Humboldt Universität zu Berlin,
Landwirtschaftlich-Gärtnerischen Fakultät
Institut für Gartenbauwissenschaften,
Fachgebiet Pflanzenzüchtung

Dissertation

Anatomische, cytologische und histologische Untersuchungen zur somatischen Variation in verschiedenen Teilklonen von Pelargonium zonale `Kleiner Liebling`

zur Erlangung des akademischen Grades
doctor rerum horticulturarum
(Dr. rer. hort.)

eingereicht an der
Landwirtschaftlich-Gärtnerischen Fakultät
der Humboldt-Universität zu Berlin

von
Dipl. Ing. agr. Mingyin Li
(aus China)

Dekan: Dekan der Landwirtschaftlich-Gärtnerischen Fakultät
Prof. Dr. Uwe Jens Nagel

Gutachter:
1. Prof. Dr. F. Pohlheim
2. Prof. Dr. M. D. Sacristan
3. Dr. I. Pinker

eingereicht: 05.10.2004

Datum der Promotion: 08.03.2005

Yin und Yang sind zwei gegensätzliche Grundkräfte in jeder Sache, aber sie liegen ineinander und bedingen einander. Sie befinden sich harmonisch in einem dynamischen Zustand von Veränderung und Gleich-gewicht, dadurch entstehen zahlreiche Varianten.

Alte Chinesischen Philosophie (Lao Zi, 500 v. Chr.)

Bibliographische Beschreibung

Li, Ming-yin

Anatomische, cytologische und histologische Untersuchungen zur somatischen Variation in verschiedenen Teilklonen von Pelargonium zonale `Kleiner Liebling`

108 Seiten, 41 Abbildung (inklusive 106 Photos), 23 Tabellen, 199 Literaturangaben

Berlin, Humboldt-Universität zu Berlin, Landwirtschaftlich-Gärtnerische Fakultät. Diss. A

Schlagworte: Cytochimäre, Chromosomenzählung, Nukleolus, Polyploidisierung, Anomale Kernteilung, Adventivspross, Somaklonale Variation.

Zusammenfassung

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit den morphologischen bzw. cytologischen Anomalien eines mutierten Klons der haploiden Sorte `Kleiner Liebling` von Pelargonium zonale, insbesondere mit der Entstehung verschiedener Ploidiestufen in der Epidermis dieses Klons. Klon 5/74/2 ist morphologisch auffällig, weil er stark gekräuselte und stark behaarte Blätter hat, weiterhin treten unregelmäßig stark vergrößerte Epidermiszellen auf.

Bei Pelargonium zonale ist die Zellgröße mit der Ploidiestufe der Zellen positiv korreliert, daher kann die Ploidiestufe der Zellen mit Hilfe der Zellgröße indirekt abgeschätzt werden. An histologischen Schnitten wurden die Ploidiestufen verschiedener Zellschichten von Cytochimären durch Chromosomenzählung direkt bestimmt. Die maximale Nukleoluszahl war als Parameter zur Bestimmung der Ploidiestufen der Zellen in Pelargonium zonale nicht geeignet.

Durch Bestimmung der Zellgrößen und Chromosomenzählung wurde festgestellt, dass die Epidermis in den Blättern vom Klon 5/74/2 verschiedene Ploidiestufen aufweist. Solche Variabilität trat in den L2- und L3-bürtigen Zellschichten nicht auf. Somit wurde hier erstmals eine Periklinalcytochimäre mit verschiedenen Ploidiestufen in der Epidermis nachgewiesen. Die somatische Variabilität hängt mit dem Wachstum des Gewebes zusammen. Das jüngere Blatt hat sowohl eine niedrigere als auch eine geringere Anzahl von Ploidiestufen als das ältere Blatt.

Die Pflanzen mit behaarten und gekräuselten Blättern vom Klon 5/74/2 waren nicht stabil und trieben die Sprosse mit den stark behaarten oder gekräuselten Blättern oder glatten Blättern mit kurzen Haaren aus. Die Epidermis des gekräuselten und stark behaarten Blattes enthielt wie die des stark behaarten Blattes oder die des gekräuselten Blattes verschiedene Ploidiestufe. Die Epidermiszellen der meisten Pflanzen mit normal glatten Blättern lagen im diploiden Bereich. Die morphologische Kräuselung und Behaarung hing mit dem Auftreten der somatischen Variabilität in Epidermis von Klon 5/74/2 zusammen.

Histologische Untersuchungen an den Pflanzen mit somatischer Variabilität in der Epidermis von Klon 5/74/2 zeigten zwei unterschiedliche Zustände im Sprossscheiteln: Beim ersten wird davon ausgegangen, dass die Zellen der L1 Polyploidie sind. Beim zweiten sind die Zellen der L1 haploid. Die Polyploidisierung der Epidermis setzt sich bei dem Wachstum des Blattes fort. Außerdem wurden Sprossscheitel mit diploider L1 und haploider L2 bzw. haploider L3 von Klon 5/74/2 beobachtet, wobei keine Ploidievariation in der Epidermis festgestellt wurde.

Bei den cytologischen Untersuchungen wurden anomale Mitosen mit irregulären Chromsomenanordnungen (multipolare) und –verteilungen und mehrkernige Zellen in der Epidermis von Klon 5/74/2 beobachtet. Als weitere Anomalie traten eingeschnürte Zellkerne in den Epidermiszellen von Klon 5/74/2 auf. Diese Anomalien sind wahrscheinlich ein Resultat von Genmutationen, ausgelöst durch die Mutagenbehandlung der Ausgangspflanze, wobei Gene betroffen sein müssen, die die Regulierung des Zellzykluses betreffen. Auch die unregelmäßigen Polyploidisierungen und damit Polyploidisierung der Epidermis von Klon 5/74/2 sind vermutlich eine weitere Folge der anscheinend gestörten Kontrolle des Zellzykluses.

Es ist gelungen, Adventivpflanzen mit Hilfe eines modifizierten Mediums aus Kallus von adulten Geweben von Pelargonium zonale in in vitro-Kultur zu regenerieren. Dabei zeigte die Zugabe von Perlit und anschließend PVP die beste Wirkung gegen die Bildung von Polyphenolverbindungen im Pelargonium-Gewebe. TDZ ist einer der effektivsten Wuchsstoffe für die Kallusinduktion und Regeneration der Adventivsprosse bei Pelargonium.

Die Blatt- und die Blütenfarbe der Adventivpflanzen aus der waagrecht aufgesetzten Explantaten des dreifach markierten chimärischen Pelargonium-Klons `Weißer Liebling` (WRR, GWG, DHH) stimmten mit dem Genotyp der L1-Zellen überein. Somaklonale Variation in Bezug auf die Ploidiestufe wurde jedoch beobachtet. Die Stomatalängen der Adventivpflanzen aus der senkrecht aufgesetzten Explantaten von Klon 5/74/2 lagen wie die von Klon WL, DHH meistens im Bereich von diploid, nur selten von tetraploid oder gemischten. Die ursprünglich polyploiden und haploiden Zellen der kultivierten Gewebe traten nach der Regeneration nicht mehr auf. Dies weist auf eine Zellmutation und -selektion während der in vitro-Kultur hin.

Aus senkrecht aufgesetzten chimärischen Geweben der GWG- und GGW-Varianten von Pelargonium zonale `Mrs. Pollock` wurden Adventivsprosse mit neuen chimärischen Blattmustern in GGW, GWG und Sektorialchimären regeneriert. Das Ergebnis zeigt, dass die Zellen mindestens in L2 und L3-bürtigen Gewebeschichten der Explantaten zur Regeneration der Adventivsprossen teilgenommen haben. Dabei wurden von der GGW-Variante mehr Chimären regeneriert als von der GWG-Variante.

Anatomical, cytological and histological investigation of somatic variation of the different clone of Pelargonium zonale ` Kleiner Liebling`

108 pages, 41 figures (inclusive of 106 Photos), 23 tables, 199 references,

Berlin, Humboldt University Berlin, Agricultural-Horticultural Faculty. Ph.D. Thesis.

Keywords: cytochimera, chromosome number, nucleolus, Polyploidization, anomalous division, adventitious shoots, somaclonal variation.

