Воспроизведение себе подобных — общее свойство любого организма. В индивидуальном развитии высших цветковых растений репродуктивный период связан с глубокими изменениями обмена веществ, физиологии, анатомии и морфологии отдельных органов и организма в целом.
Установлены многофакторность инициации (образование меристемами цветковых зачатков и предшествующие им преобразования) и регуляции цветения, разнообразие и видовая специфичность ответной реакции цветения растений на воздействие комплекса внешних условий. Конечный результат этих превращений — формирование генеративных органов, оплодотворение и образование плодов.
Цветок покрытосемянных растений представляет собой укороченный побег с видоизмененными листьями. Он состоит из чашечки, лепестков, андроцея и гинецея. Чашечка в большинстве случаев зеленая и образуется из свободных или сросшихся чашелистиков. Андроцей — совокупность тычинок, которые являются микроспорофиллами. Гинецей — один или несколько пестиков, состоящих из плодолистиков, или мегаспорофиллов. Нижняя часть пестика — завязь, в которой находится семенной зачаток — мегаспорангий, средняя часть — столбик, верхняя — рыльце.
Рассмотрим физиологические особенности опыления и оплодотворения как процессы взаимодействия между мужскими и женскими генеративными элементами.
Цитологические и биологические исследования показали, что при половой дифференциации тканей цветка формируются две комплементарные биохимические системы — мужская и женская. Сами по себе они малоактивны, а объединяясь, вызывают интенсивный метаболический процесс.
Ч. Дарвин в работе «Действие перекрестного опыления и самоопыления» указывал на большую чувствительность генеративных элементов цветков к внешним условиям. Он отмечал, что вряд ли существует в природе что-либо более удивительное, чем чувствительность половых элементов к внешним влияниям и утонченность их взаимного сродства. Некоторые небольшие изменения внешних условий или опыление собственной пыльцой могут привести к их полной стерильности и сделать растения фертильными при опылении пыльцой любой особи того же вида. Таким образом, Ч. Дарвин характеризовал женские и мужские генеративные элементы как очень реактивные и чувствительные к различным влияниям.
Большое внимание уделяется исследованию физиологически активных веществ, пыльцы типа ферментов, витаминов, ростовых веществ которые играют важную роль в оплодотворении.
По данным лаборатории фотосинтеза Украинской сельскохозяйственной академии, пыльца разных видов растений подсолнечника, укропа, кукурузы, конопли содержит различное количество сахаров (моно- и дисахаридов), каротиноидов, нуклеиновых кислот и аминокислот. В пыльце ветроопыляемых растений — кукурузы и конопли — много моно- и дисахаридов (10-13 мг%) по сравнению с пыльцой укропа, а в пыльце насекомоопыляемого растения подсолнечника отмечено большое количество моносахаридов (18,2 мг%) и очень мало дисахаридов (0,61 мг%). Пыльца кукурузы содержит очень мало каротиноидов (4,41 мг%) — почти в 30 раз меньше, чем пыльца подсолнечника и укропа (107-116 мг%). Содержание нуклеиновых кислот также разное: в пыльце конопли 749 мг%, укропа — 320, кукурузы — 201,5, а ДНК — соответственно 173,3, 78,8, 77,6 мг%, и совсем их нет у подсолнечника. Пыльца этих растений различается и по аминокислотному составу. Тирозин и триптофан обнаружены лишь в пыльце конопли, а в пыльце подсолнечника и укропа — аминокислоты из группы так называемых незаменимых (эссенциальных) аминокислот — треонин, валин, метионин, фенилаланин, лейцин.
