/. Embryol. exp. Morph. Vol. 32, 1, pp. 169-193, 1974
Printed in Great Britain
Zur Geschlechtsbestimmung und Gametogenese
von Bonellia viridis Rolando
Von RUDOLF LEUTERT 1
Zoologisch-Vergl. Anatomisches Institut der Universitat Zurich
SUMMARY
Sex differentiation and gametogenesis in Bonellia viridis Rolando
Large numbers of trochophore larvae of Bonellia viridis (Echiurida) were cultivated
either in pure sea water ('Glaszuchten') or in sea water containing an intact or fragmented
proboscis of an adult female ('Riisselzuchten'). The ability of these larvae to differentiate
into males or females was investigated.
Sex determination for the majority (43-83 %) is metagamic and phenotypic. These
findings therefore confirm the results of Baltzer and disprove those of Wilczynski.
When larvae are exposed to the action of the female proboscis, 76 % become males.
The sensitive period during which this determination can take place lasts from day 3 to day
16 of larval life. Exceptions to this rule are discussed.
The gametogenesis of Bonellia viridis has been investigated by electron microscopical
methods.
In early stages the oogonia of the ovary are already in syncytial contact with the nurse
cells. The possible functions of the nurse cells and follicle cells are discussed. Electron
micrographs failed to reveal two types of eggs (male- and female-determined eggs, according
to Wilczynski).
Spermiogenesis in Bonellia is described. The spermatogonia are situated in paired
clusters in the coelomic cavity, and form a syncytial complex. After completion of
spermiogenesis, the spermatozoa abandon their syncytial contact.
The fine structure of ripe spermatozoa is described and discussed.
EINLEITUNG
Bonellia viridis (Echiurida) ist eines der wenigen Tiere, bei dem das Geschlecht weder auf dem Stadium der Zygote noch auf jenem der Larve endgiiltig
determiniert ist. Die Geschlechtsbestimmung erfolgt demnach definitionsgemass phanotypisch und metagam. Der ausgepragte Geschlechtsdimorphismus (1-2 mm grosse Zwergmannchen leben im Uterus der 5-10 cm grossen
Weibchen) wurde von Spengel (1879) ausfiihrlich beschrieben. Die Entwicklung der Mannchen infolge eines 'Parasitismus' der Larven am Riissel adulter
Weibchen wurde von Baltzer (1912) im Detail beschrieben. Das Geschlecht der
Larve wird nach Baltzer (1914) in einer sich vom 8. zum 10. Tag nach erfolgtem
Schliipfen erstreckenden Phase der Larvalentwicklung festgelegt. Treffen die
1
Author's address: Zoologisch-Vergl. Anatomisches Institut der Universitat Zurich,
Kiinstlergasse 16, 8006 Zurich, Schweiz.
170
R. LEUTERT
Larven in dieser Zeit auf den Riissel eines adulten Weibchens (Riisselzuchten), und dauert dieser Kontakt mindestens 4 Tage, so differenzieren sie
sich in einem sehr hohen Prozentsatz zu funktionellen Zwergmannchen. Bleibt
dieser Kontakt aus (Glaszuchten), so entwickeln sich die Larven grosstenteils
zu Weibchen weiter. Falls man die Larven nur kurze Zeit am Riissel parasitieren
lasst, werden sie zu Intersexen unterschiedlichen Ausbildingsgrades (Herbst,
1928; Baltzer, 1928; Zurbuchen, 1937).
Die auf den Riisselkontakt zuriickzufiihrende Vermannlichung ist, wie
anzunehmen ist, auf eine stoffliche Wirkung zuruckzufiihren (Baltzer, 1926;
Herbst, 1929,1940;Nowinski, 1934). Die Natur dieser stofflichen Komponente,
durch welche eine phanotypische Geschlechtsbestimmung herbeigefiihrt wird,
ist leider nie weiter untersucht worden. In neuerer Zeit hatte Wilczynski (1960,
1968) das Problem wieder aufgegriffen und Befunde und Ansichten veroffentlicht, die der von Baltzer (1914, 1925), Herbst (1928) und Goldschmidt (1931)
vertretenen These widersprechen: nach Ansicht Wilczynski's ist die Geschlechtsbestimmung von Bonellia viridis genotypisch und progam: Einerseits ergaben
die von Wilczynski (1968) angesetzten Glaszuchten unter den Larven ein
Geschlechtsverhaltnis von 1:1 (160 Mannchen: 140 Weibchen). Diese Angaben
lassen sich heute nicht mehr uberpriifen. Andrerseits soil es nach seinen cytologischen Untersuchungen zwei verschiedene d.h. mannlich und weiblich
determinierte Eitypen geben, die dadurch zustande kommen, dass zweierlei
Typen von Nahrzell-Kernen in die Oocyte inkorporiert werden (Wilczynski,
1968). Demzufolge gabe es bereits vor der Besamung 2 Eitypen, aus denen
weiblich resp. mannlich determinierte Larven hervorgehen. Die ersten wiirden
sich freilebend entwickeln, wahrend die letzteren aufgrund ihres Determinationszustandes aktiv den Riissel eines Weibchens aufsuchen wiirden.
Diese neu aufgeworfene Kontroverse veranlasste uns, zu versuchen, die noch
offenen und durch Wilczynski neu angeschnittenen Fragen einer Losung
entgegenzufiihren. Da sich die experimentellen Befunde von Baltzer (1925,
1928, 1932), Herbst (1928), Glaus (1933), und Zurbuchen (1937), aufgrund
derer die These der phanotypischen Geschlechtsbestimmung aufgestellt worden
war, auf ein relativ kleines Zahlenmaterial stiitzen und dieses statistisch nicht
iiberpriift wurde, gait es einerseits, die klassischen Versuche, d.h. die Riisselund Glaszuchten von Bonellia-Larven in einem grosseren Rahmen zu wiederholen. Andrerseits hat sich die vorliegende Arbeit zur Aufgabe gemacht, die
Aussagen von Wilczynski (1960, 1968) beziiglich der Bedeutung der sich fiir
die Geschlechtsbestimmung im Rahmen der Oogenese abspielenden Vorgange
zu iiberpriifen. Zu diesem Zweck wurden die verschiedenen Phasen der Oogenese und die Beziehungen zwischen der Oocyte einerseits und den Nahrzellen
andrerseits einer elektronenmikroskopischen Analyse unterzogen. Dabei ging
es in erster Linie darum, abzuklaren, ob tatsachlich Nahrzellen mit der heranreifenden Oocyte verschmelzen und im Sinne Wilczynski's (1968) geschlechtsbestimmende Zellkomponenten auf diese iibertragen und ob es tatsachlich zwei
Geschlechtsbestimmung und Gametogenese von Bonellia
171
verschiedene, d.h. gross- und kleinkernige Nahrzellen gibt. Gleichzeitig wurde,
da bis jetzt iiber die Reifung und den Feinbau der Spermien von Bonellia
keine Angaben vorliegen, die Spermiogenese elektronenoptisch untersucht.
MATERIAL UND METHODE
Haltung der Tiere
Die lebenden Versuchstiere wurden uns vom Laboratoire Arago (Universite
de Paris) in Banyuls-sur-Mer geliefert. Die erwachsenen Weibchen wurden in 2
Aquarien mit je 100 1 kiinstlichem Meerwasser (Aquarienhandlung R. Pfister,
Rapperswil) bei 16 °C gehalten und mit zerriebenem Aquarienfutter (Tetraphyll
und Tetramin = Algenextrakt mit Fischleber und Artemia-Eiern, TetraWerke, Melle, Westdeutschland) einmal wochentlich gefiittert. Die Aquarien
wurden mit Neonlicht in einem 12h-hell/12h-dunkel Rhythmus beleuchtet.
Unter diesen Bedingungen liessen sich die weiblichen Individuen mehr als ein
Jahr halten.
Aufzucht der Larven zur Abkldrung der
Geschlechtsbestimmung
Aus Eiern, die von den Weibchen im Aquarium in Schnuren a ca. 5000
Stiick abgelegt und dann in Schalen von 500 ml Inhalt isoliert wurden,
schliipfen nach 2-3 Tagen Trochophora-Larven. Die heranwachsenden Larven
wurden in Pyrex-Schalen (15 x 30 cm), die 2 cm hoch mit Meerwasser aus den
Aquarien gefiillt waren, gehalten.
Elektronenmikroskopie
Als beste Fixierlosung fur die Gonaden erwies sich ein Gemisch von 1 Teil
10% Glutaraldehyd (gepuffert mit Phosphat auf pH 7,4) und 4 Teilen weiblicher Colomfliissigkeit, aus der durch Filtration zuvor die Colomocyten
entfernt worden waren. Fixiert wurde wahrend 2 h bei 4 °C. Anschliessend wurden die Objekte mehrfach mit Phosphatpuffer ausgewaschen, dann 1 h mit 2 %
OsO4 nachfixiert und mit Alkohol/Propylenoxid entwassert. Als Einbettungsmittel wurde Durcupan FLUKA (Buchs CH) verwendet. Die auf einem PorterBlum hergestellten Dunnschnitte wurden in Uranylacetat (in Wasser gesattigt)
und Bleicitrat nach Reynolds (1963) kontrastiert. Die Untersuchung der
Schnitte erfolgte mit einem Hitachi-Elektronenmikroskop (HU 8).
EXPERIMENTE ZUR GESCHLECHTSBESTIMMUNG
Bei der Durchfiihrung der klassischen Aufzuchtexperimente (Glaszuchten,
Riisselzuchten) wurde wie folgt vorgegangen:
Das Ausgangsmaterial fiir die Versuche bildeten die 3 Tage nach Eiablage
geschliipften Trochophora-Larven, die portionenweise fiir Glaszuchten, fruhe,
mittlere und spate Riisselzuchten aufgeteilt wurden. Glaszuchten: In runde
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R. LEUTERT
(ZZ1
100
1
Glaszuchten («= 1770)
^ Riisselzuchten («=440)
80 -
% 60 -
40 -
20 -
C5
?
Indifferent
Abb. 1. Prozentuale Verteilung der Geschlechter in Glas- und
mittleren Riisselzuchten.
Glasschalen mit Uberfalldeckel (Durchmesser 15 cm), die mit 250 ml Meerwasser gefiillt waren, wurden je 200 Larven gegeben. Von diesen Larven
iiberlebten jeweils 90-95%, ohne Futterung und Wasserwechsel, die ersten 30
Versuchstage. Nach dieser Zeit wurden die Zuchten auf ihren Gehalt an
weiblichen, indifTerenten und mannlichen Tieren untersucht. Russelzuchten:
Die Russelzuchten unterschieden sich von den Glaszuchten lediglich darin,
dass die Zuchtschale einen von einem adulten Weibchen abgeschnittenen
Riissel enthielt. Das Festsetzen der Larven auf dem Riissel wurde mit dem
Binokular iiberwacht. Diese Russelzuchten wurden in die folgenden drei Kategorien unterteilt: Friihe Russelzuchten: Den Trochophora-Larven wurde schon
1-2 Tage nach dem Schliipfen Gelegenheit geboten, den Kontakt mit einem
weiblichen Riissel aufzunehmen. Mittlere ('normale') Russelzuchten: Die
Trochophora-Larven wurden 8-9 Tage nach dem Schliipfen mit dem weiblichen
Riissel in Kontakt gebracht. Spate Russelzuchten: Die Trochophora-Larven
wurden erst 16 Tage nach dem Schliipfen mit einem weiblichen Riissel in
Kontakt gebracht.
Wahrend 2 Fortpflanzungperioden (Juni-September 1970 und 1971) wurden
insgesamt 1770 Larven in Glaszuchten und 440 Larven in mittleren Riisselzuchten getestet (Abb. 1). Diese Larven stammten aus 4 verschiedenen Gelegen.
Die taglichen Kontrollen und die endgiiltige quantitative Auswertung nach 30
Tagen wurden mit Hilfe eines Binokulars durchgefiihrt. Dabei wurde der
geschlechtliche Differenzierungszustand nach folgenden Kriterien beurteilt:
Kriterien fur Mannchen. Reife Spermien (mikroskopisches Praparat);
planarien-ahnliche Fortbewegung mit Cilien; mehr oder weniger entpigmentiert;
dorsoventrale Abplattung.
Geschlechtsbestimmung
und Gametogenese
von Bonellia
173
Tabelle 1. Die gesch/echtliche Differenzierung der Larven in parallel gefuhrten
Glas- und Russelzuchten (Aufzuchtergebnisse aus 4 verschiedenen Gelegen)
Die eingeklammerten Zahlen geben die erwartete Verteilung im Falle einer 1:1-Verteilung
an = Produkt von Reihentotal und Kolonnentotal dividiert durch Gesamttotal, nach
Snedecor & Cochran (1967).
Glaszuchten
Russelzuchten
Anzahl der Larven
(J
?
Indifferent
Total
53(309)
334(78)
387
1186(985)
44(245)
1230
531(476)
62(117)
593
1770
440
2210
Kriten'en fur Weibchen. Rumpf tonnenformig aufgeblaht (Colom); peristaltische Fortbewegung; T-formiger Russel mit 2 Augenflecken.
Kriten'en fur indifferent bleibende Larven resp. Intersexe. Weder klare Mannchen- noch Weibchenmerkmale; Retardation in der Entwicklung (Kiimrnerlarven, Dauertrochophorae).
Versuchsreihe 1
Tabelle 1 zeigt die numerischen Ergebnisse aus 2 verschiedenen Gelegen, die
als Glas- und mittlere Russelzuchten aufgezogen wurden. Die Daten wurden
aus 6 Riissel- und 4 Glaszuchten erhalten. Der 6-Felder-Test nach Snedecor
und Cochran (1967) ergab eine hoch gesicherte Abweichung von einer 1:1Verteilung (Irrtumswahrscheinlichkeit sehr viel kleiner als 1 %). Dies bedeutet,
dass mindestens ein Grossteil der 8-tagigen Larven sowohl zur mannlichen als
auch zur weiblichen Diflferenzierung befahigt ist. Fur diese Tiere erfolgt die
Geschlechtsbestimmung demzufolge mit Sicherheit phanotypisch und metagam.
Diese Feststellung deckt sich ganz mit den Ergebnissen von Baltzer (1925, 1928)
und das grosse Zahlenmaterial lasst auch von der Statistik her keine Zweifel
an der Richtigkeit dieser Aussage aufkommen. In Abb. 1 ist die Geschlechtsverteilung graphisch dargestellt.
Versuchsreihe 2
In einer 2. Versuchsreihe wurde die zeitliche Ansprechbarkeit der Larven
auf die vermannlichende Wirkung des Russels untersucht. Nach Baltzer (1937)
liegt die sensible Phase der Larven, in der diese auf die Wirkung des Russels
ansprechen, zwischen dem 8. und 10. Tag nach dem Schliipfen. Nach seinen
Angaben lassen sich altere Larven, wenn mit dem Riissel in Kontakt gebracht,
nicht mehr vermannlichen. Zur Uberpriifung dieser Befunde wurden Larven
1-2 (friihe), 8 (mittlere) resp. 16 (spate) Tage nach dem Schliipfen mit weiblichen Russeln in Kontakt versetzt. Dieses Experiment wurde mit 3 verschiedenen Gelegen wiederholt. Die Resultate sind in Abb. 2 wiedergegeben: nicht
nur die friihen und mittleren Russelzuchten ergaben eine deutliche Verschiebung des Geschlechtsverhaltnisses zugunsten des mannlichen Funktionszustandes, sondern auch die Versuchsreihe, in der die Larven erst 16 Tage nach
174
R. LEUTERT
H I =fruhe Riisselzucht (« = 220)
100 -
80
I
I =mittlere Riisselzucht («=450)
{Hi = spate Riisselzucht («= 100)
o/ 60
40
20
Mi
Indifferent
Abb. 2. Prozentuale Verteilung der Geschlechter in zeitlich gestaffelten Riisselzuchten. Definition der friihen, mittleren und spaten Riisselzuchten, siehe Text.
Schliipfen mit Riisseln in Kontakt gebracht wurden. In diesem Fall liessen
sich. noch 54 % der Larven vermannlichen.
Die Ergebnisse zeigen, dass die sensible Phase unter optimalen Bedingungen
einen bedeutend grosseren Zeitraum einnimmt (3.-16. Tag), als dies Baltzer
(1937) angab. Es ist zwar richtig, dass die meisten Larven sich im Normalfall
am 8.-10. Tag am Riissel anheften, dieser Zeitpunkt kann aber im Experiment
stark verschoben werden. Auf die moglichen Ursachen der 'Durchbrenner'
wird in der Diskussion eingegangen.
GENESE UND FEINBAU DER SPERMIEN
Spermiogenese
Die Friihphasen der Spermatogenese von Bonellia viridis, d.h. die Meiose mit
ihren Reifeteilungen, konnten bis heute noch nicht dargestellt werden. Weder
Baltzer (1925) noch Wilczynski (1968) konnten Chromosomen sichtbar
machen und deren Verhalten in der Meiose untersuchen. Auch die vorliegende
Arbeit musste auf das Studium dieses Teils der Spermatogenese verzichten.
Sie hat sich deshalb auf die Darstellung der Spermatozoendifferenzierung
konzentriert, wobei die Spermiogenese, ausgehend von den Spermatocyten II
bis zur ultrastrukturellen Ausdifferenzierung der reifen Spermatozoen,
beschrieben werden soil.
Der Verlauf der Spermiogenese wurde in 6 Stadien unterteilt, die sich
elektronenmikrokopisch leicht voneinander abgrenzen liessen. Der zum reifen
Spermium fiihrende Differenzierungsprozess, ausgehend von den Spermato-
Geschlechtsbestimmung und Gametogenese von Bonellia
175
ep
hm
\ pe
sps
\ ss
Abb. 3. Ausschnitt aus einem Querschnitt durch ein Mannchen von Bonellia
(Rekonstruktion aus EM-Aufnahmen). co: Colom; ep: Epidermis; fl\ Flagellen;
hm: Hautmuskelschlauch mit Langsmuskulatur (/m) und Ringmuskulatur (rm);
pe: Peritoneum; si: Samenschlauch-Lumen; sp: reife Spermien im Samenschlauch
(ss); sps: Spermiogenes Syncytium; spt: Spermatiden; sz: Schleimzelle zur Anheftung an weiblichem Riissel.
cyten II (Abb. 4, 6), spielt sich im syncytialen Verband des spermiogenen
Gewebes ab (Abb. 3). Dieses kleidet in seitlichen Portionen das Colom aus und
wird nach aussen durch den Hautmuskelschlauch, nach innen durch den grossen
Samenschlauch begrenzt. Letzterer enthalt ausnahmslos nur reife Spermien im
Stadium VI (Abb. 5).
Stadium I (Abb. 4, 6). Eigentliche, deutlich abgegrenzte Gonaden gibt es
bei den Mannchen von Bonellia viridis nicht. Die grosskernigen Spermatogonien (Kerndurchmesser 3-5 fim) liegen in Form von ungeordneten Zellhaufen
frei im Colom, so wie es auch fiir verschiedene Oligochaeten beschrieben wurde
(Siewing, 1969). Erst wenn die Keimzellen das Stadium der Spermatocyte
erreicht haben, nehmen diese gegenseitig Kontakt auf und verschmelzen in der
Folge zu einem Syncytium, das sich aus Dutzenden von einzelnen Spermato-
176
i i i i
0 12 3 4 5
Abb. 4. Stadien der Spermiogenese (leicht schematisiert). (A) Stadium I: Mehrere
grosskernige Spermatocyten verschmelzen zu einem syncytialen Verband (hier nur 2
verschmelzende Spermatocyten dargestellt). p/:plasmatische Brucke. (B) Stadium II:
Chromatinkondensation im Kern. (C) Stadium III: Spermatide: Bildung des
Akrosoms (ak) durch den Golgi-Apparat (G), in unmittelbarer Nahe werden die
Centriolen (c) gebildet. mi: Mitochondrien; fl: Flagellum. (D) Stadium IV: Das
Akrosom ist vollstandig ausdifferenziert. af: Akrosom-Filament; ak: AkrosomKappe; bf: Basis des Akrosom-Filaments. Die Chromatinkondensation im Kern ist
weitgehend abgeschlossen, das Flagellum hat sich an den entgegengesetzten Pol des
Kernes verlagert. (E) Stadium V: Bildung des Kernmantels {km). (F) Stadium VI:
2 ausgereifte Spermatozoen (vgl. Abb. 12).
cyten zusammensetzt. Die Kerne kommen dabei nicht in den zentralen Bereich
des Syncytiums zu liegen, sondern liegen in peripheren Ausbuchtungen des
Cytoplasmas (Abb. 3, 5, 10). Die Einzelheiten dieses Verschmelzungsprozesses
konnten nur schwerlich rekonstruiert werden. Fest steht, dass die Spermatocyten nur an relativ begrenzten Kontaktstellen fusionieren (Abb. 4, 11) und
Geschlechtsbestimmung und Gametogenese von Bonellia
177
dabei (Stad. 1) breite plasmatische Briicken von 0,5-1 jum Breite bilden. Mit der
angwendeten Fixierung konnten im Cytoplasma der Spermatocyten dieses
Stadiums Mitochondrien, ein glattes ER und Lipidtropfen nachgewiesen werden, nicht aber Golgi-Apparate, wie sie erst im Stadium III deutlich in Erscheinung treten.
Stadium II (Abb. 7). Nach der Verschmelzung der Spermatocyten beginnt
sich als erste sichtbare Reaktion das Chromatin des Kernes zu verdichten.
Dabei schrumpft das urspriingliche Volumen des Kernes auf einen Zwanzigstel
des fur das Stadium I typischen Wertes zusammen (1-2 /on3 gegeniiber 3040 /fm3). An plasmatischen Komponenten lassen sich hauptsachlich Mitochondrien erkennen (Abb. 7). Diese sind atypisch, wobei nicht zu entscheiden ist,
ob dies auf eine inadequate Fixierung oder auf natiirliche Zerfallserscheinungen
zuriickzufiihren ist.
Stadium III. Wahrend die Chromatinkondensation weiter fortschreitet,
nimmt der Kern allmahlich eine langliche Form an. Seine Lange betragt
2,5 /<m, sein Durchmesser ca. 0,5 /tm. Am einen seiner beiden Pole erscheint im
Cytoplasma nun ein Golgi-Korper (Abb. 4), der das Akrosom bilden wird. In
unmittelbarer Nahe des Golgi-Korpers treten zudem auch 2 Centriolen auf,
welche die Basis des Flagellums bilden. In dieser cytoplasmatischen Region der
Spermatide haufen sich die Mitochondrien an. Sie sind, soweit die vorliegende
Fixierung sie in natiirlichem Zustand darstellt, vom Cristae-Typ.
Stadium IV (Abb. 9, 10, 11). Das Spermium hat in diesem Stadium seine
endgultige Form annahernd erreicht. Das prominente Akrosom am Vorderende
des langgezogenen Kernes ist vollstandig ausdifferenziert. Es hat eine Lange
von 4 /cm und einen Durchmesser von 0,7 /an und ist damit ungefahr gleich lang
wie der Kern. Die Centriolen und das Flagellum ihrerseits haben sich aus der
Nachbarschaft des Akrosoms entlang dem Kern an den entegegengesetzten Pol
desselben verlagert. Akrosom, Kern und Flagellum sind jedoch nicht in einer
geraden Linie angeordnet, denn das Spermium bleibt auch im reifen Zustand
in charakteristischer Weise doppelt abgewinkelt (Abb. 8, 12). Der Akrosomfaden entspringt aus einem Basalkegel, der aus gebiindelten Fibrillen aufgebaut
ist (Abb. 8, 11).
Stadium V (Abb. 5, 6). Im letzten Stadium der Spermiogenese wird der
Kernmantel gebildet. Dieser stellt eine Struktur dar, deren Funktion vollig
unklar ist und die sonst nicht zum typischen Inventar eines tierischen Spermiums gehort. Er besteht aus einem Material, das eine dem Akrosommantel
ahnliche Elektronendichte aufweist, doch scheinen zwischen den beiden
Elementen keine strukturellen Beziehungen zu bestehen. Der Kernmantel
wird zu einem Zeitpunkt gebildet, in dem das Akrosom bereits seine endgultige
Form und Lange erreicht hat. Ebensowenig scheint die Bildung auf die
Tatigkeit eines Golgi-Korpers zuriickzufiihren zu sein, da im Stadium V im
Cytoplasma kein Golgi-Apparat mehr vorhanden ist. Bei der Bildung des
Kernmantels scheint es sich - unserer Auffassung nach - vielmehr urn ein
12
EM B 32
R. LEUTERT
Geschlechtsbestimmung und Gametogenese von Bonellia
179
Verklumpungsprodukt verschiedener degenerierender Zellorganellen (Mitochondrien, ER, Golgi) zu handeln, zumal der Kernmantel nicht von Anbeginn als
homogene Masse auftritt, sondern zunachst einen losen, flockigen und inhomogenen Korper darstellt (Abb. 6).
Die plasmatischen Verbindungen zwischen den einzelnen benachbarten
Spermatiden beginnen sich im Stadium V zuriickzubilden, d.h. die Cytoplasmen
benachbarter Spermien schniiren sich marginal vom syncytialen Yerband ab
(Abb. 11). Als letzter Kontakt bleibt eine Verbindung auf Hohe des Kernes
erhalten.
Stadium VI (Abb. 5, 12). Im Gegensatz zu den Stadien I-V liegen die reifen
Spermien des Stadiums VI im Samenschlauch, in den sie durch einen Trichter
aus dem Colom ubergetreten sind. Die reifen Spermien unterscheiden sich
vom Stadium V darin, dass der Kernmantel nun eine homogene, kompakte
Struktur angenommen hat und dass zwischen den einzelnen Spermatozoen die
syncytialen Kontakte vollstandig abgebrochen sind. Im Mittelstiick beobachtet
man bei einzelnen Spermien noch Fragmente von Mitochondrien. Soweit
festgestellt werden konnte, besitzen die Spermien von Bonellia viridis aber keine
Mitochondrien, die aufgrund einer morphologischen Beurteilung als funktionstiichtig angesprochen werden konnten.
ABBILDUNGEN
5-11
Abb. 5. Ausschnitt aus einem Querschnitt durch ein Mannchen von Bonellia viridis
(vgl. Abb. 3). Links das spermiogene Syncytium (sps) im Colom (c) mit Stadien II,
IV und V der Spermiogenese, rechts der mit reifen Spermien gefiillte Samenschlauch
(s). m: Ringmuskulatur des Hautmuskelschlauches; w: Wand des Samenschlauches. Die Pfeile deuten auf die syncytialen Plasmabriicken zwischen den einzelnen
Spermatiden.
Abb. 6. Zwei Spermatocyten (Stadium 1) mit grossem Kern (nu). An der Stelle s
ist die syncytiale Plasmabrucke zwischen benachbarten Spermatocyten erstellt.
V: Spermatiden im Stadium V, stellenweise ist der syncytiale Kontakt zwischen
diesen Stadien sichtbar.
Abb. 7. Quergetroffene Spermatiden im Stadium II. Nucleus (nu) mit bereits
stark fortgeschrittener Chromatinkondensation. mi: Mitochondrien.
Abb. 8. Spermatide im Stadium III. Das Kernchromatin ist starker als in Abb. 7
kondensiert. ak: Akrosom; nu: Nucleus; Pfeil = Querschnitt durch die kegelformige Basis des Akrosom-Fadens.
Abb. 9. Langsschnitte durch Akrosomen im Spermatidenstadium IV. af: AkrosomFaden; ak: Akrosom-Kappe aus stark elektronendichtem Material; az: AkrosomZylinder.
Abb. 10. Stadium IV. Der Kern ist vollig kondensiert, der Kernmantel ist
jedoch noch nicht ausgebildet. nu: Nucleus; Pfeil: syncytiale Verbindung zwischen
benachbarten Spermatiden.
Abb. 11. Langsschnitt durch eine Spermatide im Stadium IV. af: AkrosomFaden; ak: Akrosom-Kappe; az: Akrosom-Zylinder; s: Verbindung mit spermiogenem Syncytium. Pfeil: kegelformige Basis des Akrosom-Fadens.
12-2
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R. LEUTERT
1 /urn
Abb. 12. Rekonstruktion des Feinbaus eines reifen Spermiums. ak: AkrosomKappe; af: Akrosom-Faden; az: Akrosom-Zylinder; bf: Basis des AkrosomFadens; km: Kern-Mantel; k: Kern;pm: Plasma-Membran; dc: Distales Centriol;
pc: proximales Centriol; m: Mitochondrium;/: Flagellum.
Feinbau der reifen Spermien (Abb. 12)
Die allgemeine Form des Spermiums wird bestimmt durch die Abwinkelung
des Akrosoms gegeniiber der Langsachse des Kerns einerseits und durch die
Abwinkelung der letzteren gegeniiber der Achse des Flagellums. Die Gesamtlange des Spermiums (mit Flagelle) betragt 30-50 jum.
Annahernd die Halfte des Spermien-Kopfstiickes wird vom apikal gelegenen
Akrosom in Anspruch genommen. Dieses besteht aus einem elektronendichten
Hohlzylinder, in dem sich ein diinner Akrosomfaden hinzieht, der im Innern
nicht ganz bis in an die Akrosomspitze reicht (Abb. 9, 11). Der Akrosomfaden
entspringt an der dem Kern zugewandten Basis des Akrosoms aus einer
kegelformigen Struktur fibrillaren Feinbaus (Abb. 8, 11, 12). Dieser Kegel
setzt sich aus 7-10 gebiindelten Fibrillen zusammen. Leider gelang es nicht
Geschlechtsbestimmung und Gametogenese von Bonellia
181
festzustellen, ob die Zahl der Fibrillen konstant ist oder nicht. Dieser Kegel
und der ganze Akrosomfaden iiberhaupt konnten als Derivat eines Stereociliums
der Formel 9 + 0 interpretiert werden. Diese Vermutung wird noch durch die
Tatsache erhartet, dass die Centriolen und das zugeordnete Flagellum im
Stadium III in unmittelbarer Nahe des Akrosomkegels entstehen (Abb. 4) und
erst in einem spateren Zeitpunkt (Stadium IV) ans proximale Ende des Kernes
wandern. Die stumpfe distale, dem Akrosom aufgesetzte Spitze (AkrosomKappe) besteht, wie aus der unterschiedlichen Elektronendichte zu schliessen
ist, nicht aus dem gleichen Material wie der iibrige Hohlzylinder des Akrosoms.
Der Inhalt des reifen Spermakerns ist kompakt und lasst keine strukturellen
Untereinheiten erkennen. Als Folge der Kondensation des Chromatins erscheint er elektronendicht und homogen.
Der Kern ist halbseitig von einem Mantel umhiillt, der beziiglich seiner
elektronenoptischen Eigenschaften dem Akrosom gleicht, mit diesem aber
weder topographisch noch entwicklungsgeschichtlich in Beziehung steht.
Ein eigentliches, deutlich von Kopf und Flagellum abgesetztes Mittelstiick
gtbt es im Spermium von Bonellia viridis nicht. In Ubereinstimmung mit
Franzen (1958) liessen sich bei reifen Spermien keine Mitochondrien nachweisen. Lediglich bei vereinzelten Spermien liessen sich an der Basis des Kerns
membranartige Strukturen feststellen, bei denen es sich um Uberreste von
Mitochondrien handeln konnte. Weitere Organellen konnten im reifen Spermium nicht nachgewiesen werden, insbesondere kein Golgi-Korper.
An der Basis des Kernes liegen die beiden Centriolen, von denen sich das
eine in die 30-40/tm lange Flagelle fortsetzt. Letztere weist die klassische
2 x 9 + 2-Struktur auf (Abb. 12).
OOGENESE
Bisherige Befunde und Theorien
Das Ovar ist unpaarig und liegt ventral in der hinteren Halfte des Tieres
uber dem Bauchmark, wo es ins voluminose Colom hineinragt. Wahrend der
Fortpflanzungszeit enthalt es zahlreiche Ovariolen, die einen unterschiedlichen
Reifungsgrad aufweisen. Die Oogenese von Bonellia viridis wurde erstmals von
Spengel (1879) untersucht. Dieser stellte fest, dass der heranwachsenden Oocyte
eine Kappe von Nahrzellen auf liegt. In deren Zentrum (Abb. 13 A) glaubte
Spengel eine rundliche, grosse Zelle erkennen zu konnen, die von mehr oder
weniger konzentrisch angeordneten Nahr- und Follikelzellen umgeben ist.
Spater jedoch ausserte Spengel (1912) die Auffassung, dass es sich bei der
zentral gelegenen Zelle des Nahrzellenkomplexes nicht um eine Zelle, sondern
um einen in die Nahrzellenkappe vorstossenden Teil des Oocytenplasmas
handle (Abb. 13B). Baltzer (1914) seinerseits war der Meinung, die aus
Nahrzellen gebildete Kappe schliesse in ihrem Zentrum einen Hohlraum ein,
in den nacheinander einzelne Nahrzellen aus der Kappe iibertreten, um dort
182
R. LEUTERT
D
Leutert (1974)
(Stadium I)
Leutert (1974)
(Stadium III)
Abb. 13. Leicht schematisierte Darstellung der moglichen Kontaktbeziehungen
zwischen den Oocyten einerseits und den Nahr- und Follikelzellen andrerseits. (A)
Interpretation von Spengel (1879). (B) Interpretation nach Spengel (1912). (C)
Interpretation nach Baltzer (1914). (D), (E) Zustande, wie sie in dieser Arbeit
elektronenoptisch ermittelt wurden. C: zentrales Cytophor, welches die Plasmaverbindung zwischen Eizelle und Nahrzellen darstellt; F: Follikelepithel (punktiert);
L: zentrales Lumen; N: Nahrzellen; NF: Nekrotisches Follikelepithel, sowohl Eizelle
als auch Nahrzellen haben den Kontakt mit dem zentralen Cytophor abgebrochen;
Z: Zentralzelle.
zerfallend von der Oocyte aufgenommen zu werden (Abb. 13C). Diese Interpretation wurde auch von Wilczynski (1960, 1968) iibernommen, der den
Nahrzellen eine fiir die Geschlechtsdetermination der Eizelle bedeutsame Rolle
zuschrieb. Nach dieser Theorie sollen unter den Nahrzellen mannlich resp.
weiblich determinierende Zellen vertreten sein. Durch Inkorporation von
mannlich resp. weiblich determinierenden Kernen in die Oocyte wiirde diese
Geschlechtsbestimmung und Gametogenese von Bonellia
183
nf
II
Abb. .14. Die 4 wichtigsten Stadien der Oogenese unter Beriicksichtigung der
strukturellen Beziehungen zwischen den Nahrzellen und der Oocyte. (Rekonstruktionen aufgrund von elektronenmikroskopischen Aufnahmen, von jedem Stadium
nur ein Sektor der Oocyte dargestellt). I: friihes Stadium im Ovar; II: spateres
Stadium im Ovar; III: Colom-Stadium; IV: Uterus-Stadium, {ag: aussere Gallerte;
c: zentrales Cytophor als Verbindung zwischen Eizelle und Nahrzellen; dg:
Dottergranula; / : Follikelepithel; ig\ innere Gallerte; km: Kernmembran; /:
Lipidtropfen; mv: Mikrovilli; n: Nahrzellen; nf: nekrotisches Follikelepithel; nn:
nekrotische Nahrzellen; no: Nucleolus).
im einen oder andern Sinn determiniert. Danach ware die Geschlechtsbestimmung bei Bonellia viridis progam und genotypisch, was vollig im Widerspruch
zu den Ergebnissen der Baltzerschen Schule steht.
Um diese Kontroverse einem Entscheid entgegenzufiihren, d.h. die Anwesenheit resp. Abwesenheit moglicher geschlechtsbestimmender Komponenten zu
iiberpriifen, wurden von uns die verschiedenen Phasen der Oogenese einer
elektronenoptischen Studie unterzogen.
Elektronenoptische Untersuchung der Oogenese
Die Oogenese von Bonellia lasst sich in 4 Phasen aufteilen, deren Reifungsstadien sich topographisch und makroskopisch klar voneinander abgrenzen
lassen. Die heranreifenden Oocyten losen sich im Stadium I und II vom Ovar
ab und schwimmen frei in der Colomflussigkeit (Stadium III). Anschliessend
erreichen sie iiber einen Wimpertrichter das Lumen des Uterus (Stadium IV).
Stadium I und II (Ovar). Eine Oocyte von ca. 25 jLtm Durchmesser bildet mit
184
R. LEUTERT
Geschlechtsbestimmung und Gametogenese von Bonellia
185
der ihr aufsitzenden Nahrzellenkappe und dem sie bedeckenden Follikelepithel
eine morphologisch definierte Funktionseinheit, eine Ovariole. Die Oocyte
dieser Ovariole ist syncytial mit den angrenzenden Nahrzellen verbunden (Abb.
15-17): ein relativ schmaler Plasmafortsatz der Eizelle von 8-10 /on Durchmesser (Abb. 15) ragt ins Zentrum der Nahrzellenkappe und erweitert sich in
deren Mitte zu einem zentralen Cytophor (Ausdruck nach Siewing, 1969).
Von diesem aus verzweigen sich rundherum die cytoplasmatischen Fortsatze
der Nahrzellen (Abb. 14A, 17). Der Durchmesser dieser zwischen Oocyte und
Nahrzellen hinziehenden Plasmabriicken betragt 0,5-2 /mi. Mit den Zellen des
Follikelepithels, das somatischen Ursprungs ist (Peritoneum), besteht kein
derart intimer Kontakt, sondern die Oocyte, deren ganze Oberflache mit
Mikrovilli dicht besetzt ist (Abb. 19), kann lediglich durch Phagocytose oder
Pinocytose einen Stoffaustausch mit den Follikelzellen pflegen. An plasmatischen Komponenten der Oocyte treten bereits in sehr friihen Stadien viele
kleine Dottergranula von 1 [im Durchmesser auf (Abb. 15). Die Granula haben
eine sehr unterschiedliche Struktur, was ihre Elektronendichte betrifft. Stadium II
unterscheidet sich von Stadium I hauptsachlich durch die starke Vergrosserung
des Oocytendurchmessers, der jetzt 50 jam erreicht. Diese Volumenzunahme
geht vermutlich nicht mit einer entsprechenden Syntheseleistung einher, denn
das Cytoplasma ist im Stadium II bedeutend weniger kompakt als im Stadium
1 (Abb. 16). Moglicherweise beruht die Volumenzunahme weitgehend auf einer
Wasseraufnahme. Die Nahrzellen zeigen im Stadium I und II noch keine
Anzeichen einer beginnenden Nekrose (Abb. 17).
Stadium III (colom). Die Eizelle ist bereits im Stadium I und II dicht mit
Mikrovilli besetzt und zeigt eine grosse Oberflachenaktivitat, vermutlich im
Zusammenhang mit der Aufnahme von Nahrstoffen (Abb. 19). Diese halt
noch lange nach Abbruch des syncytialen Kontakts mit den Nahrzellen an,
d.h. auch dann, wenn die Eizelle in der Colomflussigkeit flottiert. Aus diesem
Grunde scheint der Phagocytose eine grossere Bedeutung zuzukommen als dem
liber die Plasmabriicken aus den Nahrzellen erfolgten Stofftransport. Phagocytiert werden vor allem Fragmente des zerfallenden Follikelepithels, aber auch
Fragmente der zerfallenden Nahrzellenkappe (Abb. 18). Sowohl Nahrzellen wie
auch Follikelzellen werden im Colom-Stadium nekrotisch. Der Kerninhalt
dieser Zellen verdichtet sich zu einer homogenen Masse, die Zellmembran
ABBILDUNGEN 15, 16
Abb. 15. Langsschnitt durch ein junges Follikel (Stadium I). Links ein Teil der
Oocyte, die in die Nahrzellenkappe, rechts, hineinragt.
