Oxf.: 181.45 : 181.521 : 174.7 Abies alba
HEDWIG BEDA
Der Einfluß einer S02-Begasung auf Bildung und Keimkraft des Pollens
von Weißtanne, Abies alba (Mill.)
Mit 31 Abbildungen und 11 Tabellen
Manuskript eingereicht am 28. Oktober 1981
HERAUSGEBER DR. W. BOSSHARD DIREKTOR DER EIDGENÖSSISCHEN ANSTALT
FÜR DAS FORSTLICHE VERSUCHSWESEN
Bd./Vol. 58 Heft/Fase. 2 1982
Adresse: Eidg. Anstalt für das forstliche Versuchswesen Adresse: Institut föderal de recherches forestieres Indirizzo: Istituto federale di ricerche forestali Address: Swiss Federal Institute of Forestry Research
Zitierung:
CH-8903 BirmensdorfZH (01) 737 1411
Druck: Konkordia, Druck- und Verlags-AG
Winterthur Eidg. Anst. forstl. Versuchswes., Mitt.
Die Hefte sind einzeln käuflich bei
On peut acheter chaque fascicule separement aupres de la maison
Si puo comprare ogni fascicolo separatamente alla casa editrice
Each number may be purchased separately from
F. Flück-Wirth, Internat. Buchhandlung für Botanik und Naturwissenschaften, CH-9053 Teufen Preis: sFr. 20.-
Abstracts
Der Einfluß einer S02-Begasung auf Bildung und Keimkraft des Pollens von Weißtanne, Abies alba (Mill.)
Weißtannen-Klonpflanzen wurden zu verschiedenen Jahreszeiten S02-Begasungen ausgesetzt; das Keimprozent ihres Pollens wurde in vitro ermittelt. Unter dem Mikroskop wurde der Entwicklungsgang des Pollens untersucht. Schäden an den generativen Orga- nen traten nur nach einer Sommerbegasung auf und nur dann, wenn die Nadeln des die Blüten tragenden Zweiges geschädigt waren. Die Lagerfähigkeit des Pollens wurde durch alle Begasungsperioden (verschiedene Jahreszeiten) herabgesetzt.
Eine 24stündige Begasung lufttrockenen Pollens mit 0,2 ppm zeigte keinen Einfluß.
Bei feuchtem Pollen führte dagegen schon eine Begasung mit 0,05 ppm zu einem Abfall des Keimprozentes. Dieser S02-Einfluß wurde durch eine Erhöhung der beiden für den Keimtest angewandten Nährsubstratkomponenten Agar-Agar und Saccharose in gewis- sen Grenzen kompensiert.
L'influence d'emanations de S02 sur le developpement et la germination du pollen de sapin blanc, Abies alba (Mill.)
Des c1 ones de sapin blanc furent soumis, a differentes saisons, a des emanations de S02 , puis on testa in vitro la capacite germinative de leur pollen. Les organes producteurs de pollen ainsi que les stades de developpement de celui-ci ont ete etudies SOUS le micros- cope. Des degäts n'ont ete deceles que sur les Organes reproducteurs des pläntes exposees au gaz durant l'ete, et ceci seulement lorsque les aiguilles des jeunes pousses porteuses de fleurs etaient egalement endommagees. La resistance du pollen au stockage fut diminuee par toutes les periodes de traitement (differentes saisons).
Une exposition du pollen seche a l'air, a 0,2 ppm de S02 durant 24 heures n'eut aucun effet. Le taux de germination du pollen frais (humide) fut reduit a partir d'un~ concentra- tion de 0,05 ppm deja. Cette diminution du taux de germination par le S02 put etre com- pense, dans une certaine mesure, par l'augmentation du dosage d'agar-agar et de saccha- rose dans le substrat utilise pour le test de germination.
L'influsso di un'emissione di S02 sulla formazione e sulla forza germinativa del polline di abete bianco, Abies alba (Mill.)
Dei cloni di abete bianco furono sottoposti a gasificazione di S02 durante stagioni diverse; la percentuale di germinazione del loro polline fu determinata in vitro. Lo svilup- po del polline fu studiato con l'aiuto di preparati microscopici.
Danni agli organi vegetativi apparvero solo dopo una gasificazione estiva e solo allor- quando gli aghi dei ramoscelli ehe portano fiori erano danneggiati (necrosi).
La predisposizione del polline all'immagazzinamento ( o allettamento) viene ridotta in tutti i periodi di esposizione al gas (le diverse stagioni).
Un'emissione di S02, 0,2 ppm di concentrazione, della durata di 24 ore su polline essi- cato all'aria non mostro nessun effetto. La percentuale di germinazione del polline umido comincio a diminuire gia con una concentrazione di S02 pari a 0,05 ppm. Quest'effetto del S02 fu compensato, entro certi limiti, da un aumento del dosaggio dei substrati nutriti- vi impiegati, l'agar-agar ed il saccarosio.
The influence of S02 fumigation on the formation and germination of pollen in silver fir, Abies alba (Mill.)
The development of pollen with and without continuous S02 fumigation over weeks was investigated microscopically. Injury to generative tissue occurred only in summer fumigations and then only if needles ofthe flower-forming shoot were visibly injured. The storage ability of the pollen, however, was impaired by fumigations at all times of the year.
A direct 24-hour fumigation of mature air-dry pollen grains with 0.2 ppm S02 did not influence their germination. In moistened pollen, however, a fumigation with 0.05 ppm S02 decreased germination. This S02 effect was somewhat counteracted by the-influence of the substrate components agar and saccharose.
Vorwort
Die Pollenkeimkraft der Tanne unter dem Einfluß der Luftverunreinigung S02
und praktische Forstwirtschaft
Obwohl die Auswirkungen von Luftverunreinigungen, insbesondere von S02, auf die Pflanzenwelt schon seit über 100 Jahren untersucht werden, haben in der Regel allein die vegetativen Organe Beachtung gefunden. Die generativen Organe dagegen, also Blüten (einschließlich Pollen) und Früchte (Samen), sind stiefmütterlich behandelt worden. Dies trifft ganz besonders für die Bäume zu, wie die Arbeit von Frau Hedwig Beda zeigt.
Wenn dies experimentell auch verständlich ist, so ist es aus praktischen Gründen doch zu bedauern. Die generativen Organe der Bäume befinden sich vor allem in jenem Kronen- teil, der wegen seiner Filterwirkung für Luftverunreinigungen bestens bekannt ist. Da gerade bei Waldbäumen die Bildung und die Entwicklung der Blütenanlagen wie auch der Pollenflug vielfach im Winterhalbjahr und im Frühling erfolgen, das heißt in der Zeit mit der bei uns stärksten Luftverunreinigung durch S02, erscheint es uns wichtig, dem Aspekt der Auswirkung auf generative Organe der Bäume nachzugehen. Die Untersu- chung wurde vor allem durch die Befürchtung gefördert, daß eine negative Beeinflussung des Tannenpollens durch luftverunreinigendes S02 erstens die Naturverjüngung dieser durch den hohen Wildbestand ohnehin gefährdeten Baumart weiter vermindern könnte und zweitens, daß sie die Mannigfaltigkeit der Erbanlagen (Gen-Reservoir!) beeinträchti- gen könnte. Die Weißtanne ist aus Rauchschadensgebieten schon lange als empfindlich für Luftverunreinigungen bekannt. Gerade im Zusammenhang mit dem Weißtannenster- ben findet die Hypothese immer wieder Widerhall, wonach Luftverunreinigungen an die- ser rätselhaften Kalamität schuld seien.
