stringtranslate.com

Смена поколений

Диаграмма, показывающая чередование поколений между диплоидным спорофитом (внизу) и гаплоидным гаметофитом (вверху)

Чередование поколений (также известное как метагенез или гетерогенез ) [1] является преобладающим типом жизненного цикла у растений и водорослей . У растений обе фазы многоклеточные : гаплоидная половая фаза – гаметофит – чередуется с диплоидной бесполой фазой – спорофитом .

Зрелый спорофит производит гаплоидные споры путем мейоза , процесса, который уменьшает число хромосом вдвое, с двух наборов до одного. Полученные гаплоидные споры прорастают и вырастают в многоклеточные гаплоидные гаметофиты. В зрелом возрасте гаметофит производит гаметы путем митоза , нормального процесса деления клеток у эукариот, который сохраняет исходное число хромосом. Две гаплоидные гаметы (происходящие от разных организмов одного вида или от одного организма) сливаются , образуя диплоидную зиготу , которая многократно делится путем митоза, развиваясь в многоклеточный диплоидный спорофит. Этот цикл, от гаметофита к спорофиту (или в равной степени от спорофита к гаметофиту), является способом, которым все наземные растения и большинство водорослей подвергаются половому размножению .

Взаимосвязь между фазами спорофита и гаметофита различается у разных групп растений. У большинства водорослей спорофит и гаметофит являются отдельными независимыми организмами, которые могут иметь или не иметь схожий внешний вид. У печеночников , мхов и роголистников спорофит менее развит, чем гаметофит, и в значительной степени зависит от него. Хотя спорофиты мхов и роголистников могут фотосинтезировать, им требуется дополнительный фотосинтез от гаметофита для поддержания роста и развития спор, и они зависят от него для обеспечения водой, минеральными веществами и азотом. [2] [3] Напротив, у всех современных сосудистых растений гаметофит менее развит, чем спорофит, хотя у их девонских предков гаметофиты и спорофиты были примерно одинаковой сложности. [4] У папоротников гаметофит представляет собой небольшой сплющенный автотрофный заросток , от которого молодой спорофит на короткое время зависит в плане питания. У цветковых растений редукция гаметофита гораздо более экстремальна; он состоит всего из нескольких клеток, которые растут полностью внутри спорофита.

Животные развиваются по-разному. Они напрямую производят гаплоидные гаметы. Гаплоидные споры, способные делиться, не производятся, поэтому, как правило, многоклеточная гаплоидная фаза отсутствует. У некоторых насекомых есть система определения пола , при которой гаплоидные самцы производятся из неоплодотворенных яиц; однако самки, производимые из оплодотворенных яиц, диплоидны.

Жизненные циклы растений и водорослей с чередующимися гаплоидными и диплоидными многоклеточными стадиями называются диплогаплоническими . Также используются эквивалентные термины гаплодиплонтический , диплобионтный и дибионтный , описывающие такой организм как имеющий двухфазный онтогенез . [5] Жизненные циклы животных, в которых есть только диплоидная многоклеточная стадия, называются диплоническими . Жизненные циклы, в которых есть только гаплоидная многоклеточная стадия, называются гаплоническими .

Определение

Чередование поколений определяется как чередование многоклеточных диплоидных и гаплоидных форм в жизненном цикле организма, независимо от того, являются ли эти формы свободноживущими. [6] У некоторых видов, таких как водоросль Ulva lactuca , диплоидные и гаплоидные формы действительно являются обеими свободноживущими независимыми организмами, по существу идентичными по внешнему виду и поэтому считаются изоморфными . У многих водорослей свободноплавающие гаплоидные гаметы образуют диплоидную зиготу, которая прорастает в многоклеточный диплоидный спорофит. Спорофит производит свободноплавающие гаплоидные споры путем мейоза , которые прорастают в гаплоидные гаметофиты. [7]

Однако у наземных растений либо спорофит, либо гаметофит очень сильно редуцированы и не способны к свободной жизни. Например, у всех мохообразных доминирует поколение гаметофита, а спорофит зависит от него. Напротив, у всех семенных растений гаметофиты сильно редуцированы, хотя ископаемые свидетельства указывают на то, что они произошли от изоморфных предков. [4] У семенных растений женский гаметофит развивается полностью внутри спорофита, который защищает и питает его, а также эмбриональный спорофит, который он производит. Пыльцевые зерна, которые являются мужскими гаметофитами, редуцированы до всего лишь нескольких клеток (во многих случаях всего до трех клеток). Здесь понятие двух поколений менее очевидно; как говорят Бейтман и Димикеле, «спорофит и гаметофит эффективно функционируют как единый организм». [8] Тогда альтернативный термин «чередование фаз» может быть более уместным. [9]

