Oplodnenie a vývin novej rastliny: obrazový prehľad rozmnožovania rastlín

Z fyziologického hľadiska rozdeľujeme spôsoby rozmnožovania rastlín do dvoch skupín: nepohlavné rozmnožovanie a pohlavné rozmnožovanie.

Rodozmena (metagenéza) predstavuje životný cyklus charakterizovaný striedaním dvoch geneticky odlišných generácií. Fúziou haploidných gamét vzniká diploidná zygota, čím sa cyklus neustále opakuje a generácie sa striedajú.

Základné generácie a ich význam

gametofyt (pohlavná generácia) - tvoria ho bunky s jedným súborom chromozómov (haploidný počet, n). Vzniká mitotickým delením zo spóry. Neskôr vytvára pohlavné orgány (gametangiá), ktoré mitózou produkujú pohlavné bunky (gaméty): plemenníčky (anterídiá) tvoria samčie gaméty (často bičíkaté spermatozoidy vyžadujúce vodu) a zárodočníky (archegóniá) tvoria samičiu bunku (oosféra).

sporofyt (nepohlavná generácia) - disponuje homologickými chromozómami (diploidný počet, 2n). Vzniká mitotickým delením zygoty.

Prechod rastlín na súš znamenal evolučný tlak na ochranu citlivých fáz. Vývoj smeroval k posilneniu diploidného sporofytu a redukcii haploidného gametofytu. Prvé suchozemské rastliny, ako ryniorasty, mali ešte primitívnejšiu rovnakotvarú rodozmenu.

Výraznou evolučnou výnimkou sú machorasty (Bryophyta). Dominuje u nich haploidný gametofyt (zelený mach). Sporofyt (stopka s výtrusnicou) je fyziologicky úplne závislý od gametofytu.

U cievnatých výtrusných rastlín už dominuje mohutný diploidný sporofyt. Ich drobný gametofyt (prvorast) je síce zredukovaný, ale žije nezávislým životom.

Pri semenných rastlinách je gametofyt extrémne zredukovaný a trvalo ukrytý v materskom sporofyte.

Vedeli ste, že...?

Samičí gametofyt krytosemenných rastlín je zredukovaný len na 7 buniek (zárodočný vak) a samčí gametofyt dokonca len na 2-3 bunky (peľové zrnko).

Nepohlavné rozmnožovanie

Nepohlavné (vegetatívne) rozmnožovanie vyžaduje len jeden materský organizmus. Bunkové delenia prebiehajú výlučne mitózou, vďaka čomu vznikajú geneticky identické klony. Je to energeticky výhodná stratégia na rýchlu kolonizáciu stabilného prostredia bez závislosti od opeľovačov.

Nepohlavné rozmnožovanie je kľúčové pre druhy s poruchami meiózy, napríklad pri zmnožení chromozómových sád (polyploidia).

Zložitejšiu stratégiu na nepohlavné šírenie majú niektoré machorasty. Vyššie rastliny si na vegetatívne rozmnožovanie vyvinuli špecializované orgány vzniknuté premenou stonky, koreňa či listov:

• rozmnožovacia cibuľka - pozostáva z podcibulia a zdužnatých zásobných listov.
• podzemok (rizóm) - je vodorovne rastúca podzemná stonka.
• podzemková hľuza - je zhrubnutý zásobný podzemok stonkového pôvodu.
• stonková hľuza - je nadzemná alebo podzemná metamorfóza plniaca zásobnú aj reprodukčnú funkciu.
• poplaz (stolón) - ide o horizontálnu plazivú stonku, ktorá rastie po povrchu a zakoreňuje priamo vo svojich uzloch.
• listy - na nepohlavné rozmnožovanie môžu slúžiť priamo aj listy.

Pohlavné rozmnožovanie a opelenie

Pohlavné rozmnožovanie spája genetický materiál dvoch jedincov, čím zabezpečuje nevyhnutnú genetickú variabilitu. Nová rastlina vzniká zo zygoty, produkovanej splynutím dvoch haploidných gamét.

