/ . Embryol. exp. Morph., Vol. 16, 3, pp. 609-633, December 1966
Printed in Great Britain
609
Zellspezifische Determination
und Beziehung zwischen Proliferation und Transdetermination in Bein- und Fliigelprimordien
von Drosophila melanogaster
HEINZ TOBLER1
Zoologisch-vergl. anatomisches Institut der Universitdt Zurich
I. EINLEITUNG UND PROBLEMSTELLUNG
Die Imaginalscheiben von Drosophila wurden schon friiher zum Studium
entwicklungsphysiologischer Prozesse verwendet. Vor allem von E. Hadorn und
Mitarbeitern sind in letzter Zeit Probleme der Determination, Differenzierung
und Musterbildung angegangen worden. Fragmentations-, Dissoziations- und
Reaggregationsversuche, Defektsetzungen mit UV, Transplantationen in Larvalund Adultwirte, sowie Dauerkulturen von Blastemen bieten mannigfache experimentelle Moglichkeiten. In der Differenzierung von Borsten oder Haaren, die
je aus einer Epidermiszelle der Imaginalscheiben hervorgehen, kann die Leistung
einer Zelle erfasst werden. Verschiedene farb- und formverandernde Mutanten
ermoglichen die Markierung einzelner Epidermiszellen.
Aus den Versuchen von Nothiger (1964) geht hervor, dass in der spatlarvalen
Imaginalscheibe die Zellen schon weitgehend determiniert sind. Werden
genetisch verschieden markierte Fliigel- und Genitalscheiben vermischt, so
trennen sich in der Regel die Zellen verschiedener Herkunft durch Zellwanderung. Selten jedoch versagt der Trennmechanismus, und einzelne Zellen verbleiben in einer fremden Umgebung. Dabei differenzieren sich die Zellen
autonom herkunftsgemass, und zwar auch bei homonomen Kombinationen in
Organanlagen der Genitalscheibe. Diese Ergebnisse lassen den Schluss zu, dass
Zellen verpuppungsreifer Genitalscheiben nicht nur fur die allgemeine Qualitat
'Genitalapparat', sondern mindestens zu regionalen Qualitaten wie Analplatte
oder Clasper determiniert sind. Ob allerdings in der spatlarvalen Imaginalscheibe
jede Zelle bereits zu einer bestimmten Epidermiszelle oder Borste determiniert ist, konnte bis jetzt noch nicht entschieden werden. Verschiedene
Umstande sprechen eher dafiir, dass das endgiiltige Muster recht spat in der
Entwicklung festgelegt wird (vergl. Diskussion bei Nothiger, 1964; Hadorn,
1
Adresse des Verfassers: Zoologisch-vergl. anatomisches Institut der Universitat, Kiinstlergasse 16, 8006 Zurich, Schweiz.
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H. TOBLER
1966). Gleiches gilt, wie Garcia-Bellido (1966) zeigen konnte, fiir die Fliigelscheibe: Wird ein distales mit einem proximalen Fliigelfragment kombiniert,
so trennen sich die Anlagen, und in keinem Fall wurde Mosaikbildung beobachtet. Daraus kann geschlossen werden, dass die Zellen der Fliigelscheibe in
der verpuppungsreifen Larve ebenfalls wie bei der Genitalscheibe bereits zu
regionalen Qualitaten wie Fltigelbasis, Spreite oder Fliigelrand determiniert
sind.
Lasst man einem Scheibenfragment in einem jiingeren Larvalwirt oder im
Abdomen einer adulten Fliege Zeit zum proliferativen Wachstum, bevor es in
die Metamorphose und damit zur Differenzierung gelangt, so zeigt es Vergrosserung oder Verdoppelungen bestehender Anlagen. Dabei wird der Determinationszustand in 'cell-lineage' weitergegeben. Dieses Phanomen wird als
'proliferative Regulation' gedeutet (Nothiger & Schubiger, 1966). Wichtig
scheint uns dabei, dass die Determination zu bestimmten Differenzierungsqualitaten wahrend der Proliferation nicht verandert wird.
Diesen Resultaten stehen die Befunde von Hadorn (1963,1964, 19656, 1966),
Schlapfer (1963) und Gehring (1966) gegeniiber, die zeigen konnten, dass
proliferierende Imaginalscheiben nach Kultur im Adultmilieu zu allotypischen
Strukturelementen differenzieren, die der prospektiven Bedeutung des Blastems
nicht mehr entsprechen. In weiteren Versuchen hat sich ergeben, dass alle bis
anhin gepriiften Scheiben unter geeigneten Bedingungen ihren Determinationszustand verandern konnen. Die im Transplantationsexperiment manifest
werdende Determination ist somit keineswegs irreversibel. Hadorn (19656) hat
diese Anderung der Determinationsqualitat als Transdetermination bezeichnet.
Damit stehen wir vor der widerspruchlichen Situation, dass Zellen — oder
deren Nachkommen — die bereits determiniert sind und in der Normalentwicklung eindeutig definierte Muster bilden, unter bestimmten Bedingungen ihre
Determinationsqualitat verandern und einen neuen Entwicklungsweg einschlagen konnen. Diese Arbeit soil mit geeigneten experimentellen Methoden
einen weiteren und neuen Beitrag zur Problematik der Detremination und Transdetermination liefern. Vor allem stellen sich folgende Fragen: 1. Wie weit ist die
Determination in den Imaginalscheiben bereits fortgeschritten? 2. Kann der
Transdeterminationsprozess beeinflusst und in eine bestimmte Richtung gelenkt
werden? 3. Welches sind die Bedingungen, die zur Anderung in der Determinationsqualitat fiihren ? Als Ausgangsmaterial fiir die Experimente schienen uns
die Vorderbein- und Fliigelscheibe aus folgenden Griinden besonders geeignet:
Fiir beide Imaginalscheiben sind Anlageplane erarbeitet worden, die iiber die
prospektive Bedeutung einzelner Primordien Auskunft geben (Hadorn & Buck,
1962; Schubiger, unveroffentlicht). Beide Scheiben sind relativ gross, deshalb
konnen Fragmentationsversuche sowie Dissoziations- und Reaggregationsexperimente bestimmter Teilstiicke der Imaginalscheiben einfach durchgefuhrt
werden. Zudem hat Schubiger (unveroffentlicht) fiir die Beinscheibe gezeigt,
dass sie ihre Determinationsqualitat recht haufig andert.
Zellspezifische Determination bei Drosophila
611
II. MATERIAL UND METHODE
1. Transplantationen. Als Spender der Imaginalscheiben verwendeten wir
durchwegs Larven der Genotypen 'y' (yellow, 1-0,0) und *e' (ebony,
3-70,7),
wobei letztere zusatzlich den morphologischen Markierer 'raw/*' (multiple wing
hairs, 3-28,8 links von 'sepia') trugen. Die Imaginalscheiben wurden in einem
Tropfen Insekten-Ringer aus verpuppungsreifen Spenderlarven herausseziert
und nach der gebrauchlichen Methode von Ephrussi & Beadle (1936) entweder
in Larven des friihen 3. Stadiums (72-78 h nach Eiablage) oder ins Abdomen
ein- bis zweitagiger weiblicher Imagines implantiert. Die Larvalwirte waren
vom Wildtyp, wahrend als Adultwirte in Anlehnung an Hadorns Kulturen
(1963-66) * white'-Wirte Verwendung fanden. Da nach Hadorn & Garcia-Bellido
(1964) die Implantate in befruchteten Weibchen das starkste proliferative
Wachstum aufweisen, setzten wir den Wirtsweibchen immer einige Mannchen
zu. Die operative Sterblichkeit betrug bei Transplantationen in Larven ca. 20 %,
bei Fliegen meistens weniger als 2 %. Die metamorphosierten Implantate
wurden in Ringerlosung aus dem Abdomen der Wirtsfliege herausprapariert, in
Fauresche Losung ubergefuhrt, ausgebreitet und unter einem Deckglas eingeschlossen. Samtliche Kulturen hielten wir bei 25° C auf dem iiblichen Standardfutter (Mais, Zucker, Agar, Hefe).
