BAU UND FEINBAU DER NEKTARIEN
UND DER MECHANISMUS DER NEKTARSEKRETION
Structure
etultrastructure des nectaires
et
mécanisme de la sécrétion nectarifère
Eberhard SCHNEPF
Lehrstuhl für Zellenlehre, Universität
Ileidelberg
SUMMARY
STRUCTURE AND FINE STRUCTURE OF NECTARIES AND THE MECHANISM OF NECTAR SECRETION
Based on ultrastructural studies of different nectaries different authors
suggested
differentroutes for the prenectar to move into the nectary and finally to the surface of the plant. The
ultrastructural observations seem to confirm the various suggestions. Cytological and
physiological
studies of Bromeliacean nectaries indicate that the bulk of the nectar here is secreted by the Golgi-apparatus but that simultaneously some components may take theapoplasmic route.
ZUSAMMENFASSUNG
Auf Grund von Ultrastrukturuntersuchungen an verschiedenen Nektarien kamen ver-
schiedene Autoren zu verschiedenen
Vorstellungen
über den Weg des Pronektars in das Nekta- rium und schließich an die Oberfläche der Pflanze. Die feinstrukturellen Beobachtungenscheinen die verschiedenen vorgeschlagenen Wege zu bestätigen. Nach cytologischen und
physiologischen
Befunden an den Nektarien von Bromeliaceen ist es wahrscheinlich, daß hier der Nektar hauptsächlich durch den Golpi-Apparat sezerniert wird, daß aber einige Nektar- komponentengleichzeitig
imApoplasten
wandern.(1) Mit Unterstützung der Deutschen Forschungsgemeinschaft.
I. - EINLEITUNG
Nektarien kommen an den verschiedensten oberirdischen Pflanzenteilen und in den verschiedensten Formen vor
(Übersichten
z.B. beiJ.
G. ZIMMER-MANN
1932,
FELDHOFEN 1933 und SPERLICH1939),
auch bei Farnen(Lü TTGE 1961).
Es ist daherunmöglich,
hier eineumfassende Übersicht
über den Bau und Feinbau der Nektarien zugeben.
Dergroßen Mannigfaltigkeit
im makro-skopisch-morphologischen
Bereich steht einegewisse
Einheitlichkeit auf dem zellulären und subzellulären Niveaugegenüber.
Alle Zellen unterscheiden sich in ihren Struktureneigentlich
nurquantitativ,
aber kaumqualitativ.
UnserProblem ist es, zu
versuchen,
trotz dieser Uniformität aus derAnalyse
derNektarienstruktur auf den Mechanismus der Nektarsekretion zu schließen
(vergl.
SCHNEPF1969,
LÜTTGE1971,
LÜTTGE und SCHNEPF1976).
Diese Auf-gabe
ist aus mehreren methodischen Gründen nicht leicht.Deshalb
gibt
es heute noch keinklares, allgemein gültiges Konzept
überden Mechanismus der Nektarsekretion. Ich möchte weiter
gehen
undzeigen,
daß es solch ein
allgemein gültiges Konzept
gar nichtgeben
kann(vergl.
LU TTGE
und
S CHNEPF 1976).
II. - BAU DER NEKTARIEN
Das
zeigt
schon ein Blick auf den Bau der Nektarien. Nektarien sindhäufig makroskopisch gut
zu erkennen(gestaltete Nektarien).
Sie bestehen dann meistens aus einemDrüsenepithel
und einemNektarienparenchym;
ineinigen
Fällen ist anstelle einesDrüsenepithels
ein Rasen aus Drüsenhaarenausgebildet.