Peľové zrná (samčí gametofyt) vznikajú v peľniciach. Ich povrch chráni pevná vonkajšia exina a vnútorná tenká intina. Zrelé peľové zrnko krytosemenných rastlín tvoria tri bunky: jedna vegetatívna bunka (zabezpečuje rast peľovej trubice) a dve samčie neobrvené bunky, takzvané spermácie.

Zárodočný miešok (samičí gametofyt) sa vyvíja vo vajíčku semenníka.

Prenos peľu na bliznu označujeme ako opelenie. Podľa pôvodu peľu rozlišujeme samoopelenie (autogamiu) a cudzoopelenie (alogamiu). Rastliny sa samoopeleniu bránia autoinkompatibilitou (biochemický blok) alebo časovým nesúladom dozrievania orgánov.

Dômyselný priestorový mechanizmus na podporu cudzoopelenia využíva prvosienka jarná. Jednotlivé rastliny tvoria buď kvety s dlhými čnelkami a krátkymi tyčinkami, alebo presne naopak, čo priamo núti hmyz prenášať peľ výhradne medzi rôznymi jedincami.

Oplodnenie a vznik semena

Ak na bliznu dopadne správny peľ, prítomný vápnik, bór a fytohormóny ho okamžite stimulujú ku klíčeniu. Proces dvojitého oplodnenia je unikátom krytosemenných rastlín. Po vniknutí trubice do vajíčka prebehnú dve splynutia súčasne:

prvá spermácia splynie s oosférou, čím vzniká diploidná zygota (budúce embryo).

druhá spermácia splynie s centrálnou bunkou, čím vzniká bunka s triploidným jadrom. Z nej sa sformuje zásobný triploidný endosperm vyživujúci embryo.

Z oplodneného vajíčka sa vyvíja semeno chránené pevným osemením (testa), ktoré vzniklo z pôvodných vajíčkových obalov. Pre úspešný vývin a následné klíčenie sa v semene, predovšetkým v endosperme, koncentrujú kľúčové živiny a veľké množstvo fosforu. Semeno následne stratí väčšinu vody (jej obsah klesne na 5-20 %) a prechádza do ochranného stavu spánku (dormancie).

Výnimočne môže semeno vzniknúť aj úplne bez oplodnenia. V zoológii sa vývin z neoplodneného vajíčka nazýva partenogenéza, no v botanike tento jav produkcie klonálneho semena označujeme ako apomixia.

Ontogenéza novej rastliny

Rastliny prechádzajú počas svojho života určitým životným cyklom. Nazývame ho ontogenéza alebo ontogenetický vývin. Prvým je semeno. Keď sa dostane do pôdy, začne klíčiť, vznikne mladá rastlina schopná rásť a fotosyntetizovať. Neskôr začína kvitnúť. Aby zabezpečila zachovanie svojho druhu, má kvety - práve tie sú dôležité pre rozmnožovanie.

Napríklad kukurica je jednoročná rastlina. Jej životný cyklus trvá jedno vegetačné obdobie. Mrkva je dvojročná rastlina, ktorá v prvom roku vyklíči zo semena a dostane sa do vegetatívneho štádia, ale až v lete ďalšieho roku kvitne a má semená.

Na rozmnožovanie slúžia semená. Na to, aby ich rastlina mala, potrebuje špeciálny orgán - kvet. V ňom sa nachádzajú samčie i samičie pohlavné orgány. Samčie sa nazývajú tyčinky a samičí sa volá piestik. Kvet v tyčinkách vyrába peľ. Ten včela, vietor alebo aj voda prenesú z tyčinky na piestik. Potom nasleduje druhý krok - oplodnenie, splynutie samčej a samičej pohlavnej bunky.

Ako jediné vznikajú redukčným delením - meiózou. Pri tomto delení sa znižuje počet chromozómov na polovicu. Je to dôležité, pretože pri oplodnení splynie samčia a samičia pohlavná bunka, vznikne jedna dôležitá bunka, ktorú nazývame zygota. Z tejto jednej jedinej bunky vznikne rastlina.

