Projekt okładki i stron tytułowych Lidia Michalak

Zdjęcie na okładce trahko/Fotolia

Wydawca Katarzyna Włodarczyk-Gil

Koordynator ds. redakcji Renata Ziółkowska

Redakcja Joanna Forysiak

Korekta Agnieszka Janowska

Koordynator produkcji Mariola Grzywacka

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwa Naukowego PWN

Monika Lipiec, Woblink

Książka, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty.

Szanujmy cudzą własność i prawo.

Więcej na www.legalnakultura.pl

Polska Izba Książki

Copyright © by Wydawnictwo Naukowe PWN SA

Warszawa 1998, 2002, 2012, 2020

ISBN 978-83-01-20786-1

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2020 r., (wyd. IV)

Warszawa 2020

Wydawnictwo Naukowe PWN SA

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 69 54 321, faks 22 69 54 288

infolinia 801 33 33 88

e-mail: pwn@pwn.com.pl; reklama@pwn.pl

www.pwn.pl

Przedmowa

Powodem przygotowania nowego wydania podręcznika Fizjologia roślin jest postępujący rozwój tej dziedziny wiedzy i nagromadzenie w ostatnich latach pokaźnego zasobu nowych danych. Obecne wydanie jest uaktualnione i uzupełnione, a jego treści obejmują i niejednokrotnie przekraczają zakres programu uniwersyteckiego tej dyscypliny naukowej. Zasadniczy układ rozdziałów został zachowany, natomiast przeredagowano niektóre (rozdz. 1, 2, 4.2, 5.2, 6, 7), upraszczając wywód i czyniąc podręcznik bardziej przystępnym. Wszystkie rozdziały zawierają uzupełnienia, często dość znaczące, będące konsekwencją pojawienia się nowej wiedzy i jej interpretacji. Książka została napisana przez 15 autorów, w związku z czym trudno było uniknąć pewnej niespójności wynikającej z indywidualności, stylu i temperamentu autorów poszczególnych rozdziałów.

Fizjologia roślin jest adresowana do studentów i doktorantów biologii, biotechnologii i nauk o środowisku polskich uniwersytetów, uczelni rolniczych, medycznych i pedagogicznych, a także do wszystkich osób uprawiających nowoczesną biologię eksperymentalną roślin lub nią zainteresowanych.

Redaktorzy naukowi

Jan Kopcewicz

Adriana Szmidt-Jaworska

Toruń, 12 lutego 2020 r.

Spis treści

Wstęp - Jan Kopcewicz, Stanisław Lewak

Czym jest fizjologia roślin

Fizjologia roślin a inne dyscypliny naukowe

Literatura uzupełniająca

Rozdział 1. Podstawy procesów życiowych

1.1. Organizacja strukturalno-funkcjonalna rośliny - Krzysztof Jaworski, Andrzej Tretyn

1.1.1. Komórka roślinna

1.1.2. Struktury ponadkomórkowe

1.1.3. Współzależność struktury i funkcji

Literatura uzupełniająca

1.2. Podstawy metaboliczne - Stanisław Lewak, Agnieszka Gniazdowska

1.2.1. Reakcje samorzutne

1.2.2. Magazynowanie i przenoszenie energii metabolicznej

1.2.3. Reakcje fotochemiczne i fotobiologiczne

1.2.4. Reakcje utleniania i redukcji

1.2.5. Reakcje enzymatyczne

1.2.6. Regulacja metaboliczna

Literatura uzupełniająca

1.3. Podstawy molekularne - Stanisław Lewak, Agnieszka Gniazdowska

1.3.1. Struktura genu

1.3.2. Informacyjny RNA

1.3.3. Synteza białka i przekształcenia potranslacyjne

1.3.4. Informacja zawarta w genomie

Literatura uzupełniająca

1.4. Regulacja procesów fizjologicznych przez czynniki endogenne - Adriana Szmidt-Jaworska, Jacek Kęsy

1.4.1. Wprowadzenie

1.4.2. Ogólna charakterystyka działania hormonów roślinnych

1.4.3. Szczegółowa charakterystyka poszczególnych grup hormonów

1.4.4. Współdziałanie hormonów w realizacji procesów fizjologicznych

Literatura uzupełniająca

1.5. Regulacja procesów wzrostu i rozwoju przez czynniki środowiskowe - Halina Gabryś

1.5.1. Warunki świetlne

1.5.2. Warunki termiczne

1.5.3. Działanie pola grawitacyjnego

1.5.4. Oddziaływanie innych roślin – allelopatia

Literatura uzupełniająca

1.6. Przekazywanie informacji - Krzysztof Jaworski

1.6.1. Przekazywanie sygnałów w komórkach roślinnych

1.6.2. Receptory

1.6.3. Transdukcja sygnału

Literatura uzupełniająca

Rozdział 2. Gospodarka wodna - Halina Gabryś

2.1. Szczególne właściwości wody decydujące o jej funkcjach biologicznych

2.2. Transport wody na małe odległości – dyfuzja i osmoza

2.3. Potencjał wodny

2.3.1. Potencjał wodny komórek roślinnych a wymiana wody z otoczeniem

2.4. Transport wody w skali całej rośliny

2.4.1. Możliwości pobierania przez roślinę wody z gleby

2.4.2. Pobieranie wody

2.4.3. Przemieszczanie się wody w korzeniu

2.4.4. Transport wody w ksylemie

2.4.5. Siły działające w ciągach przewodzących

2.4.6. Opory w transporcie wody

2.5. Transpiracja i ruch szparkowy

2.5.1. Ruchy aparatów szparkowych

Literatura uzupełniająca

Rozdział 3. Odżywianie mineralne - Maria Szymańska, Barbara Hawrylak-Nowak

3.1. Wprowadzenie

3.2. Składniki mineralne w roślinie

3.2.1. Zawartość i dystrybucja

3.2.2. Klasyfikacja i kryteria podziału

3.3. Funkcje fizjologiczne składników mineralnych

3.3.1. Makroelementy

3.3.2. Mikroelementy

3.3.3. Pierwiastki pożądane (korzystne)

3.4. Choroby fizjologiczne roślin powodowane niedoborem niezbędnych składników mineralnych

3.5. Gleba jako źródło składników mineralnych

3.5.1. Fizykochemiczne właściwości gleby

3.5.2. Biologiczna aktywność gleby

3.6. Pobieranie i transport składników mineralnych

3.6.1. Pobieranie przez korzeń

3.6.2. Pobieranie przez organy nadziemne

3.6.3. Transport składników mineralnych

3.7. Pobieranie oraz asymilacja azotu i siarki

3.7.1. Azot

3.7.2. Siarka

3.8. Współzawodnictwo jonów w procesie pobierania

3.9. Wpływ czynników środowiskowych na odżywianie mineralne roślin

Literatura uzupełniająca

Rozdział 4. Przemiany związków organicznych i energii u roślin

4.1. Fotosynteza i chemosynteza - Kazimierz Strzałka

4.1.1. Rodzaje plastydów i budowa chloroplastów

4.1.2. Budowa i funkcja błon fotosyntetycznych

4.1.3. Wiązanie dwutlenku węgla w fotosyntezie

4.1.4. Fotooddychanie

4.1.5. Wymiana substancji między chloroplastem a cytozolem

4.1.6. Fizjologiczne i ekologiczne aspekty fotosyntezy

4.1.7. Fotosynteza a efekt cieplarniany

4.1.8. Reakcje fotosyntezy u bakterii

4.1.9. Sztuczne układy naśladujące fotosyntezę, alternatywne źródła energii

4.1.10. Chemosynteza

Literatura uzupełniajaca

4.2. Transport i dystrybucja asymilatów w roślinie - Iwona Ciereszko

4.2.1. Wprowadzenie

4.2.2. Kierunek i rodzaje transportu asymilatów

4.2.3. Donory i akceptory – typy i zróżnicowanie

4.2.4. Struktura i funkcje floemu

4.2.5. Synteza fotoasymilatów w liściach i transport do floemu

4.2.6. Transport floemowy asymilatów

4.2.7. Czynniki wpływające na transport i dystrybucję asymilatów

Literatura uzupełniająca

4.3. Procesy anaboliczne - Kazimierz Strzałka

4.3.1. Drogi syntezy cukrowców

4.3.2. Drogi syntezy lipidów

4.3.3. Drogi syntezy aminokwasów

4.3.4. Drogi syntezy nukleotydów

4.3.5. Synteza i degradacja chlorofilu

4.3.6. Synteza metabolitów wtórnych

4.3.7. Terpenoidy

4.3.8. Związki fenolowe

4.3.9. Metabolity wtórne zawierające azot

Literatura uzupełniająca

4.4. Procesy oddechowe - Halina Gabryś, Anna M. Rychter

4.4.1. Główne substraty oddechowe i ich mobilizacja

4.4.2. Glikoliza

4.4.3. Fermentacje

4.4.4. Szlak pentozofosforanowy i jego powiązanie z glikolizą

4.4.5. Struktura i funkcja mitochondriów roślinnych

4.4.6. Metabolizm związków węgla w mitochondriach

4.4.7. Mitochondrialny łańcuch transportu elektronów i fosforylacja oksydacyjna

4.4.8. Regulacja procesów oddechowych

4.4.9. Rola mitochondriów w utrzymaniu równowagi oksydoredukcyjnej (homeostazy redoks) komórki

4.4.10. Katabolizm lipidów

4.4.11. Fizjologia oddychania

Literatura uzupełniająca

4.5. Energetyka komórki roślinnej - Halina Gabryś

4.5.1. Energia swobodna reakcji chemicznej i jej związek ze stałą równowagi

4.5.2. Nośniki energii metabolicznej

4.5.3. Energetyczne aspekty reakcji oksydoredukcyjnych

4.5.4. Światło jako źródło energii dla roślin

4.5.5. Przekształcanie energii w błonach roślinnych

4.5.6. Przenoszenie energii między przedziałami komórki

4.5.7. Energetyczne koszty procesów biochemicznych i transportu

Literatura uzupełniająca

Rozdział 5 . Wzrost i rozwój

5.1. Wprowadzenie - Jan Kopcewicz

5.2. Mechanizmy wzrostu i rozwoju - Andrzej Tretyn, Adriana Szmidt-Jaworska

5.2.1. Embriogeneza – powstawanie pierwotnego planu budowy rośliny

5.2.2. Wzrost roślin

5.2.3. Różnicowanie

5.2.4. Rozwój i morfogeneza roślin

5.2.5. Rozwój a morfogeneza – podsumowanie

Literatura uzupełniająca

5.3. Kiełkowanie nasion - Stanisław Lewak, Agnieszka Gniazdowska

5.3.1. Struktura i skład chemiczny nasion

5.3.2. Przebieg kiełkowania i jego regulacja

5.3.3. Procesy zachodzące podczas kiełkowania

5.3.4. Żywotność i wigor nasion

Literatura uzupełniająca

5.4. Rozwój wegetatywny - Jan Kopcewicz, Adriana Szmidt-Jaworska

5.4.1. Rozwój organów wegetatywnych

5.4.2. Mechanizmy wegetatywnego rozwoju roślin

5.4.3. Zjawiska korelacyjne w morfogenezie roślin

5.4.4. Regeneracja i rozmnażanie wegetatywne roślin

Literatura uzupełniająca

5.5. Rozwój generatywny - Jan Kopcewicz, Adriana Szmidt-Jaworska

5.5.1. Ogólna charakterystyka kwitnienia

5.5.2. Mechanizmy kwitnienia

5.5.3. Ewokacja kwitnienia

5.5.4. Rozwój kwiatu

5.5.5. Rozwój nasiona i owocu

Literatura uzupełniająca

5.6. Spoczynek roślin - Stanisław Lewak, Agnieszka Gniazdowska

5.6.1. Spoczynek drzew

5.6.2. Spoczynek nasion

5.6.3. Spoczynek innych organów

5.6.4. Mechanizmy spoczynku

5.6.5. Reaktywne formy tlenu (RFT) i azotu (RNS) w regulacji spoczynku i kiełkowania nasion

Literatura uzupełniająca

5.7. Starzenie się roślin - Jan Kopcewicz, Adriana Szmidt-Jaworska

5.7.1. Ogólna charakterystyka starzenia się roślin

5.7.2. Starzenie się organów

5.7.3. Mechanizmy starzenia się roślin

Literatura uzupełniająca

5.8. Rytmy biologiczne roślin - Jan Kopcewicz, Adriana Szmidt-Jaworska

5.8.1. Ogólna charakterystyka rytmów

5.8.2. Mechanizmy zjawisk rytmicznych

Literatura uzupełniająca

5.9. Ruchy roślin - Jan Kopcewicz, Adriana Szmidt-Jaworska

5.9.1. Procesy bodźcowe i pobudzenie

5.9.2. Typy ruchów

Literatura uzupełniająca

Rozdział 6 . Fizjologia stresu - Adriana Szmidt-Jaworska, Jarosław Tyburski

6.1. Wprowadzenie

6.1.1. Stres i jego skutki

6.1.2. Modele opisujące reakcje stresowe

6.2. Reakcja roślin na abiotyczne czynniki środowiska

6.2.1. Stres oksydacyjny i ochrona antyoksydacyjna – „wspólny mianownik” wszystkich stresów

6.2.2. Odpowiedź roślin na stresy abiotyczne

6.2.3. Pamięć o stresie i torowanie reakcji na stres

6.3. Reakcja roślin na biotyczne czynniki środowiska

6.3.1. Odpowiedź roślin na patogeny

6.3.2. Odpowiedź roślin na szkodniki

6.3.3. Odpowiedź roślin na rośliny pasożytnicze

6.4. Stres wieloczynnikowy u roślin – podsumowanie

Literatura uzupełniająca

Rozdział 7 . Fizjologiczne i biotechnologiczne podstawy produktywności roślin - Jarosław Tyburski

7.1. Wyzwania stojące przed współczesnym rolnictwem

7.2. Efektywność fotosyntezy i jej wpływ na produktywność roślin uprawnych

7.2.1. Cykl Calvina-Bensona

7.2.2. Wpływ fotooddychania na produktywność roślin i strategie redukowania strat związanych z tym procesem

7.2.3. Fotosyntetyczny transport elektronów (PET)

7.2.4. Usprawnianie aktywności katalitycznej rubisco

7.3. Wykorzystanie zasobów wody a plonowanie roślin

7.3.1. Wskaźnik wykorzystania wody

7.3.2. Zwiększanie efektywności wykorzystania wody za pomocą technik biotechnologicznych

7.4. Efektywność wykorzystania azotu

7.4.1. Pobieranie i przyswajanie azotu

7.4.2. Remobilizacja azotu

7.4.3. Percepcja azotu i morfologiczne reakcje systemu korzeniowego na jego dostępność

7.4.4. Strategie usprawniania NUE

7.5. Optymalizowanie gospodarowania energią w celu ograniczenia strat plonu spowodowanych oddychaniem

7.5.1. Obniżenie kosztu degradowania i ponownej syntezy białek

7.5.2. Zastąpienie energetycznie kosztownych szlaków metabolicznych przemianami o obniżonym zapotrzebowaniu na energię

7.5.3. Wygaszenie jałowych cykli metabolicznych

7.6. Regulacja struktury i procesów rozwojowych roślin jako czynniki determinujące wielkość plonu

7.6.1. Regulacja architektury rośliny uprawnej w celu zwiększenia plonu

7.6.2. Cechy anatomiczne liścia jako czynnik wpływający na wydajność fotosyntezy i produktywność rośliny

7.6.3. Struktura wiązek przewodzących liścia jako czynnik współdecydujący o produktywności rośliny

7.7. Wpływ globalnych zmian klimatycznych na produktywność roślin uprawnych

7.8. Podsumowanie

Literatura uzupełniająca

Przypisy

Wstęp
Jan Kopcewicz, Stanisław Lewak

Czym jest fizjologia roślin

Fizjologię roślin definiuje się jako naukę wyjaśniającą przebieg procesów życiowych w trakcie ontogenezy rośliny. Podobnie jak w przypadku innych nauk fizjologicznych, zadaniem fizjologii roślin jest poznanie poszczególnych zjawisk zachodzących w żywej roślinie, procesów odpowiadających za te zjawiska i mechanizmów uczestniczących w regulacji tych procesów. Ponadto zadaniem fizjologii roślin, w większym stopniu niż w niektórych innych naukach fizjologicznych, jest poznanie zależności między organizmem a otaczającym go środowiskiem, toteż przedmiotem zainteresowania fizjologii roślin są zjawiska i procesy przebiegające na wszystkich poziomach organizacji biologicznej, od poziomu molekularnego, przez procesy charakterystyczne dla poszczególnych struktur komórkowych i dla wyspecjalizowanych komórek, do zjawisk obejmujących całe organy, a w końcu – do zrozumienia funkcjonowania rośliny jako integralnej całości. Głównym celem fizjologii jest tworzenie teorii integracyjnych, wyjaśniających maksymalnie wiele funkcji organizmu roślinnego. Metodologia fizjologii opiera się na podejściu zarówno redukcjonistycznym, jak i organizmalno-holistycznym. Wyniki eksperymentów, z natury o charakterze redukcjonistycznym, można interpretować holistycznie.

Ogromny postęp cywilizacyjny ostatnich kilku dekad dokonał również rewolucji w fizjologii roślin. Rewolucja ta dotyczy osiągnięć innych, bliskich fizjologii nauk przyrodniczych, a także rozwoju technik badawczych. Możliwości stworzone przez nowoczesne techniki badawcze, takie jak mikroskopia konfokalna, elektrofizjologiczne techniki nieinwazyjnego wglądu w budowę i działanie składników komórkowych (np. pojedynczych kanałów jonowych), sterowanie mutagenezą i inne manipulacje genetyczne, pozwoliły osiągnąć niesłychanie szybki postęp w badaniach fizjologicznych.

Fizjologia roślin, jako nauka zajmująca się organizmami roślinnymi, należy do dyscyplin botanicznych, wyróżnia się jednak wśród nich pod dwoma względami. Po pierwsze, fizjologia tylko w niewielkim stopniu jest nauką opisową. Opis zjawiska lub struktury jest dla fizjologa punktem wyjścia do badań nad mechanizmem tego zjawiska lub funkcją badanej struktury. Po drugie, fizjologia ma najwyraźniej zaznaczony aspekt praktyczny spośród wszystkich dyscyplin botanicznych. Jej znajomość jest podstawą przyrodniczego wykształcenia rolnika, leśnika i ogrodnika oraz umożliwia racjonalną uprawę roślin i stosowanie zabiegów agrotechnicznych. Niemniej nie wydaje się właściwy podział na fizjologię ogólną (teoretyczną, „czystą”) i stosowaną (praktyczną). Ten wprowadzany niekiedy sztuczny podział nie znajduje żadnego uzasadnienia merytorycznego ani metodycznego. Fizjologia roślin może się realizować jako nauka tylko w pełnym bogactwie jej wielorakich przejawów w aspekcie zarówno teoretycznym, jak i praktycznym oraz w ramach różnych strategii metodologicznych. Nowoczesna fizjologia roślin, której nauczaniu ma służyć ten podręcznik, jest ponadto nauką wykorzystującą dorobek i osiągnięcia wielu innych dyscyplin przyrodniczych, nie tylko o charakterze teoretycznym, lecz także stosowanym. Z drugiej strony, odkrycia ostatnich dziesięcioleci i dynamiczny rozwój fizjologii, stawiając nowe pytania, ukierunkowały badania wielu innych nauk przyrodniczych.

Fizjologia roślin a inne dyscypliny naukowe

Nauczanie fizjologii roślin na poziomie akademickim jako odrębnej dyscypliny rozpoczęło się dopiero w latach dwudziestych ubiegłego wieku. Niewiele wcześniej zaczęły się ukazywać specjalistyczne czasopisma naukowe poświęcone tej dyscyplinie. Do tego czasu fizjologia była traktowana jako część botaniki ogólnej, a wykład elementów fizjologii był nawet łączony z wykładem z mikrobiologii (bakterie należały wtedy do królestwa roślin). Początków fizjologii roślin jako nauki należy jednak szukać znacznie wcześniej. Pierwszych eksperymentów, które dziś zakwalifikowalibyśmy bez wątpienia jako fizjologiczne, dokonał van Helmont w pierwszych latach XVII wieku. W następnym stuleciu przeprowadzono podstawowe doświadczenia nad gospodarką wodną roślin i wykryto zjawisko nazwane później fotosyntezą.

Autorami tych pionierskich prac byli przyrodnicy, których zainteresowania często koncentrowały się wokół nauk medycznych. Więź fizjologii roślin nie tylko z klasyczną (opisową) botaniką, lecz także z naukami medycznymi trwa do dzisiaj. Wiele odkryć i osiągnięć fizjologii człowieka, a w szerszym ujęciu – fizjologii zwierząt wyprzedzało, a tym samym inspirowało podobne badania fizjologii roślin. Przykładem może być historia odkrycia hormonów roślinnych w następstwie odkrycia hormonów zwierzęcych, a ostatnio – historia badań nad łańcuchem przekazywania sygnału w komórkach zwierzęcych i roślinnych.

Współczesną fizjologię roślin łączą silne więzy ze wszystkimi naukami biologicznymi oraz większością nauk przyrodniczych i rolniczych. Z naukami fizycznymi i chemicznymi łączy fizjologię merytoryczne wykorzystywanie zdobyczy tych dyscyplin, jak również stosowanie podobnych pojęć i metod badawczych. Fizjologia, podobnie jak chemia i fizyka, jest nauką opartą na ilościowej analizie materiału doświadczalnego. Niektóre działy fizjologii roślin, np. gospodarka wodna czy odżywianie mineralne, są bezpośrednio związane z tymi naukami.

Nierozłączna więź łączy fizjologię roślin z biochemią i biofizyką. Relacja ta dotyczy nie tylko sfery pojęć i metod, lecz także celu badań, którym jest poznanie mechanizmów procesów zachodzących w żywym organizmie. Ścisłe oddzielenie zakresu zainteresowań tych nauk i obszaru badawczego fizjologii jest prawie niemożliwe. Podobna bliskość istnieje między fizjologią a anatomią i biologią komórki roślin. Dawny podział, według którego te dyscypliny zajmowały się opisywaniem struktur, a fizjologia badaniem funkcji tych struktur, uległ zatarciu. Fizjologia bezpośrednio wykorzystuje zdobycze tych nauk, ale również uczestniczy w ich tworzeniu. Nowoczesna cytofizjologia i morfogeneza roślin są obszarami wspólnych zainteresowań zarówno cytologii i anatomii, jak i fizjologii roślin. Cytologię i fizjologię komórki utożsamia się obecnie z biologią komórki. Podobnie jak z biochemią szczególnie blisko związana jest współczesna fizjologia roślin z biologią molekularną, dyscypliną, która ukształtowała się w ostatnim ćwierćwieczu. Plastyczność organizmu roślinnego stwarza biologii molekularnej wyjątkowe możliwości eksperymentowania, a metodyka tej dyscypliny umożliwia fizjologom wniknięcie w podstawowe mechanizmy regulacyjne, niedostępne na innych drogach. Zastosowanie w fizjologii roślin niektórych metod biologii molekularnej (inżynierii genetycznej) stwarza niesłychanie szerokie perspektywy nie tylko poznawcze, lecz także aplikacyjne (biotechnologia roślin).

Wyraźne związki istnieją również między fizjologią a ekologią roślin. Mimo nieco odmiennej metodyki można określić wspólny obszar zainteresowania obu tych nauk (ekofizjologia roślin). Dotyczy on np. przebiegu procesów fizjologicznych u roślin w zespołach, w środowisku naturalnym i w warunkach stresowych, mechanizmów percepcji przez rośliny bodźców środowiska.

