Beobachtungen zur Entwicklungsphysiologie der Lemna minor L.

Beobachtungen zur Entwicklungsphysiologie der Lemna minor L.

(Aus dem Botanischen Institut der Universitat Marburg) Beobachtungen zur Entwicklungsphysiologie cler Lemna minOT L. Von A. Pirson und E. Gollner Mi...

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(Aus dem Botanischen Institut der Universitat Marburg)

Beobachtungen zur Entwicklungsphysiologie cler Lemna minOT L. Von

A. Pirson und E. Gollner Mit 3 Abbildungen im Text (Eingegangen am 24. April 1953)')

Unter den sogenannten Modellobjekten von einfachem Aufbau, die der Pflanzenphysiologe fiir seine Laboratoriumsarbeit bevorzugt, spielen Wasserlinsen eine besondere Rolle. Sie haben Einblicke in manche Fragen der Ernahrungsphysiologie ermoglicht (ASHBY und Mitarbeiter 1928, E. F. HOPKINS 1934, H. L. WHITE 1936 u. a.) und sind auch fiir Belange der angewandten Botanik als Testpflanzen vorgeschlagen und verwendet worden (STEINBERG 1941, GORHAM 1941).Sie haben ferner dem Versuche gedient, Faktoren der Mineralsalzernahrung, der Protoplasmatik und des Stoffwechsels in ihrer gegenseitigen Beziehung zu erfassen (PIRSON und SEIDEL 1950, PIRSON und GOLLNER 1953). Bei diesen Untersuchungen wurde in zunehmendem MaBe deutlich, daB dem einfach erscheinenden Bau keinesfalls eine Einfachheit in der gesamten physiologischen Organisation entspricht. Bei den Lemnaceen sind vielmehr gewisse entwicklungsphysiologische Prinzipien, welche uns an hochdifferenzierten Bliitenpflanzen in gut iibersehbarer raumlicher und zeitlicher Folge entgegentreten, auf engen Raum oder kurze Zeit zusammengedrangt. Dadurch wird der "Modell"-Charakter dieser Objekte in mancher Beziehung fragwiirdig. Zumindest ist eine genaue Kenntnis der auftretenden oder moglichen Komplikationen erforderlich, wenn Versuche reproduzierbar angestellt und ohne groBere Unsicherheitsfaktoren ausgewertet werden sollen. Die vorliegende Arbeit soIl in diesem Sinne einen kleinen Beitrag liefern. Es wird berichtet iiber Alterungserscheinungen und jahreszeitlich bedingte Veranderungen, die wir innerhalb von Lemna- Kulturen bei bekannten und gleichbleibenden Anzuchtbedingungen beobachtet haben. Wir betonen dabei die metho1) Herrn Professor Dr. O. Flora, Bd. 140

RENNER

zum 70. Geburtstage.

32

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A.

PIRSON

und E.

GOLLNER

dischen Gesichtspunkte, schon aus dem Grunde, weil fiir eine kausalanalytische Behandlung der Befunde das Experimentalmaterial vorHiufig nicht ausreicht. Alle versuchstechnischen Daten (Anzuchtbedingungen, Niihrlosung, Messung von Wachstum und protoplasmatischer GroBen) sind an anderer Stelle niedergelegt (1. c., Einzelheiten auch bei F. SEIDEL und E. GOLLNER, c--'-iJiss. Marburg 1950 und 1952), so daB sich diesbeziigliche Detailangaben hier eriibrigen.

