Эухроматиновые районы хромосомы во время интерфазы.
Еще в 1928 г. Хейтц показал, что в интерфазном ядре различные районы хромосомы неоднородно окрашиваются основными красителями. Наиболее сильно окрашивающиеся районы хромосом были названы гетерохроматиновыми (иначе хромоцентрами) в отличие от слабоокрашивающихся — эухроматиновых (рис. 37). Эухроматиновые районы хромосомы во время интерфазы всегда находятся в деспирализованном состоянии и вновь спирализуются в профазе следующего деления. Эти районы содержат основной комплекс генов, и их считают «активными» зонами хромосомы.
Редупликация ДНК в разных клетках происходит в различные периоды интерфазы, причем длительность ее варьирует в широких пределах Авторадиографическими исследованиями с Н3-тимидином было выяснено, что редупликация ДНК в отдельных хромосомах и в разных сегментах хромосомы совершается асинхронно (И. А. Алов, А. И. Брауде, М. Е. Аспиз, 1964).
Редупликация молекулы ДНК обусловленная разрывом водородных связей.
Редупликация молекулы ДНК обусловлена разрывом водородных связей между полинуклеотидными цепями и освобождением пуриновых и пиримидиновых оснований. При этом две полинуклеотидные цепи раскручиваются, из окружающей среды притягиваются свободные основания и возникают новые полинуклеотидные цепи по типу уже имеющейся.
Предшествующий подготовительный период — интерфаза («Интерфазное ядро»).
При изучении митоза следует учитывать, что делению клетки предшествует подготовительный период — интерфаза («Интерфазное ядро»), когда создаются условия, обеспечивающие процесс деления клетки. Именно в этот период в ядре наблюдается наиболее высокая активность метаболических процессов, на что указывал еще С. Г. Навашин. В результате ряда сложнейших изменений, происходящих в ядре и цитоплазме, клетка создает себе подобную с характерным строением и функциями.
Продолжительность интерфазы в клетках растительных и животных организмов.
Продолжительность интерфазы в клетках растительных и животных организмов колеблется от 10 до 20 часов. Собственно митоз протекает примерно в течение 1—2 часов и более, когда ядро претерпевает ряд сложных, но достаточно четко различимых изменений, заключающихся сначала в формировании хромосом, а затем в их распределении между дочерними клетками. Митоз изучают при помощи микроскопического анализа.
Правильное представление о морфологическом строении и размерах центриоли.
В современных исследованиях благодаря электронной микроскопии можно получить правильное представление о морфологическом строении и размерах центриоли: она представляет собой цилиндр, стенки которого состоят из девяти трубочек, расположенных параллельно оси по окружности полого цилиндра. Диаметр каждой трубочки равен примерно 200 А, длина 5000 А, а диаметр образуемого ими цилиндра — около 1500 А. Центриоли описанной формы обычно парные, расположены перпендикулярно друг другу, что сохраняется и при расхождении их во время образования полюсов.
Митотическое веретено не содержащее митохондрий и цитоплазматических гранул.
Митотическое веретено не содержит митохондрий и цитоплазматических гранул, оно состоит из двух типов нитей: опорных, или центральных, и тянущих, или хромосомных. Опорные нити, обусловливающие общую структуру веретена, идут от одного полюса к другому. Тянущие нити, соединяющие полюса с центромерами, обеспечивают расхождение хромосом от экватора к полюсам, т. е. их движение во время метафазы и анафазы. И те; и другие нити содержат фибриллы.
Укорочение хромосом при спирализации путем закручивания витков.
Укорочение хромосом при спирализации путем закручивания витков низших порядков в витки высших порядков не прекращается и в метафазе, что, очевидно, связано с функциями центромеры, которая становится управляющим фактором для хромосомы. Нередко в профазе можно обнаружить хромосомы с уже заметно расщепленными плечами. По-видимому, они связаны между собой в районе центромеры, а возможно и по длине плеч. В этот период удвоившаяся хромосома функционально представляет собой одну хромосому (до расхождения сестринских единиц —хроматид) и лишь после расхождения их (в анафазе) возникают две хромосомы.
Формирование нитей веретена, заканчивающееся после образования четко обозначенных хромосом.
Поздняя профаза переходит в раннюю метафазу, во время которой распадается ядерная оболочка и хромосомы начинают передвигаться к экваториальной плоскости клетки. В это время на препаратах виден митотический аппарат. Установление полюсов, как и формирование нитей веретена, заканчивается лишь после образования четко обозначенных хромосом, которые все больше уплотняются и укорачиваются в связи с усиленной спирализацией их (при наблюдении в темном поле они дают яркое свечение).
В последние годы пути и скорость передвижения хромосом в анафазе были тщательно изучены благодаря успехам в развитии электронной микроскопии (рис. 46), применению электрокиносъемки, а также усовершенствованию методов исследования живых клеток. Путь перемещения хромосом в масштабе клетки довольно значительный — от 5 до 25 микрон при скорости примерно от 0,2 до 5 микрон в минуту. Эту скорость движения хромосом в анафазе по сравнению с другими видами биологических движений следует считать небольшой, поскольку гранулы, увлекаемые током цитоплазмы в растительной клетке, движутся со скоростью 250—300 м1мин.
Восстановление ядерной оболочки у вновь возникших сестринских ядер.
Одновременно с деспирализацией хромосом происходит восстановление ядерной оболочки у вновь возникших сестринских ядер в результате скопления вещества эндоплазматической сети вокруг хромосом. Процесс реконструкции сестринских ядер как бы повторяет ход профазы в обратном порядке. В конце телофазы из ядрышкового организатора, или Затоны, формируется одно или несколько ядрышек. Число их у различных типов клеток — величина постоянная.
Действие гормонов роста (типа ауксинов и гетероауксинов, гиб- 1 береллииов и др.).
Митозы могут быть вызваны 1 действием гормонов роста (типа ауксинов и гетероауксинов, гиб- 1 береллииов и др.). Эффективным стимулятором митоза является 1 гормон кинетин, полученный Миллером (1955) и оказывающий влияние на деление клеток 1 в растительных тканях. Так, при помощи кинетина было вызвано деление клеток сердцевины табака и сокращение интерфазы между делениями в клетках корешков лука (опыты Гутмана, 1957).