Jak już wspomniano, fizjologia jest podstawą nauk agrobiologicznych. Jej bezpośrednie związki z uprawą, hodowlą i genetyką roślin, nasionoznawstwem, nawożeniem, fitopatologią i ochroną roślin są oczywiste i niezbędne, zarówno dla rozwoju tych dyscyplin, jak i fizjologii roślin.

Jak z powyższego wynika, fizjologia roślin jest nauką pograniczną, wykorzystującą aparat pojęciowy, dorobek i metodykę wielu dyscyplin przyrodniczych. Jej rozwój jest ściśle skorelowany z rozwojem tych dyscyplin. Równocześnie fizjologia roślin integruje te dyscypliny i inspiruje badania często pozornie odległe od zainteresowań fizjologa.

Literatura uzupełniająca

Alberts B. i in. (1999), Podstawy biologii komórki, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa.

Kawiak J., Mirecka J., Olszewska M., Warchoł J. (red.) (1998), Podstawy cytofizjologii, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa.

Kjellborn P., Larsson C., Johansson I., Larisson M., Johanson U. (1999), Aquaporins and water homeostasis in plants, Trends Plant Sci. 4: 308–313.

Kłobus G. (1994), Pompy protonowe plazmalemmy i tonoplastu, Wiad. Bot. 38: 81–93.

Kłyszejko-Stefanowicz L. (1995), Cytobiochemia, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa.

Nałęcz M.J. (1995), Błony biologiczne – struktura i funkcje, w: Molekularne mechanizmy przekazywania sygnałów w komórce, red. L. Konarska, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa.

Nałęcz K.A. (1995), Mechanizmy transportu związków niskocząsteczkowych przez błony biologiczne, w: Molekularne mechanizmy przekazywania sygnałów w komórce, red. L. Konarska, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa.

Taiz L., Zeiger E. (red.) (1998), Plant Physiology. Sinauer Associates, Inc., Publ., Sunderland.

Williams L., Lemoine R., Sauer N. (2000), Sugar transporters in higher plants – a diversity of roles and complex regulation, Trends Plant Sci. 5: 283–290.

Wojtaszek P., Woźny A., Ratajczak L. (red.) (2006), Biologia komórki roślinnej. Struktura, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa.

Wojtaszek P., Woźny A., Ratajczak L. (red.) (2007), Biologia komórki roślinnej. Funkcja, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa.

Rozdział 1
Podstawy procesów życiowych

1.1. Organizacja strukturalno-funkcjonalna rośliny
Krzysztof Jaworski, Andrzej Tretyn

1.1.1. Komórka roślinna

Komórka jest podstawową, samowystarczalną jednostką strukturalno-funkcjonalną wszystkich organizmów żywych. Ma zdolność do samoodtwarzania się, jak również pobierania materii z zewnątrz (odżywianie) i jej przetwarzania w celu pozyskiwania energii metabolicznej służącej do syntezy podstawowych elementów budulcowych, umożliwiających jej wzrost i różnicowanie. Ze względu na typ budowy komórek i stopień ich zorganizowania wszystkie organizmy żywe zaliczamy do Prokaryota i Eukaryota. Komórki prokariotyczne (bakterie, sinice) przejawiają przez całe życie, prostą, niezmienną budowę. Są pozbawione wewnętrznych struktur błonowych, a materiał genetyczny (DNA) występuje w formie kolistej helisy (nukleoidu) zanurzonej bezpośrednio w cytoplazmie. Komórki eukariotyczne, do których zalicza się protisty, grzyby, zwierzęta i rośliny, wykazują wysoki stopień organizacji wewnętrznej. W ogólnej budowie mają zewnętrzną błonę komórkową (plazmolemę), która otacza środowisko wewnętrzne, tworząc protoplast. Protoplast wypełnia cytoplazma z silnie rozbudowanym systemem błon elementarnych (podstawowych), tworzących odizolowane, wyspecjalizowane obszary zwane kompartmentami, co pozwala na zachodzenie w tym samym czasie różnych procesów metabolicznych, oraz otoczone błonami wyspecjalizowane subkomórkowe struktury zwane organellami – mitochondrium, plastydy, endoplazmatyczne retikulum, aparat Golgiego, peroksysomy, glioksysomy oraz wyraźnie oddzielone od cytoplazmy jądro komórkowe, stanowiące miejsce przechowywania materiału genetycznego i powielania informacji genetycznej. W cytoplazmie są także struktury cytoplazmatyczne nieobłonione, jak rybosomy i sieci struktur białkowych, tubulin i mikrofilamentów aktynowych, tworzące cytoszkielet komórki (rys. 1.1).

Rys. 1.1. Ogólna klasyfikacja struktur komórkowych

Chociaż komórka roślinna ma wiele elementów wspólnych dla wszystkich eukariontów, to jednak istnieją elementy różniące ją od pozostałych komórek eukariotycznych. Są to przede wszystkim ściana komórkowa, stanowiąca nieplazmatyczny, zewnątrzkomórkowy, ochronny element komórki, duża wakuola oraz plastydy z chloroplastami (rys. 1.2). Zmiany te są ściśle związane z osiadłym, statycznym trybem życia roślin, który wymusił u nich zmianę sposobu zdobywania pożywienia i energii z cudzożywnego (heterologicznego) na samożywny (autotroficzny). Dzięki obecności chloroplastów komórka roślinna jest zdolna przekształcać energię promieniowania świetlnego w energię metaboliczną w procesie fotosyntezy. Obecność celulozowej ściany komórkowej otaczającej komórkę roślinną wpłynęła natomiast na daleko idące zmiany w budowie komórki, a w konsekwencji całego ciała rośliny.

Rys. 1.2. Schemat komórki roślinnej

1.1.1.1. Ściana komórkowa

Poza pewnymi wyjątkami (komórki bielma czy komórki generatywne roślin naczyniowych) wszystkie komórki roślinne są otoczone celulozową ścianą komórkową. Ściana jest integralnym składnikiem komórek roślinnych. Substancje prekursorowe wchodzące w skład ściany komórkowej są syntezowane wewnątrz komórki (w aparacie Golgiego), skąd następnie są wydzielane na zewnątrz protoplastu drogą transportu pęcherzykowego, gdzie zachodzą ich polimeryzacja i przestrzenna organizacja. Wzmożona synteza ściany komórkowej towarzyszy podziałom komórkowym. Powstawanie ściany komórkowej rozpoczyna się w cytokinezie (końcowym etapie podział komórkowego) od zawiązywania się fragmoplastu w miejscu podziału cytoplazmy. Pierwszymi strukturami, które pojawiają się w miejscu powstawania fragmoplastu, są mikrotubule i mikrofilamenty (MT i MF, patrz rozdz. 1.1.1.3), które układają się równolegle, w płaszczyźnie równikowej, dzielącej się komórki (rys. 1.3A). W kolejnym etapie cytokinezy obserwuje się szybkie powstawanie, transport i zlewanie się pęcherzyków wytwarzanych przez aparaty Golgiego, zawierające cząsteczki kalozy, hemiceluloz oraz pektyn. Kierunek transportu oraz sam proces fuzji pęcherzyków kontrolowane są przez MT i MF (rys. 1.3B). W wyniku zlewania się pęcherzyków powstaje struktura zbudowana z cystern połączonych ze sobą siecią rureczek (rys. 1.3C), która przekształca się w przegrodę pierwotną (rys. 1.3D). Struktura ta rozrasta się odśrodkowo do momentu nawiązania kontaktu z plazmolemą. Następnie z udziałem elementów cytoszkieletu dochodzi do zlania się błonowych składników przegrody pierwotnej z plazmolemą (rys. 1.3D). Występująca na terenie przegrody pierwotnej kaloza ulega hydrolizie, natomiast pozostające w niej pektyny dają początek blaszce środkowej, która zespala dwie sąsiadujące ze sobą komórki (rys. 1.3E). Opisany odśrodkowy (centryfugalny) sposób tworzenia się przegrody pierwotnej charakterystyczny jest dla roślin osiowych.

Rys. 1.3. Kolejne etapy cytokinezy (A–E). Skróty: CB – pęcherzyki opłaszczone klatryną, FT – produkty fuzji błon, MT – mikrotubule, PCW – ściana komórki macierzystej, SV – pęcherzyki sekrecyjne, ZA – strefa łączenia się przegrody pierwotnej z plazmolemą i ścianą komórki macierzystej (wg Staehelin i Hepler 1996, zmodyfikowane)

Po wytworzeniu blaszki środkowej następuje synteza ściany pierwotnej, która jest podstawową ścianą w młodych i metabolicznie aktywnych komórkach. W pełni wyrośnięte i wyspecjalizowane komórki (komórki o zakończonym wzroście) roślin naczyniowych wytwarzają jeszcze jedną warstwę, odkładaną na ścianie pierwotnej, zwaną ścianą wtórną. Komórki wchodzące w skład tkanek łączą się ze sobą najbardziej zewnętrzną warstwą ściany komórkowej – blaszką środkową. Pod nią znajduje się ściana pierwotna. Ściana wtórna przylega bezpośrednio do zewnętrznej powierzchni plazmolemy (rys. 1.4).

Rys. 1.4. Schemat (A) i obraz (B) budowy ściany komórkowej. Szczegółowy opis w tekście

Skład chemiczny, budowa i modyfikacje ściany komórkowej

Podstawowymi składnikami ścian komórkowych są przede wszystkim cukrowce: celuloza będąca elementem szkieletowym oraz hemicelulozy i substancje pektynowe stanowiące macierz ściany komórkowej. Ściana komórek roślinnych zawiera ponadto wodę, białka (strukturalne i enzymatyczne), związki tłuszczowe oraz fenolowe (tab. 1.1). Procentowy udział poszczególnych elementów w suchej masie ściany jest zróżnicowany i zależy nie tylko od gatunku czy odmiany, lecz nawet od fazy wzrostu komórki, tkanki i pełnionej funkcji. Ściany komórkowe pewnych typów komórek mogą ulegać także daleko idącym modyfikacjom na drodze inkrustacji i adkrustacji związkami organicznymi i nieorganicznymi.

Podłoże (matriks) ściany komórkowej tworzą substancje pektynowe i hemicelulozy oraz białka i związki fenolowe. Bezpostaciowe, ziarniste lub fibrylarne substancje pektynowe (protopektyny, pektyny, kwas pektynowy) to polimery cukrowe o zróżnicowanej budowie. Składają się z kwasowego łańcucha głównego oraz łańcuchów bocznych zawierających cukry. Głównym monomerem jest kwas D-glukuronowy połączony ze sobą wiązaniami glikozydowymi α (1→4) (rys. 1.5B). Najczęściej występującymi cukrami są: ramnoza, arabinoza, ksyloza, kwas glukuronowy i galaktoza. Substancje pektynowe budują blaszkę środkową oraz wchodzą w skład ściany pierwotnej.

Tabela 1.1. Skład pierwotnej i wtórnej ściany komórkowej (% suchej masy)

Składniki ściany

Ściana pierwotna

Ściana wtórna

Polisacharydy

90

65–85

Pektyny

10–30

–

Hemicelulozy

20–50

5–30

Celuloza

10–40

50–90

Białka

10

–

Rys. 1.5. Wzory strukturalne glukozy i kwasu glukuronowego – związków uczestniczących w budowie celulozy (A) i pektyny (B)

Hemicelulozy to polisacharydy, zwykle w postaci długich rozgałęzionych łańcuchów, które są podobne strukturalnie do celulozy. Skutkuje to zdolnością do tworzenia ścisłych połączeń z mikrofibrylami celulozy. W przeciwieństwie do celulozy charakteryzują się niejednorodnością tworzących je związków cząstkowych połączonych wiązaniami b-glikozydowymi (1→4). W skład hemiceluloz wchodzą dwa zasadnicze typy związków. Pierwszy z nich jest zbudowany z reszt glukozy oraz pentoz (arabinozy i ksylozy). Drugi typ hemiceluloz zawiera wyłącznie reszty pentoz (arabinoza, ksyloza) i heksoz (glukoza, galaktoza, mannoza). W zależności od dominującego składnika cukrowego powstające z nich hemicelulozy określa się mianem ksylanów, mannanów, ksylanoglukanów itp. Obok omówionych związków w podłożu (matriks) ścian komórkowych występują białka. Są to zarówno enzymy uczestniczące w rozbudowie tej struktury (np. metyloesterazy pektyn, hemicelulazy), jak i glikoproteiny regulujące rozciągliwość ścian komórkowych (ekspansyny) i pełniące funkcje strukturalne (ekstensyny) (rys. 1.6).

Rys. 1.6. Rozmieszczenie ekstensyny i innych składników szkieletowych w ścianie komórkowej

Głównym składnikiem ścian komórkowych większości roślin jest policukier celuloza (tab. 1.1), zbudowana z reszt glukozowych połączonych ze sobą wiązaniami glikozydowymi typu α (1→4) (rys. 1.5A). W odróżnieniu od innych wielocukrów, takich jak skrobia lub kaloza, których łańcuchy są mniej uporządkowane i przybierają zazwyczaj konformację helisy, pojedyncza cząsteczka celulozy przypomina regularną taśmę. Sprzyja to wzajemnym oddziaływaniom poszczególnych łańcuchów celulozowych, dlatego związek ten nigdy nie występuje w naturze w formie pojedynczych łańcuchów. W wyniku powstawania wiązań wodorowych między poszczególnymi resztami glukozowymi cząsteczek celulozy dochodzi do formowania się struktur wyższego rzędu: włókien, mikro- i makrofibryl. Zależnie od gatunku i typu ściany w skład pojedynczych cząsteczek celulozowych może wchodzić 1–25 tysięcy reszt glukozowych. Zazwyczaj 36 ułożonych równolegle względem siebie cząsteczek celulozy tworzy fibrylę elementarną, podstawową jednostkę strukturalną ściany komórkowej. Z 3–4 fibryl elementarnych powstają mikrofibryle, które łącząc się ze sobą (w liczbie 200–400), tworzą grube (0,2–0,5 µm) makrofibryle, widoczne w mikroskopie świetlnym (rys. 1.7).

Rys. 1.7. Schemat struktury i organizacji włókien celulozowych w ścianie komórkowej. Szczegółowy opis w tekście

Celuloza wchodząca w skład ścian komórkowych może mieć postać uporządkowaną (krystaliczną) i amorficzną (parakrystaliczną). Rejony o strukturze uporządkowanej (tzw. micelarnej) poprzedzielane są przestrzeniami międzymicelarnymi o średnicy ok. 1 nm. Znacznie większe przestrzenie występują między mikro- i makrofibrylami. Dzięki nim przez ścianę komórkową może przenikać woda i rozpuszczone w niej substancje mineralne i organiczne.

W trakcie syntezy cząsteczek celulozy zachodzi zarówno polimeryzacja reszt cukrowych, jak i krystalizacja w obrębie poszczególnych łańcuchów tego związku oddziałujących ze sobą.

Polimeryzacja prekursora celulozy powstającego w obrębie cytoplazmy – urydynodifosforanu glukozy (UDP-glukozy) – odbywa się w plazmolemie z udziałem kompleksu enzymatycznego zwanego syntazą celulozy. Enzym ten przeprowadza też krystalizację łańcuchów celulozowych i powstawanie mikrofibryl elementarnych na powierzchni plazmolemy. Poszczególne włókna łączą się bocznymi wiązaniami wodorowymi i tworzą mikrofibrylę o średnicy ok. 20 nm. Kierunek układania podstawowych elementów ścian komórkowych kontrolowany jest po cytoplazmatycznej stronie błony komórkowej przez mikrotubule. Rosnące komórki roślinne otoczone są ścianą pierwotną, zbudowaną w przeważającej części z hemiceluloz i w mniejszym stopniu z substancji pektynowych. Celuloza stanowi tylko 10–40% suchej masy pierwotnej ściany komórkowej. Powierzchniowemu rozrastaniu się komórki towarzyszy zwiększanie się odległości między mikrofibrylami celulozy. W obszary te przez intususcepcję (wnikanie) są wbudowywane zarówno składniki podłoża, jak i nowe mikrofibryle celulozowe. Odkładanie nowo powstających składników ścian komórkowych może zachodzić również przez apozycję (nakładanie). Wówczas powierzchniowemu wzrostowi ściany komórkowej towarzyszy nakładanie nowych jej pokładów od strony plazmolemy.

W czasie wzrostu komórki nie obserwuje się zwiększania grubości ściany pierwotnej. Przyrost ściany na grubość rozpoczyna się po zakończeniu wzrostu wydłużeniowego komórki i zachodzi w wyniku powstawania ściany wtórnej. Zawartość celulozy w ścianie wtórnej, zależnie od typu komórki, wynosi 60–90% jej suchej masy. W porównaniu ze ścianą pierwotną stopień polimeryzacji reszt celulozowych w ścianie wtórnej wzrasta ponad dwukrotnie. Podczas syntezy ściany wtórnej następuje powstawanie kolejnych warstw celulozy, przy czym nowe mikrofibryle są odkładane w sposób uporządkowany – równolegle względem siebie i prostopadle do długiej osi komórki. Jednak w trakcie dalszego wydłużania się komórki może dochodzić do zmiany kierunku przebiegu włókien celulozowych. Taką sytuację obserwuje się głównie w ścianach komórkowych cewek i włókien drzewnych. Ich ściana wtórna składa się z trzech warstw (S1–S3), w których mikrofibryle celulozowe są ułożone prostopadle (S3), równolegle (S2) i skośnie (S1) względem osi komórki (patrz rys. 1.4).

Rys. 1.8. Struktura jamek ścian komórkowych. Jamka prosta (A), jamka złożona (B)

Rys. 1.9. Schemat budowy plazmodesm i ich lokalizacja międzykomórkowa (wg Alberts i in. 1994, zmodyfikowane)

Ściana komórkowa pokrywa prawie całą powierzchnię komórki. Jedynymi obszarami niezajętymi przez ścianę są jamki (rys. 1.8), czyli obszary, w których poszczególne komórki kontaktują się ze sobą za pomocą plazmodesm. W zależności od budowy ściany wyróżniamy jamki pierwotne (proste), występujące w ścianach pierwotnych, i jamki złożone (lejkowate) w ścianach wtórnych. Plazmodesmy to cytoplazmatyczne połączenia międzykomórkowe otoczone plazmolemą, przez które przechodzą struktury zwane desmotubulami, które stanowią połączenia siateczki śródplazmatycznej sąsiadujących komórek (rys. 1.9). Światło plazmodesm jest wyścielone białkami globularnymi połączonymi ze sobą cienkimi włókienkami. Skutkuje to podziałem przestrzeni cytoplazmatycznej plazmodesm na mikrokanały (8–10). Przez desmotubule zachodzi transport jonów i związków małocząsteczkowych (700–1000 Da). Większość plazmodesm ma średnicę 25–50 nm. Plazmodesmy są strukturami dynamicznymi. Ich drożność regulują jony wapnia, kontrolując zatykanie tych struktur przez polisacharyd – kalozę. W wyniku aktywacji syntazy kalozy w plazmolemie dochodzi do odkładania tego polisacharydu po zewnętrznej stronie błony komórkowej, co prowadzi do częściowego lub całkowitego zatkania światła plazmodesmy (rys. 1.10). Ponowne udrożnienie plazmodesm następuje przez enzymatyczne usuwanie kalozy. Rozróżnia się dwa zasadnicze typy plazmodesm: pierwotne i wtórne. Plazmodesmy pierwotne powstają w okresie cytokinezy. W trakcie zlewania się pęcherzyków sekrecyjnych dochodzi do uwięzienia niektórych cystern ER między elementami przyszłej ściany komórkowej. Tworzone w ten sposób kanały, wyściełane plazmolemą i zawierające w swym świetle błony siateczki śródplazmatycznej, dają początek przyszłym plazmodesmom pierwotnym. Są one szczególnie liczne w komórkach merystematycznych. W komórkach różnicujących się i podlegających wzrostowi liczba pierwotnych plazmodesm ulega istotnemu zmniejszeniu. Jest to skutkiem zarówno wzrostu powierzchni komórek, jak i zaniku plazmodesm w miejscach, gdzie powstają przestwory międzykomórkowe. W przeciwieństwie do pierwotnych plazmodesmy wtórne powstają między komórkami, które utraciły zdolność do dalszych podziałów. Struktury te tworzą się w wyniku przekształcania plazmodesm pierwotnych lub przez uwypuklanie się plazmolemy dwóch sąsiadujących ze sobą komórek. Cytoplazmatyczne wypustki, łącząc się w obrębie blaszki środkowej, tworzą rozbudowaną sieć międzykomórkowych kanałów. Plazmodesmy wtórne są bardziej rozbudowane przestrzennie niż pierwotne.

Rys. 1.10. Przekrój poprzeczny (górna część) i podłużny (dolna część) plazmodesmy A – drożnej i B – zaczopowanej przez kalozę (K). Szczegółowy opis w tekście. Skróty: ER – siateczka śródplazmatyczna, GBER – globularne białka ER, GBPL – globularne białka plazmolemy, KC – kanały cytoplazmatyczne, P – przewężenie („szyjka”), PL – plazmolema, SK – ściana komórkowa, UDP – urydynodifosforan, UDPG – UDP-glukoza, W – włókienka łączące GBER i GBPL (wg Lucas i in. 1993, zmodyfikowane)

Wtórna ściana komórkowa, ale i w mniejszym stopniu ściana pierwotna, może ulegać licznym modyfikacjom związkami chemicznymi. Zmiany te są związane z wnikaniem (inkrustacją) między elementy szkieletowe ściany: ligniny (drzewnika), związków mineralnych i organicznych. Lignina jest polimerem, w którego skład, zależnie od gatunku rośliny, wchodzą reszty alkoholu koniferylowego, synapinowego i kumarowego. Cząsteczki ligniny mogą wnikać we wszystkie pokłady ściany komórkowej. W wyniku lignifikacji ściana komórkowa staje się nieprzepuszczalna dla wody oraz odporna na uszkodzenia mechaniczne i chemiczne. Poza ligniną w inkrustacji ścian komórkowych uczestniczą czasem pewne związki mineralne (krzemionka i węglan wapnia) i organiczne (garbniki, żywice, olejki eteryczne, białka i inne).

Ściana komórkowa może podlegać także modyfikacjom przez odkładanie na jej powierzchni (adkrustacja lub apozycja) różnego typu związków organicznych. Kutyna i suberyna, zbudowane z wielkocząsteczkowych estrów hydroksylowanych kwasów tłuszczowych, powlekają powierzchnię ścian komórkowych, czyniąc ją odporną na działanie wody, wnikanie pasożytów i uszkodzenia mechaniczne. Epidermę liści i owoców wielu gatunków roślin powlekają woski, śluzy i gumy. Woski to niejednorodna grupa związków chemicznych będących mieszaniną węglowodorów, wolnych kwasów tłuszczowych i długołańcuchowych alkoholi i ich estrów. Śluzy i gumy, należące do polisacharydów, składają się z polimerów heksoz i pentoz oraz reszt kwasu galakturonowego (śluzy) bądź glukuronowego (gumy). Śluzy stanowią stały składnik zewnętrznych powierzchni okryw nasiennych i ścian komórkowych wielu gatunków roślin wodnych, natomiast gumy pojawiają się w stanach patologicznych.

Powierzchnię ściany ziaren pyłku oraz zarodników (spor) paprotników, mszaków powleka sporopolenina – substancja o złożonej budowie i skomplikowanym składzie chemicznym, będąca mieszaniną utlenionego polimeru karotenoidów i ich estrów, polisacharydów, białek i śladowych ilości ligniny.