2. Herstellung von Kombinaten. Alle Kombinate wurden nach der von
Nothiger (1964) entwickelten Technik hergestellt. Dabei wird die Peripodialmembran zweier genetisch markierter Scheiben aufgerissen, die kleinere Scheibe
in die grossere hineingepresst und anschliessend das Ganze mit zwei feinen
Wolframnadeln mechanisch durchmischt, bis eine mehr oder weniger homogene
Zellmasse entsteht. Obschon der Dissoziationsgrad bei dieser Methode relativ
klein ist, fiihrt diese Technik doch geniigend haufig zum Einbau einzelner
Zellen oder Zellkomplexe in Areale des Partners.
3. Messung des Wachstums. Um das Ausmass des proliferativen Wachstums
der Implantate im Adultmilieu zu erfassen, verwendete ich folgende Methode:
Eine gewohnliche Transplantationsnadel wurde leicht modifiziert, indem ich die
Einschnurung weiter hinten als iiblich anbrachte. Dabei wies die Kapillare von
der Spitze bis zur Einschnurung einen konstanten, relativ kleinen Durchmesser
auf. Wird nun ein Implantat in die Transplantationsnadel eingesogen, so ist
sein Volumen proportional der Lange in der Kapillare. Auf einer Strichplatte,
die ins Binokular eingeschoben wurde, kann die Lange des Implantates leicht
abgelesen werden. Die Eichung der Kapillare erfolgte mittels Quecksilber.
Verschieden grosse Tropfchen wurden in die Kapillare eingesogen, die Lange
des Quecksilberfadens mit der Strichplatte bestimmt und anschliessend auf der
Mikrowaage gewogen. Aus dem Gewicht des Quecksilbers liess sich so auf
einfache Weise das Volumen bestimmen.
612
H. TOBLER
III. ERGEBNISSE
1. Kombination ganzer Beinscheiben, Transplantation in 72-78 h alte Larven
Diese Experimente sind als Vorversuche gedacht, wobei es zu priifen galt}
inwiefern sich die Beinscheiben unter der hier verwendeten Experimentaltechnik
gleich verhalten wie bei der verfeinerten Methode (chemische Dissoziation), die
Garcia-Bellido (1966) anwandte.
50//
Abb. 1. Kombinate aus Zellen genetisch verschieden markierter Beinscheiben
(hell = 'yellow''-Mutante, dunkel = 'ebony'- und 'multiple wing /w/rs'-Mutanten
von Drosophila melanogaster). a, Klauenmosaik; b, Tibia-Transversalreihenmosaik;
c, Tarsusmosaik, der Pfeil bezeichnet ein 'Mikromosaik' zwischen Borste und zugehorigem 'bract'; d, Geschlechtskammosaik. a und b sind Photos, c und d Zeichnungen.
Von 89 metamorphosierten Kombinaten lieferten 72 Praparate Mosaike.
Dabei fanden sich Mosaikbildungen in samtlichen Beinteilen. In der Abbildung
1 sind 4 Falle dargestellt. Klauenmosaike, wie sie die Abb. 1 a zeigt, traten recht
haufig, namlich in 13,5 % aller Kombinate auf. Neben vollig zufallsgemasser
Anordnung der 'ebony' und 'yellow' Borsten (Tarsusborsten, Abb. \c) konnte
sehr oft auch der Einbau ganzer Zellkomplexe in das Muster des genetisch
Zellspezifische Determination bei Drosophila
613
markierten Partners festgestellt werden (Tibiatransversalreihen, Abb. lb\
Geschlechtskammzahne, Abb. 1 c). Wir sind geneigt, diesen Unterschied auf die
unvollstandige Dissoziation der Zellen bei der hier verwendeten Technik
zuriickzufiihren. Im weiteren konnten bereits bekannte Phanomene aus fruheren
Kombinationsexperimenten (Hadorn, Anders & Ursprung, 1959; Ursprung &
Hadorn, 1962; Nothiger, 1964; Garcia-Bellido, 1966) bestatigt werden:
1. Die verschiedenen Beinteile (Coxa, Trochanter, Femur, Tibia, Tarsus) zeigen,
auch wenn sie aus Zellen beider Spender aufgebaut sind, in der Regel nur solche
Strukturen (Borsten, Haare, usw.), die auch in situ gebildet werden. Beispielsweise konnte eine Klaue immer nur im Tarsus, nie aber auf einem anderen
Beinteil gefunden werden. 2. Neben normalen Mustern, wie sie in situ zu
beobachten sind, treten sehr oft aberrante Muster auf, wobei die raumliche
Anordnung der Borsten gestort, sowie deren Anzahl meistens erhoht ist. So
gibt es von normal ausgebildeten Geschlechtskammen, bei denen 9 bis 12 Zahne
in einer Reihe stehen, alle Ubergange bis zu solchen, wo 50 und mehr Zahne
dicht gedrangt nebeneinander angeordnet sind.
Zwei weitere Beobachtungen seien hier erwahnt, auf die wir in der Diskussion
naher eingehen (S. 627). Erstens treten in den Kombinaten neben den zu
erwartenden autotypischen Beinteilen auch Fliigel- (Spreite) und Kopfstrukturen (Arista) auf. Diese allotypischen (bedeutungsfremden) Elemente (Hadorn,
1965 a) sind an sich nicht iiberraschend, unerwartet ist einzig der Umstand, dass
sie unter den gegebenen experimentellen Bedingungen (Transplantation in
Larven, ohne Verlangerung der Zeit zur Proliferation) auftreten. Dieses Resultat
steht im Gegensatz zu den Verhaltnissen bei der Fliigelscheibe (Ursprung &
Hadorn, 1962) und Genitalscheibe (Nothiger, 1964), wo ausschliesslich autotypisch differenziert wurde.
Die zweite Beobachtung wollen wir etwas ausfuhrlicher besprechen. An
dieser Stelle sei zuerst nachgetragen, dass die Borsten der distalen Beinteile
sowie der basalen Fliigelcosta neben ihrem Sockel in der Regel eine Schuppe
(einen sogenannten 'bract') aufweisen. In unseren Kombinaten fanden wir nun
ofters' Mikromosaike' zwischen Borste und dazugehorigem 'bract' (Abb. 2a, b).
Der morphologische Markierer 'multiple wing hairs' modifiziert neben den
Haaren der Flugelspreite (Di Pasquale, 1952) auch die iibrigen Korperhaare
sowie die 'bracts' (Peyer & Hadorn, 1965). Dieser Befund zeigt, dass es sich bei
den 'bracts' um abgewandelte Haare (Trichome) handelt. Unser Befund,
wonach Mosaike zwischen Borste und 'bract' auftraten, stiitzt diese Interpretation. Jedenfalls kann der 'bract' nicht durch 'cell-lineage' aus borstenbildenden
Zellen entstanden sein. Eine Schwierigkeit bei der Beurteilung dieser Mikromosaike sei allerdings nicht verschwiegen: Gelegentlich sind auch bei'ebony''Borsten die dazugehorigen 'bracts' nicht richtig ausgefarbt, wodurch der
Eindruck eines Mosaiks vorgetauscht wird. Ausserdem verandert das Gen
i
nwh> nicht alle 'bracts', seine Penetranz ist sehr variabel (B. Peyer, personl.
Mitteilung). Da aber unsere Zellen doppelt markiert wurden (einerseits mit
614
H. TOBLER
Farbmarkierung, andererseits morphologisch mit 'multiple wing hairs'), registrierten wir nur jene Falle als gesicherte Mosaike, bei denen morphologische
Markierung und Farbung ubereinstimmten. Wir fanden sowohl '.y'-Borsten mit
'eimwh'>- bracts', als auch den reziproken Fall (vergl. Abb. 2a und b). Ganz
selten ist eine Borste auch von zwei 'bracts' begleitet (Abb. 2 c). Dagegen konn-
Abb. 2. a, b, 'Mikromosaike' zwischen Beinborste und zugehorigem 'bract'.
a, V-Borste mit '.v'-'bract'; b, '^'-Borste mit ie,mwh'-tbract', c, Eine 'y'-Borste
mit 2 'bracts'.
Zellspezifische Determination bei Drosophila
615
ten wir in Obereinstimmung mit Garcia-Bellido (1966) nie 'bracts' allein
nachweisen. Fur die Interpretation dieser Resultate verweisen wir auf die Diskussion (S. 628).
2. Kombination von Bein- mit Flugelscheiben, Transplantation in 72-78 h alte
Larven
Auch dieses Experiment ist als ein Vorversuch aufzufassen. Trotzdem konnen
wir nicht auf diese Kombination verzichten, da sie als Kontrolle fiir spater zu
besprechende Versuche notwendig ist.
100 A
Abb. 3. Ausschnitt aus einem Bein-Fliigelscheiben-Kombinat. Neben 'j>'-Fliigelteilen(»S = Spreite,D = Dreierreihe)habensich'e,mw/t'-Beinelemente(77 = Tibia,
Ta = Tarsus) separiert.
Gesamthaft stehen uns 36 metamorphosierte Implantate zur Verfiigung; die
Abb. 3 zeigt einen Ausschnitt aus einem solchen Kombinat. Daraus wird
ersichtlich, dass sich Bein- und Fliigelzellen vollstandig trennen. Nie wurden
mit Sicherheit chitinose Verwachsungen zwischen Bein- und Fliigelarealen oder
Mosaike beobachtet; weder kam es zum Einbau von Beinzellen in Areale des
Flugels, noch konnte die reziproke Kombination festgestellt werden. Nun wissen
wir allerdings, dass solche' Fehlermosaike' nicht ausgeschlossen sind (Nothiger
1964). Die relativ kleine Anzahl der hier untersuchten Falle lasst deshalb die
Moglichkeit durchaus offen, dass sich 'Fehler' auch in unseren Kombinaten
ereignen konnen. Wie wir auf S. 619 zeigen werden, kommen bei einer ahn-
616
H. TOBLER
lichen Versuchsanordnung in dersel ben Kombination' Fehlermosaike' tatsachlich vor. In Uebereinstimmung mit Nothiger (1964) und Garcia-Bellido (1967)
konnen wir aus diesen Experimenten schliessen, dass sich Zellen der Bein- und
Fliigelscheibe durch Zellwanderung trennen (heterotypische Segregation).
Ausserdem diirfen wir folgern, dass die Zellen durch die Dissoziation ihren
Determinationszustand nicht einbiissen, sondern mindestens im Hinblick auf
die allgemeine Qualitat 'Bein' oder 'Frugel' fest determiniert bleiben.
3. Kombination fragmentierter Beinscheiben, Transplantation in 72-78 h alte
Larven
Mit Fragmentierungsversuchen lokalisierten Hadorn, Bertani & Gallera
(1949) erstmals einzelne Organanlagen innerhalb der Genitalscheibe. Die
gleiche Technik verwendete Schubiger (unveroffentlicht) fur die Ermittlung des
Anlageplanes bei der mannlichen Vorderbeinscheibe. Dabei zeigte sich, dass die
einzelnen Beinteile in der verpuppungsreifen Scheibe in konzentrischen Ringen
angeordnet sind. Der innerste Ring bildet in der Metamorphose die letzten vier
Tarsalglieder mit den Klauen, wahrend die Coxa aus dem peripheren Teil der
Imaginalscheibe entsteht.
Dieser Anlageplan ermoglicht es, unsere erste Frage nach dem Determinationszustand der Zellen anzugehen. Wir kombinieren in reziproken Versuchsanordnungen den zentralen Teil einer genetisch markierten Scheibe (z.B.
''yellow') mit dem peripheren Teil der Partnerscheibe ('ebony, multiple wing
hairs'). Die beiden Fragments werden wiederum mechanisch gemischt und
anschliessend durch Transplantationen in Larven auf ihre Entwicklungsleistung
gepriift. In der Abb. 4 ist diese Versuchsanordnung schematisch dargestellt.
An dieser Stelle sei eine theoretische Uberlegung vorweggenommen. Durch
Desintegration und Vermischung der Fragmente gelangen determinierte Zellen
innerhalb des Kombinates in eine fremde Umgebung. Verlieren die Zellen durch
die Dissoziation ihre Determinationsqualitaten zu bestimmten Organanlagen,
die aus den Ergebnissen der Fragmentierungsversuche postuliert wurden, so sind
bei dieser Versuchsanordnung Mosaike in alien Beinteilen zu erwarten.-Eine
Tarsuszelle beispielsweise, die zufallig in den Bereich einiger Coxazellen gelangt,
wird unter ihrem Einfluss zu Coxa umdeterminiert und miisste sich am Auf bau
dieses Musters beteiligen. Behalten die Zellen jedoch ihren urspriinglichen
Determinationszustand auch wahrend der Dissoziation und Vermischung bei,
sind also die Zellen selbst die Trager der Determination, so werden sich die verschiedenen Zelltypen aussortieren. Dabei sind als Folge der isotypischen
Assoziation Mosaike nur im Schnittgebiet zu erwarten, das auf Grund des
Anlageplanes zu Tarsus determiniert ist.
Unsere Befunde sprechen eindeutig fur die zweite Hypothese: Von 66
Kombinaten lieferten 42 (64 %) Mosaike im Tarsus, 10 (15 %) in der Tibia,
wahrend im Femur und Trochanter keine Mosaike beobachtet werden konnten.