Der Nektar tritt durch dieEpithelzellen
oder dieKöpfchenzelle
desDrüsenhaares nach außen. Dabei ist manchmal - wenn es sich um Drüsen- haare
handelt,
in derRegel
- durchCutinisierungen
von Zellwandabschnitten dafürgesorgt,
daß der Pronektar auf demWeg
in die sekretorische Zelle denProtoplasten
einer Zelle(Scheidenzelle, vergl.
dieEndodermis) passieren
muß.Das ist aber durchaus nicht bei allen Nektarien so und trifft vor allem nicht bei den «
ungestalteten
Nektarien o zu, diemakroskopisch
nicht differen- ziertsind,
zum Teil zwar einNektarienparenchym haben,
in manchen Fällen(z.B.
bei den Kelchblatt-Nektarien vonPaeonia)
aber nicht einmal das. Der Nektar tritt bei diesen Nektarien durch modifizierteSpaltöffnungen
nachaußen
(.J.
G. ZIMMERMANN1932,
FREY-WYSSLING und HÄUSERMANN1960).
Allen Nektarien ist
gemeinsam,
daß in ihrer Nähe Leitbündel verlaufen.Der Nektar stammt im Wesentlichen aus dem
Phloem,
wird aber bei seiner Sekretion noch modifiziert(A GTHE 1951,
ZIEGLER1965,
DE FEKETE et al.1967).
Um die Nektarsekretion zu
verstehen,
- und damit auch den Bau und Feinbau der Nektarien -, müssen wiruntersuchen,
auf welchenWegen
der Pronektarvon der Siebröhre in das Nektarium
wandert,
um dann als Nektar auszutreten.III. - MÖGLICHE WEGE DER NEKTARSEKRETION
In Abb. 1 ist in sehr vereinfachter Form
dargestellt,
welcheWege grund-
sätzlich denkbar sind. Grau
dargestellt
ist dasCytoplasma,
weiß der « free space » in den Zellwänden(Apoplast)
sowie dienicht-plasmatische
Phase(im
ER und im
Golgi-Apparat;
die Vacuolen sindweggelassen,
sie würden ebenfalls weiß markiert seinmüssen).
Alle Zellen sind durch Plasmodesmen miteinanderverbunden,
durch die dasCytoplasma,
aber auch das ER der benachbarten Zellen miteinander kommunizieren. Der Ausdruck «Symplast
» für diesesSystem simplifiziert eigentlich
die Verhältnisse inunzulässiger Weise,
weiler sowohl die
plasmatische
wie dienichtplasmatische
intrazelluläre Phase einschließt. Die Zucker werden imCytoplasma
der Siebröhrenherantranspor-
tiert. Um nach außen zu
kommen,
müssen siewenigstens
einmal einecyto-
plasmatische
Membranpassieren.
DieseMembranpassage
ist im Fall derZucker vermutlich ein aktiver
Transportprozess
und kann dann gegen einKonzentrationsgefälle
ablaufen(s.
dasfolgende
Referat vonLÜ TTGE ).
Es istallerdings
nicht ganzauszuschließen,
obwohlwenig wahrscheinlich,
daßMembranen oder vielleicht nur bestimmte Membranbezirke für Zucker per- meabel
sind,
daß es « Zuckerlecks ngibt.
DasWasser, mengenmäßig
dieHaupt- komponente
desNektars,
kann vermutlich die Membranen immer leichtpermeieren.
Als Ort für die
Membranpassage
der Zucker kommt das Plasmalemma der Siebröhre selbstoder,
wenn der Nektar durch den Plasma-Kanal der Plas- modesmen inGeleitzellen, Phloemparenchymzellen
usw.gewandert ist,
dasPlasmalcmma dieser Zellen in
Frage.
Der Pronektar würde dann weiter imApoplasten wandern,
wobei er durchResorptionen (LÜ TTGE 1962)
oder enzyma- tische Aktivitäten der Zellen(M.
ZiMMExMArnv1954),
an denen er vorbei-fließt,
verändert werden kann. Außerdem könnten dieDrüsenepithelzellen
die Substanzen aus dem
Apoplasten
aufnehmen und viaCytopempsis
odernach zweifacher
Membranpassage
nach außen befördern.Möglich,
aber nichtsehr wahrscheinlich
(vergl.
