Бесполое размножение. Вегетативное размножение растений. Его использование в биотехнологии.

Жизнедеятельность растений выражается через рост и развитие. Под ростом понимается увеличение размеров растения, их массы и объема. Это количественное изменение.

Развитие  качественное изменение растений, связанное с дифференциацией клеток и процессами превращения веществ, приводящими к образованию репродуктивных органов и в конечном счете нового поколения. Рост и развитие не тождественны, но они присущи одной и той же клетке, растению, поэтому взаимосвязаны, взаимообусловлены, одно без другого не происходит.

В основе роста и развития лежат:

1. Постоянная и непрерывная связь растений с окружающей средой.

2. Направленность процессов роста и развития. Определяется наследственностью растения, иначе говоря, способностью каждого вида растений приспосабливаться определенным условиям внешней среды, которые непрерывно изменяются.

Рост растений. Увеличение размеров, массы и объема присуще всем живым организмам. В отличие от животных:

1) растения растут всю жизнь, может быть только с небольшими перерывами, да и то процессы не прекращаются, а замедляются;

2) ростовые процессы локализованны в определенных, иногда многочисленных участках тела растения.

Увеличение размеров, массы, объема происходят, прежде всего, за счет роста клеток. Различают фазы роста:

1. Деление  увеличение числа, количества клеток путем деления. Наиболее интенсивно идет в точках роста (стебля, корня). В процессе деления идет накопление белков.

2. Растяжение  увеличение размеров клетки, нарастание массы, главным образом за счет роста вакуоли  увеличение содержания воды.

3. Утолщение оболочки  начинается с момента дифференциации клетки, откладывается целлюлоза и гемицеллюлоза. Рост идет за счет накопления углеводов.

4. Отложение в запас органических веществ  клетки полностью дифференцируются и откладываются в запас органические вещества (крахмал, белки, жиры). Практически объем не увеличивается, а масса растет.

Закономерности роста клеток на различных стадиях находят выражение в росте растения в целом. Например, содержание воды в клетке определяется фазами роста: чем моложе растение, тем больше воды.

Особенности роста отдельных органов растений. Стебель и корень растут верхушкой  (зона роста у корней  1 см, стеблей  10 см). Утолщение за счет первичной и вторичной меристем. Листья  вначале растут всей поверхностью, затем рост локализуется в основании листа, последним формируется черешок. У некоторых папоротниковидных лист нарастает верхушкой.

Влияние условий на ростовые процессы.

1. Температура.

Минимальная  + 45 градусов для большинства  начало роста, увеличение до +16 градусов  увеличение роста, максимальная  +25 градусов, дальнейшее увеличение температуры  снижение роста, при +4045 градусах рост прекращается.

2. Свет  обязательное условие фотосинтеза. Низшие растения могут расти в темноте, высшие  нет, только когда есть запас питательных веществ. Прямой солнечный свет тормозит ростовые процессы.

3. Влажность. Рост начинается при поглощении 50 % воды, необходимой для полного набухания. Для набухания разных семян  различное количество воды:

Особенностью роста растений является его ритмичность, т.е. чередование процессов интенсивного и замедленного роста, а также состояния покоя, что зависит от условий среды и биологических особенностей растения.

Движение растений. Одновременно с ростом растения движутся во времени и пространстве. Эти движения осуществляются под влиянием внешних условий: температуры, света, влажности, элементов минерального питания и т.д.

Различают виды движения растений:

тропизмы (факторы действуют односторонне – фототропизм, хемотропизм)

настии (равномерно – у табака цветы на ночь раскрываются, у ночной красавки  наоборот).

нутеции – ростовые движения.

Развитие растений.  Развитие – это качественные изменения, происходящие в растении (морфогенез), связанные с образованием репродуктивных органов.

 Онтогенез цветковых растений включает следующие этапы:

1) Латентный (скрытый) – покоящийся

2)                                   Виргинальный (догенеративный) – от прорастания семени до первого цветения. Включает стадии проростка (сохраняются семядоли и остатки эндосперма); ювенильные растения имеют ещё семядольные листья; имматурные – семядольных листьев нет, но полувзрослые.