1. Vitalitatsabfall innerhalb von Lemna-Kulturen

(Klonen) Die Tatigkeit der Meristeme, die von einem einzelnen PfUinzchen der Lemna minor in meist regelmaBigem Wechsel nach beiden Seiten Tochtertriebe abgliedern, ist begrenzt. Die Teilung wird nicht abrupt stillgelegt, sondern die reproduktive Leistung sinkt langsa.m, was auBerlich in einer Flachenverringerung der - oft als Beisprosse deklarierten Folgetrie be zum Ausdruck kommt; auch die Gesch windigkeit der Trie bfolge nimmt allmahlich abo ASHBY, WANGERMANN und WINTER (1949, 1951) haben diese Erscheinung bereits eingehend untersucht. Danach kann man ein' Lemna-Pflanzchen mitsamt seiner unmittelbaren Nachkommenschaft entwicklungsphysiologisch (nicht jedoch im streng morphologischen Sinne) mit dem Verzweigungssystem eines im Wachstum begrenzten Normalkormus homologisieren. Der dort iiber mehr oder weniger zahlreiche Internodien hinweg abfallende Gradient der physiologischen Leistung ist bei Lemna minor auf engsten Bereich kontrahiert. Nach den genannten Autoren entstehen unter optimalen Bedingungen beiderseits vier Tochtertriebe von abnehmender GroBe, worauf der Muttertrieb nach etwa 38tagiger Lebensdauer abstirbt. Die kleinen Tochtertriebe bilden ihrerseits Enkeltriebe, welche sich der alten Aus. gangsgroBe nahern und nach Aussehen und Leistung wieder "jung" erscheinen. Ein solcher rascher Wechsel von Altern und Verjiingung muB dazu fiihren, daB die innerhalb einer Lemna-Kultur vorliegende Ansammlung zahlreicher Generationen aus Einzelindividuen von recht verschiedener GroBe und physiologischer Leistungsfahigkeit besteht. Jede physiologische Untersuchung, die sich nicht mit der Durchschnittsleistung eines Klones oder einer Population begniigt, sondern die Einzelpflanzchen heranzieht, hiitte also mit betrachtlichen Streuungen zu rechnen, und zwar urn so mehr, je weiter sich die Wachstumsbedingungen vom Optimum entfernen; denn schon JOHNSON (1941), besonders aber WANGERMANN und ASHBY (1951) haben eine deutliche Verminderung .

. '

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der Produktivitat normal ernahrter Lemna durch verschiedene AuBenfaktoren (Beleuchtungsverhaltnisse und Temperatur) beschrieben. 1m Verlaufe unserer Untersuchungen an den Wurzeln von Lemna minor ist uns ein mit der Anzuchtdauer fortschreitender Wachstumsabfall mit den dazu gehorigen zellphysiologischen Symptomen regelmaI3ig begegnet. Dagegen trat die nach den genannten Befunden zu erwartende starke Streuung der MeBwerte nicht auf. Es erschien uns daher wiinschenswert, die methodisch so wichtigen Angaben iiber Altern und Verjiingung in qualitativer und quantitativer Hinsicht unter unseren Bedingungen und an unserem Lemna- Material zu iiberpriifen, zumal auch ASHBY und Mitarbeiter ohne diesbeziigliche genauere Angaben von Unterschieden zwischen Lemna-Stammen sprechen. In manchen methodischen EinzelTaoolle 1 heiten (Markierung und Vermessung der Mittlere Lebensdauer und Zahl der Tochtertriebe der M- und Triebe) haben wir uns an die von den T-Generation englischen Autoren beschriebene Technik LebensZahl der dauer abgegliederten gehalten. Die Anzuchtdaten waren die (Tage) Tochtertriebe gleichen wie bei allen unseren iibrigen 50 12 Versuchen: Dauerlicht von 700 Lux, 20°, M I 46 10 Tl Standkolben 200 ccm mit 100 ccm Nahr47 11 T2 49 11 16sung. T. 56 11 T. Junge Pflanzchen unseres Lemna 53 11 '1\ 57 11 minor- Klons "St" bilden von links aus T. 56 10 T7 beginnend unter den gewahlten Versuchs52 11 Ts 66 10 bedingungen beidseitig 5-6, im ganzen T9 57 T ,O 8 also bis zu 12 Tochtertriebe aus (in der E4 8 Tn 45 7 Folge mit "T" bezeichnet). Da der Tn Stamm "II" von ASHBY und Mitarbeitern bei 5400 Lux maximal 8, bei 1840 Lux dagegen nur noch insgesamt etwa vier Triebe produzierte, ist die hohe Zahl der Tochtertriebe, die wir bei 700 Lux erhielten, offen bar ein erbliches Kennzeichen un seres Klones, sofern nicht durch die Dauerbeleuchtung eine vollige U mstimmung. der reproduktiven Leistung hervorgerufen wurde. Wir haben zunachst die Lebensdauer eines Muttertriebes j\f und seiner Tochtertriebe untersucht (Tabelle 1). Als kritisches Datum diente der 5. Tag nach Abgliederung des letzten Seitentriebs von dem vergilbenden M- oder T -SproB; zu diesem Zeitpunkt steht mit Sicherheit fest, daB die meristematische Tatigkeit endgiiltig eingestellt ist. In Tabelle 1 ist ferner die Zahl der Tochtertriebe vermerkt, welche von dem M-Trieb und seinen T-Trieben im Anzuchtverlauf gebildet wurde, also 32*

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von Tl an die Zahl der Enkeltriebe t. Die Lebensdauer' ist zwar gewissen Schwankungen unterworfen, zeigt aber von M bis T 11 keine fallende Tendenz, sondem eher einen leichten Anstieg; lediglich am letzten Tochtertrieb au Bert sich vielleicht ein Vitalitatsabfall im friiheren Absterben. Die reproduktive Leistung der T -Triebe bleibt bis T 9 ungefahr konstant, ist aber bei T l(,-T 12 merklich herabgesetzt (aber selbst dann Tabelle 2 Mittlere Zeitintervalle (Tage) zwischen dem Erscheinen der Tochtersprosse T 1 - T 12 am Muttertrieb M TO- t T t _ 2 T2_3IT3_4IT4_5\T5_6IT6_7\T7_sITS_g\ Tg_lOl TlO-ttITll-t2 3,5

3,5

2,8 I 2,5 I :?,8 I 3,8 I 3,8

I 3,5

I 4,5 I 6,0 I 5,3

I 8,0

noch dem Stamm der englischen Autoren in dieser Hinsicht etwa gleichwertig). In Tabelle 2 sind die Zeitintervalle zwischen dem Erscheinen der aufeinanderfolgenden Tochtertriebe am Trieb M aufgetragen (Mittel von fiinf Parallelversuchen). Einer leichten Beschleunigung der Triebfolge zwischen T 2 und T 5 folgt spater ab T seine deutliche Verlangsamung (mit dem 26. Tage nach Beginn der Beobachtungen an M). % ~

4jp ~ ~
""C

~

.

I

TlIla 1212a T313 a T414 a Tsls a T616 a hli'a Talaa 1919a TIOIIOaTlllllaT:2112a

Abb: 1. GroBe (Flache) der Lemna-Triebe einer Tochtergeneration (TI-T12) und deren altester Folgetriebe (tt a -tt2 a)' Durchschnittswerteaus je 10 Parallelen.

Als weiteres empfindliches Kennzeichen der physiologischen Leistungsfahigkeit ist in Abb. 1 die zeichnerisch ermittelte EndgroBe der Triebflache aufgetragen, und zwar fUr T1 -T 12 und fUr deren' erste Tochtertriebe, die Enkeltriebe tta-tt2a' Die T-Triebe werden ab Ts rasch kleiner und erreichen bei T12 nur noch 1/5 der Ausgangsgro13e. Dieser Verkleinerung wirkt schon beim ersten Folgetrieb der betroffenen T-Triebe eine

11 ill

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VergroBerung entgegen, die jedoch nicht ausreicht, um die physiologische Leistungsfahigkeit schon vollig zu regenerieren. In Abb. 2 sind die ArealgroBen der drei Tochtertriebe T 2, T 8 und T 11 und ihrer eigenen Tochtertriebe t a - x zusammengestellt. Danach wird in der gesamten Enkelgeneration der Arealverlust der T-Triebe noch nicht wettgemacht. Doch durfte dies bei Weiterzucht in der nachsten Generation erreicht werden. Zusammenfassend kann festgestellt werden, daB die Symptome des Alterns und der Verjungung ("senescence" und "rejuvenation") auch in unseren Klonen auftreten. Der Abfall der physiologischen Leistung ist

I

I I T2

12 a-k

Ts

Is a-j

Til

III a-h

Abb.2. Grone (Flache) von drei Tochtertrieben '1'2, T" T11 derselben Mutterpflanze und der jeweils zugehorigen gesamten Folge von Enkelsprossen t 2a - k , t 8 a- j' tIl a-h'

jedoch auf eine groBere Triebfolge verteilt und damit verzogert. Bei der Untersuchung entwicklungsphysiologischer Fragen, die der Aufklarung des Vitalitatsabfalles dienen konnen (z. B. Anderung des Wuchsstoffspiegels), wird sich somit die Auswahl eines Stammes mit geringer Reproduktionsleistung, d. h. wenigen Seitensprossen, empfehlen. Bei sonstigen Testversuchen oder bei ernahrungs- oder zellphysiologischen Arbeiten, bei denen das Verhalten der Einzelindividuen von Interesse ist, wird man andererseits Stamme verwenden, die wahrend der in Betracht kommenden Anzuchtdauer innerhalb der Kultur nur vollaktive gleichwertige Individuen enthalten, also solche mit vielen Tochtersprossen. Fur unseren Stamm, an dessen Pflanzchen zum letzten Male am 20. Tage nach Anzuchtbeginn Messungen vorgenommen wurden, war zu diesem Zeitpunkt der Vitalitatsabfall noch kaum zu bemerken. Zur Erlauterung der Verhaltnisse sind in Tabelle 3 die mittleren lntervalle zwischen dem Erscheinen der Enkeltriebe an den jeweiligen Tochtertrieben verzeichnet.

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und E.

Gi:iLLNER

Tabelle 3 Mittlere Zeitintervalle (Tage) zwischen dem Erscheinen von aufeinanderfolgenden Enkeltrieben t an den Tochtertrieben T (ta, c, e usw.links, tb, d, f usw. rechts). Links der starken Linien stehen aIle Triebe einer 18 bzw. 30 Tage alten Kultur 18. 30. Tag

t o_a

I 3,3

3,3

3,0

1 -t-,-0 a -- - 1 -3

b

t b- c

3,8

1

3,0 1 4,0

L::

6,2 1 4,3

I~ 7,0 I 7,5

3,013.3 3,3 3:31701 3,5

f3.5

14:54,3 1

6,0

1

4,0

5,0

1

4,0

2,8

3,3

3,0! 3,0 3,0

4,3

I 4,5 I 4,3 4,0 4,6 I 3,0 3,3 ~1~~_.3,31~

~_~I~~~~

2,8 1 3,0

2,-3 1 -t c --d - 1 -

3,8

3,8

td - e

2,813,3

3,0

5,0

6,2

5,3

t e-

4,2 1 3,0

2,8

4,5

3,2

5,8

----1--3-,3-13,0 tf _ g

il,O

4,0

8,0 5:7-6,36:0I6:0G:2s:44:B

tg_

f

h

th _ i

tj _

j

k

3,0 1 4,8

5,8

6,1

4,9

4,0,- 4,3 ""7.015:0---s.37,O 10,0 7:013.75;75:7-9,61 7,0

1 ,-0 1 - t- 7 _ -1-9-,6-1i

5,2

4,5110,0 S:O---s.36:37:71 15,5 - - - - - 9,5T9,04.07:07:0 4,0

j?------

12,0 11,5110,0 s:oi7:0--7,01----.- - - - -

Links von den beiden starken Linien, die unter Beriicksichtigung der Daten aus Tabelle 2 gezogen sind, befinden sich aIle Abkommlinge eines Muttersprosses am 18. bzw. 30. Tag der Kultur. Nach dem 30. Tag tritt der VitaIitatsabfaIl sehr stark hervor; am 18. Tag ist ledigIich der letztgebildete Tochtertrieb T 5 schon vom Vitalitatsabfall betroffen, was sich jedoch nur in einer leichten GroBenverminderung (vgl. Abb. 1), nicht in einer Verzogerung der Entwicklung bemerkbar macht. Bei Verwendung anderer Stamme ist es notwendig, in ahnlicher Weise den Beginn des Leistungsabfalles festzusteIlen, selbstverstandlich unterBeriicksichtigung der jeweiligen Versuchsbedingungen. Ferner ist darauf zu achten, daB zum Ansetzen neuer Kulturen Muttersprosse von optimaler Leistungsfahigkeit verwendet werden, da bei gealterten Ausgangspflanzen wahrend der Dauer der Verjiingungsphase innerhalb der Folgegenerationen das Gesamtwachstum verzogert ist. Die Auswahl geeigneten "Impf"-Materials ist bei Lemna minor dadurch erleichtert, daB das Alter jedes PfHinzchens durch die Lange seiner Wurzel markiert wird. Bei unserem Stamm waren Pflanzchen mit 10-20 mm langen Wurzeln aus 15-18 Tage alten Kulturen mit Sicherheit als vollwertig anzusehen.

