/. Embryol. exp. Morp/i. Vol. 21, 1, pp. 207-18, February 1969
207
Printed in Great Britain
Une mutation recessive (pd)
determinant la polydactylie chez Xenopus laevis D.
(Batraciens anoures)
ParVERENA UEHLINGER1
Station de Zoologie experimentale, Universite de Geneve
Ce travail a ete execute dans le cadre de J'analyse genetique des noyaux
somatiques chez l'anoure Xenopus laevis D. (Fischberg, 1961; Fischberg &
Blackler, 1963; Fischberg et al. 1964).
L'analyse des descendants de 4 femelles a revele que ces animaux d'apparence
normale etaient porteurs d'une mutation qui determine a l'etat homozygote une
polydactylie affectant surtout les membres posterieurs. Les 4 femelles, jumelles
nucleaires identiques (membres d'un clone) obtenues par transplantation nucleaire seriee, nous ont ete pretees par J. B. Gurdon en 1962. La mutation que
nous avons appelee pd (pour polydactylie) a puetresuivie a travers 4 generations
successives. La condition subletale de la mutation a permis l'etablissement d'une
souche d'individus polydactyles, homozygotes, dont le coefficient de consanguinite F atteint actuellement 0,50.
ORIGINE DE LA MUTATION
Les croisements de controle ont montre que la mutation pd avait ete introduite dans la famille par la femelle 25 (Cape I), la mere du donneur du noyau
somatique en question. II s'agit d'un animal grand, vigoureux et parfaitement
normal, importe d'Afrique du Sud (Capetown) en 1960. Pour former les Fx a
partir des quatre femelles du clone, deux d'entre elles ($Tr 41 et ? Tr 43) furent
croisees en retour avec le pere (^ 5 Oxf 1 nu) du donneur du noyau, les deux
autres (? Tr 40 et $ Tr 42) avec des males etrangers a la famille. Tous les individus
des 4 Fx ont les membres parfaitement normaux. Ce n'est qu'en croisant certains
Fx inter se ou en retour avec les 4 femelles Tr, ou encore avec la femelle 25
(Cape T), que Ton obtient les elevages de F2 dont 1/4 est polydactyle.
DEVELOPPEMENT DE L'ANOMALIE
Le debut de l'anomalie se manifeste chez la plupart des mutants, tres tot
dans la formation des membres: contrairement au cas normal, le bourgeon
1
Adresse de Vaitteur: Station de Zoologie experimentale, Universitede Geneve, 154 route
de Malagnou, 1224 Chene-Bougeries, Geneva, Switzerland.
208
V. UEHLINGER
Polydactylie
chez Xenopus
209
formant l'ebauche de Ja patte posterieure au stade 53 est asymetrique (stades de
developpement selon Nieuwkoop & Faber, 1956). Par la suite, le bourgeon
s'incline vers le bas, et au lieu de s'allonger parallelement a la queue, il reste
court et trapu. L'ebauche de l'autopode devient tres large. La patte finit par
s'epaissir fortement et se replie en avant. Elle porte au pied de 6 a 10 orteils ou
meme plus (figure 2). Les membres anterieurs ont, en general, la position
habituelle et portent soit le nombre normal de 4, soit 5 doigts. Parfois, chez les
individus plus gravement atteints apparaissent des bras raccourcis, epais et
orientes ventralement (p. ex. figures 2-4).
Tableau 1. Croissance et Vitesse de developpement des larves. Differences
entre les polydactyles et leurs freres normaux au debut de la metamorphose
larves normales
.1
n
Longueur (en
mm) au debut
de la
metamorphose
Age en jours
(debut metamorphose)
Age (en jours) de
la population
50 % metamorphosee
larves polydactyles
Ulitllltlll
Nb
moyenne
Nb
moyenne
t
149
164
165
47
49
79
61,11 ±4,05
64,37 ±4,51
60,43 ± 3,72
12 64,33 ±2,77
11 69,54 ±2,63
15 62,60 ±4,93
2,62*
3,65*
1,96*
149
164
165
149
164
165
47
49
79
47
49
79
39,89 ±5,45
43,12 ±8,01
43,71 ±4,15
38,2
41,2
41,8
12
11
15
12
11
15
35,83 ±1,70
39,09 ±1,41
44,87 ±5,15
35,5
38,4
41,7
2,53*
1,64
0,95
—
—
—
* = difference statistiquement significative.
