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Duplikationen von Untereinheiten der chromosomalen DNS während der Evolution von Chironomus thummi

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Zusammenfassung

  1. 1.

    An Feulgen-gefärbten Speicheldrüsen-Chromosomen des Unterart-Bastards von Chironomus thummi wurden 30 verschiedene Querscheiben auf subspezifische Differenzen des DNS-Gehalts cytophotometrisch untersucht. Mit der gleichen Technik wurde die Höhe von DNS-Differenzen an den heterochromatischen Kinetochorscheiben der Speicheldrüsen-Chromosomen von Chironomus plumosus bestimmt.

  2. 2.

    Bei subspezifischer Differenz des DNS-Gehalts enthalten die Querscheiben von Ch. thummi thummi das 2-, 4-, 8- oder 16fache an DNS wie ihre Homologen bei Ch. thummi piger. Die innerhalb der Subspecies Ch. thummi thummi und der Species Ch. plumosus vorkommenden Strukturtypen bestimmter Querscheiben folgen in der Differenzierung ihres DNS-Gehaltes dem gleichen Prinzip.

  3. 3.

    Der relative Gesamt-DNS-Gehalt der Speicheldrüsenkerne von Ch. th. thummi ist um 27% höher als derjenige von Ch. th. piger. Die gleiche Differenz des DNS-Gehalts ist auch in den Spermatocyten I cytophotometrisch nachweisbar.

  4. 4.

    Nach den Untersuchungen über die phylogenetischen Beziehungen innerhalb der Gattung Chironomus (Keyl 1962a) hat sich der Karyotyp von Ch. th. thummi aus demjenigen von Ch. th. piger entwickelt. Demnach beruht die Differenzierung der Chromosomen beider Unterarten auf einer lokalen Zunahme des DNS-Gehalts.

  5. 5.

    Auf Grund der cytophotometrischen Resultate und der Befunde über das DNS-Synthese-Muster in den Speicheldrüsen-Chromosomen von Ch. thummi (Keyl und Pelling 1963) wird eine Hypothese entwickelt, nach der die lokale Zunahme des DNS-Gehalts in den Chromosomen auf einer schrittweisen Erweiterung von DNS-Replikationseinheiten im 1∶2-Verhältnis beruht. Es wird angenommen, daß bei jedem Verdoppelungsschritt das in der Replikationseinheit vorhandene DNS-Stück um eines von gleichem genetischen Inhalt verlängert wird.

  6. 6.

    Aus dem während der Evolution sich wiederholenden Duplikationsvorgang wird auf Gestalt und Anordnung der Replikationseinheiten geschlossen und ein Ablaufschema des Duplikationsmechanismus erörtert.

Summary

  1. l.

    The DNA content of 30 selected pairs of homologous bands in the unpaired regions of the salivary gland chromosomes of the subspecies hybrid Chironomus th. thummi × Ch. th. piger has been measured with a Zeiss ultramicrospectrophotometer. With the same technique certain heterochromatic bands in the vicinity of the kinetochore of Ch. plumosus have been investigated.

  2. 2.

    Some bands of Ch. th. thummi contain 2, 4, 8 or 16 times the amount of DNA as compared to the homologous bands in Ch. th. piger. Quantitative steps of the same type have been found within different populations of Ch. th. thummi and in Ch. plumosus.

  3. 3.

    The total amount of DNA in salivary gland nuclei of Ch. th. thummi is 27% higher than in Ch. th. piger. The same relative difference has been measured in first spermatocytes.

  4. 4.

    From phylogenetic relations within the genus Chironomus (Keyl, 1962a) it is to be concluded that Ch. th. thummi is derived from Ch. th. piger. The difference in their chromosomes thus is caused by localized increase of DNA in Ch. th. thummi.

  5. 5.

