The formation of the mesoderm in urodelean amphibians

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.

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.