Planta, Bd. 50, S. 461~97 (1958)

Aus dem Botanischen Institut der Universit/~t Freiburg i. Br. UNTE1%SUCHU-NGEN U B E R DAS WACHSTUM UND D E N F E I N B A U DEI~ Z E L L W A N D E I N DE1% A V E N A - K O L E O P T I L E * Von

HARALD BSHMEtr Mit 22 Textabbfldungen (Eingegangen am 7. September 1957)

A. Einleitung Beim Streckungswachstum der pflanzlichen Zelle vergr6Bert sich die Oberfl/~che der Zellwand sehr stark. Um die Mechanik dieser Ober: fl/~chenvergrSBerung zu kl/iren, ist zun/~chst eine genaue Kermtnis des Feinbaues der Zellwand nStig. Untersuchungen mit polarisier~em Licht und RSntgenstrahlen ergaben, dab die Cellulose in der prim/~ren Zellwand in Form yon sublichtmikroskopischen FibrilleI~ vorliegt, die ein loses Netzwerk bilden (FREY 1926, H ~ 1933 und 1934, Fg~v-WYssLi~G 1935). Dutch das Elektronenmikroskop konnten dann die Cellulosefibrillen in maeerierten Zellw/inden direkt sichtbar gemacht werden. Nun wurde versucht, das Wachstum der Zellw/~nde besonders dureh elektronenoptische Untersuchungen zu kl~ren. Die Ergebnisse fiihrten zur Aufstellung yon drei verschiedenen Waehstumstheorien: Mosaikwachstum (Ft~v,u und ST~CH~,I~ 1951), ,,multi-net-growth" (RO~LOFS~ 1951) und bipolares Spitzenwachstum (M~HImTHAI,~I~ 1950b). ]~REY-WYssLING und ST]~C~ZE~untersuchten die Wandstruktur yon macerierten meristematischsn Zellen aus der Wurzelspitze yon Maiskeimlingen. In den macerierten Zellwanden zeigten sich im Elektronenmikroskop ovale Loekerstellen in der Fibrfllenstruktur. Die Aufn~hmen erwecken den Eindruck, dab die Fibrillen an diesen Stellen auseinandergedriickt wurden, da sich um die Auflockerungsfelder haufig zirkular verlaufende Fibrillen befinden; die Umgebungszone ist auch oft verdickt. FREu und STECHEX deuten diese Befunde wie folgt: Das interfibrill~re Plasma erf~hrt in lokalen elliptischen Stellen ein starkes Wachstum, w/ihrend die Bildung neuer Cellulosefibrillen fiir kurze Zeit unterbleibt. Dadureh werden die bereits niedergelegten Mikrofibrillen auseinandergedriingt. Ents~ehen viele solche Aufsprengungen gleichzeitig, so ergibt sich aus dieser mosaikartigen Yelderung ein Streckungswaehstum der Zellwand. Die ausgeweiteten Areale werden nachher dutch Einflechtung neuer Cellulosefibrillen wieder zu einer einheitlichen Textur verdichtet. Dieser Vorgang spielt sich abwechslungsweise auf der ga.nzen Zellwandflache ab. Das F1/~chenwachstum der Meristemzellw/~nde bcstcht demnach in einem zeitlich gestaffe]*enMosaikwaehstum (FI~-WYssLI~G und ST~CI~I~ 1951). * Dissertation der ~Naturw.-Math. F~kult~t der Universit~t Freiburg i. Br. 32

Planta. l~d. 50

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H~.

BSH~a:

ROELOFSE~ untersuchte macerierte Haare yon Ceiba pentranda, Asclepius eornuti und Gossypium im Elektronenmikroskop und fund eine Art WandvergrSBerung, die er ,,multi-net-growth" nannte. ROELOFSE~ konnte drei verschiedene Fibrillenschichten in der Zellwand unterscheiden: In der ~uBeren Schicht sind die Fibrillen in der L~ngsriehtung locker gelagert; in der mittleren Schicht siud die Fibrillen aueh noch axial orientiert, aber enger verflochten; in der inneren Schicht liegen sie quer zur Wachstumsrichtung. I~OELO~SE~nimmt nun an, dab beim Wachsturn innen standig Fibrillen in der Querrichtung eingelagert werden. Dm Wand vergrSBert sich auf der ganzen Fl~che, und dadurch werden die Fibrillen der welter aufien ]iegenden Schichten mehr und mehr in die L~ngsrichtung gezogen. Die neuen Fibrfllen liegen also zun~chst quer in der Innenwand; durch sparer hinzukommende Fibrillen werden sic langsam in die ~uBeren Wandschichten gedr/~ngt. Dabei ver~ndern sic stetig ihre t~ichtung, so dab sic schliel~lich, wean sic ganz auBen angelangt sind, meist parallel zur L~ngsachse der Zelle verlaufen (ROELOFSE~ 1951). Die gleiehe Art der Wandvergr6Berung fanden ]~OELOFSE~und ~OUWINKdann sp~ter auch bei den Markze]len yon Juncus. Vor dem Streekungswachstum sind die Fibrillen aueh in der Kul~eren Schicht vorwiegend quer orientiert. Bei der MembranvergrSBerung werden dam1 die Fibrillen der ~uBeren Wandschichten axial umorientiert, w~hrend innen st~ndig neue Cellulosefibrillen eingebaut werden, die senkrecht zur L~ngsachse liegen (I~OELOFSENund HOUWINK1954). ~[~I~LETttALEI~ maeerierte MaJs- und Haferkoleoptilen versehiedener Wachstumsstadien und untersuchte das Cellulosegeriist im Polarisations- und im Elektronenmikroskop. Bei Parenchymzellen beobaehtete ~r schon in sehr friihen Waehstumsstadien Kantenverst~rkungen aus enggelagerten, lgngsorientierten Fibrillen, die nach seiner Auffassung eine gleiehm/~Bige Dehnung der Wand in der L~ngsrichtung unm6glieh machen. Die Epidermiszellen zeigten besonders starke Verdickungen der Auitenwand. Mi)~L~T~Ar,~ konnte dann an wenigen Zellen aus der Hauptstreckungszone im Polarisationsmikroskop beobachten, dab die Wand zu den Polen bin dtinner wurde. Aufnahmen mit dem Elektronenmikroskop besti~tigten das: Bei Parenchym- nnd Epidermiszellenwurde das Geflecht der Fibrillen zu den Polen hin lockerer. ~U]~LETtt2kLEt~,schl0B aus seinen Beobachtungen, dull sich die Parenchymzellen und die Epidermiszellen der AvenaKoleoptile nicht durch Intussuszeption auf der ganzen Wandfl~che vergrSl~ern, sondern nur dutch ein bipolares Spitzenwaehstum; d. h. die Prim~rwand wird an beiden Zellenden durch Anbau neuer Fibrillen vergrSBert (M~:gLET~MLEE1950b). Diese SehluBfolgerungen Mi2HLET~ALE~Swurden vielfach anerkannt (Fl~.Y-WYssH~o 1953; F~Eu 1955; HA~S1955), obwohl sie nicht unbestritten blicben (CASTLE 1955; W ~ n ~ o ~ 1955, 1956; SCOTT,HA~/s ]~At~EI~,und BOWLE~ 1956). W e n n M O H L E T ~ E R S Schlul~folgerungen richtig sind, mul~ also b e i m S t r e c k u n g s w a c h s t u m die N e u e i n l a g e r u n g y o n Cellulose vorwiegend a n d e n P o l e n der Zelle s t ~ t t f i n d e n . Liegt dagegen aber Mosaikwachstum oder , , m u l t i - n e t - g r o w t h " vor, so wird auf der g a n z e n Wandfl/~che Cellulose eingelagert. Es scheint n u n angebraeht, d e n Ort der Celluloseeinlagerung direkt zu b e s t i m m e n : F t i h r t m a n der Zelle m i t ~aC-markierte Glucose zu, so wird diese z u m Tefl zu Cellulose s y n t h e t i s i e r t u n d i n die Zellwand eingebaut. E n t f e r n t m a n das P l a s m a u n d alle a n d e r e n nichtcellulosischen B e s t a n d t e i l e d u r c h Maceration m i t v e r d i i n n t e n Si~uren a n d L a u g e n a n d bedeckt das fibrigb]eibende Cellulosegerfist der Zellwand m i t einer photo-

Waehstum und Feinbau der Zellw/inde in der Avena-Koleoptile

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g r a p h i s c h e n Sehicht, so w i r d a n d e n Stellen, wo die m i t 14C-markierte

Cellulose eingel~gert wurde, durch die ~.8~r~hlung eine 8chw/irzunghervorgerufen. A u s einer k u r z e n M i t t e i l u n g W~mDROrs m i t rein q u ~ l i t a t i v e n E r g e b nissen g e h t hervor, d a b sich bei A n w e n d u n g dieser M e t h o d e keine H i n weise fiir ein S p i t z e n w a c h s t u m ergaben. E s b l e i b t a b e r die F r a g e often, ob die Celluloseeinlagerung anf d e r g a n z e n Wandfl/~ehe gleichm/~ftig erfolgt oder ob es b e s t i m m t e S y n t h e s e z e n t r e n g i b t (WA~D~Or 1956). Z u r LSsnng des P r o b l e m s muff die Intensit/~t d e r Schw~rzungen d u t c h geeignete V e r s u c h s b e d i n g u n g e n so vergrSl~ert werden, d a b q u a n t i t a t i v e A n s w e r t u n g e n mSglieh sind. A n d e r e r s e i t s liegt es nahe, d u r c h geeignete Methoden, wie A u f z u c h t im D u n k e i n u n d Z u f u h r y o n s y n t h e t i s c h e m Wuehsstoff, das Streekungsw a e h s t u m b e s o n d e r s zu fSrdern, u m d a d u r c h die bei d e r S t r e c k u n g eint r e t e n d e n Ver/~nderungen in d e r A n a t o m i e d e r Z e l l w a n d m i t d e m Lichtu n d d e m E l e k t r o n e n m i k r o s k o p u m so d e u t l i c h e r b e o b a e h t e n zu kSnnen.

B. Material und Methode I. A n a t o m i e und Anzucht der Avena-Koleoptile, unseres Untersuchungs-

objektes Die Koleoptile besteht aus drei verschiedenen Sehichten: /~uBere Epidermis, innere Epidermis und Parenchym. Die Zellen der gul]eren Epidermis erreichen bei einem konstanten mittleren Durchmesser yon 25# eine maximale Lgnge yon 3000/~. Die/~uBere Tangenti~lwand ist sehr stark verdickt, in schw/~eherem Mal]e auch die innere. Die Radialwgnde bleiben diinn. Die Parenchymzellen erreiehen eine maximale L/~nge yon 600# bei einem mittleren Durchmesser yon 40#, die Vertikalw/inde werden dutch 1/~ngs verlaufende Kantenverstgrkungen verdickt (Abb. l l a, 11 b, 12 b, 13b,). Die Wandfl/ichen zwisehen den KantenversCgrkungen sind yon Tfipfeln durchbroehen (Abb. 14a, 15). Eine Sekundgrwand wird bei den Parenehymzellen der Avena-Koleoptilenieht angelegt. Die Zellen der inneren Epidermis unterscheiden sich yon den Parenehymzellen durch grSBere L/inge und durch eine verdickte/~uBere Tangentialwand. Die beiden Leitbiindel bestehen aus Xylemund Phloemprimanen. Ein aktiver Vegetationskegel an der Spitze der Koleoptile fehlt. An seiner Stelle befinden sich isodiametrische, sehr plasmareiehe Zellen. Wenn die Koleoptile das Wachstum fast beendet hat, bricht 2 mm unter der Spitze das sog. Prim/~rblatt dureh. Die Zellen an dieser Durchbruchszelle sterben schon vorher ab (AVERY 1930). Der Haler (Sval6fs Siegeshafer) wurde zun~chst entspelzt, 2 Stunden lung in destilliertem Wasser gequollen und auf feuchtem FlieBpapier bei 250 C, ca. 90% Luftfeuchtigkeit und Dunkelheit zur Keimung ausgelegt, l~ach 15 bis 35 Stunden (entsprechend den versehiedenen Versuchsbedingungen) wurden die Keimlinge, eingeschlagen in ein Stiiek FlieBpapier (5 x 5 cm), in ein bis zur tt/~lfte mit destilliertem Wasser gefiilltes Glas yon 5 em HShe und 1,5 em Weite gebraeht.