Da sich die frühere Forschungsabteilung «Immissionsschutz» jahrelang schwerpunkt- mäßig dem Problem der unsichtbaren oder latenten Schädigungen der Waldbäume wid- mete, lag es nahe, auch am Aspekt der Beeinträchtigung der generativen Organe zu arbei- ten. Dieses Vorhaben wurde durch den Umstand erleichtert, daß uns ein Weißtannenklon zur Verfügung stand, der jedes Jahr männliche Blüten ausbildete. Als Vitalitätsmerkmal des Tannenpollens ließ sich dessen Keimkraft heranziehen, d. h. dessen Fähigkeit, einen Pollenschlauch auszubilden. Diese Eigenschaft kann mit Hilfe des Mikroskops quantifi- ziert werden.
Angesichts der geringen Kenntnis über die normale Entwicklung der männlichen Tan- nenblüten, stellte sich als erste Frage dieser Arbeit: Wie gestaltet sich der normale Ablauf der Mikrosporogenesis (Bildung der Pollen), und durch welche äußeren Faktoren, insbe- sondere Temperatur, wird sie allenfalls beeinflußt? Die Bildung der männlichen Blüten und Pollen wurde vom Sommer an verfolgt und zum Teil durch Fotografien festgehalten.
Es wurde festgestellt, daß die erhöhte Temperatur in den Versuchskabinen die Entwick- lung beschleunigt.
An z--weiter Stelle stellte sich die Frage: Entstehen unter dem Eirifluß von S02 nach- weisbare Veränderungen der Entwicklung? Es zeigte sich, daß Begasungen ab Oktober ohne Einfluß auf die Pollenentwicklung blieben, im Gegensatz zu einer Begasung ab Juli.
Es konnte der Schluß gezogen werden, daß die männlichen generativen Organe erst dann geschädigt werden, wenn derjenige Nadeljahrgang sichtbare Symptome einer Schädi- gung aufweist, an dessen Zweigabschnitt die männlichen Blüten entsprießen. Da dies erst bei Konzentrationen auftrat, wie sie in schweizerischen Waldgebieten nicht vorhanden sind, kann bei uns ein negativer Einfluß auf die Entwicklung der männlichen Tannenblü- ten ausgeschlossen werden.
Der dritte Fragenkomplex befaßte sich damit, ob jahreszeitliche oder konzentrations- mäßige Veränderungen der S0 2-Einwirkung während der Pollenentwicklung die Keim- kraft des Tannenpollens beeinflussen. Der Reifungsgrad des Pollens übt insofern einen Einfluß auf dessen Keimkraft aus, als die maximale Pollenkeimkraft der Tanne erst nach über 20 Tagen erreicht wird. Ein endogener Rhythmus macht sich darin bemerkbar, daß die Keimkraft nach anfänglichem Anstieg vor allem im Spätherbst einem drastischen Abfall unterliegt. Eine Pollenlagerung für Züchtungszwecke wäre unter unseren Ver- suchsbedingungen nach vielen Monaten nicht mehr ratsam. Es zeigte sich, daß der Kabi- nenaufenthalt vor allem im Frühjahr (März/ April) während der Blüte ein Abfallen der Keimkraft bewirkte. Ebenso war dem Keimsubstrat stets Beachtung zu schenken.
Aus Tabelle 5 geht hervor, daß eine Begasung, welche nicht zu Schadsymptomen an den Nadeln führte und auch nicht die Blütezeit im Frühjahr umfaßte, die Pollenkeimkraft nicht beeinflußte. Eine Frühjahrsbegasung mit S02 dagegen erhöhte die Pollenkeimkraft signifikant, doch ist die Ursache für diese Beobachtung unbekannt, um so mehr, als der Kabinenaufenthalt für die folgende Pollenkeimung ungünstig war (Tabelle 4).
Eine weitere Frage galt der Lagerfähigkeit des Pollens, d. h. der Pollenkeimkraft nach Lagerung. Aus Abbildung 27 geht deutlich hervor, daß eine Begasung die Lagerfähigkeit in jedem Falle herabsetzte.
Die letzte Frage befaßte sich mit der Begasungsempfindlichkeit des geernteten Pollens je nach Pollenzustand. Erfahrungen von unverholzten Pflanzen, wonach lufttrockener
Pollen für Luftverunreinigungen recht widerstandsfähig ist, konnten für die Tanne bestä- tigt werden. Aus den Abbildungen 28 und 29 geht jedoch hervor, daß feuchter oder gar angekeimter Pollen seine Vitalität bei 24stündiger Begasung mit 0,2 ppm S02 fast völlig verlor. Falls diese Beobachtung auch für die Verhältnisse auf der Narbe gilt, muß die Tan- ne als recht empfindliche Baumart während der Blütezeit angesehen werden.
Der besondere immissionsökologische Wert dieser Arbeit liegt vor allem in folgenden Punkten:
1. Mit einer Pollenschädigung der Tanne ist erst zu rechnen, wenn bei einer chronischen Belastung mit niedrigen Konzentrationen auch die Entgiftungsmechanismen der jüng- sten Nadeln so beeinträchtigt werden, daß diese Nadeln sichtbar geschädigt werden.
2. Die Belastung mit S02 führt zu einer Beeinträchtigung der Lagerungsfähigkeit des Pollens, so daß sich dieses Merkmal zu einem Bioindikator ausbauen ließe.
3. Luftfeuchter und angekeimter Pollen ist in vitro besonders empfindlich. Wenn diese S02-Empfindlichkeit auch in vivo vorliegt, dann kann schon eine kurze S02-Einwir- kung im Blütenstadium zu einer schwerwiegenden Beeinträchtigung der Fruktifikation werden.
Theodor Keller
Inhalt Abstracts
Vorwort. Die Pollenkeimkraft der Tanne unter dem Einfluß der Luftverunreinigung S02
Seite 165
und praktische Forstwirtschaft. Von Theodor Keller . . . . . . . . . . . 167
Verzeichnis der Abbildungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 70 Verzeichnis der Tabellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 71 Fachausdrücke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 71 1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
11 Bisher nachgewiesene Schädigungen reproduktiver Organe durchS0 2-Einwirkungen . . . 174
12 Problemstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 5 2 Zielsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
21 Arbeitsziel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 6 22 Versuchsfragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
3 Versuchsdurchführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
31 Versuchsmaterial und-anlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
32 Versuchsmethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
3 21 Präparate zur Beobachtung der Pollenentwicklung . . . 178
3 22 Blütenbegasung, Pollenernte und -lagerung . . . . . . . . 180
3 23 Direkte Pollenbegasung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
3 24 Pollenkeimung und Ermittlung des Keimprozentes . . . . . . . . . . . . . . 180
3 3 Versuchsablaufund Auswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1 3 31 Ablaufund Datenerfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
3 32 Versuchsauswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
4 Versuchsergebnisse und Diskussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
41 B1üten-undPollenentwicklungundS0 2-Einfluß . . . . . . . . . . . . . . . 184
411 Derungestörte Ablauf . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
4 12 Ökologische Einflüsse auf den Zeitablauf . . . 191
4 13 Der Einfluß einer S02-Begasung auf vegetative und generative Organe . . . . 191
42 DerS0 2-EinflußaufdieKeimkraftdesPollens ... 198
4 21 Die Pollenkeimkraft als Testgröße . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 8 4211 Die Abhängigkeit des Keimprozentes vom Reifungsgrad des Pollens . 198 4212 DerendogeneRhythmusdesKeimprozentes . . . . . . . . . . . . . . 199
4213 Der Einfluß des Keimsubstrates . . . . . . . . . . 200
4214 Der Einfluß des Kabinenaufenthaltes . . . . . . . . . . . . . . 201
422 Der Einfluß der Blütenbegasung . . . . . . . . . . . . . . . 202
4221 Der Einfluß der Blütenbegasung auf die Keimfähigkeit frischen Pollens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
4222 Der Einfluß der Blütenbegasung auf die Keimfähigkeit gelagerten Pollens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
423 Der Einfluß einer direkten Pollenbegasung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
4231 Die Wirkung auflufttrockenen und aufangekeimten Pollen . . . . . . . 207
4232 Die Wirkung auffeuchten Pollen . . . . 208
5 Zusammenfassung ... 214
Resume: L'influence d'emanations de S02 sur le developpement et la germination du pollen de sapin blanc, Abies alba (Mill.) . . . . . . . . . . 216
Riassunto: L'influsso di un'emissione di S02 sulla formazione e sulla forza germinativa del polline di abete bianco, Abies alba (Mill.) . . . . . . . . 218
Summary: The influence of S02 fumigation on the formation and germination of pollen in silver fir, Abies alba (Mill.) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
6 Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
Verzeichnis der Abbildungen
Wenn nicht anders angegeben, stammen die Ph?tographien von der Autorin.
Seite
1 Gekeimter Pollen der Weißtanne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
2 Unterseiteeinesjungen Weißtannensprosses im Juni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
3 Medianer Längsschnitt durch männliche Blütenknospenanlage im Juni . . . . . 185
4 Unterseite eines Weißtannensprosses mit männlichen Blütenknospen im Oktober . . . . 187
5 Medianer Längsschnitt durch eine männliche Blüte im Oktober . . . . . . . . . . . . . 187
6 Querschnitt durch Staubblatt mit zwei Pollensäcken im Oktober . . . . . . . . . . 187
7 Mitotische Zellteilungen vonArchesporzellen im Oktober . . . . . . . . . . . . . . . 187
8 Unterseite eines Weißtannensprosses im Januar mit entwickelten männlichen Blütenknospen und zwei latent gebliebenen Blütenknospenanlagen . . . . . . 189
9 Medianer Längsschnitt durch männliche Blüte im Januar . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
10 LängsschnittdurchPollensackimJanuar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
11 Archesporzellen im Januar. Jeder Zellkern enthält bis zu sechs Nukleolen . . . . . 189
12 Pollenmutterzelle in meiotischer Prophase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
13 Meiose: Metaphase der 1. Reifeteilung . . . . . . . . . . . . 19 3 14 Meiose: Anaphase der 1. Reifeteilung . . . 193
15 Meiose: Frühe Telophase der 1. Reifeteilung . . . . . . . . . . . . . . 193
16 Meiose: Interphase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 5 17 Meiose: Metaphase der 2. Reifeteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
18 Meiose: Telophase der 2. Reifeteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 5 19 Pollentetrade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
20 Mikrospore mit Kamm am proximalen Pol und mit den beiden Luftsäcken . . . 197
21 Vierte mitotische Zellteilung in Mikrospore; Teilung der Antheridiumzelle in Stielzelle und spermatogene Zelle . . . . . . . . . • . . . . . . 19 7 22 Pollenkorn mit den fünf Zellen: zwei Prothalliumzellen P an der Spitze der ursprünglichen Tetradenzelle, die Stielzelle S, die spermatogene Zelle G und am distalen Pol die vegetative Pollenschlauchzelle V . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
23 Längsschnitt durch Pollensack mit reifenden Pollenkörnern . . . . . . . . . . . . 19 7 24 Pollenreifegrad und Keimprozent . . . . . . 199
25 J ahresieitliche Periodizität des Keimprozentes der Nullprobe außerhalb der Kabinen . . 200
26 Einfluß der Begasungskonzentration und relative Keimprozente (frischer Pollen) aus den Frühjahrsbegasungen . . . . . . . 204
27 Einfluß der Lagerzeit und relative Keimprozente des Versuches 1976/1977 und der Nullprobe ohne Kabinenaufenthalt des Versuches 1978/1979 . . . 206
28 Der Einfluß einer direkten Begasung auf das Keimprozent lufttrockenen und angekeimten Pollens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
29 Der Einfluß der Begasungskonzentration auf das Keimprozent feuchten Pollens . . . . . 209
30 Wechselwirkung der Begasungskonzentrationen mit den Substratkomponenten auf das Keimprozent feuchten Pollens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
31 Wechselwirkung der Begasungskonzentrationen mit den Agar-Agar- bzw. Saccharoseanteilen auf das Keimprozent feuchten Pollens . . . . . . . . . . 212
Verzeichnis der Tabellen
Seite
Versuchsablauf der Blütenbegasungvon 1974 bis 1979 . . . 179
2 Zusammensetzung, Unterlage und Schichtdicke des Nährmediums für die Pollenkeimung . . . . . . . . . . . . . . . . 181
3 Der Einfluß der Keimsubstratzusammensetzung auf das Pollenkeimprozent . . . 201
4 Der Einfluß des Kabinenaufenthaltes der Pflanzen während der Blütezeit auf das Keimprozent des 4 7 Tage gelagerten Pollens . . . . . . . . . 201
5 Der Einfluß einer S02-Begasung auf das Keimprozent frischen Pollens . . . . 202
6 Der Einfluß der Begasungskonzentration auf das Keimprozent frischen Pollens . . . 203
7 Der Einfluß der Lagerzeit auf das Keimprozent des Pollens . . . . . . . 204
8 Der Einfluß der S02-Begasung nach Lagerzeit auf das Keimprozent des Pollens . . . 205
9 Versuchsbedingungen bei der 24stündigen direkten Begasung feuchten Pollens . . . 208
10 Der Einfluß der Begasungskonzentration auf das Keimprozent feuchten Pollens . . . 208 11 Wechselwirkung zwischen Begasungskonzentrationen und Keimsubstratkomponenten 210
Anthere Anthese Archesporzellen homogam Meiose
Mikropyle Mikrosporen Mitose
protandri5ch protogyn
Fachausdrücke
Staubbeutel des Staubblattes der Blütenpflanzen Die Zeit vom Aufbrechen einer Blüte bis zum Verblühen Vorläuferzellen der Pollenmutterzellen
männliche und weibliche Organe oder Blüten reifen gleichzeitig
Reifeteilung: Sie besteht aus zwei miteinander gekoppelten Teilungsschritten. In der 1. Reifeteilung werden die Chromosomen auf die Tochterzellen verteilt und so auf die Hälfte reduziert. Die 2. Reifeteilung gleicht einer Mitose.
Enger Kanal zwischen den Integumenten am Scheitel der pflanzlichen Same- nanlage, Durchtrittsstelle für den Pollenschlauch bei der Befruchtung.
Sie entwickeln sich aus den haploiden Tetradenzellen der Meiose. Aus ihnen gehen durch mitotische Zellteilungen in ihrem Inneren die Pollenkörner hervor.
Kernteilung, bei welcher aus einem Zellkern zwei Tochterkerne mit identischem Genmaterial resultieren. Da jede Tochterzelle von jedem Chromosom eine Spalthälfte erhält, bleibt die Chromosomenzahl erhalten.
frühere Reife der männlichen Organe oder Blüten frühere Reife der weiblichen Organe oder Blüten ( = proterogyn)
1 Einleitung
Unter den zahlreichen Schadstoffen, die in Luftverunreinigungen enthalten sind, nimmt das Schwefeldioxid, das GARBER (1973) als «klassisches Rauchschadengas»
bezeichnete, nach wie vor eine sehr bedeutende Stellung ein. Entsprechend zahlreich und vielfältig sind auch Beobachtungen, Untersuchungen und Nachweise über S02-bedingte Pflanzenschädigungen.
Die darüber berichtenden Autoren - unter ihnen besonders die ersten, welche in aus- geprägten Immissionsgebieten arbeiteten - gehen immer auf mehrere Schadenaspekte zugleich ein; sie lassen sich zwanglos in drei Gruppen unterteilen, die schon von den ersten Berichten an stets beachtet wurden.
Zum einen sind es Beobachtungen über Schädigungen von vegetativen Pflanzenorga- nen, die mit symptomatologischen oder physiologischen Methoden festgestellt werden.
GuDERIAN (1977) und DÄSSLER (1976) geben darüber ausführliche Zusammenfassun- gen.
Zum anderen sind es Beobachtungen und Nachweise, die eine Schädigung des Frucht- ansatzes oder der Samen, sei es nach der Anzahl, ihrer Dimension oder ihres Keimpro- zentes, feststellten. Unter der Einschränkung auf Waldbäume waren hier wohl GERLACH (1922) und WACHUTKA (1928) die ersten, die zudem auf das Ausbleiben der natürlichen Verjüngung in rauchgeschädigten Fichtenbeständen hinwiesen. Weitere Autoren mit ana- logen Feststellungen folgten. So berichtete PELZ (1963) über S02-geschädigte Fichtensa- men, WENTZEL (1963) über die gleichen Schäden bei der Buche, während PoozoRov (1965), RICHTAR (1967), MRKVA (1969) sowie HOUSTON und DOCHINGER (1977), ebenso MAMAJEV und SHKARLET (1972) und schließlich ANTIPOV (1970) Schäden, wie unvollständigen Fruchtansatz, Frühreife oder reduzierte Fruchtgröße bei Föhrenarten in Immissionsgebieten nachwiesen.
Gleichfalls mit den ersten Berichten wurde jedoch auch die naheliegende Rückverbin- dung von einer S02-bedingten Schädigung der Samen zu einer solchen der reproduktiven Organe selber gesucht, so von DöPP (1931) in einer sehr eingehenden experimentellen Arbeit. Als solche blieb sie mit Bezug auf Waldbäume in der Literatur der folgenden drei Jahrzehnte allein, und auch danach sind einschlägige experimentelle Arbeiten eher selten.
Die vorliegende Arbeit ist dieser letztgenannten Gruppe zuzurechnen. Sie beschränkt sich auf die Untersuchung der männlichen Blüten und des Pollens der Weißtanne und geht damit auf eine Baumart ein, für die KELLER (1978) schon nach der Einwirkung einer zehnwöchigen Frühjahrsbegasung mit einer S02-Konzentration von 0, 1 ppm signifikante Depressionen ihrer C0 2-Aufnahme festgestellt hatte. Unter seiner Leitung entstand auch die vorliegende Arbeit.
Herrn Dr. TH. KELLER sei an dieser Stelle der beste Dank für sein Interesse, seine Führung und Beratung ausgesprochen.
Ebenso danke ich allen, die mir bei der Durchführung der Arbeit geholfen haben. Vor allem Herrn J. Kälin, der mir bei der Herstellung der mikroskopischen Präparate und der photographischen Aufnahmen mit Rat und Tat behilflich war, Herrn Dr. J. Bucher für die Überwachung der Begasungsanlage, Herrn U. Bühlmann für die Betreuung der Anlage
und der Pflanzen sowie Herrn Dr. M. Hocevar für die Durchführung der Auswertung über das Rechenzentrum der ETH Zürich.
11 Bisher nachgewiesene Schädigungen reproduktiver Organe durch S02-Einwirkungen
Dem Thema unserer Arbeit entsprechend interessieren hier in erster Linie experimen- telle Arbeiten, die sich mit Waldbäumen befassen. Deren Seltenheit - experimentell durchgeführte Blütenbegasungen von Waldbäumen existieren überhaupt nicht - erfor- dert jedoch den Rückgriff auf Versuchsergebnisse mit anderen Pflanzen einerseits und auf nicht experimentelle Arbeiten mit Waldbäumen andererseits. Insbesondere ist auf HousTON und DocHINGER (1977) einzugehen, die sich mit den Auswirkungen chroni- scher Luftverschmutzungen befaßt haben. Sie stellten in ihrem Untersuchungsgebiet eine (allgemeine) Schädigung von reproduktiven Pflanzenorganen fest und konnten bei zwei Pinusarten eine Reduktion der Pollenkeimkraft nachweisen. Besonders bemerkenswert ist dabei, daß diese Schäden auftraten, ohne daß an den betroffenen Bäumen bereits sichtba- re Nadelschädigungen hätten beobachtet werden können.
Von den experimentellen Arbeiten seien diejenigen vorausgenommen, welche gezielte Begasungsversuche von männlichen Blüten in der Phase der Pollenbildung und während der darauffolgenden als Anthese bezeichneten Blütenentfaltung durchgeführt haben. In der ersteren der beiden Phasen konnten VAN HAUT und STRATMANN (1960) an verschie- denen Getreidearten bei zwar sichtbaren Schäden an assimilatorisch wirksamen Blattflä- chen zunächst noch keine Beeinträchtigung der inneren Blütenorgane feststellen; wohl aber trat eine Verzögerung im Hervortreten der Blütenstände auf und auch der Ertrag war vermindert. Insgesamt betonen V AN HAUT und STRA TM:ANN, daß den Schäden, wel- che das reproduktive Wachstum einer Pflanze durch immissionsbedingte Schädigungen der vegetativen Assimilationsgewebe indirekt erleidet, möglicherweise eine viel größere Bedeutung zukomme, als bisher angenommen.
Über S02-Begasungen während der Anthese berichtete DÖPP (1931), der mit kurz dauernden Starkdosen von S02 (Minimum 1 ppm) arbeitete. DöPP stellte dabei neben einer Verzögerung des Öffnens der Antheren eine Verringerung der Keimzahl bei dem aus der begasten Anthere entnommenen Pollen fest. Wiederum war es zunächst DöPP, der auf die Folgen einer S02-Einwirkung des aus der Anthere entlassenen Pollens einging.
Schädigungen des Pollens durch eine direkte S02-Begasung waren hier besonders deut- lich; lufttrockener Pollen wurde weit weniger geschädigt als benetzter oder sich im Zustand beginnender Keimung befindender Pollen.
Von VAN HAUT und STRATMANN (1960) wurde dies bestätigt: auch sie bezeichnen vom ganzen Weg, den ein Pollenkorn von der männlichen bis zur weiblichen Blüte zurückzulegen hat, das Stadium der Pollenkeimung auf der Narbe als das gegen S02- Immissionen empfindlichste.
KARNOSKY und STAIRS (1974) schließlich führten Begasungsversuche an Pollen von Koniferen durch. Sie fanden bei einer Begasungskonzentration von 1,4 ppm S02 und
einer Einwirkungsdauer von vier Stunden eine starke Verminderung der Keimzahl des Pollens, verbunden mit einer deutlichen Reduktion des Pollenschlauchwachstums.
12 Problemstellung
In unserem Zusammenhang interessierte allein die Schädigung der reproduktiven Organe, welche eine Schwächung ihrer Vitalität, eine Änderung ihres Erbgutes sowie eine völlige Vernichtung erfahren können.
Dabei ist freilich auch auf die natürlicherweise sehr gut ausgebildeten Schutzvorrich- tungen hinzuweisen, welche die · Pflanzenwelt allgemein ihren reproduktiven Organen angedeihen läßt. Mit dem Aufbau der reproduktiven Organe, mit ihrer Reife und ihrer Funktionserfüllung ändern aber Stärke und Wirkungsmöglichkeit ihrer Schutzvorrich- tungen und damit ihre Schädigungsanfälligkeit. Folgende Phasen lassen sich unterschei- den: Pollenbildung, Anthese, Pollenflug und Pollenkeimung. In der erstgenannten erfolgt der von der Vitalität des vegetativen Apparates und seinem bisherigen Schicksal abhängi- ge Auf- und Ausbau der Blütenknospen. In ihrem Innern vollzieht sich dann die eigentli- che Pollenbildung in verschiedenen Teilschritten. Bis zur vollen Reife des Pollens währt der anfängliche Knospenschutz, welcher dann in der Anthese gänzlich wegfällt. Der aus- gewachsene Pollen verbleibt auf seinem Flugweg - wenn auch durch eine Hülle geschützt, die zu den widerstandsfähigsten Materialien im ganzen Pflanzenreich zählt - voll jeder Immissionseinwirkung ausgesetzt. Bei seiner Keimung schließlich auf der Mikropyle bzw. Narbe wird auch diese Hülle durchbrochen; es mag sein, daß ihre Schutzwirkung dann durch Sekrete, welche die Narbe absondert, (wenigstens partiell) ersetzt wird.
2 Zielsetzung
21 Arbeitsziel
Die vorliegende Arbeit verzichtete auf die Untersuchung von S02-bedingten Einwir- kungen auf den Wechsel der Weißtannengenerationen. Sie ging vielmehr nur der Funk- tionstüchtigkeit des zuvor einer S02-Immission ausgesetzten Pollens und der ihn bilden- den Organe nach, wobei letztlich eine Aussage über deren S02-Toleranz angestrebt wur- de. Das setzte einerseits eine stufenweise dosierte Immissionseinwirkung auf den Pollen und andererseits quantifizierbare Beobachtungsergebnisse ihrer Funktion voraus.
Dies erforderte eine zweiteilige experimentelle Untersuchung. In ihrem ersten Teil, der Begasung mit S02, war es angezeigt, die Konzentrationen so zu wählen, daß sie im Berei- che der heute vorkommenden S02-Belastungen lagen. Für den zweiten Teil, die Ermitt- lung der Funktionstüchtigkeit des begasten Pollens, war eine dafür ebenso repräsentative wie methodisch einwandfrei zu ermittelnde Testgröße zu wählen: sie wurde in der Be- obachtung der Keimkraft des Pollens gesehen, die in vitro ermittelt wurde.·
Schädigungen des Pollens, die sich letzten Endes in einer Änderung seiner Keimkraft auswirken, können in jeder seiner Lebensphasen eintreten. Der Umfang unserer Untersu- chung war damit festgelegt.
Tatsächlich ist bisher die Pollenentwicklung der Weißtanne weder in ihren einzelnen Phasen noch in ihrem Gesamtablauf bekannt. Ebenso unbekannt ist von der Weißtanne, ob sie homogam, protogyn oder protandrisch blüht. Im letzteren Fall muß ihr Pollen nach der Anthese, auch wenn er die (meist in der Kronenpartie oberhalb der männlichen Blü- ten angelegten) weiblichen Blüten in Kürze erreicht, jedenfalls noch für einige Zeit keim- fähig bleiben, damit eine Befruchtung stattfinden kann. Deswegen, und weil auch die Pflanzenzüchtung wegen der Inkongruenz der Blütezeiten ihrer männlichen und weibli- chen Partner auf eine möglichst lange Funktionsfähigkeit des Pollens angewiesen ist, hatte unsere Untersuchung nicht nur eine direkte S02-Begasung des freien Pollens, son- dern auch eine Überprüfung seiner Lagerfähigkeit einzubeziehen. Damit war die abschließe~de Grenze unseres Untersuchungsumfanges festgelegt.
Weil unsere ganze Untersuchung, so sehr sie selber auch unter kontrollierbaren Bedin- gungen durchzuführen war, von zunächst unbekannten Störungseinflüssen vom Material und der Methode her nicht verschont blieb, war die Sicherheit ihrer Aussagen durch eine mehrjährige Wiederholung zu festigen.
Mit den bisher dargelegten Anlage- und Durchführungsprinzipien unserer Untersu- chungen sind zugleich die angezielten Aussagen erläutert worden. Sie waren von vornher- ein mehrfach begrenzt: in ihrem Inhalt, weil allein die Keimkraft (das Keimprozent) des Pollens als Testgröße für ihre Gesamtfunktion erfaßt wurde; in ihrem Umfang, weil mit der Pollenkeimung «in vitro» abgeschlossen wurde. Befruchtung wie Nachkommenschaft - und damit auch die Kontrolle möglicher genetischer Schäden - blieben gänzlich außer Betracht.
22 Versuchsfragen
Problemstellung wie Zielsetzung weisen auf Haupt- und Nebenfragen hin, die unsere Untersuchung zu beantworten hat. Während sich die Hauptfragen immer auf die Pollen- keimkraft beziehen und stets mit. der Höhe des Keimprozentes zu beantworten sind, haben die Nebenfragen zunächst Beobachtungsergebnisse im Verlauf der Pollenbildung zum Gegenstand; zusammenfassend r1chten sie sich schließlich auf Abhängigkeiten zwi- schen beiden oder gehen auf Zusammenhänge zwischen reproduktiver und vegetativer Wachstumsphase ein.
Im einzelnen ergaben sich die folgenden Fragestellungen:
Pollenen twicklung
1. Wie gestaltet sich der normale Ablauf der ·Pollenentwicklung, und durch welche äuße- ren Faktoren (Kabinenklima) wird er allenfalls beeinflußt?
2. Lassen sich demgegenüber Veränderungen nachweisen, wenn die Pollenentwicklung einer S02-Begasung ausgesetzt wird?
Pollenkeimkraft
3. Welchen Einfluß hat eine S02-Begasung von blütentragenden Weißtannen auf die Keimkraft frischen Pollens? Wie wirken sich dabei jahreszeitlich unterschiedliche Begasungsperioden und -konzentrationen aus?
4. Welchen Einfluß hat dieselbe Begasung auf die Keim.kraft gelagerten Pollens bei jah- reszeitlicher Änderung der Begasung während der Blütenbildung?
5. Welchen Einfluß hat eine direkte Begasung des Pollens mit S02 auf seine Keimkraft?
Vegetative und reproduktive Organe
6. Lassen sich Zusammenhänge zwischen S02-begasungsbedingten Schädigungen der vegetativen Organe blütenfragender Weißtannen und der Keimkraft davon geernteten Pollens feststellen?
3 Versuchsdurchführung
Die sich über insgesamt 5 Jahre erstreckende Durchführung des Gesamtversuches richtete sich zunächst auf die Beobachtung der Pollenbildung unter dem Einfluß einer S02-Begasung (Blütenbegasungsversuch). Sie umfaßte sowohl periodenweise wie gesamthaft den vollen Jahresablauf, wobei laufend Gewebeproben entnommen wurden.
Ein Teil des aus den Blütenbegasungsversuchen geernteten Pollens wurde einer Lage- rung unterworfen, die sich bis auf 380 Tage erstreckte. Ferner wurde sowohl lufttrocke- ner als auch angekeimter und feuchter Pollen unbehandelter Pflanzen während 24 Stun- den begast.
Sowohl der aus der periodischen Blütenbegasung stammende, dann entweder einer kurzen Reifezeit oder einer längeren Lagerung unterworfene, wie der einer direkten Bega- sung ausgesetzte Pollen wurde in vitro zur Keimung angesetzt und sein Keimprozent ermittelt.
31 Versuchsmaterial und -anlage
Dem gesamten Versuch standen insgesamt 138 Weißtannen-Klonpflanzen eines etwa 50jährigen Mutterbaumes aus Birmensdorf zur Verfügung, die durch Wurzelpfropfung hergestellt worden waren.
Für die S02-Begasungen (sowie Nullprobe) wurden die Freilandkabinen der EAFV (KELLER, 1976) benutzt. Diese sind durch ein von einer Selenzelle gesteuertes Schattier- dach vor direkter Sonneneinstrahlung geschützt. Die im betreffenden Jahr nicht verwen- deten Pflanzen des Gesamtversuches wurden in den Freibeeten des Gartens der EAFV belassen und ab 1976 dauernd beschattet.
32 Versuchsmethoden
Die angewandte Methodik läßt sich dreifach gliedern:
321 Präparate zur Beobachtung der Pollenentwicklung
Der Ablauf der Pollenentwicklung war in seinen Phasen (Beginn, Dauer und Abschluß) ebenso wie allfällige durch die S02-Begasung verursachte Gewebeveränderun- gen in den reproduktiven Organen zu beobachten und festzuhalten. Dazu war eine perio- dische Entnahme von Blüten bzw. Blütengewebe und deren Aufbereitung erforderlich.
Während der Begasung der blütentragenden Pflanzen wurden gemäß Tabelle 1 von Blüten jeder Pflanze mikroskopische Dauerpräparate hergestellt und in zweifacher Weise aufbereitet:
a) Paraffineinbettung
Die Blüten wurden mit Randolph-Nawaschinschem Gemisch nach JoHANSEN (1940) fixiert und in Paraffin eingebettet. Mit dem Rotationsmikrotom wurden dann 10 µm
dicke Serienschnitte hergestellt und nach GuTBROD und RAST (1950/1951) mit Pikro- wasserblau, Gentianaviolett und Safranin angefärbt.
b) Quetschpräparate
Zur Herstellung der Quetschpräparate nach GERLACH (1977) wurde Alkohol-Eisessig 3: 1 zur Fixierung der Blüten und anschließend Karminessigsäure zur Färbung ver- wendet.
Tabelle 1 Versuchsablauf der Blütenbegasung von 1974 bis 1979 --- Begasungsperiode llIII Anthese T Entwicklungsstadien
Versuchsjahr und Be- gasu ngskonzentration
Vorversuch 1974/75 0,2, 0, 1, 0,05, 0,0 ppm
1975/76 0,2, 0, 1 , 0,05, 0,0 ppm
1976/77 0,2, 0,0 ppm
1977/78 0,2, 0, 1 , 0,05, 0,0 ppm
1978/79 0,075, 0,025, 0,0 ppm
• und Präparateentnahme PMZ = Pollenmutterzellen Juni Juli Aug. Sept. Okt. Nov. Dez. Jan. Feb. März April Mai
1 1
·1
~
1 1 1 Anthese1 1 1 1
Mitotische Zellteilungen in Mikrospore
1 1 1 1 'T 1 1
1 1
!.
1 1 1 1 1 ., '!3 1 1E_ndsta?iumtder ~lüten?nlag~entwi.cklun~ f,nth1e~e 1
1 1 1 1 .,... 1 1• 1 IIDI 1
1 1 Ruhestadium im Winter 1 ~1krosporen 1 1
1 1 1 1 1 IT 1 1 •~ ~I 1
1 1 1 1 1 1 1 Tetraden Anthese 1
1 1 1 1 1 1 1 1 ~ 1
Endstadium der Blütenanlageentwicklung PMZ Meiose 1
f~--+-+---+---+-!-,,~\..a-: i~
1 Tetraden 1 ~nthese
1 Mikrosporen 1 1
1 1 I~I
1 1 ... 1 1
PMZ Meiose Knospenschuppen- Endstadium der Blütenanlage-
b.ld 1 ung ' · I entw1c ung · kl · 1 1 1 PMZ Meiose Anthese 1
Tl 1
.J!
1 1 1 1 1 T IT 1~
11 1 1 1 1 1 1 Arches:Orzel\en I
Knospenschuppen- 1
bildung
i i
1T
1 1 1 11 1 1 1 1
1 PMZ Meiose Anthese
1
'1 „ i
~ 1Nullprobe ausserhalb Kabine 1 Archesporzellen PMZ 1 1
„
1 1 1 1Knospenschuppen- I I
bildung ' 1
1 ~ TT I ctpl 1 1 ~eiose I Anthese
322 Blütenbegasung, Pollenernte und -lagerung
Die Blütenbegasung erfolgte gemäß Ablaufschema der Tabelle 1. Die Pollenernte wur- de in allen Versuchen während der Anthese durchgeführt. Es wurde abgewartet, bis sich die Pollensäcke spontan öffneten. Dann wurde der Pollen, pro Pflanze gesondert, in Petri- schalen gesammelt, ein bis zwei Tage bei Zimmertemperatur getrocknet und für maximal 4 7 Tage bei einer konstanten Temperatur von 2 °C im Thermoschrank aufbewahrt.
Für den Lagerungsversuch wurde diese Aufbewahrungsart bis auf 380 Tage ausge- dehnt.
323 Direkte Pollenbegasung
Bei der Variante «lufttrocken» wurde der aus dem Thermoschrank entnommene Pollen sofort einer 24stündigen Begasung mit 0,2 ppm ausgesetzt. Bei der Versuchsvariante
«angekeimt» erfolgte die 24stündige, mit 0,2 ppm S02 durchgeführte Begasung im mittle- ren Drittel der 3tägigen Inkubationszeit. Bei der Variante «feucht» wurde der aus der Auf- bewahrung entnommene Pollen zunächst auf das Nährmedium (siehe Tabelle 2) aufge- bracht und anschließend_ einer 24stündigen S02-Begasung ausgesetzt. Die Begasungs- konzentration lag zwischen 0,025 und 0,225 ppm. In allen Fällen wurde eine Nullprobe mitverwendet.
324 Pollenkeimung und Ermittlung des Keimprozentes
Aufgrund der Vorversuche wurde aller Pollen mit der Methode «Feuchte Kammer»
(FRÖHLICH, 1964) zur Keimung angesetzt. Vorher war das dabei zur Verwendung kom- mende Nährmedium wie die Glaswaren und das Filterpapier gründlich sterilisiert wor- den'. Der Pollen wurde mit einem Glashaarpinsel auf die mit dem Nährmedium beschick- ten Objektträger bzw. Petrischalen auf gebracht, und diese wurden dann auf Glasstäben in Petrischalen mit 24 cm Durchmesser («Feuchte Kammer») gelagert.
Konzentration und Schichtdicke des Nährmediums unterschieden sich in den einzel- nen Versuchen folgendermaßen:
Tabelle 2 Zusammensetzung, Unterlage und Schichtdicke des Nährmediums für die Pollenkei- mung
Versuchs- Ausführungs- Nährmedium
bezeichnung jahre
Zusammensetzung Unterlage Schicht-
% dicke
(mm)
Blütenbegasung 1975-1979 Objekt- 1,5
mit Lagerungs- träger
versuch Saccharose 10
Agar-Agar 1
Direkte 1977, 1978 Borsäure 0,01 Petri- 5,0
Pollenbegasung schale
088mm
1978 ½-¼ der obigen
Konzentration
1979 10,0 1,0 0,01
(1) 5,0 ~
V:, ~ (1)
0 oJ) ~
~ 2,5
1
;::l~ :~
...c:: ~ V:,
u 10,0 ~ 0,5 ~ 0 0,01
u i::Q
~ 5,0
<
(/)
2,5
Die Änderungen in der Zusammensetzung des Nährmediums sowie seine Schichtdik- ke waren zum Teil Versuchsfragen, zum Teil durch unterschiedliche Lufttemperaturen in den einzelnen Versuchsjahren bedingt.
Für den Gesamtversuch einheitlich dagegen war wiederum die Durchführung der Inkubation im Thermoschrank, die mit einer Dauer von 72 Stunden bei 20°C im Dun- keln ablief.
Nach dieser Frist wurde bei 50facher Vergrößerung in einer jeweils gleichen Zone von drei bis fünf Objektträgern bzw. Petrischalen pro Pflanze an mindestens je 50 Pollen das Keimpro.zent ermittelt. Dabei galt jeder Pollen als gekeimt, dessen Pollenschlauch die hal- be Länge des Pollenkorns erreicht hatte (Abbildung 1).
33 Versuchsablauf und Auswertung
331 Ablauf und Datenerfassung
Die einzelnen Versuche wurden jeweils mit einer unterschiedlichen Anzahl Wiederho- lungen - wobei eine Pflanze
=
eine Wiederholung - und mit einer verschiedenen Anzahl von Pollen-Objektträgern bzw. Petrischalen für die Keimung und die Ermittlung des·Keimprozentes ausgestattet. Dies erklärt sich zunächst aus den Erfahrungen des Vorver-
Abbildung 1 Gekeirnter Pollen der Weißtanne.
suches, der pro Begasungsvariante nur über 2 bis 4 Pflanzen verfügte, von denen nur je ein Objektträger zur Keimung angesetzt werden konnte und für die Keimprozentbestim- mung zur Verfügung stand. Von den folgenden Versuchen wurden der Versuch «Blütenbe- gasung 1975/1976» mit je 2 Wiederholungen und 5 Objektträgern, alle übrigen Versuche mit 5 Wiederholungen und 5 Pollen-Objektträgern bzw. Petrischalen zur Bestimmung des Keimprozentes durchgeführt.
332 Versuchsauswertung
Aus diesen Gründen konnte ein Teil der Versuche nicht mit statistischen Methoden ausgewertet werden. Im einzelnen handelte es sich dabei um den Blütenbegasungsver- such 1975/1976, der mit nur 2 Wiederholungen durchgeführt worden war, sowie um den Blütenbegasungsversuch 1977 / 1978, der zu wenig Blüten aufwies, als daß eine genügen- de Pollenanzahl hätte geerntet werden können. Der erstgenannte Versuch ergab jedoch eindeutige Tendenzen. Die Ergebnisse aller anderen Versuche konnten einer normalen statistischen Auswertung unterzogen werden.
Füt die EDV-Auswertung des Blütenbegasungsversuches 1976/1977 und des direkten Pollenbegasungsversuches 1979 stand das Programm LSMLMM (Least squares and Maximum Likelihood General Purpose Program 252 K Mixed Model Version) von
HARVEY (1972) zur Verfügung. Die Unterschiede zweier Mittelwerte, die eine statistisch gesicherte Differenz ergeben, sind mit einer. Irrtumswahrscheinlichkeit von P = 0,05 bezeichnet. Die restlichen, einer statistischen Überprüfung zugänglichen Versuche wur-
den von Hand unter Anwendung einer einfachen Varianzanalyse mit anschließendem U-Test nach WILCOXON et al. (SACHS, 1968) ausgewertet. Die statistische Signifikanz der aus dem U-Test stammenden Werte ist wie üblich mit ns (nicht signifikant), *(P=0,05) und** (P= 0,01) angegeben (einseitiger Test).
4 Versuchsergebnisse und Diskussion
In der dreiteiligen Darlegung der Ergebnisse wird der Ablauf der Blüten- und Pollen- bildung vorausgenommen; seine Beobachtungsergebnisse sind morphologischer, nicht funktionaler Art wie in den weiteren Kapiteln über die Keimkraft.
41 Blüten- und Pollenentwic~lung und S02-Einfluß
Unsere Beobachtungen der Pollenentwicklung umfassen den Zeitraum von Mitte Juni bis zur erfolgten Anthese des folgenden Frühlings. Dabei wurden von freiem Auge oder unter dem Mikroskop feststellbare Änderungen der reproduktiven Organe und ihres Gewebes sowie der vegetativen Pflanzenorgane festgehalten.
411 Der ungestörte Ablauf
In un_seren Versuchen wies der Ablauf der Pollenentwicklung einige Abweichungen von demjenigen auf, den MERGEN und LESTER (1961) für andere Abies-Arten dargelegt haben.
Erstmals Mitte Juni waren im mittleren Drittel neu gebildeter Triebe winzige, sich ent- wickelnde männliche Blütenknospen in den Nadelachseln der Zweigunterseite von blo- ßem Auge erkennbar (Abbildung 2).
Die in diesem Stadium gefertigten Präparate in Paraffineinbettung zeigen erst die sich bildenden Knospenschuppen um den Vegetationskegel (Abbildung 3), aus dem sich im Laufe des Sommers die eigentliche Blüte differenziert hätte.
Anfangs Oktober traten die etwa 2 mm langen Blütenknospen gut in Erscheinung (Abbildung 4). Zugleich war feststellbar, wie auch OwENS und MoLDER (1977) beiAbies amabilis beobachteten, daß keineswegs alle im vorangegangenen Juni als latente männli- che Blüten aussehenden Knospenanlagen sich tatsächlich zu Blüten entwickelten (Abbil- dung 8).
Die ausgebildete Blüte ist von hellbraunen, pergamentartigen und mit Harz verklebten Knospenschuppen dicht umschlossen. Um ihre Innenachse sind die zahlreichen Staub- blätter dichtschraubig angeordnet (Abbildung 5). Auf ihrer Unterseite befinden sich je 2 Pollensäcke (Abbildung 6).
Um Mitte Oktober teilen sich die darin befindlichen Archesporzellen - die eigentlichen generativen Zellen - nur mehr mit sehr geringer Frequenz (Abbildung 7). Nach Mitte Oktober konnten in ihnen keinerlei Zellteilungen mehr festgestellt werden.
Die Archesporzellen zeigen in diesem Stadium Mitte Oktober einen eckigen Umriß;
ihr Zellkern enthält bis zu 6 verschieden große Nucleolen. MERGEN und LESTER (1961) haben das gleiche Stadium bei anderen Abies-Arten im Januar festgestellt.
Die Archesporzellen werden von der Pollensackwand umschlossen; ihre innerste Zell- wandschicht wird durch das für die Pollenbildung ernährungsphysiologisch sehr bedeut- same Tapetum gebildet. Auch bei diesen Pollensackwandzellen waren, wie schon bei den
Abbildung 2 Unterseite eines jungen Weißtannensprosses im Juni. In den Nadelachseln sitzen die männlichen Blütenknospenanlagen.
Foto P. Scherrer, EAFV.
Abbildung 3 Medianer Längsschnitt durch männliche Blütenknospenanlage im Juni. Knospen- schuppen umschließen den Vegetationskegel.
Abbildung 4 (oben links) Unterseite eines Weißtannensprosses mit männlichen Blütenknospen im Oktober. Foto S. Crapp, EAFV.
Abbildung 5 (oben rechts) Medianer Längsschnitt durch eine männliche Blüte im Oktober.
Abbildung 6 (unten links) Querschnitt durch Staubblatt mit zwei Pollensäcken im Oktober.
Abbildung 7 (unten rechts) Mitotische Zellteilungen von Archesporzellen im Oktober.
Abbildung 8 (oben links) Unterseite eines Weißtannensprosses im Januar mit entwickelten männlichen Blütenknospen und zwei latent gebliebenen Blütenknospenanlagen. Das Innere der auf geschnittenen Blütenknospe zeigt die Blüte mit den zahlreichen Staubblättern.
Foto G. Bazzigher, EAFV.
Abbildung 9 (oben rechts) Medianer Längsschnitt durch männliche Blüte im Januar.
Abbildung 10 (unten links) Längsschnitt durch Pollensack im Januar.
Abbildung 11 (unten rechts) Archesporzellen im Januar. Jeder Zellkern enthält bis zu sechs Nukleolen.
Archesporzellen, ab Mitte Oktober keine Zellteilungen mehr feststellbar; sie unterlagen jedoch noch einem erheblichen Streckungswachstum.
Ab November verweilt die Blüte, vom Streckungswachstum der Pollensackwand abgesehen, in einem Ruhestadium, das etwa 4 Monate anhält.
Abbildung 8 zeigt eine aufgeschnittene Blüte im Ruhezustand. In ihrem Inneren sind die je 2 Pollensäcke umschließenden Staubblätter gut erkennbar. Beim Anstechen der Pollensäcke mit einer Präpariernadel quollen die Archesporzellen in zusammenhalten- den, kleinen Klümpchen aus der Pollensackwand; sie sind in diesem Blüten-Entwick- lungsstadium nach STRAKA (1975) noch durch Plasmabrücken miteinander verbunden.
Abbildung 9 zeigt einen Blütenlängsschnitt im Januar, Abbildung 10 einen Ausschnitt daraus mit zwei Pollensäcken. Infolge des Streckungswachstums weisen die Pollensack- wandzellen nunmehr eine bedeutend größere Länge auf.
Am Ende der Ruheperiode, etwa in der zweiten Märzhälfte, vergrößern sich die Blü- ten durch die mit einem Wachstum verbundene Umformung der Archesporzellen in run- de und ovale Zellen: die eigentlichen Pollenmutterzellen (vgl. Abbildung 11 mit Abbil- dung 12).
Nach STRAKA (1975) umgeben sich dabei die Pollenmutterzellen mit ein~r amorphen Calloseschicht, welche jede von ihnen völlig voneinander trennt. Dies war auch in unse- rem Material feststellbar.
Meistens im März, etwa 14 Tage nach Beendigung der Ruheperiode, beginnt die Reife- teilung in den Pollenmutterzellen. Durch das Erscheinen einer netzartigen Struktur im Zellkern wird die Meiose eingeleitet (Abbildung 12). Im Zellkern wurde nur noch ein Nucleolus festgestellt. Die Meiose verläuft in den bekannten beiden Teilschritten (1. und 2. Reifeteilung) und nimmt einschließlich der Prophase etwa 3 bis 4 Wochen in Anspruch, wobei der weitaus größere Teil auf die Prophase der 1. Reifeteilung entfällt.
Die Abbildungen 13 bis 18 zeigen verschiedene Teilschritte der Meiose. Nach LINSKENS (1967) und eigenen Beobachtungen findet die Meiose in den einzelnen Pollenmutterzellen einer Blüte stets gleichzeitig statt, kann sich aber von Blüte zu Blüte um wenige Tage ver- schieben.
Im März oder April (je nach Witterungsablauf) entstehen als Ergebnis der Meiose die Pollentetraden mit je 4 Zellen, den künftigen Pollenkörnern (Abbildung 19). Jeder Zelle der Tetrade kommt eine ausgesprochene Polarität zu, in der die Zellenspitze nach innen und die Basis nach außen gegen die Tetradenwand gerichtet ist. Um jede der Tetradenzel- len, deren Kerne einen haploiden Chromosomensatz aufweisen, bildet sich nun die Pol- lenkornwand aus. Durch Wachstum und Streckung der Mikrosporen wird schließlich die Zellwand der Pollenmutterzelle gesprengt. Etwa 8 bis 14 Tage nach der Reifeteilung wer- den dadurch die Mikrosporen frei. Dieses Stadium ist äußerlich an der eingetretenen Ver- größerung und Streckung der Blüten erkennbar. Während in der Meiose die Knospen- schuppen die Blüte noch eng umschließen, hat die Blüte jetzt bereits begonnen, die Knos- penhülle aufzubrechen.
Nach dem Freiwerden der Mikrosporen bildet sich die Pollenkornwand weiterhin kräftig aus. Schon früh werden die beiden Luftsäcke sichtbar (Abbildung 20). Die Pollen- kornwand besteht aus zwei Schichten: der aus Sporopolleninen aufgebauten, sehr wider-
standsfähigen Exine und der Intine. Die letztere umschließt den Zellinhalt lückenlos; bei der Pollenkeimung wird sie die Wandschicht des austretenden Pollenschlauches bilden.
Zugleich mit der Pollenkornwand durchläuft auch die Mikrospore selber ein kräftiges, im Strecken der Blüte sich deutlich abzeichnendes Wachstum. Danach finden in ihrem Inne- ren 4 mitotische Zellteilungen statt, deren Verlauf nur wenige Tage in Anspruch nimmt.
Abbildung 21 hält die letzte der 4 mitotischen Zellteilungen der Mikrospore fest.
Abbildung 22 zeigt das Ergebnis der 4 Zellteilungen der Mikrospore. Die entstande- nen 5 neuen Zellen sind bereits deutlich differenziert. Zwei Prothalliumzellen liegen an der Spitze der ursprünglichen Tetradenzelle und eine vegetative oder Pollenschlauchzelle an deren ehemaliger Basis. Dazwischen liegen die spermatogene Zelle und die Stielzelle.
Abbildung 23 zeigt den gesamten Pollensack mit den darin eingeschlossenen reifenden Pollenkörnern.
In der Zeit zwischen April und Mai, nach einer in Abhängigkeit von der herrschenden Witterung sich über mehrere Tage ausdehnenden Reifeperiode, stehen die Pollenkörner zur Anthese bereit. Ein Kohäsionsmechanismus der Pollensackwand, dessen Funktion wesentlich von der Luftfeuchte abhängig ist, öffnet nun die Pollensäcke und entläßt - von der gleichen Blüte meist nicht an einem einzigen Tag - die reifen Pollenkörner.
412 Ökologische Einflüsse auf den Zeitablauf
In unseren sich über die Jahre 1974 bis 1979 erstreckenden Blütenbegasungsversu- chen, deren Ablauf Tabelle 1 wiedergibt, erscheint der Einfluß der Lufttemperatur auf die Ablaufgeschwindigkeit der Pollenentwicklung wie auf den Beginn der Anthese von gro- ßer Bedeutung.
So kannte die Bildung der Pollenmutterzellen bei Pflanzen, die den Winter in den Kabinen zubrachten, wo eine um durchschnittlich 4 °C höhere Lufttemperatur herrschte als außerhalb, bereits in der zweiten Februarhälfte erfolgen. Bei den außerhalb der Kabi- nen überwinternden Pflanzen dagegen setzte sie 10 Tage bis 3 Wochen später ein, wäh- rend die Anthese sogar eine Verzögerung bis zu einem Monat aufweisen konnte.
413' Der Einfluß einer S0 2-Begasung auf vegetative und generative Organe Die Feststellung der hier einschlägigen Beobachtungen erfolgte auf zweierlei Art:
a) durch die dauernde Beobachtung und Registrierung aller von bloßem Auge feststellba- ren Veränderungen der an den Versuchen teilnehmenden Pflanzen;
b) durch Präparatentnahmen und ihre Untersuchung unter dem Mikroskop. Diese Ent- nahmen wurden im Laufe der Jahre intensiviert. Im Mittel wurde - von den Ruhe- perioden (etwa November bis Februar) abgesehen - ungefähr alle 8 Tage eine Probe entnommen.
In den Versuchen, deren Begasungsperioden sich generell von Oktober bis zur Anthe- se im nächsten Frühjahr erstreckten (Herbst-, Winter-, Herbst/Winter-, Frühjahrs-Bega- sung), konnten keinerlei Unterschiede zwischen begasten und unbegasten Pflanzen fest-
Abbildung 12 (oben links) Pollenmutterzelle in meiotischer Prophase.
Abbildung 13 (oben rechts) Meiose: Metaphase der 1. Reifeteilung.
Abbildung 14 (unten links) Meiose: Anaphase der 1. Reifeteilung.
Abbildung 15 (unten rechts) Meiose: Frühe Telophase der 1. Reifeteilung.
t
25µ
Abbildung 16 (oben links) Meiose: Interphase.
Abbildung 17 (oben rechts) Meiose: Metaphase der 2. Reifeteilung.
Abbildung 18 (unten links) Meiose: Telophase der 2. Reifeteilung.
Abbildung 19 (unten rechts) Pollentetrade.
25µ
0
Abbildung 20 (oben links) Mikrospore mit Kamm am proximalen Pol und mit den beiden Luft- säcken.
Abbildung 21 (oben rechts) Vierte mitotische Zellteilung in Mikrospore; Teilung der Anthe- ridiumzelle in Stielzelle und spermatogene Zelle.
Abbildung 22 (unten links) Pollenkorn mit den fünf Zellen: zwei Prothalliumz~llen Pan der Spit- ze der ursprünglichen Tetradenzelle, die Stielzelle S, die spermatogene Zelle G und am distalen Pol die vegetative Pollenschlauchzelle V.
Abbildung 23 (unten rechts) Längsschnitt durch Pollensack mit reifenden Pollenkörnern.·
