Inge Dörr

Protein filaments-structural components of the phloem exudate : I. Observations with Cucurbita and Nicotiana.

SummaryFine structure and chemical composition of the phloem exudate of Cucurbita maxima and Nicotaiana glauca x suaveolens are investigated. Filamentous structures, several microns in length, are identified as structural components of the exudate by means of negative staining and electron microscopy. Two types of filaments are described: one form measures nearly 40 Å in diameter and shows a beaded appearance with regular spacings of about 50 Å; it is termed “elementary filament”. The second form has a diameter of about 90 Å and presumably consists of two helically arranged 40 Å subunits.The proteinaceous nature of the filaments is indicated by chemical analysis. The main macromolecular component of the exudate is demonstrated to be protein. Only traces of nucleic acids are detectable, lipids and polysaccharides cannot be found. The identity of the protein filaments with the filamentous structures (“slime”, “P-protein”), as revealed in thin sections of mature sieve tubes, is discussed.

Der Anschluß derCuscuta-Hyphen an die Siebröhren ihrer Wirtspflanzen

SummaryMorphological and fine structural differentiation of the contact hypha are described. Attaching to the sieve element of the host the apical region of a searching hypha forms a special contact cell, resembling a hand which grasps around the host cells with many fingers. At those parts of the wall adjacent to the sieve element, the parasitic cell developes a conspicuous wall labyrinth, thus enlarging the absorbing surface many (6–20) times. Changing from searching hypha to contact hypha the differentiation of the protoplast shows fundamental similarities to the development of sieve elements: enucleation, disintegration of the tonoplast, and occurrence of typical plasmatic filaments. Besides that an extended smooth surfaced ER is found within the contact hypha, unknown in plant cells until now. The fine structures described are discussed in view of the function of the parasitic cell as an absorbing and a conducting element.ZusammenfassungMorphologische und feinstrukturelle Differenzierung der Kontakthyphe des HoloparasitenCuscuta odorata werden beschrieben. Der apikale Bereich einer Suchhyphe bildet nach Anschluß an ein Siebelement des Wirtes einen sogenannten Kontaktfuß aus — einer Hand vergleichbar, die mit zahlreichen Fingern die Wirtszelle umfaßt. Lokal an den dem Siebelement anliegenden Wandpartien wird ein ausgedehntcs Protuberanzensystem von der Parasitenzelle gebildet, wodurch deren absorbierende Oberfläche um ein Vielfaches (6–20fach) vergrößert wird. Die Umstrukturierung des Protoplasten von der Suchhyphe zur Kontakthyphe hat grundsätzliche Gemeinsamkeiten mit der Siebelement-Differenzierung: Kernverlust, Auflösung des Tonoplasten und Ausbildung charakteristischer Plasmafilamente sind die wesentlichen Merkmale. Darüber hinaus ist im Bereich des Kontaktfußes ein komplexes glattes Endomembransystem entwickelt, wie es bisher von anderen Pflanzenzellen nicht bekannt war. Die beschriebenen Feinstrukturen werden im Zusammenhang mit der Funktion der Parasitenzelle als Absorptionsorgan und Leitelement diskutiert.

Feinstruktur intrazellular wachsenderCuscuta-Hyphen

ZusammenfassungEs wird die Feinstruktur derCuscuta-Hyphen vor dem Anschluß an ein Wirtsleitelement beschrieben. Diese sog. „Such“-Hyphe, die durch einen besonders dichten und organellenreichen Protoplasten gekennzeichnet ist, durchstößt beim intrazellularen Wachstum die Wirtswand und stülpt den Wirtsprotoplasten handschuhfingerartig ein. Die Hyphenspitze ist stets von einer eigenen Wand umgeben. Diese wird häufig von Plasmafäden durchzogen, die Parasitenund Wirtszelle direkt verbinden. Diese — erstmals elektronenoptisch nachgewiesenen —Außenwandplasmodesmen werden in basalen, älteren Hyphenbereichen durch eine von der Wirtszelle ausgeschiedene Wand sekundär verschlossen. Auf Unterschiede dieser Plasmastrukturen gegenüber den Ektodesmen in den Epidermisaußenwänden wird hingewiesen sowie ihre Entstehung diskutiert.SummaryThe fine structure of parasiticCuscuta-hyphae that has not yet a contact to the conducting tissue of the host has been studied. The so called “searching” hyphae are characterized by rich protoplasts with many organells. When intracellular growing they push through the host wall and keep surrounded by the plasmalemma of the host protoplasts. The tip of the hypha always has its own wall, that is penetrated sometimes by numerous plasmatic filaments, directly connecting the protoplast of the parasit with that of the host cell. These plasmodesmata of the outer wall, the ultrastructures of which are described for the first time, are shut lateron by a following wall apposition of the host cell against the hypha. The origin of these plasmodesmata of the outer wall and the differences to the so-called “ectodesmata” in outer walls of the epidermis are discussed.

