Institut de zoologie, Facult~ des sciences, Universit6 de Kioto, Japon

Reeherehes sur l'expression des faeteurs l~taux h~r~ditaires chez l'embryon de la drosophile

I. La v a r i a t i o n du v o l u m e de l ' e m b r y o n p e n d a n t la p r e m i e r e p d r i o d e du d d v e l o p p e m e n t

P a r

Tadashi Imaizumi

Avec 3 graphiques et 20 figures

(Refu le 30 juin 1953)

Introduction

Pendant la premiere p~riode du d~veloppement de la drosophile, on a observd quelques earaetdristiques remarquables, telles que la migration des noyaux, la formation et le mouvement des cellules polaires, la forma- tion du blastoderme etc. Ces ph~nomgnes out fair l'objet d'observations eytologiques et morphologiques d~taill~es par H u e t t n e r (1923, 1924), P a r k s (1937, 1938), P o u l s o n (1937, 1940, 1947) et R a b i n o w i t z (1941) etc., leurs travaux out 6tg dgveloppds en 1950 par S o n n e n b l i c k . Mats aucune investigation n'a gt6 faite /t cause de la diffieult6 de la mdthode exp6rimenta!e en ee qui eoneerne le m6eanisme du dgveloppement. D'autre part, bien que quelqueS mutant,s dont les earaet~res lgtaux apparaissant d6js ehez l'embryon aient gig d~eouverts (par exemple P o u l s o n 1940, 1947, H a d o r n 1951), les causes de la mort n'ont pas gtg tir~es au clair.

Si on place au point de rue physiologique, il semble certain que des eorr61ations doivent exister entre les ehangements de forme de l'embryon et les mouvements des substances qui constituent le syst~me dispers6 du protoplasme de l'ceuf. Une analyse physiologique du mouvement de ees substances se montra ngeessaire st on veuf rgsoudre le m~eanisme du dgveloppement, qu'il soit normal ou anormal. C'est pourquoi nous avons 6tudi6 les structures fondamentales du jeune embryon et leur variations pendant la premibre pgriode du dgveloppement.

Une sgrie de ees reeherehes a gt~ ex6eut6e sous la direction du Prof. K. N a k a m u r a ; nous lui apportons iei l'expression de notre reconnais- sance la plus sincere pour l'intgrSt qu'il a port6 ~t nos travaux et pour ses exeellents eonseils.

Protoplasma, Bd. XLIV/1 ]

2 T. hnaizmni

Mat~riels employ~s

Des embryons de trios souches ont ~t~ employ6s comme materiels :la forme sauvage d'Oregon-R ehez D. melanogaster, celle de Kiiakata-24 ehez D. oirilis et le mutant de X-attaeh6 (g2ty/~) chez D. meIanogaster. Le ehorion qui recouvre l '~uf peut 5tre dissous par une solution de NaOC1, suivant la mdthode de S l i f e r (1945) et de H i l l (19~7). On peut alors ob- server faeilement l'embryon /t travers la membrane vitelline transparente. Les observations ont did ex6cut6es sur des embryons ddchorionn6s plong6s dans une solution de Ringer (NaC1 5,0g, KC1 0,2g, CaC12 0,1 g et eau distill6e 1000 ee), les embryons s'y d6veloppent d'habitude et ils sont in- eub6s dans eette solution.

Observat ions

I. Les stades du ddveloppement (Figs. 1--]8).

Un diagramme standard de la marche de d6veloppement est n6cessaire

Fig. 1 Fig. 2 Fig. 3 Fig. 4 Fig. 5 Fig. 1. Stade 1. Fig. 2. Stade 2. Fig. 3. Stade 5. Fig. 4. Stade 4. Fig. 5. Stade 5.

pour cette investigation, mats aucun diagramme parfait n'a 6t~ ddcrit jusqu'aujourd'hui. C'est pourquoi des descriptions fondamentales de la premiere p6riode du d6veloppement ont 6t6 faites,

Stade 1. C'est le premier stade apr~s la f~condation. Le protoplasme d'ceuf est dispers~ et remplit enti~rement la membrane vitelline. La plupart des ceufs pondus fraichement sont $ ce stade (Fig. 1).

