1.1.1 Organizacija, zgradba, oblika in velikost rastlinskih celic

Transcript

1 1 1 CITOLOGIJA - veda o celici 1.1 CELICA Celica je najmanjša funkcionalna in organizacijska enota, ki še kaže vse značilnosti življenja. Celice je prvi videl 1665 Robert Hooke. Opazoval je pluto in videl, da je sestavljena iz številnih kamric, ki jih je imenoval cellulae (celice). Ker je opazoval mrtve celice, je v resnici videl le celične stene Organizacija, zgradba, oblika in velikost rastlinskih celic Celice so lahko organizirane kot protocite (prokariontska celica) ali evcite (evkariontska celica). Celice prokariontov in evkariontov se razlikujejo po tem, da imajo prokarionti svoj protoplast slabo diferenciran v posamezna "delovna področja", ki medsebojno niso ostro oddeljena s posebnimi membranami (ni formiranega jedra, endoplazmatskega retikuluma, diktiosomov, plastidov), pri evkariontih pa je protoplast jasno zdiferenciran v jedro, plastide, citoplazmo. Tudi celice različnih evkariontov se med sabo razlikujejo. Celice gliv nimajo plastidov, vakuolo imajo. Živalske celice nimajo plastidov in tonoplasta in ponavadi nimajo tudi celične stene. Slika: Prokariontska celica Slika: Evkariontska celica

2 2 Sestavni deli rastlinske celice: A. živi del (protoplast) = citoplazma (osnovna plazma) + celični organeli: jedro, celične membrane (plazmalema, tonoplast, membrane organelov), plastidi (kloroplasti, kromoplasti, levkoplasti), mitohondriji, endoplazmatski retikulum (ER), diktiosomi (GA), ribosomi, citoskelet (mikrotubuli, mikrofilamenti), citosomi (lizosomi, sferosomi, peroksisomi, glioksisomi) B. ergastične tvorbe (izločki, vključki): celična stena, vakuom (izločena vakuolna vsebina), vključki v plastidih, vakuoli, citoplazmi (npr. alevronska zrna, škrobna zrna, kristali) V okviru vaj bomo opazovali celične strukture, ki so vidne s svetlobnim mikroskopom: celično steno, produkte metabolizma (škrobna zrna, oljne vakuole, kristale, alevronska zrna), jedro, jedrce, plastide: levkoplaste, kloroplaste in kromoplaste.

3 3 Rastlinska celica: slike organelov narejene z elektronskim mikroskopom Velikosti rastlinskih celic so zelo različne. Velikost povprečne rastlinske celice znaša od μm. V dolžinski osi lahko dosegajo od nekaj stotink milimetra pa tudi do več metrov (enocelični mlečni kanali nekaterih mlečkovk). Oblike rastlinskih celic so lahko zelo raznolike, odvisno predvsem od njihove funkcionalne prilagojenosti. Ko ena celica predstavlja cel organizem, je velika, običajno kroglasta in kompleksno zgrajena. Pri večceličnih organizmih je preprosteje zgrajena, oblika je prilagojena funkciji, število različnih oblik narašča s kompleksnostjo organizacije. Vseeno pa lahko govorimo o dveh glavnih oblikah rastlinskih celic: - parenhimatske celice: bolj ali manj okrogle - prozenhimatske celice: v dolžinski osi podaljšane. 1.2 CITOPLAZMA Citoplazma je koloidna raztopina organskih in anorganskih substanc. Kljub temu, da je tekoča je tudi sistem z notranjo urejenostjo. Citoplazma nikoli ne miruje. Zlasti v endoplazmi je vidno gibanje citoplazme. Ločimo v glavnem dve vrsti gibanja citoplazme:

4 4 1. cirkulacijsko gibanje, ki je značilno predvsem za celice kopenskih rastlin, ki imajo več celičnih vakuol. V tem primeru se giblje citoplazma v dveh nasprotujočih si smereh na vsaki strani plazmatskih niti. 2. rotacijsko gibanje je značilno za celice vodnih rastlin, ki imajo eno samo, centralno celično vakuolo. V tem primeru se citoplazma giblje vedno v isti smeri (rotira). Poleg cirkulacije in rotacije obstajajo še druge vrste citoplazmatskega gibanja (npr. fluktuacijsko). Na hitrost gibanaj vplivajo: temperatura, osmotski pritisk, električna energija, nekatere kemikalije idr. 1.3 PLASTIDI Te celične organele imajo le rastline. Skupna vsem plastidom je dvojna lipoproteidna membrana in sposobnost razmnoževanja z delitvijo na dvoje. Izvor plastidov razlaga endosimbiontska teorija. Slika: Zgradba plastida Vsebuje lastno DNK (krožna), ki je podobna prokariontski. Informacija, ki je zapisana v DNK ne zadošča, potrebne informacije dobi plastid iz jedrne DNK. Ima tudi lastne ribosome, ki so podobni prokariontskim. Plastidi (in nekatere lasnosti, ki so vezane na plastide (barva cvetov)) se dedujejo po ženski strani, kajti moške spolne celice imajo le malo citoplazme in zato nimajo prostora za plastide. Vse vrste plastidov nastanejo iz majhnega, ameboidno gibljivega proplastida, ki vsebuje lipoidne tvorbe-plastoglobule, starejši pa tudi škrob.

