stringtranslate.com

Смена поколений

Диаграмма, показывающая чередование поколений диплоидного спорофита (внизу) и гаплоидного гаметофита (вверху).

Смена поколений (известная также как метагенез или гетерогенез ) [1] — преобладающий тип жизненного цикла у растений и водорослей . У растений обе фазы многоклеточные : гаплоидная половая фаза — гаметофит — чередуется с диплоидной бесполой фазой — спорофит .

Зрелый спорофит производит гаплоидные споры путем мейоза — процесса, который уменьшает количество хромосом вдвое, с двух наборов до одного. Образующиеся гаплоидные споры прорастают и превращаются в многоклеточные гаплоидные гаметофиты. По достижении зрелости гаметофит производит гаметы путем митоза — нормального процесса деления клеток у эукариот, который сохраняет исходное количество хромосом. Две гаплоидные гаметы (происходящие из разных организмов одного и того же вида или из одного и того же организма) сливаются , образуя диплоидную зиготу , которая неоднократно делится митозом, развиваясь в многоклеточный диплоидный спорофит. Этот цикл от гаметофита к спорофиту (или, в равной степени, от спорофита к гаметофиту) представляет собой путь полового размножения всех наземных растений и большинства водорослей .

Соотношение между фазами спорофита и гаметофита варьируется у разных групп растений. У большинства водорослей спорофит и гаметофит представляют собой отдельные независимые организмы, которые могут иметь или не иметь сходный внешний вид. У печеночников , мхов и роголистников спорофит развит хуже, чем гаметофит, и во многом зависит от него. Хотя спорофиты мхов и роголистников могут фотосинтезировать, им требуется дополнительный фотосинтез гаметофита для поддержания роста и развития спор, и они зависят от него в качестве источника воды, минеральных питательных веществ и азота. [2] [3] Напротив, у всех современных сосудистых растений гаметофит менее развит, чем спорофит, хотя их девонские предки имели гаметофиты и спорофиты примерно одинаковой сложности. [4] У папоротников гаметофит представляет собой небольшой уплощенный автотрофный заросток , от которого на короткое время зависит питание молодого спорофита. У цветковых растений редукция гаметофита гораздо более выражена; он состоит всего из нескольких клеток, которые полностью растут внутри спорофита.

Животные развиваются по-разному. Они непосредственно производят гаплоидные гаметы. Гаплоидные споры, способные к делению, не образуются, поэтому многоклеточная гаплоидная фаза обычно отсутствует. У некоторых насекомых есть система определения пола , при которой гаплоидные самцы производятся из неоплодотворенных яиц; однако самки, полученные из оплодотворенных яиц, диплоидны.

Жизненные циклы растений и водорослей с чередованием гаплоидных и диплоидных многоклеточных стадий называются диплогаплонтическими . Эквивалентные термины гаплодиплонтный , дилобионтический и дибионтный также используются для описания такого организма как имеющего двухфазный онтогенез . [5] Жизненные циклы животных, в которых имеется только диплоидная многоклеточная стадия, называются диплоидными . Жизненные циклы, в которых присутствует только гаплоидная многоклеточная стадия, называются гаплонтическими .

Определение

Смена 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 Ulvalactuca , диплоидная и гаплоидная формы действительно являются 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 в результате мейоза производит свободно плавающие гаплоидные споры , которые прорастают в гаплоидные гаметофиты. [7]

Однако у наземных растений ни спорофит, ни гаметофит сильно редуцированы и не способны к свободной жизни. Например, у всех мохообразных доминирует гаметофитное поколение и от него зависит спорофит. 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 полностью развивается внутри спорофита, который защищает и питает его и эмбриональный спорофит, который он производит. Пыльцевые зерна, являющиеся мужскими гаметофитами, сокращаются до нескольких клеток (во многих случаях всего до трех клеток). Здесь понятие двух поколений менее очевидно; как говорят Бейтман и Димишель, «спорофит и гаметофит эффективно функционируют как единый организм». [8] Альтернативный термин «чередование фаз» может оказаться более подходящим. [9]

История

У животных

Первоначально Адельберт фон Шамиссо (изучавший сальпы , колониальные морские животные в период с 1815 по 1818 год [10] ) и Япетус Стенструп (изучающий развитие трематод в 1842 году, а также оболочников и книдарий ) описали смену разноорганизованных поколений (половых и бесполых) у животных как «смена поколений». [11] Позже это явление у животных стало известно как гетерогамия , тогда как термин «чередование поколений» был ограничен жизненными циклами растений, имея в виду конкретно чередование гаплоидных гаметофитов и диплоидных спорофитов. [11]

