Elektronenmikroskopische Untersuchungen zum Problem der Cytomorphogenese vonMicrasterias denticulata Bréb

Summary

Growing and differentiating cells ofMicrasterias denticulata Bréb., fixed with glutaraldehyde for 10–15 minutes and postfixed with OsO₄, were studied under the electron microscope. The protoplasm of growing half cells contains numerous organelles and vesicles, but no patterned arrangement of these cytoplasmic components in relation to the morphogenetic process leading to the characteristic shape ofMicrasteriascells could be observed.

Two different kinds of vesicles are pinched off by cisternae of the dictyosomes,i.e. “large vesicles” (0.3–1.0μ, LV) with a content of low electron density and “dark vesicles” (800–2500 Å, DV) with a high contrast. It is assumed that L-vesicles possibly contain slime which is secreted through the pores of the secondary wall (Figs. 15–17), while D-vesicles contain cell wall material. Beside these two kinds of “Golgi-vesicles”, “coated vesicles” (CV) and “rod-containing vesicles” (SV) were found in the cytoplasm, the former often in a stage of fusion with the plasmalemma (Fig. 3).

Dictyosomes and cisternae of the “rough” ER are the most prominent cytoplasmic components of the growing half cell, while mitochondria and microbodies are present only in relatively small numbers. In very young developmental stages dictyosomes together with ER, mitochondria, and microtubules are clustered around the post-telophase nucleus, indicating a plasmatic stratification in these early developmental stages. However, in older stages when the nucleus migrates deeper into the growing half cell the organelles are distributed over the entire protoplasm.

Dictyosomes, showing a pronounced polar configuration,i.e. wide cisternae on one side (proximal pole) and narrow one on the other (distal pole), were found to be constantly associated at their proximal pole with a cisterna of the ER (Figs. 9, 10–12). Little vesicles were found between this ER-cisterna and the dictyosome (Figs. 10 and 11,VX), possibly playing a role in generating new Golgi-cisternae. While L- and D-vesicles are undoubtedly pinched off by cisterna of one and the same dictyosome (Fig. 11), no picture as yet could be obtained clarifying the origin of the “coated vesicles”. Budding of the membrane of D-vesicles may perhaps indicate a stage of formation of “coated vesicles” (Fig. 19).

In a few cases dictyosomes were found to be split into two halfs by a median break of the Golgi-cisternae (Figs. 10 and 11). The median splitting of the cisternae starts at the proximal pole and proceeds toward the distal pole. This phenomenon is interpreted as a “divisionstage” of a dictyosome.

In very young stages a stack of parallel ER-cisternae (ergastoplasm) was found in the vicinity of the nucleus (Fig. 20) while in later stages single cisternae, penetrating the whole cytoplasm of the half cell, dominate. The ergastoplasmic differentiation of the ER presumably indicates the high metabolic activity of these early postmitotic developmental stages. In non-growing half cells one ER-cisterna approaches the chloroplast-membrane thus forming a “periplastidial cisterna” (Fig. 21). Dictyosomes approach very closely this ER cisterna (Fig. 23).

Four distinct systems of microtubules could be found in growing cells (described in detail in a previous paper) but none of them exhibit a positional relationship to the symmetry and pattern of the growing half cell. For this reason and in agreement with previous osmotic studies it is speculated that the plasma-membrane itself maintains a specific pattern in its molecular structure that controls the deposition of wall-material. Although no further information or experimental support is available at present for such a pattern it is thought that perhaps vesicle-membranes in a manner of “intracellular membrane recognition” show special “affinities” to local areas of the plasma-membrane and discharge their content for the growing wall only at these loci. Such a mechanism could lead to a patterned growth of the primary wall in spite of a random distribution of organelles and vesicles and a very vigorous protoplasmic streaming.

Zusammenfassung

Wachsende, sich differenzierende Zellen vonMicrasterias denticulata Bréb. wurden 10 bis 15 Minuten mit Glutaraldehyd fixiert, mit OsO₄ nachfixiert und elektronenmikroskopisch untersucht.

Das Protoplasma wachsender Halbzellen enthält zahlreiche Organellen und Vesikel, es konnte aber kein Anordnungsmuster dieser cytoplasmatischen Gebilde gefunden werden, das zu den morphogenetischen Prozessen, welche zur charakteristischen Form der Micrasterias-Zellen führen, eine Beziehung gezeigt hätte.

Zwei verschiedene Typen von Vesikeln werden von den Zisternen der Dictyosomen abgeschnürt: „large vesicles“ (0,3–1,0μ, LV) mit Inhalt von geringer Elektronendichte, und „dark vesicles” (800–2500 Å, DV) von starkem Kontrast. Wir nehmen an, daß L-Vesikel möglicherweise Schleim enthalten, der durch die Poren der Zellwand sezerniert wird (Abb. 15–17), während sich in den D-Vesikeln Zellwandmaterial befindet. Neben diesen zwei Typen von „Golgi-Vesikeln“ wurden im Cytoplasma „coated vesicles“ (CV) und „rod-containing vesicles“ (SV) gefunden, die erstgenannten oft während der Verschmelzung mit dem Plasmalemma (Abb. 3).

Dictyosomen und Zisternen des „rauhen“ ER sind die hervorstechenden Bestandteile des Cytoplasmas der wachsenden Halbzelle, während Mitochondrien und „Microbodies“ nur in relativ kleiner Zahl vorhanden sind. In sehr jungen Entwicklungsstadien ballen sich die

Dictyosomen, zusammen mit ER, Mitochondrien und Mikrotubuli, um den Posttelophase-Kern, was auf eine Plasmaschichtung in diesen frühen Entwicklungsstadien schließen läßt. In älteren Stadien, wenn der Nukleus tiefer in die wachsende Halbzelle wandert, sind die Organellen jedoch über das gesamte Protoplasma verteilt.

Die Dictyosomen, die ausgesprochen polaren Bau aufweisen, d. h. breite Zisternen an der einen Seite (proximaler Pol) und enge an der anderen (distaler Pol), sind nach unseren Beobachtungen stets an ihrem proximalen Pol einer Zisterne des ER angelagert (Abb. 9 und 10–12). Kleine Vesikel wurden zwischen dieser ER-Zisterne und dem Dictyosom gefunden (Abb. 10 und 11,VX). Sie spielen wahrscheinlich eine Rolle bei der Bildung neuer Golgi-Zisternen. “Während L- und D-Vesikel von Zisternen ein und desselben Dictyosoms abgeschnürt werden (Abb. 11), konnte bisher noch keine Aufnahme gemacht werden, die die Entstehung der „coated vesicles“ klären würde. Knospung der Membran von D-Vesikeln stellt vielleicht ein Stadium der Bildung von „coated vesicles“ dar (Abb. 19).

In einigen wenigen Fällen fanden sich Dictyosomen, die entlang einer Bruchstelle durch die Mitte der Golgi-Zisternen in zwei Hälften zerfielen (Abb. 10 und 11). Die Aufspaltung der Zisternen beginnt am proximalen Pol und schreitet gegen den distalen Pol fort. Diese Erscheinung wird als „Teilungsstadium“ eines Dictyosoms gedeutet.

In sehr jungen Entwicklungsstadien wurde ein Stapel paralleler ER-Zisternen (Ergastoplasma) in der Nähe des Kerns gefunden (Abb. 20); in späteren Stadien herrschen dagegen einzelne Zisternen vor, die das gesamte Cytoplasma der Halbzelle durchziehen. Die Differenzierung des ER zum Ergastoplasma zeigt vermutlich die hohe Stoffwechselaktivität dieser frühen postmitotischen Entwicklungsstadien an.

In alten Halbzellen ist eine ER-Zisterne der Chloroplastenhüllmembran angelagert und bildet eine „Periplastidärzisterne“ (Abb. 21). Dictyosomen nähern sich dieser ER-Zisterne auf sehr engem Abstand.

Vier deutlich verschiedene Systeme von Mikrotubuli konnten in wachsenden Zellen nachgewiesen werden und wurden in einer früheren Arbeit ausführlich beschrieben. Keines von ihnen zeigt jedoch eine Lagebeziehung zur Symmetrie oder zur Form der wachsenden Halbzelle. Deshalb und in Übereinstimmung mit früheren osmotischen Untersuchungen vermuten wir, daß die Plasmamembran selbst in ihrer Molekularstruktur ein spezifisches Muster enthält, das die Ablagerung von Zellwandmaterial kontrolliert. Obwohl gegenwärtig noch keine weiteren Einzelheiten und keine experimentellen Beweise für ein solches Muster zur Verfügung stehen, nehmen wir an, daß möglicherweise die Vesikel-Membranen in einer Art „intrazellulärer Membran-Erkennungsreaktion“ („membran-recognition“) besondere „Affinität“ zu lokalen Bezirken der Plasma-Membran aufweisen und ihren Inhalt nur an diesen Stellen an die wachsende Wand abgeben. Ein derartiger Mechanismus könnte trotz Zufallsverteilung der Organellen und Vesikel und sehr lebhafter Plasmaströmung zum Wachstum der Primärwand nach vorgegebenem Muster führen.