Rozmnażanie roślin

Rozmnażanie roślin to wytwarzanie nowego potomstwa w roślinach, które można osiągnąć poprzez rozmnażanie płciowe lub bezpłciowe . Rozmnażanie płciowe daje potomstwo w wyniku połączenia gamet , w wyniku czego potomstwo różni się genetycznie od któregokolwiek z rodziców. Rozmnażanie bezpłciowe wytwarza nowe osobniki bez fuzji gamet, w wyniku czego powstają rośliny klonalne, które są genetycznie identyczne z rośliną rodzicielską i sobą nawzajem, chyba że wystąpią mutacje .

Rozmnażanie bezpłciowe

Rozmnażanie bezpłciowe nie obejmuje produkcji i łączenia gamet męskich i żeńskich. Rozmnażanie bezpłciowe może zachodzić poprzez pączkowanie , fragmentację , tworzenie zarodników , regenerację i rozmnażanie wegetatywne .

Rozmnażanie bezpłciowe to rodzaj rozmnażania, w którym potomstwo pochodzi tylko od jednego rodzica, dziedzicząc w ten sposób cechy rodzica. Rozmnażanie bezpłciowe u roślin występuje w dwóch podstawowych formach, rozmnażaniu wegetatywnym i agamospermii . Rozmnażanie wegetatywne obejmuje wegetatywny fragment pierwotnej rośliny produkujący nowe osobniki poprzez pączkowanie, krzewienie itp. I różni się od apomiksii , która jest zastąpieniem rozmnażania płciowego iw niektórych przypadkach obejmuje nasiona. Apomiksja występuje w wielu gatunkach roślin, takich jak mniszek lekarski ( Taraxacum gatunków), a także w niektórych organizmach nieroślinnych. Aby zapoznać się z apomiksją i podobnymi procesami w organizmach innych niż rośliny, patrz partenogeneza .

Naturalne rozmnażanie wegetatywne jest procesem występującym głównie w roślinach wieloletnich i zwykle obejmuje strukturalne modyfikacje łodygi lub korzeni oraz kilku gatunków liści . Większość gatunków roślin, które wykorzystują rozmnażanie wegetatywne, robi to jako sposób na wieloletnie utrzymanie roślin, umożliwiając im przetrwanie z jednego sezonu do drugiego i często ułatwiając ich ekspansję. Roślina, która utrzymuje się w miejscu poprzez rozmnażanie wegetatywne osobników, daje początek kolonii klonalnej . Pojedynczy ramet lub pozorny osobnik kolonii klonalnej jest genetycznie identyczny ze wszystkimi innymi w tej samej kolonii. Odległość, na jaką roślina może się przemieszczać podczas rozmnażania wegetatywnego, jest ograniczona, chociaż niektóre rośliny mogą wytwarzać ramety z rozgałęzionych kłączy lub rozłogów, które pokrywają duży obszar, często w ciągu zaledwie kilku sezonów wegetacyjnych. W pewnym sensie proces ten nie polega na reprodukcji, ale na przetrwaniu i ekspansji biomasy osobnika. Kiedy pojedynczy organizm zwiększa się poprzez namnażanie komórek i pozostaje nienaruszony, proces ten nazywany jest wzrostem wegetatywnym. Jednak w rozmnażaniu wegetatywnym powstające nowe rośliny są nowymi osobnikami pod prawie każdym względem, z wyjątkiem genetycznych. Główną wadą rozmnażania wegetatywnego jest przenoszenie patogenów z rodzica na potomstwo. Rzadko zdarza się, aby patogeny były przenoszone z rośliny na jej nasiona (podczas rozmnażania płciowego lub podczas apomiksji), chociaż zdarzają się sytuacje, w których się to zdarza. ^{[ potrzebna strona ]}

Nasiona wytworzone przez apomiksję są sposobem rozmnażania bezpłciowego, polegającego na tworzeniu i rozprzestrzenianiu się nasion, które nie pochodzą z zapłodnienia zarodków . Hawkweeds ( Hieracium ), mniszek lekarski ( Taraxacum ), niektóre gatunki cytrusów i niebieska trawa Kentucky ( Poa pratensis ) wykorzystują tę formę rozmnażania bezpłciowego. pseudogamia występuje w niektórych roślinach, które mają apomiktyczne nasiona, gdzie zapylenie jest często potrzebne do zainicjowania wzrostu zarodka, chociaż pyłek nie dostarcza materiału genetycznego rozwijającemu się potomstwu. W roślinach występują również inne formy apomiksji, w tym wytwarzanie sadzonki zamiast nasion lub wytwarzanie cebulek zamiast kwiatów, w których powstają nowe sklonowane osobniki.

