Der Einfluß von äußeren Faktoren auf die Bildung von Primärrhizoiden bei Brutkörpern von Marchantia polymorpha L.

Originalarbeiten . Original Papers Botanisches Institut der Universitat Kiel

Der EinfluB von auBeren Faktoren auf die Bildung von Primarrhizoiden bei Brutkorpern von M archantia polymorpha 1. Influence of External Factors on the Formation of Primary Rhizoids on Gemmae of Marchantia polymorpha L. KARL-RoNALD

OTTO

Mit 3 Abbildungen Eingegangen am 1. Oktober 1975 . Angenommen am 5. Mai 1976

Summary The morphological changes which gemmae of Marchantia polymorpha undergo under conditions of darkness and successive irradiation are discussed. The formation of rhizoids and the location of their emergence were investigated. The direction of the gravitational force determines on which of the two identical surfaces of the gemma rhizoids are first to emerge. The rhizoids are formed in the direction of the gravitational pull. Using a clinostate, surfaces in contact with substrate were found to produce rhizoids more frequently than those exposed to air. In the dark and under conditions of unilateral gravitation about 20 % of the gemmae form rhizoids, this percentage not being constant. Under conditions of alternating gravitational direction and absence of irradiation almost no rhizoids are formed. The direction from which the gemmae are irradiated influences the emergence of rhizoids only when the orientation of the rhizoids to the gravitational pull is not constant. The formation of rhizoids on the light-exposed surface ist stimulated to a lesser degree than on the other surface. It is conceivable that light causes the production or activation of a rhizoid growthinducing substance which is then transported away from the irradiated surface. Key words: gemmae, primary rhizoids, gravitational force, Marchantia polymorpha.

1m Zusammenhang mit dem Dorsiventralitatsproblem bei den Brutkorpern von

Marchantia polymorpha (FITTING, 1935 ff.; HALBSGUTH, 1936, 1953) ist die Frage aufgetaucht, welche Faktoren das Austreiben der Rhizoidinitialzellen der Brutkorper beeinflussen. Z. Pflanzenphysiol. Bd. 80. S. 189-196. 1976.

190

K.-R.

OTTO

Richtungsfaktoren fur die Dorsiventraliditsinduktion sind nach FITTING Licht, Schwerkraft und Substrat. Von diesen Faktoren hangt auch die Rhizoidbildung ab, allerdings in anderer Weise (FITTING, 1936). Bei PFEFFER (1871) bestimmen Schwerkraft und Substrat auf welcher der beiden gleichwertigen Oberflachen der Brutkorper Rhizoide austreiben. Licht gilt ebenso wie hinreichende Temperatur und Feuchte als allgemeine Entwicklungsbedingung. BANBURY (1959) beschreibt das Licht als Richtungsfaktor fur die Dorsiventralitat wie fur die Rhizoide. Es fehlt die deutliche begriffliche Trennung zwischen Primarrhizoiden, die aus Initialzellen des Brutkorpers entstehen und Sekundarrhizoiden, die sich an den Unterseiten der dorsiventralen Thalli finden. Sie fugen sich, weil sie auf der Ventralseite entstehen, zwangslaufig in die durch die Dorsiventralitatsinduktion bedingte Orientierung der Symmetrie. Wie das Austreiben und die Orientierung der Primarrhizoide durch die genannten Induktoren gesteuert wird, untersucht die vorliegende Arbeit. Die «Orientierung» oder «Richtung» der Rhizoide bezieht sich immer auf den Ort der Rhizoidbildung am Brutkorper, nie auf einzelne Rhizoide im Sinne eines Tropismus. (Zum Phototropismus der Rhizoide siehe DASSEK, 1939, zum Geotropismus siehe BISCHOFF, 1913.) Material und Methoden Die Brutkorper fUr aile Versuche entstammten einem mannlichen Klon von Marchantia polymorpha L. aus der Anzucht HALBSGUTH. Die Thalli wurden auf kiinstlichem Substrat bei konstanter Temperatur (19°C) kultiviert. Substrat der Thallusanzucht: 50 g Kieselgur (Celite 545, Serva) wurden mit 135 ml der folgenden Nahrlosung getrankt (pH = 6,0) KH 2 P0 4 1,25 X 10-2 M; Mg(NO a)2, Ca(N0 3 )2' MgS0 4, (NH4)2S04, je 6,25 X 10-4 M; Fe-Ill-Citrat 1,6 X 10-5 M; NaCl 3,75 X 10- 2; ZnCI 2, CuCI 2, 1,25 X 10-7 M; MnCI 2, 1,25 X 10-6 M; HaBOa 1,25 X 10-5 M; Erdabkochung 25 0/0. Zur Herstellung der Erdabkochung wurden gleiche Teile Gartenerde und Ionenaustauscherwasser 20 min bei 110°C autoklaviert. Nach Dekantieren, Einfrieren und wieder Auftau en war die Abkochung filtrierbar. Als KulturgefaBe dienten Farbekiivetten aus Glas (mit Decke1). Die Brutkorper wurden den jeweils jiingsten voll ausgewachsenen Brutbechern entnommen, immer 18 h nach Beginn der Lichtperiode. Belichtung: Leuchtstoffrohren «Philips» TL 40 W/32 und TL 40 W/55, mittlere Bestrahlungsstarke 0,9 mW cm- 2, Tageslange 20 h. Substrat der Brutkorper im Versuch (pH = 6,1): KH 2P0 4 1 X 10-2 M; Mg(NO a)2' Ca(NO a)2, MgS0 4, (NH4)2S04' je 5 X 10-4 M; Fe-III-Citrat 1,3 X 10-5 M; Fadenagar 1,5 0/0. Je etwa 5 ml dieses Nahragars wurden unter sterilen Bedingungen in Petrischalen (Durchmesser 5 cm) gegossen. Lichtbedingungen: Hellrot (HR): Leuchtstoffrohren «Philips» TL 20 W 115 + Plexiglas «Rohm & Haas» Nr. 501 (3 mm), Emissionsmaximum 655 nm, Bestrahlungsst1irke der Brutkorperebene 0,08 mW cm-2. Dunkelrot (DR): Reflektorlampen «Osram» Concentra 100 W (durch Tyristor regelbar) + Plexiglas R & H Nr. 501 + Nr. 627 + «Schott» Warmeschutzfilter KG 3. Emissionsmaximum 750 nm, Bestrahlungsstarke der Brutkorperebene 0,1 mW cm-2. Blau: LeuchtZ. PJlanzenphysiol. Bd. 80. S. 189-196. 1976.

