Ткани и их функции в растительных организмах

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА И ПРОДОВОЛЬСТВИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ «БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ»

Курсовая работа Ботаника и физиология растений Горки 2012

Содержание Предисловие

1. Понятие о тканях и их классификации

2. Особенности растительных тканей

3. Образовательные ткани

3.1 Значение и разнообразие образовательных тканей

3.2 Апикальные меристемы

3.3 Интеркалярные меристемы

3.4 Латеральные меристемы

3.5 Раневые меристемы

3.6 Спорогенные ткани

4. Покровные ткани

4.1 Значение и разнообразие покровных тканей

4.2 Первичные покровные ткани. Эпидермис. Эпиблема. Веламен

4.3 Вторичный покровный комплекс — перидерма

4.4 Корка

4.5 Семенная кожура

5. Основные ткани

5.1 Значение и разнообразие основных тканей

5.2. Основная паренхима

5.3. Ассимиляционная паренхима

5.4. Запасающая паренхима

5.5 Водозапасающая паренхима

5.6 Воздухоносная паренхима

5.7 Ткани, связанные с гетеротрофным питанием растений

6. Проводящие ткани

6.1 Значение и разнообразие проводящих тканей

6.2 Проводящие ткани восходящего тока

6.3 Проводящие ткани нисходящего тока

6.4 Проводящие пучки

6.5 Ткани, регулирующие радиальный транспорт веществ

6.6 Понятие о стеле и её эволюции

7. Механические ткани

7.1 Значение и свойства механических тканей

7.2 Колленхима

7.3 Склеренхима

7.4 Склереиды

8. Выделительные ткани

8.1 Выделительная система растений и её значение

8.2 Структуры внешней секреции

8.3 Структуры внутренней секреции Заключение Литература

Предисловие Структурная и функциональная целостность высших растений достигается благодаря многочисленным многоуровневым приспособлениям, среди которых дифференциация единого тела на органы и ткани и глубокая специализация их клеток в значительной мере способствовали биологическому прогрессу таксонов разного уровня. Появление специализированных тканей явилось фактором повышения интенсивности размножения растений и совершенствования системы надёжности их онтогенеза.

Изучение тканей растений неоценимо для познания особенностей строения, жизнедеятельности и эволюции растений. Генетический контроль гистогенеза, возможности комбинативной и мутационной изменчивости создают основу для совершенствования тканей и образуемых ими анатомических структур в процессе селекции. А регулируемость развития тканей в онтогенезе в агрономической практике обеспечивает формирование высокой продуктивности растений и достижение высокого качества продукции. В связи с этим изучение тканей растений имеет большое научное и практическое значение.

1. Понятие о тканях и их классификации Ткани — это устойчивые, генетически детерминированные комплексы клеток, сходных по происхождению, строению, местоположению и выполняемым функциям. Термин «ткани» был введен в ботанику Н. Грю (1671). Учение о тканях получило название гистология. К истокам гистологии растений следует отнести работу английского естествоиспытателя Р. Гука «Микрография» (1669), в которой впервые было дано описание срезов стебля бузины, укропа, тростника и других растений.

Многочисленные исследования в области описательной гистологии в XVIII — XX вв. привели к систематизации знаний о тканях и к разработке их классификации. Так, в 1807 г. Г. Линк разделил ткани по строению клеток на паренхиматические и прозенхиматические. И. Сакс учёл разнообразие функций и предложил разделять ткани на покровные, проводящие и основные. Основу морфолого-физиологической классификации разработали в 1879 г. С. Швенденер и Г. Габерланд. В современной классификации тканей учитываются такие важные признаки, как:

1) генезис, или происхождение тканей. Если ткани возникли из клеток зародыша семени или верхушек корня и побега, они называются первичными. При образовании тканей из дифференцированных клеток основной паренхимы или их производных, ткани считаются вторичными. Например, если механическая ткань склеренхима возникает из перициклической зоны верхушки побега, то она является первичной, а если из клеток камбия, то — вторичной;

2) особенности клеточного строения. Здесь основное внимание уделяется размерам и форме клеток, наличию органоидов, строению клеточных оболочек, а также плотности сложения клеток;

3) топография, или местоположение тканей. Учитывается наличие тканей в разных органах растений и в составе их анатомических структур. Например, склеренхима перициклического происхождения типична для первичного анатомического строения стебля, но отсутствует в корне;

4) функции тканей и их физиологическое состояние. Например, мертвые клетки склеренхимы обеспечивают формирование упругости и жесткости стебля, а живые клетки хлоренхимы участвуют в процессе фотосинтеза.

С учетом способности клеток к генезису выделяют образовательные ткани, клетки которых могут постоянно делиться и порождать другие ткани, а также их производные — постоянные ткани.

В современной ботанической литературе принята следующая классификация тканей.

1. Образовательные ткани:

апикальные (верхушечные);

интеркалярные (вставочные);

латеральные (боковые);

раневые (травматические);

спорогенные.

2. Покровные ткани:

эпидерма, эпиблема и веламен (первичные ткани);

перидерма (вторичный покровный комплекс);

корка, или ритидом (третичный покровный комплекс);

семенная кожура.

3. Основные ткани:

основная паренхима;

ассимиляционная паренхима;

запасающая паренхима;

водоносная паренхима;

воздухоносная паренхима;

ткани, связанные с гетеротрофным питанием растений.

4. Проводящие ткани:

ткани восходящего тока;

ткани нисходящего тока;

проводящие пучки;

ткани, регулирующие радиальный транспорт веществ.

5. Механические ткани:

колленхима;

склеренхима;

склереиды.

6. Выделительные ткани:

ткани наружной секреции;

ткани внутренней секреции.

Следует признать, что данная классификация не вполне совершенна. В ней одни виды тканей выделены по местоположению и функциям (образовательные), другие — по происхождению (покровные), третьи — по строению (механические), четвертые — по функциям (проводящие, основные и выделительные). Это свидетельствует о том, что ботаника как наука не завершена в своем развитии. Её перспективными направлениями могут стать количественная и экологическая гистология, которые выводят на управление онтогенезом растений и их продуктивностью.

