Тема 1. Размножение и индивидуальное развитие растений

Размножение растений - это физиологический процесс воспроизведения себе подобных организмов, обеспечивающий непрерывность существования вида и его расселение в окружающей среде.

У растений выделяют три типа размножения: половое, бесполое и вегетативное.

При половом размножении новый организм появляется в результате слияния двух половых клеток - гамет. Половой процесс характерен для всех растений - низших и высших - и играет важную роль в эволюции. При бесполом размножении новый организм развивается из спор. Бесполое размножение характерно для споровых растений, у которых более или менее четко выражено чередование двух поколений - бесполого (спорофит) и полового (гаметофит). Вегетативное размножение - размножение при помощи отдельных частей организма: кусочков таллома или отдельных клеток у низших растений, органов или их частей - у высших.

Наиболее древний способ - бесполое размножение. Главный признак бесполого размножения - участие в нем одного организма (особи), в то время как в половом размножении участвуют две особи. Существенная особенность бесполого размножения - появление потомства с таким же набором хромосом, как и у материнского организма (дочерний организм - копия материнского).

Бесполое размножение у ряда растений (водоросли, мхи, папоротники) осуществляется с помощью спор. Спора - это одна клетка, защищенная толстой оболочкой от высыхания и механического повреждения. Споры формируются в специальных образованиях - спорангиях. Будучи очень легкими, споры далеко разносятся ветром. В благоприятных условиях споры прорастают и из них образуются новые организмы. Обычно растения образуют огромное количество спор, но не из всех развиваются новые растения. Многие споры попадают в неблагоприятные условия и погибают.

Растения многих видов размножаются вегетативно. Наиболее сложных и разнообразных форм вегетативное размножение достигло у высших и особенно у цветковых растений. Для них характерно размножение с помощью вегетативных органов: частей побега, корня, корневища, листа.

Благодаря вегетативному размножению цветковые растения (в частности, сорняки) быстро распространяются на соседние участки и заселяют их. Способность цветковых растений к интенсивному вегетативному размножению сыграла немалую роль в их успешной конкуренции с голосеменными, которым свойственно только семенное размножение.

При вегетативном размножении дочерние организмы сохраняют большое сходство с материнским организмом. Поэтому человек использует вегетативное размножение для сохранения у потомства ценных признаков материнских растений, для размножения культурных растений, при озеленении сел и городов, в сельском хозяйстве. В практике в целях размножения проводят прививку - приживление части одного растения к другому. Прививкой размножают растения, у которых затруднено образование придаточных корней, когда хотят сохранить ценные признаки сорта. Для прививки у одного растения берут черенки или почку и сращивают с другим растением тем или иным способом (в расщеп, под кору, глазками, сближением и др.).

Биологическая наука разработала новые методы размножения растений с помощью отдельных клеток или кусочков ткани. Этот способ называется методом культуры клеток. При этом в специальных условиях из одной клетки или кусочка ткани вырастает целое растение. Таким способом можно быстро размножать ценные культуры, наладить промышленное производство массы клеток редких лекарственных растений, как, например, женьшеня. Если в искусственных условиях на питательной среде 50 г женьшеня выращивают за 6 - 7 недель, то в естественных условиях на это требуется 50 лет.

Половое размножение - эволюционно наиболее прогрессивный способ. При половом размножении новый организм развивается из зиготы, которая образуется в результате слияния половых клеток - гамет. Так, уже у одноклеточных водорослей, например у хламидомонады, половое размножение осуществляется с помощью внешне сходных между собой мужских и женских клеток. Эти половые клетки сливаются, происходит оплодотворение, образуется одна клетка, в которой объединяются материнские и отцовские хромосомы, а значит, проявляются признаки обоих организмов.

В ходе эволюции растений увеличивались различия между мужскими и женскими гаметами: женские гаметы становились крупными и неподвижными, с запасом питательных веществ, а мужские - мелкими, подвижными, без запаса питательных веществ. Эволюция растений шла по пути совершенствования мужского и женского полового аппарата, в котором формируются половые клетки.