5 5 Ločimo neobarvane plastide = levkoplaste in obarvane plastide=kromatofore, ki so lahko fotosintetsko aktivni ali fotosintetsko neaktivni. Med fotosintetsko aktivne uvrščamo zelene kloroplaste, rjave feoplaste in rdeče rodoplaste. Fotosintetsko neaktivni plastidi pa so kromoplasti. Zaradi podobnosti v zgradbi različnih oblik plastidov prihaja lahko do različnih pretvorb med njimi. Slika: Pretvorbe plastidov Kloroplasti (gr. chloros = zelen) Kloroplasti so plastidi, ki jih najdemo v zelenih delih rastlin (v sredici zelenih listov, primarni skorji zelenega stebla, v zelenih plodovih in v celicah zapiralkah listnih rež). Povprečno so veliki 4-6 μm. Kloroplaste alg imenujemo kromatofori. Alge vsebujejo v svojih celicah večinoma le en ali manjše število kromatoforov. Zgradba in oblika kromatofora je za posamezno vrsto alg značilna (spiralasti, zvezdasti,...) Kromatofori alg A- Mougeotia sp. B- Spirogyra sp. C- Pleurostigma angulatum D- Oedogonium sp. E- Zygnema sp. n-jedro c-kloroplast p-pirenoid

6 6 Pri višjih rastlinah so večinoma lečaste oblike, zato se imenujejo klorofilna zrna. Število klorofilnih zrn v posameznih celicah je različno. Večje število manjših kloroplastov je znak višje organizacije. Na število in velikost kloroplastov vplivajo tudi ekološke razmere. Rastline v hladnejših senčnatih področjih imajo manjše število velikih kloroplastov, na sončnih področjih pa veliko število manjših kloroplastov. Kloroplast lahko nastane iz proplastida (pri višjih rastlinah: z uvihovanjem notranje membrane), iz levkoplasta (npr. krompirjev gomolj), iz etioplasta. Za te prtvorbe je potrebna svetloba. Novi kloroplasti lahko nastajajo tudi z delitvijo obstoječih kloroplastov, ki je neodvisna od delitve celice (primer: Mnium sp.) Vsako klorofilno zrno sestoji iz brezbarvne osnovne mase imenovane stroma in zelenih zrnc imenovanih grana, ki močno povečujejo absorbcijsko površino. Kloroplaste obdaja dvojna membrana. Notranja membrana je močno nagubana in gube, ki so oblike sploščenih vreč, imenujemo tilakoide. V kloroplastih so tilakoide dveh oblik. Tilakoide, ki tvorijo grano (tilakoide nameščene ena nad drugo) so granatilakoide, tiste, ki povezujejo grane pa so stromatilakoide. Na granatilakoidah so fotosintetski pigmenti in drugi pigmenti ter encimi. V lipidnem dvosloju so klorofilne molekule s fitolom vsajene v pravilnih razmakih, vmes pa so antenski pigmenti (lovijo foton in ga predajo naprej). Na tilakoidah poteka svetlobni del fotosinteze. Temoten del fotosinteze poteka v stromi, ki vsebuje encime temotnih reakcij fotosinteze, škrobna zrna (iz ogljikovih hidratov, ki nastajajo pri fotosintezi, se tvorijo zrnca škroba, ki je prehoden in se ponoči razgradi), plastoglobule kot rezerve lipidov, proteinske kristale, DNA, RNA. V kloroplastih so prisotni klorofili (C3 rastline razmerje klorofila a : klorofila b = 3 : 1, C4 rastline razmerje kolorofil a : klorofil b = 4 5 : 1) in karotenoidi (razmerje ksantofili : karoteni 3 : 1). Klorofili prevladujejo nad karotenoidi, zato so kloroplasti zeleni. Karotenoidi postanejo vidni pri jesenski rumenitvi listov. Količina klorofilov v listih je odvisna tudi od intenzitete osvetlitve. Rastline so prilagojene na šibko svetlobo z večjimi kloroplasti in večjo vsebnostjo klorofilov. Lega klorofilnih zrn v celicah je tudi zelo različna, kar je odvisno od smeri in jakosti osvetlitve. Pri močni direktni svetlobi se kloroplasti postavijo ob bočne celične stene in vzporedno s smerjo žarkov svetlobe. Pri difuzni šibkejši osvetlitvi pa se postavijo ob celične stene, ki so vzporedno s površino lista