Merkwiirdigerweise fanden wir aber je zwei Mosaike in den Klauen und in der
Zellspezifische Determination bei Drosophila
617
Coxa, also in Regionen, die nicht im Schnittgebiet liegen. Abb. 5 gibt die
Verhaltnisse fiir Coxa, Tarsus und Klauen wieder. Vergleichen wir die in diesem
Experiment aufgetretenen Mosaikhaufigkeiten mit den KontroUversuchen (Vermischen ganzer Scheiben), so stellen wir fest, dass die beobachtete Mosaikhaufigkeit wohl im Tarsus der Erwartung entspricht (#2-Test, p « 0,8), nicht
Abb. 4. Vereinfachte schematische Darstellung der Kombinationsexperimente:
Der zentrale Teil einer verpuppungsreifen 'y'-Beinscheibe wird mit dem peripheren
Teil einer 'e,mw/i'~Partnerscheibe vermischt. Nach der Metamorphose treten nur
im Schnittgebiet (T = Tarsus) Mosaike auf, wahrend fur Klauen (70 und Coxa (C)
keine chimarischen Muster festgestellt werden.
aber in Coxa (p < 0,01) und Klauen (p < 0,05). Wir schliessen daraus, dass die
Klauen- und Coxamosaike wahrscheinlich durch eine ungenaue Schnittfuhrung
bedingt sind. In der verpuppungsreifen Larve wird der periphere Scheibenrand,
der fiir Coxa determiniert ist, sehr oft bereits aufgewolbt. Deshalb ist leicht
einzusehen, dass prasumptives Coxamaterial — im Gegensatz zu Trochanterund Femuranlage — bei der Fragmentation mit dem zentralen Scheibenteil
erfasst werden kann.
618
H. TOBLER
Damit ist gezeigt, dass die Zellen der Beinscheibe in der verpuppungsreifen
Larve mindestens zu regionalen Qualitaten wie Tarsus oder Tibia determiniert
sind und diesen Determinationszustand auch im Dissoziationsversuch beibehalten. Das besagt allerdings nicht, dass jede Zelle bereits endgiiltig zu einer
bestimmten Strukturqualitat (z.B. Borste, Haar, 'bract') determiniert ist.
Dieses Problem wird auf S. 627 eingehend diskutiert.
70 r-
60
50
40
30
20
10
Coxa
Tarsus
Klauen
Abb. 5. Vergleich der Mosaikhaufigkeiten in verschiedenen Beinteilen (Coxa,
Tarsus, Klauen) nach Kombination von ganzen Beinscheiben (schwarze Saulen) und
Scheibenfragmenten (schraffierte Saulen). Erklarung im Text.
4. Entwicklungsleistungen der Bein-Flugel-Kombinate nach Kultur in vivo
Wie auf S. 615 ausgefuhrt wurde, trennen sich Bein-Flugel-Kombinate wieder
in die beiden Spendertypen, wenn sie direkt in metamorphosierende Larven
implantiert werden. Wir fragen uns nun, ob die Zellen auch aussortieren, nachdem
Zellaggregate zuerst im Abdomen adulter Fliegen kultiviert wurden.
Wir implantierten 25 Zellgemische aus je einer 'j>'-Flugelscheibe und einer
'e^mwh'-Beinscheibe sowie 28 reziproke Kombinationen in adulte Weibchen.
Nach 16 Tagen wurden die Implantate aus dem Abdomen freiprapariert und in
Larvalwirte zuriickversetzt. Die Kombinate proliferierten im Adultwirt so stark,
dass es aus technischen Griinden nicht moglich war, sie als Ganzes in Larven zu
implantieren. Ein Implantat, das besonders starkes Wachstum aufwies, konnte
in 44 Teilstiicke zerlegt werden, wovon 36 Praparate gewonnen wurden. Auf die
Zellspezifische Determination bei Drosophila
619
Ursache dieses ausserordentlich kraftigen Wachstums wird auf S. 623 eingegangen. Total erhielten wir 315 Implantate vom ersten und 317 vom zweiten
Kombinationstyp.
Unter den insgesamt 632 Implantaten fanden wir nur zwei Praparate mit
Mosaiken, bei denen Beinteile in Areale des Fliigels eingebaut sind. Der reziproke Fall, namlich vereinzelte Fliigelzellen in Beinstrukturen, konnte nicht mit
5\ >,
1
iV/J
Abb. 6. 'Fehlerhaftes;' Mosaik zwischen 'e,mwh '-Tarsus und 'j'-Fliigelspreite.
Schwache Behaarung und Bildung von 'Rillen' in der Epidermis unterscheiden
die in der Spreite eingefiigte Struktur von irgendwelchen Derivaten der Flugelscheibe.
Sicherheit festgestellt werden. In der Abb. 6 ist ein solches 'Fehlermosaik'
wiedergegeben: Drei Tarsusborsten haben sich in der Fliigelspreite autonom
differenziert; ihre dunkle Farbung weist sie als Derivate der Beinscheibe aus,
und die Bildung von 'bracts', die schwache Behaarung sowie das Auftreten
von sog. 'Rillen' in der Cuticula ermoglicht die eindeutige Zuordnung zum
Tarsus. Im anderen, hier nicht abgebildeten Fall sind 11 Tarsusborsten in
einer Fliigelspreite eingegliedert. Diese beiden Befunde zeigen, dass einzelne
Zellen auch nach langerer Kulturdauer in vivo sowie nach starkem proliferativem Wachstum ihre Determinationsqualitaten keineswegs verlieren miissen:
Sie werden nicht nachweisbar 'de determiniert'. Ihre Differenzierung erfolgt
auch in einer 'fremden' Umgebung herkunftsgemass und nicht ortsgemass.
Neben diesen seltenen 'Fehlermosaiken' fanden wir zu unserer Dberraschung aber auch echte Fliigel- und Beinmosaike. Unerwartet ist dieses Ergebnis
vorerst deshalb, weil wir aus unserem vorangegangenen Experiment (S. 615)
wissen, dass Zellen im Kombinat aus Bein- und Flugelscheiben nach Transplantation in metamorphosierende Larvalwirte aussortieren und keine Mosaike
bilden. Sodann fallt auf, wie ausserordentlich haufig besonders Mosaike im
620
H. TOBLER
Abb. 7. Mosaikbildungen in Bein-Fliigel-Kombinaten nach Kultur im Abdomen
adulter Weibchen. a, Tarsusmosaik (G = Geschlechtskammzahne, K = Klauen);
b, Flugelspreitenmosaik.
Zellspezifische Determination bei Drosophila
621
Flugel entstehen: Von 53 Scheibengemischen fiihrten 22 (41,5%) zu Fliigelmosaiken, hingegen lediglich 5 (9,4 %) zu Beinmosaiken. Die Abb. 7 zeigt je
ein Tarsus bzw. Fliigelmosaik.
Wie ist es zur Bildung dieser Mosaike gekommen? Nach allem, was wir
wissen, ist die einzelne Zelle fur bestimmte Qualitaten determiniert. Ein Fliigelmosaik z.B. muss also wohl so entstanden sein, dass urspriinglich zu Bein
determinierte Zellen einen neuen Entwicklungsweg beschritten, d.h. transdeterminiert wurden und sich am Aufbau von Fliigelstrukturen beteiligten. Mit
der Transdetermination erfolgte gleichzeitig eine Aenderung in den Zellaffinitdten (Garcia-Bellido, 1967). Zwei grundsatzlich verschiedene Mechanismen
kommen fur die Bildung der beobachteten Mosaike in Frage: 1. Ein Blastem
zwingt seinen Determinationszustand anderen Zellen auf, die zufallig unter
seinen Einfluss gelangen. Die Transdetermination ist so als ein Induktions- oder
Assimilationsprozess zu verstehen. 2. Transdeterminationen erfolgen spontan
und ungerichtet, unabhangig von noch anderen im Kombinat vorhandenen
Blastemqualitaten. Wir werden zu dieser Alternative Stellung beziehen, sobald
wir die Befunde der nachsten Versuchsanordnung kennen gelernt haben.