Ściany komórkowe przez całe życie komórki mogą pozostać celulozowe, lecz w większości przypadków ulegają powyższym modyfikacjom, prowadzącym w konsekwencji do daleko idących zmian w komórce i ich specjalizacji. Lignifikacja czy suberynizacja nadają ścianie nowe właściwości, jednocześnie prowadząc do stopniowego ograniczenia ilości składników mineralnych, a w szczególności wody, co w konsekwencji prowadzi do zamierania komórki. Ta programowana śmierć komórki niesie ze sobą pozytywne konsekwencje dla całego organizmu roślinnego. Zdrewniałe ściany cewek i naczyń są na tyle wytrzymałe, by pod dużym ciśnieniem transportować wodę z korzenia do wyższych partii rośliny. Włókna natomiast stanowią idealny element wzmacniający, zapobiegający złamaniu i zerwaniu rośliny. Zsuberynizowane (natłuszczone) cienkie ściany elastycznych komórek korka są doskonałą barierą chroniącą głębiej położone tkanki, nie tylko przed utratą wody, lecz także przed uszkodzeniem mechanicznym czy wniknięciem patogenów. Wypełnione powietrzem komórki są także barierą chroniącą roślinę przed działaniem wysokiej i niskiej temperatury. Pokryte kutykulą i woskami zewnętrzne ściany epidermy zabezpieczają przed utratą wody i niekorzystnym działaniem UV.

Wszystkie składniki modyfikujące są produkowane przez protoplast i transportowane do ściany komórkowej.

1.1.1.2. Błona komórkowa

Roślinne błony komórkowe (biologiczne) mają wspólny ogólny plan budowy. Zarówno w plazmolemie, zewnętrznej błonie oddzielającej zawartość protoplastu od środowiska zewnętrznego, jak i w całym systemie błon wewnętrznych podstawowymi składnikami budulcowymi są lipidy (60%) i białka (40%). Lipidy błonowe to głównie estry trójglicerydów: fosfolipidy, glikolipidy i sfingolipidy oraz steroidy i ich pochodne. Najczęściej występującymi lipidami błony komórki roślinnej są fosfolipidy (głównie fosfotydylocholina), zbudowane z dwóch chemicznie przeciwstawnie zorientowanych, różnych części: tzw. głowy i ogona, połączonych przez grupę fosforanową (rys. 1.11). Głowę stanowią organiczne związki chemiczne mające hydrofilowe (wykazujące skłonność do łączenia się z wodą) grupy funkcyjne, natomiast ogony zbudowane są z długich hydrofobowych (wykazujących skłonność do odpychania od siebie cząsteczek wody) łańcuchów węglowodorowych. W błonach komórkowych fosfolipidy są ułożone w sposób zorganizowany, tworząc podwójną warstwę, gdzie polarne (hydrofilowe głowy) grupy tych związków skierowane są do wodnego środowiska zewnętrznego, a ich apolarne (hydrofobowe ogony) częściowo do wewnętrznego, lipidowego obszaru. Odmienny (amfopatyczny) skład chemiczny obu stron błony komórkowej oddziałuje na nierównomierne rozmieszczenie ładunków elektrycznych, co nadaje błonie charakter struktury asymetrycznej i wpływa na jej przepuszczalność.

Rys. 1.11. Cząsteczka fosfatydylocholiny: A – budowa chemiczna, B – schemat (wg Nałęcz 1995, zmodyfikowane)

Białka błonowe ze względu na ich usytuowanie w błonie dzieli się na dwie grupy: powierzchniowe i integralne (rys. 1.12). Ich szczegółowa lokalizacja jest wynikiem obecności w cząsteczce rejonów hydrofilowych lub hydrofobowych, które warunkują sposób oddziaływania z lipidami błonowymi. Białka powierzchniowe (peryferyczne) (rys. 1.12A i B) są stosunkowo luźno związane siłami elektrostatycznymi z polarnymi grupami fosfolipidów obu warstw lub białkami integralnymi. Są to głównie strukturalne białka kotwiczące, utrzymujące interakcję między cytoszkieletem a błoną komórkową. Białka integralne (transbłonowe) są natomiast zanurzone w błonie. Mogą być w niej częściowo zanurzone lub przenikać dwuwarstwę lipidową i wychodzić ponad obie jej powierzchnie (rys. 1.12C–E). Zwykle N-końcowy fragment polipeptydu występuje po zewnętrznej, a domena C-końcowa po wewnętrznej (cytoplazmatycznej) stronie błony komórkowej. Domena transbłonowa (przechodząca) białek integralnych (15–28 aminokwasów hydrofobowych) może jedno- lub wielokrotnie penetrować podwójną warstwę lipidową. Białka integralne mogą być zbudowane z pojedynczych (rys. 1.12C i D) lub z kilku polipeptydów (podjednostek) (rys. 1.12E). Wśród białek integralnych podstawę stanowią białka receptorowe – uczestniczące w przekazywaniu sygnałów zewnątrz- i wewnątrzkomórkowych, białka nośnikowe – budujące pory i kanały jonowe odpowiedzialne za selektywny transport jonów i substancji przez błony, oraz enzymatyczne – katalizujące określone reakcje. Wiele białek błonowych ulega funkcjonalnym modyfikacjom potranslacyjnym (np. mirystoilacji, glikozylacji). Glikozylacja jest najpowszechniejszą modyfikacją białek błonowych, która warunkuje m.in. aktywność niektórych enzymów, ułatwia dojrzewanie białek i chroni przed degradacją proteolityczną. Łańcuch węglowodanowy jest połączony z zewnątrzkomórkową domeną białka i daleko wnika w przestrzeń pozakomórkową.

Rys. 1.12. Rozmieszczenie białek w błonie komórkowej. Szczegółowy opis w tekście (wg Alberts i in. 1994, zmodyfikowane)

Klasyczny model błon biologicznych, zwany modelem płynnej mozaiki, zakłada, że w homogennej dwuwarstwie lipidów poruszają się bezładnie rozrzucone cząsteczki białek (rys. 1.13). W świetle najnowszych badań model ten należy uznać za zbyt uproszczony. Rozmieszczenie białek oraz typów lipidów w błonie ulega wielu ograniczeniom i jest niejednorodne. W błonie istnieją zorganizowane mikroobszary (mikrodomeny) charakteryzujące się różnym stanem uporządkowania i odmiennymi właściwościami. W tych mikrorejonach występuje zorganizowany układ osobliwych lipidów (klastry lipidowe) i związanych z nimi swoistych białek. Tego typu mikrodomeny, zwane tratwami lipidowymi, są wzbogacone w cząsteczki steroli i glikosfingolipidów, a także zawierają sektory bogate w białka o charakterze receptorowym, transportowym czy enzymy kontrolujące określone szlaki metaboliczne. Tratwy lipidowe mają różne rozmiary (5–500 nm) i krótki czas trwania (ms). Ich obecność stwierdzono w plazmolemie, strukturach Golgiego, siateczce śródplazmatycznej, plastydach czy mitochondriach. Biorą udział w transdukcji sygnału komórkowego, transporcie pęcherzykowym, organizacji cytoplazmy oraz wpływają na dynamikę i polaryzację błony.

Rys. 1.13. Struktura błony biologicznej (wg Mauseth 1995, zmodyfikowane)

Błona komórkowa jest strukturą ciągłą i fizycznie spójną, a jednocześnie dynamiczną. Cząsteczki głównego jej składnika, fosfolipidów, są zdolne do zmian położenia. Mogą się obracać wokół swej osi lub przemieszczać w płaszczyźnie dwuwarstwy (rys. 1.14). Wymiana sąsiadujących ze sobą fosfolipidów (dyfuzja boczna) to proces niezmiernie szybki (10–6 s), natomiast wymiana cząsteczek między dwiema warstwami (tzw. ruchy flip-flop) jest bardzo rzadka i stosunkowo powolna (10^5s ~ 28 godz.). Taka aktywność jest niezwykle istotną właściwością wpływającą na funkcjonowanie błony. Płynność błony, czyli możliwość przemieszczania się lipidów w błonie, zależy od wielu czynników, m.in. od występujących w niej wolnych steroli, rodzaju kwasów tłuszczowych oraz temperatury.

Rys. 1.14. Budowa błony komórkowej (schemat) z zaznaczeniem okresu półtrwania (t0,5) możliwych ruchów jej składników lipidowych i białkowych

Błony biologiczne oprócz pełnienia funkcji mechanicznych odgrywają ważną rolę w przepływie materii i informacji. Obecność białek błonowych umożliwia selektywny (wybiórczy) transport jonów i substancji przez błony (białka kanałowe i nośnikowe), przekazywanie informacji ze środowiska zewnętrznego i wewnętrznego komórki (receptorowe) oraz katalizę określonych reakcji (enzymatyczne). Błona komórkowa bierze czynny udział w procesach rozbudowy ściany komórkowej, jest składnikiem systemu obrony komórki przed patogenami, a także uczestniczy w jej odpowiedziach na czynniki stresowe.

Transport przez błony biologiczne

Komórka dla podtrzymywania funkcji życiowych bezustannie wymienia materię i energię z otaczającym ją środowiskiem. Jej przedziałowość (kompartmentacja) powoduje, że różne substancje transportowane są między cytoplazmą podstawową a określonymi strukturami komórkowymi (organellami). Barierami ograniczającymi swobodny przepływ substancji są błony biologiczne, zarówno plazmolema, jak i błony otaczające wszystkie struktury komórkowe. Przenikanie substancji (wody, gazów, jonów, małocząsteczkowych związków organicznych) przez błony biologiczne odbywa się w sposób bierny lub aktywny, kosztem energii metabolicznej (rys. 1.15). Proces biernego przenikania substratów przez błony może przebiegać na drodze dyfuzji prostej, złożonej lub ułatwionej (tab. 1.2).

Tabela 1.2. Rodzaje transportu przez błony biologiczne

Składniki ściany

Rodzaj transportu

prosty

ułatwiony

aktywny

Liniowa zależność szybkości transportu od gradientu stężenia

+

–

–

Kierunek transportu zależny od gradientu stężenia

+

+

–

Współzawodniczenie podobnych substancji przenoszonych

–

+

+

Stereospecyficzność

–

+

+

Zapotrzebowanie na energię

–

–

+

Rys. 1.15. Przepuszczalność błon biologicznych (wg Szweykowska 1997, zmodyfikowane)

Dyfuzja prosta polega na przemieszczeniu się substancji w kierunku od stężenia większego do mniejszego i ustaje w wyniku wyrównania się stężeń po obu stronach błony, tj. w momencie ustalenia się stanu równowagi dynamicznej. Dyfuzji prostej przez dwuwarstwę lipidową ulegają tylko cząsteczki rozpuszczalne w tłuszczach (np. O_2, CO_2, N_2, benzen) oraz małe cząsteczki polarne pozbawione ładunku (np. woda, glicerol, etanol). W przypadku dyfuzji złożonej szybkość przenikania substratu przez błony zależy, poza gradientem stężeń, również od innych czynników, takich jak gradient potencjału elektrycznego lub gradient ciśnienia osmotycznego. W procesie dyfuzji ułatwionej uczestniczą struktury białkowe zwane przenośnikami (permeazami), które wiążą określoną cząsteczkę (substrat) po jednej stronie błony i przenoszą na stronę przeciwną (rys. 1.16A). W trakcie tego procesu dyfundująca cząsteczka musi pokonać dwie bariery energetyczne. Z jednej strony jest to energia potrzebna do usunięcia wody hydratacyjnej z transportowanej cząsteczki, z drugiej natomiast, po przejściu cząsteczki przez hydrofobową warstwę błony, energia zużywana na ponowną hydratację. Przenośnik, podobnie jak enzymy w reakcjach metabolicznych, w znaczący sposób obniża wspomniane bariery energetyczne.

Rys. 1.16. Mechanizm przemieszczania się jonów przez błony biologiczne z udziałem przenośników i kanałów jonowych: A – w trakcie przenoszenia jonu przez przenośnik obserwuje się zmniejszenie barier energetycznych po obu stronach błony, B – podczas przemieszczania się jonu przez światło kanału zachodzą zmiany energii potencjalnej wynikające z odwodnienia i ponownego uwodnienia jonu. Czarna kropka – jon uwodniony, zielona – nieuwodniony (wg Nałęcz 1995, zmodyfikowane)

Transport aktywny (czynny). Aktywny transport jonów oraz mało- i wielkocząsteczkowych związków organicznych rozpuszczalnych w wodzie przez błony biologiczne odbywa się wbrew gradientowi stężeń. Wymaga więc dopływu energii metabolicznej. Energia ta jest wykorzystywana do polaryzacji elektrochemicznej błon i wytwarzania siły transportowej. Za energizację błony komórkowej odpowiada głównie zlokalizowana w niej pompa protonowa (H+-ATPaza), która w sposób jednokierunkowy transportuje H+ z cytoplazmy na zewnątrz komórki. Prowadzi to do asymetrycznego rozmieszczenia protonów po obu stronach plazmolemy i powstania gradientu potencjału chemicznego H+. W wyniku nierównomiernego rozmieszczenia H+ po obu stronach błony komórkowej dochodzi również do powstania w poprzek niej gradientu pH (ΔpH) oraz gradientu potencjału elektrycznego (Δψ). Opisane zależności przedstawia wzór:

gdzie:

ΔµH+ – elektrochemiczny gradient protonowy,

R – stała gazowa,

T – temperatura (K),

F – stała Faradaya.

Opierając się na chemiosmotycznej teorii Mitchella, można stwierdzić, że transport aktywny zachodzi w dwóch etapach. W pierwszym (transport pierwotny) na skutek aktywności plazmolemowej pompy protonowej dochodzi do powstania elektrochemicznego gradientu protonowego (ΔµH+, patrz wyżej). W drugim etapie (transport wtórny) – na skutek istniejących w poprzek plazmolemy różnic pH i ładunku elektrycznego – protony powracają do komórki, czemu towarzyszy transport różnych jonów i cząsteczek (rys. 1.17 i 1.18). Aktywny transport H+ zachodzący podczas transportu pierwotnego wymaga nakładów energii dostarczanej w formie ATP lub NADH i NADPH. Czynnikiem sprzęgającym transport aktywny z hydrolizą ATP lub utlenianiem NADH i NADPH jest elektrochemiczny gradient protonowy (ΔµH+).

Rys. 1.17. Różne typy transportu jonów i małocząsteczkowych związków organicznych przez błony biologiczne. Szczegółowy opis w tekście (wg Bush 1993, zmodyfikowane)

Aktywne przeniesienie jonów i związków organicznych polega nie tylko na sprzężonym ruchu H+ oraz transportowanej cząsteczki, lecz także udziale specyficznych przenośników białkowych (białek transportujących). Zależnie od kierunku tego transportu wyróżnić można uniport, symport i antyport protonowy (rys. 1.17). Uniport to przemieszczanie jednego specyficznego typu molekuł w jednym kierunku. W przypadku symportu zarówno protony, jony, jak i różnego typu substancje rozpuszczone (np. cukry, nukleotydy, aminokwasy) są przenoszone ze środowiska zewnątrzkomórkowego do cytoplazmy. Gdy przemieszczaniu H+ ze środowiska do wnętrza komórki towarzyszy odwrotnie ukierunkowany transport jonów lub związków, mamy do czynienia z antyportem. W obu przypadkach energia niezbędna do funkcjonowania przenośników błonowych pochodzi z dokomórkowej dyfuzji H+, wynikającej z dążenia protonów do wyrównania ich stężeń po obu stronach plazmolemy. Ujemne naładowanie wnętrza komórki, gradient pH i elektrochemiczny gradient protonowy dodatkowo sprzyjają dyfuzji H+ ze środowiska do cytoplazmy podstawowej (rys. 1.18). Gradient pH i różnica stężeń H+ po obu stronach plazmolemy są utrzymywane w wyniku funkcjonowania w niej H+-ATPazy.

Rys. 1.18. Ogólny schemat przedstawiający różne typy przenośników funkcjonujących w błonie komórkowej i tonoplaście komórek roślinnych (wg Taiz i Zeiger 1998, zmodyfikowane)

Pompa protonowa (H+-ATPaza) (rys. 1.19) jest podstawowym enzymem roślinnym uczestniczącym w tworzeniu elektrochemicznego gradientu H+. Ponadto błonowy transport H+ może być sprzężony z systemem transportu elektronów. Głównymi elementami tego systemu są oksydoreduktazy nukleotydów pirydynowych: NADH (dinukleotydu nikotynoamidoadeninowego) i NADPH (fosforanu dinukleotydu nikotynoamidoadeninowego). Poza wymienionymi związkami donorem elektronów może być również zredukowana forma tripeptydu – glutation (GSH). Podczas utleniania NAD(P) lub glutationu dochodzi do uwalniania elektronów i protonów.

Rys. 1.19. Pompa protonowa (wg Szweykowska 2004, zmodyfikowane)

Elektrony są transportowane przez plazmolemę na zewnątrzkomórkowe akceptory, którymi mogą być zarówno chelaty trójwartościowego żelaza z kwasami organicznymi (np. cytrynowym), jak i fitosyderofory oraz

witamina K. Uważa się, że system oksydoredukcyjny plazmolemy nie bierze bezpośredniego udziału w pompowaniu H+, energizowaniu błony i transporcie błonowym. Układ generujący u roślin gradient elektrochemiczny H+ składa się z kompleksu enzymów: H+-ATPazy i dehydrogenazy NAD(P)H. Transbłonowemu transportowi elektronów z NAD(P)H na zewnątrzkomórkowy akceptor towarzyszy depolaryzacja błony i zakwaszanie cytoplazmy, co w efekcie końcowym prowadzi do aktywacji H+-ATPazy i zwiększenia szybkości usuwania protonów poza protoplast.

Błonowe białka transportujące

Poza nielicznymi związkami (np. H_2O, O_2, CO_2, N_2, benzen, etanol) substancje nie są w stanie same przemieścić się przez błonę i wymagają pomocy wyspecjalizowanych białek transportujących. Ich obecność jest niezbędna nie tylko w przypadku transportu aktywnego, lecz także biernego (dyfuzja ułatwiona) dla takich substancji jak duże nienaładowane cząsteczki polarne (np. aminokwasy, cukry, metabolity wtórne) oraz jony (rys. 1.19). Błonowe (transbłonowe) białka transportujące występują we wszystkich typach błon biologicznych. Różnią się budową oraz stopniem selektywności przenoszonej substancji. Wyróżnia się trzy główne grupy białek transportujących: kanały, nośniki i pompy.

Białka nośnikowe oraz kanały stanowią grupę białek pomocniczych (przyśpieszających), które uczestniczą w transporcie jonów i substancji o większych masach cząsteczkowych, zgodnie z gradientem stężeń (dyfuzja ułatwiona). Pompy natomiast uczestniczą w transporcie aktywnym substancji.

Kanały jonowe

Kanały jonowe są zbudowane z integralnych białek błonowych tworzących wąskie pory transbłonowe o hydrofilowym wnętrzu, transportujące jony nieorganiczne (Na+, K+, Cl–, Ca2+). Często podlegają funkcjonalnym modyfikacjom, np. glikozylacji, fosforylacji. W przeciwieństwie do porów odpowiedzialnych za dyfuzję prostą (porów dyfuzyjnych) kanały jonowe charakteryzują się selektywnością jonową oraz regulacją przepływu jonów. Selektywność jonowa kanału pozwala na przejście przez błonę tylko wybranej grupie jonów czy jednemu typowi jonu. Wybiórczość kanału zależy od jego średnicy i/lub ładunku białek budujących kanał jak oraz wielkości i odpowiedniego ładunku transportowanego jonu. Regulacja przepływu jonów polega natomiast na otwieraniu się i zamykaniu kanałów, tzw. bramkowaniu, podlegającemu kontroli fizjologicznej. W przeciwnym razie permanentne otwarcie kanałów prowadziłoby do szybkich i niepożądanych zmian składu jonowego cytoplazmy. Bramkowanie większości kanałów regulują receptory błonowe oraz zmiany napięcia (rys. 1.20). Ponadto w komórkach roślinnych występują kanały aktywowane przez tzw. wtórne przekaźniki informacji, jak cAMP, cGMP czy Ca^2+ (rys. 1.21), oraz zmiany naprężenia błony. Również inne czynniki, takie jak lipidowe składniki błon, białko kalmodulina oraz kinazy białkowe (patrz rozdz. 1.4), mogą wpływać na przejścia kanału z formy zamkniętej do otwartej i odwrotnie. Kanały jonowe (anionowe i kationowe) występują głównie w plazmolemie i tonoplaście, a ich klasyfikacja opiera się na kilku kryteriach: sposobie aktywacji otwierania kanału, szybkości otwierania oraz selektywności względem jonu. Na podstawie pomiarów indywidualnego przewodnictwa dzieli się kanały na: aktywowane przez hiperpolaryzację błon oraz przez zmiany stężenia w cytoplazmie jonów Ca2+. Ze względu na szybkość otwierania kanały dzieli się na wolne (ang. slow vacuolar, SV) i szybkie (ang. fast vacuolar, FV). Klasyfikacja na podstawie wybiórczości wyróżnia kanały selektywne (transportujące jeden typ jonu), nazywane prawdziwymi kanałami, oraz kanały nieselektywne. Kanały selektywne to głównie kanały jonowe (NO_3– i Cl–) i wapniowe oraz nieliczne kanały potasowe. Kanały nieselektywne mogą przewodzić zarówno jednowartościowe, jak i dwuwartościowe kationy (K+/Na+, K+/Ca2+), wykazując przy tym różny współczynnik selektywności. Plazmolemowe kanały aktywowane przez Ca2+ oraz tonoplastowe kanały typu SV biorą udział w regulacji turgoru i ciśnienia osmotycznego. Natomiast kanały aktywowane przez hiperpolaryzację uczestniczą w utrzymywaniu potencjału spoczynkowego błony komórkowej. Kanały wapniowe wespół z pompami i wymieniaczami wapniowymi uczestniczą w regulacji cytoplazmatycznego stężenia tego kationu, który pełni u roślin funkcję uniwersalnego wtórnego przekaźnika informacji.

Rys. 1.20. Model roślinnego kanału potasowego zależnego od napięcia. Szczegółowy opis w tekście(wg Taiz i Zeiger 1998, zmodyfikowane)

Rys. 1.21. Roślinne kanały jonowe aktywowane cyklicznymi nukleotydami (wg Duszyn i in. 2019)

Kanały wodne

Woda to podstawowy składnik wszystkich żywych organizmów. Jest rozpuszczalnikiem, w którym zachodzą reakcje biochemiczne i tworzą się podstawowe struktury komórkowe, miejscem transportu różnych substancji, substratem wielu reakcji chemicznych czy niezbędnym składnikiem uczestniczącym w utrzymaniu odpowiedniej temperatury rośliny. Jest także szkieletem hydrostatycznym zapewniającym jędrność komórce, a co za tym idzie – całemu organizmowi roślinnemu. Jej transport błonowy musi więc podlegać ścisłej kontroli. Ze względu na małą przepuszczalność lipidów dla wody dyfuzja między komórkami zwykle zachodzi powoli. U roślin występuje też szybki i masowy transport, który jest głównym mechanizmem przemieszczania się wody na duże odległości. Umożliwia on ruch wody np. z wakuoli do cytoplazmy czy masowy przepływ wody w obrębie symplastu. Taki komórkowy i tkankowy przepływ wody u roślin, masowy i selektywny, jest kontrolowany dzięki bezpośredniej lub pośredniej regulacji aktywności swoistych kanałów wspomagających dyfuzję – akwaporyn. Akwaporyny należą do integralnych białek błonowych (ang. membrane integral protein, MIP) występujących głównie w wakuoli i plazmolemie. To małe (od 26 do 35 kDa), transbłonowe białka, które tworzą kanały w wewnętrznych i zewnętrznych błonach, a ich N- i C-końcowe fragmenty wystają po cytoplazmatycznej stronie błony. Przepuszczalność akwaporyn dla wody regulowana jest przez wiele bodźców zewnętrznych (np. suszę, dotyk), jak i wewnętrznych cząsteczek sygnałowych. Podstawowym mechanizmem spustowym jest fosforylacja reszt serynowych znajdujących się w cytoplazmatycznych odcinkach tego białka (rys. 1.22A). Ponadto aktywacja kanału może zachodzić na drodze heteromeryzacji, zmiany pH, stężenia jonów Ca2+ i H_2O_2, wpływu fitohormonów oraz lokalnych zmian ciśnienia. W komórkach charakteryzujących się wysokim potencjałem osmotycznym akwaporyny występują w formie ufosforylowanej, co sprzyja swobodnemu przemieszczaniu się cząsteczek wody przez błonę komórkową (rys. 1.22B). W wyniku obniżenia się potencjału osmotycznego komórki następuje defosforylacja akwaporyn znajdujących się w błonie komórkowej i maleje ich przepuszczalność dla wody. Ponieważ kanały wodne występują głównie w tonoplaście, pozostają przez cały czas otwarte, woda napływa z wakuoli do cytoplazmy i stopień jej uwodnienia utrzymuje się na stałym poziomie. Mimo że do funkcji akwaporyn należy przede wszystkim transport wody, mogą one dodatkowo transportować niskocząsteczkowe nienaładowane związki, takie jak: glicerol, mocznik, CO_2, NH_3, NH_4OH, H_2O_2 czy jony Si, B.

