Morphogenetic movements and segmentation of posterior egg fragmentsin vitro

Summary Eggs ofCalliphora were operated (I) at the undifferentiated blastoderm stage, (II) after blastoderm differentiation and in the stages showing border furrows and the beginnings of gastrulation, and (III) during forward extension of the posterior germ band region along the dorsal egg surface. The operation consisted of cutting off up to 1/3 of the egg anteriorly and removing the posterior egg fragment from the vitelline membrane for culture in a hanging drop. As control experiments for the explanted egg fragments, anteriorly pricked eggs and corresponding posterior fragments not removed from the vitelline membrane were cultured in hanging drops. Different technical prerequisites for the sterile culture ofCalliphora embryo fragmentsin vitro were tested. Development of the living embryo fragments was followed, and representative embryos fixed and microscopically examined for comparison with normally developing embryos. In explants I cell formation in the blastoderm did not reach completion and the blastoderm nuclei did not divide further. Slight contractions of parts of the preblastoderm did occur, but no morphogenetic movements. —In control fragments cell formation mostly proceeded further, but gastrulation was abortive except in large fragments. In explants II, irregular immigration of mesoderm cells was possible in fragments explanted before mesoderm groove initiation, but the explants did not develop further. Invagination of mesoderm through a groove, followed by segmentation of the germ band and some differentiation, was possible only in explants operated after initiation of groove formation. The germ band did not extend antero-dorsally, but became folded laterally, these folds foreshadowing the intersegmental boundaries formed later. Organogenesis and histological differentiation were in many respects abnormal. — In contrast, mesoderm invagination and initiation of germ band extension were possiblein control fragments operated before mesoderm groove initiation, although abnormalities in gastrulation were common. Explants III, despite cessation of germ band extension after explantation, often underwent further development resulting in histologically differentiated partial embryos, showing various abnormalities in organogenesis. The dorso-lateral furrows often persisted until segmentation and may correspond to primitive intersegmental furrows. The hind-gut and part of the posterior mid-gut-rudiment often evaginated during germ band contraction. Only when avitelline membrane was present did the germ band continue to extend antero-dorsally and, although this extension was rarely complete, further development with normal organogenesis and histological differentiation took place.Of the three germ layers, the ectoderm most closely approached normal differentiation in both explants and control fragments, with differentiation of nerve ganglia, tracheae, salivary glands, and a hind-gut epithelium with Malpighian tubules. Differentiation of the mesoderm in the explants was confined to muscle fibres situated near the ganglia. The endoderm remained undifferentiated in explants but formed a mid-gut epithelium in some control fragments, when splanchnic mesoderm was also present.The bearings of these results on morphogenetic problems in the insect egg is discussed.

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Zusammenfassung Eier vonCalliphora wurden (I.) im Vorblastodermstadium mit Polzellen, (II.) während der Differenzierung des Blastoderms und des Beginns der Primitivrinnenbildung und (III.) während des Schichtenbaues und der Streckung des Keimstreifs rückwärts auf die dorsale Eiseite operiert. Das Chorion wurde abgeschält, der Vorderpol bis zu 1/3 der Eilänge gekappt, und das Eifragment vorsichtig aus dem steifen sog. Dotterhäutchen ausgedrückt. Für die Weiterentwicklung wurden Steriltechnik, Kulturmedien und verschiedene Unterlagen im hängenden Tropfen erprobt. In den meisten Fällen war eine physiologische Salzlösung mit Zuckerzusatz und ein Stückchen Cellophanpapier benutzt worden. Als Kontrollversuche zur Entwicklung der Explantate dienten vorn angestochene Eier und Posteriorfragmente mit ihrer Vitellinmembran, die zu gleicher Zeit und auf gleiche Weise im hängenden Tropfen kultiviert wurden. Der Entwicklungsablauf in vitro wurde am lebenden Objekt beobachtet und nach Fixierung in Schnittpräparaten lichtmikroskopisch ausgewertet.Kein Medium ist optimal gewesen. Junge Explantate werden etwas flacher und kleben an der Unterlage. Die Kontrollfragmente entwickeln sich im allgemeinen besser als die zugehörigen Explantate. Der Keim ragt manchmal aus der Vitellinmembranhülse heraus. Explantate des I. Operationsstadiums vermehren die Kerne nicht und vollenden nicht die Bildung der Zellgrenzen, sondern reduzieren sie. Geringe Kontraktionen des Eimaterials kommen vor, Gestaltungsbewegungen aber nicht. — InKontrollfragmenten schreitet die Bildung und Differenzierung des Blastoderms fort, die Gastrulationshewegungen werden in stark verkürzten Eiern abnorm. Explantate des II. Operationsstadiums entwickeln sich irregulär weiter, wenn sie noch nicht mit der Bildung der Primitivrinne begonnen hatten. Bei Beginn des Schichtenbaues operierte Eier können einen segmentierten Keimstreif bilden, der sich aber am Hinterpol nicht typisch dorsal wendet. Die Serosa ist oft geschwollen. Nicht unterlagertes Mesoderm bleibt bis auf eine kleine Portion untypischer somatischer Muskulatur nahe den Neuromeren undifferenziert. Die klaffenden Seitenplatten können sich zu Epidermis und Tracheen sowie zu je einem halben Nervensystem mit aufeinanderfolgenden Knotenpaaren differenzieren. Auch ohne Blastokinese können dorsolaterale Falten erscheinen, die mehr oder weniger deutlich in 4–5 ventrolaterale Segmentfurchen übergehen. Verspätet treten noch 1–2 Segmentanlagen vor der hinteren Entodermanlage auf. Das Einstülpen der hinteren Mitteldarmanlage und des Proktodaeum gelingt nicht. Schon die vor dem Auftreten der Primitivrinne operiertenKontrollfragmente können Schichtenbau, Segmentierung und Organdifferenzierung vollziehen, allerdings gelingt manchmal die Unterlagerung des Mesoderms nicht. Selbst ein normal ausgebildeter Keimstreif streckt sich in der Vitellinmembran-Hülse oft nicht mit einer Dorsalwendung des Hinterendes. Die dorsolateralen Falten sind oft irregulär oder fehlen ganz. Das Proktodaeum und eventuell ein Teil des Mitteldarmes werden manchmal ausgestülpt. Explantate des III. Operationsstadiums können sich bis zum schlupfreifen Zustand weiterentwickeln, aber das dorsal gewendete Keimstreifhinterende zieht sich etwas zurück. Allem Anschein nach entsprechen die dorsolateralen Falten primitiven Segmentfurchen. Das im ganzen dorsal gekrümmte Fragment verkürzt sich zur normalen Zeit vor der Ausbildung des Rückens. Der Enddarm hat sich oft nicht ein- sondern ausgestülpt. Auch bei denKontrollfragmenten kann das Hinterende sich nicht vollständig dorsal gestreckt haben. Im allgemeinen entwickeln sich die Kontrollen normal weiter.DasEktoderm differenziert sich in Fragmenten ohne und mit Dottermembran-Hülse ganz entsprechend dem Normalfall zu Epidermis, Nervenganglien, Tracheen, Speicheldrüsen und Enddarmepithel mit Malpighi-Gefäßen. DasMesoderm hat sich in Explantaten nur zu untypischen Muskelzügen differenziert, soweit es nahe den Ganglien liegt. DasEntoderm bleibt in Explantaten undifferenziert.Die Diskussion der morphogenetischen Probleme, zu deren Lösung diese Ergebnisse in vitro beitragen können, hat zu folgendenSchlußfolgerungen geführt. Die Anteriorschnittversuche erlauben noch nicht, einen blastodermalen Anlagenplan abzuleiten. Der Innendruck des Eies ist nicht eine entscheidende Bedingung für normale Weiterentwicklung. Die Begrenzung des Eiraumes durch das Dotterhäutchen ist wichtig für die Gestaltungsbewegungen bei der Bildung der Zellmembranen des Blastoderms, beim Schichtenbau und beim Dorsalwenden des sich streckenden Keimstreifendes. Dynamische Faktoren für den Beginn der Gastrulation sind weniger im Dotterentoplasmasystem als in den Blastodermzellen zu suchen. Abnorme Gestaltungsbewegungen werden begleitet von abnormer Zellformung. Das Ektoderm ist selbstdifferenzierungsfähig; abortiv gastruliertes Mesoderm kann sich nur in der Nachbarschaft von Ganglienmaterial zu Muskelanlagen differenzieren. Die Proktodaealanlage kann sich nur im dorsal gestreckten Keimstreif richtig einstülpen. Mesoderminvagination ist eine Vorbedingung für die Segmentierung des Keimstreifs. Dorsolaterale Querfalten können in Explantaten auch ohne dorsale Keimstreifstreckung entstehen. Sie gehen auch oft, wenn sie schon beim Explantieren angedeutet sind, in ventrolaterale primitive Segmentgrenzen über, die anscheinend zwischen Paaren aufeinanderfolgender, definitiver Segmentanlagen einfurchen. Die Verkürzung des segmentierten Keimstreifs erfolgt unabhängig von der Vitellinmembranwand.

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Under tenure of a Royal Commission for the Exhibition of 1851 Overseas Research Scholarship.

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With many thanks for material support from the Deutsche Forschungsgemeinschaft.