II. Methoden zur Erhfihung des Streekenwaehstums W~hrend die Avena-Koleoptile am Tageslicht hSchstens 20 mm lang wird, erreicht sie im Dunkeln bei einer Temperatur yon 250 C und einer Luftfeuchtigkei~ yon ca. 70% eine maximale L/inge yon 55 mm. l~Ianta. Bd. 50 32a

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HARX~Dt~5~MER'

Durch Zufuhr yon synthetischem Wuchsstoff l~fit sich das Streckungswachstum erhShen. Glasr6hren yon 3 bis 5 mm Weite und 40 mm L/inge wurden an einem Ende zu einer Capillare ausgezogen und mit Wuchsstoffl6sung (fl-Indolylessigs/~ure ~ IES, Merck reinst, 10 -5 molar) gefiillt. I~aeh VcrschlieBen der Capfllar6ffnung mit Wollfett wurden die R6hren an einem Stativ so angebracht, dal~ sie in der H6he verste]lt und dann tiber die Spitzen der Koleoptilen gestiilpt werden konnten. So konnte die natfirliche Wuchsstoffproduktion in dcr Koleoptilspitze kfinstlich verst~rkt werden. Die Koleoptilen erreiehten eine maximale L/~nge yon 80 mm. I I I . B e s t i m m u n g des 0 r t e s der C e l l u l o s e e i n l a g e r u n g d u r c h 14C-markierte I t e x o s e n

1. Zu/i~hrung des Zuclcers Aus Koleoptilen verschiedener GrSi]e wurden Sektionen yon 5 mm L/~nge 3 bis 5 mm unter der Spitze entnommen. Nach Entfernung des Prim/~rblattes kam jede Sektion in cine L6sung (0,3 em a Aqu~ dest.), die Wuchsstoffe (10mg/1) sowie Glucose und Fructose (je 0,5 g/l) enthielt. Ein Teil der Glucose und der Fructose war mit kiinstlich radioaktivem Kohlenstoff markiert. Die Gesamtaktivit/~t der zugesetzten 14C-markierten Zucker betrug je nach den Versuehsbedingungen 5, 10 oder 15#C. Die radioaktive Substanz wurde fiber das Isotopenlaboratorium der Med. Forschungsanstalt der Max-Planck-Gesellschaft zur F6rderung der Wissensch~ften e. V., GSttingen, aus England bezogcn, l ~ h e r e Bezeichnung der markierten Zucker im Katalog des Radiochemical Centre Amersham: CFB 24, Sugar-Clt (G), (mainly invert sugar), Batch 2. Die Sektionen zeigten gegeniiber solchen, die in einer nicht radioaktiven L6sung wuchsen, eine durchschnittliche Wachstumshemmung yon 10 bis 15%. Diese Hemmung wurde wahrscheinlich durch Verunreinigungen des Invcrtzuckers verursacht.

2. Maceration Die Sektion kam in cine 4 mm lange und l0 mm weite GlasrShre. Das unterc, mit einem Glasporenfilter versehene Ende diescr RShre tauchte in ein mit Wasser geffilltes Uberl~ufge~/~B. Dieses lJbcrlaufgefi~l] wicderum stand in einem heiBen Wasserbad. Das obere Ende der Glasr6hre wurde mit einer 60 cm langen Bfirette verbunden. Die Macerationsfliissigkeiten liefen dann langsam yon der Biirette in die kurze GlasrShre und welter durch das Filter in das ~berlaufgefaI3. Durch das heiBe W~sserbad herrsehte fiber dem Gl~sporenfilter eine Temperatur yon 900 bis 950 C. Tropfte die Flilssigkeit sehr langsam zu, so konnten mehr als 95 o C erreicht werden. Die 50 cm 3 fassende Biirette wurde zuerst mit 4%iger Schwefels/~ure und dann mit 4%iger Kalilauge gefiillt. Nach dieser Behandlung war die Koleoptile noch nicht in die einzelnen Zellen zerfallen. Durch kr/~ftiges Schfitteln mit einer Glaskugel 16sten sich dann die L~ngsw/~nde der Zcllen vollst~ndig voneinander, w/~hrend sieh die Querw~nde oft noch nieht trennten. Die durch das Schiltteln weitgehend isolierten Zellen wurden dann noch mit 50 cm ~ Wasser ausgewaschen. ])as Wasser wurde nach Durchlaufen der Zellsuspension in der Glasr6hre mit R6ntgenfilm auf Radioaktivitat geprfift.

3. ,,Stripping-Film "- Technik Die Zellsuspension kam auf Objekttr/~ger, die vorher mit einem sehr diinnen Chromalaun-Gelatine-Uberzug versehen worden waren (lt. Kodakanweisung). Bei manchen Versuchcn wurden dann noch die Zellw/~nde mit Benzo~zurin (0,2 g au~ 100 cm a Wasser) angef~rbt. Sobald das Wasser verdampft war, konnten die Objekt-

Wachstum und Feinbau der Zellwhnde in der Avena-Koleoptile

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tr~ger bei schwachem Griinlieht mit der ~re~r~gefid/en;:phetographischen Emulsion der ,,Kodak Autoradiographie Plates" (Kodak Ltd. London) iiberzogen werden (It. Kodakanweisung; GRoss, BOGOROC~,NADLEt~und LEBLO~I) 1951). Naeh dem Trocknen der Filmschicht durch einen staubfreien, kalten Luftstrom wurden die Pri~parate in lichtdiehten Ki~sten bei 15 bis 180 C auibewahrt. Nach einer Expositionszeit yon 6 bis 30 Tagen konnten die ,,stripping-film"-Pr~parate entwiekelt werden (in Kodak D 19 B). Die StammlSsung wurde im Verh~ltnis 1 : 3 mit Aqua dest. verdiinnt. Die Entwicklungszeit betrug 8 bis l0 Minuten. Die Expositionszeiten sind z.T. mit RSntgenfilm (Agfa-Super-Spezial-Sieherheitsfilm) bestimmt worden. RSntgenfilm ist etwa ]00real empfindlicher Ms die feinkSrnigere SChicht der ,,Kodak Autoradiographic Plates". Werden die mit den macerierten Zellen versehenen Objekttri~ger mit RSntgenfilm bedeckt, so zeigen sich daher schon in wenigen Tagen naeh der Entwieklung deutliche Schw~rzungen, aus dere Intensit~t die Expositionszeiten fiir die ,,stripping-film"-Priiparateberechnet werden kSnnen.

4. Photometrische SchwiSrzungsmessung Es wurden die yon den ungef~rbten Zellen hervorgerufenen Sehwhrzungen unter konstanten Bedingungen im Mikroskop photographiert (Zeiss-Opton Mikroskop, Leiea-Aufsatz, Leica Ig, Agfa-Agepe-Dokumentenfilmi und die Negative mit einem Bildwerfer (Leitz Prado 250 W, Objektiv: Leitz Hektor, f~8,5 era, 1:25) an eine weil~e Wand geworfen; der Abstand zwischen Bildwerfer und Projekti0nsfli~che war stets gleich. Die Helligkeitsuntersehiede auf den Negativen konnten so mit einer an ein Luxmeter angesehlossenen Photozelle (yon der l~irma AEG) gemessen werden. Der Ausschlag des Luxmeters ist dann ein MaB flit die Intensiti~t der Neueinlagerung you Cellulose.

IV. MikroskopischeUntersuchungen 1. Polarisationsoptische Untersuchungen Es wurde ein Zeiss-Opton Mikroskop, Stativ W, mit einer Zeiss-Opton Polarisationseinrichtung benutzt. Die photographischen Aufnahmen sind mit einer Leica Ig auf Agfa-Agepe-Dokumentenfilm gemacht worden. a) Fixierung, Maceration. Die fiir die mikroskopischen Untersuchungen vorgesehenen Koleoptilen wurden zungchst in einer LSsung, die 70% Alkohol, 5% Essigs~nre und 25% Wasser enthielt, fixiert und dann naeh dem unter I I I 2 beschriebenen Verfahren maceriert. b) F~rbung mit Benzoazurin, Dichroismus. Die Zellsuspension wurde mit einer Benzoazurin-LSsung (4 g Benzoazurin und 2 g Soda auf 100 cms Aqua dest.) im Verhgltnis 1 : 1 versetzt, auf Objekttr~ger gebracht nnd mit einem Deckglas bedeckt. Sobald sich das Benzoazurin unmittelbar am Rand ausgeschieden hatte, war die Blaui~rbung der Zellw~nde am intensivsten und die FarblSsung selbst nut noch sehwach blau. Die Fgrbung der Cellulosefibrillen mit Benzoazurin ruft einen starken positiven Diehroismus hervor. Das Zustandekommen dieses Dichroismus ist noch nieht vSllig geldgrt (FREY 1928; WUgn~IAx~-MErs,I~ 1939). Wahrscheinlieh besitzen die einzelnen Benzoazurin-Molekiile oder -Kristalle schon einen Dichroismus, d.h. der Grad der Absorption des linear polarisierten Lichtes dureh das Molekiil oder den Kristall hi~ngt yon ~ter Einfallsebene des linear polarisierten Liehtes ab. Bei einer bestimmten Einfallsebene wird ein Absorptionsmaximum erreieht, bei einer dazu um 900 gedrehten Ebene ein IVIinimum. Die Benzoazurin-Teilchenwerden nun yon den Cellulosefibrillen gerichtet adsorbiert und zwar so, dab die Richtung der stgrksten Lichtabsorption mit der Lgngsachse der Cellulosefibrille zusammenfi~llt. Planta. Bd. 50

32b

466

H~A~. B6~E~:

Beobaehtet man also im Polarisationsmikroskop bei eingeschaltetem Polarisator und ~usgeschaltetem Analysa?~or parallel liegende, mit Benzoazurin ~ngef/irbte Zellulosefibrillen, so ist die Blauf/irbung dann am intensivsten, wenn die Fibrillen in Richtung der Polarisationsebene liegen; die F/~rbung verschwindet fast ganz, wenn die Fibrillen senkrecht zur Polarisationsebene liegen. e) Photometrisehe Bestimmung des mittleren Steigungswinkels der Zellulosefibrillen zur Queraehse der Zelle mit Hilfe des Benzoazurln-Diehroismus. Zur Bestimmung des durehschnittlichen Steigungswinkels der Zellulosefibrillen zur Querachse der Zelle wurde fo]gende Methode entwickelt: Photographiert man unter konstanten Bedingungen bei eingesehaltetem Polarisator und ausgesehalte*em Analysator eine mazerierte, mit Benzoazurin gef~rbte Zelle einmal parallel zur Sehwingungsebene des linear pol~risierten Lichtes und einmal senkrecht dazu, so erh~lt man zwei Negative, die sieh, wie unter H I 4 besehrieben, photometriseh ausmessen lassen. Mi0t man z. B. auf beiden Negativen die gleiehe Liehtintensit/~t, so bedeutet das, dab die Fibrillen der Zellwand in bezug zur Queraehse einen mittleren S~eigungswinkel yon 45 o haben. Allgemein gilt folgende Beziehung: L~ g(~ 900 -- W~ L 1 -~ L 2 90 o 900 2~1 ~ Luxwert in der Querlage zur Sehwingungsebene L2 = Luxwer~ in der Parallellage zur Sehwingungsebene W1 ~ Mittlerer Steigungswinkel der Fibrillen zur Queraehse W, ~ Mittlerer Steigungswinkel der Fibrfllen zur L~ngsaehse W1 = 90 o - - W~. Aus der obigen Gleiohung ergibt sieh fiir Wx, also fiir den mittleren Steigungswinkel der l~ibriilen zur Querachse: W1 = 900

L~ LI+L 2 9

Einige Beispiele: Betragt L 1 80 Lux und Le 20 Lux, so ergibt sich fiir den mittleren Steigungswinkel der Fibrillen zur Querachse: W~ = 18 ~ Betr/tgt L 1 60 Lux und Ze 35 Lux, so ergibt sich fiir den mittleren Steigungswinkel zur Querachse: W1 = 33 ~ Von der naeh IV, 1 b angef~rbten Zellsuspension wurden stets 0,2 cm a auf den Objekttr~gern mit Deekgl~sern vom Format 24 • 40 mm bedeckt. Sobald die LSsung unter dem Deekglas durch das Verdunsten des Wassers und das AuskristaIIisieren des ~'arbstoffes am ])eekglasrand hellblau geworden war, wurden die Zellen photographiert. Dureh das Verdunsten des Wassers werden die macerierten Zellen yon dem Deekglas zusammengedriiekt; das hat eine scheinbare VergrSBerung des Zelldurehmessers um 15 bis 20% zur Folge. Bei der Bestimmung des wirklichen Zelldurchmessers wurde dieser ~'ehler korrigiert.