История

У животных

Первоначально Адельберт фон Шамиссо (изучавший сальп , колониальных морских животных между 1815 и 1818 годами [10] ) и Япетус Стенструп (изучавший развитие трематод в 1842 году, а также оболочников и книдарий ) описали последовательность по-разному организованных поколений (половых и бесполых) у животных как «чередование поколений». [11] Позднее это явление у животных стало известно как гетерогамия , в то время как термин «чередование поколений» был ограничен жизненными циклами растений, имея в виду, в частности, чередование гаплоидных гаметофитов и диплоидных спорофитов. [11]

В растениях

В 1851 году Вильгельм Хофмейстер продемонстрировал морфологическое чередование поколений у растений [12] между поколением, несущим споры (спорофитом) и поколением, несущим гаметы (гаметофитом). [13] [14] К тому времени возник спор, сосредоточенный на происхождении бесполого поколения наземных растений (т. е. спорофита), и традиционно характеризуется как конфликт между теориями антитетического ( Ладислав Йозеф Челаковский , 1874) и гомологичного ( Натанаэль Прингсхайм , 1876) чередования поколений. [11]

В 1874 году Эдуард Страсбургер открыл чередование диплоидных и гаплоидных ядерных фаз, [11] также называемое цитологическим чередованием ядерных фаз. [15] Хотя чаще всего морфологическое чередование и чередование ядерных фаз совпадают, иногда они независимы друг от друга, например, у многих красных водорослей одна и та же ядерная фаза может соответствовать двум различным морфологическим поколениям. [15] У некоторых папоротников , утративших половое размножение, ядерная фаза не меняется, но чередование поколений сохраняется. [16]

Чередование поколений у растений

Фундаментальные элементы

На схеме выше показаны основные элементы чередования поколений у растений. Существует множество вариаций в разных группах растений. Процессы, которые при этом задействованы, следующие: [17]

«Четырехлетие» в жизненном цикле, таким образом, происходит между диплоидным (2 n ) поколением многоклеточных спорофитов и гаплоидным ( n ) поколением многоклеточных гаметофитов. [17]

Гаметофит папоротника Onoclea sensibilis (плоское слоевище, внизу) с начинающим расти из него спорофитом-потомком (маленький листец, вверху)

Ситуация совершенно иная, чем у животных, где фундаментальный процесс заключается в том, что многоклеточная диплоидная (2 n ) особь напрямую производит гаплоидные ( n ) гаметы путем мейоза. У животных споры (т. е. гаплоидные клетки, способные к митозу) не производятся, поэтому бесполое многоклеточное поколение отсутствует. У некоторых насекомых есть гаплоидные самцы, которые развиваются из неоплодотворенных яиц, но самки все диплоидны. [17]

Вариации

Приведенная выше диаграмма является хорошим представлением жизненного цикла некоторых многоклеточных водорослей (например, рода Cladophora ), которые имеют спорофиты и гаметофиты почти одинакового вида и которые не имеют различных видов спор или гамет. [18]

Однако существует множество возможных вариаций основных элементов жизненного цикла, в котором есть чередование поколений. Каждое изменение может происходить отдельно или в комбинации, что приводит к ошеломляющему разнообразию жизненных циклов. Термины, используемые ботаниками для описания этих жизненных циклов, могут быть столь же ошеломляющими. Как говорят Бейтман и Димикеле, «[...] чередование поколений стало терминологическим болотом; часто один термин представляет несколько концепций или одна концепция представлена ​​несколькими терминами». [19]

Возможные варианты:

Между этими вариациями есть некоторые корреляции, но они являются именно корреляциями, а не абсолютными. Например, у цветковых растений микроспоры в конечном итоге производят микрогаметы (сперму), а мегаспоры в конечном итоге производят мегагаметы (яйца). Однако у папоротников и их родственников есть группы с недифференцированными спорами, но дифференцированными гаметофитами. Например, у папоротника Ceratopteris thalictrioides есть споры только одного вида, которые постоянно варьируются по размеру. Более мелкие споры имеют тенденцию прорастать в гаметофиты, которые производят только антеридии, продуцирующие сперму. [28]

