Pollenrör som grodde i pollen från lilja ( Lilium sp. ) (överst) och camellia japonica ( Camellia japonica L. ) (nederst) |
Pollenrör ( lat. tubus pollinicus ) är en cytoplasmatisk rörformig utväxt av den vegetativa cellen i pollenkornet från fröväxter [1] [2] [3] [4] . Pollenröret säkerställer leveransen av manliga könsceller till befruktningsplatsen [1] . Denna metod för könsceller leverans kallas sifonogami [5] [6] .
Bildandet av ett pollenrör sker under groningen av pollenkorn som befinner sig i optimala förhållanden. Pollenkorn frigörs från mikrosporangier i ett tillstånd av fysiologisk dvala : uttorkat och med en extremt långsam metabolism . I detta avseende föregås pollenkornens groning av återställandet av dess vattenstatus (rehydrering), vilket åtföljs av en förändring i formen och återställandet av kornvolymen (harmomegaty) [7] [8] . Rehydrering initierar aktiveringen av metaboliska processer i protoplasten av den vegetativa cellen av pollenkornet , som bildar röret.
Under laboratorieförhållanden är det ganska enkelt att välja lämpliga förhållanden och säkerställa groning av pollenkorn i in vitro- odling . På grund av den enkla odlingen på konstgjorda medier fungerar pollenrör som ett modellsystem för att studera mönstren för polär celltillväxt, vilket också är karakteristiskt för rothår , mossprotonema , svamphyfer och nervcellers axoner [ 9 ] [10 ] . Dessutom fungerar pollenkornet och pollenröret som en bekväm modell för att studera frisättningen av en cell från ett tillstånd av fysiologisk dvala.
Under naturliga förhållanden sker groning av pollenkorn efter pollinering . Pollinering kan definieras som processen att överföra pollen med hjälp av en vektor till ytan av pistillens stigma (i angiospermer ) eller in i den befruktande droppen (i de flesta gymnosperms ). Oftast överstiger mängden pollen och de resulterande pollenrören på stigmat eller i embryonalkammaren antalet ägglossningar som kan befruktas, så pollenrören konkurrerar med varandra [5] [11] .
Efter groning växer angiospermpollenröret mot embryosäcken och ger leverans av manliga flagellatfria gameter (spermier) för dubbel befruktning [1] . Tillväxtriktningen tillhandahålls av ett komplext system av kemoattraktion [1] [12] [13] . Hos angiospermer sker tillväxten av pollenröret längs det ledande området av pistillens stil , som kan vara en ledande vävnad och/eller en specialiserad kanal av stilen fylld med en speciell hemlighet [14] .
När det når embryosäcken kommer pollenröret in i den och spricker, vilket frigör cytoplasman som innehåller spermierna. Detta följs i typen av fusion av en av spermierna med ägget och den andra spermien med den diploida centrala cellen (dubbel befruktning).
En av de första, men felaktiga, beskrivningarna av pollenröret gavs av den skotske botanikern Robert Brown (1773-1858). Brown har i vissa fall spårat bildandet av ett pollenrör från ett pollenkorn till äggstocken och mikropylen på ägget . Ändå trodde han att pollenrör också kunde dyka upp i kolonnvävnaden oberoende av pollenkorn [15] .
Större framgång i sina observationer uppnåddes av den italienske botanikern Giovanni Battista Amici (1786-1863). 1823, medan han undersökte stigmatiseringen av en portlak ( Portulaca oleracea ), visade Amici grobarheten av pollenkorn och inträngningen av pollenrör i stigmatets vävnad [16] [5] .
Lite senare, 1827, gjordes liknande observationer på ett stort antal stigmas av den franske botanikern Adolphe Theodore Brongniart (1801-1876) [15] .
