Итак, мы выяснили способы попадания пыльцы на рыльце, однако независимо от этого пыльцевые зерна должны удержаться. Для этого на рыльце часто выделяется клейкая жидкость, к которой прилипает пыльца. Между тем у многих растений рыльца остаются сухими и на них пыльца удерживается за счет неровностей на поверхности.
После попадания пыльцы на рыльце начинается новый этап - прорастание пыльцевого зерна, причем прорастают только совместимые (хотя на рыльце в принципе может оказаться пыльца самых разных видов). Обычно это происходит, когда семязачатки уже полностью сформированы и готовы к оплодотворению. Вначале происходит набухание оболочки пыльцевого зерна, при этом из оболочки (главным образом из интины) выделяются белки (гликопротеиды) и взаимодействуют с рыльцем. Если пыльца несовместима, то вокруг ее зерен образуется чехол из каллозы, которая препятствует разрыву оболочки и дальнейшему развитию пыльцевой трубки. Иногда пыльца все же прорастает, но вскоре рост пыльцевой трубки прекращается, и она не доходит до семязачатка.
У совместимых пыльцевых зерен после взаимодействия белков оболочки с рыльцем активизируются ферменты, из-за чего экзина прорывается в области борозды или поры прорастания и начинает формироваться пыльцевая трубка (рис. 309). Для ее нормального роста необходимы некоторые соединения (сахароза, различные ионы и др.), которые пыльцевая трубка вероятнее всего поглощает из тканей рыльца и столбика через многочисленные плазмодесмы в своей стенке. Поэтому пыльцевую трубку можно считать гаусторией.
Рис. 309. Прорастание пыльцы на рыльце:
А - у кок-сагыза (по Поддубной-Арнольди);
Б - у кукурузы (по Коробовой)
Растущая пыльцевая трубка сначала проникает в рыльце и через столбик движется по направлению к завязи, где находится семязачаток. Рост трубки осуществляется на ее кончике, где физиологические процессы наиболее активны. Цитоплазма в этой области имеет высокую плотность и насыщена биологически активными веществами (ферменты, гормоны), там находятся много митохондрий, синтезирующих необходимое количество АТР. Там же происходит выделение (возможно, и синтез) компонентов стенки трубки. Кончик трубки защищен небольшим колпачком, предохраняющим его от повреждений в процессе роста. Перемещение пыльцевой трубки сквозь ткани столбика осуществляется либо по межклетникам, либо по пектиновым слоям оболочек клеток. Для облегчения прохождения трубка выделяет ферменты, которые разрыхляют и размягчают компоненты оболочек клеток и их срединных пластинок. Кроме того, установлено, что развитие пыльцевой трубки вызывает деполяризацию плазматических мембран клеток рыльца, после чего волна возбуждения распространяется по направлению к завязи. Полагают, что таким образом завязь с находящимися там семязачатками получает сигнал о развитии мужского гаметофита и перестраивает свой метаболизм для скорого оплодотворения.
В растущую пыльцевую трубку из пыльцевого зерна перемещается ядро клетки-трубки, а также генеративная клетка (если она еще не поделилась) или спермин (если это деление уже произошло). Оказавшись в трубке, генеративная клетка (если она есть) вскоре делится, образуя два спермия, которые не имеют жгутиков и потому не способны к самостоятельному движению (рис. 310). Постепенно все они достигают кончика пыльцевой трубки, при этом чаще всего впереди движется ядро клетки-трубки, а за ним - спермин.
Рис. 310. Схема двойного оплодотворения:
1 - рыльце; 2 - столбик; 3 - завязь; 4 - семяпочка; 5 - зародышевый мешок; 6 - яйцевой аппарат; 7 - антисоды; 8 - два полярных ядра; 9 - прорастающее на рыльце пыльцевое зерно; 10 - пыльцевая трубка - на кончике виднеются два спермия; 11 - пыльник; 12- тычиночная нить; 13- венчик; 14- чашечка (по В.Х. Тутаюк)
Обычно развитие пыльцевой трубки происходит тогда, когда семязачатки в завязи уже сформировались. Но у некоторых растений (например, у цитрусовых) развитие семязачатков продолжается вплоть до оплодотворения. Наконец у некоторых орхидных семязачатки в завязи до опыления вообще отсутствуют и образуются только после прорастания пыльцевой трубки (рис. 311) (если опыление не произойдет, то они не появятся вовсе).
Рис. 311. Пыльцевая трубка входит в семязачаток с археспориальной клеткой у орхидеи (Cypripedium insigne) (по Поддубной-Арнольди)
Достигнув завязи, пыльцевая трубка проникает внутрь одного из находящихся там семязачатков. В подавляющем большинстве случаев это происходит через микропиле, что называется порогамией (греч. poros - проход, отверстие, gamos - брак), или акрогамией (греч. akros - самый высокий, gamos - брак). У относительно немногих растений с упрощенными цветками трубка проникает в семязачаток, минуя микропиле, который при этом не функционирует и может даже зарастать. Такой способ проникновения называется апорогамией, которая бывает двух типов - мезогамия и халазогамия. Проникновение трубки через боковую стенку (между микропиле и халазой) называется мезогамией, если же трубка проникает в нуцеллус семязачатка через халазу, то это называется халазо- гамией, или базигамией. Мезогамия встречается, например, у вяза, тыквы, манжетки и др., а халазогамия у березовых и ореховых. Поскольку в семязачатках таких растений имеется микропиле (хоть и не функционирует), считается, что апорогамия носит вторичный характер и происходит от порогамии в ходе специализации.