Определенное значение в приспособлении клеток к выполнению специфических функций.
Эндомитоз имеет определенное значение в приспособлении клеток к выполнению специфических функций. Он связан с увеличением генетического материала ядра, количества синтезируемых белков и нуклеиновых кислот, а также с усилением роста цитоплазмы, что, естественно, приводит к нарушению ядерно-плазменных отношений в клетках.
При действии лучей Рентгена также возникают различные аномалии: распадается хроматиновое вещество, появляются патологические фигуры деления, асимметрические митозы, асимметрическая двухъядерность и многоядерность, разрушается митотический аппарат, образуются кольца из хромосом и новые формы хромосом, хромосомные аберрации, транслокации, дупликации и разрушаются участки ткани (рис. 51).
Прямое деление ядра, которое происходит при делении на две части.
Амитозом называют прямое деление ядра, которое происходит при его вытягивании и последующем делении на две части. При этом веретено деления не образуется и оболочка ядра не распадается, как при митозе. Еще более неупорядоченное дробление ядра на два и более неидентичных комка называется фрагментацией. Это дробление ядерного вещества, несомненно, носит патологический характер. Однако между амитозом и фрагментацией резкой и принципиальной границы провести нельзя.
Прямое деление клетки осуществляемое в период синтеза ДНК.
По данным радиоавтографических исследований, прямое деление клетки может осуществляться как в период синтеза ДНК, так и в премитотический (постсинтетический) период митотического цикла. Однако увеличение количества ДНК при амитозе обнаруживается не во всех делящихся ядрах и притом незакономерно в отличие от митоза, при котором всегда происходит кратное разделение ДНК, что очень важно для оценки функционального значения митоза и амитоза (И. А. Алов, А. И. Брауде, М. Е. Аспиз, 1966).
Развитие клеток археспория которые развиваются в материнские клетки микроспор.
В пыльниках цветковых почек на ранних фазах развития закладывается большое число клеток археспория, которые в дальнейшем развиваются в материнские клетки микроспор. Последние в результате мейоза превращаются в тетрады микроспор с гаплоидным числом хромосом. На этом заканчивается микроспорогенез. Дальнейшие изменения в зрелых пыльцевых зернах относятся к формированию мужских гамет, т. е. к гаметогенезу. Мейоз происходит и в материнской клетке мегаспор, находящейся в семяпочке.
Лептонема соответствует ранней фазе митоза. Вначале хромосомы в этой фазе тонкие, с трудом различимые. Затем они становятся более заметными и имеют вид длинных и тонких хроматиновых нитей (хромосом) с хромомерами, четко отделенных одна от другой. Число их равно соматическому числу хромосом, которое у малохромосомных видов в этот период довольно легко определить.
Между гомологичными хроматидами происходит взаимный обмен, который заключается в разрыве, перемещении и слиянии сегментов. Поскольку хромосомы дифференцированы по своей длине, обмен участками хроматид, входящих в состав конъюгирующих (спаренных) хромосом, далеко не безразличен для их генетической характеристики.
Термин «хиазма» употребляется не в его узком смысле, так как под этим термином, как известно, понимают соединение участков хроматид разных хромосом. Таким образом, развитие хромосом во время профазы I в мейозе всегда связано с их сильным укорочением в результате спирализации хромонем, начиная от лептонемы к пахинеме — диплонеме до диакинеза включительно. Длина хромосом за период от пахинемы до диакинезы уменьшается в несколько раз.
Второе деление мейоза. В каждой клетке диады начинается второе деление мейоза. Процесс этот обычно протекает быстро, поскольку он уже подготовлен в период первого деления мейоза. После короткой профазы II образуется веретено — это начало метафазы II. Хромосомы, состоящие из двух разделенных хроматид, связанных центромерой, располагаются на экваторе веретена, причем в это время эквационная щель между хроматидами нередко хорошо выражена. В метафазе II число хромосом вдвое меньше, чем в соматических клетках.
Полиплоидия в естественных условиях произрастания.
Как правило, любой растительный или животный организм развивается из одной клетки, состоящей из ядра и цитоплазмы, причем, как уже отмечалось, основная роль в передаче наследственных особенностей принадлежит ядру, а не цитоплазме. В свою очередь, в ядре носителями наследственных задатков являются особые образования — хромосомы.
В 1922 г. Блекслии его сотрудниками экспериментальным путем впервые было получено растение дурмана с гаплоидными цветками. Впоследствии гаплоидные спорофиты получили у многих растений. Такие растения бывают высокостерильными, поскольку у них хромосомная структура препятствует процессу нормального мейоза. Тем не менее иногда и в мейотической профазе можно наблюдать образование петель в результате соединения сегментов одной и той же хромосомы, а также неправильное или частичное соединение различных хромосом (рис. 59).
Индивидуальная особенность каждой из двенадцати хромосом.
Как известно, гаплоидный набор дурмана п= 12. Блексли выделил 12 мутантов (первичные мутанты) этого хромосомного типа, различающихся между собой как по происхождению своей лишней хромосомы, так и некоторыми небольшими морфо: логическими особенностями, что вполне согласовалось с индивидуальной особенностью каждой из двенадцати хромосом.
Изучение мейоза у дурмана показало, что в первичном трисомике хромосомы обычно располагаются в виде буквы V либо образуют фигуру, состоящую из кольца с присоединенной к нему хромосомой или из кольца и одной отдельно лежащей прямой хромосомы. В мейозе вторичного мутанта чаще возникает замкнутое кольцо из трех хромосом или же кольцо, состоящее из двух хромосом, к которым присоединяется третья, замкнутая в петлю соединения четырех хромосом в кольцо (Л, Б, В), разомкнутые (Ж, 3) цени или друше расположения (Я, К) (по Дарлингтону), (рис. 64).
Полиплоидия в той или иной степени групп растений.
Полиплоидия в той или иной степени свойственна всем систематическим группам растений. Полиплоидные формы встречаются в природе, а также созданы экспериментальным путем. В результате изучения экспериментальных полиплоидов выявлены пути возникновения полиплоидов в природе. Чаще всего они образуются при скрещивании двух ранее существующих диплоидов с последующим удвоением числа хромосом (аллополиплоидия). Полиплоидизация происходит вследствие нарушения мейоза при образовании нередуцированных гамет; вновь возникший аллополиплоид содержит полные наборы отцовских и материнских хромосом.
Большое распространение полиплоидных форм у многолетних трав.
Нередки случаи, когда близкие роды, принадлежащие к одному семейству, значительно отличаются друг от друга по распространенности среди них полиплоидных форм. Так, в семействе ивовые полиплоидия обычна для рода ива и крайне редка у тополя; в семействе березовые очень распространена в роде береза и почти не встречается у других представителей этого семейства (Стеббинс, 1950).
В истории формирования культурных растений явление полиплоидии сыграло выдающуюся роль. С древних времен человек, ведя бессознательную селекцию, выделял всевозможные формы растений, наиболее отвечающие его потребностям и запросам. Можно полагать, что среди этих растений было отобрано значительное число полиплоидов. Кроме того, полиплоиды могли возникнуть также и в естественных условиях произрастания, откуда человек брал исходный материал для введения его в культуру.
Многочисленные полиплоидные формы среди культурных растений (преимущественно тетраплоиды).
Советские исследователи выделили среди культурных растений многочисленные полиплоидные формы (преимущественно тетраплоиды). Их обнаружили либо как спонтанно возникшие в посевах, либо получили экспериментальным путем: у гречихи (В. В. Сахаров, В. Е. Писарев), конопли (В. А. Рыбин, В. В. Сахаров), льна (А. Н. Лутков, В. А. Рыбин), пшеницы (А. Р. Жебрак, П. М. Жуковский), ржи (Л. П. Бреславец), проса (Д. Н. Аренкова), подсолнечника (В. А. Рыбин), перечной мяты (А. Н. Лутков), опийного мака (Е. Н. Валотов, В. С. Андреев), бобов (В. А. Рыбин), цитрусовых (В. Н. Лапин) и у многих других.
Подводя итоги своим исследованиям по полиплоидии у ячменя, Г. Д. Карпеченко пришел к выводу, что в данном случае положительными свойствами тетраплоидов являются увеличение размеров и веса зерна и прочность соломины; отрицательными свойствами — понижение плодовитости, грубость колоса, задержка цветения и некоторая поражаемость спорыньей. В зарубежных странах полиплоидный ячмень получали действием высокой температуры (Мюнтцинг, Тометори и Монт-Петерсен, 1936) и колхициновым методом (Дорси, 1939). Большие успехи достигнуты в Шотландии по созданию полиплоидного овса, отличающегося крупнозерностью, значительной урожайностью и скороспелостью.
Полиплоидные растения отличаемые более высокими и толстыми стеблями.
Большинство цитологов считают, что полиплоидные растения отличаются более высокими и толстыми стеблями, у них уменьшается число ветвей и листьев, которые при этом становятся более толстыми, широкими и зелеными. Кроме того, для таких растений характерны более крупные цветки или части цветка, семена и плоды. На рисунке 71 видно соответствие между числом хромосом и степенью вегетативного развития паслена черного. Однако эти особенности проявляются далеко не у всех полиплоидов, хотя диплоиды по сравнению с гаплоидами всегда несколько крупнее.
Краткий перечень практических достижений в области полиплоидии у растений.
Краткий перечень практических достижений в области полиплоидии у растений. Не может существовать общего правила, позволяющего предвидеть эффект полиплоидии в каждом отдельном случае. Для рационального использования полиплоидии в сельском хозяйстве, лесоводстве, медицине и других отраслях народного хозяйства необходимо проведение как практических, так и теоретических исследований.
Общие вопросы полиплоидии. Плодовитые амфиплоидные гибриды табака.
Генетическому изучению табака Дончо Костов (1943) посвятил обширную монографию, в которой освещаются и общие вопросы полиплоидии. Впоследствии при помощи колхицина экспериментальным путем удалось получить плодовитые амфиплоидные гибриды табака. Увеличение числа геномов приводит к изменению формы и увеличению размеров вегетативных и репродуктивных органов. Наблюдаются изменения и в самой биологии растения.
Преодоление бесплодия у ржано-пырейных гибридов —важное достижение советской селекции. Использование полиплоидии способствует выведению высокоурожайных сортов из ржано-пшенично-пырейных гибридов. Рис. 75. Хромосомные комплексы: Рис. 76. Хромосомные комплексы: Спонтанные полиплоидные мутанты пшеницы встречаются крайне редко, поэтому многие советские и зарубежные исследователи работают над их получением, сочетая методы отдаленной гибридизации и полиплоидии.
В результате народной селекции, основанной на лучшем использовании хозяйственно полезных признаков растений, в культуре распространились полиплоидные формы. Среди культурных растений имеется большое количество естественных полипоидов. Например, в семействе злаковые (Gramineae)—тимофеевка, ежа сборная, мятлик луговой; в семействе мотыльковые (Papilionaceae) — клевер белый, люцерна; в семействе пасленовые (Solanaceae) — картофель, табак и т. д. Отдельные виды культурных растений имеют диплоидный набор хромосом, например рожь, свекла, конопля.
Искусственное образование полиплоидных форм методом прививок.
Большой интерес представляют работы Винклера (1916) по искусственному образованию полиплоидных форм методом прививок, поскольку на полученных им тетраплоидах удалось показать, что изменения в числах хромосом приводят к морфологическим изменениям. Однако подлинная причина возникновения полипоидов заключалась не в прививках, а в поранениях растений, вызывающих стимулирование митотического деления. Это предположение нашло подтверждение в опытах Иоргенсена (1928), получившего полиплоиды у тех же растений, что и Винклер, методом декапитации. Уже в 1931 г. было известно 83 тетраплоидных томата, полученных этим методом.
Новые виды растений, содержащие в своих клетках суммированные наборы хромосом.
Известны и другие новые виды растений, содержащие в своих клетках суммированные наборы хромосом, полученные в результате межвидовых скрещиваний. Эти данные убедительно свидетельствуют о том, что таким путем возникли полиплоидные ряды как у диких, так и у многих культурных растений. Полиплоиды можно получать, применяя химические вещества, которые, оказывая наркотическое действие на митотический аппарат (блокада веретена), задерживают расхождение сестринских хроматид к противоположным полюсам в митозе, вследствие чего число хромосом удваивается.
Зерновые злаки (метод Свалёфской селекционной станции, Швеция). Проростки с колеоптилями, достигшими 2—4 мм длины, помещают на сетку корнями вверх и опускают в чашку Петри, наполненную 0,25%-ным водным раствором колхицина, на 30 минут. Корни для предохранения от высыхания покрывают влажной фильтровальной бумагой.
Дифференциация тычинок в цветковых почках происходит на самых ранних фазах их образования. Бугорок тычинки представляет комплекс меристематических клеток и сначала не дифференцирован на тычиночную нить и пыльник. В дальнейшем из нижней его части развивается тычиночная нить, а из верхней — пыльник (рис. 83). Меристематические клетки в бугорке пыльника бываютизо-диаметрической формы и имеют крупные ядра и густую цитоплазму.
Важная физиологическая роль в формировании пыльцы.
Тапетум пыльника играет важную физиологическую роль в формировании пыльцы, так как все пластические вещества для питания спорогенной ткани и материнских клеток микроспор поступают через него. Описаны три типа деления ядер клеток тапетума: 1) нормальный митоз без цитокинеза — ядра расположены сближение, деление протекает обычным путем, клетки двухъядерные, реже четырехъядерные (рис. 84);
Симультанный тип развития микроспор веретена первого и второго делений мейоза.
При симультанном типе развития микроспор веретено первого и второго делений мейоза не имеет прямого отношения к разделению материнской клетки на 4 части. В этом случае в едином протопласте материнской клетки, содержащем 4 ядра, у периферии ее после двух делений мейоза возникают борозды, одновременно разделяющие содержимое клетки на 4 части (микроспоры) в направлении от периферии к центру. Интерфаза между первым и вторым делениями мейоза при симультанном типе развития обычно короткая (рис. 85, В).
Растворение оболочки материнской клетки микроспор.
Еще до растворения оболочки материнской клетки микроспор вокруг микроспоры начинают возникать собственные оболочки — экзина (наружная) и интина (внутренняя) и микроспора превращается в пыльцевое зерно. Вначале оно имеет густую цитоплазму без ясно выраженной вакуолизации, ядро помещается в центре клетки. По мере усиления обмена веществ в цитоплазме пыльцевого зерна постепенно формируется вакуоль; вначале образуется несколько мелких вакуолей, которые, сливаясь между собой в одну крупную, оттесняют первичное ядро пыльцевого зерна к клеточной стенке.
Проростковая пора в виде кольца спорообразования пластинок.
Одновременно с экзиной закладывается проростковая пора в виде кольца спорополлениновых пластинок. В состав спорополленина входят лигнин, липиды, каротин и другие пигменты. В центре поры образуется толстая прослойка из каллезы. Вслед за экзиной формируется интина, которая достигает наибольшего развития около проростковой поры. По своей ультраструктуре интина представляет аморфную массу, в которой обнаружены многочисленные микротрубочки и фибриллы целлюлозы (А. А. Чеботарь, 1970).
Длительность митоза первичного ядра в пыльцевом зерне.
Длительность митоза первичного ядра в пыльцевом зерне зависит от условий среды (температуры, влажности воздуха), характера питания микроспор и особенностей развития тапетума пыльника, в результате которого в основном формируются микроспоры и пыльцевые зерна. Длительность отдельных фаз митоза в период гаметогенеза (в пыльцевых зернах традесканции, при температуре 30°) следующая: профазы от 30 до 34 часов (из этого времени наибольшая часть приходится на раннюю профазу), метафазы— 0,5, анафазы — 0,5, телофазы — 0,2 часа.
Специфика в строении двух клеток пыльцевого зерна.
Специфика в строении этих двух клеток пыльцевого зерна обычно проявляется вскоре после их формирования. Вначале генеративная клетка одной из своих сторон плотно прижата к стенке пыльцевого зерна, однако по мере развития она углубляется внутрь его полости и приобретает веретенообразную форму. При этом поверхность соприкосновения генеративной клетки со стенкой пыльцевого зерна уменьшается, она отходит от стенки и располагается в цитоплазме вегетативной клетки. Это положение наилучшим образом обеспечивает ее рост и развитие за счет вегетативной клетки.
Изучение митоза в пыльцевой трубке у некоторых растений.
При изучении митоза в пыльцевой трубке у некоторых растений наблюдается слабое развитие веретена в метафазе (например, у гнездовки, по данным Я. С. Модилевского, 1963), у других же растений (у тюльпанов, лилий) веретено хорошо выражено. Протопласт генеративной клетки делится клеточной перегородкой, закладывающейся в телофазе митоза, но иногда цитокинез не происходит и образуется двухъядерная генеративная клетка, как у некоторых видов ореха (С. Г. Навашин и В. В. Финн, 1912).
Сравнительные исследования пыльцы пшенично-пырейных гибридов показали, что у стерильных гибридов первого поколения она отличается значительным снижением активности физиологических процессов, тогда как пыльца фертильных пшенично-пырейных гибридов по интенсивности гистохимических реакций сходна с пыльцой исходных родительских видов — пшеницы и пырея (В. А. Поддубная-Арнольди, 1964).
Интегументы, которые растут по направлению от основания нуцеллуса.
Клетки нуцеллуса имеют типичную меристематическую структуру. По бокам его закладываются бугорки, развивающиеся в покровы семяпочки, так называемые интегументы, которые растут по направлению от основания нуцеллуса к его верхушке. У семяпочек покрытосеменных растений имеется один или два интегу-мента — наружный и внутренний, причем последний тип строения наиболее распространен.
Форма семяпочки, наличие или отсутствие интегументов.
Форма семяпочки, наличие или отсутствие интегументов, а также степень развития нуцеллуса имеют важное систематическое и филогенетическое значение. Тенуинуцеллятные семяпочки возникли из крассинуцеллятных и характерны для более высокоорганизованных семейств (спайнолепестные). У семяпочек тенуинуцеллятного типа внутренний эпидермис интегумента отличается по форме клеток и их содержимому от других клеток интегумента и часто развивается в интегументальный тапетум семяпочки (эндотелий).
Развитие в семяпочке более одной археспориальной клетки.
При развитии в семяпочке более одной археспориальной клетки мегаспорогенез заметно задерживается. Так, в обычных случаях, т. е. при развитии в семяпочке одной археспориальной клетки, тетрады мегаспор образуются несколько позднее тетрад микроспор. Добавочная же археспориальная клетка часто задерживает весь ход развития, в результате чего момент образования тетрад микроспор совпадает с профазой I (пахинема) в материнской клетке мегаспор, что наблюдалось у гороха (А. И. Атабекова, 1957).
Роль адепозинтрифосфата (АТФ) в процессе фотосинтеза растительной клетки.
Сравнительно недавно была выяснена роль адепозинтрифосфата (АТФ) в Процессе фотосинтеза растительной клетки. Большинство структурных компонетов клетки остаются незамеченными при наблюдении в световом микроскопе. При работе с ним живую клетку часто приходится убивать (фиксировать) и, дифференциально ее окрашивая, выделять отдельные структуры. При помощи фиксации и окраски материала можно получить постоянные препараты хорошего качества, на которых отчетливо видна структура растительной клетки.
Клеточное строение свойственно всем растениям и животным. Жизнь организма обусловливается деятельностью его клеток, образующих единое целое. Все основные функции живой материи — обмен веществ, рост, раздражимость, саморепродукция, наследственность, изменчивость и т. д. — осуществляются на уровне клетки. Клетка —это элементарная живая система, возникшая в процессе биологической эволюции материи за счет энергии окружающей ее внешней среды, чем и.обусловливается чрезвычайная изменчивость клеток.
Ввезенные из стран с резко отличным климатом экзотические растения.
Ввезенные из стран с резко отличным климатом, с необычными для местных видов формами листьев, крон, своеобразием цветков и плодов, называют экзотами. Экзотические растения используют для озеленения городов, в лесоводстве, плодоводстве, медицине и др. Долгий путь к новой родине. Конечно, далеко не сразу удается вырастить экзотическое растение в необычных для него условиях.
Благодаря применению комплексной методики (радиоавтографии, цитофотометрии и электронного микроскопа) были обнаружены очень важные данные по метаболической активности, месту синтеза и перемещению пластических веществ клетки.
Обособленность и морфологическую самостоятельность клеток.
Исследования Мольденхавера в 1812 г. и Дютроше в 1824 г. окончательно подтвердили обособленность и морфологическую самостоятельность клеток. Выделяя из растительной ткани отдельные клетки, Мольденхавер показал, что каждая из них имеет свою собственную оболочку. В тканях оболочки клеток склеены между собой особым межклетным веществом. При мацерации тканей межклетное вещество разрушается и ткань распадается на отдельные клетки.
Энгельс назвал клеточную теорию одним из трех величайших открытий прошлого столетия в области естествознания наряду с законом сохранения энергии и эволюционным учением Ч. Дарвина. «Это открытие не только убедило нас, что развитие и рост всех высших организмов совершаются по одному общему закону, но, показав способность клеток к изменению, оно наметило также путь, ведущий к видовым изменениям организмов, изменениям, вследствие которых организмы могут совершать процесс развития, представляющий собой нечто большее, чем развитие только индивидуальное .
Первым отечественным учебным пособием по цитологии, на котором воспитывались многие поколения советских цитологов, была книга Л. П. Бреславец «Введение в цитологию», опубликованная в 1930 г. К этому периоду цитология уже располагала многими современными методами исследования и, перестав быть только описательной наукой, встала на путь функционального изучения клетки.
Интересные результаты при экспериментах с водорослью.
Эксперименты с водорослью дали интересные результаты. Ядро обычно делится в конце ее жизненного цикла, непосредственно перед наступлением процесса гаметообразования. Однако можно вызвать деление ядра и «молодой» клетки, перенеся его в энуклеированную старую клетку, готовую приступить к гаметообразованию, что указывает на тесную взаимосвязь между ядром и цитоплазмой клетки.
Необычайное разнообразие растительного мира в природе.
Нельзя не согласиться с тем, что в связи с необычайным разнообразием растительного мира в природе не существует какой-то «типичной» клетки. Как известно, наряду с растениями, состоящими из огромного количества клеток, имеются организмы малоклеточные и даже одноклеточные. Число последних очень велико. К ним относятся бактерии, способные вырабатывать ферменты, обеспечивающие их энергией, для роста и размножения. Но не всегда одноклеточные организмы отличаются простотой своей формы.
Форма растительных клеток крайне разнообразна. Она зависит от многих причин: свободные клетки обычно принимают шаровидную, овальную и яйцевидную форму, тогда как в тканях растений их форма определяется давлением на них массы других клеток, а также зависит от функции клетки.
Вторичная оболочка может быть и многослойной, причем иногда в ней откладывается до 25 слоев толщиной около 0,4 микрона каждый. Возникновение этих слоев зависит от суточного освещения — при круглосуточном освещении слоистость не наблюдается. По некоторым более тонким участкам первичной клеточной оболочки проходят плазмодесменные канальцы. По этим участкам, называемым поровыми полями, осуществляется связь между соседними клетками.
В межклетном веществе целлюлоза не обнаружена, в первичной оболочке ее содержится лишь до 5%, а во вторичной— до 80—90%. Целлюлоза относится к полисахаридам второго порядка (полпозам). Ее макромолекула образована из остатков 6- и «-глюкозы; соединенных глюкозидными связями в линейную цепочку, в которой каждая пара углом 180°, образует остаток дисахарида целлобиозы.
На рисунке 8 изображен поперечный срез пектоцеллюлозной клеточной стенки, а также часть цитоплазмы. Видна сеть перерезанных в различных направлениях свободно лежащих микрофибрилл, состоящих из высокоупорядоченных (1) и менее упорядоченных (2) кристаллических участков целлюлозы, расположенных по периферии микрофибрилл (по их длине). Микрофибриллы погружены в аморфный матрикс, состоящий из гемицеллюлоз (3), пектиновых веществ (4), структурных (5) и ферментативных (е5) белков. За аморфным матриксом находится свободное пространство (9).
Различные высокомолекулярные жирные кислоты и эфиры.