Rys. 1.22. A – Schemat budowy kanału wodnego, B – mechanizm regulacji potencjału wody w komórce z udziałem akwaporyn. Szczegółowy opis w tekście (wg Kjellborn i in. 1999, zmodyfikowane)

Przenośniki

Przenośniki (permeazy, translokazy) to kolejna grupa białek pomocniczych uczestniczących w biernym transporcie substancji. Przenoszeniu substancji przez przenośnik zgodnie z kierunkiem gradientu elektrochemicznego transportowanego towarzyszy symport (jonów metali, azotanów, fosforanów, aminokwasów, cukrów prostych i dwucukrów) lub antyport protonów.

Przenośniki błonowe to białka wielodomenowe z różną ilością odcinków transbłonowych. W swej strukturze mają ponadto specjalne miejsce, do którego łączy się określona substancja (np. glukoza). Przyłączenie substancji transportowanej do przenośnika powoduje chwilową zmianę jego konformacji przestrzennej, obrócenie i przeniesienie owej substancji na drugą stronę błony. W kolejnym etapie dochodzi do oddysocjowania substratu od przenośnika i powrót do zmian konformacyjnych transportera ze stanu początkowego. Opisany ciąg zdarzeń przypomina przebieg reakcji katalizowanej przez enzym, wymagającej wiązania substratu i uwalniania produktu określonej przemiany. Ponieważ w trakcie transportu jonów lub związków dochodzi do cyklicznych zmian konformacyjnych białka przenośnikowego, transport z jego udziałem jest o kilka rzędów wielkości wolniejszy niż przez kanały. Zazwyczaj w ciągu sekundy pojedynczy przenośnik może transportować 100–1000 jonów lub cząsteczek – około 1 mln razy wolniej niż kanał jonowy.

Transportowi przez przenośniki podlegają niektóre jony i substancje o większych masach cząsteczkowych (np. cukry). U roślin zidentyfikowano białka odpowiedzialne za transport fosforu nieorganicznego (Pi) i azotu. Transport Pi odbywa się głównie między apoplastem a protoplastem przez plazmolemę i sprzężony jest z symportem H+. Przenośniki Pi występują głównie w błonie komórek epidermy i komórkach włośnikowych korzeni.

Transport azotu zachodzi zarówno w formie mineralnej, jak i organicznej. Zasadniczo wyróżnia się trzy rodziny białek o podobnej budowie biorących udział w tych procesach: wymieniacze azotanowo/azotynowe, transportery peptydowe oraz amonowe, transportujące azot nieorganiczny w formie amonowej. Podobną budowę do przenośników NH+ wykazują białka transportujące aminokwasy, z tą różnicą, że ich odcinek N-końcowy występuje po cytoplazmatycznej stronie błony komórkowej, a C-końcowy – po zewnętrznej. Dotychczas poznano kilka rodzin transporterów aminokwasów. Są to m.in. permeazy aminokwasów, transportery typu lizyna-histydyna, proliny, transportery aromatycznych i neutralnych aminokwasów czy aminokwasów kationowych.

Oddzielną grupę stanowią transportery zasad purynowych i pirymidynowych oraz ich pochodnych, głównie nukleozydów. Obecność nośników zasad stwierdzono zarówno u roślin jedno- (ryż), jak i dwuliściennych (rzodkiewnik, fasola, soja). Są to małe, wysoce hydrofobowe białka błonowe należące do rodziny permeaz PUP (ang. purine permease) i UPS (ang. ureide permease). Kolejną rodzinę stanowią białka NCS1 i NCS2 (ang. nucleobase:cation symporter 1 i 2), w których transport zasad pirymidynowych sprzężony jest z symportem H+. Obecność rodziny NCS stwierdzono tylko u rzodkiewnika pospolitego, a jedyne charakteryzowane białko (PLUTO) odpowiedzialne jest za import pirymidyn (adeniny i guaniny) do plastydów. W przeciwieństwie do zasad transport nukleozydów w roślinach odbywa się za pośrednictwem członków tylko jednej rodziny transporterów, białek ENT (ang. equilibrative nucleoside transporters), które biochemicznie zostały scharakteryzowane jedynie u czterech gatunków roślin.

Udział białek przenośnikowych dotyczy również metabolitów. Transport cukrów odbywa się zarówno w formie cukrów prostych, jak i dwucukrów. U rzodkiewnika zidentyfikowano 14 genów kodujących białka transportujące cukry proste (ang. monosaccharide transporters, MST) i co najmniej siedem innych, pełniących funkcję przenośników dwucukrów (ang. disaccharide transporters, DST). W przypadku obu typów białek transport cukrów jest sprzężony z symportem protonów. Transportery DST są specyficzne względem sacharozy, natomiast MST transportują pentozy i heksozy. Chociaż MST i DST charakteryzuje niewielki stopień homologii sekwencji aminokwasów oraz różnice w długości pętli wewnątrz- i zewnątrzkomórkowych, a także odcinków N- i C-końcowych, to jednak budowa przestrzenna tych białek wykazuje wiele podobieństw (masa cząsteczkowa, liczba odcinków transbłonowych).

Pompy protonowe

Pompy protonowe to integralne białka błonowe zaliczane do pierwotnych transporterów, których niezależną częścią jest ATPaza – enzym katalizujący hydrolizę wiązań fosforanowych ATP. Wytworzona z tej hydrolizy energia jest następnie bezpośrednio wykorzystywana do transportu protonów (pompowania protonów) przez błony. Hydroliza ATP umożliwia aktywne przemieszczanie się substancji wbrew gradientowi ich stężenia. U roślin, w zależności od budowy, mechanizmu działania i umiejscowienia w błonach biologicznych, wyróżnia się kilka klas ATPaz.

Do ATPaz typu P należą wszystkie pompy jonowe, które w trakcie katalizy enzymatycznej wytwarzają ufosforylowaną formę przejściową białka, co jest niezbędne do przeniesienia jonów na drugą stronę błony. Od strony strukturalnej ATPazy to białka monomeryczne z licznymi fragmentami transbłonowymi. Zarówno miejsce katalityczne, regiony uczestniczące w wiązaniu ATP, jak i N- i C-końcowe fragmenty polipeptydu znajdują się po wewnętrznej stronie plazmolemy. Najważniejszym przedstawicielem tej grupy jest błonowa H+-ATPaza, która odpowiada za jednokierunkowy transport protonów z cytoplazmy do apoplastu (transport pierwotny), tworząc protonowy gradient elektrochemiczny. Ponadto powstały gradient protonowy generuje siłę protonomotoryczną w poprzek błony, wykorzystywaną do wtórnego transportu cząsteczek (np. cukrów, aminokwasów) i jonów do wnętrza cytoplazmy. Do roślinnych pomp protonowych należą również tonoplastowe (wakuolarne) H+-ATPazy (V-ATPazy) (rys. 1.23) i H+-pirofosfatazy (V-PPazy), których podstawową fizjologiczną funkcją jest transport protonów do wakuoli. W przeciwieństwie do ATPaz typu P, V-ATPazy są enzymami wielopodjednostkowymi i nie ulegają fosforylacji w trakcie cyklu katalitycznego, natomiast do podtrzymywania aktywności H+-PPazy niezbędna jest obecność jonów H+ i K+ oraz Mg2+.

Rys. 1.23. Hipotetyczny wielopodjednostkowy model przestrzennej budowy wakuolarnej pompy protonowej (ATPazy typu V) (wg Maeshima 2000, zmodyfikowane)

Wszystkie H+-ATPazy uczestniczą głównie w regulacji turgoru i utrzymywania odpowiedniego, wewnątrzkomórkowego pH. Ponadto biorą udział w usuwaniu z cytoplazmy toksycznych jonów, tworzeniu asymetrii błon lipidowych oraz transporcie pęcherzykowym.

W komórkach roślin pompy protonowe transportują także różne kationy (K+, Na+, H+, Mg2+, Ca2+, Cu2+, Cd2+). Funkcją pompy wapniowej (Ca^2+-ATPaza), obecnej w plazmolemie, błonach ER i zewnętrznej błonie otoczki jądrowej, jest regulacja cytoplazmatycznego stężenia jonów Ca2+ przez usuwanie jego nadmiaru poza obręb cytoplazmy podstawowej. Natomiast Zn2+-ATPaza oraz Cu2+-ATPaza są odpowiedzialne za transport jonów metali niezbędnych do syntezy aktywnych biologicznie metaloprotein (np. endopeptydaz cynkowych).

W wakuolach roślin wyższych gromadzą się różnego typu produkty wtórnej przemiany materii oraz metale ciężkie i toksyczne związki organiczne, które przedostały się do wnętrza komórki. Po wniknięciu do cytoplazmy dalsze ich przemieszczanie się do wakuol odbywa się z udziałem specjalnych przenośników (transporterów) typu ABC (ang. ATP-binding cassette), dużej rodziny białek, które pompują przez tonoplast różnego typu substraty niezależnie od gradientu elektrochemicznego H+, wykorzystując ATP.

Transport związków wielkocząsteczkowych (pęcherzykowy)

Ze względu na wielkość i powierzchniowy ładunek elektryczny transport związków wielkocząsteczkowych ma odmienny charakter niż błonowy transport jonów i związków małocząsteczkowych. Komórki roślinne mogą pobierać związki wielkocząsteczkowe zarówno w formie nierozpuszczalnej, jak i rozpuszczone w wodzie. Wspomniane procesy zachodzą przez fago- oraz endocytozę (rys. 1.24). Fagocytozą nazywamy pobieranie drobnych, nierozpuszczalnych cząstek, np. bakterii lub szczątków organicznych. Polega na oddziaływaniu makrocząstki z powierzchnią plazmolemy, co prowadzi do jej wpuklenia (inwaginacji) i odsznurowania powstałego pęcherzyka (zawierającego pobieraną cząstkę) od błony komórkowej. Wewnątrz cytoplazmy dochodzi do enzymatycznej degradacji zawartości pęcherzyków, z których po rozpuszczeniu ich otoczki uwalniane są proste związki organiczne (np. aminokwasy, cukry). Produkty te są następnie włączane do wewnątrzkomórkowych szlaków metabolicznych.

Wyróżnia się dwa odmienne typy endocytozy – pinocytozę i endocytozę z udziałem receptorów. Pinocytoza to pobieranie małych kropel płynu zewnątrzkomórkowego do wnętrza komórek (rys. 1.24). Pobieranie z roztworu pozakomórkowego do wnętrza komórek roślinnych drobnych cząstek odbywa się drogą endocytozy zależnej od receptorów błonowych. Proces ten zachodzi w wyspecjalizowanych okolicach plazmolemy, których fragmenty pokryte są od strony cytoplazmy białkiem klatryną (dołki opłaszczone) (rys. 1.24). W wyniku związania się pobieranej cząsteczki z odpowiednim receptorem dołki przekształcają się w pęcherzyki, zwane endosomami. Endosomy z udziałem mikrotubul przemieszczają się w głąb cytoplazmy, gdzie dochodzi do enzymatycznej degradacji ich zawartości. Obecnie nie kwestionuje się istnienia fago-, pino- i endocytozy w komórkach roślinnych. Tą formą transportu m.in. korzenie roślin pobierają i przyswajają związki organiczne, które mogą stanowić dla roślin jedyne źródło azotu, fosforu, siarki lub innych składników mineralnych.

Rys. 1.24. Transport roztworów i związków wielkocząsteczkowych przez błonę biologiczną: A – fagocytoza, B – pinocytoza, C – endocytoza zależna od receptorów

1.1.1.3. Cytoplazma podstawowa, organelle i struktury plazmatyczne

Cytoplazma jest to środowisko zawierające wszystkie składniki komórki otoczone plazmolemą. Pod względem chemicznym cytoplazma komórek roślinnych zawiera 75–85% wody, 10–20% białek, 2–3% lipidów i 1% substancji mineralnych. W zależności od stadium rozwojowego i funkcjonalnego żywej komórki cytoplazma zajmuje od 10 do 90% objętości całej komórki. W odniesieniu do struktury cytoplazma obejmuje cytoplazmę podstawową ze strukturami cytoplazmatycznymi oraz organelle komórkowe (patrz rozdz. 1.1.1).

Cytoplazma podstawowa jest systemem dwufazowym, w którego skład wchodzi faza wodna i faza białkowa wypełniające wnętrze komórki, stanowiąc matriks dla znajdujących się w niej struktur i środowisko dla różnego typu reakcji chemicznych. Pierwsza faza, wzbogacona w wodę, zawiera małocząsteczkowe metabolity (aminokwasy, cukry, kryształy itp.), podczas gdy w skład fazy białkowej wchodzą różnego typu polipeptydy, głównie składniki macierzy cytoplazmatycznej. Organizację wewnętrzną macierzy cytoplazmatycznej (cytomatriks) zapewnia białkowy szkielet komórkowy (cytoszkielet).

Cytoszkielet komórek roślinnych tworzą mikrotubule (MT) i mikrofilamenty (MF). Mikrotubule to rurkowate struktury zbudowane z połączenia heterodimerowych łańcuchów (protofilamentów) białkowych powstających w wyniku polimeryzacji białka αi β-tubuliny. Najpowszechniej występujące mikrotubule są zbudowane z 13 protofilamentów, tworzących strukturę przypominającą wydrążony cylinder (rys. 1.25). Mikrofilamenty natomiast są to cienkie, liniowo skręcone dwa włókienka aktyny fibrylarnej (F), powstające na drodze polimeryzacji aktyny globularnej (G) rozpuszczonej w cytoplazmie. Cytoszkielet może stanowić do 20% wszystkich białek komórek eukariotycznych, posiadając istotne znaczenie w regulacji wielu procesów życiowych zachodzących wewnątrz komórki. Dzięki wysokiej elastyczności i dynamicznej niestabilności (ciągłej reorganizacji) cytoszkielet pełni funkcje podporowe (szkieletowe) i odpowiada za zmiany wewnętrznej struktury cytoplazmy zgodnie z potrzebami komórki. Między innymi reguluje ruchy cytoplazmy i organelli, utrzymując je w określonych rejonach komórki, bierze udział w transporcie sekrecyjnym pęcherzyków i organelli wzdłuż mikrotubul, uczestniczy w regulacji kierunku odkładania włókien celulozowych ściany komórkowej (rozdz. 1.1.5.1) oraz powstawaniu wrzeciona podziałowego (kariokinetycznego) (rozdz. 1.1.7.1). W funkcjonowaniu cytoszkieletu bierze udział wiele białek pomocniczych, jak miozyna, kalmodulina, czy białka motoryczne: dyneina i kinezyna.

Rys. 1.25. Budowa molekularna podstawowych składników cytoszkieletu: A, B – mikrotubuli, C – mikrofilamentów (wg Alberts i in. 1994, zmodyfikowane)

Siateczka śródplazmatyczna

Siateczka śródplazmatyczna (ang. endoplasmic reticulum, ER) jest najobszerniejszą i morfologicznie najbardziej zróżnicowaną strukturą cytoplazmatyczną. Błony wchodzące w skład tej organelli stanowić mogą do 50% wszystkich błon występujących w komórce (10% objętości komórki). W skład ER wchodzą błony tworzące cysterny (spłaszczone zbiorniki), silnie rozbudowana sieć rurek (tubul) oraz graniczące z nimi liczne pęcherzyki (rys. 1.26). ER dzieli płynną zawartość cytoplazmy na dwa przedziały: zamknięty w obrębie błon (przestrzeń cysternowa) i rejon na zewnątrz tych błon (właściwa przestrzeń cytoplazmatyczna).

Siateczka śródplazmatyczna występuje w dwóch postaciach: szorstkiej (ziarnistej) i gładkiej (bezziarnistej) (rys. 1.26). Pierwsza zbudowana jest z licznych cystern, natomiast siateczkę gładką tworzy sieć rurek. Z cytoplazmatyczną powierzchnią błon siateczki szorstkiej wiążą się rybosomy (struktury zawierające RNA i białka). Podobnie jak wolne cytozolowe rybosomy, rybosomy ER zbudowane są z dwóch podjednostek: mniejszej (S – 40S) i większej (L – 80S) i odpowiedzialne są za proces syntezy białek wydzielniczych oraz wchodzących w skład błon.

Rys. 1.26. Budowa endoplazmatycznego retikulum i aparatu Golgiego i ich udział w komórkowym przepływie błon (wg Becker i in. 1996, zmodyfikowane)

ER jest nie tylko miejscem syntezy białek, lecz także pierwotnym miejscem odbioru powstałych białek, ich magazynowaniu, sekrecji i transportu w postaci pęcherzyków do innych organelli. Powstające na ER białka rozpuszczalne są gromadzone w świetle cystern ER w postaci pęcherzyków transportujących i przenoszone do innych organelli, błony komórkowej lub na zewnątrz komórki. O ich przeznaczeniu (kierunku eksportu) decydują sekwencje sygnałowe. W przemieszczaniu białek przez błony ER uczestniczą trzy elementy. Są to:

1) sekwencja powstająca na polipeptydzie i kierująca do ER,

2) występujące w cytoplazmie cząsteczki rozpoznające sygnał (SRP) wiążące sekwencję sygnałową dla ER,

3) białka receptorowe SPR znajdujące się na cytoplazmatycznej powierzchni błony ER oraz endopeptydazy odcinające sekwencję sygnałową.

Białka transbłonowe nie przemieszczają się w całości do światła siateczki, lecz zostają zakotwiczone w błonie. Pęcherzyki transportujące powstające z szorstkiego ER uczestniczą w transporcie substancji i elementów błon między tą strukturą a aparatami Golgiego

Biosynteza białek może również zachodzić w cytoplazmie, na wolnych rybosomach. Białka te zawierają odpowiednie sekwencje sygnałowe umożliwiające ich przemieszczanie się do wnętrza takich struktur, jak jądra, mitochondria, plastydy, peroksysomy.

Gładka część siateczki śródplazmatycznej jest głównym miejscem biosyntezy lipidów, zarówno zapasowych (triacylogliceroli), jak i fosfo-, glikolipidów i steroidów wchodzących w skład błon komórkowych. Na terenie ER odbywa się także synteza kwasu L-askorbinowego oraz procesy detoksykacji. Oprócz funkcji biosyntezy i transportu ER bierze udział w regulacji zawartości jonów Ca2+, będąc jednym z głównych jego magazynów w komórce. Uczestniczy w budowie przegrody komórkowej i ściany pierwotnej oraz komunikacji międzykomórkowej, formując plazmodesmy – kanały w ścianie komórkowej łączące błonę komórkową, ER i cytoplazmę sąsiadujących ze sobą komórek (patrz rozdz. 1.1.1.3.1).

Aparat Golgiego

Podstawowym elementem aparatu Golgiego (rys. 1.26) jest diktiosom – stos ułożonych na sobie spłaszczonych cystern (od 3 do 15), wraz z towarzyszącymi im pęcherzykami. W aparacie Golgiego wyróżnia się dwa bieguny oraz zawarty między nimi rejon pośredni. Strona bliższa (wypukła), zwana również powierzchnią formowania, oznaczana jest jako cis. Natomiast strona dalsza (wklęsła), powierzchnia dojrzewania, nazywana jest trans. Strona cis jest zwrócona ku szorstkiej siateczce śródplazmatycznej, natomiast trans – ku plazmolemie. Aparat Golgiego jest strukturą dynamiczną, biorącą udział w procesie zwanym przepływem błon (rys. 1.26). Stanowi element przejściowy między błonami siateczki śródplazmatycznej szorstkiej a plazmolemą. Cysterny strony cis aparatów Golgiego powstają w wyniku zlewania się obłonionych pęcherzyków transportujących oddzielanych od szorstkiego ER. Materiał zawarty w pęcherzykach jest poddawany dalszej obróbce w kolejnych rejonach diktiosomu. W końcowym etapie tego procesu pęcherzyki wraz z zawartością, oddzielane od cystern strony trans aparatów, zlewają się z plazmolemą lub błonami otaczającymi struktury wewnątrzkomórkowe, np. wakuolę (rys. 1.26). W ten sposób zachodzi wydzielanie poza komórkę białek (np. ekstensyn) oraz polisacharydów, pektyn i hemiceluloz wchodzących w skład ścian komórkowych lub gromadzenie białek zapasowych w wakuoli. Zjawisko przepływu błon może też zachodzić w przeciwnym kierunku.

Aparaty Golgiego, oprócz udziału w sekrecji i transporcie wakuolarnym, uczestniczą w recyklizacji błon, w biosyntezie złożonych polisacharydów (np. pektyn i hemiceluloz) wchodzących w skład podłoża ścian komórkowych, w syntezie, zagęszczaniu, sortowaniu i pakowaniu bardziej złożonych polisacharydów (np. pektyn i hemiceluloz), lipidów i glikolipidów oraz różnych produktów wydzielniczych.

Peroksysomy i glioksysomy

Peroksysomy i glioksysomy to dwa typy struktur cytoplazmatycznych otoczonych pojedynczą błoną, posiadające jednorodną macierz z różnego typu inkluzjami (np. krystaloidami). Peroksysomy występują we wszystkich typach komórek, a ze względu na lokalizację i pełnione funkcje dzielą się na dwie klasy: glioksysomy i peroksysomy liści. Wszystkie peroksysomy zawierają katalazę i peroksydazę, enzymy oksydacyjne, dzięki którym peroksysomy uczestniczą w rozkładzie nadtlenku wodoru (H_2O_2) na tlen i wodę. Ponadto peroksysomy przeprowadzają reakcje utleniania kwasów tłuszczowych, reaktywnych form tlenu, a także współdziałają z chloroplastami i mitochondriami w procesie fotooddychania (patrz rozdz. 4.1.4). Glioksysomy występują przede wszystkim w liścieniach, a także w komórkach bielma i warstwy aleuronowej nasion, wyspecjalizowanych w gromadzeniu tłuszczów jako materiału zapasowego. Zawierają enzymy cyklu glioksalanowego, które umożliwiają przekształcanie lipidów (octanu powstającego w wyniku ich degradacji) w cukry, wykorzystywane następnie przez rozwijający się zarodek podczas kiełkowania nasion. Ponadto uczestniczą w metabolizmie fosfolipidów w starzejących się liściach, katabolizmie puryn oraz przemianach kwasu moczowego.