    From these cytophotometric results and the way of replication in bands of different thickness (Keyl and Pelling, 1963) the hypothesis is formulated that the discovered type of DNA increase results from a stepwise elongation of replication units. In each step a whole unit is added whereby a new unit of double length originates. The new unit again can be doubled resulting in a unit of four times the DNA amount of the original unit.

  6. 6.

    A scheme is proposed (Fig. 11) for a possible mechanism of the doubling of the units by errors in replication.

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Literatur

  • Auerbach, C.: Problems in chemical mutagenesis. Cold Spr. Harb. Symp. quant. Biol. 16, 199–214 (1951).

    Google Scholar 

  • Bauer, H.: Der Aufbau der Chromosomen aus den Speicheldrüsen von Chironomus Thummi Kiefer (Untersuchungen an den Riesenchromosomen der Dipteren. I.). Z. Zellforsch. 23, 280–313 (1935).

    Google Scholar 

  • Beermann, W.: Cytologische Analyse eines Camptochironomus-Artbastards. I. Kreuzungsergebnisse und die Evolution des Karyotyps. Chromosoma (Berl.) 7, 198–259 (1955).

    Google Scholar 

  • Boveri, Th.: Zellenstudien V. Über die Abhängigkeit der Kerngröße und Zellenzahl der Ausgangszellen. Jena: Gustav Fischer 1905.

    Google Scholar 

  • Breuer, M. E., and C. Pavan: Behavior of polytene chromosomes of Rhynchosciara angelae at different stages of larval development. Chromosoma (Berl.) 7, 371–386 (1955).

    Google Scholar 

  • Bridges, C. B.: The Bar “gene”, a duplication. Science 83, 210–211 (1936).

    Google Scholar 

  • Cairns, J.: The bacterial chromosome and its manner of replication as seen by autoradiography. J. molec. Biol. 6, 208–213 (1963).

    Google Scholar 

  • Caspersson, T., G. Lomakka, G. Svensson, and R. Säfström: A versatile ultramicrospectrograph formultiple-line and surface scanning high resolution measurements employing automatized data analysis. Exp. Cell Res., Suppl. 3, 40–51 (1965).

    Google Scholar 

  • Cole, A.: A molecular model for biological contractility: Implications in chromosome structur and functions. Nature (Lond.) 196, 211–214 (1962).

    Google Scholar 

  • De, D. W.: A new chromosome model. Nature (Lond.) 203, 343–346 (1964).

    Google Scholar 

  • Deeley, E. M.: An integrating microdensitometer for biological cells. J. sci. Instrum. 32, 263–267 (1955).

    Google Scholar 

  • Freese, E.: The arrangement of DNA in the chromosome. Cold Spr. Harb. Symp. quant. Biol. 23, 13–18 (1958).

    Google Scholar 

  • Friedrich-Freska, H., u. F. Kaudewitz: Letale Spätfolgen nach Einbau von 32P in Amoeba proteus und ihre Deutung durch genetische Untereinheiten. Z. Naturforsch. 8b, 343–355 (1953).

    Google Scholar 

  • Gabrusewycz-Garcia, N.: Cytological and autoradiographic studies in Sciara coprophila salivary gland chromosomes. Chromosoma (Berl.) 15, 312–344 (1964).

    Google Scholar 

  • Gall, J. G.: Kinetics of deoxyribonuclease action on chromosomes. Nature (Lond.) 198, 36–38 (1963);- Chromosomes and Cytodifferentiation. In: Cytodifferential and Macromolecular Synthesis. New York: Academic Press 1963.

    Google Scholar 

  • Geitler, L.: Die Analyse des Kernbaus und der Kernteilung der Wasserläufer Gerris lateralis und Gerris lacustris (Hemiptera, Heteroptera) und die Somadifferenzierung. Z. Zellforsch. 26, 641–672 (1937).

    Google Scholar 

  • Green, M. M.: Unequal crossing over and the genetic organization of the white locus of Drosophila melanogaster. Z. Vererbungsl. 94, 200–214 (1963).

    Google Scholar 

  • Hertwig, G.: Vergleich der Kerngrößen von somatischen und generativen Zellen bei Maus und Ratte. Verh. anat. Ges. (Jena) 40, 228–236 (1931); - Hochgradige Polynemie der Chromosomen als Ursache der vergleichsweise erheblichen Kern- und Zellgröße der Amphibien. Verh. anat. Ges. (Jena) 53, 104–112 (1956).

    Google Scholar 

  • Hsu, T. C.: Mammalian chromosomes in vitro. XVIII. DNA replication sequence in the Chinese hamster. J. Cell Biol. 23, 53–62 (1964).

    Google Scholar 

  • Hughes-Schrader, S.: The meiotic chromosomes of the male Llaveiella taenechnia Morrison (Coccoidea) and the question of the tertiary split. Biol. Bull. 78, 312–337 (1940); - Differential polyteny and polyploidy in diaspine Coccids (Homoptera: Coccoidea). Chromosoma (Berl.) 8, 709–718 (1957); - The DNA content of the nucleus as a tool in the cytotaxonomic study of insects. Proc. 10th Intern. Congr. Entomol. 2, 935–944 (1958).

    Google Scholar 

  • —, and F. Schrader: Polyteny as a factor in the chromosomal evolution of the Pentatomini (Hemiptera). Chromosoma (Berl.) 8, 135–151 (1956); - The Nezara complex (Pentatomidae-Heteroptera) and its taxonomic and cytological status. J. Morph. 101, 1–24 (1957).

    Google Scholar 

  • Huskins, C. L.: The subdivisions of the chromosomes and their multiplication in non-dividing tissues: Possible interpretations in terms of gene structure and gene action. Amer. Naturalist 81, 401–434 (1947).

    Google Scholar 

  • Keyl, H. -G.: Untersuchungen am Karyotypus von Chironomus thummi. I. Karte der Speicheldrüsen-Chromosomen von Chironomus th. thummi und die cytologische Differenzierung der Subspecies Ch. th. thummi und Ch. th. piger. Chromosoma (Berl.) 8, 739–756 (1957); - Erhöhung der chromosomalen Replikationsrate durch Mikrosporidieninfektion in Speicheldrüsenzellen von Chironomus. Naturwissenschaften 47, 212–213 (1960); - Chromosomenevolution bei Chironomus. I. Strukturabwandlungen an Speicheldrüsen-Chromosomen. Chromosoma (Berl.) 12, 26–47 (1961a); - Die cytologische Diagnostik der Chironomiden. III. Arch. Hydrobiol. 58, 1–6 (1961b); - Chromosomenevolution bei Chironomus. II. Chromosomenumbauten und phylogenetische Beziehungen der Arten. Chromosoma (Berl.) 13, 464–514 (1962a); - DNS-Konstanz im Heterochromatin von Glyptotendipes. Exp. Cell Res. 30, 245–247 (1962b); - Crossing over bei Bastarden von Chironomus thummi piger × Ch. thummi thummi. Chromosoma (Berl.) 13, 588–599 (1963a); - Veränderung des DNS-Verteilungsverhältnisses in Speicheldrüsen-Chromoso- men während der Replikation. Verh. dtsch. zool. Ges. 78–84 (1963b) ; - Verdopplung des DNS-Gehalts kleiner Chromosomenabschnitte als Faktor der Evolution. Naturwissenschaften 51, 46–47 (1964); - A demonstrable local and geometric increase in the chromosomal DNA of Chironomus. Experientia (Basel) 21, 191–193 (1965).

    Google Scholar 

  • Keyl, H.-G., u. I. Keyl: Die cytologische Diagnostik der Chironomiden. I. Bestimmungstabelle für die Gattung Chironomus auf Grund der SpeicheldrüsenChromosomen. Arch. Hydrobiol. 56, 43–57 (1959).