Сложный жизненный цикл

Чередование поколений у вида, который является гетероморфным, спорофитным, оогаметным, двудомным, гетероспоровым и двудомным

Жизненные циклы растений могут быть сложными. Чередование поколений может происходить у растений, которые одновременно являются гетероморфными, спорофитными, оогаметными, двудомными, гетероспоровыми и двудомными, например, у ивы ( поскольку большинство видов рода Salix являются двудомными). [29] Вовлеченные процессы следующие:

Жизненные циклы различных групп растений

Под термином «растения» здесь подразумеваются архепластиды , то есть глаукофиты , красные и зеленые водоросли и наземные растения .

Чередование поколений происходит почти у всех многоклеточных красных и зеленых водорослей, как пресноводных форм (например, Cladophora ), так и морских водорослей (например, Ulva ). У большинства из них поколения гомоморфны (изоморфны) и свободноживущие. Некоторые виды красных водорослей имеют сложное трехфазное чередование поколений, в котором есть фаза гаметофита и две отдельные фазы спорофита. Для получения дополнительной информации см. Красные водоросли: Размножение .

Все наземные растения имеют гетероморфное (анизоморфное) чередование поколений, при котором спорофит и гаметофит отчетливо различаются. Все мохообразные , то есть печеночники , мхи и роголистники , имеют поколение гаметофита как наиболее заметное. В качестве иллюстрации рассмотрим однодомный мох. Антеридии и архегонии развиваются на зрелом растении (гаметофите). В присутствии воды двужгутиковые сперматозоиды из антеридиев плывут к архегониям, и происходит оплодотворение, приводящее к образованию диплоидного спорофита. Спорофит вырастает из архегония. Его тело состоит из длинного стебля, увенчанного капсулой, внутри которой спорообразующие клетки подвергаются мейозу, образуя гаплоидные споры. Большинство мхов полагаются на ветер, который разносит эти споры, хотя Splachnum sphaericum является энтомофилом и привлекает насекомых для распространения своих спор.

Жизненный цикл папоротников и их родственников, включая плауны и хвощи , заметное растение, наблюдаемое в полевых условиях, — диплоидный спорофит. Гаплоидные споры развиваются в сорусах на нижней стороне листьев и разносятся ветром (или в некоторых случаях плаванием по воде). Если условия подходящие, спора прорастет и вырастет в довольно неприметное растительное тело, называемое заростком . Гаплоидный заросток не похож на спорофит, и, как таковые, папоротники и их родственники имеют гетероморфное чередование поколений. Заросток недолговечен, но осуществляет половое размножение, производя диплоидную зиготу , которая затем вырастает из заростка как спорофит.

В сперматофитах , семенных растениях, спорофит является доминирующей многоклеточной фазой; гаметофиты сильно уменьшены в размерах и очень отличаются по морфологии. Все поколение гаметофита, за исключением пыльцевых зерен (микрогаметофитов), содержится внутри спорофита. Жизненный цикл двудомного цветкового растения (покрытосеменного), ивы, был подробно описан в предыдущем разделе (Сложный жизненный цикл). Жизненный цикл голосеменных растений похож . Однако у цветковых растений есть, кроме того, явление, называемое « двойным оплодотворением ». В процессе двойного оплодотворения два ядра сперматозоида из пыльцевого зерна (микрогаметофита), а не один сперматозоид, попадают в архегоний мегагаметофита; одно сливается с ядром яйцеклетки, образуя зиготу, другое сливается с двумя другими ядрами гаметофита, образуя « эндосперм », который питает развивающийся эмбрион.

Эволюция доминирующей диплоидной фазы

Было высказано предположение, что основой возникновения диплоидной фазы жизненного цикла (спорофит) как доминирующей фазы (например, как у сосудистых растений) является то, что диплоидия позволяет маскировать экспрессию вредных мутаций посредством генетической комплементации . [30] [31] Таким образом, если один из родительских геномов в диплоидных клетках содержал мутации, приводящие к дефектам в одном или нескольких продуктах генов , эти недостатки могли быть компенсированы другим родительским геномом (который, тем не менее, может иметь свои собственные дефекты в других генах). Поскольку диплоидная фаза становилась преобладающей, эффект маскировки, вероятно, позволял размеру генома , а следовательно, и информационному содержанию, увеличиваться без ограничения необходимости повышения точности репликации ДНК. Возможность увеличения информационного содержания при низких затратах была выгодной, поскольку она позволяла кодировать новые адаптации. Эта точка зрения была оспорена, поскольку были получены доказательства того, что отбор не более эффективен в гаплоидной, чем в диплоидной фазах жизненного цикла мхов и покрытосеменных растений. [32]

