Размножение и развитие цветковых растений

В прошлом веке фермер из Австралии при вспашке поля обнаружил необычное растение – торчащий из земли красный «горшочек». Он сообщил о своей находке в университет, где ботаники сделали необычное открытие. Найденное растение оказалось родственником орхидей. Необычны "красный горошочек" назвали Ризантеллой Гарднера. Ризантелла всю жизнь проводит под землей и опыляется крошечными мухами, которые проникают в почву через мелкие трещины. Находка фермера - не что иное как цветок Ризантеллы. Цветки играют важную роль в размножении растений.  Однако растения размножаются не только при помощи цветков. В отличии от животных, растительный мир научился воспроизводить потомство самыми разнообразными и необычными способами. 

Почему цветки растений такие необычные? 

Цветковые – самая распространённая группа растений. Покрытосемянные появились на Земле совсем недавно - всего 150 млн лет назад.   Известно свыше 300 тысяч видов цветковых растений, в то время как всех остальных видов растений не наберётся и 50 тысяч.С чем связан эволюционный успех цветковых растений? Всё дело в их способе размножения:1. Цветковым не нужна вода для размножения, в отличии от мхов и других примитивных растений.2. Подобно плаценте у млекопитающих, семя защищает и питает зародыш молодого растения.3. У многих цветковых семена окружены плодом. Плод также помогает зародышу прорасти и, как и семя, участвует в размножении.Половое размножение при помощи цветков – ключ к выживании вида в ходе эволюции. Но растения также часто прибегают и к бесполому размножению.

Размножение цветковых (покрытосемянных) растений 

Половое размножение связано с генеративными органами растении (цветками). Как и у животных, при половом размножении растения передают только половину своего генетического материала потомству (половина отца и половина от матери).Однако потомство получается разнообразным, непохожим на родителей. Такое разнообразие позволяет справиться с любой вирусной эпидемией, падением метеорита и многими другими катаклизмами.

Бесполое размножение происходит при участии вегетативных органов. С помощью корней, листьев и стеблей растения способны создавать собственных клонов.Потомство получается единообразным, однако родитель передаёт все свои гены потомкам и делает это довольно быстро. И всё же, однообразное потомство быстро погибнет, если условия жизни резко изменятся.

Половое и бесполое размножение растений 

Давайте сперва сравним половое размножение животных и растений.У всех животных количество хромосом (генетического материала) кратно двум. Например, у человека 46 хромосом (23 пары), а у мухи 8 хромосом (4 пары). В половые клетки животного попадает ровно половина. Например, в половых клетках человека содержится 23 хромосомы. При оплодотворении происходит их слияние (23 от отца + 23 от матери = 46 у ребенка). В результате образуется зигота – первая клетка эмбриона, которая даст начало всем остальным клеткам. У растений же происходит чередование жизненных стадий. Особь с двойным набором генов (спорофит) сменяется на организм с одинарным набором генов (гаметофит). Многие примитивные растения большую часть жизни проводят в стадии гаметофита. Цветковые и голосемянные растения, наоборот, живут с двойным набором генов.

Половое (генеративное) размножение  

Цветок – видоизменённый побег, выполняющий функцию семенного размножения растений.Плод — орган размножения покрытосеменных растений, развивающийся из цветка и служащий для защиты и распространения семян.Семя — многоклеточная структура сложного строения, которая развивается из семяпочки после оплодотворения и содержит зачаток нового растения и запас питательных веществ.

Органы растений, участвующие в генеративном размножении 

Цветок и опыление 

Цветок имеет сложное строение и состоит из нескольких частей:Снизу цветка расположены чашелистики. Они защищают нежные части цветка до его распускания.Лепестки украшают цветок, делая его заметным для животных-опылителей. Собранные вместе лепестки образуют венчик. Венчик также защищает тычинки и пестики от перегрева днём, а закрытый ночью венчик спасает внутренние части цветка от холода. Тычинка – это мужской репродуктивный (служащий для размножения) орган растения. В пыльнике тычинки созревает пыльца, внутри которой развиваются мужские половые клетки – спермии.Пестик – это женский репродуктивный орган цветковых растений. Внутри завязи пестика расположены семязачатки (семяпочки), в которых образуются женские половые клетки – яйцеклетки.

