A liliom ( Lilium sp. ) (felül) és a japán kamélia ( Camellia japonica L. ) (alul) pollenjében csíráztak a pollencsövek |
A pollencső ( lat. tubus pollinicus ) a magnövények pollenszemének vegetatív sejtjének citoplazmás tubulus kinövése [1] [2] [3] [4] . A pollencső biztosítja a hím ivarsejtek eljuttatását a megtermékenyítés helyére [1] . Az ivarsejtek szállításának ezt a módját szifonogámiának nevezik [5] [6] .
A pollencső kialakulása az optimális körülmények közé kerülő pollenszemek csírázása során történik. A virágporszemek a mikrosporangiumokból fiziológiás nyugalmi állapotban szabadulnak fel : kiszáradva és rendkívül lassú anyagcserével . E tekintetben a pollenszemek csírázását megelőzi vízállapotának helyreállítása (rehidratáció), ami alakváltozással és szemtérfogat helyreállításával (harmomegaty) jár együtt [7] [8] . A rehidratáció beindítja az anyagcsere folyamatok aktiválását a pollenszem vegetatív sejtjének protoplasztjában , amely a csövet képezi.
Laboratóriumi körülmények között meglehetősen könnyű kiválasztani a megfelelő körülményeket és biztosítani a pollenszemek csírázását in vitro tenyészetben . A pollencsövek a mesterséges táptalajon történő tenyészthetőség egyszerűsége miatt modellrendszerként szolgálnak a poláris sejtnövekedés mintázatainak tanulmányozására, ami a gyökérszőrökre , moha protonémára , gombahifára és az idegsejtek axonjaira is jellemző [9] [10 ] ] . Ezenkívül a pollenszem és a pollencső kényelmes modellként szolgál a sejt fiziológiai nyugalmi állapotból való felszabadulásának tanulmányozásához.
Természetes körülmények között a pollenszemek csírázása a beporzás után következik be . A beporzás úgy definiálható, mint az a folyamat, amelynek során a virágpor egy vektor segítségével a bibe stigmájának felszínére ( zárvatermőkben ) vagy a megtermékenyítő cseppbe (a legtöbb gymnosperm esetében ) kerül. Leggyakrabban a pollen és a keletkező pollencsövek mennyisége a stigmán vagy az embrionális kamrában meghaladja a megtermékenyíthető petesejtek számát, így a pollencsövek versengenek egymással [5] [11] .
A csírázást követően a zárvatermő pollencső az embriózsák felé növekszik, és biztosítja a hím flagellátummentes ivarsejtek (spermium) szállítását a kettős megtermékenyítéshez [1] . A növekedés irányát a kemoattrakció összetett rendszere adja [1] [12] [13] . A zárvatermőkben a pollencső növekedése a bibe típusának vezető traktusa mentén történik , amely lehet vezető szövet és/vagy a stílus speciális csatornája, amely különleges titokkal van kitöltve [ 14] .
Amikor eléri az embriózsákot , a pollencső belép abba, és felszakad, felszabadítva a spermát tartalmazó citoplazmát. Ezt követi a típusban az egyik spermium fúziója a petesejttel , a második pedig a diploid központi sejttel (kettős megtermékenyítés).
Az egyik első, de téves leírást a pollencsőről Robert Brown (1773-1858) skót botanikus adta. Brown néhány esetben nyomon követte a pollencső kialakulását egy pollenszemből a petefészkekig és a petesejt mikropillájáig . Ennek ellenére úgy vélte, hogy a pollencsövek a pollenszemektől függetlenül is megjelenhetnek az oszlopszövetben [15] .
Megfigyeléseiben nagyobb sikert ért el Giovanni Battista Amici (1786-1863) olasz botanikus. Amici 1823-ban egy porcsin ( Portulaca oleracea ) stigmáját vizsgálva kimutatta a pollenszemek csírázását és a pollencsövek behatolását a stigma szövetébe [16] [5] .
Kicsit később, 1827-ben, Adolphe Theodore Brongniart (1801-1876) francia botanikus is hasonló megfigyeléseket tett számos stigmával kapcsolatban [15] .