Les individus polydactyles survivent rarement a la metamorphose. Selon
l'intensite de l'anomalie, ils meurent soit au debut (stade 59), soit plus frequemment au cours de la metamorphose (stades 62-64). On peut observer toutefois
des individus tres peu atteints qui meurent en meme temps que ceux qui sont
tres difformes et incapables de mouvoir leurs membres posterieurs. Sur 175
mutants polydactyles, 13 seulement ont atteint l'age adulte (7,4%), dont 2$
et 3 S ont pu etre croises jusqu'a maintenant; ceux-ci montrent un syndrome de
polydactylie tres faible (figures 6, 7). Parmi la descendance de ces homozygotes
une forte mortalite se manifeste aux stades 51-53 (30-40%) dont la cause est
encore obscure.
Fig. 1. Position normale des membres d'une larve en voie de metamorphose.
Fig. 2 a 5. Larves polydactyles du meme age.
Fig. 6. Adulte polydactyle vu de face.
Fig. 7. Patte posterieure droite d'un adulte polydactyle a 6 orteils (dorsal).
Fig. 8. Patte posterieure gauche d'un adulte normal (ventral).
14
J E E M 21
210
V. UEHLINGER
Tableau 2. Variabilite de Vexpression chez les mutants polydactyles, dans 10
croisements differ ents. En marge des tableaux', nombre de doigts axu pattes
anterieures et posterieures. Dans les tableaux: frequence des animaux
pattes posterieures
ant.
5/5
5/6
4/4
4/5
5/5
5/6
—
—
—
—
—
1
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
2
—
—
—
—
—
—
—
1
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
3
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
>6
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
4/4
4/5
5/5
5/6
—
—
—
—
1
—
—
—
>6
4/4
4/5
5/5
5/6
>6
4/4
4/5
5/5
5/6
>6
4/4
4/5
5/5
5/6
^ 6
4/4
4/5
5/5
5/6
^ 6
4/4
4/5
5/5
5/6
^ 6
4/4
4/5
5/5
5/6
^ 6
6/6
6/7
7/7
118. FXA\.xF x 41
2
2
3
—
—
—
6
4
1
—
—
—
—
—
—
119. F X 41:xF x 41
—
—
—
—
—
—
2
3
4
—
—
—
—
—
—
124. Tr41 xF x 41
1
1
2
—
—
2
3
—
4
—
—
—
—
—
—
149. 25 x FX41
—
—
—
—
—
—
1
2
5
—
—
—
—
—
—
164. Fi42><FX42
1
8
2
1
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
165. F x 4 2 x F x 4 2
1
1
1
—
—
—
—
2
—
—
—
—
—
—
—
224. T r 4 2 x F i 4 1
6
1
1
—
—
1
—
—
3
—
—
—
—
—
—
225. T r 4 0 x F ! 4 1
1
—
2
1
—
1
—
1
8
—
—
—
7/8
8/8
> 8
1
—
1
—
—
—
—
1
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
1
—
1
—
—
—
—
1
—
—
—
—
4
—
—
—
—
—
—
—
—
—
2
—
—
—
—
1
1
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
1
—
—
—
—
3
—
2
—
—
—
1
1
—
—
—
—
2
1
—
—
—
1
—
—
—
—
—
—
—
1
—
—
—
—
—
2
1
—
—
—
—
—
—
—
2
—
Polydactylie chez Xenopus
Tableau 2 cont.
211
Pattes posterieures
ant.
