Что такое перекрестное опыление
Как происходит процесс опыления у растений: основные виды, опыление у покрытосеменных и голосеменных растений
Что такое опыление?
Опыление и его виды
Опыление — это процесс переноса пыльцы из пыльников растения на рыльце его пестика.
Есть два типа опыления растений:
Теперь остановимся на самоопылении и перекрестном опылении подробнее.
Самоопыление
Самоопыление — это самостоятельное опыление растения.
Такой способ встречается у растений, у которых двуполые цветки. Большинство растений при самоопылении дают семена. К примеру, ячмень, овес, просто. Такой тип опыления и у гороха.
Самоопыление встречается у цветков, которые совсем не склонны к раскрытию — из-за этого перекрестное опыление здесь невозможно. Поэтому в процессе самоопыления даже самые маленькие и невзрачные цветки способны давать семена.
Однако потомство, полученное в результате самоопыления, считается низко прогрессивным. Растения с таким способом опыления постоянно находятся под угрозой вырождения. Чтобы как-то с этим справляться, небольшой процент цветков у таких растений подвергается внутривидовому опылению. В результате внутривидового опыления получаются растения с отличающимися отцовскими и материнскими зачатками, а также более приспособленные к выживанию в ходе естественного отбора. Как итог — сохранение вида.
Перекрестное опыление
Перекрестное опыление — это опыление, которое находится в прямой зависимости от внешних факторов, таких как вода, ветер, насекомые и птицы. У кого перекрестное оплодотворение? Разберемся на примерах.
Процесс опыления ветром называется анемофилия.
Оно встречается у растений с мелкими цветками, собранными обычно в соцветия. Обычно у цветков очень много пыльцы. Она мелкая и сухая и выбрасывается наружу при помощи пыльника, который находится на длинных тонких нитях.
Энтомофилия — это опыление насекомыми.
Как правило, растения, опыляемые таким способом, обладают ароматом, нектаром, достаточно большим размером цветков и привлекающим насекомых цветом, а также у них есть липка пыльца с выростами.
Процесс опыления происходит в результате переноса насекомыми пыльцы с одного цветка на рыльца другого: так обеспечивается опыление для двуполых растений.
Орнитофилия — процесс опыления с помощью птиц.
Обычно так опыляются тропические растения с пестрой окраской, которая привлекает птиц. К примеру, в процессе опыления участвует колибри.
Гидрофилия — вариант опыления водой.
У многих водных растений рыльца нитеобразной формы, и пыльца с них переносится водой, а в редких случаях — слизнями.
Так происходит у резухи, взморника, роголистки, наяды, элодеи, рунии.
Искусственное опыление
Искусственное опыление — тип опыления, широко используемый в плодовом и декоративном садоводстве, овощеводстве, а также лесном хозяйстве. Суть его в том, что пыльца переносится искусственным способом: с пыльцы тычинок на рыльца пестиков.
По-другому искусственное опыление называется скрещиванием. Благодаря ему селекционеры могут получать новые виды и сорта растений.
Оплодотворение
Процесс оплодотворения происходит после опыления. Как быстро — зависит от самого растения. У одних — спустя несколько недель, а у других — даже через год.
Оплодотворение — процесс слияния мужской и женской клеток.
В момент, когда происходит опыление, пыльца находится на рыльце. Чтобы оплодотворение произошло, нужно чтобы пыльца была зрелой и стойкой. Также важно наличие сформированного зародышевого мешочка.
Процесс развития и роста пыльцевой трубки происходит в направлении завязи — через рыльце и столбик. В завязи пыльцевая трубка проходит в семенной зачаток и доходит до зародышевого мешка. По достижении яйцеклетки происходит разрыв пыльцевой трубки и выход двух спермиев. Вегетативная клетка разрушается. Далее следует слияние одного спермия с яйцеклеткой, а другого — с диплоидным ядром.
В первом случае слияния растет зародыш нового организма, а во втором — образование триплоидной клетки для образования эндосперма. Так происходит процесс двойного оплодотворения.
Зародыш и эндосперм зарождают семя, которое скрыто под кожурой. Завязь формирует плод после оплодотворения.
Опыление у покрытосеменных растений
Опыление у покрытосеменных растений осуществляется обоими способами. В обоих случаях пыльцевые зерна попадают на рыльца пестиков. Чтобы понять, как происходит опыление, рассмотрим его на конкретном примере: винограде.
Виноград опыляется двумя способами: перекрестным и самоопылением. В случае самоопыления у винограда обнаруживается клейстогамия. Клейстогамия — опыление с дальнейшим оплодотворением. В большинстве случаев виноград опыляется ветром: строение цветка расположено к такому перекрестном опылению.