5. Entwicklungsleistungen desintegrierter Bein- und Flugelscheiben nach Kultur
in vivo
In dieser Experimentalserie priiften wir 30 'e,mw/i'- und 29 'j'-Beinscheiben
sowie 31 'eyinwh'- und 32 'j>'-Flugelscheiben. Die Scheiben aus verpuppungsreifen Larvalwirten wurden einzeln desintegriert und wahrend 16 Tagen in
adulten Weibchen kultiviert. Nach Riicktransplantation in Larven erhielten wir
388 metamorphosierte Implantate.
Die in der Tab. 1 zusammengefassten Resultate lassen ,drei wichtige Schliisse
zu: (a) Unter identischen Versuchsbedingungen erfolgte der Transdeterminationsschritt von Bein zu Flugel mehr als viermal haufiger als der reziproke
Schritt. In diesem Umstand manifestiert sich eine scheibenspezifische Transdeterminationswahrscheinlichkeit. Dieser Befund hat ein gewisses Gewicht fur
das Problem der Sequenz (Gehring, 1966; Hadorn, 1966), auf das in der Diskussion naher eingetreten wird. (b) Flugel- und Beinmosaike traten bei reziproken Versuchsanordnungen in Kombinaten aus Bein- und Flugelscheiben
nicht gleich haufig auf. Dieses Resultat ist dann zu erwarten, wenn die beiden
Genotypen unterschiedliche Transdeterminationsfrequenzen aufweisen. Vergleichen wir nun die Haufigkeiten aller Transdeterminationsereignisse bei den
zwei verwendeten Genotypen miteinander, so stellen wir fest, das sich Transdeterminationen beim Genotyp ' e, mwh' doppelt so haufig ereignen wie beim
Genotyp ly\ Daraus schliessen wir, dass der Genotyp die Transdeterminationswahrscheinlichkeit beeinflusst. (c) Aus dem vorhergehenden Kombinationsexperiment lassen sich die Transdeterminationsfrequenzen von Bein zu Flugel
und von Flugel zu Bein leicht ermitteln. Diese stimmen mit den Haufigkeiten
iiberein, die wir jetzt fur die einzelnen desintegrierten Scheiben beobachten.
39
JEEM
16
n
'e,WH>/j'-Beinscheibe
25
mit '.y'-Fliigelscheibe
II desintegrierte' e, mwh '- 30
Beinscheiben
32
III desintegrierte '>>'Flugelscheiben
IV ' j'-Beinscheibe mit
28
' e, mwh '-Fliigelscheibe
V desintegrierte
29
l
y '-Beinscheiben
VI desintegrierte le,mwh'- 31
Fliigelscheiben
I
Versuchsserie
—
(38)
—
—
0
5
—
—
11
(16,1)
n = Anzahl Kombinate, resp. desintegrierter Imaginalscheiben.
105
79
0
(17,8)
10
2
(6)
5
1
(4)
—
(%)
Transdeternrnationen
von Fliigel zu
Beinstrukturen
(35,7)
10
317
—
(3,3)
1
(4)
1
Transdeterminationen
von Bein zu
Kopfstrukturen
(%)
(35,7)
—
—
(63,3)
—
(48)
(56)
19
12
14
(%)
Fliigelmosaike
104
100
315
Transdeterminationen
von Bein zu
Anzahl meta- Fliigelstrukmorphosierte
turen
Implantate
(%)
—
—
(17,8)
5
—
—
0
(%)
Beinmosaike
(6,5)
2
—
(10,7)
1
(3)
3
—
0
(%)
Transdeterminationen
von Fliigel
zu Kopfstrukturen
Tab. 1. Transdeterminations- und Mosaikfrequenzen von Bein-Fliigelkombinaten sowie von desintegrierten Bein- und Flugelscheiben
nach 16-tdgiger Kultur in vivo und anschliessender Rucktransplantation in metamorphosierende Larvalwirte
a
w
O
•
to
K
Zellspezifische Determination bei Drosophila
623
Wir sehen daraus, dass die Transdeterminationsfrequenz eines bestimmten
Blastems durch das Vorhandensein anderer Blasteme nicht beeinflusst wurde.
Transdeterminationen ereignen sich also spontan und ungerichtet mit einer
bestimmten Wahrscheinlichkeit, die der betreffenden Scheibe und dem betreffenden Genotyp inharent sind. Zum gleichen Ergebnis fiihren ahnliche
Versuche von Garcia-Bellido (1967).
6. Beziehung zwischen Wachstum und Transdetermination
In Antennenscheiben-Kulturen stellte Gehring (1966) fest, dass eine hohe
Korrelation zwischen Wachstum und Transdetermination besteht. Da unser
Material je nach Genotyp mit unterschiedlicher Frequenz allotypische Elemente bildet, fragen wir uns nun, ob die haufiger transdeterminierenden
'e,mw/i'-Zellen auch starker proliferieren als die 'j>'-Zellen.
Wir pruften fiir jede Versuchsserie ca. 30 Beinscheiben aus verpuppungsreifen
Larven. Das Volumen der Scheiben vor und nach der Kultur im Abdomen
adulter Weibchen wurde nach der auf S. 611 beschriebenen Technik bestimmt,
so dass das Wachstum fiir jedes Implantat gesondert ermittelt werden konnte.
Anschliessend wurden die Scheiben in Larven des friihen 3. Stadiums implantiert
und auf ihre Entwicklungsleistung getestet. Dabei verwendeten wir Scheiben
der Genotypen 'y* oder ieimwh'> und variierten die Kulturdauer im Adultmilieu,
ndem wir die Implantate 4, 8 bzw. 16 Tage in den Wirtsweibchen beliessen.
Ausserdem untersuchten wir das Wachstum ganzer, sowie langs- und querhalbierter Beinscheiben. In einer letzten Versuchsserie wurden die Imaginalscheiben
desintegriert, bevor wir sie in adulte Weibchen implantierten. Fiir die statistische
Auswertung fassten wir jeweils alle untersuchten Scheiben einer Serie zusammen.
Die Ergebnisse sind in der Tab. 2 zusammengestellt und in Abb. 8 graphisch
aufgezeichnet. Daraus wird ersichtlich, dass die Proliferationsaktivitat in den
ersten Kulturtagen am ausgepragtesten ist und gegen Ende der Kulturdauer
absinkt. Dieser Befund deckt sich mit den Resultaten, wie sie aus vielen Wachstumsuntersuchungen bekannt sind, sowie mit den Ergebnissen von Hadorn &
Garcia-Bellido (1964). Am starksten wachsen desintegrierte Scheiben (D),
wahrend langshalbierte Scheiben (C) bereits eine deutlich verminderte Proliferationsaktivitat aufweisen. Bei querhalbierten Scheiben (B) ist die Grossenzunahme noch geringer, und ganze Scheiben (A) wachsen sogar in der Regel
nur in der Initialphase. Diese Resultate lassen den Schluss zu, dass offenbar das
Ausmass der Verletzung die Intensitat des Wachstums bestimmt. Je grosser die
Wundfldche ist, desto mehr wird die Proliferationsaktivitat gesteigert. Im
weiteren konnen wir der Abb. 8 entnehmen, dass die ' e, mwh '-Imaginalscheiben
in alien Versuchsserien starker wachsen als die 'j>'-Scheiben.