2. Особенности растительных тканей

При выделении, изучении и систематизации тканей у растений необходимо учитывать их специфические особенности.

1. Образование, строение, топография и функции тканей контролируются генетически. Это объясняет сходство и различие тканей у разных генотипов растений.

2. Ткани не возникают в дифинитивном, т. е. в окончательно завершенном виде. Они развиваются в ходе онтогенеза растений. В процессе онтогенеза химический состав, клеточное строение и функции тканей могут изменяться. Например, у мятликовых оболочки клеток мелкоклеточной паренхимы стебля, примыкающей к склеренхиме, могут пропитываться лигнином, повышая жесткость соломины. У древесных пород по мере старения стебля происходит необратимое разрушение сосудов и преобразование проводящей древесины в ядровую, т. е. непроводящую. Показателен пример изменения структуры проводящих пучков у травянистых двудольных. Исходно они развиваются из прокамбия и состоят из протоксилемы и протофлоэмы, позднее в пучках появляются проводящие элементы первичной метаксилемы и первичной метафлоэмы. С появлением камбия в таких пучках образуются элементы вторичной ксилемы и вторичной флоэмы.

3. Ткани могут быть образованы пространственно разобщенными клетками. Так, в частности, располагаются опорные клетки в листьях чая китайского.

4. Разные ткани могут выполнять одинаковые функции. Например, упругость стебля обеспечивается в первую очередь механическими тканями и существенно дополняется проводящими.

5. У растений можно наблюдать постепенный переход одних тканей в другие. В зонах роста корней, стеблей и других органов отсутствуют четкие границы между образовательными и постоянными тканями.

6. Функционально и структурно сходные ткани могут иметь разное происхождение. Например, механическая ткань склеренхима может образоваться из клеток перицикла и клеток камбия; проводящие ткани у двудольных могут возникнуть из прокамбия и камбия.

7. Различия в клеточном строении одной и той же ткани могут возникнуть в результате гетерохронного, т. е. разновременного, их заложения. Поэтому различаются между собой клетки весенней, летней и осенней древесины одного и того же годичного кольца у деревьев, равно как и ткани разных междоузлий у мятликовых.

8. Количественные показатели тканей могут существенно изменяться под влиянием средовых факторов. Например, в зависимости от режима освещения изменяется плотность расположения устьиц на поверхности листа; субклеточный состав ассимиляционной паренхимы зависит от обеспеченности растений азотом и водой.

При изучении растительных тканей широко используются методы ботаники и других наук. Среди них наиболее результативными считаются методы оптической и электронной микроскопии; гистохимический метод, основанный на специфическом окрашивании разных тканей цитологическими красителями; методы физики — деформационный, поляризационный и интерференционный; биохимические и физиологические методы. Математические методы широко используются для анализа первичной информации о клетках и тканях. Большую перспективу имеют методы экологической анатомии.

3. Образовательные ткани

3.1 Значение и разнообразие образовательных тканей

Отличительной особенностью растений является их способность к неограниченному росту. Рост растений служит основой развития как отдельных органов, так и всего организма, он генетически детерминирован и обеспечивается двумя процессами — делением клеток и их растяжением. Растяжение клеток указывает на начало их дифференциации и формирование постоянных тканей. В этом процессе важная роль принадлежит фитогормонам.

Деление клеток не создает новых структур, но поставляет исходный материал для построения тканей и органов растений, а следовательно, служит исходным процессом для последующего роста и развития. Деление клеток в типичных условиях вегетации является отличительным признаком образовательных тканей растений, или меристем. Выделяют два типа клеток меристем. Одни из них, именуемые инициалями, способны делиться неограниченно многократно, самовоспроизводиться при этом и давать начало клеткам второго типа — производным от инициалей. Производные инициалей делятся ограниченное число раз и преобразуются в постоянные ткани.

По происхождению образовательные ткани бывают первичными и вторичными. Первичные возникают при развитии зародыша семени или в результате морфогенетической деятельности конуса нарастания почки. К первичным меристемам относятся апикальные и интеркалярные меристемы побега, прокамбий и перицикл, спорогенная меристема. Из первичных меристем образуются первичные постоянные ткани, но могут возникнуть и вторичные меристемы. Например, из клеток перицикла в корне двудольных могут образоваться камбий и феллоген (пробковый камбий).

Вторичные меристемы могут возникнуть либо из первичных меристем, либо в результате деления дифференцированных клеток основной паренхимы (рис. 1), как это бывает при образовании камбия.

Однако надо иметь в виду, что при использовании современных методов биотехнологии, меристематическая ткань может быть генерирована из любой живой растительной клетки. Особенности клеточного строения меристем связаны с их функцией. Клетки меристем всегда молодые, их развитие задерживается на эмбриональной фазе. Поэтому размеры клеток невелики, форма паренхимная — кубическая, многогранная до почти округлой. Клеточные стенки тонкие, без вторичных целлюлозных утолщений. Цитоплазма густая, вязкая, оптически более плотная, чем у других тканей. Ядро крупное, в период роста растений интерфаза — автосинтетическая, т. е. связана с подготовкой клетки к очередному делению. Хорошо развиты органоиды, которые обеспечивают синтез белка. Комплекс Гольджи и вакуоли выражены слабо. Между массой ядра и цитоплазмы поддерживается постоянное соотношение. Увеличение массы ядра является условием начала клеточного деления. Меристемы, связанные с образованием вегетативных частей растения, делятся путем митоза. Поэтому в их клетках набор хромосом и генов поддерживается постоянным. В спорогенных меристемах проходит мейоз, что объясняет возникновение генетически разнокачественных гаплоидных спор.

По месту расположения в растительном организме меристемы бывают апикальными, интеркалярными, латеральными, раневыми и спорогенными.

3.2 Апикальные меристемы

Апикальные меристемы находятся на верхушке побега в составе тканей конуса нарастания, а также в кончике корня. Поэтому их называют также верхушечными меристемами. В конусе нарастания выделяют: клетки туники, из которых развивается эпидермис; центральную меристематическую зону, которая является резервом образовательных клеток для других зон; серединную меристему, порождающую клетки сердцевины; периферическую зону, из клеток которой формируется прокамбий; и основную меристему, обеспечивающую образование первичной коры и паренхимы центрального цилиндра.

В кончике корня апикальная меристема расположена в подзоне деления. Из инициальных клеток этой меристемы образуется несколько групп клеток: калиптроген, характерный для однодольных, клетки которого порождают корневой чехлик; дерматоген, дифференцирующийся в эпиблему — первичную покровную ткань корня; периблему, из которой развивается первичная кора корня; плерому, используемую для построения центрального цилиндра.

3.3 Интеркалярные меристемы

Интеркалярные, или вставочные, меристемы являются первичными по происхождению. Они представляют собой остатки апикальных меристем и локализованы в базальной части междоузлий и в основаниях листьев. Их клетки длительное время могут находиться в эмбриональном состоянии и значительно отставать в своем развитии от рядом расположенных клеток постоянных тканей. Активное деление клеток интеркалярных меристем начинается по мере замедления и прекращения апикального роста побега. Например, у пшеницы и других мятликовых при длине побега около 1 см конус нарастания дифференцируется и вместо метамеров вегетативной части побега продуцирует метамеры сложного колоса или другого соцветия. К этому времени на побеге образуется 4 — 6 надземных междоузлий, у которых последующий рост в длину обеспечивается делением клеток интеркалярной меристемы и растяжением их производных. Благодаря интеркалярным меристемам лист у покрытосеменных нарастает своим основанием после выхода из почки.

3.4 Латеральные меристемы

Латеральные, или боковые, меристемы располагаются в стебле и корне параллельно их поверхности и обеспечивают прирост растений в толщину.

К первичным латеральным меристемам относятся прокамбий и перицикл. Из прокамбия образуются ткани проводящих пучков стебля. Если прокамбий закладывается в конусе нарастания сплошным кольцом, то при последующем развитии формируется стебель непучкового типа строения, как у льна. При заложении прокамбия отдельными тяжами по кругу, в стебле развиваются обособленные проводящие пучки, как, например, у пшеницы и других мятликовых.

Клетки перицикла функционально более многообразны. Из них в стебле образуется механическая ткань склеренхима, в корне — может возникнуть камбий и феллоген (пробковый камбий). Кроме того, клетки перицикла участвуют в образовании боковых корней.

Вторичными латеральными меристемами являются камбий и феллоген, которые образуются либо из перицикла, либо из клеток основной паренхимы; камбий может также возникнуть из прокамбия. Они характерны для осевых вегетативных органов двудольных покрытосеменных и голосеменных. Камбий обеспечивает образование вторичных элементов проводящих тканей и пучков, луба и древесины. Феллоген порождает клетки, из которых образуется пробка и феллодерма. Заложение повторных слоев феллогена в лубе приводит у древесных пород к образованию корки.

3.5 Раневые меристемы

При травмировании растений клетки основной паренхимы, расположенные рядом с поврежденным участком, дедифференцируются, т. е. приобретают способность к делению и порождают особую ткань — раневую, или травматическую, меристему, из клеток которой сначала образуется каллюс. Таким образом, эта меристема является вторичной по происхождению. При пропитывании клеточных оболочек каллюса суберином формируется пробка. Каллюс и пробка защищают травмированный участок от поражения патогенами.

3.6 Спорогенные ткани

Назначение спорогенных тканей заключается в образовании спор. У цветковых растений они развиваются при формировании цветка в теках пыльников и семязачатках пестиков. В развитых пыльниках спорогенная ткань является многоклеточной, а в семязачатке представлена лишь несколькими клетками. Клетки крупные, тонкостенные, одноядерные, с диплоидным набором хромосом, большим запасом питательных веществ в цитоплазме.

В пыльниках из каждой спорогенной клетки в результате мейоза образуется четыре гаплоидные микроспоры. При последующем митотическом делении из микроспоры образуется пыльца. В семязачатке у большинства покрытосеменных мейотическое деление спорогенной клетки приводит к образованию четырех неравноценных клеток. Из них одна развивается в гаплоидную макроспору, остальные — отмирают. Последующее митотическое деления макроспоры является основой образования зародышевого мешка.

4. Покровные ткани

4.1 Значение и разнообразие покровных тканей

Покровные ткани являются пограничными. Они располагаются на поверхности органов растений, что обусловливает особенности их строения и многообразие выполняемых функций.

1. Покровные ткани обеспечивают связь растений с окружающей средой. При этом они являются не просто пассивным барьером, но и активными участниками взаимодействий. Например, клетки эпидермы участвуют в определении совместимости пыльцы и рыльца пестика; в развитии процессов, связанных с иммунитетом растений, реакцией на изменение температуры и влажности воздуха и почвы.

2. Покровные ткани осуществляют транспирацию и газообмен и их регулирование.

3. Покровные ткани участвуют в выделении продуктов метаболизма.

4. Покровные ткани защищают растения от поражения болезнетворными вирусами, бактериями, грибами; от поедания животными.

5. Покровные ткани предохраняют растения от суточных и сезонных перепадов температуры.

С учётом происхождения, местоположения, особенностей клеточного строения и выполняемых функций среди покровных тканей выделяют эпидерму, эпиблему, веламен, перидерму и корку. По мнению ряда учёных сюда же относится и семенная кожура.

4.2 Первичные покровные ткани

Эпидермис. Эпиблема. Веламен

Эпидерма (эпидермис) является первичной покровной тканью, характерной для всех высших растений. У покрытосеменных она располагается на поверхности листьев, стеблей и их видоизменений, а также на репродуктивных органах — цветках и плодах. Кроме того, эпидермальные клетки могут выстилать внутреннюю поверхность эндокарпия — внутреннего слоя плодовой оболочки. Эпидерма характерна для травянистых растений. У деревьев и кустарников она развивается на молодых частях побегов, а по мере их старения замещается перидермой.

Эпидерма возникает из протодермы, порождаемой туникой конуса нарастания побега. Это сложная ткань, в состав которой входят основные и побочные клетки, замыкающие клетки устьиц, а также трихомы — выросты эпидермы. Клетки эпидермы располагаются однослойно. Однако у некоторых тропических растений (пальмы, орхидеи и др.) эпидерма бывает многослойной.

Основные клетки эпидермы стеблей, черешков листьев, а у однодольных и листовых пластинок, имеют удлиненную форму, вытянутую вдоль оси органа. Например, в стеблях злаков длина клеток эпидермы достигает 300 мкм. В листовых пластинках большинства двудольных, на цветках и плодах эпидермальные клетки имеют паренхимную и складчатую форму. Основные клетки эпидермы содержат развитые вакуоли, но лишены хлоропластов и не принимают участия в фотосинтезе. Их клеточные оболочки имеют ряд особенностей. Внутренняя оболочка тонкая, гладкая. Антиклинальная, т. е. поперечная, часто бывает извилистой, что увеличивает площадь соприкосновения смежных клеток эпидермы, а следовательно — силу их сцепления. Наружная оболочка наиболее прочная. Она образована более толстым слоем целлюлозы. Химический состав оболочек изменяется в ходе онтогенеза. У хвощей, осок и злаков оболочки часто пропитываются солями кальция, у овса — кремнеземом, у сахарного тростника — суберином. Реже, у бамбуковидных мятликовых, наблюдается одревеснение оболочек. В цитоплазме эпидермальных клеток могут образовываться кристаллы: рафиды (виноград, недотрога), друзы (свекла), цистолиты (фикус), реже — кристаллический песок (картофель).

Протопласт эпидермы активно вырабатывает и выделяет на наружную поверхность высокомолекулярные органические соединения, которые в совокупности образуют кутикулу. В составе катикулы первый слой образуют разветвленные молекулы пектина, затем располагаются глыбки растительного воска, кутин и эпикутикулярный воск. В зависимости от плотности сложения и скульптурированности поверхностного слоя, кутикула может быть плотной и блестящей, как у листьев фикуса, либо рыхлой и матовой, как у стеблей ржи, плодов сливы или яблони. Кутикула снижает интенсивность транспирации, отражает лучи солнца и защищает лист от перегрева, уменьшает возможность проникновения патогенов в растение.

Среди основных клеток эпидермы на верхней стороне листа мятликовых встречаются крупные моторные клетки с большими вакуолями. В жаркую пору они обеспечивают сворачивание листа в трубку (кукуруза) или складывание листовой пластинки (ковыль), что защищает растение от избыточного испарения влаги.

На основных клетках эпидермы часто образуются выросты, или трихомы, которые бывают по выполняемым функциям кроющими и железистыми, а по структуре — волосками и эмергенцами. Кроющие волоски заполнены воздухом и имеют белёсую окраску. Они хорошо отражают прямые солнечные лучи и уменьшают испарение воды. Железистые волоски — это живые клетки, вырабатывающие и выделяющие эфирные масла и другие конечные продукты метаболизма. Волоски образуются из клеток эпидермы. Они бывают одноклеточными и многоклеточными, простыми и ветвистыми. Одноклеточные простые волоски характерны для термопсиса и подмаренника, одноклеточные разветвленные — для пастушьей сумки и маттиолы. Многоклеточные простые встречаются у пеларгонии, многоклеточные ветвистые — у лаванды, а звездчатые — у лоха и облепихи.

Эмергенцы — это поверхностные структуры, образуемые клетками эпидермы и более глубоко расположенных тканей. К ним относятся шипы на плодах у сельдерейных, шипы на стеблях малины и ежевики, жгучие волоски листьев и стеблей крапивы. Они защищают растения от поедания.

Замыкающие клетки устьиц располагаются между основными клетками эпидермы. Они являются активными участниками транспирации и газообмена. Замыкающие клетки имеют небольшие размеры, содержат хлоропласты и попарно располагаются в эпидерме, не срастаясь между собой. Между ними находится устьичная щель, а под ними — подустьичная воздушная полость.

У однодольных замыкающие клетки имеют гантелевидную форму. Они сужены в средней части и расширены по краям. В расширенной части клеточные оболочки тонкие и растяжимые, а в середине — утолщенные и нерастяжимые. У двудольных замыкающие клетки имеют, при просмотре сверху, бобовидную форму. У них утолщены и нерастяжимы участки оболочки, обращенные к устьичной щели. Наружные оболочки этих клеток имеют выросты, которые возвышаются над устьичной щелью и образуют небольшую полость — передний дворик. Если такие же выросты возникают ниже устьичной щели, то они образуют задний, или внутренний, дворик, который непосредственно связан с подустьичной воздушной полостью. В совокупности замыкающие клетки, устьичная щель, передний и задний дворик, а также подустьичная воздушная полость образуют устьице, регулирующее транспирацию и газообмен. Число устьиц достаточно велико. У культурных растений на 1 мм² листовой поверхности размещается от 100 до 700 устьиц.

Работа устьиц сводится к регулированию ширины устьичной щели посредством сложных физиологических процессов. Устьица могут открываться в разное время суток. Это зависит от физиологического состояния растений, химического состава и концентрации клеточного сока, обеспеченности клеток водой и углекислым газом, освещенности листа, температуры воздуха и силы ветра.

Утреннее открывание устьиц можно схематично представить следующим образом. Под влиянием света в хлоропластах замыкающих клеток проходит фотосинтез. В результате концентрация их клеточного сока увеличивается, что приводит к поступлению воды из соседних, побочных, клеток и возрастанию тургорного давления. Под действием тургорного давления тонкие участки оболочек замыкающих клеток растягиваются в стороны, противоположные от устьичной щели, и толстые участки оболочки отходят друг от друга. Устьице открывается. При снижении тургорного давления в замыкающих клетках устьица закрываются. Подробно работа устьиц и процесс транспирации изучаются в курсе физиологии растений.

Побочные клетки располагаются рядом с замыкающими клетками устьиц и участвуют в регулировании их водного режима. По размерам они меньше основных и не имеют хлоропластов. Расположение побочных клеток является диагностическим признаком, используемым в систематике растений. Известно более десятка типов устьиц в зависимости от взаимного расположения замыкающих и побочных клеток. Например, при аномоцитном типе, характерном для винограда, красного перца и других цветковых растений, многочисленные побочные клетки не отличаются по размерам от основных клеток эпидермы. При перицитном, известном у папоротников — одна побочная клетка окружает устьице. У двудольных часто встречается парацитный тип устьица, когда две небольшие побочные клетки располагаются параллельно замыкающим. Для однодольных характерен тетрацитный тип, где четыре побочные клетки расположены вокруг устьица так, что плоскости их стенок не совпадают с плоскостью расположения устьичной щели.

Расположение устьиц на поверхности листа также имеет систематическое значение. Например, у однодольных они располагаются ровными рядами, а у двудольных — рассеяно по всей поверхности листовой пластинки. Как правило, устьица располагаются на нижней стороне листа. Это уменьшает испарение воды наземными растениями с плагиотропным, т. е. параллельным поверхности Земли расположением листьев (яблоня, свекла и др.). Если лист тяготеет к вертикальному, ортотропному, положению в пространстве, то устьица на нем могут располагаться с обоих сторон, как у кукурузы или лука. У водных растений, листья которых плавают на поверхности воды, устьица находятся на верхней стороне, как у типичной для белорусских водоёмов кубышки желтой.

Эпиблема. Особым видом первичной покровной ткани является эпиблема, которая образуется меристематическими клетками поверхности кончика корня. Клетки эпиблемы живые, тонкостенные, с развитой вакуолью, располагаются на поверхности корня в зоне всасывания. Одни из них, трихобласты, образуют особые одноклеточные выросты — корневые волоски, которые активно всасывают из почвы воду и растворенные в ней вещества. Другие, атрихобласты, корневых волосков не имеют. Жизнь корневых волосков ограничена двумя — тремя неделями. Затем они разрушаются и слущиваются. Одновременно, по мере роста кончика корня, на нем образуются новые корневые волоски.

Эпиблема на корнях однодольных сохранается на протяжении всей жизни растения. У двудольных в связи с переходом корня к вторичному анатомическому строению эпиблема сохраняется лишь в зоне корневых волосков, а в зоне проведения она замещается перидермой.

Веламен — это первичная покровная ткань воздушных корней тропических эпифитов и лазающих лиан.

Эпифиты произрастают в щелях ветвей, заполненных гумусом, и у оснований листьев крупных деревьев, используя их лишь как опору или субстрат, например, тениофиллум и фаленопсис из семейства Орхидные. Они поселяются также на скалах. Лазающие лианы, к которым относятся культурные виды — ваниль плосколистная (сем. Орхидные) и монстера деликатесная (сем.Ароидные), в качестве субстрата используют почву. У них образуются длинные стебли, прикрепляющиеся к опорным деревьям с помощью воздушных корней, что позволяет выносить листья и цветки в верхний ярус, к свету. У многих из них, как у монстеры, на стебле образуются питающие воздушные корни, растущие вниз. Достигнув почвы, они проникают в неё, ветвятся и всасывают воду и минеральные вещества.

Веламен образуется из протодермы и состоит из нескольких слоев мертвых клеток, оболочки которых имеют сетчатые или спиральные утолщения, придающие им прочность. Благодаря наличию в оболочках многочисленных пор и сквозных отверстий, веламен как губка капиллярным путём всасывает дождевую воду, а также конденсирующуюся атмосферную влагу. Таким образом, веламен выполняет защитную роль и регулирует водный режим растений.

4.3 Вторичный покровный комплекс — перидерма Перидерма является вторичным покровным комплексом, который характерен для голосеменных и двудольных покрытосеменных. Она образуется на корнях и корневищах, клубнях и стеблях, на листовых рубцах и кроющих чешуях зимующих почек, реже — на плодах. Раневая перидерма формируется на травмированных участках органов растений.

Перидерма порождается клетками пробкового камбия, именуемого феллогеном. Феллоген имеет все признаки образовательной ткани. Это небольшие прямоугольные, слегка утолщенные в радиальном направлении, плотно сложенные клетки с тонкими оболочками. Они имеют густую вязкую цитоплазму и многочисленные органоиды, связанные с процессами синтеза, обеспечивающими деление ядра и цитоплазмы.

Феллоген образуется, как правило, в первый год жизни органа, например, на побегах яблони или смородины. Однако у тисса ягодного он появляется на 2 — 3 год, а у клена американского — на 3 — 4 год. Феллоген закладывается в поверхностных слоях растений. Например, у розы он возникает в эпидерме, у малины — в первичной коре, у спиреи — в перицикле, у пузыреплодника — во вторичной флоэме. При формировании вторичного анатомического строения корня феллоген образуется из клеток перицикла, а при образовании корки повторные слои феллогена возникают во вторичной коре.

Митотическое деление клеток феллогена приводит к образованию феллемы и феллодермы. Феллема откладывается наружу от феллогена. Её клетки располагаются многослойно, ровными рядами, одни над другими. У разных групп растений клетки феллемы отличаются толщиной и видоизменениями оболочек, наличием кристаллов оксалата кальция. При пропитывании оболочек феллемы суберином образуется пробка. Возможно также образование феллоида, т. е. ткани, которая появляется при пропитывании оболочек феллемы лигнином.

Мертвые клетки пробки имеют плотное сложение, они заполнены воздухом, либо загустевшей протоплазмой темного цвета. Пробка непроницаема для воды и имеет низкую теплопроводность, поэтому эффективно защищает растения от потери воды, перепадов температуры, болезнетворных микроорганизмов. Развитие пробки оказывает прямое влияние на сохранность клубней картофеля и корнеплодов в период роста и хранения. Пробка пробкового дуба имеет большое значение в производстве качественных вин. Феллодерма, образуемая феллогеном, является живой паренхимной тканью. Её клетки содержат хлоропласты и способны накапливать крахмал. Пробка в совокупности с феллогеном и феллодермой составляет вторичный покровный комплекс — перидерму. В отдельных местах перидермы образуются чечевички, которые служат для газообмена и регулирования водного режима растений. Чечевички — это отверстия в пробке, заполненные выполняющей тканью, состоящей их рыхло сложенных, слабо опробковевших паренхимных клеток. Под чечевичкой в феллогене имеются небольшие межклетники, облегчающие газообмен живых клеток феллодермы. В конце лета под выполняющей тканью чечевички феллоген производит слой мелких, плотно сложенных клеток замыкающего слоя, который значительно уменьшает газообмен и испарение воды через чечевички в период сезонного покоя растений. Весной замыкающий слой разрушается под давлением вновь образуемых клеток пробки и чечевички продолжают выполнять свои функции. Продолжительность сохранности перидермы зависит от видовых особенностей растений. Наиболее коротка она у травянистых растений. У садовых кустарников (смородина, крыжовник) перидерма сохраняется всю жизнь, у плодовых семечковых пород (яблоня, груша) — в течение 5 — 10 лет. Бук, граб, черёмуха, лещина на протяжении всей жизни остаются гладкоствольными.