    Google Scholar 

  • —, u. C. Pelling: Differentielle DNS-Replikation in den Speicheldrüsen-Chromosomen von Chironomus thummi. Chromosoma (Berl.) 14, 347–359 (1963).

    Google Scholar 

  • —, u. K. Strenzke: Taxonomie und Cytologie von zwei Subspecies der Art Chironomus thummi. Z. Naturforsch, 11b, 727–735 (1956).

    Google Scholar 

  • Kurnik, N. B., and J. H. Herskowitz: The estimation of polyteny in Drosophila salivary gland nuclei based on determination of deoxyribonucleic acid content. J. cell. comp. Physiol. 39, 281–299 (1952).

    Google Scholar 

  • Levine, L., and L. van Valen: A gene in Drosophila that produces a new chromosomal banding pattern. Science 137, 993–994 (1962).

    Google Scholar 

  • Lima-de-Faria, A.: Differential uptake of tritiated thymidine into hetero- and euchromatin in Melanoplus and Secale. J. biophys. biochem. Cytol. 6, 457–466 (1959); - Initiation of DNA synthesis at specific segments in the meiotic chromosomes of Melanoplus. Hereditas (Lund) 47, 674–694 (1961); - Metabolic DNA in Tipula oleracea. Chromosoma (Berl.) 13, 47–59 (1962).

    Google Scholar 

  • Metz, C. W.: Duplication of chromosome parts as a factor in evolution. Amer. Naturalist 81, 81–103 (1947).

    Google Scholar 

  • Mirsky, A. E., and H. Ris: Variable and constant components of chromosomes. Nature (Lond.) 163, 666–667 (1949); - The deoxyribonucleic acid content of animal cells and its evolutionary significance. J. gen. Physiol. 34, 451–462 (1951).

    Google Scholar 

  • Morishima, A., M. M. Grumbach, and J. H. Taylor: Asynchronous duplication of human chromosomes and the origin of sex chromatin. Proc. nat. Acad. Sci. (Wash.) 48, 756–763 (1962).

    Google Scholar 

  • Moses, M. J.: Diskussionsbeitrag zur Chromosomenstruktur. In: Radiation induced chromosome aberration (Ed. S. Wolff), p. 155–164. New York: Columbia University Press 1963.

    Google Scholar 

  • Nebel, B. R.: Structure of Tradescantia and Trillium chromosomes with particular emphasis on the number of chromonemata. Cold Spr. Harb. Symp. quant. Biol. 9, 7–12 (1941).

    Google Scholar 

  • Painter, R. B.: Asynchronous replication of the HeLa S-3 chromosomal deoxyribonucleic acid. J. biophys. biochem. Cytol 11, 485–488 (1961).

    Google Scholar 

  • Pavan, C.: Morphological and physiological aspects of chromosomal activities. X. Inter. Congr. of Genetics 1958, p. 321–336.

  • Peacock, W. J.: Chromosome duplication and structure as determined by autoradiography. Proc. nat. Acad. Sci. (Wash.) 49, 793–801 (1963).

    Google Scholar 

  • Pelling, C.: Chromosomal synthesis of ribonucleic acid as shown by incorporation of Uridine labelled with Tritium. Nature (Lond.) 184, 655–656 (1959).

    Google Scholar 

  • Plaut, W.: On the replicative organization of DNA in the polytene chromosome of Drosophila melanogaster. J. molec. Biol. 7, 632–635 (1963).

    Google Scholar 

  • Rempel, J. G., J. M. Naylor, K. Rothfels, and B. Ottonen: The sex chromosome constitution of chironomid intersexes parasitized by nematodes. Canad. J. Genet. Cytol 4, 92–96 (1962).

    Google Scholar 

  • Rudkin, G. T., and S. L. Corlette: Disproportionate synthesis of DNA in a polytene chromosome region. Proc. nat. Acad. Sci. (Wash.) 43, 964–968 (1957).

    Google Scholar 

  • Schmid, W.: DNA replication patterns of the heterochromosomes in Gallus domesticus. Cytogenetics 1, 344–352 (1962); - DNA replication of human chromosomes. Cytogenetics 2, 175–193 (1963).

    Google Scholar 

  • Schrader, F., and S. Hughes-Schrader: Polyploidy and fragmentation in the chromosomal evolution of various species of Thyanta (Hemiptera). Chromosoma (Berl.) 7, 469–496 (1956).

    Google Scholar 

  • Schwartz, D.: Studies on crossing over in maize and Drosophila. J. cell. comp. Physiol. 45, Suppl. 2, 171–188 (1955).

    Google Scholar 

  • Sparvoli, E., H. Gay, and B. P. Kaufmann: Number and pattern of association of chromonemata in the chromosomes of Tradescantia. Chromosoma (Berl.) 16, 415–435 (1965).

    Google Scholar 

  • Stahl, F. W.: A chain model for chromosomes. In: Deoxyribonucleic acid. Proc. 11th annual reunion Soc. chim. phys. Oxford: Pergamon Press 1962.

    Google Scholar 

  • Steffensen, D.: A comparative view of the chromosome. Brookhaven Symposia in Biol. 12, 103–124 (1959);- Evidence for the apparent absence of DNA in the interbands of Drosophila salivary chromosomes. Genetics 48, 1289–1301 (1963).

    Google Scholar 

  • Stich, H., and J. M. Naylor: Variation of deoxyribonucleic acid content of specific chromosome regions. Exp. Cell Res. 14, 442–445 (1958).

    Google Scholar 

  • Swift, H.: Nucleic acids and cell morphology in Dipteran salivary glands. In: J. M. Allen, The molecular control of cellular activity, p. 73–125. New York 1962.

  • —, and E. M. Rasch: Nucleoproteins in Drosophila polytene chromosomes. J. Histochem. Cytochem. 2, 456–458 (1954).

    Google Scholar 

  • Taylor, H.: The time and mode of duplication of chromosomes. Amer. Naturalist 91, 209–221 (1957);- Autoradiographic studies of nucleic acids and proteins during meiosis in Lilium longiflorum. Amer. J. Bot. 46, 477–484 (1959);- Asynchronous duplication of chromosomes in cultured cells of Chinese hamster. J. biophys. biochem. Cytol. 7, 455–464 (1960) ; - The replication and organization of DNA in chromosomes. Molecular Genetics (ed. J. H. Taylor), p. 65–111. New York: Academic Press 1963.

    Google Scholar 

  • —, P. S. Woods, and W. T. Hughes: The organization and duplication of chromosomes as revealed by autoradiographic studies using tritium-labelled thymidine. Proc. nat. Acad. Sci. (Wash.) 43, 122–128 (1957).

    Google Scholar 

  • Uhl, C.: Chromosome structure and crossing over. Genetics 61, 191–207 (1965).

    Google Scholar 

  • Wimber, D. E.: Asynchronous replication of deoxyribonucleic acid in root tip chromosomes of Tradescantia paludosa. Exp. Cell Res. 23, 402–407 (1961).

    Google Scholar 

  • —, and W. Prensky: Autoradiography with meiotic chromosomes of the male newt (Triturusv viridescens) using H3-Thymidine. Genetics 48, 1731–1738 (1963).

    Google Scholar 

  • Woodard, J., E. Rasch, and H. Swift: Nucleic acid and protein metabolism during the mitotic cycle of Vicia faba. J. biophys. biochem. Cytol. 9, 445–462 (1961).

    Google Scholar 

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Authors and Affiliations

  1. Abt. H. Bauer, Max-Planck-Institut für Meeresbiologie, Tübingen

    H. -G. Keyl

Authors
  1. H. -G. Keyl
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Keyl, H.G. Duplikationen von Untereinheiten der chromosomalen DNS während der Evolution von Chironomus thummi. Chromosoma 17, 139–180 (1965). https://doi.org/10.1007/BF00330079

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