Размножение растений — это образование у растений нового потомства, которое может осуществляться половым или бесполым размножением. Половое размножение дает потомство путем слияния гамет , в результате чего потомство генетически отличается от любого из родителей. Бесполое размножение дает новых особей без слияния гамет, в результате чего образуются клональные растения, генетически идентичные родительскому растению и друг другу, если не происходят мутации .
Бесполое размножение не предполагает образования и слияния мужских и женских гамет. Бесполое размножение может происходить путем почкования , фрагментации , образования спор , регенерации и вегетативного размножения .
Бесполое размножение — это тип размножения, при котором потомство происходит только от одного родителя, таким образом, наследуя характеристики родителя. Бесполое размножение у растений происходит в двух основных формах: вегетативном размножении и агамоспермии . [1] Вегетативное размножение включает вегетативную часть исходного растения, производящую новые особи путем почкования, кущения и т. д., и отличается от апомиксиса , который является заменой полового размножения и в некоторых случаях включает семена. Апомиксис встречается у многих видов растений, таких как одуванчики ( вид Taraxacum ), а также у некоторых нерастительных организмов. Об апомиксисе и подобных процессах у нерастительных организмов см. партеногенез .
Естественное вегетативное размножение — это процесс , который чаще всего встречается у многолетних растений и обычно включает структурные изменения стебля или корней , а также листьев некоторых видов . Большинство видов растений, использующих вегетативное размножение, делают это как средство придания растениям многолетнего характера, что позволяет им выживать от одного сезона к другому и часто способствует их увеличению в размерах. Растение, сохраняющееся в определенном месте путем вегетативного размножения особей, дает начало клональной колонии . Один рамет , или кажущаяся особь клональной колонии, генетически идентичен всем остальным в той же колонии. Расстояние, на которое растение может перемещаться во время вегетативного размножения, ограничено, хотя некоторые растения могут образовывать разветвления из ветвящихся корневищ или столонов, покрывающих большую территорию, часто всего за несколько вегетационных периодов. В каком-то смысле этот процесс представляет собой не процесс размножения, а процесс выживания и увеличения биомассы особи. Когда отдельный организм увеличивается в размерах за счет размножения клеток и остается нетронутым, этот процесс называется вегетативным ростом. Однако при вегетативном размножении новые растения представляют собой новые особи почти во всех отношениях, кроме генетического. Основным недостатком вегетативного размножения является передача возбудителей от родителей потомству. Передача возбудителей от растения к его семенам (при половом размножении или при апомиксисе) встречается редко, хотя бывают случаи, когда это происходит. [2] [ нужна страница ]
Семена, образующиеся в результате апомиксиса, являются средством бесполого размножения, включающего образование и распространение семян, которые не возникают в результате оплодотворения зародышей . Ястребиные водоросли ( Hieracium ), одуванчики ( Taraxacum ), некоторые виды цитрусовых и голубая трава Кентукки ( Poa pratensis ) используют эту форму бесполого размножения. Псевдогамия встречается у некоторых растений с апомиктическими семенами, где для инициации роста эмбриона часто необходимо опыление, хотя пыльца не вносит генетического материала в развивающееся потомство. [3] У растений встречаются и другие формы апомиксиса, в том числе образование проростков вместо семян или образование луковиц вместо цветков, когда образуются новые клонированные особи.
Корневище — видоизмененный подземный стебель , служащий органом вегетативного размножения; Отрастающие кончики корневища могут отделяться в новые растения, например, полиподия , ирис , пырей и крапива .
Распростертые воздушные стебли, называемые побегами или столонами , являются важными органами вегетативного размножения у некоторых видов, например у земляники , многочисленных трав и некоторых папоротников .
Придаточные почки образуются на корнях у поверхности земли, на поврежденных стеблях (например, на пнях срубленных деревьев) или на старых корнях. Из них развиваются надземные стебли и листья. Форма почкования, называемая присасыванием , представляет собой размножение или регенерацию растения побегами, возникающими из существующей корневой системы . Виды, которые характерно производят присоски, включают вяз ( Ulmus ) [4] : 299 и многие представители семейства розовых , такие как Rosa , [4] : 285–296 , Kerria [4] : 206 и Rubus . [4] : 258
Луковичные растения, такие как лук ( Allium cepa ), гиацинты , нарциссы и тюльпаны, размножаются вегетативно путем деления подземных луковиц на большее количество луковиц. Другие растения, такие как картофель ( Solanum tuberosum ) и георгины, размножаются вегетативно из подземных клубней . Гладиолусы и крокусы размножаются вегетативно аналогично клубнелуковицам .
Гемы — это отдельные клетки или массы клеток, которые отделяются от растений с образованием новых клональных особей. Они обычны для печеночников и мхов , а также для гаметофитов некоторых пленчатых папоротников . Они также присутствуют в некоторых клубных мхах , таких как Huperzia lucidula . [5] Они также встречаются в некоторых высших растениях, таких как виды Drosera .
Наиболее распространенной формой размножения растений, используемой человеком, является семена, но используется ряд бесполых методов, которые обычно являются усилением естественных процессов, в том числе: черенкование, прививка, окулировка, отводки , деление, секционирование корневищ, корней, клубней, луковиц. , столоны, побеги и т. д., а также искусственное размножение путем лабораторного клонирования тканей . Бесполые методы чаще всего используются для размножения сортов с индивидуальными желаемыми характеристиками, которые не реализуются из семян. [6] Размножение фруктовых деревьев часто осуществляется путем окулировки или прививки желаемых сортов ( клонов ) на подвои , которые также являются клонами, размножающимися испражнениями .
В садоводстве черенком называют ветку, отрезанную от материнского растения ниже междоузлия и затем укорененную, часто с помощью укореняющей жидкости или порошка, содержащих гормоны . Когда сформировался полноценный корень и заново начали прорастать листья, клон представляет собой самодостаточное растение [7] , генетически идентичное.
Примеры включают черенки стеблей ежевики ( Rubus occidentalis ), африканской фиалки ( Saintpaulia ), вербены ( Verbena ) для получения новых растений. Родственным применением черенков является прививка , при которой стебель или почка прикрепляются к другому стеблю. Питомники предлагают к продаже деревья с привитыми стеблями, способные давать четыре и более сортов родственных плодов, включая яблоки . Наиболее распространенным применением прививки является размножение сортов на уже укоренившихся растениях, иногда подвои используются, чтобы затмить растения или защитить их от патогенов , повреждающих корни . [8]
Поскольку вегетативно размножаемые растения представляют собой клоны, они являются важным инструментом в исследованиях растений. Когда клон выращивают в различных условиях, различия в росте можно объяснить воздействием окружающей среды, а не генетическими различиями. [7]
Половое размножение включает два фундаментальных процесса: мейоз , который перестраивает гены и уменьшает количество хромосом , и оплодотворение , которое восстанавливает хромосому до полного диплоидного числа. В промежутке между этими двумя процессами разные виды растений и водорослей изменяются, но многие из них, включая все наземные растения , претерпевают чередование поколений с двумя разными многоклеточными структурами (фазами) — гаметофитом и спорофитом . Эволюционное происхождение и адаптивное значение полового размножения обсуждаются на страницах « Эволюция полового размножения» и «Происхождение и функция мейоза» .
Гаметофит — это многоклеточная структура (растение), которая является гаплоидной и содержит один набор хромосом в каждой клетке. Гаметофит производит мужские или женские гаметы (или обе) в результате процесса деления клеток, называемого митозом . У сосудистых растений с отдельными гаметофитами женские гаметофиты известны как мегагаметофиты (мега = большие, они производят большие яйцеклетки), а мужские гаметофиты называются микрогаметофитами (микро = маленькие, они производят маленькие сперматозоиды).
В результате слияния мужских и женских гамет (оплодотворение) образуется диплоидная зигота , которая путем митотического деления клеток развивается в многоклеточный спорофит.
Зрелый спорофит производит споры путем мейоза, который иногда называют редукционным делением, поскольку пары хромосом снова разделяются, образуя отдельные наборы.
У мхов и печеночников гаметофит относительно крупный, а спорофит представляет собой гораздо более мелкую структуру, никогда не отделяющуюся от гаметофита. У папоротников , голосеменных и цветковых растений (покрытосеменных) гаметофиты относительно мелкие, а спорофит значительно крупнее. У голосеменных и цветковых растений мегагаметофит содержится в семяпочке (которая может развиться в семя), а микрогаметофит содержится в пыльцевом зерне.
В отличие от животных растения неподвижны и не могут искать половых партнеров для размножения. В эволюции ранних растений сперматозоиды для размножения переносились абиотическими средствами, в том числе водой и значительно позже ветром. Первые растения были водными , как описано на странице «Эволюционная история растений» , и свободно выделяли сперму в воду, которую переносило течением. Примитивные наземные растения, такие как печеночники и мхи, имели подвижные сперматозоиды, которые плавали в тонкой пленке воды или попадали в виде капель воды из мужских органов размножения на женские органы. По мере развития более высоких и сложных растений происходили изменения в чередовании поколений. В палеозойскую эру прогимноспермы размножались с помощью спор, разносившихся по ветру. Семенные растения, включая семенные папоротники , хвойные и кордаиты , которые были голосеменными , появились 350 миллионов лет назад. У них были пыльцевые зерна, содержащие мужские гаметы для защиты сперматозоидов во время процесса перехода от мужских частей к женским.