5/5
5/6
4/4
4/5
5/5
5/6
2* 6
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
4/4
4/5
5/5
5/6
^ 6
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
6/6
6/7
7/7
278. Fx 43 x F143
1
—
2
—
—
—
—
1
2
—
—
—
—
—
—
292. F 2 41 x F, 41
—
1
—
—
—
1
17
3
13
—
—
—
—
1
—
7/8
8/8
>8
1
—
3
—
—
—
—
1
—
—
—
—
—
—
—
—
—
7
1
—
—
—
4
1
—
—
—
9
1
4
VITESSE DE DEVELOPPEMENT DES MUTANTS
II semble que les mutants polydactyles aient une croissance plus vigoureuse
que leurs freres normaux. Pour en determiner plus exactement l'ampleur, nous
avons choisi 3 des croisements ayant fourni des normaux et des polydactyles
et ayant ete eleves dans des conditions optimales de temperature et de nourriture.
Dans ces elevages la vitesse de croissance des larves a ete mesuree en determinant
pour chaque larve (1) la longueur et (2) l'age en jours au debut de la metamorphose. Cette derniere valeur fournit parfois des moyennes peu valables pour
Felevage entier, a cause de la presence de quelques individus anormaux retardes.
Pour cette raison un troisieme critere a ete determine par le moment ou 50 %
des larves d'un elevage sont entrees en metamorphose. Les moyennes des trois
elevages sont presentees dans le tableau 1. La difference entre les normaux et
les mutants est souvent statistiquement significative, et va toujours dans le
meme sens. II en ressort qu'au debut de la metamorphose les polydactyles ont
en general une longueur moyenne plus elevee que leurs freres normaux et qu'ils
entrent en metamorphose 2-4 jours avant les normaux.
Dans les croisements consecutifs les conditions d'elevage ne furent pas optimales. Dans ces croisements, la meme avance des polydactyles a ete generalement observee mais le test t n'a pas donne de resultats significatifs.
VARIABILITE DE L'EXPRESSION
L'observation de 206 animaux polydactyles issus de 10 croisement differents
donne l'image suivante (figures 2-7): les mutants presentent toujours des membres posterieurs anormaux; des mains anormales se trouvent dans 74 % des cas.
La multiplication des phalanges comprend soit une simple excroissance sur un
doigt, soit une bifurcation, soit une syndactylie apres duplication des pieces
14-2
212
V. UEHLINGER
osseuses, soit encore le plus frequemment une duplication complete. La duplication n'atteint jamais les I Ve et Ve orteils qui ne portent pas d'ongle. On observe
cependant des Ve hypertrophies (figure 7).
Pour obtenir une image de la variability de l'expression, nous avons inventorie
les membres des mutants de dix families differentes. II s'est avere utile de simplifier la description des membres en ne comptant que le nombre d'extremites
de doigts et d'orteils presents sur chaque membre. Cet inventaire est presente
dans le tableau 2. Pour l'ensemble des mutants il en resulte les observations
suivantes:
65 % des polydactyles portent 5 doigts aux membres anterieurs au lieu des
4 dans le cas normal, et 6 a 10 orteils aux membres posterieurs, le cas le plus
frequent etant 7 orteils. Dans sa forme accentuee, cette polydactylie est accompagnee d'une deformation de tout le membre posterieur, lequel est trapu, epais
et replie (figures 2-5). L'expression la plus forte s'est trouvee sur 4 individus avec
diplopodie unilaterale totalisant dans un des cas 24 orteils du cote droit (figure 4).
Un seul animal a presente une diplopodie anterieure droite (figure 5). La position plus ou moins normale des membres posterieurs se retrouve chez 42 individus (23 %). Ceux-ci ne portent que rarement plus de 7 orteils, en general 6.
Les asymetries sont peu frequentes; si elles se presentent, elles sont minimes:
1 doigt supplementary d'un cote ou meme seulement une petite excroissance.
L'analyse statistique des valeurs consignees dans le tableau 2 met en evidence
une correlation significative entre le nombre de doigts aux membres anterieurs
et le nombre d'orteils aux membres posterieurs. Les animaux a main normale
portent en moyenne 6 a 7 orteils, les animaux avec 1 doigt surnumeraire (5
doigts) possedent en general 7 orteils ou davantage. On observe egalement une
correlation entre le nombre croissant des orteils et l'intensite de la deformation
de tout le membre posterieur.