2. Elektronenoptische Untersuchungen Die Zellen wurden nach der unter III, 2 beschriebenen Methode maeerlert und mit quarz-destilliertem Wasser gewaschen. Die elektronenoptischen Untersuehungen sind im elektronenoptischen Laboratorium des Radiologisehen Instituts der Uni~ersit~t Freiburg mit dem Siemens~bermikroskop 100 d, Baujahr 1953, gemacht worden. Die Objekttr~ger wurden mit einem Kolloidumfilm iiberzogen, mit einem Tropfen der Zellsuspension versehen und naeh dem Eintrocknen mit Wolffam-Oxyd im Vakuum bedampft. Fiir die photographischen Aufnahmen sind 6 • 9 Perutz-Kontrastplatten, die auf gleiche Platten umkopJert wurden, verwendet worden.

Wachstum und Feinbau der Zellw/inde in der Avena-Koleoptile C. Ergebnisse

467

'

I. u

Messung der ZellgriiBen in Koleoptilen verschiedener L~inge Es wurden die ZellausmaBe in einer 25 mm langen und in einer 70 mm langen Koleoptfle bestimmt. Die kleinere Koleoptile war ohne kiinstliehe Zufuhr yon Wuchsstoff 80 Stunden bei 20 ~ C, ca. 90% Luftfeuchtigkeit und ])unkelheit gewachsen, w~hrend die gr5Bere die Endl~nge yon 70 mm mit IES (IES 10-~ molar, apikal zugefiihrt) nach 13 Stunden erreicht hatte. Nach des" Entfernung der isodiametrisehen Zellen an des' Koleoptilspitze wurde das Zellgewebe maeeriert; dabei tritt eine Schrumpfung der L~ngsachse um 10% ein (Mi~HLE'r~AL~Z1950b). Im IM_ikroskop konnten die Zellen ohne Anf~rbung mit einem MeBocular ausgemessen werden; die seheinbare Verkfirzung der Zellen wurde korrigiert. Aus jeder Koleoptile wurden yon 600 Parenchymzellen und 200 Epidermiszellen Li~nge und ])urchmesser bestimmt. Tabe]]e 1. LSnge der Koleoptile: 25 ram. Ma/3einheit # Ze]l~nge " Mittel Parenchym 9 Epidermis .

I ]

150 830

] Maximum 310 1400

Zell4urchmesser Minimum

1VIittel

100 520

40 22

~VfaximumI Minimum 70 32

20 16

Tabelle 2. Lginge der Koleoptile: 70 ram. Mafleinheit # Zel]~nge Mittel Parenchym Epidermis

410 2300

Zelldurchmesser

Maximum [ Mimmum 740 3700

170 1300

Mittel L~aximum ] Minimum 42 20

65 25

i

25 13

])as Ergebnis ist in den Tabellen 1 und 2 dargestellt. ])er Zelldurchmesser /~ndert sich also nicht wesentlich: W/~hrend der mittlere ])urehmesser der Parenchymzellen yon 40 auf 42 # ansteigt, nimmt der mittlere ])urchmesser der Epidermiszellen um 2 tt ab. Die Koleoptile als Ganzes hat also kein Dicken-, sondern nur ein L~ngenwachstum. Itervorzuheben ist die groBe Streekung der Epidermiszellen, die eine optimale L~nge yon 3700/~ erreiehten. ])iese Endl/inge war nach 130 Stunden erreicht; die Epidermiszelle hatte also eine durchsehnittliche L~ngenzunahme yon 28 #/h. In der Hauptstreckungsphase wird dieser Wert entsprechend h6her gewesen sein. Nach AVERY und BURKHOLDEIrliegt die Hauptstreckungszone bei Koleoptiler~ yon 4 mm Lange an der Basis; sie wandert dann mit zunehmender GrSfle der Ko]eoptile weiter nach oben und liegt bei 25 bis 30 mm Lange etwa l0 mm unter der Spitze (AVERY und BVR~:~OLD~.R 1936). In alteren Koleoptilen liegt diese Zone dann 6 bis 9 mm unterhalb der Koleoptilspitze (ROT~ERT ]894). II. B e s t i m m u n g des 0rtes der Celluloseeinlagerung durch laC.markierte Zucker Das O p t i m u m der W a c h s t u m s g e s c h w i n d i g k e i t ist bei n o r m a l e n , im D u n k e l n w a c h s e n d e n K o l e o p t i l e n bei einer L a n g e y o n 30 m m erreicht.

468

HARALD BSttlVIEI~ :

Um die Celluloseeinlagerung in allen Streekungsstadien zu verfolgen, warden die Sektionen Koleoptilen yon 10, 25 und 38 mm L/inge entnommen.

1. Vor der Hauptstreckungsphase Aus zwei 10 mm langen Koleoptilen wurde je eine 5 mm lange Sektion entnommen. a) Einlagerung yon J~C bei 8stiindiger Einwirkung. Die 5 mm l~nge Sektion erreichte in der VersuchslSsung (Aktivit~t : 15 #C) nach 8 Stunden eine L/inge yon 8 ram. Die Expositionszeit betrug 30 Tage. Parenchymzellen. Die Zellen sind durehschnittlich 80 bis 100 # lang. Sie zeigen auf den Vertikalws eine gleiehm/iBig sehwaehe Sehw/irzung. Unmittelbar an den Zellenenden ist die Schw/~rzung vieliach intenslyer, da in diesen friihen Waehstumsstadien offenbar aueh in die Querw~/nde Cellulose eingelagert wird. Die Intensit//t der won den Parenehymzellen hervorgerufenen Schw/irzungen ist sehr unterschiedlieh. Wahrscheinlieh haben die Zellen unmittelbar an den Schnittfls der Sektion sehon frfiher die ~4C-markierten Zucker zu Cellulose synthetisiert als die weiter im Inneren liegenden Zellen. Andererseits zeigt sieh, dab in der Regel die kleineren Zellen die intensiveren Sehw/irzungen haben. Oftenbar ist also die Celluloseeinlagerung bei kurzen Zellen in diesem Waehstumsstadinm der Koleoptile grSl3er Ms bei ]angen. Epidermiszellen. In der L/~ngsachse der Zelle sind keine deutliehen Sehw~/rz~ngsuntersehiede vorhanden, dagegen hebt sieh die verdickte AuBenwand dutch intensive Sehwi~rznngen deutlieh ab. Xylemzellen. Die Zellen sind dnrchschnittlich 100 bis 250 # lang. Die eng zusammenliegenden ring- und sehraubenf5rmigen Verdicktmgen rufen eine intensivere Schw/irzung hervor als die Parenchymzellen. Unterschiede im Grad der Sehw//rzung sind in der L//ngsachse der Zelle nicht feststellbar; die Celluloseein]agerung ist also in der Mitre ~nd an den Enden der Zel]e gleieh stark. Phloemzellen. Die Sehw/irzungen sind noch sehw/~eher als bei den Parenehymzellen, aber aueh tiber die ganze Lgngsaehse gleiehm/~gig verteilt; die Zellenden heben sieh nieht ab. b) Einlagerung yon 14C bei 48stiindiger Einwirkung. Die 5 mm lange Sektion erreichte in der VersuchslSsung (Aktivit/~t 10 #C) nach 48 Stunden eine Li~nge yon 11,5 ram. Die Pr/~parate wurden nach einer Exloositionszeit yon 28 Tagen entwickelt. Erwartungsgem/~13 waren die Schw/~rzungen bedeutend st/~rker Ms im vorigen Versuch. Parenehymzellen. Die Zellen sind durehschnittlich 130# lang. Die Vertikalw/~nde sind gleichm/~fig schwarz, die Querw/inde heben sich bei vielen Zellen deutlich ab. Deutliehe Schw/~rzungsunterschiede zwischen kurzen und ]angen Zellen sind nicht mehr vorhanden.

Wachstum und Feinb~u der Zellw~ndein der Aven~-Koleopti]e

469

Kantenversts die bei mit Benzoazurin angefs Zellen so deutlich sind0 treten nicht hervor. Epidermiszellen. In der L~ngsachse treten keine Unterschiede im Schw~rzungsgrad auf, selbst die spitz auslaufenden Zellenden heben sieh nieht ab; die verdiekte AuBenwand hat intensivel"e Sehws hervorgerufen (Abb. 4). Xylemzellen. Hier ist die Celluloseeinlagerung in friihen Waehstumsstadien besonders intensiv (Abb. 5); bestimmte I~egionen der Zelle werden beim Einbau der Cellulose nicht bevorzug~. Erst bei den Zellen yon ca. 500 # Ls lassen sieh schwaehe Schwgrzungsunterschiede beobachten: Die Intensits der Sehw~rzlmg nimmt yon einem zum anderen Ende hin zu. In dem Zellende, das schwi~chere Sehws hervorgerufen hat (Abb. 6), sind die Ring- mzd Schraubenverdickungen schon welter voneinander entfernt; in dem anderen Ende ]iegen die Verdiekungen noch dichter zusammen. Phloemzellen. Die Ph]oemzellen zeigen grSf~ere Schw~rzungsunterschiede auf ihrer Wandfls (Abb. 8). Die Stellen mit den sts Schwi~rzungen jecloch sind in der Ls unregelm~l~ig verteilt.

2. In der Hauptstreckungsphase Aus einer Koleoptile yon 25 mm L~nge, die also km'z vor der Hauptstrecktmgsphase steht, wurde eine 5 mm l~nge Sektion entnommen. Die Sektion wurde in der Versuchsl6sung, die eine Aktivib/it yon 10ftC enthielt, innerhalb yon 48 Stunden 10,5 ram lang. Nach Tabelle 1 betrggt die mittlere Lgnge der Parenchymzellen einer 25 mm langen Koleoptile 150 #. Da die unmittelbar an den Sektionsgrenzen liegenden Zellen langsamer wachsen, haben sich die iibrigen Zellen urn mehr als 100% in der VersuehslSsung verlgngei~. Die ,,stripping-film"-Prgparate warden nach 20 Tagen entwickelt. Die Schwgrzungen sind allgemein intensiver als in den vorigen Versuehen. Parenchymzellen. Die Schw/~rzungen yon ca. 100 Zellen (200 bis 400/~ lang) wurden photometrisch gemessen, und zwar an 5 verschiedehen Stellen jeder Zelle: in der Mitte unmi~telbar an beiden Zellenden and im ersten Vierte] urlterhalb der Zellenden. Der Abstand zwischen Projektor and Wandflitehe war so gew~hlt worden, dab der Durehmesser des runden Fensters der Photozelle etwa 70 % des mittleren Zelldurchmessers betrug. Die Mittelwerte dieser Messangen sind in Abb. 1 dargestellt. Eine sehematische Umril~zeichnung einer Parenehymzelle mit den 5 verschiedenen Mel~fliichen ist die Abszisse. Die Ordinate gibt die Intensits der Schws an: Der in Lux gemessene mittlere Sehw~rzangswert in der Zel]mitte wurde gleich 100 gesetzt, und darau/ sind dann die Schwi~rzungswerte an den 4 anderen Stellen auf der Zellwand bezogen worden.

470

H i R A L D BOHMER:

Die Schws sind also im Durchsclmitt auf dem gr6Bten Teil der Wandfls gleichmiiBig stark, sie nehmen nur unmittelbar an den Zellenden zu. Hier is~ die Celluloseschieht dutch die meist in Falten liegende Querwand dicker (Abb. 12b). Au~ der einzelnen Zelle kSnnen geringere Schws in der L~ngsaehse vorkommen. Bei ca. 20 % der Zellen ko~zaten auf tier Wandfigche in der Queraehse Schw/irzungsuntersehiede beobaehtet werden: Bei diesen Zellen ist also die Celluloseeinlagerung in den Kantenverst/~rkungen intensiver als in den yon Tfipfetn durchbrochenen z~V Wandfl~chen zwischen X '~ sooV den Kantenverdickungen. Die Kantenverstiirkungen heben sich aber durch die Schw~rzungen nicht so deutlich ab wie Zelle bei den macerierten, mit A b b . 1. P h o t o m e t r i s c h e :M:esmmgen der S c h w ~ r z u n g s tmterschiede auf der Zellwand yon Parenchymzellen. Benzoazurin gefgrbten E i n w i r k u n g d e r ~ ' C - m a r k i e r t e n t t e x o s e n i n der t I a u p t Zellen, yon denen mehr streckungsphase als 90% in mittleren und friihen Streckungsstadien stark blau gef~rbte Ls zeigen (Abb. t l a , 11b). Bei etwa 30% tier Zellen wird keine Cellulose in die Querwiinde eingelagert. Diese photometrischen Messungen warden nur an Parenchymzellen gemacht. Epidermiszellen. Die Epidermiszellen erreichten eine durchsclmittliche Li~nge von 1500 bis 2000/~. Sie zeigen in der L/~ngsachse eine vSllig gleiehm/~13igeVerteilmag der Schw/irzungen. Die AuBenwand hat wieder intensivere Schw/irzungen hervorgerufen. Bei manehen Zellen hebt sich auch die schw/icher verdickte innere TangentiMwand yon den Radialw/inden durch eine deutlich st~rkere Schw/irztmg ab. Xylemzdlen. Die l~ingversts rficken welter ~useinander und der Steigertmgswinkel der Sehraubenleisten wird gr61~er. In die Verst~rkungen wird immer noeh Cellulose eingelagert (Abb. 7). Die dfinnen Zellw~nde sind vdelfach dutch die Maceration zerrissen worden, so dab die stabilen Verdickungen frei wurden (Abb. 7). Phloemzellen. Es sind wieder gr6Bere, unregelm~Big verteilte Schw~rzungsm~tersehiede vorhanden. Die Intensiti~t der Schw~rzungen ist allgemein etwas geringer als bei den Parenchym- und Epidermiszellen; der Unterschied zu den Xylemzellen ist besonders groB. Dadureh k6n~en auch beide Zellar~en immer Ieicht voneinander unterschieden werden. X

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3. Nach der Hauptstreckungsphase Aus einer Koleoptile yon 38 mm Liinge, die also das Zuwachsoptimum gerade fiberschritten hat, wurde eine 5 mm lange Sektion entnommen.

Wachstum und l%inbau der Zellw~ndein der Avena-Koleoptile

471

Die VersuchslSsung enthielt radioaktiven Zucker mit einer Aktivit/~t yon 10 #C. Die Sehw/irzungen sind trotz der kurzen Expositionszeit yon 8 Tagen genau so stark wie in I I a und b. Parenchymzellen. Die Schw/~rzungen auf 150 Zellen yon 250 bis 450 fl Liinge wurden photometrisch gemessen. ])as Ergebnis ist in Abb. 2 nach dem im vorigen Kapite] besehriebenen Verfahren graphisch dargestellt. Die Schwiirzung ist also auf den Vertikalw/~nden durchschnittlich gleich stark und niwmt unmittelbar am Ze]]ende wieder zn (Abb. 3). Diese Zunahme ist etwas s~/~rker als in Abb. 1 ; es wird also gegen Ende des Streckungswachstums mehr Cellulose in die Querw/inde eingelagert. .~1r I- x

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Zelle Abb. 2. P h o t o m e t r i s c h e M e s s u n g e n der S c h w ~ r z u n g s u n t e r s c h i e d e a u f tier Z e l l w a n d y o n P a r e n c h y m ~ e ] l e n , E i n w i r k u n g der ~ ' C - m a r k i e r t e n H e x o s e n n a e h d e r H a u p t s t r e c k u n g s p h a s e

Die Sehwank~mgen im Grad der Sehw~rzuag sind zwischen den einzelnen Zellen grSl~er als in der Hauptstreekungsphase. Durum wurden aueh 150 Zellen photometrisch ausgemessen. Manehe Zellen haben das Waehs. turn schon vSllig eingestellt. Sie sind dureh Schw~rzungen nieht mehr zu erkennen. Die Zellwand leuchtet jedoch im Polarisationsmikroskop bei gekreuzten Nicols dnrch die Doppelbreehu~g der Cellulose hell auf. Die benaehbarten Zellen bauen besonders viel Cellulose in die Querw/~nde ein. Die Kantenverst~rkungen sind nicht mehr zu erkennen; dagegen verlaufen h/iufiger in der Querachse in wechselnden Abst/~nden Zonen mit intensiven Schws Epidermiszellen. Die Neueinlagerung yon Cellulose in den Radialw~nden und in der inneren Tangenbiatw~nd ist noch gleichra/if~ig. Dagegen zeigt die Aul3enwand auf der ganzen L/inge regelms in Abst~nden yon 15 bis 25ff Schw/~rzungsunterschiede. Mit Benzoazurin angefgz'bte Epidermiszellen gleicher Lgnge lassen entspreehende Untersehiede in der Anf/~rbung der s Tangentialwand erkennen. Gegen Ende des Streckungswaehstums ~'ird also in dieser Wand die Cellulose uicht mehr gleichm/~l~ig eingelagert. Xylemzellen. Es wird nur noeh in die diinnen Zellw/~nde Cellulose eingebaut. Die welt auseinandergerfiekten Verst/~rkungsleisten sind nur sehwer durch Schw/s erkennbar; sie kSnnen jed0eh dureh das starke Aufleuchten im Polarisationsmikroskop bei gekreuzten :Nicols sich~b~r gemach~ werde~.

472

HAI~ALDB6I/2gEI~:

Phloemzellen. Die Schw~rzungen sind immer sehw~cher als bei den Parenchymzellen. Stellen, die bei der Einlagerung yon Cellulose bevorzugt werden, sind fiber die ganze L~nge vertei]t. ~l. Zusammen/assung Die in der VersuchslSsung vorhandenen 14C-markierten Zucker werden yon Zellen der Koleoptile aufgenommen, zu Cellulose synthetisiert und in die Zellwand eingebaut. Sektionen aus kurzen Koleoptilen synthetisieren weniger Cellulose aus den kfinst]ich zugeffihrten Hexosen als Sektionen aus l~ngeren Koleoptilen. Die yon der fi-Strahlnng hervorgerufenen Schw~rzungen auf dem ,,stripping-film" lassen sich nach einer entsprechenden Expositionszeit photometrisch ausmessen. Dureh die maximal 10/z welt reichende Streuung der Strahlung wird auf den Autoradiographien eine leichte ,,Unseh~rfe" hervorgerufen. Diese Unsch~rfe l~l~t sich aber fast vollkommen beseitigen, wenn ffir die photographischen Positive hartes Photopapier benutzt wird. a) Parenehymzellen. Bei den Parenchymzellen wird w~hrend des Streekungswachstums auf der ganzen Wand~ls Cellulose eingelagert. Auf den Vertikalw/inden werden keine bestimmten Regionen bevorzugt. Kantenverst~rkungen heben sieh nur selten ab, in der letzten Phase des Streckungswachstums fiberhaupt nicht mehr. Tfipfel sind nicht direkt erkennbar, da sie dutch die Streustrahlung verdeckt werden. Die Celluloseeinlagerung in die Querw~nde ist in der ttauptstreekungsphase sehr gering mid vor Abschluft der Zellstreekung intensiver. b) Epidermiszellen. Die Epidermiszellen lagern w~hrend der Strekkung ebenfalls auf der ganzen Wandfi~che Cellulose ein. Die stark verdiekte AuSenwand ruff besonders intensive Schw~rzungen hervor, oft hebt sich auch die innere Tangentialwand yon den diinnen l~adialw~nden dutch st/~rkere Schw~rzung ab. In der L~ngsachse werden w~hrend des Streekungswachstums keine bestimmten Stellen bei der Celluloseeinlagerung bevorzugt. Nur kurz vor dem Erreiehen der maximalen L~nge zeigen sieh in der Aul3enwand h~ufig Schw~rzungsunterschiede in Abst~nden yon 13 bis 25/z. e) Xylemzellen. Die Xylemzellen lagern besonders in die Verst~rkungsleisten Cellulose ein. In frfihen Wachstumsstadien lassen sieh keine Sehw/~rzungsuntersehiede feststellen; die ring- und sehraubenfSrmigen Verdiekungen in der Mitre der Zelle und die an den Enden lagern also gleich viel Cellulose ein. Etwa 50% der Zellen zeigen, weml sie eine L/~nge yon ca. 500 # erreicht haben, stetige Schw/irzungs/inderungen yon einem Ende zum anderen. In dem MaSe, wie die Ringe und Schraubenwindungen ausemanderrficken, hSrt dann auch allm/ihlich die Celluloseeinlagerung in diese Verst/irkungsleisten auf. Schliel~lieh wird nur noeh Cellulose in die diinnen W/inde eingebaut.

W~chstum

und Feinb~u der Zellw~nde in der Avena-Koleoptile

473

A b b . 3. P a r e n c h y m z e l l e . Einwirkung" der ~4C-markierten H e x o s e n n a c h d e r H a u p t s t r e k k u n g s p h a s e . A u f d e r L ~ n g s w a n d gering'e S c h w ~ r z u n g ~ u n t e r s c h l e d e . Die Q u e r w ~ n d e h e b e n sich d u r c h s t ~ r k e r e S c h w ~ r z u n g e n d e u t l i c h ab. Vergr. : 320: I

A b b . 4. EpidermiszeUe. Die v e r d i c k t e A u l ] e n w a n d h e b t sich d e u t l i c h ab. I n der L~ngsachse keine S c h w ~ r z u n g s u r , t e r s c h i e d e . Vergr. : 380 : 1

Abb. 5. X y l e m z e l l e .

Frfihes "vVachstumsstadium. Gleichm~il3i~e i n t e n s i v e S c h w f i r z u n g e n a u f d e r g a n z e n ~Vaudfl~che. V e r g r . : 3 2 5 : 1

Abb. 6.

Mittleres ~Vachstumsstadium. Intensit~ der znm End6 bin schwach ab. u 520:1

Xylemzelle.

Schw~rzung

nimmt

474

gA~A~D

B5~:

d) Phloemzellen. Die Phloemzellen lagern allgemein etwas weniger Cellulose ein als die Parenchymzellen. Schon in frfihen Wachstums-

Abb. 7. X y l e m z e l l e . Sp~tes ~ V a c h s t u m s s t a d i u m . Die diinne Zellwand ist d u r c h die Macer a t i o n zerrissen. Die S p i r a l v e r d i c k u n g e n liegen frei; sic h e b e n sich d u r c h Schw~irzungen deutlich ab. V e r g r . : 580:1

Abb. 8. Phloemzelle.

G r 6 g e r e unreffelm&131g v e r t e i l t e S e h w ~ r z u n g s u n t e r s e h i e d e a u f der g a n z e n Zellwand. Vergr.: 220:1

stadien zeigen sich Stellen mit starken Schw/~rzungen, die aber unregelm~$ig in der L/~ngsachse verteilt sind. Die Spitzen der Zellen werden beim Einbau yon Cellulose w/~hrend der ganzen Wachstumsphase nicht bevorzugt.