GUNNING und HuGHES1976)
ist eine wiederholtePassage
der Plasmalemmen.Zwei
grundsätzlich
andereWege
bieten die Plasmodesmen. Dascyto-
plasmatische
Kontinuum reicht von der Siebröhre bis zurEpithelzelle.
DieMembranpassage
kann also in das Plasmalemma derEpithelzelle verlegt
werden
(eccrine Sekretion).
Durch selektivenTransport
zusammen mit Zuk-kerumwandlungen und/oder Rückresorptionen
kann dabei die Nektarzu-sammensetzung
verändert werden. Es ist aber auchmöglich,
daß in den Drüsenzellen dieKompartimente
des ER oder desGolgi-Apparates
die Zuckeraufnehmen und sie dann
exocytotisch exportieren.
DieMembranpassage
istdann in das Zellinnere
verlegt (granulocrine Sekretion).
Durch den Desmotubulus der Plasmodesmen steht aber auch das ER benachbarter Zellen in
Verbindung.
Wenn das Siebröhren-ER beladenwird,
kann der Pronektar kontinuierlich oder diskontinuierlich
(über ER-Vesikel)
ohne weitere
Membranüberquerung
bis in dieEpithelzelle
und darüber hinaus bis nach außentransportiert werden, direkt,
d.h. über Fusionen von ER- Elementen mit demPlasmalemma,
oderindirekt,
d.h. nach einerPassage
desGolgi-Apparates
überGolgi-Vesikel.
Es ist aber auchvorstellbar,
daß die Zucker das ER in denEpithelzellen
verlassenund
dann eccrin durch das Plasmalemma treten. Auf allen diesenWegen
kann das Prosekret leicht verän- dert werden.IV. -- FEINSTRUKTUR VON NEKTARIEN UND SEKRETIONSMECHANISMEN Bei der
elektronenmikroskopischen Untersuchung
verschiedener Nekta- rien kamen dieAutoren,
wie nach der Anatomie der Nektarien zu erwarten war, zu ganz verschiedenenVorstellungen
über denSekretionsprozeß,
die imfolgenden,
z.T. etwasschematisiert, dargestellt werden;
dabei haben sich meistens die Autoren selbst vielvorsichtiger ausgedlückt,
als es hiergedrängt dargestellt
werden kann.V
ASILIEV
(1969, 1971, 1972)
untersuchte u.a. die Nektarien vonAcer, Ranunculus, Heracleum,
Convolvolus und Cucumis. Er beobachtete keinerleiSekretvesikel,
weder vom ER noch vomGolgi-Apparat.
Nur ineinigen
Fällenschien der
Golgi-Apparat
aktiv zusein,
aber offenbar nicht inZusammenhang
mit der
Nektarausscheidung.
ImGegenteil :
in den meisten aktiven Nektarienwar der
Golgi-Apparat
nur schlecht entwickelt. Ineinigen
dieser Nektarien wardas ER recht
ausgedehnt;
VASILIEV meintaber,
daß das mit einer Beteili- gung diesesOrganells
an der Produktion von Hormonenzusammenhängt.
Es
gab
außerdem keine Zeichen für eine eccrine Sekretion(d.h.
keine Ver-größerung
des Plasmalemmas durchWandprotuberanzen, s.u.).
Plasmodesmenwaren besonders in der aktiven Phase selten.
Daraus schließt
V ASILIEV ,
daß die Zucker aus den Siebröhren in die Phloem-Parenchymzellen
wandern und von diesen in denApoplast
sezerniert werden.Der Pronektar fließt dann in den Zellwänden nach außen und wird dabei durch
Reabsorptionen
und durchEnzyme
wie Invertase verändert. Das Nektariumspielt
also beimeigentlichen Sekretionsprozeß
keine Rolle.Ganz im
Gegensatz
dazu ist bei den Trichom-Nektarien von Abutilon derWeg
imApoplast
zu denDrüsenköpfchen
durchCutinisierungen
in derWand der Stielzelle
versperrt.
