Zur Cytologie und Physiologie pflanzlicher Drüsen

Flora, Bd. 153, S. 1-22 (1963)

(Aus dem Botanischen Institut der Universitat Marburg)

Zur Cytologie und Physiologie pflanzlicher Drusen 1. Tell. Vber den Fangschleim der lnsektivorenl) Von

Eberhard Schnepf Mit Tafel I-V (Eingegangen am 21. September 1962)

A. Einleitnng

Die cytologischen und physiologischen Untersuchungen an pflanzlichen Drusen sollen dazu beitragen, die Beziehungen zwischen dem Bauder Zellen und ihrer Tatigkeit aufzudecken. Dabei liegt der Schwerpunkt auf der Erforschung der Struktur. Beides, Struktur und Funktion, sind voneinander nicht trennbar, besonders nicht in den Dimensionen, die erst durch das Elektronenmikroskop erschlossen werden ki:innen. Sie sind nur verschiedene Aspekte des einen lebendigen Ganzen. Es ist zu erwarten, daB diese Zusammenhange in Drusenzellen besonders klar hervortreten, denn hier ist die Mannigfaltigkeit des Geschehens einigermaBen begrenzt und ubersichtlicher als in undifferenzierten, nicht spezialisierten Zellen. Die Hauptfunktion der Drusen ist die Ausscheidung. Man kann damit rechnen, daB sich ihre gauze Tatigkeit danach ausrichtet. Eine unmittelbare Vorbedingung ftir die Sekretion ist, daB die Drusenzellen Stoffe aufnehmen, sie in spezifischer Weise umbilden (jedoch nicht in allen Fallen) und sie transportieren. Es ist zu prufen, wie die Arbeitsweise der Zellen und damit auch die Struktur bei diesen Vorgangen durch das Sekret bedingt wird. Es sollen daher verschiedene - Drtisentypen in ihrem Feinbau miteinander verglichen werden. Hierftir wurden In. sektivoren-Drusen, die Fangschleim und Verdauungsenzyme, sowie Nektarien, die Nektar ausscheiden, gewahlt. Die Sekretion ist ein dynamischer ProzeB. Urn der Gefahr einer nur statischen Betrachtungsweise zu entgehen, habe ich versucht, die Tatigkeit der Zellen im Ex1) Teil einer bei der Philosophischen Fakultat der Universitat Marburg eingereichten Habilitationsschrift. 1

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periment zu steuern und die Plasmastrukturen bei verschiedenen Aktivitatszustanden zu vergleichen. Auch fur solche Experimente bieten Drusen, gemessen an anderen Organen, Vorteile. Ihre Arbeitsintensitat laBt sich verhaltnismaBig leicht beeinflussen; der Erfolg dieser Bemtihungen ist in vielen Fallen unmittelbar zu erkennen. Das setzt allerdings voraus, daB sich die physiologischen Vorgange in den Zellen in Dimensionen abspielen, die licht- oder elektronenmikroskopisch erschlossen werden konnen. Es wird sich allerdings nicht selten urn molekulare Prozesse handeln, die nicht mit direkt erkennbaren Veranderungen verkntipft sind. Wahrend Befunde tiber die Feinstruktur von Insektivoren-Drtisen, auch im Zusammenhang mit Fragen der Sekretion, bereits veroffentlicht wurden (SCHNEPF 1960a, b, 1961a, b, c; VoGEL 1960), liegt tiber die Elektronenmikroskopie der Nektardrtisen bisher nur je eine kurze Mitteilung tiber die Plastiden der extrafloralen Nektarien von Passiflora coerulea (ScHNEPF 1961 d) und tiber ein in diesen Drusen vorkommendes Virus (ScHNEPF und BRANDES 1961) vor. Uber verschiedene der hier ausfiihrlich mitgeteilten Ergebnisse wurde bereits kurz referiert (ScHNEPF 1961e). Wegen der Besonderheiten, die sich bei den P assiflora- Nektarien durch den Virus-Befall ergeben konnten, sollen diese hier nicht behandelt werden.

B. Uber die Zusammensetzung des Fangschleimes von Drosophyllum lusitanicum

I. Angaben alterer Autoren DARWIN (1876) stellte fest, daB der Fangs
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II. Eigene Untersuchungen a) Methodisches Fiir einige Versuche wurde der Schleim direkt von Drosophyllum-Pflanzen aus dem Gewachshaus mit einer Pipette abgesogen. In der Regel habe ich jedoch Blatter, die noch keine Insekten gefangen batten, abgeschnitten, nut Leitungswasser kraftig abgespiilt, urn das anhaftende, eventnell verunreinigte Sekret zu entfernen, vorsichtig abgetrocknet und in ein GlasgefaB mit lose aufgelegtem Deckel in stark durchfeuchteten Seesand (p. A.) gesteckt. Sie sezernierten dann in einem Thermostat bei + 28 °0 so stark, daB die Ausscheidung wie beim Gewachshausmaterial gewonnen werden konnte. Zum Nachweis der Ascorbinsaure wurden Tiipfelproben (WEBER 1939, in der Variation von PrETSCH 1942) mit Dichlorphenol-Indophenol und Kakothelin als Reagentien angewendet. Fiir die Chromatographic (aufsteigend) benutzte ich Papier von Schleicher & Schiill (Nr. 2043 b), als Laufmittel zur Zuckerbestimmung Butanol-Eisessig- Wasser (4: 1: 5, organische Phase), Butanol-Pyridin- Wasser (6: 4: 3) und als Spriihmittel vor aHem Anilinphthalat (alles nach LINSKENS 1959). Zur Hydrolysierung fiir die Zuckeranalyse wurde das Sekret mit verdiinnter Schwefelsaure (1 Vol. H 2 S0 4 , 9 Vol. Aq. dest.) versetzt, 3-4 Stunden im zugeschmolzenen Rohrchen auf -1-- 104 °0 erhitzt, mit Ca00 3 im UberschuB neutralisiert, der Niederschlag abzentrifugiert und das Uberstehende chromatographisch untersucht. Bei der Bestimmung der Zuckersaure habe ich in Anlehnung an HENGLEIN (1955), SMITH und MoNTGOMERY (1959) sowie AHTARDJIEFF und KoLEFF (1961) das Polysaccharid mit Methanol ausgefallt, getrocknet und 30 Minuten lang mit stark verdiinnter Schwefelsaure (1 Vol. H 2 S0 4', 99 Vol. Aq. dest.) bei + 145 °0 oder 45 Stunden lang mit 90% Amei.sensaure im zugeschmolzenen Rohrchen hydrolysiert. Im zweiten Faile kam, nachdem die Ameisensaure abgedampft war, ebenfalls etwas verdiinnte Schwefelsaure in die Losung. Die Hydrolysate wurden dann mit reichlich Calciumcarbonat neutralisiert, der Niederschlag abzentrifugiert, zur Entfernung der Zucker mehrmals gewaschen und dann mit verdiinnter Schwefelsaure angesauert. Fiir die chromatographische Untersuchung der iiber dem ausgefallenen Gips stehenden Fliissigkeit dienten Butanol-Eisessig-Wasser und Essigsaure-Ameisensaure-Wasser (10: 2: 3) als Laufmittel, Anilin-Giucose, ammoniakalisches Silbernitrat, Anilinphthalat, und basisches Bleiacetat als Spriihreagentien (LINSKENS 1959, LUTTGE 1961) sowie Uronsauren und Gluconsaure (Merck und Schuchhardt) als Vergleichssubstanzen, zum Teil wie das Hydrolysat mit Schwefel7 saure, Calciumcarbonat und wieder mit Schwefelsaure versetzt. Zur Bestimmung der 1 Sekretionsintensitat von Drosophyllum diente das schon friiher an: gewendete Verfahren (ScHNEPF 1961 b); das Volumen der ausgeschiedenen Schleimtropfchen wurde mikroskopisch gemessen. Die in einer Stunde von 1,u2 Driisenoberflache abgegebem) Sekretmenge S laBt sich al~ Differenz zweier Kugelabschnitte nach der Forme] S

=

~

6T

.

+ If3- h 3 + h2

3r2 (H- h) r

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ermitteln, wobei H die Hohe des Schleimtropfens, h die Hohe des Driisenkopfchens, r der Radius des Grundkreises der Kugelabschnitte, die von der Driise bzw. von Driise + Sekret gebildet werden, und T die Versuchszeit ist (vgl. ScHNEPF 1961b, Abb.1). Fehler in der Bestimmung konnen unter anderem bei sehr groBen Schleimtropfen auftreten, wenn dicse stark nach unten durchhangen. 1*

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EBERHARD SCHNEPF

Fur die Messungen habe ich etwa 1,5 em lange Blattstucke in 2 em hohe, flach mit Wasser (als Kontrolle) oder der Versuchsliisung gefiillte Glasschalchen in Seesand p. A. gesteckt und lose abgedeckt. Vorher wurden der an den Drusen befindliche Schleim an der Wasserleitung abgespiilt und die Blatter vorsichtig abgetrocknet. Die Luftfeuchtigkeit in den GefaBen stellt sich auf die Dampfspannung der Versuchsliisung ein. Das bedeutet eine gewisse Fehlerquelle, weil die Konzentration des ausgeschiedenen Sekretes durch den Wassergehalt drr umgebenden Atmosphare positiv oder negativ verandert werden kann. Die Untersuchungen wurden in einem dunklen Thermostaten bei + 28 °C durchgefuhrt. Bei zwei MeBserien an denselben Blattstiicken habe ich das Sekret nach der ersten Messung abgespult und die Objekte wieder in das unveranderte VersuchsgefaB gestellt. Nach den Ergebnissen von MATILE (1956) an den Nektarien von Impatiens hols!ii muB damit gerechnet werden, daB die Polaritat des Blattes die Wanderung einiger der zugefiihrten Substanzen beeinflussen kann. Deshalb habe ich stets das proximale Ende des Blattstiickes in die Versuchsliisung gesteckt. Studien, in denen die Wukung einer Inversion gepriift wurde (Substrat: destilliertes Wasser), zeigten nur eine Abweichung von + 2% gegeniiber der organgerechten Anordnung (Mittel von 14 Blattern mit je 5 Driisen).

b) Die Analyse des Fangschleimes Der Schleim erscheint farblos, duftet stark nach Honig und reagiert sauer (pHWert etwa 3,3). Er ist sehr viskos und kann in Faden ausgezogen werden. Diese sind im getrockneten Zustand doppelbrechend; entsprechend sind die Befunde WEBERS (1938) am Drosera-Sekret. Das laBt auf einen submikroskopischen Aufbau aus fadenformigen Teilchen schlieBen. Im elektronenoptischen Bild hat er eine flockig-netzige Struktur und ist osmiophil (ScHNEPF 1961 a). Exakte absolute Angaben tiber die Konzentration der unveranderten Ausscheidung sind kaum moglich; sie wird sich stets entsprechend dem Was sergehalt der umgebenden Luft verandern. Bei den beschriebenen Gewinnungsmethoden (feuchte Kammer) enthalt der Fangschleim 0,23% Trockensubstanz. Wenn das frische Sekret mit Aceton versetzt wird, fallt eine weiBe Substanz von 0,19% des Frischgewichtes aus. Es bleiben demnach 0,04% in Losung. Hierbei wird es sich vorwiegend um die Ascorbinsaure handeln (Konzentration nach BuKATSCH, 1942, 0,04-0,06 %). Durch Erhitzen nimmt die Viskositat des Schleimes stark ab, er zersetzt sich :wie viele saure pflanzliche Schleime autohydrolytisch. Tiipfelproben auf Ascorbinsaure verliefen positiv (vgl. BuKATSCH 1942). Im Gegensatz dazu konnte im Sekret von Pinguicula kein Vitamin C nachgewiesen werden. Die Chromatographie des ·direkt aufgetragenen Schleimes (Laufmittel: ButanolEisessig-Wasser) ergab einen schwach gelblichen Fleck von gelber, bald verschwindender Fluoreszenz mit dem Rp-Wert 0,37-0,40. Die Substanz lOst sich in Wasser, nicht in organischen Losungsmitteln. Untersuchungen im Spektralphotometer erbrachten von 325-200 nm steigende Extinktionswerte. Eine exakte Messung war

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wegen der hohen Zersetzungsgeschwindigkeit unmoglich: Eine weitere Identifizierung gelang· nicht. Das Bespriihen der Chromatogramme mit folgenden Reagentien (aile nach LINSKEl'iS 1959) gab negative Resultate: Ninhydrin (Reaktion auf Aminosauren usw.) Paulys Reagens (auf Phenole usw.) Indophenol (auf Phenole usw.) Eisenchlorid (auf Phenole usw.) Dragendorff-Reagenz (auf Alkaloide) Joddampfe; positive Ergebnisse wurden erzielt mit: Osmiumtetroxyd-Dampfen ammoniakalischem Silbernitrat Dichlorphenol-Indophenol Kakothelin. Wie Vergleichschromatogramme zeigten, handelte es sich hierbei urn die Ascorbinsaure. Bei einer Saurebehandlung entstehen Zucker (MEYER und DEWEVRE 1894). In den Hydrolysaten lieBen sich auf Grund der mit den entsprechenden Vergleichssubstanzen identischen Wanderungsgeschwindigkeiten (bei der Verwendung von Butanol-Eisessig-Wasser und Butanol-Pyridin-Wasser als Laufmittel) und durch ihre Farbreaktionen· (mit Anilinphthalat) Galactose, Arabinose, Xylose (wenig) und Rhamnose (Spuren) nachweisen. Auch bei einer Autohydrolyse wurden einzelne dieser Zucker frei. Versuche zur Bestimmung der sauren Komponente des Sekretes lieBen darauf schlieBen, daB neben dem Vitamin C noch eine zweite Saure vorhanden ist. In den Chromatogrammen des unveranderten Schleimes und der Hydrolysate konnte sie nicht nachgewiesen werden. Sie liegt a.lso offenbar nicht frei vor bzw. fallt mit CaIonen aus. Da sie eine unlOsliche Calciumverbindung bildet, war es moglich, sie von den Zuckern zu trennen. Die Chromatogramme zu ihrer Bestimmung lieBen eindeutig erkennen, daB es sich nicht urn eine Uronsaure handelt. Die nach dem Bespriihen mit Anilinphthalat fiir diese Substanzen typischen braunen Flecke traten nicht auf. Auch die Reaktion mit basischem Bleiacetat auf Galacturonsaure verlief negativ. Mit Anilin-Glucose und mit ammoniakalischem Silbernitrat bildeten sich da~ gegen Flecke; diese war en in ihrem R F- Wert und in ihrer Farbreaktion vollig mit der zum Vergleich aufgetragenen, wie das Hydrolysat behandelten Gluconsaure identisch. Bemiihungen, die Gluconsaure auch auf andere Weise zu bestimmen, z. B. als Osazon, schlugen fehl, weil die Substanzmengen zu gering waren.

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EBE[{H,\RD SCHNEPF

c) Ftirderung der Sekretion durch ,Futterung" der Drusen von DTosophyllum mit Komponenten des Fangschleimes Bei frtiheren Untersuchungen tiber die Ausscheidung der gestielten Driisen hatte sich gezeigt, daB ihre lntensitat durch Applikation von Glucose oder Glycerinphosphat gesteigert werden kann (ScHNEPF 1961 b). Das sind Substanzen, die als Energielieferanten fiir die Sekretion dienen kiinnten. Nachdem ich die Hauptbestandteile des Fangschleimes ermittelt hatte, war es miiglich, zu prtifen, ob die Ausscheidung durch die Zufuhr dieser Stoffe iiber das Blatt ge· fiirdert wird.

Die Komponenten des Sekretes wurden in einer annahernd ,natiirlichen" Mischung gefuttert und Glucose als Atmungssubstrat beigefugt. Die Versuche habe ich in zwei Serien mit je 8 Blattern durchgefiihrt und dabei den EinfluB folgender Ltisungen gepruft: A: destilliertes Wasser ( Kontrolle) B: eine Ltisung, die 0,1 m Glucose, 0,04% Ascorbinsaure, 0,08% Galactose, 0,06% Arabinose, 0,04% Xylose und 0,01% Rhamnose enthielt C: eine Ltisung wie B, dazu 0,2% Gluconsaure. Aus jedem Blatt wurden 3 etwa gleichwertige Stucke geschnitten. Diese kamen, unteres, mittleres und oberes abwechselnd verteilt, in die drei Substrate. Von jedem Blattstuck habe ich 5 Drusen ausgemessen, so daB jedes Ergebnis der heiden Reihen das Mittel von 40 Einzelmessungen ist. Die Untersuchungen wurden im Spatherbst 1961 durchgefiihrt, zu einer Zeit, in der d:e Pflanzen infolge einer langen Schiinwetterperiode einen bis dahin nicht erreichten iippigen Stand hatten. Es ist also zu beriicksichtigen, daB sie vermutlich einen reichlichen Vorrat an Reservesubstanzen hatten.