Wachstum und Feinbau der Zellw~ndein der Avena-Koleoptile

475

IIL Polarisations-und elektronenO~fi~Ng!-Un~ersu,chungen

1. Vorbemerkung zur Deutung der Abbildungen Bei den polarisationsoptisehen Au~nahmen ist die Lage der Sehwingungsebene (SE) des linear po]arisierten Lichtes immer in der dazugeh5rigen Legende angegeben. Die m i t a mad b bezeichneten Abbildungen zeigen jeweils dieselben Zellen einmal p~r~llel mad einmal senkrecht zur Polarisationsebene. Um vergleichbare Aufnahmen zu erhalten, waren folgende Aufnahmebedingungen jeweils gleieh: Beleuchtungsst/~rke und Blenden im Mikroskop, Empfindlichkeit des Filmmaterials, Beliehtmagszeit, Konzentration and Temperatur des Entwicklers, Entwicklungszeit, Blende und Belichtungszeit beim VergrSBern, H/irtegrad des Photopapiers und Entwieklungsdauer. Im Elektronenmikroskop sind die Cellulosefibrillen selbst siehtbar; sie haben einen Durchmesser yon 100 bis 120/~. Im Querschnitt einer Fibrille ]iegen etwa 2000Ce]lulose-?Cfolekfile (F~EY-WYSSLING 1951). Das Fibrillengeflecht erscheint diehter a.ls es in der lebenden Zelle ist, da die Parenchymzellen durch die chemische Behandlung and besonders durch das Eintrocknen auf den Objekttr/~gern insgesamt um 30% sehrumpfen. In der Querrichtung tritt keine Verkiirzung ein (M~LET~AL~I~1950). Weiterhin ist zu beriicksichtigen, d~l] der Volumanteil der Cellulose in wachsenden Prim/~rw/inden nur 2,5 % ausmacht. Der Wassergehalt betr/~gt 92 %, der Rest besteht aus Pektin, tIemicellulosen und anderen Stoffen (Fl~nr-WYssT.rtr162 1951a). Diese Berechnmag gilt ftir Prim/irw/s meristematischer Zellen. Beim Aufbau der Zellw/~nde der Avena-Ko]eoptile diirfte der Anteil der Cellulose gr5ger sein. Aber auch hier sind die Ce]lulosefibrillen in der ]ebenden Zellwand noch durch Plasma und beg]eitende Wandstoffe voneinander getrennt. Die Aufnahmen zeigen in der Regel immer Aussetmitte der Zellw/~nde von nicht zerrissenen Zellen. Es liegen bei den eingetroclmeten, macerierten Zel!en also immer zwei W/inde iibereinander. Wurde die Koleoptile vor der Maceration mehrmals mit einer Rasierklinge ~ufgespalten, so konnten auch nicht doppelt liegende Wandfl/~chen yon aufgeklappten Ze]len im Elektronenmikroskop und im Polarisationsmikroskop photographiert werden.

2. Die Umorientierung der Cellulose]ibrillen beim Streckungswachstum a) 1Jarenehymzellen. Quantitative polarisationsoptische Untersuchungen: Each der bereits beschriebenen Methode wurden insgesamt 1800Zellen verschiedener GrSl~eaus 1 bis 75 mm langen Koleoptilen ausgemessen. Die 75 mm lange Koleoptile hatte diese L/~nge dureh Zufuhr yon synthetischem Wuchsstoff erreicht. Alle anderen Ko]eoptilen waren ohne

476

HARALDB6H~Et%:

synthetischen Wuehsstoff gewachsen. Das Ergebnis dieser Messungen ist in Abb. 9 graphiseh darges'Gellt. Auf der Abszisse ist die Zellfinge in # angegeben, auf der Ordinate der mittlere Steigungswinkel der Cellulose7~

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Der mittlere Steigungswinkel der Cellulosefibrinen yon Parenchymzellen in Abhangigkeit yon clef Zellange

fibrillen zur Querachse der Ze]le. Fiir jeden Punkt der Kurve wurden ca. 100, mindestens aber 80 Zellen ausgemessen. Die obere und die ~mtere gestrichelte Kurve geben die mitr Abweichtmg yon den Mittelwerten der Messungen an. 70 9

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Abb. 10. Der mittlere Steigungswinkel der Cellulosefibrillen yon P~.renchymzellen in Abh~tagigkeit vo~xtier ZeU~nge un4 dem Zelldurchmesser (vgl. S. 478) Bei einer Zell/~nge von 20 bis 50/~ (Abb. l l a , l l b ) ist der mittlere Steigungswinke] 29~ groB, er wird dann schnell kleiner bis zu 21 o bei einer Ze]l~nge yon 80 bis 100# (Abb. 12a und 12b). D a n a wird der Winke] mit zunehmender Zell/~nge stetig grSl3er, bei 450# sind 45 ~ erreieht (Abb. 13 a und 13b). Beim Streckungswachstum werden die Fibrillen also, sobald die Zelle eine Liinge yon 80 bis 100 # iiberschritten hat, mehr und mehr in die L~ngsachse der Zelle umorientiert. Die mittlere Abweichung nimmt auch st/~ndig zu, ist aber vorher schon beim raschen Absinken des Steigungswinkels yon 280 auf 210 einmal gr52er gewesen.

Wachstum und Feinbau der Zellw/~nde in der Avena-Koleoptile

i b b . 11 a

477

A b b . 11 b

Abb. l l a u . b . 4 P a r e n c h y m z e l l e n , ca. 20 bis 50 # lang. SE quer (11a) u n d parallel (11b) zur L ~ n g s a c h s e der Zellen. A u f n a h m e 11a dun~kler, also liegen die Cellulosefibril]en n l e h r in der Queraehse als in der L~ngsachse der Zellen

_A_bb. 12a u . b . P a r e n c h y m z e l l e , ca. 80 # lang. SE quer (12a) u n d parallel (12b) zur L ~ n g s a c h s e der Zelle. A_ufnahme 12a deutlich dunkler, also liegen die Fibrillen v o r w i e g e n d in der Queraehse

i b b . 13 a u . b . Parenchylnzelle, ca. 550 g lang. SE quer (13a) u n 4 parallel (13b) zm" L~ngsaehse 4er Zelle. i u f n a h m e 13 b deutlieh dunkler, also liegen die Fibrillen v o r w i e g e n d in der L~ngsachse

Abb. 12a Planta. Bd. 50

Abb. 1 2 b

Abb. 1 3 a

~kbb. 1 3 b

33

478

HARALD BOHYlER:

Aus den T~bellen 1 und 2 geht hervor, wie groB die mittleren ZellausmaBe in Koleoptilen verschiedener L~nge sind. Ohne Zufuhr yon synthetischem Wuchsstoff kann die Koleptile eine optimale Ls yon 55 mm erreichen; die Parenchymzellen sind dann durchschnittlich 330 #

a

b

Abb. 14a u. b. "Wandst/ick einer ca. 200 tt tang'en P a r e n e h y m z e l l e . SE quer (14a) u n d para,llel (14b) zur L~ngsachse der Zelle. In d e n K a n t e n v e r s t / ~ r k u n g e n L~ngsfibrillen (14b). Zwischen ~ten K a n t e ~ u Tiipfelfelder m i t Q u ~ r f i b r i l l ~ (14a)

lang. Der mittlere Ste~gungswinkel in den Ws dieser Zelle ist in diesem Stadium also etwas kleiner als 40 ~ Die Umlagerung der Fibrillen ist bei Zellen mit kleinem Durchmesser (Abb. 13 a und 13b) intensiver als bei solchen mit groBem Durchmesser. Dieser Effekt wird mit zunehmender Zell/~nge deutlicher, und daher nimmt auch die mittlere Abweichung stetig zu. In Abb. 10 ist die Abh~nglgkeit der Fibrilleneinl~gerungsrichtung yon der Zell~nge und dem Zelldurchmesser graphisch dargestellt. Kurve I gibt die Werte ffir Zellen mit einem Durchmesser gr6Ber als

Wachstum und Feinbau der Zellw~nde in der Avena-Koleoptile

479

40 # an, Kurve I I die entsprechenden Werte fiir Zellen mit einem Durchmesser kleiner als 40 #. Die Abh~ngigkeit des mittleren Steigungswinkels vom Zelldurchmesser nimmt mit der Zell//nge zu : Betr~gt der Unterschied bei 40/~ langen Zellen nicht einmal 2 ~ so ist er bei 800 # langen Zellen schliel~lich 130 groin. Elel~tronenoptische Untersuchungen: Die indirekten polarisationsoptischen Ergebnisse fiber die l~ichtung der Fibrillen lassen sich e]ektronenoptisch direkt best/~tigen: Bei den meristem~tischen Zellen laufen die Fibrillen kreuz und quer durcheinander, bevorzugen aber noch die Querrichtung (Abb. 16). Nur an den Kanten der Zelle liegen Fibrillen in der L//ngsrichtung. Diese Schicht ist aber noch diinn: Das darunter liegende netzartige Fibrillengeflecht l~l~t sich erkennen (Abb. 16). Die Ausrichtung in der Querachse wird dann strenger, werm die Zelle sich in der Quer~ehse vergrSl~ert. Gleiehzeitig wird auch die Schieht der L~ngsfibrillen an den Kanten dichter (Abb. 17). Bei einer Zell//nge yon ca. 100# erreicht die Querorientierung ein Maximum A b b . 15. W a n d s t i i c k e i n e r ca. 6 0 0 # l a n g e n P a r e n c h y m zelle.

Aufnahme

ohne Polarisator.

Tfipfel fund

(Abb. 18). Mit zunehmender Ze]l/~nge finder dann aber eine yon den Kantenverst~rkungen ausgehende Umlagerung der Fibri]len in die L~ngsachse der Ze]le start (Abb. 19, 20, 21). b) Epidermiszellen. Die Ze]len der ~ul~eren Epidermis h~ben eine sehr stark verdickte Aul~enwand. Die innere Tangentialwand ist aueh verst~rkt, aber schw~cher. Die Radialw~nde sind dfinn. Vor Beginn des eigent]ichen Streckungsw~chstums liegen die Fibrillen in allen W/~nden vorwiegend quer, besonders in den Radialw/~nden, die yon zahlreichen Tfipfein durchbrochen werden. Aus T~belle 1 trod 2 geht hervor, dal~ die Epldermiszel]en in einer 55 mm ]angen Koleoptile eine durchschnittliche L~nge yon 1800 # haben. Es zeigt sich bei einer solchen Zelle, dal] 33*

480

HAI~ALDBSHMEtt:

die Fibrillen in den I~adialw~nden w~hrend des Streckungswachstums in der Querlage geblieben sind, nut die Tfipfel rfickten welter auseinander. Die Zahl der Triple] wird bei der Streckung nicht vermehrt. Der Steigungswinkel der Fibrillen in der inneren Tangentialwand ist dagegen grSBer geworden. Die schon vor der Streckung vorhandenen ovalen Tfipfel rficken auseinander und werden rund. Die Fibrillen in der i~u~eren Tangentia]wand werden ebenfalls umorientiert. Die dicke Celluloseschicht f~rbt sich dutch Benzoazurin sehr stark an, so dab die Helligkeitsunterschiede in den verschiedenen Lagen zur Schwingungsebene des polarisierten Lichtes dutch das Photopapier nicht mehr wiedergegeben werden kSnnen. Im Polarisationsmikroskop ist jedoch bei den verschiedenen Lagen der Zelle zur Schwingungsebene ein deutlicher ttelligkeits~mterschied zu beobachten: Liegt die Zelle quer zur Schwingungsebene, so ist die Aul~enwand intensiv blau; liegt die Zelle parallel zur Schwingungsebene, so ist die Aui~enwand blau-schwarz. Da die Blaufi~rbung in der Quer]age der Zelle zur Schwingungsebene beim Streckungswachsturn intensiv bleibt, mui~ also auch noch ein groI~er Prozentsatz der Fibrillen der dicken i~ul~eren Tangentialwand in der Querachse der Zelle ]iegen. Im Elektronenmikroskop ist dann zu erkennen, dab die Fibrillen in der i~uBeren Schicht dieser Wand streng l~ngs liegen, besonders zu den l~adialwi~nden bin. Wfirden auch die welter zum Zellinneren bin Iiegenden Fibrillen zur L~ngsachse der Zelle parallel laufen, dann diirfte die Blanf~rbung in der Querlage zur Schwingungsebene im Polarisationsmikroskop nicht so intensiv sein. Es mfissen a]sodieFibrillen der inneren Schichten der gu~eren Tangentialwand beim Streckungswachstum vorwiegend in der Querlage bleiben. e) Phloemzellen. Die Wgnde sind yon zahlreichen Tfipfeln durchbrochen. Bei manchen Zellen sind den Kantenverst~rkungcn der Parenchymzellen ~hnliche Li~ngsstreifen schwach zu erkennen. Bei einer Li~nge yon 100 bis 150# ist der mittlere Steigungswinkel der Fibrillen ca. 300 groB; dieser Winkel kann dann bei Zellen yon 500# L/rage 450 erreichen. Die Umlagerung ist also nicht so intensiv wie bei den Parenchymzellen.

3. Veriinderungen in Form und Anordnung der ParenchymtiZp/el beim Streckungswachstum Die Wandstruktur kann sowohl im Lichtmikroskop durch Benzoazurin-Fi~rbung mad Ausnutzung des Dichroismus nach Einschalten des Polarisators als auch im Elektronenmikroskop beobachtet werden. Beide Methoden erg~nzen einander: W/~hrend im Elektronenmikroskop besonders die Feinstruktur der Tiipfel beobachtet werden kann, l~I3t sich licht- bzw. polarisationsoptisch deren Anordnung in der Zellwand besser feststel]en.

