrte, be1gann mit mei1s·t ruckartiiigen Anforng1sbeweigungen das Pfa,sma wi·eder weitgehend normal zu Hießen. Gleichzei1hg setzte auch der Transiport urud der damit verburndene Formwandel der Vakuolen Wiieder ein.

Im weiteren Ver1auf der Beohachturng verloren di1e Vakuolen zunächst an Größe. Dann trat ein Zerfall ·in kleinere Blasen eiin, die dann ,schließlich nach der vollkommenen Ausitrocknung ·des Präparaiteis auch noch verschwan­den. Damit waren die beobachteten Entwicklungen in umgekehrter Reihen­folge rückgängi1g gemacht worden. Die Ep1idermen boten wieder dias gewohnte Nomnalbi1d (Ahb. 14 a urnd b, 15 a und b, 17 a-d).

Der ·zuvor heschriebene Vor1gang 1iefl 1s1ich durch eine Er1gänzung des vevdull'8tetcn Prä1par1at1im:llswassers erneut induzieren und war 1durch Aus­trocknurng ebensi0 wieder ·aufzuheben. Auch bei bestrahltem Material konnte durch ein si0lches Vo11gehen ·tei1lwei1se eine Erntv1akuoli1sierung erreicht wer­den. Eine zwe·imali1ge Ergänzung des W asserver 1us.tes briachte aber mei1s1t kurzfri1süg den Zelltod, der von einer starken Pl1aismaquellung und einer Vakuohis,ierung der Mifochondrien und L•eukoplasten begleitet war.

W1ie 1schon bei den he1sifrahlten und plasmolysierten Epidermen, zeigte sich mich bei dem :polnischen Zwieibelmaterial gelegentlich eine Ahkugelung und Quellung der Mitochondrien und Leukoplia,s1ten. Teilweise <traten aber auch Volumenvergröfiertmgen an Pla1s1t1iden und Mitochondrien ein, ohne daß intraplasmatische Vakuolien erkennhar wur•den. Längere Aufbewahrung der Ep.idermen auf Le:itungswa1s1ser führte bei einem Teil der ZeHen zrum Tod. Nach zweistündii.ger W1as1sereinwirkung unter den üblichen Aufbewah­rungshedingungen wurden ma:x;imal 32 % der ZeUen eines Epiderimis,te:il­etückehens abgetötet. Diese waren wie nach der Einw1irkurng letaler Stvah­lerndosen vaku·olig-,s·ehaumig degencrrier.t. Eine längere Wa1s1s1ereinwirrk;ung erhöhite den Prozenifsiatz der abgetöiteiten Zellen nicht mehr weserntlich. Wurde an Stelle von Leitungswasser Parraffinöl zur Herstellung der Prä1p•arate benutzt, 1so unterblieb jegliche Bildung intraplasmatischer Vakuo1en.

Ende Februar Anfong März zeiigten sich auch bei dem 1selbs,t heriange­zo1genen Zwiebelma•terial, inshesondere ibe:i der „Zittiauer Gelben", plö:tzlich in den unbesitrahHen Korntrollen Vakuolen. Die Bere1i1t,schaft zur Vakuoli­sicrunig war somit wohl ·eine vom Alter des Materi·als abhärngi,ge Erscheinurng. Auch Ur 1 (1964) führte übrigens seine Untersuchungen iim Februar durch.

Diskussion Es stellt •siich 1die Fm.ge nach Wesen und U11s;ache der intraplaismaoti:schen

Vakuolenbi1dung. Nun S1ind V1akuol1i1s1ierung1ser:scheinungen nach der Ein­wirkung ionisierender Strahlen eine bekannte und immer wieder beschrie­bene Erscheinung. E:s handelt 1sich dabei um eine blasige Entar:tunig von Mifo.chondrien und Plashden sowie eine vakuolige De1generaiÜon des Grund­pla1smas in Form rneist unrcgehnäfüg aus.gebildeter Hohlräume. Mit diesen Erscheinungen ist die auf.gezeigte intrapl1aismatische Vakuo.Jisi.erimg footz