39-2
624
H. TOBLER
Tab. 2. Wachstum und Transdeterminationshdufigkeiten ganzer, halber und
desintegrierter Beinscheiben aus verpuppungsreifen Larven nach verschieden
langer Kulturdauer in imaginalen Wirten
Durchschnittliche
Grosse der !Scheiben
Versuchsserie
la
Ib
Ic
Ha
lib
He
Genotyp
y
y
y
e, mwh
e,mwh
e,mwh
Kulturdauer in
Tagen
4
8
16
4
8
16
n
Volumenzu- Transdenahme in % terminationen
vor Kultur nach Kultur der Aus(010> 3 ) gangsgrosse
(o-ioy3)
(%)
A. Ganze Scheiben
30
1,8
30
1,8
28
1,8
33
2,16
27
2,18
28
2,18
2,27
2,38
2,45
2,81
3,00
3,03
26
32
36
30
38
39
0
0
0
0
0
3,6
1,45
1,71
1,68
1,98
2,24
62
91
0
0
B. Quer halbierte Scheiben
Ilia
Illb
IIIc
y
y
y
IVa
e,mwh
IVb
IVc
e,mwh
e,mwh
Va
Vb
Vc
Via
VIb
Vic
y
y
y
Vila
Vllb
VIIc
Villa
VHIb
VIIIc
y
y
y
e,mwh
e, mwh
e,mwh
e,mwh
e,mwh
e,mwh
4
8
16
31
27
32
4
27
0,9
0,9
0,9
1,09
31
8
1,09
16
27
1,08
C. Langs halbierte Scheiben
4
29
0,9
8
31
0,9
16
4
8
16
34
35
28
31
0,9
1,09
1,09
1,09
D . Desintegrierte Scheiben
2,3
87
83
106
112
1,62
1,85
1,98
2,14
2,78
3,62
80
3,5
105
120
97
155
232
9,7
11,8
5,7
10,7
29,0
220
255
351
240
382
21,9
25,0
38,0
30,6
56,6
63,3
5,76
6,38
8,12
7,48
8
10,5
16
30
13,4
n = Anzahl implantierte Scheiben.
4
8
16
4
32
32
29
36
30
1,8
1,8
1,8
2,2
2,2
2,2
510
0
0
3,2
0
7. Wachstum oder Zeitfaktor ?
Wir haben bisher folgendes festgestellt: Je langer die Imaginalscheiben im
adulten Wirt in Kultur gehalten werden, desto grosser ist die Proliferationsaktivitat und um so haufiger treten allotypische Strukturen auf. Wir wissen
aber noch nicht, welcher der beiden Parameter, Zeit oder Wachstum, fiir die
Transdeterminationen verantwortlich ist. Dieses Problem lasst sich mit der
nachstehenden Versuchsanordnung losen.
Genetisch verschieden markierte Bein- und Flugelscheiben wurden vor der
Transplantation in larvale Wirte wahrend 16 Tagen im Abdomen einer adulten
Zellspezifische Determination bei Drosophila
625
Fliege kultiviert. In einer ersten Serie mischten wir je eine Beinscheibe mit einer
Fliigelscheibe vor der Implantation in den adulten Wirt, in einer zweiten nach
der Adultkultur. Die beiden Versuchsserien laufen unter genau kontrollierten
500
-
400
-
3 A
Abb. 8. Wachstum ganzer (A), querhalbierter (B), langshalbierter (C) und desintegrierter (D) Beinscheibennachunterschiedlicher Kulturdauer im Abdomen adulter
Wirte. Ordinate, Volumenzunahme in % der Ausgangsgrosse; Abszisse, Kulturdauer in Tagen d.
= 'e,mw/*'-Beinscheiben;
='j'-Beinscheiben.
Mittelwerte aus den Versuchsserien der Tab. 2.
identischen Bedingungen; wahrend aber im ersten Fall die Implantate stark
gewachsen sind, proliferieren sie im zweiten nur wenig (vergl. S. 623 und
Abb. 8). Die Ergebnisse sind eindeutig: Von total 53 Kombinaten der ersten
626
H. TOBLER
Experimentalserie lieferten 28 (53 %) Transdeterminationen, wahrend unter den
32 Kombinaten der zweiten Serie nur eine Transdetermination (3 %) beobachtet
werden konnte. Zudem betrifft dieses Kombinat ein Bein-Flugel-Gemisch, in
welchem die Beinscheibe im Adultmilieu (wahrscheinlich infolge Verletzung)
stark proliferierte.
Damit ist gezeigt, dass nicht die Kulturbedingungen im Adultmilieu die direkte
Ursache der Transdetermination sind, sondern das proliferative Wachstum. Zum
70 r
200
300
Wachstum (%)
400
500
600
Abb. 9. Korrelation zwischen Wachstum und Transdetermination,
Erklarung im Text.
gleichen Resultat fuhrt auch eine andere tiberlegung. Aus der Tab. 2 geht
hervor, dass desintegrierte Beinscheiben, die nur 4 Tage im Adultmilieu verblieben, aber in dieser Zeit stark proliferierten, viel haufiger ihre Determination
anderten als ganze Scheiben, die wir wahrend 16 Tagen in Kultur hielten.
Die hier beobachtete Korrelation zwischen Wachstum und Transdetermination ist in der Abb. 9 graphisch aufgezeichnet. Dabei entspricht jeweils ein
Messpunkt dem Mittelwert einer ganzen Versuchsserie (vergl. Tab. 2). Der
Zellspezifische Determination bei Drosophila
627
Pearson'sche Korrelationskoeffizient r berechnet sich auf 0,97. Wir werden im
letzten Abschnitt der Diskussion nochmals auf die Abhangigkeit der Transdetermination von der Proliferationsaktivitat zuruckkommen.
IV. DISKUSSION
1. Zur Frage des zellspezifischen Determinationszustandes verpuppungsreifer
Beinscheiben
Nach Vermischung zweier genetisch verschieden markierter Bein- und Fliigelscheiben kommt es — abgesehen von seltenen 'Fehlermosaiken' — stets zur
Aussortierung der beiden Spendertypen und zu anschliessender Mosaikentwicklung. In diesem Vorgang manifestiert sich eine streng scheibenspezifische
Determination. Aus Kombinaten fragmentierter Beinprimordien, wobei je der
zentrale Teil einer Beinscheibe mit dem peripheren Teil des genetisch verschieden markierten Partners vermischt wurde, resultieren nur Mosaike im
Schnittgebiet, das auf Grund des Anlageplanes (Schubiger, unveroffentlicht) zu
Tarsus und Tibia determiniert ist. Wir schliessen daraus, dass die Determination in der Beinscheibe auch arealspezifisch festgelegt ist. Zellen desselben
Histotyps vermogen auf Grund von Affinitaten und durch Zellwanderung ein
integriertes Muster aufzubauen. Dieselben Befunde erhoben bereits friiher
Nothiger (1964) fur die Genital- sowie Garcia-Bellido (1966) fur die Fliigelscheibe.