Később, 1830-ban Amici visszatért a pollencső növekedésének vizsgálatához, és a porcsinnal és a hibiszkuszon ( Hibiscus syriacus ) bizonyosan bebizonyította, hogy a stigmán lévő pollenszemekből képződött pollencső átnő a stíluson és behatol a a petefészek és tovább a petesejt [15] . Matthias Schleiden német botanikus egy nem igazolt hipotézist fogalmazott meg, miszerint a pollencső egy kis növény embrióját hordozza a csúcsán, a petesejt embriózsákja pedig inkubátorként szolgál, amelyben az embrió érik [15] . A növények szaporodásának ilyen téves nézetét nyilvánvalóan befolyásolta a 17. és 18. századi preformizmus . Schleiden fiatal német botanikusa, Schleiden asszisztense, Hermann Schacht is hasonló álláspontot képviselt [15] . Amici nem értett egyet ezzel a véleménnyel, és az olasz természetkutatók 1842-es padovai kongresszusán azt javasolta, hogy a pollencső egy megtermékenyítő anyagot juttat a petesejtbe, ami az embrió további fejlődését szolgálja ( epigenezis ). 1847-ben az Amici on orchis ( Orchis sp. ) részletesen bemutatja a pollencső csírázási folyamatát, növekedését és további behatolását a petesejtbe. Amici ugyanakkor arra is rámutat, hogy a petesejtben a pollencső behatolása előtt egy „speciális test” vagy „embrionális vezikula” található, amely a pollencső hatására fejlődésnek indul, majd ezt követően. alkotja a növény embrióját [15] .
A cseh botanikus , Jan Evangelista Purkinje (1787-1869) szintén pollent tanulmányoz [15] . 1834-ben jelent meg a kiváló német botanikus, Hugo Von Mol [15] a pollenszemek szerkezetéről és formáiról szóló, a pollenszemeket osztályozó fontos munkája . Carl Fritzsche (1808-1871) botanikus a szentpétervári Tudományos Akadémián folytatja a pollen morfológiai vizsgálatait, és 1837-ben publikálja a virágporról című munkáját [15] . A pollenszemcsék anyasejtekből történő kialakulását Carl Wilhelm von Negeli 1842-ben "A pollenfejlődés történetéről" [15] című munkájában mutatta be .
Sok növény virágpora mesterséges táptalajon in vitro csírázhat . A termesztés sikere számos tényezőtől függ:
Számos növényben (az orchideák egyes képviselőiben ) a pollen alacsony ásványi sótartalmú vízben és szacharóz hiányában csírázik. Bár hosszú távú növekedés nem lehetséges.
Ca 2+ és H 3 BO 3 szerepeAz ásványi sók közül sok esetben a kalcium (Ca 2+ ) [17] és a bór (általában bórsav, H 3 BO 3 formájában ) [18] játssza a legfontosabb szerepet a szemek csírázásában és a pollencsövek növekedésében. faj . Ugyanakkor bizonyos esetekben, például kukoricában , ezen komponensek külön-külön történő hozzáadása csökkentheti a csírázás százalékos arányát, egyes esetekben a növekedési ütemet [19] . A kalcium és a bór együttes hozzáadása azonban rendszerint növeli a csírázott csövek csírázási százalékát és növekedési sebességét is [19] .
Az ásványi táplálkozás egyéb összetevőiA csírázás és a növekedés optimalizálása érdekében általában más sókat ( K + , NO 3 - ) adnak a táptalajhoz.
Különösen nehéz a gabonafélék (Gramineae) , hangafélék (Ericaceae) , Compositae (Compositae) , len (Linaceae) [20] képviselőiből származó virágpor sikeres termesztése .
Morfológiailag a pollencső a virágos növények hím gametofita vegetatív sejtjének kinövése. A vegetatív sejtben a magon és más organellumokon kívül egy generatív sejt (kétsejtű pollenszemekben) vagy két hímivarsejt (háromsejtű pollenszemekben) található. Ha a pollenszem kétsejtű, akkor a pollencső növekedése során a generatív sejt magjának mitózisa és citokinézis lép fel, aminek következtében két spermium képződik.
Ahogy a pollencső növekszik, a vegetatív mag és két hímivarsejt, amelyek együtt alkotják a hím ivarsejt modult (férfi csíraegység, MGU), előrehaladnak, és helyet foglalnak el a cső növekvő tetejének közelében. Így eljutnak az embriózsákba, ahol megtermékenyítenek [2] .
A növekvő pollencsövet a citoplazma zónázottsága jellemzi [4] [21] [22] . A következő tartományok különböztethetők meg (a növekedési csúcstól kezdve):
A beporzás következtében a pollenszemek a bibe stigmáján landolnak . A pollenszem a mozgásszervek hiányában a növekedés révén ugyanazokat a célokat éri el, amelyeket a mozgásszervek segítségével is elérhetnénk (ebben a tekintetben a pollenszem hasonló a magasabb zöld növények szerveihez ) [2] .