Primiirrhizoide bei Brutkorpern von Marchantia

191

stoffrohren «Philips» TL 20 W/1S + Plexiglas R & H Nr. 627, Emissionsmaximum 450 nm, Bestrahlungsstiirke der Brutkorperebene 0,05 mW cm-2 • Zur Ausschaltung einseitiger Schwerkraft wurde ein Klinostat mit horizon taler Achse verwendet. Die Probenschalen waren so befestigt, daB die Substratoberfliiche in einer Ebene mit der Klinostatenachse lag. Die Achse machte eine Umdrehung in zwei Minuten. Die Brutkorper wurden sofort nach der Entnahme aus dem Brutbecher in einem UVsterilisierten Impfraum mit einer Glasnadel auf die Agarplatten iibertragen. Pro Platte wurden 52 Brutkorper ausgelegt, der Abstand zueinander betrug mindestens 4 mm. Nach der Aussaat wurden die Platten sofon dunkel gestellt. Die Versuchsbelichtung erfolgte (auGer bei Dauerlicht) 24 h nach Aussaat der Brutkorper. Urn ein Austrocknen der Brutkorper zu verhindern, wurden zur Belichtung die Schalendeckel nicht abgenommen. Die Temperatur lag bei 25°C. Jeder Versuch umfaBte mindestens zwei Platten. Ausgewertet wurden die Proben 12 Tage nach Aussaat, die Dauerlichtversuche nach 4 Tagen, da dann schon Thalluswachstum einsetzte. Zur statistischen Sicherung wurde der X2- Test benutzt.

Morphologische Vorbetrachtung

Brutkorper, die im Dunkeln auf Agarnahrboden gehalten werden, zeigen charakteristische Knderungen ihrer Wuchsform, die auf den Lichtentzug zuriickzufiih-

o DARK

LIGHT

r>~,

----1-- ---j-- -\k ~/

/k ~:;d"

Fig. 1: Different possibilities of gemma development. The arrows designate developmental pathways. Morphological dorsal sides hatched.

z.

PJlanzenphysiol. Bd. 80. S. 189-196. 1976.

192

K.-R.