3)                                   Генеративные – от первого до последнего цветения. Бывают молодые, средневзрослые, зрелые и старые генеративные особи в зависимости от числа и размеров цветущих побегов.

4)                                   Сенильный или старческий – с момента последнего цветения до отмирания.

 В зависимости от особенностей биологии различают растения, цветущие и плодоносящие один раз в жизни – монокарпики (однолетники, часть двулетников, некоторые многолетники – бамбук) и поликарпики – способные плодоносить в течение жизни многократно.

Размножение растений и его сущность.  Размножение растений  процесс увеличения числа особей, воспроизведение себе подобных, что очень важно для продолжения жизни вида. В то же время оно обеспечивает качественное разнообразие особей, что необходимо для биологического совершенствования растений в процессе эволюции. Поэтому размножение растений – процесс увеличения числа особей и получение биологически разнокачественного потомства. Это достигается сочетанием различных типов размножения.

 Растения размножаются бесполым путём, вегетативным и половым способом.

 Бесполое размножение возникло раньше вегетативного и полового. При бесполом размножении растения образуют специальные клетки – споры (зооспоры), которые отделяются от материнского растения, разносятся ветром, водой, животными и в благоприятных условиях, без слияния с другой клеткой, развиваются в самостоятельные новые растения. Сущность его состоит в том, что дочерний организм представляет собой повторение, копию исходного растения и продолжает жизнь. По своему характеру оно консервативно.

 Бесполым путём размножаются многие растения: водоросли – зооспорами, грибы – конидиеспорами, мхи, плауны, хвощи, папоротники – спорами.

 Споры образуются и у семенных растений (микроспоры, мегаспоры). При дальнейшем развитии они обеспечивают процесс полового размножения.

При бесполом размножении растения образуют большое количество спор. Например, гриб дождевик даёт их несколько миллионов.

Вегетативное размножение заключается в том, что новое растение образуется из части различных вегетативных органов – побега, корневища, луковицы, клубня, корня, листа и т.д. В основе его лежит наличие полной наследственной информации в каждой живой клетке, а также способность к регенерации – восстановлению целого растения из части его. Способность к регенерации сильнее всего выражена у низших растений, особенно одноклеточных, которые размножаются путём деления клетки и роста дочерних клеток до размеров материнских (бактерии, водоросли). У многоклеточных вегетативное размножение идёт кусочками слоевища (водоросли, грибы, лишайники).

Некоторые высшие растения размножаются выводковыми почками – придаточными почками на листьях, стеблях, которые опадают, прорастают и дают начало новым особям.

Естественное вегетативное размножение хорошо развито у большинства семенных растений, за ислючением многих голосеменных. Высокой способностью к естественному размножению обладают многолетние травянистые и древесные покрытосеменные растения. У однолетних и двулетних видов оно отсутствует. Искусственным путём и они могут размножатся вегетативно.

По своему характеру вегетативное размножение консервативно. Новые особи продолжают жизнь материнского, что широко используется в селекционной практике для сохранения и размножения ценных форм.

Способы естественного вегетативного размножения.

1.                                     Побегами. В простейших случаях у некоторых растений (ряски, элодеи) это происходит путём отделения побегов от материнского растения.

 В большинстве случаев вегетативное размножение осуществляется ползучими побегами  плети, усы, столоны – которые представляют переход от типичных вертикальных стеблей к корневищам – земляника, костяника, живучка ползучая, будра, барвинок, малина, ежевика, лютик ползучий, лапчатка гусиная и др. Растут побеги обычно в направлении свободных мест, стелются по земле, и в узлах образуют придаточные корни, а почки из пазух листьев образуют вертикальные олиственные побеги. Междоузлия ползучих побегов затем отмирают, теряют связь с материнским растением. Длина годичных побегов может быть от 4 см (некоторые камнеломки) до 1,5 м (земляника). Одно растение земляники может дать за два года 200 новых растений.

