Подвійне запліднення у квіткових рослин
~20 хв · 9 розділів · 11 тестових запитань
Подвійне запліднення — унікальний процес покритонасінних рослин, під час якого один спермій зливається з яйцеклітиною, а другий — із центральною клітиною зародкового мішка. У цьому юніті розбереш будову пилкового зерна й зародкового мішка, послідовність подій запліднення та набори хромосом у клітинах насінини й плоду.
Чоловічий гаметофіт квіткових рослин — це пилкове зерно. Воно дуже зменшене порівняно з гаметофітами мохів або папоротей і складається лише з кількох клітин. Розглянемо, як воно утворюється.
Утворення мікроспор
У гніздах пиляка (частини тичинки) містяться диплоїдні материнські клітини мікроспор (2n). Вони діляться мейозом, і з кожної материнської клітини утворюються чотири гаплоїдні мікроспори (n). Кожна мікроспора — це одна клітина з гаплоїдним набором хромосом.
Розвиток пилкового зерна
Кожна мікроспора ділиться мітозом і перетворюється на пилкове зерно — зрілий чоловічий гаметофіт (n). Пилкове зерно має дві оболонки:
зовнішню оболонку (екзину) — міцну, з характерним візерунком (шипики, горбики, сітка); за формою й орнаментом екзини можна розрізнити пилок різних видів рослин;
внутрішню оболонку (інтину) — тонку й еластичну.
Усередині пилкового зерна є дві клітини:
велика вегетативна клітина (n) — вона утворить пилкову трубку, якою спермії рухатимуться до зародкового мішка;
мала генеративна клітина (n) — вона ділиться мітозом і дає два спермії (n).
Спермії — нерухомі чоловічі гамети
Спермії квіткових рослин — це нерухомі клітини без джгутиків. Вони не можуть самостійно пересуватися у воді, як сперматозоїди мохів або папоротей. Їх доставляє до яйцеклітини пилкова трубка. Саме тому запліднення в квіткових рослин не залежить від води — це величезна еволюційна перевага.
В одних рослин (наприклад, у пшениці, кукурудзи, соняшнику) генеративна клітина ділиться на два спермії ще всередині пилкового зерна, до проростання. В інших (наприклад, у лілії, томату) цей поділ відбувається вже в пилковій трубці під час її росту.
Запам'ятай: усі клітини пилкового зерна — вегетативна, генеративна й спермії — гаплоїдні (n). Пилкове зерно в цілому — це чоловічий гаметофіт.
Жіночий гаметофіт покритонасінних — зародковий мішок — формується всередині насінного зачатка, який розташований у зав'язі маточки. Розглянемо будову насінного зачатка й розвиток зародкового мішка.
Будова насінного зачатка
Насінний зачаток має такі частини:
покриви (інтегументи) — один або два покриви, з яких після запліднення утвориться насінна шкірка;
пилковхід (мікропіле) — отвір між покривами, через який пилкова трубка проникає всередину;
нуцелус — центральна частина, де розвивається зародковий мішок.
Утворення зародкового мішка
У нуцелусі міститься диплоїдна материнська клітина мегаспори (2n). Вона ділиться мейозом, утворюючи чотири гаплоїдні мегаспори (n). Три з них руйнуються, а одна залишається. Ця мегаспора тричі ділиться мітозом — утворюється вісім ядер. З цих ядер формується зародковий мішок — жіночий гаметофіт, що складається із семи клітин.
Будова зародкового мішка
Зародковий мішок має характерне розташування клітин:
Клітина / структура | Розташування | Набір хромосом |
|---|---|---|
Яйцеклітина | біля пилковходу | n |
Дві синергіди | біля пилковходу, поряд із яйцеклітиною | n |
Три антиподи | на протилежному кінці зародкового мішка | n |
Центральна клітина з двома полярними ядрами | у центрі зародкового мішка | n + n (до злиття); 2n (після злиття) |
Полярні ядра центральної клітини до моменту запліднення зливаються, утворюючи вторинне диплоїдне ядро (2n). Саме з ним зіллється другий спермій.
Важливо: яйцеклітина завжди розташована біля пилковходу. Це допомагає визначити її на схемах зародкового мішка — шукай отвір (пилковхід) і клітину біля нього.
Подвійне запліднення — ключова подія в життєвому циклі покритонасінних рослин. Розглянемо його поетапно.
Від запилення до проростання пилкової трубки
Після того як пилкове зерно потрапляє на приймочку маточки (запилення), воно проростає: вегетативна клітина утворює пилкову трубку. Трубка росте крізь стовпчик маточки в напрямку до зав'язі. Ріст спрямовують хемоатрактанти — речовини, які виділяє зародковий мішок. Пилкова трубка входить у насінний зачаток через пилковхід.
Злиття гамет
Коли кінчик пилкової трубки досягає зародкового мішка, він розривається, і два спермії виходять у зародковий мішок. Далі відбуваються два злиття:
перший спермій (n) зливається з яйцеклітиною (n) — утворюється зигота (2n), з якої розвивається зародок насінини;
другий спермій (n) зливається з центральною клітиною (2n, після злиття полярних ядер) — утворюється триплоїдна клітина (3n), з якої розвивається ендосперм — запасальна тканина насінини.
Синергіди й антиподи участі в заплідненні не беруть і після нього руйнуються.
Подальший розвиток
Після запліднення з насінного зачатка розвивається насінина, а зі стінок зав'язі — плід (оплодень). Зародок живиться за рахунок ендосперму, який швидко росте й накопичує поживні речовини (крохмаль, білки, жири).
Відкриття подвійного запліднення
Подвійне запліднення відкрив український ботанік Сергій Гаврилович Навашин у 1898 році, працюючи в Київському університеті. Він досліджував лілію та рябчик і виявив, що в зародковий мішок проникають два спермії, які зливаються з двома різними клітинами. Назву «подвійне» процес отримав саме тому, що два спермії одного пилкового зерна запліднюють дві різні клітини — яйцеклітину й центральну клітину.
Біологічне значення подвійного запліднення
Ендосперм розвивається лише після запліднення — рослина не витрачає поживні речовини на незапліднені насінні зачатки.
Триплоїдний ендосперм швидко росте й забезпечує зародок поживою.
На відміну від голонасінних, у яких ендосперм гаплоїдний (n) і утворюється до запліднення, у покритонасінних ендосперм триплоїдний (3n) і виникає лише після злиття гамет.
Одна з найважливіших навичок для НМТ — уміти визначати набір хромосом у різних клітинах квітки, насінини й плоду. Розглянемо систематично, які клітини мають гаплоїдний (n), диплоїдний (2n) і триплоїдний (3n) набори.
Гаплоїдні клітини (n)
Гаплоїдний набір мають усі клітини гаметофітів (як чоловічого, так і жіночого), а також гамети:
мікроспори (n);
клітини пилкового зерна: вегетативна (n), генеративна (n);
спермії (n);
мегаспора (n);
яйцеклітина (n);
синергіди (n);
антиподи (n);
полярні ядра центральної клітини до їхнього злиття (n + n).
Диплоїдні клітини (2n)
Диплоїдний набір мають клітини материнської рослини (спорофіту) та похідні від нього структури:
материнські клітини мікроспор (у пиляку);
материнська клітина мегаспори (у нуцелусі);
клітини листків, стебла, кореня, пиляка, стінки зав'язі;
клітини покривів насінного зачатка;
центральна клітина після злиття полярних ядер (2n);
зигота (2n);
клітини зародка (2n);
насінна шкірка (походить із покривів насінного зачатка — 2n);
оплодень (походить зі стінки зав'язі — 2n).
Триплоїдні клітини (3n)
Триплоїдний набір мають лише клітини ендосперму покритонасінних (3n). Ендосперм утворюється злиттям спермія (n) і центральної клітини (2n), тому має два набори хромосом від матері й один від батька.
Походження тканин насінини й плоду
Структура | Походить із | Набір хромосом | Генотип |
|---|---|---|---|
Насінна шкірка | покривів насінного зачатка | 2n | материнської рослини |
Зародок | зиготи | 2n | обох батьків |
Ендосперм | злиття спермія з центральною клітиною | 3n | 2n від матері + n від батька |
Оплодень | стінки зав'язі | 2n | материнської рослини |
Алгоритм обчислення кількості хромосом
У задачах на НМТ числові дані подають в умові. Довідкових матеріалів немає, тому потрібно пам'ятати таблицю наборів і вміти нею користуватися.
Алгоритм:
Знайди n — половину числа хромосом соматичної (диплоїдної) клітини.
Визнач плоїдність потрібної клітини (n, 2n чи 3n).
Помнож n на цю плоїдність.
Приклад 1. У клітині кореня томату 24 хромосоми (2n = 24). Отже, n = 12. Тоді:
у спермії й яйцеклітині — 12 хромосом (n);
у зиготі й зародку — 24 хромосоми (2n);
в ендоспермі — 36 хромосом (3n);
у насінній шкірці — 24 хромосоми (2n).
Приклад 2. В ендоспермі насінини 21 хромосома (3n = 21). Отже, n = 7, а 2n = 14.