Plastydy

Plastydy są strukturami charakterystycznymi wyłącznie dla komórek roślinnych. Wykazują zróżnicowaną morfologię, budowę ultrastrukturalną oraz pełnią różne funkcje (tab. 1.3). W dojrzałej roślinie wyróżnia się dwa rodzaje plastydów: fotosyntezujące (chloroplasty) i niefotosyntezujące (chromoplasty i leukoplasty).

Tabela 1.3. Charakterystyka plastydów roślin wyższych

Typ plastydów

Charakterystyka

Proplastydy

Występują w komórkach embrionalnych. Są formą wyjściową dla innych typów plastydów

Etioplasty

Charakterystyczne dla etiolowanych komórek mezofilu. Zawierają protochlorofil, który pod wpływem światła przekształca się w chlorofil. Przemianie tej towarzyszy przekształcenie etioplastów w chloroplasty

Chloroplasty

Występują głównie w komórkach mezofilu liści. Zawierają fotosyntetyczny barwnik – chlorofil – i wszystkie ogniwa procesu fotosyntezy oraz wielu szlaków metabolicznych powiązanych z przebiegiem tego procesu

Leukoplasty

Bezbarwne plastydy występujące w komórkach tkanek zapasowych (np. bielmo, liścienie, nasiona, bulwy, korzenia)

Chromoplasty

Zawierają karotenoidy. Występują w okwiecie, rozwijających się i dojrzałych owocach (pomidor, papryka, jabłoń) oraz starzejących się liściach, nadając komórkom żółte, pomarańczowe lub czerwone zabarwienie

Wszystkie plastydy są otoczone podwójną błoną. Są to organelle o różnym stopniu organizacji, a najwyższy stopień osiągnęły chloroplasty. Chloroplasty to niewielkie kuliste organelle otoczone dwiema odrębnymi błonami: zewnętrzną i wewnętrzną, o różnym stopniu przepuszczalności i organizacji przestrzennej (rys. 1.27B). Wnętrze wypełnia matrix chloroplastowa (stroma). Błona wewnętrzna wnika do światła organellum i tworzy wewnętrzny system błon w postaci spłaszczonych pęcherzyków i kanalików – tylakoidów (lamele). Część tylakoidów ma kolisty lub elipsoidalny kształt i układa się w stosy zwane granami (tylakoidy gran). Pozostała część gran (intergrana), utworzona z dużych tylakoidów, swobodnie przenika stromę, łącząc poszczególne grana w jeden ciągły system (tylakoidy stromy) (rys. 1.27A). W błony tylakoidów gran jest wbudowany barwnik fotosyntetyczny, chlorofil oraz cały aparat jasnej fazy fotosyntezy. W stromie plastydów występuje indywidualny, kolisty DNA oraz rybosomy typu prokariotycznego (70S), stąd też zachodzą wewnątrz plastydów procesy transkrypcji i translacji części białek metabolizmu plastydów, co oznacza, że chloroplasty dysponują częściową autonomią genetyczną. Więcej informacji dotyczących budowy chloroplastów oraz opis zachodzących w nich procesów metabolicznych znajduje się w rozdz. 4.1.1.

Rys. 1.27. Przestrzenny obraz (A) i budowa (B) chloroplastu

Zasadniczym czynnikiem decydującym o powstaniu chloroplastów jest światło. W komórkach roślin wyrosłych w ciemności (etiolowanych) występują jedynie etioplasty (tab. 1.3), które oprócz podwójnej otoczki mają jedno lub więcej ciał prolamelarnych (rys. 1.28), oraz niewielkie ilości protochlorofilidu. Kontakt ze światłem uruchamia syntezę chlorofilu, różnicowanie się chloroplastów i podjęcie przez nie aktywności fotosyntetycznej. Proces ten określa się mianem deetiolacji. Poza powstawaniem barwników fotosyntetycznych deetiolacji towarzyszy wzmożona synteza enzymów uczestniczących w asymilacji CO_2 (fotosyntetycznych).

Rys. 1.28. Kolejne fazy przekształcania się proplastydu (A) w etioplast (B), a następnie, z udziałem światła, w chloroplast niezróżnicowany (C) – zawierający jedynie tylakoidy i różnicujący się (D) – z wyraźnymi tylakoidami gran. W pełni wykształcony chloroplast (E) zawiera silnie rozwinięty system tylakoidów oraz ziarna skrobi (s)

Plastydy wykazują daleko idąca elastyczność morfologiczną i funkcjonalną. W zależności od lokalizacji tkankowej oraz warunków środowiskowych mogą przekształcać się wzajemnie w inne formy plastydów (rys. 1.29). W procesie zielenienia się roślin (deetiolacji) pod wpływem działania światła etioplasty przekształcają się w chloroplasty. Światło może również spowodować przemianę leukoplastów (amyloplastów) w chloroplasty. Natomiast podczas dojrzewania wielu owoców (np. pomidora) czy starzenia się liści obserwuje się przekształcanie chloroplastów w chromoplasty.

Rys. 1.29. Wzajemne przekształcanie się różnych form plastydów

Mitochondria

Mitochondria to organelle obecne we wszystkich żywych komórkach roślinnych. Ich kształt, wielkość i liczba (60–3000) zależą od aktywności metabolicznej, rodzaju i funkcji komórki. Mitochondria to formy kuliste, eliptyczne lub nitkowate, otoczone dwiema błonami: zewnętrzną i wewnętrzną, między którymi znajduje się przestrzeń międzybłonowa (perymitochondrialna) (rys. 1.30). Zewnętrzna błona mitochondrialna ma właściwości półprzepuszczalne – do przestrzeni międzybłonowej mogą się przedostawać stosunkowo duże cząsteczki, o masie poniżej 5 kDa. Stąd skład jonowy roztworu wypełniającego tę przestrzeń jest zbliżony do występującego w cytoplazmie. Wewnętrzna błona mitochondrialna jest natomiast wysoce selektywną barierą, zawierającą wyspecjalizowane enzymy, nośniki i pompy. Wpuklenia błony wewnętrznej są gęsto pofałdowane, mają najczęściej kształty blaszkowatych fałdów lub, znacznie rzadziej, pojedynczych cewek zwanych grzebieniami. Na pewnych, krótkich, odcinkach obie błony wzajemnie do siebie przylegają, tworząc tzw. miejsca kontaktowe, odpowiedzialne za stabilizację struktury i import białek do mitochondrium. W przestrzeni zawartej między wpukleniami błony wewnętrznej występuje macierz mitochondrialna (matriks). Macierz zawiera wiele kopii kolistego mitochondrialnego DNA, rybosomy charakterystyczne dla organizmów prokariotycznych (70S) oraz enzymy syntezy swoistych białek mitochondrialnych, co – podobnie jak w przypadku chloroplastów – daje im pewną autonomię genetyczną.

Rys. 1.30. Schemat budowy mitochondrium

Mitochondria są aktywnymi strukturami komórkowymi. Struktury te namnażają się w komórce przez wzrost i podział (fizję). Powstające w ten sposób mitochondria są przekazywane do dzielących się komórek potomnych. Odgrywają też główną rolę w przemianach energetycznych komórki (patrz rozdz. 4.4). W mitochondriach zachodzi proces oddychania komórkowego, w którym energia pochodząca z rozkładu cukrowców zapasowych służy do syntezy cząsteczek ATP.

Wakuola

Wakuola komórkowa zajmuje około 90–95% objętości w pełni zróżnicowanych, żywych i wyrośniętych komórkach roślinnych. Struktura ta jest otoczona błoną nazywaną tonoplastem. Komórki merystematyczne zawierają liczne drobne wakuole, które w trakcie różnicowania się i wzrostu komórek zlewają się, tworząc jedną dużą wakuolę centralną. Jej wnętrze wypełnia sok komórkowy (wakuolarny), w którego skład poza wodą wchodzą różne jony, rozpuszczone i nierozpuszczalne związki mineralne oraz substancje organiczne, w tym materiały zapasowe.

W wakuolach są gromadzone zarówno proste związki organiczne (kwasy organiczne, aminokwasy, cukry), jak i polisacharydy oraz tłuszcze. Podstawowym materiałem zapasowym są jednak białka, głównie gromadzone w postaci krystalicznej (krystaloidy). W trakcie powstawania nasion następuje proces odwodnienia i rozpadu wakuoli centralnej na liczne drobne wakuole zwane ziarnami aleuronowymi. Zawarte w nich białka ulegają hydrolizie w trakcie kiełkowania nasion. W komórkach korzeni niektórych roślin w wakuolach gromadzone są również polisacharydy zapasowe (inulina).

Poza gromadzeniem wody, soli mineralnych i składników zapasowych w wakuoli mogą zachodzić procesy trawienne (lityczne). W soku komórkowym stwierdzono aktywność proteinaz, peptydaz, esteraz, glikozydaz i innych enzymów hydrolitycznych. Liczne obserwacje w mikroskopie elektronowym wykazały, że do wnętrza wakuol, przez inwaginację (wpuklenie) tonoplastu, mogą się przedostawać fragmenty cytoplazmy zawierające różne struktury komórkowe. Ich zawartość ulega degradacji (autofagii) po uprzednim pęknięciu błony pęcherzyka. Ze względu na pełnione funkcje w komórkach roślinnych wyróżnia się wakuole wegetatywne (lityczne) oraz gromadzące materiały zapasowe.

Półprzepuszczalne właściwości tonoplastu oraz obecność w soku wakuolarnym związków osmotycznie czynnych sprawia, że wakuola jest główną strukturą uczestniczącą w regulacji gospodarki wodnej komórki i nadającą jej jędrność (turgor). Ponadto stanowi ona wewnętrzne środowisko komórki, jak również miejsce składowania większości metabolitów powstających w trakcie pierwotnej i wtórnej przemiany materii. Wewnątrz wakuol są gromadzone glikozydy antocyjaninowe i flawonowe – związki nadające barwę płatkom kwiatów, owocom, a niekiedy liściom. Ponadto w soku wakuolarnym mogą występować inne metabolity wtórne, takie jak alkaloidy (np. nikotyna, kokaina, morfina, strychnina) oraz garbniki.

Jądro komórkowe

Jądro komórkowe jest nadrzędną i najlepiej widoczną strukturą komórki, miejscem przechowywania materiału genetycznego. Stanowi centrum kontroli procesów replikacji i transkrypcji, a także jest odpowiedzialne za proces dziedziczenia – przekazywania informacji genetycznej następnym pokoleniom komórek (mitoza) lub następnym pokoleniom organizmów (mejoza). Obecność jądra powoduje oddzielenie replikacji DNA i transkrypcji od procesów translacji oraz innych reakcji zachodzących w cytozolu. Jądro komórkowe otacza podwójna błona jądrowa (otoczka jądrowa), łącząca się z retikulum endoplazmatycznym. Wnętrze jądra (nukleoplazma) obejmuje chromatynę, jąderko, matriks (macierz) jądrową i obszar międzychromatynowy – kariolimfę (rys. 1.31).

Rys. 1.31. Budowa jądra komórkowego (wg Becker i in. 1996, zmodyfikowane)

Otoczka jądrowa jest zbudowana z dwóch błon otaczających przestrzeń międzybłonową (perinuklearną). Zewnętrzna błona jest przedłużeniem cystern ER i może zawierać rybosomy. Grubość otoczki jest zmienna i zależnie od szerokości przestrzeni okołojądrowej waha się w granicach 25–150 nm. W skład otoczki jądrowej wchodzą lipidy (do 35%) oraz białka (do 70%). Matriks składa się głównie z białek (ok. 98%) oraz niewielkich ilości kwasów nukleinowych i fosfolipidów. Uczestniczy w utrzymywaniu wewnętrznej struktury jądra, determinacji obszarów zajmowanych przez chromatynę luźną i skondensowaną oraz miejsc replikacji DNA, a także w metabolizmie i transporcie jądrowego RNA.

Otoczka jądrowa zapewnia kontrolowaną i selektywną wymianę substancji między nukleoplazmą a cytoplazmą podstawową. Proces ten odbywa się przez pory jądrowe (kompleksy porowe) – mikroobszary, w których dochodzi do zespolenia zewnętrznej i wewnętrznej błony otoczki jądrowej. Przez kompleks porowy odbywa się dwukierunkowy ruch jonów, małych cząsteczek i metabolitów. Transport białek (głównie do jądra) oraz RNA (z jądra) wymaga dopływu energii. Liczba kompleksów porowych przypadających na jądro zależy od aktywności metabolicznej komórki; mogą one stanowić 8–40% powierzchni otoczki jądrowej.

Rys. 1.32. Etapy kondensacji chromatyny

Chromatyna jest zbudowana z RNA, białek histonowych i niehistonowych (głównie enzymatycznych) i DNA, stanowiącego główny składnik chromatyny. Liczba cząsteczek DNA w danym jądrze jest różna i zależy od gatunku. Ponieważ nić DNA w komórkach roślin może osiągać spore długości (1–100 m), chromatyna na terenie jądra występuje w formie skondensowanej. Etapy kondensacji chromatyny przedstawia rys. 1.32. Podstawowym składnikiem chromatyny jest nukleosom (rys. 1.33), zbudowany z DNA nawiniętego na białka histonowe. W skład nukleosomu wchodzi średnio 200 par nukleotydów oraz 5 typów białek histonowych (H1, H2A, H2B, H3 i H4). Nukleosomy są połączone ze sobą DNA łącznikowym (50 parami zasad) i tworzą struktury chromatyny wyższego rzędu, zwane solenoidem, który zwija się skrętolegle w supersolenoid, a następnie superhelisę, by ostatecznie zakończyć stworzeniem chromosomu. W zależności od fazy cyklu komórkowego (patrz rozdz. 1.1.7.1) pozorne skrócenie pojedynczej nici DNA wynosi od 100 do 1000 razy dla chromosomów interfazowych oraz około 10 000 razy dla chromosomów metafazowych.

Rys. 1.33. Organizacja chromatyny jądrowej

Ze względu na stan kondensacji i aktywność transkrypcyjną wyróżnia się chromatynę luźną (zdekondensowaną) i zwartą (skondensowaną). Chromatyna luźna, zwana również euchromatyną, zawiera aktywne transkrypcyjnie odcinki DNA. W wyniku kondensacji euchromatyny dochodzi do powstawania chromatyny zwartej, która w okresach wzmożonej aktywności transkrypcyjnej może ponownie przekształcać się (dekondensować) w chromatynę luźną. Część chromatyny zwartej to heterochromatyna; zawiera satelitarny DNA nieulegający transkrypcji.

Charakterystycznym składnikiem interfazowych jąder komórek eukariotycznych są jąderka. Struktury te zanikają w późnej profazie i ponownie odtwarzają się w telofazie cyklu komórkowego. Wykryto w nich obecność ponad 200 rodzajów białek strukturalnych, enzymatycznych i regulatorowych, RNA oraz niewielkich ilości DNA. Jąderkowy DNA (znany jako rDNA) zawiera liczne kopie genów kodujących rybosomowy RNA (rRNA). W wyniku aktywacji tych genów dochodzi do powstawania prerybosomowego RNA (pre-rRNA), który po procesie dojrzewania i połączeniu się z odpowiednimi białkami tworzy obydwie podjednostki rybosomów cytoplazmatycznych (patrz rozdz. 1.1.2.1). Ponadto jąderko uczestniczy w dojrzewaniu mRNA, biogenezie i transporcie małych RNA oraz regulacji cyklu komórkowego. Liczba jąderek zależy od liczby chromosomów jąderkotwórczych, czyli chromosomów posiadających obszary organizacji jąderka, NOR (ang. nucleolus organizer region), w miejscu przewężenia wtórnego (rys. 1.34). W jądrach komórek diploidalnych zazwyczaj występują dwa jąderka, które mogą się zlewać ze sobą. Aktywność jąderek zmienia się w zależności od typu komórki, stopnia zróżnicowania i fazy cyklu komórkowego.

Rys. 1.34. Struktura chromosomu jąderkotwórczego

1.1.1.4. Regulacja podstawowych funkcji komórek roślinnych

Zachodzące w poszczególnych komórkach procesy aktywacji genów, szlaków metabolicznych oraz odbioru i przetwarzania informacji prowadzą do zmiany wzorca wzrostu i rozwoju struktur wyższego rzędu: tkanek, organów i całych roślin. Poznanie procesów zachodzących na najniższych szczeblach organizacji roślin jest niezbędne w celu bliższego określenia zjawisk kontrolujących morfogenezę osobniczą. Bez względu na stopień zróżnicowania organizmów roślinnych na komórkowym poziomie organizacji można wyróżnić kilka podstawowych procesów. Pierwszy z nich prowadzi do podziałów komórek macierzystych i powstawania identycznych komórek potomnych. Następnie jedna z komórek siostrzanych (lub obydwie) powiększa wymiary. Przed rozpoczęciem tego procesu, w trakcie jego trwania lub po zakończeniu komórka staje się polarna (biegunowa). Po osiągnięciu określonej wielkości i stopnia polarności komórka zaczyna się różnicować, aby uzyskać określoną budowę, warunkującą efektywne pełnienie właściwej sobie funkcji. Dzielenie się, wzrost i różnicowanie komórek stanowią fundament procesów wzrostu i rozwoju roślin (patrz rozdz. 5.2).

Cykl komórkowy (mitoza i mejoza)

Cyklem komórkowym nazywamy ciąg zintegrowanych zmian biofizycznych, biochemicznych i cytologicznych zachodzących między kolejnymi podziałami komórkowymi. Jeżeli cykl komórkowy kończy się mitozą, to określa się ten proces terminem cyklu mitotycznego. Cykl komórkowy składa się z kilku następujących po sobie faz. Czas między podziałami komórki to interfaza, po której następuje podział komórkowy: mitotyczny lub mejotyczny. Interfaza obejmuje fazę G_1 (ang. gap – przerwa), fazę S (synteza DNA) oraz fazę G_2 (rys. 1.35).

Faza G_1 (postelofazowa) rozciąga się od końca ostatniego podziału komórkowego do chwili rozpoczęcia syntezy DNA; zależnie od typu komórki trwa od kilku do kilkunastu godzin. Następuje wówczas wzmożona synteza białek, różnego typu RNA oraz nasilenie błonowego transportu jonów i metabolitów. Wskutek przebiegu tych procesów znacząco zwiększają się masa i objętość komórki, aż do osiągnięcia punktu granicznego, inicjującego przejście komórki do następnej fazy cyklu. Część komórek po przejściu fazy G_1 nie wkracza w kolejną fazę cyklu, lecz wchodzi w fazę G_0. Fazę tę charakteryzuje stan spoczynku komórki, trwający od kilku dni do kilku miesięcy lub lat (np. zarodniki niektórych paproci). W tym okresie komórki nie dzielą się i cykl komórkowy ulega zawieszeniu. Po upływie tego czasu lub w wyniku stymulacji komórki w fazie G_0 następuje przejście do fazy S (rys. 1.35).

Rys. 1.35. Fazy cyklu komórkowego. Białymi okienkami zaznaczono punkty krytyczne. Szczegółowy opis w tekście

Faza S (preprofazową) charakteryzuje się wzmożoną syntezą DNA prowadzącą do podwojenia się jego ilości. Oprócz kwasów nukleinowych w fazie S przebiega synteza białek histonowych (patrz rozdz. 1.1.3). W wyniku trwającej kilka godzin fazy S dalej zwiększają się objętość i masa komórki.

Faza G_2 jest kolejnym okresem cyklu komórkowego i kończy się wejściem komórki w fazę podziału. W tym okresie zachodzi synteza białek tworzących wrzeciono podziałowe, jak również składników, z których pod koniec podziału komórkowego nastąpi odtworzenie błon otoczki jądrowej i plazmolemy.

Komórki po przejściu interfazy mogą podlegać kolejnej mitozie lub mejozie bądź zakończyć fazę podziałową i wejść na drogę wzrostu i różnicowania się.

Mitoza

Mitoza jest procesem odpowiedzialnym za namnażanie się komórek, w wyniku którego powstają identyczne komórki potomne (2n). W czasie trwania mitozy wyróżnia się dwa zasadnicze etapy: kariokinezę i cytokinezę. Podczas kariokinezy następuje podział jądra komórkowego. Cytokineza polega na podziale cytoplazmy i zawartych w niej organelli do dwóch komórek potomnych oraz odtworzenie ściany komórkowej. Kariokineza jest bardzo skomplikowanym zjawiskiem, zwyczajowo dzielonym na cztery główne, następujące po sobie fazy: profazę, metafazę, anafazę i telofazę (rys. 1.35).

Profaza rozpoczyna się stopniową kondensacją chromatyny, prowadzącą do pojawienia się widocznych (w mikroskopie świetlnym) chromosomów mitotycznych. Każdy z nich składa się z dwóch siostrzanych chromatyd połączonych ze sobą w miejscu zwanym centromerem. Podczas profazy w cytoplazmie dochodzi do powstawania zaczątków wrzeciona podziałowego. Pod koniec profazy następuje fragmentacja otoczki jądrowej. Nadal kondensujące chromosomy łączą się z elementami wrzeciona podziałowego w sposób zapewniający prostopadłą orientację chromosomów w stosunku do długiej osi komórki.

Metafaza polega na dalszej kondensacji chromatyny. Pod jej koniec nić DNA ulega znacznemu (5–10-tysięcznokrotnemu) skróceniu, a w pełni uformowane chromosomy metafazowe, zbudowane z dwóch częściowo rozdzielonych chromatyd, układają się w płytce równikowej.

Anafaza rozpoczyna się szybkim oddzieleniem się od siebie siostrzanych chromatyd (połączonych uprzednio w centromerze) i ich ruchem ku biegunom.

Zgromadzenie chromosomów w dwóch biegunach komórkowych zapoczątkowuje telofazę. Następuje stopniowe rozluźnianie (dekondensacja) zwartej struktury chromosomów. Towarzyszy temu powstanie jąderka, natomiast z elementów powstałych w profazie zostaje odtworzona otoczka jądrowa. Równocześnie zanika wrzeciono podziałowe. Rozpoczyna się cytokineza, czyli podział cytoplazmy między dwie komórki siostrzane (rys. 1.35H). Między jądrami gromadzą się pęcherzyki wywodzące się z aparatu Golgiego i siateczki śródplazmatycznej. Pęcherzyki te, zlewając się, tworzą przegrodę pierwotną, która przeważnie rozrasta się w kierunku odśrodkowym. Błony pęcherzyków zlewają się ze sobą i tworzą zaczątek plazmolemy. W wyniku zakończenia cytokinezy dochodzi do powstania dwóch komórek o równej, rzadziej różnej, objętości.

Czas trwania podziału komórkowego (kario- i cytokinezy) różnych komórek wynosi od kilkudziesięciu minut do wielu godzin. Czas ten można wyznaczyć, określając wskaźnik mitoz, tj. odsetek komórek dzielących się (w stosunku do pozostających w interfazie). Dla tkanek, w których zachodzą intensywne podziały komórkowe, wielkość tego wskaźnika (zwanego również indeksem mitotycznym) dochodzi do 5–7%. W innych rodzajach tkanek wskaźnik mitoz wynosi około 1%.

Mejoza

Mejoza jest sposobem dzielenia się komórek obserwowanym jedynie w organizmach rozmnażających się płciowo. Rozmnażanie płciowe polega na łączeniu się dwóch komórek rozrodczych, co wymusza istnienie mechanizmu zabezpieczającego stałą liczbę chromosomów w organizmie. Warunek ten spełnia mejoza, proces będący podziałem redukcyjnym, w wyniku którego powstają komórki o zredukowanej do połowy liczbie chromosomów. Mejoza zachodzi podczas gametogenezy – procesu powstawania haploidalnych męskich i żeńskich komórek rozrodczych (1n). W fazie S komórek wchodzących w mejozę obserwuje się szybki wzrost objętości jąder, zwiększenie zawartości DNA (do 4C), a także syntezę RNA i białek histonowych. Po jej ukończeniu, z pominięciem fazy G_2 (por. cykl mitotyczny), komórki (mejocyty) bezpośrednio przechodzą do pierwszej profazy podziału mejotycznego (rys. 1.36). Podczas mejozy obserwuje się dwa następujące po sobie podziały jąder, w wyniku czego dochodzi do powstania czterech komórek potomnych o haploidalnych jądrach, czyli o zredukowanym o połowę materiale genetycznym (1C). W przypadku obu podziałów mejotycznych, podobnie jak podczas mitozy, wyróżnia się następujące fazy: profazę, metafazę, anafazę i telofazę. Istotną różnicą jest przebieg profazy I, która jest wydłużona i składa się z pięciu etapów: leptotenu, zygotenu, pachytenu, diplotenu i diakinezy.

W leptotenie I podziału mejotycznego chromosomy występują w formie cienkich nici, a między chromosomami homologicznymi pojawiają się pierwsze zaczątki tworzącego się kompleksu synaptemalnego. Całkowite uformowanie się tego kompleksu obserwuje się podczas zygotenu. Składający się z DNA (Zyg-DNA), białek i RNA kompleks synaptemalny uczestniczy w koniugacji chromosomów homologicznych, która rozpoczyna się w miejscach ich przyczepu do błony jądrowej. W pachytenie następuje dalsza spiralizacja całkowicie skoniugowanych chromosomów homologicznych (biwalentów) z wyraźnie zaznaczonymi chromatydami (rys. 1.36).Podczas pachytenu między niesiostrzanymi chromatydami chromosomów homologicznych zachodzi proces crossing over – wzajemna wymiana odcinków DNA. Proces ten jest poprzedzony powstaniem chiazm (miejsc, w których następuje połączenie się chromatyd). Po zakończeniu crossing over w diplotenie następuje dalsza kondensacja DNA i stopniowe oddzielanie się od siebie chromosomów homologicznych (poza chiazmami). Największy stopień spiralizacji chromatyny obserwuje się w diakinezie. Wówczas liczba chiazm ulega redukcji (zazwyczaj do jednej lub dwóch). Pod koniec diakinezy następuje zanik jąderka i otoczki jądrowej.

Rys. 1.36. Przebieg mitozy: A – interfaza, B i C – wczesna i późna profaza, D i E – wczesna i późna metafaza, F – anafaza, G i H – wczesna i późna telofaza, I – komórka interfazowa podlegająca różnicowaniu. Skróty: bj – błona jądrowa, c – cytoplazma, chm – chromosomy metafazowe, f – fragmoplast, j – jądro, pm – płytka metafazowa, pp – przegroda pierwotna, sch – spiralizujące chromosomy, wk – wrzeciono kariokinetyczne (wg Denffer i in. 1978, zmodyfikowane)

Po przesunięciu do płaszczyzny równikowej (które następuje w metafazie I) biwalenty ustawiają się obok siebie, prostopadle do płaszczyzny podziałowej, po czym w anafazie I chromosomy homologiczne się rozdzielają, a każdy z nich wędruje do przeciwległego bieguna. Podczas telofazy I następuje częściowa despiralizacja chromosomów, odtworzenie się jąderka i otoczki jądrowej. Między pierwszym a drugim podziałem mejotycznym może występować okres interfazy bądź też po telofazie I (a w szczególnych przypadkach w anafazie I) następuje drugi podział mejotyczny. Po pierwszym podziale mejotycznym często nie obserwuje się cytokinezy. Podział mejotyczny II przebiega identycznie z opisaną mitozą.

W trakcie mejozy następuje zmniejszenie zawartości DNA w komórce o połowę, co zapewnia organizmom rozmnażającym się płciowo stałość liczby chromosomów. Ponadto proces crossing over (prowadzący do przypadkowej rekombinacji genów) oraz losowy rozdział chromosomów do komórek potomnych umożliwia zmienność osobniczą organizmów. Czas trwania mejozy zależy od zawartości DNA, stopnia ploidalności, wielkości jąder i temperatury środowiska. W pewnych komórkach oprócz mitozy lub mejozy obserwuje się procesy nazywane endoreplikacją, endomitozą i kariokinezą bez cytokinezy. Podczas endoreplikacji komórki przechodzą fazę S (replikację DNA), ale procesowi temu nie towarzyszy podział komórkowy i rozdzielenie powielonego materiału genetycznego między komórki potomne. Natomiast w trakcie endomitozy następuje replikacja DNA i częściowa kondensacja chromosomów, jednakże brak rozdziału chromatyd do komórek potomnych powoduje, że w jądrze następuje powielenie liczby chromosomów. Endoreplikacja i endomitoza prowadzą po powstawania komórek poliploidalnych. W pewnych typach komórek po podziałach jąder komórkowych nie obserwuje się procesu cytokinezy. W wyniku tego dochodzi do powstawania komórek wielojądrowych – komórczaków.

Regulacja cyklu komórkowego

Komórki potomne powstające przez podział mogą się dzielić kolejne razy lub też, opuszczając cykl mitotyczny, wydłużać i różnicować. W cyklu komórkowym wyróżnia się punkty krytyczne (patrz rys. 1.37), odpowiadające za regulację jego przebiegu. Po zakończeniu cytokinezy komórki potomne wchodzą w fazę G_1 interfazy. Pod jej koniec każda komórka potomna może wybrać jedną z czterech możliwych dróg: podzielić się, wkroczyć w etap różnicowania, zatrzymać się w dalszym rozwoju (faza G_0) lub ulec degradacji. Po przejściu tego krytycznego etapu cyklu komórka wchodzi w fazę S i podejmuje syntezę DNA. Wspomniany punkt krytyczny, regulujący przejście od fazy G_1 do S, nosi nazwę START. Drugi punkt, w którym zachodzi kontrola przebiegu cyklu komórkowego, występuje pod koniec fazy G_2. Jego przekroczenie warunkuje wejście komórki w okres podziału.

Regulacja cyklu komórkowego polega na uruchamianiu kaskadowych reakcji fosforylacji i defosforylacji określonych białek, z udziałem odpowiednich kinaz i fosfataz. U roślin, tak jak u zwierząt, w regulacji cyklu komórkowego udział biorą cykliny oraz zależne od nich kinazy białkowe kontrolujące proces fosforylacji – kinazy serynowo/treoninowe zależne od cyklin (ang. cyclin-dependent kinase, CDK) (rys. 1.37). Cykliny to grupa białek, które podlegają ilościowym i jakościowym zmianom przy przechodzeniu komórki przez fazy G1, G2 i S. W zależności od fazy cyklu pojawiają się odpowiednie cykliny (A–H), które oddziałują ze swoimi kinazami CDK i aktywują je, co prowadzi do fosforylacji odpowiednich białek strukturalnych i regulatorowych. Cykliny typu A i B to cykliny mitotyczne (warunkujące wejście komórki w fazę podziału), a trzy inne (C, D i E) podlegają ekspresji w fazie G_1.

Rys. 1.37. Przebieg mejozy: A–E – profaza premejotyczna: A – leptoten, B – zygoten, C – pachyten, D – diploten, E – diakineza; F – metafaza; G – anafaza; H – telofaza pierwszego podziału mejotycznego; I – interkineza; K – metafaza; L – anafaza; M – późna telofaza drugiego podziału mejotycznego; N – haploidalne gamety (wg Denffer i in. 1978, zmodyfikowane)

W genomie rzodkiewnika pospolitego (Arabidipsis thaliana) zidentyfikowano obecność dwóch genów kodujących CDK oraz 30 warunkujących powstawanie różnego typu cyklin. Część z nich odpowiada cyklinom typu A (podgrupy A1–A3) i B, a 7 pozostałych (CycD1–D3) jest homologami cykliny D ssaków, której ekspresja silnie zależy od czynników mitogennych (stymulujących proliferację komórek). W zawiesinach komórkowych rzodkiewnika traktowanych cytokininami lub sacharozą obserwuje się aktywację genu kodującego CycD3, która osiąga maksimum pod koniec fazy G_1, tuż przed wkroczeniem komórek w fazę S. Podobną sytuację obserwowano w merystemach wierzchołkowych pędów, młodych zawiązkach liści, pąkach pachwinowych, prokambium i różnicujących się tkankach waskularnych. Wyniki te wskazują na udział cyklin D w regulacji morfogenezy poszczególnych organów roślin.

Ponadto na regulację cyklu komórkowego u roślin istotny wpływ mają również fitohormony (cytokininy, auksyny, gibereliny i ABA), które oddziałują na aktywnośćkinaz i fosfataz cyklu komórkowego.

Podziały komórkowe odgrywają podstawową rolę w procesie różnicowania się organów roślinnych. W wielu przypadkach podział komórki następuje bezpośrednio przed jej różnicowaniem się, w wyniku czego powstaje wyspecjalizowana komórka w znaczący sposób różniąca się od komórki siostrzanej.

1.1.2. Struktury ponadkomórkowe

1.1.2.1. Tkanki roślinne

Właściwości podziałowe przez całe życie rośliny zachowują tylko nieliczne grupy komórek. Zdecydowana większość powstających komórek potomnych zatraca właściwości podziałowe i jest skierowana na drogę wzrostu i różnicowania się. Przez wzrost komórki należy rozumieć nieodwracalne zwiększenie masy i objętości wskutek pobierania wody i gromadzenia jej wewnątrz wakuol. Różnicowanie natomiast jest następstwem uruchomienia odpowiednich wzorców genetycznych, które powodują, że komórki potomne posiadające ten sam skład genetyczny zaczynają nabierać nowych, swoistych cech różniących je (etap różnicowania) od komórek macierzystych zarówno strukturalnie, biochemicznie, jak i funkcjonalnie. Jednocześnie następuje proces polarności komórki oraz umiejscowienia jej w tkance i organie (determinacja). W konsekwencji obu tych procesów następuje jednocześnie zwiększanie się masy całego organizmu.

Zbiór wykształconych komórek współdziałających w pełnieniu określonych funkcji w organizmie nazywany jest tkanką. Może się składać z jednego rodzaju komórek, tworząc tkankę jednorodną (np. tkanka miękiszowa), lub z komórek różnych typów pod względem budowy, lecz powiązanych ze sobą funkcjonalnie jako tkanka złożona (np. tkanka przewodząca). Elementy tkanki mogą występować razem (np. tkanka okrywająca) lub być rozproszone w ciele rośliny (np. tkanka wzmacniająca). Tkanki mogą tworzyć warstwy, pokłady, pasma, pochwy, grupy i wiązki.

Tkanki roślinne można podzielić na tkanki twórcze, których komórki są zdolne do podziałów, i tkanki stałe, dojrzałe. Ogólnie można wyróżnić następujące rodzaje tkanek roślinnych:

1) twórcze (merystematyczne),

2) okrywające,

3) miękiszowe,

4) wzmacniające (mechaniczne),

5) przewodzące (waskularne)

oraz utwory wydzielnicze (włoski, miodniki, gruczoły wodne i trawienne, rury mleczne, kanały żywiczne, zbiorniki olejków).

Tkanka merystematyczna (twórcza)

Poza komórkami wchodzącymi w skład zarodków wszystkie inne, z których formują się poszczególne tkanki, powstają z merystemów, czyli tkanek twórczych (rys. 1.38). Komórki tkanki merystematycznej są otoczone cienką pierwotną ścianą komórkową, a ich wnętrze zajmuje gęsta, słabo zwakuolizowana cytoplazma z centralnie umieszczonym dużym jądrem. Tkanki merystematyczne podlegają regularnym podziałom, dając w następstwie początek tkankom stałym. Tkanki stałe zaczynają się różnicować w pewnej odległości od tkanek twórczych, co powoduje, że merystemy zwykle mają stałą objętość. Tkanki stałe to wszystkie dojrzałe komórki, w których podziały komórkowe nie zachodzą lub dochodzi do nich tylko w wyjątkowych przypadkach. Biorąc pod uwagę pochodzenie, tkanki twórcze dzielą się na pierwotne i wtórne, a uwzględniając położenie w roślinie – na wierzchołkowe i boczne (rys. 1.38).

Rys. 1.38. Kontrola cyklu komórkowego przez cykliny i kinazy zależne od cyklin (CDK). Po zakończeniu mitozy CDK występuje w nieaktywnej formie. Enzym ten ulega aktywacji w trakcie fazy G1 w wyniku przyłączenia się do niego odpowiednich cyklin. Fosforylacja powstałego kompleksu stymuluje przejście komórki do fazy S. Przed jej zakończeniem cykliny fazy G1 ulegają degradacji, a CDK defosforylacji. Umożliwia to przyłączenie się cyklin mitotycznych do CDK, jednakże fosforylacja enzymu w domenie inhibitorowej powoduje, że pozostaje on nieaktywny do końca fazy G2. Usunięcie reszty fosforanowej z domeny inhibitorowej indukuje wkroczenie komórki w fazę podziału mitotycznego. Szczegółowy opis w tekście (wg Taiz i Zeiger 1998, zmodyfikowane)

Pierwotne tkanki twórcze są bezpośrednią kontynuacją merystemu zarodkowego, oddzielone są do siebie grupami tkanek stałych. Pod względem lokalizacji tkanki twórcze dzielą się na wierzchołkowe, odpowiedzialne za wzrost wydłużeniowy (elongacyjny), oraz boczne, które dają przyrost na objętość (grubość). Zaliczamy tu merystemy: wierzchołkowe korzenia i pędu, interkalarne, archespor i kambium wiązkowe.

Merystemy wierzchołkowe korzenia i pędu (stożki wzrostu) powstają już w trakcie tworzenia się nasiona. Merystem wierzchołkowy korzenia (rys. 1.39B) jest otoczony tzw. czapeczką, zbudowaną z grupy sukcesywnie złuszczających się komórek, których zadaniem jest ochrona komórek macierzystych podczas wnikania korzenia w głąb podłoża. Powstawanie czapeczki jest wynikiem podziałów komórek merystemu w kierunku apikalnym. W kierunku bazalnym podziały komórek merystematycznych prowadzą do uformowania się grup komórek (histogenów), które są zdeterminowane co do typu i funkcji przyszłych komórek. U roślin osiowych wyróżnia się 4 histogeny: dermatogen, z którego formują się komórki warstw zewnętrznych (okrywających), peryblem, dający początek tkankom kory pierwotnej, oraz plerom, z którego powstają komórki tkanek położonych centralnie (walec osiowy z wiązkami przewodzącymi). U niektórych jednoliściennych (Pistia lub żabiściek) występuje oddzielny histogen – kaliptrogen, przekształcający się w komórki czapeczki.

Stożek wzrostu pędu (merystem wierzchołkowy pędu) zlokalizowany na szczycie łodyg ma kształt kopuły i jest ochraniany przez młode (brzoza, kapusta) lub łuskowate liście okrywające (kasztanowiec, buk) (rys. 1.39A). Szczytową część merystemu do zawiązków najmłodszych liści zajmuje pramerystem (protomerystem), obejmujący zarówno komórki inicjalne, jak i niezróżnicowane komórki potomne. Pramerystem cechuje zróżnicowanie histologiczne. Zewnętrza część, zwana tuniką, to regularnie ułożone komórki inicjalne w kilku warstwach (2–4), warunkujące wzrost powierzchniowy stożka przez podziały w płaszczyźnie prostopadłej do powierzchni (antyklinalne). Opłaszczają one obszar nieregularnie ułożonych komórek centralnych stanowiących korpus. Komórki korpusu ulegają zarówno podziałom anty-, jak i peryklinalnym, co powoduje wzrost objętościowy. Komórki o pewnym stopniu zróżnicowania leżące pod pramerystemem tworzą merystem pierwotny, w którym zaczynają się wyodrębniać rejony dające początek epidermie (praskórce), tkankom kory pierwotnej (pramiękiszowi) oraz miękiszowi rdzeniowemu i prokambium, z których różnicują się elementy tkanki przewodzącej.

Rys. 1.39. Schemat położenia merystemów w roślinach osiowych

U drzew szpilkowych (nagozalążkowych) występuje grupa komórek inicjalnych, które znajdują się na szczycie protomerystemu. Nie można w nim wyodrębnić komórek korpusu

i tuniki, jednak istnieje zróżnicowanie cytohistologiczne, które pozwala na wyróżnienie dystalnej strefy osiowej i powstającej z niej proksymalnej (wewnętrznej) strefy osiowej oraz strefy peryferycznej. W skład strefy dystalnej wchodzą komórki inicjalne i ich najbliższe pochodne, a najaktywniejsza strefa peryferyczna daje początek wszystkim tkankom.

Przyrost na długość i budowa pierwotna łodygi są wynikiem działalności merystemu wierzchołkowego pędu (rys. 1.39). Wszystkie elementy wegetatywne, jak i generatywne pędu biorą z niego początek. Rośliny jednoliścienne, a w szczególności jednoroczne rośliny zielne, mają na rozwój osobniczy bardzo krótki okres w ciągu roku. By szybko wytworzyć łodygę i kwiatostan, posiadają dodatkowy merystem, nazywany merystemem interkalarnym (wstawowym). Znajdujące się między tkankami stałymi, u podstawy międzywęźli oraz poduszek liściowych komórki twórcze (rys. 1.39B) powodują wydłużanie się międzywęźli i liści, przyspieszając wzrost rośliny. Merystem wstawowy jest częścią merystemu wierzchołkowego pędu i wraz z nim przyczynia się do szybkiego wzrostu wydłużeniowego. Jego aktywność maleje wraz z wiekiem rośliny. Merystemy wstawowe występują też w niektórych częściach roślin dwuliściennych (np. ogonkach liściowych, szypułkach kwiatowych).

Wzrost wegetatywny pędu kończy się wytworzeniem kwiatu (patrz niżej). Proces ten rozpoczyna przemiana merystemu wegetatywnego w generatywny. Prowadzi to w konsekwencji do wytworzenia tkanki zarodnionośnej (arechesporialnej). W wyniku jej podziałów powstają haploidalne mikro- (ziarna pyłku) i makrospory (rodnia lub woreczek zalążkowy).

Rys. 1.40. Przekrój podłużny stożka wzrostu pędu (A) oraz korzenia (B): 1 – merystem wierzchołkowy, 2 – czapeczka, a – plerom, b – peryblem, c – dermatogen

Do merystemów pierwotnych zalicza się również kambium wiązkowe, które występuje bocznie w wiązkach łykodrzewnych między drewnem i łykiem (rys. 1.40A). W wyniku ich podziałów powstają wtórne elementy tkanki przewodzącej. Peryklinalne podziały kambium prowadzą do powstania komórek potomnych, z których różnicują się komórki drewna (do wewnątrz) lub łyka (na zewnątrz). Podziały antyklinalne prowadzą do powstania komórek potomnych różnicujących się w komórki miękiszowe (promień rdzeniowy), jednocześnie powiększając obwód kambium (patrz rys. 1.47).

U roślin dwuliściennych i nagozalążkowych w strefie tkanek stałych następuje proces zwiększania obwodu rośliny – przyrost na grubość (przyrost wtórny). Przyrost wtórny jest wynikiem działania merystemów wtórnych. Merystemy wtórne to tkanki stałe, które wtórnie (w sposób odwracalny) uzyskały zdolność podziałową. Są rozmieszczone jako pokłady lub pasma równoległe do powierzchni organu, stąd określane są jako merystemy boczne. Do merystemów wtórnych należą kambium międzyzwiązkowe, felogen, kalus, merystemoid epidermalny.

Przyrost na grubość jest głównie wynikiem działalności kambium międzywiązkowego oraz felogenu. Kambium międzywiązkowe różnicuje się z komórek miękiszowych promieni rdzeniowych, leżących między wiązkami łykodrzewnymi (rys. 1.41AB1). Jego działalność, podobnie jak kambium wiązkowego, ogranicza się do produkcji drewna i łyka wtórnego wiązek przewodzących. W starszych częściach organów oba merystemy łączą się, tworząc jednolity cylinder kambium (rys. 1.41AB2–3). Felogen pojawia się w momencie zaprzestania wzrostu komórek pierwotnej tkanki okrywającej. Wyróżnicowuje się głównie z komórek epidermy i komórek miękiszowych kory (rys. 1.41AB2). Jego działalność prowadzi do powstania wtórnej tkanki okrywającej – perydermy (rys. 1.41AB3).

Rys. 1.41. Budowa pierwotna i kształtowanie się wtórnej budowy pędu (A) i korzenia (B): 1 – budowa pierwotna, 2–3 – fazy tworzenia się budowy wtórnej

U roślin jednoliściennych wiązki mają charakter zamknięty (brak kambium między drewnem a łykiem), co powoduje, że przyrost na grubość nie występuje. Jednakże u niektórych wieloletnich roślin jednoliściennych, głównie o charakterze drzewiastym z rodziny agawowych (agawa, juka) czy dracenowatych (dracena), ale również u bylin z rodziny kosaćcowatych (irys) czy imbirowatych (imbir), występuje przyrost wtórny na grubość, będący wynikiem działania kambium anomalnego. Ten wtórny merystem znacznie różni się od typowego kambium spotykanego u drzew nagozalążkowych i dwuliściennych, chociaż

pochodzi również częściowo z merystemu pierwotnego, a częściowo z komórek miękiszowych, ale występuje w postaci pierścienia na zewnątrz pierwotnych wiązek przewodzących. Kambium to jednak, dzieląc się peryklinalnie, odkłada na zewnątrz komórki miękiszowe, a do środka komórki potomne, dające początek wiązkom przewodzącym oraz tkance miękiszowej (koniunktywnej). Każda wiązka powstaje z pojedynczej komórki potomnej kambium, która ulega wielokrotnym podziałom peryklinalnym, antyklinalnymi i skośnym, a powstające komórki dają początek komórkom łyka i drewna w układzie koncentrycznym (leptocentrycznym) lub kolateralnym.

Merystemoidy epidermalne są komórkami lub grupami komórek, których podziały prowadzą do powstania aparatów szparkowych i włosków. Odznaczają się zdolnością do pobudzania podziałów wśród komórek, które znajdują się w ich sąsiedztwie. Kalus natomiast jest tkanką wytwarzającą się w miejscu zranienia rośliny (tkanką przyranną). To tkanka o charakterze komórek miękiszowych. Odróżnicowuje się z żywych komórek przylegających do uszkodzonego miejsca. Powstające komórki uzyskują zdolność do podziału, a dzieląc się, wytwarzają nowe komórki, które zasklepiają miejsce uszkodzenia i prowadzą do regeneracji uszkodzonych obszarów. Kalus odgrywa także ważną rolę w procesach organogenezy.

Przeważającą masę ciała rośliny stanowią komórki stałe powstałe z komórek merystematycznych. Najbardziej rozpowszechnionym typem tkanki jest parenchyma (miękisz). Komórki miękiszowe stanowią podstawową masę wszystkich organów wegetatywnych. Tworzą tkanki jednorodne lub wchodzą w skład tkanek złożonych. Otoczone są cienką, zazwyczaj pierwotną ścianą komórkową. Ich wnętrze zajmuje wakuola centralna, a pozostałe organelle (włącznie z jądrem) są zepchnięte do cienkiej warstwy cytoplazmy leżącej między tonoplastem a plazmolemą.

Tkanka okrywająca

Tkanki okrywające otaczają wszystkie organy roślinne, chroniąc wnętrze rośliny przed ingerencją czynników zewnętrznych oraz regulują wymianę materii między rośliną a jej otoczeniem.

Do tkanek pierwotnych należą epiderma, pokrywająca organy nadziemne, i ryzoderma (epiblema) znajdująca się na korzeniu. Wtórną tkankę okrywającą jest peryderma. Mimo że epiderma i ryzoderma są tkankami granicznymi między środowiskiem zewnętrznym a wnętrzem rośliny, operowanie w dwóch odmiennych środowiskach powoduje, że obie te tkanki różnią się wyraźnie pod względem morfologicznym i funkcjonalnym.

Epiderma

Tkanką okrywającą części nadziemnych rośliny jest epiderma. U roślin lądowych pobieranie wystarczającej ilości wody z podłoża, a w szczególności zapobieganie jej nadmiernej transpiracji (utracie), jest bardzo ważnym problemem. Ponieważ powietrze jest głównym czynnikiem „wysuszającym” komórkę, w budowie epidermy jest szereg cech ograniczających utratę wody. Epiderma stanowi najczęściej jedną warstwę żywych cienkościennych komórek, które ściśle do siebie przylegają i zwykle są pozbawione chloroplastów. Zewnętrzne ściany komórkowe są grubsze, adkrustowane kutyną i woskiem.

Elementem charakterystycznym epidermy są komórki szparkowe, odpowiedzialne za sprawną, kontrolowaną wymianę gazową między środowiskiem wewnętrznym rośliny a atmosferą (rys. 1.42). Są to dwie komórki (zamykające) o szczególnej budowie, różnej od pozostałych komórek epidermy, które otaczają szczelinę będącą przestworem międzykomórkowym typu schizogenowego, zwanym szparką (porus). Posiadają charakterystyczny nerkowaty kształt, chloroplasty i zróżnicowaną grubość ścian komórkowych (grubsze w miejscu kontaktu ze szparką), które umożliwiają im zmianę kształtu przy zmianach turgoru. Turgor jest głównym zjawiskiem wpływającym na mechanizm otwierania i zamykania szparki. Wzrost turgoru skutkuje otwieraniem się szparek, a obniżenie turgoru zamykaniem. Z komórkami szparkowymi mogą ściśle współpracować sąsiednie komórki, tzw. komórki przyszparkowe, które różnią się budową od komórek szparkowych, ale często mają to samo pochodzenie. Komórki szparkowe wraz z komórkami przyszparkowymi tworzą aparat szparkowy. Pod szparką znajduje się duży przestwór tworzący komorę powietrzną, stanowiący przedsionek układu wentylacyjnego.

Rys. 1.42. Schemat budowy aparatu szparkowego rośliny dwuliściennej

Dodatkowymi wytworami epidermy są włoski i kolce. Włoski mogą być zarówno jedno-, jak i wielokomórkowe, proste lub rozgałęzione, o rozmaitych kształtach, żywe lub martwe. Ich budowa i rozmieszczenie odzwierciedlają funkcję włosków.

Włoski o martwych komórkach głównie chronią roślinę przed nadmierną transpiracją, często tworząc gęstą powierzchnię zwaną kutnerem, podczas gdy włoski żywe przeprowadzają procesy metaboliczne. Specjalną kategorię stanowią włoski wydzielnicze, produkujące najczęściej olejki eteryczne, substancje parzące czy nektar. Kolce natomiast to ostro zakończone, sztywne i twarde twory pełniące funkcję zabezpieczającą przez roślinożercami.

Ryzoderma

Ryzoderma (epiblema) okrywa korzeń i jest tkanką odpowiedzialną za pobieranie wody i soli mineralnych. Stąd jej komórki ściśle do siebie przylegają i posiadają cienką, niezmodyfikowaną ścianę komórkową, ułatwiającą łatwy transport wody do wnętrza rośliny. Komórki ryzodermy są pozbawione chloroplastów i nie mają żadnych przestworów międzykomórkowych. Miejscem intensywnego pobierania wody jest tzw. strefa włośnikowa, składająca się z komórek ryzodermy posiadających cienkie, poprzeczne włośniki (trichoblasty), które w znaczący sposób zwiększają powierzchnię chłonną korzenia (rys. 1.43).

Rys. 1.43. Struktura ryzodermy

Peryderma

W miarę rozwoju korzenia i pędu u roślin wieloletnich pierwotna tkanka okrywająca zastępowana jest przez perydermę. Jest to tkanka wtórna powstająca w wyniku działania felogenu. W wyniku peryklinalnych podziałów felogenu powstają zewnętrznie komórki korka (felemu) oraz dośrodkowo komórki miękiszu korkowego (felodermy) (rys. 1.44). Felem składa się z wypełnionych powietrzem martwych komórek, ściśle przylegających, o cienkich, elastycznych ścianach adkrustowanych suberyną. Korek jest więc tkanką nieprzepuszczalną dla wody i powietrza, w dobry sposób zabezpieczającą tkanki położone głębiej. Jest również barierą chroniącą przed uszkodzeniami i patogenami. Ponadto jest warstwą termoizolacyjną w okresach zimowych i letnich. Wymianę gazową zapewniają przetchlinki, luźno ułożone parenchymatyczne komórki między komórkami korka, zwane komórkami wypełniającymi.

U większości roślin pierwotny pierścień felogenu wcześnie zamiera, a jego funkcję przejmują nowe, kolejne warstwy felogenu, wyróżnicowujące się w głębiej położonych tkankach, głównie łyka wtórnego. Ostatecznie prowadzi to do stopniowego odcinania i izolacji komórek łyka, a w konsekwencji ich zamierania. Powstaje w ten sposób obszar określany martwicą korkową. Martwica korkowa na skutek rozrastania się pnia ulega rozciąganiu i pęka, tworząc charakterystyczne bruzdy. Grubość korka jest zmienna i zależy od gatunku (do 4–5 cm). U niektórych roślin pierwotny pierścień floemu utrzymuje się przez wiele lat, powiększając obwód dzięki podziałom antyklinalnym. Zewnętrzne martwe komórki odpadają wkrótce po wytworzeniu, utrzymując w ten sposób gładką powierzchnię.

Rys. 1.44. Przekrój poprzeczny przez perydermę

Tkanka miękiszowa

Tkanka miękiszowa w roślinie spełnia różne funkcje. W formie podstawowej (miękisz zasadniczy – koniunktywny) spaja inne tkanki, wypełniając wolne przestrzenie w organach (rys. 1.45B). Nadaje barwę kwiatom i liściom, gromadząc barwniki, oraz stanowi miejsce składowania produktów wtórnej przemiany materii. Funkcją miękiszu spichrzowego jest magazynowanie materiałów zapasowych. Występuje w organach spichrzowych roślin, np. w owocach, kłączach, bulwach, nasionach czy korzeniach. U roślin kserofitycznych, takich jak kaktusy, agawy czy aloesy, występuje miękisz wodny, gromadzący w wakuolach wodę i śluzy. Komórki miękiszu asymilacyjnego, które występują w organach uczestniczących w procesach fotosyntezy (liście, zewnętrzne warstwy kory pierwotnej pędów), zawierają liczne chloroplasty (rys. 1.45A). Ten rodzaj miękiszu wykazuje różny stopień organizacji morfologicznej. Może być niezróżnicowany (rośliny jednoliścienne i nagozalążkowe) bądź zróżnicowany na palisadowy oraz gąbczasty. Miękisz palisadowy to komórki wydłużone z małymi przestworami międzykomórkowymi. Z kolei komórki miękiszu gąbczastego są izodiametryczne, z dużymi przestrzeniami między komórkami. Miękisz wydzielniczy zaś produkuje, gromadzi i wydziela wtórne produkty przemiany materii (garbniki, olejki eteryczne, alkaloidy, żywice). Są to pojedyncze komórki lub zespoły komórek z gęstą cytoplazmą, dużym jądrem oraz dobrze rozwiniętym systemem błon wewnętrznych, przede wszystkim ER i aparatu Golgiego. Budują kanały żywiczne u nagozalążkowych, kanały mleczne u makowatych czy włoski wydzielnicze u roślin mięsożernych.

Charakterystyczną cechą wszystkich tkanek miękiszowych są znajdujące się między komórkami różnej wielkości wolne przestrzenie (przestwory międzykomórkowe) wypełnione powietrzem, pełniące ważną funkcję w wymianie gazowej (rys. 1.45). Najczęściej występujące niewielkie przestwory (typ schizogenowy) tworzą się w wyniku rozklejenia blaszki środkowej w miejscu styku komórek, czego następstwem jest odsunięcie ich od siebie. Przestwory większe (typ lizygenowy) powstają w wyniku degradacji jednej lub kilku komórek. Występują m.in. w owocach cytrusowych, stanowiąc zbiornik olejków eterycznych. Największe przestwory (typ reksygenowy) powstają w wyniku rozerwania całych partii komórek/tkanek na skutek nierównomiernego wzrostu tkanek położonych w zewnętrznych i wewnętrznych partiach organów. Przestwory tego typu występują w centralnej części łodygi niektórych roślin jednoliściennych (np. pszenicy) czy w wiązkach łykodrzewnych w miejscu położenia pierwotnych naczyń (patrz rys. 1.47). Szczególnie duże przestwory, które tworzą system kanałów powietrznych, występują u roślin wodnych i zalewowych (jak pałka wodna, grążel żółty). Tworzą one miękisz powietrzny (aerenchyma) (rys. 1.45C), posiadający silnie rozwinięty system przestworów międzykomórkowych, które stanowią rezerwuar powietrza dla procesów metabolicznych oraz poduszkę zabezpieczającą przed zatonięciem.

Rys. 1.45. Tkanki miękiszowe: A – miękisz asymilacyjny, B – miękisz zasadniczy, C – miękisz powietrzny

Tkanka wzmacniająca (mechaniczna)

Pojawienie się tkanek mechanicznych było kluczową innowacją ewolucyjną roślin lądowych i warunkiem pojawienia się roślin drzewiastych. Tkanki wzmacniające nadały sztywność łodydze, co pozwoliło roślinom nie tylko osiągnąć wielkie rozmiary, lecz także zmienić architekturę pędu i tworzyć liczne odgałęzienia.

Tkanka wzmacniająca (mechaniczna) jest tkanką niejednorodną, na którą składają się kolenchyma i sklerenchyma, tworzące sterom. Chociaż wykazują daleko idące różnice w budowie, spełniają tę samą funkcję. Wspólną cechą są zgrubiałe ściany ich komórek, co powoduje, że organy, w których występuje tkanka wzmacniająca, charakteryzują się sztywnością i elastycznością. Obie frakcje tkanki występują razem w roślinie, ale pojawiają się w innym etapie rozwoju i w różnych miejscach w organie. Takie zachowanie jest odzwierciedleniem ich budowy.

Kolenchyma (zwarcica) w porównaniu ze sklerenchymą jest wysoce dynamiczna. Umożliwia jej to obecność pierwotnej ściany komórkowej, która wykazuje plastyczność i zdolność do deformacji przez ciśnienie turgorowe lub naprężenia komórki i zachowanie nowego kształtu, nawet gdy warunki ustąpią. Stąd kolenchyma jest główną tkanką wzmacniającą rosnących części rośliny, które są poddawane intensywnemu wydłużaniu przez turgor, wspierając ich wzrost. Występuje w peryferycznych częściach młodych pędów, ogonkach liściowych czy dużych nerwach liściowych.

Kolenchyma nabiera zdolności mechanicznych na skutek zagęszczenia i grubienia ścian komórkowych. Materiał budujący ścianę nie jest jednak rozmieszczony regularnie, co powoduje, że zgrubiałe ściany występują w określonych miejscach. W zależności od lokalizacji zgrubień ściany komórkowej wyróżnia się kolenchymę kątową, w której zgrubienia występują na styku kilku komórek (np. w ogonkach liściowych morwy); kolenchymę płatową, ze zgrubiałymi peryklinalnymi ścianami stycznymi; kolenchymę lukową, w której zgrubiałe są ściany otaczające przestwór międzykomórkowy, np. u lepiężnika, oraz kolenchymę włóknistą – ze ścianami równomiernie zgrubiałymi, np. w ogonkach liściowych klonu, lipy i magnolii (rys. 1.46A–C).

Podobnie jak otaczające je komórki kolenchyma ma żywy protoplast, niezbędny do kontrolowania stanu hydratacji oraz grubienia ściany komórkowej.

W roślinie kolenchyma występuje w formie pasm lub pokładów komórek, w zewnętrznych partiach organów. Rzadko zawiera chloroplasty i jest zdolna do wzrostu wydłużeniowego. W starszych organach kolenchyma podlega różnicowaniu w felogen lub usztywnia się, ulegając sklerifikacji przez lignifikację.

Sklerenchyma (twardzica) zbudowana jest z komórek o silnie zgrubiałych ścianach wtórnych, których drewnienie doprowadza prawie zawsze do zaniku protoplastu. Takie ściany tracą plastyczność, ale zyskują elastyczność, co przekłada się na odporność na rozciąganie, ściskanie, zginanie, złamanie i skręcanie. Stąd występują w częściach roślin wyrośniętych, gdzie komórki zakończyły wzrost i osiągnęły właściwy kształt i rozmiar. Sklerenchyma występuje w postaci włókien i komórek kamiennych. Włókna (stereidy) (rys. 1.46D) to silnie wydłużone wrzecionowate komórki o małym świetle i grubych, zdrewniałych ścianach. Występują w postaci warstw leżących pod epidermą (hipoderma sklerenchymatyczna w łodygach roślin jednoliściennych), pochw (włókna drzewne i łykowe wiązek przewodzących) czy pasm zanurzonych w parenchymie. Funkcje wzmacniające i ochronne spełniają również izodiametryczne, o polimorficznych kształtach komórki kamienne (sklereidy) (rys. 1.46E). Komórki kamienne (sklereidy) mają grubą, zdrewniałą, często ulegającą suberynizacji i mineralizacji ścianę wtórną z jamkami prostymi. Mogą występować pojedynczo (idioblasty), w skupieniach lub tworzyć warstwy, np. w perydermie jako warstwa korka kamiennego czy łupinach pestek lub nasion.

Rys. 1.46. Tkanki wzmacniające: kolenchyma (A – kątowa, B – płatowa, C – lukowa) oraz sklerenchyma (D – włókna, E – komórki kamienne)

Tkanki przewodzące (waskularne)

Wyjście roślin na ląd nie uniezależniło roślin od wody – wciąż stanowi ona podstawowy związek chemiczny niezbędny do życia. Lądowy tryb życia wymusił jednak wykształcenie sprawnego systemu pobierania i transportu wody do wszystkich części roślin. Przejście na autotroficzny system odżywiania wymagał również wykształcenia dróg transportu asymilatów. Rośliny wytworzyły więc swoistą tkankę – tkankę przewodzącą, odpowiedzialną za transport. Tkanka przewodząca jest tkanką niejednorodną, składającą się z łyka (floem) oraz drewna (ksylem), które występują wspólnie w postaci wiązek łykodrzewnych (rys. 1.47). U roślin jednorocznych (np. traw) i zielnych powstanie tkanki przewodzącej jest wynikiem wzrostu pierwotnego (rys. 1.47A). U roślin wieloletnich (szczególnie drzew) nowe drewno i łyko produkowane są corocznie w następstwie podziałów kambium (rys. 1.47B), głównie w łodydze i korzeniu. Dochodzi w ten sposób do zwiększania obwodu i drewnienia tkanek położonych w centrum (patrz rys. 1.40), co wzmacnia organy roślin osiowych.

Drewno

Drewno (ksylem) jest podstawową tkanką przewodzącą wodę i sole mineralne z korzenia do organów nadziemnych. Zasadniczą część tej tkanki tworzą wydłużone martwe komórki o silnie zdrewniałych ścianach – naczynia (u roślin okrytozalążkowych) i cewki (u roślin nago- i okrytozalążkowych), stanowiące elementy przewodzące. Cewki (rys. 1.47D) to przylegające do siebie silnie wydłużone komórki o zaostrzonych końcach. Transport wody przez cewki odbywa się przez licznie rozsiane na ścianach podłużnych jamki lejkowate. Naczynia natomiast to komórki mające częściowo bądź całkowicie zredukowane ściany poprzeczne (człony rur naczyniowych) (rys. 1.47E). Człony ułożone szeregowo, jeden na drugim, tworzą swoistego rodzaju rury ciągnące się przez całą roślinę. Człon rur naczyniowych, podobnie jak każda komórka, bezpośrednio po podziale strukturalnie przypomina młodą komórkę miękiszową. W miarę oddalania się od strefy podziałowej w naczyniach zachodzą wyraźne zmiany morfologiczne w kierunku pełnienia funkcji przewodzenia. Już w strefie wzrostu w charakterystyczny sposób zaczyna się odkładać ściana wtórna, tworząc wewnętrzne pierścienie czy spirale. W starszych partiach tkanek stałych ściana pokrywa całą powierzchnię komórki z wyjątkiem jamek. Proces ten zachodzi stopniowo. W zależności od gatunku i położenia wewnątrz drewna wyróżnia się 5 typów naczyń: pierścieniowe i spiralne (tzw. protoksylem – drewno młodsze) (rys. 1.47H–J) oraz drabinkowe, siatkowate i jamkowate (tzw. metaksylem – drewno starsze) (rys. 1.47K i L). Wraz z wytworzeniem ściany protoplast zamiera, komórki sztywnieją, tworząc „rurę”, która bez przeszkód przewodzi wodę.

W skład drewna wchodzą także włókna drzewne (sklerenchymatyczne) (rys. 1.47 A–C), pełniące funkcje wzmacniające, oraz miękisz drzewny, budujący głównie promienie rdzeniowe, kanały wydzielnicze oraz pełniący funkcje magazynujące i wypełniające (rys. 1.47A i B).

Rys. 1.47. Tkanki przewodzące

Łyko

Łyko (floem) jest odpowiedzialne za przewodzenie asymilatów, głównie z liści do innych organów. Zbudowane jest z kilku typów komórek, z których podstawowe to rurki sitowe (rys. 1.47F) i komórki sitowe (rys. 1.47G), odpowiedzialne za transport. Uzupełnienie stanowią komórki przyrurkowe (rys. 1.47F), miękisz łykowy i włókna łykowe. Z wyjątkiem włókien wszystkie pozostałe typy komórek mają żywy protoplast o różnym stopniu degradacji. Analogicznie do drewna komórki i rury sitowe ułożone są w ciągi. Kontaktują się ze sobą przez liczne pory zebrane w grupy (pola i płytki sitowe), przez które przechodzą połączenia plazmatyczne (plazmodesmy) łączące ze sobą protoplasty poszczególnych komórek. Komórki sitowe, będące podstawowym elementem przewodzącym u roślin nagozalążkowych, charakteryzują się brakiem jąder, chloroplastów i innych struktur, a sita rozmieszczone są nieregularnie na wszystkich ścianach. Zdegenerowany protoplast mają także komórki (człony rur sitowych) budujące rury sitowe. Przepływ cytoplazmy odbywa się głównie przez duże pory w ścianach poprzecznych. Mniejsze sita na ścianach podłużnych służą do kontaktu z komórkami towarzyszącymi (przyrurkowymi). Są to jedyne elementy posiadające w pełni funkcjonalny protoplast. Obecność jądra powoduje, że mogą one podlegać jeszcze dalszym podziałom, co powoduje asymetryczne ich rozmieszczenie względem członów rur sitowych. Komórki przyrurkowe współdziałają w przewodzeniu asymilatów, kierując metabolizmem rurek sitowych.

Miękisz łykowy, występujący w postaci pasm wśród innych elementów łyka, spełnia funkcję spichrzową i wspomaga transport poziomy, a włókna łykowe, charakterystyczny element łyka roślin okrytonasiennych – funkcję wzmacniającą (rys. 1.47A i B).

Podobnie jak w ksylemie pod względem histologicznym wyróżniamy protofloem i metafloem.

Żywotność komórek tkanki przewodzącej

Elementy sitowe u drzew funkcjonują zwykle kilka miesięcy, po czym obumierają, a ich funkcję przejmują nowe elementy. Z kolei komórki miękiszowe i włókna są elementami trwalszymi czasowo, przy czym niekiedy włókna danego pokładu floemu dojrzewają dopiero, gdy inne elementy sitowe zakończyły już działalność. W następstwie takiej budowy we floemie można wyróżnić dwie warstwy: przewodzącą i nieprzewodzącą. Sytuację analogiczną obserwuje się w przypadku cewek i naczyń drewna (rys. 1.48). Młode, zewnętrznie leżące partie drewna w pniach roślin drzewiastych spełniają funkcje przewodzącą (tzw. biel), podczas gdy starsze, centralnie położone pokłady, tylko wzmacniającą (tzw. twardziel). Taki stan jest wynikiem zatykania światła naczyń czy cewek przez wnikające komórki miękiszowe – wcistki. Wcistki często zawierają liczne polifenole, nadając drewnu barwę, odporność na wilgoć i niepożądane działanie mikroorganizmów.

Rys. 1.48. Budowa wtórna łodygi

Drewno i łyko występują zawsze razem, tworząc wiązki przewodzące (rys. 1.49). W każdej wiązce przewodzącej istnieje charakterystyczny topograficzny układ drewna i łyka względem siebie, który jest podstawą podziału wiązek. Wiązki koncentryczne (hardo- i leptocentryczne) mają centryczny układ elementów przewodzących. Wiązki o układzie naprzeciwległym są kolateralne i bikolateralne. Jeżeli pasma drewna i łyka rozdziela kambium, wiązki dzielimy na otwarte (z kambium) i zamknięte. W wiązkach promienistych, charakterystycznych dla korzeni wszystkich roślin osiowych, układ jest naprzemienny. Pozostałe typy wiązek występują w pędzie i liściach.

Rys. 1.49. Typy wiązek przewodzących

1.1.2.2. Organy roślinne

Proces tworzenia się organów zaczyna się już w rozwijającym się zarodku. W następstwie niezróżnicowanych podziałów komórek merystemów zarodkowych następuje wzrost liczby komórek i zwiększenie masy rośliny. Rozpoczyna się proces kształtowania się organizmu roślinnego (morfogeneza rośliny). Przy współudziale bodźców wewnętrznych i zewnętrznych dochodzi do realizacji zapisanego w genach procesu morfogenetycznego. Tkanki łączą się ze sobą, tworząc struktury wyższego rzędu – organy.

Roślina wytwarza dwa rodzaje organów: wegetatywne i generatywne. Korzenie, łodygi i liście to organy wegetatywne, stanowiące podstawę struktury rośliny. Organy generatywne są strukturami tymczasowymi, ułatwiającymi roślinie rozmnażanie bezpłciowe lub płciowe. Organy generatywne, kwiaty, owoce i nasiona, są osadzone na łodydze, która wraz z liśćmi tworzy pęd.

Korzeń

Organem podziemnym rośliny jest korzeń, którego podstawowymi funkcjami są umocowanie rośliny w podłożu oraz pobieranie i transport wody z solami mineralnymi. U niektórych gatunków roślin korzeń jest organem spichrzowym (np. marchwi, pietruszki czy buraka cukrowego). Ponadto korzenie są miejscem oddziaływań symbiotycznych między roślinami a grzybami i bakteriami glebowymi.

Korzenie roślin naczyniowych mają charakterystyczne strefy, w których komórki są w różnym stanie wzrostu i różnicowania (rys. 1.50A). Na szczycie wierzchołek korzenia okrywa czapeczka, chroniąca merystem, będący strefą podziałową. Powyżej merystemu znajduje się strefa wzrostu wydłużeniowego oraz strefa różnicowania zawierająca strefę włośnikową. W strefie różnicowania komórki osiągają ostateczny kształt i formę. Ostatnią strefą jest strefa wyrośnięta, która wytwarza korzenie boczne. Strefy korzeni bocznych i różnicowania się komórek są obszarami tworzenia pierwotnej budowy korzenia. W wyrośniętej strefie korzenia pojawia się w pewnym czasie kambium i felogen, które powodują wtórny przyrost na grubość i kształtowanie się wtórnej budowy korzenia.