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2. Jahresperiodische Anderungen im physiologischen Verhalten Der Stamm "St" von Lemna minor wird von uns seit 1947 in NahrlOsungskultur bei kontinuierlicher Belichtung fortlaufend vermehrt. In den ersten Jahren unser~r Untersuchungen beobachteten wir starke Schwankungen des Wachstums und verschiedener zellphysiologischer GroJ3en, so daJ3 es oft schwer war, erhaltene Befunde sicher zu reproduzieren. Doch stellte sich bald herTabelle -1 aus, ditJ3 es sich urn jahresperioWachstumsdauer von Lemna-Wurzeln im dische Schwankungen handelte, jahreszeitlichen Verlauf. Die p-W erte die auch wahrend der Lichtthermo- geben die Sicherung der Differenzen statenkultur erhalten 'geblieben zwischen den benachbarten Messungen waren. Eine moglichst genaue Ver- wieder. Als Versuchsdatum gilt der Tag des Abschlusses der Wachstumsmessung messung der in Betracht kommenden GroJ3en im Laufe eines Jahres Datum I WD \ p-Werte der Messung erschien daher wiinschenswert. Sie erfolgte in der Zeit V~)ll Marz 1951 49 1 15. 3.1951 bis Juni 1952 an gleichartigen >10 50 2 3. 5. 1951 Kulturansatzen und bei gleichen 8,7 Messungsbedingungen in jeweiligen 47 3 19. 6.1951 >10 Abstanden von etwa 11/2 Monaten. 46 - - - 4 6. 8. 1951 Hierbei haben wir uns aus metho< 0,10 60 dischen Griinden und entsprechend 5 27. 9.1951 < 0,10 unseren sonstigen Untersuchungen 75 2.11. 1931 6 auf die Lemna- Wurzel beschrankt, < 0,10 98 - - - 7 21. 12. 1951 die ja Anderungen der physio< 0,10 logischen Leistungen in besonders 60 8 6. 2.1952 1,5 empfindlicher Weise anzeigt. 52 9 19. 3.1952 Die Geschwindigkeit des Wur< 0,10 42 zelwachstums ist aus Tabelle 4 10 7. 5.1952 >10 ersichtlich, in der aus Griinden der 20. 6. 1952 1 43 11 Anschaulichkeit die Wachstumsdauer (WD) aufgefiihrt ist, d. h. die Stundenzahl, welche durchschnittlich (10 Wurzeln) zur Verlangerung der Wurzel von 1 auf 20 mm benotigt wird. In den Monaten Mai bis August ist das Wachstum intensiv und dabei Streuungen unterworfen (hohe p-Werte, vgl. PIRSON und GOLLNER). Von September bis April ist dagegen· eine ausgepragte Depression der Wachstumsleistung (Minimum im Dezember) festzustellen, wobei sich Abfall und Wiederstieg

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gut bis sehr gut sichern lassen (niedrige p- W erte). Die Daten des Friihjahres 1952 stimmen recht gut mit denen des Friihjahres 1951 iiberein. Eine gleichzeitige Beobachtung der Schwimmtriebe zeigte qualitativ, daB in der Zeit geforderten Wurzelwachstums auch die 1ntervalle zwischen dem Erscheinen der aufeinanderfolgenden Triebe kurz sind. Dagegen fallt die optimale GroBe der Triebe nicht mit dem Maximum des Wachsturns der Wurzeln iiberein. Die von Marz bis August gebildeten Triebe sind bei rascher Vermehrung relativ klein und besitzen dabei schon friihzeitig verhaltnismaBig lange Wurzeln. 1m AnschluB an die Wachstumsmessungen wurden die 0 s mot is c hen Werte der Wurzelzellen auf plasmometrischem Wege bestimmt. Die resultierenden Gradienten innerhalb der Wurzeln sind wiederum nach der Tabelle I} Osmotische Werte (mol) von Wurzeln aus 18 Tage alten Normalkulturen in den verschiedenen Jahreszeiten. Die Messung erfolgte in einzelnen Abschnitten der Wurzel. Oberhalb 1,ri mm im eigentlichen Bildnngsgewebe waren Messungen nicht miiglich Datum der Messung

15. 3. 19. 6. 27. 2. 21. 6. 19. 7. 20.

8. 5. 6. 8. 9. 11. 12. 2. 3. 5. 6.

1951 1951 1951 1951 1951 1351 1951 1952 1952 1%2 1952

112,5mbiS; m,

2-3

!

~

3-41 4-5

I 5-6: ii ,

6-717-818-919-10 1,1O-11!11-dI2-13

'

1

0,264 0,285 ,°,211 10,198 0,18810,1821,°,18310,1891°,18810,18,510,187 0,196 0,261 10,2420,222 °,211 0,190 1,°,183,°,186 1°,,181, 0,179 0,181 °,181 10,237 iO,~W9 10,198 0,182 '0,179 ,0,181,0,1781°,180 0,178 10,178 0,25710,238,0,225 0,209 '1°,202 ~0,196IO,19210, 189 0,190 '10,194 0,195 0,281'0,28210,268 !0,246 0,229 0,2130,205 :0,198'(, ,192,0,202,0,204 0,206 0,296 :0,2831°,260 :0,242 0,226 0,216 :10,216 '1'0,215 1,0,219 '0,213 iO,220 0,263,0,242 0,232 ;0,221} 0,22710,2230,2270, 221',0,221} 10,221} 10,217 0,2710,256 0,2481°,282 0,223 1°,212 '0,2111°,213 !0,218 c,215 0,216,0,218 0,2451°,2291°,2211°,211 0,207 0,199 0,1970,196,°,195 I(',197,[0,197 i 0,238,0,218,0,198 0,183[0,180 0,1761°,1811°,177 ,0,181 10,181 0,182 10,1841 0,2300,208,0,1941°,189 0,18410,181 1°,180 0,183 1°,185 10,189 0,1941 1

