Биология растений

Плоды некоторых растений распространяются водой (ольха, кувшинка, кокосовая пальма, многие виды осок). Сочные плоды с яркой окраской и ароматным запахом охотно поедаются многими видами животных. Семена этих плодов не перевариваются и вместе с экскрементами попадают в почву. У сухих плодов развиваются различные прицепки, крючочки, которые цепляются за шерсть животных, одежду человека и переносятся ими (лопух, липучка, череда). У некоторых растений созревшие плоды растрескиваются и раскручивающиеся створки околоплодника отбрасывают семена -— иногда на значительное расстояние (недотрога, бешеный огурец).

Семя.   В типичном случае семя состоит из зародыша и эндосперма, окруженных семенной кожурой (рис. 8.22).

Семенная кожура образуется из покровов семязачатка. Она предохраняет семя от механических повреждений, проникновения патогенных микроорганизмов, излишней потери воды. Семена многих растений имеют различные приспособления для распространения — волоски (ивы, тополя), мясистые придатки (для привлечения животных).

Рис. 8.22. Строение семени: а — семя фасоли: б — семя (зерновка) пшеницы; 1 — кожура; 2 — стебелек; 3 — почечка зародыша; 4 — корешок; 5 ¦— семядоля; 6 — щиток (семядоля); 7 — эндспери.

Зародыш — это зачаток новой особи, миниатюрный спорофит. У большинства цветковых растений зародыш состоит из зародышевого корешка, стебелька и почечки. К верхней части стебелька прикрепляются семядольные листья {семядоли). При этом у двудольных растений закладываются две семядоли (они содержат запасные вещества семени), у однодольных — одна. Единственная семядоля зародыша злаков называется щитком. Она расположена на границе с эндоспермом и при прорастании зерновки способствует поступлению растворенных питательных веществ из эндосперма к зародышу.

Эндосперм — ткань, содержащая питательные вещества. Она формируется не только у почти всех однодольных растений, но и у ряда двудольных (лен, укроп, морковь и др.). В тришюидных клетках эндосперма, а также в семядолях зародыша содержится значительный запас питательных веществ (крахмал, белки, жиры и др.), необходимых для развития зародыша и формирования проростка.

Содержание органических веществ в семенах культурных растений зависит от ряда факторов — от биологических особенностей вида и сорта, возраста, условий питания, водоснабжения, температуры, освещения и т. д. По количеству органических веществ в семенах оценивается качество урожая. В зерновых культурах качество зерна определяется прежде всего содержанием белков и крахмала. Наибольшее количество белков содержится в зерне пшеницы и наименьшее — в зерне пивоваренного ячменя. Хлебопекарные качества пшеницы определяются содержанием в ней клейковины.

Зерно бобовых культур  содержит белков значительно больше, чем зерновых, а крахмала меньше. Масличные культуры (подсолнечник, соя, рапс и лен) оцениваются по содержанию жиров в семенах. Данные о содержании органических веществ в семенах (зерне) наиболее распространенных и ценных растений представлены в табл. 8.1.

Табл. 8.1. Средний химический состав семян некоторых сельскохозяйственных культур (%).

При попадании в благоприятные  условия семена начинают прорастать. Прорастание семян — это переход  их от состояния покоя к вегетативному  росту зародыша и формирующегося из него проростка. Этот процесс начинается при оптимальном для каждого вида и сорта растения сочетании внутренних и внешних (экологических) факторов — влажности, тепла и свободного до-, ступа кислорода.

Зрелые семена в большинстве  случаев крайне сухие (их влажность  обычно 5—20%), вследствие чего прорастание невозможно до тех пор, пока они не впитают определенное количество воды, необходимое для метаболической активности. Потребность в воде для набухания зависит от состава семян. Семена с высоким содержанием жиров поглощают 30—40% воды от их массы, богатые крахмалом — 50—70, а с большим количеством белка — около 90% и более.

При набухании семян  в клеточных органеллах активизируются окислительно-восстановительные ферменты, усиливающие дыхание и гидролиз белков, углеводов, жиров и других органических соединений запасающих тканей эндосперма, перисперма и (или) семядолей зародыша. В результате образуются простые водорастворимые соединения, доступные для поглощения клетками развивающегося зародыша. Кроме того, набухание семян сопровождается активированием фитогормонов, регулирующих их прорастание, а также освобождением энергии, которая используется в биохимических процессах зародыша и проростка (синтез пластических веществ, формирование клеточных органелл, деление клеток и др.).