Struktury

Kłącze to zmodyfikowana podziemna łodyga służąca jako organ rozmnażania wegetatywnego ; rosnące wierzchołki kłącza mogą oddzielać się jako nowe rośliny, np. wielonóg , irys , perz i pokrzywa .

Pędy powietrzne leżące na ziemi, zwane rozłogami lub rozłogami , są ważnymi organami rozmnażania wegetatywnego u niektórych gatunków, takich jak truskawka , liczne trawy i niektóre paprocie .

przybyszowe tworzą się na korzeniach blisko powierzchni ziemi, na uszkodzonych łodygach (np. na pniach ściętych drzew) lub na starych korzeniach. Rozwijają się one w naziemne łodygi i liście. Forma pączkowania zwana odrostem polega na rozmnażaniu lub regeneracji rośliny przez pędy wyrastające z istniejącego systemu korzeniowego . Gatunki, które w charakterystyczny sposób produkują odrosty, to wiąz ( ulmus ) i wielu członków rodziny różowatych , takich jak Rosa , Kerria i Rubus .

Rośliny cebulowe, takie jak cebula ( Allium cepa ), hiacynty , narcyzy i tulipany rozmnażają się wegetatywnie, dzieląc swoje podziemne cebulki na więcej cebul. Inne rośliny, takie jak ziemniaki ( Solanum tuberosum ) i dalie, rozmnażają się wegetatywnie z podziemnych bulw . Mieczyki i krokusy rozmnażają się wegetatywnie w podobny sposób jak bulwy .

Gemmae to pojedyncze komórki lub masy komórek, które odłączają się od roślin, tworząc nowe osobniki klonalne. Są one powszechne u wątrobowców i mchów oraz w pokoleniu gametofitów niektórych zwiewnych paproci . Występują również w niektórych mchach klubowych, takich jak Huperzia lucidula . Występują również w niektórych roślinach wyższych, takich jak gatunki Drosera .

Stosowanie

Najpowszechniejszą formą rozmnażania roślin stosowaną przez ludzi są nasiona, ale stosuje się szereg metod bezpłciowych, które zwykle są ulepszeniami naturalnych procesów, w tym: cięcie, szczepienie, pączkowanie, nawarstwianie, dzielenie, cięcie kłączy, korzeni, bulw , cebul , rozłogi, krzewy itp. oraz sztuczne rozmnażanie przez laboratoryjne klonowanie tkanek . Metody bezpłciowe są najczęściej stosowane do rozmnażania odmian o indywidualnych pożądanych cechach, które nie są uzyskiwane z nasion. Rozmnażanie drzew owocowych jest często wykonywane przez pączkowanie lub szczepienie pożądanych odmian ( klonów) . ), na podkładkach będących jednocześnie klonami, rozmnażanymi przez odchody .

W ogrodnictwie sadzonka to gałąź, która została odcięta od rośliny macierzystej poniżej międzywęźla , a następnie ukorzeniona, często za pomocą płynu ukorzeniającego lub proszku zawierającego hormony . Kiedy uformuje się pełny korzeń i liście zaczną od nowa kiełkować, klon jest rośliną samowystarczalną, genetycznie identyczną.