Miután a kiszáradt pollenszem a bibe stigmájára kerül, megtörténik annak rehidratációja, aktiválódik az anyagcsere, a vegetatív sejt citoplazmája polarizálódik, és megindul a poláris irányított növekedés.
A rehidratáció a stigma szöveteiből való vízáramlás miatt következik be, miközben a pollen térfogata és alakja helyreáll. Így a rehidratáció következtében a nyílások - azok a területek, ahol a pollenszem külső héja ( exine ) hiányzik - kifelé kerülnek.
A hidratált pollenszemben a légzés, a fehérjeszintézis és az ionáramok aktiválódnak.
A polarizáció magában foglalja: a citoszkeleton átszervezését, a generatív sejt (háromsejtes szemcsékben - spermiumokban), a vegetatív sejtmag, a Golgi-készülék hólyagjai és a mitokondriumok migrációját a nyílásba, amelynek területén a pollencső kicsírázik. .
Az összes többi poláris növekedésű sejt közül úgy tűnik, hogy optimális körülmények között a zárvatermő pollencsövek nyúlnak a legnagyobb mértékben [23] . Ugyanakkor a zárvatermők között a pollencső növekedési sebessége nagymértékben változik a különböző fajokban 10 és több mint 20 000 μm h −1 között [23] . Összehasonlításképpen, az idegsejtek és a gyökérszőrök axonjainak átlagos megnyúlási sebessége körülbelül 20-50 μm h −1 [24] . Az ilyen különbségek nem meglepőek, mivel a pollencsövek esetében a természetes szelekció célja, hogy a spermiumokat a lehető leggyorsabban az embriózsákba szállítsák megtermékenyítés céljából. Éppen ezért nemzedékek során olyan gének szelektálódnak, amelyek változó környezeti feltételek mellett a pollencső legmagasabb növekedési ütemét tudják biztosítani; az irány kötelező megtartásával [5] .
Az alábbi táblázat bemutatja egyes növényfajok átlagos pollencsöves növekedési ütemét optimális körülmények között. Meg kell jegyezni, hogy a cső megnyúlása nem nulla gyorsulással történik , vagyis a növekedés egyenetlen.
növénytípus | Átlagos növekedési sebesség, μm h −1 | Link |
---|---|---|
Lilium sp. (Liliom) | 720-1080 | [11] [24] |
Oenothera sp. (Oslinnik) | 6500 | [25] [26] |
Zea sp. (Kukorica) | 10 080 | [tizenegy] |
Tradescantia sp. (Tradescantia) | 14 400 | [27] [24] [4] |
Hemerocallis sp. (nappali liliom) | 14 400 | [27] [24] [4] |
Cichorium intybus (Chicory) | 39 000 | [1] [28] |
Gyors poláris növekedés csak intenzív energia-anyagcsere körülményei között lehetséges , melynek során a pollenszemcsékben tárolt polimerek energiája vagy a kívülről érkező anyagok energiája átalakul sejtenergiává - adenozin-trifoszfáttá (ATP) [29] .
Oxigénfogyasztás Citoplazmatikus glikolízis Plasztid glikolízis FermentációAz alkoholos fermentáció két egymást követő reakcióból áll [1] :
Az általánosan elfogadott nézet szerint az erjesztés különböző formái a glikolízis és az oxidálószer - NAD + regenerációja során képződő piroszőlősav hasznosítását szolgálják [29] . A NAD + szükséges a glikolitikus hexóz oxidáció és az ATP szintézis fenntartásához a szubsztrát foszforilációja során anoxikus (anaerob) körülmények között. Ilyen szerepet tulajdonítanak a növényekben a fermentációnak, például a magok csírázása során , az elárasztás következtében fellépő oxigénhiány a gyökerekben [1] [30] . Számos növény ( petúnia és dohány ) pollencsövéi azonban kimutatták, hogy jelentős mennyiségű (akár 100 mM) etanolt termelnek az alkoholos fermentáció során, még jó oxigénellátás (aerob fermentáció) körülményei között is [31] . Ugyanakkor a vegetatív szervek sporofita szöveteivel ellentétben a fermentáció intenzitását meghatározó fő tényező nem az oxigén elérhetősége, hanem a táptalaj szénhidrát összetétele [32] . Azonban az alkohol-dehidrogenáz gén , az alkoholos fermentáció kulcsenzime, az acetaldehid redukciójáért és a NAD + regenerációért felelős kukorica kiütése nem eredményezi a pollen életképességének csökkenését [33] . Ez a tény jelzi az anyagcsere nagy plaszticitását és a NAD + regeneráció képességét más mechanizmusokon keresztül, elsősorban a légzés elektrontranszport láncának munkáján keresztül.
