Az embriós növények, más néven felsőbbrendű növények (Embryophyta, Embryobionta), a növényvilág legfejlettebb rendszertani csoportját alkotják. Ez a csoport magában foglalja a mohák három törzsét és a szövetes növényeket (Tracheophyta, Cormobionta). Ezeket a növényeket jó közelítéssel szárazföldi növényeknek is nevezik, bár vannak édesvízbe „visszatért” képviselőik is, és a szárazföldi élőhelyeken másféle növények is előfordulnak, például algák.
A szárazföldi növények evolúciója és az embrió
Az első, a szárazföldre kilépő élőlények valószínűleg zöld növények voltak, amint azt a 458 millió éves üledékes kőzetekből előkerült májmohák spórái is bizonyítják. Nem valószínű, hogy a szárazföldi növények közvetlenül a tengeri algákból fejlődtek volna ki. Valószínűbb, hogy a tengeri algák először az édesvizeket lakták be, és ott alakultak ki a szárazföld „meghódítására” képes algacsoportok. Ezt a tényt támasztja alá, hogy az algáknak a szárazföldi növényekhez legközelebb álló csoportja (a csillárkamoszatoké) kizárólag édesvízi fajokból áll.
A szárazföldi életmódhoz a növények vegetatív és reproduktív részeinek is alkalmazkodnia kellett. Fontos alkalmazkodási mechanizmus volt a rögzítést is segítő vízfelvevő sejtek kialakulása. A kutikula és a gázcserenyílások kialakulása egyidejű folyamat volt, mivel a kutikulán se a víz, se a levegő nem jut át. A növény belsejébe bejutó gázoknak el kellett jutniuk az összes sejthez, amihez fel kellett lazítani a parenchimatikus sejttömeget.
A ma élő zöldmoszatok között, például a heterotrich algák között (pl. Fritschiella) találunk olyan testszerveződést, amely valaha a szárazföldi növények őseire lehetett jellemző. Háromosztatú vezérsejtjeik miatt testük nem fonalas, hanem parenchimatikus (pontosabban pszeudoparenchima, hiszen nem valódi szövetről van szó). Ligninszerű vegyületeket találhatunk a Chara csillárkamoszat sejtfalában.
A vegetatív szaporítósejtek (spórák) erőteljes védelme a kiszáradás ellen kulcsfontosságú volt. A spórákat ellenálló, sporopollenin anyagú fal védelmezi már az ordovícium időszaki leletekben is. Az ivarsejtek védelme az egyéb külső hatásoktól szintén elengedhetetlen. Az ivarsejtek védett környezetben, az ivarszervekben (archegóniumban és antheridiumban) alakulnak ki. A szervezetek életciklusai egyre inkább differenciálódtak.
A növényvilág evolúciójának egyik döntő mozzanata a minden „valódi” szárazföldi növénynél megtalálható embrió kialakulása. Az azonban, hogy az első archegóniumos növényeknek lett volna embriójuk, korántsem bizonyos. Általános, közös jellemzőjük, hogy a csírákkal (embriókkal) szaporodnak.
A petesejt és a hímivarsejt egyesülése után kialakuló zigóta (megtermékenyített petesejt) még az anyanövény védelmében osztódni kezd és kezdetlegesen differenciálódik. Legfejlettebb alakját a virágos növények csoportjában éri el, ahol úgynevezett dipólusos embrió alakul ki két ellentétes oldallal: a rügyecskével és a gyököcskével. Előbbiből bontakozik ki a növény fotoszintetizáló hajtásrendszere, utóbbiból pedig a növényt rögzítő és a tápanyagokat felvevő gyökérrendszer.
A virágos növények embriója a mag védelmében fejlődik. A mag tápszövete (primer és szekunder endospermium) látja el a szükséges tápanyagokkal, és abban vannak a fejlődés elindulásához szükséges hormonok is. A harasztok (Monilophyta) embriója a női ivarszervben (archegonium) kezd kialakulni, és az előtelepben (protallium) készített tápanyagok segítik fejlődését. A mohák ivartalan nemzedéke heterotróf, és az embrió ennek a heterotróf nemzedéknek a kiindulópontja.
Bipoláris embriók a gabonafélékben
Az egyszikűek gazdaságilag is rendkívül jelentős, nagy csoportjában, a pázsitfüvek családjában (Poaceae) általánosan jellemző termés a szemtermés (caryopsis). Ebben a terméstípusban a termésfal és a maghéj szorosan összenőtt szövetein belül a tartalék tápanyagokban gazdag raktározó szövetet (endospermium) és az embriót a módosult egyetlen szíklevél, az úgynevezett pajzsocska (szkutellum) éles határzónával választja el egymástól.
Az érett csíraképes termésben a csírázás kezdeti szakaszában fejlődésnek induló új növényke hajtáskezdeményét, az úgynevezett rügyecskét (plumula) a koleoptil rügyhüvely, míg a gyökérkezdeményt, az úgynevezett gyököcskét (radicula) a koleoriza (gyökérhüvely) burkolja. Mindkét „kesztyű ujj”-szerű védő képződmény a szövettani vizsgálatokra alapozott vélemények szerint elsősorban a szkutellumból, annak is a középső mezokotil részéből ered. Ez a helyzet a mellékelt kukorica szemtermés mikrofotón is szépen látszik.
Ugyanakkor az is szembetűnő, hogy a mezokotil létrehozásában a bipoláris embrió hajtás és gyökérkezdeményét összekötő úgynevezett embriótengely (axis) is szerepet játszik. A koleoptil (rügyhüvely) tehát egy módosult allevél, a fűfélék csíranövényeinek első úgynevezett primer lomblevelét (nem a sziklevelet!) és hajtáscsúcsát körülvevő hengeres, belül üreges képződmény, amely természetes körülmények között segíti a csírázó növény hajtásának felszínre jutását.
A koleoptil csak az alapi részen tartalmaz osztódó sejteket. Általában az 1 cm feletti részében csak sejtmegnyúlással növekszik. 4-6 cm hosszúságot elérve, vagy a felszínre jutva a fény hatására a növekedése leáll. A koleoptil csúcsában képződik a sejtek megnyúlásához szükséges ismert növényi hormon, az auxin. Sötétben az auxin egyenletesen lefelé (bazipetálisan) mozog, és az alapi részen osztódással keletkezett koleoptil sejtek az auxin hormon vegyület hatására erőteljesen megnyúlnak.
A koleoriza a primer gyökér védelmét biztosítja. A csírázás kezdetén a markáns megjelenésű főgyökeret hüvelyszerűen körös körül övezi. A csírázás későbbi szakaszában a fejlődő gyökér átszakítja. A főgyökér fejlődése azonban ezután hamarosan leáll. A ki nem fejlődött főgyökér rendszert ezután a mellékgyökerek helyettesítik.
Animált kukorica növekedés feliratokkal és zenével
Vivipária a növényvilágban
A magok csírázása, az embrió továbbfejlődése általában az anyanövényről levált és kedvező feltételek közé került magokból történik. A mangrove vegetáció fajainál azonban a csírázás, az új egyed kifejlődése már az anyanövényen megkezdődik. A mangrove termésekben a magok már az anyanövényen kicsíráznak és itt 30-50 cm hosszú nyúlványokat növesztenek. Csak ezután hullanak le a tenger iszapjába.
A lepottyant magoncok „kelj fel jancsi” módra a gömbszerű, súlyos termésrészükkel lefelé süllyednek el, és gyorsan rögzülnek a sós latyakban. Így az állandó hullámverés, vízmozgás sem tudja elsodorni őket. A hosszú nyúlvány most már felfelé áll függőlegesen és gyors megnyúlással emelkedik a vízfelszínre. Ekkor jelennek meg a növény sziklevelei, majd ezt követve gyorsan az első lomblevelek.
A magoncon kifejlődő hosszú nyúlvány tehát nem gyökér, hanem a hajtáskezdemény szíklevél alatti tengelye, a hipokotil, ami az anyanövényen szokatlanul, meghökkentő módon lefelé növekszik. Az anyanövényen történő csírázás a valódi viviparizmus, vagy elevenszülés a növényvilágban, amely tehát mindig ivaros folyamatok következménye.
A Kalanchoe, vagy a Bryophyllum fajok jól ismertek a szukkulens dísznövényeket kedvelők körében. Leveleik szélén a marginális merisztémákból számos apró növénykét fejlesztenek. A folyamat egy vegetatív szervképzés (organogenezis). A kialakult növények nem bipoláris embriókból fejlődnek, ahol a gyökér és szárkezdemények együtt jelennek meg.
Ismerünk érdekes eseteket, mikor az anyanövény virágzatában fejlődnek ki szaporító képletek, többnyire sarjrügyek, vagy sarjgumók (generatív álviviparia).
A Bipolaris maydis és a növénybetegségek
A kukorica déli levélfoltosság megbetegedésének kórokozója, a Bipolaris maydis minden kukoricatermő vidéken megtalálható. Elsődleges fertőzési forrás a talaj, ahol a fertőzött növényi maradványokon található, de a vetőmaggal is terjedhet. A kórokozó fertőző képlete a talajról a szél, vagy a fröccsenő víz útján, felverődéssel jut a kukorica alsó leveleire.