Der Pronektar müßte also mehrfach die Plasma- lemmendurchqueren,
was aber nach GUNNING und HUGHES(1976)
aus ener-getischen
Gründen(vergl.
FINDLAY et al.1971)
nicht wahrscheinlichist,
oderer kommt über die zahlreichen Plasmodesmen in die
Köpfchenzellen.
Da dieDrüsenzellen
ein sehrgut
entwickeltes ERenthalten,
das sich zudem in Zusam-menhang
mit der Sekretionsintensitätverändert, neigen
MERCER und RATHGE-BER
(1962,
s.a. FINDLAY und MERCER 1971a undb,
FINDLAY et al.1971,
REEDet al.
1971) dazu,
ihm eine Rolle beimProsekrettiansport
zuzuschreiben.Sie konnten aber keine sicheren Hinweise auf eine
Exocytose
via ER-Vesikelfinden,
obwohl auch dieser Prozeß nicht auszuschließen ist. DieDictyosomen
erscheinen inaktiv. Die Autoren vermuten daher
eher,
daß das Plasmalemma derKöpfchenzellen direkt
von den Zuckernpassiert wird,
entweder durcheinen aktiven
Transport
oderpassiv,
wobei dann die Sekretion durch das aktive Beladen der Drüsenzellegetrieben
würde. DieSpaltung
derausgeschiedenen
Saccharose zu Glucose und Fructose könnte einen osmotischen Gradienten erzeugen, der den EfHux von Wasser und Zucker verstärkt. Das Sekret tritt schließlich durch Poren in der Cuticula aus.
Untersuchungen
undÜberlegungen
von GUNNING und HUGHES(1976)
an diesen Nektarien
zeigen,
daß die Dimension und Zahl der Plasmodesmen im Drüsenstielausreichen,
um den Fluß von Zuckern und Wasser zu leiten.Dabei hat der
Plasmaring
in den Plasmodesmen einegrößere Querschnittsfläche
als der Desmotubulus. Das bei einem Fluß einer
Zuckerlösung
in dem einemder beiden
Kompartimente
zu erwartende Mitströmen von kleinen Molekülen und Ionen könnte durch einenGegentransport,
eventuell im anderenKompar-
timent,
wiederkompensiert
werden.Allerdings
ist ein solcherKo-Transport
wohl nur zu erwarten, wenn der Fluß im
Plasmaring stattfindet,
denn derInhalt des ER ist sicher leicht
regulierbar.
Der Reichtum derDrüsenzellen,
aber nicht nur der
Köpfchenzellen,
an Mitochondrien deutet daraufhin,
daßhier aktive
Zuckertransportprozesse
ablaufen(R EED
et al.1971,
GUNNING und HusHES1976).
Ähnliche Beobachtungen
machten FAHN und RACHMILEVITZ(1970)
undRneHMiLEmTZ und FAHN
(1973, 1975)
an den Nektarien vonLonicera, Vinca,
Citrus undTropaeolum.
EineSperre
imApoplasten gibt
es hier z. T. nicht.Dennoch verbinden sehr viele Plasmodesmen das Phloem mit den Drüsen- zellen. Die aktiven Nektarien enthalten ein sehr
ausgedehntes
rauhes undglattes ER,
die ineinanderübergehen.
Die ER-Zisternen sind oftaufgebläht,
was
andeutet,
daß sie viel osmotisch wirksames Materialenthalten,
vermutlichZucker,
worauf auch dieautoradiographischen
Befunde von FAHN und RACHMI-LEVITZ
(1975)
hinweisen.Vom
glatten
ER werden Vesikelgebildet;
diese scheinen mit dem Plasma- lemma zu fusionieren. Eine relativgroße
Zahl von multivesikulärenKörpern
könnte ebenfalls mit der
Exocytose
in indirektemZusammenhang
stehen :sie
zeigen
vielleicht denRücktransport
von Membranmaterial an, der alsKompensation
für den Einbau der Vesikelmembranen in das Plasmalemmanotwendig
ist. Bei Lonicera undTropaeolum
war auch derGolgi-Apparat aktiv,
doch steht das vermutlich bei Lonicera nicht mit derNektarsekretion,
sondern mit derBildung
vonWandprotuberanzen
inZusammenhang.