Проникнув в семязачаток, пыльцевая трубка направляется к яйцевому аппарату. В случае порогамии (проникновение через микропиле) трубка проникает в одну из синергид и освобождает спермин. Иногда охватываются обе синергиды или, очень редко (например, у некоторых орхидных), трубка минует синергиды. Как мы помним, в результате деления генеративной клетки мужского гаметофита образуется два безжгутиковых спермия (напоминаем, что доставку неподвижных мужских гамет у семенных растений осуществляет пыльцевая трубка). Оказавшись в цитоплазме клетки-синергиды, спермин подвергаются воздействию гидролитических ферментов, которые разрушают их стенки и цитоплазму, оставляя неповрежденными ядра. При этом синергида погибает, а ядра обоих спермиев выходят в пространство между яйцеклеткой и центральной клеткой. Затем один из спермиев сливается с яйцеклеткой, при этом образуется зигота. Другой спермий сливается с полярными ядрами центральной клетки, образуя триплоидное ядро (рис. 312). При этом полярные ядра могут слиться до встречи с ядром спермия или одновременно со слиянием с ядром спермия (т. е. все три ядра сливаются одновременно). В последующем зигота дает начало зародышу, а из триплоидной центральной клетки образуется ткань эндосперма (греч. endon - внутри, sperma - семя).
Рис. 312. Двойное оплодотворение в зародышевом мешке гусиного лука Хомутовой (Gagea chomutoviae):
A-в лицевом аппарате на срезе зародышевого мешка, изображенного на этом рисунке, оказалась лишь одна яйцеклетка.
В ней в тесном контакте с ее ядром находится удлиненный меньший спермий. В центральной клетке более крупный спермий лишь одним своим концом вступил в контакт с верхним полярным ядром; нижнее полярное ядро находится еще в нижней части центральной клетки. Еще ниже видны три антиподы: одна с нормальным ядром, две нижние с дегенерирующими ядрами; Б — несколько более поздний момент двойного оплодотворения: темная масса в яйцевом аппарате - разрушенная синергида, через которую прошло содержимое пыльцевой трубки: справа от нее - небольшая часть целой синергиды, слева - яйцеклетка. В яйцеклетке в контакте с ее ядром изогнутый меньший спермий. В центральной клетке контакт трех ядер: спермий имеет вид удлиненного ядра, у которого левый конец вздулся вследствие поглощения воды (гидратации), слева верхнее полярное ядро, справа овальное и более крупное нижнее полярное ядро. Внизу антиподы такие же, как на фигуре А (увел. 770)
(рисунки и текст И. Д. Романова)
Время от опыления (попадания пыльцевого зерна на рыльце) до оплодотворения (слияние гамет) у разных цветковых неодинаково и варьирует в широких пределах. Быстрее всего оплодотворение наступает у сложноцветных — от нескольких минут до полутора часов (например, у кок-сагыза через 15 минут после опыления). У груши и яблони - через пять суток, у некоторых березовых - через один — четыре месяца, а у некоторых дубов оплодотворение наступает так же поздно, как и у голосеменных - через 12-14 месяцев. На скорость роста пыльцевых трубок и наступление оплодотворения активно влияют факторы внешней среды. Например, при повышении влажности и понижении температуры эти процессы замедляются и оплодотворение происходит позже, нежели при пониженной влажности и более высокой температуре.
Механизм оплодотворения у цветковых растений был открыт выдающимся отечественным цитологом и эмбриологом растений С. Г. Навашиным (1898) в ходе исследования эмбриогенеза рябчика и лилии и получил название двойного оплодотворения. Однако сам термин «двойное оплодотворение» нельзя считать корректным, поскольку понятие «оплодотворение» подразумевает слияние мужской и женской гамет с образованием зиготы, из которой в дальнейшем развивается зародыш. При оплодотворении семязачатка цветковых на самом деле оплодотворяется лишь одна только яйцеклетка и образуется только одна зигота. Соответственно этому развивается один (а не два) зародыш. Слияние второго спермия с полярными ядрами и образование триплоидной центральной клетки нельзя считать оплодотворением в строгом понимании этого термина, поскольку в процессе не участвует яйцеклетка и, соответственно, не образуется зигота. Поэтому термин «двойное оплодотворение» следует считать скорее традиционным, нежели строгим.
В оплодотворении семязачатка участвуют спермин только одного пыльцевого зерна, несмотря на то, что к рыльцу обычно пристает значительное количество пыльцы и прорастает много пыльцевых трубок. Однако большинство из них вскоре прекращает свой рост и пыльцевые трубки чаще всего не доходят до семязачатка.