6.1. Перiодизацiя розвитку клiтини

На рисунку (рис. 1) показано узагальнений графiк, що вiдображає змiну частоти подiлiв клiтини в її життєвому циклi, перiоди якого позначенi цифрами (0)I-III. Нульовий перiод вiдповiдає так званiй iнiцiальнiй клiтинi, яка постiйно знаходиться у складi точки росту i дiлиться потенцiйно необмежено довго iз вiдносно невисокою i сталою частотою.

Перший перiод характеризується пiдвищеною частотою подiлiв, кiлькiсть яких для кожної клiтини, похiдної вiд iнiцiальної, обмежена. Розмiр клiтини у вищих рослин у цiй фазi життєвого циклу змiнюється мало: зменшується пiсля подiлу i вiдновлюється до вихiдного в перiод мiж подiлами. Клiтини в нульовому і першому періодах життєвого циклу зберiгають первинну оболонку, не утворюють спецiалiзованих органел.

Другий перiод життєвого циклу клiтини пов’язаний iз раптовим зниженням частоти подiлiв. Розмiр клiтини рiзко зростає за рахунок збiльшення об’єму вакуолi i розтягнення первинної оболонки. Рiст клiтини в цiй фазi розвитку майже не супроводжується зростанням вмiсту органiчних речовин: збiльшення об’єму клiтини пов’язане з поглинанням нею води, тому вiдбувається дуже швидко. Клiтина набуває певних розмiрів i форми, властивих клiтинам тих тканин, до складу яких вона входить. На цiй фазi розвитку у клiтини з’являються першi видимi ознаки спецiалiзацiї.

Третiй перiод життєвого циклу у бiльшостi клiтин пов’язаний iз майже повним припиненням росту i подiлiв. Лише деякi спецiалiзованi клiтини, наприклад, гiгантськi трубчастi молочники, ростуть фактично протягом усього свого життя. Як рiст клiтин у цей перiод, так i їхні подiли зазвичай пов’язанi зi специфiчною функцiональною спецiалiзацiєю або з неспецифiчним збiльшенням клiтинної маси i нiколи не супроводжуються утворенням нових частин тiла рослини. Клiтина набуває всiх ознак, властивих клiтинам тієї тканини, до складу якої вона входить: розвиває спецiалiзованi органели, видозмiнює свою оболонку, в якiй, як правило, вiдкладаються вториннi шари. Вона виконує тi функцiї, до яких пристосована в тiлi рослини. Змiни в її будовi пов’язанi лише з виконанням цих функцiй або старiнням.

Завершується життєвий цикл клiтини по-рiзному. Якщо його третя фаза пов’язана з вiдмиранням протопласта (бiльшiсть механiчних клiтин, водопровiднi елементи i деякi iншi), то розвиток клiтини надалi не має продовження. Клiтини, що зберiгають протопласт, як правило, також вiдмирають одночасно iз вiдмиранням того органа, до складу якого вони входять. Однак деякi з них здатнi входити в новий цикл розвитку.

Початок нового, вторинного, циклу розвитку завжди пов’язаний iз вiдновленням здатностi клiтини до подiлiв. Це може бути зумовлене вiдповiддю на пошкодження рослини i процесами регенерацiї. При непатологiчному, природньому розвитку активiзацiя клiтинних подiлiв вiдбувається в таких випадках. По-перше, при формуваннi нових точок росту пагонiв i коренiв (бiльшiсть випадкiв галуження, утворення додаткових коренiв i бруньок). Так вiдновлюється можливiсть повторення циклiв розвитку клiтин за первинною схемою. По-друге, при виникненнi нових органiв (листкiв, частин квiтки, спорангiїв i гаметангiїв) або багатоклiтинних виростiв на поверхнi тiла (шипiв, залозок та iнш.). Так виникають новi частини тiла, що мають обмежений ріст. По-третє, в процесі формування вторинних зон подiлу з власними iнiцiальними клiтинами (наприклад, камбiю, зон встановного), за рахунок яких вiдбувається вторинне потовщення вже iснуючих органiв або їхнє видовження. Так виникають новi тканини, але не новi частини тiла. По-четверте, перед функцiональною спецiалiзацiєю деяких клiтин у межах клiтинного комплексу (утворення прокамбiю, що передує розвитку провiдних тканин, материнських клiтин продихiв i кореневих волоскiв та iн.). Так виникають новi типи клiтин у складi вже iснуючих або новостворених тканин. По-п’яте, перед утворенням спецiалiзованих клiтин - спор i гамет, якi забезпечують розвиток нових багатоклiтинних органiзмiв iз єдиної клiтини - спори або зиготи. Так забезпечується закономiрна змiна поколiнь у вищих рослин.

