Фізіологія рослин - Мусієнко М.М. 2001

Фізіологія росту та розвитку рослин
Онтогенез рослинної клітини

Поняття про онтогенез рослин

Онтогенезом називають індивідуальний розвиток організму, всю сукупність його перетворень від зародження (запліднення яйцеклітини, початок самостійного життя вегетативного зачатку) до природньої смерті В процесі онтогенезу реалізується спадкова інформація організму (генотип) в конкретних умовах навколишнього середовища, внаслідок чого формується фенотип, тобто сукупність всіх ознак і властивостей індивідуального організму. У рослин, що розмножуються статевим шляхом, онтогенез розпочинається із розвитку заплідненої яйцеклітини.

Характерна особливість онтогенезу у рослин — чергування нестатевого (спорофіт) і статевого (гаметофіт) покоління. Спорофіт утворюється із зиготи, гаметофіт — із проростаючої спори. В життєвому циклі квіткових рослин переважає спорофіт, тобто сама рослина, тоді як жіночий і чоловічий гаметофіти сильно редуковані. При вегетативному розмноженні онтогенез розпочинається із поділу соматичних клітин материнської рослини, в тому числі із клітин спеціалізованих органів — кореневища, бульби, цибулини тощо.

Під час онтогенезу відбувається структурна і функціональна спеціалізація клітин, тканин і органів рослини, ускладнюються взаємодії між частинами, виникають незворотні вікові зміни всього організму як цілісної живої системи. В процесі онтогенезу рослин відбувається ріст, пов’язаний із збільшенням розмірів і новоутворень елементів структури організму, і розвиток, який приводить до якісних змін структури і функцій рослини чи її частин.

Так як більшість рослин веде прикріплений спосіб життя і їх онтогенез значно залежить від умов довкілля, вони виробили різноманітні адаптивні реакції (період спокою, фотоперіодизм, термоперіодизм і т.д.), завдяки яким період активної життєдіяльності їх приурочений до найбільш сприятливої пори року.

Ріст і розвиток організму, а отже його онтогенез регулюються, насамперед, на клітинному рівні. Ріст органу (або організму) складається із росту його клітин, а морфогенез, тобто утворення специфічних форм організації органу (або організму), є результатом тих шляхів розвитку, на які вступають окремі клітини. Детермінація (визначення) шляху розвитку кожної клітини є основою фізіології розвитку. Онтогенез рослинної клітини складається з ряду послідовних етапів: поділу, росту розтягуванням, диференціювання, старіння і смерті.

Поділ клітин. У 1879 р. Бовері та Флемінг описали події, що відбуваються в ядрі, в результаті яких формуються дві ідентичні клітини, а в 1887 р. Вейсман передбачив, що при утворенні статевих гамет відбувається поділ іншого типу. Ці два типи поділу називають відповідно мітозом та мейозом. Процеси, які відбуваються при цьому, майже ідентичні, але вони зумовлюють абсолютно різні результати.

Мітоз — це таке ділення клітинного ядра, при якому утворюються два дочірніх ядра з ідентичними наборами хромосом.

Мітоз — неперервний процес, що має чотири фази: профазу, метафазу, анафазу, телофазу (рис 152).

Рис. 152. Мітоз: 1 — ядерце, 2 — ядерна оболонка, 3 — нуклеоплазма. 4 — хромосома 5 — полюс, 6 — нитка веретена, 7 — хроматиди, 8 — центромер, 9 — клітинна пластинка, 10 — фрагмопласт, 11 —дочірні хромосоми

Першою ознакою переходу клітини до поділу є поява вузького пояска з мікротрубочок безпосередньо під плазмалемою, який називають передпрофазним пояском. Він зникає після появи мітотичного веретена.

Профаза. На початку її хромосоми нагадують довгі нитки, розкладені в середині ядра. Після їхнього вкорочення, потовщення стає помітним, що кожна хромосома складається не з однієї, а з двох переплетених ниток — хроматид. Вузька діляночка — центромер ділить хромосому на два плеча різної довжини. Навколо ядерної оболонки з’являється світла зона, де зосереджуються мікротрубочки, які в пізній профазі розміщуються вздовж осі веретена. Ядерце поступово зникає, що спричинює розпадання ядерної оболонки.