Phasenoptischc Beobachtungen über Vakuolisierungserscheinungen 333

naher Verwandtschaft nicht idenüsch, denn sie wil'ld durch ihre auffallende phasienopüsche Hel.liigke:it deutlich von den wesentlich trüberen OrganeUen­und Pl1a1smablasen, also jenen Erscheinungen, die heufo in der med1izini1s1chen und zoologischen Zytopathologie allgemein als „trübe Schwellung" bezeichnet werden und die auch bei pflanzlichen Objekten als „schaumige Degeneration" (K 1 e mm 1895), „vakuolige Degeneration" und „Röntgenbläschen" u. a. schon lange bekannt sind, deutlich unterschieden. Während wir es bei der trüben Schwellung mit pathobiotischen Veränderungen an den nachweisbaren Zellstrukturen zu tun haben, handelt es sich bei der intraplasmatischen Va­kuolisierung um ein Sichtbarwerden von im Zytoplasma abgelagerten Stoffen.

Als U rsiache dieser ,intrapl1a,sma tiischen Abischeid ungen wären 1theol'eti1sd1 mehrere Möglichkeden 1gegeben. Zunächsit ii1s1t an eine Abnahme der Biin­dungsfähigkeit des Zytoplasmas, die eine relative üherla1dung der bretrof­fonen ZeUen bedeuten wül'lde, zu denken. Ebenso :is1t 1aber auch eine absolute Erhöhung des Stoföbes,tiandes in ErwäJgung zu ziehen. Im eTisfon Falle kommt es zur Abpreissung von Dehy1drationswa:s1s,er und zur Bildung von „Expulisionsvakuolen" (K 1 e mm 1895), im zweiten FiaHe kann die Ent­stehung von Vakuolen durch e1ine Hemmung der Ausscheidurng oder eine erhöhte Aufoahme in die Zelle bedingt sein. Da die Vakuolen1bildung bei den hier mit1geteiilten Beobachtungen, wenn man vom Auftreten von Vaku­olen bei Pla1smolyse zunächst einmal absieht, än eindeutiger Abhängigkeit vom Kultur- und P1räpamtfonsmedium W1a,s1ser steht, i1s1t die letztere Mög­lichkeiit, nämlich eine erhöhte Aufnahme v,on außen, wahrscheinlich. Dafür sprechen auch die ,mit der V1akuolis1ierung des Plaismas ja häufig korrelier­ten Veränderungen an den Miifochorndr.ien und Pl1asüden. Die Quellung die­ser Ü11ganel1en kann nur durch eine W 1a1s:seraufnahme erfolgen, und in vivo ist dies,e Transformaition mach Altmann (1955, S. 438) fast regelhafit mit einem höheren W asser,gehalt der ganzen Zelle und daher mit 1deven Volu­menvergrößerung verbunden. Bei pflanzlichen Zellen, 1insbeso11clere bei sol­chen mi{ großer Zentralvakuole, i1st allerdings eine wesentliche Eins,chrän­kurng zu machen, denn auch be:i einer alleinigen Filüss~gkei1tsve11schieburng in der Zelle, näm1ich bei einer Profopl1asmaquellurng 1auf Kositen des Zel1s1aft.ets (Vakuolenkontrakifaon), treten Quellungen an den Organellen auf. Da eine Vakuolenkontraküon j,edoch nicht vorlag, muß 1die V1akuoli1sierung also als eine intrapl1asmati1sche Absonderung von Flüs1s,igkeit, die im wesentlichen dem exfrazelluiaren Raum entnommen wurde, 1gedeutett werd,en. Die bei dem polni1schen Zwiebelmater1i1al beobachtete Deviakuoli:sierung durch Aus­trocknurng und die Möglichkeit zur Ausilöisung einer abermaligen Vakuoli­sierung durch eine erneute W1as1ser.gabe lassen an der Bereruti:gulllg zu einer derarti,gen Deutung kaum mehr einen Zweifel. Darü:ber hinaus wird die:se Annahme auch durch das Au1sbleihen intrap1asmaitischer Vakuolen nach Einbettung der Epidermen ,in Paraffinöl gestützt.