В состав кутинов, как и суберинов, входят различные высокомолекулярные жирные кислоты и эфиры. Распространена кутинизация оболочек в клетках покровных и защитных тканей (кутикула, эпидермис, корка, пробка), что создает непроницаемость их наружных стенок. У некоторых растений наблюдается ослизнение клеточных стенок. Сущность этого явления заключается в превращении клетчатки или крахмала в более высокомолекулярные углеводы — слизи. Химический анализ слизи семенной кожуры льна показал, что она содержит белки, галактуроновую кислоту и ферменты (ксилазу и галактазу).
Способы поглощать твердые частицы различной величины и капельки жидкости.
У животных оболочки клеток выражены значительно слабее, чем у растений. Они способны поглощать твердые частицы различной величины и капельки жидкости. Благодаря этому явлению, получившему название пиноцитоз, животные клетки снабжаются не только водой, но и растворимыми веществами. В простых случаях пиноцитоз осуществляется за счет выпячивания цитоплазмы и захвата капелек жидкости этими цитоплазматическими выростами.
Движение цитоплазмы в молодых волосках листьев некоторых растений.
Движение цитоплазмы отчетливо заметно в молодых волосках листьев некоторых растений, например брионии, в пыльцевых трубках, образующихся при прорастании пыльцы, и т. д. Изучая под микроскопом движение цитоплазмы в крупной клетке ризоида водоросли №{е11а, можно видеть, что тонкий слой пристенной цитоплазмы состоит из геля и расположенной за ним более жидкой цитоплазмы, которая, перемещаясь в одном направлении, совершает непрерывное круговое движение со скоростью 20 микрон в секунду.
Осмотическое давление обеспечиваемое тургором клетки.
У растений осмотическое давление обеспечивается тургором клетки. Тургором называется напряженное состояние живой клетки, вызываемое взаимным давлением оболочки и протопласта. Это внутриклеточное давление обусловлено присутствием в клеточном соке веществ, обладающих осмотической активностью, например неорганических солей, Сахаров, органических кислот и их солей и других низкомолекулярных соединений. Величина осмотического давления зависит главным образом от концентрации малых молекул и ионов.
Строение клетки и роль отдельных структур цитоплазмы.
Искусственным путем можно не только уничтожить тургор клетки, но и отделить содержимое (протопласт) от оболочки. Такое отделение протопласта оболочки, называемое плазмолизом, может быть вызвано действием различных веществ: селитры, поваренной соли, сахара и т. д. Плазмолиз в живой клетке можно вызвать, погрузив ее в раствор, имеющий большую концентрацию, чем клеточный сок. При этом нужно применять такие вещества, которые не убивают клетку.
При участии компонентов цитоплазматического матрикса, содержащего необходимые ферменты для образования энергии, осуществляются процессы биосинтеза в клетке. С ним также связаны коллоидные свойства живой клетки, движение цитоплазмы, возникновение веретена и деление клетки. Таким образом, цитоплазматический матрикс — одна из наиболее существенных частей клетки, ее основная внутренняя среда.
Тончайшие нити поддерживающие структуру цитоплазмы.
Иногда в нем можно обнаружить тончайшие нити (менее 100 А), очевидно, поддерживающие структуру цитоплазмы. По современным представлениям, эти нитевидные компоненты цитоплазматического матрикса образованы полипептидными цепями структурных белков, связанных вместе поперечными водородными связями вандерваальсовых сил или еще более прочными валентными связями.
По периферии клетки имеется тонкая цитоплазматическая мембрана (плазмалемма), регулирующая проникновение молекул и ионов в клетку и из клетки. Функции этого тончайшего образования заключаются главным образом в регулировании процесса обмена веществ между клеткой и окружающей ее средой. Цитоплазматическая мембрана, состоящая из липоидов и белков, обладает компактной молекулярной .структурой, которую можно наблюдать при помощи электронного микроскопа.
Современные представления о вакуолярной системе цитоплазмы.
Современные представления о вакуолярной системе цитоплазмы были получены благодаря применению методов фракционирования клетки с последующим биохимическим анализом, а также цитохимических методов анализа специфических компонентов, главным образом ферментов. Исследования показали, что наряду с вакуолярной системой в клетке существует микросомная фракция, представляющая гетерогенную группу клеточных структур, выделяемых при центрифугировании.
Морфология зрелых зародышевых мешков у типов Polygonum и Allium.
Морфология зрелых зародышевых мешков у типов Polygonum и Allium очень сходна, так как и в том и в другом случае формируется двуполюсный восьмиядерный зародышевый мешок. Развитие женского гаметофита по Allium-типу встречается у однодольных растений в семействах лилейные (Liliaceae), сусаковые (Butomaceae), амариллисовые (Amaryllidaceae) и у некоторых видов орхидных (Orchidaceae). Четырехспоровые (тетраспорические) зародышевые мешки характеризуются большим разнообразием строения и представляют собой полиморфную группу.
У подсолнечника нижняя антипода часто дает жизнедеятельный гаусторий, выходящий за пределы зародышевого мешка и глубоко внедряющийся в хала-зальную часть семяпочки. Иногда он очень активный, при помощи его происходит интенсивное перекачивание пластических веществ из халазы семяпочки в зародышевый мешок (Е. И. Устинова, 1967).
Центральная клетка зародышевого мешка расположенная вблизи яйцевого аппарата.
Вблизи яйцевого аппарата располагается центральная клетка зародышевого мешка, включающая два полярных ядра. При помощи электронного микроскопа удалось выявить интересные данные для характеристики ее структуры. По наблюдениям А. А. Чеботаря (1970), у кукурузы на ранних фазах дифференциации зародышевого мешка цитоплазма центральной клетки гранулярна, электронно-плотна, содержит много митохондрий, мало пластид, слабо развитый комплекс Гольджи и многочисленные каналы эндоплазматической сети в виде длинных тяжей, окутывающих полярные ядра.
Знак и величина суммарного заряда для каждой молекулы.
Знак и величина суммарного заряда для каждой молекулы или структуры, имеющей в своем составе кислые и основные группы, зависят от рН среды. Величина рН среды, при которой наступает состояние равновесия, когда суммарный заряд будет равен нулю (количество диссоциированных основных и кислых групп одинаково), называется изоэлектрическим состоянием; в это время клеточные структуры одинаково слабо адсорбируют основные и кислые красители. Обычно принято называть изоэлектрическое состояние изоэлектрической точкой, или сокращенно ИЭТ.
Исследования по ультраструктуре зародышевого мешка.
В последние годы начаты исследования по ультраструктуре зародышевого мешка, сильно углубившие наши познания в области эмбриологии покрытосеменных растений. Так, по последним данным, зародышевый мешок кукурузы лишен общей для всех клеток оболочки, а видимая в световой микроскоп оболочка представляет гипертрофированное многослойное образование пектоцеллюлозной природы, возникшее в результате разрушения многочисленных клеток нуцеллуса (А. А. Чеботарь, 1970).
Развитие женского гаметофита (зародышевого мешка.).
Еще более отчетливо структура хромосом выявляется в пахинеме, когда хорошо виден их двойственный характер. В заключительной стадии профазы I — диакинезе — наблюдается резкое укорочение спаренных хромосом в результате усиленной спирализации хромо-нем, и отчетливо видны семь бивалентов. После первого деления мейоза в результате цитокинеза возникает диада клеток. Затем наступает второе деление мейоза, заканчивающееся образованием четырех мегаспор, расположенных в один ряд по направлению; в глубь нуцеллуса.
Хромосомные нити образующие спирали двух различных типов.
Хромосомные нити образуют спирали двух различных типов. Одна из них, состоящая из легко разъединяющихся элементов, называется паранемической спиралью, другая, состоящая из переплетающихся элементов, — плектонической, при растяжении она образует так называемую реляционную спираль. Иногда под микроскопом трудно отличить друг от друга эти виды спиралей.
Понятие «кариотип» было введено Г. А. Левитским в 1921 г. и впоследствии уточнено Л. Н. Делоне как совокупность основных признаков хромосомного набора— числа, величины и формы хромосом. Внутреннее строение хромосом очень сложно. Разрешающая способность обычного микроскопа значительно ограничивает возможности изучения особенностей этой внутренней структуры, поэтому при наблюдении их в обычный световой микроскоп можно было отчетливо видеть лишь перетяжки и спутники.
Общий вид метацентрической хромосомы со спутником.
Общий вид метацентрической хромосомы со спутником, центромерой, первичной и вторичной перетяжками. прикрепленное к хромосоме тонкой нитью или вторичной перетяжкой (рис. 33 и 34). Диаметр спутника может равняться диаметру хромосомы или быть значительно меньше его; в некоторых случаях спутник настолько мал, что его трудно обнаружить.
Число хромосом в клетках различных растений может изменяться от 2-до 100 и более, т.е. имеются виды малохромосомные и многохромосомные. Например, диплоидный набор скерды зеленой из семейства сложноцветные содержит 6 хромосом, тогда как у вида мягкой пшеницы их 42. В настоящее время диплоидное число хромосом известно у многих видов растений и расценивается как диагностический признак. Однако число хромосом у вида может меняться подобно тому, как изменяется и вид, распадаясь в процессе эволюции на новые разновидности и расы.
Деление ядра и клетки следует рассматривать как завершение ее онтогенеза; оно сопровождается сложными изменениями. Существуют различные типы деления клеток — митоз, эндомитоз, амитоз и мейоз. Прежде чем излагать их, нужно изучить структуру хромосом, особенности которых были установлены многими поколениями зарубежных и русских цитологов.
Электронномикроскопические исследования о полном отсутствии у ядрышек наружной мембраны.
Электронномикроскопические исследования говорят о полном отсутствии у ядрышек наружной мембраны. Современные исследования показали, что вещество ядрышка в основном состоит из субмикроскопических нитей, названных нуклеолонемами, и ядерного матрикса. Нуклеолонемы — постоянный структурный компонент ядрышка, они участвуют в формировании хромосом. Их можно наблюдать, применяя специальные методы окрашивания, а также в ядрах некоторых живых клеток при использовании фазовокоитрастпого микроскопа или темнопольного конденсора.
При оценке функциональной роли ядерной оболочки большое значение приобретает вопрос о ее проницаемости, обусловливающей обменные процессы между ядром и цитоплазмой в связи с передачей наследственной информации. Для правильного понимания ядерно-цитоплазматических взаимодействий важно знать, насколько ядерная оболочка живых клеток проницаема для белков. Опыты показывают, что рибону-клеаза очень быстро проникает в ядро.
Интерфазное ядро окруженное прочной и упругой оболочкой.
Интерфазное ядро окружено прочной и упругой оболочкой (рис... 28), которая на'некоторых-ядрах видна особенно отчетливо, например у гигантских ядер из сл из новых клеток алоэ толщина ее достигает 1 микрона. Молиш (1901) описал пузырчатые ядра в некоторых млечниках, также имеющие хорошо выраженную оболочку. При удалении пипеткой содержимого ядра оболочка спадается складками, что также указывает на ее существование.
Ядро растительной клетки отличающееся более плотной консистенцией и большей вязкостью.
Ядро растительной клетки отличается более плотной консистенцией и большей вязкостью, чем цитоплазма. Консистенция ядра приближается к консистенции бальзама, глицерина и представляет собой золь. Следовательно, ядро — это физически гетерогенная структура. Вместе с тем плотность ядра у различных растительных объектов сильно колеблется. Так, некоторые ядра имеют настолько плотную консистенцию, что их можно разрезать на отдельные части; в других случаях ядра бывают полужидкими.
Изучение соотношения размеров ядра и цитоплазмы указывает на существование закономерности, согласно которой определенному объему ядерного вещества соответствует определенный объем цитоплазмы. Это соотношение называется ядерно-плазменным отношением. Оно характерно для данного типа клеток, входящих в состав тканей и органов многоклеточного организма, и представляет собой клеточную константу—равновесие между массой ядра и цитоплазмы.
Структура хлоропластов и их биохимическая активность.
Структура хлоропластов и их биохимическая, активность тесно связаны между собой; в хлоропластах совершаются различные обменные процессы: фотосинтез, синтез низкомолекулярных и высокомолекулярных соединений (угловодов, аминокислот, пептидов, нуклеотидов, липидов и т. д.) и АТФ. Хромопласты содержат различные (желтые, оранжевые, красные и бурые) пигменты из группы каротиноидов. Они представляют собой видоизмененные хлоропласты.