Stade 2. C'est le stade auquel le protoplasme s'est contract~ pour former un ellipsoide. C'est $ ce stade que les noyaux se divisent /t l'int~rieur de l '~uf (Fig. 2).

Stade 5. Stade du jeune blastblne:~ ce moment, les cellules polaires bourgeonnent h la surface post6rieure de l'embryon. C'est ~t ce stade que les

L'expression des facteurs l~taux h6r6ditaires, etc.

noyaux ~ermincnf leur migrat ion centr i fuge vers la surface; le cytoplasme p~riphdrique s'esf t ransformd en une couche individualis~e, lc b las t 'me (Figs. 3 et 4).

S~ade 4. Stade du pr6blastoderme : c'est alors qne les noyaux du b las t ,me se divisent dans le cy~oplasme p6riph6rique ou dans la couche corticale. Mats, on ne voit pas encore les structures cellulaires caractdristiques du blastoderme ~ ce stade (Fig'. 14).

S~ade 5. La formation du blastoderme s'est accomplic et on observe clairement une couche unique de cellules t~ la surface (Fig. 5).

Stade 6. Stade de pr@ast ru la t ion : la contract ion secondaire de volume s'est produi te dans la par t ie c~phalique de l 'embryon, en m~me temps, la

Fig. 6 Fig. 7 Fig. S Fig. 9 Fig. 6. Stade 7. Fig. 7. Stade S. Fig. 8. Stade 8, schdmatiquement. Fig. 9. Stade 9.

Figs. 1--9. Diagramme standard du d~veloppemenf chez D. oirilis. Les figs. 2. 3. 4. 5. 6 et 9 sont des photomierographies en contrasfe de phase. La longueur de l'r

chez D. virilis, est de 0.5 mm en moyenne.

goutti~re ventra le s'est fortune le long de la ligne m~diane clans le c6t~ ven- tral (Fig. 16).

Stade 7. A ce moment, ]a goutti~re cdphal ique s'est fortune et la couche cellulaire post~rieure, y comprise la masse des cellules polaires, commence son mouvement en avant vers le c6t~ dorsal (Fig. 6).

Stade 8. La goutti~re ventrale s'est approfondie et elle s'est prolongde vers le c6t~ dorsal en t ransversant la par t ie post~rieure; en m~me temps, quelques fissures transversales se sont formdes (Photographie de la Fig. 7, schema de la Fig. 8).

Stade 9. A c e moment, la bande germinale et l ' invagination stomod4ale se sont fortunes (Fig..9).

1"

4 T. Imaizumi

Les s t ades qu i p r e n n e n t d ' 6 t r e d6er i t s sont i d e n t i q u e s r an t ehez melano- gaster que virilis. Les s t ades u l t 6 r i eu r s ne s e r a i e n t p a s examinf i s dans le

t r a v a i l p re sen t .

Fig. 10 Fig. I t Fig. 12 Fig. 15 Fig. 14

Fig. 10. Contract ion du protoplasme. Fig'. 11. Jeane blast ,me. Fig. 12. Stade du blast ,me. Fig. 15. Blast ,me tardif. Fig. 14. Jeune blastoderme, stade 4.

Fig. 15 Fig. t6 Fig. 17 Fig. 18

Fig. 15 Stade du blastoderme. Fig. 16. BlastoderIne tardif ou pr6gastralat ion, stade 6. Fig. 17. Format ion des goutti~res ventrale et c@halique. Fig. 18. Com-

mencement du mouvement de la masse des cellules polaires.

Figs. 10--18. Variat ion du volume du protoplasme pendant la premiere p6riode du d6veloppement chez D. t)irilis suivre snr un m~me ceuf.

L'expression des facteurs 16taux h6r6ditaires, etc.

II. Etude de la oariation de oolume du protoplasme pendant le d~oe- loppement (Graphiques I, II et III, et Figs. 10--18).

