Выберите растение у которого можно одномоментно наблюдать несколько цветков разного цвета

Добавил пользователь Валентин П.
Обновлено: 19.09.2024

Ответ:

Объяснение:

Клетки организмов, относящихся к разным царствам живой природы, имеют свои особенности. Так, только клетки растений содержат в цитоплазме пластиды. Они бывают бесцветными или окрашенными в различные цвета. В бесцветных пластидах (лейкопласты)накапливаются запасы питательных веществ. Пластиды(хромопласты), окрашенные в жёлтый и красный цвета, определяют окраску лепестков цветов, осенних листьев, зрелых плодов.

Наиболее важное значение имеют пластиды, окрашенные в зелёный цвет, — хлоропласты. В хлоропластах происходит процесс фотосинтеза.

Обзор

Это буйство красок вызвано антоцианами — пигментами растений

Автор

Редакторы

Спонсор конкурса — дальновидная компания Thermo Fisher Scientific.

Приведенные примеры растений с необычной для нас окраской различных органов объединяет то, что все они были искусственно созданы человеком с помощью манипуляций с окраской, которая обусловлена растительными пигментами — антоцианами. Однако без всестороннего исследования природы антоциановой окраски и генетической составляющей биосинтеза антоциановых соединений манипуляция с окраской у различных видов растений была бы невозможна.

Что такое антоцианы? Несколько слов о химии

На сегодняшний день достаточно хорошо исследованы такие растительные пигменты, как флавоноиды, каротиноиды и беталаины; они имеют различную химическую структуру и придают растениям различную окраску. И хотя каротиноиды и беталаины тоже очень интересные пигменты, в данной статье мне бы хотелось остановиться на пигментах флавоноидной природы, поскольку именно они обусловливают огромное разнообразие оттенков цветов у растений. К данной группе относятся повсеместно распространенные среди цветковых растений антоцианы, которые не только окрашивают растения в розовые, красные, оранжевые, алые, пурпурные, голубые, темно-синие цвета, но и являются очень полезными для человека биологически активными молекулами [1]. И хотя другие флавоноидные соединения также могут участвовать в образовании цвета у растений (например, ауроны обеспечивают желтую окраску, а бесцветные флавонолы стабилизируют антоциановые пигменты), основное внимание в статье будет уделено именно антоцианам.

Итак, антоцианы — это растительные пигменты, которые могут присутствовать у растений в генеративных (цветках, пыльце) и вегетативных (стеблях, листьях, корнях) органах, а также в плодах и семенах [2]. При этом данные соединения могут либо постоянно присутствовать в клетке, либо появляться на некоторое время на определенной стадии развития растений или при действии стресса. Последнее обстоятельство навело ученых на мысль, что данные соединения нужны не только для окраски цветов и плодов для привлечения насекомых-опылителей и распространителей семян, но и для борьбы с различными типами стрессов [3].

Рисунок 2. Базовая структура антоцианидинов и антоцианов. Представлена нумерация атомов углерода.

Первые опыты по изучению антоциановых соединений и их химической природы были проведены известным английским химиком Робертом Бойлем еще в 1664 г., когда он впервые обнаружил, что под действием кислот синий цвет лепестков василька изменялся на красный, под действием же щелочи лепестки зеленели [4]. В 1913–1915 гг. немецкие биохимики Р. Вильштеттер и А. Штоль опубликовали серию работ, проливших свет на вопрос о сущности природной окраски антоцианов. Из цветков различных растений они выделили индивидуальные пигменты и описали их химическое строение. Оказалось, что антоцианы в клетках находятся преимущественно в виде гликозидов. Их агликоны (базовые молекулы-предшественники), получившие название антоцианидинов, связаны преимущественно с сахарами глюкозой, галактозой, рамнозой [4].

Все антоцианы (которых известно более 500, и число это растет [5]) имеют общий С₁₅-углеродный скелет, образованный двумя бензольными кольцами А и В, соединенными С₃-фрагментом. При этом от других флавоноидных соединений антоцианы отличаются наличием положительного заряда и двойной связи в С-кольце (рис. 2). Несмотря на огромное разнообразие антоциановых соединений, все они представляют собой производные шести основных антоцианидинов: пеларгонидина, цианидина, пеонидина, дельфинидина, петунидина и мальвидина, которые отличаются боковыми радикалами R₁ и R₂ (рис. 2, табл. 1). Поскольку при биосинтезе (о нем речь пойдет чуть ниже) пеонидин образуется из цианидина, а петунидин и мальвидин — из дельфинидина, можно выделить три основных антоцианидина: пеларгонидин, цианидин и дельфинидин, которые, таким образом, являются предшественниками всех антоциановых соединений.

Таблица 1. Антоцианидины, являющиеся предшественниками всех антоциановых соединений. R₁, R₂ — боковые радикалы В-кольца (рис. 2).

Антоцианидин	R₁	R₂	Цвет
цианидин (Cy)	ОН	Н	пурпурный
пеонидин(Pn)	ОСН₃	Н	пурпурно-синий
пеларгонидин (Pg)	Н	Н	красно-оранжевый
мальвидин (Mv)	ОСН₃	ОСН₃	пурпурный
дельфинидин (Dp)	ОН	ОН	синий
петунидин (Pt)	ОСН₃	ОН	пурпурный

Какую именно окраску будет иметь растение, зависит от многих факторов:

структуры и концентрации антоцианов (которая, кстати, зависит и от наличия стресса — засухи, интенсивного освещения, холода);
pH в вакуолях, где они накапливаются (см. выше описание опытов Роберта Бойля);
наличия ко-пигментов, стабилизирующих антоциановую окраску;
ионов металлов (алюминия, железа, магния, молибдена, вольфрама), с которыми антоцианы могут образовывать комплексы, меняя свой цвет на голубой. В этом случае очень показательным является пример образования комплекса антоцианов корня горчицы с ионами молибдена (рис. 4);
локализации этих соединений в тканях растений.

Рисунок 4. Поперечный срез корней горчицы, росших в среде с молибденом (+Мо) и без него (−Мо). Данный вид растения накапливает антоцианы в эпидермисе корня, которые с ионами молибдена образуют комплексы, меняя при этом цвет с пурпурного на синий.

Рисунок 5. Изменение окраски раствора антоцианов, выделенных из краснокочанной капусты, при изменении рН раствора от 1 до 10 (слева направо).

Итак, чем обусловлены оттенки антоциановой пигментации, почему они разные у разных видов растений, или даже у одних и тех же растений в разных условиях произрастания, становится ясно. Вооружившись уже изложенными данными, каждый читатель может сам поэкспериментировать со своими домашними растениями, понаблюдав за изменением их окраски. Однако, если в ходе этих экспериментов вы добьетесь желаемого оттенка цвета и ваше растение выживет, то уже точно оно не передаст данный оттенок своим потомкам. Чтобы эффект был стойким, необходимо разобраться еще в одном аспекте формирования цвета, а именно в генетической составляющей биосинтеза антоцианов в клетках растений.

Молекулярно-генетические основы биосинтеза антоцианов

Данный вопрос исследован на сегодняшний день достаточно полно, чему немало поспособствовали мутанты различных видов растений с нарушенным биосинтезом антоцианов. Было установлено, что на биосинтез антоцианов (а, следовательно, и на формируемый оттенок у растения) влияют мутации в трех типах генов [8]:

Кодирующих ферменты, участвующие в цепи биохимических превращений (структурные гены).
Определяющих транскрипцию структурных генов в нужное время в нужном месте (регуляторные гены).
Кодирующих транспортеры антоцианов в вакуоли (известно, что антоцианы, находящиеся в цитоплазме, окисляются и формируют агрегаты бронзового цвета, которые являются очень токсичными для клеток растений [9]).