Solche
Wandprotuberanzen
sind in vielenSeptalnektarien
von Lilüfloren(S
CHNEPF
1964),
aber z.B. auch in den Trichom-Nektarien von Viciafaba (W
RISCHER
1962)
zu finden. Bei Gasteria und Aloe werden sie kurz vorBeginn
der Nektarsekretion
gebildet
und bald danach wiederabgebaut (S CHNEPF
und PROSS
1976).
Dievielen
Plasmodesmen zwischenDrüsenepithelzellen
und Phloem sind ein Hinweis
dafür,
daß der Pronektar imSymplast
wandert.Die
Vergrößerung
des Plasmalemmas durch dieWandprotuberanzen
wurdeals Indiz dafür genommen, daß die Zucker
eccrin,
d.h. direkt durch das Plasma-lemma,
sezerniert werden(S CHNEPF 1964, 1969, vergl.
ZantnoNELLn1972).
Solche direkten
Membranpassagen
sind für alle Transferzellen charakteristisch(G
UNNI1VG
und PATE1974). Allerdings
haben dieDrüsenepithelzellen
eingut
entwickeltes ER und vieleDictyosomen,
und HEINRICH(1975a)
fand autora-diographisch
Zucker im ER und anderen innerennichtplasmatischen Kompar-
timenten. Es ist also sehr wohl
möglich,
daß die Zellen auchexocytotisch
aktiv
sind,
was HEINRICH(1975b)
auch auf Grund voncytochemischen
Unter-suchungen
über die Lokalisation vonPhosphatasen postuliert.
Vielleicht steht die Radioaktivität in diesenKompartimenten
aber auch nur mit dem Zucker-import
oder einerZuckerspeicherung,
und nicht mit demZuckerexport
inZusammenhang.
Bei den
Septalnektarien
vonBromeliaceen,
bei denen dieDrüsenepi-
thelzellen keine
Wandprotuberanzen haben, gibt
es aberBefunde,
die sehrdafür
sprechen,
daß derGolgi-Apparat
an der Nektarsekretionbeteiligt
ist(B
ENNER
und SCHNEPF1975,
BENNER1976, vergl.
EYME1967.
RACHMILEVITZ und FAHN1975).
DieDrüsenepithelzellen
enthalten vieleDictyosomen.
Inder aktiven
Phase,
und nurdann,
sind siehypersekretorisch
und bilden vielegroße
sekretorischeGolgi-Yesikel.
Wenn man die Nektarsekretion durchVerdunkelung
oderAbkühlung hemmt,
findet man nur inaktiveDictyosomen.
Ebenso inhibieren
Kaliumcyanid (10--M), Dinitrophenol (10-’M), Cytochalasin
B
(1 yg/ml), Tetraäthylblei (10-’M), Desoxyglucose (5 %),
aber aucheinige
Farbstoffe wie Natrium-Fluorescein
(0,1 %)
undAcridinorange (0,1 %)
sowohldie Nektarsekretion wie die Aktivität der
Dictyosomen.
DieseÜbereinstim-
mung kann nur dadurch erklärtwerden,
daß derGolgi-Apparat
Nektarsezerniert.
Wenn man voraussetzt, daß der Nektar ausschließlich durch
Golgi-
Vesikel
ausgeschieden wird,
läßt sich deren « Lebensdauer » aus der pro Minuteabgegebenen Sekretmenge
und dem Volumen derGolgi-jTesikel
in denDrüsenzellen abschätzen. Der
Wert,
2-3 Minuten in der aktivstenPhase,
stimmt sehr
gut
mit denErgebnissen überein,
die an Schleimdrüsen(S CHNEPF 1961)
und bei anderenObjekten (z.B.
BROWN1969)
gewonnen wurden.Es ist
allerdings
dieFrage,
ob dieVoraussetzung richtig ist,
daß der Nektar nur durchGolgi-Vesikel ausgeschieden
wird.Appliziert
manabge-
schnittenen Blüten über den Blütenstiel verschiedene Substanzen und
prüft,
ob sie im Nektar
erscheinen,
so findet man, daß Farbstoffe und Aminosäuren nicht austreten. Wohl aber tauchen Fremdzucker wieGalaktose, Melibiose, Maltose,
Raffinose und Ribose im Sekretauf,
sogarDesoxyglucose,
die aller-dings,
wieerwähnt,
die Sekretion imGegensatz
zu den anderen Zuckern stark hemmt. Dabei dauert es etwa 90Minuten,
bis die Fremdzucker im Nektar nachweisbar sind.Für diese Befunde
gibt
es zweimögliche Erklärungen.
Wenn man davonausgeht,
daß der Pronektar allein imSymplasten
vom Phloem zu den Drüsen- zellentransportiert wird,
müssen auch die Fremdzucker die Membran(oder
die
Membranen) passieren
können. Das ist bei der Annahme einerspezi-
fischen
Zuckerpumpe jedoch
schwer zu verstehen. Und daßspezifische
Zucker-pumpen aktiv
sind, zeigen
dieWirkungen
vonDesoxyglucose;
dieser Zuckerhemmt
kompetitiv
die Glucose-«Pumpe
».Wenn man
allerdings
die Zahl der Plasmodesmen zur Sekretionsintensität inBeziehung
setzt, erkennt man, daß sie ausreichenwürden,
um denSym- plasma-Transport zu bewältigen.
Aus den Angaben
von GUNNING und HUGHES
(1976)
läßt sich errechnen,
daß bei den Trichomnektarien von AbutiLon 0,02 ym 3
Pronektar pro Sekunde durch einen Plasmodesmos fließt. In den
Billbergia-
Nektarien
sind es nur0,003 !um3.
Es ist aber auch
möglich,
daßeinige Nektarkomponenten,
hier die Fremd-zucker,
imApoplast
wandern. Sie könnten in diesen Fall aus demXylem
stam-men und einen
osmotisch,
durch denausgeschiedenen
Nektargetriebenen
Wasserstrom
anzeigen. Zucker,
die dabeimitflössen,
würden die Wände derParenchym-
undEpithelzellen passieren,
Aminosäuren resorbiert werden.Kalkulationen,
die imApoplasten
zurVerfügung
stehendeDurchströmungs-
fläche
abzuschätzen,
führten zu dem von uns nicht erwartetenErgebnis,
daß sie nur
ungefähr
dreimal sogroß
ist wie die imcytoplasmatischen Kompar-
timent der Plasmodesmen.
V. - SCHLUSS
Es ist also nicht
auszuschließen,
daß sogar in ein und demselben Nekta- rium verschiedeneWege
der Nektarsekretion nebeneinander vorkommen.Das Problem der
Zuckerausscheidung
durch Nektarien kann also von der Pflanze auf verschiedene Weisegelöst
werden. Dennoch istklar,
daß die Sekretion aufwenige Grundprozesse
zurückzuführenist;
vor allem ist dabei dieMembranpassage wichtig.
Eingegangen
im April 1977.Regu pour publication en avril 1977.
RÉSUMÉ
En se basant sur des études de 1’ultrastructure de différents nectaires, divers auteurs ont
suggéré l’existence pour le pronectar de plusieurs chemins vers le nectaire et finalement vers la surface de la
plante.
Les observations faites sur l’ultrastructure semblent confirmer les diverseshypothèses.
Des étudescytologiques
etphysiologiques
des nectaires de Broméliacéesindiquent
que la majeure partie du nectar est dans ce cas sécrétée par
l’appareil
de Golgi mais qu’enmême temps certains composants peuvent emprunter la voie des apoplastes.
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