В растениях

В 1851 г. Вильгельм Гофмейстер продемонстрировал морфологическое чередование поколений у растений [12] между спороносным поколением (спорофит) и гаметным поколением (гаметофит). [13] [14] К этому времени возникла дискуссия, посвященная происхождению бесполого поколения наземных растений (т. е. спорофита) и условно характеризуемая как конфликт между теориями антитетического ( Ладислав Йозеф Челаковский , 1874) и гомологичного ( Натанаэль Прингшейм , 1876) Смена 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 разным морфологическим поколениям. [15] У некоторых папоротников , утративших половое размножение, изменения ядерной фазы не происходит, но сохраняется чередование поколений. [16]

Смена поколений у растений

Фундаментальные элементы

На схеме выше показаны основные элементы смены поколений у растений. Существует множество вариаций у разных групп растений. Речь идет о следующих процессах: [17]

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

Гаметофит папоротника Onoclea sensibilis (плоское слоевище, внизу) с начинающим отрастать от него спорофитом-потомком (маленькая ветвь, вверху)

Ситуация совершенно отличается от ситуации у животных, где фундаментальный процесс заключается в том, что многоклеточная диплоидная (2 n ) особь непосредственно производит гаплоидные ( n ) гаметы путем мейоза. У животных споры (т.е. гаплоидные клетки, способные подвергаться митозу) не образуются, поэтому бесполое многоклеточное поколение отсутствует. У некоторых насекомых есть гаплоидные самцы, развивающиеся из неоплодотворенных яиц, но все самки диплоидны. [17]

Вариации

Приведенная выше диаграмма хорошо отображает жизненный цикл некоторых многоклеточных водорослей (например, рода Cladophora ), у которых спорофиты и гаметофиты почти одинакового внешнего вида и которые не имеют разных видов спор или гамет. [18]

Однако существует множество возможных вариаций фундаментальных элементов жизненного цикла, в котором происходит чередование поколений. Каждая вариация может возникать отдельно или в комбинации, что приводит к ошеломляющему разнообразию жизненных циклов. Термины, используемые ботаниками при описании этих жизненных циклов, могут сбивать с толку. Как говорят Бейтман и Димишель, «[...] чередование поколений превратилось в терминологическую трясину; часто один термин представляет несколько понятий или одно понятие представлено несколькими терминами». [19]

Возможные варианты:

Между этими вариациями есть некоторые корреляции, но это именно корреляции, а не абсолютные. Например, у цветковых растений микроспоры в конечном итоге производят микрогаметы (сперматозоиды), а мегаспоры в конечном итоге производят мегагаметы (яйца). Однако у папоротников и их родственников имеются группы с недифференцированными спорами, но дифференцированными гаметофитами. Например, у папоротника Ceratopteris thalictrioides имеются споры только одного вида, размеры которых постоянно различаются. Меньшие споры имеют тенденцию прорастать в гаметофиты, которые производят только антеридии, продуцирующие сперму. [28]

Сложный жизненный цикл

Чередование поколений у вида гетероморфного, спорофитного, оогаметного, двудомного, гетероспорового и раздельнополого.

Жизненный цикл растений может быть сложным. Смена поколений может происходить у растений, которые одновременно гетероморфны, спорофитны, оогаметны, двудомны, гетероспоричны и двудомны, например, у ивы (поскольку большинство видов рода Salix раздельнополы). [29] Речь идет о следующих процессах:

Жизненные циклы разных групп растений

Термин «растения» здесь используется для обозначения Archaeplastida , т.е. глаукофитов , красных и зеленых водорослей и наземных растений .

Смена поколений происходит почти у всех многоклеточных красных и зеленых водорослей, как пресноводных форм (например, Cladophora ), так и морских водорослей (например, Ulva ). У большинства поколения гомоморфны (изоморфны) и свободноживущие. У некоторых видов красных водорослей наблюдается сложная трехфазная смена поколений, при которой имеется фаза гаметофита и две четко выраженные фазы спорофита. Дополнительную информацию см. в разделе Красные водоросли: Размножение .

У всех наземных растений наблюдается гетероморфное (анизоморфное) чередование поколений, при котором спорофит и гаметофит резко различаются. У всех мохообразных , то есть печеночников , мхов и роголистников , поколение гаметофитов является наиболее заметным. В качестве иллюстрации рассмотрим одноцветный мох. На зрелом растении (гаметофите) развиваются антеридии и архегонии. В присутствии воды двужгутиковые спермии из антеридиев плывут к архегониям и происходит оплодотворение, приводящее к образованию диплоидного спорофита. Спорофит вырастает из архегония. Его тело представляет собой длинный стебель, увенчанный капсулой, внутри которой клетки, производящие споры, подвергаются мейозу с образованием гаплоидных спор. Большинство мхов рассеивают эти споры ветром, хотя Splachnum sphaericum энтомофилен и привлекает насекомых для распространения своих спор.