Запам'ятай: насінна шкірка й оплодень — це тканини материнської рослини (2n) з її генотипом. Зародок і ендосперм отримують гени обох батьків.
Розглянемо типові завдання НМТ на тему подвійного запліднення та розберемо їх покроково.
Приклад 1. Кількість хромосом в ендоспермі
Завдання: У клітинах кореня томату 24 хромосоми. Скільки хромосом у клітині ендосперму його насінини?
Розв'язання: Клітини кореня — соматичні, диплоїдні (2n = 24). Отже, n = 12. Ендосперм покритонасінних триплоїдний (3n). Тому 3 × 12 = 36.
Відповідь: 36 хромосом.
Чому інші варіанти неправильні:
24 — помилка: ендосперм вважають диплоїдним, але він триплоїдний.
12 — помилка: це кількість хромосом у гаметах (n), а не в ендоспермі.
48 — помилка: ендосперм має 3n, а не 4n.
Приклад 2. Походження ендосперму
Завдання: З якої клітини розвивається ендосперм покритонасінних?
Розв'язання: Ендосперм утворюється з клітини, що виникає після злиття спермія (n) з центральною клітиною зародкового мішка (2n). Ця клітина триплоїдна (3n).
Відповідь: з клітини, що утворилася злиттям спермія з центральною клітиною.
Чому інші варіанти неправильні:
з заплідненої яйцеклітини — так утворюється зародок, а не ендосперм.
з антипод — антиподи участі в заплідненні не беруть і руйнуються.
з вегетативної клітини пилкового зерна — вегетативна клітина утворює пилкову трубку, а не ендосперм.
Приклад 3. Два твердження
Завдання: Оцініть правильність двох тверджень.
I. Пилкову трубку утворює генеративна клітина пилкового зерна.
II. Синергіди й антиподи участі в заплідненні не беруть і руйнуються.
Розв'язання: Твердження I хибне — пилкову трубку утворює вегетативна клітина, а генеративна дає два спермії. Твердження II правильне — синергіди й антиподи справді не беруть участі в заплідненні й руйнуються після нього.
Відповідь: правильне лише II.
Приклад 4. Послідовність подій
Завдання: У якій послідовності відбуваються події після запилення?
Розв'язання: Правильна послідовність:
Запилення — пилкове зерно потрапляє на приймочку.
Проростання пилкової трубки крізь стовпчик маточки.
Проникнення пилкової трубки через пилковхід у насінний зачаток.
Злиття сперміїв із яйцеклітиною й центральною клітиною.
Відповідь: запилення → проростання пилкової трубки крізь стовпчик → проникнення трубки через пилковхід → злиття сперміїв із яйцеклітиною й центральною клітиною.
Типові помилки в дистракторах: переставляють місцями проростання трубки й проникнення через пилковхід, або ставлять злиття гамет перед проникненням трубки.
Приклад 5. Набори хромосом у насінині
Завдання: Визначте набори хромосом у клітинах зародка, ендосперму й насінної шкірки насінини пшениці.
Розв'язання: Зародок розвивається із зиготи (2n). Ендосперм покритонасінних триплоїдний (3n). Насінна шкірка походить із покривів насінного зачатка — це тканина материнської рослини (2n).
Відповідь: 2n, 3n, 2n.
Чому інші варіанти неправильні:
2n, 2n, n — помилка: ендосперм не диплоїдний, а насінна шкірка не гаплоїдна.
2n, 3n, 3n — помилка: насінна шкірка диплоїдна, а не триплоїдна.
n, 3n, 2n — помилка: зародок диплоїдний, а не гаплоїдний.
У темі подвійного запліднення учні часто припускаються однотипних помилок. Розгляньмо їх, щоб ти знав, на що звернути увагу.
Ендосперм вважають диплоїдним. Насправді ендосперм покритонасінних триплоїдний (3n), бо утворюється злиттям спермія (n) і центральної клітини (2n).
Пояснюють назву «подвійне» тим, що запліднюються дві яйцеклітини. Насправді два спермії одного пилкового зерна запліднюють дві різні клітини: яйцеклітину й центральну клітину. Інша помилка — вважають, що беруть участь два пилкові зерна.
Приписують утворення пилкової трубки генеративній клітині. Трубку утворює вегетативна клітина, а генеративна ділиться на два спермії.
Вважають, що спермії квіткових рослин мають джгутики й пливуть у воді. Насправді спермії покритонасінних нерухомі, без джгутиків. Їх доставляє пилкова трубка, тому запліднення не залежить від води.
Вважають насінну шкірку й оплодень тканинами з генотипом зародка. Насінна шкірка походить із покривів насінного зачатка, а оплодень — зі стінки зав'язі. Обидві структури — тканини материнської рослини (2n) з її генотипом.
Вважають центральну клітину гаплоїдною на момент запліднення. До злиття полярних ядер вона має два гаплоїдних ядра (n + n), але перед заплідненням вони зливаються, і центральна клітина стає диплоїдною (2n). Саме з нею зливається другий спермій.
Плутають запилення із заплідненням. Запилення — це перенесення пилкового зерна на приймочку маточки. Запліднення — злиття гамет (сперміїв із яйцеклітиною та центральною клітиною).
Тема подвійного запліднення входить до розділу 3.6 програми НМТ з біології: «Будова квітки з насінними зачатками й зародковими мішками, подвійне запліднення, насінина». Вимоги програми — знати будову пилкової трубки, пилковходу, ендосперму та будову насінини.
Формати завдань
Завдання 1–24 — вибір однієї відповіді з чотирьох (А–Г), 0 або 1 бал. Серед них трапляється підтип «два твердження» (наприклад, у демоваріанті № 8, 14, 20).
Завдання 26 (демоваріант 2026) — логічні пари за зображеннями 1–4, де тема 3.6 є основною.
Що потрібно пам'ятати
Довідкових матеріалів на НМТ з біології немає. Числові дані (наприклад, кількість хромосом) подають в умові завдання. Тому таблицю наборів n, 2n, 3n для різних клітин потрібно знати напам'ять і вміти за нею обчислювати кількість хромосом.
Стратегія виконання
У задачі на кількість хромосом спершу знайди n — половину від числа хромосом соматичної клітини.
Визнач, до якої групи належить клітина: материнська рослина (2n), гаметофіт (n) чи ендосперм (3n).
Помнож n на відповідну плоїдність.
Перевір, чи не є клітина похідною материнської рослини (насінна шкірка, оплодень) — вони завжди 2n.
Чому запліднення називають подвійним, якщо зигота утворюється одна?
Назва «подвійне» стосується не кількості зигот, а того, що два спермії одного пилкового зерна запліднюють дві різні клітини: один — яйцеклітину (утворюється зигота), другий — центральну клітину (утворюється ендосперм). Отже, відбуваються два злиття гамет одночасно.
Чому ендосперм триплоїдний, а не диплоїдний?
Ендосперм утворюється злиттям спермія (n) і центральної клітини (2n). Центральна клітина має два набори хромосом, бо перед заплідненням у ній зливаються два полярних ядра (n + n). Тому загальний набір — 3n: два від материнської рослини й один від батьківської.
Навіщо пилковому зерну дві різні клітини?
Вегетативна клітина забезпечує транспорт — вона утворює пилкову трубку, якою спермії рухаються до зародкового мішка. Генеративна клітина дає власне чоловічі гамети — два спермії. Такий поділ праці дозволяє квітковим рослинам не залежати від води під час запліднення.
Чому насінна шкірка має набір хромосом материнської рослини, а не зародка?
Насінна шкірка утворюється з покривів (інтегументів) насінного зачатка, які є частиною материнської рослини (спорофіту). Тому всі її клітини мають диплоїдний набір (2n) і генотип материнської рослини. Те саме стосується оплодня, який розвивається зі стінки зав'язі.
Чим подвійне запліднення вигідне рослині?
По-перше, ендосперм розвивається лише після запліднення — рослина не витрачає поживні речовини на незапліднені насінні зачатки. По-друге, триплоїдний ендосперм росте швидше за гаплоїдний і накопичує більше поживних речовин для зародка. По-третє, зародок отримує поживне середовище, збагачене генами обох батьків.
Пилкове зерно — чоловічий гаметофіт (n). Вегетативна клітина дає пилкову трубку, генеративна — два спермії.
Зародковий мішок — жіночий гаметофіт із семи клітин: яйцеклітина (n), дві синергіди (n), три антиподи (n) і центральна клітина (n + n → 2n).
Подвійне запліднення: спермій (n) + яйцеклітина (n) → зигота (2n) → зародок; спермій (n) + центральна клітина (2n) → ендосперм (3n).
Насінна шкірка й оплодень — материнські тканини (2n) з генотипом материнської рослини.
Відкриття: подвійне запліднення відкрив Сергій Гаврилович Навашин у 1898 році в Київському університеті.
Ендосперм покритонасінних триплоїдний (3n) і утворюється лише після запліднення, на відміну від голонасінних, у яких ендосперм гаплоїдний (n) і формується до запліднення.