Описана схема життєвого циклу клiтини не враховує сезонних i добових ритмiв, вiкових змiн i вiдхилень, пов’язаних iз зовнiшнiми впливами. Навiть iнiцiальнi клiтини можуть мати свiй життєвий цикл i змiнювати ритм подiлiв i характер своєї дiяльностi при припиненнi, наприклад, верхiвкового росту пагона (кореня) або утвореннi верхiвкової квiтки (суцвiття), навiть завершувати своє iснування вiдмиранням. Життєвi цикли клiтин різняться не лише у рiзних видiв, але i в межах однiєї рослини i тканини. Тим не менш, описанi закономiрностi їхнього протiкання мають загальний характер i значною мiрою визначаються процесами, якi вiдбуваються під час подiлу клiтини.

6.2. Мiтоз

Процеси, пов’язанi з подвоєнням молекул ДНК i копiюванням у такий спосіб генетичної iнформацiї клiтини, вiдбуваються в її ядрi i створюють передумови для збiльшення кiлькостi iдентичних у генетичному вiдношеннi клiтин. Подiл клiтини, який забезпечує рiвний i правильний розподiл ДНК мiж дочiрнiми клiтинами, генетично iдентичними материнськiй клiтинi, називають мiтозом. Мiтоз включає два процеси, якi зазвичай протiкають узгоджено: карiокiнез (подiл ядра) - рiвний розподiл iнформацiйних макромолекул ДНК з утворенням двох нових ядер, i цитокiнез (подiл клiтини) - утворення двох нових протопластiв iз власними оболонками довкола цих ядер.

Карiокiнез починається з утворення транспортних форм хроматину - морфологiчно вiдмежованих хромосом. В ядрi клiтини первиннi нитки молекул ДНК, що утворюють так звану подвiйну спiраль i мають дiаметр близько 2 нм, знаходяться в комплексi з основними бiлками-гiстонами. Об’єднанням 8 молекул гiстонiв утворюються так званi октамери, з якими зв’язується, обгортаючи їх спiрально приблизно в 1 3/4 оберта, первинна нитка ДНК. Виникають подвiйно спiралiзовапнi дiлянки ДНК в комплексi з октамерами гiстонiв близько 10-15 нм у дiаметрi - нуклеосоми. У штучно розпрямлених хроматинових ниток мiж нуклеосомами пiд електронним мiкроскопом помiтнi дiлянки первинної нитки ДНК. У ядрi нуклеосоми стягнутi iншим гiстоном з утворенням суперспiралiзованої елементарної хроматинової фiбрили близько 11 нм у дiаметрi.

Припускають, що елементарна фiбрила хроматину може зазнати ще два послiдовних етапи суперспiралiзацiї, утворюючи соленоїд, що має близько 30-50 нм у дiаметрi i суперсоленоїд 100-250 нм завтовшки. Остання структура утворює нуклеопротеiдну нитку найменшого дiаметра, яку ще можна побачити в свiтловий мiкроскоп - хромосомну нитку. Довжина цiєї нитки внаслiдок трикратної спiралiзацiї в 300-600 разiв менша за довжину первинної нитки ДНК. Ця нитка, мабуть, вiдповiдає нитчастому компоненту хромосоми - хромонемi, яку виявляють пiд свiтловим мiкроскопом. Її вузликоподiбно потовщенi (внаслiдок подальшої спiралiзацiї) дiлянки називають хромоцентрами. За допомогою зв’язаних з нею негiстонних бiлкiв хромонема суперспiралiзується щонайменш двiчi в малу i велику спiралi. В результатi п’яти послiдовних процесiв спiралiзацiї первинна нитка ДНК у комплексi з гiстоновими i негiстоновими бiлками здатна утворити компактне тiльце. Його довжина приблизно в 5000 разiв менша за довжину нитки ДНК, а дiаметр збiльшений настiльки, що ця структура помiтна в свiтловий мiкроскоп як морфологiчно вiдмежована хромосома.