После созревания половых клеток происходит опыление. Опыление —это процесс переноса пыльцы на рыльце пестика. Семенным растениям, в отличии от других, не требуется вода для переноса пыльцы. Всего 2% цветковых растений распространяет пыльцу при помощи воды. С одного цвета пыльца переносится при помощи ветра или других животных. Ветроопыляемые растения производят большое количество мелкой пыльцы – так повышается вероятность попадания пыльцы на рыльце цветка. С привлечением животных в ходе эволюции, растения получили более высокие шансы попадания пыльцы на женский цветок. Взамен за свою работу животные получают в виде «платы» питательный нектар.Из-за крошечных размеров пыльца ветроопыляемых растений легко проникает в дыхательные пути людей, вызывая поллиноз (аллергию на пыльцу). Симптомами аллергии на пыльцу являются кашель, насморк, покраснение глаз, повышенная усталость и дерматит (воспаление кожи). Почему лишь некоторые люди страдают от аллергии? Дело в том, что у каждого человека уникальный, неповторимый иммунитет. Поэтому у некоторых людей иммунные клетки обладают повышенной чувствительностью к безвредной пыльце, а у других –нет.

Большинству цветковых растений для размножения требуется помощь животных. Наиболее важными насекомыми-опылителями являются пчелы, численных которых в последние годы пугающе быстро снижается.

Опыляемые птицами  цветки крупные, ярко-красные или желтые. Поскольку у птиц не развито обоняние, в ходе эволюции опыляемые ими растения не выработали никаких запахов. Однако такие цветы производят сладкий нектар, который помогает удовлетворить высокие энергетические потребности птиц-опылителей. Лепестки срастаются и образуют изогнутую цветочную трубку, облегающую изогнутый клюв птицы.

Около 20% всех видов цветковых растений опыляются ветром. Цветки таких растений маленькие и невзрачные. Они не производят ни запаха, ни нектара. Низкая точность ветрового опыления компенсируется образованием большого количества пыльцевых зерен.

 Самоопыление — пыльца из пыльников переносится на рыльце пестика того же самого цветка или между цветками одного растения. Самоопыление является примером бесполого размножения, так как растение оплодотворяет самого себя.Перекрёстное опыление — пыльца одного цветка переносится на рыльце пестика цветка другого растения этого же вида. У некоторых растений цветки меняют пол. Например, у виктории амазонской цветок сперва содержит только тычинки. Насекомое приманивается сладким ароматом цветка и проводит в нём ночь, собирая на своем теле пыльцу. Утром насекомое покинет растение, а цветок сменит пол на женский. При смене пола цветок также меняет цвет с белого на розовый.

В природе у растений в ходе эволюции появились различные механизмы, предотвращающие самоопыление. Так растения повышают своё генетическое разнообразие. Разнообразное потомство будет более приспособленным к окружающей среде. Вот лишь некоторые механизмы недопущения самоопыления:1.Тычинки одного цветка созревают раньше пестиков.2.Форма женского цветка не подходит для насекомого – опылителя.3.На рыльце пестика имеются особые химические вещества, которые узнают близкородственную пыльцу. При попадании пыльцы на пестик эти вещества блокируют прорастание пыльцевой трубки. Интересно, что третий механизм антисамопыления похож на иммунную систему животных. В обоих случаях происходит узнавание чужого генетического материала и сравнение его на совместимость.

Попадание пыльцы на пестик запускает этап оплодотворения.Из пыльцевого зерна через рыльце пестика прорастает пыльцевая трубка. Она растёт по всей длине столбика, достигнув в итоге семязачатка (семяпочки).В зародышевом меше происходит двойное оплодотворение. Одна мужская клетка (спермий) оплодотворяет яйцеклетку – образуется зигота. Второй спермий сливается с центральной  женской клеткой, образуя зачаток эндосперма. Эндосперм содержит тройной набор генетического материала. Это позволит эндосперму быстро нарасти и запасти в семени питательные вещества для зародыша.Если слияние спермия и яйцеклетки прошло успешно, то семязачаток растёт и превращается в семя.

Оплодотворение 

После оплодотворения зигота (которая является одиночной клеткой) начинает делиться. Первые клетки молодого растения изначально похожи друга, но в итоге они сформируют различные части растения. Развитие и формирование клеток эмбриона зависит от их расположения и формы. Например, нижние клетки дадут начало корешку (зачаточному корню), а верхние – зачаточным листьям.На картинке сравнивается эмбриональное развитие растений и животных (морской звезды). В обоих случаях судьба каждой клетки зависит от её расположения. Более того, изучение развития эмбрионов животных помогает ответить на вопрос, как происходит развитие эмбрионов растений. Развитие эмбрионов растений и животных контролируется разными генами. Но общий принцип одинаков – гены «диктуют» как и в каком направлении клетки должны делиться. Строгий контроль и координация со стороны генов в итоге приводит к формированию из одноклеточной зиготы сложного многоклеточного организма.

Развитие зародыша внутри семени 

Семя состоит из трёх частей:Зародыш — зачаток нового растения, состоящий из зародышевого корешка, зародышевого стебелька и семядолей (зародышевых листьев).Эндосперм — питательная ткань зародыша. Он содержит большое количество крахмала, белка или растительных жиров.Семенная кожура — покровная ткань семени, защищающая его от повреждений и высыхания.В какой-то момент развития семени гормональные сигналы «приказывают» клеткам зародыша и эндосперма прекратить деление, и семя входит в состояние покоя. Период покоя может длиться дни, недели, годы или даже столетия.Покой семян является важной адаптацией. Во-первых, за это время семена распространятся на большое расстояние и не будут конкурировать за ресурсы с растением – родителем. Во-вторых, покой позволяет семенам отсрочить развитие в неблагоприятных условиях, например, во время засухи или заморозков.