Observation I. Imm6diatement apr6s la ponte, le protoplasme remplit enti6rement la membrane vitelline; mats, peu apr~s, il se contracte et forme un ellipsoide. Cette contraction est la premi6re expression des mouvements protoplasmiques. Par la suite, le volume du protoplasme contract6 aug- mente ~ nouveau et les cellules polaires font saillie. Apr6s la formation de ces cellules, Faugmentafion du volume pro4oplasmique progresse et il remplit & nouveau la membrane vitelline; c'est & ce moment que se forme la couche unicellulaire de cellules ~ la surface. Cependant, on ne peut distinguer imm4diatement la structure cellulaire de ]'embryon lorsqu'il a atteint son volume maximum et il y a un moment off la structure des cellules en p4riph6rie reste obscure:c 'est l~ un stade interm6diaire entre ceux du blast ,me et du blastoderme. Apr6s la formaf iondublas toderme, aueunevarJa t ioudu ~ / ~ ' ~ [ "[ volume de l 'embryon ne se produit pendant au certain temps; mais bient6t, une nouvelle contraction du volume s'amoree aeeompagn6e de la formation de la goutfi6re ventrale. Cette contraction porte uniquement sur la partie e6phalique, sans atteindre les r6gions post6rieures. ~ C'est peu apr~s la formation de la gontfi6re ventrale | / que la goutti6re c6phalique se forme.

La premi6re contraction du protoplasme a lieu aussi ] �9 ehez les embryons 16taux d6pourvus de chromosome X; le protoplasme, apr6s sa concentration, augmente de volume eomme ehez l 'embryon normal et atteint.un ma- Fig. 19. La figure ximmn. Mats, ni la projection des eellules po]aires, ni sch4inatique qui la formation du blastoderme ne se produisent, bien que indiqae le stade les noyaux de l 'embryon 16tal se divisent an Made off de la premi6re le volume diminue: mats ils ne p~n6trent pas dans le contraction dn cytoplasme p6riph6rique, ~t quelques exceptions pr6s. protoplasme (-cue Lorsqu'ils p6n6trent, leur colonisation se restreint h la lat4rale). moiti4 ant6rieure de l'embryon. La division des noyaux continue un instant dans le cytoplasme, qui a atteint son volume maximum; mats aucune diff6renciation de l 'embryon ne se produit et le protoplasme se cytolyse bient6t. La cytologie de cet embryon 16tal a 6t6 d'ailleurs 6tudide eli d6tails par P o u l s o n (1940 et 1945).

La variation du volume du protoplasme lors de la contraction conduisant la formation de la goutti6re ventrale est indiqu6e sur les Figs. l0 t8,

d'aprgs des photos au eours du ddveloppement d'nn m6me o3uf. Observation II. Les variations du volume sont donn6es dans les gra-

phiques suivants, bas~es sur des observations qui ont 6t6 ex6cut6es sur des seats plae6s dans la solution de Ringer. Ils ont 6t6 mesur6s toutes les einq seeondes avec un mierom6tre oculaire h61ieoidal.

La forme de l 'embryon 6tant un ellipsoide pendant la premigre p6riode, les mesures out 6t6 exdeut6es sur les longueurs a et b de la Fig. 19. Les

6 T. hnaizmni

variations de a se rapportem "~ la direction ant6ro-postdrieure (l'axe |ong de l'ellipsoide); celles de b indique ~t la circonfdrence (l'axe court de l'ellipsoide). La variation de b est presque nulle taut que l'embryon est enferm~ gfroitement par sa membrane vitelline rigide. Par consdquent, la variation de volume esf principalement clue aux changements de la longuenr a; les lignes eourbes indiqudes dans ]es graphiqnes I, II et III, ne reprS- sement donc que la variation de a.

Les rgsultats obtenus dans le cas des ceufs fdcondds sont indiqu~s par les lignes com'bes dans le groupe A des graphiques. Plus de vingt embryons out ~t~ mesur~s pour ces observations qui out ~t~ faites ~t 220 C. La plupart des embryons montrent la mSme tendance des lignes courbes; c'est pourquoi celles-ci n'ont dt~ reprgsent~es ici que pour trois embryons de D. Dirilis et de D. melanogaster. Afin que l'on reconnaisse snffisamment l 'augmentation et la diminution du volume ]ors de la projection des cellules polaires, une ligne courbe qui a ~td enregisfr~e h 150 C pour un embryon de D. ~irilis a ~t~ repr~sentde dans le graphique II. Dans ces graphiques, le ddbut de la projection des cellules polaires a ~t5 indiqu~ par la marque de ,(cp ), et celui de la formation de ]a goutti~re vemrale a ~t~ marqu~ -gv)).

