Differentiation and Development / Differenzierung und Entwicklung: Part 1 / Teil 1

1712 Pages·1965·76.486 MB·German

by  J. Brachet, A. Lang (auth.), Allan Allsopp Ph.S., D.Sc., Robert Bloch, John Tyler Bonner, Martin Bopp, Jean Brachet, Robert Brown, Erwin Bünning, Roger Buvat, Edward C. Cantino, Paul Champagnat, Jan Doorenbos, K. J. Dormer, Luis E. Gregory, Wilhelm Halbsguth, Lilian E. Hawker, John Kenneth Heyes, Anton Lang, Kenneth Mather C.B.E., D.Sc., F.R.S., Jean P. Nitsch, Philip S. Nutman, Mildred Smith Quinlan (Mrs.), M. Sc., Kenneth B. Raper, Cornelia A. Reinders-Gouwentak, Maximilian Steiner, Hans-Adolf von Stosch, John G. Torrey, Claude Wilson Wardlaw, Michael Webb D.Sc., Ph.D., Ph.D., Diter von Wettstein, W. Gordon Whaley (eds.)

Handbuch der Pflanzenphysiologie • Encyclopedia of plant physiology
Gesamtdisposition: Synopsis of the contents:
Teil I. Allgemeine Grundlagen. Part I. General foundations.
Band I. Genetische Grundlagen physio Vol. I. Genetic control of physiological
logischer Vorgänge. Konsti processes. The constitution of
tution der Pflanzenzelle. the plant cell.
" II. Allgemeine Physiologie der " II. General physiology of the plant
Pflanzenzelle. cell.
Teil li. Stoff- und Energiewechsel. Part II. Metabolism.
Band III. Pflanze und Wasser. Vo l. 111. W ater relations of plants.
" IV. Die mineralische Ernährung der " IV. Mineralnutrition of plants.
Pflanze.
V. Die 00 -Assimilation. V. The assimilation of carbon
" 2
dioxide.
" VI. Aufbau, Speicherung, Mobili " VI. Formation, storage, mobiliza
sierung und Umbildung der tion, and transformation of
Kohlenhydrate. carbohydrates.
" VII. Stoffwechselphysiologie der " VII. The metabolism of fats and
Fette und fettähnlicher Stoffe. related compounds.
" VIII. Der Stickstoffumsatz. "VIII. Nitrogen metabolism.
" IX. Der Stoffwechsel der schwefel " IX. The metabolism of sulfur- and
und phosphorhaltigen Verbin phosphorus-containing com
.. dungen. pounds.
X. Der Stoffwechsel sekundärer " X. The metabolism of secondary
Pflanzenstoffe. plant products.
" XI. Heterotrophie. " XI. Heterotrophy.
" XII. Pflanzenatmung einschließlich " XII. Plant respiration, incl. fermen
Gärungen und Säurestoffwech tations and acid metabolism.
seL
" XIII. Der Stofftransport in der " XIII. Translocation in plants.
Pflanze.
m.
Teil Wachstum, Entwicklung, Part III. Growth, development,
Bewegungen. movements.
Band XIV. Wachstum und Wuchsstoffe. Vol. XIV. Growth and growth substances.
" XV. Differenzierung und Entwick- " XV. Differentiation and develop
lung. ment.
" XVI. Außenfaktoren in Wachstum " XVI. External factors affecting
und Entwicklung. growth and development.
" XVII. Physiologie der Bewegungen. " XVII. Physiology of movements.
" XVIII. Sexualität, Fortpflanzung, "XVIII. Sexuality, reproduction, alter·
Generationswechsel. nation of generations.
ENCYCLOPEDIA
OF PLANT PHYSIOLOGY
EDITED BY
W.RUHLAND
CO EDITORS
E ASHBY · ]. BONNER · M.GEIGER-HUBER· W. O.JAMES
A. LANG· 0 . M OLLER· M. G. STÄLFELT
VOLUME XV
DIFFERENTIATION AND DEVELOPMENT
PART 1
CONTRIBUTORS
A. ALLSOPP · R. BLOCH · J T. BONNER · M. BOPP · ]. BRACHET · R. BROWN
E.BONNING · R.BUVAT · E.C.CANTINO · P.CHAMPAGNAT · j.DOORENBOS
K.]. DORMER · L. E. GREGORY · W. HALBSGUTH · L. E. HA WKER · ]. K. HEYES
A. LANG · K. MATHER ·). P. NITSCH · P. S. NUTMAN · M. S. QUINLAN
K. B. RAPER · C. A. REINDERS-GOUWENT AK · M. STEINER · H -A. v. STOSCH
J. G. TORREY · C. W. WARDLAW · M. WEBB · D. v. WETTSTEIN · W. G. WHALEY
SUBEDITOR
ANTON LANG
WITH 506 FIGURES
SPRINGER-VERLAG BERLIN HEIDELBERG GMBH 1965
HANDBUCH
DER PFLANZENPHYSIOLOGIE
HERAUSGEGEBEN VON
W.RUHLAND
IN GEMEINSCHAFT MIT
E.ASHBY · ). BONNER · M. GEIGER-HUBER· W. 0. JAMES
A. LANG· D. M OLLER· M. G. STALFELT
BAND XV
DIFFERENZIERUNG UND ENTWICKLUNG
TEIL 1
BEARBEITET VON
A. ALLSOPP · R. BLOCH · ]. T. BONNER · M. BOPP · ]. BRACHET · R. BROWN
E.BONNING · R.BUVAT · E.C.CANTINO · P.CHAMPAGNAT · ].DOORENBOS
K.). DORMER · L. E. GREGORY · W. HALBSGUTH · L. E. HA WKER · ). K. HEYES
A. LANG · K. MATHER · ]. P. NITSCH · P. S. NUTMAN · M. S. QUINLAN
K. B. RAPER · C. A. REINDERS-GOUWENTAK · M. STEINER · H.-A. v. STOSCH
j. G. TORREY · C. W. W ARDLA W · M. WEBB · D. v. WETTSTEIN · W. G. WHALEY
REDIGIERT VON
ANTON LANG
MIT 506 ABBILDUNGEN
SPRINGER-VERLAG BERLIN HEIDELBERG GMBH 1965
ISBN 978-3-662-35445-2 ISBN 978-3-662-36273-0 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-36273-0
Alle Rechte, insbesondere das der tl'bersetzung in fremde Sprachen, vorbehalten
Ohne ausdrOckliche Genehmigung des Verlages ist es auch nicht gestattet, dieses
Buch oder Teile daraus auf photomechanischem Wege (Photokopie, Mikrokopie)
oder auf andere Art zu vervielfältigen
© by SpringerVerlagBerlinHeidelberg 1965
Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag, Berlin · Heldeiberg 1965
Softcover reprint of tbe bardeover 1st edition 1965
Library of Congress Catalog Card Nurober 56-3135
Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw.in
diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme,
daß solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung
als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften
Titel-Nr. 5680
Vorbemerkung.
Das Erscheinen dieses schon vielerorts erwarteten Bandes ist jetzt durch das
Eintreffen der letzten Manuskripte ermöglicht worden. Der Band enthält 70 Ein
zelbeiträge, an denen 53 Autoren mitgearbeitet haben. Bei einem Werke dieses
Umfanges ist es unvermeidlich, daß gewisse Ungleichheiten in der Behandlung
des Stoffes entstehen und daß sich der Abschluß der Beiträge über eine gewisse
Zeit hinauszog -wenn auch oft aus Gründen "höherer Gewalt".
Verlag und Bandherausgeber sehen jedoch das besondere Anliegen des vor
liegenden Bandes darin, alles vorhandene Material, neues wie altes, zusammen
zutragen, zu sieben und zu einem breiten und festen Fundament für weitere
Literatur-und Experimentalarbeit zusammenzufügen. Es ist natürlich erwünscht,
daß dies Fundament soweit in die jüngste Gegenwart hineinreicht wie nur an
gängig. Aber es verliert seinen Zweck nicht, wenn es an einigen Stellen etwas
hinter diesem Ziel zurückbleibt.
Diese Erklärung bezweckt jedoch nicht, der Kritik vorzugreifen, sondern nur,
sie von denjenigen Autoren abzuwenden, welche ihre Beiträge frühzeitig ein
lieferten und welche gerade deswegen einige der neuesten Ergebnisse auf ihrem
Gebiete nicht mehr berücksichtigen konnten.
Sommer 1964 A.LANG
Prefatory remark.
Receipt of the last contributions makes it possible to present this volume
- long expected in many quarters - to the public. The volume contains 70
chapters, written by a total of 53 authors. In a treatise of this size it is un
avoidable that there is some difference in the approach to the subject matter,
and that the completion of the contributions extended over some period of time
- although often for reasons of the "Act-of-God" type.
Publisher and editor feel that the principal objective of an encyclopedia
is to pull together and sift all available information, new as weil as old, and
thus to serve as a broad and solid foundation for future Iiterature and experi
mental studies. It is obviously desirable that this foundation includes as many
of the most recent developments as possible, but if in some places it falls slightly
short of this goal its objective is not defeated.
However, this comment is not offered to forestall criticism but only to divert
it from those authors who submitted their contributions early and who, because
of their very conscientiousness, are now finding that they were unable to include
some late advances in their topics.
Summer, 1964 A.LANG
Inhaltsverzeichnis von Teil1.- Contents ofpart1.
I. Physiology of development-a new era1 (In lieu of an introduction.) seite
By Professor A. LANG III
Literature ................................ LXIII
II. Genetische, cytohistologische und biochemische Grundlagen
der Entwicklung. - Genetical, cytohistological and biochemical foundations
of development.
A. Genetische Probleme der Entwicklung. - Genetical aspects of development.
l. The role of the nucleus and the nucleo-cytoplasmic interactions in morphogenesis.
By Professor J. BRACHET and Professor A. LANG. With 10 figures. 1
I. Introduction . . . . . . . . 1
I. Survey of problems . . . I
2. Theories . . . . . . . . . 2
a) Hypothesis of MoRGAN . 2
b) Plasmagene hypotheses . 3
II. Nuclear equilibrium and nucleo-cytoplasmic relations in the development
of multicellular organisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
I. Oleavage in complete absence of a nucleus . . . . . . . . . . . . . 4
2. Modifications of the chromosome complement and their effect upon deve-
lopment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
a) Animals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
Haploidy p. 4.-Polyspermy p. 5.-Polyploidy p. 5.-Variations
of chromosome nurober within an individual p. 5.
b) Plants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
Haploids and polyploide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
Origin p. 6. - Cytological, morphological and physiological charac
teristics p. 7. - Gene action p. 8.
Aneuploidy, and düferent chromosome numbers in the sameindividual 9
Aneuploid plants p. 9. - Chimeras p. 9. - Endopolyploidy p. 9.
Instability of unbalanced chromosomal types in plants . . . . . . 10
3. Lethai hybridization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . • 11
a) Animals: simple hybrids and hybrid merogons . . . . . . . . . . 11
Lethality p. 11.-Revitalization p. 11.-Control of morphological
characters in grafted lethal hybrids p. 12. - Conclusions p. 12.
b) Plants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
Lethality of the embryo caused by mis-development of the sur
rounding tissues p. 13. - Embryo lethality caused by incompatibility
of the parental genotypes p. 13.
4. The problern of the nuclear potency during development. . . . . . . 14
a) Nuclear transplantation in Anurans . . . . . . . . . . . . . . . 14
Simpletransplantations p. 14. - Serial transplantations p. 14. -
Transplantations between different species p. 15. - Cytochemical
studies p. 15. - Conclusions p. 15.
b) The problern of nuclear equipotency in plant development. 16
III. Enucleation studies in unicellular organisms . 17
I. Protozoa . . . 17
a) Amoeba . . . 17
b) Stentor . . . 17
2. Acetabularia . . 18
a) The organism . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
Development p. 18.-Regeneration; grafts p. 19.
Inhaltsverzeichnis von Teil 1. - Contents of part 1. VII
Seite
b) The morphogenetic substances: General ..... 20
Fundamental evidence p. 20. - Quantitative variation during
development p. 21. - Spatial distribution p. 21.
c) Categories of morphogenetic substances . . . . . . . . . . . . . 22
"Cap-forming" and "cap-shaping" substances p. 22. - The behavior
of individual characters p. 24. - Rhizoid-forming substances p. 25.
d) The role of the nucleus and of external factors in the production of the
morphogenetic substances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
The relation of the nucleus to the formation of morphogenetic
substances p. 25. - Stages in the formation of morphogenetic sub
stances p. 26.
e) Relation of growth and morphogenesis in Acetabularia ..... . 27
f) Biochemical and cytochemical aspects of growth and differentiation
in Acetabularia • . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . • 27
Relations between the nucleus and synthetic activities in the cyto
plasm p. 27. -Relation between protein, RNA, growth and morpho
genesis p. 29. - A specific, cytoplasmic structure in growing regions
of Acetabularia cells p. 30. - EHects of metabolites and antimetabolites
p. 30. - Effects of auxin on growth and morphogenesis in Acetabularia
p. 31.
g) Influences from the cytoplasm on the nucleus in Acetabularia . . • 31
Dependance of the nucleus on energy production in the cytoplasm
p. 31. - Effects of the cytoplasm on the development of the nucleus
p. 32.
3. M icrasterias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
a) Nucleus and morphogenesis ................ · .. . 33
Nuclear content and morphogenesis p. 33.-Morphogenetic effects
of chemieals p. 34.
b) Nucleus and syntheses 34
c) Conclusions . 34
IV. Concluding remarks 35
Literature . . . . . . . 35
2. Genes and eytoplasm in development. By Professor K. MATHER. With 5 figures 41
I. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . 41
II. The determination of differentiation . . . . . 42
III. The process of differentiation: Nuclear change. 47
1. Change of chromosome content . . . . . . 4 7
a) Reduction of chromosome nurober. . . . . 47
b) Replication of the chromosome complement 49
2. Change in nuclear behaviour. 50
3. Change in gene activity . . . . . . . 51
4. Review . . . . . . . . . . . . . . 53
IV. The process of differentiation: Cytoplasm 54
1. Cytoplasm as the agent of gene action . 54
2. Cytoplasmic change in development . . . 56
3. Selection and adaptation of the cytoplasm 57
V. The interplay of nucleus and cytoplasm. 62
Literature ......... . 66
3. Determination and its fixation. By Professor K. MATHER 68
Literature ......... . 72
4. The Interaction of genotype and environment in plant development. By Professor
W. G. WHALEY. With 3 figures. . • . . . . . . . . . . . . . . . . 74
I. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
II. The environment as the medium of development: different Ievels. 74
III. Cellular environment . . . . . . . . . . . . 75
1. Position effects . . . . . . . . . . . . . 75
2. Gene interaotion . . . . . . . . . . . . . 76
3. The cytoplasmic environment of gene action 77
VIII Inhaltsverzeichnis von Teil I. - Contents of part I.
Seite
IV. Early development . . . . . . . . 78
1. General aspects . . . . . . . . 78
2. Seed development . . . . . . . 79
3. The endosperm and integuments 79
V. Gross environment . . . . . . . . 81
1. General environmental influences 81
2. Tamperature . . . . . . . . . . 82
a) Day and night temperatures . . . . . 83
b) Tamperature and pigment development 84
c) Tamperature and specific gene action . 85
d) Vernalization . . . . . . . . . . . . 85
3. Light . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
a) Photoperiodic responses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
Flower formation and development p. 86. - Sex expression p. 90.
b) Light-intensity effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
c) Light effects in seed germination . . . . . . 91
d) Light effects in pigment formation . . . . . 91
4. Rost-pathogen relationships . . . . . . . . . . 92
a) Genetic control of the host response . . . . . 92
b) The host as the environment of the parasite 94
VI. Environment-induced variation in the progeny 94
VII. Conclusion . 95
Literature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
B. Cytologische und histologische Grundlagen der Differenzierung. - Cytological and
histological foundations of differentiation.
1. Les bases cytologiques de Ia dmlirenciation et de Ia dlidifflirenciation chez les plantes.
Par Professeur R. BuvAT. Avec 20 figures. . • . . . . . . . . . 100
I. lntroduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
II. Les etapes cytologiques les plus generales de la differenciation 100
I. Les cellules meristematiques primaires . 101
2. La premiere etape de la differenciation. 102
3. Le seconde etape de la differenciation . 103
a) L'evolution des plastes . . . . . . . 103
b) Le comportement du noyau. . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
Variations du volume p. 106. - Variations du contenu chromo
somique (endopolyploidie) p. 107.-Distribution des cellules endopoly
ploides p. 107. - Signification de l'endopolyploidie p. 109.
c) Les differenciations membranaires . . . . . . . . . . . . . . . . 109
Membrane primaire et membrane secondaire p. 109. - Evolution
structurale de Ia membrane au cours de la croissance p. UO.
d) Les inclusions paraplasmiques . . . . . . . . . . . ll2
4. Differenciation et senescence . . . . . . . . . . . . . ll3
5. Les infrastructures du protoplasme et la differenciation ll5
a) Le reticulum endoplasmique . . . . ll5
b) L'appareil de GoLGI . . . . . . . . . . . . . . . 120
c) Les plastes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
d) Les chondriosomes . . . . . . . . . . . . . . . . 120
6. Les manifestations cytologiques de la polarite cellulaire 122
III. Specificite cellulaire et differenciation morphologique . . 122
1. La determination irreversible dans le monde animal . 123
2. L'indetermination prolongee des cellules vegetales . . 124
IV. Les etapes cytologiques de Ia dedifferenciation. . . . . 125
a
I. Exemple: l'edification de meristemes radiculaires partir de cellules peri-
liMriennes de la tige de Lycopersieum esculentum . . . . 125
a) La premiere etape de Ia dedifferenciation . . . . . . 126
b) La seconde etape de Ia dedifferenciation . . • . . . . . 126
2. Quelques variantes dans la marche de Ia dedifferenciation . 129
a) Le point de depart . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
Inhaltsverzeichnis von Teil 1. - Contents of part 1. IX
Seite
b) Evolutions partielles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
c) Procesaus preliminaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
3. Resurne des principaux aspects cytologiques de Ia dedifferenciation 130
V. La portee physiologique des procesaus de dedifferenciation . . . 131
1. Les conditions d'une veritable dedifferenciation . . . . . . . 131
2. Potentialites histogimes, potentialites organogenes et cytologie 131
a) Les potentialites des meristemes primaires et secondaires 131
b) Le röle des influences correlatives . . . . . . . . . . . . 132
3. Croissance indefinie et dedifferenciation. . . . . . . . . . . 133
4. Dedifferenciation, action du milieu et maintien des meristemes 134
5. Principales circonstances de dedifferenciation . . . . . . . . 134
a) Dedifferenciations provoquees experimentalerneut . . . . . 134
Interventions experimentales causant de Ia dedifferenciation
a
p. 134. - Garegories de cellules soumises Ia dedifferenciation experi
mentale p. 135.
b) Procesaus de dedifferenciation dans l'ontogenese naturelle . . . . . 137
Embryogenese et germination p. 137. - Meristemes primaires et
secondaires preformes p. 137. - Neoformation des meristemes p. 139.
6. Dedifferenciation et propagation de l'etat meristematique 140
7. Conclusions 141
Bibliographie . . . . . 142
2. Histological foundations of dHferentiation and development in plants. By Dr.
R. BLOCH. With 11 figures. . . . . . . 146
I. Introduction . . . . . . . . . . . 146
II. Classification of cell types and tissues. 148
III. Origin of cellular differences 148
1. Nuclear differences . . . . . . . . 148
2. Unequal cell divisions. . . . . . . 149
a) Unequal divisions in early stages of development . 149
b) Unequal divisions in later stages of development . 156
General characteristics of unequal divisions. . . . . . . 156
Examples of unequal divisions in later developmental stages. 157
Formation of trichoblasts and stoma initials in monocotyledons
p. 157. - Other examples p. 158. - Unequal divisions followed by
further mitotic activity p. 159.
Factars in unequal cell division . 160
3. The cell wall in differentiation. . 161
4. Cellular character and position. . . 162
a) Effects of the special position. . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
b) Effects of the developmental potency of the position and of adjacent
tissues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
5. Cytoplasmic structures in differentiation . . . . . . . . . . . . . . 164
a) Determination of cell wall structures by the cytoplasm . . . . . . 164
b) Determination of divisionplane and wall formation by the cytoplasm 165
IV. The formation of histological patterns. . . . . . . . . . . . 166
1. Intercellular patterns . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
a) General problems. The diversity of intercellular patterns . . 166
Patterns in different plant groups p. 166. - Classification and
complexity of tissue patterns p. 167.
b) Cell division patterns. . . . . . . . . . . . . . . 168
Plane of cell division. Cell shape . . . . . . . . . 168
Relative position of cell walls in developing tissues . 169
Cell lineage patterns . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
Lower plants: shoots p. 171. - Lower plants: roots p.172. -
General remarks p. 172.
c) Cell-organ relationsrups . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
Fruit size in cucurbits p. 173. - Fruit form in cucurbits p. 173.