Для пыльцы характерно высокое содержание свободного пролина, количество которого у некоторых видов достигает 1,5% массы сырого вещества, тогда как в пестиках его очень мало. Например, в пыльце кукурузы пролина в 6000 раз больше, чем в пестиках. Для очень редуцированного мужского гаметофита семенных растений аминокислота пролин является удобной формой запасного вещества, которое используется в различных направлениях, поддерживая высокий уровень метаболизма. В прорастающей пыльце и в тканях пестика свободный пролин используется для синтеза оксипролинсодержащих белков, необходимых для роста пыльцевых трубок и синтеза ферментов. Часть пролина вовлекается в процесс дыхания как источник энергии, освобождая при этом большое количество азота для синтеза новых аминокислот и белков (Н. Т. Кахидзе, Е. А. Бритиков, Н. А. Мусатов). Известно, что в семействах Лютиковые, Лилейные, Капустные, Пасленовые, Тыквенные и многих других пыльники, рыльце и цветоложе желтого цвета. Исследования С. И. Лебедева и др. показали, что желтый цвет андроцея и гинецея у растений этих семейств обусловлен наличием в пыльце и тканях пигментов каротиноидов. Установлено, что характерной особенностью пыльцы насекомоопыляемых растений (количество которых составляет 80% общего числа видов высших растений) является локализация каротиноидов во внешнем слое — экзине, который содержит липидные отложения в непластидном состоянии.
У ветроопыляемых растений каротиноидов почти нет, а у некоторых видов небольшое количество их связано протеидами пыльцевой клетки в интине. Пыльца с желтой или оранжевой окраской под влиянием рассеянного света приобретает запах β-ионона и напоминает запах фиалки или земляники. Это свидетельствует о разложении молекулы каротина (под действием света и кислорода) и отщеплении от нее колец β-ионона. По-видимому, запах пыльцы связан с летучими продуктами распада различных веществ, прежде всего каротина, и освобождением β-ионона.
Кроме провитамина А (каротина), в пыльце обнаружены витамины Е и В1. Прижизненное исследование внутренних тканей цветоложа цветков плодовых деревьев из семейства Розоцветные (абрикос, персик, слива, черешня и др.) показало, что внутренняя бесцветная сторона цветоложа возле основания имеет оранжевую окраску, которая обусловлена наличием в клетках большого количества хромопластов оранжевого цвета. Такая дифференциация в окраске внутренних тканей наблюдается и у цветков растений других семейств. Следует отметить, что у розоцветных тычиночные нити и пестик своими основаниями срастаются с нижней частью окрашенного цветоложа, из вегетативных клеток которой, по-видимому, образовались и развились тычиночные нити, пыльники и пыльца. Питание андроцея осуществляется непосредственно за счет клеток этих тканей цветоложа, снабжая пыльники каротиноидами.
Некоторые производные каротина, например желтый пигмент рыльца пестика шафрана — кроцин (гликозид дисахарида гентиобиозы и каротиноида кроцетина), а также некоторые соединения каротина с белками и лецитином хорошо растворяются в воде. Это свидетельствует о возможности передвижения каротиноидов в тканях растений. Каротиноиды локализуются в цветках многих растений в самой разнообразной форме: так, у Forsythia — в виде темно-желтых полос на желтых лепестках, у барбариса — в виде наростов оранжевого цвета; в основании маленького невзрачного мужского цветка скумпии (Colinus coggigria) имеется оранжевый диск, ткани которого с вросшими в него тычиночными нитями и пыльниками содержат значительное количество каротиноидов, и т. д.
У некоторых растений рыльце пестика также имеет каротиноиды. Например, у тыквы, тюльпана, шиповника пыльца и рыльце содержат каротиноиды, но их всегда больше в пыльце. В большинстве случаев пыльца и рыльце окрашены неодинаково — пыльца желтого или оранжевого цвета, а рыльце бесцветное. При попадании желтой пыльцы на бесцветное рыльце (опыление) оно окрашивается, пыльца обесцвечивается. Желтый пигмент с липидными отложениями «сползает» с пыльцы на рыльце пестика так, как это происходит при проращивании ее на агаровой питательной среде. Такое явление можно наблюдать при опылении белой акации, традесканции, цинерарии и других растений. Проникновение желтых пигментов каротиноидов пыльцы в ткани рыльца активизирует прорастание пыльцевых зерен. Проращивание пыльцы конопли, бегонии и других растений на питательных средах с добавлением чистого препарата каротина в концентрациях 0,0025 и 0,005% показало, что наличие этого пигмента в среднем положительно влияет на прорастание, причем количество прорастающих пыльцевых зерен возрастает. При повышении концентрации каротина в среде до 0,05% процент прорастающих пыльцевых зерен уменьшается почти вдвое.
