Строение семян растений

Понятие о строение семян предполагает усвоение понятие об органах растений вообще. У растений, как и у животных, тоже есть органы, но не у всех. Тело водорослей не расчленено на листостебельные побеги и корни, оно представлено слоевищем (талломом) и не имеет сложного тканевого строения. Существуют «неклеточные» водоросли – каулерпа, ботридиум, представляющие собой эволюционную тупиковую ветвь. Их тело, по сути, состоит из одной многоядерной клетки. Колониальные – педиаструм, эудорина, вольвокс. У многоклеточных водорослей число специализированных клеток – от 2 до 10. У мхов появляются листья и стебли. У папоротникообразных и семенных растений тело разделено на вегетативные органы – листостебельные побеги и корни, построенные из различных тканей.

Появление органов у растений в процессе эволюции

Органы и ткани в процессе исторического развития появлялись у растений постепенно. Ископаемые остатки древних наземных растений риниофитов были найдены в 1913 году в Шотландии, а позднее и в других местах. Риния – небольшое травянистое растение. Её органы ветвились дихотомически и имели верхушечное (апекальное) нарастание. Одни из этих органов простирались на поверхности влажной почвы и поглощали воду волосковидными выростами – ризоидами; другие росли вертикально и некоторые из них заканчивались спорангиями.
Риния ещё сохраняла сходство с водорослеобразными предками. У неё не было ни листьев, ни стеблей, ни корней, ни почек. Цилиндрический осевой орган риниевых получил особое название – телома. Телом имел внутреннее строение, вполне характерное для сухопутных растений. Он был покрыт эпидермой с типичными устьицами. В центре имелись проводящие ткани, а между ними и эпидермой залегала хлорофиллоносная ткань.

Идею существования основных органов растений и их видоизменений впервые отчётливо сформулировал в конце 18 века великий поэт и философ, один из основателей научной морфологии растений – И. В. Гёте.

Основными вегетативными органами растений считаются только два из них – побег и корень. Побег (а не стебель и лист по отдельности) считают основным органом. Высшие (устаревший термин) растения делятся на споровые и семенные. В настоящее время на Земле доминируют семенные растения, их насчитывается около 400 000 видов. Семя – прогрессивное эволюционное приобретение растений. Оно защищает зародыш и обеспечивает его питанием. Семена помогают расселению растений, способствуют периоду их покоя для пережидания неблагоприятных условий.

Общая характеристика семени

После оплодотворения у семенных растений большая часть питательных веществ направляется к завязи, там идёт формирование семян, а у покрытосеменных и плода. Семя образуется из семязачатка (видоизменённый женский спорангий). Из оплодотворённой яйцеклетки развивается зародыш, из центральной клетки – эндосперм, из интегументов – семенная кожура. В обычном понимании семя не является органом, так как в нём объединяются структуры двух (у голосеменных – трёх) разных поколений жизненного цикла. Правильнее называть его зачатком растения. А все остальные, кроме зародыша части семени можно считать вспомогательными, добавочными структурами. Из зародыша развивается спорофит голосеменных и цветковых растений.

Размер и масса семян у разных видов растений очень сильно различается. Самые крупные семена у сейшельской пальмы. Их длина 30-45 см, масса достигает 20 кг, что в 30 млн. раз больше, чем у берёзы. У заразиховых и орхидных семя весит тысячные доли миллиграмм. Масса 50 тыс. семян венерина башмачка составляет всего 0,1 г. Семя сейшельской пальмы созревает в течение 7-10 лет, вырастает за 1-1,5 года, а потом ещё в течение 3-5 лет молодое растение получает из него питательные вещества. У небольших семян и зародыш очень маленький, в нём мало запасных питательных веществ. Поэтому семенам орхидеи для прорастания требуются идеальные условия, ведь они очень быстро теряют всхожесть.

Если подсушенные семена хранить в герметичной упаковке, при температуре, близкой к абсолютному нулю, они сохраняют свою жизнедеятельность практически до бесконечности. В 1954 году археологи нашли в канадской тундре семена люпина арктического, которые находились в замёрзшем иле более 10 тыс. лет. В 1966 году благодаря созданным благоприятным условиям несколько из этих семян проросли. Также удалось прорастить семена лотоса, найденные в Манчжурии, пролежавшие в торфянике более 1000 лет.

Чаще всего семена имеют округлую или вытянутую форму. Их поверхность может быть гладкой, реже с шипиками, волосками, рёбрами, сосочками. Это своеобразные приспособления к распространению.

В семени содержатся вещества, необходимые для прорастания будущего растения:

• вода – 10-15%;
• минеральные соли – 1,5 — 5% от сухой массы;
• органические вещества. Например, семена гороха содержат белок – 1/3 от сухой массы, зерновки пшеницы – крахмал – более 50% сухой массы, подсолнечник – растительные масла – более 50%.

Строение семян растений и их функции

Семя – это основной орган расселения и полового размножения голосеменных и покрытосеменных растений. У покрытосеменных они заключены в одно- или многосемянный плод. В типичном случае семя состоит из:

• зародыша (2n);
• запасной питательной ткани – эндосперма (3n – у покрытосеменных, но у кувшинки – 2n, у других может иметь до 15n, 1n – у голосеменных);
• семенной кожуры.

Семенная кожура:

• обычно многослойна;
• функция – защита зародыша от механических повреждений, микроорганизмов, высыхания, преждевременного прорастания;
• может способствовать распространению семян (волоски у ивы, тополя; мясистые придатки на кожуре копытня, бересклета);
• у невскрывающихся плодов с непроницаемым околоплодником кожура тонкая (вишня, подсолнечник);
• у вскрывающихся плодов с тонким околоплодником кожура толстая (хлопчатник). От этого правила часто бывают отклонения (виноград);
• на первых этапах прорастания клетки семенной кожуры могут ослизняться, что способствует прикреплению к почве (у льна);
• семенная кожура имеет небольшое отверстие – микропиле:
  • место проникновения первых порций воды,
  • место появления корешка при прорастании;
• на кожуре семян из многосенянных плодов виден рубчик – место прикрепления семени к семяножке. На рубчике заметен след от проводящего пучка.

Задание для практической работы

1. Возьмите семена выше упомянутых растений: льна, винограда, хлопчатника, подсолнечника, вишни, ивы, тополя, бересклета или др.
2. Сравните их кожуру по толщине.
3. Посчитайте количество её слоёв.
4. Найдите микропиле.
5. Создайте свою классификацию семян, выбрав критерии, например: вскрывающиеся и невскрывающиеся.

Эндосперм (запасная питательная ткань семени):

• у зрелого семени состоит из крупных клеток запасающей ткани;
• делится на:
  • мучнистый (с преобладанием зёрен крахмала),
  • маслянистый (с отложениями жирных масел);
• белки эндосперма откладываются в виде алейроновых зёрен, у злаков в алейроновом слое (наружный слой эндосперма);
• эндосперм может быть твёрдым, каменистым, например, у финиковой пальмы;
• при набухании семян вещества эндосперма гидролизуются под действием ферментов и поглощаются зародышем. После чего клетки эндосперма разрушаются.

Зародыш семени имеет:

• зародышевый стебелёк. На верхушке которого находится точка роста побега (меристема) и семядоли (зародышевые листья);
• если на апексе уже заложены зачатки листьев побега, то говорят о почечке зародыша;
• семядольные листья (семядоли: у однодольных – 1, у двудольных – 2, у хвойных – несколько);
• часть оси, занятая основаниями семядолей – семядольный узел, ниже него – гипокотель (подсемядольное колено, переходная зона между стеблем и корнем);
• зародышевый корешок, имеющий меристематический конус нарастания, покрытый корневым чехликом.

Соотношение между зародышем и эндоспермом

Зародыш может быть очень маленьким, а эндосперм способен занимать больший объём семени (у пальм, магнолиевых, лилейных). Ко времени созревания семени зародыш разрастается и поглощает эндосперм. Зрелое семя состоит из зародыша и небольшого слоя эндосперма под кожурой (миндаль, яблоня), либо зародыша и семенной кожуры (тыквенные, бобовые, сложноцветные). Из 250 семейств цветковых растений 85% имеют более или менее выраженный эндосперм, 15% семян не имеют эндосперма.

Типы семян

1. Семена с эндоспермом. У двудольных семядоли зрелого семени часто маленькие, но они значительно увеличиваются перед прорастанием, поглощая вещества эндосперма. Такое строение семян имеют: гречиха, сирень, клещевина, липа, виноград, хурма, мак, томат, пион, паслёновые, злаки, зонтичные. К этому типу относится большинство семян однодольных:
   • у злаковых зародыш в плоде-зерновке прилежит к эндосперму только одной стороной, а не окружён им со всех сторон.
   • семядоля злаков – плоский щиток. Его поверхностный слой – сильно специализированные клетки с всасывающей функцией.
   • почечка зародыша сильно развита, имеет 2-3 и более листовых зачатка. Наружный колпачковидный лист – колеоптиль («колеос» — ножны, «птилос» — пёрышко);
   • зародышевых корешков может быть несколько, они окружены многослойным чехлом – колеоризой.
2. Семена с эндоспермом и периспермом. Из нуцеллюса семязачатка образуется дополнительная запасающая ткань – перисперм. Она находится обычно сразу под семенной кожурой. Функционально перисперм аналог, но не гомолог эндосперма. Примеры: кувшинка, чёрный перец, кубышка, имбирные, банановые.
3. Семена без эндосперма, с периспермом. Иногда эндосперм в зрелом семени поглощается полностью, остаётся один перисперм. Подобное строение семян у: куколя, звездчатки, лебеды, свёклы.
4. Семена без эндосперма и перисперма. Под плотной кожурой сразу находится зародыш с плоскими семядолями. Эндосперм был «съеден» в процессе созревания семени. Запасные питательные вещества откладываются непосредственно в зародыше, в его семядолях. На семядолях часто видно зачаточное жилкование. Примеры: тыквенные, бобовые, розоцветные, сложноцветные, дуб, крестоцветные, лещина, цитрусовые.

Строение семян голосеменных растений

Семя голосеменных растений непокрыто, развивается на поверхности семенной чешуи. Это многоклеточная структура, в состав которой входят: запасающая ткань – эндосперм, зародыш и семенная кожура. Эндосперм, образующийся  из ткани женского гаметофита, исходно гаплоидный, но может становиться полиплоидным. У гингко и саговников наружный слой семенной кожуры (саркотеста) мясистый и мягкий, средний слой (склеротеста) твёрдый, внутренний (эндотеста) к моменту созревания семени плёнчатый.  У подокарпуса, можжевельника и тиса семена окружены мясистым присемянником – изменённой чешуёй женской шишки.

Строение семян покрытосеменных (цветковых) растений

Эндосперм покрытосеменных растений чаще триплоидный, реже более – до 15n, у кувшинки он диплоидный. У цветковых в семени кроме эндосперма может присутствовать другая запасающая ткань – перисперм, она также может быть единственной при отсутствии первого. Семядолей в зародыше может быть 1 или 2.

Задание

Исследуйте семена разных растений. Найдите у них зародыш и его части, эндосперм. Для рассматривания некоторых семян понадобится лупа. Лучше всего видно части семени у размоченной и набухшей фасоли, кукурузы и пшеницы.

Интересные факты про семя

• У многих пальм и лилейных зародыш сильно увеличивается перед прорастанием.
• Существуют семена с недоразвитым и редуцированным зародышем.
• У паразитических цветковых зародыш выходит из семени рано. Его органы закладываются после прикрепления к хозяину (повиликовые, заразиховые).