В ходе опыления происходит выделение на рыльце секретной жидкости — в этом время оно уже готово получать пыльцу. Так рыльце положительно сказывается на прилипании пыльцы, защите ее от различных инфекций и обеспечивает благоприятные условия для ее прорастания.
Виноград также отличается возможностью перехода от перекрестного опыления к самоопылению. Благодаря такой способности вид сохраняется столетиями. Также эта способность обеспечивает хорошее развитие и урожай.
Многие коллекционеры практикуют искусственное оплодотворение. Оно похоже на перекрестное опыление, однако оно происходит за счет антропогенных факторов, а не биотических и абиотических.
При искусственном оплодотворении пыльца переносится кисточкой или ватной палочкой. Предварительно цветки изолируются и кастрируются.
Опыление у голосеменных растений
Голосеменные растения опыляются способом анемофилии. То есть, при помощи ветра.
Яркий пример — сосна.
Опыление сосны происходит так: с мужской шишки пыльца попадает на семязачатки женских шишек. Когда шишка зеленеет, происходит срастание и одеревенение чешуек: пыльца находится в состоянии покоя. Прорастание пыльцы происходит на следующее лето.
В процессе прорастания пыльцы пыльцевая трубка несет спермии к архегониям. Далее там происходит слияние одного из спермиев с яйцеклеткой и образование зиготы. Из зиготы формируется зародыш, а семязачаток перерастает в семя.
Зародыш располагается в эндосперме гаметофита, накапливающего питательные вещества. Созревание семян в шишках происходит на протяжении полутора лет с момента оплодотворения. После этого происходит раздвижение чешуек и высыпание семян из шишки.
У семени есть крылышко, благодаря которому оно распространяется ветром.
Перекрестное опыление и самоопыление растений
Большинство растений в природе – перекрестноопыляемые. У них имеются разные мужские и женские цветки (в одних цветках только тычинки, в других – только пестик). Чтобы произошло опыление, нужна помощь соответствующих насекомых, ветра, росы или дождя. У самоопыляемых растений все цветки имеют и тычинки, и пестики одновременно. Они у таких растений созревают одномоментно.
Пыльца с тычинок одного цветка подходит для пестика того же самого цветка и также подходит для пестиков соседних цветков этого же растения. Пример: помидоры, пшеница, горох, фасоль, фиалки, нектарин, ячмень. Перекрестноопыляемые растения в свою очередь подразделяются на однодомные и двудомные. У первых цветки с тычинками (мужские) и с пестиками (женские) расцветают на одном растении. У вторых – женские и мужские цветки располагаются на разных растениях.
Самоопыление растений
Перенос пыльцы с тычинок на рыльце того цветка называется самоопылением. У самоопылителей и тычинки, и пестики на одном цветке созревают одновременно. У растений в ходе длительного эволюционного развития выработались приспособления для перекрестного опыления, т.к. оно является прогрессивным. Образуется потомство с признаками материнского и отцовского организмов, а при самоопылении у потомства проявляются признаки лишь одного организма.
Самоопыление ведет к снижению урожайности, к вырождению сорта. Поэтому наиболее распространено перекрестное опыление и цветки большинства растений имеют приспособления, препятствующие самоопылению:
Самоопыление в естественных условиях встречается реже, чем перекрестное опыление.
В естественных условиях не все цветки могут опылиться. Часто пыльца теряет свои свойства из-за воздействия слишком высоких температур или повышенной влажности. В безветренную погоду или, наоборот, при шквальном ветре опыление ветроопыляемых растений трудновыполнимо.
Из культурных растений размножаются путем самоопыления, например, пшеница, вика, соя, горох, ячмень и др. Такие растения как гречиха, клевер красный, эспарцет, яблони большинства сортов, нуждаются только в перекрестном опылении. При этом следует отметить, что перекрестное опыление способствует получению более мощных, плодовитых и жизнеспособных растений. Есть группа растений, которые сохранили способность к самоопылению (подсолнечник, люцерна, хлопчатник, малина, крыжовник и некоторые другие), но и они при перекрестном опылении насекомыми дают более высокие урожаи.
Препятствием самоопылению является неодновременное созревание тычинок и пестиков, находящихся в одном и том же цветке (обоеполый цветок). Так, у подсолнечника, крыжовника, кипрея пыльники созревают раньше, чем рыльце, а у яблони, груши, подорожника и других раньше созревает рыльце. В этих случаях опыление происходит пыльцой с других цветков, перенесенной насекомыми. У ряда растений (гречиха, медуница, дербенник) самоопыление затруднено из-за того, что цветки имеют разностолбчатые органы: у одних длинные тычинки и короткие пестики, у других наоборот — длинные пестики и короткие тычинки. Поэтому в пределах цветка опыление собственной пыльцой, как правило, не осуществляется.
У некоторых растений (клевер красный, эспарцет) наблюдаются явления самобесплодности (самостерильности). В этом случае собственная пыльца на рыльце цветка не прорастает или прорастает значительно медленнее, чем попавшая с другого цветка. Самобесплодность встречается у яблони, груши, черешни и ряда других плодовых и ягодных культур, оплодотворение у которых происходит лишь в том случае, если на рыльце пестиков одного сорта попала пыльца с цветков другого сорта. Чтобы создать условия для нормального плодоношения этих культур, необходимо в садах иметь соответствующие сорта плодовых деревьев, обеспечивающие межсортовое опыление.
У множества цветковых растений выработан механизм невозможности самоопыления, что предотвращает родственное скрещивание и увеличивают генетическое разнообразие вида. Это достигается благодаря процессу, названному самонесовместимостью, при котором опыление не в состоянии произойти, если пыльца идентифицирует попадание на пестик цветка, на растении которого она появилась. Но принцип действия этого механизма долго оставался загадкой, которая теперь успешно решена.
Перекрестное опыление
В перекрестном опылении участвуют насекомые. В весеннее время на деревьях появляются белые или розовые сильно пахнущие цветки. Много пчел, шмелей детят к цветкам. Они садятся то на один цветок, то на другой. Цветы прямо манят насекомых к себе, благодаря нектару, выделяемому внутри цветка. Насекомые едят сладкий сок растений. А пчелы собрав нектар, преобразуют его в мед, чтобы покормить свое потомство. Помимо нектара, пчелы добавляют к корму личинок собранную с цветков пыльцу.
Целый день – от рассвета до заката – пчелы летают над цветами. Садясь на разные цветки, они извлекают своим удлиненным хоботком из недр цветка нектар. Выполняя это действие, пчелы прикасаются к пыльце и переносят ее на брюшке, хоботке, лапках, так как она прикрепляется к волоскам, густо покрывающим тело насекомого. Попадая на другой цветок, пчела дотрагивается своими частями тела липкого рыльца. Таким образом, насекомые являются переносчиками пыльцы с одного цветка на другой, причем эти цветки могут располагаться на разных деревьях. Это описание процесса перекрестного опыления растений посредством насекомых.
Чем ярче окрашен венчик растения, тем он привлекательнее для насекомых. Они видят его на большом расстоянии. Также насекомые могут ориентироваться на запах в поисках еды.
Интересно, что большие белые цветки душистого табака раскрываются в вечернее время, днем они обычно закрыты. А опыляют эти цветки сумеречные бабочки. Причем интенсивный цветочный аромат цветков этого растения приманивает насекомых издалека. А венчики белого цвета хорошо различимы в темноте.
В опылении цветков огурцов также принимают участие насекомые, чаще пчелы. В сельском хозяйстве часто выращивают огурцы в теплицах. Поскольку там пчел нет, чтобы получить урожай, необходимо вручную опылять цветки. Процесс опыления заключается в переносе с помощью кисти пыльцы с цветка на цветок. Эта работа трудоемкая и длительная. В настоящее время из положения нашли выход. В теплицах размещают маленькие ульи с пчелами, которые опыляют растения и помогают получить хороший урожай.
Часто у растений мелкие цветки составляют соцветия, как например, у подсолнечника. Таким образом, насекомые с далекого расстояния замечают эти соцветия, что способствует перекрестному опылению посредством насекомых.
Также перекрестное опыление может осуществляться при помощи ветра. Это связано с тем, что не у всех растений есть яркие цветки с нектаром и сильным запахом. На отдельных растениях, к примеру, многих деревьях (ива, тополь), злаковых растениях (рожь, кукуруза), кустарнике (лещина), распускаются мелкие бледные цветки, которые не содержат нектара и без запаха. Поэтому они не привлекают насекомых и опыляются с помощью ветра.
Можно самостоятельно понаблюдать летом за процессом опыления ржи. Придите на поле ржи ясным солнечным утром. Яркое солнце уже согревает землю. Три тычинки каждого из цветков этого растения свисают вниз на длинных тычиночных нитях. Их пыльники, содержащие пыльцу, качаются под порывами даже легкого ветерка. Со временем пыльник лопается. Тогда освобождается светлое облачко сухой пыльцы, рассеивающейся вокруг. В это же время перистые рыльца обнажаются из цветка. Это благоприятствует попаданию пыльцы с цветков одного растения на рыльца других. Это описание перекрестного опыления посредством ветра.
Что значит перекрестное опыление?
Чтобы понять чему способствует перекрестное опыление растений, проследим путь развития у них этого важного свойства.
История развития зеленого мира
Известно, что в далеком прошлом, когда единственными представителями зеленого мира являлись одноклеточные водоросли, у них наряду с простым делением возникло слияние двух клеток с образованием новой клетки, способной снова размножаться простым делением.
Одноклеточные водоросли. У многоклеточных водорослей уже были специальные части тела, образующие мужские и женские клетки.
Первые формы опыления растений
С выходом водорослей на сушу, когда размножение стало осуществляться в условиях воздушного окружения, возникли первые ветроопыляемые растения. Появление различных насекомых привело к связи между ними и цветковыми растениями: некоторые насекомые стали питаться пыльцой. Но благодаря этому насекомые оказались невольными переносчиками пыльцы с цветка на цветок.
Опыление насекомыми. Таким образом, кроме ветра, у растений появились и другие посредники при опылении — насекомые. Конечно, это не шло во вред растениям, наоборот, новая форма опыления оказалась более совершенной.
С этого времени между насекомыми и некоторыми цветковыми растениями возникают новые виды связей, которые привели к изменению как цветков, так и их опылителей — насекомых.
Приспособления, облегчавшие насекомым распознавание растений
Несомненно важное значение для укрепления связи между опыляемыми растениями и, насекомыми-опылителями имели приспособления, облегчавшие насекомым распознавание растений. Так, естественный отбор идет по линии развития яркого околоцветника.
Постепенно у многих растений в цветке возникает дополнительное средство привлечения насекомых — клетки, выделяющие сахаристое вещество. Впоследствии из этих клеток произошли нектарники.
Некоторые растения выделяют пахучие вещества. Эти вещества возникли, вероятно, как полезное защитное приспособление (защита от высыхания, от врагов), а позднее стали служить для насекомых средством распознавания растений. Такова в самых общих чертах картина усовершенствования перекрестного оплодотворения.
Польза перекрестного оплодотворения
Совершенствование перекрестного оплодотворения в процессе исторического развития служит еще одним доказательством полезности его для жизни зеленого мира. Но в чем эта польза? Вспомним процесс оплодотворения. После опыления пыльца прорастает, образуя тончайшую пыльцевую трубочку, которая проникает вглубь пестика, где находится завязь.
В завязи имеется семяпочка (одна или несколько), а в семяпочке — яйцеклетка. Из последней и развивается зародыш нового растения. Однако возникновение этого зародыша возможно лишь в том случае, если произойдет оплодотворение, то-есть мужская клетка по пыльцевой трубочке проникнет в яйцеклетку и они сольются.
Но одинаковы ли будут по своим качествам оплодотворенные клетки, получившиеся в результате самоопыления и перекрестного опыления? Конечно, не одинаковы. Когда происходит самоопыление и самооплодотворение, то сливаются, то-есть взаимно ассимилируют друг друга, две половые клетки, совсем или почти совсем одинаковые по своей наследственности, так как они образованы одним и тем же организмом.
Наследственность у новой клетки будет почти такая же, как и у каждой из двух слившихся клеток в отдельности. А это значит, что в обмене веществ нового организма ничего не изменяется, приспособленность его к условиям жизни останется той же, без изменений. Иное происходит при перекрестном опылении и оплодотворении.
Здесь сливаются две клетки от двух организмов с разной наследственностью. Пусть это растения одного вида, но живущие в несколько различных условиях, значит, и наследственная природа их будет несколько различаться.
Перекрестное опыление орешника
Взять, например, два куста орешника в одном и том же лесу. Когда-то их предок-орешник дал потомство, от которого впоследствии возникли эти кусты. Прошло, быть может, много поколений. Растения существовали в сходных, но все же не тождественных условиях: по-разному питались, росли при неодинаковом освещении, увлажнении и т. д.
Они остались растениями одного вида, но от поколения к поколению расходились. Иногда очень легко обнаружить разницу кустов орешника даже по наружным признакам — например, по форме орехов. Для своей жизни эти два разошедшиеся растения уже нуждались и в несколько различных условиях.
А когда ветер перенес пыльцу от сережки одного куста на рыльце пестика другого и произошло перекрестное оплодотворение, то в возникшем из такой клетки зародыше сочетались уже две наследственности — от двух несколько разных кустов орешника.