В жизненном цикле папоротников и их союзников, включая плауны и хвощи , наиболее заметным растением, наблюдаемым в полевых условиях, является диплоидный спорофит. Гаплоидные споры развиваются в сорусах на нижней стороне листьев и разносятся ветром (или, в некоторых случаях, плаванием по воде). При благоприятных условиях спора прорастает и превращается в довольно незаметное тело растения, называемое проталлусом . Гаплоидный проталлус не похож на спорофит, поэтому папоротники и их союзники имеют гетероморфное чередование поколений. Заросток недолговечен, но осуществляет половое размножение, образуя диплоидную зиготу , которая затем вырастает из проталлома в виде спорофита.

У сперматофитов , семенных растений, спорофит является доминирующей многоклеточной фазой; гаметофиты сильно уменьшены в размерах и весьма разнообразны по морфологии. Все поколение гаметофитов, 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 аналогичен. Однако у цветковых растений существует явление, называемое « двойное оплодотворение ». В процессе двойного оплодотворения в архегоний мегагаметофита попадают не один спермий, а два ядра спермия из пыльцевого зерна (микрогаметофита); 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 (спорофита) в качестве доминирующей фазы (например, как у сосудистых растений) является то, что диплоидия позволяет маскировать проявление вредных мутаций посредством генетической комплементации . [30] [31] Таким образом, если один из родительских геномов в диплоидных клетках содержал мутации , приводящие к дефектам одного или нескольких генных продуктов , то эти недостатки могли быть компенсированы другим родительским геномом (который, тем не менее, может иметь свои собственные дефекты в других геномах). гены). Поскольку диплоидная фаза становилась преобладающей, эффект маскировки, вероятно, позволил увеличить размер генома и, следовательно, информационное содержание без необходимости повышения точности репликации ДНК. Возможность увеличить информационное содержание при низких затратах была выгодной, поскольку позволяла кодировать новые адаптации. Эта точка зрения была оспорена: данные показывают, что отбор не более эффективен на гаплоидных, чем на диплоидных фазах жизненного цикла мхов и покрытосеменных. [32]

Подобные процессы у других организмов

Ризария

Жизненный цикл фораминифер , показывающий смену поколений.

Некоторые организмы, которые в настоящее время отнесены к кладе Rhizaria и, следовательно, не являются растениями в том смысле, который здесь используется, демонстрируют чередование поколений. У большинства фораминифер происходит гетероморфное чередование поколений между гаплоидными формами гамонта и диплоидными формами агамонта . Диплоидная форма обычно намного крупнее гаплоидной; эти формы известны как микросфера и мегасфера соответственно.

Грибы

Грибной мицелий обычно гаплоидный. Когда мицелии разных типов спаривания встречаются, они образуют две многоядерные шарообразные клетки, которые соединяются посредством «мостика спаривания». 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 до тех пор, пока не сформируются спорангии . Карогамия дает диплоидную зиготу, которая представляет собой недолговечный спорофит, который вскоре подвергается мейозу с образованием гаплоидных спор. Когда споры прорастают, они превращаются в новый мицелий.

Слизевики

Жизненный цикл слизевиков очень похож на жизненный цикл грибов. Гаплоидные споры прорастают с образованием клеток роя или миксамеб . Они сливаются в процессе, называемом плазмогамией и кариогамией, с образованием диплоидной зиготы. Зигота развивается в плазмодий, а зрелый плазмодий дает, в зависимости от вида, от одного до многих плодовых тел, содержащих гаплоидные споры.

Животные

Чередование многоклеточного диплоидного и многоклеточного гаплоидного поколений у животных никогда не встречается. [33] У некоторых животных наблюдается чередование партеногенной 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 происходит чередование отдельных поколений.

