Рост и развитие растений
Содержание
- Рост и развитие организмов. 2
- Общие закономерности роста.
2 - Большая кривая роста.
3 - Фазы роста клетки.
4 - Тотипотентность растительной клетки.
6 - Типы роста у растений.
7 - Особенности роста различных органов растения. 8
- Суточная и сезонная периодичность роста.
10 - Физиология покоя.
12 - Влияние на рост растений и его органов факторов среды. 13
- Основные этапы онтогенеза растений. 15
- Фотопериодизм.
17 - Гормональная система растений.
20 - Фитогормоны.
20 - Ауксины, гиббереллины, цитокинины, этилен, абсцизовая кислота. 21
- Ростовые и тургорные движения растений. 22
- Тропизмы, их гормональная природа.
22 - Список литературы.
25
- Рост и развитие организмов.
Рост - процесс необратимого новообразования
структурных элементов
Рост растения тесно связан с
изменениями в самой цитоплазме
растения, приводящими, с одной стороны,
к увеличению ее массы, а с другой
- к разнообразным
Развитие - качественное изменение организма, при котором одни имеют формы и функции превращаются в другие.
На оба процесса оказывают влияние, как внешние абиотические факторы окружающей среды, так и внутренние факторы самого организма.
- Общие закономерности роста.
Существует много определений
роста, однако ни одно из них полностью
не может считаться
- Большая кривая роста.
Измерение скорости роста, проведенное немецким физиологом Ю. Саксом (1872), позволило установить определенные закономерности. В начальный период темпы роста, как правило, низкие.
Затем рост усиливается и идет с
большой скоростью (период большого
роста), а затем снова замедляется.
В результате рост (увеличение размера)
клетки, органа или организма в
целом может быть изображен в
виде S-образной кривой (рис. 1). Эта закономерность
имеет общебиологическое
Анализируя полученную кривую, можно ее разделить на три участка: 1) фаза, когда рост изменяется экспоненциально (логарифмически); 2) фаза, когда рост изменяется линейно; 3) фаза торможения роста. Именно период, когда рост прямо (линейно) возрастает, называется периодом большого роста.
Рис.1. Большая кривая роста: А – увеличение междоузлия у фасоли; Б – рост листа огурца.
Рис. 2. Изменение скорости роста за единицу времени.
На рисунке 2 А представлено изменение скорости роста за единицу времени. При этом мы видим, что вначале скорость роста возрастает, затем некоторое время сохраняется на постоянном уровне, а затем падает. Падение для однолетних растений обычно совпадает с переходом к репродукции. Представляет интерес изменение относительной: прироста, т. е. прироста, отнесенного к общей массе растения. Как видим, относительные приросты (рис. 2Б) падают значительно быстрее. Это связано с тем, что на ранних этапах развития растение состоит почти из одних листьев. Вырабатываемое ими сухое вещество идет на создание все новых и новых единиц листовой поверхности. В результате общее количество сухого вещества возрастает в геометрической прогрессии. Однако затем сухое вещество начинает все больше использоваться на образование органов, не участвующих в фотосинтезе. Листья составляют все меньшую часть растения. В связи с этим, несмотря на увеличение абсолютной скорости прироста, его значение по отношению к общей массе растения постепенно падает.
- Фазы роста клетки.
Рис. 3. Диаграммы, иллюстрирующие рост растительной клетки: 1 — деление клетки; 2 — растяжение клетки; 3 — дифференциация клетки.
Эмбриональная фаза. Клетка возникает
в результате деления из другой эмбриональной
клетки. Затем она несколько
Существует несколько гипотез, объясняющих переход клетки к делению. Наиболее распространена гипотеза, согласно которой в меристематической клетке должно быть определенное соотношение между размерами ядра и цитоплазмы. Когда это отношение ниже определенного уровня, ядро как бы уже может управлять возросшей массой цитоплазмы и клетка переходит к делению.
Перед делением происходят
заметные изменения в
Делению клетки предшествует деление
ядра. Каждое ядро дочерней клетки получает
ровно такое же число хромосом
и такое же количество ДНК, как
и материнская. Во время митоза движение
цитоплазмы прекращается, митохондрии
и пластиды распределяются примерно
поровну между дочерними
На конечной фазе митоза, когда образовались два ядра, в экваториальной области клетки формируется клеточная стенка. Начало образования клеточной стенки происходит в телофазе, когда хромосомы отошли к полюсам клетки, и началась их деспирализация. На границе раздела двух клеток скапливаются пузырьки, отделяющиеся от аппарата
Гольджи и эндоплазматической сети.
Эти пузырьки сливаются и образуют
капельки, впоследствии преобразующиеся
в плазмодесмы. В результате образуется
сплошной слой - межклеточная пластинка.
Она удлиняется и смыкается с
продольными оболочками клетки. Затем
начинается нарастание межклеточной пластинки
в толщину путем присоединения
с обеих сторон новых пузырьков,
отщепляющиеся от аппарата Гольджи.
Возникает трехслойное
Таким образом, в первой фазе роста увеличение объема клетки происходит за счет деления и возрастания массы протоплазмы. Одновременно идет формирование структурных компонентов клетки. Следовательно, рост уже в этой фазе сопровождается формообразовательными процессами. Образовавшаяся в результате деления клетка вновь увеличивается в объеме и снова делится. После того как клетка разделится 3-5 раз, она переходит в вторую фазу роста. Исключение составляют лишь инициальные клетки, которые продолжают делиться в течении всего периода роста растительного организма.
Фаза растяжения. Переход к фазе растяжения сопровождается значительными структурными и физиологическими изменениями. Цитоплазма становится менее вязкой, более оводненной. Каналы эндоплазматической сети расширяются, в ряде мест они переходят в цистерны. Мембраны этой сети становятся шероховатыми, поскольку к ним прикрепляются рибосомы. Система внутренних мембран митохондрий (крист) хорошо развита. От аппарата Гольджи отшнуровываются многочисленные пузырьки. Ядро принимает неправильную форму, что увеличивает поверхность его соприкосновения с цитоплазмой. Размер ядрышка уменьшается. Мелкие вакуоли сливаются, и образуется одна центральная вакуоль. Относительное содержание цитоплазмы на единицу массы клетки падает, однако абсолютное её содержание на клетку растет. При переходе к растяжению продолжается синтез ДНК, что приводит в образованию тетраплоидных клеток. В фазу растяжения скорость синтеза белка возрастает, усиливаются все процессы метаболизма в клетки. При переходе к растяжению клетки не теряют способности делиться. Наиболее характерным процессом для фазы растяжения является значительное увеличение объема клетки. Скорость роста в эту фазу роста чрезвычайно велика. В течение всей фазы объем клетки возрастает в 20-50 раз. Это необратимое увеличение объема, идущее главным образом за счет усиленного поступления воды. Сосущая сила клеток возрастает во много раз. Усиленное поступление воды вызывает, естественно, уменьшение концентрации клеточного сока и, как следствие, падение осмотического давления. Некоторое увеличение сосущей силы может происходить за счет не осмотического (активного) поступления воды. Однако главным образом увеличение сосущей силы связано с уменьшением сопротивления клеточной оболочки. Клеточная оболочка растет, и , естественно, её сопротивление уменьшается. В эту фазу роста в клетках появляется гормон роста - ауксин, который увеличивает растяжимость клеточной оболочки. В процессе роста растяжением толщина клеточной оболочки не меняется. Согласно теории «сетчатого роста», новые микрофибриллы целлюлозы синтезируются из веществ цитоплазмы и откладываются с внутренней стороны оболочки в виде сетки. В результате поверхность оболочки растет, а толщина её остается прежней. В фазе растяжения усиливаются процессы физиологической дифференциации клеток.
Фаза дифференциации. На этой фазе процесс дифференцировки уже проявляется в определенных внешних признаках, т.е. меняются форма и внешняя структура клетки. Протоплазма почти целиком расходуется на утолщение клеточной оболочки. Вновь образовавшиеся слои фибрилл целлюлозы накладываются на старые (аппозиция). При этом ориентация фибрилл целлюлозы в каждом новом слое другая. В результате образуется вторичная клеточная оболочка. Клетки теряют способность к делению и растяжению.
Процесс функциональной дифференциации клеток, или накопление физиологических различий между ними, происходит на всех фазах роста. Уже между появившимися в период деления дочерними клетками, из которых в дальнейшем будут образовываться различные ткани, имеются определенные различия, проявляющиеся в их химическом составе, морфологических особенностях ядер и органелл.
- Тотипотентность растительной клетки.
