Размножение и развитие цветковых растений

В отличие от неживых тел, живые организмы в течение жизни растут и развиваются. Развитие растений тесно связано с их ростом, но это не одно и то же. Развитие – это качественные изменения, последовательно происходящие в организме и его отдельных частях на протяжении жизни. Мы наблюдаем, как из почек вырастают побеги, развёртываются и растут листья, появляются цветки, которые со временем превращаются в плоды. Развитие организма от оплодотворения (образования зиготы) до естественной смерти называют индивидуальным развитием.

У цветкового растения развитие начинается с момента оплодотворения, формирования различных тканей и органов, образования семян, их прорастания и заканчивается образованием новых семян.Есть растения, которые проходят все эти этапы в течение одного года. После плодоношения и образования новых семян они погибают. Такие растения называют однолетними. У других растений семена образуются только на второй год жизни, поэтому их называют двулетними. Большинство цветковых растений образуют семена ежегодно в течение многих лет. Такие растения называют многолетними.

Рост – это увеличение массы и размеров организма. Растения растут всю жизнь. О возрасте дерева мы можем узнать, подсчитав число годичных колец. Растение растёт как в длину, так и в толщину. Рост в длину происходит обычно в верхушках побегов и зоне растяжения корней в результате деления и роста клеток. Именно с деления клеток образовательной ткани начинается рост. В процессе роста происходит увеличение числа клеток растения, их рост (увеличение размеров) и дифференцировка (специализация). В результате образуются различные ткани и органы, которые формируют целостный растительный организм.

Если обрезать верхушки корня и молодых побегов, то это приведёт к прекращению их роста и образованию боковых корней и побегов. Вот почему у рассады капусты, томатов и других культурных растений прищипывают кончик корня во время пересадки в открытый грунт. Это увеличивает площадь корневого питания растений и повышает урожай. Ежегодная обрезка деревьев и кустарников также способствует образованию боковых побегов и позволяет управлять ростом растений. Рост большинства растений происходит периодически: период активного роста весной и летом сменяется затуханием процессов роста осенью.Рост растений регулируется фитогормонами – веществами, которые образуются в клетках самого растения. Среди фитогормонов есть стимуляторы роста и тормозящие, подавляющие рост вещества. Они влияют на переход растения к цветению и плодоношению. Природный гормон роста аукси́н образуется в верхушке побега и кончике корня. Ауксин влияет на деление клеток образовательных тканей стебля и корня. Гормоны растения тесно взаимосвязаны: изменение концентрации одних гормонов влияет на образование других.

Размножение – это воспроизведение себе подобных организмов. Рано или поздно организмы погибают: одни от старости, другие от болезней, третьи становятся жертвами хищников. Благодаря размножению на смену погибающим и умирающим особям приходят новые поколения организмов. Различают бесполое и половое размножение.Наиболее древний и простой способ размножения – бесполое размножение. Оно осуществляется делением клетки у одноклеточных организмов, спорами (специализированными неполовыми клетками) и вегетативными органами.В бесполом размножении участвует всего один организм. При этом способе размножения сохраняется наибольшее сходство потомства с родителями.В природе широко распространено вегетативное размножение. Вегетативное размножение — это когда новое растение вырастает из части материнского (например, из корня, стебля или листа), а не из семени. При вегетативном размножении новая особь наследует все его признаки материнского организма.

При половом размножении новая особь образуется от двух родительских форм – женской и мужской. Процесс слияния мужской и женской половых клеток, или гамет, называют оплодотворением. Гаметы содержат одинарный набор хромосом (n), поэтому их называют гапло́идными (от греч. гаплоос – одиночный). Клетки с двойным набором хромосом (2n), образовавшимся в результате слияния гамет (оплодотворения), называют дипло́идными (от греч. диплоос – двойной). В результате слияния гамет образуется зиго́та (от греч. зиготос – соединённый вместе, удвоенный). Из зиготы развивается зародыш будущего организма. Благодаря оплодотворению дочерний организм получает признаки материнского и отцовского организмов.Половое размножение покрытосеменных растений связано с цветком, важнейшие части которого – тычинки и пестики. В них происходят сложные процессы, связанные с половым размножением.Как и у других растений, у цветковых происходит чередование двух жизненных форм – спорофита и гаметофита.

Образовавшаяся при слиянии гамет зигота делится на две клетки, которые снова делятся, и т. д. В результате многократных делений клеток развивается зародыш нового растения. Оплодотворённая центральная клетка тоже делится, образуя клетки эндосперма. Из покрова семязачатка развивается семенная кожура. После оплодотворения из семязачатка развивается семя, состоящее из кожуры, зародыша и запаса питательных веществ. После оплодотворения к завязи притекают питательные вещества, и она постепенно превращается в спелый плод. Околоплодник, защищающий семена от неблагоприятных воздействий, развивается из стенок завязи. У некоторых растений в образовании плода принимают участие и другие части цветка.

