Двойное оплодотворение - удивительный природный феномен, встречающийся только у одного класса растений на Земле. Этот уникальный процесс помог цветковым растениям вытеснить другие группы растений и стать абсолютно доминирующими на нашей планете.
Что такое двойное оплодотворение и почему оно уникально
Двойное оплодотворение - это процесс, при котором в зародышевом мешке семязачатка одним спермием оплодотворяется яйцеклетка, а вторым спермием - центральная клетка. Это явление было открыто в 1898 году русским ботаником Сергеем Гавриловичем Навашиным при изучении процессов оплодотворения у лилейных растений.
Уникальность двойного оплодотворения заключается в том, что оно встречается только у одного класса растений - цветковых или покрытосеменных. У всех остальных высших растений происходит "простое" оплодотворение только яйцеклетки спермием.
Основные этапы процесса двойного оплодотворения:
- Пыльцевое зерно попадает на рыльце пестика и прорастает, образуя пыльцевую трубку
- Пыльцевая трубка растет сквозь ткани пестика к семязачатку
- В зародышевый мешок семязачатка из пыльцевой трубки попадают два спермия
- Один спермий сливается с яйцеклеткой - образуется зигота, дающая начало зародышу растения
- Второй спермий сливается с центральной клеткой зародышевого мешка - образуется триплоидное ядро, из которого разовьется питательная ткань эндосперм
Ниже представлена схема, иллюстрирующая процесс двойного оплодотворения у цветковых растений:
| 1 | Пыльцевое зерно на рыльце пестика |
| 2 | Рост пыльцевой трубки сквозь ткани пестика |
| 3 | Проникновение двух спермиев в зародышевый мешок |
| 4 | Оплодотворение яйцеклетки и центральной клетки |
Значение двойного оплодотворения для растений
Двойное оплодотворение дает целый ряд важных преимуществ цветковым растениям:
- Экономия ресурсов растения, поскольку эндосперм образуется только после оплодотворения
- Ускорение развития семязачатков за счет активного деления оплодотворенной центральной клетки
- Повышение выживаемости потомства благодаря обеспеченности зародыша питанием
В отличие от цветковых, у голосеменных растений эндосперм начинает формироваться до оплодотворения. Это приводит к напрасной трате ресурсов в тех случаях, когда оплодотворения не происходит.
Также из-за активного деления клеток эндосперма семязачатки цветковых развиваются намного быстрее, чем у голосеменных. Например, у сосны процесс развития семязачатка от оплодотворения до созревания семени занимает около года, а у однолетних цветковых растений - всего несколько недель.
Двойное оплодотворение в сочетании с другими особенностями репродукции обеспечило цветковым растениям колоссальные преимущества в выживаемости и скорости размножения.
Механизм оплодотворения цветковых растений
Чтобы понять, как происходит двойное оплодотворение, нужно разобраться в строении репродуктивных органов цветковых растений и механизмах оплодотворения.
У цветковых растений есть специализированные мужские и женские репродуктивные органы. Мужскими являются тычинки с пыльниками, в которых происходит образование пыльцевых зерен. Женскими органами служат пестики с семязачатками внутри завязи. В семязачатках формируются женские гаметы и зародышевые мешки.
Этапы микро- и мегаспорогенеза
Образование мужских и женских гамет у цветковых предваряется процессами микро- и мегаспорогенеза соответственно.
Микроспорогенез протекает в пыльниках тычинок путем мейоза. В результате из одной диплоидной клетки образуется четыре гаплоидные микроспоры, из которых разовьются пыльцевые зерна.
Мегаспорогенез происходит в семязачатках. Там в результате мейоза образуется четыре мегаспоры, но дальнейшее развитие получает только одна из них, превращаясь в зародышевый мешок.
Опыление и рост пыльцевой трубки
Для того, чтобы произошло оплодотворение, необходим перенос пыльцы с пыльника на рыльце пестика – опыление. Затем пыльцевое зерно прорастает и из него вырастает пыльцевая трубка, пронизывающая ткани рыльца и столбика к зародышевому мешку семязачатка.
Рост пыльцевой трубки регулируется специальными веществами, которыми обмениваются ткани спорофита и гаметофита. Интересно, что цветковые растения часто обладают механизмами распознавания «своей» и «чужой» пыльцы.
Двойное оплодотворение в эволюции растений
Двойное оплодотворение возникло примерно 125 миллионов лет назад вместе с появлением первых покрытосеменных растений. Этот процесс стал одним из важнейших приспособлений, обеспечивших их последующее глобальное распространение и вытеснение других групп растений.
Доминирование цветковых растений
На данный момент цветковые составляют около 90% всех наземных растений планеты. Они успешно заселили практически все экологические ниши – от тундр до тропических лесов и пустынь.
Помимо двойного оплодотворения, к их достижениям относятся:
- Наличие цветка и плода
- Разнообразие способов опыления
- Устойчивость семян к неблагоприятным условиям
Эти признаки в комплексе и позволили им вытеснить голосеменных растений, доминировавших ранее на протяжении 100 миллионов лет.
Исследования двойного оплодотворения
Несмотря на то, что двойное оплодотворение было открыто более 100 лет назад, до сих пор остается много открытых вопросов о механизмах регуляции этого процесса.
Современные методы изучения
С появлением новых технологий, таких как ПЦР, секвенирование ДНК, конфокальная микроскопия и другие, ученые получили дополнительные возможности для изучения деталей двойного оплодотворения.
Также активно используется метод мутагенеза и нокаута генов для выяснения функций отдельных генов в этом процессе.
Открытые вопросы
Остается не до конца понятным:
- Механизм направленного роста пыльцевой трубки к конкретному семязачатку
- Распознавание растением «своей» и «чужой» пыльцы
- Регуляция активности генов во время двойного оплодотворения
Понимание молекулярных механизмов, лежащих в основе двойного оплодотворения, открывает новые возможности практического использования этих знаний.
Сельское хозяйство
Целенаправленная селекция растений позволяет получать новые высокопродуктивные сорта культурных растений с заданными свойствами.
Методы культуры тканей и клеток растений дают возможность получения целевых веществ, используемых в медицине, пищевой промышленности и других областях.