При прорастании пыльцы каротиноиды (ксантофиллы) играют роль депо кислорода для окислительно-восстановительных реакций и стимулирующее действие их находится в прямой зависимости от содержания кислорода в молекулах пигментов — лютеина (С40Н56О2) и виолаксантина (С40Н56О4).
Рыльце, на которое попала пыльца, выделяет на поверхностных клетках капли жидкости, способствующие набуханию и прорастанию пыльцевых зерен. Таким образом, при опылении начинается активный обмен веществ между пыльцой и рыльцем.
Опыты со смесью пыльцы различных растений показали, что наличие в смеси одного компонента с высоким содержанием каротина (пыльца акации) способствовало лучшему прорастанию второго компонента смеси (пыльца бегонии или бузины), который почти не содержит каротиноидов. Однако наряду с положительным влиянием пыльцы с большим содержанием каротина на прорастание пыльцы, не содержащей каротина, наблюдается и отрицательное действие одного компонента смеси на другой. Например, пыльца подсолнечника и укропа (содержит много каротиноидов) отрицательно влияет на пыльцу бегонии (содержит мало каротина) и кукурузы (содержит очень мало каротиноидов), а пыльца конопли (содержит очень мало каротиноидов) стимулирует прорастание пыльцы кукурузы. Возможно, в последнем случае положительное влияние оказывает высокое содержание нуклеиновых кислот (РНК) в пыльце конопли.
Следовательно, одним из факторов взаимного положительного или отрицательного влияния пыльцы разных видов растений в смеси на ее прорастание, является различное содержание каротиноидов в пыльцевых зернах. Каротин и каротиноиды выполняют важную физиологическую функцию в редукционном делении при микроспорогенезе. Пониженное содержание каротиноидов в пыльниках некоторых растений приводит к нарушению микроспорогенеза и образованию абортивной пыльцы.
Наибольшая насыщенность каротиноидами тканей завязи совпадает по времени с редукционным делением в макроспорогенезе. Каротиноиды играют важную роль и в физиологических процессах, которые осуществляются в семенном зачатке при двойном оплодотворении. В. А. Поддубная-Арнольди наблюдала скопление окрашенных каротиноидами капелек в зародышевом мешке в момент слияния ядер.
Исследования, проведенные в лаборатории фотосинтеза Украинской сельскохозяйственной академии (С. И. Лебедев, Ы. П. Савченко, И. М. Алейников), показали, что в превращении каротиноидов участвует оксидоредуктаза — липоксигеназа, катализирующая окисление некоторых полиеновых соединений с образованием их перекисей и гидроперекисей. Перекиси, обладая высокой реакционной способностью, могут окислять каротиноиды до бесцветных продуктов — витамина А и иононовых колец. Липоксигеназа обнаружена в различных частях, цветка; особенно активна она в тканях андроцея и гинецея, что свидетельствует об участии этого фермента в процессах воспроизведения растительного организма.
Биосинтез и активность фермента липоксигеназы связаны с фитохромной системой. Имеются данные Э. Либберта, что липоксигеназа образуется при содержании физиологически активной формы пигмента Р730 менее 1,2% общего количества фитохрома в тканях растений, а при уровне 2,5% репрессируется соответствующий ген, ответственный за биосинтез этого фермента.
При поглощении квантов света светочувствительными пигментами, хромофорные молекулы которых встроены в мембраны клетки, наблюдаются конформационные изменения белковых участков молекулы фитохрома, а через них и мембранных образований, что приводит к изменению условий ферментативного катализа. Количественное содержание и активность липоксигеназы могут контролироваться на генном уровне и зависеть от концентрации промежуточных или конечных продуктов в биохимической цепи реакций. Липоксигеназа, участвуя во вторичном окислении каротиноидов, приводит к образованию продуктов окисления — веществ терпеноидной природы. Один из таких продуктов — β-ионон — может служить источником для синтеза абсцизовой кислоты, которая снижает липоксигеназную активность, по-видимому, путем аллостерического взаимодействия. Исследования показали влияние различного качества света на активность липоксигеназы и прорастание пыльцы. Более высокая активность энзима и лучшее прорастание пыльцы наблюдались при красном свете. При синем свете не отмечен даже первичный акт прорастания пыльцы — набухание. Синий свет, как более богатый энергией по сравнению с красным, по-видимому, вызывает распад каротиноидов до изопреновых групп с образованием абсцизовой кислоты, ингибирующей β-амилазу и липоксигеназу, необходимые для прорастания пыльцы.
