Der Strukturwandel der larvalen Speicheldrüse vonDrosophila melanogaster

Summary

The development and differentiation of the larval salivary glands ofDrosophila melanogaster have been investigated with light and electron microscopical methods. The organ has been dissected out of exactly dated stages of the III. instar larva, the prepupa and the early pupa. In order to avoid great variations in the physiological age of the animals a culture method has been developed, enabling the larval molts to be observed and used for identification of the age. The results are as follows:

• 1. The salivary gland of the early larva up to the middle of the III. instar period is a homogenous sack consisting of one sort of cells, in which very small secretion granules (∅ 0,3 μm) are synthesized. These secretion granules concentrate near the cellular apex. They are supposed to contain digestion enzymes.

• 2. In the second half of the III. larval instar period three cell types are differentiated, which are called corpus cells, transitional cells and collum cells. A gradient of differentiation from distal to proximal can be observed.

• 3. Thecorpus cells, located at the distal part of the gland, stop the production of digestion enzymes in the second half of the III. larval instar period and begin to synthesize a cement substance. This cement first is stored in grana (∅ up to 10 μm) inside the corpus cells. Shortly before puparium formation it is extruded into the lumen of the gland. Shortly after puparium formation it is expectorated out of the mouth, runs along the body wall and affixes the puparium to the substrate. The cement is PAS-positive, probably being a mucoproteid. In the corpus cells large vacuoles are formed during the prepupal instar period. On the basis of these electron microscopical results the vacuoles are interpreted to represent another form of a secretory product and not an equivalent of beginning degeneration. The possible function of this substance is discussed.

• 4. Thetransitional cells are located between the corpus cells and the collum cells. They also synthesize cement at a delayed rate, through shortly before puparium formation they are filled with cement like the corpus cells and cannot be distinguished from the latter.

  Thecollum cells form the most proximal part of the salivary gland. They do not produce cement but continue to synthesize digestion enzyme granules in the second half of the III. instar period. The large secretion vacuoles, found in the corpus cells during the prepupal instar period, are not synthesized in the collum cells.

• 5. The involution of the larval salivary gland begins after pupation and is indicated by autolytic processes, which begin at the distal end of the gland. One hour later all cells exept the imaginalanlage show signs of degeneration.

• 6. The course of development of the salivary glands investigated in the present study inDrosophila melanogaster is compared with similar investigations onDrosophila virilis, robusta andhydei. It is pointed out that the development of the larval salivary gland in different species ofDrosophila shows close parallels.

  The relationships between metabolic activities in the cytoplasm and gene physiological activities (pattern of puffs) on the giant chromosomes, as known so far, are discussed.

Zusammenfassung

Die Entwicklung bzw. Differenzierung der larvalen Speicheldrüse vonDrosophila melanogaster wurde an genau datierten Altersstadien aus dem III. Larvenstadium, der Vorpuppe und der Puppe mit lichtmikroskopischen und elektronenmikroskopischen Methoden untersucht. Zur Vermeidung großer Streuung im physiologischen Alter der Tiere wurde eine Kulturmethode entwickelt, die es erlaubt, die Häutungen zu beobachten und zur Altersbestimmung heranzuziehen. Folgende Ergebnisse wurden erzielt:

• 1. Die Speicheldrüse besteht bis zur Mitte des III. Larvenstadiums morphologisch aus einem einheitlichen Zelltypus, der sehr kleine Sekretgrana (∅ 0,3 μm) bildet. Diese sammeln sich am Zellapex. Die Vermutung liegt nahe, daß es sich um ein Verdauungssekret handelt.In der 2. Hälfte des III. Larvenstadiums differenzieren sich drei Zelltypen, die hier Corpuszellen, Übergangszellen und Halszellen genannt werden. Dabei ist ein Differenzierungsgradient von distal nach proximal zu beobachten. Die distal gelegenenCorpuszellen stellen die Bildung des Verdauungssekretes in der 2. Hälfte des III. Larvenstadiums ein und bilden stattdessen ein Klebesekret. Dieses Sekret wird in Form großer Grana (∅ bis zu 10 μm) zunächst in den Zellen gespeichert und kurz vor der Pupariumbildung ins Lumen der Drüse abgegeben. Kurz nach der Pupariumbildung wird das Klebesekret aus dem Körper entlassen und dient dazu, die Tönnchenpuppe an einem trockenen Substrat anzuheften. Das Klebesekret ist PAS-positiv. Wahrscheinlich handelt es sich um ein Mucoproteid. Während des Vorpuppenstadiums bilden sich in den Corpuszellen große Vakuolen, die auf Grund der elektronenmikroskopischen Befunde als Ausdruck einer weiteren Sekretionsphase und nicht als beginnende Degeneration gedeutet werden. Die mögliche Bedeutung dieses Sekretes wird diskutiert.

  DieÜbergangszellen liegen zwischen den Corpuszellen und den Halszellen. Sie bilden ebenfalls Klebesekret, jedoch mit zeitlicher Verzögerung. Kurz vor der Pupariumbildung sind sie wie die Corpuszellen mit ausgereiften Klebesekretgrana beladen und von diesen nicht mehr zu unterscheiden.

  Die proximal gelegenenHalszellen bilden kein Klebesekret, sondern setzen die Bildung des Verdauungssekretes in der 2. Hälfte des III. Larvenstadiums fort. Während des Vorpuppenstadiums bilden sich in den Halszellen nicht die großen Vakuolen wie in den Corpuszellen.

• 2. Die Involution der larvalen Speicheldrüse erfolgt nach der Puppenhäutung durch Autolyseprozesse, die am distalen Ende der Drüse beginnen und innerhalb 1 Std alle Zellen mit Ausnahme der Imaginalanlage erfassen.

• 3. Die in dieser Untersuchung erhobenen entwicklungsgeschichtlichen Befunde anDrosophila melanogaster werden mit Beobachtungen anDrosophila virilis, D. robusta undD. hydei verglichen. Dabei wird aufgezeigt, daß die Entwicklung der larvalen Speicheldrüsen von verschiedenenDrosophila-Arten enge Parallelen aufweist. Die bisher bekannten Zusammenhänge zwischen Stoffwechselaktivitäten im Zytoplasma und Genaktivitäten (Puffmuster) an den Riesenchromosomen dieser Zellen werden diskutiert.