Считается, что насекомые питаются пыльцой, и таким образом растения научились использовать насекомых для активного переноса пыльцы с одного растения на другое. Семенники, к которым относятся покрытосеменные и голосеменные, имеют гетероморфное чередование поколений с крупными спорофитами, содержащими сильно редуцированные гаметофиты. У покрытосеменных есть отличительные репродуктивные органы, называемые цветками, с плодолистиками , а женский гаметофит значительно уменьшен до женского зародышевого мешка, содержащего всего восемь клеток. Каждое пыльцевое зерно содержит сильно редуцированный мужской гаметофит, состоящий из трех-четырех клеток. Сперматозоиды семенных растений неподвижны, за исключением двух более старых групп растений — Cycadophyta и Ginkgophyta , имеющих жгутики.
Цветковые растения , доминирующая группа растений, [9] :168 размножаются как половым, так и бесполым путем. Их отличительной особенностью является то, что их репродуктивные органы содержатся в цветках . Половое размножение цветковых растений включает образование отдельных мужских и женских гаметофитов, образующих гаметы .
Пыльник производит пыльцевые зерна , содержащие мужские гаметофиты . Пыльцевые зерна прикрепляются к рыльцу на вершине плодолистика , в котором расположены женские гаметофиты (внутри семязачатков). Растения могут самоопыляться или перекрестно опыляться . Перенос пыльцы (мужских гаметофитов) на женские рыльца называется опылением . После того, как происходит опыление, пыльцевое зерно прорастает, образуя пыльцевую трубку, которая прорастает через плодолистик и переносит мужские ядра в семязачаток для оплодотворения яйцеклетки и центральной клетки женского гаметофита в процессе, называемом двойным оплодотворением . Образовавшаяся зигота развивается в зародыш, а триплоидный эндосперм (один сперматозоид плюс двуядерная женская клетка) и женские ткани семязачатка дают начало окружающим тканям развивающегося семени. Оплодотворенные семяпочки развиваются в семена внутри плода , образующегося из завязи. Когда семена созреют, их можно рассеять вместе с плодами или освободить от них различными способами, чтобы они проросли и переросли в следующее поколение.
Растения, которые используют насекомых или других животных для переноса пыльцы с одного цветка на другой, развили сильно видоизмененные части цветка, чтобы привлечь опылителей и облегчить перемещение пыльцы от одного цветка к насекомому и от насекомого к следующему цветку. Цветки ветроопыляемых растений, как правило, лишены лепестков и чашелистиков; обычно образуется большое количество пыльцы, и опыление часто происходит в начале вегетационного периода, прежде чем листья смогут помешать распространению пыльцы. Многие деревья, все травы и осоки опыляются ветром.
У растений есть множество различных способов привлечения опылителей, включая цвет, запах, тепло, нектарные железы, съедобную пыльцу и форму цветка. Наряду с модификациями, затрагивающими вышеупомянутые структуры, два других условия играют очень важную роль в половом размножении цветковых растений: первое - это время цветения, а второе - размер или количество образующихся цветков. Часто виды растений имеют несколько крупных, очень эффектных цветков, в то время как другие дают много мелких цветков; часто цветы собираются вместе в большие соцветия, чтобы максимизировать их визуальный эффект, становясь более заметными для проходящих опылителей. Цветы — это стратегии привлечения, а проявления сексуальности — это функциональные стратегии, используемые для создания следующего поколения растений, при этом опылители и растения эволюционировали совместно, часто до некоторой экстраординарной степени, очень часто принося взаимную выгоду.
Самым крупным семейством цветковых растений являются орхидеи ( Orchidaceae ), которое, по оценкам некоторых специалистов, включает до 35 000 видов, [10] которые часто имеют узкоспециализированные цветки, привлекающие для опыления определенных насекомых. Тычинки модифицируются для производства пыльцы в гроздьях, называемых поллиниями , которые прикрепляются к насекомым, заползающим в цветок. Форма цветка может заставлять насекомых проходить мимо пыльцы, которая «приклеена» к насекомому. Некоторые орхидеи еще более узкоспециализированы: форма цветков имитирует форму насекомых, чтобы привлечь их к попытке «спариться» с цветами, а некоторые даже имеют ароматы, имитирующие феромоны насекомых .
Другая большая группа цветковых растений — это семейство Asteraceae или подсолнечника, насчитывающее около 22 000 видов [11] , которые также имеют сильно модифицированные соцветия, состоящие из множества отдельных цветков, называемых соцветиями. Головки с цветками одного пола, когда цветки пестичные или функционально тычиночные или состоят из всех обоеполых цветков, называются гомогамными и могут включать головки дисковидного и язычоцветкового типа. Некоторые лучистые головы также могут быть гомогамными. Растения с головками, имеющими цветки двух и более половых форм, называются гетерогамными и включают лучистые и дискообразные формы головки.
Папоротники обычно дают большие диплоиды со стеблем, корнями и листьями. На фертильных листьях образуются спорангии , сгруппированные в сорусы и часто защищенные индузием . Если споры поместить на подходящий влажный субстрат, они прорастают, образуя короткие, тонкие, свободноживущие гаметофиты, называемые проталломами , которые обычно имеют сердцевидную форму, маленькие и зеленого цвета. Гаметофиты продуцируют как подвижные сперматозоиды в антеридиях , так и яйцеклетки в отдельных архегониях . После дождей или когда роса образует пленку воды, подвижные сперматозоиды разбрызгиваются из антеридиев, которые обычно образуются на верхней стороне слоевища, и плывут в пленке воды к антеридиям, где они оплодотворяют яйцеклетку. Чтобы способствовать скрещиванию или перекрестному оплодотворению, сперма высвобождается до того, как яйцеклетки станут восприимчивыми к сперме, что повышает вероятность того, что сперма оплодотворит яйцеклетки из разных слоевищ. После оплодотворения образуется зигота, из которой вырастает новое спорофитное растение . Состояние наличия у растений отдельных спорофитов и гаметофитов называется чередованием поколений . Другие растения с похожей репродуктивной стратегией включают Psilotum , Lycopodium , Selaginella и Equisetum .
Мохообразные , к которым относятся печеночники , роголистники и мхи , могут размножаться как половым, так и вегетативным путем . Жизненный цикл этих растений начинается с гаплоидных спор, которые вырастают в доминантную форму, которая представляет собой многоклеточный гаплоидный гаметофит с слоевищными или листовидными структурами, которые фотосинтезируют . Гаметофит — наиболее известная фаза растения. Мохообразные обычно представляют собой небольшие растения, которые растут во влажных местах и, как и папоротники, имеют подвижные сперматозоиды, которые приплывают к семязачатку с помощью жгутиков и, следовательно, нуждаются в воде для облегчения полового размножения. Мохообразные демонстрируют значительные различия в своих репродуктивных структурах, и их основная схема такова: гаплоидные гаметы образуются в антеридиях и архегониях путем митоза. Сперматозоиды, выделяющиеся из антеридиев, реагируют на химические вещества, выделяемые зрелыми архегониями, подплывают к ним в пленке воды и оплодотворяют яйцеклетки, образуя диплоидные зиготы. Зигота многократно делится митотическим делением и превращается в диплоидный спорофит. Образующийся многоклеточный диплоидный спорофит образует капсулы со спорами, называемые спорангиями . Споры образуются в результате мейоза , и при созревании капсулы разрываются, высвобождая споры. У некоторых видов каждый гаметофит однополый, в то время как другие виды могут быть одноцветными , производя как антеридии , так и архегонии на одном и том же гаметофите, который, таким образом, является гермафродитом . [12]
Одним из результатов размножения растений является образование семян, спор, гемм и других вегетативных органов, которые позволяют растениям перемещаться в новые места или новые места обитания. [ нужна цитата ]
У растений нет нервной системы или воли к своим действиям. Несмотря на это, ученые могут наблюдать механизмы, которые помогают их потомству развиваться по мере его роста. У всех организмов есть механизмы повышения выживаемости потомства. [ нужна цитата ]
Забота о потомстве наблюдается у Mammillaria Hernandezii , небольшого кактуса, произрастающего в Мексике. Кактус — это разновидность суккулента, то есть он сохраняет воду, когда она доступна на случай будущих засух. M. Hernandezii также хранит часть семян в стебле, а остальные выпускает для роста. [13] Это может быть выгодно по многим причинам. Задерживая высвобождение некоторых семян, кактус может защитить их от потенциальных угроз со стороны насекомых, травоядных животных или плесени, вызываемой микроорганизмами. Исследование показало, что наличие достаточного количества воды в окружающей среде заставляет M. Hernandezii выделять больше семян, способствующих прорастанию. Растение смогло почувствовать градиент водного потенциала в окружающей среде и действовать, давая своим семенам больше шансов в этой предпочтительной среде. [14] Эта эволюционная стратегия дает лучший потенциальный результат для прорастания семян.
Подобные репродуктивные стратегии встречаются как у млекопитающих, так и у растений. Разница между ними заключается в том, что в суровых условиях окружающей среды млекопитающие производят меньшее и более крупное потомство, тогда как растения производят больше семян. [15]
СМИ, связанные с размножением растений, на Викискладе?