Преобладание коротковолновых лучей при недостаточной освещенности (пасмурная погода) в период формирования генеративных органов и оплодотворения растений отрицательно сказывается на урожайности ряда сельскохозяйственных культур. Так, установлено, что снижение освещенности в этот период ухудшает развитие пыльцевых зерен и вызывает мужскую стерильность. Кроме того, выяснено, что при затенении до уровня сплошной облачности в репродуктивный период уменьшается содержание магния в пыльце. Магний способствует накоплению каротиноидов, кислород которых интенсивно используется с участием липоксигеназы тканями андроцея и гинецея во время цветения. Известно, что магний участвует в ферментативных реакциях, в том числе в фосфорилировании, как фактор, который путем образования хелатов соединяет фермент или кофермент с субстратом:
Магний может действовать как кофактор, влияя на гидратацию белков, связанную при известных условиях с изменениями конформации; он переводит фермент в состояние более высокой каталитической активности.
Корневая подкормка магнием в начале выхода в трубку злаковых и в начале закладки цветковых почек у двудомных растений улучшает оплодотворение, завязывание плодов, что способствует увеличению урожайности.
Большую роль в прорастании пыльцы играют также кальций и бор. По-видимому, определенная концентрация кальция в завязи служит хемотропическим раздражителем, направляющим рост пыльцевой трубки к семенному зачатку. Бор защищает пыльцевые зерна и трубки от разрыва осмотическими силами и способствует углеводному обмену, особенно при повышенных температурах. В прорастающих пыльцевых зернах и молодых пыльцевых трубках отмечается активное движение цитоплазмы. Японский ученый Н. Камия наблюдал в пыльцевых трубках Lilium auratum колебательные, циркуляционные движения цитоплазмы.
По данным сравнительных гистохимических исследований, физиолого-биохимические показатели пестика и рыльца, пыльцы и пыльцевых трубок различны. Так, ткани рыльца имеют кислую реакцию клеточного сока, а пыльца и пыльцевые трубки — нейтральную или слабощелочную; в пыльце мало воды, значительно больше ее в тканях пестика и рыльца; у пестика, и особенно рыльца, дыхание интенсивное, а у пыльцы — слабое.
Пыльца и пыльцевые трубки покрытосемянных растений характеризуются более высоким содержанием, разнообразием и активностью ферментов, витаминов, веществ типа ауксинов по сравнению с пестиками.
Большое количество гидролитических ферментов в пыльце влияет на рыльце после опыления. Когда пыльца попадает на рыльце, вещества пыльцы и рыльца взаимодействуют, происходит взаимная активация. Кислая реакция среды и окислительные ферменты рыльца способствуют взаимодействию биохимических компонентов пыльцы и рыльца (В. А. Поддубиая-Арнольди). Аскорбиновая кислота, сульфгидрильные соединения рыльца активируют гидролитические ферменты (амилазу, инвертазу, протеазу) и усиливают превращение липидов и каротина, которых много в пыльце (Е. А. Бритиков). У многих покрытосемянных ряд биохимических компонентов (цитохромоксидаза, полифенолоксидаза, SH-группы, гетероауксин, аскорбиновая кислота и т. д.) локализируется главным образом у основания столбика, что стимулирует рост пыльцевых трубок в направлении к завязи (В. А. Поддубная-Ариольди).
Прорастание пыльцы и рост пыльцевых трубок значительно влияют на обмен веществ пестика: повышается интенсивность дыхания, изменяется водный режим, увеличивается содержание аскорбиновой кислоты, крахмала, сахаров, белков, фосфорных соединений и т. д. Установлено также возникновение и распространение биоэлектрического потенциала на пестиках (например, у кукурузы) при нанесении пыльцы на рыльце (А. И. Духовный). В оплодотворенных женских клетках возрастает количество митохондрий и пластид, которые вносятся в зародышевый мешок пыльцевыми трубками вместе с ядром и питательными веществами, содержащимися в их протопласте.
Следовательно, при опылении и оплодотворении объединение мужского и женского гаметофитов как комплементарных систем вызывает активизацию метаболических процессов в генеративной системе растений.