V jadre zygoty je uložená genetická informácia, kde je zapísané, ako bude rastlina vyzerať, aké bude mať vlastnosti, kvety, korene, listy. Po vzniku sa zygota začína hneď deliť. V priebehu embryonálneho vývinu sa postupne vyvíja celá klíčna rastlina, ktorá vyklíčila zo semienka. Teda zo zygoty sme získali klíčnu rastlinu.

Bunky schopné deliť sa nájdeme v meristéme stonky, kde sa ďalej delia a zvyšuje sa ich počet - prebieha postembryonálny vývin. Tieto jednotlivé bunky sa však od seba odlišujú - špecializujú sa na vykonávanie určitých funkcií. Inak budú vyzerať bunky listu ako bunky koreňa, inak bunky krycích pletív ako bunky vnútri listu.

Celá rastlina je tvorená z veľkého množstva buniek, ktoré sú prispôsobené na vykonávanie nejakej funkcie. Zväčša diferencované bunky budú fotosyntetizovať a aj keď majú jadro, za normálnych podmienok sa nebudú rozmnožovať. Ak však chceme, aby sa rozmnožili, musíme diferencované bunky prinútiť k dediferenciácii.

Diferenciácia je proces, keď sa z čohosi jednoduchšieho stáva niečo zložitejšie. Dediferenciácia je opačný proces - bunka sa vo vývine akoby vracia späť, prestáva fotosyntetizovať, dostáva sa do stavu, keď znovu vstupuje do bunkového cyklu a znovu je schopná deliť sa.

Pri dediferenciácii môže dôjsť k neorganizovane veľkému kalusu. Kalus je skupina dediferencovaných buniek, ktoré sa opakovane delia a neorganizovane rastú, lebo zabudli spolu komunikovať. Pri dediferenciácii vznikne teda buď kalus, alebo meristematické rastové centrá.

Keď chceme regenerovať celú rastlinu formou organogenézy, tak to musíme urobiť v dvoch etapách: v prvej vznikne výhonok a v druhej ho odizolujeme na vhodné kultivačné médiá a regenerujeme koreň.

Vegetatívne rozmnožovanie a in vitro kultúra

Ľudia už dávno zistili, že rastliny sa môžu rozmnožovať nielen semenami (pohlavne), ale aj vegetatívne (nepohlavne).

Pri nepohlavnom rozmnožovaní používame nejakú vegetatívnu časť - či už list alebo odrezky koreňov.

Listy plnia dôležitú funkciu, a to že fotosyntetizujú. Prebieha tu premena anorganických látok na organické. Ak list z rastliny odrežeme, snaží sa byť znovu samostatný, znovu získa štatút komplexnej rastliny, a preto dochádza k regenerácii rastliny.

Vegetatívne rozmnožovanie listov sa dá robiť aj doma. Treba si odrezať list a ponoriť reznú plochu listovej stopky do prášku, ktorý dostanete v hociktorom kvetinárstve. Obsahuje rastové látky typu auxínov, ktoré napomáhajú tvorbe koreňov - naštartujú proces rizogenézy.

List zakorení, ak ho dáte do nádoby s vlhkým pieskom. Po určitom čase môžete listy vybrať a uvidíte, že majú dobre vytvorené korene. Z jedného listu môžeme získať jednu alebo dve rastliny.

To sa však ľuďom voľakedy málilo - chceli ich získať čo najviac. Preto sa začalo rozvíjať rozmnožovanie v podmienkach in vitro - rozmnožovanie v malých priestoroch z malých častí.

Vezmime si príklad africkej fialky. Keď rozdelíme jej list na osem častí, pri technike in vitro z nej môže vzniknúť až osemdesiat rastlín dokopy.

Potrebujeme materiál, respektíve nejakú časť z neho. Nazývame ju explantát. Je to časť rastliny, ktorú odoberieme.

Môže to byť list, časť listu, stonka či jedná jediná bunka alebo protoplast (rastlinná bunka, ktorú chemicky zbavíme bunkovej steny).

Podmienky in vitro vytvoríme tak, že sa zvýši regeneračný potenciál rastliny. Základom optimálnych podmienok je príprava živného média. Je ich veľa druhov, najznámejšie je však MS odvodené od mien pánov Murashige a Skooga. Tí už v roku 1962 publikovali článok, v ktorom opísali, ako a z akých zložiek má byť vytvorené živné médium.

Pridávame doň aj sacharózu, ktorá je zdrojom energie a uhlíka, ďalej vitamíny, vodu, aminokyseliny, agar (polysacharid získaný z morských rias). Zložkou kultivačného média sú aj rastové látky, ktoré si dokáže vytvoriť i samotná rastlina.

Musíme mať k dispozícii aj špeciálny prístroj na sterilizáciu. Očkovanie, rozmnožovanie a nakladanie na živné médiá sa robí v špeciálnych očkovacích boxoch.

Keď si všetko vysterilizujeme a naočkujeme na pripravené médiá, potom pestujeme explantáty v špeciálnych kultivačných komorách. Sú to miestnosti, kde sú naukladané police a dôležité je, že v nich musíme nastaviť vhodné fyzikálne podmienky na kultiváciu.

Druhá je cesta somatickej embryogenézy. Je to bipolárna štruktúra, ktorá vznikla zo somatickej bunky, a má dva póly - apikálny meristém koreňa a stonky.

Špeciálne prípady a ďalšie súvislosti

Mäsožravé rastliny sa stali mäsožravé, lebo rastú v pôde, kde sa nachádza málo dusíka a fosforu. Buď tieto rastliny vyhynú alebo sa tomuto nedostatku prispôsobia. Začínajú preto chytať a tráviť korisť.

Odlišujú sa rôznymi pascami - najznámejšími sú rosičky okrúhlolisté. Tie rastú aj u nás, ale sú prísne chránené.

Na hlavičke majú tekutinu, kde sú voňavé látky a farbivá. Keď sa tam mucha dostane, začne sa metať. List rastliny reaguje tak, že sa začne stáčať a vytvárajú sa tráviace enzýmy, ktoré korisť rozložia.

Hrozí, že táto rastlina vyhynie, preto ju rozmnožujeme v podmienkach in vitro. Pri prenose rastlín do pôdy si však musíme dávať pozor, aby sme ich aklimatizovali. Ak by sme to neurobili, veľká časť týchto rastliniek by vyhynula.

Rozmnožovanie u nahosemenných a krytosemenných rastlín

U nahosemenných rastlín sa vývoj pohlavných buniek odohráva v šištiach. V samičej šištici sú vajíčka, v ktorých sa po redukčnom delení vytvorí zárodočný miešok s vajíčkovou bunkou (oosférou). V samčej šištici sa v peľniciach tvoria peľové zrná, ktoré obsahujú dve samčie pohlavné bunky (spermie).

Pri oplodnení splýva jedna spermia s oosférou, čím vzniká zygóta, z ktorej sa vyvinie zárodok. Druhá spermia zaniká. Vajíčko sa premieňa na semeno, ktoré je uložené na semenných šupinách. Celá samičia šištica sa mení na drevnatú šišku.

U krytosemenných rastlín sa v semenníku piestika vyvíjajú vajíčka. Vnútri vajíčka sa po redukčnom delení vytvorí zárodočný miešok obsahujúci vajíčkovú bunku (oosféru) a diploidné centrálne jadro. V peľniciach tyčiniek vznikajú peľové zrná s dvoma spermiami.

U krytosemenných rastlín dochádza k dvojitému oplodneniu: jedna spermia oplodní oosféru a vytvorí diploidnú zygótu (zárodok), zatiaľ čo druhá spermia oplodní centrálne jadro a vytvorí triploidný endosperm, ktorý vyživuje zárodok. Vajíčko sa mení na semeno obalené osemením a semenník sa premieňa na plod.

tags: #oplodnenie #a #vyvin #novej #rastliny #obrazok