Взрослое растение, как и все живые организмы, способно воспроизводить новые организмы того же вида, что и само растение. Размножение - это увеличение количества себе подобных организмов. Размножение одно из свойств жизни, оно присуще всем организмам. Благодаря размножению вид может существовать очень долго.
Растения способны к половому и бесполому размножению.
В бесполом размножении участвует только одна особь, и оно происходит без участия половых клеток. При этом дочерние организмы по своим свойствам одинаковы с материнским организмом. У растений бесполое размножение представлено вегетативным размножением и размножением спорами.
Размножение спорами есть у водорослей, мхов, папоротников, хвощей и плаунов. Споры представляют собой мелкие клетки, покрытые плотной оболочкой. Они способны длительное время переносить неблагоприятные условия среды. Когда они попадают в благоприятные условия, то прорастают и образуют растения.
При половом размножении происходит слияние женских и мужских половых клеток. Дочерние организмы отличаются от родительских. Процесс слияния половых клеток называется оплодотворением .
Половые клетки по-другому называют гаметами. Женские гаметы - это яйцеклетки , мужские - спермии (неподвижны, у семенных растений) или сперматозоиды (подвижны, у споровых растений).
В результате оплодотворения появляется особая клетка - зигота - которая содержит наследственные свойства яйцеклетки и спермия. Зигота дает начало новому организму.
Хотя дочерний организм похож на родителей у него всегда есть какие-то новые признаки, которых нет ни у одного из родительских организмов. Это главное отличие полового размножения от бесполого. Таким образом, половое размножение обеспечивает группу организмов одного вида разными свойствами. Это повышает шансы группы на выживание.
У цветковых растений оплодотворение достаточно сложное. Его называют двойным оплодотворением , так как оплодотворяется не только яйцеклетка, но и еще одна клетка.
Спермии формируются в пылинках пыльцы, которые, в свою очередь, созревают в пыльниках тычинок. Яйцеклетки образуются в семязачатках, которые находятся в завязи пестика. Из семязачатков развиваются семена после оплодотворения яйцеклетки спермием.
Чтобы оплодотворение произошло, растение должно быть опылено, то есть пыльца должна попасть на рыльце пестика. Когда пылинка пыльцы попадает на рыльце, то она начинает прорастать сквозь рыльце и столбик внутрь завязи, образую пыльцевую трубку. В это время в пылинке образуются два спермия, которые продвигаются к кончику пыльцевой трубки. Пыльцевая трубка проникает внутрь семязачатка.
В семязачатке одна клетка делится и удлиняется, образуя зародышевый мешок. В нем находится яйцеклетка и еще одна особая клетка с двойным набором наследственной информации. Пыльцевая трубка прорастает в этот зародышевый мешок. Один спермий сливается с яйцеклеткой, образуя зиготу, а другой - с особой клеткой. Зародыш растения развивается только из зиготы. От второго слияния образуется питательная ткань (эндосперм). Это обеспечивает зародыш питанием во время прорастания.
Двойное оплодотворение есть только у цветковых (покрытосеменных) растений. Оно было открыто в 1898 году С.Г. Навашиным.
В жизненном цикле цветковых растений все еще сохраняется чередование поколений. Поскольку гаметофитное поколение почти исчезло и уже не представлено свободноживущей особью, было бы трудно заметить, что чередование поколений имеет место, если бы не возможность провести сравнение с более примитивными предками. Жизненный цикл цветкового растения складывается из:
Особенность полового размножения - двойное оплодотворение.
Цветки можно считать органами как бесполого, так и полового размножения - бесполого потому, что они производят споры (пыльцевые зерна и зародышевые мешки), а полового - потому что в дальнейшем в спорах образуются гаметы. Обычно цветки называют просто органами полового размножения .
В тычинках и плодолистиках происходит важный процесс - мейоз, завершающийся образованием гаплоидных клеток и полового поколения растения - гаметофита, имеющего одиночный набор хромосом. В тычинках (мужском органе) в результате мейоза образуются гаплоидные микроспоры, развивающиеся в мужской гаметофит (пыльцевое зерно); в завязи (женском органе), формирующейся из одного или нескольких плодолистиков, в процессе мейоза образуется гаплоидная мегаспора, развивающаяся в женский гаметофит (зародышевый мешок). Мужской и женский гаметофиты в конечном счете дают начало половым клеткам, т. е. спермию и яйцеклетке . Спермий по пыльцевой трубке проникает в семязачаток и оплодотворяет яйцеклетку. В результате слияния двух половых клеток восстанавливается бесполое поколение - спорофит, имеющий двойной набор хромосом .
Так как плодолистик это мегаспорофилл (лист, на котором образуются мегаспорангии), то теперь можно на нем найти мегаспорангий. Мегаспорангий у Покрытосеменных покрыт двумя оболочками, которые называются интегументы . Сам мегаспорангий называется нуцеллус.
В мегаспорангии должно происходить образование материнской клетки мегаспор (в данном случае одной). Материнская клетка спор - последняя диплоидная клетка, которая отличается от остальных только тем, что делится мейозом с образованием четырех клеток - гаплоидных мегаспор. Но у Покрытосеменных 3 мегаспоры редуцируются и остается одна мегаспора. Далее мегаспора должна прорастать и образовывать женский гаметофит. В результате трёх митотических делений образуется зародышевый мешок , который по сути и является женским гаметофитом.
В результате делений образуется 8 ядер, которые могут огораживаться цитоплазматической мембраной (а могут и нет) и в результате образуется:
Женский гаметофит образован, яйцеклетка - тоже. Архегония в данном случае не образуется.
Тычинка - это микроспорофилл , т.е. лист, несущий микроспорангии. На каждом листе имеется два пыльника, каждый из который состоит из двух пыльцевых мешков. Вот пыльцевой мешок - это и есть микроспорангий . В нем образуется спорогенная ткань (т.е. множество материнских клеток спор), которая делится путем мейоза и образует гаплоидные микроспоры.
Микроспоры - это и есть пыльцевое зерно. Но здесь тут же начинает развиваться мужской гаметофит, сначала состоящий из 2 клеток: вегетативной и генеративной, а потом из 3 (вегетативная и 2 спермия).
При опылении пыльцевое зерно попадает на рыльце пестика, в это время оно может представлять собой любую стадию от микроспоры до 3-клеточного гаметофита. Клетка пыльцевой трубки прорастает, два спермия (1n) достигают зародышевого мешка и происходит двойное оплодотворение, которое является специфическим для покрытосеменных растений. При оплодотворении яйцеклетки (1n) образуется зигота (1n + 1n = 2n), при оплодотворении центральной клетки (2n) образуется первичная клетка эндосперма (1n + 2n = 3n). Из зиготы образуется зародыш семени, из первичной клетки эндосперма - соответственно, эндосперм.
Навашин Сергей Гаврилович (1857 – 1930), цитолог и эмбриолог растений, основатель научной школы, академик АН СССР и АН Украины, открыл двойное оплодотворение (1898) у покрытосеменных растений. Он установил, что процесс оплодотворения у покрытосеменных растений принципиально отличается от процесса оплодотворения у голосеменных растений тем, что у покрытосеменных в оплодотворении участвуют два спермия, один из которых сливается с яйцеклеткой и даёт начало зародышу, второй сливается с одной из клеток зародышевого мешка и даёт начало эндосперму. Следовательно, в отличие от голосеменных, эндосперм покрытосеменных растений является продуктом полового процесса. Процесс, открытый академиком С. Г. Навашиным, получил в науке название двойного оплодотворения .
Перенос пыльцы из пыльника на рыльце пестика называется опылением. Различают два вида опыления: перекрестное и самоопыление.
При самоопылении рыльце принимает пыльцу того же цветка либо другого, но той же особи. Возможно опыление в закрытых, нераспустившихся цветках (горох). При перекрестном опылении переносится пыльца от разных особей. Это основной тип опыления цветковых растений (яблоня, ива, огурец и др.).
Перекрестное опыление осуществляется естественным (насекомыми, птицами, летучими мышами, ветром, водой) и искусственным (производит человек) путями.