Les mSmes observations out ~t~ ex6cut~es ensuite des ceufs vierges ei des embryons ]~taux; les r~sultafs sont indiquSs dans les groupes B et C des tignes courbes des graphiques I et III. Plus de vingt embryons out ~t5 gtudids clans ce cas, mats les graphiques de trois embryons seulement out dig reproduits ici. Comme on le volt dans les graphiques, les ceufs vierges et les embryons ldtaux montrenf aussi une pdriode pendant laquelle le protoplasme se contracte, puts augmenie. Mats dans l'o~u{ vierge, l'augmen- ration esf ralentie et se produit en pente douce; le protoplasme ne remplit pas enti~rement la membrane vitelline. Dans l'embryon 16tal, ]'augmenta- tion du protoplasme se fait comme l'embryon normal : elle atteint un maxi- mum et remp]it route ]a membrane vitelline (groupe C du graphiqne III). Mats, ni dans les ceufs vierges ni dans les embryons l~taux les cellules polaires et le blastoderme se torment; leurs protoplasmes se d4sagr6gent bientSt graduellement.

Les observations ci-dessns permettent de tirer les conclusions suivantes : (1) Le protoplasme de l'embryon, apr~s que l'ceuf a ~t~ pondu, prdsente un stade initial de contraction. (2) Le volume du protoplasme augmente ensuite, tandis que les cellules polaires font saillie. (5) Imm4diatement avant la pro~ecfion de ces cellules, le protoplasme tend h diminuer ldg~rement de volume. (40 La formation du blastoderme s~ pendant la pdriode off le volmne du protoplasme a atteint son maximum. (5) Le volume se reduit h nouveau lors de la formation de la goutti~re ventrale, mats cette con- traction se limite h la parfie c6phalique. (6) Dans l'(euf vierge ou l'embryon 16tal, les mouvements initiaux de contraction et de dilation se produisent eomme dans l'embryon f6eond6; dans l'embryon 16tal, le volume atteint m~me un maximum. Mais dans les deux eas, ni les cellules polaires, ni le blastoderme ne se forment.

L'expression des facteurs 16taux h4r6ditaires, etc. 7

G r a p h i q u e s

~volution de la variat ion du volume pendant le d6but du d6veloppement. Les variat ions de la longueur de a en fouction du temps sont port~e en ordonn6es (en 6chelle arbitraire) et les temps (en heures) en abscisses. Les indications << cp >) et << gv)> indiquent la premi6re appar i t ion des eellules polaires et de la goutti6re

ventrale respectivement. Groupe A : embryons f6cond6s; Groupe B : l'ceufs vierges; Gronpe C : embryons

16taux.

�9 "-"--. " - - - . A

l 2 3 ~ d d 7

Graphique I : E m b r y o n s de D. oirilis ~ 22 o C.

f

Graphique I I : E m b r y o n s de D. oirilis it 150 C.

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Graphique I I I : E m b r y o n s de D. melanogaster h 220 C.

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8 T. Imaizumi

Discussion des r6sultats

En ce qui concerne la contract ion initiale du protoplasme, il semble que ce mouvement ne soit pas contrSl6 pa r les noyaux ou les g~nes puis- qu'il se produi t aussi bien dans l'ceuf vierge ou l 'embryon ldtal que dans l ' embryon fdcond6. I1 s 'agirait lh d 'un ph6nom~ne qui tend h diminuer l 'dnergie libre de la surface du protoplasme qui conduit donc /t une condi- tion plus stable.

Le mdcanisme de l 'augmentat ion du volume du protoplasme demeure inconnu; cette augmentation, m~me si elle est faible, se produi t dans l'ceuf

vierge aussi bien que dans l 'embryon fgcondg; il taut en eonclure que l 'augmentat ion du protoplasme n'est pas en- core contr616s par les noyaux.