Da die Werte der heiden Serien etwas schwanken, seien sie getrennt aufgefuhrt (Tabelle 1). Schon nach 22 Stunden Versuchszeit zeigt sich deutlich der ftirdernde EinfluB der Versuchsltisungen, allerdings nicht ganz in der Starke, wie (bei ungunstigerem Ausgangsmaterial!) eine 0,1 m-Glucoseltisung allein wirkte (ScHNEPF 1961 b, Tabelle 1 EinfluB einer Fiitterung bei Drosophyllum mit Komponenten des Fangschleimes auf die lntensitat seiner Sekretion. ,Die Werte stellen die in 1 Stunde von 1Jt 2 Driisenoberflache ausgeschiedene Substanz (p. 3 ) dar; es sind Mittel aus je 5 Driisen von 8 Blattern. Sekretionsdauer: etwa 22 Stunden, Temperatur: + 28 °C, Dunkelstellung. Zusammensetzung der Liisungen s. Te:x:t

Serie I Serie II

1. Messung 2. Messung 1. Messung 2. Messung

Aqua dest.

Liisung B

Liisung C

71,1 10,6 65,4 17,1

84,1 25,0 71,5 38,2

78,3 28,5 74,6 44,8

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Abb. 11). Die Unterschiede zwischen den Gemischen B und C konnen durch nicht ganz einheitliches Material vorgetauscht sein. Nach weiteren 22 Stunden ist ein starker Abfall bei den ungefiitterten Blattstiicken zu beobachten (vgl. ScHNEPF 1961 b, Abb. 4). Bei dieser zweiten Messung tritt die Forderung durch die Zuckerlosung noch klarer zutage. Die Sekretion nach der Fiitterung mit Gluconsaure ist deutlich starker als bei den Proben ohne diese. Die Schwankungen zwischen den be~den Serien konnten witterungsbedingt sein. Urn die lnhomogenitaten zwischen den Blattstiicken besser zu beriicksichtigen, habe ich die ,relative Forderung" berechnet: rei. Ford. =

Sekr. n. Fiitt. (2. Tg.): Sekr. n. Fiitt. (1. Tg.) x 100. Sekr. o. Fiitt. (2. Tg.): Sekr. o. Fiitt. (1. Tg.)

Die so erhaltenen W erte sind in Tabelle 2 dargestellt. Sie stimmen gut iiberein und demonstrieren, da£ unter Mangelbedingungen die Sekretionsintensitat durch eine Zufuhr von Gluconsaure erhoht werden kann. Tabelle 2 .Relative Forderung der Sekretion durch Futterung mit Komponenten des Fangschleimes (vgl. Text)

Serie I Serie II

Aqua dest.

Losung B

Losung C

(100) (100)

201 203

248 238

Eine Fiitterung mit Ascorbinsaure allein (waJ3rige Losung) hat in physiologischen Konzentrationen keinen Einflu£ auf die Ausscheidung (Tabelle 3). Die Abweichungen liegen im Fehlerbereich der Methode. Eine 10- 1 m-Losung wirkt hemmend. Tabelle 3 EinfluB einer Futterung mit Ascorbinsiiure verschiedener Konzentration auf die Sekretion des Fangschleimes von DTOsophyllum, ausgedriickt als Abweichung von den Kontrollen in destilliertem Wasser. Die Prozente wurden aus Mitteln von durchschnittlich 40 Einzelmessungen (8 Blatter, je 5 Drusen fiir Kontrolle und Versuchslosung) bestimmt. + 28 °0, dunkel, Sekretionsdauer 22 Stunden Konzentration in mol Abweichung in der Sekretionsintensitat

10-4

10-a

10-2

10-1

+3%

+2%

-4%

-53%

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III. Besprechung der Ergebnisse Galactose, Arabinose, Xylose und Rhamnose, die im Hydrolysat des Drosophyllum-Sekretes gefunden wurden, sind weit verbreitete Bestandteile von pflanzlichen Schleimen und Gummi-Arten. Als saure Komponenten enthalten solche Substanzen normalerweise nur Uronsauren, Sulfat- und Phosphatgruppen (SMITH und MoNTGOMERY 1959). BELL (1955) ist ebenfalls ein Vorkommen von Aldonsauren in hoheren Pflanzen nicht bekannt. Der Nachweis von Gluconsaure im Hydrolysat des Fangschleimes scheint also ein Sonderfall zu sein. Das ist jedoch nicht mehr so erstaunlich, wenn man bedenkt, dai3 das Sekret durch seine Bildung in besonderen Drtisenzellen, seiner Ausscheidung und seiner biologischen Funktion nach etwas ganz anderes ist als die bisher untersuchten pflanzlichen ,Schleime". Es gelang ferner ktirzlich LtiTTGE (1961), diesen Stoff im Nektar von Abutilon und Musa ebenfalls nachzuweisen. Allerdings ist bei diesem Ergebnis zu bedenken, dai3 die Gluconsaure moglicherweise erst sekundar durch Pilze oder Bakterien gebildet wurde. Mikroorganismen konnen bekanntlich Glucose (im Nektar enthalten oder aus der Saccharose gebildet) zu Gluconsaure oxydieren. Wenigstens bei Musa war das Sekret nicht steril. Aussagen dartiber, in welcher Form die Gluconsaure und die Zucker im Fangschleim von Drosophyllum verbunden sind, lassen sich nicht machen. Die hohe Viskositat und die Anisotropie von getrockneten Sekretfaden lassen auf groi3e, langgestreckte Molektile schliei3en. Der negative Ausfall der Ninhydrinreaktion bestatigt die alteren Befunde von MEYER und DEWEVRE (1894) tiber das Fehlen von Eiweii3. Demnach werden die Verdauungsfermente erst nach einer spezifischen Reizung ausgeschieden. Anders sind die Befunde von WHITACKER (1946) bei Drosera. Hierbei mui3 man jedoch berticksichtigen, dai3 Drosera nur eine Art von DrUsen besitzt (wenn man von den winzigen Papillen absieht, die vor alleman den Tentakelstielen sitzen). Nach der Meinung der meisten Autoren (vgl. LLOYD 1942) ist das Auftreten von zwei verschiedenen Drtisentypen mit der getrennten Ausscheidung zweier verschiedener Sekrete verkntipft. Die Ascorbinsaure kommt frei vor. Es ist beachtenswert, dai3 sie trotz der unmittelbaren Nahe des Luftsauerstoffes in ihrer reduzierten Form aUftritt. Nach LoEwus (1961) gibt es grundsatzlieh mehrere Wege der Ascorbinsaurebildung. Der normale soU der durch die direkte Oxydation von Gluconsaure sein. Es bleibt zu prtifen, ob solche Zusammenhange auch bei der Fangschleimbildung eine Rolle spielen. In meinen Untersuchungen sind sicherlich nicht alle Komponenten des Sekretes erfai3t. Beispielsweise ist tiber die Natur des Duftstoffes nichts bekannt geworden. Auch die Grundlage der antiseptischen Eigenschaften des Schleimes, von der GoEBBL

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(1891) berichtet, ist nicht identifiziert worden. Sicher ist nur, wie von MEYER und DEWEVRE (1894) gezeigt werden konnte, daB es sich nicht urn Ameisensiiure handelt. Es ist anzunehmen, daB die noch unbekannten Bestandteile nur in sehr geringen Konzentrationen vorliegen. Die Ergebnisse der Fiitterungsversuche kiinnen als Stiitze fiir die analytischen Befunde gelten, daB Gluconsiiure ein Bestandteil des Polysaccharids ist. Sie deuten darauf hin, daB diese Substanz direkt in den Synthesestoffwechsel einbezogen werden kann. Aufschliisse iiber den Weg, in dem der Aufbau vor sich geht, sind nicht aus ihnen zu entnehmen. Ein Vergleich dieser Experimente mit den Ergebnissen nach Fiitterung mit Glucose und Glycerinphosphat (ScHNEPF 1961 b), Stoffen, die nicht als Komponenten des Sekretes mit ausgeschieden werden, zeigt jedoch, daB vielleicht nicht so sehr die Zufuhr von Ausgangsmaterial wie die Applikation von energieliefernden Substanzen eine fiirdernde Wirkung ausiibt. Allerdings muB damit gerechnet werden, daB auch diese Stoffe zum Aufbau des Polysaccharids mit verwendet werden kiinnen. Da unbekannt ist, welche Enzyme die Komponenten mitein~_tnder verkniipfen, kann hieriiber nichts Sicheres gesagt werden. Sehr unklar ist ferner die Rolle, die dieAscorbinsiiure wiihrend der Ausscheidung und im Sekret bildet.