Многоклеточный сложно устроенный растительный организм берет начало от 1 клетки – зиготы. Перед тем, как зигота разделится митозом на 2 первые дочерние клетки, ее ген 727b18eh етический материал удваивается, а затем в ходе митоза обе дочерние клетки получают тот же набор генов, что был у зиготы. Затем эти 2 клетки тоже делятся митозом, и образуются 4 дочерние клетки с тем же набором генов и т.д. Таким образом, все клетки растения несут тот же набор генов, что и зигота, а значит – каждая живая растительная клетка (кроме клеток ситовидных трубок, не имеющих ядер) потенциально может дать начало целому растительному организму. Это свойство клеток многоклеточного организма называется тотипотентностью. Тотипотентность означает, что из любой клетки растения можно вырастить новое целое растение. Однако на практике, чтобы добиться этого, клетку необходимо обрабатывать различными факторами, в первую очередь – фитогормонами.
Свойство тотипотентности
- Типы роста у растений.
Характерной чертой ростовых процессов
растительных организмов является их
локализация в определенных тканях
— меристемах. Меристемы различны
по расположению в отдельных органах.
Апикальные, или верхушечные, меристемы
расположены в окончаниях (верхушках)
стебля и корня. Вставочные, или интеркалярные,
меристемы характерны для стебля
(рост междоузлий у злака) и для
некоторых листьев. Латеральные
меристемы обеспечивают рост стебля
в толщину (камбий, феллоген). Клетки
меристемы делятся; дочерние клетки
достигают размеров материнской
и снова делятся. Однако размер и
объем меристем остаются постоянными.
Это связано с тем, что большинство
меристематических клеток через
несколько делений (4—5) переходят
к росту растяжением. Однако есть
инициальные клетки, которые делятся
в течение всей жизни органа. Показано
также, что апикальные меристемы
корня и стебля состоят из двух
типов клеток, резко отличающихся
по функциям и по способности к
делению. Меристематические клетки,
расположенные на самом верху
стебля или корня, не прекращают деления
в течение всего периода роста.
Эту зону меристематических клеток
называют покоящимся центром (для корня)
или меристемой ожидания (для стебля).
Более длительная способность к
делению является следствием меньшей
частоты делений и большей
длительности интерфазы. Одновременно
данные клетки характеризуются и
большей длительностью
В них постепенно накапливаются физиологические, а затем и морфологические различия. Эти различия обусловлены местоположением клетки, взаимодействием ее с другими клетками, а также той генетической программой, которая в нее вложена. Вопрос о причинах дифференциации клеток — один из наиболее сложных вопросов биологии. Все клетки данного организма обладают одинаковым геномом, а следовательно, все клетки должны обладать и одинаковыми потенциальными возможностями (тотипотентностью).
- Особенности роста различных органов растен
ия.
Рост и развитие листа. Формирующийся лист проходит четыре фазы: 1) образование примордия; 2) формирование оси листа; 3) закладка пластинки листа за счет боковой меристемы; 4) рост пластинки растяжением.
Каждый листовой примордий образуется
в виде бугорка в периферической
меристеме апекса побега благодаря
локальным периклинальным делением
клеток (плоскость деления
Период времени между
Согласно «теории отталкивания»
Эти гипотезы довольно хорошо согласуются друг с другом, так как «доступное пространство» может быть обусловлено не только поверхностной зоной между примыкающими примордиями, но и зоной, от их ингибирующего влияния. В этом месте и закладывается новая примордия. Возникшие зачатки листьев оказывают влияние на нижележащие ткани, индуцируя дифференциацию проводящих пучков. Это действие обусловлено делением ауксина, который синтезируется в формирующихся примордиях.
Верхушечные клетки конуса листового
примордия делятся особенно интенсивно,
превращая бугорок в
Инициальные клетки маргинальной меристемы
и клетки самой этой меристемы
делятся главным образом
После 8-9 циклов делений клетки маргинальной
меристемы переходят к
Особенность роста листа однодольных
растений состоит в том, что деления
в возникшем на одной стороне
апекса листовом бугорке распространяются
в обе стороны и охватывают
всю окружность стебля. Возникающий
серповидный (у злаков) или кольцевой
(у осок) меристематический валик
дает начало листу, растущему вверх.
До формирования валика бугорок растет,
как и у двудольных, верхушкой.
Листовая пластинка удлиняется путем
интеркалярного роста, который более
продолжителен у основания
На ост листьев большое
влияние оказывают
Гормональная регуляция роста листа изучена недостаточно. Показано, что цитокинин и ауксин необходимы для формирования и развития примордиев и тканей листа, ауксин принимает участие в образовании жилок, гиббереллин способствует более интенсивному росту листовой пластинки в длину.
Рост листьев ограничен в отличии от пазушных почек, у которых заложенные апексы будут функционировать длительное время, если эти почки дадут боковые побеги.
Рост и развитие стебля. Стержневая меристема апекса и прокамбий, образование которого индуцируется растущими примордиями листьев, формируют основные ткани стебля. Выходя из меристематической хоны, клетки начинают растягиваться, что приводит к быстрому удлинению побега. Зона роста растяжением у побегов в отличие от корней достигает больших размеров (нескольких сантиметров). Рост растяжением стебля активируется гиббереллинами , стимулирующими переход большого количества клеток к этому типу роста, и ауксином, который непосредственно индуцирует удлинение клеток. Гиббереллины главным образом из листьев, и это позволяет регулировать скорость и продолжительность роста верхних междоузлий.
Стебель у двудольных
Рост пазушных почек (ветвление) находится под двойным контролем: их рост и развитие ингибируют верхушечная почка побега и листья, в пазухах которых они находятся.
Морфогенез корня. Апекс корня. У высших растений апикальная меристема корня имеет сравнительно простое строение. Это зона длинной 1-2 мм. В ней не образуются боковые органы, как в верхушечной меристеме побега. Корнева меристема формирует ткани корня и корневой чехлик, защищающий корень при его продвижении в почве.
Кроме активно делящихся клеток, в меристеме корня находится группа клеток, расположенных между корневыми чехликом и активной меристематической зоной, для которых характерны низкий уровень синтеза ДНК и очень редкие деления клеток. Эта группа клеток получила название «покоящегося центра». Предполагается что « покоящийся центр» является промеристемой активной апикальной меристемы корней, восстанавливающей численность быстро делящихся специализированных инициальных клеток
При их естественном изнашивании или
повреждении. В этом смысле функции
клеток «покоящегося центра» сходны
с аналогичной ролью
Одна группа инициальных клеток локализована на дистальном конце апекса и продуцирует клетки ризодермы и корневого чехлика. Другая инициаль связана с репродуцированием клеток первичной коры. Третья ответственная за поддержание меристематической активности клеток, дифференцирующихся затем в различные клетки и ткани проводящего пучка. Образование рядов специализированных клеток в корне можно проследить непосредственно от их клеток -инициалей. Таким образом, апикальная меристема корня, как и апекс побега, продолжают ту ткане и органообразующую деятельность, которая началась еще при формировании зародыша.
Изолированные «покоящиеся центры» при культировании на питательной среде нуждаются в присутствии ИУК и циткинина. Изолированные кончики корней однодольных растут при добавлении ауксина, а у многих двудольных кончики корней развиваются и без экзогенных фитогормонов. Очевидно, в последнем случае ИУК синтезируется базальной частью отрезка корня.
- Суточная и сезонная периодичность роста.
Влияние температуры и света на рост растений не может не отзываться на росте растений в течение суток. Опыты показывают, что при одной и той же температуре за ночные часы растение дает больший прирост, чем за дневные часы. Сопоставим это явление с испарением, которое ночью замедляется, а днем усиливается. В теплые ночи наиболее быстрый рост обычно происходит в ранние утренние часы, рост замедляется в послеполуденные часы. Сильное понижение температуры в ночное время может изменить эту суточную периодичность роста растений. Интересен тот факт, что если растение, развившееся сперва в естественных условиях, культивировать в темноте, то суточная периодичность роста все же будет проявляться, хотя колебания в росте днем и ночью несомненно становятся все меньше, и наконец, совсем сглаживаются. Подобное явление называется последействием.
Годичная периодичность роста
растений вызывается теми
Продолжительность жизни
Вегетационный период гречихи
равен 75-90 дням, ячменя – 96, овса
– 112, турнепса – 70-120, свеклы
– 140-160, брюквы – 150-180, картофеля
– 120-130 дням. Приведенные цифры
колеблются в зависимости от
сорта и внешних условий. Так,
ранние сорта картофеля