A piruvát-dehidrogenáz komplex és citoplazmatikus söntjeA hím gametofiton vegetatív sejtjében, valamint a legtöbb más organizmusban a glikolízis eredményeként képződő piruvát bejut a mitokondriális mátrixba, ahol a piruvát-dehidrogenáz komplex (PDH) részvételével oxidatív dekarboxiláción megy keresztül , ami a acetil-CoA képződése , amely azután részt vesz a Krebs-ciklusban [30] .
Emellett kimutatták a piruvát-dehidrogenáz komplexet söntölő citoplazmatikus útvonal (PDC shunt vagy PDH bypass ) működését [11] [34] [35] [36] . Ez a sönt a következőket tartalmazza:
A citoplazmában képződött acetil-CoA a mitokondriális mátrixba kerül, ahol belép a Krebs-ciklus biokémiai reakcióiba . A mitokondriumok piruvát-dehidrogenáz komplexének citoplazmatikus söntjének fontossága genetikailag alátámasztott. Például a nem működő pollen-specifikus piruvát-dekarboxiláz ( pdc2 ) génnel rendelkező petúniában ( Petunia hybrida ) a növekedési sebesség csökkenése figyelhető meg in vitro . És in vivo körülmények között, amikor bibeszövetekben nő, a pdc2 gént kiiktató pollen elveszti a versenyt a vad típusú pollennel [36] .
Krebs ciklus Alternatív oxidáz : a légzés elektrontranszport láncának III és IV shunt komplexeiNincs egyértelmű vélemény az alternatív oxidáz (AOX) jelenlétéről a pollencső mitokondriumában. Egyrészt a transzkriptomikai vizsgálatok kimutatták az AOX1A és AOX1B mRNS -ek jelenlétét az Arabidopsis thaliana modellnövény pollenjében , mind a szemcsírázás, mind a csőnövekedés szakaszában. [37] Másrészt a proteommal végzett vizsgálatok még nem tártak fel alternatív oxidázt (AOX) a magnövények hím gametofitájában [38] [39] .
Az ATP biztosítja a plazmamembránon az átalakítható sejtenergia egy másik formáját - a protonok transzmembrán elektrokémiai gradiensét - Δμ(H + ). A Δμ(H + ) termelődését a pollencsőben, mint minden más növényi sejtben, a P-típusú plazmalemma H + -ATPáza biztosítja . A Δμ(H + )-t más transzmembrán transzportrendszerek is felhasználhatják energiaforrásként az anyagoknak a membránon keresztül történő szállításához a gradiensük ellenében.
Sejtfal poliszacharidok szintézise Exocytosis és endocitózis A citoplazma mozgása Mátrix folyamatok és fehérjeszintézis (fordítás)Feltéve, hogy a pollenszemek nem kilökődnek (különféle fehérjék játszanak ebben a folyamatban jelentős szerepet), a pollencső poláris növekedésnek indul az embriózsák felé. A pollencső bibeszövetben való orientációjának mechanizmusa nem teljesen ismert. Feltételezzük, hogy a pollencső a kémiai jelek irányába nő, emellett a növekedés irányát a környezeti feltételek is biztosíthatják.
A poláris növekedést a membránanyag és a sejtfal anyagának helyi szekréciója jellemzi a növekvő cső végén. A pollencsövek növekedése az egyik leggyorsabban növekvő folyamat az élő szervezetek között.
Attól függően, hogy a pollencsövek hogyan jutnak be a petesejtbe , ez a folyamat a következő típusokra oszlik [40] :
A gymnospermekben a pollencső a petesejtek pollenkamrájában képződik. A cső a sejtmag szövetébe van ágyazva, és tapadókorongként szolgál, amely tápanyagokat kap, vagy biztosítja a hím ivarsejtek átjutását az elsődleges endospermiumhoz. Egyes növényekben a stigmában és a bibében lévő csírázást elősegítő anyagok kemotropizmust indukálnak a pollencsőben, irányítva annak növekedését.
Szótárak és enciklopédiák |
---|