C. Studien iiber die Lokalisation des lnsektivoren-Fangschleimes in den Driisenzellen und iiber den W eg seiner Sekretion

In friiheren Untersuchungen habe ich gezeigt, daB der Fangschleim in den Driisenzellen vom GOLGI-Apparat gebildet wird. Die GoLGI-Vesikel kiinnen als SekretV(lsikel angesehen werden (ScHNEPF 1961 a und b). Die dafiir in diesen Arbeiten erbrachten Beweise waren jedoch alle indirekt. Studien iiber die Kontrastierbarkeit des Vesikelinhaltes sollen diese Auffassung stiitzen. I. Material und Methode Die Blatter von Drosophyl!um und Pinguicula tragen gestielte und sitzende Driisen. Der Fangschleim wird nur von den gestielten Driisen ausgeschieden. Die Anatomie dieser Organe ist bei FENNER (1904) ausfiihrlich dargestellt, weitere Angaben, auch tiber ihre Physiologie, finden sich bei LLOYD (1942) sowie ScHMUCKER und LINNEMANN (1959). Zur elektronenmikroskopischen Untersuchung der Driisen wurden groBere Blattstiicke von kraftigen Gewachshauspflanzen von Drosophyl!um lusitanicum und Pinguicula bakeriana ( = P. caudala) in einem Gemisch aus 1% Os0 4 und 1,1% K 2 Cr2 0 7 , pn auf 7,5 eingestellt (nach WoHLFARTH-BoTTERMANN 1957), fixiert (1-2 Stunden lang), wahrend der Entwasserung mit Uranylacetat kontrastiert und in Vestopal eingebettet. Einzelheiten der Methodik sind schon friiher beschrieben (ScHNEPF 1960a). Die Fixierung relativ groBer Objektteile ist unbedenklich, wenn nur die Driisenzellen untersucht werden. Das Osmiumtetroxyd dringt innerhalb weniger Sekunden in die Kopfchen ein und schwarzt sie. Die Cuticula ist hier kein Permeationshindernis.

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Versuehe mit 0,6% gepuffertem K.MnO 4 (LuFT 1956) ftihrten nur bei den sitzenden Driisen von Pinguicula zu befriedigenden Ergebnissen, bei Drosophyllum versagte es auch in mehreren anderen Konzentrationen vollig. Hier lieB sich eine bessere Strukturerhaltung nur mit einer 3 %-, ungepufferten, nicht gekiihlten Losung (MoLLENHAVER 1959) erzielen, jedoch nicht regelmaBig. Die Fixierdauer betrug eine Stunde. Zur Anfertigung der Dunnschnitte diente ein Ultramikrotom nach V OGELL. In einigen Fallen wurden die Schnitte mit Rutheniumrot nachkontrastiert. Lichtmikroskopische Vorversuche an relativ dicken Vestopalschnitten zeigten, daB sich die Zellwande hiermit farben lassen, es dringt also in das Einbettungsmittel ein. Fiir die Elektronenmikroskopie lieB ich die Dunnschnitte mit ihren Tragernetzen 5 .Minuten oder Ianger auf der gereinigten Oberflache einer frisch in heiBem, ammoniakalischem destilliertem Wasser angesetzten, 0,2%-Losung V{)n Rutheniumrot schwimmen, spiilte kurz in Wasser, saugte die Flussigkeit vorsichtig mit Filtrierpapier ab und trocknete die Blenden an der Luft. Trotz aller Vorsicht lieBen sich Verunreinigungen der Objekte nicht immer vermeiden. Zum Vergleich blieben parallele Schnittserien aus denselben Drusen unbehandelt. Die elektronenmikroskopische Untersuchung erfolgte an einem Siemens-Elmiskop II, mit einer Aperturblende von 30 p Durchmesser. Zur quantitativen Auswertung des .Materials habe ich die in den Photographien vorhandenen Anschnitte von .Mitochondrien, Leukoplasten, Dictyosomen, GoLGI-Vesikel mit elektronenoptisch erkennbarem Inhalt und GoLm-Zisternen gezahlt und auf 100 p 2 ,Plasmaflache" bezogen. Hierunter ist die abgebildete Zellflache zu verstehen, abzuglich der Bezirke, die Zellwande, Vakuolen und Zellkerne einnehmen (ScHNEPF 1961a). Ihre GroBe habe ich geschatzt und aile Regionen der Drusenzellen moglichst gleichmaBig berucksichtigt. Serienschnitte wurden nicht verwendet. Diese .Methode birgt einige Fehlerquellen; die erhaltenen Ergebnisse sind keine Absolutwerte. Es ist zu berucksichtigen, daB die Schnitte nur etwa 20-80 nm dick sind (geschlossen a us ihren lnterferenzfarben, ygl. BACHMANN und SrTTE 1957, PEACHEY 1958). Sie sind also wesentlich dunner als die meisten Zellkomponenten. Daher kann ein langeres, gebogenes .Mitochondrium oder eine ungleichmaBig geformte Plastide mehrmals in einer Aufnahme abgebildet sein. Bei Dictyosonien, die nicht median geschnitten sind, kann ein Teil der .Membranen nicht mit abgebildet worden sein. Er wird damit bei der Zahlung nicht erfaBt. Ferner werden GroBenunterschiede nicht oder nur indirekt dargestellt. Das Verfahren erwies sich jedoch als brauchbar fur die Wiedergabe einiger Veranderungen in der Feinstruktur.

II. Ergebnisse Durch eine Reihe von vergleichenden Untersuchungen (ScHNEPF 1961a und b) lieB sich zeigen, daB der Fangschleim vom GoLGI-Apparat gebildet wird und zuerst in den GoLGI- Vesikeln sichtbar wird. Diese Blaschen besitzen einen im Elektronenmikroskop erkennbaren lnhalt, allerdings nur in den Zellen, die direkt an der Schleimausscheidung beteiligt sind, namlich in der auBeren Drusenschicht der Tenbkeln. Er fehlt in den anderen Zellen der gestielten sowie in den sitzenden Driisen. Hier sind die Blaschen zudem kleiner, ferner kommen hier wesentlich weniger Dictyosomen vor. Diese GoLGI-Vesikel treten nur dann auf, wenn die Tentakeln wirklich sezernieren, sie fehlen in sehr jungen, noch nicht schleimbildenden und in alten, nicht mehr arbeitenden Drusen. Wenn die Intensitat der Sekretion durch Erhohen oder Erniedrigen der Versuchstemperatur verandert wird, zeigt sich eine gleichsinnige Zu- bzw. Abnahme auch in der Anzahl der GoLGrVesikel. Bei niedrigen Temperaturen sind beide gering, sie haben bei etwa + 32 °0 ihr Maximum und werden bei hiiheren Warmegraden wieder vermindert.