2. Корневищами. По своему происхождению это подземные побеги с запасом питательных веществ. В пазухах их чешуйчатых листьев закладываются и развиваются почки, которые дают новые растения. Ежегодный прирост корневищ у лютиковой ветреницы, душицы – 510 см, тысячелистника, хвоща полевого – 1015см, пырея ползучего, снытьтравы – 2530 см, иванчая  85 –100, подбела, 100150, сахалинской гречихи – 150 – 300см.

На коротких побегах почки сближены, на длинных нет. Поэтому в первом случае получаются скученные, в другом – разреженные надземные побеги. Когда корневища сгнивают, новое растение становится самостоятельным.

Корневища разрастаются во все стороны и растения (особенно длиннокорневищные) быстро занимают большую площадь. Корневищами размножаются лекарственные растения: марена красильная, мята перечная, пассифлора, аир, ирис, ревень, ландыш, спаржа.

Способность размножаться корневищами обеспечивает относительное постоянство лугов, несмотря на то, что они ежегодно скашиваются до образования репродуктивных органов. В то же время корневищные сорняки (пырей ползучий) приносят много бед нашему земледелию.

3. Луковицами. Луковица представляет собой сильно укороченный стебель (донце) с обильно разросшимися листьями. Бывают луковицы подземные (лук, тюльпаны, гладиолусы, крокусы, лилии) и надземные (зубянки, очитки, ситники, некоторые луки, чеснок, отдельные лилии, т.н. живородящие). У лилий луковички образуются на побегах в пазухах листьев, а у видов лука, чеснока на цветоножках в соцветиях. Отпадая, они прорастают и дают начало новому растению. Подземных луковиц бывает довольно много. Например, определено, что в почвах Центральной черноземной области имеется часто 400 – 600 кг луковичек дикого чеснока на 1 км2.

4. Клубнями. Клубни бывают стеблевого (картофель, топинамбур) и корневого (ятрышник, любка, георгин) происхождения. Клубни стеблевого происхождения дают новое растение, корневого  образуют только корни, а для образования надземной части необходимо, чтобы они имели часть прикорневой шейки с почкой.

5. Отпрысками. Надземные побеги, развивающиеся из придаточных корневых почек – осина, иванчай, льнянка, осот, одуванчик, хрен и др. после отмирания корневой системы материнского растения новое растение становится самостоятельным.

6. Зимующими почками. Водные растения – пузырчатка, некоторые рдесты, телорез и др. – на вершинах стеблей или боковых побегов образуют зимующие почки, богатые крахмалом. Осенью они опускаются на дно (самостоятельно или вместе с материнским растением). Весной почки всплывают, прорастают и дают начало новому растению.

Способы искусственного вегетативного размножения. Как правило, в естественных условиях оно отсутствует и возникло в результате вмешательства человека для ускорения размножения, улучшения качества посадочного материала, сохранения сортов и др.

1. Делением куста. Куст из нескольких побегов разделяют (побеги и корни) и каждую часть высаживают на самостоятельное место (картофель, примула, щавель, ревень).

2. Отпрысками. От материнского растения отделяют (выкапывают) порослевые побеги и высаживают на самостоятельном месте (малина, черёмуха, облепиха).

3. Отводками. Существо этого приёма состоит в том, что сначала части растения – побеги, корни, листья – отводят, присыпают землёй и поливают, чтобы образовались корни (укореняют), а затем отделяют от материнского растения и высаживают на самостоятельное место (алоэ древовидное, шелковица, виноград, фикус, смородина и др.).

4. Черенками. Отделяют (срезают) части растения (побега, корня, листа), укореняют их (обычно в парниках, ящиках), а затем высаживают на постоянное место (лимонник китайский, чай почечный, бегонии, гиацинты.)

