Введение

Ботаника, также называемая растительной наукой (или растительными науками), биологией растений или фитологией, – это наука о жизни растений и отрасль биологии. Ботаник, специалист по растительной науке или фитолог – это ученый, специализирующийся в этой области. Термин «ботаника» происходит от древнегреческого слова βοτάνη (botanē), означающего «пастбище», «травы», «зелень» или «корм»; βοτάνη, в свою очередь, происходит от βόσκειν, «кормить» или «пастись». Традиционно ботаника также включала изучение грибов и водорослей микологами и фикологами соответственно, при этом изучение этих трех групп организмов оставалось в сфере интересов Международного ботанического конгресса. В настоящее время ботаники (в строгом смысле) изучают приблизительно 410 000 видов наземных растений, из которых около 391 000 видов – сосудистые растения (включая около 369 000 видов цветковых растений), а около 20 000 – мхи и печеночники (бриофиты). Ботаника зародилась в доисторические времена как знание о лекарственных растениях, с попыток ранних людей идентифицировать – а позднее и культивировать – растения, которые были съедобными, ядовитыми и, возможно, обладали лекарственными свойствами, что делает ее одним из первых направлений человеческого исследования. Средневековые аптекарские сады, часто примыкавшие к монастырям, содержали растения, потенциально обладающие целебными свойствами. Они были предшественниками первых ботанических садов при университетах, основанных с 1540-х годов. Одним из первых был Падуанский ботанический сад. Эти сады способствовали академическому изучению растений. Усилия по каталогизации и описанию их коллекций стали началом таксономии растений и привели в 1753 году к созданию биномиальной системы номенклатуры Карла Линнея, которая до сих пор используется для наименования всех биологических видов. В XIX и XX веках были разработаны новые методы изучения растений, включая методы оптической микроскопии и визуализации живых клеток, электронную микроскопию, анализ числа хромосом, химию растений, а также изучение структуры и функций ферментов и других белков. В последние два десятилетия XX века ботаники использовали методы молекулярно-генетического анализа, включая геномику и протеомику, а также анализ последовательностей ДНК для более точной классификации растений. Современная ботаника – это широкая, междисциплинарная область, в которую вносят вклад и черпают идеи из большинства других областей науки и техники. Темы исследований включают изучение структуры растений, их роста и дифференциации, размножения, биохимии и первичного метаболизма, химических продуктов, развития, болезней, эволюционных взаимосвязей, систематики и таксономии растений. Доминирующими темами в науке о растениях XXI века являются молекулярная генетика и эпигенетика, изучающие механизмы и контроль экспрессии генов в процессе дифференциации клеток и тканей растений. Ботанические исследования имеют разнообразные применения в обеспечении основными продуктами питания, материалами, такими как древесина, масло, резина, волокна и лекарственные средства, в современном садоводстве, сельском и лесном хозяйстве, размножении растений, селекции и генетической модификации, в синтезе химических веществ и сырья для строительства и производства энергии, в управлении окружающей средой и сохранении биоразнообразия.

Ранняя ботаника

Ботаника возникла как травоведение – изучение и использование растений в связи с их возможными лекарственными свойствами. Ранняя письменная история ботаники включает множество древних текстов и классификаций растений. Примеры ранних ботанических работ обнаружены в древних текстах из Индии, датируемых периодом до 1100 г. до н.э., Древнего Египта, в архаичных авестанских писаниях и в трудах из Китая, предположительно созданных до 221 г. до н.э. Современная ботаника восходит к Древней Греции, в частности к Теофрасту (ок. 371–287 гг. до н.э.), ученику Аристотеля, который сформулировал и описал многие её основополагающие принципы и общепризнан в научном сообществе как «Отец ботаники». Его основные труды «Исследование о растениях» и «О причинах растений» представляют собой наиболее значительный вклад в ботаническую науку вплоть до Средневековья, то есть почти спустя семнадцать веков. Другой труд из Древней Греции, оказавший раннее влияние на ботанику, – «О медицинских веществах» (De materia medica), пятитомная энциклопедия о лекарственных травах, написанная в середине I века греческим врачом и фармакологом Педанием Диоскоридом. «О медицинских веществах» широко читалась более 1500 лет. Важные достижения средневекового мусульманского мира включают «Набатское земледелие» Ибн Вахшийи, «Книгу о растениях» Абу Ханифы Динавари (828–896) и «Классификацию почв» Ибн Бассала. В начале XIII века Абу аль-Аббас аль-Набати и Ибн аль-Байтар (ум. 1248) писали о ботанике систематически и научно. В середине XVI века в ряде итальянских университетов были основаны ботанические сады. Ботанический сад в Падуе, основанный в 1545 году, обычно считается первым, сохранившимся до наших дней на первоначальном месте. Эти сады продолжили практическую роль более ранних «аптекарских садов», часто связанных с монастырями, где выращивались растения для предполагаемого медицинского применения. Они способствовали развитию ботаники как академической дисциплины. Читали лекции о растениях, выращиваемых в садах. Ботанические сады появились в Северной Европе значительно позже; первым в Англии был Ботанический сад Оксфордского университета, основанный в 1621 году. Немецкий врач Леонхарт Фукс (1501–1566) был одним из «трех немецких отцов ботаники» наряду с теологом Отто Брунфельсом (1489–1534) и врачом Иеронимом Боком (1498–1554) (также известным как Иероним Трагус). Фукс и Брунфельс отказались от традиции копирования более ранних работ, чтобы проводить собственные оригинальные наблюдения. Бок разработал собственную систему классификации растений. Врач Валериус Кордус (1515–1544) написал ботанически и фармакологически важный травник «История растений» (Historia Plantarum) в 1544 году и фармакопею, имеющую долгосрочное значение, – «Диспенсаторий» (Dispensatorium) в 1546 году. Натуралист Конрад фон Геснер (1516–1565) и травник Джон Джерард (1545–ок. 1611) опубликовали травники, описывающие предполагаемое лекарственное применение растений. Натуралист Улисс Альдрованди (1522–1605) считался отцом естественной истории, которая включала изучение растений. В 1665 году, используя ранний микроскоп, ученый Роберт Гук обнаружил клетки (термин, который он и ввел) в пробке, а вскоре после этого – в живых растительных тканях.

