P l a n t a (Berl.) 72, 119--145 (1967)
DEl~ FEINBAU
DES
SPERMATOZOIDS
VON SPHAEROCARPOS DONNELLII AUST.
(HEPA TICAE)
L. DIE~S Botanisches I n s t i t u t der Universitiit KSln Eingegangen am 27. J u n i 1966 T H E F I N E S T R U C T U R E OF T H E SPERMATOZOID OF SPHAEROCARPOS DONNELLII AUST. (HEPATICAE) Summary. The structure of the spermatozoid of the liverwort, Siohaerocarpos donnellii, was investigated under the electron microscope after fixation in potassium permanganate, osmium tetroxide or glutaraldehyde with postfixation in osmium tetroxide. Mature, newly emerged spermatozoids consist of three parts: Head end, nuclear piece and the attached cytoplasmic part. The two flagella originate in the head end. They show the typical structure of nine outer double fibers around two fibers in the middle. Connections exist between the central and the outer fibers. A t least to some extent they are composed of thin, tubular fibers, a b o u t 70 A in diameter. The head end contains a body which m a y be regarded as a modified mitochondrion or a plastid. Nearly the whole space of the nuclear piece is occupied b y the nucleus, with a length of a a b o u t 13 ~ and a thickness up to 0,4 ~. The dense nuclear content shows above all, approximately 2 5 - 4 0 A thick fibers, which are often packed closely together. A typical double membrane as nuclear envelope is not recognizable. Rarely one observes a dark line, not thicker t h a n 40--(50 A which m a y be interpreted as limiting membrane of the nucleus. A thin b a n d of cytoplasmic material m a y be interposed between the nucleus a n d the double membrane, which has a thickness of a b o u t 80--100 A and surrounds the whole spermatozoid. The cytoplasmic piece includes the big leucoplast, mitochondria, membranes of the endoplasmic reticulum, multivesicular bodies, small vesicles and occasionally vacuoles. The interior of the leucoplast is filled with numerous starch granules, up to 0,2 ~ in diameter. Only rarely some remains of the thylacoid system appear. The mitochondria show a modified fine structure compared with the corresponding organelles in the spermatids. The cytoplasmic end comprises bodies which are limited b y a double membrane and which contain double membranes. They are absolutely alike the membraneous body in the head piece and have to be regarded as modified mitochondria or plastids. Immediately below the membrane of the spermatozoid one recognizes a structure, n a m e d "Fibrillenscheide"=fibrous sheath, which in most cases expands from the nuclear piece into the cytoplasmic part. The 400--800 A thick fibrous sheath consists of up to 30 fibers lying side b y side, each with a diameter of a b o u t 180--220 A. The fibers a t b o t h ends of the fibrous sheath possess a diameter of about 300 A. A double membrane encloses all the fibers together and separates t h e m from the limiting membrane and other components of the spermatozoid. The cytoplasmic end is lost, at the latest when the spermatozoid enters the open neck canal of the archegonium. The spermatozoid which has reached the egg cell is composed only of the head end and the nuclear piece. 9 Planta (Berl.)~ Bd. 72
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Einleitung Der Bau des Archegoniums und der Eizelle des Lebermooses Sphaerocarpos donnellii 1 wurde bereits elektronenmikroskopisch untersucht (DIE~S, 1965a, b). Da beabsichtigt ist, den Beffuchtungsvorgang elektronenmikroskopisch zu bearbeiten, ist es zweckm~l~ig, zuni~chst den feineren Bau des v6llig ausgebildeten und in das Archegonium eindringenden Spermatozoids aufzukls Dies erscheint ferner erwfinscht, da reife, aus dem Antheridium entlassene Moosspermatozoiden unseres Wissens noch nicht elektronenmikroskopisch nigher bearbeitet worden sind. Zudem wurden bisher nur verhi~ltnisms wenige entsprechenc[e Untersuchungen an l~egeil3elten ms Fortpflanzungszellen vorgenommen, so u. a. an Fucus 8erratus yon MA~TON und CLARKE (1951, 1956), an Dictyota yon MANTO~ (1959a), an Pteridium aquilinum yon MANTON (1959b) und an Oedogonium cardiacum yon HOFrMAN und MANTO~ (1963). Ferner ver6ffentlichte MA~TO~ (1957) Beobachtungen fiber fast v6]lig ausgebildete aber noch nicht aus dem Antheridium entlassene Spermatozoiden yon Sphagnum. H~ITZ (1959) untersuchte Zellstrukturen an der Geil~elbasis in Spermatiden der Lebermoose Marchantia polymorpha, Preissia quadrata, Sphaerocarpos donnellii un4 Pellia /abroniana. Su~ (1964) teilte einige Beobachtungen an ~lteren~ sich in Spermatozoiden umwande]nden Spermatiden der Laubmoose Bryum spec. und Funaria hygrometrica mit. Die bisher bekannten Ergebnisse entsprechender lichtmikroskopiseher Untersuchungen wurden yon SC~AR~ (1941) und yon VAZA~T (1963) zusammenge~al~t. Die Spermatozoiden weisen als aktiv schwimmf~hige Zellen ein Aussehen auf, das yon alien fibrigen Zellen des Moosgamethophyten v61lig abweicht. Die habituelle Verschiedenheit gegenfiber allen anderen Zellt y p e n liegt wohl in der Aufgabe begrfindet, ihren eigenen Kern an die Eizelle heranzubringen und die Beffuehtung einzuleiten. Wie sich zeigen wird, ist der Feinbau des Spermatozoids ebenfal]s weitgehend seiner Funktion angepal3t. Diese wechselseitige Beziehung zwischen Ban und Aufgabe hat zur Folge, dab nicht nut im Aussehen sondern auch in tier Feinstruktur das Spermatozoid auffi~llig yon den Zel]en in Ruhegeweben und Meristemen der Moose, Farne und hSheren Pflanzen abweicht. Material and ~Iethoden M~nnliche Gametophyten des Wildtyps von Sphaerocarpos donnellii wurden auf Benecke-Agar in der bereits angegebenen Weise (DIERS, 1965a) kultiviert. Sperm~tozoidsuspensionen yon 6--8 Wochen alten Gametophyten wurden entweder sofort fixiert oder zu Archegonien mit befruchtungsf~higen Eizellen zugesetzt~ In versehiedenen Zeitabst~nden (2--30 rain) n~ch Zug~be der Spermatozoiden 1 Die Schreibweise Sphaerocarposwird vorgezogen, da nach ~:)ROSKAUER(1954) die weir verbreitete Benennung Sphaerocarpusauf einen immer wiederholten Druckfehler zuriiekzufiihren ist.
Spermatozoidfeinbau einer Lebermoosart
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erfolgte die Fixierung der so behandelten Thallusstiicke weiblicher Gametophyten.
Als FixierungslSsungen ffir diese Archcgonien und die Spermatozoidsuspensionen dienten: a) 2% KMn04 2 Std.; b) 1~2% OsO4 in verschiedenen PufferlSsungen pI-I 6,6--7,2; 2--8 Std; c) 2~4 % Glutardialdehyd in Phosphatpuffer]6sung 2--3 Std mit N~chkontrastierung in gepufferter l~2%iger OsO4-Lbsung 12--17 Std. Nach dem Auswuschender FixierungslSsungen wurdcn die zentrifugierten Spermatozoiden in 1% Agar eingeschlossen (ver~ndert nach K~LL~E~G~R et M., 1958). Die Entw~sserung der Pr~parate erfolgte mit Athanol; dabei wurde mit 1% Uranylacetat in 70%igem .~thanol bis zu 12 Std zus~tzlich kontrastiert. Zur Einbettung diente Araldit. Die Schnitte wurden mit einem Leitz-Ultr~mikrotom naeh F]~R~)~N])~zMo~A~ oder einem ,Ultrotome" der Firma LKB (Stockholm) hergestellt und h~ufig mit BleisMzlSsungen, vor Mlem nach KA~ovsxv (1961) kontrastiert. Ferner wurden kleine Tropfen der Spermatozoidsuspensionen auf Netzchen aufgetragen, die mit Formwffolien fiberzogen waren. Nach kurzzeitiger (~/~--1 rain) Fixierung in OsO~-Dampf wurde das fibersch/issige Wasser abgesaugt. Die nun die ganzen Spermatozoiden tragenden Netzchen wurden mit einem Platin-KohleGemisch in einer Leyboldanlage bedampft oder ohne Bedampfung mikroskopiert. Zur tterstellung der Aufn~hmen diente ein Siemens-Elmiskop I.