Molecular, functional and ultrastructural characterisation of plastids from six species of the parasitic flowering plant genus Cuscuta.

Abstract. Plastids of Cuscuta reflexa Roxb., C. subinclusa D. et H., C. gronovii Willd. and C. campestris Yunck. possess thylakoids and contain both chlorophyll a and b in a ratio similar to that of stem tissue of the systematically closely related but ‘normal’ green Ipomoea tricolor. In contrast, plastids of C. odorata R. et P. and C. grandiflora H.B.K. do not contain any chlorophyll or possess thylakoids. Light-driven electron transport, as measured by oxygen evolution and indicated by analysis of chlorophyll fluorescence, was present in all chlorophyll-containing species. The photosystem II efficiency was low and ranged from 0.511 to 0.687. The plastid rbcL gene could not be detected in C. odorata, but was present in all other tested species. Neither rbcL transcripts nor the large subunit of ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase-oxygenase (Rubisco) could be detected in C. odorata and C. grandiflora. Low amounts of the large subunit of Rubisco were detected immunologically in all other Cuscuta species. Apparently, the genus Cuscuta comprises species with different degrees of plastid functionality, ranging from intact chloroplasts, via plastids with impaired protein production and gene expression to plastids with reduced plastome gene content.

Zur Lokalisierung von Zellkontakten zwischenCuscuta odorata und verschiedenen höheren Wirtspflanzen

ZusammenfassungEs wird eine Methode der gezielten Untersuchung von parasitierendenCuscuta-Hyphen innerhalb des Wirtsgewebes (Pelargonium zonale, Primula obconica) beschrieben. Das Arbeiten mit isolierten Leitbündeln (Primula) sowie eine verfeinerte Zielpräparation der fixierten und eingebetteten Gewebe vor der Ultramikrotomie führt bereits mit lichtoptischen Methoden zu einer zellularen Lokalisierung der Hyphen im Wirtsgewebe. Diese wiederum ermöglicht eine genaue Beurteilung des Differenzierungsstadiums der Parasitenzellen vor der nachfolgenden elektronenoptischen Beobachtung. Erste Ergebnisse über den Feinbau derCuscuta-Hyphen werden an drei Beispielen mitgeteilt: 1. intrazellular wachsende „Suchhyphe“, 2. interzellulare „Suchhyphe“ und 3. „Anschlußhyphe“ an der Wirtssiebröhre. Die Untersuchungen wurden in den Jahren 1965–1966 im Botanischen Institut der Universität Bonn durchgeführt. Mein herzlicher Dank gilt meinem verehrten Lehrer Herrn Prof. Dr. W.Schumacher. Danken möchte ich ganz besonders Herrn Doz. Dr. R.Kollmann für seine Einführung in das Arbeitsgebiet sowie für alle anregenden Diskussionen.SummaryA new method for localized research of parasitic dodder hyphae in host tissue (Pelargonium zonale, Primula obconica) is described. Working with isolated vascular bundles (Primula) and the use of a refined, aimed preparation enable a cellular localization of theCuscuta hyphae in the host tissue already by the lightmicroscope. This facilitates an exact analyse of the stage of differentiation of the the parasitic cells previous to the ultramicrotomy and electronmicroscopic observation. First findings on the ultra-structure ofCuscuta hyphae are reported in three examples: 1. intracellular growing “searching” hypha, 2. intercellular “searching” hypha, and 3. “contact” hypha to the sieve tube of the host plant.

Filament formation in vitro of a sieve tube protein from Cucurbita maxima and Cucurbita pepo

SummaryPhloem proteins of the sieve tube exudate from Cucurbita maxima Duch. and Cucurbita pepo L. were investigated as to their filament forming ability in vitro. From the two main proteins (116000 dalton, 30000 dalton) only the 116000 dalton protein was found to form reversibly distinct filaments of 6–7 nm diameter upon removal of SH-protecting agents from the buffer, whereas the 30000 dalton protein was precipitated as amorphous material under these conditions. The protein filaments were similar to the filaments ocurring within the sieve tube cells in vivo.