Wachstum und Feinbau der Ze]lw/~ndein der Avena-Koleoptile

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Die kleinsten Zellen haben einen Durchmesser ~on 20# und sind vielkantig. Die flachen Zelllfi~ehen werden yon runden Tfipfeln durchbroehen (Abb. 16). Zu den Intercellularri~umen bin sind die Zellen abgerundet und bilden Kantenversti~rkungen aus : ])as netzartige Fibrillengeflecht wird hier zun/~ehst diehter, vielfaeh ]aufen dann die /iuBeren Fibrillen in der Liingsaehse der Zelle (Abb. 16). Mit zunehmender Zelll~nge werden die Kantenverst/~rkungen deutlieher; jede Ze]le hat in der l~egel 6 Kanten. Die Verdickungen an den Kanten trennen die Tfipfel in 6 vertikMe l~eihen. Durch die VergrSBerung der Zelle in der Querachse werden die anfangs runden oder ow]en Tiilofel lang und sehmM; zwischen ihnen liegen sehmale, aber dieke Fibri]lenstr/~nge. Zu Beginn des eigentliehen L/ingenwachstums rfieken die Tfipfel welter auseinander; die dazwischenliegenden Fibrillenstr~nge breiten sich aus und werden flacher (Abb. 17). Die Kanten haben jetzt immer in den ~uBeren Sehichten Li~ngsfibrillen, die sich yon dem Quergeflecht der Tfipfelfelder deutlich abheben. Durch die stetige Einlagerung yon querorientierten Fibrillen riicken die Tfipfel weiter ause~nander (Abb. 15 und 18). Sie werden yon Querfibrillen durchzogen. Ovale Poren bleiben zum Durchtritt der Plasmodesmen frei. Die Kantenverst/irkungen sind polarisationsoptisch in beiden Stellungen zur Sehwingungsebene erkennbar (Abb. 14a und 14b), die Fibrillen ]iegen aber vorwiegend l~ngs (Abb. 14b). Von den Kanten her beginnt nun die Umorientierung der Fibrillen, und zwar iindern zuerst die Fibrillen der i~ugeren Wandschicht ihre Einlagerungsrichtung (Abb. 19). Die Tfipfel werden jetzt dureh quer verlaufende dickere Fibrillenstriinge dm'chtrennt. Im Polarisationsmikroskop kSnnen diese Fibril]enbfindel bei st~rkster Vergr6gerung und intenslyer Anf~irbung mit Benzoazurin ebenfa]ls sichtbar gemacht werden. ZI~GEZeSPECK besehreibt /ihnliche Fibrillenstr~nge in den Tfipfeln yon Zellen aus der Wurzel yon Vieia faba (ZIEG~SP]~OK 1953). Diese Fibril]enstr~nge verzweigen sich teilweise, ffillen das ganze Tfipfelfeld als loses Netzwerk aus und lassen nut kleine seharf abgegrenzte Poren fiir die Plasmodesmen frei (Abb. 20). Mit zunehmender Verli~ngerung der Zelle werden die Tiipfel immer mehr dureh L/~ngsfibrillen eingeengt (Abb. 20). Die elliptisehen Tfipfel werden allm/ihlich rund (Abb. 15 und 21). Diese Formi~nderung ist besonders bei Tiilofeln deutlich, die in der Nghe yon Kantenverstgrkungen liegen. Anfangs sind unter den L/~ngsfibrillen der/s noeh die Querfibrillen zu erkennen. Wird die Zelle besonders lang und hat sie einen kleinenDurehmesser, so greift die Umorientierung auch auf die weiter unten liegenden Sehiehten fiber (Abb. 21). Die Kantenverst/irkungen heben sich 13ieht mehr deutlieh ab. Aueh die runden Tiipfel haben die seharf abgegrenzten Poren. Die Querw/inde bestehen aus einem loekeren Fibrillengeflecht (Abb. 22), das vielfaeh die Zellen direkt miteinander verbindet. Die

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HARALD B6H~E~:

Abb. 16. M e r i s t e m a t i s c h e P ~ r e n c h y m z e l l e , 20 ~ lang. L~ngsachse in l~ichtung des MaBstabes. Oben Tiipfe]feld m i t Querfibril]en. I n der Mitte Anf~nge einer ] ~ a n t e n v e r s t ~ r k u n g . Ver~'. : 16500:1

Wachstum und Feinbau der Zellw~nde in der Aven~-Koleoptile ;:

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~ 7~::,i :',:: ..... . . . . .

Abb. 17. P a r e n c h y m z e l l e , ca. 120 p lang. L~ngsachse in R i c h t u n g des Mal~st~bes. L i n k s K a n t e n v e v s t ~ r k n n g m i t L~ngsfibrillen, r e c h t s Ttipfelfeld, Tiipfel d u t c h Querfibrillen vone i n a n d e r g e t r e n n t . Vergr.: 29 000:1

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HABALD BS~Z~:

Abb. 18. p a r e n c h y m z e l l e , ca. 200 ~ lang. L~ngsachse in R i c h t u n g des Mal3stabes. FibriHen v o r w i e g e n d quer, b e g i n n e n d e U m o r i e u t i e r u n f f in der/~ufieren W a n d s c h i c h t . Vergr. : 26 000:1

Wachstum und Feinbau der Zellwhnde in der Avena-Koleoptile

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Abb. 19. Parenehyrnzelle, ca. 300 # lang. L~ngsachse in Rich~ung des l~aBstabes. Lanzettf6rmige Tfipfel, beginnende Umorientiertmg der Fibrillen in die L~ngsaehse de~ Zelle. Vergr.: 16100: I

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I~A.RALD BOttMER :

Abb. 20. Wandstiick mlt Tfipfel aus einer ca. 400 ~ lange]l Parenchyrnzelle. L~ngsachse in llichtung des Mal~stabes. Beginnende Einenglmg des ovalen T~pfels d~irch L~ngslibrillen. V e r g r . : 26 OOO:l

Wachstum und Feinb~u der Zellws

in der Avena-Koleoptile

Abb. 21. P a r e n c h y m z e l l e , ca. 600/* lang. L~ngsachse in R i c h t u n g des Mu~3st~bes. runcl, d u t c h L~ngsfibrillen eingeengt. u : 21 500 : 1

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Tiipfel

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HARALD BSHMEB:

Abb. 22. P a r e n c h y m z e l l e , ca. 400 # lang. L~ngsachse in R i c h t u n g des MaiBstabes. Q~]erwand, lockeres Fibrillengeflecht. Vergr.: 38500 91

Wachstum und Feinbau der Zellwi~ndein der Avena-Koleoptile

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fibereinanderliegenden Zellen werden auch noch lange naeh der Zellteilung durch die L~ngsfibrillen der I(an~enverstgrkungen verbunden. Deutlich abgegrenzte Poren sind nicht zu erkennen. Nach AbschluB des Streckungswaehstums werden diese Wgnde dicker und die Zellen trennen sieh voneinander. Eine Sekundiirwand wird beit den Parenchymzellen der Avena-Koleoptile nicht angelegt.

D. Diskussion I. Vergleieh der Ergebnisse mit denen anderer Arbeiten iiber das Waehstum der Zellwiinde

1. Bipolares Spitzenwachstum Es wurde schon erw/ihnt, daB MOnVu~THXLERnach licht- und elektronenmikroskopischen Untersuchmlgen der Zellmembranen yon Maisund ttaferkoleoptilen zu dem Ergebnis kam, daB sich alle Zellen (Parenehym-, Epidermis-, Xylem- und Phloemze]len) nur durch ein bipolares Spitzenw~ohstum ,,strecken" (M~dHL~AL~ 1950). Ein bipolares Spitzenwachstum ]s sich mi~ den Ergebnissen der vorliegenden Arbeit nicht vereinbaren. Durch die Versuche mit laC-markierten Hexosen ist eindeutig bewiesen worden, dab bei den Parenchymund Epidermiszellen auf der ganzen Wandf]iiehe gleichm/~gig Cellulose eingel~gert wird: Die Zetlen wachsen also durch Intussuszeption. Die yon MOHLETHALERim Elektronenmikroskop beobachteten diinnen Zonen an den Enden der Parenchymzellen sind wahrscheinlich nur die Querw/inde gewesen, deren Fibrillengeflecht ja bis gegen Ende des Streckungswachstums locker bleibt. Die Vertikalw/inde dagegen sind auf der ganzen Fl~ehe dichter; die sta,bilen Kantenverst~rkungen reichen his an das Ende der Zelle. Im Lichtmikroskop wurden auch vereinzelt Zellen mit dfinnwandigen Auswiichsen beobachtet. Auf dem ,,stripping-film" waren aber die Schw/irzungen auf den diinnen Wandfl/~chen eher sehw/ichef a]s auf den dickeren. Das deutet darauf hill, daB diese Unterschiede in der Struk~ur der Wand dureh die Macera.tion hervorgerufen werden. MOHLETHALW~iSt der Ansicht, dab die Kantenverst/irkungen aus enggelagerten, parallel orientierten Fibrillen eine Dehnung der Wand in der L/ingsaehse unm6glieh machen. Nun sind abet, wie im Kapitel C III, 1 schon angefiihrt wurde, die Cellulosefibrillen in der lebendenWand immer noch dutch ~ndere Wands~offe und dutch Plasma ge~rennt, so dM3 eine Streckung auch dieser Kanten durchaus vorstellbar ist. Eine Dehnung der noch weitaus dickeren Wand der Epidermiszellen h/fit MOHLnTm~Ln~ ffir ausgeschlossen. Aber auch diese mehrere # dicke Celluloseschicht muB sich auf der ganzen Fls vergrSBern, da w/~hrend der Streckung tiber~ll gleiehm//Big Cellulose eingelagert wird. Selbst an den spitz

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I-IAI~ALDB 6 ~ . ~ :

~uslaufenden Zellenden, die naeh MO~T.~THAL~ e r i e intensiver Cellulosesynthese sein sollen, zeigen sich keine st~rkeren Schwarzungen als auf den iibrigen Wandfl~ehen. Bei Gefaf3zellen wurde schon immer Spitzenwachstum vermutet (ScttOcH-BODMEI~ nnd H c ~ 1946). Um so tiberraschender ist es, dab wenigstens in friihen Wachstumsstadien keine Unterschiede in der Celluloseeinlagerung beobaehtet werden konnten. Ein Spitzenwaehstum ist datum aber auch nicht ganz ausgesehlossen: Die Verst~rkungsleisten kSnnen an den Zeilenden neu entstehen nnd werden in der Zellmitte nur noch welter verdickt, so daf3 sich kcine Unterschiede in der Intensitgt der Celluloseeinlagerung zwisehen den versehiedenen Regionen der Zelle ergeben. Da die Einlagerung yon Cellulose in die Ringe und Schraubenwindungen abet sehr lange anhglt und eine auff~llige Verdickung dieser Leisten nicht beobachtet werden kormte, liegt der Sehlul~ nahe, dal~ aueh diese stabilen Verdickungen sich strecken. In sp~teren Wachstumsstadien vergr5~ern darm nur noeh die nieh~ verstgrkten Teile der Wand ihre Oberfigche.