Равные по величине пластины, сгруппированные в виде монетных столбиков.
Граны хлоропласта состоят из приблизительно равных по величине пластин, сгруппированных в виде монетных столбиков (рис. 22). Их число может колебаться от 20 до 200. Число пластин (ламелл) в гранах хлоропласта высших растений почти вдвое больше, чем в его строме.
Следовательно, их можно обнаружить во всех частях органов покрытосеменных растений, причем число их в клетке очень велико. Форма лейкопластов чаще всего почти шаровидная, она изменяется лишь в тех случаях, когда в них содержатся продолговатые крахмальные зерна или выкристаллизовавшийся белок. Согласно данным Баденхои-зена (1962), для формирования крахмального зерна внутри пластиды необходимы внутренние мембраны, которые в лейкопластах распределяются в мелкозернистом гомогенном матриксе, не давая типичных ламеллярных структур, характерных для хлоропластов.
Лейкопласты (бесцветные пластиды) и хромопласты (пластиды, содержащие пигменты).
Б. Т. Матиенко (1965) делит пластиды на две группы: лейкопласты (бесцветные пластиды) и хромопласты (пластиды, содержащие пигменты). В группу лейкопластов входят амилопласты— пластиды, накапливающие крахмал; олеопласты — пластиды, накапливающие масла, и протеинопл асты — пластиды, накапливающие белок. В группу хромопластов входят хлоропласты — зеленые пластиды, в основном содержащие хлорофилл, и каротинои-допласты — пластиды, содержащие желтые пигменты.
Белки, липиды, дыхательные ферменты (цитохромы), сульфгидрильные группы РНК.
Химический анализ показал, что митохондрии содержат белки, липиды, дыхательные ферменты (цитохромы), сульфгидрильные группы, РНК- На долю белка приходится 5—70%, фосфолипидов — 25—30, РНК — 0,5% сухого вещества. В митохондриях имеется ряд витаминов: А, Вб, В12, К, Е, фолиевая и пантотеновая кислоты, рибофлавин и кофермент А, дыхательные ферменты (цитохромоксидаза и сукцинатдегидрогеназа), ферменты цикла трикарбоновых кислот и ряд ферментов, участвующих в сопряженном с дыханием фосфорилировании (аденилаткиназа, адено-зинтрифосфатаза).
Всевозможные наименования, связанные с их морфологическими особенностями митохондрий.
На основании перечисленных видоизменений митохондрий (как и не описанных здесь) возникли всевозможные наименования, связанные с их морфологическими особенностями. Многие авторы митохондриями называют лишь сферические и нитевидные структуры, хондриоконтами — палочковидные, хондриомитами — четковидные ряды гранул и т. д.
Гранулярные и нитевидные образования, имеющиеся в цитоплазме.
Митохондриями (от греч. мито — нить и хондрион — гранула) называются гранулярные и нитевидные образования, имеющиеся в цитоплазме всех систематических групп растений и животных (рис. 19). Ранее полагали, что они отсутствуют лишь у бактерий и некоторых простейших, постоянно живущих в анаэробных условиях. Однако при помощи электронного микроскопа в бактериях были обнаружены особые тельца, аналогичные митохондриям,— мезосомы. В настоящее время удалось выделить мезосомы из бактерий и установить, что они являются подлинными митохондриями бактериальных клеток.
Конденсация активизированных аминокислот и укладка их в полипептидную цепь.
Установлено, что в рибосомах происходит конденсация активизированных аминокислот и укладка их в полипептидную цепь в соответствии с генетической информацией, полученной из ядра через информационную РНК («-РНК) . Ряд белков был синтезирован на изолированных рибосомах и было показано включение в них меченых аминокислот.
По современным представлениям, каждая субъединица содержит по одной высокополимерной молекуле РНК в виде тяжа РНК, который имеет спиральные участки, расположенные перпендикулярно к основной цепи. Между впадинами спирали и целыми спиральными участками находится белок рибосом, цементирующий всю конструкцию в компактную структуру рибосомы (А. С. Спирин и др., 1963). Расположение оснований в рибосомной РНК не соответствует правилу комплементарное, предложенному Уотсоном и Криком для ДНК.
Плотные сферические тельца, называемые рибосомами.
В настоящее время природа гранул, покрывающих мембраны эндоплазматической сети, не вызывает у цитологов никаких сомнений. Эти плотные сферические тельца, называемые рибосомами, являются обязательными компонентами эндоплазматической сети всех растительных и животных клеток (рис. 18). Крайне малые размеры рибосом (100—300 А) исключают возможность их изучения в обычном световом микроскопе. Впервые они были выявлены на ультратонких срезах тканей при помощи электронного микроскопа (Паладе, 1955).
Лизосомы представляющие собой мелкие гранулы, ограниченные мембранами.
В животных клетках лизосомы были открыты в 1955 г. В настоящее время они обнаружены во многих животных клетках. Лизосомы представляют собой мелкие гранулы, ограниченные мембранами и заполненные содержимым, в состав которого входит большое количество гидролаз. Их отличительная особенность — явно выраженная реакция на кислую фосфатазу. Полагают, что лизосомная мембрана состоит из вещества, устойчивого к действию гидролаз, а это необходимое условие для локализации посторонних продуктов, проникающих в клетку.
Разные компоненты комплекса Гольджи связанные между собой.
По данным ряда исследователей (Токин, 1961; Хирт, 1962, и др.), разные компоненты комплекса Гольджи связаны между собой и могут возникать друг из друга. Так, пузырьки возникают путем отшиуровывания от концов уплощенных мембран, вакуоли — путем расширения цистерн. Среди этого комплекса, отличающегося большим полиморфизмом, наиболее постоянны цистерны, поскольку, очевидно, мелкие пузырьки и вакуоли являются только их видоизменениями.
Среда — это климат, почвы и влага с одной стороны, и живые организмы (растения и животные) — с другой. Сложные взаимоотношения между ними ученые называют ценотическими, а образовавшиеся в конкретных условиях растительные сообщества — фитоценозами.
