Растения тянутся к свету

Добавил пользователь Владимир З.
Обновлено: 19.09.2024

Механизм, благодаря которому растения тянутся к свету, мог появиться случайно, в результате удачного сочетания так называемых прыгающих генов. Учёным удалось выяснить, как он работает и что останавливает реакцию растения на свет.

То, что растения тянутся к свету, было известно еще со времен Аристотеля. Но механизм такой реакции не был до конца понятен ботаникам даже после детального исследования молекулярных основ фотосинтеза. Новое исследование ботаников из Института растений имени Бойса - Томпсона и кафедры биологии Техасского университета проливает свет на реакцию растений на освещение.

Ученые вновь обратили свое внимание на Arabidopsis, ставший за последние 10 лет самой популярной моделью не только генетиков и биохимиков, но еще и хронобиологов.

Исследователи доказали, что растение начинает готовиться реагировать на свет, когда еще находится в темноте. Эта подготовка заключается в продукции тесно связанных белков FHY3 и FAR1, увеличивающих продукцию двух других - FHY1 и FHL, которые, как было показано в предыдущих исследованиях, являются ключевыми в ответе растения на свет.

Собственно, Вану с коллегами удалось установить, как именно FHY3 и FAR1 регулируют работу генома растения. Оказывается, эти белки обладают способностью связываться с ядерной ДНК и запускать считывание генов.

Как выяснили учёные, последовательности ДНК, кодирующие FHY3 и FAR1 очень схожи с так называемыми прыгающими генами, обладающими способностью менять свое местоположение в геноме в зависимости от различных факторов - освещения, химических веществ и так далее. Это свойство изрядно попортило нервы исследователям, пока они пытались найти гены FHY3 и FAR1.

Однако наградой стала новая гипотеза возникновения реакции растений на свет: именно случайное сочетание прыгающих генов в процессе "перепрыгивания" между различными участками геномов могло привести к созданию эффективного механизма такого поведения. Если это действительно так, то именно "прыгающие гены" ответственны появление на Земле цветов.

Если вы заметили ошибку, выделите необходимый текст и нажмите Ctrl+Enter, чтобы сообщить об этом редакции

Известно, что надземные побеги растений тянутся к свету – растут вверх благодаря фототропизму. Корни, напротив, стремятся углубиться в землю – это результат действия гравитропизма. Каковы раздражители, позволяющие поддержать горизонтальный рост побегов? В статье рассмотрены физиологические механизмы тропизмов растений. Особенное внимание уделено горизонтальным побегам. Показано участие фитохрома, одного из важнейших сенсорных пигментов растений, в процессе горизонтальной ориентации. Фитохром имеет две формы, одна из которых поглощает красный свет, а вторая форма – дальний красный (с большей длиной волны). Первая форма фитохрома задействована в механизме горизонтальной ориентации корневищ и столонов, а вторая препятствует выходу побега на поверхность.

Свет и гравитация являются основными факторами среды, регулирующими рост и развитие растений. Эти факторы позволяют растениям ориентироваться в окружающей среде, оптимизируя рост и использование ресурсов (солнечной энергии, воды, минеральных элементов). Ростовые движения растений и их органов в ответ на односторонний раздражитель называют тропизмами . Известно, что побеги проявляют положительный фототропизм (растут по направлению к источнику света) и отрицательный гравитропизм (растут в противоположную от центра Земли сторону). Корни проявляют положительный гравитропизм и отрицательный фототропизм, растут в направлении вектора гравитации. В природе существуют диагравитропные побеги – корневища, столоны, усы, плети, которые продолжительное время растут в горизонтальном положении под или на поверхности почвы, не проявляя фото- или гравитропических реакций.

К настоящему времени достигнут значительный прогресс в изучении механизмов гравитропизма и фототропизма корней и побегов, показано участие различных фоторецепторов (фитохромы, криптохромы, фототропины) в регуляции этих процессов. Фитохром – один из важнейших сенсорных пигментов, который функционирует преимущественно в красной (660 нм) и дальней красной (730 нм) области спектра, участвует в регуляции роста и развития растений. Долгое время практически ничего не было известно о физиологических механизмах ростовых ориентации подземных побегов – корневищ и столонов. В нашей лаборатории была установлена роль фитохромной системы в ориентации роста подземных побегов.

Намечены перспективные направления дальнейших исследований механизмов ростовых ориентации и морфогенеза подземных диагравитропных побегов. В настоящее время слабо разработаны вопросы гормонально-трофической и фитохромной регуляции фото- и диагравитропизма столонов и корневищ. Единичны сведения об экспрессии генов и белков, участвующих в регуляции роста и развития подземных вегетативных меристем. Выявление физиолого-биохимических и молекулярных механизмов роста диатропных побегов - корневищ и столонов имеет практическое значение. Спектральный состав света является одним из основных факторов, определяющих интенсивность побегообразования, продуктивность и устойчивость фитоценоза. Под плотным растительным пологом соотношение красный свет/дальний красный свет сдвинуто в сторону дальнего красного, что является одной из причин подавления побегообразования. Скашивание или стравливание восстанавливает соотношение, что благоприятствует интенсивному отрастанию и формированию корневищами новых надземных побегов. Изучение механизмов роста и тропизмов корневищ и столонов важно с позиций разработки эффективных методов управления вегетативным размножением и продуктивностью корневищных многолетних растений, а также при борьбе с сорной растительностью.

Submit to our newsletter to receive exclusive stories delivered to you inbox!

Главный Попко

Лучший ответ:

Зачетный Опарыш

Я видел, как тянется к свету фасоль, полевой вьюнок. Они обвивают другие растения или опоры и растут вверх, туда где света больше,
Горох, а также огурцы цепляются усиками за различные опоры и тоже стремятся к свету. Сосны в лесу стремятся обогнать друг друга и растут вверх, А сосны, которые не смогли добраться до света, погибают.

Вы можете из нескольких рисунков создать анимацию (или целый мультфильм!). Для этого нарисуйте несколько последовательных кадров и нажмите кнопку Просмотр анимации.

Работы учащихся - Растения и свет

Я взялась за эту тему исследования, потому что часто наблюдала в природе, как растения поворачиваются к солнцу. Я хотела выяснить, почему растение тянется к свету.

Первый день

Третий день

Выводы : В ходе исследования мы наглядно убедились в том, что растения тянутся к источнику света. Происходит движения органов растений в ответ на одностороннее действие света, тропизмы (от греч. trоpos — поворот, направление), в результате более быстрого роста клеток на одной стороне побега, корня или листа. (Большая Советская Энциклопедия. В. И. Кефели)

Фотомонтаж "Свeт в жизни растений"

Ставниченко Артем (5 класс)

Сохранен авторский текст

Я заметил, что мой экспериментальный цветок Ванька мокрый клонится к свету. И мне очень повезло потому, что нам дали задание про свет в жизни растений. Я воткнул палочку рядом с цветком для ориентира, развернул цветок от окна, сфотографировал исходное положение цветка и стал наблюдать. Я фотографировал наклонение цветка к окну в течение недели. На фотографиях хорошо заметно постепенное отклонение цветка опять к окну. Мой цветок опять выглядывал в окно.

Точка отсчета - палочка с бабочкой. Хорошо заметно, как растение поворачивается к солнцу (окно).

Солнце – источник света и тепла, основа фотосинтеза зеленых растений. Свет стимулирует прорастание семян, растения, развиваясь, тянутся к источнику света (свойство, именуемое фототропизмом). Существует группа видов, так называемых компасных растений, листья которых ориентированы с севера на юг, а в полдень поворачиваются к светилу ребром, избегая излишнего облучения.

Проблема с солнцем

Солнечного света, казалось бы, не может быть много, однако логика процесса фотосинтеза такова, что для его нормального течения необходимы в сбалансированном достатке еще вода и углекислый газ. А проблема состоит в том, что яркое солнце, как правило, вызывает перегрев и высушивание растений, которое происходит в результате испарения воды с их поверхности, а также из-за усиления транспирации и дыхания через открытые устьица. Эти жизненно важные для растения процессы в жаркий солнечный день приводят к потере воды и углекислого газа в его клетках, в результате происходит нарушение соотношения необходимых для фотосинтеза компонентов.

Ряд светолюбивых пород нашей зоны можно выстроить с небольшими оговорками таким образом: белая акация – лиственница – ясень – осина – береза – сосна – тополь – дуб – ель – липа – пихта.

Гелиофиты

Светолюбивые растения, или гелиофиты, отличаются способностью сохранять баланс света, воды и углекислого газа максимально длительное время даже в условиях высокой освещенности. К данной экологической группе растений относят представителей открытых пространств тундры, высокогорий и каменистых пустошей, пустынь и полупустынь. Растительный покров этих местообитаний либо разрежен, либо состоит из невысоких растений, расположенных в один ярус.

Гелиофиты заселяют также рудеральные местообитания, возникшие в результате нарушения естественного покрова (пустыри, овраги, осыпи и откосы вдоль дорог), где формируются сообщества с преобладанием сорных или пионерных видов, а также поля с культурными растениями, среди которых, кстати, благоденствует множество сорных видов. Так что большинство сорняков относятся к гелиофитам, и затенение облегчает избавление от них, что учитывается в агротехнике, например при мульчировании и использовании темной ткани.

Светолюбивы многие гидрофиты с надводными листьями, а также деревья первого яруса.

Ветви светолюбивых пород отходят от ствола под большим углом, кроны вытянуты в вертикальном направлении, нижние ветви отмирают рано, и происходит быстрое очищение ствола, а крона стремится вверх, что приводит к формированию также и зонтиковидной кроны.

Для деревьев-гелиофитов характерна ажурная крона и сильное ветвление побегов, причем у кустарников это свойство прогрессирует, у кустарничков и полукустарников наряду с укорочением междоузлий и усилением механических тканей побегов приводит к образованию особой формы роста – подушковидной, а у трав – к формированию розеточных растений. Обе формы являются отличительной чертой и физиономическим признаком высокогорных, пустынных и полупустынных ландшафтов. Сразу оговоримся, что подобные экобиоморфы возникают как приспособление к жизни не только на ярком жарком солнце, но и в условиях сильных ветров, резких перепадов температур, при недостатке почвенной влаги. Открытые местообитания, как частично и верхний ярус лесов, испытывают на себе комплексное влияние этих условий (или некоторых из них).

Гелиофиты способны лучше противостоять заморозкам и поражению вредителями.

Луговые прибрежные сообщества образованы светолюбивыми злаками и разнотравьем Газании открывает бутоны только на ярком солнце, а листья имеют опушение Антоциановые пигменты защищают гелиофиты от жесткого солнечного света

Сходство с ксерофитами

В результате воздействия перечисленных выше неблагоприятных для жизни факторов в процессе эволюции у растений образовались сходные черты строения, в частности у ксерофитов и гелиофитов. Многие признаки данных двух групп совпадают, так как основаны на приспособлениях, сохраняющих влагу и препятствующих проникновению прямых солнечных лучей в глубокие слои фотосинтезирущих органов.

Это совпадение вовсе не свидетельствует о малой изобретательности представителей зеленого населения нашей планеты. Оно лишний раз убеждает нас в энергетической и пластической рациональности некоторых физиологических и морфологических решений, тем более что в разных систематических группах возникали сходные защитные механизмы, что также важно для понимания логики жизни зеленых растений.

Как ксерофиты, так и многие гелиофиты имеют разветвленную корневую систему и относительно мелкие листья, так что основная биомасса сосредоточена в стеблях и корнях. Их листья имеют покровы из кутикулы, многослойный эпидермис, мелкие и плотные хлоропласты, ориентированные вдоль стенок клеток. Для них характерны более мелкие, но толстые листовые пластинки с густым жилкованием и большим количеством устьиц, расположенных на нижней стороне листа.

Фототропи́зм – изменение направления роста органов растений в зависимости от направления падающего на них света.

Под влиянием внешних факторов

Подчеркнем, что перечисленные признаки обладают достаточной пластичностью в различной погодной ситуации и местных условиях произрастания. Так, затенение крон гелиофитов ведет к редукции площади листовых пластинок. Световые листья располагаются по периметру кроны, а теневые – соответственно в более глубоких ее слоях и ближе к земле. Соотношение в кроне световых и теневых листьев зависит от светового довольствия прошлого года, так как энергия солнца влияет прежде всего на меристемные ткани. Представители светолюбивых пород древесных растений реагируют на недостаток света, формируя неравномерную крону (более изреженную и с вытянутыми побегами) с затененной стороны.

Гелиофиты имеют ряд сходных биологических черт. Большинство гелиофитов – анемохоры, их семена распространяются ветром, что удобно для растущих на открытых пространствах растений. Цветение происходит у многих светолюбивых пород до распускания листьев, что упрощает опыление ветром.

Они способны лучше противостоять заморозкам и поражению вредителями. В то же время зависимость от освещенности светолюбивых видов растет в связи с неблагоприятными температурными (переохлаждение или перегрев) и почвенными условиями, например при недостатке азота. Именно поэтому на более тощих почвах формируются и менее сомкнутые древостои, а после холодных зим и в условиях жаркого лета можно ожидать их изреживания.

Подушковидные полукустарники на вершине Белая акация – одно из самых светолюбивых деревьев нашей климатической зоны Одноярусное сообщество низких трав на открытом солнцу берегу Атлантического океана

Дыхание и фотосинтез

Отдельная группа светолюбов, а вернее, две группы имеют интересные физиологические приспособления. У них разделен процесс дыхания, при котором, как известно, в клетку растения через устьица поступает кислород, а выделяется углекислый газ, и процесс фотосинтеза, в результате которого выделяется кислород, а используется вода и углекислый газ.

Одни пошли по пути временного разделения данных процессов. Они могут дышать ночью, когда воздух насыщен парами воды и нет опасности иссушения, а фотосинтез, понятно, идет при дневном свете. Это так называемые САМ-растения (от англ. crassulacean acid metabolism). К ним относятся суккуленты из семейства толстянковые (Crassulaceae), а также представители семейства лилейные, орхидные, бромелиевые, кактусовые, аизовые.

Другие разделили в пространстве листа процессы дыхания и фотосинтеза (С4-растения, в отличие от традиционных С3-растений). Это стало возможно благодаря иному анатомическому строению листа и биохимическим особенностям кислот, фиксирующих в процессе фотосинтеза CO2. Такие кислоты имеют четыре атома углерода, что и дало название С4-пути фотосинтеза у данной группы растений, к которой относятся сахарный тростник, кукуруза, сорго, лебеда, амарант, а также некоторые представители семейства молочайные, сложноцветные, злаковые и некоторые другие. Эти растения не выделяют CO2 при дыхании, а экономно используют его для фотосинтеза.

Антоциановые пигменты, вызывают розовую, красную и пурпурную осеннюю окраску листьев при помощи углеводов (сахара, крахмала).

Светолюбивая сферальцея шарлаховая с белесой окраской побегов Скалистые побережья Западной Калифорнии – местообитания суккулентных гелиофитов Антоциановые пигменты защищают гелиофиты от жесткого солнечного света

Защита от ультрафиолета

Отметим еще один важный момент, касающийся свойств солнечного света. Не весь спектр его лучей полезен и продуктивен для фотосинтезирующих растений.

Коротковолновая ультрафиолетовая часть лучей, как мы можем догадаться по аналогии с бактериями, с которыми борются, используя ультрафиолетовую лампу, и человеком, перезагоревшем на палящем солнце, губительно действует на фотосинтетический аппарат растений. У них разрушаются хлоропласты, как, впрочем, и цитоплазма клеток.

При высоком уровне ультрафиолета защитить от него клетки листьев способны антоциановые пигменты, которые проявляются, например, на листьях молодых побегов. Это можно наблюдать у древесных видов в наших лесах рано весной и при вторичном осеннем отрастании побегов, а также в окнах возобновления и на вершинах крон деревьев в тропических лесах, где ростовые процессы не имеют явно выраженной сезонности. Антоциановые пигменты характерны для облика типичных суккулентных гелиофитов. Служа экраном от ультрафиолета, они одновременно поглощают УФИ и отражают тепловые красные лучи.

Кстати, наибольшему воздействию ультрафиолета подвержены высокогорные растения, поэтому гелиоморфизм у них ярко выражен (по аналогии с ксероморфизмом), в частности, белесые покровы их побегов являются хорошей защитой и пропускают не более 15 % падающего на них света.

Читайте также: