Rainer Kollmann

Über die Feinstruktur des Phloems vonMetasequoia glyptostroboides und seine jahreszeitlichen Veränderungen

Von den fruheren Untersuchungen zur Feinstruktur des Ruhephloems beiMetasequoia glyptostroboides ausgehend, werden die ersten Beobachtungen uber die Veranderungen cytoplasmatischer Strukturen der Phloemzellen im zeitigen Fruhjahr (Februar-Marz) beim Austreiben unserer Versuchspflanze mitgeteilt. Untersucht werden wie im Winter die jungsten lebenden Zellen in unmittelbarer Nahe des ersten Bastfaserringes nach dem Cambium. Im elektronenmikroskopischen Bild kann besonders bei den Siebzellen und im Cambium, weniger bei den parenchymatischen Phloemzellen („Eiweiszellen” der Markstrahlen und des Parenchyms), eine deutliche Strukturauflockerung der Protoplasten beobachtet werden. Diese steht wahrscheinlich mit einer vermehrten Wasseraufnhme des Gewebes in ursachlichem Zusammenhang. Bei der Betrachtung der Plasmastrukturen wird neben den ubrigen Zellorganellen in den verschiedenen Phloemzellen dem Endoplasmatischen Retikulum (ER) besondere Beachtung geschenkt. Diese Differenzierung des Cytoplasmas erfahrt bei der Reaktivierung der Phloemzellen bemerkenswerte Veranderungen. Beschrieben wird vor allem in den Siebzellen eine vermutlich vom Hydratationsgrad des Cytoplasmas abhangige starke Dilatation der im dichten Plasma des Winters mitunter nur sehr engen ER-Rohren. Dabei werden ausgedehnte Zisternenraume beobachtet neben einem wahrscheinlich durch vielfaches Fusionieren der erweiterten Rohrenstrukturen entstandenen, weitverzweigten ER-Netz. Der intrazisternale Raum des ER-Systems last daruber hinaus zahlreiche lokale Erweiterungen erkennen, Zisternen-oder Rohren-„Blasen”, and denen das ER in isolierte Vesikel zu fragmentieren scheint. Die Befunde uber eine starke Veranderung des Siebzellen-ER werden im Zusammenhang mit vergleichbaren Erscheinungen im Cytoplasma parenchymatischer Phloemzellen und zusammen mit Beobachtungen anderer Autoren an verschiedenen Objkten kritisch diskutiert.

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.

Evidence for graft transmission of structural phloem proteins or their precursors in heterografts of Cucurbitaceae

Abstract. Interspecific and intergeneric grafts of Cucurbitaceae were used to study the mobility of structural P-proteins in the phloem. When Cucumis sativus L. scions were grafted onto Cucurbita rootstocks, at least nine additional proteins appeared on sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide electrophoresis gels of scion exudate, 9–11 d after grafting. These proteins corresponded exactly to those of the respective Cucurbita sp. rootstock, including the filament-forming phloem protein PP1 and the phloem lectin PP2, as shown by the apparent molecular weights and peptide maps. According to probing at three sites, the additional proteins were evenly distributed within the scion. The appearance of additional proteins was correlated with the establishment of phloem bridges across the graft union. The developmental coincidence establishes that the structural proteins or their precursors are translocated in the phloem. This translocation was a universal phenomenon in Cucurbitaceae as shown by a comparative screening for additional proteins in eleven graft combinations, using Benincasa hispida (Thunb.) Cogn., Citrullus colocynthis (L.) Schrad., Cucumis melo L, C. sativus, Cucurbita ficifolia Bouché, Cucurbita maxima Duchesne ex Lam., and Trichosanthes cucumerina var. lobata Roxb. According to this screening, the direction of transmission of additional proteins depended upon the combination tested. While some graft partners failed to show exchange, some behaved as “donor” for additional proteins and still others could be both “donor” or “acceptor”. However, whether used as scion or stock, C. sativus was consistently identified as an acceptor. The occurrence of additional proteins in heterografts is discussed with regard to the transport mechanism of structural P-proteins in the phloem and its relationship to assimilate transport.

Untersuchungen über das Protoplasma der Siebröhren vonPassiflora coerulea

A. Das Fixierungsproblem Die auBerordentliche Labilit~t des Siebr6hrenprotoplasten, auf die bereits in der vorhergehenden Mitteilung (KoImMANN 1960) mehrmals hingewiesen wurde, zeigte sieh den meisten Untersuchern vor allem immer wieder bei Fixierungsversuchen. Waren aber die bisherigen Methoden bereits fiir liehtmikroskopisehe Untersuchungen meist unzureiehend, so mugten sie ffir die Analyse eventueller Feinstrukturen im Elektronenmikroskop sicher v511ig unbrauehbar sein. Die Ungunst der Bedingungen weist vor allem in 2 Riehtungen: Einmal mugten die ftir SiebrShren bekannten Wundeffekte bei der Preparat ion berticksichtigt werden, und zum anderen waren betr/~ehtliehe Ver/inderungen bei der Entw/isserung des nngew6hnlieh stark hydratisierten Protoplasten zu erwarten. Letztere muBten vor allem bei nieh~ geniigender Stabilisierung der Plasmabestandteile, d.h. also bei unzureichender Fixierung, eintreten. Das Wundeffektproblem habe ich nun in Fortsetzung meiner lichtmikroskopisehen Untersuehungen wie bereits HEPTON, PRSSTO~ find I:~IPL]gY (1955) sowie P~STO~ (1958) dutch geeignete Prgparationsmethoden zu umgehen versueht. Es hat te sieh ja gezeigt, dag die Siebr6hren in sehwaeh hypertonischer Saecharosel6sung leichter unbeseh/~digt zu erhalten waren. Es muBte deshalb eine Methode gefunden werden, die Objekte ohne Seh~den aus der Vorbehandlung in ein geeignetes Fixiermittel tiberzuftihren. Osmiumtetroxyd wird f/ir beste Erhal tung eytoplasmatischer Feinstrukturen heute allgemein erfolgreich verwandt. Jedoeh hat ten in letzter Zeit vor allem SITTE (1958) und ST~UGG~R (1959 ) betont, dag die versehiedenen Medien, in denen Osmiumtetroxyd angewandt werden kann, durchaus von untersehiedlieher Bedeutung fiir die

Formation of branched plasmodesmata in regenerating Solanum nigrum-protoplasts

During the early stages of culture, discontinuous branched half-plasmodesmata were found randomly scattered in the newly formed outer cell walls of regenerating Solanum nigrum L. protoplasts. During later culture stages, most of these “outer-wall plasmodesmata”, which had been exposed to the culture medium, disappeared, except for those near the periphery of division walls between daughter cells and those near non-division walls between secondarily associated unrelated cells. Moreover, in the peripheral parts of older division walls, there were continuous branched plasmodesmata which showed the typical morphological characteristics of secondary cell connections: several cytoplasmic strands joined in the median plane of the cell wall and were often linked by so-called median cavities. Evidence is presented that this type of continuous plasmodesma originates from the fusion of the half-plasmodesmata which persisted in the outer walls adjacent to the division wall. Due to growth of the cells after division, opposite parts of the outer walls of the daughter cells come into close contact and fuse, elongating the original division wall peripherally. Opposite half-plasmodesmata remaining in these parts of the outer wall may thereby also be brought into contact and fuse to form a continuous secondary cell connection in the secondarily coalesced wall part. Our assumption is supported by further experiments: (i) longterm video observations of living cells showed differences in the development of the shapes of regenerating cells and (ii) electron-microscopical investigations showed differences in the frequency of the, presumably secondary, cell connections in the peripheral parts of the division walls — both related to the firmness of the embedding medium. In the central parts of division walls, unbranched primary cell connections were found as well as a second type of continuous branched plasmodesma showing an entirely different branching pattern: the region of the middle lamella was always traversed by straight, unbranched parts of these plasmodesmata and the branches occurred exclusively within the younger wall layers. Evidence is given that these branches are modifications of originally unbranched primary plasmodesmata, developing during subsequent thickening of the division wall.

Über die Feinstruktur des Phloems vonMetasequoia glyptostroboides und seine jahreszeitlichen Veränderungen: III. Mitteilung die Reaktivierung der Phloemzellen im Frühjahr