Перед подiлом клiтини подвоєння молекул ДНК в ядрi вже вiдбулось, i в утвореннi кожної хромосоми в процесi карiокiнезу беруть участь двi елементарнi нитки ДНК. У результатi кожна з хромосом на початкових етапах карiокiнезу складена двома з’єднаними рiвнозначними одиницями - хроматидами. Досi не з’ясовано, скiльки iндивiдуальних молекул ДНК мiстить хроматида рослин i еукарiот взагалi. Не виключено, що елементарна нитка ДНК утворена кiлькома послiдовно зв’язаними молекулами.

Сукупнiсть хромосом клiтини називають хромосомним набором. У клiтинах всiх листостеблових вищих рослин, за винятком мохiв, кожна хромосома мiститься в двох копiях, кожна з яких перед мiтозом подвiйна. Подвiйне число хромосом позначають 2n, а набiр з 2n хромосом називають диплоїдним. Якщо в клiтинi кожна хромосома представлена однiєю (навiть подвiйною) копiєю, то набiр хромосом клiтини називають гаплоїдним. Гаплоїдне число хромосом позначають n. У клiтинах вегетативного тiла мохiв набiр хромосом гаплоїдний. У природних умовах спонтанно, а в умовах експерименту, внаслiдок втручання в нормальний цикл подiлу клiтин, або в процесі заплiднення можуть виникнути клiтини зi збiльшеним (часто кратно) або полiплоїдним набором хромосом: триплоїдним - 3n, тетраплоїдним - 4n, пентаплоїдним - 5n i т.д. Гаплоїдне число, що лежить в основі поліплоїдного ряду називають основним числом хромосом (x). Найменше вiдоме для вищих рослин число хромосом 2n=4 у Haplopappus gracilis iз складноцвiтих та Zingeria biebesteinii i Colpodium versicolor iз злакових. У звичайного об’єкта дослiджень хромосом Crepis capillaris 2n=6, твердої пшеницi - 28, а м’якої - 42, у цибулi зазвичай - 16. Найбiльшi числа хромосом характерні для спорових рослин, особливо хвощам, плаунам, деяким папоротям, у клiтинах яких мiстяться сотнi хромосом, які часто не можна точно пiдрахувати.

Спiралiзованi хромосоми паличкоподiбнi до майже кулястих, звуженi в так званiй первиннiй перетяжцi. Розмiщена тут частина хромосоми отримала назву центромера або кiнетохор. Вона бере участь у процесах, які забезпечують рух хромосом у мiтозi. Центромера погано фарбується гiстологічними барвниками. Вона дiлить хромосому на два плеча рiвної або нерiвної довжини. Деякi хромосоми можуть мати додатковi, вториннi перетяжки. Вiдокремлену тонкою, часто ниткоподiбною i майже непомiтною в свiтловий мiкроскоп, вторинною перетяжкою частину плеча хромосоми називають супутником. Кiнцевi дiлянки пліч хромосоми позначають як теломери.

Розмiри i будова спiралiзованих хромосом, їхнє гаплоїдне число n i число хромосом у клiтинi характернi для конкретних видiв. Сукупнiсть ознак, яка дає змогу розрiзняти їхні хромосомнi набори, складає карiотип. Вивчення карiотипiв рiзних органiзмiв - завдання окремої науки карiологiї.

