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The formation of the mesoderm in urodelean amphibians

I. Induction by the endoderm
  • P. D. Nieuwkoop
Article

Summary

The blastula [stage 8+ to 8/9 (Harrison)] ofAmbystoma mexicanum was subdivided into four successive animal-vegetative zones and the relative amounts of cellular material present in the successive zones were determined. The developmental capacities of the isolates I, II, III, IV, and I.II and III.IV as well as of the various recombinates of three of the four and of all four zones were studied, and their quantitative composition at the end of the culture period was determined. To this end the embryos were allowed to develop for only 5 to 6 days, during which period the primary organization and initial differentiation was accomplished, but without the appearance of marked changes in the volumes of the different components, which would have occurred upon extensive decomposition of intracellular yolk and subsequent cytoplasmic growth during a longer period of development.

Comparing the differentiation of the recombinates with that of the corresponding isolates — in particular the recombinate I.II.IV with the isolates I, II and IV — it was concluded that the mesoderm arises as a result of an interaction between the pigmented, ectodermal and the unpigmented, endodermal ”halves“ of the egg, which initially [before stage 7 (Harrison)] constitute the only two components of the egg. A comparison of the quantitative composition of the recombinates with that of the corresponding isolates yielded strong arguments in favour of the statement thatthe mesoderm develops exclusively from the ectodermal “half” of the egg under the influence of an inductive action from the part of the endodermal “half”. This statement was further corroborated by arguments collected from the literature.

Whereas neither the endoderm nor the ectoderm alone are initially able to differentiate beyond a certain point — so-called atypical ectodermal and endodermal differentiation respectively — their interaction product, the mesoderm, apparently contains the information needed for differentiation into the characteristic mesodermal structures. Influences emanating from the differentiating mesoderm then enable both the ectoderm and the endoderm to proceed further on their path of differentiation.

The role of the blastocoelic cavity — a cavity with a negative morphogenetic function — in thespatial interaction between the two primary components of the egg was elucidated. In the light of the conclusions mentioned above the centrifugation experiments ofPasteels (1953, 1954) were reinterpreted, whileSchultze's „Umkehrexperiment“ byPenners andSchleip (1928),Penners (1929) andPasteels (1938, 1939) andCurtis' cortical grafting experiments (1960, 1962) were briefly discussed. The hypothesis was then advanced that the inductive interactions taking place in the early embryo preferentially spread through the most superficial layer of the egg, where the cells are tightly connected with each other. Finally, thetemporal aspects of mesoderm induction were discussed in relation to observations collected from the literature.

Some parallels were indicated between the morphogenetic events taking place in early amphibian development, and recent biochemical observations on RNA and protein synthesis before the onset of gastrulation.

Finally a general picture was drawn of the development of the amphibian egg on the basis of the principle of a stepwise increase in multiplicity by means of inductive interactions.

Keywords

Inductive Interaction Endodermal Differentiation Mesoderm Induction Urodelean Amphibian Successive Zone 
These keywords were added by machine and not by the authors. This process is experimental and the keywords may be updated as the learning algorithm improves.

Zusammenfassung

Die Blastula vonAmbystoma mexicanum (Stadium 8+—8/9 von Harrison) wurde in vier animal-vegetativ aufeinanderfolgende Zonen zerteilt, von denen die relativen Materialmengen bestimmt wurden. Das Entwicklungsvermögen der Isolate I, II, III, IV, und I.II und III.IV sowie auch der verschiedenen Rekombinate aus je drei von den vier und allen vier Zonen wurde untersucht und ihre quantitative Zusammensetzung am Ende der Kulturperiode bestimmt. Die Kulturperiode war nur 5–6 Tage lang, was für die primäre Organisation und die erste Differenzierung genügte, ohne daß ausgedehnter intrazellulärer Dotterabbau und das darauffolgende plasmatische Wachstum zu erheblichen Änderungen in den Materialmengen der unterschiedlichen Komponenten führen konnten.

Der Vergleich zwischen der Differenzierung der Bekombinate einerseits und der entsprechenden Isolate anderseits — besonders zwischen den I.II.IV Rekombinaten und den Isolaten I, II und IV — führte zur Schlußfolgerung, daß das Mesoderm entsteht als Folge einer Wechselwirkung zwischen der pigmentierten, ektodermalen „Hälfte“ und der unpigmentierten, entodermalen „Hälfte“ des Keims, also zwischen den anfangs (vor Stadium 7 von H.) einzigen zwei Komponenten des Keims. Der Vergleich der quantitativen Zusammensetzung der Bekombinate einerseits und der entsprechenden Isolate anderseits ergab überzeugende Argumente für die Auffassung, daßdas Mesoderm ausschlieβlich aus der eldodermalen „Hälfte“ des Keims hervorgeht, und zwar unter dem Einfluβ einer Induktionswirkung von Seiten der entodermalen „Hälfte“. Diese Auffassung wurde weiter mit Argumenten aus dem Schrifttum belegt.

Während weder das Ektoderm noch das Entoderm an sich anfangs zur Differenzierung über einem gewissen Punkt hinaus im Stande sind — die sog. atypische ektodermale bzw. entodermale Differenzierung —, enthält das Produkt ihrer Wechselwirkung, das Mesoderm, offenbar vom Anfang an alle Informationen, die zur Bildung typischer mesodermaler Strukturen benötigt werden. Einflüsse von seiten des sich differenzierenden Mesoderms ermöglichen es dann sowohl dem Ektoderm als dem Entoderm, ihre Differenzierung weiter zu verfolgen.

Es wurde die Bolle der Blastocoelhöhle — einer Höhle mit negativer morphogenetischer Funktion — in derräumlichen Wechselwirkung zwischen den beiden primären Komponenten des Keims erläutert. Im Lichte der obigen Folgerungen wurden dann die Zentrifugierungsexperimente vonPasteels (1953, 1954) neu interpretiert, während das Schultzesche Umkehrexperiment durchPenners undSchleip (1928),Penners (1929) undPasteels (1938, 1939) und die „cortical grafting“ Experimente vonCurtis (1960, 1962) kurz diskutiert wurden. Sodann wurde die Hypothese aufgestellt, daß die induktiven Wechselwirkungen im frühen Keim sich vorzugsweise durch die meist oberflächliche Keimschicht verbreiten, wo die Zellen innig miteinander verbunden sind. Schließlich wurden diezeitlichen Aspekte der Mesoderminduktion im Zusammenhang mit dem Schrifttum besprochen.

Es wurden einige Parallelen aufgezeigt zwischen den früh im Amphibienkeim eintretenden morphogenetischen Ereignissen einserseits und rezenten Befunden über RNS und Proteinsynthese vor dem Anfang der Gastrulation anderseits.

Schließlich wurde ein allgemeines Bild der Keimentwicklung bei Amphibien skizziert, das sich stützt auf das Prinzip einer stufenweise vor sich gehenden Zunahme der Vielfältigkeit mittels induktiver Wechselwirkungen.

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References

  1. Curtis, A. S. G.: Cortical grafting inXenopus laevis. J. Embryol. exp. Morph.8, 163–173 (1960).Google Scholar
  2. —: Morphogenetic interactions before gastrulation in the amphibian,Xenopus laevis — the cortical field. J. Embryol. exp. Morph.10, 410–422 (1962).Google Scholar
  3. Davidson, E. H., M. Crippa, andA. E. Mirsky: Evidence for the appearance of novel gene products during amphibian blastulation. Proc. nat. Acad. Sci. (Wash.)60, 152–159 (1968).Google Scholar
  4. Engländer, H.: Die Differenzierungsleistungen desTriturus- undAmbystoma-Ektoderms unter der Einwirkung von Knochenmark. Wilhelm Roux' Arch. Entwickl.-Mech. Org.154, 143–159 (1962).Google Scholar
  5. Gebhardt, D. O. E., andP. D. Nieuwkoop: The influence of lithium on the competence of the ectoderm inAnibystoma mexicanum. J. Embryol. exp. Morph.12, 317–331 (1964).Google Scholar
  6. Gross, P. R.: The control of protein synthesis in embryonic development and differentiation. Curr. Topics develop. Biol.2, 1–16 (1967).Google Scholar
  7. Grunz, H.: Experimentelle Untersuchungen über die Kompetenzverhältnisse früher Entwicklungsstadien des Amphibien-Ektoderms. Wilhelm Roux' Archiv160, 344–374 (1968).Google Scholar
  8. Hörstadius, S.: Gradients of metabolism in sea urchin eggs and larvae. Symp. genet. biol. ital.9, 15 p. (1962).Google Scholar
  9. Holtfreter, J.: Differenzierungspotenzen isolierter Teile der Urodelengastrula. Wilhelm Roux' Arch. Entwickl.-Mech. Org.138, 522–656 (1938).Google Scholar
  10. —: Properties and functions of the surface coat in amphibian embryos. J. exp. Zoll.93, 251–323 (1943).Google Scholar
  11. Karasake, S., andT. Yamada: Morphogenetic effects of centrifugation on the isolated ectoderm and whole embryo of some anurans. Experientia (Basel)11, 191 (1955).Google Scholar
  12. Leikola, A.: The mesodermal and neural competence of isolated gastrula ectoderm studied by heterogenous inductors. Ann. zool. Soc. fenn. “Vanamo“25, 50 p. (1963).Google Scholar
  13. —: On the loss of mesodermal competence of theTriturus gastrula ectodermin vivo. Experientia (Basel)21, 458 (1965).Google Scholar
  14. Masui, Y.: Mesodermal and endodermal differentiation of the presumptive ectoderm ofTriturus gastrula through influence of lithium ion. Experientia (Basel)17, 458 (1961).Google Scholar
  15. Nakamura, O., andT. Matsuzawa: Differentiation capacity of the marginal zone in the morula and blastula ofTritmus pyrrhogaster. Embryologia9, 223–237 (1967).Google Scholar
  16. Nieuwkoop, P. D.: Experimental investigations on the origin and determination of the germ cells, and on the development of the lateral plates and germ ridges in Urodeles. Arch. néerl. Zool.8, 1–205 (1947).Google Scholar
  17. — and others: Activation and organization of the central nervous system in amphibians. Part I. Induction and activation. Part II. Differentiation and organization. Part. III. Synthesis of a new working hypothesis. J. exp. Zool.120, 1–108 (1952).Google Scholar
  18. Ôgi, K.-I.: Vegetalization of the presumptive ectoderm of theTriturus-gastrula, by exposure to lithium chloride solution. Embryologia5, 384–396 (1961).Google Scholar
  19. —: Determination in the development of the amphibian embryo. Sci. Rep. Tôhoku Univ., Ser. Biol.33, 239–247 (1967).Google Scholar
  20. Okada, T. S.: Experimental studies on the differentiation of the endodermal organs in Amphibia. I. Significance of the mesenchymatous tissue to the differentiation of the presumptive endoderm. Mem. Coll. Sci. Univ. Kyoto, Ser. B21, 1–6 (1954a).Google Scholar
  21. —: Experimental studies on the differentiation of the endodermal organs in Amphibia. II. Differentiating potencies of the presumptive endoderm in the presence of the mesodermal tissues. Mem Coll. Sci. Univ. Kyoto, Ser. B21, 7–14 (1954b).Google Scholar
  22. —: Experimental studies on the differentiation of the endodermal organs in Amphibia. III. The relation between the differentiation of pharynx and head-mesenchyme. Mem. Coll. Sci. Univ. Kyoto, Ser. B22, 17–22 (1955a).Google Scholar
  23. —: Experimental studies on the differentiation of the endodermal organs in Amphibia. IV. The differentiation of the intestine from the fore-gut. Annot. zool. japon.28, 210–214 (1955b).Google Scholar
  24. Pasteels, J.: Recherches sur les facteurs initiaux de la morphogénèse chez les amphibiens anoures. I. Résultats de l'expérience de Schultze et leur interprétation. Arch. Biol. (Liège)49, 629–667 (1938).Google Scholar
  25. —: Recherches sur les facteurs initiaux de la morphogénèse chez les amphibiens anoures. II. Lèvres blastoporales successives dans un même oeuf. Arch. Biol. (Liège)50, 291–320 (1939).Google Scholar
  26. —: Les effets de la centrifugation sur la blastula et la jeune gastrula des amphibiens. I. Mécanisme de la formation des organes secondaires aux dépens de l'ectoblaste. J. Embryol. exp. Morph.1, 5–24 (1953a).Google Scholar
  27. —: Les effets de la centrifugation sur la blastula et la gastrula des amphibiens. II. Étude comparative de la sensibilité en fonction des stades et des espèces. J. Embryol. exp. Morph.1, 125–145 (1953b).Google Scholar
  28. —: Les effets de la centrifugation sur la blastula et la jeune gastrula des amphibiens. III. Interactions entre ébauches primaires et secondaires. IV. Discussion générale et conclusions. J. Embryol. exp. Morph.2, 122–148 (1954).Google Scholar
  29. —: The morphogenetio role of the cortex of the amphibian egg. Advanc. Morphogenes.3, 363–388 (1964).Google Scholar
  30. Paterson, M. C.: Animal-vegetal balance in amphibian development. J. exp. Zool.134, 183–205 (1957).Google Scholar
  31. Penners, A.: Schultzescher Umdrehungsversuch an ungefurchten Froscheiern. Wilhelm Roux' Arch. Entwickl.-Mech. Org.116, 53–103 (1929).Google Scholar
  32. -Penners, A. u. W.Schleip: Die Entwicklung der Schultzeschen Doppelbildungen aus dem Ei vonRana fusca. Teil I–IV. Z. wiss. Zool.130, 305–454; Teil. V–VI. Z. wiss. Zool.131, 1–156 (1928).Google Scholar
  33. Runnström, J.: Considerations on the control of differentiation in the early sea urchin development. Arch. zool. ital.51, 239–272 (1966).Google Scholar
  34. Ruud, G.: Die Entwicklung isolierter Keimfragmente frühester Stadien vonTriton taeniatus. Wilhelm Roux' Arch. Entwickl.-Mech. Org.105, 209–293 (1925).Google Scholar
  35. Shiokawa, K., andK. Yamana: Inhibitor of ribosomal RNA synthesis inXenopus laevis embryos. Develop. Biol.16, 389–406 (1967).Google Scholar
  36. Spemann, H.: Experimentelle Beiträge zu einer Theorie der Entwicklung. Berlin: Springer 1936.Google Scholar
  37. Takata, C.: The differentiation in vitro of the isolated endoderm under the influence of the mesoderm inTritums pyrrhogaster. Embryologia5, 38–70 (1960).Google Scholar
  38. —, andT. Tamada: Endodermal tissues developed from the isolated newt ectoderm under the influence of guinea pig bone marrow. Embryologia5, 8–20 (1960).Google Scholar
  39. Toivonen, S.: Bone-marrow of the guinea-pig as a mesodermal inductor in implantation experiments with embryos ofTriturus. J. Embryol. exp. Morph.1, 97–104 (1953).Google Scholar
  40. —: An experimentally produced change in the sequence of neuralizing and mesodermalizing inductive actions. Experientia (Basel)17, 87 (1961).Google Scholar
  41. Tseng, Mi-Pai: Time factor in mesoderm induction. Acta Biol. exp. sin.8, 463–476 (1963).Google Scholar
  42. Vintemberger, P.: Sur les résultats du développement des quatre micromères isolés au stade de huit blastomères, dans l'oeuf d'un amphibien anoure. C. R. Soc. Biol. (Paris)118, 52–53 (1934a).Google Scholar
  43. —: Résultats de l'auto-différenciation des quatre macromères isolés au stade de huit blastomères, dans l'oeuf d'un amphibien anoure. C. R. Soc. Biol. (Paris)117, 693–695 (1934b).Google Scholar
  44. —: Sur le développement comparé des micromères de l'oeuf deRana fusca divisé en huit: a) après isolement, b) après transplantation sur un socle de cellules vitellines. C. R. Soc. Biol. (Paris)122, 927–930 (1936).Google Scholar
  45. Vogt, W.: Gestaltungsanalyse am Amphibienkeim mit örtlicher Vitalfärbung. II. Gastrulation und Mesodermbildung bei Urodelen und Anuren. Wilhelm Roux' Arch. Entwickl.-Mech. Org.120, 384–706 (1929).Google Scholar
  46. Woodland, H. R., andJ. B. Gurdon: The relative rates of synthesis of DNA, sRNA and rRNA in the endodermal region and other parts ofXenopus laevis embryos. J. Embryol. exp. Morph.19, 363–385 (1968).Google Scholar
  47. Yamada, T.: Der Determinationszustand des Rumpfmesoderms im Molchkeim nach der Gastrulation. Wilhelm Roux' Arch. Entwickl.-Mech. Org.137, 151–270 (1937).Google Scholar
  48. —: Beeinflussung der Differenzierungsleistung des isolierten Mesoderms von Molchkeimen durch zugefügtes Chorda- und Neuralmaterial. Okajimas Folia anat. jap.19, 131–197 (1940).Google Scholar
  49. —: Embryonic induction. In: A Symp. on the chemical basis of development, ed. byW. D. McElroy andB. Glass, p. 217–238. Baltimore: Johns Hopkins Press 1958.Google Scholar

Copyright information

© Springer-Verlag 1969

Authors and Affiliations

  • P. D. Nieuwkoop
    • 1
  1. 1.Hubrecht LaboratoryUtrechtHolland

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