1

1

"

1

1

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1

Jahreszeit geordnet in Tabelle 5 zusammengestellt. Auch hier sind deutliche Unterschiede zwischen den Wurzeln des Sommer- und Winterhalbjahres vorhanden und in der Tabelle durch Hervorhebung der Dezember- und Maiwerte besonders markiert. Die Ubergange zwischen den Extremen zeigen zwar manche UnregelmaBigkeiten, sind aber im ganzen unverkennbar. Am besten tritt der jahreszeitliche Gang der Werte am Ende der Streckungszone hervor (6-8 mm von der Wurzelspitze entfernt). Auch in der Wurzelbasis ist der Jahresgang gesichert, wahrend die Spitzenwerte (Beginn der Streckungszone) zu stark streuen, urn iiberall sichere Unterschiede erkennen zu lassen. Der leichte Anstieg der osmotischen Werte innerhalb der Dauerzone, den wir hiiher beschrie ben haben (PIRSON und SEIDEL, S. 440), ist nicht in jedem Fall nachweisbar.

; ;

---

493

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Markant ist jedoch stets der Abfall der osmotischen Werte innerhalb der Streckungszone. Hohere osmotische Werte in den Wintermonaten sind von anderer Seite verschiedentlich nachgewiesen worden, allerdings unter Freilandbedingungen (BLUM 1917, THREN 1934) oder doch nicht bei genau konstanter Anzucht (KALCHHOFER 1936). Wie in der Lemna-Wurzel mag auch in einigen dieser Falle eine Hemmung des Strekkungswachstums die wichtigste und zwangslaufige Ursache fiir die relative Anreicherung geloster Substanzen im Zellsaft sein.

Tabelle 6 Plasmolysezeiten in der Lemna- Wurzel innerhalb eines Jahreszyklus Versuchstag

Spitze I Maximum Spitze (2 mm) (p-W erte) (Lage % I versch.)

19. 6. 1951

33

59

6. 8. 19.51

::'1

51

Maximnm I Basis I B~sis (p- Wert e) i (12-15 mm) (p- \~./e(.)rte)

%

'

19

12

< 0,10

Ais protoplasmatischer Faktor wurde die Plasmolysezeit nach F. WEBER im Plasmolytikum Glukose (0,4 mol) verfolgt. Tabelle 6 enthalt die entsprechenden Daten in Form der von uns auch sonst (1. c.) verwendeten Dreipunktedarstellung (Beginn und Ende der Streckungszone, Basalzone = Dauerzellen). Die Werte haben im Winter ein ausgepragtes Minimum. Maxima und Basalwerte sind meist geniigend scharf zu erfassen, urn selbst bei geringeren Differenzen den Jahresgang von Messung zu Messung gut zu sichern. In der Spitze muE man sich dagegen mit den groberen Unterschieden zwischen Winter- und Friihjahrsmaterial zufrieden geben. Die individuellen Gradienten sind im Friihjahr sehr steil, im Dezember dagegen auEerst nacho