Приспособленность растений к опылению ветром проявляется в наличии голых цветков, либо невзрачных, слабо развитых околоцветников. Они лишены нектарников и запаха, пыльцы образуют много, она легкая, сухая, мелкая, рыльца длинные, с большой поверхностью для улавливания пыльцы (рожь, кукуруза).
Приспособленность растений к опылению насекомыми характеризуется яркой окраской венчика, наличием нектарников, запаха (одуванчик, земляника). Пищей для насекомых являются нектар и пыльца. Окраска и запах служат для привлечения опылителей. Иногда цветки обладают запахом, характерным для самок насекомых того же вида. Это привлекает к ним самцов, которые и осуществляют опыление. Эволюция цветковых растений и их опылителей шла параллельно. Это так называемая сопряженная эволюция.
Перекрестное опыление обеспечивает обмен генами, поддерживает высокую гетерозиготность популяций, дает материал для естественного отбора и сохраняет самое выносливое потомство - носителей наиболее благоприятного сочетания генов.
Искусственное опыление производит человек для повышения урожая или получения новых сортов растений. При этом для нанесения пыльцы на рыльце пестика используют разные способы. Так, у кукурузы, имеющей однополые цветы, пыльцу собирают, стряхивая верхушечные метелки мужских цветков в бумажные воронки. Затем собранной пыльцой посыпают выступающие на верхушке початка длинные рыльца женских цветков.
При искусственном опылении подсолнечника стебли двух соседних растений наклоняют так, чтобы можно было прижать цветущую поверхность одной корзинки к другой. Можно переносить пыльцу, поочередно прижимая руку в варежке из мягкой материи к цветущим корзинкам разных растений.
Для получения новых сортов растений с обоеполыми цветками необходима подготовка к искусственному опылению. Прежде всего из цветков растения, избранного в качестве материнского, еще в бутоне удаляют пыльники и защищают эти цветки марлевыми или бумажными мешочками от попадания пыльцы. Через 2-3 дня, когда бутоны раскроются, наносят на рыльца пестиков заготовленную пыльцу другого сорта чистой сухой акварельной кисточкой, мягким поролоном или кусочком резинки, прикрепленными к проволоке.
После опыления происходит процесс оплодотворения, но для этого нужен ряд условий: пыльца должна не только удержаться на рыльце, но и прорасти через столбик, достигнуть семязачатка и обеспечить слияние мужских клеток с женскими.
Двойное оплодотворение характерно для цветковых растений.
Обычно на рыльце попадает множество пыльцевых зерен. Они, как правило, имеют шероховатую поверхность и удерживаются липкой кожицей рыльца. Кроме этого, при попадании совместимой пыльцы клетки рыльца выделяют вещества, стимулирующие ее прорастание.
Начинается прорастание пыльцевых зерен с набухания. Затем через специальные поры (каналы) в наружной оболочке пыльцевого зерна внутренняя выпячивается в тонкую пыльцевую трубку, куда переходят вегетативное ядро и спермин. Пыльцевые трубки всех совместимых зерен, удержавшихся на рыльце пестика, растут по столбику, направляясь к семязачатку. Одна из них обгоняет в росте другие и, достигнув пыльцевхода, проникает через него к зародышевому мешку и здесь изливает в него свое содержимое.
Один из спермиев сливается с яйцеклеткой, а другой - со вторичным ядром центральной диплоидной клетки. Вегетативное ядро разрушается еще до проникновения пыльцевой трубки в зародышевый мешок.
Двойное оплодотворение у цветковых растений открыл русский цитолог и эмбриолог растений С.Г.Навашиным в 1898г.
При наличии в завязи семязачатков в каждом из них происходит вышеописанный процесс двойного оплодотворения. Называется он двойным потому, что сливаются две мужские клетки с двумя клетками женского гаметофита. В дальнейшем после оплодотворения в цветке начинается развитие семени и плода.
После оплодотворения внутри зародышевого мешка начинается быстрое митотическое деление триплоидного вторичного ядра, не имеющего периода покоя. Образуется большое количество ядер, затем между ними возникают, перегородки.
