Физиология цветения 5 страница

Были проведены опыты, в которых сопоставлялась способность к морфогенезу вегетативных почек и бутонов у стеблевых каллюсов трех сортов табака, различающихся по фотопериодической реакции цветения:

Фотопериодически нейтральный сорт – Трапезонд.

Короткодневный сорт – Мамонт.

Длиннодневный сорт – Сильвестрис.

Регуляция цветения у этих трех табаков имеет как общие, так и отличительные черты. Общим является возрастной контроль цветения – растения всех трех сортов зацветают не ранее чем по достижению 3-4 месячного возраста. Отличительной чертой является отсутствие у табака Трапезонд и наличие у табаков Сильвестрис и Мамонт фотопериодического контроля цветения. Изучение особенностей морфогенеза стеблевых каллюсов растений разных биотипов выявило различия в механизмах регуляции цветения у нейтральных и фотопериодически чувствительных видов (КДР и ДДР). Способность к флоральному морфогенезу наблюдалась только у фотопериодически нейтральных сортов табака. Отсутствие формирования цветочных органов на каллюсах, с цветущих растений ДДР и КДР сортов Чайлахян объясняет в свете представлений об автономной и индуцированной регуляции цветения. Согласно этим преставлениям все компоненты цветения у НДР сортов образуются независимо от длины дня и присутствуют во всех клетках растения. Стабилизация генетической программы цветения и в стеблевых почках, и в стеблевых каллюсах происходит автономно и не требует повторной индукции веществами, образующимися в других органах растения. У фотопериодически чувствительных сортов КДР и ДДР фотопериодически индуцированное состояние исходных веществ цветущих растений нестабильно и не сохраняется в каллюсной культуре. Поэтому для инициации цветения у почек, формирующихся на каллюсах, вновь необходима индукция цветения с помощью активных веществ, образующихся в листьях взрослых растений в условиях благоприятной длины дня. Каллюсная модель является примером различий автономного и индуцированного механизмов регуляции цветения.

Итак, каллюсные культуры позволяют исследовать in vitro факторы реализации флорального морфогенеза – трофические, гормональные и др. На них показана возможность моделировать в культуре in vitro черты различий в биотипах разных видов и сортов, а также изучать различия автономного и индуцированного механизмов развития.

7.2. Использование методов in vitro в обосновании трофических закономерностей фотопериодизма (Цыбулько, 2000)

Преимущественная роль трофических метаболитов по сравнению с фитогормонами в изменении сроков перехода растений к цветению подтверждается результатами опытов, в которых эти метаболиты вносились в питательную среду в стерильных условиях. В культуре in vitro на минеральной среде Чайта выращивали апексы ДДР горчицы, рапса и КДР – периллы масличной. Растения обеих фотопериодических групп, сформированные из апексов, ускоряли переход к цветению в зависимости от концентрации сахарозы в среде. Апексы ДДР рапса на среде без минерального и органического азота формировали только вегетирующие растения, а на среде с азотом – переходили к цветению, но в разные сроки в зависимости от формы вносимого азота. Комбинирование в среде сахарозы, гидролизата казеина, гетероауксина и (или) кинетина не вызывало изменения скорости развития растений, а при добавлении гиббереллина растения до конца опыта вегетировали. По результатам экспериментов Цыбулько с сотр. был сделан вывод, что основным фактором перехода растений к цветению в культуре in vitro являются углеводы и азотсодержащие соединения.

7.3. Трансгенные растения в исследованиях проблемы цветения

В современной биологии растений широкое распространение получили исследования с применением генетически модифицированных объектов. Модельное растение трансформируется репортерным геном под контролем специфического промотора. Открытие «генов цветения», таких как СО (CONSTANS), FT (FLOWERING LOCUS T), FTС (FLOWERING LOCUS С), LEAFY (LFY), APETALA 1 (AP1), SOC1 (SUPEREXPRESSOR OF OVEREXPRESSION OF CONSTANS 1), APETELA 2(АР2), APETELA 3 (АР 3), PISTILATA (PI) и AGAMOUS (AG) и использование методов генетической трансформации растений позволяет создавать трансгенные и мутантные растения по «генам цветения» и проводить исследования в зависимости от поставленной задачи:

· изучение функциональной роли данных генов;

· место их экспрессии;

· продукт гена и его значение;

· связь с другими генетическими системами;

· регуляция генной активности эндогенными и экзогенными факторами;

· поиск генов ортологов и парологов у растений разных систематических групп и т. д.

G Таким образом, методы in vitro широко используются как удобная биологическая модель для исследования проблемы регуляции перехода растений к генеративному развитию. Создание трансгенных растений с использованием «генов цветения» позволяет исследовать функциональную роль данных генов.

þ Контрольные вопросы

· Охарактеризуйте каллюсную модель цветения Чайлахяна.

· Какие эндогенные и экзогенные факторы способствуют вегетативному морфогенезу?

· Какие эндогенные и экзогенные факторы способствуют генеративному морфогенезу (флоральному морфогенезу)?

· Что называют автономным путем регуляции цветения?

· Что подразумевают под индуцированным механизмом регуляции цветения?

· Приведите примеры сортов растений табака с различным типом фотопериодической реакции (ФПР).

· Почему методы in vitro получили широкое распространение в исследованиях проблемы регуляции цветения?

· Как использовал методы in vitro Цыбулько с сотр. в обосновании трофической теории фотопериодизма и озимости?

· Какие Вы знаете «гены цветения»?

· Какие задачи можно решать в исследовании проблемы зацветания растений с использованием методов трансгеноза?

Глава 8. Флоральный морфогенез

8. 1. Этапы процесса цветения.

8. 2. Детерминация пола.

8. 3. Строение цветка.

8. 4. Развитие (закладка и рост частей) цветка – флоральный морфогенез.

8. 5. Типы цветков.

8. 6. АВС – модель формирования цветка.

8. 7. Спорогенез и гаметогенез.

8.1. Этапы процесса цветения

В физиологическом смысле цветение – это комплекс процессов, протекающих от заложения цветка до оплодотворения.

Основные этапы цветения:

Ø Компетенция;

Ø Инициация: индукция + эвокация;

Ø флоральный морфогенез.

Большое значение для перехода к генеративному развитию растительного организма имеет накопление достаточного количества питательных веществ, необходимых для образования цветков. У большинства растений первый цветок закладывается только после образования определённого количества листьев или достижения определённого возраста. Пример: яблоня зацветает только в 5-6 летнем возрасте, у дуба первое цветение наступает в 40 лет. Только после достижения определенного возраста – завершения ювенильного этапа онтогенеза и перехода к этапу зрелости – растительный организм становится компетентным к восприятию индуцирующего воздействия (индуктора).

Компетенция – способность клетки, ткани, органа, организма воспринимать индуцирующее воздействие и специфически реагировать на него изменением развития.

Инициация цветения – перехода от вегетативного к генеративному этапу развития представляет собой сложный многофазный процесс, включающий стадию индукции цветения и эвокации цветения. Некоторые авторы выделяют также этап транспорта флорального стимула как самостоятельную фазу. У многих растений способность к заложению цветков возникает только после действия пониженных температур и/или при определенном фотопериоде, или же по достижении растением определенного возраста.

Индукция цветения – восприятие растением внешних (экзогенных) и/или внутренних (эндогенных) факторов (индукторов), создающее условия для закладки цветочных зачатков. Эта фаза осуществляется под действием экологических факторов – определённого фотопериода (фотопериодизм) и пониженных положительных температур (яровизация) – или эндогенных факторов, обусловленных возрастом растения (возрастная или автономная индукция).

Эвокация цветения – процесс, в ходе которого в апикальной меристеме побега происходят необратимые изменения, направляющие дифференцировку ее клеток по генеративному пути развития, т. е. образование цветочных зачатков. Этап флорального морфогенеза – включает рост и развитие органов цветка, формирующихся из цветочных зачатков.

8.2. Детерминация пола (сексуализация цветка)

У растений чаще образуются обоеполые (гермафродитные) цветки, реже – однополые (мужские или женские). Какие цветки образуются на растении, зависит от генотипа, но факторы внешней среды также могут влиять на детерминацию пола у высших растений. Дифференцировка пола – сексуализация цветков – цепь взаимосвязанных процессов, каждый из которых может быть вызван одним или несколькими внешними или внутренними факторами.

Впервые описал влияние внешних условий на формирование пола у растений русский ботаник Двигубский (1823 г.) В результате наблюдений он заметил, что у некоторых растений при посевах в Европе формируются однополые цветки, а при посеве в Египте – гермафродитные. В 1912 г. И. Турнуа (Франция) обнаружил, что у конопли и хмеля в условиях короткого дня женских цветков образуется больше, чем мужских. Изучение влияния фотопериода на сексуализацию цветков проводили в своих работах М. Х. Чайлахян и В. Н. Хрянин (СССР, Россия). В регуляции пола у раздельнополых растений участвует фитохромная система. Короткий день, уменьшение интенсивности света, синий свет усиливают женскую детерминацию пола цветков.

Таблица 2. Факторы, определяющие детерминацию пола цветков

Мужские цветки	Женские цветки
ГК	ЦК
Формирование листьев	Корнеобразование
Обрезка корней	Обрезка ветвей
Бедная почва	Плодородная почва
ДД	КД
КС	СС
Засуха	Повышенная влажность
Высокие температуры	Низкие температуры
Быстрый рост	Медленный рост
Са	Р
–	СО, этилен, ацетилен

Длинный день, высокая интенсивность светового потока, красный свет стимулируют мужскую детерминацию пола. В системе, регулирующей процессы сексуализации цветков очень важна роль фитогормонов: цитокининов и гиббереллинов. ЦК, образующиеся в корнях, транспортируются в верхушки стеблей и индуцируют формирование в меристеме женских (пестичных) цветков. ГК, синтезируемые в листьях, транспортируясь в апикальные меристемы, вызывают образование мужских (тычиночных) цветков.

Таким образом, все факторы, способствующие корнеобразованию, усиливают женскую сексуализацию цветков. Наоборот, факторы, вызывающие усиление роста побегов и листьев, индуцируют образование мужских цветков. На заложение мужских или женских цветков влияют внешние условия: температурный режим, фотопериод, условия минерального питания, влажность почвы и воздуха и т. д.

Умение управлять формированием цветка нужного пола – одна из важных задач садоводства, цветоводства, овощеводства. Например, выдерживание растений огурцов в течение нескольких часов в атмосфере СО увеличивает количество женских цветков, и следовательно, плодов в десятки раз.

8.3. Строение цветка

Органом полового размножения у покрытосеменных растений является цветок (см. рис. 12). Сформированный цветок имеет околоцветник – чашечку (чашелистики) и венчик (лепестки), андроцей (совокупность тычинок) и гинецей (совокупность плодолистиков). Тычинки представляют собой микроспорофиллы, а плодолистики – мегаспорофиллы. Органы цветка делят на стеблевую часть (цветоножка и цветоложе), листовую (чашелистики, лепестки венчика) и генеративную часть (тычинки и пестики). Выделяют фертильные части цветка или репродуктивные (тычинки и пестики) и стерильные (околоцветник).

Рис. 12. Строение цветка (Полевой и Саламатова, 1991):

1 – рыльце пестика, 2 – столбик, 3 – завязь, 4 – антиподы, 5 – семяпочка, 6 – два полярных ядра, 7 – зародышевый мешок, 8 – яйцевой аппарат, 9 – прорастающее на рыльце пыльцевое зерно, 10 – пыльцевая трубка, 11 – пыльник, 12 – тычиночная нить, 13 – венчик (лепестки), 14 – чашечка (чашелистики), 15 – цветоложе, 16 – цветоножка

Б

А

Рис. 13. Строение пыльника (поперечный разрез):

А – пыльцевое гнездо молодого пыльника. Б – зрелый пыльник:

1 – эпидерма, 2 – эндотетий, 3 – средний слой, 4 – тапетум, 5 – спорогенная ткань, 6 – пыльца, 7 – связник, 8 – проводящие элементы

В состав тычинки входит тычиночная нить и пыльник. Пыльник тычинки обычно состоит из двух половинок, соединенных между собой связником (см. рис. 13). В каждой половинке – по два гнезда или пыльцевых мешка, которые гомологичны микроспорангиям. Снаружи пыльник покрыт эпидермой. Под ней последовательно расположены три слоя, причем последний – тапетум содержит многоядерные клетки и выполняет функцию питательной ткани. В центре каждого гнезда имеется спорогенная ткань, из клеток которой образуются микроспоры (пыльцевые зерна).

Пестик состоит из завязи, столбика и рыльца (см. рис. 14). Завязь имеет одно или несколько гнезд, образованных сросшимися плодолистиками. На внутренней стороне плодолистиков расположены семяпочки (семязачатки), которые развиваются на плаценте плодолистиков и связаны с ней семяножкой (фуникулусом). Каждая семяпочка имеет снаружи один или два интегумента (покрова), между которыми остается микропиле (пыльцевход). Основание семяпочки называется халазой. Под интегументами семяпочки расположен нуцеллус, который гомологичен мегаспорангию. Одна из клеток нуцеллуса становится археспориальной, из неё образуются 4 мегаспоры. Одна из спор дает начало восмиядерному зародышевому мешку.

	А		А

Рис. 14. Строение пестика

А – поперечный разрез завязи, Б – поперечный разрез завязи семяпочки:

1 – стенка завязи, 2 – гнездо, 3 – плацента, 4 – семяпочка, 5 – семяножка (фуникулус), 6 – микропиле, 7 – интегументы, 8 – халаза, 9 – нуцеллус, 10 – зародышевый мешок, 11 – яйцеклетка, 12 – синергиды, 13 – антиподы, 14 – центральная клетка

8.4. Развитие (закладка и рост частей) цветка – флоральный морфогенез

Цветок может возникнуть из верхушечной меристемы главного или бокового побега и/или из тех и других. Когда растение достигает этапа половой зрелости некоторые или все апикальные меристемы на его побегах перестают закладывать листья и начинают формировать части цветка. Покоящийся центр, характерный для вегетативных меристем, исчезает, меристематические клетки вакуолизируются, все клетки вступают в клеточный цикл. Изменяется расположение примордиев на меристеме. У растений с терминальным цветком происходит перестройка листорасположения вегетативной оси на мутовчатое (круговое), характерное для цветка. При эвокации цветения меристема на время «замирает». Образуется зона, отделяющая соцветие от вегетативной части; снимается апикальное доминирование. В клетках меристемы, готовой к заложению цветка, усиливается синтез нуклеиновых кислот, увеличивается количество рибосом и белков; изменяется состав синтезируемых белков, повышается активность некоторых ферментов. Увеличивается количество митохондрий, дыхательных субстратов и усиливается дыхание меристематических тканей. В меристемах возрастает количество митозов и образуются новые клетки, дающие начало цветку.

Сначала увеличивается конус нарастания, затем он превращается в цветковый (флоральный) бугорок. В его меристеме выделяют три зоны:

1) периферическая;

2) средняя (дистальная;

3) центральная(проксимальная).

Из периферической зоны формируются элементы околоцветника; из средней (дистальной) – андроцей; из центральной (проскимальной) – гинецей.

У большинства двудольных растений первыми закладываются чашелистики или листочки околоцветника, затем – пыльники. Затем выделяется центральная часть, превращающаяся в пестик. Последними закладываются лепестки венчика. Каждый формирующийся орган цветка оказывает коррелятивное влияние на рост других частей. Апикальная меристема после образования всех частей цветка теряет свою активность. Зачатки органов одного круга всегда возникают одновременно (рис. 15).

Затем заложенные органы начинают расти. Первыми растут чашелистики, защищающие органы цветка, потом тычиночные нити, пестик и лепестки. Постепенно лепестки приобретают окраску, соответствующую виду растения. Окраска лепестков обусловлена каротиноидами и антоцианами. В ранний период своего формирования цветок является актиноморфным. У видов, имеющих зигоморфные или ассиметричные цветки, они возникают из актиноморфных в результате неравномерного роста элементов околоцветника.

Рис. 15. Схема закладки органов цветка из флоральной меристемы двудольного растения (Sussex, 1989)

В случае образования соцветия, клетки меристемы побега сначала образуют ось соцветия, а затем начинается заложение цветков.

В пыльниках происходит микроспорогенез. Формируется мужской гаметофит – пыльца, состоящая их двух клеток генеративной и вегетативной.

В завязи образуется семязачаток, состоящий их двух интегументов и фуникулуса. В семязачатке происходит мегаспорогенез и образуется 4 мегаспоры. Одна из них делится, из нее развивается женский гаметофит, называемый зародышевым мешком и содержащий гаплоидную яйцеклетку, синергиды, антиподы и вторичное диплоидное ядро. У большинства растений к моменту опыления все элементы женского гаметофита сформированы.

Пыльца и ткани пестика имеют разные физиолого-биохимические свойства, что проявляется в разной активности ферментов, химических реакций и физиологическом состоянии.

Таблица 3. Сравнение свойств тканей пыльцы и пестика

Пыльца	Пестик
рН щелочная	рН кислая
крахмал	моносахара
активность амилазы – высокая	активность амилазы – низкая
интенсивность дыхания – низкая	интенсивность дыхания – высокая
ИУК	триптофан

8.5. Типы цветков

Цветки, как органы полового размножения, могут быть разных типов в зависимости от выбранного критерия (см. табл. 3). Полноценный цветок, способный после опыления и оплодотворения формировать семена и плоды называют фертильным. Если же не все органы цветка нормально развиваются и/или создаются условия, препятствующие процессам опыления и оплодотворения (часто возникают в условиях засухи, солевого стресса, воздействия экстремальных температур и т. д.), т. е. цветок не способен формировать семена и плоды, такой цветок называют стерильным. Цветки, содержащие и мужские (тычинки), и женские (пестик или пестики) органы называют обоеполыми или гермафродитными. Если же цветок содержит только андроцей или гинецей, такие цветки называют раздельнополыми. Среди раздельнополых цветков выделяют мужские цветки (тычиночные) и женские (пестичные).

Цветок, будучи уникальной структурой по своей природе и функциям, поразительно разнообразен по деталям строения, окраске, размерам и т. д. По всей видимости, определяющим фактором для отбора в ходе эволюционного процесса, была стратегия опыления. Особенности строения органов цветка (цикличность, симметрия и т. д.), продолжительность и время цветения связаны с приспособлением к тому или иному способу опыления растений.

Таблица 4. Различные типы цветков покрытосеменных растений