Zur Herkunft und Struktur der Plasmafilamente in Assimilatleitbahnen

SummaryTaking into account the literature on the so-called sieve-tube slime (“mictoplasm”, “slime strands”) and regarding its fine structure more in detail the term plasmatic filament (“Plasmafilament”) is proposed and will be used in this paper to characterize the individual exceedingly fine subunit of the plasmatic network (or slime) in sieve elements. Up to now plasmatic filaments have mostly been erroneously called “fibrils”. The dimension of a fibrill has now been defined anew and differentiated from its subunit “plasmatic filament”.In the first part of these investigations some aspects of the development of plasmatic filaments and their spreading over the total lumen of Dioscorea sieve elements will be reported.Previous to the first appearance of filaments the later sieve element abounds in plasmatic components, the groundplasm being extremely rich in ribosomes (Fig. 1). The difference between young sieve elements and the neighbouring parenchyma cells is nearly imperceptible apart from a slight variation in ribosome density. Plastids are very useful in distinguishing these two cell types from each other. The development of osmiophilic inclusions that characterize sieve-element plastids in Dioscorea has already been initiated in these very young cells.The earliest stages in the formation of plasmatic filaments that up to now have been revealed in Dioscorea show masses of filaments, some short and granular in appearance (Fig. 2: *), some already elngated and filamentous (Fig. 2: F). After expanding over the entire cell those filaments still look like having their origin directly in groundplasm (Fig. 5). Elements of the ER-system and many ribosomes cross the plasmatic filaments during all developmental stages of their network, which is at no time surrounded by any membrane.In sieve elements of Dioscorea, Primula, Cuscuta and Cucumis our investigations furthermore yielded some detail on the filament substructure. A cross-sectioned plasmatic filament is composed of an osmiophilic outer ring with a light centre (Fig. 11) corresponding in a longitudinal view to two deeply contrasted outer layers and an inner one without any contrast (Fig. 8). An individual filament has an overall diameter of 120–150 Å and an up to now indeterminable length that exceeds at least several microns.The real nature of these fine structures will be discussed in relation to similar structures and their meaning in plant and animal cells.ZusammenfassungFür die den Stoffleitbahnen eigenen fädigen Strukturen wird die Bezeichnung “Plasmafilamente” vorgeschlagen.Wie erste Untersuchungen zur Differenzierung der Siebelemente zeigen, entstehen die Plasmafilamente bei Dioscorea direkt im Cytoplasma. Ihre Verbreitungsweise und ihr Feinbau in frühesten Differenzierungsstadien lassen vermuten, daß sie unmittelbar aus dem Grundplasma hervorgehen. Das Netzwerk der Plasmafilamente ist stets durchsetzt von Elementen des ER und zu keiner Zeit von einer Membran umgeben.Das Einzelfilament hat bei Dioscorea, Primula, Cuscuta und Cucumis eine unbestimmte Länge und einen Durchmesser von 120–150 Å. Im Querschnitt zeigt es den Aufbau aus einem osmiophilen Ring mit einem elektronenlichten Binnenraum. Dem entsprechen in der Längsaufsicht zwei äußere kontrastreiche und eine innere kontrastarme Schicht.Der Aussagewert der Filamentfeinstruktur wird unter Berücksichtigung ähnlicher Strukturen und ihrer Bedeutungen in der tierischen und pflanzlichen Zelle diskutiert.

Strukturelle Grundlage des Parasitismus beiOrobanche

SummaryA light- and electronmicroscopic study is presented on five species of the root parasiteOrobanche with special regard to the structural relationship of the parasitic haustoria and hosts tissue. The intruding primary and secondary haustoria induce cell proliferation of the root tissue. The connection between both organisms is comparable with graft-like fusion. Host and parasitic tissue are distinguished by some fine structural characteristics. Haustorial cells show densely structured protoplasts with numerous ribosomes, highly organized rough-ER and many cell organelles. InOrobanche ramosa spherical bodies of about 60 nm in diameter with a dense center (and sometimes tail-like appendage) serve as specific markers of the parasitic cells. The haustorial cells always show intercellular growing. Plasmodesmata interconnecting host and parasite cells cannot be observed.Some morphological data are presented which indicate that the growth of the parasite within the host tissue is based on enzymatic processes of cell wall dissolution rather than on pressure mechanism.ZusammenfassungStrukturelle Beziehungen zwischen Haustorien des WurzelparasitenOrobanche und den entsprechenden Wirtspflanzen wurden an fünf verschiedenen O.-Spezies licht- und elektronenmikroskopisch untersucht. Das eindringende primäre oder sekundäre Haustorium bewirkt eine Zellvermehrung des Wurzelgewebes. Die Verbindung beider Organismen ist mit Pfropfungsgeweben zu vergleichen. Wirts- und Parasitenzellen sind an einigen feinstrukturellen Besonderheiten zu unterscheiden. Haustorialzellen zeigen einen dichten, ribosomenreichen Protoplasten mit einem hoch organisierten rauhen ER und vielen Organellen. Zellen vonOrobanche ramosa besitzen als guten marker charakteristische sphärische Plasmaeinschlüsse von ungefähr 60 nm Durchmesser mit einem elektronendichten Zentrum. Haustorialzellen wachsen stets interzellular. Zwischen Wirts- und Parasitenzellen wurden keine Plasmodesmen beobachtet. Es gibt morphologische Anhaltspunkte dafür, daß das Wachstum der Parasitenzelle innerhalb des Wirtsgewebes weniger auf mechanischem Druck, als vielmehr auf einer möglicherweise enzymatischen Auflösung der Wirtswand beruht.