Der Vorgang des übermäfügen Flüs1sigkeitseinbruche:s in die ZeUe ,setzt eine Störung der Schrankenfunktion der Membranen oder eine V ers,chie­bung der osmohschen Zustandsgröße oder auch beides gemeilllsam voraus. In der Tat sü1d denn auch Veränderung,en in der W,a,s1serpel'meabilität und Beeinflusisungen des osmotischen Wertes als Folge der Einwirkung ionisie-

334 A. Feldmann

rendeJ' Strahlen wiederholt nachgewiesen w@den (R. Bi e b l 1943, B. Hluchov.sky und V. Srb 1963, J. P. Skou 1963). Aber iauch nach Sauer:sfoffarmut, nach :schweren Störungen der Zellatmung und daraus fast zwangsläufi:g resultierend auch nach ener:getisch unzureichenden Lei1stun1gen wur1de bei menschlichem Gewebe die Hi1dung von Vakuolen mit wässerigem InhaH beobachtet. Störungen der gerichteten Permeabilität, verbunden mit einer Transmineuali1s1atii.on, 1s1ind die Folge (Altmann 1955). Die wä,s1ser.ige Vakuolisierung 1ist ein 1indirekter Ausdruck für die Beeinträchtigung dieser phy1s1ioloigischen Funktionen, e.ine Mawifest.ation, die nur unter der V1or1au:s­setzung eines aus.reichenden Flüssi:gkeifoangebo.fe,s in der Umgehung der Zellen fmtzrns.tellen war. Unter diesen Gegebenheiten wird dann das Kultur­und Präpara,t1ionsmedium Wasser plötzlich zu einem unphy:siologischen urnd leben1s1gcfährdenden Ag·ens.

Nun kann daraus zweifelLais n:ieht .gefolgerit werden, daf! eine wässerrige intraplasmatische V:akuolis.ierung grundsätzlich nur in einem künstlich mit W a:s:ser angereicherten Milieu möglich 1i.st. Die Tat:siache, ,dafl intraplasma.ti­sche Vakuolen auch bei Plasmolyse ·auftraten, ze1i,gt., daf! zum wenig1s.ten bei der Zw.i·ehelepidermis die zelleigene Flüs1si1gkeit durchaus für eine V.aku­olenbildung ausreicht. Es mag zunächst zwar überraschen, daf! ein flüssig­kei:t:s.entziehender Vorgang wäs1ser:ige 1i1ntr1ruplarSmatii1s·che Ansammlungen im Zytoplasma bewirken soll. Bei dieser hypertoni:sch bedingten Vaku1olisierung kann die ün Zytoplasma ausgeschiedene Flüss1i.gke:i.t :aber nur dem Zyfo­plasma selbst ent1sfammen, aus welchem .sie dur·ch Dehydration der ~ollo:ide freigesetzt würde, oder aher der Zentral vakuole, wobei der Zell:s:afü auf dem Wege in das Aufl.enmedium beim Pas:sieren des Wandbeliages hier t.eil­weise zur Absonderung käme.

