Roux' Archly fiir Entwicklungsmechanik I56, 96 100 (1965)

K u r z e M i t t e i l u n g

Aus dem Zoologischen Institut der Universit~it K6ln (Direktor: Prof. Dr. O. KuKN)

DER EINFLUSS V0N ALKALI- UND ERDALKALISALZEN AUF DIE EMBRYONALENTWICKLUNG DER REGEN-

BOGENFORELLE

(EIN VERGLEICH MIT DER SPEZIFISCHEN MOkPHOGENETISCHEN WIRKUR~G DES LITHIUMS)

Von

WILFRIED VAHS und HORST Z]~NE~

(Eingegar~ger~ am 2. Olctober 1964)

Die Entwicklung der Regenbogenforelle (Salmo irideus Gib.) wird dureh Lithium-Ionen in eharakteristischer Weise gestSrt: 1. dureh eine unspezifische Hemmwirkung mR einem Maximum im Morula-Stadium, 2. durch Erzeugung spezifiseher histologischer oder organologischer Mill bildungen in zwei besonders empfindliehen Phasen: Furchuug/Morula und Gastrulation (VA~s u. Z ~ E R 1964). Da rnanehe Lithiumeffekte aueh dureh andere Agenzien hervorgerufen werden k5nnen, wurde in weReren Experimenten zwecks Ermittlung der reinen LLEffekte die Wirkung einiger anderer Alkali- und Erdalkalisalze bzw. Salzgemischc sowie von Kombinationen derselben mit LiC1 untersueht. Itierbei waren aueh Aufsehlfisse fiber etwaige synergistisehe bzw. antagonistisehe morphogenetisehe Wirkungen der versehiedenen Ionen zu erhoffen.

In verschiedenen Entwicklungsst~dien wurden die Keime jeweils fiir 2 4 ~ 8 Std bzw. 72 96 Std bei 12 o C in folgende Salzl6sungen gebracht: Original- und doppelt- konzentrierte HoRfreter-L5sung (letztere nahezu isotonisch einer 0,15 n Salz- 15sung sowie den KSrpeIffliissigkeRen der Forelle), 0,15 n NaC1, KC1, CaC12, MgC12 und Kombinationen dieser LSsungen mit 0,05 bzw. 0,1 n LiC1, deren Gesamt- konzentrationen wiederum einer 0A5 n SalzlSsung ~quivalent sind.

Holt]reter-LSsung verursacht nach Einwirkung ws der Fur- chung praktisch keine Vers Jedoeh ist die Sterblichkeit in der hypotonischen 0riginallSsung wesentlieh hSher als in der isotonisehen, doppeltkonzentrierten. Ers~ naeh Behandlung bis zum Ende des Morula-Stadiums sowie im frfihen Blastula-Stadium wird die Entwiek- lung allgemein gehemmt (Mikrocephalie und Kfimmerformen). - - Kom- bination mit 0,05 n LiCl kurz naeh der Be]ruchtung verursaeht neben Mikroeephalie und Augenreduktion, die in der Weiterentwieklung (unter Normalbedingungen) reguliert werden, vor ~llem eine Zunahme der

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Fglle mit totalem Entwicklungsstopp mit nachfolgender hydropiseher Degeneration des Blastoderms. ~NTaeh Behandlung im frfihen Blastula- Stadium nehmen die Kr/ippel- und K/immerformen stark zu. In der Weiterentwicklnng kTnnen die Rumpfdefekte entgegen den Kopfdefek- ten (Mikrocephalie) reguliert werden. Stgrkere Anteile an LiC1 (0,1 n) scheinen unmittelbar nur die Kopfentwicklung zu stTren, wghrend lZumpfdefekte erst in der Weiterentwicklung (unter ,Normalbedingungen) a.uftreten, bei gleichzeitiger teilweiser Regulation der Kopfdefekte.

Bei Beginn der Oastrulation ffihrt sowohl die Li-Mischnng als a uch seine Holtfreter-L6sung zum Verlust alter Keime. Auch spgtere Gastru- lationsstadien sind noch recht empfindlieh gegen/iber Holtfreter- LSsung, was abet weniger durch morphologisehe Defekte als dureh all- gemeine Hemmwh'kungen zum Ausdruck kommt. Da auch Kombi- nationen mit Li+ nut leiehte MiBbildungen hervorrufen, seheint Holt- freter-L6sung die Wirkung des Lithiums zu hemmen.

IYa+ zeigt nach Anwendung in [rifften Entwicklungsstadiert ghnliche Wirkungen wie Holtfreter-L6sung, deren Hauptbestandteil es ist. Gemeinsam mit Li + wird dessen Wirkung erheblich gesteigert. Veto Blastula-Stadium an zeigen sich kamn noeh Differenziernngsdefekte, wohl abet erhShte Sterblichkeit und Entwieklungsstopp. Die Hemm- wirkung wird dutch Beimischnng yon Li + in Abhgngigkeit yon Konzen- tration nnd Versnehsdguer gesteigert. Dabei entstehen, wie bei alien Versuehen w~hrend der Gastrulation, stark verkleinerte, aber meist normal proportionierte Keime. - - Demnaeh seheint Na+ auf jfingere Keime ghnlieh wie Li + zu wirken, wghrend as spgter alle embryogene- tisehen Prozesse hemmt. Hierunter fallen offenbar aueh die durch Li+ hervorgerufenen spezifischen Fehlbildungsprozesse, die in Kombination mit 1YaCl-LTsung nur wenig in Erseheinung treten.

K+ verursaeht in keinem Entwicklnngsstadium irgendwelehe morpho- logische Defekte oder Entwieklungsstillstand. Beimischung yon 0,05 n LiC1 ffihrt nut naeh Anwendung w'ghrend der i~urehung zn leiehter Mikro- cephalie nnd Augenreduktion. In den fibrigen Stadien wird lediglieh bei etwa 20% der Keime Entwickiungsstillstand verzeiehnet (bis zn 40% bei 0,1 n LiCI, wobei gleichzeitig der AnteiI an Kopfdefekten nach Frfih- versuchen znr/ickgeht). - - Das selbst praktiseh unwirksame K+-Ion erweist sich damit als schwaeher Antagonist des Li+.

Mg++ verursacht naeh Anwendnng wghrend der Furchung neben einer primgren, aber wghrend der Weiterentwicklung unter Normalbedingun- gen regulierbaren EntwicklungsverzTgerung vielfach v611igen Ent- wicklungsstillstand. Naeh lgngerer Einwirkung bleibt die Rumpf- difierenziernng irreversibel welt hinter der des Kopfes zur/ick. Zusatz yon Zi + verstgrkt die Wirkung. Es entstehen mikroeephale, nicht regu- lierbare Kfimmerformen. Verlgngerte Einwirkung verursacht infolge

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98 WtL~m~D VAHS und ~IORST Z~N~Ea:

starker F6rderung der Mittelhirnregion oharakteris~isehe Kopfdefor- mationen. -- W~hrend der Blastula erzeugt IVig++ allein stark verklei- nerte Keime mit deutlieher Mikroeephalie und Mikrophthalmie. In Kombination mit Li + nehmen diese Kopfdefekte mit steigendem Li- Anteil ab, wobei im gleichen A u s m ~ t~umpfdefek~e auftreten. - - W~hrend der Gastrulation verursacht Mg § allein nur noch eine Wachs- tumsverz6gerung, aber keine morphologischen Defekte. Zusatz yon Li+ bedingt eine Schadigung aller Keimteile bzw. totalen Entwieklungs- stopp. - - Mg ++ zeig~ demnach in der Frfihentwicklnng eine prinzipiell ~hnliche Wirkung wie Li +. Jedoch ist die Empfindliehkeitsphase ffir Mg ++ gegeniiber der fflr Li+ nm e~wa 20--30 Tgr. ( = 2--3 4 bei 120 C) versehoben. Daher/ inSert sich eine Addition der Effekte nut w/s der Morula, well sich hier die Reaktionsweise des Keimes gegenfiber Li+ fiber ]/tngere Zeit kaum ver/indert. Sehon w/~hrend der Blastula sind da- gegen die betroffenen Keimteile so verschieden, daI~ ein Antagonismus vorget/~uscht wird. Wghrend der Gastrulation schlie~lich wirkt Mg++, wie viele andere Ionen, nut noeh hemmend.

Ca++ hemmt oder unterdrfiekt naeh Anwendung w/~hrend der Fur- chung in hohem MaSe die Ausbildung des t~umpfes. Die stark ver- kiimmerten Embryonen haben sehwere Augendefekte und bestehen oft nur aus einer winzigen Kopfanlage. Durch Kombinavion mit Li+ wird die Wirkung erheblich abgesehw/~eht: Nut leichte Mikroeephalie und mgI3ige l%umpiverkfirzung. Erst bei hSheren Li-Anteilen oder ver- l/ingerter Einwirkung eriolgt zum Tell Entwicklungsstillstand (!/~ der F/s Bei den fibrigen bleibt der l~umpf verkfirzt, und in der Weiter- entwicklung entsteht Mi~ophthalmie bzw. unregulierbare Mikroeephalie in Form extreraer Kopfabflachung. - - Ca-Einwirkung im Blastula- Stadium bleibt ohne bemerkenswerte Folgen. Zusa~z yon Li+ bewirkt eharakteristisehe Y%umpiverkriimmungen. Bei steigendem Li-Gehalt oder verl/~ngerter Behandlung vreten daneben Mikro- und Monophthal- mie auf. - - Solehe Defekte sind auch fiir das Gastrula-Stadium kenn- zeichnend, wobei sieh die allein durch Li + oder Ca++ hervorgerufenen Defekte gegenseitig verstarken. Ffir Ca++ allein ist die Gastrula im Gegen- satz zur Blastula wieder empiindlieh: Allgemeine tIemmungseffekte und starke ~kroeephal ie i~ihren h/iufig zum Abs~erben der Keime. - - Ca++ scheint demnach eine eigene morphogenetische Wirksamkeit zu besitzen, die in frfihen Entwicklungsphasen vorwiegend diejenigen Keimregionen betrifft, die im gleiehen Stadium relativ wenig Li-empfindlich sind. Bis zum Blastula-Stadium wirken beide Ionenarten antagonistisch, w/~hrend der Gastrulation in etwa synergis~isch.

Insgesamt lassen die geschilderten Ergebnisse erkennen, dab die untersuchten Salze eine besondere, yon der des Lithiums abweiehende

Embryona.lentwicklung der Regenbogenforelle 99

Wirkung auf die Entwieklung des Forellenkeims ausfiben. Dabei ver- ursaehen die monovalenten Ionen allerdings vorwiegend unspezifische E//ekte in der Art, wie sie aueh yon Li+ neben den spezifischen Fehl- bildungen bei Einwirkung auf frfihe Entwieklungsstadien hervorgerufen werden. Auch in Untersuehungen an Seeigelkeimen sowie an Fundulus konnten Salze mit typisehen Fehlbildungswirkungen yon solehen, die lediglieh t temmwirkungen zeigen, untersehieden werden (HE~BST 1893/1896; STOCKARD 1907). Die Wirksamkei~ der monovalenten Ionen nimmt dabei offenbar gemgg ihrer l%lge in der tIofmeistersehen Ka- tionenreihe ab (Li, Na, K), was aueh Befunden yon RA?czI (1951) en~- sprieht und yon diesem mit Strukturver/~nderungen im PlasmaeiweiB in Zusammenhang gebraeht wird. Der entwieklungshemmende EinfluB yon Na+ und K+ seheint abet im allgemeinen wesentlieh 1/s in der Keimesentwieklung wirksam zu sein als der des Li+ und dabei sogar der Ents~ehung typiseher, regionalspezifiseherLi-Defekte entgegenzuu4rken.

Demgegeniiber zeigen die bivalenten Ionen naeh Einwirkung auf /riihe Entwicklungsstadien auch Andeutungen eigener spezi/ischer mor- phogenetischer E//ekte. Diese sind bei Mg ++/ihnlich denen des Li+. Die yon STOCKA~D (1909) beschriebene Entstehung yon Cyelopen bei Fun- dulus-Keimen konnte yon RoG:e~s (1956) nicht reproduziert werden und fehlt auch bei den Forellenkeimen. Ca++ scheint dagegen ein Antagonist zu Li + zu sein, woffir auch Beobachtungen am Keim yon Limnaea sta- gnalis vorliegen (DE V~IES 1953). Bei Limnaea wirkt Ca++ auch den Effek- ten yon W/irmeschocks entgegen (RAvE~ u. vAx ERKEL 1955). Dabei wird angenommen, dab es fesvigend auf die Struktur der Eirinde bzw. des Plasmas wirkt. - - In spiiteren Entwicklungsstadien werden auch bei den biva]enten Ionen die morphogenetisehen Wirkungen durch allge- meine Hemmwirkungen verdr~ng%

Die unterschiedlichen Befunde nach Anwendung verschiedener Salze in /iquivalenten Konzentra~ionen zeigen an, dal3 die erzielten Fehlbil- dungen nicht allein auf die ver/inderten osmo~ischen Verh/iltnisse des Mediums zurfiekgeffihrt werden k6nnen, sondern dab die Metallionen in eharakteristiseher Weise die Keimesentwieklung beeinflussen.

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Dozent Dr. W~L~[nD VA~S Zoologisches Institnt der Universit~it 5 Khln-Lindenthal, Kerpener-Str. 13