Damit wissen wir allerdings noch nichts liber den zellspezifischen Determinationszustand. Ist jede Zelle in einer spatlarvalen Imaginalscheibe bereits fest zu
einer bestimmten Strukturqualitdt (Borste, Haar, 'bract', usw.) determiniert,
oder fallt die endgiiltige Entscheidung, was eine Zelle zu bilden hat, erst an
Ort und Stelle auf Grund eines uberzelligen Organisationsmechanismus? Dabei
kommen Ordnungsprinzipien embryonaler Felder oder Vormusterqualitaten
(Stern, 1965) in Frage. Nun ist es bisher auch bei so eingehend untersuchten
Objekten wie der Genitalscheibe (Ursprung, 1959; Liiond, 1961) nie gelungen,
eine der bekannten, mosaikartig angeordneten Organanlagen so zu unterteilen,
dass nur einzelne Strukturelemente isoliert werden konnten. Es ist daher wahrscheinlich, dass in der spatlarvalen Imaginalscheibe die Determinationsschritte,
die das arealinterne Schicksal der Zellen bestimmen, noch nicht abgelaufen
sind. Determiniert ware somit lediglich ein arealspezifischer vorletzter Zustand
(Hadorn, 1966). 'Letzte', zellspezifische Determinationsschritte konnten in
Form von differentiellen Zellteilungen erfolgen, wie sie Henke (1948) fur die
Musterbildung beim Schmetterlingsflugel angenommen hat. Jedenfalls steht
fest, dass in der jungen Puppe mindestens ein Teil der Zellen noch weitere
Mitosen durchlauft (Lees & Waddington, 1942).
Auch die Resultate von Hadorn (1966) lassen sich in diesem Sinne interpretieren. Selbst nach jahrelanger Kultur in vivo werden in den Teststiicken
nach der Differenzierung balancierte Muster verwirklicht. Es ware schwer
628
H. TOBLER
verstandlich, wie eine solche Beziehung in proliferierenden und wiederholt
fragmentierten Blastemen durch direkte Zellhereditat aufrecht erhalten werden
konnte.
Schliesslich sprechen auch unsere Befunde sowie die Ergebnisse von GarciaBellido (1966) dafiir, dass die letzten Determinationsschritte recht spat in der
Entwicklung festgelegt werden. Wie auf S. 613 ausgefiihrt wurde, treten ofters
'Mikromosaike' zwischen Beinborste und zugehorigem 'bract' auf. Ausserdem
konnten 'bracts' nie allein nachgewiesen werden. Diese Beobachtungen finden
eine einfache Erklarung in der Annahme, dass die borstenbildenden Zellen die
Potenz besitzen, einen 'induktiven' Reiz auf umgebende Epidermiszellen auszuiibenund diese zur Bildung von' bracts' zu veranlassen. Auch die Feststellung,
wonach eine Beinborste von zwei 'bracts' begleitet sein kann, spricht fur unsere
Hypothese. Wir sind deshalb der Auffassung, dass die Zellen in verpuppungsreifen Imaginalscheiben wohl arealspezifisch fest determiniert sind, dass aber
die letzten Determinationsschritte, die zur Auspragung typischer Muster fiihren,
erst spater (wahrscheinlich in der Metamorphose) ablaufen. Die endgiiltige
Determination konnte dabei sowohl in Form von differentiellen Zellteilungen
als auch durch zwischenzellige Reaktionsmechanismen festgelegt werden.
2. Anderung des Determinationszustandes durch Transdetermination
Der in den Imaginalscheiben etablierte Determinationszustand braucht nicht
endgiiltig und irreversibel zu sein. Durch den Vorgang der Transdetermination
wird ein neuer Entwicklungsweg eroffnet (Hadorn, 1965 &, 1966). Gleichzeitig
mit dem Wechsel in der Determinationsqualitat erfolgt eine Anderung in den
Zellaffinitdten. Dabei ist der Umschlag, wie auf S. 621 ausgefiihrt wurde, nicht
als ein Induktions- oder Assimilationsprozess aufzufassen, denn Transdeterminationen ereignen sich in Flugel-Bein-Kombinaten mit denselben Frequenzen wie in einzeln desintegrierten Bein- bzw. Fliigelscheiben. Gleiches fand
auch Garcia-Bellido (1967) in ahnlichen Versuchen. Ebenso konnen die allotypischen Kopfstrukturen, die durch Transdeterminationen aus Fliigel- und
Beinzellen hervorgegangen sind, nicht durch Interaktionen zwischen Zellen im
Sinne einer Induktion erklart werden, da ja ein entsprechender Induktor gar
nicht vorhanden war. Schliesslich sprechen auch die aufgetretenen 'Fehlermosaike' in unseren Kombinaten gegen eine Assimilation: Selbst wenige Zellen
vermogen sich in einer fremden Umgebung autonom herkunftsgemass zu
differenzieren. Somit erfolgen Transdeterminationen spontan und ungerichtet,
jedoch mit qualitativen und quantitativen Gesetzmassigkeiten: (a) Natur und
Frequenz der allotypischen Strukturen sind vom primaren Determinationszustand des Ausgangsmaterials abhangig. So liefern desintegrierte Beinscheiben
im Gegensatz zu Fliigelscheiben bereits nach Implantation in Larven des friihen
3. Stadiums allotypische Fliigel- und Kopfteile. (b) Allotypische Blasteme vermogen ihren Determinationszustand bei geeigneten Kulturbedingungen erneut
zu andern und bilden damit das Quellmaterial fiir allotypische Strukturen
Zellspezifische Determination bei Drosophila
629
hoherer Ordnung (Hadorn, 1966; Gehring, 1966). (c) In diesem System von
Sequenzen manifestiert sich ein Richtungssinn der Transdetermination; gewisse
Schritte sind leicht reversibel, andere hingegen weitgehend bis vollig irreversibel
(Hadorn, 1966). Die Determinationszustande fur Bein- und Fliigelqualitaten
sind relativ leicht ineinander uberfiihrbar: Wie auf S. 621 gezeigt wurde, erfolgt
der Umschlag von Bein zu Fliigel unter vollig identischen Versuchsbedingungen
allerdings etwa viermal haufiger als der reziproke Schritt.
Wahrend der Kultur in vivo ist keine 'De-Determination' der Zellen nachweisbar, was zu einer Vergrosserung des Kompetenzinventars fuhren konnte
(Hadorn, 1966; Gehring, 1966). Die beobachteten ' Fehlermosaike' beweisen,
dass auch in unseren Kombinaten mehrere Determinationszustande unabhangig
nebeneinander repliziert werden und dass die Bedingungen offenbar nicht
erfiillt sind, die zu einer Senkung im Determinationsniveau fuhren. Jedenfalls
wurden die Zellen in ihrem Determinationszustand nicht nachweisbar labiler,
was sie befahigen konnte, auf induktive Reize benachbarter Zellen zu reagieren.
3. Korrelation zwischen Wachstum und Transdetermination
Eine Beeinflussung des Transdeterminationsprozesses in qualitativer Hinsicht
ist bisher nicht gelungen. Wie im letzten Abschnitt der Diskussion ausgefiihrt
wurde, war es nicht moglich, den Zellen gezielte neue Determinationszustande
durch experimentelle Eingriffe aufzuzwingen. Hingegen gelingt es, durch eine
Veranderung der Proliferationsdynamik den Transdeterminationsprozess in
quantitativer Hinsicht zu beeinflussen.
Die Wachstumsrate der Imaginalscheiben wird durch den Genotyp beeinflusst: Scheiben des Genotyps 'e,mw/j' proliferieren in alien Versuchsserien
starker als 'y '-Scheiben. Die Proliferationsaktivitat kann durch Desintegration
der Scheiben entscheidend gesitegert werden; je grosser das Ausmass der Verletzung, desto starker die Proliferation (S. 623). Zwischen der Transdeterminationsfrequenz und der Proliferationsaktivitat besteht eine hohe Korrelation
(vergl. auch Gehring, 1966; Hadorn, 1966). Dabei ist nicht die Dauer der Kultur
im adulten Wirt die Ursache der Transdeterminationen, sondern das proliferative Wachstum.
Einen Einfluss des Wachstums auf die Determination hat bereits Vogt (1947)
bei der homoiotischen Mutante'aristapedia' (ssa) nachgewiesen. Beim mutanten
Genotyp entsteht aus der vergrosserten Aristaanlage regelmassig ein Fuss.
Wird durch eine Colchicin-Behandlung das Wachstum der Anlage gehemmt,
so verschiebt sich die Differenzierung in Richtung Aristabildung. Transdetermination und homoiotische Mutationen konnten also sehr wohl auf dem
gleichen Mechanismus beruhen. Das Problem wird von Hadorn (1966) im
Zusammenhang mit Heteromorphosen und Phanokopierung des homoiotischen Mutationstyps eingehend diskutiert.
Hadorn (1966) hat neuerdings eine interessante Hypothese zur Erklarung der
630
H. TOBLER
Transdetermination vorgeschlagen. Nach dieser 'Dilutionshypothese" werden in
den Kulturen die im Ausgangsblastem angereicherten Trager der Determination
durch Zellteilungen verdunnt. Eine Stoning im Gleichgewicht zwischen der
Proliferationsdynamik und der Neusynthese von Determinationstragern fiihrt
somit zu neuen Determinationszustanden. Die kritische untere Konzentration
der prae-existierenden Determinationstrager konnte die Transdetermination
verursachen, wobei irgendwelche Komponenten des nun veranderten Stoffinventars ganze Gengruppen aktivieren oder inaktivieren wiirden.
Diese Hypothese stiitzt sich im wesentlichen auf die beobachtete hohe Korrelation zwischen Proliferationsleistung und Transdetermination. Allerdings
bleibt die Moglichkeit vorlaufig noch offen, dass auch Zellen, die sich nicht im
Replikationszyklus befinden, neue Determinationszustande erlangen konnen.
V. ZUSAMMENFASSUNG
1. Je zwei genetisch verschieden markierte Bein-Imaginalscheiben aus verpuppungsreifen Larven wurden mechanisch desintegriert und zu einem Kombinat vermischt. Die Zellaggregate implantierten wir in larvale Wirte und
priiften sie auf ihre Differenzierungsleistungen nach der Metamorphose. In
samtlichen Beinteilen fanden sich Mosaike.
2. In Kombinaten aus einer Bein- und einer Fliigelscheibe trennen sich die
Zellen der beiden Spender vollstandig, so dass keine chimarischen Muster
gebildet werden konnen.
3. Nach Kombination zweier Beinscheibenfragmente, wobei der zentrale
Teil einer Scheibe mit dem peripheren Teil des genetisch verschieden markierten
Partners vermischt wurde, treten nur Mosaike im Schnittgebiet auf, das auf
Grund des Anlageplanes zu Tarsus und Tibia determiniert ist. Somit behalten
die Zellen der Beinscheibe ihre arealspezifischen Determinationsqualitaten auch
nach Desintegration und Vermischung bei.
4. Die homonomen Kombinate aus zwei genetisch verschieden markierten
Beinscheiben liefern nach der Metamorphose zahlreiche ' Mikromosaike'
zwischen Beinborste und zugehorigem 'bract'. Diese chimarischen Muster
werden als Ergebnis eines induktiven Einflusses der Beinborste auf benachbarte
Epidermiszellen gedeutet.
5. Aus Bein-Flugelkombinaten entstehen nach Kultur im adulten Wirt und
anschliessender Riicktransplantation in metamorphosierende Larven durch
Transdetermination Bein- und Flugelmosaike. Mit den Determinationsqualitaten andern sich auch gleichzeitig die Zellaffinitaten.
6. Die Transdetermination ist nicht als ein Induktions- oder Assimilationsprozess zu verstehen, da Transdeterminationen in Bein-Flugelkombinaten mit
denselben Frequenzen auftreten wie in einzeln desintegrierten Bein- bzw. Fliigelscheiben.
7. Das Ausmass der Proliferation im adulten Wirt ist abhangig von der
Zellspezifische Determination bei Drosophila
631
Kulturdauer, vom Genotyp des Implantates und vom Verletzungsgrad der
kultivierten Imaginalscheiben.
8. Die Bildung allotypischer Elemente ist mit der Proliferationsleistung
positiv korreliert. Dabei ist nicht die Kulturdauer im adulten Wirt massgebend
fiir die Transdeterminationen, sondern das Wachstum.
9. Die Resultate werden im Hinblick auf das Determinationsproblem diskutiert.
SUMMARY
Cell specific determination and the relationship between proliferation and
transdetermination in leg and wing primordia in Drosophila melanogaster
1. Two first leg imaginal discs of different mutants from mature Drosophila
larvae were mechanically disintegrated and mixed. The homogeneous aggregates
were implanted into larvae, where they metamorphose with their hosts. Their
differentiated structures show mosaics of all parts of the leg.
2. In combinations of wing and leg their respective cells separate completely,
so that no chimaeric pattern can be formed.
3. In another combination the central part of a leg disc was mixed with the
peripheral part of another leg disc which was genetically marked. Mosaics were
found only for those structures (tarsus and tibia) which, according to the anlage
plan, arise from the border-line between the two parts. Therefore the leg cells
preserve their areal-specific state of determination even after disintegration and
mixture.
4. Combinations of two genetically marked leg discs after metamorphosis
produced numerous 'micromosaics' between a leg bristle and its proper bract.
These chimaeric patterns are interpreted as the result of an induction by a
bristle of its adjacent epidermal cell.
5. In a leg-wing combination, which has been cultivated in an adult host
before transplanting into a metamorphosing larva, mosaics of leg and wing
structures arose by transdetermination. Not only was there a change in
determination, but there was also a change in cell affinities.
6. Transdeterminations in leg-wing combinations occur in the same frequencies as in single disintegrated leg or wing discs. Therefore transdetermination cannot be understood as a process of induction or assimilation.
7. The extent of proliferation in the adult host is dependent on the length of
the culture period, on the genotype of the implant, and on the degree of injury
of the cultivated imaginal disc.
8. The formation of allotypic elements is positively correlated with the proliferation rate. Thereby, transdetermination is not dependent on the length of
the culture period in the adult host per se, but on the proliferation.
9. The results are discussed with respect to problems of determination.
632
H. TOBLER
Meinem verehrten Lehrer, Herrn Prof. Dr E. Hadorn, mochte ich fur die Anregung und
Leitung dieser Arbeit sehr herzlich danken. Herrn Dr R. Nothiger bin ich fur die Einfuhrung
in die Versuchstechnik sowie fur die kritische Durchsicht des Manuskriptes zu aufrichtigem
Dank verpflichtet. Ich danke auch meinen Kollegen, Dr A. Garcia-Bellido, Dr W. Gehring,
G. Schubiger, G. Mindek, H. Wildermuth und A. Diibendorfer fur Diskussionsbeitrage und
fur die Erlaubnis zum Zitieren unveroffentlichter Ergebnisse.
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