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Relations entre la dose de rayons X et la vitesse du eourant eytoplasmique ehez Nitella flexilis Ag. 19at Claude Gillet ~ lnstitut de Morphologie V6gdtale et Laboratoire de Radiobiologie (Euratom), Universit4 de Libge, Rue Fusd/, 3 Avec 3 Figures (Refu Ie 29 dt)ril 1963) Introduction Dans une note prdlhninaire (Gi I let 1962) nuns avons d6montr6 [a r6versibilit6 des effets immgdiats des rayons X sur la vitesse du courai~t cytoplasmique de l'algue d'eau douce Nitella flexilis. L'intdr~t d'un tel phdnom6ne dans l'dtude des proeessus de restauration nuns a incit6 fi pour- suivre l'analyse de ces modifications cin4tiques en function d'une irradiation de plus en plus forte. Mat6riel et mfthodes Nous avons utilis6 les grandes cellules internodales de la Charophyc6e : NiteIla flexilis (L. e. p.) Ag. Ces cellules sont anim6es d'une cyclose carac- t6ristique, comme l'a d@h signald C o r t i en 1774. Les plantes proviennent d'un 6tang d'Ardenne (cf. G il 1 e t 1960) et sont cultiv4es au laboratoire err conditions normalisdes. Les aquariums sont remplis d'une solution de culture originale composde de Ca(NOa)~ : 0% 021, MgSO~ : 0% 006, NaCI : 0% 006, (NH4)2HPO~ : 0% 006 et KHCO:~ : 0% 003. Avant d~ irradi6e, la eellule internodale est s4parde de ses cellules voisines et laiss6e an repos pendant 15 heures minimmn, clans le milieu nutriiif. Apr6s ee laps de temps, la eellule est plac4e entre lame et ]amelle sons le microscope et la vitesse du eourant eytoplasmique est d6termin6e aprbs 30 minutes. En eff:et, malgr6 les 2 filtres utilis6s (bleu et noir) pour tamiser la lumi6re de la lampe du microscope, la eyelose s'aee616re toujours pendant eette op4ration. E1]e se stabilise ensuite '~ une valeur d6termin4e ; eelle-ei est eonsid6r6e eomme ]a vitesse initiale du eourant eytoplasmique (Vo). L'in~ensitd de l'~elairage ambiant reMe eonstante. Charg6 de Recherehes au F. N. R. S.

Relations entre la dose de rayons X et la vitesse du courant cytoplasmique chezNitella flexilis Ag

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Page 1: Relations entre la dose de rayons X et la vitesse du courant cytoplasmique chezNitella flexilis Ag

Relations entre la dose de rayons X et la vitesse du eourant eytoplasmique ehez Nitella flexilis Ag.

19at

C l a u d e Gi l le t ~

lnstitut de Morphologie V6gdtale et Laboratoire de Radiobiologie (Euratom), Universit4 de Libge, Rue Fusd/, 3

Avec 3 Figures

(Refu Ie 29 dt)ril 1963)

I n t r o d u c t i o n

Dans une note prdlhninaire (Gi I l e t 1962) nuns avons d6montr6 [a r6versibilit6 des effets immgdiats des rayons X sur la vitesse du courai~t cytoplasmique de l 'algue d'eau douce Nitella flexilis. L'intdr~t d 'un tel phdnom6ne dans l 'dtude des proeessus de restaurat ion nuns a incit6 fi pour - suivre l 'analyse de ces modifications cin4tiques en function d 'une irradiat ion de plus en plus forte.

M a t 6 r i e l e t m f t h o d e s

Nous avons utilis6 les grandes cellules internodales de la Charophyc6e : NiteIla flexilis (L. e. p.) Ag. Ces cellules sont anim6es d 'une cyclose carac- t6ristique, comme l'a d@h signald C o r t i en 1774. Les plantes proviennent d 'un 6tang d 'Ardenne (cf. G i l 1 e t 1960) et sont cultiv4es au laboratoire err conditions normalisdes. Les aquariums sont remplis d 'une solution de cul ture originale composde de Ca(NOa)~ : 0% 021, MgSO~ : 0% 006, NaCI : 0% 006, (NH4)2HPO~ : 0% 006 et KHCO:~ : 0% 003.