Ergebnisse Untersuchungen an nicht geschnittenen Spermatozoiden Da die aus dem Antheridinm entlassenen Spermatozoiden nicht orientiert sind und unter beliebigem Winkel geschnitten werden, l~Bt sich bei vielen Dfinnschnitten nicht immer entseheiden, welchem Abschnitt des Spermatozoids die angeschnittenen S~rukturen zuzuordnen sind. Eine solche Zuordnung wird wesentlich erleichtert und sicherer, wenn der Habitus des ganzen Spermatozoids yon licht- und elektronenmikroskopischen Bildern her bekannt ist. Das Spermatozoid yon Sphaerocarpos donnellii weist, abgesehen yon den beiden etwa 40 45 ~ langen Geigeln, eine L~nge yon durchschnittlich 15--20 ~ auf, w~hrend seine Breite nur etwa 0,4--0,5 ~ betr~gt (vgl. •ICKETT, 1923). Nach SCHNARF (1941) geh5rt damit die vorliegende Art zu den Bryophyten, welche die kleinsten Spermatozoiden besitzen. Das Spermatozoid besteh~ aus dem Kopfabschnitt, an dem die beiden Geil]eln ansetzen, dem Kernteil, der den im lebenden Zustand spirMig gewundenen Kern enth/~lt, und dem anschliel3enden Plasmastfick (siehe Abb. 1). Der Kopfabschnitt zeigt ein stumpfes, abgerundetes Vorderende. I n ibm liegt ein ovMer etwa 0,5 ~ breiter und etwa 1 ~ langer dichterer K6rper, den man mit den in lichtmikroskopischen Untersuchungen angegebenen Gebilden und Benennungen nicht in Einklang bringen kann (vgl. MffHLDO~F, 1931); am ehesten entsprieht er noch dem sog. ApikMkSrper (Sc~A~F, 1941). Etwa in hMber L~nge dieses K6rpers und seitlich yon ihm setzt die vordere GeiBel an. Etwas tiefer auf den Kern zu beginnt die hintere GeiBel. Zusammen mit ihrer erkennbaren Basis verlaufen beide Geil3eln nur ein sehr kurzes St/ick, etwa 0,3 ~z, im SpermatozoidkSrper und treten dann seitlich aus ihm heraus. BasMk6rner sind auf den elektronenmikroskopischen Aufnahmen, welche die Spermato9*
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L. D I ~ s :
Spermatozoi4feinbau einer Lebermoosart
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zoiden ganz zeigen, nicht zu erkennen. Gelegentlieh zeigen die Gei6eln in ihrem Innern fibrill~re in Li~ngsriehtung verlaufende Strukturen (Abb. 2) ; diese Fibrillen werden besonders am Geii~elende deutlieh, wenn sieh dieses in Folge des Austrocknens abgeplattet hat, und die fiidigen Strukturen flach ausgebreitet sind (Abb. 3). Damit ~hneln die Gei6eln der vorliegenden Art im Aussehen sehr den yon MA~To~ und CLAl%K:E (1952) besehriebenen bei Sphagnum acuti]olium. Kurz unterhalb des dickeren Kopfabsehnitts beginnt der zugespitzte etwa 11--]3 Ez lange und hSehstens 0,4 ~z breite Kern, der mehr oder weniger stark gewunden als Hauptbestandteil den Kernabsehnitt des Spermatozoids durchzieht. Er erweist sich auch ohne jede Kontrastierung als elektronenundurehl~ssig und erseheint daher sehr dunkel (Abb. 1). Er wird umgeben yon einer elektronendurchl~ssigeren, helleren Substanz, die dem Cytoplasma zugereehnet werden muB, wie die unten zu bespreehenden Schnittbilder noeh zeigen werden. Der Kern verli~uft mit seinem zugespitzten Ende in dem Plasmastiiek, das sich unmittelbar an den Kernabsehnitt anschliei~t. Dieser Endteil des Spermatozoids besteht nut bUS Cytoplasma, das mit dem Cytoplasmabereieh, der den Kern umgibt, ohne erkennbare Abgrenzung verbunden ist. Auf den Bildern der ganzen Spermatozoiden erkennt man in diesem 1)lasmabereich helleres, elektronendurchl~ssigeres Material, in das kleinere, sehr dunkle Gebilde unterschiedlieher GrSi~e eingesehlossen sind. Diese im allgemeinen bis 0,2 Ez grol]en Gebilde lassen sieh auf den Bildern (Abb. 4) nicht identffizieren. Zwisehen dem endst~ndigen Plasmastiiek und dem mittleren Kernabsehnitt diirften wohl keine sehr festen Verbindungen bestehen. Denn man beobachtet nicht selten Spermatozoiden, bei denen das Endstfick nur als loser Anhang mit dem Mittelstfiek verbunden erscheint~ so dab der Eindruek erweekt wird, als kSnne es sich ganz abtrennen (Abb. 4). Dieser Befund steht mit ]iehtmikroskopischen Beobachtnngen an lebenden Spermatozoiden in Einklang, nach denen die sehwimmenden Spermatozoiden naeh einiger Zeit das endst~ndige Plasmastfiek verlieren (vgl. I%ICK]~TT, 1923 ; SC~ABr, 1941).
Untersuchungen an Schnittpr~iparaten Die Feinstruktur des aus dem Antheridium entlassenen Spermatozoids Wenn man Thallusteile mit v6llig ausgebildeten Arehegonien in eine Spermiensuspension legt, so erkennt man bei lichtmikroskopischer BeAbb. 1--4. I n OsO4-Dampf fixierte und auf Tr~gerfolie ange~rocknete Spermatozoiden. Abb. 1. Ganzes Spermatozoid; K o Kopfteil m i t den beiden Geii~eln G; K Kernstiick; C Plasrnateil m i t Einschliissen. Vergr, ~ 9 6 0 0 X. Abb. 2. Geil]elabschnitt m i t fibrill~rer Innenstruktur, bedampft. Vergr. ~ 2 6 0 0 0 x . Abb. 3. Abgeflachtes Gei~elende m i t ausgebreiteten Fibrtllen. Yergr. ~ 2 0 0 0 0 x . Abb, 4. Ende des :Kerns/Gticks K m i t anhangendem :Plasmateil C, in dem deutlich abgegrenzte, bis etwa 0,2 {z grol~c, dichte :Einschlfisseliegen. Diese Einschlfisse diirften St~,rkekSrner des Leukoplasten darstellen. Vergr. N10500 •
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obachtung im Dunkelfeld h/~ufig einen dichten Schwarm Spermatozoiden an tier Halsspitze eines Archegoniums mit befruchtungsf/~higer Eizelle. Das ~bersichtsbild (Abb. 6) zeigt die Halsspitze eines solchen Archego.