Abb. 16. Langsschnitt durch alteres Follikel (Stadium II). Die Verbindung
zwischen Eizelle und zentralem Cytophor ist viel schmaler als in Abb. 15, das
Volumen der Oocyte betragt ca. das 8-fache der in Abb. 15 dargestellten.
cc: zentrales Cytophor; dg\ Dottergranula; fz: Follikelzelle; mv: Mikrovilli;
no: Nucleolus; nu: Nucleus; nz\ Nahrzelle.
186
R. LEUTERT
Geschlechtsbestimmung und Gametogenese von Bonellia
187
zerfallt und Fragmente des Cytoplasmas gehen frei schwimmend ins Colom
uber(Abb. 18, 19).
Stadium IV. Schon in alteren Oocyten des im Colom befindlichen Stadiums
III beginnt sich die Eihiille zu bilden. Sie wird durch die Oocyte selbst ausgeschieden und gilt somit als primare Eihiille. Anfanglich durchbrechen die
Mikrovilli der Eioberflache noch die aussere Gallerte, bilden sich dann aber
zuriick (Abb. 21, 22). Die aussere Gallerte ist durch eine Membran begrenzt,
die dicht mit Granula besetzt ist (Abb. 22). Zuerst wird die aussere Gallerte
gebildet (Abb. 21), dann die innere (Abb. 22). Im Uterus werden die befruchtungsfahigen Eier schliesslich noch mit der Gallertmasse der Eischnur urnhiillt. Die Ootide nimmt zwar im Uterus-Stadium keine Nahrstoffe mehr auf,
in ihrem Innern aber spielen sich noch dramatische Umlagerungen ab, im Laufe
derer die kleinen Dottergranula (Abb. 20) verschwinden und dafur grosse
Lipidtropfen auftreten (Durchmesser 10-20 /mi), die vor allem in den Bereich
des Cortex zu liegen kommen. Eigentliche Cortikalgranula konnten nicht
nachgewiesen werden.
DISKUSSION
Die hier dargestellten Versuche zur Geschlechtsbestimmung mit umfangreichem Zahlenmaterial haben die Ergebnisse Baltzers (1914, 1925), Herbsts
(1928,1929,1935), Nowinskis (1934) und Zurbuchens (1937) beziiglichderphanotypischen Geschlechtsbestimmung vollauf bestatigt. Mindestens bei einem Teil
der Larven erfolgte die Geschlechtsbestimmung rein phanotypisch, d.h. die
Ausbildung des Geschlechtszustandes konnte durch die Zuchtbedingungen
bestimmt werden. Zur Interpretation des Zahlenmaterials bieten sich zwei
Erklarungen an:
Fall 1. Bei 43 % der Larven ist die Geschlechtsbestimmung phanotypisch.
ABBILDUNGEN
17-22
Abb. 17. Syncytiale Verbindung der Nahrzellen mit dem zentralen Cytophor der
Eizelle im Stadium I.
Abb. 18. Tangentialer Schnitt durch eine zerfallende Nahrzellenkappe im Stadium
III (Colom). Das den Komplex umhiillende Follikelepithel ist bereits zerfallen.
Abb. 19. Zerfall des Follikelepithels im Stadium II (Ovar), vgl. Abb. 14, II. Die
Fragmente der Follikelzellen werden an der mit Pfeil gekennzeichneten Stelle von
der Oocyte phagocytiert.
Abb. 20. Kern und Cytoplasma eines reifen Eies (Stadium IV) im Uterus.
Abb. 21. Bildung der Eihulle (Stadium III). Die aussere Eihiille ist bereits gebildet.
Abb. 22. Hullen eines ausgereiften Eies (Stadium IV). Die Membran ist mit kleinen
Kopfchen besetzt, nach innen folgt die zweischichtige Gallerte.
ag\ aussere Gallerte; chr: Chromatin; cy: zentrales Cytophor; dg: Dottergranula;
G: Golgi-Apparat; ig: innere Gallerte; m: Membran; rav: Mikrovilli; km: stark
gebuchtete Kernmembran; nn\ nekrotische Nuclei zerfallender Nahrzellen (vgl.
Abb. 14, III); mi: Nucleus der Oocyte; oc: Oocyte; zm: Oocytenmembran.
188
R. LEUTERT
Es sind dies alle in Riisselzuchten zu Mannchen gewordenen Larven unter
Abzug derjenigen, welche sich in Glaszuchten nicht zu Weibchen differenzierten (vgl. Abb. 1). Diese 43 % wurden in den Riisselzuchten zu Mannchen,
in den Glaszuchten zu Weibchen. Bei dieser Rechnung wird die keineswegs
zwingende Annahme getroffen, wonach die indifferenten Larven sowie die in
Riisselzuchten entstandenen Weibchen und die in Glaszuchten aufgetretenen
Mannchen grundsatzlich nicht die Moglichkeit zu einer Alternativentwicklung
hatten, demzufolge genetisch bestimmt waren und lediglich durch das Milieu
der Zuchtbedingungen an der Ausbildung ihres Geschlechtszustandes gehindert
wurden.
Fall 2. Von der Annahme ausgehend, die geschlechtlich indifferenten Larven
in beiden Versuchsreihen seien Equivalent und gelten als chronische 'Blindganger', lage der Prozentsatz der sich phanotypisch entwickelnden Larven bei
83 % d.h. 100 % minus die 3,8 % der Riisselweibchen minus 13,2 % der Glasmannchen. Die Vermutung, wonach die indifferenten Larven beider Zuchten
chronische Blindganger sind, d.h. Larven, die aus irgend einem von den
Zuchtbedingungen unabhangigen Grund nicht in der Lage sind, sich weiter
zu entwickeln, wird durch die Beobachtung gestiitzt, wonach deren Anteil
sowohl in Glaszuchten als auch in Riisselzuchten verschiedenen Alters (Abb.
1 und 2) immer etwa gleich hoch bleibt. Es betrifft dies stets 20-30 % aller
Versuchstiere.
Das Problem der Durchbrenner lasst sich nach wie vor nicht befriedigend
interpretieren. Eine Annahme, die 17% (3,8% Riisselweibchen und 13,2%
Glasmannchen) sich entgegen den Erwartungen entwickelnden Tiere seien
genetisch determiniert, drangt sich nicht unbedingt auf, denn falls der phanotypische Mechanismus der Geschlechtsbestimmung derart labil ist, dass
auch andere nicht erfasste Aussenfaktoren determinierend in die Larvalentwicklung eingreifen konnen, diirfte erwartet werden, dass sich unter Ausschaltung dieser zusatzlichen Faktoren 100 % der Larven im einen oder andern
Sinn differenzieren werden. Die Labilitat des ganzen Systems wurde auf eindriickliche Art von Herbst (1929, 1935) demonstriert: er erzielte eine Vermannlichung u.a. durch Senkung des pH oder durch Zugabe von Mg 2+ und K +
ins Medium.
Falls dennoch eine genetische Komponente im Spiele stiinde, liesse sich das
in Abb. 23 dargestellte Modell vorschlagen: Im Alternativ-Bereich sind
sowohl mannliche wie weibliche Faktoren in geniigendem Ausmass vorhanden,
so dass die Larven durch Umweltfaktoren beeinflusst zu mannlicher oder
weiblicher Entwicklung fahig sind. Die Mannchen stellen 3,8 % aller Tiere dar,
die genetische Mannchen sind, d.h. die mannlichen Faktoren iiberwiegen in
jedem Fall, das Geschlecht ist nicht modifizierbar. Die 13,2% Weibchen sind
ebenfalls genetisch determiniert, d.h. die weiblichen Faktoren iiberwiegen in
jedem Fall.
17% der Bonellia-LarvQn wurden sich nach diesem Modell nicht alternativ
Geschlechtsbestimmung und Gametogenese von Bonellia
189
Mannlich
bestimmende
Faktoren
* Weiblich
bestimmende
Faktoren
Anzahl
d*und
O Faktoren
Alternativ
% aller Tiere
Abb. 23. Modell fur eine polyfaktorielle, labile genetische Geschlechtsbestimmung
bei Bonellia viridis.
entwickeln. Diese Annahme beruht jedoch auf einer negativen Evidenz, denn,
wie schon erwahnt, konnten hier die Ursachen bei Aussenfaktoren liegen, die
bei den vorliegenden Zuchtbedingungen sich der Kontrolle entzogen. Demgegeniiber fallt die positive Evidenz, wonach bei 43% aller Larven die
Geschlechtsbestimmung eindeutig phanotypisch erfolgte, starker ins Gewicht.
Auf jeden Fall haben unsere Versuche die Resultate Wilczynski's (1960,
1968) und deren Interpretation eindeutig widerlegt, nicht nur beziiglich des
Ausgangs der Glas- und Riisselzuchten, sondern auch in Bezug auf die Oogenese. Die EM-Untersuchungen zur Oogenese konnten die Befunde von Wilczynski (1968), wonach zweierlei Nahrzellen vorliegen, nicht bestatigen. Wilczynski will aufgrund lichtoptischer Untersuchungen in diesen Zellen 2 Typen
von Kernen festgestellt haben: ovale kleinere und grossere runde. Wahrscheinlich beruhen diese Befunde auf Fehlinterpretationen oder auf durch die
Fixierung bedingten Artefakten. Wie gezeigt werden konnte, werden die
Nahrzellen schon in einem friihen Stadium der Oogenese nekrotisch und
konnen dabei Form und Struktur verandern. Sicherlich befanden sich nicht alle
von Wilczynski beobachteten Nahrzellen im gleichen Stadium, denn lichtoptisch
ist eine Diagnose der Stadien nicht moglich. Nach unseren Untersuchungen
scheint den Nahrzellen bei der Ernahrung der Oocyte bei weitem nicht jene
Bedeutung zuzukommen, wie sie bisher postuliert wurde. Weiter konnten die
elektronenoptischen Studien die von Wilczynski postulierte Inkorporation von
Kernen der Nahrzellen in die Oocyte nicht bestatigen. Soweit anhand der
gemachten Untersuchungen festgestellt werden konnte, entwickeln sich alle
Oocyten von Bonellia gleich.
Es sollen noch kurz die Begriffe Nahrzellen und Follikelzellen und deren
Bedeutung erortert werden: Auffallend ist, wie lange die Oocyte von Bonellia
von Hilfszellen (Abb. 14-17) umhullt bleibt. Der Begriff 'Follikelzellen' wird
im allgemeinen fur eine epitheliale Zellschicht verwendet, welche die Oocyte
allseits umhullt, wohingegen Zellen, die nur einenTeil der Eioberflache bedecken,
190
R. LEUTERT
als Nahrzellen zu bezeichnen sind (Raven, 1961). Diese Terminologie beriicksichtigt also in keiner Weise die Herkunft dieser akzessorischen Zellen. Nahrzellen konnen somatischen Ursprungs sein (Scyphozoa, Anthozoa) oder, was
meist der Fall ist, degenerierende Zellen des Keimepithels, oft sogar mit der
Eizelle zusammen Abkommlinge derselben Oogonie.
Nahrzellen werden im typischen Fall ganz oder als Fragmente in die Oocyte
inkorporiert. Dies wurde fur einige Hydrozoen (Hydra, Tubularia, vgl. Zihler,
1972) nachgewiesen. Die bisherige von Baltzer iiber die Oogenese bei Bonellia
geausserte Auffassung entsprach diesem Typus der Oocytenernahrung (vgl.
Baltzer 1912 und Abb. 13 C). Es ist anzunehmen, dass durch den syncytialen,
plasmatischen Kontakt von der Oocyte via zentralen Fortsatz (Cytophor) in die
Nahrzellenkappe ein Stoffaustausch mit den Nahrzellen stattfindet (Abb. 15).
Das Ausmass dieser Ernahrung darf unserer Meinung nach jedoch nicht
uberschatzt werden, denn der plasmatische Kontakt wird bereits in einem
Stadium der Oogenese unterbrochen, in dem das Wachstum der Oocyte noch
lange nicht abgeschlossen ist. Die Oocyte hat in diesem Stadium einen Durchmesser von 60 /*m, wahrend das ablagereife Ei einen solchen von 800/mi
aufweist. Aus diesem Grunde darf der trophischen Wirkung der Nahrzellen
nicht jene Bedeutung beigemessen werden, wie sie von Spengel (1912) und
Baltzer (1914) postuliert wurde und welche Wilczynski (1968) veranlasste, den
Nahrzellen sogar geschlechtsdeterminierende Funktionen zuzuschreiben. Aus
unseren Untersuchungen geht klar hervor, dass die Nahrzellen weder ganz
noch teilweise in die Eizelle inkorporiert werden. Die syncytiale Verbindung
zwischen Eizelle und diesen Nahrzellen erlaubt nur einen beschrankten Stoffaustausch in einem relativ fruhen Stadium.
Eizellen und Nahrzellen sind bei sehr jungen im Stadium I befindlichen
Follikeln morphologisch nicht von den somatischen Follikelzellen des Peritoneums zu unterscheiden. Es konnte nicht abgeklart werden, ob es sich bei der
Eizelle in diesem Stadium um eine Oogonie oder Oocyte handelt. In welchem
Zeitpunkt die Reifeteilungen erfolgen, konnte ebenfalls nicht ermittelt werden,
deshalb wurde der Begriff Oocyte in dieser Arbeit generell, ohne Beziehung zu
einem bestimmten Stadium der Reifeteilungen angewendet. Von Thalassema,
einer andern Gattung der Echiurida, ist bekannt, dass die Befruchtung vor der
R T I erfolgt. Die vorliegenden Untersuchungen konnten also nicht entscheiden,
ob Eizelle und Nahrzellen bei Bonellia Abkommlinge einer einzigen Mutterzelle sind (also ein Relikt eines syncytialen Komplexes bilden), oder ob Eizelle
und Nahrzellen spater zu einem Plasmodium verschmelzen, wobei dann einer
der Kerne zum Eikern wird und die andern verkiimmern (vgl. Zihler (1972) bei
Hydra und Siewing (1969) an Polychaten). In Analogie zur Spermatogenese
ware eher der zweite Mechanismus anzunehmen.
Ob bei Bonellia den Nahrzellen und Follikelzellen im Dienste der Eiernahrung
eine funktionelle Arbeitsteilung zukommt, ware mit histochemischen Methoden
abzuklaren.
Geschlechtsbestimmung und Gametogenese von Bonellia
191
1m Zusammenhang mit dem Bau der Spermatozoen von Bonellia viridis
stellen sich einige interessante phylogenetische Probleme. Weshalb ist der
Feinbau der Spermien in verschiedenen systematischen Gruppen so verschieden ?
Spermien gehoren zu den konservativsten Zelltypen, und strukturelle Neuerungen sind in der Regel im Zusammenhang mit funktionellen Anderungen zu
verstehen. Parasitare Formen und solche mit innerer Besamung z.B. haben
ausgesprochene Spezialentwicklungen durchgemacht. Franzen (1970) unterscheidet zweierlei Typen von Spermien: der primitive Typ kommt bei Arten
vor, die ihre Spermien frei ins Wasser entlassen. Ihr Kopf ist rundlich und weist
ein relativ kleines Akrosom auf. Das Mittelstiick enthalt 4 oder 5 konzentrisch
angeordnete Mitochondrien. Modifizierte Spermien dagegen sind langlich und
besitzen ein prominentes Akrosom. Die Zahl der Mitochondrien kann sekundar erhoht oder reduziert sein (diverse Insekten, Mollusken, Reptilien). Das
Spermium von Bonellia viridis gehort dem modifizierten Typus an, obwohl
ein eigentliches Mittelstiick fehlt. Unser elektronenmikroskopischer Befund,
wonach Bonellia mitochondrienlose Spermien besitzt, stimmt mit den Angaben
von Franzen (1958) iiberein. Mitochondrienlose Spermien wurden auch fiir
Cestoden, Trematoden und primitive Decapoden beschrieben (Favard &
Andre, 1970). Das Fehlen der Mitochondrien kann darauf zuruckgefuhrt
werden, dass die Spermien einen sehr geringen Weg zuriickzulegen haben
(Besamung in der Vorkammer des Uterus, wo die Mannchen leben) und
moglicherweise die Energieversorgung auf anaerobem Weg ablauft.
Im Laufe der Spermiogenese werden im allgemeinen primitive phylogenetische
Stadien durchlaufen (Franzen, 1970). Dies ist weitgehend auch bei Bonellia
der Fall: im Stadium II (Abb. 7) konnen noch spharisch angeordnete Mitochondrien beobachtet werden. Da der Kernmantel, dessen Funktion nicht klar
ist, erst spat in der Ontogenese der Spermien gebildet wird (Stadium V),
diirfte es sich hier um eine neue, den Echiurida vorbehaltene Struktur handeln.
ZUSAMMENFASSUNG
1. Die Sexualdifferenzierung der Trochophora-Larven von Bonellia viridis wurde anhand
von Glas- und Riisselzuchten untersucht.
2. Die Geschlechtsbestimmung erfolgt mindestens fiir die Mehrzahl der Larven metagam
und phanotypisch. Damit werden die Befunde von Baltzer (1914, 1925, 1937) bestatigt und
jene von Wilczynski (1960, 1968) widerlegt.
3. Die Ansprechbarkeit der Larven auf die vermannlichende Wirkung eines weiblichen
Riissels dauert vom 3. bis zum 16. Larvaltag.
4. Das Auftreten von Ausnahmen zu dieser Regel wird diskutiert.
5. Die Gametogenese von Bonellia wurde elektronenoptisch untersucht.
6. Die Oogonien im Ovar bilden zusammen mit den Nahrzellen schon sehr friih ein
Syncytium.
7. Die Rolle der Nahrzellen und Follikelzellen wird diskutiert.
8. Allfallige Unterschiede der reifen Eier (mannlich und weiblich determinierte nach
Wilczynski) konnten nicht beobachtet werden und wurden ja aufgrund der experimentellen
Ergebnisse auch nicht erwartet.
192
R. LEUTERT
9. Spermatogenese: Die paarig im Colom liegenden Spermatogonien verschmelzen zu
einem Syncytium. Erst nach Ablauf der Spermiogenese losen sich die Keimzellen aus diesem
Verband und gelangen in den Samenschlauch.
10. Der Bau reifer Spermien wird diskutiert.
11. Die kontraren Befunde von Wilczynski und Baltzer werden diskutiert.
Ich danke Herrn Prof. Dr. P. Tardent fur die Anregung und verstandnisvolle Leitung der
Arbeit. Ebenso danke ich Herrn Prof. Dr. H. R. Hohl, in dessen Institut ich die Gelengenheit
hatte, die elektronenmikroskopischen Untersuchungen durchzufuhren. Diese Arbeit wurde
mit der Unterstutzung des ' Schweizerischen Nationalfonds zur Forderung der wissenschaftlichen Forschung' (Gesuch 3.205.69) durchgefiihrt.
LITERATUR
F. (1912). Ober die Entwicklungsgeschichte von Bonellia. Verli. dt. zool. Ges. 22,
252-261.
BALTZER, F. (1914). Die Bestimmung und der Dimorphismus des Geschlechtes bei Bonellia.
Sber. phys.-med. Ges. Wiirzb. 43, 1-4.
BALTZER, F. (1925). Untersuchungen iiber die Entwicklung und Geschlechtsbestimmung
der Bonellia. Pubbl. Staz. zool. Napoli 6, 223-287.
BALTZER, F. (1926). Ober die Vermannlichung von Larven durch Bonellia-Extrakte. Revue
suisse zool. 33, 359-374.
BALTZER, F. (1928). Ober metagame Geschlechtsbestimmung und ihre Beziehungen zu
einigen Problemen der Entwicklungsmechanik und Vererbung. Verh. dt. zool. Ges. 18,
273-325.
BALTZER, F. (1932). Uber die ohne Russelparasitismus entstandenen Spatmannchen (genetische Mannchen) der Bonellia viridis. Revue suisse Zool. 39, 281-306.
BALTZER, F. (1937). Analyse des Goldschmidtschen Zeitgesetzes der Intersexualitat auf
Grund eines Vergleichs der Entwicklung der Bonellia- und Lymantria-Jntersexe. Wilhelm
Roux Arch. EntwMech. 136, 1-43.
FAVARD, P. & ANDRE, J. (1970). The mitochondria of spermatozoa. In Comparative
Spermatology (ed. B. Baccetti), pp. 415-430. New York: Academic Press.
FRANZEN, A. (1958). Sperm morphology in Echiuroidea. Zool. Bidr. Upps. 33, 1-28.
FRANZEN, A. (1970). Phylogenetic aspects of the morphology of spermatozoa and spermiogenesis. In Comparative Spermatology (ed. B. Baccetti). New York: Academic Press.
GLAUS, H. (1933). Erzeugung, Organisation und Entwicklungsmechanik der Riisselzuchtintersexe von Bonellia viridis. Pubbl. Staz. zool. Napoli 13, 40-113.
GOLDSCHMIDT,R.(1931). Die sexuellenZwischenstufen. Monogr.Physiol. 23. Berlin: Springer.
HERBST, C. (1928). Untersuchungen zur Bestimmung des Geschlechts. Ein neuer Weg zur
Losung des Geschlechtsbestimmungsproblems bei Bonellia viridis. Sber. heidelb. Akad.
Wiss. 2, 3-19.
HERBST, C. (1929). Weitere Experimente iiber die Vermannlichung indifferenter BonelliaLarven durch kiinstliche Mittel. Sber. heidelb. Akad. Wiss. 16,2-43.
HERBST, C. (1935). Die Abhangigkeit des Geschlechtes vom Kaliumgehalt des umgebenden
Mediums bei Bonellia viridis. Wilhelm Roux Arch. EntwMech. Org. 132, 576-599.
HERBST, C. (1940). Ober Bonellia-We\bc\\er\ mit spaltformiger Leibeshohle und ihre Bedeutung fur meine Hydratationstheorie der Geschlechtsbestimmung. Wilhelm Roux Arch.
EntwMech. Org. 140, 252-284.
NOWINSKI, W. W. (1934). Die vermannlichende Wirkung fraktionierter Darmextrakte des
Weibchens auf die Larven der Bonellia viridis. Pubbl. Staz. zool. Napoli 14, 110-145.
RAVEN, C. P- (1961). Oogenesis. Oxford: Pergamon Press.
REYNOLDS, E. R. (1963). The use of lead citrate at high pH as an electron-opaque stain in
electron microscopy. /. Cell Biol. 17, 208.
BALTZER,
Geschlechtsbestimmung und Gametogenese von Bonellia
193
R. (1969). Lehrbiich der vergleichenden Entwicklungsgeschichte der Tiere. Hamburg:
Paul Parey.
SNEDECOR, G. W. & COCHRAN, W. G. (1967). Statistical Methods. Ames, Iowa: Iowa State
University Press.
SPENGEL, J. W. (1879). Beitrage zur Kenntnis der Gephyreen. Mitt. zool. Stn. Neapel 1,
357-419.
SPENGEL, J. W. (1912). Uber den Hautmuskelschlauch gewisser Thalassema-Arten und
seine Bedeutung fur die Systematik dieser Tiere. Verh. deutsch. Zoolog. Ges. 22, 309-317.
WILCZYNSKI, J. (1960). On the egg dimorphism and sex determination in Bonellia viridis.
J. exp. Zool. 143, 61-76.
WILCZYNSKI, J. (1968). On the sex in Bonellia viridis. Ada Biotheor. 18, 338-370.
ZIHLER, J. (1972). Zur Gametogenese und Befruchtungsbiologie von Hydra. Wilhelm Roux
Arch. EntwMech. Org. 169, 239-267.
ZURBUCHEN, K. (1937). Entwicklungsmechanische Untersuchungen an Bonellia viridis II
(Abgekiirzter Riisselparasitismus). Pubbl. Staz. zool. Napoli 16, 28-79.
SIEWING,
(Received 21 January 1974)
13
E M B 32