Avant d~ irradi6e, la eellule internodale est s4parde de ses cellules voisines et laiss6e an repos pendant 15 heures minimmn, clans le milieu nutri i if . Apr6s ee laps de temps, la eellule est plac4e entre lame et ]amelle sons le microscope et la vitesse du eourant eytoplasmique est d6termin6e aprbs 30 minutes. En eff:et, malgr6 les 2 filtres utilis6s (bleu et noir) p o u r tamiser la lumi6re de la lampe du microscope, la eyelose s'aee616re toujours pendant eette op4ration. E1]e se stabilise ensuite '~ une valeur d6termin4e ; eelle-ei est eonsid6r6e eomme ]a vitesse initiale du eourant ey toplasmique (Vo). L'in~ensitd de l'~elairage ambiant reMe eonstante.

Charg6 de Recherehes au F. N. R. S.

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C. Gillet: Relations entre la dose de rayons X .. . 287

La eelhle est alors irradide au moyen d'un g6n6rateur de rayons X du type Maehlett OEG60, fonetionnant sous une tension de 50KV et une intensit6 de 50 mA. Son d6bit mesnr6 dans Fair ~ 7 em 4 du foyer est de 99.000 r/minute. Durant l'irradiation, la eellule est plaege, /t Fair sur un papier buvard impr6gn6 p a r la solution saline. La dose administr6e varie de 25 Kr ,h 800 Kr.

Aussit6t apr6s le traitement, la eellule est remise sous le microscope et la vitesse du eourant eytoplasmique d6termin6e ~ intervalles r6guliers.

Les eelhles irradides et t6moins sont eonserv6es entre lames et lamelles dans le milieu de eulture et dispos6es darts une boite de P6tri hnmidifi6e afin d'4viter une ~vaporation trop rapide du milieu. Les bootes sont plae6es dans une ehambre h temp6rature eonstante (21 ~ C _+ 1~ et sous 6elairage eontinu. La vitesse du eourant eytoplasmique de ees eellules est d6termin6e ehaque jour.

La vitesse de la eyelose est ealeul4e en notant au ehronom6tre le temps (t) mis par une petite inclusion, eharri6e par le flux protoplasmique, pour franehir une distance eonsiante (d = 555 #) rep~r6e au moyen des oeulaires ealibr6s. Elle est done invers4ment proportionnelle ~ t. Comme la vitesse initiale (Vo) peut varier d'une eellule h l'autre, les r6sultats pour 8tre eom- par6s sont exprim6s en poureent de eelle-ei (V n _~ 100 to/tn). Les observa- tions ont port6 pour ehaque exp6rienee, sur 7 eellules et eurent lieu pendant les mois de mars g oetobre.

R4sultats Nous envisageons les effets produits par l 'irradiation sur le eourant eyio-

plasmique pendant les premigres heures qui suivent le traiiement puts eeux qui se manifestent jour apr6s jour.

L'~tude d6taill6e des ph6nom6nes qui out lieu clans les premi6res minutes apr6s l'irradiat.ion fera l'objet d'une proehaine communication. Les r6sultats not6s iei au eours des I0 premi6res minutes ne donnent que l'allure g6n6rale d'un ph6nom6ne beaueoup plus eomplexe (el. G i 11 e t t962).

A. E f f e t s p r o d u i t s p a r l ' i r r a d i a t i o n a u c o u r s d e s 8 p r e - m i e r e s h e u r e s

Apr~s l'irradiation, le eourant cytoplasmique est ralenti ou momentan~- ment suspendu. La viiesse de la eyelose se r~tablit ensuite progressivement si la eelhle n'a pas ~td d~finitivement lds6e par une dose trop forte (800.000 r). Une telle dose provoque la n6erose eellulaire durant le traite- ment lui-m~me.