Лесной орех. Растение, выросшее из образовавшегося семени, имеет несколько иной обмен веществ и проявляет большую приспособленность к окружающей среде. Возникновение новых приспособлений к жизни у растений зависит еще и от того, в каких условиях будет происходить их развитие.
Необходимо помнить, что растение развивается как под действием наследственности, выработавшейся в сходных условиях на протяжении многих поколений, а поэтому более или менее устойчивой, так и под действием изменчивости, проявляющейся под влиянием изменения обмена веществ в зависимости от окружающих условий.
Изменение условий жизни организма всегда влияет на обмен веществ, но это влияние может быть и очень значительным и совсем ничтожным. Перекрестное опыление поэтому и дает большую возможность проявиться творчеству в природе, то-есть возникновению чего-то нового, полезного для жизни растения.
Но в природе не существует направленности: сохранение или закрепление того или иного качества определяется полезностью этого качества в данных условиях.
Перекрестное опыление растений в работе И.В. Мичурина
Иван Владимирович Мичурин своими замечательными работами показал, как можно успешно управлять развитием растений, используя перекрестное опыление растений. При создании новых сортов он обычно использовал растения, полученные перекрестным опылением от пар с разной наследственностью.
Для перекрестного опыления он подбирал растения и географически отдаленные, то-есть из мест, отличающихся различными физико-географическими условиями жизни, и отдаленные по родству — лучшие далекие разновидности и даже виды.
Но самое главное заключается все же не в получении помеси (гибрида), а в воспитании у него требуемых качеств. Мичурин, проявляя тонкую наблюдательность, находчивость и глубокое понимание сложности живого организма, создал свою замечательную систему воспитания гибридных растений.
Он воздействовал на молодой, неустойчивый гибрид, изменяя условия его существования: почву, температуру, влажность, яркость освещения и т. д., подбирая такие условия, которые способствовали бы формированию у растения наиболее ценных для нас качеств.
Ученый считал, что если организм будет развиваться из семени, полученного в результате перекрестного опыления растений с несколько различной наследственностью, он окажется более отзывчивым на изменение условий окружающей его среды. Мичурин воздействовал на молодой организм направленно, учитывая особенности наследственной природы каждой из взятых для скрещивания форм, тщательно изучая влияние, которое могут оказать на развивающееся растение те или иные условия жизни.
Для перекрестного опыления Мичурин подбирал такие сочетания растений, которые в естественных условиях не встречаются. Возможно ли, например, естественное перекрестное опыление дикой груши из лесов Приморья с культурной формой такой же груши из Крыма или Южной Франции? Ясно, что это совершенно исключено.
А между тем перекрестное опыление именно таких географически далеких форм и может дать помеси (гибриды) с очень ценными качествами, если, конечно, удастся путем направленного воспитания закрепить и развить их. При опылении далеких по своему происхождению форм, которые существенно отличаются друг от друга по обмену веществ, оплодотворение не наступает.
Такие растения, как правило, или не дают семян, или они оказываются не всхожими. Можно ли добиться перекрестного оплодотворения и получить помеси между ними? Мичурин установил, что разные по своей природе растения легче сращиваются, чем скрещиваются: клетки их тела по обмену веществ ближе между собой, чем специализированные клетки, участвующие в оплодотворении.
Мичурин применял различные способы сращивания растений, пытаясь сблизить их биологически, сделать более сходными, родственными по обмену веществ. Как известно, его опыты увенчались полным успехом. Метод сращивания Мичурин широко использовал для воспитания растений. Впервые в мире он применил метод ментора (воспитателя) — воспитание растения с помощью другого растения.
Скрещенные сорта яблонь. Прививая в крону молодого растения веточки взрослых деревьев от одного или нескольких сортов, Мичурин стремился воздействовать привоем (растением, которое прививается) на подвой (растение, на котором делается прививка) и изменить у подвоя обмен веществ в желательную сторону.
Он использовал также воспитываемое растение и как привой, приращивая его к взрослому растению, чтобы передать через изменение обмена веществ те или иные ценные качества последнего своему воспитаннику. Метод ментора — искусственный прием, но он также основан на общем законе жизни: свойстве белков самообновляться и изменять ход этого самообновления под воздействием условий среды.
Иван Владимирович Мичурин создал новое направление в биологии, указал пути дальнейшего овладения сложнейшими явлениями в жизни растений, связанными с обменом веществ. Этими путями в нашей стране идут тысячи продолжателей великого дела Мичурина.