Мiтоз - неперервний процес, але його можна подiлити на кiлька послiдовних фаз. Початок першої з них, профази, при дослiдженнях за допомогою свiтлового мiкроскопа, визначається появою в ядрi чiтких ниток хромосом, якi з’являються на змiну зернисто-фiбрилярному хроматину. Ядерце ще помiтне. Протягом профази спiралiзацiя i потовщення хромосом прогресує, ядерця поступово зникають. На ультраструктурному рiвнi в профазi можна спостерiгати змiщення мiкротрубочок i мiкрофiламентiв цитоплазми в площину майбутньої перегородки мiж клiтинами (екваторіальну площину) i утворення ними так званого препрофазного пояска. Наприкiнцi профази зникає ядерце, ядерна оболонка розпадається на фрагменти, що входять до складу ЕПР. Сильно вкороченi i добре помiтнi хромосоми зберiгають своє розмiщення в обрисах колишньої ядерної оболонки. Кiлькiсть хромосом, як правило, визначити неможливо, але вже прослiдковується їхня складенiсть з двох хроматид. Наприкiнцi профази на полюсах клiтини по обидва боки вiд екваторiальної площини з’являються скупчення чашеподiбно розташованих мiкротрубочок - полярнi ковпачки. Новi мiкротрубочки наростають i утворюються в напрямку вiд полярних ковпачкiв до екваторiальної площини. У тварин, багатьох грибiв i деяких водоростей утворення полярних груп мiкротрубочок пов’язане з особливою органелою - центрiоллю (центросомою). Центрiоля в профазi дiлиться, новi центрiолi розходяться до полюсiв. У вищих рослин вiдомi одиничнi приклади наявностi центрiолей у вегетативних клiтинах мохоподiбних, але вони часто трапляються в тих клiтинах вищих спорових i навiть голонасiнних, подiл яких веде до утворення рухомих чоловiчих гамет - сперматозоїдiв. Пiсля подiлу центрiолi беруть участь в утвореннi базальних тiл (блефаропластiв) їхніх джгутикiв.

У метафазi хромосоми розмiщуються в екваторiальнiй площинi, часто орiєнтуючись центромерами до центру клiтини. Вони дуже спiралiзованi. Двi хроматиди кожної хромосоми добре помiтнi, при достатнiй довжинi плечей часто спiрально скрученi одна довкола одної. Розмiщенi в однiй площинi хромосоми складають так звану метафазну пластинку. Спостерігаючи її з боку полюсiв клiтини, особливо зручно вивчати будову i пiдраховувати кiлькiсть хромосом. Мiкротрубочки, що вiдходять вiд полярних ковпачкiв, досягають екваторiальної площини i утворюють ахроматинове веретено. Деякi мiкротрубочки ахроматинового веретина пересiкають метафазну пластинку i утворюють волокнистi тяжi, що продовжуються вiд полюса до полюса клiтини. Частина мiкротрубочок прикрiплюються до центромерів хромосом. У деяких видiв (рiд Luzula, наприклад) хромосомам властива так звана розсiяна центромера, тобто до хромосоми прикрiплюється багато мiкротрубочок уздовж усiєї довжини хроматид.

Початок анафази пов’язаний iз роздiленням кожної з двохроматидних хромосом на двi однохроматиднi хромосоми i початком їхнього розходження до полюсiв клiтини. Переміщаючись у напрямку полюсiв, хромосоми вигинаються так, що центромера напрямлена до полюса клiтини, а кiнцi плеч дещо вiдстають. Така форма,як вважають, свідчить про розтягування хромосом силою, прикладеною до до центромери. Хромосоми з дифузними центромерами не вигинаються. В кiнцi анафази бiля обидвох полюсiв клiтини збираються однохроматиднi копiї кожної з хромосом.

Деякi речовини, з яких найбiльш вiдомий алкалоїд колхiцин, блокують об’єднання молекул бiлкiв-тубулiнiв у мiкротрубочки. Оброблення клiтин, що дiляться, колхiцином порушує формування i дiяльнiсть ахроматинового веретина i зупиняє мiтоз на стадiї метафази. Хромосоми не розходяться, що може привести до виникнення полiплоїдних клiтин.