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Bei langer dauernden Versuchen nimmt bei einer Versuchstemperatur von + 28 °0 die .Sekretion nach etwa 20 Stunden stark a b. Im gleichen AusmaB geht die Zahl der GoLGI- Vesikel mit elektronenoptisch erkennbarem Inhalt zuriick. Wassermangel bringt die Schleimausscheidung so fort zum Erliegen. Auch hier spiegelt si!lh die Aktivitatsanderung, meist allerdings etwas verzogert, in den GOLm-Strukturen wider. Man kann daher die von den Dictyosomen gebildeten Blaschen als Sekretvesikel ansehen. Bei Pinguicula treten entsprechende Strukturen ebenfalls nur in den gestielten, de-q Schleim sezernierenden Driisen auf. Die Zusammenhange zwischen der Ausscheidung und dem Auftreten der GoLGI-Vesikel mit elektronenmikroskopisch erkennbarem Inhalt sind nicht nur qualitativer, sondern auch quantitativer Art, so daB es moglich war, Berechnungen iiber die Dynamik der GoLGI-Elemente durchzufiihren.

a) Reaktionen der GoLGI-Vesikel mit Osmiumtetroxyd Die in den auJ3eren Drtisenzellen der Drosophyllum-Tentakeln von den Dictyosomen gebildeten Blaschen besitzen eine Umhtillung, die etwa so dick wie die Membran einer Zisterne ist. Sie hat nach der Fixierung mit dem Gemisch von W OHLFAHRTBoTTERlVIANN meist einen charakteristischen, unregelmaBig welligen Verlauf (wahrscheinlich ein Schrumpfungseffekt). Dadurch lassen sich die Sekretvesikel fast immer gut von anderen vesikularen Elementen des Cytoplasmas unterscheiden. Hinzu kommt, daB sie einen elektronenmikroskopisch erkennbaren Inhalt haben (Abb. 1). Bei Drosophyllum ist dieser Inhalt meist mehr oder weniger stark osmiophil; in den Aufnahmen besteht er aus sehr feinen, dunklen Flocken. Haufig kann man daneben noch eine weitere Substanz feststellen, die einen schwacheren Kontrast als das Einbettungsmittel gibt. In einigen Fallen kommt diese offenbar in recht hohen Konzentrationen vor, und der osmiophile Stoff tritt stark zurtick. Meist aber tiberwiegt der letzte und tiberdeckt wahrscheinlich haufig die Substanz mit negativem Kontrast: Drosera besitzt in den au13eren Drtisenzellen der Tentakeln ebenfalls GoLGIVesikel mit grau erscheinendem Inhalt (ScHNEPF 1961a). Bei Pinguicula sind die Verhaltnisse ahnlich. In den gestielten Drusen werden von den Dictyosomen genau solche Vesikel mit einer unregelmaBigen Htillmembran gebildet. Ihr Inhalt hat im Gegensatz zu dem der Droseraceen fast immer einen etwas geringeren Kontrast als das Einbettungsmittel (SCHNEPF 1961 a). Tri:ipfchen ahnlicher GroBe und Farbung, jedoch ohne "Membran und noch kontrastarmer, findet man regelma13ig in der Nahe der antiklinen Wande der Driisenzellen. Am distalen Teil dieser Wan de ist stets das Plasmalemma abgeli:ist: der entstandene extraplasmatische Raum ist von einer grau und fein flockig erscheinenden Substanz erftillt, in die die erwiihnten hellen Tri:ipfchen eingebettet sind (Abb. 6). Die Menge der Gowr-Bliischen und der Tri:ipfchen entsprechen einander. Bei vielen Vesikeln in der Zelle beobachtet man auch viele Tri:ipfchen an der Zellwand und umgekehrt. In Driisen von Pflanzen, dir 60 Stunden in einem dunklen Thermostat

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bei + 32 °C standen, und bei denen aller Voraussicht nach die Sekretion zum Stillstand gekommen ist (vgl. die entsprechenden Befunde bei Drosophyllum) fehlen sowahl die Gowr-Vesikel mit hellem Inhalt als auch die hell en Triipfchen zwischen Antiklinen und Plasmalemma fast viillig. Das spricht dafiir, daB die Triipfchen aus den Vesikeln entstehen und etwas mit der Sekretion des Fangschleimes zu tun haben. Die meisten der untersuchten Drosophyllum- Drusen geben keine Hinweise darauf, daB der unterschiedliche Kontrast des Vesikelinhaltes mit der Sekretionsintensitat in Zusammenhang steht. In einigen Fallen ist jedoch eine Beziehung zum Alter der Blaschen zu bemerken. Ein Beispiel dafiir ist in Abb. 1 dargestellt. Es sei aber erwahnt, daB einige der hier zu beobachtenden Besonderheiten in anderen Drusen nur sehr selten aufgefunden werden konnten. Die Sekretvesikel, die noch in erkennbarer Vertindung mit den GoLGI-Zisternen stehen (1), erscheinen relativ leer und klein. Es handelt sich zweifellos um die jiingsten Stadien. Sie wachsen (2) und liisen sich von den Dictyosomen ab. Ihr Inhalt ist wie bei (1) nicht stark hervorgehoben. Er wird in den griiBeren Vesikeln deutlicher und besteht aus einer dunklen und einer hellen Komponente, die sich innig durchsetzen (3). Es sieht so aus, als ob dann die dunkle Substanz abnimmt, der Vesikelinhalt wird erst fleckig (4) und darauf hell (5), die Vesikel dabei kleiner, runder und ihre Hiille regelmaBiger. Solche Blaschen (6) liegen haufig in der Nahe der antiklinalen Zellwande, seltener an der AuBenwand und den periklinen Wanden. Zwischen der Antikline und der Plasmagrenzschicht liegen helle Triipfchen, die in ihrem Kontrast und ihrer GroBe ganz den Sekretvesikeln (6) vor dem Plasmalemma entsprechen (7). Es kann nur geringer Zweifel dariiber bestehen, daB es sich um den Inhalt der Gowr-Blaschen handelt, der schon aus dem Plasma, aber noch nicht aus der Druse ausgeschieden wurde. Er liegt stellenweise in griiBeren Klumpen vor (8). Normalerweise findet man solche starken Sekretansammlungen an den Zellwanden nicht. Ungewiihnlich ist auch der geringe Kontrast. Man wird nicht fehlgehen, wenn man annimmt, daB die mit den Ziffern 1 bis 7 bezeichneten Elemente aufeinander folgende Stadien der Sekretbildung sind (vgl. hierzu ScHNEPF 1960 a, die dort diskutierte Miiglichkeit, der Schleim kiinnte in den Vakuolen gespeichert werden, trifft nicht zu). b) Darstellung des Cytoplasmas, insbesondere der (lor.m-Vcsiknl, mit Kaliumpermanganat Mit Kaliumpermanganat fixierte Zellen bieten einen ganz anderen Aspekt als solche, die mit Osmium-Bichromat prapariert wurden. Mit KMn0 4 werden vor allem cytoplasmatische Membranen gut dargestellt und ,Doppelmembranen" dabei starker getrennt als bei anderen Fixierungsmitteln. Die iibrigen Plasmaelemente bilden meist einen reeht homogcncn, mehr oder wenigrr stark gcschwarzten Untergrund.