Метафаза. На початку метафази на місці, де було ядро, з’являється веретено, нитки якого складені з пучків мікротрубочок. Хромосоми розміщуються таким чином, що їхні центромери знаходяться в екваторіальній площині веретена. Після такої локалізації хромосоми готові до поділу

Анафаза. На етапі анафази хроматиди кожної хромосоми розходяться. Нитки веретена вкорочуються, що сприяє розходженню хроматид та руху дочірних хромосом в протилежні сторони. На кінець фази ідентичні дочірні хромосоми розділяються і рухаються до протилежних полюсів.

Телофаза. В цій фазі завершується формування та відособлення двох ідентичних груп хромосом, та навколо кожної з них з’являється власна ядерна оболонка. Апарат веретена зникає, хромосоми перестають бути видимими, з’являються ядерця. Закінчується формування фрагмопласту — серединної пластинки, яка ділить клітину навпіл в екваторіальній площині (рис. 153). Мітоз закінчено і два дочірні ядра вступають в інтерфазу. Отже, клітина одержує подвійний набір хромосом, ідентичний материнській клітині.

Відразу за поділом ядра на однакові частини ділиться цитоплазма (цитокінез), відновлюється клітинна стінка і формуються дві дочірні клітини.

Клітинний цикл. Послідовність подій, які відбуваються між утворенням даної клітини і її діленням на дочірні клітини, називають клітинним циклом (рис. 154). Цей цикл складається з ряду стадій. Мітотичний поділ клітин зумовлює збільшення їх кількості, а значить забезпечує процеси росту. В одноклітинних організмів мітоз також є механізмом нестатевого розмноження, яке спричинює збільшення кількості їх.

Рис. 153. Формування фрагмопласта в ана- і телофазі мітозу

Рис. 154. Клітинний цикл можна розділити на мітоз та інтерфазу — період між двома послідовними мітотичними поділами

Сам процес поділу материнської клітини (мітоз) та період цитоплазматичного росту і підготовки до нового поділу (інтерфаза) являють собою мітотичний цикл клітини.

Не дивлячись на те, що морфологічну картину основного типу поділу клітин еукаріот — мітозу описано понад 100 років тому, тільки порівняно недавно встановлено, що мітоз наступає внаслідок процесів, які відбуваються в період між двома послідовними поділами клітин, тобто протягом клітинного циклу. Останній має наступні періоди або фази: пресин- тетичну — G₁-фазу, фазу синтезу ДНК — S-фазу, постсинтетичну — С₂-фазу і фазу власне поділу клітин — мітозу. Сформульовано також уявлення про стан спокою в структурі мітотичного циклу, який прийнято позначати як період G₀. Це поняття виникло на підставі даних про те, що при певних умовах клітини тривалий час знаходяться поза циклом, виконуючи специфічні тканинні функції, проте зберігають здатність переходу до проліферації під впливом відповідного стимулу.

Період між поділом — інтерфаза — триває 15-20 годин, тоді як власне поділ клітин відбувається протягом 2-3 годин. Структура клітини в інтерфазі характеризується наявністю густої цитоплазми з добре розгалуженим ендоплазматичним ретикулумом, канали якого звужені. В ній зустрічаються дрібні вакуолі, багато рибосом, які вільно розташовуються в цитоплазмі, значна кількість мітохондрій з густим матриксом та малорозвиненими кристами Ядро відносно невелике, з круглим ядерцем. Нуклеоплазма гомогенна, хроматин у вигляді ниток Первинна клітинна оболонка тонка, пронизана численними плазмодесмами. Саме в цей період в ядрі клітини відбувається подвоєння ДНК. Реплікація мітохондріальної та пластидної ДНК спостерігається протягом всієї інтерфази.

Передсинтетичний період триває від 3 до 8 годин, синтетичний від 10 до 11, а постсинтетичний — 4-5 годин. Найпоширенішою гіпотезою, згідно з якою в клітинах меристеми має бути певне співвідношення між розмірами ядра та цитоплазми, так зване ядерно-плазматичне співвідношення. Коли воно досягає такого рівня, що ядро ніби неспроможне керувати зрослою масою цитоплазми, клітина ділиться.

Період G, розпочинається відразу після мітозу. Він характеризується зростанням кількості цитоплазми, клітинних органел. Синтезуються необхідні ферменти, кофактори, нуклеотиди для синтезу нуклеїнових кислот. Це найбільш чутливий період до змін навколишнього середовища

В синтетичний період S (англ, synthesis — синтез) відбувається подвоєння генетичного матеріалу, синтезуються специфічні ядерні білки — гістони.

У період G₂ формуються структури, які безпосередньо беруть участь в мітозі, зокрема нитки веретена. Продовжується синтез РНК, білків, особливо тубуліну. Паралельно процесам поділу відбувається формування певних структур органоїдів клітини.

Більшість спеціалізованих клітин після диференціації втрачають здатність до поділу. Деякі клітини (калус) зберігають здатність до поділу лише в певних специфічних умовах, наприклад при пораненні. Всі етапи циклу контролюються відповідним фітогормональним складом, наприклад фази G₁ та G₂ — ауксинами, а поділ — цитокінінами.

Таким чином, в першій фазі росту збільшення об’єму клітини відбувається за рахунок поділу і наростання маси цитоплазми. Одночасно проходить формування структурних компонентів клітини. Значить, ріст уже на перших етапах супроводжується формотворчими процесами. Утворена в результаті поділу клітина збільшується в об’ємі і знову зазнає поділу. Після того як клітина поділиться від 3 до 5 разів, вона переходить до наступної фази росту. Виключення складають лише ініціальні клітини, які продовжують ділитися впродовж всього періоду росту рослинного організму.

Дослідження механізмів ендогенної регуляції клітинного циклу, який включає всю сукупність процесів, що відбуваються між двома послідовними поділами клітини, є загальнобіологічною проблемою. Це зумовлено важливістю для практики таких питань,як регенерація тканин та ріст новоутворень, в основі яких лежить регуляція проліферації тканин. Встановлено, що універсальне значення для індукції синтезу ДНК та поділу клітин мають специфічні білки цикліни та протеїнкінази.

Зокрема, вивчення питання регуляції проліферації має важливе значення для рослинництва. Оскільки поділ клітин у меристематичних тканинах рослин відбувається впродовж всього онтогенезу, він є основою морфогенезу, здатності тканин до відновлення після дії стресових факторів, а, отже, від його інтенсивності залежить ріст, розвиток та продуктивність рослин. З модифікацією параметрів клітинного циклу в меристемах пов’язана специфічність ростових реакцій рослин на дію факторів оточуючого середовища — температурного, світлового та водного режимів, фізіологічно активних речовин тощо.

Наукове і практичне значення проблеми регуляції рослинних клітин особливо зростає з розвитком біотехнологічних досліджень. Показано, що введення клітини в культуру, перехід їх до диференційованого стану пов’язані з певними етапами клітинного циклу. Від локалізації клітини в циклі залежить її сприйнятливість до введення чужорідної інформації. Встановлено зв’язок між стадією клітинного циклу тканини, з якої виділяють протопласти, та їх здатністю до поділу в культурі Значні зміни в розподілі клітин по фазах циклу відбуваються при переході від вегетативного до генеративного розвитку. Біохімічні та молекулярно-біологічні процеси клітинного циклу рослин, специфіка метаболізму на жремих його фазах, на жаль, мало вивчені і потребують подальших досліджень.

Фаза розтягування. Перехід до фази росту розтягуванням супроводжується значними структурними і фізіологічними змінами. Цитоплазма стає менш в’язкою, більш оводненою. Канали ендоплазматичної сітки розширюються, формують в ряді місць цистерни. Її мембрани стають шорсткуватими, бо до них прикріплюються рибосоми. Збільшуються контакти між ендоплазматичним ретикулумом та мітохондріями, що полегшує постачання енергіїї до прикріплених рибосом. Ядро набуває неправильної форми, що збільшує поверхню його стикування з цитоплазмою. Розміри ядерець зменшуються.

Даний тип росту характеризується збільшенням об’єму клітини за рахунок злиття дрібних закуолей і формування великої за об’ємом центральної вакуолі. Збільшенню об’єму вакуолі сприяє і приєднання до неї пухирців, що переносяться від апарату Гольджі. У вакуолях накопичуються гідролітичні ферменти, спостерігається розклад крохмалю, внаслідок чого збільшується вміст цукрів. Одночасно зростає і вміст амінокислот. Досить швидко підвищується Зміст осмотично активних речовин. Відносний вміст цитоплазми на одиницю маси клітини пацає, хоча абсолютний її вміст на клітину зростає. Швидкість синтезу білку зростає, посилюються всі процеси метаболізму в клітині. Спостерігається перебудова білоксинтезуючої системи — рибосоми цитоплазми приєднуються до ЕР, зростає синтез РНК, в амілопластах накопичується крохмаль, інтенсивно синтезуються пектинові речовини. Вважають, що в цю фазу, в порівнянні з попередньою фазою поділу, не стільки дерепресується робота нових генів, скільки різко активується робота уже діючих генів.

Паралельно даному процесу відбувається розм’якшення клітинних стінок та розтягування їх.

Передбачають, що перехід до фази розтягування зумовлений зміною вмісту та співвідношенням фітогормонів та їхніх рецепторів у міру віддалення дочірньої клітини від материнської тобто в самих клітинах меристеми створюються передумови для фази розтягування. Ріст розтягуванням активується в основному ауксином (ІОК), який індукує активне транспортування іонів Н⁺ з цитоплазми, в клітинну стінку. Це активує кислі гідролази та інші ферменти, які модифікують компоненти клітинної стінки.

Рис. 155. Схема ймовірного механізму дії ауксину на функціональну активність клітини. АГ — апарат Гольджі; ЕР — ендоплазматичний ретикулум; а, б, в — рецептори ауксину

Стінка набуває здатності розтягуватися під впливом тургорного тиску, що виникає у вакуолі (рис. 155). Осмотично активні речовини утворюються як в результаті розщеплення цитоплазми, так і клітинної стінки. Первинна клітинна стінка побудована таким чином, що, з одного боку, вона може протистояти гідростатичному тиску, а з іншого — вона здатна до еластичного (зворотного) і пластичного (незворотного) розтягування. Це явище пояснюється тим, що клітинна стінка складається із мікрофібрил, які занурені у пластичний матрикс. В період розтягування мікрофібрили перебувають, в основному, перпендикулярно поздовжньої осі клітини або в безпорядку, що дозволяє подовження клітини під впливом гідростатичного тиску. Важливо відмітити, що ріст розтягуванням розпочинається тоді, коли тургор досягає порогової величини і подальше надходження води можливе лише за рахунок пластичного (незворотного) розтягування клітинної стінки.

Рис. 156. Схема секреції компонентів клітинної стінки

Одночасно спостерігається активний синтез РНК, білків, секреція полі- цукрів. Везикули апарата Гольджі транспортують ці компоненти до клітинних стінок, посилюється синтез целюлози і, як наслідок, ріст мікрофібрил в довжину чи товщину в клітинних стінках (рис. 156). Ріст клітинної стінки поєднаний з новоутворенням її складових. Мікрофібрили целюлози синтезуються на внутрішній поверхні клітинної стінки, що прилягає до плазмалеми, із речовин цитоплазми за допомогою ферментів, які постачає апарат Гольджі. При цьому

відбувається переорієнтація старих молекул: вони стають у більш вертикальне положення. Загальна товщина стінки при цьому не змінюється, тобто залишається приблизно 0,3-0,5 мкм. На завершальних етапах росту розтягуванням посилюються процеси лігніфікації, накопичуються інгібітори (феноли, АБК), знижується вміст ауксинів, формується вторинна клітинна стінка і ріст розтягуванням гальмується. Впродовж всієї фази розтягування об’єм клітини зростає в 20-50 і навіть 100 раз.

Таким чином, ріст розтягуванням включає наступні етапи:

·розрихлення зв’язків між компонентами клітинної стінки і збільшення її пластичності;

·надходження води, яка давить на стінки, викликаючи розтягування і збільшення об’єму клітини;

·закріплення збільшеного об’єму шляхом включення нових компонентів в структуру клітинної стінки.