Цикл развития сосны от семени до семени
Сосна обыкновенная является одним из самых известных представителей Голосеменных растений. Существует большое количество различных видов этого дерева, которые встречаются преимущественно на территории России, Европы и Северной Америки, а жизненный цикл сосны состоит из нескольких фаз. Подробная ботаническая характеристика дерева и описание всех этапов его развития представлено далее в статье.
Биологическое описание сосны
Сосна принадлежит к царству Растения, отделу Хвойные и семейству Сосновые. Она обладает характерным ароматом и является вечнозелёным деревом, которое особенно активно растёт в высоту на протяжении одного века.
Знаете ли вы? Древесина сосны используется не только в деревообрабатывающей промышленности. Из неё также изготавливают заменитель натуральной кожи и искусственный шёлк.
Ботаническое описание сосны:
- Дерево достигает высоты 35-40 м, но некоторые экземпляры могут вырасти и до 50 м.
- Сосновые корни отличаются пластичностью. В сухой почве они могут уходить в грунт на глубину до 8 м, а в условиях повышенной влажности располагаются параллельно поверхности земли в радиусе 10 м от ствола дерева.
- Диаметр прямого ствола сосны составляет 0,6-1,2 м. Верхняя его часть разветвлённая.
- Поверхность нижней части ствола покрыта коричневой корой с мелкими трещинами. На верхней части дерева кора более тонкая и окрашена в светло-коричневый цвет.
- Ветки сосны образуют толстую крону, имеющую форму конуса.
- Боковые побеги дерева густо усеяны заострёнными зелёными иголками, которые являются заменой листьев. Они плотные и имеют длину до 7 см и располагаются попарно.
- Плод сосны – шишка, созревающая на второй год после появления. Она имеет форму конуса, диаметр которого составляет около 2-4 см.
Этапы жизненного цикла
Каждая сосна проходит полный жизненный цикл, который начинается с семян и заканчивается взрослым деревом. В процессе такого развития из семян сначала образуется проросток, который через 2-3 года становится молодым деревом, растущим в высоту на протяжении многих лет.
Чтобы обеспечить дальнейшее размножение, ежегодно на сосне образуются шишки с пыльцой и семенными зачатками. В результате опыления происходит оплодотворение, которое завершается образованием новой порции семенного материала и весь цикл сосны повторяется сначала. Каждый этап этого процесса подробно описан далее в статье.
Семена
Семена сосны находятся внутри женских шишек и созревают на протяжении 20 месяцев после опыления. С их помощью происходит размножение дерева.
Важно! Семенной материал сосны сохраняет всхожесть на протяжении 7 лет. Лучше всего он прорастает на умеренно влажной и плодородной почве.
Основные характеристики семян сосны:
- имеют округло-удлинённую форму;
- достигают диаметра 4-5 мм;
- снаружи покрыты плотной чёрной оболочкой;
- имеют «крыло» – перепончатый вырост длиной до 2 см.
Проросток
Попадая в почву, созревшие семена прорастают с наступлением весеннего тепла, давая жизнь новому дереву. Сначала из семени образуется проросток.
Знаете ли вы? Самым высокорослым представителем сосновых деревьев является сосна Ламберта. Эти деревья могут достигать высоты 70 м и растут на территории США и Канады.
Этапы его развития перечислены ниже:
- Попавшее в землю семя сосны активно впитывает воду и набухает.
- Внешняя кожура разрывается, а находящийся на нижней части семени зачаток корня направляется в сторону грунта.
- Зачаточный побег начинает удлиняться. В результате этого, находящиеся на его верхушке, семядоли приподнимаются над поверхностью почвы.
- Оставшийся в семени запас питательных веществ полностью расходуется на рост и развитие молодого проростка.
- Формируется вертикальный молодой побег с молодыми игловидными листами, расположенными по спирали.
- После достижения двухлетнего возраста на побегах сеянца можно заметить мелкие бесцветные чешуйки. В их пазухах формируются укороченные побеги, на которых растёт по две хвоинки. Такое строение характерно и для взрослых экземпляров сосны.