Przykłady obejmują sadzonki z łodyg jeżyny ( Rubus occidentalis ), fiołków afrykańskich ( Saintpaulia ), werbeny ( Verbena ) do produkcji nowych roślin. Pokrewnym zastosowaniem sadzonek jest szczepienie , w którym łodyga lub pączek jest łączony z inną łodygą. Szkółki oferują do sprzedaży drzewka ze szczepionymi pędami, które mogą wytworzyć cztery lub więcej odmian pokrewnych owoców, w tym jabłka . Najczęstszym zastosowaniem szczepienia jest rozmnażanie odmian na już ukorzenionych roślinach, czasami podkładka służy do karłowatości roślin lub ochrony ich przed patogenami uszkadzającymi korzenie .

Ponieważ rośliny rozmnażane wegetatywnie są klonami, są ważnymi narzędziami w badaniach roślin. Kiedy klon jest hodowany w różnych warunkach, różnice we wzroście można przypisać efektom środowiskowym, a nie różnicom genetycznym.

Rozmnażanie płciowe

Rozmnażanie płciowe obejmuje dwa podstawowe procesy: mejozę , która zmienia kolejność genów i zmniejsza liczbę chromosomów , oraz zapłodnienie , które przywraca chromosomowi całkowitą liczbę diploidalną . Pomiędzy tymi dwoma procesami różne rodzaje roślin i glonów różnią się, ale wiele z nich, w tym wszystkie rośliny lądowe , przechodzi przemianę pokoleń , z dwiema różnymi strukturami (fazami) wielokomórkowymi, gametofitem i sporofit . Ewolucyjne pochodzenie i adaptacyjne znaczenie rozmnażania płciowego omówiono na stronach Ewolucja rozmnażania płciowego oraz Pochodzenie i funkcja mejozy .

Gametofit to wielokomórkowa struktura (roślina), która jest haploidalna , zawierająca pojedynczy zestaw chromosomów w każdej komórce. Gametofit wytwarza męskie lub żeńskie gamety (lub oba) w procesie podziału komórki, zwanym mitozą . W roślinach naczyniowych z oddzielnymi gametofitami gametofity żeńskie nazywane są megagametofitami (mega=duże, wytwarzają duże komórki jajowe), a gametofity męskie nazywane są mikrogametofitami (mikro=małe, wytwarzają małe plemniki).

Fuzja męskich i żeńskich gamet (zapłodnienie) tworzy diploidalną zygotę , która rozwija się w wyniku mitotycznych podziałów komórkowych w wielokomórkowy sporofit.

Dojrzały sporofit wytwarza zarodniki w wyniku mejozy, czasami określanej jako podział redukcyjny, ponieważ pary chromosomów są ponownie rozdzielane, tworząc pojedyncze zestawy.

W mchach i wątrobowcach gametofit jest stosunkowo duży, a sporofit jest znacznie mniejszą strukturą, która nigdy nie jest oddzielona od gametofitu. U paproci , nagonasiennych i roślin kwitnących (okrytonasiennych) gametofity są stosunkowo małe, a sporofity są znacznie większe. U roślin nagonasiennych i kwitnących megagametofit znajduje się w zalążku (który może rozwinąć się w nasiono), a mikrogametofit w ziarnie pyłku .

Historia rozmnażania płciowego roślin

W przeciwieństwie do zwierząt rośliny są nieruchome i nie mogą szukać partnerów seksualnych w celu rozmnażania. W ewolucji wczesnych roślin środki abiotyczne, w tym woda, a znacznie później wiatr, transportowały plemniki w celu rozmnażania. Pierwsze rośliny były wodne , jak opisano na stronie Ewolucyjna historia roślin i swobodnie uwalniały plemniki do wody, które miały być przenoszone z prądami. Prymitywne rośliny lądowe, takie jak wątrobowce i mchy, miały ruchliwe plemniki, które pływały w cienkiej warstwie wody lub były rozpryskiwane w kropelkach wody z męskich narządów rozrodczych na narządy żeńskie. Wraz z ewolucją wyższych i bardziej złożonych roślin ewoluowały modyfikacje w przemianie pokoleń. W erze paleozoicznej progymnospermy rozmnażały się za pomocą zarodników roznoszonych na wietrze. Rośliny nasienne, w tym paprocie nasienne , drzewa iglaste i kordaity , z których wszystkie były nagonasienne , wyewoluował 350 milionów lat temu. Mieli ziarna pyłku, które zawierały męskie gamety do ochrony plemników podczas procesu przenoszenia z części męskiej do żeńskiej.