Благодаря методам биохимии и молекулярной генетики все стадии биосинтеза антоцианов и осуществляющие их ферменты на сегодняшний день известны и достаточно полно исследованы (рис. 6), в том числе из многих видов растений выделены структурные и регуляторные гены биосинтеза антоцианов [8]. Знание особенностей биосинтеза антоциановых пигментов у конкретного вида растения позволяет проводить манипуляции с его окраской на генетическом уровне, создавая растения с необычной пигментацией, которые будут передавать новые признаки окраски из поколения в поколение.

Рисунок 6. Биосинтез антоцианидинов: цианидина, пеларгонидина, дельфинидина. Антоцианидины далее подвергаются реакциям модификации (гликозилированию, ацилированию, метилированию), которые осуществляются гликозилтрансферазами (GT), ацилтрансферазами (AT) и метилтрансферазами (MT). Типичная окраска, которую имеют антоцианы, образующиеся из приведенных антоцианидинов, представлена на рисунке, но она зависит от многих факторов: pH, ко-пигментации с бесцветными флавоноидами, комплексами с ионами тяжелых металлов. Заметьте, что метилированию В-кольца (синие прерывистые стрелки) подвергаются антоцианы, а не антоцианидины. Аббревиатуры: халконсинтаза (CHS); халконфлаванонизомераза (CHI); дигидрофлавонол 4-редуктаза (DFR); флаванон-3-гидроксилаза (F3H); флавоноид-3′-гидроксилаза (F3′H); флавоноид-3′,5′-гидроксилаза (F3′5′H); антоцианидинсинтаза (ANS); флавон синтаза (FNS); флавонол синтаза (FLS).

[7], рисунок с модификациями

Рисунок 7. Пурпурное (слева), голубое (справа) и неокрашенное (в центре) зерно пшеницы.

В дикой природе пшеница с пурпурным зерном впервые была обнаружена в Эфиопии (где, по всей видимости, и появился данный признак), а потом гены, которые обусловливают этот признак, были введены методами селекции в возделываемые сорта мягкой пшеницы [10]. Пшеница с голубым зерном в природе не встречается, но зато голубое зерно имеет родственник пшеницы — пырей. Скрещивая пырей и пшеницу и ведя отбор по данному признаку, селекционеры получили пшеницу с голубым зерном, как у пырея [10]. В вышеназванных примерах в геном пшеницы были введены регуляторные гены. То есть, пшеница и так имеет функциональный аппарат биосинтеза антоцианов (все ферменты необходимые для биосинтеза в порядке), а, вводя методами селекции регуляторные гены от родственных видов, у пшеницы запускают машину биосинтеза антоцианов именно в зерне.

Рисунок 8. Томаты с повышенным содержанием антоцианов в плодах, полученные методом генетической инженерии

Пример использование генетической инженерии, для манипуляций с окраской за счет структурных генов биосинтеза антоцианов — пионерская работа, проведенная на петунии [12]. В этой работе впервые в истории были применены методы генетической инженерии с целью изменения окраски растений. В норме растения петунии вовсе не содержат пигментов, производных от пеларгонидина (рис. 6). Это связано с тем, что для фермента DFR (дигидрофлавонол 4-редуктазы) петунии самым предпочтительным субстратом является дигидромирицетин, менее предпочтительным — дигидрокверцетин, а дигидрокемпферол вовсе не используется в качестве субстрата (рис. 6).

Совершенно другая картина субстратной специфичности фермента DFR наблюдается у кукурузы, DFR которой предпочтительнее использует дигидрокемпферол в качестве субстрата [13]. Вооружившись этими знаниями, Мейер с коллегами использовали мутантную линию петунии, у которой отсутствовали функциональные ферменты F3′Н и F3′5′H. Глядя на рисунок 6, нетрудно заметить, что данная мутантная линия накапливала дигидрокемпферол, который не является субстратом для DFR петунии, но зато является субстратом для DFR кукурузы. Введя в мутантную линию генетическую конструкцию, содержащую ген Dfr кукурузы, Мейер получил петунию с несвойственной для неё кирпично-красной окраской цветков (рис. 9).

