ВВЕДЕНИЕ
Практический курс составлен в соответствии с ГОСО по специальности «5В070100 - Биотехнология».
Цель практического курса по «Биоразнообразию растительного мира» ознакомить студентов с многообразием растительного мира, основными закономерностями строения растений, уровнями их морфологической организации, особенностями размножения растений различных систематических групп, в связи со средой обитания, значения их в природе, биотехнологии и медицине, хозяйственной деятельности человека.
Студенты должны получить представление о многообразии растительного мира и основных закономерностях его формирования, хозяйственном, природном и биотехнологическом их значении.
Студенты должны знать: основные черты характеристики низших и высших растений различных систематических групп растений, а также термины и понятия данного курса.
Студенты должны уметь проводить эколого-морфологические и таксономические исследования, применять сравнительно-морфологический метод систематики для самостоятельного определения систематической принадлежности растений, применять полученные знания для решения научных, производственных и практических задач.
Курс «Биоразнообразие растительного мира» необходим для изучения всех последующих дисциплин. Классификация и определение растений основаны на анатомических и морфологических признаках.
Настоящее пособие составлено с учетом выработки у студентов навыков самостоятельной работы. Оно предусматривает работу в лаборатории под руководством преподавателя и работу дома по изучению учебного материала по данному руководству и по литературным источникам.
ОСНОВНЫЕ ЧЕРТЫ ОРГАНИЗАЦИИ РАСТИТЕЛЬНОЙ КЛЕТКИ
Клетка - это основная структурная единица живых организмов, в том числе и растений. Она обладает всеми свойствами живой системы: осуществляет обмен веществ и энергии, растет, размножается и передает по наследству свои признаки. Функции в клетке распределены между различными органеллами, такими, как клеточное ядро, пластиды и т. д.
Строение растительной клетки
В растительной клетке имеются основные три части: оболочка, протопласт и вакуоль. В протопласте и в клеточном соке могут встречаться включения (капли масла, кристаллы, крахмальные зерна и др.). Также в протопласте встречаются компоненты органеллы (ядро, пластиды, митохондрии, рибосомы, эндоплазматический ретикулум, диктиосомы, лизосомы) (рисунок 1). Строение растительной клетки отличается от строения животной клетки. Отличие растительной клетки заключается в наличии прочной оболочки, пронизанной плазмодесмами, пластид, центральной вакуоли. Особенность, характерная для растительных клеток, связанная с наличием прочной оболочки и вакуоли, - рост путем растяжения.
Размеры и форма растительной клетки различны в зависимости функции и от положения в растении. Существуют паренхимные и прозенхимные клетки. Паренхимные клетки - это клетки, диаметр которых по всем направлениям различается не сильно. Например: клетки листьев, сочных плодов. Часто разрастание клеток идет преимущественно в одном направлении, в результате образуются сильно вытянутые прозенхимные клетки.
Цитоплазма. Цитоплазма имеет мембранную структуру. Биологические мембраны - это тончайшие, довольно плотные пленки, построенные в основном из фосфолипидов и белков (липопротеидов). Молекулы липидов образуют структурную основу мембран.
Большинство мембранных белков представлено разными ферментами.
Живой компонент цитоплазмы - мембраны, они ограничивают протопласт от внеклеточной среды, создают внешнюю границу органелл и участвуют в создании их внутренней структуры, во многом являясь носителями их функций. Основное свойство биомембран - их избирательная проницаемость. Мембраны являются барьером для свободной диффузии многих растворимых в воде веществ и во многом определяют специфический химический состав цитоплазмы и ее органелл.
Существует два вида пограничной мембраны:
- 1) плазмалемма (плазматическая мембрана);
- 2) тонопласт (вакуольная мембрана).
Плазмалемма - наружная, поверхностная мембрана цитоплазмы, плотно прилегает к оболочке клетки. Данная мембрана регулирует обмен веществ клетки с окружающей средой.
Основным веществом цитоплазмы является гиалоплазма. Она представляет собой непрерывную водную коллоидную фазу клетки.