•
Spermatozoidfeinbaueiner Lebermoosart
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Abb. 6. GeOffnete Archegordlalsspitze m i t eindringenden Sperma~ozoiden. KMnO4, Vergr. ~3800 Abb. 7. Querschnitt durch Kernteil m i t Fibrillenscheide F. Os04, Yergr. ~80000 • Abb. 8. Querschnitt durch Kernteil m i t anschlielilendem Plasmasttick. F l~ibrillenscheide m i t mehreren genau quergeschnittenen ~ubtfliartigen Fibril]en. Os04, Vergr. ~ 8 0 0 0 0 • Abb. 9. Querschnitt durch t)bergangsbereich yon Kernteil und ]Piasmastfick, in dem zwei Fibrillenscheiden T' zu liegen scheinen. Kern K m i t vaeuolenartigen Einschlfissen; G medianer Quersehnitt durch Geil~el; S Spermatozoidmembran. Os04, Vergr. ~ 7 0 0 0 0 •
niums bei geringer elektronenmikroskopischer VergrSgerung. Die beid.en apikalen Halswandzellen sind auseinandergewiehen. Vor und zwisehen ihnen liegen als dunkle langgestreekte oder ovale und kreisfSrmige Gebilde Teile angesehni~tener Spermatozoiden, die bereits in das obere
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Ende des ge6ffneten Halskanals eingedrungen sind oder sich noch vor der ttalsspitze des Archegoniums befinden. Bei st~rkerer Vergr6$erung (Abb. 5) erkennt man den Bau einer solchen apikalen Halswandzelle. Sic enth~lt neben dem hier nicht angesehnittenen Kern st~rkehaltige Plastiden mit nut wenigen Thylakoiden, Mitoehonch.ien mit einem schwach ausgebildeten inneren Membransystem, Diktyosomen, Lipidtropfen, Membranen des endoplasmatisehen l~eticulums und Vaeuolen mit deutlich kontrastierbarem, riberwiegend homogenem Inhalt. Sic gleieht in ihrem Feinbau vSllig den teilungsfahigen Zellen des Moosgametophyten. Die Cutieula, die als schwarzer, drinner Streifen die nach auBen gelegenen Zellwandteile fiberzieht, ist bei der 0ffnung des Halskanals zerrissen. Vor dieser ttalswandzelle und seitlich yon ihr im ttalskanal erkennt man abgesehnittene Teile yon Geflteln, Kernabschnitten und Plasmastricken der in das Archegonium eindringenden Spermatozoiden. Da die lebenden Spermatozoiden eine spiralfSrmige Gestalt besitzen, die, zumindest andeutungsweise, oft noch nach dem Antrocknen auf Folien erkennbar bleibt (Abb. 1), ist es nicht mSglieh, L~ngsschnitte durch das ganze Spermatozoid zu erhalten. Exakte Quersehnitte sind selten, so dal~ nut aus Schr/~gschnitten, die in beliebigem Winkel den SpermatozoidkSrper getroffen haben, der genauere Aufbau der Zellbestandtefle ersichtlieh ist. Abb. 10 zeigt solche schr/~g angeschnittenen Spermatozoiden. l~echts oben befindet sieh das Plasmastrick eines Spermatozoids; in der Mitte liegt der etwas gestreckte Teil des Kernabschnitts eines anderen Spermatozoids. AuSerdem erkennt man noch Ansehnitte yon GeiSeln und Kernteilen weiterer Spermatozoiden. Kern Der Kern des reifen Spermatozoids besitzt einen sehr dichten und stark kontrastierbaren Inhalt. E r erseheiat nach Fixicrung mit OsO 4 bei schwi~cherer Vergr6Berung weitgehenct homogen k6rnig (Abb. 7, 8). Bei st~rkerer Vergr6Berung, vor allem auf Tangentialschnitten erkennt man gelegentlich etwa 25 A dicke Fibrillenstticke in einer sehr feink6rnigen Grundsubstanz (Abb. 14). Sehr se]ten treten nur etwa 100 A groBe, East kreisrunde, v6llig unkontrastierte Flecke auf, die das Aussehen yon sehr kleinen Vacuolen besitzen (Abb. 9). Nach Fixierung mit KMnOa zeigt sich der fibrillare Bestandteil des Kerninhaltes schon bei schw~tcherer Vergr6Berung deutlieh (Abb. 12). Die feinen Fibrillen, die hier einen Durehmesser yon etwa 25--40 A besitzen (Abb. 13), wirken vergr6bert und nieht so gut erhalten wie nach OsOa-Fixation. Sic k6nnen sieh offensiehtlich zu mehreren zusammenlagern. Eine solche Brindelung dare wohl nicht nur als eine Art Verklebung in Folge der KMnO~-Einwirkung anzusehen sein, da ~hnliche Bilder auch nach OsOa-Fixierung, jedoeh
Spermatozoidfeinbau einer Lebermoosart
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nicht in solcher Deutlichkeit, gelegentlich zu beobachten sind. Au•erdem werden groBe zusammenh~ngende undzst~rker kontrastierte Bereiche sichtbar (Abb. 12). H~ufig erkennt man, wie die feinen Fibrillen in diese Bereiche eintreten. Demnach werden zumindest Teile solcher Bezirke aus sehr dicht zusammengepackten Fibrillen bestehen. Daneben dfirfte jedoch auch noch feinkSrniges Material am Aufbau der fraglichen Bereiche beteiligt sein. Die Fibrillen und die grSl]eren zusammenh~ngenden Bezirke sind im Spermatozoidkern nicht v611ig ungeordnet verteilt, sie zeigen viMmehr einen gerichteten oft etwas spirMig gewundenen Verlauf. Hierbei sind offensiehtlich Fibrillen und Bereiche zu lockeren Bfindein vereinigt, wie ihre gemeinsam MngehMtene, gleichsinnige Richtung andeutet. Auf Schrs die einen grSl3eren Kernabschnitt l~ngs getroffen haben, zeigt sich, da~ die Bfindel fiberwiegend in L~ngsrichtung des Kerns verlaufen (Abb. 10, 12). Die bei Fixierung mit OsO 4 oder KMnO 4 siehtbaren Fibrillen dfirften Ms ChromosomenmateriM anzusehen sein. Fiir diese Auffassung sprieht aueh ihre Zusammenl~gerung zu ls verlaufenden Bfindeln. In diesem Zusammenhang sei auf die Untersuehungen yon R]~ITBE~G~R (1964) hingewiesen, naeh denen die Chromosomen im Kern des Spermatozoids yon Sphaerocarpos donnellii hintereinander zu einem Sammelchromosom angeordnet sind. WahrschMn]ieh dfirften die hier vorliegenden Fibrillen, zumindest zum Tell, aus DNS bestehen (H~xLv, Y und Zv~AY, 1961; RIs, 1963). Eine solehe Vermutung liegt nahe, da die fehlen Fibrillen mit einer Breite yon etwa 25 A dieselbe Breite wie die mit DNase abbaubaren Strukturen im Nukleoplasm~ yon Bakterien und Cyanophyeeen besitzen (RIs, 1963). Die feinkSrnige Komponente, die an der Zusammensetzung der grSl~eren zusammenh~ngenden Bezirke beteiligt ist, kann noch nieht identifiziert werden. In der starken Kontrastierbarkeit des KerninhMts, vor Mlem wenn OsO 4 verwendet wird, ~hnelt das reife Sperm~tozoid yon Sphaerocarpos donnellii den Spermatozoiden vieler Tierarten, wie zahlreiehe elektronenmikroskopische Untersuehungen zeigen, so z . B . yon GIBBo~s und B~A])FIELn an Locusta migratoria (1957) ; RE]~HU~ an Otala lactea (1957) ; D~ss und RIS an Chortophaga viridi[asciata (1958); G~T]~BY und D~LTO~ an Lumbricus herculeus (1959); GALTSOFF und PH~LrOTT an Cassostrea virginica (1960); Y ~ s u z c ~ an Cipangopaludina malleata (1962); B~R~STE~ an Arbacia punctulata (1962); KAVE an Acheta domestica (1962) ; t ~ E ~ an Amblyomma dissimili (1963) ; u und 0 ~ 1 ~ an Bombyx mori (1965) und FAWCE~T an Cavia porcellus (1965). Nach den publizier~en Bildern zu urteilen, verh~lt sich ganz entspreehend der Kern in den reifen aber noch nieht aus dem Antheridium entlassenen Spermatozoiden von Sphagnum (MANTON, 1957). Ganz so dieht wie bei den angeffihrten Arten scheint der Kerninhalt in den Spermatozoiden yon
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L. Drs~s:
Fucus s e r r a t u s
(MAI~TON and
CLARKE,
1956) nicht gepackt zu sein, ws bei Oedogonium cardiacum (HoFFMA~X und MANTON, 1963) die gezeigten Bilder einen sehr viel loekerer gebauten Kern vermuten lassen. Der Spermatozoidkern yon Sphaerocarpos donnellii ist fast immer yon einer schmalen Cytoplasmaschicht untersehiedlicher Breite eingeschlossen (Abb. 10). Diese Schich~ kann vor allem im mittleren Abschnitt des Spermatozoids als nur sehr schmaler Streifen vorliegen, oder sie kann sogar stellenweise ganz fehlen, so da~ die das Spermatozoid umgebende Membran, die Spermatozoidmembran, unmittelbar an den Kern angrenzt. Auf Schnitten durch den K e r n ist eine K e r n m e m b r a n nicht erkennbar. Er scheint ohne membranartige Abgrenzung unmittelbar in den umhfillenden Cytoplasmabereich fiberzugehen (Abb. 10, 15) oder an die Spermatozoidmembran anzustoBen. Nur auf wenigen Aufnahmen yon Tangentialschnitten an Stellen, wo