7 7 in pravokotno na smer sončnih žarkov. Poleg od svetlobe induciranega gibanja kloroplastov s tokom citoplazme se kloroplasti gibljejo tudi pasivno s tokom citoplazme Kromoplasti So fotosintetsko neaktivni plastidi, rumene, oranžne, rdeče, rjave barve. Nastanejo iz proplastida ali kloroplasta (pri zorenju plodov (paradižnik)), redkeje pa iz levkoplasta. Nahajajo se pretežno v plodovih in cvetovih, redkeje v podzemnih organih (korenje). Najdemo jih npr. v korenju, plodovih paradižnika, paprike, šipka, pomaranče, mandarine in limone. V stromi se sintetizirajo različna barvila, med njimi karotenoidi. Ti so lipofilni (lipokromi), zato so v celici vedno v plastidih (tista, ki so topna v vodi pa so v vakuoli). Živali karotenov ne sintetizirajo. Dobivajo jih s hrano. Iz skupine karotenoidov so najbolj poznani: A. karoteni: beta karoten (oranžne barve, raztopljen v stromi, včasih kristalizira, kristal pa lahko raste dokler kromoplast ne poči), likopen (daje rdečo barvo paradižniku, šipku, vrtnicam), alfa karoten B. ksantofili (rumeni): lutein, zeaksantin, violaksantin (rumena barva mačeh, narcis, arnike), taraksantin (regrat), krizantemaksantin. Glede na notranjo zgradbo ločimo štiri vrste kromoplastov: - globularni (venčni listi bučevk, zlatičevk, nebinovk, radičevk) - fibrilarni = tubularni (osemenje ali oplodje plodov rožnic, razhudnikovk) - membranski = lamelarni (cvetovi narcis) - kristalinični (koren korenja). Kromoplasti imajo predvsem ekološko funkcijo. S svojo barvitostjo privabljajo opraševalce in pospešujejo razširjanje plodov in semen Levkoplasti (gr. leukos = bel) Levkoplasti so brezbarvni plastidi okrogle ali podolgovate oblike in povprečne velikosti 2-3 μm. So v rumeno-belih progastih ali lisastih (panaširanih) listih varietet številnih rastlinskih vrst, endospermu in kličnih listih semen, v celicah povrhnjic embrionalnih tkiv in v založnih tkivih stebla in podzemnih organov. Levkoplasti imajo pogosto založno funkcijo. Funkcija majhnih levkplastov v celicah povrhnjic in zelenih stebel ni jasna. Levkoplaste z založno funkcijo delimo glede na snovi, ki jih sintetizirajo in shranjujejo, na:

8 8 amiloplaste, ki sintetizirajo in shranjujejo škrob proteinoplaste, ki sintetizirajo proteine in jih v sebi nalagajo v obliki velikih beljakovinskih kristalov elaiopaste, ki sintetizirajo in shranjujejo olja. Amiloplaste najdemo v celicah semen, korenik, korenov in gomoljev, proteinoplaste v embrionalnih celicah, elaioplaste pa v celicah nekaterih družin enokaličnic. V kloroplastih nastaja primarni (asimilacijski) škrob. Kopičenje večje količine škroba v kloroplastih bi negativno vplivalo na fotosintezo, zato je potreben transport iz lista. Primarni škrob se zopet pretvori v topni sladkor in transportira v založne organe. Tu se ponovno polimerizira v večja zrna rezervnega škroba (sekundarni škrob). Rezervnega škroba je v založnih tkivih veliko. Zgradba škrobnega zrna: Škrobno zrno se tvori tako, da najprej nastane jedro - tvorni center v obliki kroglice, okrog njega pa se nalagajo sloji škroba. Slojevitost je opazna zaradi izmeničnega nalaganja redkejših plasti, ki vsebujejo več vode in so temnejše, ter gostejših plasti z manj vode (svetlejše). Škrobna zrna so po obliki in velikosti različna (premer μm). Glede na položaj centra nastajanja škrobovega zrna v amiloplastu lahko nastanejo koncentrična (metuljnice, trave) ali ekscentrična (krompir) škrobova zrna. V levkoplastih je lahko en ali več centrov nastajanja škroba in glede na to lahko nastanejo poleg enostavnih škrobnih zrn tudi sestavljena (oves). Škrobna zrna so za posamezno rastlinsko vrsto značilna. Velikost zrn je različna, od 3 μm pri rižu do 100 μm pri krompirju. Enostavno koncentrično škrobno zrno Enostavno ekscentrično škrobno zrno Sestavljeno zrno škrobno Polsestavljeno škrobno zrno pšenica krompir oves krompir

9 9 Kemijska struktura škroba: amiloza + amilopektin amiloza iz glukoznih molekul vezi: C1-C4 molekula vijačna jod jo obarva temno vijoličasto amilopektin iz 3000 glukoznih molekul vezi: C1-C4 in C1 - C6 molekula razvejana jod jo obarva rožnato

