Generasjonsveksling, befruktning, embryogenese, frøutvikling og spiring

• Livssyklus hos bregner
• Livssyklus hos angiospermer
• Pollinering og befruktning
• Embryogenese
• Opplagsnæring i frø (frølagringsproteiner, stivelse og fett)
• Frøspiring

Alle organismer som har overlevd evolusjonen til vår tid har et effektivt reproduksjonsystem. Livssyklus hos plantene består av generasjonsveksling - en haploid fase kalt gametofyttgenerasjonen alternerer med en diploid fase kalt sporofyttgenerasjonen. Gametofytten er den seksuelle generasjonen og den reproduserer seg med gameter eller kjønnsceller, men reproduserer seg ikke direkte. Istedet sammensmelter gametene til en zygote som resulterer i en sporofytt. Sporofytten reproduserer seg heller ikke direkte, men lager aseksuelle reproduktive celler kalt sporer som utvikler seg til gametofytt. Sporofytt- og gametofytt generasjonen alternerer og reproduserer hverandre.

Livssyklus hos bregner

Gametofytten hos bregner vokser grønnfarget, liten og uanselig på bakken. Det vi omtaler som bregne er sporofytten. Sporofytten lager sporer i sporangier. Bregnene deles inn i to grupper som atskiller seg i utviklingsprosessen som fører fram til sporer:

 

1) Eusporangiate bregner f.eks. marinøkkel og ormetunge.

2) Leptosporangiate bregner som er mest vanlig.

Hos leptosporangiate bregner lages sporangiene på undersiden av blad (sporofyll) i spesielle regioner kalt sori. Hvert sporangium kommer fra en enkelt celle, som deler seg, vokser og blir til en differensiert flercellet struktur. Når sporangiet er ferdig utviklet består det av en sfære av celler festet med en stilk til bladet. En celle sentralt plassert i sfæren blir differensiert til den primære arkesporcellen som ved flere mitoser gir 12-16 sporemorceller. Sporemorcellene gjennomgår meiose og danner tetrader med haploide sporer. Når sporene er modnet atskilles de og omgis av en tykk vegg. Sporene faller ned på bakken og vil spire i et fuktig miljø. Celledelingene i sporen vil lage et langstrakt filament, men er det blått lys tilstede vil celledelingplanet til den apikale cellen endre seg slik at den danner en todimensjonal gametofytt. Når gametofytten er ferdig utviklet er den flat, hjerteformet og ca. 1 cm i diameter og kalles prothallus. Når gametofytten modnes dannes det hunnlige og hannlige reproduktive organer kalt henholdsvis arkegonier og antheridier. Antheridene finnes på den nedre delen av gametofytten og arkegoniene mer mot den andre enden. Noen celler i antheridene differensierer til bevegelige spermceller med flageller. I arkegoniet utvikler en celle seg til et egg. Befruktningen skjer når den bevegelige spermcellen svømmer opp halsen i arkegoniet og når fram til og fusjonerer med egget. En zygote dannes etter sammensmelting mellom egg og spermcelle. Zygoten gjennomgår embryogenese i arkegoniet og vil under gunstige forhold utvikle seg til en diploid sporofytt.

Livssyklus hos angiospermer

Bregnene har ikke vært så suksessfulle som angiospermene når det gjelder utbredelse. Bregnegametene ligger ikke beskyttet, og vann er nødvendig for å få overført spermcellene til egget. Hos angiospermene er gametene omgitt av beskyttende strukturer. Embryo ligger beskyttet inne i et frø med opplagsnæring til kimplanten og frukten deltar i spredning av frøene. Også hos angiospermene er sporofyttgenerasjonen dominerende, men gamtofyttgenerasjon er ennå mer redusert i forhold til bregnene og lever parasittisk på sporofytten. Angiospermene har to morfologisk forskjellige gametofyttgenerasjoner i blomsten, den hannlige og hunnlige gametofytten.