ZusammenfassungVon den früheren Untersuchungen zur Feinstruktur des Ruhephloems beiMetasequoia glyptostroboides ausgehend, werden die ersten Beobachtungen über die Veränderungen cytoplasmatischer Strukturen der Phloemzellen im zeitigen Frühjahr (Februar-März) beim Austreiben unserer Versuchspflanze mitgeteilt.Untersucht werden wie im Winter die jüngsten lebenden Zellen in unmittelbarer Nähe des ersten Bastfaserringes nach dem Cambium.Im elektronenmikroskopischen Bild kann besonders bei den Siebzellen und im Cambium, weniger bei den parenchymatischen Phloemzellen („Eiweißzellen” der Markstrahlen und des Parenchyms), eine deutliche Strukturauflockerung der Protoplasten beobachtet werden. Diese steht wahrscheinlich mit einer vermehrten Wasseraufnhme des Gewebes in ursächlichem Zusammenhang.Bei der Betrachtung der Plasmastrukturen wird neben den übrigen Zellorganellen in den verschiedenen Phloemzellen dem Endoplasmatischen Retikulum (ER) besondere Beachtung geschenkt. Diese Differenzierung des Cytoplasmas erfährt bei der Reaktivierung der Phloemzellen bemerkenswerte Veränderungen.Beschrieben wird vor allem in den Siebzellen eine vermutlich vom Hydratationsgrad des Cytoplasmas abhängige starke Dilatation der im dichten Plasma des Winters mitunter nur sehr engen ER-Röhren. Dabei werden ausgedehnte Zisternenräume beobachtet neben einem wahrscheinlich durch vielfaches Fusionieren der erweiterten Röhrenstrukturen entstandenen, weitverzweigten ER-Netz. Der intrazisternale Raum des ER-Systems läßt darüber hinaus zahlreiche lokale Erweiterungen erkennen, Zisternen-oder Röhren-„Blasen”, and denen das ER in isolierte Vesikel zu fragmentieren scheint.Die Befunde über eine starke Veränderung des Siebzellen-ER werden im Zusammenhang mit vergleichbaren Erscheinungen im Cytoplasma parenchymatischer Phloemzellen und zusammen mit Beobachtungen anderer Autoren an verschiedenen Objkten kritisch diskutiert.SummaryThis third communication concerning the seasonal changes of the phloen finestructure ofMetasequoia glyptostroboides deals with the development of the reactivated phloem in spring (Febraary-March).As in our former investigations on dormant phloen, only the youngest sieve cells bordering the first ring of bast fibers were examined.In comparison with dormant phloem cells the electron-microscopic pictures show that at the stage of reactivation in the cambial cells and particularly in the sieve cells the structure of the protoplasts appears to be loosened, which may be due to the increase of water uptake of thw phloem cells at this time. In the so called albuminous cells of the parenchyma and the medullary rays such a change in the structure of the protoplasts was not observed.A study of all cell organelles in the different phloem cells shows that the elements of the endoplasmic reticulum (ER) have changed in a remarkable way.Of particular interst in the structure of the ER in the sieve cell cytoplasm. The ER-tubules which in the dormant sieve cells were thin, have become dilated, probably as a result of the intense water uptake of the reactivated protoplasts. These dilated tubules, by branching and anastomosing, form an extensive network, and sometimes they expand into flattened cisternae. The tubules and especially the cisternae show many local swellings and seem to disintegrate into separate vesicles.These peculiar changes of the ER in reactivated young sieve cells are compared with the structure of the ER in parenchyma cells at the same stage of differentiation.

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.

Subcellular localization of ubiquitin in plant protoplasts and the function of ubiquitin in selective degradation of outer-wall plasmodesmata in regenerating protoplasts

Immunocytochemical localizations in Vicia faba L. protoplasts and cultures of regenerating Solanum nigrum L. protoplasts support former observations that in plant cells ubiquitin occurs within the cytoplasm, the nucleus, the chloroplasts and at the plasmalemma, but not within the vacuole or the cell wall. Immunoresponses were also observed within mitochondria and associated with the endoplasmic reticulum, which is in accordance with previous findings on animal cells. Moreover, the tonoplast membrane system was found to be labelled. For regenerating S. nigrum protoplasts, evidence is given that ubiquitin plays a role in selective degradation even of whole subcellular structures. Most of the discontinuous plasmodesmata formed in the newly deposited outer cell walls during the early stages of culture disappear later on, except for those near the periphery of division walls or of non-division walls, which are probably used for the formation of continuous cell connections during further culture. Outer-wall plasmodesmata which are destined to disappear show high immunoreactivity to ubiquitin antibody, but no conspicuous immunolabelling was observed with the remaining plasmodesmata. Thus, the selective disintegration of whole plasmodesmatal structures is obviously regulated by ubiquitination of plasmodesmatal proteins. A model for the mechanism of degradation of outer-wall plasmodesmata during extension growth of the cell wall is presented.

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.