2. ,,Multi-net-growth", Intussuszeptionswachtum In der Einleitung ist bereits das yon ROELOFS~ gefundene ,,multb ne~-growth" beschrieben worden. Diese Art des Wachstums ist offensiehtlich dem Fli~ehenwaehstum der Parenchymzellen in der AvenaKoleoptile sehr i~hnlieh. Auch hier konnte eine Um]agerung der Fibrillen w~hrend des Streckungswaehstums einwandfrei festgestellt werden (Abb. 9 und 10). Die elektronenoptisehen Aufnahmen zeigen dann weiter, dab diese Umlagerung in den ~uSeren Wandsehichten beginnt (Abb. 18, 19) und dann auI immer tiefer liegende Schiehten fibergreift (Abb. 21). Die auSen liegenden Fibrillen werden wahrseheinlieh passiv in die L~ngsachse gezogen, w~hrend der Einbau neuer Fibrillen sti~ndig in den inneren Wandschichten parallel zur Querachse erfolgt. Wahrscheinlich sind auch die Fibrillen der Kantenverst~rkungen znm Tell passiv dorthin gezogen worden; denn die L~ngsfibrillen der Kanten liegen immer auSen. So ]gBt sich aueh erklgren, dab die Kantenverstarkungen dureh Schwgrzungen weniger hervortreten als man nach der deutlichen Anf~rbung mit Benzoazurin annehmen sollte: Wenn die Zelle die 14C-markierten Hexosen aufnimmt, zu Cellulose synthetisiert trod in die inneren Wandsehiehten einlagert, enth~lt die Cellulose der jetzt au~en liegenden Fibrillen natiirlieh noeh kein 14C. Diese Fibrillen kSnnen sieh also, wenn sie mehr zu den Kanten hin umgelagert werden, nicht dureh st~rkere Schwgrzungen deutlicher machen. Wenn sieh bei ca. 30% der Zellen in jfingeren Streckungsstadien die K~nten doeh dutch intensivere Schw~rzungen hervorheben, so nut deshalb, well an den Kanten aueh

W~chstum und Feinbau der Zellw~ndein der Avena-Koleoptile

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die jungen, innenliegenden Querfibrillen nicht durch Tiipfel getrennt werden, wie zwischen den verdickten Kanten. Gegen Ende der Streckungsphase sind dann die Tiipfel welter voneinander entfernt, und die mit 14C markierte Celluloseschicht ist also fiberall gleich dick, so dab sich die Kanten nicht mehr dutch stgrkere Schw~rzungen abheben kSImen. O'K~LLv~Yhat versucht, den Ab]auf der Wandstreckung in der Baumwollfaser mit Hilfe yon radioaktivem Xohlenstoff zu verfolgen: Baumwollpflanzen mit nicht ausgewachsenen Samenkapseln wurden in einen I~aum mit radioaktivem CO2 gebracht mid nach kurzer Einwirkungszeit wieder im Gewachshaus bis zur Reife der Samenkapse] welter kultiviert. Die ausgewachsenen Ballmwollfasern wurden maceriert trod anf photographische Platten gelegt. Das Cellu]osegeriist der ganzen Wandfl~ehe erwies sich als radioaktiv (0'K~LL~Y 1953). Nach dem yon I~OELOFSS~ bei Baumwollfasern gefundenen,,multi-net-growth"muI~ aueh eine Celluloseeinlagerung auf der ganzen Wand erfolgen. Dieses Ergebnis ist jedoch noch kein exakter Beweis ftir ein gleichmgi]iges Wandwachstum; denn es ist mSglich, da~ 14C zun~chst im Zellilmeren gespeichert und erst sps in die Zellwand eingebaut wird. Eine Umkehrung des Versuehes wiirde wahrscheinlich eher ein eindeutiges Ergebnis bringen: Wenn die Baumwollpflanze mit fast ausgereiften Samenkapsein in eine Atmosphgre mit radioaktivem CO~ gebracht trod dort bis zur Reife weiter kultiviert wird, kalm auch die mSgliche Speicherung eines Teils des aufgenommenen 14C im Plama nicht stSren. Bei einem Spitzenwachstum darf bei dieser Versuchseinstellung nur das Ende der Faser radioaktiv sein. Voraussetzung ist dabei, dal3 alle nichtcellulosischen Stoffe vor der Prtifung mit strahhmgsempfindlichen Schichten aus dem Zellger(ist entfernt werden. CASTI~ entnahm 3 Tage alten Koleoptilen Sektionen und legte diese auf einen Objekttr~ger in einen Tropfen Wasser, der Wuchsstoff mid Saccharose enthielt. Die Oberfl~che des Koleoptilzylinders ragte dabei aus der Fliissigkeit heraus und wurde mit Kupferoxyd bestreut. Die waehsenden Sektionen photographierte CASTLEunter dem Mikroskop in verschiedenen Zeitabst~nden mid mai~ die jeweiligen Abstgnde zwischen best. Kupfer-Oxyd-Partikeln auf den Negativen. Es ergab sich, dal~ die Abstgnde zwischen den Partikeln und der ~ul3eren Epidermis gleichmg~ig gr61~er wnrden. Dm'ch Aufspalten der Koleoptilzylinder in der L~ngsachse konnten auch Messungen auf der inneren Epidermis durchgefiihrt werden. Hier ge]ang es CASTL~ auch, die jewei]igen Abstgnde zwischen best. Partikeln auf einer Zelle za bestimmen; nach 22 Stunden waren die Partikel um 20 bis 25% weiter auseinandergeriickt (CAsTL]~ 1955).

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HA~AnD BS~MS*:

CASTLE schliel3t aus diesen Versuehsergebnissen, dab sich die Zellen der ~ul~eren und inneren Epidermis auf der ganzen Wandfl/iche gleichm/il3ig dehnen. ]:)as stimmt mit den Ergebnissen der vorliegenden Untersuchungen fiberein. Bei den Ze]len der inneren Epidermis ist der Ort der Celluloseeinlagerung zwar nicht bestimmt worden; es ist jedoch unwahrscheinlich, dal3 sich diese Ze]len beim Streckungswachstum grundsgtzlich anders verhalten sollten. SCOTT, HAlVIlVER,BAKEtr und BOWLER (1956) nntersuchten elektronenoptisch die verschiedenen Wachstumsstadien der l%indenzellen in der Zwiebelwurzel. Das Meristem an der Spitze ist I mm lang. Es folgt dann die 2 mm lange Streckungszone. Die jfingsten Zellen sind vielkantig. Das netzartige Fibri]lengeflecht der Wi~nde wird yon zahlreichen, nicht scharf abgegrenzten Poren durchbrochen; nur die grSl~eren Poren sind auch im Lichtmikroskop sichtbar. Vertikal- und Querwgnde kSnnen in diesem Stadium nicht unterschieden werden. Diese Wandstruktur bleibt bei der folgenden Zellverl~ngerung in den Querwgnden erhalten. Die Poren ordnen sich radial und werden zur Vertikalwand hin im Durchmesser grSl~er. In den Vertikalwgnden sind die schmalen, linearen Tripfel anfangs diffus verteilt. In glteren Zellen ordnen sie sich vertikal an und werden dureh nichtgetiipfelte Wandbezirke getrennt. Die Fibrillen liegen meist horizontal. Die dicht nebeneinanderliegenden Ttipfel werden in ihrer ganzen Lgnge yon dieken Strs durchzogen. An beiden Enden der Tfipfel laufen diese Strange in ein porSses Maschenwerk aus, das dann in die nicht getfipfelten Wandfls einmtindet. Die Innenflgehe der Tiipfel ist yon einem losen Fibrillennetz ausgeftillt. W~hrend des L~ngenwachtums bleibt die Einlagermlgsriehtung der Fibrillen meist horizontal; die Tiipfel riicken mehr auseinander, vergrSgern ihre HShe und werden elliptisch. Wenn das Strecknngswaehstum fast beendet ist, gndert sich das Fibrillenmuster wieder und wird zu einem Netzwerk. Der Wechsei in der Fibrillenrichtung beginnt in den tiipfellosen Wandflgchen. In der folgenden Wurzelhaarzone entsteht innen auf der Prim~rwand eine Sekmld~rwand mit Parallelstruktur. Str~ng'e dieser Sekundarwand bedecken auch die Tfipfel (ScowT, HAM~ER, [BAKERund Bown~R 1956). Die Xnderungen in der Wandstruktur der Rindenzellen in der Zwiebelwurzel sind also so ghnlich wit die bereits beschriebenen Vergnderungen der Parenchymzellw~nde in der Avena-Koleoptile. Da bei der AvenaKoleoptile in dem yon uns nntersuchten Alter ein aktiver Vegetationskegel an der Spitze fehlt, sind solche charakteristischen Meiistemzellen mit einem netzartigen Fibrillengeflecht nicht vorhanden. Die Fibrillen in den Wgnden der meristematischen Zellen aus ideinen Koleoptilen liegen nicht immer kreuz und quer durcheinander, sondern es wird meistens die Qucrlage bevorzugt. Kleine Poren konnten nicht entdeckt werden; es sind schon gleieh gr6~ere, yon Fibrillen locker durchzogene

Wachstum und Feinbau der Zellwi~ndein der Avena-Koleoptfle

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Tfipfel vorhanden. Die beschriebenel~ vertikalen, tfipfellosen Wandfelder entspreehen den Kantenverst/irkungen der Parenchymzellen in der Avena-Koleoptile. Diese Wandbezirke der Rindenzellen aus der Zwiebelwurzel haben abet in friihen Streekungsstadien noeh keine L/~ngsfibrillen. Die Umorientierung der Fibrillen setzt sp/~ter ein als in den Parenehymzellen der Avena-Koleoptile, beginnt abet auch in den tiipfellosen Wandbezirken. Eine echte Sekund/irwand wird in den Zellen der AvenaKoleoptile nieht angelegt. Die streng parallelen Fibrillen in den Kantenverst~rkungen kSnnen nieht als Anf/inge einer Sekund/~rwand betraehtet werden, da sie grSBtenteils in ~ufteren Wandschichten liegeu, w/~hrend eine eehte Sekund/~rwand immer innen abgesehieden wird. Von WARD~OP win'de besonders untersueht, ob die Zahl der Lockerstellen (Tfipfel) in der Wand der Parenchymzellen tier Avena-Koleoptile w/~hrend des F1/~chenwaehstums variiert. Die statistische Ausz/ihlung an jungen und alten Zellen ergab, daft die einmal angelegten Plasmodesmen w/ihrend der ganzen Zellentwieklung erhalten bleiben. Dutch die F1/~ehendehnung riieken sie nut mehr auseinander. Dabei sollen sich aueh die dazwischen liegenden Wandbezirke aufloekern (WA~)RoP 1955). Letzteres konnte bei den vorliegenden Untersuchungen nieht best/itigt werden: Die Wand~l/~ehen zwisehen den Tiipfeln zeigten nie Lockerstellen. Dagegen konnte aueh beobachtet werden, daft die Zahl der Tfipfel sieh w/ihrend der Zellstreckung nicht wesentlich/~ndert ; sie seheiut aber eher kleiner als grSfter zu werden. Statistische Ausz/ihlungen wurden nieht gemaeht. Bei den Zellen aus der Wurzel des Maiskeimlings ist gefunden worden, daft die Zahl der Tiipfel mit zunehmender ZellgrSfte abnimmt (WEALEu MERICL~und HEIMSC~ 1952). WArn)Rot sieht in den Tiipfeln die Synthesenzentren ffir Cellulose: Die neuen Fibrillen sollen bier eingeflochten werden. Vielleieht lassen sich dureh diese Annahme die sehon beschriebenen Sehw/~rzungsuntersehiede deuten: Gegen Ende des Streckungswachstums zeigen die Vertikalw/inde h/~ufig in der Querachse verlaufende Zonen mit st/irkeren Schw/~rzungen. Es kSnnen dies die Wandfl/ichen sein, die yon den welt auseinanderliegenden Tiipfeln nach WARD~OP neu aufgebaut werden. Die Neueinlagerung yon Cellulose kann jedoch nicht ausschlieftlich yon den Ttipfeln aus erfolgen, da dann die Schw/~rzungsfelder sehiirfer abgegrenzt sein mtiftten. Wahrseheinlieh wird auf der ganzen inneren Wandfl/iche Cellulose eingelagert ; die Neueinflechtung yon Fibrillen ist nur in der N/~he der Tiipfel besonders intensiv. 3. Mosaikwachstum Die yon WARDI~OI) besehriebene Art der WandvergrSfterung kommt dem yon FREY-WYsSLINGgefundenen ,,Mosaikwaehstum" nahe (FREYWYSSLI~G und STEC~ER 1951). Planta. Bd. 50

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HARALDB6HMER:

Elektronenoptische Aufna.hmen yon macerierten Zellw~nden zeigen immer wieder, da.B die Ce]lnlosegeriiste aus einem Flechtwerk yon Fibrillen bestehen; a.]so liegen in der lebenden Zellwa.nd die Fibri]len nicht in einer Ebene. Daher hatte sich die Ansicht durchgesetzt, da.B ein Einflechten yon einzelnen Fibrillen in die Wand unmSglich sei, und da.l~ da.rum die Fibrillen eines Flechtwerks a.lle gleichzeitig im wa.ndstgndigen Pla.sma entstehen und auch abgelegt werden mtiBten. Ffir ein Fls waehstum wird desha.lb immer ein Auseina.nderriicken oder soga.r Auf15sen yon Fibrillen gefordert, um eine Neueinla.gerung yon Fibrillen zu ermSglichen (Bt~NNING 1953). Da.gegen ist einzuwenden: Zwischen den Fibrilten ist in vivo immer noch geniigend ga.um, so da.l~ ein Einfiigen yon einzelnen Fibrillen nnd ohne vorherige auffgllige Ausweitung der ,,Maschen" wie beim Mosaikwa.chstum mSglieh ist. Es ist da.her wa.hrscheinlich, dab die yon FREY-WYssLING beoba.chteten ova.len Lockerstellen ga.r nichts mit dem Streckungswachstum zu tun haben, sondern die ersten Anfs yon Ttipfeln sind. Diese Ansicht wird a.uch durch die Ergebnisse der Untersuchungen yon WILSON best~tigt : WILSON fa.nd in l~indenpa.renchymzellen yon Elodea canadensis nut Perfora.tionen im Cellulosegertist bei solchen L~ngswgnden, die a.n Na.chba.rzellen grenzen. Die L~ngsw~nde, die an Intercellularrgume grenzen, zeigen keine Perfora.tionen (WILSON 1957).

II. Physiologisehe Probleme der ZellwandvergrSBerung 1. Die Wit]sung des Turgordrucks SACHS stellte zuerst die Theorie a.uf, da.~ der Turgordruck die treibende Kraft bei der Zellstreckung sei (SACHS 1873). Dagegen vermutete PFEFFS,~ in dem Wa.ndwachstum selbst, d. h. in der Einl~gerung neuer Wandsubstanz, die eigentliche treibende Kraft bei der VergrSBerung des Zellvolumens (PFEFFER 1893). M~HLETHALERkehrt zu dieser Auffassung yon PFs~FrS.~ zuriick (M~JHLETHAnE~ 1950). Auch HAAS (1955) argumentiert gegen SACHS, da.B der Turgordruck das Cytoplasma. aus dem lockeren Geflecht an den Polen der Zelle hera.usplessen wtirde, statt das Gewebe der Mikrofibrillen innerhalb der Zellwand zu dehnen. Ein Kompromil~ in dieser Streitfra.ge kommt den tatss Gegebenheiten wohl a.m n~chsten. So sieht POHL die treibende Kraft bei der Streckung im Zusa.mmenwirken beider Fa.ktoren; denn eine VergrSl~erung der Wand hat nicht unbedingt die VergrSl]erung des Zellvolumens zur Folge: Erst eine Spa.nnung der vergrSBerten Wandfls durch den Turgordruck bringt auch eine Erweiterung des Vo]umenzustandes (PoHL 1954).

2. Die Wit/sung des Wuchssto]/es SODI~G konnte eine Para.llele zwischen Wuchsstoffkonzentration und dem Grad der pla.stischen Wanddehnba.rkeit na.chweisen (SODING

Wachstum und Feinbau der Zellw/~ndein der Avena-Koleoptile

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1929, 1931 und 1934). Dabei blieb zun~chst die Frage often, ob diese Erh5hung der Plastizit~t Ursache oder Folge des Streckungswachstums sei. HEY~ glaubte dann, dal~ der Wuchsstoff direkt anf die Wand einwirke und deren plastische Dehnbarkeit erhShe (HEY~ 1940). Dagegen hat sich heute die Ansicht durchgesetzt, dM~ der Wuchsstoff nieht direkt auf die Wand einwirkt, sondern zun~chst die Wasseraufnahme der Zelle steigert. Die Erh5hung des Wassergehaltes ist bei der Streckung n~mlich sehr augenfgllig : Meristematische Zellen haben keine Vacuolen im Plasma, ausgewachsene Zellen haben dagegen grol~e Vaeuolen. Nach POHL fSrdert nun der Wuchsstoff die Wasseraufnahme auf zwei Wegen: Erstens fiber die Plasmagrenzflgchen durch eine ErhShung der Permeabiliti~t und zweitens durch eine Steigernng der binnenplasmatischen Prozesse, die eine ErhShung der Saugkraft zur Folge hat (PoHL 1948 und 1953). BLA~Kund FREY-WYssLING (1941)konnten zeigen, dab die ZellvergrSf~erung nicht durch die Wasseraufnahme allein hinreichend beschrieben ist : Es wnrden die GehMte an Lipoiden, Zucker, Hemicellulose, Pektin usw. bei Koleoptilen verschiedener Gr51~e bestimmt. Beim Vergleich der entsprechenden Werte zwischen 9ram langen und 55 ram langen Koleoptilen ergab sich sogar ein Anstieg ffir Lipoide, Pektine und besonders Ifir Cellulose. Der Znckergehalt blieb konstant. Ob und inwieweit der Wuchsstoff die Synthese dieser Stoffe fSrdert, ist noch nicht experimentell bestimmt worden. Zusammenfassang 1. Es wnrde eine Methode entwickelt, um mit Hilfe 14C-markierter Hexosen den Ort der Celluloseeinlagerung beim Streckungswachstum zu bestimmen. 2. Bei Parenchym-, Epidermis-, Xylem- und Phloemzellen der AvenaKoleoptile wird w~hrend der Zellverliingerung in der ganzen Wandfl~che Cellulose eingebaut. 3. Anzeichen f fir ein bipolares Spitzenwachstum konnten nicht gefunden werden. 4. Es wurde unter Ausnutzung des Benzoazurin-Diehroismus ein Verfahren zur Bestimmung der mittleren Einlagerungsrichtung der Cellulosefibrillen entwickelt. 5. In der ttauptstreckungsphase vergrS•ert sieh bei den Fibrillen der Parenchymzellen der mittlere Steigungswinkel zur Querachse der Zelle. 6. ])as Cellulosegerfist yon Parenehymzellen versehiedener Wachstumsstadien ist polarisationsoptisch u n d elektronenoptisch untersucht worden. Es konnten die unter 5. angeffihrten Ergebnisse direkt bestiitigt werden. Die Umorientierung der Fibrillen beginnt in den i~ul~erenWandschichten. Die anfangs ovalen Tfipfel werden w~hrend des Streckungswachstums durch L~ngsfibrillen eingeengt und dadurch rund. 34*

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I~AI~AL D B6lt~EI% :

7. D i e E r g e b n i s s e w e r d e n m i t d e n e n a n d e r e r A r b e i t e n v e r g l i c h e n u n d d e r E i n f l u B des T u r g o r d r u c k s u n d des W u c h s s t o f f e s ~uf die Z e l l s t r e c k u n g diskutiert. Herrn Prof. Dr. F. OEHLKERS danke ich ffir die Bewilligung der Mittel. Das Thema der Arbeit stellte mir Herr Prof. Dr. 1~. PO~L, dem ich ffir seine wertvollen Anregungen herzlich danke. Nachdem dieser naeh Istanbul berufen wurde, strand mir Herr Dozent Dr. M. B o ~ mit Rat und Tat zur Seite. Litemtur AvERx~jr., G.S.: Comparative anatomy and morphology of embryos and seedlings of maize, oats, and wheat. Bet. Gaz. 89, 1--39 (1930). --AVERY jr., G. S., and P. R. BCRKgOLDER: Polarized growth and cell studies on the Arena eoleoptile, phytohormon test object. Bull. Torrey Bet. Club 63, 1--15 (1936). - - BLANK, F., U. A. FgEY-WYssLI~G: Ber. sehweiz, bet. Ges. M, 116 (1941). Ref. hash Fg•YWYssLI~o 1953. - - Bi~NI~G, E. : Entwicklungs- und Bewegungsphysiologie der Pflanze. Berlin-G6ttingen-Heidelberg: Springer 1953. --CASTLE, E. S. : The mode of growth of epidermal cells of the Arena coleoptile. Prec. Nat. Acad. Sci. U.S.A. 41, 197--199 (1955). - - FRsu A. : Die submikroskopische Struktur der Zellmembranen. Eine polarisationsoptische Studie zum Nachweis der t~iehtigkeit der Mizellartheorie. Jb. wiss. Bet. 65, 195--223 (1926). - - Das Wesen der Chlorzinkjodreaktion und das Problem des Faserdichroismus, ein Beitrag zur Theorie der F/~rbungen. Jb. wiss. Bet. 67, 597--634 (1928). - - FgEu A. : Die Stoffausscheidung der h6heren Pflanzen. Berlin: Springer 1935. - - Submicroscopic morphology of protoplasm. Amsterdam-Houston-London-New York: Elvesier Publishing Company 1953. - - Pflanzenzytologie und Elektronenmikroskopie. Endeavour 14, 34---39 (1955). - - FgEu A., u. H. STECI~R: Das F1/~ehenwaehstum dcr pflanzlichen Zellw~nde. Experientia (Basel) 7, 420 (1951). - - Gl~oss, J., R. BoGol~oc~I, N. J. NAnLEg and C. P. LEBLOI~D: The theory and methods of the radioautographic localisation of radioelements in tissues. Amer. J. Roentgeno]. 65, 420--458 (1951). - - HAAs, J.: Physiologie der Zel]e. Berlin-Nikolasee: Gebrfider Borntr/~ger 1955. - - HEu A. N.: Prec. Aead. Sci. Amsterdam 36, 560~566 (1933). - - Protoplasma 21, 299--305 (1934). - - N. J. Bet. Rev. 6, 515--574 (1940). - - Mi3m~ETI~ALm~,K.: Elektronenmikroskopische Untersuehungen fiber den l%inbau und das Wachstum der Zellmembranen in Mais- und Haferkoleoptilen. Ber. sehweiz, bet. Ges. 60, 614--628 (1950). - - O'KELLEY, J. C.: The use of C1~ in locating growth regions in the wall of elongating cotton fibers. Plant Physiol. ~8, 281--286 (1953). - - P~EFF~I~, W.: Druck und ArbeitsleJstung dureh wachsende Pflanzen. Leipzig 1893. - - PoI~L, I~.: Ein Beitr&g zur Analyse des Streckungswaehstums der Pflanzen. Planta (Berl.) 86, 230--261 (1948). - Zur Reaktionsweise des Wuehsstoffes bei der Zellstreckung. Planta (Berl.) 41, 343--372 (1953). - - 25 Jahre Wuehsstofforsehung. Naturwiss. 41, 392--400, 414--420 (1954). - - ROELO~SEN, P. A. : Orientation of cellulose fibrille in the wM1 of cotton hairs and its bearing on the physiology of eellw~ll growth. Bioehim. et Biophysiea Aota 7, 43--53 (1951). - - ROELOFS~N, P . A . , u. A. L. HOUWlI~K: Fibrfllar architecture of growing plant cell walls. Acta bet. neerl. 3 (3), 385--395 (1954). - - Ro'rt~EgT, W.: Uber Heliotropismus. Beitr. Biol. Pflanz. 7, 1--212 (1894). - - SAtins, J. : Lehrbueh der Botanik, 3. Aufi. 1873. - - ScttocI~-Bon~El~, H., u. P. I-IUBEI~: Mitt. naturforsch. Ges. Schaffhausen 29, 29--43 (1946). - - SCOT% F. M., K. C. HA~EI~, E. BA~EIZ and E. BOWLEg: Electron microscope studies of

Wachstum und Feinbau der Zellwande in der Avena-Koleoptile

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cell wall growth in the onion root. Amer. J. Bot. 4,q, 313--324 (1956). - - SSDING, H. : Wachstum und Wanddehnbarkeit bei der Haferkoleoptile. Jb. wiss. Bot. 74, 127--151 (1931). - - l~ber die Waehstumsmechanik der Haferkoleoptile. Jb. wiss. Bot. 79, 231~255 (1934). - - WA~DI~OP, A. B. : Mechanism of surface growth in parenchyma of Arena eol~optiles. Austral. J. Bot. ~, 137--148 (1955). - - The mechanism of surface growth in the parenehyma of Avena coleoptiles. Biochim. et Biophysica Acta 21, 200--201 (1956). - - WttALEY, W . G., L. W. MERICLE and CIr. HEIMSCI~: The wall of the meristematie cell. Amer. J. Bot. ]9, 20--26 (1952). - WILSOn, K.: Ann. of Bot., N . S . El, 1--11 (1957). - - WITHI~MANN, K., u. W. MEYER: Jb. wiss. Bot. 87, 642--678 (1939). - - Z I E G E N S P E C K , I-I.: Der Naehweis feinster Filia bei der T~ipfelbildung in sich streckenden Zellcn mit Hilfe diehroitischer Farbung. Mikroskopie (Wien) 8, 121--126 (1953). Dr. H. B6I~ME1L Bremen, Kohlh6kerstr. 14