Senare, 1830, återvände Amici till studiet av pollenrörets tillväxt och visade med säkerhet på portulaken och hibiskusen ( Hibiscus syriacus ) att, bildade av pollenkorn på stigmat, växer pollenröret genom stilen och tränger in i äggstocken och vidare in i äggstocken [15] . Den tyske botanikern Matthias Schleiden uttryckte en overifierad hypotes att pollenröret bär embryot från en liten växt i spetsen, och ägglossets embryosäck fungerar som en inkubator där embryot mognar [15] . En sådan felaktig syn på växtförökningen påverkades uppenbarligen av preformismen på 1600- och 1700-talen. Schleidens unga tyske botaniker, Schleidens assistent, Hermann Schacht, höll med om en liknande uppfattning [15] . Amici höll inte med om denna uppfattning och föreslog vid kongressen för italienska naturforskare i Padua 1842 att pollenröret skulle införa ett befruktande ämne i ägglosset, vilket tjänar till den vidare utvecklingen av embryot ( epigenes ). År 1847 demonstrerar Amici on orchis ( Orchis sp. ) i detalj processen för groning av pollenröret, dess tillväxt och ytterligare penetration in i ägglosset. Samtidigt påpekar Amici också att det i ägget, innan pollenrörets penetration, finns en "speciell kropp" eller "embryonal vesikel", som under påverkan av pollenröret börjar utvecklas och därefter bildar växtens embryo [15] .
Den tjeckiske botanikern Jan Evangelista Purkinje (1787-1869) studerar också pollen [15] . Ett viktigt arbete "Om strukturen och former av pollenkorn" som klassificerade pollenkorn 1834 publicerades av den framstående tyske botanikern Hugo Von Mol [15] . Botanikern Carl Fritzsche (1808-1871) fortsätter de morfologiska studierna av pollen, arbetande vid St. Petersburgs vetenskapsakademi, och 1837 publicerar han sitt arbete Om pollen [15] . Bildandet av pollenkorn från moderceller demonstrerades av Carl Wilhelm von Negeli i hans 1842 arbete "On the History of Pollen Development" [15] .
Pollen från många växter kan gro på konstgjorda medier in vitro . Framgången för odlingen beror på ett antal faktorer:
I ett antal växter (vissa representanter för orkidéer ) gror pollen i vatten med låg halt av mineralsalter och i frånvaro av sackaros. Även om långsiktig tillväxt inte är möjlig.
Rollen för Ca 2+ och H 3 BO 3Bland mineralsalter spelar kalcium (Ca 2+ ) [17] och bor (vanligtvis i form av borsyra, H 3 BO 3 ) [18] den viktigaste rollen för kornens groning och tillväxten av pollenrör hos många arter . Samtidigt, i vissa fall, som i majs , kan tillsatsen av dessa komponenter separat minska andelen groning, och i vissa fall tillväxthastigheten [19] . Men den kombinerade tillsatsen av kalcium och bor ökar som regel både procentandelen av groddar och tillväxthastigheten för grodda rör [19] .
Andra komponenter i mineralnäringFör att optimera groning och tillväxt tillsätts som regel andra salter ( K + , NO 3 - ) till mediet.
Det är särskilt svårt att uppnå framgångsrik odling av pollen från representanter för familjerna Spannmål (Gramineae) , Ljung (Ericaceae) , Compositae (Compositae) , Lin (Linaceae) [20] .
Morfologiskt är pollenröret en utväxt av den vegetativa cellen hos den manliga gametofyten hos blommande växter. Inuti en vegetativ cell kan man förutom kärnan och andra organeller hitta en generativ cell (i tvåcelliga pollenkorn) eller två spermieceller (i trecelliga pollenkorn). Om pollenkornet är tvåcelligt, sker under tillväxten av pollenröret mitos av kärnan i den generativa cellen och cytokines, vilket resulterar i bildandet av två spermier.
När pollenröret växer, rör sig den vegetativa kärnan och två spermieceller, som tillsammans utgör den manliga gametemodulen (manlig könsenhet, MGU), framåt och upptar en plats nära den växande toppen av röret. Så de kommer till embryosäcken, där de befruktar [2] .
Ett växande pollenrör kännetecknas av zonindelning av cytoplasman [4] [21] [22] . Följande domäner kan särskiljas (med början från den växande spetsen):
Som ett resultat av pollinering landar pollenkorn på pistillens stigma . I brist på rörelseorgan uppnår pollenkornet, genom tillväxt, samma mål som skulle kunna uppnås med hjälp av rörelseorganen (i detta avseende liknar pollenkornet organen hos högre gröna växter ) [2] .
Efter att det uttorkade pollenkornet har hamnat på pistillens stigma, sker dess rehydrering, metabolism aktiveras, den vegetativa cellens cytoplasma polariseras och polär riktad tillväxt börjar.
Rehydrering uppstår på grund av flödet av vatten från stigmatens vävnader, medan volymen och formen på pollenet återställs. Som ett resultat av rehydrering exponeras således öppningar - områden där det yttre skalet på pollenkornet ( exine ) saknas - utåt.
I ett hydratiserat pollenkorn aktiveras andning, proteinsyntes och jonströmmar.
Polarisering inkluderar: omorganisation av cytoskelettet, migration av den generativa cellen (i trecelliga korn - spermier), den vegetativa kärnan, vesiklar från Golgi-apparaten och mitokondrier till öppningen, i det område där pollenröret kommer att gro .
Bland alla andra celler med polär tillväxt verkar angiospermpollenrör ha den högsta töjningshastigheten under optimala förhållanden [23] . Samtidigt, bland angiospermer, varierar pollenrörets tillväxthastighet kraftigt hos olika arter från 10 till mer än 20 000 μm h −1 [23] . Som jämförelse är den genomsnittliga förlängningshastigheten för axoner av neuroner och rothår cirka 20-50 μm h -1 [24] . Sådana skillnader är inte förvånande eftersom det naturliga urvalet , när det gäller pollenrör, syftar till att leverera spermier så snabbt som möjligt till embryosäcken för befruktning. Det är därför det i generationer finns ett urval av gener som kan ge den högsta tillväxthastigheten för pollenröret i förändrade miljöförhållanden; med obligatoriskt bevarande av riktning [5] .
Tabellen nedan visar den genomsnittliga tillväxthastigheten för pollenröret under optimala förhållanden för vissa växtarter. Det bör noteras att förlängningen av röret inte sker med noll acceleration , det vill säga tillväxten är ojämn.
växttyp | Genomsnittlig tillväxthastighet, μm h −1 | Länk |
---|---|---|
Lilium sp. (Lilja) | 720 - 1080 | [11] [24] |
Oenothera sp. (Oslinnik) | 6 500 | [25] [26] |
Zea sp. (Majs) | 10 080 | [elva] |
Tradescantia sp. (Tradescantia) | 14 400 | [27] [24] [4] |
Hemerocallis sp. (Dagslilja) | 14 400 | [27] [24] [4] |
Cichorium intybus (cikoria) | 39 000 | [1] [28] |
Snabb polär tillväxt är möjlig endast under förhållanden med intensiv energimetabolism , under vilka energin hos polymerer som lagras i pollenkorn eller energin från ämnen som kommer utifrån omvandlas till en konvertibel form av cellulärt energi- adenosintrifosfat (ATP) [29] .
Syreförbrukning Cytoplasmatisk glykolys Plastidglykolys FermenteringAlkoholfermentering inkluderar två på varandra följande reaktioner [1] :
Enligt den allmänt accepterade uppfattningen tjänar olika former av jäsning till att utnyttja pyrodruvsyra, som bildas vid glykolys och regenerering av oxidationsmedlet - NAD + [29] . NAD + krävs för att upprätthålla glykolytisk hexosoxidation och ATP- syntes under substratfosforylering under anoxiska (anaeroba) förhållanden. En sådan roll tilldelas jäsning i växter, till exempel under frögroning , syrebrist i rötterna till följd av översvämning [1] [30] . Emellertid har pollenrör från ett antal växter ( petunia och tobak ) visat sig producera betydande mängder etanol (upp till 100 mM) under alkoholjäsning även under förhållanden med god syretillförsel (aerob jäsning) [31] . Samtidigt, i motsats till sporofytvävnaderna i vegetativa organ, är den huvudsakliga faktorn som styr fermenteringsintensiteten inte tillgången på syre, utan mediets kolhydratsammansättning [32] . Men knockout av alkoholdehydrogenasgenen i majs , nyckelenzymet för alkoholfermentering som ansvarar för minskningen av acetaldehyd och regenereringen av NAD + , resulterar inte i en minskning av pollenviabiliteten [33] . Detta faktum indikerar metabolismens höga plasticitet och förmågan att regenerera NAD + genom andra mekanismer, främst genom arbetet med elektrontransportkedjan för andning.
Pyruvatdehydrogenaskomplexet och dess cytoplasmatiska shuntI den manliga gametofytens vegetativa cell, liksom i de flesta andra organismer, kommer pyruvatet som bildas som ett resultat av glykolys in i mitokondriella matrisen , där det genomgår oxidativ dekarboxylering med deltagande av pyruvatdehydrogenaskomplexet (PDH), vilket resulterar i bildning av acetyl-CoA , som sedan är involverad i Krebs-cykeln [30] .
Dessutom har funktionen hos den cytoplasmatiska vägen som shuntar pyruvatdehydrogenaskomplexet (PDC-shunt eller PDH-bypass ) visats [11] [34] [35] [36] . Denna shunt involverar sekventiell:
Acetyl-CoA som bildas i cytoplasman transporteras till mitokondriella matrisen , där det går in i de biokemiska reaktionerna i Krebs-cykeln . Betydelsen av den cytoplasmatiska shunten av pyruvatdehydrogenaskomplexet i mitokondrier bekräftas genetiskt. Till exempel, i petunia ( Petunia hybrida ) med en icke-funktionell pollenspecifik pyruvatdekarboxylas ( pdc2 )-gen, observeras en minskning av tillväxthastigheter in vitro . Och under in vivo-förhållanden, när de växer i pistilvävnader, förlorar pollen med en knockout av pdc2 -genen konkurrensen med vildtyppollen [36] .
Krebs cykel Alternativt oxidas : shunt III- och IV - komplex av elektrontransportkedjan i andningenDet finns ingen entydig åsikt om förekomsten av alternativt oxidas (AOX) i pollenrörets mitokondrier. Å ena sidan visar transkriptomiska studier förekomsten av AOX1A- och AOX1B- mRNA i pollen från modellväxten Arabidopsis thaliana , både i korngroningsstadiet och i rörtillväxtstadiet. [37] Å andra sidan har studier av proteomet ännu inte avslöjat ett alternativt oxidas (AOX) i den manliga gametofyten hos fröväxter [38] [39] .
ATP ger generering på plasmamembranet av en annan form av konvertibel cellulär energi - en transmembran elektrokemisk gradient av protoner - Δμ(H + ). Genereringen av Δμ(H + ) i pollenröret, som i alla andra växtceller, tillhandahålls av H + -ATPas av P-typ plasmalemma . Δμ(H + ) kan användas av andra transmembrana transportsystem som en energikälla för att transportera ämnen över membranet mot deras gradient.
Syntes av cellväggspolysackarider Exocytos och endocytos Cytoplasmans rörelse Matrisprocesser och proteinsyntes (översättning)Förutsatt att det inte finns någon avstötning av pollenkorn (olika proteiner spelar en betydande roll i denna process), börjar pollenröret polär tillväxt mot embryosäcken. Mekanismerna för orienteringen av pollenröret i pistillvävnaden är inte väl förstått. Det antas att pollenröret växer i riktning mot kemiska signaler, dessutom kan tillväxtriktningen tillhandahållas av miljöförhållanden.
Polär tillväxt kännetecknas av lokal utsöndring av membranmaterial och cellväggsmaterial vid spetsen av växtröret. Tillväxten av pollenrör är en av de snabbast växande processerna bland levande organismer.
Beroende på hur pollenrören kommer in i ägglosset är denna process uppdelad i följande typer [40] :
Hos gymnospermer bildas pollenröret i ägglossets pollenkammare. Röret är inbäddat i kärnans vävnad och fungerar som en sugkopp som tar emot näringsämnen eller ger passage av manliga könsceller till den primära endospermen. Hos vissa växter framkallar grobarhetsfrämjande ämnen i stigma och pistill kemotropism i pollenröret, vilket styr dess tillväxt.
Ordböcker och uppslagsverk |
---|