Ранняя современная ботаника

В течение 18 века были разработаны системы идентификации растений, сопоставимые с дихотомическими ключами, в которых неопознанные растения помещались в таксономические группы (например, семейство, род и вид) путем последовательного выбора между парами признаков. Выбор и последовательность признаков могли быть искусственными в ключах, предназначенных исключительно для идентификации (диагностические ключи), или более тесно связаны с естественным или филетическим порядком таксонов в синоптических ключах. К XVIII веку в Европу из вновь открытых стран и европейских колоний по всему миру поступало все больше новых растений для изучения. В 1753 году Карл Линней опубликовал свой Species Plantarum – иерархическую классификацию видов растений, которая и по сей день является основой современной ботанической номенклатуры. Это установило стандартизированную биномиальную систему наименования, где первое имя обозначало род, а второе – вид внутри рода. Для целей идентификации Линней в своей "Systema Sexuale" классифицировал растения на 24 группы в соответствии с числом их мужских половых органов. Двадцать четвертая группа, Cryptogamia, включала все растения со скрытыми репродуктивными органами – мхи, печеночники, папоротники, водоросли и грибы. Углубление знаний об анатомии, морфологии и жизненных циклах растений привело к осознанию того, что между растениями существует больше естественных родственных связей, чем предполагала искусственная половая система Линнея. Адансон (1763), де Юссье (1789) и Кандолле (1819) предложили различные альтернативные естественные системы классификации, которые группировали растения на основе более широкого спектра общих признаков и получили широкое распространение. Система Кандолля отражала его представления о прогрессии морфологической сложности, а более поздняя система Бентама и Гукера, оказавшая влияние до середины 19 века, была сформирована под влиянием подхода Кандолля. Публикация Дарвином "Происхождения видов" в 1859 году и его концепция общего предка потребовали модификации системы Кандолля для отражения эволюционных взаимосвязей, отличных от простого морфологического сходства. Ботаника получила мощный импульс к развитию с появлением первого «современного» учебника – "Grundzüge der Wissenschaftlichen Botanik" Маттиаса Шлейдена, опубликованного на английском языке в 1849 году под названием "Principles of Scientific Botany". Шлейден был микроскопистом и одним из первых анатомов растений, который совместно с Теодором Шваном и Рудольфом Вирховом заложил основы клеточной теории и одним из первых осознал значение клеточного ядра, описанного Робертом Брауном в 1831 году. В 1855 году Адольф Фик сформулировал законы Фика, позволившие рассчитывать скорости молекулярной диффузии в биологических системах.

Ботаника позднего времени

Основываясь на генно-хромосомной теории наследственности, заложенной Грегором Менделем (1822–1884), Август Вейсманн (1834–1914) доказал, что наследственная информация передается исключительно через гаметы. Никакие другие клетки не способны передавать унаследованные признаки. Работы Кэтрин Эсау (1898–1997) по анатомии растений до сих пор являются краеугольным камнем современной ботаники. Ее книги «Анатомия растений» и «Анатомия семенных растений» на протяжении более полувека служили ключевыми учебниками по структурной биологии растений. Дисциплина растительной экологии была пионерски разработана в конце XIX века ботаниками, такими как Эугениус Ворминг, выдвинувший гипотезу о формировании растительных сообществ, и его наставник и последователь Кристен К. Раункиер, чья система описания жизненных форм растений до сих пор используется. Концепция о том, что состав растительных сообществ, таких как умеренные широколиственные леса, изменяется в процессе экологической сукцессии, была разработана Генри Чендлером Коулзом, Артуром Тансли и Фредериком Клементсом. Клементсу приписывают идею о климаксной растительности как наиболее сложной растительности, которую может поддерживать данная среда, а Тансли ввел в биологию понятие экосистемы. На основе обширных предшествующих работ Альфонса де Кандоля, Николай Вавилов (1887–1943) создал описания биогеографии, центров происхождения и эволюционной истории культурных растений. Особенно с середины 1960-х годов достигнуты успехи в понимании физики физиологических процессов растений, таких как транспирация (транспорт воды в растительных тканях), температурная зависимость скорости испарения воды с поверхности листьев и молекулярная диффузия водяного пара и углекислого газа через устьица. Эти достижения, в сочетании с новыми методами измерения размеров устьиц и скорости фотосинтеза, позволили точно описать скорости газообмена между растениями и атмосферой. Инновации в статистическом анализе, предложенные Рональдом Фишером, Фрэнком Йейтсом и другими сотрудниками Ротамстедской экспериментальной станции, способствовали рациональному планированию экспериментов и анализу данных в ботанических исследованиях. Открытие и идентификация растительного гормона ауксина Кеннетом В. Тиманном в 1948 году позволило регулировать рост растений с помощью внешне применяемых химических веществ. Фредерик Кэмпион Стюард был пионером в разработке методов микроклонирования и культуры растительных тканей, контролируемых растительными гормонами. Синтетический ауксин 2,4-дихлорфеноксиуксусная кислота, или 2,4-D, стал одним из первых коммерчески доступных синтетических гербицидов. Развитие биохимии растений в XX веке было обусловлено современными методами органического химического анализа, такими как спектроскопия, хроматография и электрофорез. С развитием связанных с ней молекулярно-биологических подходов, таких как молекулярная биология, геномика, протеомика и метаболомика, взаимосвязь между геномом растений и большинством аспектов биохимии, физиологии, морфологии и поведения растений может быть подвергнута детальному экспериментальному анализу. Концепция, впервые сформулированная Готлибом Хаберландтом в 1902 году, о том, что все растительные клетки тотипотентны и могут быть выращены in vitro, в конечном итоге позволила использовать генную инженерию для экспериментального выключения гена или генов, ответственных за определенный признак, или для добавления генов, таких как GFP, которые сигнализируют об экспрессии интересующего гена. Эти технологии позволяют использовать биотехнологический потенциал целых растений или культур растительных клеток, выращенных в биореакторах, для синтеза пестицидов, антибиотиков или других фармацевтических препаратов, а также практическое применение генетически модифицированных культур, предназначенных для таких признаков, как повышение урожайности. Современная морфология признает континуум между основными морфологическими категориями: корнем, стеблем (кауломом), листом (филломом) и трихомами. Кроме того, она подчеркивает структурную динамику. Современная систематика направлена на отражение и выявление филогенетических связей между растениями. Современная молекулярная филогенетика в значительной степени игнорирует морфологические признаки, опираясь на последовательности ДНК в качестве данных. Молекулярный анализ последовательностей ДНК большинства семейств цветковых растений позволил группе филогенеза цветковых растений (Angiosperm Phylogeny Group) в 1998 году опубликовать филогению цветковых растений, ответив на многие вопросы об отношениях между семействами и видами цветковых растений. Теоретическая возможность практического метода идентификации видов растений и коммерческих сортов с помощью ДНК-штрихкодирования является предметом активных текущих исследований.

Сфера применения и значение

Изучение растений жизненно важно, поскольку они лежат в основе почти всей животной жизни на Земле, производя значительную часть кислорода и пищи, обеспечивающих людей и другие организмы химической энергией, необходимой для аэробного дыхания и существования. Растения, водоросли и цианобактерии – основные группы организмов, осуществляющих фотосинтез, процесс, использующий энергию солнечного света для преобразования воды и углекислого газа в сахара, которые служат источником как химической энергии, так и органических молекул, входящих в состав структурных компонентов клеток. Как побочный продукт фотосинтеза, растения выделяют кислород в атмосферу – газ, необходимый практически всем живым организмам для клеточного дыхания. Кроме того, растения оказывают существенное влияние на глобальные циклы углерода и воды, а корни растений укрепляют и стабилизируют почву, предотвращая эрозию. Растения имеют решающее значение для будущего человеческого общества, обеспечивая людей пищей, кислородом, биохимическими веществами и продуктами, а также создавая и сохраняя почву. Исторически все живые организмы классифицировались как животные или растения, а ботаника охватывала изучение всех организмов, не относящихся к животным. Ботаники изучают как внутренние функции и процессы, происходящие в растительных органеллах, клетках, тканях, целых растениях, популяциях растений и растительных сообществах. На каждом из этих уровней ботаник может заниматься классификацией (таксономией), филогенезией и эволюцией, структурой (анатомией и морфологией) или функцией (физиологией) растительной жизни. В строгом смысле, понятие «растение» включает только «наземные растения» или эмбриофиты, к которым относятся семенные растения (голосеменные, включая хвойные, и цветковые растения) и споровые криптогамы, такие как папоротники, плауны, печеночники, рогочники и мхи. Эмбриофиты – это многоклеточные эукариоты, произошедшие от предка, получавшего энергию от солнечного света посредством фотосинтеза. Они имеют жизненные циклы, характеризующиеся чередованием гаплоидной и диплоидной фаз. Половая гаплоидная фаза эмбриофитов, известная как гаметофит, питает развивающийся диплоидный эмбрион-спорофит в своих тканях на протяжении хотя бы части своей жизни, даже у семенных растений, где сам гаметофит питается своим родительским спорофитом. Другие группы организмов, ранее изучавшиеся ботаниками, включают бактерии (теперь изучаемые в бактериологии), грибы (микология), в том числе лишайникообразующие грибы (лихенология), нехлорофитные водоросли (фикология) и вирусы (вирусология). Однако ботаники по-прежнему уделяют внимание этим группам, а грибы (включая лишайники) и фотосинтезирующие протисты обычно рассматриваются на вводных курсах ботаники. Палеоботаники изучают древние растения по ископаемым останкам, чтобы получить информацию об эволюционной истории растений. Считается, что цианобактерии, первые фотосинтезирующие организмы, выделяющие кислород на Земле, дали начало предку растений, вступив в эндосимбиотические отношения с ранним эукариотом и в конечном итоге став хлоропластами в растительных клетках. Новые фотосинтезирующие растения (вместе со своими водорослевыми родственниками) ускорили увеличение содержания кислорода в атмосфере, начатое цианобактериями, преобразовав древнюю бескислородную, восстановительную атмосферу в атмосферу, богатую свободным кислородом более 2 миллиардов лет. Среди важных ботанических вопросов XXI века – роль растений как первичных продуцентов в глобальном круговороте основных компонентов жизни: энергии, углерода, кислорода, азота и воды, а также способы, которыми наше ответственное отношение к растениям может помочь решить глобальные экологические проблемы управления ресурсами, сохранения, продовольственной безопасности, биологических инвазивных видов, секвестрации углерода, изменения климата и устойчивого развития.

Питание человека

Практически все основные продукты питания происходят либо непосредственно от первичного производства растениями, либо косвенно от животных, которые ими питаются. Растения и другие фотосинтезирующие организмы лежат в основе большинства пищевых цепей, поскольку они используют энергию солнца и питательные вещества из почвы и атмосферы, преобразуя их в форму, доступную для животных. Экологи называют это первым трофическим уровнем. Современные формы основных продуктов питания, таких как конопля, тефф, кукуруза, рис, пшеница и другие злаковые травы, бобовые, бананы и плантаны, а также конопля, лен и хлопок, выращиваемые для получения волокна, являются результатом тысячелетней доисторической селекции из диких предковых растений с наиболее желаемыми характеристиками. Ботаники изучают, как растения производят пищу и как повысить урожайность, например, с помощью селекции, что делает их работу важной для способности человечества обеспечивать продовольствием мир и продовольственную безопасность будущих поколений. Ботаники также изучают сорняки, представляющие значительную проблему в сельском хозяйстве, а также биологию и контроль растительных патогенов в сельском хозяйстве и природных экосистемах. Этноботаника – это изучение взаимоотношений между растениями и людьми. Применительно к исследованию исторических взаимоотношений растений и людей, этноботаника может называться археоботаникой или палеоэтноботаникой. Одни из самых ранних взаимоотношений между людьми и растениями возникли среди коренных народов Канады при определении съедобных растений среди несъедобных. Эти взаимоотношения коренных народов с растениями были задокументированы этноботаниками.

Медицинские средства и материалы

Фитохимия – это раздел биохимии растений, посвященный преимущественно химическим веществам, производимым растениями в процессе вторичного метаболизма. Некоторые из этих соединений являются токсинами, например, алкалоид кониин, содержащийся в болиголове. Другие, такие как эфирные масла – масло мяты перечной и лимонное масло – полезны благодаря своему аромату, используются в качестве ароматизаторов и специй (например, капсаицин) и в медицине как фармацевтические препараты, например, опиум из опийного мака. Многие лекарственные и рекреационные препараты, такие как тетрагидроканнабинол (активный ингредиент каннабиса), кофеин, морфин и никотин, получают непосредственно из растений. Другие являются простыми производными природных растительных веществ. Например, обезболивающее средство аспирин – это ацетилэстер салициловой кислоты, впервые выделенный из коры ивы, а широкий спектр опиатных обезболивающих, таких как героин, получают путем химической модификации морфина, извлеченного из опийного мака. Популярные стимуляторы получают из растений, например, кофеин из кофе, чая и шоколада, а никотин – из табака. Большинство алкогольных напитков производятся путем ферментации богатых углеводами растительных продуктов, таких как ячмень (пиво), рис (саке) и виноград (вино). Коренные американцы на протяжении тысячелетий использовали различные растения для лечения болезней. Эти знания коренных американцев о растениях были задокументированы этноботаниками и впоследствии использовались фармацевтическими компаниями для разработки новых лекарственных препаратов. Растения способны синтезировать цветные красители и пигменты, такие как антоцианы, отвечающие за красный цвет красного вина, желтый краситель резеда и синий краситель водяной лютик, которые вместе используются для получения зеленого цвета «линкольн грин», индоксил – источник синего красителя индиго, традиционно используемого для окрашивания денима, а также художественные пигменты гамбодж и розовый мадер. Сахар, крахмал, хлопок, лен, конопля, некоторые виды веревок, древесина и древесно-стружечные плиты, папирус и бумага, растительные масла, воск и натуральный каучук – примеры коммерчески важных материалов, изготовленных из растительных тканей или их вторичных продуктов. Древесный уголь, чистая форма углерода, полученная путем пиролиза древесины, имеет долгую историю использования в качестве топлива для выплавки металлов, фильтрующего материала и адсорбента, а также материала для художников и является одним из трех компонентов пороха. Целлюлоза, самый распространенный в мире органический полимер, может быть преобразована в энергию, топливо, материалы и химическое сырье. Продукты, изготовленные из целлюлозы, включают вискозу и целлофан, клей для обоев, биобутанол и пироксилин. Сахарный тростник, рапс и соя – это некоторые из растений с высоким содержанием сахара или масла, пригодных для ферментации, которые используются в качестве источников биотоплива, важных альтернатив ископаемому топливу, таких как биодизель. Коренные американцы использовали душистую траву для отпугивания насекомых, таких как комары. Эти инсектицидные свойства душистой травы были позже обнаружены Американским химическим обществом в молекулах фитола и кумарина.

Растительная экология

Экология растений – это наука о функциональных взаимосвязях между растениями и их средой обитания – окружающей средой, в которой они завершают свой жизненный цикл. Экологи растений изучают состав местной и региональной флоры, их биоразнообразие, генетическое разнообразие и жизнеспособность, адаптацию растений к окружающей среде, а также их конкурентные или мутуалистические взаимодействия с другими видами. Некоторые экологи даже используют эмпирические данные, собранные этноботаниками у коренных народов. Эта информация может предоставить ценные сведения о том, каким был ландшафт тысячи лет назад и как он изменился с течением времени. В начале главы XII отмечалось: «Первый и наиболее важный вывод, который можно сделать из наблюдений, представленных в этом томе, заключается в том, что перекрестное опыление, как правило, полезно, а самоопыление часто вредно, по крайней мере, для растений, на которых я проводил эксперименты». Важным адаптивным преимуществом перекрестного опыления является возможность маскировки делетерных мутаций в геноме потомства. Этот благоприятный эффект также известен как гибридная сила или гетерозис. После установления перекрестного опыления последующий переход к инбридингу становится невыгодным, поскольку позволяет проявиться ранее замаскированным вредным рецессивным мутациям, обычно называемым инбридинговой депрессией. В отличие от высших животных, где партеногенез встречается редко, у растений бесполое размножение может происходить несколькими различными механизмами. Образование столонов в картофеле – один из примеров. Особенно в арктических или альпийских местообитаниях, где возможности опыления цветов животными ограничены, вместо цветов могут развиваться побеги или луковицы, заменяя половое размножение бесполым и давая начало клональным популяциям, генетически идентичным родителю. Это один из нескольких типов апомиксиса, встречающихся у растений. Апомиксис может происходить и в семени, производя семя, содержащее эмбрион, генетически идентичный родителю. Большинство половозрелых организмов диплоидны, с парными хромосомами, но удвоение числа их хромосом может происходить из-за ошибок в цитокинезе. Это может происходить на ранних стадиях развития, приводя к образованию автополиплоидного или частично автополиплоидного организма, или в ходе нормальных процессов клеточной дифференциации, приводя к образованию некоторых типов клеток, являющихся полиплоидными (эндополиплоидия), или во время образования гамет. Аллополиплоидное растение может возникнуть в результате гибридизации между двумя разными видами. Как автополиплоидные, так и аллополиплоидные растения часто могут нормально размножаться, но могут быть неспособны успешно скрещиваться с родительской популяцией из-за несоответствия числа хромосом. Эти растения, репродуктивно изолированные от родительского вида, но обитающие в одной и той же географической области, могут быть достаточно успешными, чтобы сформировать новый вид. Некоторые стерильные полиплоиды растений все же могут размножаться вегетативно или путем апомиксиса семян, образуя клональные популяции идентичных особей. Твердая пшеница – плодородный тетраплоидный аллополиплоид, а мягкая пшеница – плодородный гексаплоид. Коммерческий банан – пример стерильного, безсеменного триплоидного гибрида. Обычный одуванчик – триплоид, который производит жизнеспособные семена путем апомиксиса. Как и у других эукариот, наследование эндосимбиотических органелл, таких как митохондрии и хлоропласты, у растений не подчиняется законам Менделя. Хлоропласты наследуются по мужской линии у голосеменных, но часто по женской линии у цветковых растений.

Молекулярная генетика

Значительное количество новых знаний о функциях растений получено благодаря исследованиям молекулярной генетики модельных растений, таких как резуховидка Таля, Arabidopsis thaliana – сорное растение из семейства крестоцветных (Brassicaceae). Геном, или наследственная информация, содержащаяся в генах этого вида, закодирована примерно 135 миллионами пар оснований ДНК, что составляет один из самых маленьких геномов среди цветковых растений. Arabidopsis стал первым растением, геном которого был секвенирован в 2000 году. Секвенирование геномов риса (Oryza sativa) и Brachypodium distachyon, также относительно небольших по размеру, сделало их важными модельными организмами для понимания генетики, клеточной и молекулярной биологии злаков, трав и однодольных растений в целом. Модельные растения, такие как Arabidopsis thaliana, используются для изучения молекулярной биологии растительных клеток и хлоропластов. В идеале, эти организмы обладают небольшими, хорошо изученными или полностью секвенированными геномами, небольшими размерами и коротким жизненным циклом. Кукурузу используют для изучения механизмов фотосинтеза и загрузки сахаров в флоэму растений. Одноклеточная зеленая водоросль Chlamydomonas reinhardtii, хотя и не является эмбриофитом, содержит зеленый пигментированный хлоропласт, родственный хлоропластам наземных растений, что делает ее полезной для исследований. Красная водоросль Cyanidioschyzon merolae также используется для изучения некоторых основных функций хлоропластов. Шпинат, горох, соя и мох Physcomitrella patens обычно применяются для изучения биологии растительных клеток. Agrobacterium tumefaciens, почвенная бактерия ризосферы, способна прикрепляться к растительным клеткам и инфицировать их посредством горизонтального переноса генов с помощью Ti-плазмиды, индуцирующей образование каллюса и вызывающей болезнь, известную как опухоль коронки. Шелл и Ван Монтагу (1977) предположили, что Ti-плазмида может служить естественным вектором для введения гена Nif, ответственного за фиксацию азота в корневых клубеньках бобовых и других видов растений. В настоящее время генетическая модификация Ti-плазмиды является одним из основных методов для введения трансгенов в растения и создания генетически модифицированных культур.

Эпигенетика

Эпигенетика – это изучение наследственных изменений в функции генов, которые нельзя объяснить изменениями в первичной последовательности ДНК, но приводят к тому, что гены организма функционируют (или "экспрессируются") по-разному. Одним из примеров эпигенетического изменения является метилирование ДНК, которое маркирует гены и определяет, будут ли они экспрессироваться. Экспрессия генов также может контролироваться репрессорными белками, которые связываются с сайленсерами ДНК и предотвращают экспрессию соответствующего участка ДНК. Эпигенетические метки могут добавляться или удаляться из ДНК на запрограммированных стадиях развития растения и, например, ответственны за различия между тычинками, лепестками и обычными листьями, несмотря на то, что все они имеют одинаковый базовый генетический код. Эпигенетические изменения могут быть временными или сохраняться в течение последующих клеточных делений на протяжении всей жизни клетки. Некоторые эпигенетические изменения оказываются наследственными, в то время как другие сбрасываются в половых клетках. В биологии эукариот эпигенетические изменения служат для регуляции процесса клеточной дифференцировки. В ходе морфогенеза тотипотентные стволовые клетки превращаются в различные плюрипотентные клеточные линии эмбриона, которые, в свою очередь, становятся полностью дифференцированными клетками. Из одной оплодотворенной яйцеклетки, зиготы, в процессе деления возникают различные типы растительных клеток, включая паренхиму, элементы сосудов ксилемы, ситовые трубки флоэмы, замыкающие клетки эпидермиса и т.д. Этот процесс является результатом эпигенетической активации одних генов и ингибирования других. В отличие от животных, многие растительные клетки, особенно клетки паренхимы, не подвергаются окончательной дифференцировке, оставаясь тотипотентными и сохраняя способность давать начало новому растению. Исключения составляют сильно лигнифицированные клетки, склеренхима и ксилема, которые отмирают при созревании, а также ситовые трубки флоэмы, лишенные ядер. Хотя растения используют многие из тех же эпигенетических механизмов, что и животные, например, ремоделирование хроматина, существует альтернативная гипотеза о том, что растения устанавливают паттерны экспрессии генов, используя позиционную информацию из окружающей среды и соседних клеток для определения своей судьбы развития. Эпигенетические изменения могут приводить к парамутациям, которые не подчиняются законам менделевского наследования. Эти эпигенетические метки передаются из поколения в поколение, при этом один аллель индуцирует изменение в другом.

Эволюция растений

Хлоропласты растений имеют ряд биохимических, структурных и генетических сходств с цианобактериями (обычно, но ошибочно называемыми "сине-зелеными водорослями") и, как считается, произошли от древней эндосимбиотической связи между клеткой-предком эукариота и цианобактериальным симбионтом. Водоросли представляют собой полифилетическую группу и размещаются в различных отделах, некоторые из которых более тесно связаны с растениями, чем другие. Существует множество различий между ними по таким признакам, как состав клеточной стенки, биохимия, пигментация, структура хлоропластов и запасы питательных веществ. Считается, что отдел Charophyta, являющийся сестринским по отношению к отделу Chlorophyta, содержит предка настоящих растений. Класс Charophyceae и подцарство наземных растений Embryophyta вместе образуют монофилетическую группу или кладу Streptophytina. Бессосудистые наземные растения – это эмбриофиты, которым не хватает сосудистых тканей ксилемы и флоэмы. К ним относятся мхи, печеночники и рогочники. Сосудистые растения птеридофитов с настоящей ксилемой и флоэмой, размножавшиеся спорами, прорастающими в свободноживущие гаметофиты, эволюционировали в силурийском периоде и диверсифицировались в несколько линий в позднем силуре и раннем девоне. Представители ликоподов сохранились до наших дней. К концу девонского периода несколько групп, включая ликоподы, сфенофиллы и прогимноспермы, независимо эволюционировали "мегаспоры" – их споры имели два различных размера: более крупные мегаспоры и более мелкие микроспоры. Их редуцированные гаметофиты развивались из мегаспор, удерживаемых внутри спорообразующих органов (мегаспорангиев) спорофита, состояние, известное как эндоспория. Семена состоят из эндоспорного мегаспорангия, окруженного одним или двумя покровными слоями (интегументами). Молодой спорофит развивается внутри семени, которое при прорастании раскрывается, высвобождая его. Самые ранние известные семенные растения датируются поздней фаменской стадией девона. После эволюции семенного способа размножения семенные растения диверсифицировались, дав начало ряду ныне вымерших групп, включая семенные папоротники, а также современным голосеменным и покрытосеменным растениям. Голосеменные производят "голые семена", не полностью заключенные в завязь; современные представители включают хвойные, цикасовые, гинкго и гнетовые. Покрытосеменные производят семена, заключенные в структуру, такую как карпель или завязь. Продолжающиеся исследования молекулярной филогенетики живых растений, по-видимому, показывают, что покрытосеменные являются сестринской кладой голосеменных.

Физиология растений

Физиология растений охватывает все внутренние химические и физические процессы, происходящие в растениях и связанные с жизнью. Химические вещества, поступающие из воздуха, почвы и воды, составляют основу всего метаболизма растений. Энергия солнечного света, улавливаемая кислородным фотосинтезом и высвобождаемая клеточным дыханием, является основой почти всей жизни на Земле. Фотоавтотрофы, включая все зеленые растения, водоросли и цианобактерии, получают энергию непосредственно из солнечного света посредством фотосинтеза. Гетеротрофы, такие как все животные, все грибы, все полностью паразитические растения и нефотосинтезирующие бактерии, поглощают органические молекулы, производимые фотоавтотрофами, и используют их для дыхания или для построения клеток и тканей. Дыхание – это окисление углеродных соединений путем их расщепления на более простые структуры с высвобождением содержащейся в них энергии, что, по сути, является обратным процессом фотосинтезу. Молекулы перемещаются внутри растений посредством транспортных процессов, действующих в различных пространственных масштабах. Подклеточный транспорт ионов, электронов и молекул, таких как вода и ферменты, осуществляется через клеточные мембраны. Минеральные вещества и вода транспортируются из корней в другие части растения по току транспирации. Диффузия, осмос, активный транспорт и массовый поток – это различные механизмы, посредством которых может происходить транспорт. Примерами элементов, необходимых растениям для транспортировки, являются азот, фосфор, калий, кальций, магний и сера. У сосудистых растений эти элементы извлекаются из почвы в виде растворимых ионов корнями и транспортируются по всему растению по ксилеме. Большинство элементов, необходимых для питания растений, образуются в результате химического разложения почвенных минералов. Сахароза, образующаяся в результате фотосинтеза, транспортируется из листьев в другие части растения по флоэме, а растительные гормоны транспортируются различными способами.

Растительные гормоны

Растения не пассивны, а реагируют на внешние сигналы, такие как свет, прикосновение и повреждение, перемещаясь или растут в направлении или от стимула, в зависимости от обстоятельств. Наглядным доказательством чувствительности к прикосновению служит почти мгновенное сложение листочков Mimosa pudica, ловушки росянки и пузырчатки, а также поллинии орхидей. Гипотеза о том, что рост и развитие растений координируются растительными гормонами или регуляторами роста растений, впервые возникла в конце XIX века. Дарвин экспериментировал с направлением роста побегов и корней к свету и гравитации и заключил: «Вряд ли будет преувеличением сказать, что кончик корешка… действует как мозг одного из низших животных, направляя различные движения». Примерно в то же время голландский ученый Фриц Вент впервые очертил роль ауксинов (от греческого auxein – «расти») в контроле роста растений. Первый известный ауксин, индол-3-уксусная кислота (IAA), стимулирующая рост клеток, был выделен из растений лишь около 50 лет спустя. Это соединение опосредует тропические реакции побегов и корней на свет и гравитацию. Открытие в 1939 году, что растительный каллюс можно поддерживать в культуре, содержащей IAA, а затем, в 1947 году, наблюдение за тем, что его можно стимулировать к образованию корней и побегов, контролируя концентрацию гормонов роста, стали ключевыми этапами в развитии растительной биотехнологии и генетической модификации. Цитокинины – это класс растительных гормонов, названных в честь их контроля над делением клеток (особенно цитокинезом). Природный цитокинин зеатин был обнаружен в кукурузе (Zea mays) и является производным пурина аденина. Зеатин синтезируется в корнях и транспортируется в побеги по ксилеме, где он способствует делению клеток, развитию почек и озеленению хлоропластов. Гиббереллины, такие как гиббереловая кислота, являются дитерпенами, синтезируемыми из ацетил-КоА через мевалонатный путь. Они участвуют в стимулировании прорастания семян и выходе из состояния покоя, в регулировании высоты растений путем контроля удлинения стебля и в контроле цветения. Абсцизовая кислота (АБК) встречается во всех наземных растениях, кроме печеночников, и синтезируется из каротиноидов в хлоропластах и других пластидах. Она ингибирует деление клеток, способствует созреванию и состоянию покоя семян, а также способствует закрытию устьиц. Она получила свое название, потому что первоначально считалось, что она контролирует опадение. Этилен – газообразный гормон, который вырабатывается во всех высших растительных тканях из метионина. Сейчас известно, что это гормон, который стимулирует или регулирует созревание и опадение плодов, и он, или синтетический регулятор роста этефон, который быстро метаболизируется с образованием этилена, используются в промышленных масштабах для стимуляции созревания хлопка, ананасов и других климактерических культур. Другой класс фитогормонов – это жасмонаты, впервые выделенные из масла Jasminum grandiflorum, которые регулируют реакции растений на повреждения, снимая блокаду с экспрессии генов, необходимых для развития системной приобретенной устойчивости к атаке патогенов. Помимо того, что свет является основным источником энергии для растений, он служит сигнальным устройством, предоставляя растению информацию, например, о количестве солнечного света, которое растение получает каждый день. Это может привести к адаптивным изменениям в процессе, известном как фотоморфогенез. Фитохромы – это фоторецепторы растения, чувствительные к свету.

Анатомия и морфология растений

Анатомия растений изучает структуру клеток и тканей растений, в то время как морфология растений изучает их внешнюю форму. Все растения – многоклеточные эукариоты, их ДНК хранится в ядрах. Характерные особенности растительных клеток, отличающие их от клеток животных и грибов, включают первичную клеточную стенку, состоящую из полисахаридов целлюлозы, гемицеллюлозы и пектина, более крупные вакуоли, чем в клетках животных, и наличие пластид с уникальными фотосинтетическими и биосинтетическими функциями, как, например, в хлоропластах. Другие пластиды содержат запасные вещества, такие как крахмал (амилопласты) или липиды (элаиопласты). Уникально, что клетки стрептофитов и клетки зеленых водорослей порядка Trentepohliales делятся посредством формирования фрагмопласта, служащего матрицей для построения клеточной пластинки на поздней стадии клеточного деления. Тела сосудистых растений, включая плауны, папоротники и семенные растения (голые семенные и покрытосеменные), как правило, имеют надземные и подземные подсистемы. Побеги состоят из стеблей, несущих зеленые фотосинтезирующие листья и репродуктивные структуры. Подземные сосудистые корни несут корневые волоски на своих кончиках и, как правило, лишены хлорофилла. Бессосудистые растения – печеночники, антоцеросы и мхи – не образуют проникающих в почву сосудистых корней, и большая часть растения участвует в фотосинтезе. Спорофит у печеночников нефотосинтетичен, но у мхов и антоцеросов может частично обеспечивать свои энергетические потребности за счет фотосинтеза. Корневая и побеговая системы взаимозависимы: обычно нефотосинтетическая корневая система зависит от побеговой для получения питательных веществ, а обычно фотосинтетическая побеговая система – от воды и минералов из корневой системы. Клетки каждой системы способны образовывать клетки другой и давать адвентивные побеги или корни. Столоны и клубни – примеры побегов, способных образовывать корни. Корни, расположенные близко к поверхности, например, у ивы, могут давать побеги и, в конечном итоге, новые растения. В случае потери одной из систем, другая часто способна ее восстановить. Фактически, возможно вырастить целое растение из одного листа, как у растений рода Streptocarpus сек. Saintpaulia, или даже из одной клетки, которая может дедифференцироваться в каллус (массу неспециализированных клеток), способный развиться в новое растение. У сосудистых растений ксилема и флоэма – проводящие ткани, транспортирующие ресурсы между побегами и корнями. Корни часто адаптированы для запасания пищи, такой как сахара или крахмал, как у сахарной свеклы и моркови. Стебли в основном обеспечивают поддержку листьев и репродуктивных структур, но могут запасать воду в сочных растениях, таких как кактусы, пищу, как в клубнях картофеля, или размножаться вегетативно, как в столонах клубники или посредством воздушного укоренения. Листья улавливают солнечный свет и осуществляют фотосинтез. Крупные, плоские, гибкие, зеленые листья называются листовыми пластинками. Голосеменные, такие как хвойные, цикадовые, гинкговые и гнетовые, – семенные растения с открытыми семенами. Покрытосеменные – семенные растения, производящие цветки и имеющие заключенные в плод семена. Древесные растения, такие как азалии и дубы, проходят вторичную фазу роста, в результате которой образуются два дополнительных типа тканей: древесина (вторичная ксилема) и кора (вторичная флоэма и пробка). Все голосеменные и многие покрытосеменные – древесные растения. Некоторые растения размножаются половым путем, некоторые – бесполым, а некоторые – обоими способами. Хотя ссылки на основные морфологические категории, такие как корень, стебель, лист и трихома, полезны, следует помнить, что эти категории связаны посредством промежуточных форм, что приводит к континууму между ними. Кроме того, структуры можно рассматривать как процессы, то есть комбинации процессов.

Систематическая ботаника

Систематическая ботаника является частью систематической биологии, которая изучает разнообразие и спектр организмов и их взаимосвязи, особенно в свете их эволюционной истории. Она включает в себя или связана с биологической классификацией, научной таксономией и филогенетикой. Биологическая классификация – это метод, с помощью которого ботаники объединяют организмы в категории, такие как роды или виды. Биологическая классификация является формой научной таксономии. Современная таксономия берет начало в работах Карла Линнея, который группировал виды на основе общих физических характеристик. Эти группировки впоследствии были пересмотрены для лучшего соответствия дарвиновскому принципу общего происхождения – объединению организмов по родству, а не по поверхностным признакам. Хотя ученые не всегда согласны с тем, как классифицировать организмы, молекулярная филогенетика, использующая последовательности ДНК в качестве данных, привела ко многим недавним пересмотрам в эволюционном ключе и, вероятно, продолжит это делать. Доминирующая система классификации называется линнеевской таксономией. Она включает ранги и биноминальную номенклатуру. Номенклатура ботанических организмов кодифицирована в Международном кодексе номенклатуры водорослей, грибов и растений (ICN) и регулируется Международным ботаническим конгрессом. Царство Plantae относится к домену Eukaryota и рекурсивно подразделяется до тех пор, пока каждый вид не будет классифицирован отдельно. Порядок следующий: Царство; Тип (или Отдел); Класс; Порядок; Семейство; Род (множественное число – рода); Вид. Научное название растения указывает его род и вид внутри этого рода, что приводит к единому общемировому названию для каждого организма. Например, тигровая лилия – Lilium columbianum. Lilium – род, а columbianum – видовой эпитет. Сочетание этих двух слов – название вида. При написании научного названия организма принято писать с заглавной буквы первую букву рода и все видовое название строчными буквами. Кроме того, весь термин обычно выделяется курсивом (или подчеркивается, если курсив недоступен). Эволюционные взаимосвязи и наследственность группы организмов называется ее филогенеей. Филогенетические исследования направлены на выявление филогенетических деревьев. Основной подход заключается в использовании сходства, основанного на общем наследии, для определения взаимосвязей. Например, виды Pereskia – это деревья или кустарники с хорошо развитыми листьями. Они не очень похожи на типичные безлистные кактусы, такие как Echinocactus. Однако у обоих родов, Pereskia и Echinocactus, имеются колючки, образующиеся из ареол (высокоспециализированных структур, напоминающих подушечки), что указывает на родство этих двух родов. Оценка взаимосвязей на основе общих признаков требует осторожности, поскольку растения могут быть похожи друг на друга из-за конвергентной эволюции, при которой признаки возникают независимо. Некоторые виды Euphorbia имеют безлистные, округлые тела, приспособленные к сохранению воды, как у шаровидных кактусов, но такие характеристики, как строение их цветков, ясно показывают, что эти две группы не тесно связаны. Кладистический метод использует систематический подход к признакам, различая те, которые не несут информации об общей эволюционной истории – такие как те, которые развились независимо в разных группах (гомоплазии), или те, которые унаследованы от предков (плезиоморфии) – и производные признаки, которые были переданы от нововведений общего предка (апоморфии). Только производные признаки, такие как ареолы, производящие колючки у кактусов, предоставляют доказательства происхождения от общего предка. Результаты кладистического анализа представляются в виде кладограмм: древовидных диаграмм, показывающих схему эволюционного ветвления и происхождения. С 1990-х годов преобладающим подходом к построению филогенетических деревьев для живых растений стала молекулярная филогенетика, которая использует молекулярные признаки, особенно последовательности ДНК, а не морфологические признаки, такие как наличие или отсутствие колючек и ареол. Разница заключается в том, что сам генетический код используется для определения эволюционных взаимосвязей, а не косвенно, через признаки, которые он порождает. Клайв Стейс описывает это как «прямой доступ к генетической основе эволюции». В качестве простого примера, до использования генетических данных грибы считались либо растениями, либо более близкими к растениям, чем к животным. Генетические данные свидетельствуют о том, что истинные эволюционные взаимосвязи многоклеточных организмов соответствуют кладограмме, представленной ниже – грибы более тесно связаны с животными, чем с растениями. В 1998 году Группа по филогении цветковых растений опубликовала филогенетическое дерево цветковых растений, основанное на анализе последовательностей ДНК большинства семейств цветковых растений. В результате этой работы многие вопросы, такие как какие семейства представляют собой самые ранние ветви цветковых растений, получили ответы. Изучение взаимосвязей между видами растений позволяет ботаникам лучше понять процесс эволюции у растений. Несмотря на изучение модельных растений и растущее использование генетических данных, продолжаются исследования и дискуссии среди таксономистов о том, как лучше всего классифицировать растения в различные таксоны. Технологические достижения, такие как компьютеры и электронные микроскопы, значительно увеличили уровень детализации исследований и скорость анализа данных.