Рисунок 9. Петунии. а — Мутантная линия петунии с бледно-розовой окраской венчика из-за присутствия следовых количеств антоцианов — производных цианидина и дельфинидина. б — Генетически модифицированная петуния, накапливающая антоцианы — производные пеларгонидина.

Рисунок 10. Схема создания синей розы.

У роз, созданных усилиями селекционеров, окраска лепестков варьирует от ярко-красных и нежно-розовых до жёлтых и белоснежных. Интенсивное изучение биосинтеза антоцианов у роз позволило установить, что они не имеют F3′5′H-активности, а фермент DFR розы использует в качестве субстратов дигидрокверцетин и дигидрокемпферол, но не дигидромирицетин (рис. 6). Поэтому при создании синей розы учёные выбрали следующую стратегию.

При этом, чтобы F3′5′H анютиных глазок и F3′H розы не конкурировали друг с другом за субстрат (оба фермента используют в качестве субстрата дигидрокемпферол, рис. 6), для создания синей розы был выбран доступный генотип с отсутствием F3′H активности.

Еще одни яркий пример использования накопленных данных о биосинтезе флавоноидных пигментов с целью создания растений с несвойственной для них окраской — это получение методами генетической инженерии растений торении с жёлтой окраской цветков (рис. 11).

Рисунок 11. Схема биосинтеза антоцианов и ауронов. Снизу приведены цветки обычной, накаливающие антоцианы (слева), и трансгенной торении, накапливающие ауроны (справа). THC — тетрагидроксихалкон, PHC — пентагидроксихалкон.

[14], рисунок с модификациями

Известно, что жёлтую окраску имеют два типа пигментов: ауроны (класс пигментов флавоноидной природы, которые обусловливают яркую жёлтую окраску цветков львиного зева и георгин), и каротиноиды (пигменты цветков томатов и тюльпанов). В ходе анализа биосинтеза ауронов у львиного зева было установлено, что данные пигменты синтезируются из халконов посредством двух ферментов — 4′CGT (4′-халконгликозилтрансферазы) и AS (ауреузидинсинтазы) (рис. 11). Введение генетических конструкций с генами 4′Cgt и As львиного зева в растения торении, в норме имеющие синюю окраску цветков, совместно с ингибированием биосинтеза антоциановых пигментов привело к накоплению ауровнов и, следовательно, к яркой жёлтой окраске цветков (рис. 11). (Читатель самостоятельно может предположить, на уровне работы каких ферментов может быть заблокирован биосинтез антоцианов в этом случае.) Разработанная специалистами стратегия может быть использована для получения желтой окраски цветков не только у торении, но и у герани и фиалки [14].

Приведенные примеры — это лишь малая доля того, какие манипуляции ученые проводят с тем, что им очень хорошо известно — с биосинтезом антоцианов.

Заключение

Почти у всех деревьев листья одинакового цвета - они зеленые, разве что отличаются оттенками. А вот цветы могут быть любого цвета: белые, красные, синие, желтые и даже черные (правда, последние выводятся селекционерами).

Почему цветы цветные, а листья зеленые? Все дело в том, что у листьев и цветов разные задачи. Листья преобразуют солнечную энергию в питательные вещества с помощью хлорофилла, именно он придает им зеленый цвет. А цветы служат для продолжения рода.

Цветы опыляемых насекомыми растений приманивают опылителей вкусным нектаром, который является для многих основным продуктом питания. Растения являются отличными рекламщиками - мимо такого предложения сложно пройти. Издалека насекомое может услышать запах, разработанный отдельно для каждого опылителя. Подлетев ближе, оно имеет возможность точно определить, куда ему приземляться, благодаря круглой форме цветка и его яркому цвету. Если цветы мелкие, то они собраны в соцветия, чтобы их было видно издалека.

Насекомое забирается в цветок, чтобы полакомиться нектаром, а в это время на его теле оседают сотни частиц пыльцы, которые оно понесет к следующему растению.

Но почему у цветов так много разных красок? Дело в том, что в процессе эволюции многие растения приспособились сотрудничать только с одним родом насекомых - именно для них разработан уникальный цветовой сигнал. Например, белые цветы в основном опыляют бабочки и пчелы, а темно-коричневые - мухи.

Растения, имеющие цветок, из которого впоследствии развивается плод, относятся к отделу покрытосеменных.

Разнообразие покрытосеменных растений поражает воображение.

Такие разные виды, как одуванчик и яблоня, кувшинка и орешник отличаются не только типом жизненной формы, но и цветками.

В сегодняшнем уроке мы познакомимся с цветком, узнаем о его значении, научимся узнавать различные части цветка у разных цветущих растений.

Что такое цветок и зачем он нужен растению?

Цветок - это укороченный неветвящийся побег, необходимый для размножения растений, а также для образования плодов и семян.

Цветок - орган полового размножения растений, привлекающий естественных опылителей - насекомых.

Из завязи цветка впоследствии образуется плод, содержащий семена.

Наличие плодов у цветковых растений способствует их быстрому распространению, а сам половой процесс размножения увеличивает шансы выживания в процессе естественного отбора и приводит к образованию новых видов.

Пройти тест и получить оценку можно после входа или регистрации

Строение цветка

Внешне цветки очень разнообразны, но большинство из них устроено по определенной схеме.

Все части цветка делят на:

репродуктивные - участвуют в размножении: тычинки, пестик (или пестики)
стерильные - которые в размножении не участвуют: околоцветник

простой - состоит только из чашечки или только из венчика
двойной - включает ободок из зеленых листочков - чашечку и ободок из окрашенных листочков- венчик

В центре цветка находится пестик - центр формирования женского гаметофита (орган, производящий женские половые клетки).

Пестик состоит из завязи, столбика и рыльца.

Внутри завязи расположены один или несколько семязачатков.

Вокруг пестика расположены тычинки - место формирования мужского гаметофита.

Тычинки состоят из тычиночной нити и пыльников.

Все части цветка:околоцветник, тычинки и пестики располагаются на цветоложе.

Цветоложе - это разросшаяся осевая часть цветка, находящаяся на цветоножке, которая отходит от стебля растения и соединяет его с цветком.

По своей форме цветок может быть:

правильный или актиноморфный - имеет несколько плоскостей симметрии (лилия, табак, слива)
неправильный или зигоморфный - через него можно провести не более одной плоскости симметрии

Примером зигоморфного цветка может быть орхидея:

У меня есть дополнительная информация к этой части урока!

Форма цветка приспособлена к определенному способу опыления.

Некоторые растения самоопыляемые, другие опыляются ветром, а большинство - насекомыми:

Внутри многих цветков образуется нектар, привлекающий опылителей.

Собирая нектар, пчелы вырабатывают мед - ценный пищевой продукт!

Пройти тест и получить оценку можно после входа или регистрации

Формула и схема цветка

Ботаники для удобства работы и наглядности используют формулы и диаграммы цветков.

В этих формулах используются символьные обозначения:

Ч чашелистики

Л лепестки

Т тычинки

П пестик

О околоцветник простой, состоящий из одних чашелистиков или одних лепестков

Если лепестки расположены в два ряда, то сначала указывают количество в первом ряду, а затем во втором и последующих через знак "+"

Л _{1 + 2} Эта запись обозначает, что у цветка в первом ряду 1 лепесток, а во втором 2

Если у цветка какой-либо орган является сросшимся, то количество его единиц берут в скобки:

Л _{1 + (2)} Эта запись обозначает, что у цветка в первом ряду 1 лепесток, а во втором 2 сросшихся

Например, у цветков семейства бобовых формула выглядит следующим образом:

Читайте также: