9.1: Морфологія насіння

Чому саме кокос? Тому що всередині волокнистої лушпиння кокоса знаходиться насіння (зображення: Кокос. Філо чоловіки. CC BY-SA 4.0).

Цілі навчання

До кінця цього уроку ви зможете:

• Перерахуйте три функції насіння та назвіть частину насіння, яка має цю функцію.
• Визначте частини ембріона і структури, якими вони стають.
• Перерахуйте види поживних речовин, які зберігаються в насінні.
• Опишіть відмінності між тканинами, що забезпечують захист насіння.

Насіння і різноманітність

Щоб переглянути, два основні способи розмноження рослин та те, як вони відрізняються за своїми результатами, - це сексуальне розмноження насінням або спорами, а також статеве чи вегетативне розмноження шляхом маніпулювання різними частинами рослин, включаючи живці з листя, коренів та стебел або щеплення .

Безстатеве розмноження, яке також називають вегетативним розмноженням, зазвичай призводить до потомства (потомства), яке є точною генетичною копією материнської рослини, яка дарує вегетативні частини, використовувані при розмноженні. Все потомство, розмножене з однієї рослини, містять ті ж гени, що і материнська рослина, а потомство також ідентичне один одному. Відмінності між потомством або між батьківським і потомством можуть виникнути в результаті мутації, але це рідко. Швидше за все, будь-які відмінності між рослинами, які були розмножені безстатевим шляхом від одного і того ж батька, виникають через те, що середовище вирощування відрізняється від рослини до рослини якимось важливим чином (родючість, вода, світло). Те, як рослина виглядає і виконує в певному середовищі, називається його фенотипом. Колекція генів, які містить рослина, називається його генотипом. Вегетативне розмноження призводить до однакових генотипів, але дві рослини з однаковими генотипами можуть мати різні фенотипи, якщо вони вирощуються в контрастних середовищах.

Статеве розмноження у бур'янів, рідних або неодомашнених рослин зазвичай призводить до насіння, генетично відмінного від будь-якого з батьків, а також у потомства, які генетично відрізняються один від одного. Статеве розмноження у одомашнених рослин також може призвести до генетично різноманітного насіння, але для тих одомашнених рослин, які є високоінбредними, таких як горох, квасоля та злаки, крім кукурудзи (наприклад, ячмінь, пшениця, овес та рис), статеве розмноження також може призвести до насіння, генетично ідентичних батько. Наразі пам'ятайте, що статеве розмноження означає, що насіння утворюється в результаті злиття сперматозоїда та яйцеклітини, і що існує потенціал для потомства відрізнятися від батьків (ів).

Статеве розмноження та генетично мінливе потомство, що призводить, надають виду рослин велику гнучкість для адаптації до нових середовищ існування та умов навколишнього середовища. Деякі потомства можуть бути надзвичайно добре пристосовані до нових ніш і можуть процвітати там, тоді як деякі не підійдуть і не будуть виживати і розмножуватися. Щоб допомогти виду у поширенні, насіння рослин, які успішно розмножуються, часто мають стратегії розгону подалі від материнської рослини. Це поширює види на різноманітні місця та нові екологічні ніші, а також зменшує ймовірність того, що занадто багато рослин одного виду конкурують один з одним в обмеженому просторі за однакові дефіцитні ресурси.

Зазвичай вважається, що утворення насіння є результатом статевого розмноження, а не вегетативного розмноження. Однак у рідкісних випадках ембріон може розвиватися виключно з материнської тканини без злиття яйцеклітини та сперми. Це називається апоміксис. Апоміксис - це дійсно форма безстатевого розмноження, замаскована під статеве розмноження. Процес призводить до насіння, але ембріон у насінні не є результатом сексу - злиття чоловічих і жіночих гамет. Все потомство ідентичне батьківському, оскільки ембріон насправді є клоном (генетично ідентичним потомством) рослини, на якому виробляється насіння. Кентуккі мятлик розмножується таким чином, як і кульбаба. Іронічно, що наші газони часто населені двома апоміктичними видами... Кентуккі мятлик, який ми боремося за вирощування, а кульбаби багато домовласників йдуть у великі крайності, щоб викорінити.

Основна морфологія насіння

Насіння виконують три основні функції:

розмноження рослини

Це досягається ембріоном, який є зароджується (новим, молодим) рослиною в результаті поєднання генів чоловічої сперми, що передається пилком, до жіночої яйцеклітини, що утримується в яйцеклітині в яєчнику. Ембріон має вісь з одним кінцем, що диференціюється на втечу, а іншим - в корінь.

Зберігання поживних речовин

Два типи структур можуть зберігати поживні речовини в насінні - сім'ядоль і ендосперм. Живильні речовини живлять ріст ембріона.

Захист

Ембріон та джерело поживних речовин потребують жорсткого покриття для захисту від навколишнього середовища та хижаків, і це, як правило, але не завжди забезпечується структурою, яка називається насіннєвою оболонкою (іноді її називають теста).

Перетин квасолі. Том Майклз

На малюнку вище показаний простий перетин насіння квасолі (дводомний, але показує лише одну сім'ядоль), що ілюструє ці три функції. Ниркоподібна частина - це контур сім'ядолі, основна маса бобового насіння і місце запасених поживних речовин. Затиснутий між сім'ядолями половинками знаходиться зародок, який є зароджується рослиною. На зовнішній стороні сім'ядолі знаходиться тонкий шар, який є захисною оболонкою насіння. Насіння квасолі, яке ми бачимо в продуктовому магазині, мають насіннєву оболонку, яка зазвичай має світлий або темно-бордовий колір. У арахісі різні структури легко побачити, коли ви витягуєте дві сім'ядолі один від одного.

Перша функція: Розмноження рослини ембріоном

У квітучих рослин ембріон в нормі є результатом злиття яйцеклітини і сперми. Яйцеклітина утримується в яйцеклітині, яка, в свою чергу, утримується всередині яєчника, яка може утримувати кілька яйцеклітин, залежно від виду. Яйцеклітина зазвичай запліднюється спермою з пилку. Дозріла яйцеклітина розвивається всередині зав'язі материнської рослини.

ембріон. Том Майклз

Зріле насіння має зародок з лінійним розташуванням частин. Таке розташування називається віссю ембріона. На малюнку вище показана вісь ембріона з квасолі, випрямлена, щоб показати окремі структури.

• Вісь ембріона — зародковий корінь і пагін
• Частини, що складають пагону тканини осі ембріона:
  • Плюмул — перші справжні листя рослини, які іноді можна побачити вже прикріпленими до ембріона. Ці листя вийдуть з насіння, піднімуться над поверхнею грунту і почнуть збирати енергію від сонця.
  • Точка прикріплення — пляма, показана червоним кольором на схемі (воно не червоне на справжньому ембріоні) на осі ембріона, де прикріплюється сім'ядоля. Сім'ядоль прикріплена до ембріона, і фактично є частиною ембріона. У випадку з квасолею сім'ядоль є органом зберігання поживних речовин і поживні речовини надходять до ембріона через точку прикріплення сім'ядолі до осі ембріона.
  • Епікотіль — частина осі ембріона, яка знаходиться вище (епі-) точки прикріплення сім'ядолей
  • Гіпокотил — частина осі ембріона, яка відстрілює тканину нижче (гіпо-) точки прикріплення сім'ядолей, але вище радикальної. Гіпокотил - це частина втечі між прикріпленням сім'ядолі і початком кореня (корінця).
• Частина, що становить кореневу тканину осі ембріона:
  • Радікул — тканина зародкового кореня

На кінчику епікотила знаходиться втеча верхівкової меристеми, яка буде виробляти нові вузли і міжвузли. Якщо ви рахуєте вузли на ембріональній осі, перший вузол на стеблі, починаючи від точки переходу кореня до пагона, є точкою, де сім'ядолі прикріплюються. Сім'ядолі насправді є ембріональними листям. Другий вузол - це місце, де кріпиться плюмул.