Nous avons suivi la reprise de l'aetivit~ proio.plasmique de 10 minutes en 10 minutes puts, au bout d'une heure aprbs l'irradiaiion, toutes les 30 minu- tes. Les r6suliats sont not6s dans le Tableau i e t report,s, en pattie, sur la Figure 1. Chaeunes des valeur.s reprdsentent la moyenne de 7 fois 10 mesures effeetu~es par eelhle ; pour les plus critiques d'entre elles, on a ealeul6 l 'erreur-type.

Mise & part la chute de vitesse enregistr~e dans les premieres minutes, ii ressort de ees observations que les doses inf6rieures ou 6gales/t 100 Kr n'ont

Page 3: Relations entre la dose de rayons X et la vitesse du courant cytoplasmique chezNitella flexilis Ag

28s (;. (;iliet

aucun effet signifieatif sur l 'activit6 du protoplasme du moins pendant ies 8 premieres heures qui suivent l ' irradiation. Ce n'est qu'h par t i r de 200 Kr qu'un ralentissement sensible, mais encore diseret, se d6c~te dans le mouve- ment cytoplasmique.

I1 semble done que l ' i rradiat ion doive at teindre cette ~, dose-seuil ,, avant de provoquer un dommag.e irreversible dans l 'arehiteeture du proto- plasme. En-dessous de celle-ci, la restaurat ion des effets est inlm6diate ou tr6s rapide.

Au del/t de t00 Kr, la vitesse cytopla,smique d~croit rapidement avee l 'augmentat ion de la dose. II n 'y a cependant pas de proport ional i t6 stricte

entre ee ph6nom~ne et ~oo.

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Fig. 1. R6tablissement du courant cytoplasmique apr~s irradiation des cellules internodales de N. fie-

xilis par des doses croissantes de rayons X.

[ ' i r radiat ion; compara t ive- ment, le couran t se ra lent i t davantage apr6s 300 et 700 Kr.

Une lois la p remie re p6riode de res t i tu t ion cel- lulaire pass~e, soit apr~s '45 minutes (except6 pour les plantes trai t6es par 600 Kr), la vitesse de la eyclose a tendance ~ se sfabil iser au tour d 'uue va leu r centrale . I1 n 'y a pas de grands 6carts entre les diverses va leurs moy- ennes calcul6es, ni pour la major i t~ des cellules, de chute b ru ta le de la vitesse apr~s quelques heures.

Le courant cytoplasmique reprend donc son mouvement ~t vitesse eonstante mats ~ un palter inf~rieur ~t celui qu'il avait avant le t ra i tement : la qualit~ du mouvement ne semble pas 16s6e.

Toute[ois, le nombre de part icules charri~es par le flux protoplasmique devient plus faible pour les cellules irradi~es a u x fortes doses (500Kr ~ 700 Kr). I1 est intdressant de noter que ]h off ]es files de ehloroplastes sont d6sorganis6es, le flux du proioplasme sous-jacent devient tr6s souvent incapable de t ranspor ter des part icules de quelques t~ de dialn6tre. Au fort grossissement, on observe cependant que de petites granulations confinuent

~tre eharri6es mSme h travers les zones off les ehloroplastes out disparu ~t ]a suite du trai temenL

La Figure i indique le comportement de la majorit6 des cellules trait~es. t)arfois cependant , les r6actions de l 'une ou l 'autre cellule s '6eartent de ce sch6ma. I1 s'agit de cellules plus sensibles h une m Sine dose de rayons X. Cette radiosensibilit6 accrue se t radni t par un nouvel arr~t de la cyclose suivant d 'une heure environ la reprise de ce ph6nom~ne apr6s l ' i r radiat iou (Fig. 2). Le courant red6marre ensuite une seeonde fois et se maini ient

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Relations entre la dose de rayons X et la vitesse du courant cyfoplasmique 289

finalement h une vi{csse plus ou moths constante, mats moins rapide que celle observge pour les autres cellules trait6es ~ une dose identique. Sur 7 cellules, ce ph6nom~ne a 6t4 not6 I fois dans la s6rie irradi6e pa r 300 Kr et 2 lois dans ceHe ayan t regu 500 Kr.