Andrøsiet - pollenblad

Pollenkornet er den hannlige gametofytten blir dannet i en mikrosporogenese etterfulgt av en mikrogametogenese.  I et pollenblad er fire pollensekker (pollenkammer) omgitt av et tapetlag er festet til et filament. I sentrum av hver sekk er det en samling celler kalt mikrosporemorceller omgitt av tapetvev. Mikroporemorcellen gjennomgår reduksjonsdeling (meiose) som gir fire haploide mikrosporer, hvorav alle utvikles til pollenkorn. Den indre celleveggen i pollenkornet kalles intine og har lik sammensetning som primærveggen. Den ytre veggen kalles exine og inneholder sporopollenin. Kallase er et enzym som bryter ned kallose og skilles ut fra tapetlaget. Kallase er nødvendig for at pollenkornene skal skille lag ( Figur).

Pollenkornet består av to celler, en vegetativ celle (tubecelle)  som pollenslangen utvikler seg fra, og en generativ celle med en spermkjene. Den generative cellen har halvmåneformet noe forlenget form. Vegetativ og generativ celle oppstår som resultat av mitotisk deling av mikrosporen. Den generative cellen blir liten på grunn av asymmetrisk plassering av spindelapparatet; og atskilles fra den vegetative ved en tynn vegg eller bare plasmamembranen. I et stadium av pollenutviklingen vil den generative cellen dele seg via mitose og hver av de to generative dattercellene differensieres til spermceller med hver sin spermkjene. Dette siste skjer ofte når pollenslangen vokser ned gjennom griffelen. Det finnes både bicellulært og tricellulært pollen. Alle spermceller hos angiospermene er ikkebevegelige og transporteres passivt ved hjelp av pollenslangen som vokser gjennom transmisjonsvevet via spissvekst. Den generative cellen mangler mitokondrier og kloroplaster, og disse organellene nedarves vanligvis fra den hunnlige delen (maternal nedarving), men her finnes det unntak.

Gynøsiet - fruktblad

Den hunnlige delen av blomsten er et fruktblad bestående av fruktknute, griffel og arr. Embryosekken er den hunnlige gamtofytten og den ligger i et frøemne. Frøemne utvikles fra epidermisceller og holdes i et hulrom i fruktknuten festet til den indre overflaten med en kort stilk kalt funikulus (navlestreng). Frøemnet er festet til en del av fruktknuteveggen kalt placenta. Utviklingen styres av transkripsjonsfaktorer. Når frøemnet vokser blir en celle til megasporemorcelle som gjennomgår meiose. Dette gir fire haploide celler, men bare en av disse overlever. De andre desintetgrerer ved kontrollert celledød (apoptose) og den overlevende cellen gjennomgår tre mitotiske delinger og danner embryosekken - den hunnlige gametofytten (figur).

Pollinering og befruktning

Pollinering er overføring av pollen fra pollenbærer til arr. Pollineringen skjer med vind, insekter, dyr og fugler. Det er to hovedtyper arr: tørre og våte arr. Våte arr f.eks. hos løvemunn og liljer består av celler som produserer glykoproteiner, slim og næring som er nødvendig for at pollenkornet skal spire. Tørre arr er evolusjonsmessig mer avansert og finnes hos gras, kål og trær. Griffelen kan være åpen eller lukket. En åpen griffel har et hulrom i midten med indre epitelceller dekket med polysakkarider, lipoproteiner, og glykoproteiner. En lukket griffel har et transmitterende vev som leder pollenslangen. Pollenslangen vokser i spissen. Veggen i pollenslangen inneholder ikke cellulose, men kallose som er et b-1,3-glukan. Kallose lages i Golgiapparatet og transporteres i form av vesikler til spissen av pollenslangen. Det er høy konsentrasjon av kalsium (Ca²⁺) i spissen av pollenslangen.

De fleste planter er selvsterile, det vil si at eget pollen ikke vil spire på eget arr, en egenskap som fremmer krysspollinering. Gener som bestemmer cytoplasmatisk hannsterilitet finnes i mitokondriene. Gametofytt selvinkompatibilitet skyldes at et genprodukt fra den hannlige gamtofytten reagerer med et genprodukt i det hunnlige vevet i griffelen. Interaksjonen kontrollert av et S-locus som har titalls forskjellige alleler i en naturlig populasjon. Hvis S- allelet er likt i pollen og hunnlig del vil ikke pollenslangen vokse og utvikle seg. Proteinproduktene fra S-allelet er basiske glykoproteiner eller enzymet RNase som spalter RNA. Kompatibelt pollen, som den hunnlige delen godtar, tar raskt opp vann og pollenslangen begynner å vokse etter kort tid. Det skjer en dobbel befruktning ved at en spermcelle fusjonerer med egget og gir zygote. Den andre spermcellen fusjonerer med to polkjerner og gir triploid endosperm. Både spermceller, eggcelle og sentralcelle er nakne protoplaster.

Embryogenese

Sporofyttgenerasjonen starter med en zygote. Zygoten går gjennom en embryogenese og sammen med noe maternalt vev dannes frøet. Frøet består av et embryo og opplagsnæring omgitt av frøskall.

Embryogenesen gir aksen til den nye plantekroppen med rot- og skuddmeristemer i hver ende. Embryogenesen, som varierer fra art til art, følges av vekst og utvikling av endospermen. Egget har polar struktur med en stor sentralvakuole ved mikropyleenden; og kjernen og det meste av cytoplasma i den andre enden. Zygoten gjennomgår ulik celledeling slik at cellen som inneholder vakuolen deler seg noen ganger i samme plan og lager et filament kalt suspensor. Embryoet går inn i et dermatogent stadium hvor cellene deler seg antiklint og produserer et overflatelag av åtte celler som dekker de åtte indre - det globulære stadiet. Hjertestadiet av embryo har utviklet bladprimordiene til de to frøbladene. I torpedostadiet kan hypokotylen og rota gjenkjennes. Hos f.eks. erter og bønner vil endospermvevet som omgir embryo i de tidligste fasene av embryogenesen forsvinne og frøbladene (kimbladene) fylles med opplagsnæring. Frøbladene fungerer som et oppsugingsorgan. Hos gras lages et aleuronlag med levende celler som omgir en stivelsesholdig endosperm hvor cellene gjennomgår kontrollert celledød (apoptose). Skutellum hos gras, som tilsvarer det andre frøblad hos de tofrøbladete), fungerer som et oppsugingsorgan for opplagsnæringen i endospermen.

Somatisk embryogenese i vevskultur

Somatiske celler fra gulrot, soyabønne og mais kan gjennomgå embryogenese i vevskultur. Først oppformeres cellevev som gir kallus i nærvær av 2,4-D. Deretter flyttes vevet til medium uten 2,4-D.

Opplagsnæring i frø (frølagringsproteiner, stivelse og fett)

Mange planter overlever ugunstige årstider som frø. Frøet har lavt vanninnhold og tåler godt frost og tørke. Frøet inneholder embryo dannet ved befruktning av eggcellen. Embryo er en liten plante i miniatyr med rot og skuddanlegg og frøet er dekket av et frøskall. Størrelsen på frø varierer med arten, fra knapt synlige til Coco-de-mér fra Seychellepalme som den andre ytterlighet. I tillegg inneholder frøet opplagsnæring i form av protein, stivelse og fett, enten lagret i en frøhvite (endosperm) eller i kimbladene. Fett er en særlig kompakt form for lagring av energi. Stivelse ligger lagret i små eller store stivelseskorn.

Frølagringsproteinene kodes av flere forskjellige multigenfamilier som uttrykkes bare i kort tid av livssyklus i frøblad eller endosperm. Frølagringsproteinene hos tofrøbladete kalles globuliner og er uløselige i vann, men løselige i konsentrerte saltløsninger. Korn inneholder prolaminer som uløselig i vann og saltløsninger, men løselig i alkohol (70 %- 100 %) eller i vann tilsatt detergenter. Frølagringsproteinene er rike på aminosyrene arginin, glutamin, glutamat og asparagin. Frølagringsproteinene får ofte navn etter arten. Glycininer fra soyabønne (Glycine max), zeiner fra mais (Zea mays) og phaseoliner fra bønner (Phaseolus). Frølagringsproteinene syntetiseres på grynet endoplasmatisk retikulum og lagres i proteinlegemer. Frølagringsproteinene inneholder en signalsekvens slik at de transporteres inn i endoplasmatisk retikulum. Signalsekvensen spaltes av under transporten. Proteinene glykosyleres i endoplasmatisk retikulum og de blir videre modifisert i Golgiapparatet. Proteinene transporteres deretter til tonoplasten og utskilles i vakuoler eller akkumuleres i vesikler. Proteinlegemene inneholder lagringsproteinene i krystallisert struktur. Lektiner er glykoproteiner som lagres sammen med frøproteinene.

Granfrø inneholder mye fett og er attraktiv mat i vinterhalvåret for ekorn, mus, spetter, og korsnebb. Hasselnøtter som også inneholder mye fett samles av mus, nøtteskrike og nøttekråke.

Gluten intoleranse

Coeliaki er en autoimmunsykdom hvor gluten fra hvete eller rug ødelegger tynntarmen slik at tarmen ikke kan ta opp næringsstoffer. Gluten er vannuløselige frølagringsproteiner (gliadin/glutenin) som gir melet bakeegenskaper. Gluteninene er høymolekylvekts lagringsproteiner med mange vindinger slik at de danner kjeder med elastisk nettverk som kan fange opp karbondioksid produksert fra bakegjær.

Pollenallergi

Pollenallergi forsurer tilværelsen for mange. Imidlertid er proteinene fra pollen som virker som allergener helt nødvendige for at pollen skal være fertilt og gi frø. De allergiframkallende proteinene deltar i hydrering av pollen og vekst av pollenslangen gjennom griffelen. Protein fra pollen som virker som antigener binder seg til antistoffmolekyler (immunoglobuliner) i immunsystemet hos oss. Immunoglobuliner består av 4 polypeptidkjeder. To like lange tunge kjeder og to lette kjeder holdt sammen med disulfidbroer som danner et Y-formet molekyl. Den tunge E-kjeden til antistoffer (immunoglobulin E, IgE) setter seg på receptorer på membranen til mastceller og når mastcellene registrerer antigener som passer sammene med antistoffene starter inflammasjonen ved å skille ut histaminer som får blodårene til å dilatere og så er allergireaksjonen igang. Mesteparten av det allergifremkallende protein i bjerkepollen er et profilin som binder seg til aktin mikrofilementer i cellene. Profiliner (pro filamentaktin) er små proteiner som finnes i pollenslangen. Aktin deltar i veksten av pollenslangen. Profiliner binder seg også til poly-prolin og fosfoinostidider. Noen pollenallgergener har sekvenslikhet med enzymet pektat lyase som deltar i nedbrytning av pektin i midtlamellene og celleveggene. Flere allergener hos gras har sekvenslikhet med expansiner som deltar i veksten av cellevegger hos planter.

Frøspiring

Frøspiringen starter med vannopptak i frøet kalt imbibering. Indre overflater i frøet virker sterkt hygroskopisk (lavt matrikspotensial) og trekker til seg vann fra omgivelsene. Den første veksten av frøplanten (kimplanten) er heterotrof. Først vokser kimrota ut av frøet og deretter skuddet beskyttet i form av en apikal krok eller dekket av en koleoptile. I fettfrø omdannes fett til sukker. Fettsyrene spaltes av fra fett katalysert av lipase. Fettsyrene fraktes til glyoksysomene hvor de i b-oksidasjonen brytes ned til acetyl-CoA. I glyoksylatsyklus omdannes to molekyler acetyl-CoA til succinat, som deretter fraktes til mitokondriene og blir metabolisert i deler av trikarboksylsyresyklus. Sukker lages deretter i glukoneogenesen og fraktes til den unge kimplanten. I grasfrø lages og utskilles hydrolyttiske enzymer fra aleuronlaget og skutellum. Nysyntese av enzymer trenger utvikling av endoplasmatisk retikulum i aleuronlagscellene og er også avhengig av gibberelliner som kommer fra embryo. Minst 4 forskjellige a-amylaser produseres av aleuronlaget. b-glukanaser bryter ned celleveggene i endospermcellene og deretter kan amylasene bryte ned stivelse til enkle karbohydrater som fraktes via skutellum til den unge kimplanten. Lagringsproteiner brytes ned til aminosyrer og dipeptider som fraktes samme vei. Erter og bønner er to eksempler på frø som lagrer opplagsnæringen i frøbladene, de to halvdelene dekket av frøskallet. Erter har hypogeisk spiring, det vil si at frøbladene forblir ved jordoverflaten. Bønner har epigeisk spiring, det vil si grønne frøblad løftes opp med stengelen over jorda.