Шишки
Весной на взрослом дереве образуются шишки: женские и мужские. Они отличаются друг от друга внешним видом и содержат особые органы, производящие споры, – спорангии. Здесь протекает формирование женских и мужских спор, принимающих в дальнейшем участие в процессе оплодотворения. Описание каждого вида сосновых шишек представлено ниже.
1 – ветвь с шишкой и собранием микростробилов; 2 – молодая шишка; 3 – зрелая шишка; 4 – семена; 5 – ветвь с молодыми побегами.
Женские
Второе название женских сосновых шишек – макростробилы. Они растут группами по 2-3 шт. в верхней части веток или по одиночке и содержат женские споры, которые остаются внутри после оплодотворения, образовывая семена.
Подробное описание женских шишек сосны представлено ниже:
- Форма макростробилы конусовидная, а её длина составляет около 3-7 см.
- Каждая шишка имеет ось, вокруг которой находятся чешуйки двух видов – покровные и семенные. Они называются мегаспорофиллами и расположены по спирали.
- На наружной поверхности широких семенных чешуек (возле основания) расположена пара семенных зачатков. Сверху они прикрыты более мелкими покровными чешуями.
- Каждый семенной зачаток состоит из нуцеллуса (мегаспорогенной ткани) и покровной ткани (интегумента).
- На верхнем краю семенного зачатка находится микропиле – небольшое отверстие, предназначенное для прохождения мужской пыльцы.
- В течение первого года женские шишки окрашены в красный цвет, а на второй год становятся зелёными. К моменту созревания и выброса семян шишки становятся бурыми и опадают с дерева.
Мужские
Мужские шишки расположены преимущественно возле основания молодых побегов сосны и называются стробилами. Внутри них содержится пыльца, которая используется для оплодотворения.
Важно! Сосна начинает плодоносить с 15-летнего возраста. Обильные урожаи шишек наблюдаются каждые 5-7 лет.
Описание мужских шишек представлено ниже:
- мужской стробил (микростробил – побег со спорангиями) в форме колоска окрашен в жёлтый цвет, его размеры составляют 8-12 мм.
- Мужская шишка представляет собой ось, вокруг которой по спирали располагаются микроспорофиллы (спороносные листья).
- На нижней части поверхности каждого микроспорофилла находится пара особых камер с пыльцой – микроспорангии.
- Внутри пыльцевых камер содержатся микроспоры. В результате процесса митоза (непрямого деления) они образуют пыльцу.
- Каждое отдельное пыльцевое зерно состоит из четырёх клеток – вегетативной, генеративной и двух проталлиальных. Последние нужны исключительно для развития вегетативной и генеративной клеток, поэтому исчезают после того, как отдадут свой ресурс.
- Клетка пыльцы содержит две оболочки. Внутренняя – более тонкая и называется интиной, а плотный внешний покров выполняет защитную функцию и называется экзиной.
- На каждом пыльцевом зерне присутствуют воздушные мешки. Они облегчают перенос пыльцы ветром и представляют собой вздутия, образованные в местах, где экзина клетки отделена от интины.
Опыление и оплодотворение
Процесс опыления протекает в мае. При этом в микроспорангиях мужских шишек созревает пыльца, а чешуи женских шишек широко открываются, готовясь принять её.
Знаете ли вы? Самые длинные иглы у болотной сосны. Длина хвои у этого дерева может достигать 45 см.
Процесс опыления состоит из таких этапов:
- Когда пыльца в мужских шишках созрела, микроспорангии лопаются и пыльцевые зёрна высыпаются наружу.
- Ветер легко разносит пыльцевые зёрна, в результате чего часть из них попадает между чешуёй женских шишек.
- Из микропиле женской шишки выделяется особая клейкая жидкость. Попавшие между чешуями пыльцевые зёрна прилипают к ней и затягиваются в нуцеллус в результате подсыхания жидкости.
- Микропиле смыкается, а все чешуи женской шишки плотно прилегают друг к другу. Для обеспечения высокой герметичности поверхность макростробилы при этом заливается смолой.
