Введение
Процесс, происходящий после оплодотворения семязачатка для образования полностью развитого зародыша растения. Эмбриональное развитие растений, также эмбриогенез, – это процесс, который происходит после оплодотворения семязачатка и приводит к образованию зрелого зародыша растения. Это важный этап жизненного цикла растения, за которым следуют состояние покоя и прорастание. Зигота, образовавшаяся в результате оплодотворения, должна пройти ряд клеточных делений и дифференцировок, чтобы стать зрелым зародышем. Однако как растения, так и животные, включая человека, проходят через филотипическую стадию, которая эволюционировала независимо и обуславливает консервацию развития, ограничивающую морфологическое разнообразие.
Plant embryonic development, also plant embryogenesis, is a process that occurs after the fertilization of an ovule to produce a fully developed plant embryo. This is a pertinent stage in the plant life cycle that is followed by dormancy and germination. The zygote produced after fertilization must undergo various cellular divisions and differentiations to become a mature embryo. However, both plants and animals including humans, pass through a phylotypic stage that evolved independently and that causes a developmental constraint limiting morphological diversification.
Морфогенные события
Эмбриогенез происходит естественным образом в результате однократного или двойного оплодотворения семязачатка, приводя к образованию двух различных структур: зародыша растения и эндосперма, которые впоследствии развиваются в семя. Зигота проходит через различные клеточные дифференцировки и деления для формирования зрелого зародыша. Эти морфогенетические события формируют базовый клеточный рисунок для развития побега, корня и первичных слоев тканей; они также задают области формирования меристематических тканей. Последующие морфогенетические события характерны только для двудольных, а не для однодольных растений.
Растение
После оплодотворения зигота и эндосперм находятся внутри семязачатка, как показано на стадии I иллюстрации на этой странице. Затем зигота претерпевает асимметричное поперечное деление клетки, в результате которого образуются две клетки – небольшая апикальная клетка, расположенная над большой базальной клеткой. Эти две клетки сильно различаются и дают начало различным структурам, устанавливая полярность в эмбрионе. Небольшая апикальная клетка находится в верхней части и содержит большую часть цитоплазмы, водного вещества, содержащегося в клетках, из исходной зиготы. Из неё развиваются гипокотиль, верхушечная меристема побега и семядоли. Стадия II на иллюстрации выше показывает, как выглядит эмбрион на восьмиклеточной стадии. Согласно Laux et al., на восьмиклеточной стадии существует четыре различных домена. Первые два домена участвуют в формировании собственно эмбриона. Апикальный эмбриональный домен дает начало верхушечной меристеме побега и семядолям. Второй домен, центральный эмбриональный домен, формирует гипокотиль, верхушечную меристему корня и части семядолей. Третий домен, базальный эмбриональный домен, содержит гипофиз. Гипофиз впоследствии дает начало корешку и корневой шапочке. Последний домен, суспензор, представляет собой область в самом низу, соединяющую эмбрион с эндоспермом для обеспечения питания.
Стадия шестнадцатиклеточной
Происходят дополнительные деления клеток, что приводит к шестнадцатиклеточной стадии. Четыре области все еще присутствуют, но они становятся более четко выражены с увеличением числа клеток. Важным аспектом этой стадии является формирование протодермы – меристематической ткани, из которой развивается эпидермис. Однако на стадии торпеды развития часть комплекса суспензоров должна прекратить свое существование. Внешний вид зрелого эмбриона можно увидеть на VI стадии, как показано на иллюстрации выше.
Неактивный режим
Конец эмбриогенеза определяется фазой остановки развития, или прекращением роста. Эта фаза обычно совпадает с необходимым компонентом роста, называемым состоянием покоя. Состояние покоя – это период, в течение которого семя не может прорасти, даже в оптимальных условиях окружающей среды, пока не будет выполнено определенное условие. Преодоление состояния покоя, или выявление конкретного требования семени, может быть довольно сложной задачей. Например, оболочка семени может быть чрезвычайно толстой. Согласно Эверту и Эйххорну, очень толстые оболочки семян должны подвергаться процессу, называемому скарификацией, для разрушения оболочки. Это также играет важную роль в установлении полярности зародыша растения. Исследования показали, что гипокотиль как у голосеменных, так и у покрытосеменных демонстрирует транспорт ауксина к корневому концу зародыша. Они предположили, что эмбриональный рисунок регулируется механизмом транспорта ауксина и полярным расположением клеток внутри семязачатка. Важность ауксина была продемонстрирована в их исследованиях, когда эмбрионы моркови на разных стадиях подвергались воздействию ингибиторов транспорта ауксина. Ингибиторы, которым подвергались эти моркови, препятствовали их переходу на более поздние стадии эмбриогенеза. Во время глобулярной стадии эмбриогенеза эмбрионы продолжали сферическое расширение. Кроме того, удлиненные эмбрионы продолжали осевой рост без формирования семядолей. На стадии развития сердцевидного эмбриона на гипокотилях наблюдались дополнительные оси роста. Дальнейшие исследования по ингибированию транспорта ауксина, проведенные на Brassica juncea, показали, что после прорастания семядоли были сросшимися, а не двумя отдельными структурами.
Соматический эмбриогенез
Соматические эмбрионы формируются из растительных клеток, которые обычно не участвуют в развитии эмбрионов, то есть из обычной растительной ткани. Вокруг соматического эмбриона не формируется эндосперм или семенная кожура. Области применения этого процесса включают: клональное размножение генетически однородного растительного материала; элиминацию вирусов; обеспечение исходной ткани для генетической трансформации; получение целых растений из отдельных клеток, называемых протопластами; разработку технологии искусственных семян. Клетки, полученные из подходящей исходной ткани, культивируют для формирования недифференцированной массы клеток, называемой каллусом. Регуляторы роста растений в среде тканевой культуры можно изменять для стимуляции образования каллуса, а затем – для стимуляции формирования эмбрионов из каллуса. Соотношение различных регуляторов роста растений, необходимое для индукции образования каллуса или эмбрионов, варьируется в зависимости от вида растения. Асимметричное деление клеток также представляется важным в развитии соматических эмбрионов, и в то время как неспособность сформировать суспензор является смертельной для зиготных эмбрионов, она не смертельна для соматических эмбрионов.
Андрогенез
Процесс андрогенеза позволяет образовать зрелый эмбрион растения из редуцированного или незрелого зерна пыльцы. Андрогенез обычно происходит в стрессовых условиях. Как у голосеменных, так и у покрытосеменных, молодое растение, содержащееся в семени, начинается как развивающаяся яйцеклетка, образованная после оплодотворения (иногда без оплодотворения в процессе, называемом апомиксисом), и становится эмбрионом растения. Это эмбриональное состояние также наблюдается в почках, которые формируются на стеблях. Почки содержат ткань, которая дифференцировалась, но не выросла в полноценные структуры. Они могут находиться в состоянии покоя, залегать в спячке зимой или в засушливых условиях, а затем возобновлять рост при наступлении благоприятных условий. До начала роста в стебель, листья или цветы, почки находятся в эмбриональном состоянии.