На кінчику корінця знаходиться верхівкова меристема кореня, яка буде виробляти первинний корінь.

Переглянути питання

1. Диференціюють по осі ембріона, епікотил, гіпокотил і сім'ядольний. Які походять з клітини в результаті злиття яйцеклітини та сперми?
2. Опишіть, чому апоміксис призводить до насіння, яке насправді є формою безстатевого розмноження.
3. З тканин, що складають вісь ембріона (плюмул, епікотил, гіпокотил, радикул), які є тканиною пагонів, а які є тканиною кореня?

Подвійне запліднення та ендосперм

У квітучих рослин (покритонасінні) зустрічається явище під назвою «подвійне запліднення». Зерно пилку покритосперми утримує дві сперматозоїди. Один запліднює яйцеклітину, і вийшла зигота виростає, щоб стати ембріоном. Інший об'єднується з двома іншими материнськими ядрами, званими полярними тілами, і ці три ядра разом ростуть, перетворюючись на тканину, звану ендоспермом (як м'ясо та молоко кокоса). Це буде висвітлено більш детально, коли ми вивчаємо мейоз і гаметогенез. Наразі пам'ятайте, що у квітучих рослин існує процес, який називається подвійним заплідненням, який призводить до ембріона та ендосперму.

Перетин насіння кукурудзи. Сара Грінвуд. CC BY-SA 4.0

У травах, як кукурудза на ілюстрації вище, ендосперм є основною тканиною для зберігання енергії та поживних речовин. Цим відрізняється від квасолі, де сім'ядоль є органом зберігання. У насінні кукурудзи також є сім'ядоля, але замість того, щоб зберігати енергію та поживні речовини, вона допомагає розщеплювати, поглинати та передавати енергію та поживні речовини, що зберігаються в ендоспермі, ембріону. Також у багатьох монокотів є оболонка, що покриває плюмул і епікотил, що забезпечує захист. Така оболонка називається колеоптилем. Подібна оболонка охоплює радикул, і називається колеорхіза. Coleoptile і coleorhiza - це терміни, що використовуються спеціально з рослинами сімейства трав'яних (Poaceae), а не в інших сім'ях в межах монокотів. Обидва функціонують в забезпеченні захисту з'являється пагона і кореня. У насінні кукурудзи три функції 1) розмноження, 2) захисту та 3) живлення задовольняються:

• Ембріон (показаний на цій ілюстрації, що простягається від пагона до кореня) і це буде розмножувати нову рослину.
• Ендосперм тканини, що забезпечує енергією і харчуванням ембріона.
• Околоплодник захищає все всередині. Пам'ятайте, що в кукурудзі, яка дає вид плодів під назвою каріопсис, навколоплідник зливається прямо до насіння. Околоплодник - це зріла стінка зав'язі жіночої кукурудзяної квітки у вусі (позначена «насіннєвою оболонкою» на ілюстрації вище).

Ця зведена таблиця контрастує компонентами насіння кукурудзи та квасолі:

	Сім'ядоль	Ендосперм	Насіння пальто	Околоплодник
Кукурудза — монокот	Поглинання енергії	Зберігання енергії	Залишки (ці тканини відсутні або тільки фрагменти тканини в зрілому насінні)	Захист (зовнішній шар кукурудзяного ядра)
Квасоля — діко	Зберігання енергії	Залишки (ці тканини відсутні або тільки фрагменти тканини в зрілому насінні)	Захист (зовнішній шар насіння квасолі)	Захист (стручок)

Друга функція: Зберігання енергії та поживних речовин для росту ембріонів

Серед квітучих рослин енергія та поживні речовини можуть зберігатися в насінні в:

• Сім'ядоль
• Ендосперм

Які види енергії і поживних речовин зберігаються в цих тканині? Подумайте про насіння, які ви їсте, і ви, ймовірно, можете назвати багато з цих поживних речовин.

Вуглеводи

• Забезпечують енергією — складні молекули, що складаються з вуглецю, водню, кисню.
• До складу рослин вуглеводи входять крохмаль і цукор.

Протеїн

• Джерела амінокислот для виробництва ферментів та інших багатих азотом сполук.
  • Амінокислоти є будівельними блоками білків.
  • Білок є твердим матеріалом в тофу (пресований сир з коагульованого соєвого молока). Існує кілька різних категорій білка в насінні, заснованих на специфічних хімічних структурах молекул. Клейковина - це тип білка, що міститься в ендоспермі пшениці, який надає еластичності хлібному тісту, так що еластичне тісто затримує вуглекислий газ, що виділяється дріжджами в процесі хліба, і утворює ніжний батон, повний повітряних кишень.

Ліпіди

Рослинні олії, звані тригліцеридами, є компактними молекулами для зберігання енергії більш компактним способом, ніж у крохмалі та цукрі.

Нас бомбардують великою кількістю заплутаної харчової інформації про ліпіди в наших продуктах. Коли ви зіткнулися з харчовими претензіями, майте на увазі цю інформацію:

• Будівельними блоками тригліцериду є молекула гліцерину плюс 3 жирні кислоти. На ілюстрації показаний тригліцерид, що складається з гліцерину, пов'язаного з трьома насиченими жирними кислотами.
• Жирні кислоти - це довгі ланцюги атомів вуглецю з двома атомами водню, прикріпленими до кожного вуглецю, за винятком випадків, коли між сусідніми вуглецями на ланцюзі є подвійний зв'язок. У разі подвійного зв'язку кожен вуглець, який бере участь у подвійному зв'язку, має лише один приєднаний атом водню.
• Насичені жирні кислоти не мають подвійних зв'язків у ланцюжку, а всі атоми вуглецю всередині ланцюга мають два приєднаних атома водню - вони, таким чином, насичені атомами водню.
• Ненасичені жирні кислоти мають одну або кілька подвійних зв'язків між одним або декількома атомами вуглецю в ланцюжку. Ці жирні кислоти не мають деяких атомів водню, і тому атоми вуглецю не насичені воднем — вони ненасичені.
• Ви, напевно, чули харчові претензії про насичених і ненасичених жирах. Різниця між ними полягає в тому, чи всі атоми вуглецю в жирних кислотах насичені атомами водню, або відсутні атоми водню в результаті подвійних зв'язків у вуглецевому ланцюзі. Рослинні олії, як правило, ненасичені, в результаті чого вони стають рідкими при кімнатній температурі - вони мають низьку температуру плавлення. Тваринні жири мають тенденцію бути насиченими, що призводить до того, що вони тверді при кімнатній температурі - вони мають більш високу температуру плавлення. Якщо вас цікавить більше хімічна природа жирних кислот, перегляньте це посилання на The Fat Primer (необов'язкове читання).

Відмінності поживних речовин між монокотами та двоктовими культурами (зокрема, бобовими)

дводольні

Як зазначалося вище, насіння з двома сім'ядолями, як правило, мають сім'ядолі, функцією яких є зберігання. Бобові культури (сімейство Fabaceae), такі як квасоля, горох, соя та сочевиця, - це дводольні, які, як правило, зберігають велику кількість білка у своїх сім'ядолі. Деякі бобові мають високий вміст білка, високий ліпідний та низький вміст вуглеводів (наприклад, соя та арахіс); їх називають олійними культурами, оскільки вони мають високий вміст ліпідів, і олію можна вичавлювати або іншим чином витягувати з них. Інші мають високий вміст білка, низький ліпідний та високий вміст вуглеводів (наприклад, горох та квасоля), і вони називаються культурами. Зернові культури є надзвичайно важливою їжею, оскільки вони є їстівними джерелами білка. Вони є ключовим джерелом білка в вегетаріанських дієтах.

Монокоти

У монокотів теж сім'ядоль, але, як зазначалося раніше, сім'ядоль в першу чергу використовується для абсорбції. У злаках ендосперм зберігає поживні речовини, які, як правило, є в першу чергу крохмалем та цукром та низькою кількістю білка та олії.

Як правило, насіння бобових мають високий вміст білка (а в деяких випадках, як соя та арахіс з високим вмістом олії), тоді як зернові зерна, такі як кукурудза, пшениця, овес, ячмінь та рис, містять багато крохмалю.

Переглянути питання

1. Яка структура (и) насіння містить вуглеводи?
2. Яка ключова характеристика ненасиченої жирної кислоти?

Третя функція: Захист ембріона та поживних речовин

Насіння мають два шари захисту:

• Насіннєва оболонка, яка бере свій початок у вигляді тканини стінки яйцеклітини.
• Околоплодник, який бере свій початок у вигляді тканини стінки яєчника.

Перетин квітки. Том Майклз

На малюнку лінії поперечного перерізу квітки, праворуч, зображені чашолистки, пелюстки, тичинки (складені з нитки та пильовика) та килимок або маточка (складається з рильця, стилю та зав'язі). Також ідентифікуються стінки яєчника і стінки яйцеклітини. Яєчник знаходиться біля основи килима і утримує яйцеклітини. Яйцеклітини захищені яєчником і утримують яйцеклітину. Коли квітка запліднюється, пилкова трубка проростає з пилкового зерна і виростає в рильце і вниз через стиль. Сперма слідує за пилковою трубкою в яєчник. Один сперматозоїд об'єднується з яйцеклітиною і утворилася зигота стає ембріоном. Інший сперматозоїд об'єднується з двома полярними ядрами, утворюючи ендосперм. Це подвійне запліднення, зазначене раніше.

У міру дозрівання насіння клітини всередині яйцеклітини розмножуються і ростуть. Стінка яйцеклітини, яка складається з материнських клітин, званих покривною тканиною, дозріває, щоб стати насіннєвою оболонкою. Прикладом насіннєвої оболонки є червона або засмагла «шкіра» на арахісі. Стінка яєчника (зверніть увагу на важливу різницю між словами «яйцеклітина» і «зав'язь») дозріває в захисний покрив, званий навколоплідником. Знову використовуючи арахіс як приклад, околоплодник є «шкаралупою» арахісу. Отже, арахіс в шкаралупі є прикладом околоплодника (оболонки, тканини стінки яєчника) та насіннєвої оболонки (шкіра, тканина стінки яйцеклітини), що захищає сім'ядолі та ембріон всередині насіння.

На відміну від цього, коли кукурудза дозріває, стінка яйцеклітини розбивається об стінку яєчника, коли клітини всередині розмножуються і збільшуються. Клітини стінки яйцеклітини розпадаються, тому в зрілості залишаються тільки залишки насіннєвої оболонки. Стінка зав'язі дозріває в околоплідник насіння кукурудзи, що є твердим зовнішнім виглядом насіння.

Ці слова належать разом:

• Стіна яйцеклітини - оболонка насіння
• Стіна зав'язі — Перикарп

Можливо, вам буде цікаво знати, що ви, мабуть, зараз носите тканину покриву/насіннєвого покриву. Тонкі волокна, прикріплені зовні насіння бавовни, складаються з довгих ланцюгів одиночних клітин покривної тканини і є розширеннями насіннєвої оболонки. Ці волокна видаляються з насіння бавовни, скручуються в волокно і вплітаються в тканину.

Відгук питання

1. Коли ви їсте зелену квасолю або сніговий горох як (кулінарний) овоч, ви їсте навколоплідник, насіннєву оболонку або обидва?