Семя 

Разнообразные семена сельскохозяйственных растений – истинное сокровище человечества. Впервые банк-коллекцию семян собрал российский ботаник Вавилов в 1920-х годах. С тех пор страны по всему миру открывают свои банки семян. В них хранятся сотни тысяч образцов различных видов растений.Во-первых, такие хранилища используются учеными. Огромное разнообразие семян позволят легко находить и скрещивать самые разнообразные растения. Так ученые «тасуют» различные признаки родителей, надеясь получить устойчивое к вредителям, вкусное и полезное новое растение.Во-вторых, банк семян позволит быстро восстановить сельское хозяйство в случае масштабной катастрофы: войны, наводнения или засухи. Самое известное хранилище семян находится на острове Шпицберген. Оно расположено на 120-метровой глубине в вечной мерзлоте. Банк оборудован взрывобезопасными дверьми  и толстыми стенами – все для защиты семян.

После опыления на месте цветка формируется плод. Обычно плоды формируются из завязи пестика. Плод защищает семена и помогает в их распространении.Плод состоит из околоплодника и заключённых в нём семян. Околоплодник окружает семя или множество семян. Околоплодник зрелого плода может быть сухим (как у желудя) или сочным (как у томата).

Плод 

У семени, которое падает и прорастает рядом с родителем, мало шансов на выживание. Более крупное растение будет затенять молодой проросток и конкурировать с ним за ресурсы. Поэтому цветковые растения «придумали» множество способов как распространить свои семена подальше от родителя.

Многие растения производят химические вещества, которые делают их плоды неприятными на вкус, пока семена не созреют (вам, наверняка, знаком кислый вкус неспелых яблок). Однако после созревания большинство фруктов теряют свои защитные химические вещества. Но перец чили сохраняет защитное химическое соединение капсаицин даже после того, как плод полностью созреет.В зависимости от сорта, перец может быть сладковатым (Болгарский перец), острым (Табаско) или невероятно жгучим (Каролинский жнец). Остроту перцу придаёт вещество капсаицин. Чем больше капсаицина в перце, тем он более жгучий.Поедая плоды растений, млекопитающие перетирают семена зубами, уничтожая их. Однако капсаицин оказывает жгучее воздействие, заставляя грызуна поскорее выплюнуть перец. Таким образом, растение спасает свои семена. Парадоксально что люди, которые являются млекопитающими, стали большими фанатами острых соусов и печерченых блюд.Интересно также что на птиц капсаицин не воздействует. Птицы не перетирают семена, а проглатывают их целиком, что растению только на руку, ведь семечко может чудесно прорасти в птичьем гуано.

Когда семя попадает в подходящую среду, оно прорастает. Прорастание – это возобновление роста и развития после периода покоя семени. Для прорастания требуется вода, кислород и благоприятная температура. Поступающая вода набухает семя, разрывая семенную оболочку. Вода также запускает работу различных гормонов, которые отвечают за формирования растения.•Гормон ауксин отвечает за рост стебля в сторону света. Ауксин реагирует на солнечный свет, «командуя» в какую сторону растению необходимо расти.•Цитокинины – это гормоны, отвечающие за развитие молодых листьев и корней. Цитокинины чутко реагируют на гравитацию и удлиняют корни в нужном направлении.Первоначально источником энергии для роста проростка является запасенная пища внутри семени. К тому времени, когда росток истощит эти запасы, молодые зеленые листья уже должны начать производить пищу самостоятельно.

Прорастание 

Различают два вида прорастания семян — надземное и подземное:•У видов с надземным прорастанием корешок распрямляется и выносит вверх семя. Семядоли оказываются на свету, они зеленеют и начинают фотосинтезировать.•При подземном прорастании семядоли не выносятся на поверхность, но за счёт роста зародышевого стебелька над землей оказывается зародышевая почечка. Она даёт начало листьям.Иногда для прорастания семенам требуются необычные условия. Например, некоторые семена не прорастают без длительного пребывания на холоде (яровизация). Другой пример – семена растения финбош. Для прорастания они должны подвергнуться воздействию огня или дыма.Большинство семян достаточно долговечны, чтобы пролежать год или два, пока условия не станут благоприятными для прорастания. Самым старым семенем, которое превратилось в жизнеспособное растение, было 2000-летнее семя финиковой пальмы.