B. E f f e t s o b s e r v 6 s a n c o u r s d u p r e m i e r m o i s q u i s u i t l ' i r r a d i a t i o n

D e u x ou trois jours apr~s l ' i rradiation, la diff4rence de vitesse s'accuse entre le couralit cytoplasmique des cellules t4moilis et irradi6es (Fig. 3). La cyclose des premieres ne se mod.ifie gu~re pendant les 20 premiers jours, laps de temps au bout duquel

j o c l ' intensit6 du couran t ma rque .~ un 16ger fl6ehissement. :~

P a r contre, chez les cellules ~'75 irradi6es, la vitesse du flux "~

protop]asmique d4crolt beau- coup plus r a p i d e m e n t Jusqu 'h 100 Kr, on peu t d is t inguer 3 ,c 5C phases d'in4gale longueur au cours de ce ph6nom~ne. La

O premie re dure envi ron 6 jours , ~ 25 la vi tesse y diminue de fac, on �9 sensiblement 6gale pour ]es cellu]es t rai t4es pa r 25, 50 et 100 Kr. Au cours de la seconde ~x 0 phase qui s '6tend jusqu ' au 20 ~m~ jour , l ' intensit4 du cou- ran t cy top lasmique des cellu- les t rai t6es pa r 25 et 50 Kr garde sa va l eu r pr6c6dente

0 ,/ 2 3 4 5 6 7 Temps aprds l'irradiation en heures

Fig. 2. Compor/ement habituel (A) et ~ anor- real,, (B) de la cyclose aprbs une irradiation

de 500 Kr.

tandis qu'elle continue encore h d6croitre avant de se stabiliser pour celles trait6es par 100Kr. La 3 ~me phase d6bute apr~s le 20 ~me jour et se caract6rise par une nouvelle diminution de la vitesse du couranf cytoplasmique ; elle correspond ~t celle signal4e ci-dessus pour les cellules t6moins.

Chez les cellules trait6es par 200 Kr, le courant cytoplasmique se corn- porte d 'une mani~re particuli~re. Eli effet, apr~s s'~tre ralenti durant les 3 premiers jours comme chez les autres eellules irradi6es, il recommence soudainemen~ ~ se mouvoir ~ une vitesse plus rapide. II Y a done 1~, une tendaliee vers une res taurat ion eellulaire tardive. Ce ph4nom~ne ne pe rdure cependant pas longtemps puisque d~s le 6 ~me ~our, l ' intensit4 de la cireula- tion protoplasmique d4croit ~t nouveau.

Au del& de 200Kr, on enregistre ehez les cellules trait4es une chute de plus en plus aecusde de la vitesse de la cyclose. La n6erose cellulaire y survient d 'une mani~re d ' au tan t plus pr6coee que la dose a 4t6 plus forte. Rares sont d'ailleurs les cellules qui ne se cytolysenf que le 4 ~mr }our apr~s 500Kr et, le 2 ~ jour apr~s 600 Kr. Le plus grand hombre d 'entre elles ne

Protoplasma, Bd. LVlII/2 19

Page 5: Relations entre la dose de rayons X et la vitesse du courant cytoplasmique chezNitella flexilis Ag

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4,56

Page 6: Relations entre la dose de rayons X et la vitesse du courant cytoplasmique chezNitella flexilis Ag

Relations entre la dose de rayons X et ]a vitesse du eourant cytoplasmique 291

survivent pas ~ ees doses plus de 24 heures. La Figure 3 ne donne done pour ees doses que le eomportement des eellules physiologiquement les plus robustes.

Discussion des r~sultats

La eyelose d~pend & la lois de ]a structure mol~eulaire du eytoplasme et ,des r~aetions m6taboliques cellnlaires fournissant l'6nergie. Les thdories r~eentes sur le mouvement protoplasmique ( L o e w y 19~9, F r e y - W y s s l i n g 1955, K a m i y a 1959) admettent en effet qu'il est dfi g une oscillation submieroscopique d'nn r6seau de prot~ines lin6aires, eontraetiles,

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.[ours apr@s itradia don

Fig'. 3. Variations diff~r6.es de la u de la eyclose dans les eellules de N. f lexilis irradi~es par des doses eroissantes de rayons X.

N.B. Les eourbes des lots trait~s par 500 Kr et 600 Kr ne refl6tent que le eomporte- ment des eellules physiologiquement les plus robustes.

du type actomyosine, dispos5 sur la face interne de l'eetoplasme. Comme Font d~montr~ les travaux utilisant des inhibiteurs du m6tabolisme eel- lulaire, ees pulsations ne peuvent se poursuivre quesi elles disposent d'une source d'~nergie suffisante.

Les rayons X agissent ~t la fois sur ees 2 param~tres fondamentaux. Les effets enregistr6s daus les premieres heures qui suivent l'irradiation rel~ve- raient prineipalement des modifications induites dan.s l'organisation mol~- culaire du protoplaslne. Par eontre eeux qui se rgv~lent apr~s plusieurs jours seraient dfis en pariie ~t l'inhibition des processus mgtaboliques 6nerg~tiques.

La chute immediate de vitesse apr~s l'irradiation proviendrait de l'6ta- blissement de ponts intermol6culaires (, cross-linking,,) entre ehaines de protgines contractiles. L'inaetivation qui en r~sulte n'est cependant que trausitoire lorsque la dose administrde ne d~passe pas 100 Kr. Au del~ de celle-ei, les structures mol6culaires sont l~s~es d'une m.ani~re permanenie (pontage d'un autre type, rupture des ehaines?) : le eonrant cytoplasmique ne retrouve plus sa vitalit6 premiere.

19"

Page 7: Relations entre la dose de rayons X et la vitesse du courant cytoplasmique chezNitella flexilis Ag

292 C. (;il[e:

Noions iouiefois qlJe ta cyeIose garde son mouvement unifornm mfime tors- que sa vitesse est devenue tr~s faible. Le ry thme des oscillations de la fraction de chaines prot6iniques contraetiles survivantes ne s'est clone pas modifid.

K a m i y a et K u r o d a (1958) ont calcul6 que la valeur absolue de la force qui entraine ehez N. flexilis le courant cytoplasmiclue est tr~s faible, de l 'ordre de t - -2 dynes/era 2. Les reeherches util isant tes inhibiteurs ou activants m6taboliques (S a n d a n e t S o in u r a 1959, H a v a s h i 1.960) out soulignd que cette force motrice est beaucoup moths affectSe par la quantit6 d'~nergie d~velopp~e ou introduite artificiellement dans la cel]ule que par tes modifications strncturel]es induites dans le eytoplasme lui-m~me. Les effe~s induits par l ' i rradiat ion dans les chaincs dnerg6tiques qui al imentent (e courant cytoplasmiclue apparaissent dans ta perspective de ces recherches, comme secondaires pa r r appor t aux transformations clue subissent les struc- tures mol6culaires du protoplaslne. De tel~ effets ne se r~v~leroni dans la eyclose que lorsclue les ressources dnerg6tiques cellulaires auront at teint un minimmn critique. C'est h cet appauvr issement 6nerg~tique radio-induit qu'on peut a t t r ibuer la chute de vitesse observ6e 48 heures environ apr~s irradiation. Des l~sions diff6r6es de la microstructure cytoplasmiclue y joignent tr~s probablement leurs effets.

I1 n'est pas improbable toutefois que des phdnom~nes de restauration compensent certaines idsions primaires provocludes par l ' i rradiat ion ou du moths arr~tent l 'extension des r6actions secondaires. Aprbs un certain temps de ]atence, clui ddpend de la dose revue, la vitesse de la cyclose redevient, en effet, s tat ionnaire pour ]es celiules clui n 'ont pas regu plus de 100Kr. La diffdrence de eomportement vers le 16 e~r jour entre le matdriel irradi6 p a r 100 Kr et 200 Kr est ~ e e propos tr6s suggestive.

L 'arr4t ddfinitif de la cyelose aprhs 800 Kr seulement, la presence de processus de restaurat ion imm6diats et diff6r6s, la r6appar i t ion de la r@ulari t6 de mouvement un certain temps apr~s l ' i r radiat ion sont autant de t6moignages de la radior6sistanee du syst~me eontr61ant le eourant eyto- plasmique. Toutefois cette propri6t6 ne semble pas li6e seulement au proto- plasme de Nitella mats pourra i t se r6v61er 6tre une earaetdristique gdn6rale du ph6nom~ne. B i s h o p e t coll. (1949) out en effet utilis~ des doses 61ev~es de rayons X (700 Kr) pour arr iver fi suspendre ddfinitivement le courant cytoplasmiqtte des polls s taminaux de Tradeseantia. De m~me S e i f r i z (1936) et L o e q u i n (1949) out insist6 sur la radior6sistance du courant cytoplasmique des plasmodes respectifs de Physarum et Fuligo soumis au rayonnement dn rad ium.

Conclusion Le mouvement cytoplasmique qui anime les celhlles internoda]es de

Nitella ]lexilis est un phdnomgne part ieul i~rement radior6sistant capable de rdparer, dans une large mesure, les dommages radioinduits par des doses inf6rieures ou @ales / t 100 Kr.

R6sum6 (1} Quelle que soit la dose de rayons X que nous avons admirtistr6e mr•

cel[ules internodales de Nitella flexilis, la vitesse de la eyclose tombe imm~diatemem.

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Relations entre la dose de rayons X et la vitesse du courant cytoplasmique 293

(2) Lor sque l ' i rradiafion ne dgpasse pas I00 Kr, le courant cytoplasmique reprend une heure apr~s le traiteInent, sa vitesse initiale. Si la dose est supgrieure /t 100 Kr, la eyelose ne rgeup~re pas eompl~tement son intensity primitive. Elle se maintient h une vitesse infgrieure qui dgpend de la dose regue, tout en ne lui giant pas relige lingairemeni.

(3) Un ~t deux jours apr~s l ' irradiation, la vitesse du mouvement proto- plasmique se raleniR /t nouveau. Chez les eellules irradiges par 100Kr maximum, elle se stabilise apr~s un certain temps (fonetion de la dose revue) autour d 'une valeur plus faible. Pour les autres eellules, la diminution de vitesse se poursuit jnsqu'h l 'arrSt dgfinitif de la eyelose.

(4) L 'act ion des rayons X sur la eyelose se situerait pr incipalement au niveau de l 'arehiteeture des molgcules contraetiles responsables du mouve- ment. Ce syst~me est tr~s radiorgsistanf et jouit d 'une faculty remarquable de rgparation.

S u m m a r y

Protoplasmic streaming of internodal cells of Niiella flexilis is a particularly ladioresistant phenomenon. Large doses of X-rays are necessary to permanently reduce the rate of streaming and 800 Kr to stop it completely. Even slowed down, the streaming is always a regular movement. Immediately after irradiation, process of restauration are observed. When the given dose is not higher than 100 Kr, those are again recorded after several days.

T r a v a u x e i t 6 s

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