Uważa się, że owady żywią się pyłkiem, a rośliny ewoluowały, aby wykorzystywać owady do aktywnego przenoszenia pyłku z jednej rośliny na drugą. Rośliny produkujące nasiona, do których należą okrytozalążkowe i nagonasienne, mają heteromorficzną przemianę pokoleń z dużymi sporofitami zawierającymi znacznie zredukowane gametofity. Okrytozalążkowe mają charakterystyczne narządy rozrodcze zwane kwiatami, z owocolistkami , a żeński gametofit jest znacznie zredukowany do żeńskiego woreczka zarodkowego, zawierającego zaledwie osiem komórek. Każde ziarno pyłku zawiera znacznie zredukowany gametofit męski składający się z trzech lub czterech komórek. Plemniki roślin nasiennych są nieruchome, z wyjątkiem dwóch starszych grup roślin, tj Cycadophyta i Ginkgophyta , które mają wici.

Rośliny kwitnące

Rośliny kwitnące , dominująca grupa roślin, rozmnażają się zarówno drogą płciową, jak i bezpłciową. Ich cechą charakterystyczną jest to, że ich narządy rozrodcze znajdują się w kwiatach . Rozmnażanie płciowe w roślinach kwitnących obejmuje wytwarzanie oddzielnych gametofitów męskich i żeńskich, które wytwarzają gamety .

Pylnik wytwarza ziarna pyłku zawierające męskie gametofity . Ziarna pyłku przyczepiają się do znamienia słupka , w którym znajdują się żeńskie gametofity (wewnątrz zalążków). Rośliny mogą zapylać się samoczynnie lub krzyżowo . Przeniesienie pyłku (gametofitów męskich) na znamiona żeńskie nazywa się zapylaniem . Po zapyleniu ziarno pyłku kiełkuje, tworząc łagiewkę pyłkową, która rośnie przez słupek i przenosi męskie jądra do zalążka w celu zapłodnienia komórki jajowej i komórki centralnej w żeńskim gametoficie w procesie zwanym podwójnym zapłodnieniem . Powstała zygota rozwija się w zarodek, podczas gdy triploidalne bielmo (jeden plemnik plus dwujądrowa komórka żeńska) i żeńskie tkanki zalążka dają początek otaczającym tkankom w rozwijającym się nasieniu. Zapłodnione zalążki rozwijają się w nasiona w owocu utworzonym z jajnika. Kiedy nasiona dojrzeją, mogą zostać rozproszone razem z owocem lub uwolnione od niego na różne sposoby, aby wykiełkować i wyrosnąć na następne pokolenie.

Zapylanie

Kwiat orchidei

Rośliny, które wykorzystują owady lub inne zwierzęta do przenoszenia pyłku z jednego kwiatu na drugi, rozwinęły znacznie zmodyfikowane części kwiatowe, aby przyciągać zapylacze i ułatwiać przemieszczanie pyłku z jednego kwiatu do owada i od owada do następnego kwiatu. Kwiaty roślin wiatropylnych zwykle nie mają płatków i/lub działek kielicha; zazwyczaj wytwarzane są duże ilości pyłku, a zapylenie często następuje na początku sezonu wegetacyjnego, zanim liście mogą przeszkadzać w rozprzestrzenianiu się pyłku. Wiele drzew oraz wszystkie trawy i turzyce są zapylane przez wiatr.

Rośliny mają wiele różnych sposobów przyciągania zapylaczy, w tym kolor, zapach, ciepło, gruczoły nektarowe, jadalny pyłek i kształt kwiatów. Wraz z modyfikacjami obejmującymi powyższe struktury dwa inne warunki odgrywają bardzo ważną rolę w rozmnażaniu płciowym roślin kwitnących, pierwszy to czas kwitnienia, a drugi to wielkość lub liczba wytwarzanych kwiatów. Często gatunki roślin mają kilka dużych, bardzo efektownych kwiatów, podczas gdy inne wytwarzają wiele małych kwiatów. Często kwiaty są zbierane razem w duże kwiatostany, aby zmaksymalizować ich efekt wizualny, stając się bardziej zauważalnymi dla przechodzących zapylaczy. Kwiaty to strategie atrakcyjności, a ekspresja seksualna to strategie funkcjonalne wykorzystywane do produkcji następnej generacji roślin, przy czym owady zapylające i rośliny współewoluowały, często w niezwykłym stopniu, bardzo często przynosząc obopólne korzyści.

Główki kwiatowe przedstawiające różyczki dyskowe i promieniste.

Największą rodziną roślin kwiatowych są storczyki ( Orchidaceae ), według szacunków niektórych specjalistów, obejmują do 35 000 gatunków, które często mają wysoce wyspecjalizowane kwiaty, które przyciągają określone owady do zapylania. Pręciki są modyfikowane, aby wytwarzać pyłek w skupiskach zwanych pyłkowiniami , które przyczepiają się do owadów pełzających do kwiatu. Kształty kwiatów mogą zmusić owady do przejścia przez pyłek, który jest „przyklejony” do owada. Niektóre storczyki są jeszcze bardziej wyspecjalizowane, z kształtami kwiatów naśladującymi kształt owadów, aby zwabić je do próby „kojarzenia się” z kwiatami, niektóre mają nawet zapachy naśladujące owady feromony .

Inną dużą grupą roślin kwiatowych jest rodzina astrowatych lub słoneczników z blisko 22 000 gatunków, które również mają wysoce zmodyfikowane kwiatostany złożone z wielu pojedynczych kwiatów zwanych kwiatami. Główki z różyczkami jednej płci, gdy kwiaty są słupkowe lub funkcjonalnie pręcikowe lub składają się ze wszystkich różyczek biseksualnych, nazywane są homogamicznymi i mogą obejmować główki typu tarczowatego i języczkowatego. Niektóre promieniejące głowy mogą być również homogamiczne. Rośliny z główkami, które mają różyczki dwóch lub więcej form płciowych, nazywane są heterogamicznymi i obejmują formy głowy promieniste i dyskowate, chociaż niektóre głowy promieniste mogą być również heterogamiczne. ^{[ potrzebne wyjaśnienie ]}

paprocie

Paprocie zazwyczaj wytwarzają duże diploidy z łodygą, korzeniami i liśćmi. Na żyznych liściach zarodnie , zgrupowane w sori i często chronione przez indusium . Jeśli zarodniki zostaną osadzone na odpowiednim wilgotnym podłożu, kiełkują, tworząc krótkie, cienkie, wolno żyjące gametofity zwane prothalli , które zazwyczaj mają kształt serca, są małe i mają zielony kolor. Gametofity wytwarzają zarówno ruchliwe plemniki w pylnikach , jak i komórki jajowe w oddzielnych archegoniach . Po deszczu lub gdy rosa osadza warstwę wody, ruchliwe plemniki są rozpryskiwane z pylników, które normalnie są wytwarzane na górnej stronie plechy, i płyną w warstwie wody do pylników, gdzie zapładniają komórkę jajową. Aby promować krzyżowanie się lub zapłodnienie krzyżowe, plemniki są uwalniane, zanim komórki jajowe są podatne na plemniki, co zwiększa prawdopodobieństwo, że plemniki zapłodnią komórki jajowe różnych plech. A po zapłodnieniu powstaje zygota , z której wyrasta nowa roślina sporofitowa. Warunek posiadania oddzielnych roślin sporofitów i gametofitów nazywa się przemianą pokoleń. Inne rośliny o podobnych sposobach rozmnażania obejmują Psilotum , Lycopodium , Selaginella i Equisetum .

Bryofity

Mszaki , do których należą wątrobowce , rogatki i mchy , rozmnażają się zarówno płciowo, jak i wegetatywnie . Gametofit jest najbardziej znaną fazą rośliny. Bryofity to zazwyczaj małe rośliny, które rosną w wilgotnych miejscach i podobnie jak paprocie, mają ruchliwe plemniki z wici i potrzebują wody, aby ułatwić rozmnażanie płciowe. Rośliny te zaczynają się od haploidalnego zarodnika, który wyrasta na formę dominującą, czyli wielokomórkowe haploidalne ciało o liściopodobnych strukturach, które fotosyntetyzują . Haploidalne gamety są wytwarzane w antheridia i archegonia przez mitozę. Plemniki uwolnione z pylników reagują na chemikalia uwalniane przez dojrzałą archegonię i płyną do nich w warstwie wody i zapładniają komórki jajowe, tworząc w ten sposób diploidalne zygoty. Zygota dzieli się przez podział mitotyczny i wyrasta na sporofit, który jest diploidalny. Wielokomórkowy diploidalny sporofit wytwarza struktury zwane kapsułkami zarodników . Kapsułki z zarodnikami wytwarzają zarodniki w wyniku mejozy, a gdy dojrzeją, pękają i zarodniki są uwalniane. Bryofity wykazują znaczne zróżnicowanie w swoich strukturach lęgowych, a powyższe jest podstawowym zarysem. U niektórych gatunków każdy gametofit jest jednej płci, podczas gdy inne gatunki mogą być jednoliścienne , wytwarzając zarówno antheridia , jak i archegonię na tym samym gametoficie, który jest zatem hermafrodytą .

Opieka nad rozproszeniem i potomstwem

Jednym z rezultatów rozmnażania roślin jest wytwarzanie nasion, zarodników, klejnotów i innych organów wegetatywnych, które umożliwiają roślinom przemieszczanie się w nowe miejsca lub nowe siedliska.

Rośliny nie mają układu nerwowego ani woli działania. Mimo to naukowcy są w stanie obserwować mechanizmy, które pomagają ich „dzieciom” rozwijać się w miarę ich wzrostu. Wszystkie organizmy mają mechanizmy zwiększające przeżywalność potomstwa.

Opiekę nad potomstwem obserwuje się u Mammillaria Hernandezii, małego kaktusa występującego w Meksyku. Kaktus jest rodzajem sukulentu, co oznacza, że zatrzymuje wodę, gdy jest dostępna na przyszłe susze. M. Hernandezii również przechowuje część swoich nasion w łodydze, a resztę uwalnia do wzrostu. Może to być korzystne z wielu powodów. Opóźniając uwalnianie niektórych nasion, kaktus może chronić je przed potencjalnymi zagrożeniami ze strony owadów, roślinożerców lub pleśni powodowanych przez mikroorganizmy. W badaniu zgłoszonym przez Biancę Santini, doktorantkę z University of Sheffield, odkryli, że obecność odpowiedniej wody w środowisku powoduje, że M. Hernandezii uwalnia więcej nasion, aby umożliwić kiełkowanie. Roślina była w stanie dostrzec gradient potencjału wody w otoczeniu i działać, dając swoim nasionom większe szanse w tym preferowanym środowisku. Jest to strategia ewolucyjna mająca na celu uzyskanie większej szansy na przeżycie potomstwa.

Istnieją podobne strategie reprodukcyjne występujące zarówno u ssaków, jak iu roślin. Różnica między nimi polega na tym, że w trudnych warunkach środowiskowych ssaki produkują mniej i większe potomstwo, podczas gdy rośliny wytwarzają więcej nasion. W środowisku naturalnym strategie przetrwania można zaobserwować w każdym organizmie, aw szczególności w roślinach. Rośliny ewoluowały, aby zapewnić większą przeżywalność ich potomstwu. Chociaż robią to bez zastanowienia, wykazano, że wiele roślin przyczynia się do przetrwania ich potomstwa.

Morfologia seksualna

Zobacz też

Dalsza lektura

Norman C. Ellstrand (2018). Seks na kuchennym stole: romans o roślinach i twoim jedzeniu . Wydawnictwo Uniwersytetu Chicagowskiego. ISBN 978-0226574899 .

Linki zewnętrzne

Media związane z rozmnażaniem roślin w Wikimedia Commons
Prosty samouczek wideo dotyczący reprodukcji w roślinie