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Zur Erganzung haben wir als weitere protoplasmatische GroBe - trotz ihrer recht fragwiirdigen zellphysiologischen Bedeutung - die Deplasmolysezeit in Harnstofflosung (0,4 mol) in die Betrachtung einbezogen. Bei Vergleich von Zellen gleicher GroBe liefert sie ein ungefahres MaB der Plasmolysepermeabilitat fiir Ha rnst off. Es waren dabei nur recht betrachtliche Unterschiede von Interesse. Solche sind allerdings durchaus vorhanden, und zwar, wie friiher beschrieben, sowohl innerhalb der Einzelwurzel als a,uch zu verschiedenen Jahreszeiten. Wahrend im Sommerhalbjahr die maximalen Deplasmolysezeiten etwa bei einer Stun de liegen, war zwischen September und Februar die Eindringgeschwindigkeit so groB, daB kaum noch Plasmolyse erfolgte und Messungen praktisch unmoglich waren. In der Basalzone trat zu dieser Zeit ferner eine starke Streuung der Werte auf. Starke und abrupt einsetzende jahreszeitliche Xnderungen, die in der Permeabilitatsforschung als Storfaktoren seit langem bekannt sind (vgl. schon FITTING 1915), fehlen somit den im Lichtthermostaten angezogenen Lemnaceen nicht. Man hat den Eindruck; daB die physiologisch aktiveren Zellen der Friihjahrs- und Sommerwurzeln den Harnstoff aktiv am Eindringen zu hindern vermogen, wahrend dies in den trageren Winterwurzeln nicht mehr gelingt. Die letzteren sind damit auch den schadigenden Wirkungen der Harnstoffbehandlung starker ausgesetzt. "Obrigens fand schon SCARTH(1936) bei Untersuchung von Rindenzellen mehrerer Baume ein Permeabilitatsminimum fiir Harnstoff (sowie Wasser und KNO a) von Mai bis August, ein Maximum im Februar, wahrend sonst allgemein mit einer Verminderung des Eindringvermogens im Winter gerechnet wird (FITTIN G1920 fiir Rhoeo discolor, FURLIN GER 1938 fiir Sedium praealtum, dort weitere Literatur). Mit dies en Angaben stehen unsere Beobachtungen immerhin insofern iiberein, als hier wie dort die maximale Harnstoffdurchlassigkeit mit dem Maximum der Plasmolysezeit koindiziert. Dies gilt mit gewissen Ausnahmen ja auch fiir die Gradienten der Einzelwurzel von Lemna (PIRSON und SEIDEL, S.451).

Zum Vergleich sind in Abb.3 die Einzelgro13en gemeinsam in ihrer jahresperiodischen Veranderung wiedergegeben. Dabei blieb die Deplasmolysezeit in Harnstoff als zahlenmal3ig schwerfa13bar und zu diskontinuierlich au13er Betracht. Aus der Zusammenstellung geht eine genaue Koinzidenz des Minimums der Plasmolysezeit und der hOchsten Zellsaftkonzentration mit der liingsten Wachstumsdauer (geringsten Wachstumsgeschwindigkeit) hervor. Damit erhebt sich die Frage, ob sich die Veranderung beider erstgenannten Gro13en zwangslaufig aus der verringerten Wachstumsleistung ergibt, so wie nach unseren friiheren Erfahrungen (PIRSON und SEIDEL) an Wurzeln im Zustande des Kaliumund Kalziummangels die untersuchten zellphysiologischen Faktoren sekundar lediglich den Wachstums- bzw. Alterszustand der Zellen kennzeichnen. In diesem FaIle hatte man im jahresperiodischen Gang der zellphysiologischen Gro13en nur die Endglieder einer Kausalkette gefa13t, wahrend die das periodische Verhalten bestimmenden primaren Anderungen gar nicht innerhalb der untersuchten Zellen, sondern im Wurzelmeristem Qder gar in den Schwimmtrieben und deren Bildungsgeweben wirksam zu sein brauchten. Auch in anderen Fallen von jahres-

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periodischen Anderungen physiologischer GroBen in bestimmten Zellen ()der Geweben hat man die entsprechende kritische Frage zu stellen, auch wenn sie sich nicht so deutlich aufdrangt wie in den im steten Wachstum verbleibenden Lemna-Anzuchten; sie beriihrt die allgemeine Problematik einer Kausalanalyse jahresperiodischer Reaktionen. Wenn in ruhenden Samen ein periodischer Wechsel der Keimbereitschaft und parallel dazu eine Veranderung der Aktivitat einzelner Enzyme oder der Hitzeresistenz und des Wassergehalts beobachtet wird, so machen sich hier offensichtlich Faktoren bemerkbar, welche dem Beginn der

Abb. 3. Plasmolysezeit (in 0,4 mol Glukose), osmotischer Wert (mol) und Wachstum (Zeitdauer WD fiir die Verlangerung von 1 auf 20 mm) in der Wurzel von Lemna minor zu verschiedenen Jahreszeiten (Jahresperiodik). Die Plasmolysezeiten in Minuten beziehen sich auf die jeweiligen Maxima (Ende der Streckungszone). Die osmotischen Werte geben den Durchschnitt der jeweils ausgewachsenen Zellen (Dauerzone) wieder. Ordinaten fiir WD und osmotischen Wert gekiirzt!