Łodyga

Łodyga jest częścią nadziemną i razem z korzeniem stanowi główną oś rośliny. Pośredniczy w przewodzeniu substancji odżywczych i wody między korzeniem a organami bocznymi. U niektórych gatunków (agawa, aloes) w wyniku modyfikacji pełni funkcję spichrzową i asymilacyjną. Podobnie jak w korzeniu powstające w wyniku działalności merystemu wierzchołkowego łodygi komórki ulegają różnicowaniu, tworząc najpierw pierwotną, a potem wtórną budowę anatomiczną łodygi. Łodyga jest rusztowaniem rośliny, a w części wyrośniętej miejscem wytwarzania i osadzenia organów asymilacyjnych (liście) i rozmnażania generatywnego (kwiaty).

Liście i organy boczne są osadzone na łodydze w regularnych odstępach. Krótkie zgrubiałe miejsca, w których są osadzone, noszą nazwę węzłów. Długie, oddzielające odcinki łodygi to międzywęźla (rys. 1.50B), których liczba i długość determinuje wysokość rośliny.

Rys. 1.50. Schemat budowy morfologicznej korzenia (A) i pędu (B)

Z merystemów bocznych umieszczonych w pachwinach liści powstają liczne odgałęzienia boczne, które zwiększają masę i określają pokrój rośliny.

Szczególny typ łodygi mają drzewa. Jest ona zróżnicowana na pień, czyli wznoszącą się ku górze oś główną, oraz koronę, którą budują odgałęzienia powstające na skutek rozgałęziania się pnia. Pień odgrywa zarówno rolę mechaniczną, jest również odpowiedzialny za pewne procesy fizjologiczne. Jest głównym rusztowaniem rośliny, pośredniczy w przewodzeniu substancji między korzeniami a liśćmi, na nim wytwarzane są organy asymilacyjne (liście) i organy rozmnażania generatywnego (kwiaty). W elementach budujących pień gromadzone są także substancje odżywcze w okresie spoczynkowym, niezbędne do zawiązywania pąków liściowych i kwiatowych. W większości przypadków drzewo tworzy jeden pień, lecz niekiedy dochodzi do tworzenia ich większej ilości, co jest następstwem uszkodzenia merystemu wierzchołkowego pędu.

Liść

Liście są organami o ograniczonym wzroście, powstającymi bocznie w wyniku działalności merystemów wierzchołkowych pędu. Morfologicznie liść to spłaszczony grzbieto-brzusznie organ o stosunkowo dużej powierzchni i różnorodnych kształtach, przystosowany morfologicznie i anatomicznie do przeprowadzania procesu fotosyntezy, transpiracji i wymiany gazowej. Funkcja liścia jest odzwierciedleniem jego specyficznej budowy. Od zewnątrz liść pokrywa epiderma z aparatami szparkowymi odpowiedzialnymi za wymianę gazową i regulację transpiracji, a wnętrze jest wypełnione głównie przez miękisz zieleniowy (asymilacyjny), w którym zachodzi proces fotosyntezy, i przestrzenie międzykomórkowe ułatwiające wymianę gazową, co ma podstawowe znaczenie w procesach fotosyntezy, oddychania i transpiracji (patrz rys. 1.45). Docierające do miękiszu wiązki przewodzące transportują asymilaty i dostarczają wodę. U roślin kserofitycznych liście ponadto spełniają funkcję magazynującą bądź ulegają redukcji do cierni, zatracając podstawowe funkcje. Natomiast u roślin siedlisk ubogich w pierwiastki mineralne (oligotroficznych, dystroficznych, bezwapiennych i kwaśnych), tzw. roślin mięsożernych (rosiczki, muchołówki czy pływaczy), liście asymilacyjne tworzą wyspecjalizowane liście pułapkowe, którymi wabią, łapią i trawią schwytaną ofiarę, uzyskując w ten sposób dostęp do potrzebnych składników odżywczych, głównie azotanów i fosforanów, których nie ma na ubogich glebach.

Liście, podobnie jak pozostałe organy boczne, u wielu roślin są strukturami sezonowymi. W okresie jesienno-zimowym następuje starzenie się liści, ich obumieranie i odpadanie.

Kwiat

Kwiat jest organem służącym do rozmnażania generatywnego. Kwiaty powstają w wyniku przekształcenia wierzchołków wegetatywnych (liściowych) pędu głównego lub pędów bocznych w wierzchołki generatywne (kwiatowe). W wyniku wielu reakcji następuje zahamowanie wzrostu elongacyjnego pędu i wytworzenie elementów kwiatu: działek kielicha, płatków korony, stanowiących elementy płonne, oraz pręcików (pręcikowie) i owocolistków zrośniętych w słupek (słupkowie), będących częścią generatywną kwiatu roślin okrytozalążkowych (rys. 1.51). Wszystkie elementy osadzone są na dnie kwiatowym powstałym z osi kwiatowej. Działki kielicha i płatki korony występują w kwiatach roślin owadopylnych i tworzą okrywę kwiatową (okwiat), będącą elementem powabni oraz ochrony struktur generatywnych. U roślin wiatropylnych okwiat utrudnia rozsiewanie, stąd kwiat ogranicza się wyłącznie do elementów generatywnych. W pręcikach i słupkach wytwarzają się komórki rozrodcze (plemniki, komórki jajowe), które po zapłodnieniu tworzą zygotę; z niej rozwija się zarodek nowej rośliny umieszczony wewnątrz nasiona (patrz rozdz. 5.5).

U wielu roślin kwiaty są zebrane w skupiska zwane kwiatostanami. Rozwój kwiatów w kwiatostanach jest nieograniczony w czasie. Podczas gdy część kwiatów jest zdolna do zapłodnienia, pozostałe dojrzewają bądź zostają przekształcone w owoce. Wytworzenie kwiatostanów znacznie wydłuża czas zapylenia i zwiększa szansę na zapłodnienie, optymalizując sukces reprodukcyjny rośliny.

Rys. 1.51. Budowa kwiatu roślin okrytozalążkowych

Owoc i nasiono

Udany proces zapłodnienia prowadzi do powstania nasion. Nasiono powstaje z zapłodnionego zalążka i jest formą przetrwalnikową nowej rośliny (zarodka). Składa się z zarodka, będącego wynikiem zapłodnienia komórki jajowej, tkanki odżywczej (bielma lub obielma) wykorzystywanej w trakcie kiełkowania nasiona oraz łupiny nasiennej tworzącej się z osłonek zalążka (patrz rozdz. 5.3).

Równocześnie z powstawaniem nasion u roślin okrytozalążkowych następuje przekształcenie się kwiatu w owoc. Zewnętrzne ściany zalążni zmieniają się w owocnię, która chroni nasiona podczas ich rozwoju, a później służy do ich rozsiewania. Typowy owoc składa się z owocni i nasion (rys. 1.52). Owocnia owocu powstaje ze ściany zalążni słupka, a także z innych części kwiatu, jak dno kwiatowe czy okwiat, które aktywnie uczestniczą w budowie, tworząc owoce szupinkowe (dąb, truskawka, jabłoń). Owoce mogą powstawać z jednego słupka (zalążni), jednego kwiatu wielosłupkowego czy jednego kwiatostanu, dając owoce pojedyncze, zbiorowe lub owocostany. W czasie dojrzewania nasion zalążnia podlega zmianom morfologicznym. Albo wysycha (owoce suche – kaczeniec, groch, mak), albo ulega intensywnemu rozrostowi, tworząc, miękką, soczystą owocnię (owoce mięsiste), w której gromadzą się asymilaty i różne związki organiczne (wiśnia, porzeczka, jabłoń). Charakter zmian, jakim podlega zalążnia, przekłada się na technikę uwalniania się nasion oraz stanowi informację o stanie ich dojrzałości. Gdy nasiona osiągają dojrzałość, owocnia pęka, a nasiona wysypują się (groch, fasola, łubin). Gdy owocnia nie otwiera się, odpada wraz z nasionami od rośliny macierzystej.

Rys. 1.52. Budowa owocu roślin okrytozalążkowych: A – owoc pojedynczy, B – owoc zbiorowy (szupinkowy)

1.1.3. Współzależność struktury i funkcji

Komórka jest podstawowym elementem strukturalnym wszystkich organizmów żywych. Ta fundamentalna jednostka biologiczna, zdolna do samodzielnego przejawiania wszystkich cech życia w środowisku nieożywionym, jest strukturalną i funkcjonalną formą warunkującą trwanie procesów życiowych organizmów. Wysoki poziom organizacji wewnętrznej, w szczególności obecność ściany komórkowej, selektywnych błon biologicznych i chloroplastów, sprawia, że poszczególne komórki mogą funkcjonować w środowisku niezależnie. Jednostka ta jest zdolna do pobierania z niego związków chemicznych i ich przetwarzania w substancje budujące własne struktury, jednocześnie dostosowywania się do panujących warunków zewnętrznych, co umożliwia jej wzrost, różnicowanie i wytwarzanie komórek potomnych.

Pojedyncza komórka może stanowić ciało jednokomórkowego glonu lub, częściej, jest składowym elementem wielokomórkowych roślin organowych, w których wykazuje prawidłowości strukturalno-funkcjonalne. Roślina nie jest więc przypadkowym zbiorem tworzących ją elementów, lecz ma określony kształt i strukturę, która koreluje nierozerwalnie z pełnioną funkcją. Dla rośliny ważny jest jej wewnętrzny stopień zorganizowania, który przedstawia układ wielopoziomowy – od molekularnego przez komórkowy, tkankowy, organowy, aż po organizmalny, do poziomu populacyjnego włącznie. Z drugiej strony istnieje zewnętrzna struktura rośliny, której elementami są poszczególne organy o określonym kształcie i rozmieszczeniu.

Życie organizmu roślinnego rozpoczyna się od jednej komórki zwanej zygotą, która w wyniku podziałów tworzy wielokomórkowy zawiązek rośliny (zarodek) umiejscowiony w nasionie. Cała późniejsza złożona struktura ciała rośliny wywodzi się z tej jednej komórki.

Proces kiełkowania uruchamia rozwój osobniczy, podczas którego roślina rośnie, a jej morfologia ulega zmianom. Z grupy takich samych komórek w procesie różnicowania formują się wyspecjalizowane komórki, które zależnie od zaprogramowanej funkcji mogą przybierać różny kształt, charakteryzować się odmienną budową ultrastrukturalną i ulegać licznym modyfikacjom. Strukturalno-funkcjonalne grupy takich komórek tworzą tkanki, spełniające funkcje kluczowe dla funkcjonowania rośliny. Tkanki budują organy, których liczba, jakość, wzajemne proporcje między organami zmieniają się w trakcie rozwoju osobniczego. Jednocześnie mogą powstawać ciągle nowe organy przystosowane do pełnienia określonych funkcji (np. rozmnażania).

W trakcie całej ontogenezy następuje ciągły rozwój rośliny, który jest wynikiem współzależności między strukturą a funkcją. Rozwój ten stanowi konsekwencję nieustannych podziałów merystemów, ponieważ nowo powstające komórki różnicują się przez całe życie rośliny. To oznacza, że różne części tej samej rośliny znajdują się w różnym wieku.

Budowa i funkcjonowanie ciała rośliny nie jest kwestią przypadku. Jest konsekwentnie realizowanym scenariuszem zdarzeń (swoistych i morfogenetycznych) zapisanych w kodzie DNA. Zachodzące w poszczególnych komórkach procesy aktywacji genów, szlaków metabolicznych oraz odbioru i przetwarzania informacji prowadzą do zmiany wzorca wzrostu i rozwoju struktur wyższego rzędu: tkanek, organów oraz całych roślin. Bez względu na stopień zróżnicowania organizmów roślinnych podziały komórek macierzystych prowadzą do powstania identycznych komórek potomnych, które po osiągnięciu określonej wielkości i stopnia polarności (biegunowość) różnicują się, uzyskując określoną budowę, warunkującą efektywne pełnienie właściwej sobie funkcji w tkance czy organie. Dzielenie się, wzrost i różnicowanie komórek stanowią więc podstawę procesów wzrostu i rozwoju roślin.

U roślin osiowych występuje rozwój biegunowy (polarny, apikalno-bazalny), który rozpoczyna się już na etapie procesu dzielenia się zygoty. Podział zygoty daje początek przyszłej osi polarności organizmu, formując oś apikalno-bazalną: pęd–korzeń. Taki rozwój roślin jest w dużej mierze uwarunkowany poszukiwaniem pożywienia. Korzeń rośnie w dół w poszukiwaniu wody i związków mineralnych w glebie, pęd rośnie ku górze w poszukiwaniu światła niezbędnego do fotosyntezy (odżywianie) oraz fotomorfogenezy (różnicowanie). Mimo że oba organy tworzą jeden organizm, zasadniczo funkcjonują w odmiennych środowiskach: korzeń w wilgotnym, pozbawionym światła medium glebowym, pęd w słonecznym, suchym środowisku lądowym. Niesie to za sobą różnicę w budowie morfologicznej i anatomicznej, dostosowanej ściśle do pełnienia określonej funkcji.

Każda roślina wykazuje także prawidłowość w funkcjonowaniu, u podstaw którego znajduje się odpowiednia specjalizacja komórek. Zachodzą ścisłe związki między budową rośliny a czynnościami, które wykonuje. Funkcje te, najogólniej, można podzielić na wegetatywne (odżywcze) oraz generatywne (rozrodcze). Do pełnienia tych czynności służą odpowiednie organy wegetatywne (korzeń, łodyga, liść) oraz generatywne (kwiat, nasiono, owoc).

Ponadto siedlisko, w jakim bytują rośliny, oraz charakter ontogenezy wpływają na morfologiczną i anatomiczną budowę organów. Rośliny wieloletnie mają silnie rozwinięty palowy system korzeniowy, a jednoroczne umieszczony płytko w glebie system wiązkowy. Mimo że zasadniczymi funkcjami korzenia są umocowanie pędu oraz dostarczenie roślinie wody i związków mineralnych, korzenie niektórych roślin pełnią dodatkowe funkcje, związane z ich rozwojem. Są np. organami spichrzowymi (marchew, burak, bulwy korzeniowe) czy podporowymi (kukurydza, fikus), a ich budowa jest odpowiednio zmodyfikowana do pełnienia tych funkcji.

Analogiczna sytuacja ma miejsce w przypadku pędu, który pełni głównie funkcję odżywiania rośliny. Łodyga natomiast jest rusztowaniem dla wszystkich organów bocznych: liści, kwiatów i owoców oraz pośredniczy w transporcie wody i niezbędnych substancji między organami. Tym celom służy zewnętrzna i wewnętrzna wtórna budowa łodygi: silnie rozbudowany system przewodzący, wzmacniający i okrywający. Szczególnie w przypadku wieloletnich drzew pozwala to uzyskać dużą grubość i wytrzymałość pnia, co umożliwia utrzymanie ciężaru rozbudowanej korony oraz transportowanie olbrzymich ilości wody i niezbędnych substancji. Rozgałęzienia łodygi przybierają różne formy, by umożliwić jak najlepszy dostęp światła do liści, których podstawową funkcją jest proces fotosyntezy, wymiana gazowa oraz transpiracja. By pełnić te funkcje, blaszka liściowa przyjmuje formę spłaszczonej grzbieto-brzusznie struktury o dużej powierzchni. Wymianie gazowej służą też znajdujące się w epidermie aparaty szparkowe oraz system przestworów międzykomórkowych. Jednocześnie odpowiednio rozbudowany system wzmacniający pozwala na łatwą zmianę położenia. W przeciwdziałaniu intensywnej transpiracji ściany komórek epidermy liścia pokryte są kutykulą, woskiem lub włoskami. Liście niektórych roślin ulegają przekształceniom morfologicznym i anatomicznym, pełniąc funkcje spichrzowe (np. liścienie), czepne (np. wąsy grochu) bądź obronne (np. ciernie berberysu). Pędy roślin także ulegają różnorodnym modyfikacjom morfologicznym i anatomicznym, co stanowi przystosowanie do sezonowych zmian w środowisku i pełnienia określonych funkcji. Znane są pędy spichrzowe (kłącza, bulwy, cebule), pod postacią których część roślin jest w stanie przetrwać w ziemi warunki niesprzyjające wegetacji.

Kwiat jest organem sezonowym i u wielu roślin kończy ontogenezę. Stanowi organ generatywny będący miejscem rozpoczęcia tworzenia się nowego pokolenia. Jest także przekształconym pędem, którego budowa ma zapewnić maksymalne możliwości zapylenia, zapłodnienia oraz wytworzenia owoców z nasionami. Stąd też, aby zapewnić maksymalny sukces, kwiaty mają odpowiednią budowę oraz lokalizację na pędzie. By zapewnić dobre warunki do zapylenia (a potem rozsiewu nasion), kwiaty umieszczone są na szczytach pędów, często zebrane w skupiska określane kwiatostanem. Rozmieszczenie kwiatów w kwiatostanie oraz asynchroniczne dojrzewanie poszczególnych kwiatów wydłuża czas zapylenia, zwiększając szansę na wytworzenie owoców. Najkorzystniejsze jest zapylenie krzyżowe, kiedy na słupek danego kwiatu dostaje się pyłek z innego kwiatu. Zwiększa to szansę pojawienia się nowych kombinacji genów, a w efekcie nowych, często pozytywnych cech. Jednocześnie w budowie kwiatów istnieje wiele przystosowań przeciwdziałających samozapyleniu. Są to m.in. rozdzielnopłciowość, polegająca na wytwarzaniu oddzielnie kwiatów męskich (pręcikowych) i żeńskich (słupkowych), a także dwupienność – wytwarzanie kwiatów odmiennej płci na odrębnych osobnikach (np. konopie, wierzba). Czasami występuje też heterostylia, czyli tworzenie różnych typów kwiatów różniących się długością szyjki słupka i nitek pręcikowych (np. pierwiosnka), oraz niejednoczesne dojrzewanie pręcików i słupka.

Sukces reprodukcyjny kończy się wraz z wytworzeniem owocu i nasion. Istnieje wiele różnorodnych przystosowań morfologiczno-anatomicznych w celu efektywnego rozsiewania nasion. Dojrzałe owocnie stosują różne techniki rozsiewania nasion, będące następstwem ich budowy. Na skutek wysychania pękają, wysypując nasiona (groch, fasola, grochodrzew), ulegają drewnieniu, tworząc twardą osłonę dla nasion (dąb, leszczyna), czy stają się mięsiste, barwne i słodkie (agrest, wiśnia, brzoskwinia), atrakcyjne dla zwierząt czy mikroorganizmów. W wielu przypadkach, by zwiększyć skuteczność rozsiewania nasion, owoce wykorzystują w budowie inne, wegetatywne elementy kwiatu, jak dno kwiatowe (jabłoń, grusza, róża), u roślin stosujących wiatrosiewność (anemochoria) liście przykwiatowe (klon, grab) czy puch kielichowy (oset, mniszek, kozibród), tworząc tzw. aparat lotny, ułatwiający ich rozsiewanie. W ten sposób rośliny przemieszczają się na duże odległości, zwiększając zasięg występowania i różnorodność cech gatunku.

Ukształtowanie, zarówno zewnętrzne, jak i wewnętrzne, organizmu roślinnego (morfogeneza) jest zatem wypadkową wielu czynników. Poza czynnikami wewnętrznymi na morfogenezę roślin wpływają bardzo mocno także czynniki zewnętrzne. Oddziaływanie środowiska może być tak silne, że wygląd rośliny niejednokrotnie krańcowo odbiega od jej ogólnego modelu (sukulenty). Rośliny w walce o przetrwanie przystosowały się na wiele sposobów do określonych warunków środowiska zewnętrznego, co znajduje odzwierciedlenie w zróżnicowaniu budowy oraz w zachodzących procesach fizjologicznych, biochemicznych i genetycznych.

Literatura uzupełniająca

Alberts B. i in. (2016), Podstawy biologii komórki, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa.

Becker W.M., Reece J.B, Poenie M.F. (1996), The World of the Cell, Benjamin/Cummings.

Bush D.R. (1993), Proton-coupled sugar and amino acid transporters in plants, Annu. Rev. Plant Biol. 44: 513–542.

Denffer D., Ehrendorfer F., Mägdefrau K., Ziegle H. (1979), Lehrbuch der Botanik, Gustav Fischer Verlag, Stuttgart.

Duszyn M., Świeżawska B., Szmidt-Jaworska A., Jaworski K. (2019), Cyclic nucleotide gated channels (CNGCs) in plant signalling-current knowledge and perspectives, J. Plant Physiol. 241: 153035.

Grennan A. (2007), Lipids rafts in plants, Plant Physiol. 143: 1083–1085.

Jura-Morawiec J., Tulik M. (2010), Budowa pni drzew jednoliściennych, Sylwan 154 (11): 755−763.

Kawiak J., Mirecka J., Olszewska M., Warchoł J. (red.) (1998), Podstawy cytofizjologii, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa.

Kjellborn P., Larsson C., Johansson I., Larisson M., Johanson U. (1999), Aquaporins and water homeostasis in plants, Trends Plant Sci. 4: 308–313.

Kłobus G. (1994), Pompy protonowe plazmalemmy i tonoplastu, Wiad. Bot. 38: 81–93.

Kopcewicz J., Szmidt-Jaworska A., Kannenberg K. (2012), Zarys struktury i fizjologii drzew leśnych, Wydawnictwo UMK, Toruń.

Kordowiak A.M., Kordowiak S. (2011), Tratwy lipidowe – mikrodomeny błon biologicznych, Post. Biol. Kom. 38: 231–245.

Lewak S., Kopcewicz J., Jaworski K. (2019), Fizjologia roślin – Wprowadzenie, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa.

Lucas W.J., Ding B., Van der Schoot C. (1993), Plasmodesmata and the supracellular nature of plants, New Phytol. 125: 435–476.

Maeshima M. (2000), Vacuolar H+-pyrophosphatase, Biochim. Biophys. Acta 1465: 37–51.

Marty F. (1999), Plant vacuoles, Plant Cell 11: 587–599.

Mauseth J.D. (1995), Botany: An Introduction to Plant Biology, Jones & Bartlett Learning, LLC.

Nałęcz K.A. (1995), Mechanizmy transportu związków niskocząsteczkowych przez błony biologiczne, w: Molekularne mechanizmy przekazywania sygnałów w komórce, red. L. Konarska, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa.

Paluch E., Lubawy J. (2015), Akwaporyny roślinne – funkcje i czynniki regulujące ich aktywność, Post. Biol. Kom. 42: 207–226.

Rainer H. (2012), Ion channels in plants, Physiol. Rev. 92: 1777–1811.

Staehelin L.A., Hepler P.H. (1996), Cytokinesis in higher plants, Cell 84: 821–824.

Szweykowska A. (1997), Fizjologia roślin, Wydawnictwo Naukowe UAM, Poznań.

Taiz L., Zeiger E. (red.) (1998), Plant physiology, Sinauer Associates, Inc., Publ., Sunderland.

Williams L., Lemoine R., Sauer N. (2000), Sugar transporters in higher plants – a diversity of roles and complex regulation, Trends Plant Sci. 5: 283–290.

Wise R.R. (2006), The diversity of plastid form and function, w: The structure and function of plastids, red. R.R. Wise, J.K. Hoober, Springer.

Wojtaszek P., Woźny A., Ratajczak L. (red.) (2006), Biologia komórki roślinnej. Struktura, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa.

Wojtaszek P., Woźny A., Ratajczak L. (red.) (2007), Biologia komórki roślinnej. Funkcja, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa.