Rozmnožovanie rastlinných buniek: Pohlavné a nepohlavné procesy
Rozmnožovanie je základný biologický proces zabezpečujúci zachovanie druhu a prenos dedičných vlastností z rodičov na potomkov. U rastlín existujú dva základné spôsoby rozmnožovania: pohlavné (generatívne) a nepohlavné (vegetatívne).
Pohlavné rozmnožovanie rastlín: Od opelenia k semenu
Rastliny prechádzajú počas svojho života určitým životným cyklom, nazývaným ontogenéza alebo ontogenetický vývin. Kľúčovou fázou pre pohlavné rozmnožovanie je kvitnutie, kde rastlina vytvára špeciálne orgány - kvety, ktoré sú dôležité pre zachovanie jej druhu.
Kvet: Pohlavný orgán rastliny
V kvete sa nachádzajú samčie i samičie pohlavné orgány. Samčie sa nazývajú tyčinky a samičí piestik. Kvet v tyčinkách vyrába peľ. Ten včela, vietor alebo aj voda prenesú z tyčinky na piestik. Tento proces prenosu peľu na bliznu sa nazýva opelenie. Podľa pôvodu peľu rozlišujeme samoopelenie (autogamiu) a cudzoopelenie (alogamiu). Rastliny sa samoopeleniu bránia autoinkompatibilitou (biochemický blok) alebo časovým nesúladom dozrievania orgánov.
Oplodnenie a vznik zygoty
Po opelení nasleduje druhý krok - oplodnenie, splynutie samčej a samičej pohlavnej bunky. Samčia pohlavná bunka u rastlín sa nazýva spermatozoidy alebo spermie, samičia oosféra. Ako jediné vznikajú redukčným delením - meiózou. Pri tomto delení sa znižuje počet chromozómov na polovicu. Je to dôležité, pretože pri oplodnení splynie samčia a samičia pohlavná bunka, vznikne jedna dôležitá bunka, ktorú nazývame zygota. Z tejto jednej jedinej bunky vznikne rastlina. V jadre zygoty je uložená genetická informácia, kde je zapísané, ako bude rastlina vyzerať, aké bude mať vlastnosti, kvety, korene, listy.
Vývin semena a plodu
Po vzniku sa zygota začína hneď deliť. V priebehu embryonálneho vývinu sa postupne vyvíja celá klíčna rastlina. Semenné rastliny majú vajíčko mnohobunkové a predstavuje v podstate samičí gametofyt. Samotná samičia generatívna bunka oosféra sa vytvára až vnútri vajíčka. Z oplodneného vajíčka sa vyvíja semeno chránené pevným osemením (testa), ktoré vzniklo z pôvodných vajíčkových obalov. Pre úspešný vývin a následné klíčenie sa v semene, predovšetkým v endosperme, koncentrujú kľúčové živiny a veľké množstvo fosforu. Semeno následne stratí väčšinu vody (jej obsah klesne na 5-20 %) a prechádza do ochranného stavu spánku (dormancie). Z oplodneného vajíčka sa vyvíja plod, ktorý chráni semená a často napomáha ich šíreniu.
Nepohlavné (vegetatívne) rozmnožovanie: Klony materskej rastliny
Ľudia už dávno zistili, že rastliny sa môžu rozmnožovať nielen semenami (pohlavne), ale aj vegetatívne (nepohlavne). Pri nepohlavnom rozmnožovaní vzniká nový jedinec z telových buniek rodiča. Potomstvo je geneticky zhodné s materskou rastlinou.
Typy nepohlavného rozmnožovania
- Rozmnožovanie pomocou spór (výtrusov): Nový jedinec môže vznikať zo spóry (výtrusu), ktorá sa tvorí v sporangiofóroch (výtrusniciach). Tento spôsob je typický pre tzv. výtrusné rastliny, medzi ktoré patria machorasty, prasličky, plavúne a paprade. Výtrusy sú nepohlavné rozmnožovacie častice, ktoré vznikajú redukčným delením.
- Rozmnožovanie z vegetatívnych častí: Nový jedinec vzniká z vegetatívnej časti materského organizmu. Táto časť si zachováva rovnaký genotyp ako materská rastlina. Medzi bežné spôsoby patria:
- Podzemky (rizómy): Podzemné stonky, ktoré slúžia na ukladanie zásob a rozmnožovanie (napr. pýr, kostihoj).
- Hľuzy: Zhrubnuté časti rastlín (napr. zemiak, kaleráb), ktoré obsahujú zásoby živín a púčiky na regeneráciu. Podzemková hľuza je zhrubnutý zásobný podzemok stonkového pôvodu, stonková hľuza je nadzemná alebo podzemná metamorfóza plniaca zásobnú aj reprodukčnú funkciu.
- Cibuľa: Podzemná časť rastliny tvorená skrátenou stonkou a dužinatými listami, ktoré slúžia na ukladanie zásob (napr. tulipán, cesnak).