Эти вновь образовавшиеся клетки продолжают деление, заполняя всю полость зародышевого мешка питательной тканью - эндоспермом, который у одних растений полностью расходуется во время развития зародыша (бобовые, тыквенные), а у других - сохраняется в зрелых семенах (злаки). Одновременно происходит разрастание зародышевого мешка и семяпочки.
Формирование зародыша начинается с деления зиготы . После периода покоя зигота делится митотически на две клетки. Верхняя клетка, прилегающая к пыльцевходу, образует подвесок, отодвигающий нижнюю клетку в глубь эндосперма. Подвесок у одних видов растений остается одноклеточным, у других - делится поперечными перегородками и становится многоклеточным. Нижняя клетка разрастается в предзародыш семени сферической формы. Предзародыш делится на 4 клетки двумя перпендикулярными перегородками, затем каждая из этих клеток делится еще на две.
Сначала клетки более или менее однородны. По мере дальнейшего деления происходит дифференцировка клеток на зачаточный корешок, зачаточный стебель, зачаточные листочки (семядоли) и зачаточную почечку, окруженную семядолями. К этому времени семяпочка превращается в семя, ее покровы и остатки эндосперма образуют кожицу семени.
Таким образом, из оплодотворенной диплоидной яйцеклетки формируется зародыш семени, а из вторичной триплоидной клетки - питательная ткань - эндосперм, покровы семязачатка превращаются в покровы семени, а стенка завязи, разрастаясь, образует околоплодник.
Вспомним строение цветка
У покрытосеменных растений процесс формирования половых клеток состоит из двух этапов: спорогенеза и гаметогенеза. Пыльца образуется в пыльниках тычинок. Микроспорогенез – процесс образования микроспор в микроспорангиях (гнезда пыльника), где в результате митозов возникают материнские клетки пыльцы, которые вступают в мейоз. После двух мейотических делений образуется 4 гаплоидные микроспоры– пыльцевые зерна. Пыльцевое зерно (пылинка) покрыто двумя оболочками. Затем внутри пыльцевого зерна происходит микрогаметогенез (процесс образования мужского гаметофита из микроспоры) – два последовательных митотических деления. В результате первого образуются вегетативная и генеративная клетки, а после второго деления из генеративной клетки образуются два спермия.
Макроспорогенез (процесс формирования мегаспор) происходит в семязачатках, которые расположены в завязи пестика (покрыты). В области микропиле начинает разрастаться одна клетка – мегаспороцит, или материнская клетка мегаспор. В ней происходит мейоз , и образуются 4 гаплоидные клетки. Одна из этих клеток развивается в зародышевый мешок, три остальных разрушаются. Далее начинается макрогаметогенез – формирование женского гаметофита. После трех митотических делений образуется восьмиядерный зародышевый мешок. Ядра в дальнейшем обособляются в самостоятельные клетки. Одна из этих клеток (яйцеклетка) с двумя клетками-синергидами располагается возле микропиле. Синергиды содержат ферменты, которые растворяют оболочку пыльцевой трубки и при необходимости могут заместить яйцеклетку. На противоположной части зародышевого мешка располагаются три клетки-антиподы (передатчики питательных веществ из семяпочки в зародышевый мешок). Две оставшиеся клетки сливаются и образуют крупную центральную диплоидную клетку. Зародышевый мешок имеет покровы.
Процессу оплодотворения предшествует процесс опыления. Попав на рыльце, пыльцевое зерно прорастает в пыльцевую трубку, в которой расположены два неподвижных спермия. Синергиды выделяют ферменты, разрушающие пыльцевую трубку, и ее содержимое изливается рядом с яйцеклеткой. Оплодотворение от воды не зависит. Двойное оплодотворение (С.Г. Навашин, 1898 г.): один спермий сливается с яйцеклеткой (образуется зигота), второй – с диплоидной центральной клеткой, образуя триплоидный эндосперм. Из зиготы далее развивается зародыш, покровы превращаются в семенную кожуру. Развивающееся семя защищено стенками завязи (околоплодник). На месте цветка созревает плод.