Abstract

A mutated clone, 5/74/2, of the haploid `Kleiner Liebling` of Pelargonium zonale was investigated using approaches of formation of different ploidy levels. The leaves of this clone are characterized by a blistered surface, thick hairs and epidermal cells of different sizes. The morphological and the cytological anomalies of this clone were also studied to answer the question that how the different ploidy levels of the epidermis cells were generated.

As the cell size in Pelargonium zonale is positively correlated with the ploidy level, it is possible to evaluate the ploidy level indirectly based on the cell size. The ploidy levels of the cells in different layers were determined directly by counting the chromosome numbers in histological longitudinal sections of the cytochimeras. The maximum number of nucleoli was not a suitable parameter for the determination of the ploidy level of the cells in Pelargonium zonale.

The cell sizes and chromosome numbers confirmed that epidermal cells of the leaves of clone 5/74/2 differed in the ploidy levels. Such a variability did not appear in L2- and L3-derived cells. Consequently, clone 5/74/2 is a periclinal cytochimera with a mixed ploidy epidermis. This type of cytochimera with different ploidy levels in epidermis has not been reported up to now. The somatic variability is related to the growth of the tissue. The younger leaf has fewer and lower ploidy levels than the older leaf.

The clone 5/74/2 with blistered and hairy leaves is not stable because it also generates hairy shoots or shoots with blistered leaves or shoots with smooth leaf surface and short hairs. The epidermis of the blistered leaf or of the hairy leaf is polyploid with different ploidy levels, like the epidermis of the shoots with blistered and hairy leaves. Epidermis cells of normal shoots are diploid. The morphologically blistered leaf surface seems to be the result of a somatic variability in epidermis.

Histological investigations of the plants withsomatic variability of the epidermis of clone 5/74/2 showed two different ways of development of the somatic variability: the cells of the L1 in the apical meristem were already polyploid and the cells in the apical meristem were haploid. The somatic variability of the epidermis occurred during the primordial development and continued with leaf growth. Mixed ploidy of the epidermisin the shoots with diploid L1 cells of plants from clone 5/74/2 was not observed.

Cytological analyses revealed anomalies of the mitosis in epidermis cells of clone 5/74/2. Various irregular chromosomal arrangements (multipolar mitosis), imbalanced chromosomal segregation and polynuclear cells were observed. Additionally, nuclei with constrictions were found. Probably, these anomalies resulted from mutations caused. It is reasonable that regulatory genes of the cell cycle were mutated which led to polyploidisation and thus somatic variability of the epidermal cells of clone 5/74/2. Other effects of the mutation were anomal mitosis, polynuclear cells and constricted nuclei.

Adventitious shoots were successfully regenerated from callus of adult tissue of Pelargonium in vitro on modified medium. The combination of Perlit and PVP showed the best effects against the formation of phenolic substances on Pelargonium tissues during in vitro-culture. TDZ was the most effective substance for callus induction and regeneration of adventitious shoots.

The colour of leaves and flowers in the adventitious plants regenerated from tissue of the triply marked chimera ’Weißer Liebling’ (GWG, WRR, DHH) were correlated with the genotype of L1. However, somaclonal variability of ploidy levels was observed. The size of stomata on adventitious plants from the clone 5/74/2 was similar to from DHH-tissue, mostly in the range of diploid, only rarely in tetraploid or mixed ploidy. Derivates of the original polyploid and haploid cells of the cultivated tissue were not found. Evidently, cell selection and mutation occurred during the in vitro-culture.

Adventitious shoots with new chimeral patterns (GGW, GWG) and sectorial chimeras were regenerated from chimeral GWG- and GGW-explants of Pelargonium zonale `Ms. Pollock`. More chimeras from GGW explants were obtained than from GWG explants. This result showed that cells in both L2 and L3 derived tissues of the explants were involved in the regeneration of the adventitious shoots. Furthermore, the L3 cells were the main source of adventitious shoot production.

Inhaltsverzeichnis

Tabellen

Bilder



© Die inhaltliche Zusammenstellung und Aufmachung dieser Publikation sowie die elektronische Verarbeitung sind urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung. Das gilt insbesondere für die Vervielfältigung, die Bearbeitung und Einspeicherung und Verarbeitung in elektronische Systeme.
DiML DTD Version 4.0Zertifizierter Dokumentenserver
der Humboldt-Universität zu Berlin
HTML-Version erstellt am:
21.10.2005