Наиболее сложное строение имеет половой аппарат у покрытосеменных растений. Вспомним строение цветка этих растений, в котором образуются спермии (мужские гаметы) и яйцеклетки (женские гаметы). Главные части цветка - тычинки и пестик. В пыльниках тычинок из одной диплоидной материнской клетки в результате мейоза образуются 4 гаплоидных микроспоры, каждая из них имеет оболочку и одно ядро. Такая микроспора дает начало пыльцевому зерну. Каждое пыльцевое зерно покрыто двумя оболочками - внешней (экзина) и внутренней (интина). При делении пыльцевого зерна митозом формируются две клетки: маленькая генеративная и более крупная вегетативная. Позднее генеративная клетка в результате митоза образует две половые клетки - спермии.

В завязи пестика содержится один или несколько семязачатков, в которых происходит процесс образования мегаспор и гамет. Завязь выполняет функцию влажной камеры, предохраняющей семязачатки от высыхания. Кроме того, пестик защищает семязачатки от резких колебаний температуры, от поедания их насекомыми.

Семязачаток содержит одну материнскую диплоидную клетку, которая подвергается мейозу. Из образовавшихся в процессе мейоза четырех женских гаплоидных клеток сохраняется лишь одна, остальные три дегенерируют. Оставшаяся клетка растет, затем ее ядро претерпевает три последовательных деления путем митоза. Цитоплазма при этом не делится. В итоге возникают 8 одинаковых гаплоидных ядер в клетке, которые расходятся к полюсам клетки (по 4 ядра к каждому). Такую клетку с 8 ядрами называют зародышевым мешком. Далее от каждого полюса по одному ядру передвигаются в центр зародышевого мешка, сливаются между собой и образуют одну диплоидную клетку, называемую центральной. Из остальных 6 гаплоидных ядер лишь одно принадлежит будущей яйцеклетке.

Чтобы в цветке завязался плод и образовались семена, должно произойти опыление - пыльца с тычинки должна попасть на рыльце пестика. Химические вещества рыльца стимулируют прорастание вегетативной клетки в пыльцевую трубку, доходящую до зародышевого мешка. По этой трубке в зародышевый мешок проникают два спермия. Один из них сливается с яйцеклеткой, образуя диплоидный зародыш, другой соединяется с центральной диплоидной клеткой, образуя триплоидную клетку, из которой очень быстро развивается эндосперм - питательный материал для развивающегося зародыша.

После оплодотворения в завязь интенсивно поступают питательные вещества, из нее образуется плод, а из семязачатков - семя, в котором находится зародыш.

Слияние одного спермия с яйцеклеткой, а другого с диплоидной центральной клеткой у растений называют двойным оплодотворением. Этот процесс характерен для всех покрытосеменных растений и впервые был открыт в конце прошлого века С. Г. Навашиным. Значение двойного оплодотворения заключается в образовании эндосперма, питающего зародыш. Поэтому семена у покрытосеменных развиваются гораздо быстрее, чем у многих других растений, например у голосеменных.

Биологическое значение оплодотворения состоит в том, что из оплодотворенной яйцеклетки развивается новое растение, которое сочетает в себе признаки материнского и отцовского организмов, так как содержит хромосомы обоих родителей. У дочернего организма могут появиться новые признаки и он может оказаться лучше приспособленным к среде обитания, выжить и дать новое потомство. В этом преимущество полового размножения перед бесполым, в котором участвует всего один организм.

Оплодотворению предшествует опыление - перенос пыльцы с тычинки на рыльце пестика. Различают самоопыление и перекрестное опыление. При самоопылении цветки опыляются пыльцой своего же растения, а в результате перекрестного опыления цветки одного растения опыляются пыльцой другого растения этого же вида. К самоопыляющимся растениям относятся пшеница, ячмень, горох, фасоль и др. Перекрестноопыляющиеся растения - рожь, кукуруза, подсолнечник, огурец, просо, гречиха, арбуз и др.

В процессе исторического развития у растений возникли различные приспособления для перекрестного опыления при помощи насекомых, ветра, птиц и др. Так, для насекомоопыляемых растений характерны яркая окраска и душистые цветки, наличие в цветках вкусной нежной пыльцы и сладкого сока нектара, объединение мелких цветков в соцветия, которые делают их более заметными для насекомых. Ветроопыляемые растения, как правило, растут группами, большими скоплениями (заросли и рощи), зацветают ранней весной до распускания листьев, образуют в изобилии мелкую и сухую пыльцу.