Ядро - центральная органелла любой эукариотической клетки. Форма ядра - сферическая или эллипсоидная. По химическому составу содержит высокое содержание ДНК (15-30%). В ядре содержится также РНК и много белков. Ядро состоит из ядерной оболочки, нуклеоплазмы, хроматина и ядрышек. Ядерная оболочка состоит из двух мембран с промежутком между ними перинуклеарным пространством. Наружная мембрана ядерной оболочки несет прикрепленные рибосомы и является гранулярной, внутренняя - их лишена. Данная оболочка контролирует обмен веществ между ядром и цитоплазмой. Имеются ядерные поры, через них осуществляется прохождение макромолекул из нуклеоплазмы в гиалоплазму и белков в обратном направлении. Нуклеоплазма - коллоидная жидкость, в которой размещены ядрышко и хроматин. По ней к ядерным порам транспортируются предрибосомы, иРНК и тРНК. Хроматин содержит всю ДНК ядра. Также является местом синтеза различных РНК. Хроматин - это фукционирую-щая, активная форма хромосом. Ядрышки - сферические, плотные тельца. В ядре содержится один или несколько ядрышек. Ядрышко - основной носитель РНК ядра, его основная функция - синтез рРНК (транскрипция генов рибосомной РНК), играет важную роль в биосинтезе всех белков клетки. В целом, ядро служит центром управления обменом веществ клетки, ростом и развитием, контролирует деятельность других органелл. Существуют три типа деления - митоз, амитоз, мейоз. В жизни организма эти три типа деления неравноценны. Основной способ образования новых клеток - митоз. Путем митоза образуются все клетки, составляющие вегетативное тело растения.
Амитоз - прямое деление, имеет ограниченное распределение. Он характерен для клеток и тканей временного характера, например: эндосперм, перисперм, паренхима клубней, паренхима черешков листьев.
Мейоз - особый тип деления клеток, выработанный в процессе эволюции. Он связан с размножением растений и происходит только однажды в цикле развития каждого организма. Этот процесс проходит всегда в клетках спорогенной ткани во время развития микро- и мегаспор. При мейозе происходит редукция числа хромосом. Мейоз обеспечивает переход от диплоидного состояния ядра к гаплоидному.
Различают три состояния ядра:
- 1. Митотическое (делящееся) ядро, выполняющее функцию передачи наследственной информации от клетки к клетке.
- 2. Интерфазное (интермитотическое) ядро с основной функцией синтеза (удвоение) наследственного вещества - ДНК. Это состояние характерно для ядер в промежутках между фазами деления.
- 3. Метаболическое (рабочее) ядро. Оно выполняет функцию управления активностью всех органелл клетки. Основная функция рабочего ядра - управление процессами обмена веществ, роста и развития клетки.
Вакуоль и клеточный сок. Вакуоли содержатся почти во всех растительных клетках. Это полость, заполненная клеточным соком.
Клеточный сок - это водный раствор различных веществ, являющийся продуктом жизнедеятельности протопласта. Реакция клеточного сока обычно слабокислая или нейтральная, реже щелочная. Вещества, входящие в клеточный сок, - это углеводы (сахара и полисахариды), белки, органические кислоты и их соли, аминокислоты, минеральные ионы, алкалоиды, гликозиды, пигменты, танины и другие растворимые в воде соединения. От цитоплазмы клеточный сок изолирован тонопластом (вакуольной мембраной с избирательной проницаемостью).
Срединная пластан ха
Плаэмодесмы
Клеточная стенка
Хроматин'
Цитоплазма ——--
Гладкий эндоплазматический ретикулум
Плазматическая мембрана
Гетеро хроматин • Эухроматин - - —
Микротрубочки (часто располагаются на периферии клетки)
Микрофиламенты (рассеяны по всей клетке)
Ядерная оболочка---
(две мембраны)
Ядерная пора-------
Ядрышко---------
Грана
Митохондрия
Аппарат Гольджи
.Пузырек Гольджи
Клеточные стенки соседних клеток
Оболочка хлоропласта (две мембраны)
Клеточный!
СО>< («Вакуоль
—Тонопласт |
Аппарат Гольджи
Рисунок 1 - Строение растительной клетки (http ://b io. 1 september.ru/2000/17Z6.gif)
Ядро
_________Свободные рибосомы, рассеянные в цитоплазме Шероховатый
’? эндоплазматический
ретикулум
Рибосомы, связанные с эндоплазматическим ретикулумом Хд о роялисты
Лизосомы. Это производные эндоплазматического ретикулума или аппарата Гольджи, мелкие цитоплазматические вакуоли и пузырьки. Основная функция лизосом - локальный автолиз или автофагия (разрушение отдельных участков (переваривания) цитоплазмы собственной клетки, заканчивающееся образованием на ее месте цитоплазматической вакуоли). Локальный автолиз имеет защитное значение - при временном недостатке питательных веществ клетка может сохранять жизнеспособность за счет использования веществ части цитоплазмы, а также лизосомы осуществляют функцию удаления избыточных клеточных органелл.
Включения. Включения - это избыточное накопление веществ, выключаемых из обмена, часто это приводит к выпадению их в осадок в аморфном виде или в форме кристаллов. Наличие, форма и распределение включений имеет систематический характер. Наиболее распространенные и важные включения - крахмальные зерна. Они образуются только в пластидах живых клеток и в их строме. Крахмал зерновок хлебных злаков, клубней картофеля, плодов банана является важным источником питания людей. По форме крахмальные зерна бывают сферические, яйцевидные, или линзовидные. Откладывается крахмал во всех органах растений: семенах, подземных побегах, стеблях. Также имеются липидные капли - включения, которыми богаты семена и плоды растений. Они накапливаются в гиалоплазме. Существуют белковые включения в виде аморфных или кристаллических отложений разнообразной формы и строения (кристаллы, алейроновые зерна или белковые тельца) (рисунок 2).
Рисунок 2 - Формы кристаллов оксалата кальция в клетке: 1,2- рафиды (недотрога) (1 - вид сбоку, 2 - вид на поперечном срезе), 3 - друзы (опунция), 4
- кристаллический песок (картофель), 5 - одиночный кристалл (ваниль) (Васильев А.Е., 1988)
Пластиды. Различают три основных типа пластид, в зависимости от окраски и функции. Это хлоропласты - пластиды зеленого цвета, хромопласты - пластиды желтого, оранжевого или красного цвета, лейкопласты - бесцветные пластиды.
Наибольшее значение имеют хлоропласты, они содержат зеленый пигмент хлорофилл, а также пигменты из группы каратинои-дов - каротин (оранжевый) и ксантофилл (желтый). С хлорофиллом связана основная функция хлоропластов - это синтез органических веществ из неорганических, при участии энергии солнца (фотосинтез).
У большинства высших растений хлорофилл имеет линзовидную форму. Размер и число хлоропластов на клетку зависят от рода растения и типа клетки. Хлоропласты в клетках высших растений расположены в зависимости от внешних условий (прежде всего от освещенности). В них происходит синтез АТФ из АДФ, как и в митохондриях.
Лейкопласты - это бесцветные, мелкие пластиды. Они встречаются в клетках корней, корневищ, клубней, семенах (органов скрытых от солнечного света). По форме они многообразны. Лейкопласты связаны с синтезом и накоплением запасных питательных веществ - крахмала и белка. Лейкопласты, которые накапливают крахмал, называются амилопластами.
Хромопласты лишены хлорофилла и поэтому не способны к фотосинтезу. Встречаются в клетках зрелых плодов, лепестков, в осенних листьях и редко в корнеплодах. Окраска хромопластов обусловлена содержанием в них каратиноидов.
Митохондрии состоят из наружной и внутренней мембраны. Наружная мембрана контролирует обмен веществ между митохондрией и гиалоплазмой. Внутренняя образует выросты в полости митохондрии - кристы. Пространство между кристами заполнено матриксом. В матриксе встречаются рибосомы. Основная функция митохондрии - синтез АТФ из АДФ (обеспечивает энергетические потребности клетки).
Аппарат Гольджи состоит из диктиосом и пузырьков Гольджи. Каждая диктиосома преставляет собой стопку из пяти и более круглых цистерн, ограниченных агранулярной (лишенной рибосом) мембраной. В клетках с активным аппаратом пузырьки Гольджи многочисленны. Функция аппарата Гольджи - синтез и секреция полисахаридов, транспорт белков.
Эндоплазматический ретикулум. Имеются два основных типа ретикулума:
- 1) гранулярная (или шероховатая),
- 2) агронулярная (или гладкая).
Мембраны гранулярного ретикулума несут прикрепленные рибосомы, мембраны агронулярного ретикулума лишены их. Гранулярный ретикулум состоит из цистерн или ламелл. Данный ретикулум выполняет функцию синтеза запасающего белка с помощью прикрепленных рибосом.
Агронулярный ретикулум развит слабее. Имеет вид сети узких трубок, реже пузырьков или цистерн. Этот ретикулум хорошо развит в клетках, синтезирующих и выделяющих большое количество липофильных веществ (эфирные масла, смолы, каучук).
Рибосомы - сферические гранулы, состоящие из рибонуклеопротеидов. Они располагаются на поверхности мембран эндоплазматического ретикулума, в митохондриях и пластидах. Рибосомы являются центром синтеза белков в клетке.
Клеточная оболочка. Наличие клеточной плотной оболочки - особенность растительной клетки, отличающая ее от животной. В состав данной оболочки входят полисахариды. А также в состав клеточной оболочки могут входит белки, минеральные соли, лигнин и пигменты. Полисахариды делятся на скелетные вещества (клетчатка, микрофибрилы целлюлозы) и вещества матрикса (пектиновые вещества и гемицеллюлоза).
В матриксе оболочки некоторых клеток может содержаться большое количество минеральных веществ, чаще всего кремнезем или оксалата и карбоната кальция, а также гидрофобные вещества в виде воска, кутина (в клетках эпидермы и пробки).
В целом, в онтогенезе клетки можно выделить пять фаз:
- 1) эмбриональную (меристематическую) или фазу деления;
- 2) фазу роста;
- 3) фазу дифференциации;
- 4) фазу зрелости;
- 5) фазу старения.
