Пламенное оплодотворение. Однополое оплодотворение: ученые получили сперму из женских клеток

Опыление - процесс перенесения пыльцы из пилякив на приймочку пестика. Различают два типа опыления: самоопыление и перекрестное опыление. Самоопыление - процесс перенесения пыльцы двуполого цветка на приймочку этой самой или другого цветка, но той же особи. Некоторые растения (ячмень, овес, просо, часть пшениц, рапс) запиливаются еще тогда, когда цветки не раскрылись. При перекрестном опылении пилочек цветка одной особи переносится на приймочку цветка другой особи. Это основной тип опыления цветочных растений (яблоня, ива, огурцы и др.).

Перекрестное опыление происходит естественным (насекомыми, птицами, ветром, водой) и искусственным (осуществляет человек) путями.

У витрозапильних растений цветки без нектарников, мелкие, малозаметные, с упрощенным некрасочным околоцветником. Большие пиляки на длинных тычиночных нитях далеко высовываются из околоцветника, пестики открыты, с большими приймочками. Пыльцы образуется много, он мелкий, легкий, из гладенькой поверхностью. Витрозапильни растения часто растут на открытых местах, образовывая зарости одного вида (камыш, ковыль, лепешняк). Значительное количество витрозапильних растений цветет в начале весны, к распусканию листьев (лещина, ольха, береза и тому подобное).

К ентомофильних, или комахозапильних, принадлежат подавляющее большинство покритонасинних растений, распространенных в разных климатических зонах. Околоцветник (чаще веночек) ентомофильних растений ярко окрашен и хорошо заметная на зеленом фоне листьев. Цветки одиночные или собранные в соцветие. Пиляки комахозапильних растений сравнительно с витрозапильними более малые и образуют меньше пыльцы: пыльца большая, липкая, с бугорчатой или шишковатой поверхностью. На дне веночка многих цветков образуются нектарники, в которых производится душистый сладкий сок - нектар, выделение которого после оплодотворения прекращается. Есть целый ряд других признаков, предназначенных для привлечения насекомых. Это свидетельствует о том, что эволюция растений и их запилювачив шла параллельно. Это так называемая спрягающая эволюция (коеволюция).

Перекрестное опыление обеспечивает обмен генами, поддерживает высокую гетерозиготнисть популяций, дает материал для естественного отбора и хранит стойкое потомство - носителей самого благоприятного соотношения генов.

Искусственное опыление широко применяют для повышения урожая и выведения новых сортов растений. При этом для перенесения пыльцы на приймочку пестика используют разные способы. Да, у кукурузы, которая имеет однополые цветки, пыльцу собирают, стряхивая верхушки метелки мужских цветков в бумажные мешочки.

Потом собрана пыльца кисточкой переносят на женские цветки.

Для искусственного опыления подсолнуха надевают на руку перчатку, снимают ею пыльцу из одного растения и переносят на другую. Можно это делать притискиванием двух корзин друг к другу.

Для выведения новых сортов растений с двуполыми цветками нужна подготовка к искусственному опылению. В первую очередь из цветков растения, избранного за материнскую, еще в бутоне удаляют пиляки и защищают эти цветки марлевыми или бумажными мешочками от потрапляння пилочку. Через 2-3 дня, когда бутон раскрывается, на приймочку пестика наносят пыльцу другого сорта чистой сухой кисточкой, мягким кусочком резины и тому подобное.

Двойное оплодотворение. После опыления происходит процесс оплодотворения - слияние мужской половой клетки с женской. Пыльца, которая попала на поверхность приймочки, продолжает свое развитие (начинает прорастать пыльца еще в пиляках), которое внешне оказывается в отекании, образовании пыльцевой трубки, стенки которой состоят из интини и проходят сквозь поры в екзини. Образование пыльцевой трубки стимулируется веществами, которые выделяются приймочкой в ответ на родственную пыльцу, которая попала на нее. Пыльцевая трубка за время короткий проходит сквозь пышную ткань столбика и через микропиле проникает к зародышевому мешку. Одновременно прорастают много пыльцевых трубок, но с зародышевым мешком сливается лишь одна. В пыльцевую трубку, которая образовалась из вегетативной клетки, переходят два спермия, которые образовались из генеративной клетки в результате митотичного подилу. В отдельных случаях спермии могут образовываться еще в пиляку. В месте контакта пыльцевой трубки с зародышевым мешком стенки зародышевого мешка ослизнюються и пыльцевая трубка проходит вовнутрь. При достижении яйцеклетки, пыльцевая трубка разрывается, из нее выходят два спермия. Один из спермиев сливается с яйцеклеткой, образовывая диплоидну зиготу, из которой развивается зародыш нового растительного организма. Второй спермий сливается со вторичным (диплоидним) ядром, в результате чего образуется триплоидна клетка, которая дает начало эндосперму, - запасу питательных веществ для зародыша.

Если у завязи есть несколько семенных зачатков, то в каждом из них происходит описанный выше процесс, который был открыт российским цитологом и эмбриологом растений С. Г. Навашиним в 1898 г. и назван им двойным оплодотворением.

У одноклеточных растений при бесполом размножении онтогенез начинается с появления организма в результате деления материнской клетки и заканчивается новым делением При половом размножении онначинается с образования зиготи и заканчивается следующим делением или образованием новой зиготи.

У многоклеточных растений онтогенез может происходить по-разному. Примером такого разнообразия являются цветочные растения, строение которых самое сложное. У растений, которые размножаются половым путем, онтогенез начинается с развития зиготи. Характерная особенность онтогенеза - дежурство полового (гаметофит) и бесполого (спорофит) поколений. Спорофит формируется из зиготи, гаметофит - из споры. На спорофити в спорангиях образуются гаплоидни споры, которые обеспечивают размножение споровых растений. Споры наземных растений могут быть функционально одинаковыми (ривноспорови растения) или разными (ризноспорови растения). Мелкие споры называют микро, большие - мегаспорами. Из микроспоры развивается мужской, а из мегаспори - женский гаметофити. У цветочных растений преобладает спорофит, гаметофит редуцирован. Во время развития спорофита у высших семенных растений в результате последовательных делений зиготи из однородной образующейткани в процессе дифференцирования и специализации клеток формируется зародыш семечка с зародышевым корешком, стеблем и почкой.

Оплодотворение представляет собой процесс слияние половых клеток представителей разных полов, то есть яйцеклетки и сперматозоида .

Непосредственно оплодотворение

В результате естественного полового акта сперма попадает во влагалище , но его кислотная среда не позволяет сперматозоидам прожить более 2-х часов. Зато самые быстрые из них все же успевают добраться до матки через ее шейку. Слизь, которая наполняет шейку матки, является хорошим барьером для опасных микроорганизмов, но таким же барьером она может оказаться и для сперматозоидов. В случаях, когда такой слизи слишком много или ее консистенция не является нормальной, даже может иметь место (шеечный фактор). По мнению некоторых специалистов, в матку должно попасть не менее 10 млн. мужских половых клеток.

Те сперматозоиды, которые успешно прошли через шейку, попадают в фаллопиевы трубы , откуда они против направления течения жидкости направляются в яичники .

Само оплодотворение, то есть слияние клеток, происходит в отделе фаллопиевых труд, которые находится в максимальной близости к яичникам. Но тут тоже не все так просто: для слияния с яйцеклеткой необходимо преодолеть несколько оболочек, этот процесс называют «пенетрация» , в него входит также и само слияние. Именно первый сперматозоид, который доберется до второй оболочки, скорее всего, и сольется со яйцеклеткой.

Поверхность яйцеклетки и сперматозоида покрыта специальными рецепторами, которые обеспечивают их слияние. После оплодотворения некоторые части сперматозоида остаются внутри яйцеклетки. Практически сразу в последней начинает возникать кортикальная реакция , которая заключается в высвобождении специальных гранул в наружную среду, в результате этого ни один сперматозоид уже не сможет произвести оплодотворение. Такой механизм получил название «блок полиспермии» , обычно он начинается в течение нескольких минут.

В крайне редких случаях может возникать ситуация, когда две мужские половые клетки смогли одновременно проникнуть в яйцеклетку. В таком случае развивается триплоидный эмбрион , который обычно развивается с нарушением хромосом. Обычно в течение нескольких дней такие эмбрионы погибают, но бывают случаи, когда они имплантируются в матку, тогда такая . Вопреки бытующему мифу, одновременное слияние яйцеклетки с двумя сперматозоидами не приводит к появлению на свет близнецов.

Когда произошло слияние, образуется зигота , то есть одноклеточная, первая стадия развития эмбриона, которая продолжается не более 30 часов. Далее начинается формирование ядер, происходит объединение материнских и отцовских хромосом за счет сложных реакций и биологических процессов.

Дробление

Когда яйцеклетка оплодотворена, она начинает свое движение в сторону матки за счет сокращений мышц трубы. Следующим процессом за образованием зиготы идет процесс дробления – миотического деления , размер зародыша не увеличивается, клетки делятся, но лишь становятся более мелкими. Размер эмбриона на этой стадии не превышает 130 мкм. Данный процесс длится около трех дней, клетки эмбриона остаются одинаковыми. Они не находят взаимодействия между собой, и лишь благодаря оболочке находятся вместе. В случае повреждения такой оболочки может образоваться несколько генетически идентичных эмбрионов, и тогда уже развиваются однояйцевые близнецы.

Уникальная особенность цветковых растений - двойное оплодотворение.

В завязь покрытосеменных растений проникает два спермия, один из них сливается с яйцеклеткой, дав начало диплоидному зародышу. Другой соединяется с центральной диплоидной клеткой. Образуется триплоидная клетка, из которой возникнет эндосперм - питательный материал для развивающегося зародыша ( рис. 77). Этот процесс, характерный для всех покрытосеменных, открыт в конце прошлого века С.Г. Навашиным и получил название двойного оплодотворения. Значение двойного оплодотворения, по- видимому, заключается в том, что обеспечивается активное развитие питательной ткани уже после оплодотворения. Поэтому семяпочка у покрытосеменных не запасает питательных веществ впрок и, следовательно, развивается гораздо быстрее, чем у многих других растений, например у голосеменных.

У цветковых растений имеется ряд особенностей образования половых клеток и оплодотворения. Оплодотворению у них предшествует образование сильно редуцированного гаплоидного поколения - гаметофитов . После оплодотворения прорастание пыльцы цветковых растений начинается с разбухания зерна и образования пыльцевой трубки , которая прорывает спородерму в более тонком ее месте - так называемой апертуре. Кончик пыльцевой трубки выделяет специальные вещества, размягчающие ткани рыльца и столбика , в которые внедряется пыльцевая трубка. По мере роста пыльцевой трубки в нее переходят ядро вегетативной клетки и оба спермия . В огромном большинстве случаев пыльцевая трубка проникает в мегаспорангий ( нуцеллус) через микропиле семязачатка , реже - иным образом. Проникнув в зародышевый мешок , пыльцевая трубка разрывается, и ее содержимое изливается внутрь. Один из спермиев сливается с яйцеклеткой, и образуется диплоидная зигота, дающая затем начало зародышу . Второй спермий сливается со вторичным ядром, располагающимся в центре зародышевого мешка , что приводит к образованию триплоидного ядра, развивающегося затем в триплоидный эндосперм. Весь этот процесс получил название двойного оплодотворения. Он был впервые описан в 1898 г. выдающимся русским цитологом и эмбриологом С.Г.Навашиным. Прочие клетки зародышевого мешка - антиподы и синергиды в оплодотворении не участвуют и довольно быстро разрушаются.

Биологический смысл двойного оплодотворения весьма велик. В отличие от голосеменных , где довольно мощный гаплоидный эндосперм развивается независимо от процесса оплодотворения, у покрытосеменных триплоидный эндосперм образуется лишь в случае оплодотворения. С учетом гигантского числа поколений этим достигается существенная экономия энергетических ресурсов. Увеличение же уровня плоидности эндосперма до 3n, по-видимому, способствует более быстрому росту этой полиплоидной ткани по сравнению с диплоидными тканями спорофита .

Взаимодействие пыльцевой трубки гаметофита с тканями спорофита - сложный процесс, регулируемый химическими веществами. Так, выяснилось, что если промыть пыльцу дистиллированной водой, она теряет способность к прорастанию. Если сконцентрировать полученный раствор и обработать концентратом пыльцу, она вновь станет полноценной. После прорастания рост пыльцевой трубки контролируется тканями пестика. Например, у хлопчатника рост трубки до яйцеклетки занимает 12-18 ч, но уже через 6 ч можно установить, к какой семяпочке направляется пыльцевая трубка: в этой семяпочке начинается разрушение особой клетки - синергиды . Как растение направляет рост трубки в нужную сторону и каким образом синергида узнает о ее приближении, пока еще не известно.

Во многих случаях у цветковых растений существует "запрет" на самоопыление: спорофит "узнает" своего мужского гаметофита и не разрешает ему участвовать в оплодотворении. В некоторых случаях при этом собственная пыльца не прорастает на рыльце пестика. В большинстве же случаев рост пыльцевой трубки начинается, но затем останавливается и она не достигает яйцеклетки. Например, у первоцвета весеннего еще Ч.Дарвин обнаружил две формы цветков - длинностолбиковые (с длинным столбиком и короткими тычинками) и короткостолбиковые (столбик короткий, тычиночные нити длинные). У короткостолбиковых растений пыльца почти вдвое крупнее, а клетки сосочков рыльца мелкие. Все эти признаки контролируются группой тесно сцепленных генов.

Опыление эффективно только при переносе пыльцы с одной формы на другую. За распознавание своей пыльцы отвечают молекулы-рецепторы, представляющие собой сложные комплексы белков с углеводами. Показано, что растения дикой капусты , которые не вырабатывают в тканях рыльца молекул рецептора, могут самоопыляться. У нормальных растений рецепторы появляются на рыльце за день до открытия цветка. Если раскрыть бутон и нанести на него собственную пыльцу за два дня до распускания, то оплодотворение произойдет, а если за один день до распускания - то нет.

Интересно, что в некоторых случаях самонесовместимость пыльцы у растений определяется серией множественных аллелей одного гена, сходно с несовместимостью при пересадках тканей у животных. Эти аллели обозначаются буквой S, и число их в популяции может достигать десятков и даже сотен. Если, например, генотип производящего яйцеклетки растения - s1s2, а производящего пыльцу - s2s3, то прорастать при перекрестном опылении будут только 50% пылинок - те, что несут аллель s3. При наличии десятков аллелей большая часть пыльцы при перекрестном опылении нормально прорастает, а самоопыление полностью предотвращается.

Генетики совершили научный прорыв, научившись получать сперматозоиды из женских эмбрионов. В перспективе благодаря этому лесбийские пары смогут заводить собственных биологических детей, пишет The Daily Telegraph.

Британские специалисты, которые ранее научились превращать взятые у мужчин клетки костного мозга в сперматозоиды, теперь повторили аналогичный эксперимент со стволовыми клетками женщин.

Открытие совершила группа из Университета Ньюкасла, которая теперь добивается права создать сперматозоиды из клеток костного мозга, взятых у женщин. В результате у лесбийских пар однажды появится возможность обзавестись детьми, которые будут иметь гены обеих женщин – сперму, полученную из костного мозга одной из них, можно будет использовать для оплодотворения яйцеклетки партнерши.

Мужчины и женщины отличаются друг от друга благодаря так называемым половым хромосомам. И у тех, и у других есть X-хромосома. Но лишь у мужчин имеется Y-хромосома, которая содержит всего несколько генов, но играет важнейшую роль в выработке мужских половых клеток. В связи с этим ученые критически относились к идее о том, что из стволовых клеток женщин можно получать сперматозоиды.
В апреле прошлого года на первых полосах газет оказалось имя Карима Наирнии, профессора биологии из Университета Ньюкасла. Ученому удалось получить примитивные сперматозоиды из стволовых клеток взрослого мужчины. Теперь же он смог повторить эксперимент, получив сперму из стволовых клеток женских эмбрионов. Отчет о данной работе пока не опубликован.

Если все эти эксперименты принесут плоды, то у мужчин-гомосексуалистов также появится возможность предоставлять свои клетки кожи для получения яйцеклетки, затем оплодотворять ее спермой партнера и помещать в утробу суррогатной матери.

В настоящее время британский парламент обсуждает поправки к закону 1990 года об оплодотворении и эмбриологии человека. От правительства требуют включить в закон разрешение в будущем использовать яйцеклетки и сперматозоиды, выращенные в лаборатории из стволовых клеток.

Ученые создали человеческий эмбрион от трех родителей

Источник: korrespondent.net
Среда, 6 Февраля 2008

Сотрудники Университета Ньюкасла впервые получили жизнеспособные человеческие эмбрионы, клетки которых содержат наследственный материал трех родителей: двух женщин и одного мужчины.

Ученые добиваются разрешения на использование новой методики в медицине: по их мнению, гибридизация яйцеклеток позволит избежать рождения детей с рядом наследственных заболеваний.

При помощи такой процедуры исследователи под руководством профессора Дуга Торнбулла создали 10 человеческих эмбрионов и довели их до 5-дневной стадии развития. Несколько раньше модифицированные таким же образом мышиные эмбрионы были имплантированы в матку мышей, которые произвели на свет здоровое потомство.

Сейчас ученые добиваются санкции на внедрение разработанной ими методики в клиническую практику. Если такое разрешение будет получено, первые дети от трех родителей могут появиться в Великобритании в течение ближайших трех лет.

Двойное оплодотворение Цветковых растений – это процесс, в результате которого один из спермиев, идущих по пыльцевой трубке, сливается с яйцеклеткой, а другой – с центральной клеткой. В результате слияния спермия с яйцеклеткой образуется диплоидный зародыш - будущий спорофит. Центральная клетка уже имеет диплоидный набор хромосом, так как она образовалась после слияния двух из первоначальных восьми клеток зародышевого мешка. После слияния со спермием образуется триплоидная клетка, которая дает начало эндосперму.

У Голосемянных один из спермиев, идущих по пыльцевой трубке, погибает, а другой оплодотворяет яйцеклетку с образованием зародыша. Эндосперм же в данном случае представляет собой гаметофит и гомологичен заростку Папоротникообразных. Следовательно, эндосперм Голосемянных гаплоиден.

Чтобы понять, какие преимущества имеет триплоидный эндосперм над гаплоидным, разбересначала, что такое эндосперм и какие у него функции. Эндосперм – это запасающая ткань семени растений, в которой откладываются питательные вещества для дальнейшего развития и прорастания семени. Он представлен тонкостенными крупными клетками часто неправильной формы, заполненными крахмалом и белками. Функции эндосперма неразнообразны. Первая и главная функция эндосперма – это питательная. Возможно также участие в прорастании семени.

В пользу того, что триплоидный эндосперм является эффективнее гаплоидного, говорит тот факт, что гаплоидный эндосперм Голосемянных образовался «вторично» в ходе эволюции. Ведь у них эндосперм – это остаток женского гаметофита, который у Папоротникообразных был зеленым и прекрасно фотосинтезировал. У них эндосперм сформировался в ходе эволюции как необходимость запасного вместилища в семени. У Покрытосемянных двойное оплодотворение, видимо, образовалось как-то сразу, потому что никаких родственных связей и похожих на триплоидный эндосперм структур у кого-нибудь еще не обнаружено.

Первое и очевидное преимущество триплоидного эндосперма над гаплоидным в проявлении мутаций. Если в генах гаплоидного эндосперма происходит мутация, то она обязательно проявится. А это может привести к недостаточному выполнению функций или даже к редукции эндосперма. В результате семя не разовьется вообще, или растение будет слаборазвитым. В триплоидном же эндосперме рецессивная мутация проявляться не будет. Следовательно, в триплоидном эндосперме по сравнению с гаплоидным увеличивается вероятность нормального развития семени даже при наличии мутаций. Кроме того, если хромосомный набор в клетке 3 n , то интенсивность транскрипции и, соответственно, трансляции и биосинтеза белка в клетке в три раза выше, чем в таковой же с гаплоидным набором хромосом. С интенсивностью транскрипции косвенно связано и участие эндосперма в прорастании семени. Как известно, прорастание инициируется множеством факторов таких, как кратковременное воздействие низких температур, для некоторых семян воздействие света и т. д. Но непосредственно перед прорастанием клетки начинают интенсивно поглощать воду, клетки зародыша набухают и растягиваются. Для процессов прорастания растению нужно много энергии и необходимы ферменты, катализирующие расщепление крахмала и белков. Под воздействием воды в клетках зародыша активируются гиббереллины, они транспортируются в тонкий верхний слой живых клеток эндосперма (алейроновый слой), где сразу же начинают синтезироваться амилазы и протеазы. В соответствии с выше сказанным предположением о скорости транскрипции в триплоидных клетках нужное количество ферментов выработается быстрее, чем в гаплоидных, и процесс прорастания будет идти интенсивнее.

Рассмотрим, есть ли предпосылки усложнения процесса оплодотворения и появления тройного оплодотворения. Раз оплодотворение тройное, значит, спермиев должно быть три. Один должен сливаться с яйцеклеткой с образованием зародыша. Слияние двух остальных спермиев с разными структурами просто не целесообразно, так как семени нужно образование двух структур в ходе оплодотворения: зародыша и запасающей ткани (в данном случае эндосперма). Тогда получается, что оставшиеся 2 спермия должны оба слиться с центральной клеткой, и получится тетраплоидный эндосперм. Механизм этого сложно представить. Либо два спермия должны по очереди слиться с центральной клеткой, что маловероятно, потому что после оплодотворения одним спермием сразу включаются механизмы блокирования оплодотворения другим спермием. Либо 2 спермия должны слиться заранее в пыльцевой трубке, что в общем-то тоже трудно себе представить. Кроме того, в результате такого оплодотворения образуется диплоидный зародыш и тетраплоидный эндосперм, а это равносильно гаплоидному зародышу и диплоидному эндосперму. При дальнейшем увеличении плоидности эндосперма будут возникать проблемы с расхождением хромосом, сильно возрастет частота мутаций, возникнет проблема размещения хромосом в ядре. Следовательно, предпосылок к усложнению процесса оплодотворения нет.