10 VAKUOLA Mlade meristematske celice še nimajo vakuol. S povečevanjem cistern ER (npr. lipidne vakuole) ali z odvajanjem in povečevanjem golgijevih veziklov (npr. vakuole z eteričnimi olji) ali z invaginacijo plazmaleme (pri pinocitozi) lahko nastajajo vakuole napolnjene s celičnim sokom obdane z enojno elementarno membrano = tonoplastom. V celici nastaja več vakuol, ki rastejo. V odrasli celici se vakuole običajno zlijejo v eno ali dve vakuoli, ki potisneta citoplazmo tik ob celično steno. Sistem vakuol v celici imenujemo vakuom. Slika: Razvoj vakuoma v celici Slika: Vakuola Sestava celičnega soka je odvisna od razvojnega stadija in funkcije celice. Sestavine celičnega soka so voda, anorganske soli, organske kisline, ogljikovi hidrati, maščobne kapljice, eterična olja, smole, kavčuk, beljakovine, glikozidi, alkaloidi, tanini, vitamini idr. Vakuolna barvila: Večino vakuolnih barvil predstavljajo substance iz skupine flavonoidov. Med njimi so najbolj raziskani:

11 11 - antociani (rdeči, modri, škrlatni, vijolični): pelargonija, mak, dalija, pljučnik, hortenzija, čebula - antoksantini (bledorumeni): jeglič, preobjeda, naprstec Vakuolna barvila so topna v vodi. Poimenovana so po rodovih pri katerih se pojavljajo. Navadno dajejo barvo cvetovom, plodovom, lahko listom. Glikozidi: Zgrajeni so iz sladkornega dela in aglikona. Pogosto predstavljajo zaščito celice, ker so večinoma toksični. Primeri glikozidov: - kumarinski glikozid (aglikon je aromatski kumarin): Anthoxanthum, Melilotus, Asperula odorata - digitalin (Digitalis) - amigdalin (pri hidrolizi nastane iz njega zelo strupena cianovodikova kislina (HCN): semena mandlja, marelice, breskve, slive, jablane - singrin (vsebuje žveplo): hren. Alkaloidi: Strupene snovi, ki se pogosto kopičijo v celicah v večjih količinah. Posebej bogate z alkaloidi so rastline iz družin Solanaceae, Papaveraceae, Ranunculaceae, Apocynaceae in Rubiaceae. Primeri vakuolnih alkaloidov: kofein (kava, čaj, kakav), tein (listi čajevca), teobromin (kakav), kinin (kininovec), morfin, kodein, narkotin (mak), atropin, skopolamin (Solanaceae), nikotin (Nicotiana), ergotamin, ergobazin (Claviceps purpurea), kolhicin (Colhicum autumnale), psilocibin (Psylocibe), protoanemonin (Ranunculaceae), pirolizidinski alkaloidi (Asteraceae, Boraginaceae), akonitin (Aconitum). Čreslovine, tanini: Nahajajo se predvsem v lubju, tudi v plodovih (brusnica, borovnica), listih (čajevec), semenu (kakavovec). Ščitijo tkiva pred mikroorganizmi. Ko celica propade, se vpijejo v celično steno. Olja, maščobe: Nahajajo se večinoma v celicah založnih tkiv, kjer predstavljajo rezervo (npr. soja v semenih 20% olja, arašidi 40-50%) Terpenski derivati: So polimerizati izoprena. Eterična olja so lahkohlapne zmesi ogljikovodikov, alkoholov, aldehidov in ketonov monoterpenskega in seskviterpenskega niza ter derivatov fenilpropana. Verjetno se primarno sintetizirajo v plastidih, kasneje pa se pojavljajo kot kapljice v npr. skorji cimetovca, listih lovorja, semenih popra. Balzami so poltekoči terpenski derivati. Smole so gostotekoče ali trdne zmesi eteričnih olj in smolnih kislin. Smola iglavcev nastaja v posebnih žleznih celicah ter se nato izloča v smolne kanale. Kavčuk je visokomolekularni poliizopren, ki se nahaja v mlečku, ki nastaja v mlečnih ceveh kavčukovca in nekaterih košarnic. Beljakovine: Sočna založna tkiva pogosto vsebujejo v celičnem soku raztopljene beljakovine. V suhih založnih tkivih (semena) se z odvzemanjem vode tvorijo trdna proteinska = aleuronska zrna (posušene beljakovinske vakuole). Vakuole, ki vsebujejo beljakovine se oblikujejo v

12 12 okroglasta zrnca, v katerih težko topni globulini tvorijo beljakovinske kristaloide, ki so vklopljeni v osnovno snov, ki vsebuje albumine. Aleuronska zrna pogosto vsebujejo globoide (sestavljeni iz amorfnega fitina, Ca-Mg sol inozitol-heksafosforne kisline). Slika: Prečni prerez zunanjih plasti pšeničnega zrna Založna celica z alevronskimi zrni Alevronsko zrno Slika: Založna celica iz endosperma ricinusa z veliko centralno oljno vakuolo in številnimi alevronskimi zrni različnih velikosti. V vsakem alevronskem zrnu sta tetraedrični proteinski kristaloid in kroglasto-amorfni globoid. Kristali anorganskih snovi: So produkti metabolizma. V celičnem soku so prisotni kloridi, nitrati, sulfati, fosfati, soli kalija, magnezija in kalcija (Ca oksalat). Rastlina jih kopiči v listih in se jih z odpadanjem listov znebi. Organske kisline: Zaradi organskih kislin je reakcija celičnega soka večinoma kisla (ph 5,5). Mnoge od organskih kislin so v vakuoli v obliki soli, ki so topne ali pa netopne in kristalizirajo v značilne tvorbe (npr. kalcijev oksalat monohidrat, ki se pojavlja v obliki kopuč v celicah

13 13 listnih pecljev oreha, kalcijev oksalt dihidrat, ki se pojavlja v obliki tetragonskih prizem v suhih luskolistih čebule). Kristali kalcijevega oksalata monohidrata Kristali kalcijevega oksalata dihidrata

14 Turgor in plazmoliza Vakuola daje celici čvrstost. Celična stena, ki obdaja celico, je odporna na poteg ne pa na tlačne pritiske, zato celici ne daje zadostne čvrstosti. Napeto stanje žive celice, ki je posledica obojestranskega pritiska celične stene in protoplasta, se imenuje turgor. Ta pritisk je v celici pogojen s prisotnostjo različnih snovi v celičnem soku, ki privlačijo vodo. Celico lahko primerjamo z osmotskim aparatom. Če ima celični sok, ki predstavlja specifično raztopino raznih snovi, večji osmotski pritisk kot zunanja raztopina (če je hipertoničen), bo vpijal vodo iz slednje (ki je hipotonična). Vakuola se razteza, ko vanjo zaradi razlik v osmotskih pritiskih, vdira voda iz okolice. Pri tem pritiska na celično steno, ki je do neke mere raztegljiva. Stena pritiska na protoplast s stenskim pritiskom (w). Protoplast pritiska na steno s turgorskim pritiskom (P), ki je posledica osmotskega tlaka. Celica je zato v notranjosti napeta=turgescentna. Velikost turgorja oz. stopnja turgescentnosti je neposredno odvisna od razlike osmotskih pritiskov v celici in izven nje ter od stopnje elastičnosti celične stene. Celoten turgor v celicah vseh organov rastline daje čvrstost celotni rastlini. Plazmoliza je odstopanje protoplazmatskih delov rastlinske celice od celične stene. Povzročijo jo močno koncentrirane raztopine raznih soli v okolju celice, ki osmotsko odtegnejo vodo iz celičnega soka vakuole. Če plazmolizirano celico prenesemo v vodo, se pojavi obraten proces (deplazmoliza), pri čemer se zaradi povečanja notranjega pritiska vode (turgor) v celici zveča tudi njena trdnost. Slika: Celice iz spodnje povrhnjice Rhoeo discolor A-celica je v vodi (hipotonično okolje); celica je turgescentna; B - celica je v hipertoničnem okolju ( v raztopini KNO 3 ); volumen celice se zmanjšuje, dokler to dovoljuje elastičnost celične stene, nato začne protoplast odstopati od celične stene plazmoliza; C - po daljši izpostavitvi hipertonični raztopini je plazmoliza končana; D - po prenosu celice v vodo (hipotonična raztopina) je vidna deplazmoliza

15 CELIČNA STENA Celična stena ščiti protoplast in celici daje obliko in oporo. Vse rastlinske celice so praviloma obdane s celično steno, ki je neživ izoček celice. Brez celične stene so le zoospore mnogih alg in spolne celice višjih rastlin. Pri teh se šele po oploditvi na površino zigote izloči celična stena. V golgijevih veziklih se sintetizirajo snovi, ki gradijo steno, vezikli potujejo do plazmaleme, membrani (vezikla in plazmaleme) se zlijeta in vsebina vezikla se izlije na zunanjo stran plazmaleme. Nastane prva celična stena = primordialna celična stena = osrednja lamela. Pri delitvi celice, ki že ima celično steno, se zbirajo golgijevi vezikli na sredini celice. Formira se fragmoplast. Golgijevi vezikli na področju fragmoplasta počijo, njihove membrane se zlijejo v novo plazmalemo, ki se spoji z že obstoječo plazmalemo. Izlita vsebina veziklov tvori novo celično steno. Mlada embrionalna ali primordialna stena je tanka in tesno povezana s plazmatsko celično membrano. Sestavljena je iz Ca in Mg pektata (protopektin). Primordialna stena raste najprej površinsko z nalaganjem (apozicija) in vlaganjem (intususcepcija) molekul protopektina, nato pa v debelino z nalaganjem tankih lamel iz celuloze, pektina in drugih snovi, tako da nastane še primarna (15%celuloze, 85%protopektina in hemiceluloz), sekundarna (90%celuloze, 10%protopektina in hemiceluloz) in terciarna (celuloza) stena, ki tvorijo skupno celotno odebeljeno celično steno. Najdebelejši sloj stene predstavlja sekundarna celična stena. Takšna oddebeljena celična stena težko prepušča vodo in raztopljene snovi, razen v posebnih predelih, imenovanjih piknje. Na teh predelih se naložita le primordialna in primarna stena, sekundarna stena pa ne. Na predelu piknje sta tudi primordialna in primarna stena preluknjani. Skozi luknjice potekajo kanalčki, ki jih imenujemo plazmodezme. Rob kanalčka predstavlja plazmalema, kar pomeni, da sta preko pikenj povezani plazmalemi sosednjih celic. V sredini kanalčka poteka dezmotubul (endoplazmatski retikulum) obdan z obročem citoplazme, ki ga imenujemo anulus. Slika: Plazmodezme

16 16 Celične stene lahko v različnih tkivih odebelijo enakomerno ali neenakomerno (lokalne odebelitve). Novi sloji celične stene se lahko nalagajo z zunanje ali z notranje strani osrednje lamele. Če se nalagajo z zunanje strani so to centrifugalne odebelitve (redke in vedno neenakomerne; npr. pelodna zrna), če se nalagajo na notranji strani so to centripetalne odebelitve celične stene (pogostejše in so lahko enakomerne ali neenakomerne (v obliki zob, letvic, obročkov; npr. stene trahej, traheid, cistolit pri fikusu)). Če je sekundarna celična stena zelo odebeljena, imajo piknje obliko kanalov. Pri golosemenkah srečamo posebno oblikovane piknje, ki jih imenujemo obokane piknje. Slika: Struktura kanalske in obokane piknje V sekundarno celično steno se pogosto vlagajo (inkrusti) in nalagajo (akrusti) snovi, ki spremenijo kemične in fizikalne lastnosti celične stene (povečajo odpornost na mikrobno ali glivno razgradnjo, preprečujejo izhlapevanje, povečujejo trdnost in trdoto tkiv). Najpogosteje se nalagajo: kutin (kutinizacija; kutikula, epiderm; funkcija: zmanjševanje izhlapevanja vode iz listov in stebel), suberin (oplutenitev; sekundarna krovna tkiva; funkcija: zmanjšano izhlapevanje vode iz korenin, stebel), lignin (lignifikacija ali olesenitev; mehanska in prevajalna tkiva; funkcija: odpornost na pritisk) in minerali (mineralizacija; funkcija: trdnost, obramba pred herbivori)(kremen (npr. pri preslicah, šaših)), kalcij (npr. trihomi pri družinah Cucurbitaceae, Boraginaceae, žgalni laski kopriv, osemenje pri rodu ptičje seme).

17 CELIČNO JEDRO Morfološko oblikovano jedro z jedrno ovojnico najdemo v vseh celicah evkariontskih organizmov. Obstajajo tudi brezjedrne celice (npr. sitke); te nadzira jedro sosednjih celic s katerimi so preko plazmodezem povezane. Oblika jedra je odvisna od oblike in funkcije celic. Najpogosteje je okrogle, eliptične ali lečaste oblike. Tudi po velikosti so jedra zelo različna: največja so jedra jajčnih celic sagovcev (premer 0,6 mm), najmanjša so jedra gliv (0,5 μm), povprečna velikost jeder višjih rastlin pa je μm. MORFOLOŠKA ZGRADBA JEDRA: - jedrna ovojnica (specializiran del ER) - jedrna plazma (karioplazma, nukleoplazma) - kromatinske niti (despiralizirani kromosomi) s kromocentri (močno spiralizirani deli kromatinske niti, ki se močneje barvajo) - eno ali več jedrc (nukleolus), vidnih v interfazi - jedrni ribosomi Slika: Morfološka zgradba jedra DNK DNK je sedež dedne informacije. Vsaka molekula sestoji iz dveh polinukleotidnih verig, ki se ovijata v obliki dvojne vijačnice. Vsak nukleotid je sestavljen iz sladkorja pentozedeoksiriboze, fosforjeve kisline in ene dušikove organske baze. V DNK sta dva komplementarna para dušikovih baz: A-T = adenin-timin in G-C = gvanin-citozin, ki sta povezana z dvema oz. tremi vodikovimi vezmi. Gen Najmanjšo enoto, ki kodira funkcionalno sposobno proteinsko verigo imenujemo gen. Geni so torej odseki na polinukleotidni verigi in se v povprečju sestojijo iz nukleotidnih parov. Kromosomi Kromosomi so nosilci dednih enot (genov), ki s svojo aktivnostjo usmerjajo in regulirajo metabolične in morfogenetske procese v celici. V času jedrne delitve se vzdolžno delijo in s tem omogočajo prenos dednih osnov iz ene celice v drugo in iz ene generacije v drugo. Kromosomi so najprimernejši za opazovanje v metafazi mitotske jedrne delitve (v skrčeni, transportni obliki). Metafazni kromosomi imajo primarno zožitev, ki razdeli kromosom na

18 18 dva kraka. V primarni zožitvi je center za premikanje kromosomov, imenovan centromer ali kinetohor. Nanj se pritrjajo med delitvijo vlakna delitvenega vretena. Glede na lego centromera ločimo: - metacentrične kromosome (centromera je na sredini) - submetacentrične kromosome (centromera je izven sredine centromera) - subtelocentrične (akrocentrične) kromosome (centromer skoraj na enem koncu kromosoma) - telocentrične kromosome (centromera je na koncu kromosoma). Nekateri kromosomi imajo še sekundarno zožitev, ki deluje kot nukleolarni organizator (center organizacije jedrca, ki je neobhodno potreben za njegovo oblikovanje ob koncu celične delitve; jedrce nastane okrog nuklearnega organizatorja tako, da se tam nakopiči več RNA). Ta del kromosoma je nespiraliziran in genetsko aktiven v času jedrne delitve. Če je sekundarna zožitev locirana subterminalno, govorimo o SAT kromosomih. Slika : SAT kromosom: pz primarna zožitev, sz - sekundarna zožitev, c centromera Glede na funkcijo ločimo 3 stanja jedra: 1. INTERFAZNO JEDRO je jedro v celici, ki se bo še delila (jedro med dvema delitvama). To je biokemijsko in fiziološko najbolj aktivno obdobje v življenju celice, v katerem se pojavi podvojevanje DNK. 2. V času delitve celice govorimo o MITOTSKEM JEDRU. Interfazna in mitotska jedra so v embrionalnih celicah. 3. METABOLIČNO ali DELOVNO JEDRO je jedro trajnih diferenciranih celic, ki sodelujejo samo v metaboličnih procesih in se ne delijo. CELIČNI CIKEL Obdobje med dvema delitvama imenujemo interfaza in je časovno najdaljše. Mitoza in interfaza sestavljata celični ciklus, ki traja povprečno od 20 do 30 ur (od tega mitoza 1-2 uri). V interfazi poteka sinteza beljakovin, ogljikovih hidratov, lipidov in rast celic v dolžino. Vrši se tudi podvajanje kromatid in priprava na novo delitev. V interfazi so kromatinske niti najbolj odvite (despiralizirane). A kromatin tudi tedaj ni popolnoma odvit, ampak je osnovna enota (nukleosom) sestavljena iz proteinskega jedra (histoni) in ovitega fragmenta DNK. Med posameznimi nukleosomi je DNK odvita.

19 19 Slika: Celični cikel pri čebuli Mitoza: P profaza, M metafaza, A anafaza, T telofaza, Interfaza: G1 presintetična faza, S sintetična faza, G2 postsintetična faza, h ura MITOZA Mitozo lahko opazujemov meristemskih tkivih, največkrat v rastnih vršičkih korenin. Delimo jo na 4 faze, od katerih najdlje traja profaza, najkrajši pa sta metafaza in telofaza. 1. Profaza V začetku profaze je kromatin v obliki tankih, dolgih slabo spiraliziranih niti. Kromatinske niti se proti koncu profaze vse bolj spiralizirajo (na ta način se debelijo in krajšajo) in tako tvorijo kromosome. Vsak kromosom tvorita dve kromatidi. Ob koncu profaze izginejo jedrca in jedrna ovojnica. Tvoriti se začne delitveno vreteno, ki ga sestavljata dva centriola in mikrotubuli, ki so med njima. 2. Metafaza Delitveno vreteno se dokončno izoblikuje. Kromosomi so tedaj najkrajši in najdebelejši ter zato najbolj ugodni za opazovanje, štetje in analizo kariotipa rastlinske vrste. V idealnem primeru so razporejeni v ekvatorialni ravnini celice. V tej fazi se kromatidi ločita in ostaneta povezani le še pri centromeri. Nanjo se pritrjajo mikrotubuli delitvenega vretena. 3. Anafaza Niti delitvenega vretena dokončno ločijo hčerinski kromatidi (anafazni kromosom) in ju vlečejo proti poloma celice. Ob koncu anafaze se prično zbirati v ekvatorialni ravnini celice Golgijevi vezikli, ki tvorijo celično ploščo 4. Telofaza Kromosomi se despiralizirajo (evkromatski del), podaljšajo, tako da zopet govorimo o kromatinu. Heterokromatski deli (kromocentri) ostanejo spiralizirani. Spet se pojavijo jedrca in jedrna ovojnica. Nastane primordialna celična stena, ki predeli novo nastali celici (cotokineza).

20 20 Kromosomska števila se po somatski celični delitvi ne spremenijo. Iz diploidne (2n) somatske celice nastaneta dve diploidni celici. Po končani mitozi lahko celice preidejo v nov celični ciklus (meristemi) ali pa preidejo v trajno stanje (trajna tkiva). Mitoza: A interfaza, B zgodnja profaza, C profaza, D zgodnja metafaza, E metafaza, F anafaza, G- zgodnja telofaza, H telofaza, I - interfaza

21 21 MEJOZA - REDUKCIJSKA DELITEV - ZORITVENA DELITEV Vsaka zrela spolna celica ima enojno, monoploidno ali haploidno število kromosomov, ki ga označujemo z n (bob n = 7, čebula n = 8). Z združitvijo ženske in moške spolne celice nastane zigota, ki ima dvojno ali diploidno število kromosomov in ga označujemo z 2n (4c) (bob 2n = 14, čebula 2n = 16). Iz zigote nastane z mitotskimi delitvami diploidna rastlina. Če bi ta rastlina tvorila spolne celice z diploidnim številom, bi se število kromosomov iz generacije v generacijo večalo. Do tega ne pride, zaradi redukcijske delitve, pri kateri se zmanjša diploidno število kromosomov na haploidno. Bistvo mejoze je v tem, da se diploidno jedro ob enem podvojevanju kromosomov razdeli v dveh postopnih delitvah na štiri jedra s haploidnim številom kromosomov. Pri mejozi ločimo prvo in drugo zoritveno delitev. V prvi zoritveni delitvi se ne delijo (kot pri mitozi) podvojene kromatinske niti, ampak celi kromosomi. Pri tem se celi kromosomi razporedijo v hčerinske celice neodvisno od njihove prvobitne pripadnosti materinemu ali očetovemu genomu. Šele v drugi zoritveni delitvi se ločijo tudi kromatide. Končni rezultat mejoze so torej štiri haploidne celice (n). Tekom mejoze ne pride le do temeljitega mešanja in novih kombinacij homolognih kromosomov, ki jih je vsak osebek dobil od matere oziroma od očeta, ampak se izmenjujejo in na novo kombinirajo tudi geni, ki so na posameznih kromosomih. Podobno kot pri mitozi ločimo tudi pri obeh zoritvenih delitvah štiri faze: profazo, metafazo, anafazo in telofazo. Prva zoritvena delitev - mejoza I Profaza prve zoritvene delitve je zelo dolga in obsega pet stadijev: leptoten, zigoten, pahiten, diploten in diakineza. V leptotenu so kromosomi v obliki dolgih niti. Vsak je zgrajen iz dveh kromatid. V zigotenu se začne konjugacija (vzdolžno parjenje) homolognih kromosomov (konjugirata tisti očetov in tisti materin kromosom, ki nosita zapise za iste lastnosti) v bivalente. V pahitenu se konjugacija homolognih kromosomov zaključi. Spiralizacija kromosomov se poveča, zato se kromosomi skrajšajo in odebelijo. Ob koncu pahitena se bivalenti vzdolžno predelijo v tetrado kromatid. V diplotenu se kromosomi še dodatno skrajšajo in odebelijo. V tej fazi prihaja do izmenjave delov kromatid med kromosomom očeta in matere, kar imenujemo crossing over. S tem se spremeni genetska sestava kromosomov. V diakinezi se kromosomi še nadalje krajšajo in debelijo. Razporedijo se ob jedrni ovojnici. V diakinezi zato najlažje preštejemo kromosome. Ob koncu diakineze se razkroji jedrna ovojnica. Metafaza, anafaza in telofaza prve zoritvene delitve potekajo podobo kot pri mitozi, le da se centromere ne delijo in zato niti delitvenega vretena povlečejo na nasprotna pola celice cele kromosome. Kot rezultat prve zoritvene delitve tako nastaneta iz ene diploidne celice dve haploidni celici (celična diada). Vsak kromosom v taki haploidni celici je sestavljen iz dveh kromatid. Prvi zoritveni delitvi sledi interkineza, ki je kratka interfaza brez podvojevanja kromosomov. Druga zoritvena delitev - mejoza II. Po interkinezi nastopi druga zoritvena delitev, ki poteka kot haploidna mitoza. Kot rezultat druge zoritvene delitve nastanejo iz dveh haploidnih celic (celična diada) štiri haploidne celice (celična tetrada).

22 22 Slika: Mejoza mejoza I (A-H): A-E: profaza: A leptoten, B zigoten, C pahiten, D diploten, E diakineza; F metafaza; G anafaza; H - telofaza interkineza I mejoza II (K-M): K - metafaza; L - anafaza; M - telofaza