1 – женская шишка; 2 – семенная чешуя с двумя семязачатками; 3 – микропиле; 4 – мегаспоры; 5 – нуцеллус семязачатка; 6 – интегумент, один листочек; 7 – нуцеллус, образующий перисперм; 8 – архегоний; 9 – первичный эндосперм; 10 – мужская шишка; 11 – микроспорофилл с двумя микроспорангиями; 12 – антеридиальная клетка; 13 – сифоногенная клетка, клетка трубки; 14 – ядро спермагенной клетки; 15 – ядро клетки-ножки; 16 – клетка трубки; 17 – зародыш семени; 18 – первичный эндосперм; 19 – семенная кожура; 20 – шишка, возраст которой один год; 21 – шишка, возраст которой – два года.
После попадания пыльцевого зерна на нуцеллус начинается процесс прорастания вегетативной клетки с образованием пыльцевой трубки. При этом генеративная клетка пыльцы перемещается внутрь вегетативной и медленно врастает в нуцеллус на протяжении одного календарного года.
Описание всех подготовительных стадий, а также схема процесса оплодотворения представлены ниже:
- Через 30 дней после опыления происходит деление археспориальной клетки нуцеллуса.
- Образуются 4 мегаспоры, из которых выживает только одна, расположенная на самом большом расстоянии от микропиле.
- Оставшаяся мегаспора начинает расти через 6 месяцев после опыления. При этом количество её ядер в результате митотического деления увеличивается до 2 000 штук.
- Через 13 месяцев после опыления внутри мегаспоры образуются клеточные стенки. Происходит цитокинез – каждое из образованных ядер локализуется в отдельной клетке.
- В результате цитокинеза формируется особая гаплоидная ткань – эндосперм. Ещё через 2 месяца из его клеток, расположенных возле микропиле, формируется 2-3 архегония, которые содержат внутри по одной женской яйцеклетке.
- Эндосперм и архегонии образуют заросток (женский гаметофит). К моменту его образования пыльцевая трубка достигает нуцеллуса и проникает в один из архегониев с яйцеклеткой.
- Внутри пыльцевой трубки происходит деление генеративной клетки на стерильную и сперматогенную (клетку тела).
- Клетка тела делится на пару спермиев, которые в совокупности с пыльцевой трубкой образуют мужской гаметофит.
- В результате проникновения пыльцевой трубки внутрь архегония происходит разрушение клеточной стенки. При этом происходит оплодотворение – один из спермиев соединяется с яйцеклеткой и образует зиготу, а второй погибает.
Важно! Продолжительность процесса опыления зависит от погодных условий. При достаточном количестве солнца пыльца полностью разлетается за 3-4 дня, а во время дождя этот процесс занимает не менее недели.
Созревание женской шишки
После оплодотворения начинается процесс созревания женской шишки. Этот процесс заканчивается формированием семени и длится полгода с момента оплодотворения.
Созревание шишки состоит из таких этапов:
- В процессе деления оплодотворённой зиготы формируется зародыш, имеющий зачаточные органы – корень и побег. На верхушке последнего расположены мелкие семядоли, являющиеся зачатками будущих листьев.
- В качестве питательной оболочки, необходимой для развития зародыша, используется эндосперм.
- Происходит формирование внешней оболочки семени из покровной ткани семенного зачатка.
- В конце зимы шишки раскрываются и семена свободно высеваются наружу, разносясь на большие расстояния вместе с ветром. Созревшие шишки осыпаются на землю.
Жизнь каждой сосны начинается из мелкого семени, проросшего в почве. После этого дерево растёт на протяжении многих лет, образуя ежегодно новые порции шишек. Сложный процесс оплодотворения и созревания семян длится на протяжении 20 месяцев с момента опыления, обеспечивая дальнейшее распространение сосны по окружающей территории.
Была ли эта статья полезна?
Спасибо за Ваше мнение!
Напишите в комментариях, на какие вопросы Вы не получили ответа, мы обязательно отреагируем!
Вы можете посоветовать статью своим друзьям!
35 раз уже помогла
Источник
Спешу обрадовать, мы добрались до изучения семенных растений! К ним относятся голосеменные и покрытосеменные (цветковые). До этого размножение шло только с помощью спор: у мхов, папоротников, хвощей и плаунов – высших споровых растений. Настало время открыть новую интересную главу этой книги, посвященную растениям, которые размножаются с помощью удивительного изобретения природы – семени.
Голосеменные – распространенная древняя группа растений, включающая небольшое число видов. Главной особенностью данной группы являются “голо” (то есть открыто) лежащие семяпочки и, в дальнейшем, развивающиеся из них семена. Иными словами, у голосеменных растений отсутствуют замкнутые вместилища для семян.
На примере типичного представителя – сосны обыкновенной, относящейся к классу хвойных, поговорим о характерных чертах данного класса и голосеменных растений в целом.
Общие признаки
- Деревья и кустарники
Все голосеменные представлены древесными формами: деревьями и кустарниками. Травы отсутствуют.
- Хвоинки
Хвоинки (хвоя) – игольчатые видоизменения листьев. Сохраняются долгие годы, у некоторых сосен до 45 лет. Хвоя лиственниц опадает ежегодно.
- Древесина хорошо развита
Древесина голосеменных обладает большим запасом механической прочности. Это связано с ее особенностями: она состоит из трахеид с окаймленными порами, паренхима развита слабо. Либриформ (древесные волокна) и настоящие сосуды отсутствуют (исключение – гнетовые, имеют сосуды). Клетки-спутницы во флоэме также отсутствуют.
В древесине и коре имеются каналы, заполненные смолой. Однако, есть исключения – у гинкго смола не образуется вовсе.
Несколько веков назад в России целенаправленно создавались и охранялись, так называемые, корабельные рощи. Это, прежде всего, требовалось для флота, так как мачты кораблей изготавливали из сосен, отвечающих всем требованиям – корабельных (гладкий, твердый и прочный прямой ствол с минимальным количеством сучков и смолы).
- Размножение семенами
Семяпочки и развивающиеся из них семена лежат “голо”, открыто, для них нет закрытых вместилищ, отсутствует завязь. В сравнении с высшими споровыми растениями, размножение семенами ставит голосеменных на более высокий уровень организации.
Голосеменным растениям для размножения не требуется вода, опыление у них происходит с помощью ветра. Этот процесс перестал быть зависимым от капельно-жидкой среды, как было у мхов и у папоротников. Благодаря этому голосеменные получили большое преимущество и смогли расселиться по всей Земле, в том числе в засушливых районах. Они господствовали в юрском периоде, когда климат стал более сухим и жарким.
Обитают голосеменные в местах с холодным климатом и достаточным количеством влаги. Имеются виды, обитающие в жарких странах: растение вельвичия удивительная обитает в пустынях южной Африки.
Строение и жизненный цикл
Жизненный цикл голосеменных состоит из чередования бесполого поколения – спорофита (диплоиден, 2n), и полового поколения – гаметофита (гаплоиден, n). Господствует (доминирует) в цикле спорофит (2n) – это взрослое растение сосны.
Голосеменные относятся к разноспоровым, как и все семенные растения. Они образуют разные споры: крупные женские (мегаспоры) и мелкие мужские (микроспоры). Образуются они в спорангиях, расположенных на спорофиллах, которые собраны в стробилы (шишки) – от лат. strobilus – сосновая шишка.
Мужские шишки (стробилы)
К концу весны у основания молодых побегов образуются мужские шишки (стробилы) – мелкие, собранные в тесные группы, желтого цвета. Чешуи мужских шишек представляют собой микроспорофиллы. Микроспорофиллы – гомологи тычинок, которые крепятся к оси каждой шишки спирально, с нижней стороны, и имеют два пыльцевых мешка – микроспорангия.
Образование мужского гаметофита
Из материнских клеток (2n) в микроспорангии путем мейоза образуются 4 микроспоры (n). Строение микроспоры следующее: она покрыта экзиной (от гр.exo снаружи, вне) – наружная оболочка, изнутри интиной (от лат. intus внутри) – внутренней оболочкой. В составе микроспоры имеются также два воздухоносных мешка, образованных в результате отслоения экзины от интины и возникновения полости между ними.
Микроспора делится, не покидая спорангия, преобразуется в заросток. При делении из ядра микроспоры образуются две клетки. Одна из них превращается в две заростковые клетки (протоллиальные – от греч. проталлиум – заросток) – быстро отмирают и исчезают. Их функция до конца не изучена.
Из другой клетки в ходе митоза также образуются две: антеридиальная, из которой развиваются мужские половые клетки – спермии (неподвижные, без жгутиков в отличие от сперматозоидов), и более крупная вегетативная клетка, из которой в дальнейшем формируется пыльцевая трубка.
Мужской гаметофит сильно упрощен, антеридии отсутствуют. Формируется он прямо внутри микроспоры, которая в итоге превращается в пыльцевое зерно. Совокупность пыльцевых зерен называется пыльца.
При вскрытии (нарушении целостности) микроспорангия, или пыльцевого мешка, пыльца высыпается во внешнюю среду и достигает женской шишки, где, в результате опыления, внутри семязачатка происходит дальнейшее развитие мужского гаметофита.
Образование женского гаметофита
На тех же самых соснах, где расположены мужские шишки, лежат и женские. Весной на верхушке молодого побега появляются мелкие (около 5 мм) красноватые шишки – это женские шишки (стробилы). Состоят они из оси (стержня) , на котором располагаются две чешуи: кроющая и семенная. На верхней стороне у основания семенной чешуи лежат два семязачатка.
Кроющая чешуя представляет собой видоизмененный лист, в его пазухе находится семенная чешуя. Семенная чешуя – видоизмененный боковой побег.
Женские шишки (стробилы)
Именно открыто расположенные семязачатки (семяпочки) служат причиной, по которой этот отдел растений называется – голосеменные.
В женских шишках, в отличие от мужских, каждая чешуя гомологична целой мужской шишке (стробилу). То есть одна чешуя – целой мужской шишке, а не отдельным ее микроспорофиллам (чешуям)!
Молодой семязачаток состоит из нуцеллуса, интегумента и фуникулуса. Нуцеллус (от лат. nucella – орешек) – центральная часть семяпочки, соответствующая мегаспорангию. Интегумент (от лат. integumentum покрывало) – покров семяпочки, вырастающий из ее центральной части – нуцеллуса. В зрелом семени интегумент преобразуется в семенную кожуру. Фуникулус (от лат. funiculus канатик, верёвка) или семяножка – часть семязачатка, соединяющая его с мегаспорофиллом (семенным чешуями).
На интегументе около вершины располагается микропиле (пыльцевход) – через него после опыления пыльцевая трубка проникает в нуцеллус. Между интегументом и нуцеллусом имеется густая жидкость, выступающая из микропиле. Подсыхая, она втягивается внутрь семязачатка и затягивает вместе с собой пыльцу, осевшую на ней.
Образование женского гаметофита
В средней части обособляется спорогенная клетка (2n) (археспориальная – от греч. arche начало и sporá семя). В результате ее митотического деления образуются материнские клетки спор – спороциты (2n), однако и сама археспориальная клетка может выступать в роле спороцита, минуя стадию митоза. Спороциты (2n) делятся мейозом на четыре гаплоидные (n) мегаспоры.
Три мегаспоры отмирают, остается одна, которая многократно делится митозом и формирует эндосперм – запасное питательное вещество. Обратите на этот факт особое внимание: у голосеменных эндосперм гаплоидный (n) и образуется до оплодотворения. Такой эндосперм называется – первичный, он соответствует женскому гаметофиту.
Как и мужской, женский гаметофит весьма упрощен и заключен внутри мегаспоры. На верхушке женского гаметофита (мегагаметофита) образуется архегоний с яйцеклеткой (n). У гнетовых архегонии отсутствуют.
Жизненный цикл
На спорофите (2n) в микроспорангиях из материнских клеток (2n) путем мейоза образуются микроспоры (n). Из микроспоры формируется пыльцевое зерно. Пыльца (пыльцевые зерна (n)) с помощью ветра попадает в женские шишки, где улавливается густой жидкостью между интегументом и нуцеллусом, выступающей из микропиле. Жидкость засасывает пыльцу внутрь семязачатка на нуцеллус (в пыльцевую камеру). После того, как опыление произошло, микропиле зарастает. Чешуи шишки смыкаются и склеиваются смолой.
Семязачатки в этот момент еще не готовы к оплодотворению, так что от момента опыления до оплодотворения проходит около 13 месяцев. За это время в семязачатке формируется эндосперм, женская шишка увеличивается до 3-4 см и приобретает зеленую окраску.
Оказавшись на мегаспорангии, наружная оболочка пыльцевого зерна (экзина) разрывается, из вегетативной клетки в направлении архегония начинает расти пыльцевая трубка. Антеридиальная клетка делится на генеративную (спермагенную) и клетку-ножку антеридия (функция последней до сих пор не изучена). Спермагенная клетка попадает в пыльцевую трубку, а из нее – в архегоний.
Непосредственно перед оплодотворением спермагенная клетка делится на два спермия (n), один из которых отмирает, а другой сливается с яйцеклеткой (n). Образуется зигота (2n), из которой формируется и растет зародыш благодаря эндосперму – запасу питательных веществ.
Окончательно созревают семена к осени на второй год после опыления, к этому моменту женские шишки увеличиваются в размерах до 6 см. Зеленая окраска меняется на серую, чешуйки расходятся, и семена, образовавшиеся из семязачатков, высыпаются. Из семени прорастает взрослое растение – спорофит (2n). Цикл замыкается.
Строение семени
Семя голосеменных состоит из:
- Семенной кожуры
Семенная кожура, защищающая семя от пересыхания и неблагоприятных факторов внешней среды, образована разросшимся интегументом.
- Зародыша
Зародыш (2n) формируется в результате митотического деления образовавшейся зиготы. Состоит из зародышевого корешка, стебелька и почечки.
- Семядолей
Число семядолей у голосеменных различается – от 2 до 15. Семядоли имеют доступ к запасным питательным вещества (эндосперму).
- Запас питательных веществ
Запасные питательные вещества накапливаются в эндосперме (n). Особенностью в строении семени голосеменных, по сравнению с семенем покрытосеменных (цветковых) является наличие гаплоидного эндосперма (n). Не забывайте, что эндосперм у голосеменных это производное мегагаметофита (n), исходя из этого становится понятно, почему ткань гаплоидна. У цветковых, в отличие от голосеменных, эндосперм триплоиден (3n).
Фитонциды
Фитонциды (от греч. phyton – растение и лат. caedo – убиваю) – образуемые растениями, биологически активные вещества, убивающие или приостанавливающие размножение других организмов, главным образом – микробов. Обычно выделяются растениями в газообразном виде, к примеру, аллицин у лука и чеснока. Наличие фитонцидов играет крайне важную роль в формировании устойчивости растения к грибным заболеваниям.
Фитонциды имеют медицинское значение, из них изготавливаются некоторые препараты. За лето гектар лиственного леса выделят 2 кг фитонцидов, хвойного – 5 кг, можжевельника – 30 кг! Санатории часто располагаются в сосновых борах, где наблюдается повышенная концентрация фитонцидов. Вдыхание такого воздуха очень полезно при заболеваниях дыхательной системы инфекционной природы (когда возбудителями являются бактерии, грибы).
Значение голосеменных
Трудно переоценить значение голосеменных для человека, они очень важны. Голосеменные – источники высококачественной древесины, продуктов ее переработки. Являются звеном в цепи питания (продуцентами), основой многих биоценозов. Хвойные растения в больших количествах выделяют фитонциды, имеющие медицинское значение. Из смолы хвойных получают канифоль, скипидар, лаки. Кедровых орехи – это семена нескольких видов растений из рода сосна, которые употребляют в пищу.
© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021
Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.
Источник