MODE DE TRANSMISSION HEREDITAIRE
Trois des femelles du clone ont eu leur descendance analysee exhaustivement
du point de vue statistique: dans chacune de leurs Fx nous avons croise 10
couples de freres et soeurs preleves au hasard (= 94,4 % de probability de mettre
en evidence une mutation recessive portee par l'un des parents). Trois des
croisements de la premiere Fx et deux des autres F1 ont produit des larves dont
une sur quatre etait polydactyle. Ceci donne un nombre de 7 croisements qui
ont fourni des mutants, parmi un total de 30. Deux paires d'homozygotes ont
donne une progeniture, dont 100% des individus montrent le syndrome pd.
Les resultats de l'analyse genetique sont reunis dans le tableau 3. Us s'accordent avec l'hypothese d'un facteur principal mendelien recessif, subletal a 1'etat
homozygote. En outre, il semble que l'anomalie soit 100 % penetrante dans les
homozygotes.
Polydactylie chez Xenopus
213
Tableau 3. Mode de transmission de la mutation
Genotype presume
des parents
,
A
v
?
<S
+ /pd
+ /pd
pd/pd
pd/+
pd/pd
+ /Pd
+/+
+/pd
pd/pd
pd/pd
+/+
Nombre de
croisements
Total
larves
stade 58
2
10
10
2
3
1
151
855
760
185
146
91
Larves avec
Larves avec
membres normaux membres anormaux
151 (100%)
852 (99,6 % )
585 (76,97 % )
-(0%)
75(51,37%)
91 (100 %)
-(0%)
3* (0,4%)
175 (23,03 % )
185(100%)
71 (48,63 % )
-(0%)
= anomalies atypiques: absence d'un membre ou syndactylie.
HEREDITE DE LA VARIABILITE DE L'EXPRESSION
II est tres probable que la variation dans l'expression du caractere ait une
origine genetique. Ceci est suggere par l'analyse suivante: les aquariums qui
contiennent les elevages se trouvent juxtaposes dans une salle d'aquariums
climatisee. Les conditions de nourriture et d'entretien y sont tenues aussi egales
que possible pour creer un milieu d'elevage tres homogene. Trois paires de
croisements, consignes dans le tableau 2, ont ete eleves simultanement. C'est le
cas des croisements 118-119, 164-165 et 224-225. Malgre ces conditions d'elevage homogenes, les frequences de l'intensite de l'expression sont tres peu semblables dans la progeniture des differentes paires de croisement. L'analyse
statistique (au moyen de chi-carre) montre que les ecarts des frequences sont
signincativement differents. Ces ecarts significatifs entre les descendants de
differents couples de freres et soeurs, suggerent que ce sont des differences dans
le genotype general des mutants qui sont a l'origine de la forte variability dans
l'expression de la polydactylie.
REGENERATION DES MEMBRES ANORMAUX
Si les variations dans le milieu exterieur pouvaient provoquer des differences
dans l'expression de l'anomalie, la regeneration d'un membre ampute ne devrait
pas necessairement aboutir a la formation d'une copie du membre non ampute.
Pour etudier cette question, une serie de larves homozygotes pd/pd aux stades
53-54 a ete amputee de l'ebauche de l'autopode posterieur droit. A ce stade, la
palette de l'autopode vient de s'individualiser et elle peut etre distinguee aux
fins de l'amputation. II est necessaire que les animaux atteignent au moins le
debut de la metamorphose pour pouvoir montrer une regeneration suffisante de
la patte. Dix animaux de notre serie ont atteint cet age et ont eu suffisamment de
temps pour reformer tous leurs orteils. Neuf individus sur ces 10 sont representes par la figure 9. On y voit a gauche l'image de la patte gauche non amputee
et a droite le membre regenere. Un seul animal, le n° 6, a montre une regeneration
214
V. UEHLINGER
hypomorphique; tous les autres montrent une symetrie certaine entre la patte
non amputee et le regenerat. II est frappant de constater que meme la forme
anormale des orteils est souvent symetrique. Nous en concluons qu'un decalage
Fig. 9. Regeneration des membres polydactyles: a gauche le pied non-ampute, a
droite le regenerat. Nos 1-9, mutants; 10, temoin.
dans la croissance, c'est-a-dire une exposition du membre a des conditions
exogenes et endogenes differentes, n'a pas pu influencer l'expression de l'anomalie, tout au moins dans le cas ou l'autopode d'un bourgeon en voie de
differentiation a ete ampute.
Polydactylie chez Xenopus
215
DISCUSSION
Par Ferret de leur capacite de regeneration, les batraciens presentent frequemment des malformations des pattes ou des membres, allant de la polydactylie
a de graves malformations des membres entiers. Rostand (1958) en a decrit de
nombreux exemples chez les batraciens anoures. Un grand nombre de celles-ci
sont d'origine non-hereditaire, d'autres pourraient avoir un caractere hereditaire,
mais la demonstration n'en a pas pu etre apportee. Par contre, pour une forme
de polydactylie du crapaud (Bufo bufo), le mode de transmission dominant a
pu etre demontre avec certitude par Rostand (1951). La polydactylie decrite par
Bishop (1947) chez J'axolotl semble egalement avoir un caractere hereditaire
qui toutefois n'a pas ete prouve experimentalement. Witschi & Chang (1954)
mentionnent un cas de polymelie hereditaire chez le crapaud, et Ponse (1941) a
decrit un cas d'ectrodactylie chez Bufo bufo qui est probablement d'origine
heriditaire.
Par contre, le cas de l'anomalie P chez Rana esculenta decrit par Rostand
(1959) et Rostand & Darre (1967), est un exemple frappant d'une anomalie
non-hereditaire, qui cependant se trouve frequemment dans certaines populations. Cette anomalie semble etre due a un facteur teratogene externe. II serait
extremement interessant de connaitre le facteur qui cause Panomalie P, laquelle
ressemble dans une forte mesure aux mutants polydactyles pd de Xenopus.
Dans certains cas hereditaires il s'agit en particulier d'une perturbation dans
la regulation de la croissance des membres, mais la croissance de l'individu
entier pent etre atteinte egalement. Ceci se montre par le fait que les jeunes
mutants de Xenopus sont non seulement malformes mais aussi plus grands que
leurs freres normaux, et qu'ils se developpent a un rythme accelere. Cette meme
observation a ete faite chez Bufo par Rostand (1951). II se pourrait des lors que
les hybrides, bien que normaux, profitent d'un effet d'heterosis. Leur vigueur
accrue serait a l'origine de la frequence relativement elevee des facteurs de polydactylie, ou de malformation des extremites, trouvees dans les populations
sauvages.
Pour interpreter la variation dans I'expression de la polydactylie chez le
cobaye, Wright (1934) propose un systeme de plusieurs facteurs polygeniques
equivalents, dont la somme determinerait Fintensite de l'anomalie. Dans notre
cas en effet, les differences statistiquement significatives existant entre families
elevees dans des conditions semblables, indiquent qu'il s'agit dans l'expression
du syndrome d'un phenomene controle genetiquement, et que Faction du
facteur s'etale sur une periode prolongee de la vie larvaire. Par ailleurs, dans le
cas de 1'anomalie P chez Rana, Rostand (1959) a obtenu la regeneration d'un
membre normal, suggerant par la l'origine non-hereditaire de cette malformation.
Dans le meme ordre d'idees, nous avons vu chez Xenopus que la regeneration
qui suit l'amputation de l'autopode mene a une malformation ressemblant a
celle du membre non-ampute. Ceci suggererait une origine genetique de l'anomalie
216
V. UEHLINGER
pd. Toutefois, dans notre experience, l'ebauche des zeugopode et stylopode n'a
pas ete touchee. Elle pouvait de ce fait etre a l'origine de la regeneration anormale par sa predisposition poJydactyle. Dans le cas de la mutation pd chez
Xenopus on peut s'imaginer que le facteur principal mendelien ait son action
renforcee ou attenuee par un effet de polygenie, produit par les facteurs normaux
intervenant dans la croissance de l'individu.
La technique de la transplantation nucleaire chez Xenopus (Elsdale et al. 1960)
par laquelle on obtient des clones d'individus genetiquement identiques (isojumeaux), permettra de separer avec precision les facteurs genetiques des influences externes qui pourraient intervenir dans la realisation du phenotype.
Elle permettra egalement de determiner l'importance du genome entier du porteur de la mutation.
Avec la description de cette mutation pd, 9 mutations ont ete decrites jusqu'a
present de facon plus detaillee chez Xenopus laevis. De ces 9 mutations, 3 ont
leur origine dans des animaux sauvages importes d'Afrique, et 4 se sont trouvees
dans le stock de laboratoire. Outre la mutation pd, il s'agit de la mutation
anucleolee (Elsdale et al. 1958), du facteur g provoquant le goitre chez les
larves (Uehlinger, 1965), de la mutation yr letale embryonnaire (Reynaud &
Uehlinger, 1965), de la mutation kt provoquant une malformation de l'extremite de la queue (Uehlinger & Reynaud, 1965), de la mutation fj letale
embryonnaire presentant une deformation de la machoire (Droin, Reynaud &
Uehlinger, 1968), et de la mutation oe aux cedemes sous-cutanes de la premetamorphose (Uehlinger & Beauchemin, 1968). L'origine de la mutation otl, caracterisee par l'absence d'otolithes chez les larves (Droin, 1967) n'a pas pu etre
determinee. Une mutation dominante S, letale embryonnaire a l'etat homozygote
a eu son origine dans nos laboratoires (Uehlinger, 1966).
RESUME
1. Une mutation produisant la polydactylie chez Xenopus laevis est decrite.
Elle a ete trouvee dans la descendance de 4 femelles genetiquement identiques,
obtenues par transplantation nucleaire, et avait ete introduite dans la famille
par une femelle sauvage provenant de l'Afrique du Sud.
2. La mutation est recessive, subletale, avec une penetrance de 100%. Les
mutants montrent une expression variable de l'anomalie qui va d'une simple
duplication d'un orteil a la malformation des membres posterieurs entiers. Les
doigts et les membres anterieurs sont affectes dans 74 % des cas.
3. Les mutants grandissent statistiquement plus vite que leurs freres normaux
et entrent en metamorphose 2-4 jours plus tot.
4. II existe des differences statistiquement significatives, dans l'intensite de
l'expression, entre les descendants de couples differents.
5. L'anomalie est symetrique. L'amputation de l'autopode droit mene vers
une regeneration ressemblant au membre gauche non ampute.
Polydactylie chez Xenopus
217
6. L'hypothese suggerant un determinisme genetique de la variabilite de
Texpression est discutee.
7. Cette mutation pd est la neuvieme decrite chez Xenopus laevis.
SUMMARY
A recessive mutation (pd) which induces polydactyly in the
amphibian Xenopus laevis D.
1. A mutation pd which produces polydactyly in the anuran Xenopus laevis
is described. It was found in the progeny of 4 genetically identical females
derived from serial transfers of endoderm nuclei, and had been introduced into
the clone by a frog imported from South Africa.
2. The mutation is recessive, sublethal and shows a penetrance of 100%.
The mutants exhibit a variable expression of the trait, from a single duplication
of a toe to severe malformations of the whole hind limb with 10-12 toes. Fingers
and front limbs are affected in about 75 % of the cases.
3. Under optimal rearing conditions the mutants grow faster than their
normal sibs and they begin metamorphosis earlier.
4. The offspring of different parents show statistically significant differences
in the degree of expression of the trait.
5. The syndrome is almost symmetrical. After amputation of the right autopodium the foot regenerates to produce an almost identical structure to the
left control limb.
6. That the variability in expression is genetically determined is suggested
and discussed.
7. This mutation pd is the ninth described in Xenopus laevis.
Nous tenons a remercier le Professeur M. Fischberg pour l'interet qu'il a temoigne a ce
travail, ainsi que le Dr J. B. Gurdon de nous avoir prete les animaux pour Fanalyse genetique,
Dr J. Faber de nous avoir suggere l'experience de regeneration et Mile Anne Droin, Dr
es Sc, d'avoir procede a l'amputation d'une serie de larves, Mme K. Ducret et Mile L. Voll
pour l'assistance technique tres precieuse.
Ce travail a beneficie de l'aide financiere du Fonds national suisse de la Recherche scientifique (N08 2551 et 3868) et de la Fondation Georges et Antoine Claraz.
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