OTTO

ren sind. Zum Teil sind diese Photomorphosen bei NINNEMANN (1967) als Etiolement beschrieben. Brutkorper konnen auf verschiedene Weise auf Dunkelheit reagieren, ohne die Fahigkeit zu verlieren, anschlie£~end im Licht zu normalen Thalli auszuwachsen (Abb. 1). Erst nach 12-14 Tagen Dunkelheit sind sie nicht mehr in der Lage sich zu Thalli zu entwickeln. Gleichzeitig wird gezeigt, daB wahrend der Dunkelkultur keine Veranderungen auftreten, die den Aussagewert der weiteren Untersuchungen in Frage stellen. Die beiden Scheitel eines Brutkorpers verhalten sich wie Einzelindividuen. In der Abb. 1 ist jeweils nur ein Scheitel gezeichnet. Kombinationen verschiedener Scheitelformen sind haufig. Es sind vier verschiedene Entwicklungswege angegeben (a-d). Die Form, die ein Scheitel im Dunkeln annimmt, bestimmt seine Weiterentwicklung im Licht. Eine notwendige Entwicklungsbedingung fur morphologische Oberseiten ist in jedem Falle Licht. Die fur die Abb.l gultigen Bedingungen sind immer: Der Brutkorper liegt waagerecht auf dem Substrat, die physikalische Oberseite wird belichtet. Der Weg a-a' zeigt einen Scheitel, der dem Substrat flach anliegt und im Licht zu einem normalen dorsi ventral en Thallusast auswachst. In b hat sich der Scheitel negativ geotrop aufgerichtet, behalt aber seine normale Breite bei. Die Uingenzunahme ist gering. Nach Belichtung entsteht daraus entweder ein einzelner wieder plagiotrop wachsender Thallusast (b'), oder der Scheitel teilt sich entlang seiner Symmetrieebene in zwei dorsiventrale, plagiotrop orientierte Thalli, die an ihrer Basis verwachsen sind. Aus einem Scheitel sind also zwei komplette Thalli entstanden. 1m Fall c etioliert der Scheitel im Dunkeln zu einem schmal en fadenformigen Gebilde, das senkrecht steht. Denselben Vorgang zeigt der Scheitel d. Hier orientiert sich der Scheitel zunachst ahnlich wie b, nimmt allerdings mehr an Lange zu und wird schmaler (d t ). Aus dieser Zwischen form heraus entsteht dann erst der etiolierte Scheitel (d 2 ). Ahnlich verhalten sich Thalli unter DR-EinfluB (FREDERICQ & DE GREEF, 1968). 1m Licht reagieren sowohl Scheitel der Form c, als auch soIehe der Form dt und d2 entsprechend den Scheiteln der Form b. Selbstverstandlich bestehen erhebliche Unterschiede in den AnfangsgroBen der sich entwickelnden Thalli. Die gezeigten Formen, besonders b", e" und d 2" sind idealisiert dargestellt. In den meisten Fallen ist einer von zwei aus einem Scheitel entstandenen Thallusasten starker entwickelt, und nur dieser setzt sein Wachstum fort. Durch das Gewicht der Thallusstucke fallen etiolierte Brutkorper in der Regel urn. Vnter den dann geanderten Bedingungen hat jener Thallus die groEere Chance sich weiterzuentwickeln, der die gunstigere Position zu Schwerkraft und Substrat hat. Diese Beobachtungen sind ein Hinweis darauf, daB Licht die Entwicklung der Brutkorper von Marchantia polymorpha in vielfacher Weise beeinfluBt. So ist auch die Bildung von Primarrhizoiden zum Teillichtgesteuert. Es sei angemerkt, daB die beschriebenen Formveranderungen der Brutkorperscheitel ein weiterer Beweis sind fur die Theorie von HALBSGUTH zur BrutkorperZ. Pflanzenphysiol. Bd. 80. S. 189-196. 1976.

Primarrhizoide bei Brutkorpern von Marchantia

193

entwicklung: Die beiden Scheitel eines Brutkorpers sind nicht korreliert und die Scheitel sind grundsatzlich doppelt angelegt. Der Brutkorper ist bidorsiventral-tetrapolar. Ergebnisse Abb. 2 zeigt die Wirkung der Faktoren Licht, Substrat und Schwerkraft auf die «Keimung» der Rhizoidinitialen. PROBE NR.

2

J

5

6

70

9

71

12

13

74

15

80

% 80

60 ~ ~ 40

40

20

20

%

~

~II)

...g; '"~ ~~ ~

60

_l_ _L_ _l_ _ _ ..!:..§.. _5_ 5 G 5 G 5 G 5lG G l G

2- _ _ _ _l_ _l_ _ _ _l_ _l_ G

5 G

5

5 l 5 l

5

5 l 5 l

5 20 1.0

60 80 %

14d ,24h,

1h red

4d

1h I I

dark

I I

red

I I

blue

Fig. 2: Formation of rhizoids on the surfaces of Marchantia polymorpha as dependent on gravity (G), irradiation (L) and substrate (S). The code between each of the two column figures designates the status of the gemmae in relation to the factors. Each column represents 100 % of the respective surfaces; the blackened part the percentage of rhizoidbearing surfaces. The mode of irradiation is indicated base of the diagram. Samples Nr. 9-15 were subjected to the action of a clinostate. A minimum of 200 gemmae were investigated for each sample depicted.

Den Faktoren Licht und Schwer kraft kommt neben der Orientierungsbeeinflussung auch eine positive Wirkung auf die absolute Hohe der Rhizoidproduktion zu. Flir das Licht zeigt dies ein Vergleich der Versuche 6 und 7, oder 9 und 10; flir die Schwerkraft Versuche 7, 8 und 9. Der Faktor Licht ist sowohl quantitativ wie qualitativ veranderbar. Beide Variationsmoglichkeiten beeinflussen das Ausma6 der Rhizoidkeimung, nicht aber die Entscheidung liber die alternativen Oberflachen die Rhizoide bilden. Die «orientierende» Wirkung der drei Faktoren la6t sich formal darstellen:

z.

Pflanzenphysiol. Bd. 80. S. 189-196. 1976.

194

K.-R.

-.-

OTTO

••

•••• G

•5

L

Es wird die gleiche Symbolik wie in Abb. 2 benutzt. Die Punkte stellen positive Richtungstendenzen dar, die sichtbar sind, wenn die Lichtverhaltnisse die Rhizoidproduktion auf einen Teil der theoretisch moglichen (Vers. 1) begrenzen. Der Faktor Schwer kraft liberdeckt die Wirkung der anderen Faktoren vollstandig. Eine schwache Wirkung dieser Faktoren auch bei normal wirkender Schwer kraft la£h sich eventuell im Verso 6 erkennen, die Rhizoidproduktion an den der Schwerkraft zugewandten Brutkorperoberflachen ist geringer als z. B. im Verso 3. Erst am Klinostaten (Versuche 9-15) wird die orientierende Wirkung von Licht und Substrat deutlich. Keiner der Faktoren la£h Hemmwirkungen erkennen. Das steht flir die Schwerkraft im Widerspruch zu PFEFFER (1871), der eine Verhinderung des Auswachsens der Rhizoidinitialen durch entgegengesetzt wirkende Schwerkraft feststellte. Die Versuche 1 und 2 widerlegen dies. Auch die komplexe Richtungswirkung des Lichts laBt sich nicht als Hemmwirkung darstellen.

l

SG

n

-

SG

l --+- SG

6h 12d +6h red dark red Fig. 3: Rhizoid production after 12 days of darkness (middle) and successive irradiation. Right: gemmae left in their original position. Left: gemmae inverted before irradiation. Evaluation took place 4 days after irradiation. (See also legend to Fig. 2.) +

Der in Abb. 3 dargestellte Versuch zeigt besonders deutlich, daB keine Hemmwirkung vorliegt: Nach Drehung der Brutkorper (physikalische Ober- und Unterseite wurde vertauscht) und hinreichender Belichtung wachsen die Rhizoide sowohl

z.

Pflanzenphysiol. Bd. 80. S. 189-196. 1976.

Primarrhizoide bei Brutkorpern von Marchantia

195

gema6 der aktuellen Schwerkraftrichtung, als auch nach der vor der Drehung herrschenden Schwerkraftrichtung aus. Die Schwer kraft hat die anfangs unten liegenden Initialen irreversibel positiv induziert, die an fangs oben liegenden, aber nicht beeinflu6t. Ihre Induktion in der neuen Lage ist noch moglich. Die Forderung der Rhizoidproduktion hangt sowohl von der Belichtungszeit, als auch von der Lichtqualitat abo Durch Belichtung mit Hellrot wird eine optimale Rhizoidbildung erreicht. Eine Forderung durch Blau ist nur am Klinostaten zu beobachten.