S ·i g ,e n 1a g a (1950) heohachtete die Biildung intraplasma:iischer V1akuolen nach der Einwirkung plas.molyis1ierender Stoffe bei WurzelspitzenzeHen von Vicia faba und Allium cepa. Hier kann die V1akuolenflü:ssiigkcit im wes:ent­Jichen nur dem Zyfoplasma selbs:t entnommen w,orden iSein. Beii den Dauer­zellen der Zwiebelepidermen jcdnch dürfte es sich bei den wässer1i1gien intra plasmatischen Abscheidungen, die auch von B o 1 h a r - Nord ·e n­k am p f (1966) nach Plasmolyse beo:bachtet wurden, vornehmlich um Flüs­sigkeit aus der gvoflen Zentralviakuole handeln. In jedem Fall aber mufl für eine Vakuoli:s1ierung sowohl die Entquellung der Plasmakolloide als aiuch der Entzug aus ·der Zentralvakuole mit gröf!erer Geschwind:igkeit vor :sich gehen, da sonst die freigesetz,te Flüss1igkeit ohne Stauungen und wäsiserige Ausischeidungen au:s der Zelte ·entfernt werden kann. Darauf deutet rricht nur die Abhängigkei:t der Vakuolenhi1dung von der Moliariifät des Pla1smo­lytikums hin, sondern auch die Tatsache, daf! ibei Vakuolcnkontrak:tiionen eine intra plasmatische Vakuolenbildung ausblieb. Kontraktionen der Zentral­vakuole, zum Teil in extrem starker Form, wurden hei den Bestrahlungen der Zwiebelepidermen auf der Schuppe mit mittelletalen Dosen im Verlauf von 24 bis ?2 Stunden verbreitet angetroffen. Wässerige Vakuolisierungen des Zytoplasmas konnten dabei nie beobachtet werden. Wahrscheinlich wa­ren die verlagerten Flüssigkeitsmengen doch zu gering bzw. die Verlage­rungsgeschwindigkeit zu langsam, um Abscheidungen notwendig zu machen.

Phasenoptische Beobachtungen über Vakuo.l isierungserscheinungen 335

Neben den verschiedenen Uns1achen für überfl.utungen 1de:s Zytoplasmas kmrnmt der Ausgliederung der eirngebrochenen Flüssigkei,t in örtlich beschränkten Komplexen besmlJd1ere Bedeutung zu. Al1tmann (1955, S. 557~558) verfritt die Ansicht, daß hierzu sdektrive Transpmtvorigänge notwendig se1ien und daß es s1ich somit hei der intrraplasmatischen Vakuoli­s.ierung um eine vitale Le1istung der Zelle handele. Di,e <intrapiasmrat,ische wä1srse~i1ge Vakuoliis,ierurng i1st nach seiner Auffasisung eine Abwehrr:eaküon gegen eine rnicht mehr konhoUi,erbare, also unfreiwiil1ige Wasiserütberflutung des Zytopiasmas. Die rabgesonderte Flüs1s1igkeit werde für eine gew.i1s1se Zeit im lebenden zytoplasmartischen Gefüge i1solriert, wodurch eine Hyperhydra­iion mit mög1icherwei1se lefalen Quellurng,s,reiaktionen erfo1greiich 1ahgewehri werden könne. Wie di,e Befunde an dem polnischen Zwiebelmaterial zeigen, muß in der Vakuolis 1ierurng aber auch ein MiHel zur Regulation der V1iskos,i­iät gesehen werden.

Insgesamt betrachtet 1i1st so die wässerige V1akuol1is:ierung nicht ull!bedingt eine nekrobiotische Erscheinung, ,s,ondern zunächst einmal Aus1druck eines Hegula1honsmechanismus zur Flüssigkeit!Skontrolle. Zweifellos treten 1solche wäs1serigen Abschei1dungen in ,morphologisch faßbarer Größe aber nur dann ein, wenn 1i:m Bereich der Zellen hinreichend Flüs1s1igkeit zur Verfügung steht. Es wir,d daher um s'o eher zu derrarügen Er:s·cheinungen kommen, je höher das W aisserangebot i1s,t. Das erklärt wahrscheinlich, warum wässerige Va;kuoien bei menschlichen und tieri1schen ZeUen, und zwar hevorzu1gt bei ödematös,en Geweben, häufiger :beobachtet wurden :a1s tbei Pflanzenzellen.

Neben den bereits zitier·ten Arbeiten hegen für pHanzliche Objekte em1ge weitere Befunde über intraplasu1.atiische Vakuoli,sierungen vor. Lepeschkin (1926) z.B. konnte Protoplasma, das aus Bryopsis-ZeILen herausigequollen war, durch ZU1gabe von SüßwasrS,er zum mikroskopischen Prärpiarat zu einer osnwtis.chen Wasseraufnahme veranlasrSen. Nach einer Alllsdehnung ders Protopl1asmas auf annähernd das DoppeHe ze1igten sich im Protoplasma.innern zahlreiche Vakuolen, di1e 1s1ich teils 1aneirnanderleigten, teil1s zusamllllenflossen. Der Vorgang war r,eversibel. Auch bei den von \Van n er (1945) nach Röntgenbestrahlung im Zytoplasma von Allium­Epidermiszellen beobachteten „Myelinfi1guren" dürfte es s1ich um intraprlas­matirsche Vakuol1i1sierungen gehandelt haben.

In der neueren Literatur werden die intraplasmatischen Vakuolen, wie einleitend dargelegt wtwde, .in Beziehung zum end10'plasmatischen Retikulum gebracht. Insbesondere ur 1 und B rO 1 h a r - N rO r 1d e n k 1a m p f (1965) und B·olhar-Nor,denkampf (1966) haben auf V'iele Parallelen zu elek­tronenmikrosko,prischen Befunden über da1s ER hingewiesen und weitgehend überzeugende ADgumente für eine 1solche Deutung hei1gebr:acht. Durch die Arbeiten von Emmelot mlid Benedett 1i (1960) und L,acy und Rot­h 1 a t (1958) ist bewiesen worden, daß durch eine Alteraüon der Zelle eine Vergrößerung von Pal'ltien ,des ER bi1s zur .11ichtmikroskopi,schen Sichtbar­keit möglich ist. Bei diesen Vorgängen wivd, wie B u c k 1 e Y (1965) annimmt, die lZP vemnelrnt, so daß die „unit membrane1s" (R,o b er t so n 1958) bei Teilen des ER auseinanderweichen.

Zieht man zu diesen Befunden noch d:ie elektronenmikrosk01pischen

Protoplasma, Hd. LXII/+ 23

336 A.Feldmann

Ergebnisse von G lause r (1956) an bestrahlten Rattenlebern, von Braun (1960, 1963) an Dünndarmepiithel- und Thymuszellen der Maus sowie von Sc h ä f er (1965) an Hühnerherzmyobla1sten hinz·u, so ·spricht ,sehr vic1es dafür, daß es sich bei den intrapiasmatiischen Vakuolen der Zw1~ebel­epidermis um eine vakuoläre Erweiterung des endoplasmatischen Ref'iku­lums handelt.

Schäfer konnte nachweisen, daß nach Röntgenbestrahlung mit sub­lefalen Dosen blasige Erweiterungen im perinuklären Spaltraum auftraten. Gleichzeiüg mit den ersten Erwe~terungen des Kern.spaltriaumes zeigte auch ,das endoplasmaüsche Retikulum lokale Anschwellungen, die sich im Sta­dirnm der stärksten Schädigung beträchtlich erweiterten und konfluierten. Die in 'J.',eilen des ER akkumuli·erte Flüssi1gkeit war zu einem Teil über den perinuklären Spaltraum aus dem Kern in das Retikular:sy.stem eingedrun­gen, zum anderen Teil entstammte sie dem Zytop1as.ma. Das 1angesammdte lmbibition:smittel wurde über das endoplasmaüsche Retikulum aus der Zelle abgegeben.

Bei der intrnp1asmatischen V,akuo1lisierung könnte somi,t, w1i'e bei der Vakuolis1ierung von Mitochondr1ien und Plastiden, eine vakuoläre Ausdeh­nung einer Meimbranstruktur der Zelle vorliegen. Die Erischeinungen hätten eine gemeinsia:me Ursache, nämlich ein Überangebot von FlüsoS.igkeit in der Zel1e. Forma1genetiisch und phyiSio1ogisch ges·ehen scheint jedoch eine Ver­schiedenheit der Erscheinungen zu besitehen. Bei ausreichendem intra- und extrazellulären Flüssigkeifaangebot .tritt eine Vakuolisierung von Mitochon­drien und Leukoplasiten auch bei hohen, kurzfristig letal wirkenden Strah­lendosen ein, :intraplasmahsche Vakuolen sind dann aber nicht mehr zu heobachten. Während bei den Organellen wohl vornehmlich piaS1sive o.smot1ische Reaktionen ablaufen, reicht die gleiche Annahme für das ER nicht aus. Das Retikuiarsystem ist auf Grund seiner Ausbreitung in der Zelle für den Stofftransport prädestiniert, und da es wenigstens zeitwei·se mit dem Außenmedium in Veribindung steht (Schäfer 1965), wird seine Bedeutung für Stoffaustausch mit dem Außenmedium klar. Es liegt auf der Hand, daß derartige Vorgänge energiebedürftig sind. Das Ausbleiben dieser vitalen Leistung bei hohen Strahlendosen könnte daher in einem unzureichenden Ener•gi.eangeihot begründet liegen.

Es versteht sich, daß neben der vakuolären Erweiterung des endoplas­matischen Retikulums Vakuolen auch frei im Zytoplasma auftreten können (Wohlfarth-Bottermann 1958, Schneider 1961a, 1961.b) und daß eine klare Trennung der verschiedenen Vakuolenarten, sofern nicht Plasmakomponcnten eingeschlossen ·sind, l1ichtopt:isch häufig schwi·e11i:g ist.

Zusammenfassung Bei Epiclcrmi:szellen von Allium cepa, die auf Leitungswaisser gehalten

wurden, zeigten sich nach Röntgenbestrahlung mit mittelle.talen Do·sen in vielen Fällen kreisrunde, teils auch mehr längliche, hell kontrastierte Vaku­olen, deren Inhalt etwa die Dichte des Zellsaftes hatte. Die gleichen Vakuolen konnten nach Bestrahlung der Epidermen auf der Zwiebelschuppe beobach­tet werden. Vorherrschend waren dann mehr längliche, zum Teil schlauch-

Phasenoptische Beobachtungen über Vakuolisicrungscrscheinungen 337

artriig ausgez.o,gene Vakuolen typen von gl'ofler Fomnemnannigfalti1gkei,t. Bei intakter Plasnrnströmmtg wurden d:i,e V1ak1wlen, ähnlich den Ürgane1len, weit.er.getragen, dabei vielfach verform1t, teils zerri1ssen und ebenso wieder verisehmolzen, so daf! 1sehnell und stark wechselnde Bilder auftra,ten. Meist war deutlich zu heoihachten, dafl die Vaknoli 1s1ierung erst mit der Hers1tel­lung des Präparates, also mit der Zugiabe des zur E1inbettung benutzten Leitungswasiseris, einsetzte.

Darüber hinaus wurden die intraplasmatischen Vakuolen auch bei nicht bestrahltem oder anderweit,ig behandeltem, allevdings älterem Zwiebel­material festgestellt. Die V1akuolis1ierung war in die1sen Fällen reve11siibel. Sie konnte durch ein Austrocknen des Präpiamtes rück1gängig gemacht und durch eine erneute Wasisergabe aiberma1s induzierit we11den. Auch nach Pl1asmolyse trnt eine wä1sserige Vakuoliisierung in den Zellen ein.

Die intraplasmat:isch aibgeschiedene Flüs:si1gkeit mufl nach Plasmolyse dem Zytopl1asma und insbesondere der Zentralvakuole ,entnommen worden sein. In allen 1anderen Fäl1en ent1st,ammte sie im wesentlichen ,dmn zur Auf­bewahrung und Einbettung 1der E1pidermen benutzten Leüungswasser, also dem extrazellulären Raum. Es spricht vieles dafür, dafl die intraiplasmati­schen Vakuolen ein vakuolär erweiterte1s und dadurch 1ichtophsch sichtbares end,oplas:matiisches Ret,ikulum da11stellen. Da da1s ER für 1den Stoffharnsport prädestiniert i1st und Illlit dem Auflenmed:ium in Verhindung treten kann, dürHe es 1s1ich bei der Vakuoliisierung um eine Abwehrreakitfon der Zelle gegen einen überhöhten Flü,ssigkeitsanfall und somit um eine vitiale Lei1stung der Zelle handeln.

Frau Carolyn H ahn e danke ich für zuverlä1ss1ige A1s1si1stenz.

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Anschrift des Verfassers: Dr. Alfred Fe 1 dm an n, Institut für Botanik und Mikrobiologie der Kernforschungsanlage Jülich, D-517 Jülich.

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