На ранних стадиях  прорастание может быть полностью анаэробным, но как только семенная кожура лопается, оно становится аэробным и требует кислорода. Свободный доступ кислорода усиливает интенсивность дыхания прорастающих семян в сотни раз. Если почва перенасыщена водой, доступное семени количество кислорода может оказаться недостаточным для такого дыхания и прорастание станет невозможным. Только у немногих растений (рис, тимофеевка) семена могут прорастать при пониженной аэрации.

Интенсивность дыхания  возрастает также при повышении температуры окружающей среды. Согласно закону Я. Вант-Гоффа, скорость большинства химических реакций возрастает в 2—4 раза при повышении температуры на каждые 10°С. Однако у живых организмов подобное повышение имеет свои пределы. Например, при температуре 45—48°С дыхание семян практически прекращается и они теряют способность к прорастанию. Оптимальная температура для прорастания семян большинства растений 25—30°С, а минимальная, при которой семена могут прорастать, колеблется в широких пределах от 0°С до 15 — 18°С.

При прорастании семени первым появляется корешок, или зародышевый корень, который быстро растет и укрепляется в почве, всасывает из нее воду и растворенные минеральные вещества и поставляет их зародышу. Затем трогается в рост зародышевый стебелек, который выносит из почвы почечку и семядоли. Из почечки развивается надземная часть растения — стебель с листьями. Такое прорастание называется надземным (огурец, тыква, фасоль, морковь). В том случае, когда семядоли на поверхность почвы не выносятся, а остаются в семени (горох, дуб, пшеница, ячмень), — прорастание подземное.

Молодые растеньица, которые  развиваются из зародыша семени, называются проростками, В начальный период своего развития проростки питаются запасными веществами семени, а после образования настоящих листьев переходят на фототрофный способ питания.

Знание особенностей строения, состава и условий прорастания  семян различных видов и сортов растений имеет важное значение для  подготовки их к посеву и уходу  за всходами.

Сроки посева и глубина заделки семян зависят от вида и сорта растений, механического состава почвы, ее влажности, климатических условий местности и т. п. Чем тяжелее и увлажненнее почва, тем на меньшую глубину нужно заделывать семена. Например, посев зерновых (пшеница, ячмень, рожь) и зернобобовых (горох, вика, люпин) начинают, когда почва прогреется до 6—10°С. При этом глубина заделки семян на тяжелых почвах составляет 3—4 см, на легких и средних — 5—8 см.

Значение плодов и семян определяется прежде всего тем, что они способствуют расселению и размножению растений, обеспечивая тем самым непрерывность и стабильность всех биогеоценозов (экосистем). Кроме того, им принадлежит важнейшая роль в пищевых цепях (сетях) экосистем.

Большое значение плоды  и семена имеют также и в  жизни человека: их употребляют в пищу, используют в качестве сырья в промышленности и медицине, они служат кормом дня домашних животных. Для получения плодов и семян человек выращивает зерновые культуры (хлебные злаки и зернобобовые), плодовые деревья (яблоня, груша, слива, вишня) и ягодные кустарники (вино1рад, крыжовник, смородина, ежевика), а также овощные (томат, баклажан, огурец, дыня), технические (лен, конопля, хлопчатник), лекарственные, эфиромасличные, каучуконосные, дубильные и другие растения.

Плоды и семена многих растений используют для получения масел (подсолнечник, клещевина, горчица, масличная пальма), сильнодействующих лекарственных средств — опия, кофеина, стрихнина и др. Из плодов кофе и какао готовят разнообразные напитки.

Половое размножение

Образование мужского н женского гаметофитов. Отличительная особенность полового размножения — наличие полового процесса, одним из важнейших этапов которого является оплодотворение с последующим образованием зиготы. Из последней в дальнейшем развивается зародыш — зачаток нового организма. У высших семенных растений отмечен только один тип полового процесса — оогамия. Кроме того, у них в результате сочетания бесполого размножения с половым образуются особые зачатки — семена, при помощи которых происходит расселение растений.

У покрытосеменных растений органом размножения является цветок. Для выяснения функционирования цветка необходимо проследить, какие  процессы происходят в тычинках и  пестиках. Как сказано выше, тычинка  состоит из тычиночной нити и пыльника. Каждый пыльник образован двумя половинками, в которых развивается по две пыльцевые камеры (гнезда) — микроспорангии. В гнездах молодого пыльника имеются особые диплоидные клетки —микроспороциты, или материнские клетки микроспор. Каждый микроспороцит претерпевает мейоз и образует четыре микроспоры. Здесь же, внутри пыльцевого гнезда, микроспора увеличивается в размерах, ядро ее делится митотически, и образуется два ядра — вегетативное и генеративное. На поверхности бывшей микроспоры образуется прочная целлюлозная оболочка с несколькими округлыми порами, сквозь которые в конечном итоге прорастают пыльцевые трубки. В результате этих процессов каждая микроспора превращается в пыльцевое зерно (пыльцу) —-мужской гаметофит цветковых растений (рис. 8.18).

У однодольных растений в пыльцевом зерне, находящемся в пыльнике, генеративное ядро делится митотически с последующим образованием двух неподвижных мужских гамет — спер-миев. У двудольных образование спермиев происходит позже, когда пыльца попадает на рыльце пестика. Таким образом, зрелое пыльцевое зерно состоит из двух (вегетативной и генеративной) или из трех (вегетативной и двух спермиев) клеток.

Рис. 8.18. Тычинки: а — общий вид тычинок; б —развитие пыльцевых гнезд; в —- пыльца и ее прорастание; I — пыльник; 2 — тычиночная нить; 3 — пыльца; 4 — экзина; 5 — интина; б — генеративное ядро; 7 — вегетативное ядро; 8 — пыльцевая трубка.; 9 — два спермия; 10 — эпидермис; И — фиброзный слой; 12 — спорогенная ткань; 13 — гнездо пыльника.

Образование женского гаметофита происходит в семязачатке (семяпочке), находящемся внутри завязи пестика (рис. 8.19). Семязачаток — это видоизмененный мегаспорангий (нуцеллус), защищенный покровами. Покровы на верхушке не срастаются и образуют узкий канал — пыльцевход. В нуцеллусе, вблизи пыльцевхода, начинает развиваться диплоидная клетка — мегаспороцит (макроспороцит). Он делится мейотически, давая четыре гаплоидные макро- или мегаспоры, обычно расположенные линейно. Три мегаспоры вскоре разрушаются, а четвертая, наиболее удаленная от пыльцевхода, развивается в зародышевый мешок.

Рис. 8.19. Образование макроспор в семязачатке (а—в) и развитие зародышевого мешка (г—д): 1 —нуцеллус; 2 — пыльцевход; 3 — покровы семязачатка; 4—семяножка; 5—макроспороцит; 6 —макроспоры; 7 — одноядерный зародышевый мешок; 8,9 — двухъядерные мешки; И,12 - молодой и зрелый восьмиядерные мешки; 13—яйцеклетка; 14 — синергиды; 15 — полярные ядра; 16 — антиподы.

Последний растет, его  ядро трижды делится митотически, в  результате чего образуется восемь дочерних ядер. Они располагаются по четыре двумя группами— вблизи, пыльцевхода  зародышевого мешка и на противоположном полюсе. Затем от каждого полюса отходит но одному ядру в центр зародышевого мешка. Это так называемые полярные ядра. В дальнейшем они могут сливаться, превращаясь в одно центральное, или вторичное диплоидное ядро (или их слияние происходит позднее, при оплодотворении). Остальные шесть ядер, по три на каждом полюсе, разделяются тонкими клеточными перегородками. При этом на полюсе у пыльцевхода образуется яйцевой аппарат, состоящий из яйцеклетки и двух клеток-синергид. На противоположном полюсе возникают так называемые клетки-антиподы, которые определенное время участвуют в доставке к клеткам зародышевого мешка питательных веществ, а затем исчезают'. Такая восьмиядерная семиклеточная структура — зародышевый мешок — является зрелым женским гаметофитом, готовым к оплодотворению. Образование пыльцы и зародышевого мешка у большинства растений завершается одновременно.

Опыление. У цветковых растений процессу оплодотворения предшествует опыление.

Опыление—это перенос пыльцы из пыльников тычинок на рыльце пестика. Различают два типа опыления: самоопыление и перекрестное опыление. При самоопылении пыльцевые зерна переносятся на рыльце пестика того же цветка (ячмень, горох, тюльпан). У перекрестноопыляющихся растений осуществляется перенос пыльцы из тычинок цветков одною растения на рыльце пестика другого.