Перед оплодотворением у цветковых растений должно произойти опыление, то есть перенос пыльцы с тычинки одного цветка на рыльце пестика другого. Опыление у растений может происходить ветром, водой, птицами и животными, однако, основными переносчиками пыльцы с цветка на цветок являются насекомые.
Существует перекрестное опыление, когда пыльца с одного цветка попадает на рыльце пестика другого, и самоопыление, если пыльца попадает на пестик своего же цветка. Самоопыление распространено в природе реже, чем перекрестное, так как перекрестное опыление благодаря комбинации генов от двух родителей, дает более жизнеспособное потомство.
Благодаря эволюции, у растений выработались способы предотвращения самоопыления — наличие однополых цветков, разные сроки созревания пыльцы и рыльца пестика в обоеполых цветках, особенности строения цветка, например, расположение пыльников тычинок и рыльца пестика на разной высоте и т.д. Широко распространена также самонесовместимость, или стерильность цветка по отношению к своей пыльце, при которой самоопыление невозможно.
Еще один вариант опыления — искусственное опыление, при котором человек переносит пыльцу с одного цветка на другой. Оно проводится для выведения новых сортов растений, и, иногда для спасения редких и исчезающих видов.
Как же происходит оплодотворение цветка?
Пыльца — это мужской гаметофит. В пыльцевом зерне пыльника тычинки происходит формирование спермиев — мужских половых клеток. (гамет). Происходит это благодаря нескольким делениям материнской клетки — споры, с помощью мейоза и последующего митоза. В результате в пыльцевом зерне образуется три клетки — одна большая, вегетативная, и две маленькие, генеративные. Сверху пыльцевое зерно покрыто двойной оболочкой.
Яйцеклетка — женская гамета — развивается в зародышевом мешке семязачатка.
У покрытосеменных семязачатки находятся внутри завязи пестика, и тем самым защищены от неблагоприятных условий среды, в отличие от голосеменных, у которых семязачатки располагаются снаружи и непосредственно улавливают пыльцу. Семязачаток (семяпочка) — это видоизмененный спорангий. Перед опылением одна из его центральных клеток многократно делится — мейозом и несколькими митозами, в результате чего образуется одна большая клетка с восемью гаплоидными ядрами — это и есть зародышевый мешок — женский гаметофит. Вскоре ядра зародышевого мешка окружаются небольшим слоем цитоплазмы и отделяются друг от друга, образуя отдельные клетки. Одна из них, самая большая — яйцеклетка. Она располагается у полюса зародышевого мешка. Напротив нее находится клетка с двумя ядрами, которые сливаются в одно ядро (так называемое центральное ядро). Остальные 5 клеток располагаются у разных полюсов зародышевого мешка — две — рядом с яйцеклеткой, и три — у противоположного полюса.После того, как пылинка попадает на рыльце пестика, в ней сразу образуются два спермия, а сама пылинка набухает и начинает врастать внутрь пестика образуя пыльцевую трубку. Спермии перемещаются в конец пыльцевой трубки. Пройдя через ткани рыльца и столбика пестика, пыльцевая трубка проникает в завязь, подходит к семязачатку и врастает в него. Далее пыльцевая трубка прорастает в зародышевый мешок, где один из спермиев соединяется (сливается) с яйцеклеткой, образуя зиготу. Из зиготы в последующем развивается зародыш растения. Другой спермий подходит к центральныму ядру и сливается с ним. При этом образуется трехядерная клетка, которая начинает быстро делиться, образуя эндосперм — питательную ткань семени.
Такой процесс слияния двух спермиев с двумя клетами — яйцеклеткой и центральным ядром получил название двойного оплодотворения. Двойное оплодотворение встречается только у цветковых растений, благодаря ему зародыш получает очень ценную питательную ткань.
Несмотря на то, что сам процесс слияния спермиев с яйцеклеткой и центральным ядром протекает быстро, 15-20 минут, прорастание пыльцевой трубки может длиться несколько месяцев.
Например, от момента опыления до самого оплодотворения, у дуба проходит 12-14 месяцев, у орешника — до 4 месяцев, у хлопчатника — до 30 часов. У большинства же растений этот процесс занимает 1-2 дня.
Если у вас не открываются игры или тренажёры, читайте .