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Die Membransysteme treten daher in der Regel viel deutlicher hervor als nach einer Osmiumfixierung. Ihre Heraushebung fiihrt aber auch nur dann zu voll befriedigenden Abbildungen, wenn die Kontrastunterschiede zwischen ihnen und der , Grundsubstanz" gro13 genug sind. Das ist leider bei den Driisenzellen von Drosophyllum, besonders bei den au13eren, haufig nicht der Fall. Dann kann man die Plasmastrukturen nur schlecht erkennen. Unter giinstigeren Verhaltnissen sind rundliche Blaschen mit hellem Inhalt als eine sehr auffallige Komponente in den au13eren Driisenzellen zu beobachten (Abb. 3). Es kann kein Zweifel dariiber bestehen, da13 es sich urn die Gowr-Vesikel mit dem Sekret als Inhalt handelt. Sie fehlen in den inneren Driisenzellen (Abb. 2). In vielen Fallen kann man ihre Entstehung aus den Dictyosomen noch erkennen. Ihre Hiillmembran ist wesentlich glatter als nach der Darstellung mit Osmium-Bichromat. Dieser Unterschied ist auch bei den anderen Membranen festzustellen. Offenbar wirkt das Gemisch nach WoHLFARTH-BoTTERMANN leicht schrumpfend, wahrend KMn0 4 eher quellend fixiert (vgl. die Messungen von DRA WERT und Mrx (1961 d), an Chondriosomen von Micrasterias, sowie BRADBURY und MEEK (1960). WRISCHER (1961) fand, da13 nach Fixierungen mit Kaliumpermanganat die Membranen der Dictyosomen bei verschiedenen Objekten starker gekriimmt sind als nach Osmiumtetroxyd. Diese Effekte treten bei den Drosophyllum- Driisen nicht auf. Bei beiden Methoden sind gebogene und gerade Zisternen etwa in gleicher Anzahl zu finden (vgl. DRAWERT und Mrx 1961c). Starker gekriimmte Membranen treten vor all em bei bestimmten Versuchsbedingungen auf (vgl. ScHNEPF 1961 b). In den au13eren und inneren Driisenzellen lassen sich mit Kaliumpermanganat zahlreiche Zisternen des endoplasmatischen Recticulum nachweisen (Abb. 2 und 3). Nach Osmium-Bichromat-Fixierung findet man in Driisen bei vergleichbaren physiologischen Verhaltnissen statt des sen fast ausschlieBlich vesikulare Elemente (ScHNEPF 1960a). Mitunter scheinen die Vakuolen zipfelig in eine Zisterne des endoplasmatischen Reticulum auszulaufen (Abb. 2, vgl. BuvAT 1961). Es kann hier nicht sicher entschieden werden, ob es sich urn Verbindungen zwischen den Vakuolen und dem Endomembransystem oder urn Artefakte (Schrumpfungen) handelt (vgl. hierzu auch MANTON 1962, BuVAT und MousSEAU 1960, Poux 1961). c) Selektive Kontrastierung des Vesikelinhaltes mit Rutheniumrot Zum lichtmikroskopischen Nachweis von Pektin, Schleim und verwandten Stoffen in pflanzlichen Geweben wird seit MANGIN (1893) gern Rutheniumrot verwendet. Obwohl es nicht ganzr,spezifisch ist (ToBLER 1906), gilt es doch als guter Indikator Hir diese Substanzen. Auch die Sekrete von Drosera (MrRIMANOFF 1939), Drosophyllum und Pinguicula farben sich damit. Da Ruthenium ein relativ hohes Atomgewicht hat, liegt es nahe, diese Reaktionsbereitschaft auch elektronenmikroskopisch zu verwerten. BARR (1954) kam wegen Einbettungsschwierigkeiten zu keinen Resultaten. SHATKIN und TATUM (1959) benutzten es zur Kontrastierung

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der Zellwiinde von Neurospora, FALK und SITTE (1960) bei Untersuchungen am CASPARYschen Streifen. REIMANN (1961) konnte damit bestimmteTeile der Membran einer Diatomee elektronenoptisch ,farben". Aile diese Autoren wendeten es vor dem Einbetten an. Demgegeniiber bietet die Kontrastierung von Schnitten den Vorteil, daB die unbehandelten Parallelschnitte einen besseren VergleichsmaBstab darstellen.

Fiir die Behandlung mit Rutheniumrot wahlte ich Drosophyllttm- Drusen aus, bei den en der Inhalt der GOLGI-Vesikel durch die Fixierung mit Osmium-Bichromat nur relativ wenig geschwarzt war. Durch die nachtragliche Kontrastierung wird er klar erkennbar dunkler als in den unbehandelten Kontrollpraparaten derselben Drusen (vgl. Abb. 4 und 5). Rutheniumrot reagiert also nicht nur mit dem ausgeschiedenen Fangschleim, sondern auch mit dem Inhalt der von den Dictyosomen gebildeten Blaschen. Die Zellwande reagieren ebenfalls positiv, wie nach den lichtmikroskopischen Befunden zu erwarten ist, jedoch nur sehr schwach und nicht immer erkennbar. Die Mittellamelle wird nicht besonders hervorgehoben. Die von den Wanden gebildeten sublichtmikroskopischen Protuberanzen schwarzen sich intensiver als die iibrigen Teile. Vielleicht handelt es sich hierbei auch teilweise urn Sekretionstropfchen zwischen Plasmalemma und Zellwand. Andere Zellkomponenten werden durch Rutheniumrot nicht kontrastiert. Ahnliche Versuche nach einer Fixierung mit Kaliumpermanganat miBlangen. Bei Pinguicula ist der Inhalt der Gowr-Vesikel nach Osmium-Bichromat-Fixierungen meist heller als das Einbettungsmittel. Bei Schnitten, die mit Rutheniumrot gefarbt wurden, sind in den Blaschen dunkle Flocken zu beobachten, die in den unbehandelten Praparaten fehlen. Daneben werden meist auch die Zellwande kontrastiert, wie bei Drosophyllum jedoch nur schwach. Die Rutheniumrot-positiven Substanzen scheinen sich vor aHem unmittelbar unter der Cuticula zu befinden (hier sind die AuBenwande meist besonders pektinreich, ANDERSON 1928, 0RGELL 1955, ScoTT, HAMNER, BAKER und BowLER 1958), sowie an der Innenseite der Wande und in den Mittellamellen. Diese scheinen sich beim Dbergang in die AuBenwand keilformig zu verbreitern. Die nach Osmium-Bichromat-Fixierungen hell erscheinenden Tropfchen in dem extraplasmatischen Raum zwischen dem Plasmalemma und dem oberen Teil der Antiklinen werden besonders stark geschwarzt (Abb. 6 und 7). Sie lagern den Farbstoff wesentlich mehr ein als die eigentlichen Sekretvesikel. d) Die ,Endodermiszellen" von Drosophyllum Die ,Endodermiszellen" spielen bei der Sekretion cine besondere Rolle, da sie den Stofftransport zwischen Blatt (Tentakelstiel) und Driisenzellen vermitteln. Durch ihr Plasma stromt das Wasser und bewegen sich die Zucker, der Membranweg ist versperrt. Ahnlich wie in ,echten" Endodermiszellen der Wurzel (FAI.K und SrTTE

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1960) finden sich jedoch auch bei Drosophyllum im Cytoplasma keine strukturellen Hinweise auf ihre besondere Funktion. Sie enthalten, verglichen mit den Drtisenzellen, nur sehr wenig Plasma. Den weitaus gri.iBten Teil des Lumens nimmt eine zentrale Vakuole ein. Sie ist reich an Substanzen, die mit Osmiumtetroxyd und Permanganat reagieren, wahrscheinlich hauptsachlich Gerbstoffe. Lichtmikroskopische Beobachtungen wahrend der Fixierung lassen darauf schlieBen, daB die Form des Zellsaftraumes und die Verteilung der darin geli.isten Stoffe wahrend der Praparation verandert wird. Im plasmatischen Wandbelag liegen auBer dem Kern wenige Mitochondrien (mit relativ sparlichen Innenstrukturen) und Plastiden (Abb. 8, 9). Ribosomen fehlen praktisch vi.illig. Das Hyaloplasma ist deutlich lockerer als in den Drlisenzellen. Man sollte ein gut ausgebildetes endoplasmatisches Reticulum erwarten, da diesem von vielen Autoren neben anderen Funktionen auch die einer ,Transport-Organelle" zugeschrieben wird (vgl. SITTE 1961). Aber auch nach Permanganat-Fixierungen sind Zisternen nicht allzu haufig (Abb. 9). Aufschltisse dartiber, ~n welchen Bahnen sich Wasser und Zucker bewegen, wurden auch durch Untersuchungen bei verschiedenen Funktionszustanden nicht erhalten. Bei den ,Endodermiszellen" sind die AuBen- und der obere Teil der radialen Wande vollstandig mit einer osmiophilen Substanz impragniert (Abb. 8); es ki.innte sich urn Cutin oder Suberin handeln (vgl. ZIEGENSPECK 1921). Lignin ist nicht nachweisbar. Diese Stellen entsprechen dem Casparyschen Streifen der ,echten" Endodermis. Es ki.innte sein, daB die physiologische Aufgabe dieser Wandstruktur darin besteht, den AbfluB des Fangschleimes nach auBen zu erzwingen. e) Die Cuticula der Driisenzellen Die Cuticula der Droseraceen- Driisenzellen soli nach Angaben von HABERLAND1' (1901), FENNER (1904) sowie KRUCK und ZIEGENSPECK (1932) feine Poren besitzen. Andere Autoren (MEYER und DEWEVRE 1894, LLOYD 1942) verneinen ihre Existenz. In einer der friiheren Arbeiten habe ich bei Drosophyllum Durchbrechungen der Cuticula abgebildet und beschrieben (ScHNEPF 1960a). Ich hielt sie damals fiir Praparationsartefakte, zumal der Verlauf der Schichtungslinien in der Cuticula durch diese Kanale nicht geandert wird. Nachdem ich jetzt aber bedeutend mehr Material untersucht habe, glaube ich feststellen zu ki.innen, daB diese Ansicht falsch war. Hierfiir sprechen besonders Beobachtungen an Pflanzen, die mit Albumin gefiittert wurden. Bei vorsichtiger Handhabung bleibt auf den Ki.ipfchen haufig etwas von der aufgebrachten Substanz hangen. Im elektronenmikroskopischen Bild sieht man dann, daB sie sich mitunter bis in die Poren hineinzieht (Einzelheiten in einer folgenden Arbeit). Solche Durchbrechungen ki.innen in Cuticeln von gestielten und sitzenden Driisen auftreten, selbst wenn diese noch sehr jung sind. Sie kommen sehr unregelmaBig