Аналогичные процессы в других организмах

Ризария

Жизненный цикл фораминифер, демонстрирующий чередование поколений

Некоторые организмы, в настоящее время классифицируемые в кладе Rhizaria и, таким образом, не являющиеся растениями в используемом здесь смысле, демонстрируют чередование поколений. Большинство фораминифер подвергаются гетероморфному чередованию поколений между гаплоидными гамонтовыми и диплоидными агамонтовыми формами. Диплоидная форма, как правило, намного крупнее гаплоидной; эти формы известны как микросфера и мегалосфера соответственно .

Грибы

Грибковые мицелии обычно гаплоидны. Когда встречаются мицелии разных типов спаривания, они производят две многоядерные шаровидные клетки, которые соединяются посредством «спаривающего моста». Ядра перемещаются из одного мицелия в другой, образуя гетерокарион (что означает «разные ядра»). Этот процесс называется плазмогамией . Фактическое слияние с образованием диплоидных ядер называется кариогамией и может не произойти, пока не сформируются спорангии . Карогамия производит диплоидную зиготу, которая является короткоживущим спорофитом, который вскоре подвергается мейозу для образования гаплоидных спор. Когда споры прорастают, они развиваются в новый мицелий.

Слизевидные формы

Жизненный цикл слизевиков очень похож на цикл грибов. Гаплоидные споры прорастают, образуя роевые клетки или миксамебы . Они сливаются в процессе, называемом плазмогамией и кариогамией, образуя диплоидную зиготу. Зигота развивается в плазмодий, а зрелый плазмодий производит, в зависимости от вида, от одного до многих плодовых тел, содержащих гаплоидные споры.

Животные

Чередование между многоклеточным диплоидным и многоклеточным гаплоидным поколением никогда не встречается у животных. [33] У некоторых животных наблюдается чередование партеногенетической и половой репродуктивной фаз ( гетерогамия ), например, у сальп и долиолид (класс Thaliacea ). Обе фазы диплоидны. Иногда это называют «чередованием поколений», [34], но это совсем другое. У некоторых других животных, таких как перепончатокрылые , самцы гаплоидны, а самки диплоидны, но это всегда так, а не чередование между отдельными поколениями.

Смотрите также

Примечания и ссылки

  1. ^ "чередование поколений | Определение и примеры". Encyclopedia Britannica . Архивировано из оригинала 2021-03-04 . Получено 2021-02-25 .
  2. ^ Томас, Р. Дж.; Стэнтон, Д. С.; Лонгендорфер, Д. Х. и Фарр, М. Э. (1978), «Физиологическая оценка пищевой автономии спорофита роголистника», Botanical Gazette , 139 (3): 306–311, doi : 10.1086/337006, S2CID  84413961
  3. ^ Glime, JM (2007), Bryophyte Ecology: Vol. 1 Physiological Ecology (PDF) , Мичиганский технологический университет и Международная ассоциация бриологов, архивировано (PDF) из оригинала 2013-03-26 , извлечено 2013-03-04
  4. ^ ab Kerp, H.; Trewin, NH & Hass, H. (2003), "Новые гаметофиты из нижнего девона Rhynie Chert", Труды Королевского общества Эдинбурга: Науки о Земле , 94 (4): 411–428, doi :10.1017/S026359330000078X, S2CID  128629425
  5. ^ Клюге, Арнольд Г.; Штраус, Ричард Э. (1985). «Онтогенез и систематика». Annual Review of Ecology and Systematics . 16 : 247–268. doi :10.1146/annurev.es.16.110185.001335. ISSN  0066-4162. JSTOR  2097049. Архивировано из оригинала 27.01.2022 . Получено 25.02.2021 .
  6. ^ Тейлор, Керп и Хасс 2005
  7. ^ " "Plant Science 4 U". Архивировано из оригинала 18 августа 2016 года . Получено 5 июля 2016 года .
  8. ^ ab Bateman & Dimichele 1994, стр. 403
  9. ^ ab Stewart & Rothwell 1993
  10. ^ «Объект месяца: Поэт и череп дельфина». Hermann von Helmholtz-Zentrum für Kulturtechnik. 1 июля 2023 г. Получено 4 мая 2024 г.
  11. ^ abcd Haig, David (2008), «Гомологичное и антитетическое чередование поколений и происхождение спорофитов» (PDF) , The Botanical Review , 74 (3): 395–418, doi :10.1007/s12229-008-9012-x, S2CID  207403936, архивировано (PDF) из оригинала 2014-08-19 , извлечено 2014-08-17
  12. ^ Svedelius, Nils (1927), «Чередование поколений в связи с редукционным делением», Botanical Gazette , 83 (4): 362–384, doi :10.1086/333745, JSTOR  2470766, S2CID  84406292
  13. ^ Хофмайстер, В. (1851), Vergleichende Untersuruchungen der Keimung, Entfaltung und Fruchtbildildiung höherer Kryptogamen (Moose, Farne, Equisetaceen, Rhizocarpeen und Lycopodiaceen) und der Samenbildung der Coniferen (на немецком языке), Лейпциг: Ф. Хофмайстер, получено в 2014 г. -08 -17. Переведено как Currey, Frederick (1862), On the germination, development, and fructification of the higher Cryptogamia, and on the fructification of the Coniferæ, London: Robert Hardwicke, архивировано из оригинала 2014-08-19 , извлечено 2014-08-17
  14. ^ Feldmann, J. ; Feldmann, G. (1942), "Recherches sur les Bonnemaisoniacées et leur alternance de generations" [Исследования Bonnemaisoniaceae и их чередования поколений] (PDF) , Ann. Sci. Natl. Bot. , Series 11 (на французском языке), 3 : 75–175, архивировано из оригинала (PDF) 2014-08-19 , извлечено 2013-10-07, стр. 157
  15. ^ Аб Фельдманн, Дж. (1972), «Les problèmes actuels de l'alternance de generations chez les Algues», Bulletin de la Société Botanique de France (на французском языке), 119 : 7–38, doi : 10.1080/00378941.1972.10839073
  16. ^ Schopfer, P.; Mohr, H. (1995). «Физиология развития». Физиология растений. Берлин: Springer. С. 288–291. ISBN 978-3-540-58016-4.
  17. ^ abcdefgh Foster & Gifford 1974, [ нужна страница ] Sporne 1974a [ нужна страница ] и Sporne 1974b. [ нужна страница ]
  18. ^ Гайри и Гайри 2008
  19. ^ Бейтман и Димикеле 1994, стр. 347
  20. ^ ab Shyam 1980
  21. ^ Уотсон 1981, стр. 2
  22. ^ Кирби 2001
  23. ^ Уотсон 1981, стр. 33
  24. ^ Белл и Хемсли 2000, стр. 104
  25. ^ Уотсон 1981, стр. 425–426
  26. ^ Уотсон 1981, стр. 287–288
  27. ^ Sporne 1974a, стр. 17–21.
  28. ^ ab Bateman & Dimichele 1994, стр. 350–1
  29. ^ Чисхолм, Хью , ред. (1911). «Ива»  . Encyclopaedia Britannica . Т. 28 (11-е изд.). Cambridge University Press. С. 688–689.
  30. ^ Бернстайн, Х.; Байерс, Г.С. и Мишо, Р.Э. (1981), «Эволюция полового размножения: важность восстановления ДНК, комплементации и вариации», The American Naturalist , 117 (4): 537–549, doi : 10.1086/283734, S2CID  84568130
  31. ^ Michod, RE & Gayley, TW (1992), «Маскировка мутаций и эволюция пола», The American Naturalist , 139 (4): 706–734, doi :10.1086/285354, S2CID  85407883
  32. ^ Szövényi, Péter; Ricca, Mariana; Hock, Zsófia; Shaw, Jonathan A.; Shimizu, Kentaro K.; Wagner, Andreas (2013), «Отбор не более эффективен на гаплоидных, чем на диплоидных стадиях жизни покрытосеменных и мхов», Molecular Biology and Evolution , 30 (8): 1929–39, doi : 10.1093/molbev/mst095 , PMID  23686659
  33. ^ Барнс и др. 2001, стр. 321
  34. ^ Скотт 1996, стр. 35

Библиография