У заключнiй фазi мiтозу, телофазi, хромосоми бiля полюсiв материнської клiтини поступово деспiралiзуються i їх неможливо розрiзнити пiд мiкроскопом. З’являються ядерця, число яких зазвичай вiдповiдає кiлькостi хромосом, які мають супутники. Довкола обидвох полярних груп хромосом за участю цистерн ЕПР формується ядерна оболонка. Карiокiнез завершується утворенням двох нових дочiрнiх ядер.

У телофазi вiдбувається i цитокiнез - подiл клiтини на двi новi. Мiкротрубочки ахроматинового веретена формують мiж дочiрнiми ядрами бочкоподiбне тiло - фрагмопласт. У його екваторiальнiй площинi збираються пухирцi Гольджi. Впорядковане розмiщення пухирцiв Гольджi в екваторiальнiй площинi клiтини зумовлене фiбрилярними елементами фрагмопласта. Якщо ахроматинове веретено i, вiдповiдно, фрагмопласт розмiщуються не паралельно повздовжнiй осi клiтини, то площина, в якiй концентруються пухирцi Гольджi, розмiститься косо вiдносно цiєї осi.

Починаючи з середини клiтини у вiдцентровому напрямку, пухирцi Гольджi поступово об’єднуються. Їхні мембрани зливаються, утворюючи плазмалеми двох майбутнiх клiтин, а їхній вмiст утворює серединну пластинку мiж ними i шари двох первинних клiтинних оболонок у складi нової клiтинної стiнки. Мiкротрубочки фрагмопласта поступово зсуваються до периферiї клiтини. Процес цитокiнезу завершується коли новоутворена стiнка досягне меж материнської клiтини, зникне фрагмопласт i мембрани крайових пухирцiв Гольджi зіллються з плазмалемою мтеринської клiтини. Довкола кожного з утворених у результатi карiокiнезу ядер виникає свiй обмежений неперервною плазмалемою протопласт. Цитокiнезу сильно вакуолiзованих клiтин передує формування в площинi подiлу шару щiльної цитоплазми, так що пухирцi Гольджi збираються, а новi дiлянки плазмалеми i клiтинна стiнка завжди будуються в цитоплазмi.

Якщо клiтина, що дiлиться, мала тонку i пластичну первинну оболонку, яка за хiмiчним складом недуже вiдрiзняється вiд новоутвореної стiнки, то ця оболонка переривається в мiстi контакту з новою стiнкою. Шари первинних оболонок останньої добудовують первинну оболонку кожної iз дочiрнiх клiтин. У мiсцi розходження частин клiтинної оболонки материнської клiтини виникає мiжклiтинник, або тут вiдкладається мiжклiтинна речовина i формується неперервна проста серединна пластинка. Так завершується цитокiнез i виникають двi дочiрнi клiтини, меншi за розмiрами за материнську.

При подiлi клiтин з потовщеними вторинними оболонками контакт утвореної фрагмопластом складної серединної пластинки iз первинною оболонкою материнської клiтини неможливий. У цьому випадку довкола кожного з дочiрнiх протопаластiв будується нова неперервна клiтинна оболонка. Новоутворенi клiтини залишаються в межах старої оболонки материнської клiтини.

Ще на етапi формування стiнки мiж двома майбутнiми клiтинами деякi канальцi ЕПР перетинають екваторiальну площину клiтини, що дiлиться. Деякi з них перериваються при цитокiнезi, а деякi не руйнуються. В мiсцi їхнього розмiщення пухирцi Гольджi не зливаються, залишаючи в клiтиннiй стiнцi плазмодесменi канали з ниткоподiбними залишками протопласта, оточеними новоутвореною плазмалемою, - плазмодесмами. Таким чином забезпечується не тiльки утворення нової клiтинної стiнки, але i збереження зв’язку мiж новоутвореними протопластами за рахунок плазмодесм. Щонайменш на початкових етапах розвитку дочiрнiх клiтин існує i неперервнiсть внутрiшнiх просторiв їхніх ЕПР. Вiдцентровий подiл клiтин за допомогою фрагмопласта властивий, крiм вищих рослин, лише деяким водоростям. Вiн визначає таку характерну рису клiтинної органiзацiї вищих рослин, як iснування неперервних симпласта i апопласта. Тому їхнє тiло називають фрагмобластемою.