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vor; meist beobachtet man sie nur sehr selten, mitunter sind sie gehauft. fiber den Antiklinen fehlen sie fast viillig. Bei den DrUsen von Pinguicula sind im Gegensatz zu den Angaben von KRucK und ZrEGENSPECK (1932) keine Poren in der Cuticula zu beobachten (s. auch VoGEL 1960). Es gelang wegen der Praparationsschwierigkeiten (starke Verzahnung mit der Zellulosewand) bisher nicht, die Kanalchen eindeutig in durchstrahlten Cuticeln von Drosophyllum nachzuweisen. Die Durchbrechungen sind miiglicherweise bevorzugte Austrittsorte fiir den Schleim; ob er auch die intakte Cuticula durchdringen kann (wie bei Pinguicula), ist unbekannt. Auffallig ist nur, daB er fast ausschlie13lich tiber den Antiklinen hervorquillt (ScHNEPF 1961a), also an Stellen, wo Poren selten sind. III. Besprech ung der Ergebnisse Die Kontrastierbarkeit des Inhaltes der Gowr-Vesikel in den gestielten Drusen von Drosophyllum und Pinguicula mit Rutheniumrot, einer Substanz, mit der sich auch die ausgeschiedenen Sekrete (lichtmikroskopisch) anfarben lassen, spricht wie die anderen indirekten Befunde dafiir, daB er mit dem Fangschleim identisch ist oder wenigstens eine unmittelbare Vorstufe von ihm darstellt. Es scheint also gelungen zu sein, den Schleim auch durch eine relativ spezifische elektronenmikroskopische Kontrastierung in den Gowr-Vesikeln direkt nachzuweisen. Auch die Schwarzung des Blascheninhaltes durch die Fixierung mit dem Gemisch von WoHLFARTH-BoTTERMANN deutet darauf hin, daB er mit dem Sekret identisch ist. Bei Drosophyllum reduziert dieses Osmium. Dementsprechend ist auch die Reaktion in den Driisenzellen. Eine gleiche Ubereinstimmung ist bei Pinguicula zu finden. Hier schwarzt sich der Schleim nicht (VoGEL 1960, erganzt durch einen Brief vom 2. Dezember 1960), und auch der Vesikelinhalt bleibt hell . . Bei der mit Os0 4 reagierenden Komponente handelt es sich wahrscheinlich urn die im Schleim auftretende Ascorbinsaure. Diese konnte bei Pinguicula nicht nachgewiesen werden. Die Substanz mit negativem Kontrast diirft(l das Polysaccharid sein. Polysaccharide erscheinen in Diinnschnitten, vor allem bei der Verwendung von Vestopal als Einbettungsmittel, haufig sehr hell (vgl. z. B. HEITZ 1957, BLONDEL und TURIAN 1960, ZALOKAR 1961). Die Kontrastveranderungen bei der ,Reifung" der Vesikel deuten darauf hin, daB das Sekret in den von den Dictyosomen abgeliisten Blaschen noch verandert wird. Das Fehlen von erkennbarem Vesikelinhalt nach Fixierungen mit KMn0 4 scheint der Auffassung zu widersprechen, daB es sich urn Sekretblaschen handelt, wenn man bedenkt, daB der Schleim von Drosophyllum mit Permanganat reagiert ( vgl. hierzu VoGEL 1960). Es ist aber durchaus miiglich, daB gerade nach Fixierungen

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mit diesem Reagenz wesentliche Substanzverluste (bei der Entwasserung ?) eintreten (s. auch MoLLENHAUER 1959 sowie DRAWERT und Mrx 1961 b). Die stark mazerierende Wirkung des Kaliumpermanganates latH vermuten, daB die dem Schleim wahrscheinlich verwandten Pektine zerstort werden (SITTE 1960). :Mit eincr ahnlichen Wirkung auf das Sckret sowie mit Auswaschungen (BRADBURY und MEEK 1960) ist zu rechnen. Das kiinnte cine Erklarung fiir den negativen Ausfall der Rutheniumrot- Kontrastierung nach Kaliumpermanganat sein. Die Annahme, daB bei Pinguicula die Vakuolen als Speicher fiir den Schleim dienen (VoGEL 1960), findet in meinen Beobachtungen keine Stiitze. Die starke Kontrastierbarkeit ihres Inhaltes beruht wohl vor allem auf einem Gehalt an Gerbstoffen. Die Ergebnisse meiner Untersuchungen sprechen dafiir, daB das Sekret - regelmaBig und viel bei Pinguicula, weniger bei Drosophyllum - bei seiner Ausscheidung zwischen dem Plasmalemma und der Zellwand abgelagert wird. Darauf deutet auch das gleichzeitige Fehlen der GoLGI-Vesikel mit erkennbarem lnhalt und der hellen, Rutheniumrot-positiven Triipfchcn im extraplasmatischen Raum an den Antiklinen unter Bedingungen, die fiir die Sekretion ungiinstig sind. Die bei Pinguicula nach der Farbung mit Rutheniumrot auftretenden Kontrastunterschiede zwischen dem Inhalt der Gowr-Vesikel und den extraplasmatischen Tropfchen lassen wie bei Drosophyllum erkennen, daB das Sekret in den Blaschen, vielleicht auch noch an der Zellwand verandert, moglicherweise kondensiert wird. Vergleichbare cytologische Befunde machten MoLLENHAUER, WHALEY und LEECH (1961) in Zellen der Wurzelhaube. Hier bilden die Dictyosomen ahnliche Vesikel aus, die einen elektronenmikroskopisch erkennbaren dunklen lnhalt haben, allerdings nach Fixierungen mit Permanganat, ein Gegensatz zu Drosophyllum. Dieser wird ebenfalls zwischen Plasmagrenzschicht und Zellwand abgelagert. Auch hier soli die Aktivitat des Gowr-Apparates experimentell beeinfluBbar sein. DnA WERT und Mrx stellten bei Micrasterias rotata ebenfalls Zusammenhange zwischen dem Gowr-Apparat und der Schleimbildung (1961 a), sowie zwischen dem Gowr-Apparat und der Bildung von Zellwandmaterial (1962a) fest. SIEVERs(1962) beobachtete ahnliche Verhiiltnisse in Wurzelhaaren. Bei allen diesen Wanden handelt es sich auffallenderweise um solche, die relativ verganglich sind. Zur Zelluloseablagerung und zur Entstehung der Zellplatte (PoRTER und MACHADO 1960) scheinen keine Beziehungen zu bestehen. Das alles deutet darauf hin, daB die Ausscheidung gewisser (saurer ?) .Polysaccharide eine wichtige, weit verhreitete Funktion des Gowr-Apparates ist (vgl. DnAWERT und Mrx 1962a und b). Es ist allerdings nicht wahrscheinlich, daB sich die Bedeutung dieser Zellkomponente hierin erschopft. Als weitere Bahn des Sekretes kommt dann nur noch der Membranweg (STRUGGER 1939) in Frage, besonders weil sich das Sekret an den Antiklinen sammelt und hevorzngt iiher diesen Wanden austritt (ScHNEPF 1961 a). BANCHER, HoLZL und 2

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KLIMA (1960) beobachteten ein Hervorquellen von Tropfchen in ahnlicher Form und unter ahnlichen Bedingungen (unter Paraffinol) bei Zwiebelschuppen-Epidermen von Alliurn cepa. FRANKE (1961a und b) nahm diese Versuche auf und bemuhte sich, Beziehungen zwischen Stoffaustritt und Ektodesmen zu finden. Er sieht in der Ubereinstimmung der verschiedenen Lokalisationsmuster der Tropfchen mit denen der Ektodesmen den Beweis, daB diese an der Flussigkeitsausscheidung beteiligt sind. Nach meinenErfahrungen an den Insektivoren-Drusen konnen dortEktodesmen an der Sekretion des Fangschleimes nicht beteiligt sein. Die Ausscheidung ist bei Drosera ja vermutlich auch anderer Natur und viel intensiver als bei der Zwiebel (vgl. LLOYD 1942, Tafel15, Abb. 14, wo nicht einmal ein extremer Fall dargestellt ist ). Versuche von LAMBERTZ (1954), Ektodesmen in den Drusenzellen von Drosera nachzuweisen, miBlangen. Es ist unbekannt, welche Krafte die Sekretvesikel in der Zelle an die Wande transportieren. Eine Plasmastromung kann man normalerweise nicht beobachten, sie konnte dennoch, nur schwach ausgebildet, vorkommen. Auch die Beteiligung der BROWNSchen Bewegung ist zu erwagen. Uber die Krafte, die das Sekret in den Zellwanden, besonders den Antiklinen, wandern lassen, kann man nur spekulieren. Man konnte an ein ,Herausspiilen" durch eine aktive Wasserausscheidung denken oder an ein Herauspressen durch die Zufuhr von immer neuem Schleim im Zusammenwirken mit dem Druck des Protoplasten auf die Tropfen zwischen Plasmalemma und Zellwand. Auch die Bedeutung der Oberflachenspannung beim Platzen der Schleimvesikel, die sicher mit zur Wiederherstellung der alten Plasmaoberflache fuhrt, dar£ nicht unberiicksichtigt bleiben. Die Schleimausscheidung scheint sich danach umgekehrt wie eine Pinocytose abzuspielen. Sie weist manche Ahnlichkeiten mit der Sekretion durch kontraktile Vakuolen auf (vgl. hierzu LLOYD 1929). Sie ist dem Typ nach einMembranfluB-Mechanismus (BENNET 1956). Im Fangschleim fehlen ninhydrinpositive Substanzen und die fiir die Ernahrung wichtigen Ionen. Er ist also sehr rein, reiner als beispielsweise der Nektar vieler Pflanzen (vgl. u. a. LuTTGE 1961). Das bedeutet, daB entweder der Inhalt der GoLGI-Vesikel arm an solchen ,Verunreinigungen" ist oder daB diese nach ihrer Extrusion in die Zellwiinde ruckresorbiert werden (vgl. die Hypothese von LuTTGE, 1961, fur die Nektarsekretion). Eine Riickresorption erscheint leicht moglich, da es sich urn Stoffc handelt, die auch bei den V erdauungsprozessen aufgenommen werden. D. Zusammenfassung 1. Der Fangschleim von Drosophyllum enthiiJt ein Polysaccharid aus Galactose, Arabinose, Xylose, Rhamnose und Gluconsiiure, ferner Ascorbinsiiure, jedoch keine ninhydrinpositiven Substanzen. Wenn die Bestandteile des Polysaccharids appliziert werden, steigt die Sekretion an. Ascorbinsiiure hat dagegen keinen EinfluB.

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2. Wie die Kontrastierung mit Osmium und Permanganat und besonders die selektive ,Anfarbung" mit Rutheniumrot zeigt, wird der Fangschleim von Drosophyllum und Ping1!icula vom GoLGI-Apparat gebildet und durch Gowi- Vesikel ausgeschieden. Er wandert auf dem Membranweg nach auBen. Ich danke dem Botanischen Garten der Universitat Marburg fUr die Bereitstellung der Yersuchspflanzen, Herrn Doz. Dr. H. SANDER und Herrn Dr. W. VoGELL fiir wertvolle Ratschlage. :lfein Dank gilt auch der Deutschen Forschungsgemeinschaft, die die Untersuchungen mit Sachbeihilfen unterstiitzte.

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Zur Cytologic unrl Physiologie pflanzlicher Driisen

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Tafelerkliirung Tafel I Abb. 1. !Jrosophyllwm, gestielte Druse, auBere Driisenzelle mit Mitochondrien (l\1), Plastiden (P), Yakuolen (V), antiklinaler Zellwand (W), Dictyosomen (D); die GoLGI-Zisternen bilden GowrVesikel (l) aus; abgeliiste GoLGI-Vesikelmit elektronenoptisch erkennbarem Inhalt verschiedenen Kontrastes frei im Plasma (2-G); zwischen Plasmalemma (-->) und Zellwand Triipfchen (7) mit ahnlichem Kontrast wie (6); an einer Stelle eine abnorme Verklumpung solcher Triipfchen (8) (vgl. Text). Osmium-Bichromat-Fixierung, elt. opt. 7500 X, EndvergriiJ.lerung 20000 x Tafel II Abb. 2. Drosophyllum, gestielte Druse, innere Driisenzelle mit Plastiden (P), Mitochondrien (M), Dictyosomen (D), die keine GoLGI-Vesikel ausbilden, Zisternen (E) des endoplasmatischen Reti culum nnd Vakuolen (V) mit kontrastiertem, flockigem Inhalt (hei - zipfelig ausgezogen1. Permanganat-Fixif'rung, elt. opt. 7500/, EnrlYPrgriillPrung 22000;-

EBERHARD ScHNEPF, Zur Cytologic und Physiologic pflanzlicher Driisen Abb. 3. DrosorJhyllurn, gestielte Driise, auBere Driisenzelle mit Mitochondrien (M), Zisternen (E) des endoplasmatischen Reticulum, Dictyosomen (D), die teilweise Gowr- Vesikel mit sehr schwach kontra~tiertem Inhalt ausbilden (Pfeile), freie GoLGI-Vesikel (G), Vakuole (V), Zellwand (W). Permanganat-Fixierung, elt. opt. 7500 x, EndvergroBerung 22000 x Tafel III Abb. 4 und 5. Drosophyllurn, gestielte Driise, auBere Driisemelle; Schnitte durch dieselbe Driisc, ohne (Abb. 4) und mit (Abb. 5) nachtraglicher Behandlung mit Rutheniumrot. lnhalt der GowrVesikel in Abb. 5 kontrastrPicher. Osmium-Bichromat-Fixierung, elt. opt. 7500x, EndvergriiBerung 22 000 x Tafel IV Abb. 6 und 7. Pinguicula, gegtielte Driise, Driisenzellen. Schnitte durch dieselbe Driise, ohne (Abb. 6) und mit (Abb. 7) nachtraglicher Behandlung mit Rutheniumrot. In Abb. 6 erscheinen die Gowr-Vesikel ( -+) im Cytoplasma und die Tropfchen zwischen den Antiklinen und dem Plasmalemma hell, in Abb. 7 dunkel. Auch Teile der Zellwande, besonders unter der Cuticula und an der Innenseite der AuBenwand, sind mit Rutheniumrot kontrastiert. V = Vakuolen mit stark osmiophilem lnhalt. Osmium-Bichromat-Fixierung, elt. opt.. 7500x, EndvergroBerung 14000 x Tafel V Abb. 8. Drosophyllurn, gestielte Driise, ,Endodermis", cutimsierter (oder verkorkter) Teil einer Radial wand (CW), normale Zellulosewand (ZW). Oben: Teil einer inneren Driisenzelle. lm Lumen der ,,Endodermiszellen" Vakuolen (V) mit osmiophilen Niederschlagen am Tonoplast, Plastiden (P), Mitochondrien (M) und zahlreiche Vesikel. Osmium-Bichmmat-Fixierung, elt. opt. 7500x, EndvergroBerung 20000x Abb. 9. Ein dem unteren Teil der Abb. 8 entsprechender Ausschnitt nach KaliumpermanganatFixierung. E = Zisternen des endoplasmatischen Reticulum, die anderen Be1eichnun?:en wie bei Abb. 8. Elt. opt. 7500 X. Endvergrii13erung 20000 :x

Taf. I

Flora, Brl. 15:3

Schnepf VEB GUSTAV FISCHER VERLAG lENA

Flora, Bd.

l'af. II

f.).)

Schnepf VEB GUSTAV FISCHER VERLAG JENA

/ilow, lJd. 153

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Flora, Bd. 153

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Taf. V

Flora, Bd. J.j;J

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