5. Корнями. Осенью, после снятия урожая, выкапывают корни с пеньками (нижней частью стебля), очищают от сухих, повреждённых корней, сортируют. В течение зимы хранят в траншеях. Весной высаживают в грунт (паслён дольчатый).

6. Прививкой. Почка или черенок одного растения (привой) сращивается с другим растением (подвой), имеющим корневую систему. В результате обмена пластическими веществами между привоем и подвоем развивается новая особь. Прививкой размножается большинство культурных плодовых растений. Существует более 15 видов различных способов прививки.

Половое размножение. Характеризуется слиянием двух клеток – гамет (мужской и женской) и их ядер и образованием одной – зиготы. Зигота даёт начало новому организму, способному развить свойства и признаки родительских форм. Этот новый организм начинает жизнь заново и повторяет цикл индивидуального развития, присущий его близким и далёким предкам.

При половом размножении происходит полное обновление жизни путём соединения различных наследственных задатков (материнских и отцовских), в результате получается генетически разнородное потомство с более широкими приспособительными возможностями.

В зависимости от степени дифференциации, половой выраженности гамет различают 4 вида полового процесса.

1.                                     Зигогамия – слияние обычных не дифференцированных в половом отношении клеток (многие грибы).

2.                                     Изогамия – слияние подвижных, морфологически одинаковых гамет (форма, размер). Во многих случаях они различаются физиологически, т.к. соединяются не в любой комбинации (многие зелёные водоросли).

3.                                     Гетерогамия – слияние подвижных, морфологически различных (по размерам) гамет – мужская меньше, женская – крупнее (некоторые зелёные и бурые водоросли).

4.                                     Оогамия – слияние морфологически различных гамет: женской – крупной, неподвижной, мужской – мелкой, подвижной.

Гаметы образуются в особых гаметангиях  одноклеточных у низших растений и многоклеточных – у высших. Яйцеклетки образуются в оогониях (у водорослей и грибов), архегониях – у высших споровых растений. Архегоний – это многоклеточное образование колбовидной формы: расширенная часть – брюшко, содержит яйцеклетку, узкая часть – шейка выполнена канальцевыми клетками, заполнена слизью. Сперматозоиды развиваются в антеридиях, обычно мешковидной формы.

Смена ядерных фаз. При слиянии половых клеток (гамет) и их ядер хромосомы не сливаются, образуется копуляционное ядро с двойным – диплоидным набором хромосом (2n). При образовании гамет идёт редукция хромосом и ядра половых клеток содержит одинарный  гаплоидный (n) набор хромосом.

Таким образом, переход от гаплоидного к диплоидному состоянию происходит при оплодотворении, а от диплоидного к гаплоидному  путём редукционного (мейоза) деления ядра во время микро – и мегаспорогенеза. В результате в жизненном цикле может доминировать гаплоид (многие водоросли, грибы, мхи), у других – диплоид (бурые водоросли, плауны, хвощи, папоротники, голосеменные, покрытосеменные).

Чередование поколений. У большинства растений размножение происходит бесполым и половым путём. У многих из них со сменой ядерных фаз происходит и чередование поколений: полового – гаметофита и бесполого – спорофита.

Во многих случаях одно поколение доминирует в цикле развития, а другое морфологически развито слабее, а в ряде случаев –не способно к самостоятельной жизни. Например, у мхов спорофит в виде спорогония (коробочки) со спорами живёт на гаметофите и за его счёт.

У папоротников, хвощей, плаунов гаметофит и спорофит существуют раздельно; доминирует спорофит.

У семенных растений доминирует спорофит, мужской и женский гаметофиты развиваются раздельно.

Эволюционное значение чередования поколений состоит в обеспечении обильного и биологически разнокачественного потомства.

Заключение. Растения обладают весьма совершенными способами размножения. Бесполое и вегетативное размножение обеспечивают, главным образом, количественное увеличение особей и сохранение видов, а половое – их совершенствование и новообразование, путём увеличения качественного разнообразия потомства.

38.  Генеративные органы растения. Происхождение цветка, строение, формула и диаграмма цветка.