Diskussion

1m wesentlichen lie6en sich die Befunde von PFEFFER (1871) bestatigen, da6 Schwerkraft und Substrat Rhizoidproduktion an ihnen zugekehrten Brutkorperoberflachen hervorrufen. Seiner Interpretation, da6 die Schwerkraft die Rhizoidbildung an der ihr abgewendeten Oberflache unterdruckt, kann allerdings nicht gefolgt werden. Auf einen moglichen Wirkmechanismus der Schwerkraft weisen anatomische Untersuchungen von BISCHOFF (1913) hin, in denen gezeigt wird, da6 sowohl in den Rhizoidinitialen von Lunulariabrutkorpern, als auch von Marchantiabrutkorpern, die Lage des Zellkerns von der Schwerkraft bestimmt wird. Man kann aus dies en Ergebnissen schlie6en, da6 immer dann eine Initialzelle zum Rhizoid austreibt, wenn der Zellkern einer Au6enwand der Initialzelle anliegt. So wachsen bei senkrecht gestellten Brutkorpern zuerst diejenigen Rhizoidinitialen aus, deren Au6enwande so in der konvexen Brutkorperoberflache liegen, da6 sie positiv zur Schwerkraft geneigt sind. Nur in diesen Zellen kann auch der Zellkern einer Au6enwand anliegen. Das Substrat ist kein essentieller Faktor fur die Rhizoidkeimung, sondern begunstigt nur unter sonst fur beide Oberflachen des Brutkorpers gleichen Bedingungen die ihm anliegende Oberflache. Da Temperatur und Feuchte Einflu6 auf das Austreiben der Rhizoide haben, la6t sich der Substrateffekt moglicherweise darauf zuruckfiihren, da6 durch den Kontakt der jeweiligen Oberflache mit einem festen Substrat gute Bedingungen fiir die Rhizoidkeimung geschaffen werden. Schwankungen der Temperatur und der Feuchte sind an den Substratseiten der Brutkorper sicher geringer als an den Luftseiten. Ein Beriihrungseffekt, etwa in der Art eines Thigmotropismus, wie ihn PFEFFER (1871, S. 86) vorschlagt, kann nicht ausgeschlossen werden. Belichtung fordert die Rhizoidbildung abhangig von Belichtungszeit und Qualitat des Lichts. Diese Forderung soli in einer weiteren Arbeit (OTTO und HALBSGUTH, 1976) naher untersucht werden. Reicht das Licht nicht aus, alle Rhizoidinitialen zum Austreiben zu bringen und ist der Faktor Schwerkraft ausgeschaltet, wirkt Licht auch als orientierender Faktor. An der lichtabgewandten Brutkorperflache ist die Forderung starker als an der Z. P/lanzenphysiol. Ed. 80. S. 189-196. 1976.

196

K.-R. OTTO

lichtzugewandten Flache. Dies kann als Ausdruck emes Wirkungsgradienten betrachtet werden. Dieser liegt allerdings urngekehrt zurn Lichtgradienten (LichtSchattenseite), was ausschlieBt, daB die Wirkung von der Lichtintensitat direkt abhangig ist. Eine Abhangigkeit der Rhizoidproduktion von der Quantenstrorndichte ist in der Tat nicht erkennbar (OTTO und HALBSGUTH, 1976). Es ware eine Reaktion zu suchen, die, bei Ausschaltung einseitiger Schwer kraft, abhangig von Intensitatsdifferenzen die Rhizoidbildung beeinfluBt. Es konnte sich hierbei urn einen Transportvorgang in Richtung des Lichtgradienten handeln.

Literatur BANBURY, G. H.: In: RUHLAND, W. (Ed.), Handbuch der Pflanzenphysiologie XIII 1, 530 Springer-Verlag, Berlin-Gottingen-Heidelberg, 1959. BISCHOFF, H.: Beih. z. Bot. Zbl. 28, 94 (1913). DAssEK, M.: Beitr. BioI. Pflanzen 26,125 (1939). FITTING, H.: Jb. wiss. Bot. 82, 333 (1935). - Jb. wiss. Bot. 82, 696 (1936). - Jb. wiss. Bot. 86, 107 (1938). - Jb. wiss. Bot. 88, 633 (1939). FREDERICQ, H., and]. DE GREEF: Phys. Plantarum 21, 346 (1968). GERTZ, 0.: Lunds Univ. Arsskrift N. F. Afd. 2, 22,1 (1926). HALBSGUTH, W.: Jb. wiss. Bot. 84, 290 (1936). - BioI. Zbl. 72, 52 (1953). NINNEMANN, H.: BioI. Zbl. 86, 303 (1967). OTTO, K.-R. und W. HALBSGUTH: Z. Pflanzenphysiol. 80, 197 (1976). PFEFFER, W.: Arb. Bot. Inst. Wzbg. 1, 77 (1871). Dr. K.-R. OTTO, Botanisches Institut der Christian-Albrecht-Universitat, Diisternbrooker Weg 17, D-2300 Kiel.

z. Pjlanzenphysiol. Bd. 80. S. 189-196.

1976.