Смотрите также

Примечания и ссылки

  1. ^ «Смена поколений | Определение и примеры» . Британская энциклопедия . Архивировано из оригинала 04 марта 2021 г. Проверено 25 февраля 2021 г.
  2. ^ Томас, Р.Дж.; Стэнтон, Д.С.; Лонгендорфер, Д.Х. и Фарр, МЭ (1978), «Физиологическая оценка пищевой автономии спорофита роголистника», Botanical Gazette , 139 (3): 306–311, doi : 10.1086/337006, S2CID  84413961
  3. ^ Глайм, Дж. М. (2007), Экология мохообразных: Том. 1 Физиологическая экология (PDF) , Мичиганский технологический университет и Международная ассоциация бриологов, заархивировано (PDF) из оригинала 26 марта 2013 г. , получено 4 марта 2013 г.
  4. ^ аб Керп, Х.; Тревин, Н. Х. и Хасс, Х. (2003), «Новые гаметофиты из нижнего девона Райни Черт», 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». Ежегодный обзор экологии и систематики . 16 : 247–268. doi : 10.1146/annurev.es.16.110185.001335. ISSN  0066-4162. JSTOR  2097049. Архивировано из оригинала 27 января 2022 г. Проверено 25 февраля 2021 г.
  6. ^ Тейлор, Керп и Хасс, 2005 г.
  7. ^ " "Plant Science 4 U". Архивировано из оригинала 18 августа 2016 года . Проверено 5 июля 2016 года .
  8. ^ ab Bateman & Dimichele 1994, стр. 403
  9. ^ аб Стюарт и Ротвелл, 1993 г.
  10. ^ «Объект месяца: Поэт и череп дельфина». Центр культурной техники Германа фон Гельмгольца. 1 июля 2023 г. Проверено 4 мая 2024 г.
  11. ^ abcd Хейг, Дэвид (2008), «Гомологическое и антитетическое чередование поколений и происхождение спорофитов» (PDF) , The Botanical Review , 74 (3): 395–418, doi : 10.1007/s12229-008-9012-x , S2CID  207403936, заархивировано (PDF) из оригинала 19 августа 2014 г. , получено 17 августа 2014 г.
  12. ^ Сведелиус, Нильс (1927), «Смена поколений в связи с редукционным отделом», 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. Хофмейстер , получено в 2014 г. -08 -17. Переведено как Карри, Фредерик (1862), О прорастании, развитии и плодотворении высшей криптогамии и о плодоношении хвойных , Лондон: Роберт Хардвик, заархивировано из оригинала 19 августа 2014 г. , получено 8 августа 2014 г. -17
  14. ^ Фельдманн, Дж .; Фельдманн, Г. (1942), «Исследования о Bonnemaisoniaceae и их чередовании поколений» (PDF) , Ann. наук. Натл. Бот. , Серия 11 (на французском языке), 3 : 75–175, заархивировано из оригинала (PDF) 19 августа 2014 г. , получено 7 октября 2013 г., п. 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. ^ Шопфер, П.; Мор, Х. (1995). «Физиология развития». Физиология растений. Берлин: Шпрингер. стр. 288–291. ISBN 978-3-540-58016-4.
  17. ^ abcdefgh Foster & Gifford 1974, [ необходима страница ] Sporne 1974a [ необходима страница ] и Sporne 1974b. [ нужна страница ]
  18. ^ Гири и Гири 2008
  19. ^ Бэйтман и Димишель 1994, с. 347
  20. ^ Аб Шьям 1980
  21. ^ Уотсон 1981, с. 2
  22. ^ Кирби 2001
  23. ^ Уотсон 1981, с. 33
  24. ^ Белл и Хемсли 2000, с. 104
  25. ^ Уотсон 1981, стр. 425–6.
  26. ^ Уотсон 1981, стр. 287–8.
  27. ^ Спорне 1974a, стр. 17–21.
  28. ^ ab Bateman & Dimicele 1994, стр. 350–1.
  29. ^ Чисхолм, Хью , изд. (1911). «Виллоу»  . Британская энциклопедия . Том. 28 (11-е изд.). Издательство Кембриджского университета. стр. 688–689.
  30. ^ Бернштейн, Х.; Байерс, Г.С. и Мишод, Р.Э. (1981), «Эволюция полового размножения: важность восстановления, комплементации и вариаций ДНК», The American Naturalist , 117 (4): 537–549, doi : 10.1086/283734, S2CID  84568130
  31. ^ Мишод, Р.Э. и Гейли, Т.В. (1992), «Маскировка мутаций и эволюция пола», The American Naturalist , 139 (4): 706–734, doi : 10.1086/285354, S2CID  85407883
  32. ^ Шовеньи, Питер; Рикка, Мариана; Хок, Жофия; Шоу, Джонатан А.; Симидзу, Кентаро К.; Вагнер, Андреас (2013), «Отбор на гаплоидных стадиях жизни покрытосеменных и мхов не более эффективен, чем на диплоидных», Molecular Biology and Evolution , 30 (8): 1929–39, doi : 10.1093/molbev/mst095 , ПМИД  23686659
  33. ^ Барнс и др. 2001, с. 321
  34. ^ Скотт 1996, с. 35

Библиография