Strukturelle Grundlagen des Parasitismus beiOrobanche

SummaryWithin the haustorium ofOrobanche special assimilate conducting cells are developed. These cells show many typical features of sieve element differentiation: disintegration of tonoplast and nucleus, structural changes of plastids and mitochondria. The ribosomes however persist in high quantity in the developing sieve element. We call this intermediate stage of sieve element differentiation transition-sieve element. Only after disappearance of ribosomes the typical plasmatic filaments of angiosperm sieve tubes appear and plasmodesmata dilate to sieve pores. A smooth surfaced ER adjacent to the wall, is specific for haustorial sieve elements. The closer the parasitic cell lies to the host sieve tube, the better ER is developed. However a direct contact of this specialized cell to the host sieve tube was not observed. There is always a particular contact cell, showing a normal protoplast of high density. No plasmatic connections betweenOrobanche and its host are detected. These findings onOrobanche are compared with those on other parasitic plants.ZusammenfassungInnerhalb des Haustoriums vonOrobanche werden zur Assimilatleitung besondere Zellen ausgebildet. Diese zeigen viele Merkmale der typischen Siebelement-Differenzierung: Tonoplastenverlust, Kernverlust, Veränderung der Plastiden und Mitochondrien. Während der Entwicklung der haustorialen Siebröhren bleiben die Ribosomen jedoch in großer Dichte vorübergehend erhalten. Dieses Zwischenstadium der Siebelemententwicklung wird von uns als Übergangssiebelement bezeichnet. Erst mit der Desintegration der Ribosomen treten die typischen Plasmafilamente angiospermer Siebröhren auf, die Plasmodesmen werden zu Siebporen erweitert. Charakteristisch für die haustorialen Siebelemente ist ein glattes zisternales, wandständiges ER, das um so stärker ausgebildet ist, je näher die Parasitenzelle an der Wirtssiebröhre liegt.Ein direkter Anschluß dieser umdifferenzierten Zellen an die Wirtssiebröhren wird jedoch nicht beobachtet. Stets ist zwischen den Leitelementen beider Organismen mindestens eine „Kontaktzelle“ ausgebildet, die einen normalen, wenngleich besonders dicht strukturierten Protoplasten zeigt. Es werden keine plasmatischen Verbindungen zwischenOrobanche und ihrem Wirt gefunden.Die Befunde anOrobanche werden mit denjenigen an anderen parasitischen Pflanzen verglichen.

Strukturelle Grundlagen des Parasitismus beiOrobanche III. Die Differenzierung des Xylemanschlusses beiO. crenata

SummaryHaustorial cells of the root parasiteOrobanche within the xylem of the host tissue were investigated by light- and electronmicroscopy. Coming into contact with the tracheary elements of the host these cells show an unusual differentiation before turning into a water conducting xylem element. From haustorial cells with thickened front walls they develop into typical transfer cells, bearing wall ingrowth in those parts of the wall orientated towards the tracheary elements of the host. During further differentiation the transfer cell changes into a water conducting element by developing the typical secondary wall thickenings of xylem elements within the cell. Partly these wall thickenings are formed inside the labyrinth structures of the transfer cell, always situated opposite those of the tracheary element of the host. Simultaneously the labyrinth disintegrates—some small remnants of wall ingrowths may persist. The protoplast degenerates, and finally a haustorial water conducting element results. Host- und parasitic tracheary elements are connected by pits.ZusammenfassungInnerhalb des Wirtsxylems wurden Haustorialzellen des WurzelparasitenOrobanche lichtund elektronenoptisch untersucht. Diese Zellen durchlaufen eine ungewöhnliche Differenzierung bis sie wasserleitendes Xylemanschlu\element sind. Von Haustorialzellen mit stark verdickten FrontwÄnden entwickeln sie sich bei Eintritt in das Wirtsxylem zu einer typischen Transferzelle mit polar zum Holzelement des Wirts angelegtem Wandlabyrinth. Erst durch einen zweiten Differenzierungsschritt wird die Transferzelle zum Wasserleitelement, indem die typischen SekundÄrwandverdickungen des Xylems in der Zelle angelegt werden. Diese entstehen teilweise innerhalb des Wandlabyrinths und sind stets gegenüber denjenigen des Wirtselements angelegt. Zuletzt wird das Labyrinth — bis auf gelegentliche Reststrukturen — abgebaut, der Protoplast degeneriert, und es entsteht ein haustoriales Wasserleitelement, das über kommunizierende Tüpfel an das Wirtselement angeschlossen ist.