Abb. 10 Abb. 11 Abb. 10. Teile yon angeschnittenen Spermatozoiden, die vor einer geOffneten Archegonhalsspitze liegen; Plasmasttick oben m i t Leukoplast L u n d kleineren Vesikeln in Cytoplasma; K Kern in einer teilweise D,ngsgeschnittenen Kernregion eines anderen Spermatozoids; 5' Spermatozoidmembran; XMnO4, Vergr. ~30000 • Abb. 11. Querschnitt durch Kernteil m i t Fibrillenscheide F. Da das Innere des Kerns K wohl artifiziell auseinandergezogen ist, zeigen sich Strukturen, die als Kernmembran gedeutet werden kSnnen 7 ; S Spermatozoidmembran. Os04, Vergr. ~ 7 5 0 0 0 •
Sperm~tozoidfeinbau einer Lebermoosart
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sich deutlich die Spermatozoidmembran vom Kern abhebt, ist eine dfinne schwarze Linie erkennbar, die man als K e r n m e m b r a n auffassen kann (Abb. 14). Auch Kerne, deren Inheres dutch Fixierung oder Polymerisation wohl artifiziell auseinandergezogen ist nnd dann nicht mehr iiberall stark kontrastiert erscheiat, zeigen stellenweise eine solche schwarze Linie Ms Kernabgrenzung (Abb. 11). Diese K e r n m e m b r a n erscheint immer einfach und besitzt eine Dicke yon etwa 40--60 ~. Damit unterscheidet sie sich wesentlich yon der 150 400 A dicken, doppelt konturierten Kernmembran, wie sie ffir Tier- und Pflanzenzellen bekannt ist (vgl. MI~SKY und OSAWA, 1961 ; PORT~R, 1961). Die Dicke der vorliegenden K e r n m e m b r a n weicht mit 40--60 nicht sehr yon der Dicke der im Kernraum anftretenden Fibrillen ab. Daher ist noch auf die M6glichkeit hinznweisen, dab die auf Schnitten nur gelegentlich deutlich erkennbare Membran yon zwei der etwa 25 breiten, dicht zusummenliegenden Fibrillen vorget/iuscht wird, und da]3 fiberhaupt keine echte, den Kern abgrenzende Membran mehr ausgebildet ist. Nach den bisher bekannten Ergebnissen halten wit eine solche Annahme ffir unwahrscheinlich aber fiir nicht auszuschlie•en. ~hnliche die K e r n m e m b r a n yon Pflanzenzellen betreffende Befunde scheinen unseres Wissens bisher noch nieht vorzuliegen. Dagegen deuten einige Beobachtungen an Spermatiden und Spermatozoen verschiedener Tierarten auf verwandtc Erscheinungen. Zwar ist die K e r n m e m b r a n in diesen Fallen noch als Doppelmcmbran ausgebildet, sie erweist sich jedoch mit einer Breite yon 150A (I~oTHSC~ILD, 1956; R E B H ~ , 1957) cbenfalls als verh~ltnismaBig schmal. Auch andere Autoren z. B. COLWIN und CoLwIN (1963) sprechen yon zwei eng nebeneinanderliegenden "unit membranes" aus denen die doppelte K e r n m e m b r a n besteht. Lediglich ]3ERNSTEI5 (1962) macht bei Spermatozoen yon Arbacia punctulata f~ir den ganzen Kernbereich aul~erhalb der BasMplatte die Bemerkung (S. 198): "... there is no clearly identifiable relic of the nuclear membrane". Ob diese Interpretation wirklich zutrifft, kann hier nicht entschieden werden; es sei lediglich darauf hingewiesen, dal3 ~OTI~SCHILD (1956) bei Echinus esculentus ausdrficklich eine doppelte K e r n m e m b r a n erwahnt. Eine solche Feststel/ung, dab eine K e r n m e m b r a n v611ig fehlt, 1/~ge auch bei Sphaerocarpo8 donnellii nahe, wenn nicht auf einigen Bildern Struktnren sichtbar w/~ren, die man als membranartige Kernabgrenzung betrachten kann. Wie sich diese extrem reduzierte K e r n m e m b r a n w/~hrend der Entwicklung des Spermatozoids ausbildet, und wie sie sich beim Eintritt des Spermatozoids in die Eizelle verh~lt, ist noch nicht gekl~rt. Bisher ist lediglich bekannt, dab die Kerne der spermatidogenen Zellen, der
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L. DIERS:
Abb. 12. L~mgsgeschnittener Teil des Kernstiicks. Jim Kerninnern feine Fibrillen und dichte, dunkel konbrastiert~ Bereiche. KMn04, Ye~gr. ~ 5 0 0 0 0 • Abb. 13. Teilweise tangentialer L~ngsschnitt dutch Kernstiick. Ira Kerninnern zablreiche, etwa 25---40 ~ dicke FibriH6n erkennbar; besonders deutliche Stelle~ m i t ~ gekennzeichn~t. KMn04, Vergr. ~140000 •
Abb. 14. Oben Tangential- und unten Querschnitt 4urch Kern~eil. S Spermatozoidmembran; /~ kennzeiclmet Struktur, die ~is Kernmembrail aus werden ka~m. I m Kerninuern feine ~ibril~en. Os04, Vergr. ~1200D0 •
Spermatozoidfeinbau einer Lebermoosart
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Spermatid-Mutterzellen und der heranwachsenden Spermatiden (Einteilung nach SCHNARF, 1941) eine doppelte Umgrenzungsmembran besitzen, und daI~ der miinnliche Kern nach der Befruchtung aber noch vor der Karyogamie ebenfalls eine normal ausgebildete doppelte Merebran aufweist, die der Eikernmembran v611ig gleicht. Fibrillenscheide Oft befindet sich in unmittelbarcr Nachbarschaft des Kerns eine ffir Pflanzenzellen ungewShnliche Struktur, die man nach ihrem Aussehen als Fibrillenscheide bezeichnen kann. Sic ist eharakterisiert durch lange, nebeneinanderliegende tubuliartige Fibrillen, die yon einer in sich geschlossenen Doppelmembran zu einer 400--800 A dicken Scheide unterschiedlicher Ausdehnung zusammengefaBt werden. Die Zahl dieser nebeneinander angeordneten Tubuli schwankt betr/~chtlich und liegt meistens zwischen 12 und 26. Vor allem auf Querschnitten dutch Spermatozoiden, die mit KMnO~ fixiert wurden, zeigt die umschlieBende Doppelmembran ihren Aufbau deutlich (Abb. 15). Dagegen erscheint nach OsOa-Fixierung die Doppelmembran nut einfach konturiert aber daffir rccht dick. Dies dfirfte auf die dichte Zusammenlagerung der beiden sie zusammensetzenden dfinnen Membranen zurfickzufiihren sein. Da die Fixierung mit KMnOa die feineren Strukturen im Innern der Scheide, vor allem die Fibrillen, nicht gut erh/~lt, stfitzt sich die wcitere Kennzeichnung der Fibrillenscheide auf Pr~parate, die mit OsO 4 oder Glutardialdehyd fixiert wurden. Auf Grund ihres Durchmessers sind zwei Typen yon Tubuli im Innern der Scheide festzustellen. Es treten kleihere Tubuli auf, die einen Durchmesser yon etwa 180--220 A besitzen, w~hrend ihr Lumen etwa 70--100 A breit ist. Zwei gr6$ere Tubuli mit einem Durchmesser yon ctwa 300 A und einem Lumen yon etwa 150 A ]iegen jeweils an den beiden KuSersten Enden der Scheide, die dort stets ein wenig aufgetrieben erscheint, wie aus Querschnitten ersichtlich ist (Abb. 7, 8). Eine Verbreiterung des Scheideninnern, wobei gleichzeitig an ihren gegenfiberliegenden Seiten Tubuli auftreten, wie es Abb. 9 zeigt, wurde bisher nur einmal gefunden. Als wahrschcinlichste Erkli~rung ffir eine solche Erscheinung m6chten wir annehmen, da$ die Verbreiterung artifiziell, vielleicht durch die Fixierung, bedingt ist. Einige Aufnahmen vermitteln den Eindruck, a]s ob ein Spermatozoid nicht nut eine Scheide besitzt. So zeigt der Querschnitt auf Abb. 9 zwei unabh~ngig voneinander liegende Scheiden. Andererseits geht aus Schnittserien hervor, dab zwei scheinbar isoliert auftretende Scheiden ineinander iibergehen k6nnen (Abb. 16). Ob ein solcher Zusammenhang immer besteht, und ob damit nur eine Scheide in jedem Spermatozoid vorkommt, kann nicht mit Sicherheit entschieden werden.
Abb. 15, Querschnit~ durch den ~bergangsbereich yon Kernteil und Plasmastiick. K Kern; F Fibrillenscheide m i t dol)I)elter Umgrenzungsmembran; S Spermatozoidmembran. KMn04, Vergr. ~ 8 0 0 0 0 • Abb. 16. a Zwei anscheinend getrennt liegende FibrillenscheidenF ira ~21asmastfick; b auf dem ansch|iel~endeu Schnitt wir4 die Yerbindung t zwischen diesen beiden Fibrillenscheiden F erkennbar. KMnO4, Vergr. ~ 6 0 0 0 0 • Abb. 17. Teilweise tangential geschnittene ~ibrillenscheide/~ in einem Plasmasttick. 0s0~, u ~62000 • Abb. 18. T~ngenti~l geschnit~eae Fibrillenscheide F ~us der (~bergangsregion yon Kern- und Plasmas~tick. Die Fibrillen erscheinen hohl. Os04, Vergr. ~ 8 0 0 0 0 • Abb. 19. Querschnitt dutch :Fibrili~nscheide/~ im ~Iasmas~ilck; dariiber membr~nhaitiger KSrp~. OsO~, Vergr. ~ 5 0 0 0 0 •
L. DI~Rs: Spermatozoi4feinbau einer Lebermoosart
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Die Ausdehnung und Lage der Fibrillenseheide im Spermatozoid seheint nieht immer genau bestimmt zu sein. So finder man Ansehnitte der Seheide kurz unterhalb des Kopfabsehnitts, im Kernteil und Plasmast/iek. Dabei durehzieht sic sieher nieht das ganze Spermatozoid, nur gr613ere Regionen, wie z . B . einen Absehnitt des Kernteils und des angrenzenden Plasmastficks. Uber ihre Ausdehnung geben angen/iherte Lgngs- und TangentiMsehnitte einigen AufsehluI3 (Abb. 17, 18). Als gr6Bte bisher gefundene Ausdehnung wurde eine L~nge yon etwa 5 festgestellt. Die Fibrillenseheide befindet sieh fast immer dicht unter der doppelten, etwa 80--100 A dieken Umgrenzungsmembran des Spermatozoids (Abb. 9, 17). Ihre Entstehung und Funktion ist noch unbekannt. Man k6nnte vermuten, dab sie doff, wo sie der Spermatozoidmembran anliegt, diese zusgtzlich verst/irken diirfte; zumal die Spermatozoidmembran nur als PlasmMemma anzusehen ist, und eine Zellwand fehlt. Eine wesentliehe Aufgabe bei der Befruehtung fgllt der Fibrillenseheide wohl nieht zu, denn wie noeh darzulegen ist, wird sie zusammen mit dem Plasmast/iek kurz vor dem Eindringen des Spermatozoids in den Arehegonhals abgestreift. Es ist ungewifi, ob sieh die bei Sphaerocarpos auftretende Fibrillenseheide mit sehon bekannten Strukturen identifizieren 1/~Bt. M6glicherweise besteht eine Beziehung zu den ,,superficial fibres", die MA~TO~ in reffen abet noch innerhalb des Antheridiums liegenden Spermatozoiden bei Sphagnum (1957) und in freigesetzten Spermatozoiden yon Pteridium aquilinum fand (1959). Die ,,superficiM fibres" befinden sich zwar aueh unmittelbar unter der das Spermatozoid umgrenzenden Membran, sie sind abet nieht wie bei Sphaerocarpos yon einer eigenen Doppelmembran zu einer Seheide umschlossen und stellen damit eine nieht deutlich gegen die Spermatozoidmembran und die/ibrigen Zellteile abgesonderte Struktur dar. Darin liegt ein offensiehtlicher Untersehied zwisehen der Fibrillenseheide und diesen ,,superficial fibres", die eher den Plasmamembranstrukturen der Cestoden Hymenolepis nana und H. diminuta (Rosario, 1964) gleichen. Die Fibrillenseheide /ihnclt etwas den nebeneinander angeordneten ,,proboscis fibres" der Proboscis im Spermatozoid yon Fucus serratus (Ma~To~ und C~A~K~, 1956), wie die in der angef/ihrten Arbeit publizierten Bilder vermu~en lassen. Diese Aufnahmen zeigen jedoch nieht, ob die bei Sphaerocarpos und Fucus vorkommenden Strukturen denselben Feinbau besitzen. Bu~Gos und FAWC~TT (1956) erw/~hnen bei Bu/o arenarum einen nicht n/~her zu deutenden Zellbestandteil innerhalb der Spermatiden, der im Quersehnitt eine gewisse ~hnlichkeit mit der Fibrillenseheide yon Sphaerocarpos aufweist. Sic vermuten, dab diese Struktur vielleicht der Manschette oder Kaudalscheide in S/iugerspermatiden entsprieht.
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L. D~ERS :
Abb. 20, Schnitt dureh Plasmastiick in tt6he des auslaufenden Kernteils. F Fibrillenscheide; K Kern; L Leukoplast m i t kleinen Starkek6rnern; reehts neben dem Leukoplastea membranhaltiger K6rper; S Spermatozoidmembran. :KMn04, Vergr. ~ 3 1 200 •
Spermatozoidfeinbau einer Lebermoosart
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Plasmastfick Plastiden. Der auff/~lligste Bestandteil des Plasmast/icks stellt der verhi~ltnisms groBe Leukoplast dar (Abb. 20, 21). Er besitzt ein fast immer nur schwaeh kontrastierbares Stroma, das auch nach Fixierung mit Glutardialdehyd, das die Plastidenmatrix sonst gut erhs (Gtz~CN~G, 1965), elektronenmikroskopisch weitgehend leer erseheint. Im Plastideninnern liegen zahlreiche kleine St/irkek6rner, deren Gr6Be bei allen untersuchten Pr~paraten h6chstens 0,2 ~z erreicht (Abb. 21) und die damit wesentlich unter der Gr6Be der St&rkeeinschlfisse in den Plastiden der apikalen Archegonh~lszellen (Abb. 5) bleiben. Die auf den Abbildungen nicht geschnittener Spermatozoiden (Abb. 4) im Plasmastfick erkennbaren sehr dunklen, kleineren Einschliisse dfirften zum gr6Bten Teil wohl als solche kleinen Sts anzusehen sein; dafiir spricht auch die weitgehend fibereinstimmende Gr6Be der elektronendurehl/~ssigen Gebilde und der St/~rkek6rnchen. Bemerkenswert erscheint das Fehlen yon Thylakoidmembranen in den Leukoplasten. Bisher wurde nut eine Aufnahme gefunden, auf der ein kleineres Thylakoidstfick im Innern einer st/irkereichen Plastide erkennbar ist (Abb. 22). Leukoplasten ohne Reste eines inneren Membransystems treten verh/~ltnism/~Big selten auf, so z. B. als Amyloplasten in Endospermzellen einiger Gr/~ser (BuTT~OSE, 1960) oder bei der farblosen Alge Prototheca ci//erii (M]~KE und FreCKle, 1962). Selbst die fast nur aus Sts bestehenden Leukoplasten im Pollenkorn und Pollenschlauch yon Oenothera hookeri enthalten stets noch Thylakoide (D~E~s, 1963). H/iufig befindet sich in unmittelbarer N~he des Leukoplasten ein Zellbestandteil, dessen Identifizierung noch nicht sieher ist (Abb. 20, 21). Er wird yon einer doppelten Membran umgeben und enth/~lt in seinem Innern mehrere, meist parallel zueinander liegende Doppelmembranen, die sich verzweigen k6nnen und mit dem inneren Teil der Umgrenzungsmembran verbunden sind. Ferner weist die oft nur schwach kontrastierbare Matrix dieser Gebilde gelegentlich sehr kleine, bis zu etwa 400 A messende KSrperehen auf (Abb. 23). Solehe membranhaltigen KSrper treten nieht nut im Plasmastfiek auf. Ein ganz entsprechend strukturiertes Gebilde finder sieh regelm/iBig im vorderen Kopfabsehnitt des Spermatozoids. Abb. 21. Schnibt durch Plasmasttick. Z Leukoplast m i t zahlreichen, bis zu 0,2 ~ groBen St~irkek6rnern St; unterhalb des Leukoplasten m e m b r a n h a l t i g e r K6rper; S S p e r m a t o z o i d m e m b r a n . Os04, Vergr. ~ 3 7 5 0 0 • Abb. 22. Leukoplas~ m i t drei angeschnittenen St~rkek6rnern u n d kleinem Thylakoidres~ T. K~cfn04, u N40000 • Abb. 23. M e m b r a n b a l t i g e s Gebilde wie in Abb. 20 u n d 21 1nit schwarz k o n t z a s t i e r t e m K6rperchen 7, ; S S p e r m a t o z o i d m e m b r a n . OsO4, Vergr. ~ 6 0 0 0 0 • Abb. 24, Schnit~ durch Plasmastfick. M M i t o c h o n d r i u m , das yon konzentrisch angeordneten l~Iembranen des endoplasmatischen 1r u m g e b e n ist; F Fibrillenscheide; S S p e r m a t o z o i d m e m b r a n . OsO4, Vergr. ~ 7 0 0 0 0 • 10
P l a n t a (BerL), ~Bd. 72
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L. DIEts:
Man k6nnte zuni~chst annehmen, dab diese K6rper Mitoehondrien darstellen, deren inneres Membransystem in einer besonderen Weise ausgebildet ist. Solehe Mitoehondrien mit einem stark umgewandelten inneren Membransystem wurden bereits u. a. yon A~Das (1962) fiir die Spermatiden und Spermatozoen mehrerer Tierarten besehrieben. Ganz /thnlieh gebaute Gebilde im Spermatozoid yon Sphagnum wurden yon MA~TO~ (1957) als Mitoehondrien gedeutet. Als wesentliehes Kriterinm galt MA~TO~ das Vorhandensein der kleinen, dunkel kontrastierten K6rperehen in der Matrix, die als ,,mitoehondrial granules" angesehen werden. Nun kommen v611ig entspreehende Granula aueh in Plastiden vor, z. B. in teilungsfghigen Zellen yon Sphaerocarpos. Damit erseheint das erws Kriterium ffir dan Mitoehondrieneharakter der membranhaltigen K6rper nieht mehr stiehhaltig. - - Wie noeh gezeigt wird, treten im Spermatozoid yon Sphaerocarpos Mitoehondrien anf, die in ihrem Bau yon den fragliehen Gebilden stark abweiehen und mit den Mitoehondrien in dan Zellen des Gametophyten weitgehend iibereinstimmen. Wenn man die membranhaltigen K6rper als Mitoehondrien ansehen will, dann folgt, dab zwei in ihrem Bau sehr untersehiedliehe Mitoehondrientypen in demselben Spermatozoid vorliegen. Die Doppelmembranen im fnnern der K6rper erseheinen sowohl naeh OsO~-Fixation als aueh naeh Fixierung mit Glutardialdehyd niemals anfgeqnollen, wie es bei den Cristae oder Saceuli der Mitoehondrien in Zellen des Gametophyten oder in Spermatiden regelm/~l~ig auftritt. Ist nun das vorliegende Gebilde ein Mitoehondrium, so wfirden sieh seine inneren Membranen dureh ihr besonderes Verhalten gegenfiber den angegebenen Fixierungsflfissigkeiten yon denen der anderen Mitoehondrien deutlieh unterseheiden. Die oft zu beobaehtende ~bereinanderlagernng der inneren Membranen in diesen K6rpern legt die Vermutung nahe, dab die fragliehen Gebilde umgeformte Plastiden darstellen. Die inneren Doppelmembranen w/irden dann als Thylakoide anzusehen sein. Ungew6hnlieh w/~re nut die Verzweigung und h~ufige Verbindung der Thylakoide mit dem inneren Tail der Umgrenzungsmembran. Trifft diese Interpretation zu, dann k/imen in denselben Spermatozoiden zwei im Bau sieh deutlich voneinander unterseheidende Plastidensorten vor: einmal die st/~rkehaltigen Lenkoplasten ohne jedes Thylakoidsystem, dann die kleinen st/~rkeh'eien Plastiden mit deutlieh erkennbarem innerem Membransystem. Auf Grund dieses gut ausgebildeten Membransystems sollte man in den fraglichen K6rpern Chlorophyll vermuten, und sie k6nnten dementspreehend als Chloroplasten bezeichnet werden. Nach fluoreszenzmikroskopischer Untersuchung enthalten sie jedoch fiberhaupt kein Chlorophyll oder nut so wenig, dab eine Rotflnoreszenz nicht mehr erkennbar ist. Diese Beobaehtung beweist, dab die membranhaltigen Gebilde keine Chloroplasten darstellen. Der Befund kann abet nieht als entseheidendes Argu-
Spermatozoidfeinbau einer Lebermoosart
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merit gegen die Plastidennatur der KSrper aufgefa~t werden, da Plastiden ohne Chlorophyllgehalt mit deutlich ausgebildetem Membransystem bei Mutanten yon Cyanidium caldarium gefunden wurden (BoGORAD et al.0 1963}. Somit bleibt eine sichere Identifizierung des vorliegenden Zellbestandteils einer eingehenden Untersuehung tier Spermatozoidentwieklung vorbehalten. Mitochondrien. Ein auffallendes Kennzeiehen des Spermatozoids besteht in dem weitgehenden Fehlen yon eindeutig erkennbaren Mitechondrien, die so gebaut sind wie die in den fibrigen Zellen des m~nnlichen und weiblichen Gametophyten yon Sphaerocarpos. Man erh/~lt nur selten Bilder yon angesehnittenen Plasmastficken, die ein leieht und sieher identifizierbares Mitoehondrium enthalten (Abb. 24). H~ufiger treten Strukturen auf, die man wohl als Mitoehondrien ansprechen darf, die sieh jedoch nicht mehr so klar yon anderen Cytoplasmabestandteilen abgrenzen, wie das in Abb. 24 gezeigte Mitoehondrium, und die auch nieht mehr charakteristiseh ausgebildete Cristae oder Sacculi aufweisen. Nach den bisherigen Ergebnissen fiber die Spermatozoidentwicklung bei Sphaeroca~'pos besitzen die sich in Spermatozoiden umwandelnden Spermatiden noch typiseh gebaute Mitochondrien, die dem abgebildeten (Abb. 24) sehr ~hneln. Aus diesen Befunden ist zu seblieBen, dab die reffen, aus dem Antheridium entlassenen Spermatozoiden ihre Mitechondrien bis zur Unkenntliehkeit vergndern und wohl teilweise ganz abbauen. Die fast unidentifizierbaren Reste diirften wohl kaum noch funktionsf/~hige Zellorgane darstellen, in denen die oxydative Phosphorylierung in nennenswertem MaBe star,linden k~nn. Damit scheint Sphaerocarpos yon dem Bauprinzip abzuweichen, nach dem begeiSelte und gut bewegliche mannliehe Fortpflanzungszellen deutlieh ausgebildete Miteehondrien besitzen. - - Nun zeigen die in Regenwasser freigesetzten Spermatozoiden von Sphaerocarpos naeh einer 1/2 Std keine Schwimmbewegungen mehr. Dieser rasche Verlust an Bewegliehkeit mag in ~ e m Fehlen yon funktionsf/s Mitochondrien zumindest teilweise ~eine Erklarung linden. Cytoplasmatische Grundsubstanz und Vesikel. Die Bereiehe des Plasmastficks, die nieh~ yon Plastiden oder anderen Zellbestandteilen ausgeffillt sind, wirken auf den elektronenmikroskopisehen Aufnahmen leer. Ribosemen, mit denen die eytoplasmatische Grundsubstanz der sieh entwiekelnden Spermatozoiden noch reiehlich ausgestattet ist, seheinen vSllig zu fehlen. Die Abwesenheit der Ribosomen d/irfte verst/~ndlich sein, da in den ausgewaehsenen, kurzlebigen Spermatozoiden wohl keine Pro~einsynthese mehr in wesentlichem Umfange abl~uft. Teite des endoplasmatisehen Retieulums bleiben im Plasmastfick reifer Spermatozoiden erhalten. Sie k6nnen als Membrans~iicke untersehiedlicher L~nge konzentrisch angeordnet sein (Abb. 26) oder ohne 10"
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L. DIERS:
Legenden s. S. 139
Spermatozoidfeinbau einer Lebermoosart
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siehtbare 0rdnung vorkommen (Abb. 25). Ferner treten gelegentlich noch kleinere Vesikel auf (Abb. 25, 31), deren Herkunft vom endoplasmatisehen l~etieulum oder yon Dikbyosomen ungewi$ ist. Strukturen, die man als Diktyosomen bezeichnen kSnnte, wurden nicht mehr festgestellt, obwohl die sich in Spermatozoiden umformenden Spermatiden regelm~Big diese Ze]lorgane nfit dem ffir Pflanzenzellen charakteristisehen Bau enthalten. Das Plasmastfick besitzt ferner KSrper (Abb. 28), die in ihrem Aussehen sehr den sehon mehrfaeh beschriebenen ,,multivesieular bodies" (SoTELO und PORTE~, 1959; NOVIKOFF, 1961) gleichen, und die daher auch am zweekmiiBigsten als solehe bezeichne~ werden. Schliel31ich kommen noeh Vaeuolen vor (Abb. 31). Es ist jedoeh fraghch, ob sie in jedem Spermatozoid vorhanden sind, da verh~ltnism~/3ig selten Anschnitte dureh entspreehende Gebilde anftreten. Die Plasmastiicke scheinen keine Lipidtropfen mehr aufzuweisen, die in den Spermatiden zu mehreren in jeder Ze]le liegen. Die LipidkSrper dienen vermutlich w~hrend der Spermatozoidentwicklung als Reservesubstanz und werden schliel3lieh wohl vollstitndig aufgebraucht. Geil3el Querschnittsbilder zeigen, da~ auch bei den Geil3eln von Sphaerocarpos das Bauprinzip verwirklicht ist, das bei Cilien und Fl~gellen im Pflanzen- und Tierreich welt verbreitet ist (FAWCETT, 1961). Neun Gruppen zu je zwci Fibrillen, die unmittelbar aneinanders~ol3en, sind etwa kreisfSrmig um zwei im Zentrum sich nicht berfihrende Fibrillen angeordnet (Abb. 9, 29). Der Duchmesser der hob] erscheinenden Fibrillen betritgt etwa 200 A. Jeweils eine Fibrille yon jedem der randlichen Fibrillenpaare steh~ dem GeiBelzentrum etwas n~her als die benachbarte Fibrille. Zwischen den 18 peripher und 2 zentral gelegenen Fibrillen bestehen offenbar Verbindungen. Die Struktur dieser Verbindungen erscheint zum Tell sehr feinfi~dig, zum Tell sind aber an ihrer Zusammensetzung auch dfinne, im Durchmesser etwa 70 ~ weite, ebenfa]ls hohl aussehende Fibrillen beteiligt (Abb. 29). Auf median oder fast Abb. 25. Sehnitt durch Plasmastfick m i t Fibriilenscheide •; im Cytoplasma Membranen des endop[asmatischen l%eticulums E und kleinere Vesikel; S schr~g angeschnittene Spermatozoidmembran. KMnO4, Vergr. ~37500 • Abb. 26. Schnitt durch Plasmasttick m i t konzentrisch angeordneten Membranteilen des endoplasmatischen l~eticulums E; Fibrillenscheide T'; Leukoplast Z und links daneben membranhaltiger XSrper. Kl~nO4, Vergr. ~30000 • Abb. 27. L~ngsschnitt durch den ge6ffneten :t/alskanal m i t zahlreichen eingedrungenen Spermatozoiden; H ttalswandzelle. KMnO,, Vergr. ~7200 • Abb. 28. 2r K6rper aus einem Plasmastfick. OsO4, Vergr. ~80000 • Abb. 29. Querschnitt dutch eine Geil~el. Zwischen den neun randlichen Fibrilienpaaren und den zwei zentral gelegenen Fibrillen bestehen Verbindungen, an denen feine, nut etwa 70 _~ breite, Fibrillen beteiligt sind Z . OsO4, Vergr. ~120000 • Abb. 30. L~ngsschnitt durch zwei nebeneinanderliegende Geil3eln. I n der oberen Gei~el sind f$idige Verbindungen zwischen den mittleren und randlichen Fibrinen erkennbar ~. Os04, Vergr, ~ 6 2 0 0 0 x
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L. DIEI~S:
median geffihrten L~ngsschnitten durch die GeiBel, erkennt man ebenfalls, da~ zwischen den mittleren und randlichen dieken Fibrillen feinere Strukturen auftreten (Abb. 30). Die Geil~el wird yon einer doppelten, bis zu etwa 100 ~ dieken Membran umgeben, die der ebenfMls doppelten Spermatozoidmembran vSllig gleicht. Die Spermatozoiden im Arehegonium Bisher wurde die Feinstruktur der Spermatozoiden, die sieh aul]erhMb des Antheridiums oder h6ehstens vor der geSffneten HMsspitze des Arehegoniums befinden, betrachtet. Es stellt sieh nun die Frage, ob sic diesen Feinbau beibehMten, wenn sie in das Arehegoninm zur befruehtungsf~higen Eizelle eindringen. Das ~bersichtsbild (Abb. 27) zeigt ein Stiick eines l~ngsgesehnittenen ArehegonhMses. Zahlreiehe Spermatozoiden befinden sich, zum Tell zu mehreren dieht nebeneinander liegend, in einer sehwaeh kontrastierbaren Masse, die den ttMskanM ffillt. In dieser Masse lassen sieh rundliche dunklere Gebfide unterscheiden (Abb. 32). Sie ~hneln in ihrer GrSl~e und ihrem KontrastierungsverhMten sehr dem InhMt der Vesikel, die sich w~hrend der Eizellreifung von den Diktyosomen der HMskanMzellen abl6sen, zum PlasmMemma wandern, mit diesem versehmelzen und dabei ihren InhMt in dem l~aum aul~erhMb des Plasmalemmas abgeben (DI~RS, 1965b). Die Gebilde im ge6ffneten HalskanM dfirften wohl mit dem InhMt der Diktyosomenvesikel identisch sein. Strukturierte l~este der vier HMskanMze]len sind nicht mehr erkennbar; sie werden wohl ss bei der 0ffnung des tIMses ausgestoi~en. Die eingedrungenen Spermatozoiden bestehen aus dem Kopfabschnitt mit den daran hs Geil~eln und dem Kernteil. Bei allen untersuchten 1)riiparaten und Aufnahmen konnte ein Plasmastiick am Spermatozoid nieht mehr festgestellt werden. Da offensichtlieh viele Spermatozoiden ihren Cytoplasmaanhang noch besitzen, wenn sie die ArehegonhMsspitze erreichen, diirfte er sp~itestens beim Eindringen in den ArchegonhMs abgestreift werden. Damit werden lichtmikroskopische Beobachtungen (vgl. I:~ICKETT,1923; SC~An~, 1941; MAI~TON, 1957; U. a.) best~itigt, nach denen die Plasmastiicke der frei schwimmenden Spermatozoiden verlorengehen. Diese lichtmikroskopischen Untersuchungen erlaubten jedoch nicht, mit Sicherheit zu entscheiden, ob der Cytoplasmaanhang ganz oder nut teilweise abgestreift wird, un4 welche Zellbestandteile mit ibm vom Spermatozoid abgetrennt werden. Die elektronenmikroskopischen Bilder zeigen nun klar, dM~ offensichtlich das gesamte endst~ndige I)lasmastfick mit den darin eingeschlossenen Mitochondrien, dem sts Leukop]asten, den Membranen des endoplasmatisehen Reticulums, Vacuolen und anderen Vesikeln nicht in das Archegonium hineingelangt. Der Kernteil der eingedrungenen Spermatozoiden
Spermatozoidfeinbau einer Lebermoosurt
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Abb. 31. Schnitt durch Plasmastfick. F Fibrillenscheide; L Leukoplast m i t einigen StarkekSrnern; S Spermatozoicbnembran; V Vacuole und kleinere Vesikel im Plasma, K~'[nO~, Vergr. ~ 3 1 2 0 0 • Abb. 32. Angeschnitfene Spermatozoiden im lnnern des l~ngsgeschnittenen Archegonhalses kurz oberhalb des Archegonbauchteils. G Gei~el; K Kernteil; K o Kopfabschnitt m i t membranhaltigem KSrper; Ve Inhalt der Diktyosomenvesikel, der yon den l~alskanalzellen des Archegoniums in den R a u m au/]erhalb des :Flasmalemmas abgegeben wurde. KMn04, Vergr. ~25000 • Abb. 33 a und b. Zwei aufeinanderfolgende Schnitte durch den Kopfteil r Spermafozoids. In dem membranhaltigen Gebilde, das den KopfteiI weitgehend ausffillf, liegen stark kontrastierbare K6rperchert / (vgl. Abb. 23). KMnO~, u ~60000 •
(Abb, 32) scheint sich nioht vom Kernabschnitt der noch vor der Archegonh~lsspitze liegenden Spermatozoiden zu untersoheiden, Lediglich die Fibrillenscheide ist nicht mehr erkennbar. Sie dfirfte wohl mit dem Plasmastiick abgestreift werden.
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L. DIEts:
Der Kopfabsehnitt besitzt den gleiehen Aufbau wie in den Spermatozoiden, die sieh noeh auBerhalb des Arehegons befinden. E r besteht vor allem aus einem K6rper, der von einer doppelten Membran umgeben wird, und der in seinem Innern einige Doppelmembranen enth/~lt, die meist in Lgngsrichtung der Zelle yon der einen Seite der Umgrenzungsmembran bis zu ihrer gegenfiberliegenden Seite verlanfen (Abb. 33). In seiner Matrix zeigen sich ge]egentlieh kleinere stark kontrastierbare Granula (Abb. 33). Dieser K6rper im Kopfstfiek gleicht in seinem Aufbau vSllig den membranhaltigen Gebflden, die sehon im Absehnitt fiber die Plastiden des Plasmastfieks besehrieben wurden. Er scheint yon allen gr6Beren cytoplasmatischen Bestandteilen des Spermatozoids, die nach den hier benutzten Fixierungsmethoden im Elektronenmikroskop erkennbar sind, allein mit dem Kern unmittelbar his an die Eizelle zu gelangen und kann m6glieherweise wghrend der Befruchtung zusammen mit dem Spermatozoidkern in die Eizelle eindringen.
ZusammeIlfassuIlg Das reife, aus dem Antheridium entlassene Spermatozoid setzt sieh aus den drei Abschnitten: Kopfteil, Kernabsehnitt and dem daran ansehliegenden Plasmastfiek zusammen. Im Kopfabschnitt entspringen die beiden GeiBeln. Jede GeiBel zeigt den typisehen Aufbau yon neun randliehen Doppelfibrillen um zwei zentral gelegene Fibrillen. Zwischen den peripher und zentral liegenden Fibrillen, deren Durehmesser etwa 200 • betrggt, bestehen Verbindungen, die zum Tell als etwa 70 A breite, hohl erseheinende Fibrillen ausgebildet sind. Die GeiBel wird yon einer etwa 100 A dieken Doppelmembran umgrenzt. Im Kopfabsehnitt befindet sieh ein membranhaltiger K6rper, der als stark umgewandeltes Mitoehondrium oder als Plastide anzusehen ist. Der Kernteil wird fast ganz yon dem h6ehstens 0,4 ~ breiten und etwa 13 ~ langen Kern eingenommen. In der diehten Kernsubstanz sind etwa 25--40 A breite Fibrillen erkennbar, die gelegentlieh eng zu diekeren Bfindeln zusammengepaekt sein k6nnen. Eine typiseh ausgebildete doppelte Kernmembran fehlt. Selten lgBt sieh eine nur 40--60 A breite, stark kontrastierbare Linie feststellen, die m6glieherweise als extrem reduzierte Abgrenzungsmembran des Kerns gedeutet werden kann. Zwischen dem Kern und der das ganze Spermatozoid umsehlieBenden, doppelten, etwa 80--100 A dieken Membran, die als etwas verbreitertes Plasmalemma anzusehen ist, kann sieh ein schmaler Cytoplasmastreifen einschieben. Das Plasmastfick umfaBt den grogen Leukoplasten, Mitochondrien, Membranen des endoplasmatisehen Retieulums, multivesikulgre K6rper, kleinere Vesikel und gelegentlich Vaeuolen. Im Innern des Leukoplasten
Spermatozoidfcinbau einer Lebermoosart
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befinden sich zahlreiche, bis zu 0,2 ~ gro/~e St/irkekSrner u n d n u r selten einige R e s t e des M e m b r a n s y s t e m s . Die Mitochonch'ien besitzen i m Vergleich zu den e n t s p r e c h e n d e n Zellorganen der S p e r m a t i d e n eine oft s t a r k v e r a n d e r t e 8 t r u k t u r . F e r n e r t r e t e n i m P l a s m a s t i i c k K S r p e r auf, die y o n einer D o p p e l m e m b r a n u m g e b e n sind u n d in i h r e m I n n e r n D o p p e l m e m b r a n e n a u f w e i s e n . Sie gleichen in ihrem B a u vSllig d e m m e m b r a n h a l t i g e n K S r p e r im K o p f a b s c h n i t t u n d dfirften s t a r k umgef o r m t e M i t o c h o n d r i e n oder P l a s t i d e n darstellen. U n m i t t e l b a r u n t e r der S p e r m a t o z o i d m e m b r a n b e f i n d e t sich eine ffir Pflanzenzellen ungewShnliche S t r n k t u r , die als Fibrillenseheide bezeiehn e t wird, u n d die sich meistens yore K e r n a b s c h n i t t bis in das P l a s m a stiick der Zelle a u s d e h n t . Die 4 0 0 - - 8 0 0 A dicke Fibrillenscheide b e s t e h t aus bis zu 30 n e b e n e i n a n d e r liegenden, hohl erseheinenden F i b r i l l e n m i t einem D u r e h m e s s e r y o n e t w a 1 8 0 - - 2 2 0 A . Die b e i d e n endst/~ndigen F i b r i l l e n jeder Seheide besitzen einen grSBeren D u r c h m e s s e r y o n e t w a 3 0 0 A . Die F i b r i l l e n werden y o n einer D o p p e l m e m b r a n gegen die S p e r m a t o z o i d m e m b r a n u n d andere Teile d e r Zelle abgegrenzt. Sp~testens b e i m E i n d r i n g e n des S p e r m a t o z o i d s in den geSffneten Arehegonhals wh-d das P l a s m a s t i i e k abgestreift. Das bis zur Eizelle v o r g e d r u n g e n e S p e r m a t o z o i d b e s t e h t n u r noeh aus d e m K o p f a b s e h n i t t u n d d e m ansehliel]enden Kernteil. Die Untersuehungen wurden mit Unterstfitzung der Deutschen Forschungsgemeinschaft durchgeffihrt. Herrn Prof. Dr. W. MENKE danke ich ftir Diskussionen, Fraulein M. ADRIANffir ihre gewissenhafte Hilfe bei den Fotoarbeiten.
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