Kausalkette des jahresrhythmischen Verhaltens verhaltnismaBig nahestehen. Selbst in diesen methodisch besonders giinstigen Fallen ist die Vorgeschichte, vor allem die Zeit der Samenausbildung an der Mutterpflanze, nicht ohne EinfluB auf den Ausfall der jahresperiodischen Reaktion (BUNNING und MUSSLE). Andererseits wird man auch bei Lemna nicht so weit gehen, die Auslosung des jahresrhythmischen Verhaltens raumlich und zeitlich vom Erfolgsorgan zu trennen, was immerhin bei periodischer A.usschiittung hormonaler Regulatoren durch bestimmte Gewebsbereiche denkbar ware. BUNNING (1939) hat besonders betont,

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daB die Rhythmik nicht vom morphologischen Entwicklungszustand einer Pflanze bestimmt ist, sondern sich un mittel bar im Plasma jeder Zelle auswirken kann, unabhangig von deren Alter, Lage oder Funktion. Die genauere Betrachtung un serer Plasmolysezeitdaten zeigt denn auch, daB die im Winter eintretende Depression viel zu ausgepragt ist, als daB man sie allein auf den gehemmten Wachstumsablauf bzw. ein vorzeitiges Altern der Wurzelzellen zuriickfiihren konnte. Auch treten die periodischen Unterschiede nicht erst innerhalb des Wachstumsbereiches auf, sondern sind in den altesten un d jiingsten ZeHen zu bemerken. Gleiches gilt fUr die groBen Differenzen im Verhalten gegeniiber Harnstoff. Die geringeren Unterschiede im osmotischen Wert konnten dagegen zum groBen Teil Folgen der verschiedenen Streckungsgeschwindigkeit sein; doch reicht selbst hier diese Erklarung kaum aus, um die jahreszeitlichen Differenzen zu deuten, abgesehen davon, daB diese eben auch in den apikalen Wurzelpartien, also vor der Streckungszone, bemerkbar sind. Man pflegt den AbfaH der Plasmolysezeit von jungen zu alten, nicht mehr streckungsfahigen Zellen auf eine Verringerung der Wasserbindung durch PlasmakoHoide zuriickzufUhren (ausfUhrliche Schrifttumsnach weise bei H. FISCHER 1950). Sofern diese VorsteHung zutreffend und auBerdem ihre Ubertragung auf das jahresperiodische Schwanken der Plasmolysezeit erlaubt ist, wofiir die von BUNNING und BAUER (1952) erfaBten rhythmischen Schwankungen im Wassergehalt ruhender Samen sprechen, hatte man in Lemna- Wurzeln im Sommerhalbjahr mit einer erheblich verstarkten Plasmahydratation zu rechnen. Dieser Wechsel im plasmatischen Verhalten stellt innerhalb der Kausalkette der endogenen Rhythmik nach dem oben Gesagten vermutlich eines der ersten Glieder dar. Ob der Hydratationsgrad nun seinerseits die Geschwindigkeit der ZeHstreckung und damit das apparente Wurzelwachstum unmittelbar bestimmt, laBt sich auf Grund unserer Beobachtungen nicht entscheiden. Innerhalb des Wachstumsgradienten der Einzelwurzel liegt ein solcher Zusammenhang, wie er friiher von STRUGGER (1934) in Betracht gezogen wurde, erwiesenermaBen nicht vor (RUGE 1937, PIRSON und SEIDEL) .

. Zusammenfassung 1. Der untersuchte Stamm von Lemna minor zeichnet sich unter den

gegebenen Kulturbedingungen durch hohe Reproduktionsfahigkeit aus. Innerhalb der Anzuchten treten zwar die von anderer Seite beschriebenen Erscheinungen des AbfaHs und der Regeneration der physiologischen

Beobachtungen zur Entwicklungsphysiologie del' Lemna minor L.

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Leistung ein; der Beginn derselben ist jedoch so weit verzogert, daB methodische Komplikationen vermieden werden konnen. 2. Das Wachstum, die Gradienten der Plasmolysezeit und des osmotischen Wertes, sowie der Harnstoffpermeabilitat wurden an den LernnaWurzeln aus Lichtthermostatenkulturen im jahresperiodischen Verlauf vermessen. 3. Aile untersuchten GroJ3en imterliegen einer Jahresrhythmik. Maxima und Minima des Wurzelwachstums stehen hierbei zu den anderen untersuchten GroJ3en in Korrelation; eine Kausalanalyse derselben ist ledoch noch nicht moglich. 4. Kennzeichen des Sommermaterials (Mai bis August) sind: hohe Wachstumsgeschwindigkeit, lange Plasmolysezeiten, niedrige osmotische Werte undgeringe Harnstoffpermeabilitat. Das Winter material (November bis Dezember) verhalt sich umgekehrt.

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Anschrift des Verfassers: Prof. Dr. A. PIRSON, MarburgjLahn, Botanisches Institut.