Licht- und elektronenmikroskopische Untersuchungen zur Genese der Exkrete in den lysigenen Exkreträumen von Citrus medica

Flora, Abt. A, Bd. 156, S. 451-·456 (1966) Aus dem Botanischen Institut der Universitat Marburg a. d. Lahn

Licht- und elektronenmikroskopische Untersuchungen zur Genese der Exkrete in den lysigenen Exkretraumen von Citrus medica Von GEORG HEINRICH Mit Tafel I-IV (Eingegangen am 21. Juli 1965)

Die Zitronenschale ist reich an sekundaren Pflanzenstoffen (WOLF 1960, GILDEMEISTER und HOFFMANN 1959) und steIIt eine nicht unwesentliche Rohstoffquelle fUr Pektin und atheriscre Ole dar (vgl. BRAVERMANN 1949). Das Zitronenol ist vielfach untersucht worden. Angaben iiber die Zusammensetzung des Ols, die mit dem Alter, der J ahreszeit und der Herkunft der Friichte sChwankt, sind aus GILDEMEISTER und HOFFMANN (1959) zu entnehmen. Es ist in Exkretraumen lokalisiert, deren Entstehung und Weiterbildung FOHN (1935) u. a. untersucht haben. FOHN bezeichnet die Anlage des Raumes ebenso wie GILG und SCHURHOFF (1930) als rein lysigen. 1m Gegensatz dazu erfolgt z. B. nach SIECK (1895) erst nach einem schizogenen Auseinanderweichen der Zellwande die Lyse des Zellinhaltes. Eine kritische Sichtung weiterer Daten iiber lysigene' Driisen findet man bei KISSER (1958), so daB hier nicht naher darauf eingegangen werden solI. Neben diesen morphologischen Studien iiber die Driise als Ganzes beschiiftigen sich andere mit der Bildung des Ols in der Zelle. GILG und SCHURHOFF (1930) verlegen sie bei verschiedenen Citrusarten in das Cytoplasma der Driisenzellen. Nach lichtmikroskopischen Beobachtungen machen BEHRENS (1886), MOENIKES (1922), MIDDENDORF (1927), LEEMANN (1928), GILG und SCHURHOFF (1930), BECKER (1931) und WENZL (1935) auch fiir andere Pflanzen das Cytoplasma fUr die Exkretproduktion verantwortIich. POPOVICI (1925) schlieBt bei seinen Versuchspflanzen eine Beteiligung der Plastiden an der Erzeugung der atherischen Ole aus, was bemerkenswert ist, da Plastiden Tetraterpene, die Karotinoide und nach FREY-WYSSLING (1935) und VRTAR (1949) auch Poly terpene bilden. Die Frage nach dem Entstehungsort der Terpene bei Citrus steht in meiner Untersuchung im Vordergrund. Material und Methode Schnitte aus der Schale von ein und drei cm langen Friichten von Citrus medica L. aus dem Gewachshaus des Botanischen Gartens der Universitat Marburg a. d. Lahn wurden mit einem Os04-K2Cr207-Gemisch nach WOHLFAHRT-BoTTERMANN (1957) fixiert und anschlieBend in 30

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Vestopal eingebettet. KMn0 4 -Fixierung fiihrte wegen des Pektinreichtums der Zellwande zur Mazemtion. Die Dntersuchung der nach KARXOVSKY (1961) mit Blei kontrastierten Diinnschnitte erfolgte im Siemens-Elmiskop II.

Die lysigenen Exkretbehalter Ebenso wie in den Blattern (FOHN 1935) werden auch in den Friichten die Driisen schon sehr friih angelegt. Junge Driisellzellen zeichnen sich durch dichtes Plasma und Fehlen gro13er Vakuolen aus. Ihre Plastiden wei sell keine Rotfluoresr.ens auf, nach Os04-Fixierung erscheinen geschwarztc Kornchen in ihnen. Die Zellen peripher angeschnittener Exkretbehalter heben sich durch ihre sehr diinnen Wande und durch unterschiedliche Zellform von dem sie umgebenden, meist Plastiden mit Starkekornern fiihrenden Gewebe gut abo Die lichtmikroskopische Kontrolle des fiir das Elektronenmikroskop eingebetteten Materials zeigt deutlich die sekretfiihrenden Hohlraume der Driisenbehiilter (Abb. 1, 2). Ihr Inhalt ist sehr osmiophil, die atherischen Ole schwarzen sich und werden durch die Entwasserung mit Aceton nicht mehr gelost. Elektronen op tische Un tersu chung 1. Die jungen Driisenzellen a) Die Plastiden Sie sind entweder thylakoidarm oder besitzen I,licht zu Granen aggregierte Membranen in hoher Zahl (Abb. 4). Auffallend sind die meist vorhandenen groJ3en osmiophilen Tropfen, die die Leukoplasten weitgehend ausfiillen. Ahnliche Gebilde liegen auch im Grundplasma (Abb. 5, 6). :Man konnte annehmen, daJ3 die im Cytoplasma befindlichen Tropfen ebenfalls aul' den Plastiden stammen, allerdings war der Austritt der Substall7, nie zu sehen. Eine zweite Moglichkeit wa,re, daJ3 im Plasma andere Stoffe als in den Plastidenlokalisiert sind. A~1ELUNXEN (1964) deutet die osmiophilen Substanzen in den einzelligen Driisenhaaren von Mentha piperita als Vakuoleninhaltsstoffe, die bei der Exkretbildung verbraucht werden und nichts mit den atherischen Olen zu tUll haben. Seiner Meinung nach werden die atherischell Ole durch die Aceton- und Propylelloxydbehandlung gelOst und sind daherim Elektronenmikroskop nicht nachzuweisen. Wie die lichtmikroskopische Kontrolle zeigt, trifft letzteres fiir Citrus nicht zu. In den Plastiden der Driisenzellen findet man haufig mit Bleikontrastierung nicht schwarzbare Kohlenhydrate von Tropfchen umgeben (Abb. 7). Es drangt sich auf, an Starkeabbau zu denken und ein Einber.iehen der KohIenhydrate in die Erzeugung des anderen Stoffwechselproduktes anzunehmell. b) Die Rolle der anderen Organellen Die vorliegenden Aufnahmen lassen keine Aussage iiber RNS-Abgabe aus dem Zellkern zu, die BECKER (1931) in Form von Nukleolarsplitterchen, die aus dem Kern

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auswandern, im Zusammenhang mit der Bildung atherischer Ole vor jeder sichtbaren Plasmaveranderung bei Peperomia-Arten beschreibt. Die Mitochondrien der Drusenzellen sind zum Unterschied von denen des Starkeparenchyms haufig langgestreckt (Abb.5). POLITIS (192]) glaubt bereits an einen Zusammenhang zwischen der Produktion von Exkreten und dem Auftreten von "Chondriokonten". Ahnlich gestaltete Mitochondrien findet z. B. SCHNEPF (1963) in Drusen insektivorer Pflanzen. Die Funktion der Dictyosomen, die in den Zellen der Exkretraume von Citrus keineswegs in so groBer Zahl vorliegen wie in den Driisenzellen von Mentha, bleibt undurchsichtig. 1m Grundplasma sind zahlreiche Vesikel, die zu einem gewissen Teil vom Golgiapparat stammen (Abb. 7). Sie konnten saure Polysaccharide enthalten und beim Wandaufbau eine Rolle spielen, wie das MOLI,ENHAUER, WHALEY and LEECH (1961), DRAWERT und MIX (1961/62, 1962) und SIEVERS (1964) annehmen. Dagegen spricht, daB trotz der reichlichen Vesikel die Zellwand immer sehr diinn bleibt, so daB FOHN (1935) sie nicht als durchlaufend ausgebildet ansieht. 2. Die Weiterentwicklung der lysigenen Driise Zellen mit einer groBen zentralen Vakuole und einem nicht allzu breiten Plasmasaum umkleiden den durch Lyse der Drtisenzellen immer griiBer werdenden Exkretraum. Parenchymatische Zellen in weiterer Entfernung vom Hohlraum besitzen nach Bleikontrastierung dunkle Starkekorner (Abb. 8). In der Nahe des Inllenraumes fallen in den Plastiden haufig Stellen auf, an denen die Matrix locker ausgebildet ist, wahrscheinlich ist an diesen Orten die Starke abgebaut worden. Sie umschlieBend findet man oft Exkrettropfen. Auch weitgehend differenzierte parenchymatische Gewebe mit starkespeiehernden Leukoplasten gehen zur Ablagerung osmiophiler Substanzen tiber, wenn durch die fortschreitende Lyse der Zellen der Innenraum des Behiilters naher an sie heranriickt (Abb. 8). Die Tropfen weisen untersehiedliche Schwarzung auf (vgl. Abb.5 mit Abb. 7); das konnte durch die wechselnde Zusammensetzung der Komponenten verursaeht werden (siehe GILDEMEISTER und HOFFMANN 1959). Da in einer Zitronensehale Exkretraume versehiedensten Alters vorkommen, sind osmiophile Flecken aller Schwarzungsgrade anzutreffen. Neben den osmiophilen Substanzen in den Plastiden und im Cytoplasm a findet man noch selten verschieden stark geschwarzte Tropfen in Vakuolen. In der groBen zentralen Vakuole fehlen sie aber. 1m Innern alter Driisenzellen erfolgt haufig vor der Lyse der Wande ein Zusammenbruch der Feinstrukturen, der aIle Elemente erfaBt. Auch dann sind groBe osmiophile Tropfen manchmal von zwei Membranen umgeben. Ihre Identifizierung als Plastidenhtille wird durch miteingeschlosHene Kohlenhydrate erleichtert (Abb. 9,10).

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Besprechung der Ergebnisse

Die vorliegenden Aufnahmen lassen an einen Starkeabbau in den Leukoplasten und an eine Synthese der Exkrete aus den Kohlenhydraten denken. Das ist nicht ganz unwahrscheinlich, da Tetraterpene, die Karotinoide, in Plastiden erzeugt werden. Nach FREy-WYSSLING (1935) und VRTAR (1949) sollen auch Poly terpene, der Kautschuk von Ficus carica und Ficus elastica, plastidaren Ursprung haben. Elektronenoptische Untersuchungen des Hevea-Latex (SOUTHORN 1960) und Zentrifugieren desselben durch Mo IR (1959) machen tiber den Entstehungsort des Kautschuks in der Zelle keine Aussage. Befunde von SCHNEPF (1964), nach den en die Kautschuktropfchen in den Milchrohren von Euphorbia pulcherrima im Zellsaft liegen, zwingen zur Vorsicht, allerdings konnten sie in Plastiden gebildet und spater in die Vakuole gelangt sein (vgl. P AECH 1950). Das Vorhandensein osmiophiler Produkte in den Plastiden der Drtisenzellen von Citrus ist noch kein zwingender Grund, daB die Tropfen in diesen entstanden sind. 1m Cytoplasma gebildete Terpene konnten sich in die Leukoplasten verlagern. Es ware iluch moglich, daB Vorstufen einwandern und nur die letzten Syntheseschritte in der Plastide vorgenommen werden. Es gelingt nicht, den Dictyosomen mit Sicherheit eine Rolle an der Exkretproduktion abzusprechen. Ihre Vesikel konnten Terpene oder Zwischenprodukte der Synthese enthalten. Nach AMELUNXEN (1964) sollen sie maBgeblich an der Erzeugung der Exkrete von Mentha piperita beteiligt sein. Ein Einwandern der Vesikel in Leukoplasten konnte bei Citrus nicht beobachtet werden, was ftir eine Produktion der Terpene in den Plastiden spricht. Es ware aber auch denkbar, daB im Cytoplasma und unabhangig davon in den Plastiden Synthesen ablaufen. Eine elektronenoptische Unter· suchung anderer Citrusfrtichte und kautschukbildender Pflanzen ist geplant, die letzte Entscheidung tiber den Ort der Entstehung der Terpene in der Pflanze dtirfte erst die Lokalisation der Enzyme in den Organ ellen der Zelle mit sich bringen, die an der Terpensynthese Anteil haben. Zusammenfassung Die Exkrete in den lysigen entstandenen Driisenraumen der Schale von Citrus medica sind zum gro1lten Teil in den Leukoplasten lokalisiert, ein geringerer Anteil liegt im Cytoplasma. Manche Abbildungen sprechen Iiir einen Abbau der Kohlenhydrate in den Plastiden und Iiir die Neusynthese osmiophiler Produkte urn die ehemaligen Starkekorner. Eine definitive Entscheidung dariiber, ob die Exkrete wirklich nur in den Plastiden erzeugt werden, ist aber allein auf Grund morphologischer Fakten nicht moglich.

Literatur AMELUNXEN, F., 1964. Elektronenmikroskopische Untersuchungen an den Driisenhaaren von Mentha piperita L. Planta med. 12, 121-139. BECKER, R., 1931. Der Bau und die Entwicklungsgeschichte der Olzellen und ihre~ Inhaltes, vernehmlich bei Peperomia. Bot. Arch. 33, 48-80.

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Tafelerklarung Abb. 1 bis 10: Sehnitte durch die Schale von Citrus medica L. Fixierung: OS04; Vestopal. Abb.1 und 2.: lichtmikroskopische Bilder, Abb. 3. bis 10.: elektronenmikroskopische Aufnahmen, letztere aIle mit Bleikontrastierung und einer PrimarvergriiBerung von 7500. Tafel I Abb.1. und 2. Mediane Schnitte durch einen Exkretbehalter. Inhalt des lysigen entstandenen Hohlraumes durch OS04 geschwarzt. Randliche Driisenzellen mit Oltropfen deutlich gegen langgestreckte Parenchymzellen abgesetzt. VergriiBerung 60 x, EndvergriiBerung 220 x . Abb. 3. Altere randliche Zelle. Zellkern (N), Leukoplast (L) mit osmiophilen Triipfchen, Mitochondrium (M) noch ohne Abbauerscheinungen. Leitet zu Abb. 9. und 10 tiber. EndvergriiBerung 18200 x . Abb.4. Junge Driisenzelle. Dichtes Grundplasma mit zahlreichen Vesikeln. GroBer Zellkern (N) mit Nukleolus. Kohlenhydrate sind wahrscheinlich abgebaut. Triipfchen im Plasma und in den Leukoplasten zeigen gleichen Schwarzungsgrad wie das Vestopal im Hohlraum (H). Leukoplasten (L) mit zahlreichen Thylakoiden. EndvergroBerung 17000 x. Tafel II Abb. 5. Junge Driisenzellen. GroBe osmiophile Tropfen im Plasma, kleinere in den Leukoplasten (L). Mitochondrien (M) langgestreckt. EndvergriiBerung 17000 x . Abb. !,. Weit differenzierte Zelle wird in die Exkretproduktion einbezogen. Osmiophile Substanzen Cj.lliegen um lockere Stellen der Plastiden-Matrix. EndvergriiBerung 32000 x. Tafel III Abb. 7. Aktive Driisenzelle. Dichtes vesikelreiches Grundplasma. Urn die Starkekiirner in den Leukoplasten liegen Triipfchen OJ End vergriiBerung 18700 x . Abb. 8. Langgestreckte Zellen urn den rechts unten gelegenen, nicht mehr abgebildeten zentralen Hohlraum. Die ihn umgebenden Zellen lassen in ihren Leukoplasten (L) Starkeschwund und Exkretbildung erkennen, weiter entfernte besitzen normal schwarzbare Starkekiirner Cp. EndvergriiBerung 12800 x. Tafel IV Abb. 9. Alte destrukturierte Drtisenzelle. Zellwiinde (ZW) trotzdem noch vorhanden. Die Tropfen sind teilweise von zwei Membranen umgeben. Der helle EinschluB ist vermutlich ein Starkekorn (,;.). EndvergroBerung 18700 x. Abb. 10. Drtisenzelle mit Zusammenbruch der Innenstruktur. Die Plastiden sind manchmal an ihren Thylakoiden noch erkenntlich. EndvergriiBerung 15200 x.

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Tat. III

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