Ключевое отличие растений от животных в том, что растения не умеют активно передвигаться. Укоренившись на месте, растение кажется уязвимым и беззащитным перед засухой, наводнением и голодным травоядным. Тем не менее, растения являются доминирующей формой жизни на планете. Секрет их успеха – модульный рост.При внимательном рассмотрений можно заметить, что растение состоит из повторяющихся частей. Побеги становятся крупнее за счет добавления новых единиц модулей, состоящих из повторяющихся узлов и междоузлий. Корни многократно ветвятся, исследуя почву. Гибкость построения таких модулей позволяет растению успешно адаптироваться к среде. Например, растения производят больше всего кончиков корней в участках почвы с самыми богатыми питательными веществами. Точно так же растущий в полутени кустарник добавляет новые ветки там, где он получает больше всего солнечного света, в то время как затененные ветки остаются неизменными. Благодаря модульному росту растение также легко восстанавливает утраченные или повреждённые части.

Рост растений происходит благодаря меристемам  

Модульный рост возможен благодаря меристемам.  Меристема — это ткань растения, состоящая из активно делящихся клеток. Меристему можно сравнить со стволовой тканью животных. Только в отличие от стволовой ткани, меристема сохраняется у растений на протяжении всей жизни. Меристемы позволяют растению расти, заменять поврежденные части и реагировать на изменения окружающей среды. Большинство растений имеют два типа меристем:•Апикальные меристемы – это небольшие участки активно делящихся клеток вблизи кончиков корней и побегов. Когда клетки апикальной меристемы делятся, они дают начало всем другим тканям растения.•Древесные растения также имеют боковые меристемы, которые производят клетки, утолщающие стебель или корень.

Благодаря меристемам растения способных расти бесконечно долго. Добавляя всё новые части-модули к своему телу, растение не только увеличивается в размерах и приспосабливается к окружающей среде, но и воспроизводит новое потомство.На определённом этапе жизни от растения может отсоединиться небольшой кусочек, который вырастет в новый, самостоятельный организм. Это пример бесполого размножения. В отличии от животных, растения часто размножаются бесполым путём.При бесполом размножении родитель создаёт идентичных себе клонов В этом случае потомство получает полный набор генов одного родителя. (Вспомните, что при половом размножении половину генов потомство получает от матери, а половину от отца). Бесполое размножение позволяет получить большое количество клонов за короткий промежуток времени. В Северной Америке известна осина, которая при помощи корней «наплодила» 47 тысяч идентичных друг другу клонов!

Бесполое (вегетативное) размножение 

Примеры вегетативного размножения растений 

В чем же выгода бесполого размножения? Если травоядное животное или природное бедствие уничтожит надземную часть растения, тогда оставшиеся под землей части быстро заполнят пустующее пространство за счет своих клонов. Производство и прорастание семян (половое размножение) – долгий процесс. За такой короткий срок семена не успеют взойти и растение потеряет «место под солнцем».Однако у бесполого размножения есть существенный недостаток. Если растение атакует болезнетворный грибок или бактерия, то погибнет растение-родитель и все клоны-потомки. Генетически одинаковые клоны приспособлены к выживанию только в одной среде и не смогут приспособиться к резко изменившимся условиям. Например, многие культурные растения (яблоки, бананы и другие) садоводы размножают бесполым путём. В итоге такие растения чаще страдают от эпидемии, чем их «собратья», размножаемые половым способом.

На протяжении уже 10 тысяч лет человек умело использует бесполое (вегетативное) размножение растений для своих целей.Для повышения урожайности садоводы применяют прививку. Для этого садовод берет часть одного растения и  прививает этот кусочек к другому растению. Чаще всего «присоединяют» друг к другу стебли разных растений.При этом наземная часть (почка или черенок) ценного сорта сращивается с дикой или специально выведенной формой с сильной корневой системой.  Например, черенки сортов винограда с лучшими вкусовыми качествами прививают на сорта, более устойчивы к вредным почвенным бактериям. Подвой — растение, у которого используются стебель и корневая система;Привой — прививаемые стебель, листья, цветки или плоды второго растения.

Человек активно применяет вегетативное размножение растений в сельском хозяйстве 

Многие растения способны вырасти не только из отдельной своей части (листа или стебля), но даже из одной клетки! Для получения клонов в лаборатории, отдельные клетки материнского растения помещают в особую среду. В питательном растворе-среде содержатся не только питательные вещества, но и необходимые для роста гормоны (например, ауксин и цитокины). В последние десятилетия ученые научились массово выращивать растения «в пробирках».В чем преимущество такого метода клонирования?-Ученые тонко регулируют процесс роста.-Клеточная культура предварительно очищена от вирусов и других инфекций. Таким образом, весь посаженный материал будет здоров.-Легче проращивать привередливые и трудно-всходимые сорта растений (например, орхидей).-Возможно выращивать растения, подвергнутые генной модификации.