Главная отличительная черта покрытосеменных наличие цветка.

Существует несколько теорий происхождения цветка:

1. Цветок  видоизмененный спороносный побег  эвантиевая или стробиллярная теория. Цветок  укороченный и сильно ограниченный в росте спороносный побег, в котором мегаспорофиллы превращены в плодолистики, а микроспорофиллы  в тычинки; цветок служит для образования спор и гамет, для полового процесса, после которого образуется семя и плод.

 2.Цветок  видоизмененное соцветие, а все части цветка  сросшиеся простые цветки – псевдантиевая теория.

Части цветка:

цветоножка  стеблевая часть цветка;

цветоложе  расширенная часть цветоножки, к которой прикрепляются все другие части. Может быть плоским, выпуклым, вогнутым и т.д., а также дискообразные, блюдцеобразные, конические.

 Calyx  чашелистики  наружная часть околоцветника  чашечка; может быть цветной, зеленой; свободнолистной или сростнолистной. Чашелистики по форме могут быть шиловидными, ланцетовидными. Двойной круг чашелистиков образует подчашие.

 Cоrolla  лепестки  составляют венчик, как правило окрашены. Могут быть свободными и сросшимися, разнообразной формы и величины. Чашелистики и лепестки образуют двойной околоцветник. Если в цветке имеются только чашелистики или только лепестки – околоцветник простой  Perigonium. Околоцветник служит: 1) покровом для спорофиллов, 2) для привлечения насекомых.

Внутрь от околоцветника на цветоложе расположены тычинки  Androceum  и пестики  Gineceum.

Тычинки – микроспорофиллы, состоят из тычиночной нити и пыльника. Редуцированные тычинки (без пыльников)  стаминодии. Пыльник состоит из двух половинок, разделенных связником, в каждой имеется по два гнезда, где созревает пыльца. Число тычинок различно  от одной до нескольких десятков. Могут быть свободные и сросшиеся, поэтому андроцей может быть однобратственным, двубратственным, многобратственным.

Внутренний участок цветоложа занят гинецеем, т.е. совокупностью мегаспорофиллов (или карпелл), образующих пестик (один или несколько).

Состоит из завязи (нижняя расширенная часть), столбика и рыльца. Столбик может отсутствовать  рыльце сидячее. Форма рыльца разнообразна: головчатое (слива, черешня, вишня); двухлопастное (валериана); трехлопастное (колокольчик); звездчатое и т.д.

Пестик образуется в результате срастания мегаспорофиллов, на внутренней стороне их развиваются семяпочки.

Завязь по положению на цветоложе бывает верхняя (цветок подпестичный), средняя или полунижняя (до половины срастается с цветоложем), нижняя – все части цветка расположены над завязью (цветок надпестичный).

Типы гинецея.

1) монокарпный  из одного плодолистика

2) апокарпный – из нескольких плодолистиков, каждый из которых образует собственный пестик (самый примитивный); семяпочки постенные (магнолия).

 3) ценокарпный – один пестик из нескольких сросшихся плодолистиков; семяпочки в центре или на краях сросшихся мегаспоролистиков:

 синкарпный  многогнездная завязь;

 паракарпный  одногнездная завязь, постенная плацентация;

 лизикарпный – одногнездная завязь, семяпочки в центре.

Карпеллы могут срастаться полностью в 1 пестик, от завязи до рыльца; иногда только завязями, а столбики свободны; иногда завязями и столбиками, а рыльца свободны.

Актиноморфный цветок, когда можно провести несколько плоскостей симметрии (табак, лен, хлопчатник).

Зигоморфный  не более одной плоскости (бобовые, губоцветные, фиалка).

Асимметричные  ни одной плоскости.

ФОРМУЛА. Строение цветка можно выразить в виде формулы или диаграммы. Части цветка подчиняются правилам листорасположения. Формула  буквенное и цифровое выражение. *Са 5 Со 5 А G

ДИАГРАММА  графическое выражение строения цветка