Размножение цветковых растений можно разделить на 2 стадии: опыление и оплодотворение.Опыление – процесс переноса пыльцы на рыльце пестика. Часто опыление осуществляется насекомыми или ветром. Пыльцевые зерна покрыты веществом, невероятно устойчивым к разложению. На основе окаменелостей, содержащих пыльцу, ученые определяют состав растительных сообществ и климат доисторической Земли.Оплодотворение -  это слияние яйцеклетки и спермия. Оплодотворение может произойти только через несколько дней, недель или месяцев после опыления, или оно может вообще не следовать за опылением. У покрытосеменных растений происходит уникальный процесс двойного оплодотворения, когда один спермий сливается с яйцеклеткой (в итоге образуется зародыш), а второй спермий сливается с  центральной клеткой, образуя эндосперм. Образование эндосперма считается важным событием в эволюции покрытосеменных растений. Он обеспечивает питания для развивающегося зародыша растения.Эндосперм также является основным источником питания для человека – особенно богаты эндоспермом семена пшеницы, риса и кукурузы.  

У животных разделение клеток на половые и клетки тела (соматические) является одним из самых ранних событий в развитии. У растений нет заранее определенной зародышевой линии. Вместо этого образовательные клетки побегов могут переключаться с вегетативного (неполового) на репродуктивное развитие в ответ на условия окружающей среды. Другими словами, вегетативный орган растения может "переключиться" и вырасти в цветок.Как происходит формирование цветка? Существует три типа генов, которые контролируют формирование разных частей цветка: A-гены отвечают за образование внешних частей (чашелистиков), B-гены - за лепестки и тычинки, C-гены – за пестики. Различные комбинации этих генов конечную форму и строение цветка. Например при активации гена А и B на месте побега будут формироваться лепестки, а при активации гена C и B сформируются тычинки.

Для успешного производства фиников, плантатором необходимо хорошо понимать как размножается финиковая пальма. Финиковая пальма – двудомное растение. Для коммерческого получения фиников используют только женские пальмы. Однако для образования и созревания плода садоводы должны подсаживать на огромную плантацию 2-3 мужских пальмы, которые будут производить пыльцу. Пыльца с мужского растения при помощи ветра попадает на женскую пальму, запуская процесс формирования семени и вкусной мякоти финика.Финиковые пальмы легко размножаются как побегами так и семенами. Каждый плод финика содержит одно продолговатое семя, которое легко прорастает при посадке. Однако в коммерческом производстве финиковые пальмы редко выращивают из семян. Выращенная из семени финиковая пальма будет давать плоды более худшего качества.Вместо этого фермеры срезают с материнского растения часть побега и сажают его в почву. Все побеги генетически идентичны исходной пальме, поэтому новые урожай фиников будет одинаково хорошего качества на всех посадках.

Коммерческое выращивание финиковой пальмы хорошо показывает два различных способа размножения пальм – побегами и семенами

Для полового размножения организмы должны затрачивать много ресурсов. Производство половых клеток (гамет) расходует энергию и питательные вещества. Знакомыми примерами являются сложное брачное поведение животных и большие, заметные цветы растений. Кроме того, для полового размножения требуется участие двух родителей, в то время как в бесполом размножении участвует только один.Так почему же большинство растений и животных всё-таки размножаются половым способом? Дело в том, что половое размножение создаёт новые генетические комбинации, дающие виду возможность адаптироваться к изменениям среды.Ключевую роль здесь играет специальный процесс деления клеток — мейо́з. Именно он создает половые клетки. Его важнейшая функция — перемешать генетическую информацию от двух родителей. Представьте, что гены — это карты в колоде. Мейоз тщательно их тасует, прежде чем раздать дочерним клеткам.В результате у каждого нового организма появляется уникальный набор генов, отличный как от отца, так и от матери. Это создает в популяции генетическое разнообразие — то самое "сырьё" для естественного отбора. Если условия среды изменятся (например, станет холоднее или появится новая болезнь), среди разнообразного потомства с большей вероятностью найдутся особи, которые смогут выжить и дать начало новому поколению.Таким образом, генетическая изменчивость, источником которой является мейоз, — это основа адаптации и эволюции. Это то главное преимущество, ради которого природа "платит" высокую цену полового размножения.

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.

Благодаря образовательной ткани 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 (вегетативное размножение).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. 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!

На протяжении 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. Подво́й — растение, у которого используются стебель и корневая система;Приво́й — прививаемые стебель, листья, цветки или плоды второго растения.

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.

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?