- Odrezky: Časti stonky, ktoré sa po zasadení do pôdy zakorenia a vytvoria novú rastlinu. Vegetatívne rozmnožovanie listov sa dá robiť aj doma, kedy sa list zakorení v nádobe s vlhkým pieskom po použití rastových látok typu auxínov.
- Poplazy (stolóny): Horizontálne plazivé stonky, ktoré rastú po povrchu a zakoreňujú priamo vo svojich uzloch (napr. jahoda).
- Listy: Na nepohlavné rozmnožovanie môžu slúžiť priamo aj listy. Ak list z rastliny odrežeme, snaží sa byť znovu samostatný, znovu získa štatút komplexnej rastliny, a preto dochádza k regenerácii rastliny.
Rozmnožovanie rastlín in vitro: Moderné biotechnológie
Z jedného listu môžeme získať jednu alebo dve rastliny. To sa však ľuďom voľakedy málilo - chceli ich získať čo najviac. Preto sa začalo rozvíjať rozmnožovanie v podmienkach in vitro - rozmnožovanie v malých priestoroch z malých častí.
Princípy in vitro kultivácie
Základom práce in vitro sú dve unikátne vlastnosti rastlinných buniek:
- Totipotencia (resp. pluripotencia): Každá rastlinná bunka má vo svojom jadre kompletnú genetickú výbavu na to, aby sa z nej mohla vyvinúť akákoľvek iná bunka alebo aj úplne nová rastlina.
- Dediferenciácia: Schopnosť špecializovanej trvácej bunky vrátiť sa späť do nediferencovaného (meristematického) stavu. Diferenciácia je proces, keď sa z čohosi jednoduchšieho stáva niečo zložitejšie. Dediferenciácia je opačný proces - bunka sa vo vývine akoby vracia späť, prestáva fotosyntetizovať, dostáva sa do stavu, keď znovu vstupuje do bunkového cyklu a znovu je schopná deliť sa.
Proces in vitro rozmnožovania
Na rozmnožovanie in vitro potrebujeme materiál, respektíve nejakú časť z neho, nazývanú explantát. Môže to byť list, časť listu, stonka či jedna jediná bunka alebo protoplast (rastlinná bunka, ktorú chemicky zbavíme bunkovej steny). Podmienky in vitro vytvoríme tak, že sa zvýši regeneračný potenciál rastliny. Základom optimálnych podmienok je príprava živného média. Najznámejšie je MS médium, odvodené od mien pánov Murashige a Skooga, ktoré obsahuje sacharózu (zdroj energie a uhlíka), vitamíny, vodu, aminokyseliny a agar.
Očkovanie, rozmnožovanie a nakladanie na živné médiá sa robí v špeciálnych očkovacích boxoch. Keď je všetko vysterilizované a naočkované na pripravené médiá, pestujeme explantáty v špeciálnych kultivačných komorách, kde sú nastavené vhodné fyzikálne podmienky na kultiváciu. Výsledkom týchto procesov je kalus. Kalus je skupina dediferencovaných buniek, ktoré sa opakovane delia a neorganizovane rastú, lebo zabudli spolu komunikovať. V prírode ho môžeme vidieť ako závalové pletivo, ktorým rastlina hojí rany (napríklad na mieste odrezaného konára). V laboratóriu sa využíva tak, že aj z malého kúska rastliny (alebo z jednej bunky) sa v živnom roztoku vypestuje masa kalusu.
Ak chceme regenerovať celú rastlinu formou organogenézy, musíme to urobiť v dvoch etapách: v prvej vznikne výhonok a v druhej ho odizolujeme na vhodné kultivačné médiá a regenerujeme koreň. Druhá je cesta somatickej embryogenézy, ktorá je bipolárna štruktúra, ktorá vznikla zo somatickej bunky, a má dva póly - apikálny meristém koreňa a stonky.
Pri prenose rastlín do pôdy si však musíme dávať pozor, aby sme ich aklimatizovali. Ak by sme to neurobili, veľká časť týchto rastliniek by vyhynula. Napríklad mäsožravé rastliny, ktoré rastú v pôde s nízkym obsahom dusíka a fosforu, sú často rozmnožované in vitro z dôvodu ich ochrany pred vyhynutím.
Bunkový cyklus a delenie buniek
Vznikom novej bunky sa začína séria procesov označovaných ako bunkový cyklus. Ten sa delí na dve hlavné fázy: interfázu (fáza rastu) a bunkové delenie (amitóza, mitóza, meióza).
Interfáza
Interfáza sa vyznačuje intenzívnym metabolizmom a možno ju rozdeliť do troch častí:
- G1- fáza (postmitotická fáza): Začína vznikom bunky, prebiehajú tu anabolické procesy (syntéza RNA, bielkovín). G1- fáza je kontrolný uzol bunkového cyklu.
- S- fáza (syntetická fáza): Prebieha replikácia DNA, výsledkom je zdvojnásobenie genetického materiálu v bunke (bunka je tetraploidná), chromozóm pozostáva z 2 identických chromatídov.
- G2- fáza (predmitotická fáza): Bunka sa pripravuje na delenie a pokračuje delenie ostatných organel (napr. plastidov, Golgiho aparátu, EPR). Prebieha pred mitózou.
Bunkové delenie
Mitóza: Mitózou sa rozmnožujú telové (somatické bunky). Mitotický aparát zabezpečuje rovnomerné rozdelenie genetického materiálu medzi dcérskymi bunkami. Zahŕňa karyokinézu (delenie jadra) a cytokinézu (delenie cytoplazmy).
- Karyokinéza:
- Profáza: Dve centrioly sa od seba oddelia a pohybujú sa k opačným pólom bunky, jadrová membrána sa rozpadáva.
- Metafáza: Chromozómy sú zoskupené v tzv. metafázovej platničke.
- Anafáza: Chromatídy sa oddeľujú a putujú k opačným pólom.
- Telofáza: Vznikajú dve nové jadrá.
- Cytokinéza: Prebehne po karyokinéze a rozdelí bunku na dve dcérske bunky.
Meióza: Pomocou meiózy vznikajú pohlavné bunky (gaméty). Meióza je redukčné delenie, pri ktorom sa z diploidnej materskej bunky (2n) s dvoma sadami chromozómov tvoria štyri haploidné dcérske bunky (n) s jednou sadou chromozómov. Replikácia DNA prebehne len raz na začiatku, kým cytokinéza dvakrát. Meióza sa skladá z dvoch častí:
- Heterotypické delenie (meióza I): Dochádza k redukcii počtu chromozómov na polovicu. Profáza I má päť štádií: leptoténne, zygoténne (vznikajú páry homologických chromozómov tzv. bivalenty), pachytenné, diploténne, diakynéza (zanikajú chiazmy, chromozómy sa špiralizujú).
- Homotypické delenie (meióza II): Je podobné mitóze, kde sa oddeľujú sesterské chromatídy.
Pletivá rastlín: Špecializácia buniek
Celá rastlina je tvorená z celých orgánov, pletív a buniek, ktoré sa od seba odlišujú. Bunky schopné deliť sa nájdeme v meristéme stonky, kde sa ďalej delia a zvyšuje sa ich počet - prebieha postembryonálny vývin. Tieto jednotlivé bunky sa však od seba odlišujú - špecializujú sa na vykonávanie určitých funkcií.
Delivé pletivá (meristémy)
Meristémy umožňujú rast rastlinného tela. Ich jedinou a primárnou úlohou je neustále sa deliť. Bunky meristémov (nazývané aj iniciály) sú malé, parenchymatické, majú tenkú bunkovú stenu, veľa cytoplazmy a pomerne veľké jadrá. Nachádzajú sa v rastových vrcholoch stonky a koreňov (kde tvoria protomeristém).
- Kambium: Tvorí druhotné drevo a lyko.
- Felogén: Korkotvorné pletivo, ktoré obnovuje praskajúcu a opadávajúcu kôru.
Trváce pletivá
Trváce pletivá vznikajú diferenciáciou z meristémov a stratili schopnosť deliť sa. Delia sa na:
- Krycie pletivá: Tvoria vonkajší ochranný kryt rastliny (pokožka - epidermis, periderma).
- Prieduchy (stomata): Zabezpečujú výmenu plynov (CO₂ a O₂) a regulované odparovanie vody (transpiráciu).
- Hydatódy: Špecifické prieduchy bez schopnosti zatvárať sa, slúžia na gutáciu.
- Chlpy (trichómy) a emergencie: Modifikované výrastky pokožky s rôznymi funkciami (krycie, žľaznaté, absorpčné, pŕhlivé).
- Vodivé pletivá: Tvoria súvislú vodivú sústavu na prenos látok.
- Drevná časť (xylém): Vedie transpiračný prúd (vodu s rozpustenými minerálmi z koreňa do nadzemných častí). Tvoria ju cievice a vlastné cievy.
- Lyková časť (floém): Vedie asimilačný prúd (organické látky z listov do zvyšku rastliny a zásobných orgánov). Tvoria ju sitkovice.
- Základné pletivá: Vypĺňajú všetky priestory medzi vonkajším krycím pletivom a vnútorným vodivým pletivom.
- Parenchým: Najmenej špecializované pletivo tvorené z tenkostenných buniek, ktoré majú po celý čas živý protoplast.
- Kolenchým: Tvorený bunkami, ktoré zostávajú živé, ale ich bunkové steny sú nerovnomerne zhrubnuté a zvyčajne nemajú medzibunkové priestory. Poskytuje mechanickú oporu v mladších orgánoch.
- Sklerenchým: Najpevnejšie pletivo tvorené bunkami v konečnom štádiu s odumretým protoplastom. Poskytuje oporu dospelým častiam rastlín.
tags: #rozmnozovanie #rastlinnych #buniek