4.4 Корка У большинства деревьев на смену перидерме образуется корка или ритидом. Корка возникает из поверхностных слоев коры в результате заложения повторных перидерм. Феллоген этих перидерм формируется из паренхимы вторичной флоэмы. При этом живые паренхимные клетки коры, изолированные слоями пробки, отмирают и в совокупности с другими тканями коры и слоями повторной пробки образуют корку. Если повторные перидермы образуются в виде неправильных дуг, которые своими концами соприкасаются с ранее возникшими перидермами, то образуется трещиноватая, или чешуйчатая, корка (дуб, клён и др.). При заложении повторной перидермы сплошным кольцом, как у винограда, корка будет кольчатой. При утолщении ствола мёртвые ткани корки растрескиваются в отдельных местах, однако трещины не доходят до живых тканей коры. Темпы нарастания корки в толщину невелики, так как её наружные слои постепенно слущиваются. Корка выполняет защитную функцию, предохраняя стволы деревьев от механических повреждений, перепадов температуры, проникновения патогенов. Однако в её трещинах могут сохраняться зимующие стадии вредоносных насекомых, споры болезнетворных грибов и бактерий. Это обусловливает необходимость постоянного ухода за поверхностью стволов древесных садовых пород.

4.5 Семенная кожура Особым типом покровной ткани является семенная кожура или семенная оболочка, которая образуется из покровов (интегументов) семязачатка и является обязательной частью семени. Она состоит из нескольких слоёв плотно сложенных клеток и выполняет защитную роль, предохраняя зародыш семени и запасающие ткани от пересыхания, механических повреждений и болезнетворных микроорганизмов. Ослизнение семенных оболочек, как у бобовых, льна и других растений, способствует всасыванию влаги из почвы. Кроме того, прочная кожура может защищать семена от преждевременного прорастания, что в агрономической практике называется твердокаменностью. В связи с этим семена некоторых культур (клевер, галега и др.) скарифицируют перед посевом, т. е. разрушают их семенные оболочки либо путем механического перетирания с песком и другими материалами, либо воздействием серной или других кислот. Выросты семенной оболочки в виде волосков опушения, как у ив и хлопчатника, обеспечивают распространение семян ветром. Толщина кожуры часто связана с развитием плодовой оболочки. У растений с прочным невскрывающимся околоплодником она, как правило, более тонкая, например у орехоплодных. Важными структурными образованиями на поверхности кожуры являются микропиле и рубчик. Микропиле — это небольшое отверстие, через которое начинается проникновение воды при прорастании семени. Рубчик является местом прикрепления семени к семяножке.

Строение и окраска семенной кожуры генетически детерминированы и могут быть использованы для определения видов и сортов растений и других целей селекции и семеноводства.

растение ткань гистогенез

5. Основные ткани

5.1 Значение и разнообразие основных тканей

Основные ткани составляют большую часть тела растений по массе и объёму. Благодаря форме клеток они называются также паренхимными. Основные ткани располагаются во всех вегетативных и репродуктивных органах покрытосеменных: в корнях, стеблях, листьях и их видоизменениях, а также в цветках, плодах и семенах. Кроме того, паренхимы хорошо развиты у высших споровых растений и у голосеменных. В клетках основных тканей происходит фотосинтез и газообмен, образование и запасание питательных веществ, некоторые другие физиологические процессы. Разнообразие функций определяет разнообразие особенностей их клеточного строения. По происхождению основные ткани могут быть первичными и вторичными. Первичные возникают из меристем зародыша семени, конуса нарастания побега и кончика корня. Вторичные паренхимы появляются благодаря образованию и жизнедеятельности камбия. В зависимости от выполняемых функций паренхимные ткани подразделяются на основные, ассимиляционные, запасающие, водозапасающие и воздухоносные.

5.2 Основная паренхима

Основная паренхима располагается в органах растений обширными участками. Клетки этой паренхимы крупные, тонкостенные, округлой, кубической и призматической формы, могут иметь как плотное, так и рыхлое сложение. В них отсутствуют пластиды, но хорошо развиты вакуоли. Из клеток основной паренхимы образуются различные анатомические комплексы:

сердцевина стебля, способная запасать питательные вещества;

сердцевинные лучи древесины, по которым осуществляется радиальный транспорт веществ;

горизонтальная паренхима, или сердцевинные лучи вторичной коры, расположенные между участками флоэмы и связанные с радиальным транспортом веществ;

вертикальная паренхима, входящая в состав вторичной флоэмы, где она может запасать питательные веществ;

основная паренхима в составе коры корня первичного анатомического строения, а также проводящих пучков у двудольных покрытосеменных.

Помимо транспорта воды и растворенных в ней веществ, а также их запасания, основную паренхиму отличает способность к дифференциации и формированию вторичных образовательных тканей — камбия и пробкового камбия. В естественных условиях это обеспечивает переход к вторичному анатомическому строению корня и стебля, образование перидермы и корки, а также раневой меристемы и раневой перидермы. В сельскохозяйственной биотехнологии эта особенность основной паренхимы используется для микроклонального размножения растений.

5.3 Ассимилляционная паренхима Наличие ассимиляционной паренхимы является важным отличительным признаком высших автотрофных растений. Благодаря наличию хлоропластов она имеет зелёный цвет в нативном состоянии и часто называется хлоренхимой. В клетках хлоренхимы протекают реакции фотосинтеза и связанные с ними биохимические процессы (синтез АТФ, фотодыхание и др.), а также газообмен и транспирация.

Для клеток хлоренхимы характерны тонкие оболочки, хорошо развитые вакуоли, многочисленные хлоропласты, которые занимают до 80% объема протоплазмы. Хлоренхима располагается во всех зелёных частях растений. Лучше всего она развита в мезофилле листа. В дорсивентральных листьях растений с С₃-типом фотосинтеза, например, у яблони или свеклы, клетки хлоренхимы верхней части мезофилла имеют призматическую форму и плотное сложение и образуют столбчатую ткань. С нижней стороны листа клетки хлоренхимы более округлые, располагаются рыхло, образуя губчатую ткань.

У некоторых растений влажных тропиков (фикус и др.) столбчатая паренхима развивается и в верхнем, и нижнем слоях мезофилла, между которыми находится губчатая хлоренхима. В листьях изолатерального типа, как у ириса и кукурузы, клетки мезофилла имеют более или менее одинаковые размеры и форму и сложены рыхло. Кроме того, у растений тропического происхождения с С₄-типом фотосинтеза (кукуруза, сорго и др.) клетки хлоренхимы располагаются кольцом вокруг проводящих пучков листа, образуя специальную обкладку, необходимую для прохождения реакций фотосинтеза.

Для листьев хвойных пород характерен складчатый мезофилл, клетки которого имеют большую поверхность и содержат много хлоропластов.

В стеблях травянистых растений и побегах деревьев и кустарников хлоренхима входит в состав первичной коры, где может располагаться либо сплошным слоем, как, например, у бобовых или пасленовых, либо обособленными продольными тяжами, как у мятликовых.

Ассимиляционная паренхима хорошо развита в зелёных частях цветка и в незрелых плодах. В меньшем количестве она встречается в корнях у водных растений (ряска и др.) и в воздушных корнях эпифитов (орхидеи и др.).

Образование ассимиляционной паренхимы генетически детерминировано. Вместе с тем её развитие и интенсивность жизнедеятельности в значительной мере зависит от факторов окружающей среды: температуры воздуха и почвы, обеспеченности водой и элементами минерального питания, освещенности и длины светового дня.

5.4 Запасающая паренхима В ходе реакций ассимиляции у растений образуются разнообразные органические соединения, часть из которых выводится из процесса метаболизма и резервируется в корнях, стеблях, листьях, плодах и семенах в запасающей паренхиме. В первую очередь это запасные питательные вещества — углеводы, белки, жиры, а также вторичные продукты обмена — алколоиды, гликозиды, дубильные вещества и др. Для клеток этой ткани функция запасания является главной.

Запасающая паренхима образована, как правило, крупными тонкостенными живыми клетками с хорошо развитыми лейкопластами, комплексом Гольджи, вакуолями. По мере созревания запасающих органов плотность сложения клеток может уменьшаться и ткань приобретает рыхлое сложение, как у плодов некоторых позднеспелых сортов яблони.

Запасание может происходить в разных частях клеток. Например, водорастворимые монои дисахариды могут накапливаться в клеточном соке плодов (виноград, груша) и корней (сахарная свекла); крахмал — в амилопластах клубней (картофель), преобразуемых при этом в крахмальные зерна; капли жира встречаются в цитоплазме семян (подсолнечник) и плодов (маслины); белки могут запасаться в вакуолях и при обезвоживании клетки образовывать сферокристаллы алейроновых зерен (пшеница). Гемицеллюлоза откладывается в клеточных оболочках, при этом они утолщаются, как, например, в семенах финиковой пальмы.

Степень развития запасающих тканей и количество запасаемых веществ зависит от генотипа растения и условий их произрастания. Так, при правильном подборе сортов и улучшении агротехники у картофеля увеличивается выход товарной продукции, формируются более крупные клубни с большим содержанием крахмала.

5.5 Водозапасающая паренхима Особым случаем запасающей паренхимы является водозапасающая ткань. Она характерна для листовых (алоэ, очиток) и стеблевых (кактус) суккулентов и других растений, возникших в условиях дефицита влаги.

Водозапасающая ткань располагается в глубине вегетативного органа под ассимилляционной паренхимой и обкладочными клетками. Клетки этой паренхимы крупные, тонкостенные, с хорошо развитыми вакуолями. В клеточном соке содержится водоудерживающая слизь, которая уменьшает потери воды при испарении.

5.6 Воздухоносная паренхима Воздухоносная паренхима, или аэренхима, характерна для водно-болотных растений, у которых корни и корневища располагаются в толще грунта под водой и испытывают постоянный недостаток кислорода (белокрыльник болотный, камыш озерный, кубышка желтая и др.). Она формируется из небольших округлых клеток, как у кубышки и рдеста, или звездчатых, как у ситника. Эти клетки располагаются в стеблях и корневищах в виде цепочек, которые окружают крупные межклетники, по которым перемещается воздух. В местах, где цепочки клеток соприкасаются, часто располагается мелкоклеточная склеренхима, придающая прочность стеблю.

Аэренхима выполняет вентиляционную функцию, а также обеспечивает плавучесть водных растений.

5.7 Ткани, связанные с гетеротрофным питанием растений Важным отличительным признаком растений является преобладание у них автотрофного способа питания над гетеротрофным. При автотрофном питании растения синтезируют органические вещества из неорганических, а при гетеротрофном — используют готовые органические соединения.

Среди растений гетеротрофов встречаются сапрофиты (гидиофитум и др.), паразиты (повилика, заразиха, омела, петров крест и др.) и насекомоядные растения (альдрованда, росянка, венерина мухоловка и др.). Сапрофиты питаются органическим веществом отмерших растений и животных. Паразиты поглощают с помощью присосок гаусторий воду, органические и минеральные вещества из растений-хозяев. Насекомоядные растения используют продукты разложения насекомых как дополнительный источник питания, преимущественно при произрастании на бедных азотом болотных почвах.

Питание растений гетеротрофов обеспечивается деятельностью специальных паренхимных клеток, которые способны синтезировать пищеварительные ферменты и всасывать переваренные вещества. Эти клетки располагаются, как правило, на видоизмененных листьях и корнях.

У преобладающего большинства растений распространено гетеротрофное питание за счет запасных питательных веществ. Так, например, питаются клетки прорастающего семени зерновых культур. В них запас питательных веществ сосредоточен главным образом в эндосперме, а структурой, способной всасывать и передавать эти вещества развивающемуся зародышу, является щиток, т. е. развитая семядоля. Небольшие паренхимные тонкостенные плотносложенные клетки щитка выделяют в эндосперм органические кислоты и гидролитические ферменты, которые совместно с выделениями клеток алейронового слоя расщепляют запасные белки и углеводы до водорастворимого состояния. Затем растворенные питательные вещества всасываются клетками щитка и передаются клеткам зародыша. Зародыш, таким образом, питается гетеротрофно. Гетеротрофно питаться могут и другие незеленые части растений.

6. Проводящие ткани

6.1 Значение и разнообразие проводящих тканей

Проводящие ткани являются важнейшей составной частью большинства высших растений. Они являются обязательным структурным компонентом вегетативных и репродуктивных органов споровых и семенных растений. Проводящие ткани в совокупности с клеточными стенками и межклетниками, некоторыми клетками основной паренхимы и специализированными передаточными клетками образуют проводящую систему, которая обеспечивает дальний и радиальный транспорт веществ. Благодаря особой конструкции клеток и их расположению в теле растений проводящая система выполняет многочисленные, но взаимосвязанные функции:

1) передвижение воды и минеральных веществ, поглощенных корнями из почвы, а также органических веществ, образуемых в корнях, в стебель, листья, репродуктивные органы;

2) передвижение продуктов фотосинтеза из зелёных частей растения в места их использования и запасания: в корни, стебли, плоды и семена;

3) передвижение фитогормонов по растению, что создает определённый их баланс, который определяет темпы роста и развития вегетативных и репродуктивных органов растений;

4) радиальный транспорт веществ из проводящих тканей в рядом расположенные живые клетки других тканей, например, в ассимилирующие клетки мезофилла листа и делящиеся клетки меристем. В нем могут также принимать участие паренхимные клетки сердцевинных лучей древесины и коры. Большое значение в радиальном транспорте имеют передаточные клетки с многочисленными выпячиваниями клеточной оболочки, находящиеся между проводящими и паренхимными тканями;

5) проводящие ткани повышают устойчивость органов растений к деформирующим нагрузкам;

6) проводящие ткани образуют непрерывную разветвленную систему, связывающую органы растений в единое целое;

Возникновение проводящих тканей является результатом эволюционных структурных преобразований, связанных с выходом растений на сушу и разделением их воздушного и почвенного питания. Наиболее древние проводящие ткани — трахеиды обнаружены у ископаемых риниофитов. Наивысшего развития они достигли у современных покрытосеменных.

В процессе индивидуального развития первичные проводящие ткани образуются из прокамбия в точках роста зародыша семени и почек возобновления. Вторичные проводящие ткани, характерные для двудольных покрытосеменных, порождаются камбием.

В зависимости от выполняемых функций проводящие ткани подразделяются на ткани восходящего тока и ткани нисходящего тока. Основным назначением тканей восходящего тока является транспорт воды и растворенных в ней минеральных веществ от корня к выше расположенным надземным органам. Кроме того, по ним перемещаются органические вещества, образуемые в корне и стебле, например, органические кислоты, углеводы и фитогормоны. Однако термин «восходящий ток» не следует воспринимать однозначно как передвижение снизу — вверх. Ткани восходящего тока обеспечивают поток веществ по направлению от зоны всасывания к апексу побега. При этом транспортируемые вещества используются как самим корнем, так и стеблем, ветвями, листьями, репродуктивными органами, независимо от того, выше или ниже уровня корней они находятся. Например, у картофеля вода и элементы минерального питания поступают по тканям восходящего тока в столоны и клубни, образуемые в почве, а также в надземные органы.

Ткани нисходящего тока обеспечивают отток продуктов фотосинтеза в растущие части растений и в запасающие органы. При этом пространственное положение фотосинтезирующих органов не имеет никакого значения. Например, у пшеницы органические вещества поступают в развивающиеся зерновки из листьев разных ярусов. Поэтому к названиям «восходящие» и «нисходящие» ткани следует относиться не более как к сложившейся традиции.

6.2 Проводящие ткани восходящего тока К тканям восходящего тока относятся трахеиды и сосуды (трахеи), которые располагаются в древесинной (ксилемной) части органов растений. В этих тканях передвижение воды и растворенных в ней веществ происходит пассивно под действием корневого давления и испарением воды с поверхности растения.

Трахеиды имеют более древнее происхождение. Они встречаются у высших споровых растений, голосеменных и реже — у покрытосеменных. У покрытосеменных они типичны для мельчайших разветвлений жилок листа. Клетки трахеид мертвые. Они имеют вытянутую, часто веретеновидную форму. Их длина составляет 1 — 4 мм. Однако у голосеменных, например у араукарии, она достигает 10 мм. Стенки клеток толстые, целлюлозные, часто пропитываются лигнином. В клеточных оболочках имеются многочисленные окаймленные поры.

Сосуды сформировались на более поздних этапах эволюции. Они характерны для покрытосеменных, хотя встречаются и у некоторых современных представителей отделов Плауны (род Селлагинелла), Хвощи, Папоротники и Голосеменные (род Гнетум).

Сосуды состоят из удлиненных мертвых клеток, расположенных одна над другой и называемых члениками сосуда. В торцевых стенках члеников сосуда имеются крупные сквозные отверстия — перфорации, через которые осуществляется дальний транспорт веществ. Перфорации возникли в ходе эволюции из окаймленных пор трахеид. В составе сосудов они бывают лестничными и простыми. Многочисленные лестничные перфорации образуются на торцевых стенках члеников сосуда при их косом заложении. Отверстия таких перфораций имеют удлиненную форму, а разделяющие их перегородки располагаются параллельно друг другу, напоминая ступеньки лестницы. Сосуды с лестничной перфорацией характерны для растений семейств Лютиковые, Лимонниковые, Березовые, Пальмовые, Частуховые.