Passons ~ la discussion de la relat ion entre la var ia t ion du volume et la migrat ion des noyaux; th6oriqnement, afin que les part icules int6rieures d 'un syst6me dispers6 puissent se mouvoir ~ la p6riph6rie, il taut qu'i l se produise une r6- duetion de lent concentrat ion �9 ~ la surface, done une l 'aug- mental ion de volume. Effective- lnent, le volume du proto- p |asme se met ~ augmenter avant la project ion des cel- lules polaires. Mats eette pro- jection, d'apr6s les observations sur des pr6parat ions fix6es, ne se produi t qu'apr~s les noyaux

Fig. 20. Pr6paration d'un embryon de D. vi- aient tint leur migration eentri- rills fix6 au m61ange aleool-aeide ae6tique et fuge (Fig. 20). Si la migrat ion color6 h l'h4matoxyline ferrique de Heiden- des noyaux est li6e h la varia- hain. Les noyaux existent d6jil dans la eou&e lion de volume, il eonvient de p6riph6rique au stade 5, oh les eellules po- donner une signification im- laires ont effeetu6 leur premi6re projection, por tan te~ tdeuxpe t i t e saugmen-

rations de volume qui se produisent immddiatement avant la pro~ection des eellules polaires; or le protoplasme de l 'embryon, quoique quelques oseillations de volume se produisent ~ c e moment, tend ~ diminuer dans l 'ensemble avant la forma- tion des eellules polaires.

Notons aussi que beaueoup de granules vitellins sont prdsent6s dans le eytoplasme. Si le mouvement des inclusions eellulaires gtait dfi g la diffdrence de concentrat ion h la surface ou ~ la variat ion du volume, les granules vitellins, tout eomme les noyaux, devraient se mouvoir ~ la

L'expression des faetears 16taux h~r6ditaires, etc.

pSriph6rie au moment off le volume s'augmente. Or, en d6pit de la migration centrifuge des noyaux, les granules vitellins s'arrStent ou se retirent vers l'intgrieur; pendant la p~riode off il se produit une augmentation remar- quable de volume (apr~s la formation des eellules polaires), ils se eon- eentrent au centre de l'o~uf. Done, bien que les noyaux et les granules vitellins aient des dimensions du mSme ordre de grandeur, leur com- portement est opposd. De plu,s, clans l'embryon ldtal dgpourvu de ehromosome X, les noyaux ne se meuvent pas /t la p~riphgrie, /t quelques exceptions pros, la variation de volume est eependant le m~me que dans l'embryon vivant. I1 nous para~t done ilnpos.sible d'admettre que la migra- tion centrifuge des noyaux r6sulte seulement des variations de volume.

La formation de la goutti~re ventrale s'aceompagne d'une d~eroissanee du volume de l'embryon : on sait qu'il y a une eorrglation possible entre la d5pression de la surface et l 'augmenfation de la concentration ~ la surface; le ph~nom~ne dderit ei-dessus sugggre la pos,sibilit~ d'une telle c orrdlation. Cependant, puisque la surface de l'embrgon en stade du blastoderme est formde par une eouehe unique de eellules, il reste ~ savoir si ee phgnom~ne peut ~tre expliqud m~eaniquement de mani~re aussi simple, m~me si l'on admef que la force mortice h la formation de la goutti&re ventrale existe dans la parfle cdphalique de l'embryon.

Rf i sumf i

Les variations du volume du protoplasme pendant le d~veloppement oat dt~ suivis chez D. virilis et D. melanogaster. Le protoplasme de l'r fraiehement pondu remplit la membrane vitelline; bienf6t, il se produit une contraction de volume, et il se forme un ellipsoide. Le protoplasme continue

sa contraction pendant quelque temps, puts il se produit & une augmentation de volume. La projection des cellules polaires se fait immd- diatement apr~s cette augmentation. Celle-ci est ~lev~e aprbs la formation des cellules polaires et le volume atteint alors un maximum. Pendant cette pSriode, la formation du blastoderme s'accomplit. EnsuRe, pendant la p~riode de la formation de la goutti~re venfrale, le volume de l'embryon se r~duit '~ nouveau; mai,s cela la contraction se limite ~ la pattie e@halique seulement. Dans l'embryon l~fal nullo X, la contraction et l 'augmentafion de volume se font comme dans l'embryon sain, bien que les noyaux n'exdcutent pas leur migration centrifuge. La relation entre la variation de volume et la migration des noyaux est discut~e.

Travaux eitfis

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