Kedvező körülmények között rövid időn (6 óra) belül csíráznak, majd a micélium a gázcserenyílásokon át a növény belsejébe hatol. Az első tünetek az alsó leveleken jelennek meg, apró, gyémánt alakú sárgás színű, vizenyős foltok formájában, általában június végén-július elején. Később a foltok az egész levélen elterjedhetnek, megnagyobbodnak, alakjuk hosszúkás lesz. Szélességük általában nem nagyobb 10 mm-nél, de akár több cm hosszúságúak is lehetnek. Színük szürkés, barnás szegéllyel. A foltok a későbbiekben összeolvadhatnak, az erősen károsított levél elszárad.
A kórokozó egyes rasszai a csövet is megtámadhatják, melynek hatására csuhéleveleken kör alakú foltok jelennek meg. A csőre terjedve a magokat is megfertőzheti, amelyek a fertőzést képesek átvinni a következő évre. A kórokozó számára kedvező körülmények a magas léghőmérséklet (18-27 ºC) és a magas páratartalom. Az erős reggeli harmatképződés, vagy ködös időszak elősegíti a fertőzést.
Fémakkumuláló növények és fitoremediáció
Az alapötlet, hogy fémakkumuláló növényeket lehet alkalmazni a szennyezett talajok és szennyvizek tisztítására, már az 1960-as évek elején ismert volt, de a fitoextrakciós kutatások Európában csak az elmúlt évtizedekben kerültek ismét előtérbe és váltak intenzívvé.
A fémek olyan koncentrációban vannak jelen a hiperakkumulátor növények szöveteiben, ami más fajok számára már toxikus lenne. A hiperakkumulációra képes fajok és erre képtelen közeli rokonaik összehasonlításával megállapították, hogy a különbség a már létező gének különböző expressziójában és szabályozásában van. A hiperakkumulátorok gazdasági haszna fitoremediációs képességükben rejlik - szennyezett földterületek ökoszisztémájának kevésbé szennyezett állapotba való visszaállításában.
A toxikus fémeket tartalmazó növényi biomasszát összegyűjtik és ellenőrzött körülmények között feldolgozzák. Fém hiperakkumulációra képes vadon előforduló növényfajok nemzetségei közé tartoznak például az Alyssum, a Thlaspi, a Brassica, a Sedum és a Populus fajok. Mezőgazdasági haszonnövények (pl. kukorica, bab) hajtásukban 1% ólom (Pb) akkumulációjára képesek a szennyezett talajból, a talaj etilén-diamin-tetraecetsavval (EDTA-val) történő kezelése után.
A probléma viszont az, hogy ezek a növények nagyon lassan fejlődnek, sekélyen gyökereznek, kis biomasszát képeznek, leveleik a talaj közelében találhatók, így nehezen takaríthatók be. A fitoextrakció elsősorban a mérsékelten (pl. rendszeres szennyvíziszap-kijuttatással) elszennyezett talajok kockázatának csökkentése céljából lehet eredményes, amikor nem törekszünk a talaj teljes megtisztítására, hanem az adott nehézfém koncentrációját csak a mezőgazdasági talajokra vagy más területhasználatokra vonatkozó határérték alá csökkentjük.
A növények fémakkumulációja a talajba juttatott kelátképző szerekkel elősegíthető és fokozható. Ezek a szerek a nehézfémek kötésformáit megváltoztatják és azokat mozgékonyabbá és könnyebben felvehetővé alakítják. A legújabb kutatások eredményei alapján például a Brassicaceae (káposztafélék vagy keresztesvirágúak) családba tartozó Komatsuna (Brassica campestris) levelek nitrát reduktázt foszforilálja a sötétség által aktivált protein kináz a krómfelvétele esetén.
A fitoextrakció során ki kell küszöbölni a fémakkumuláló növények növekedését gátló tényezőket: a talajt műtrágyázni, meszezni, öntözni, növényvédő-szerekkel kezelni kell, mert csak így érhetünk el nagy hozamot. Ez azonban további problémákat okozhat. A foszfátműtrágyák például oldhatatlan vegyületekké alakítják az ólmot, a meszezés a legtöbb nehézfém növénybéli felvételét csökkenti, az öntözéssel a toxikus fémek a talajvízbe mosódhatnak.
Fitoextrakció hatékonysága:
Cinkkel szennyezett talajban például egy átlagos egynyári takarmánynövény hajtásának maximális hozama 25 t/ha. Egy nem hiperakkumulátor és nem fém-toleráns növény a hajtásában mindössze 500 mg/kg cinket képes felhalmozni, a fenti hozammal számolva tehát 12,5 kg/ha/év cink eltávolítására képes a talajból. Ezzel szemben egy hiperakkumulátor növény kis hozama (5 t/ha) ellenére 20000 mg/kg cinkfelvétel esetén már 100 kg/ha/év cinket képes eltávolítani. Ez már lehetővé teszi a talaj hatékony és viszonylag gyors megtisztítását.
| Növény típusa | Hozam (t/ha) | Cink felvétel (mg/kg) | Éves cink eltávolítás (kg/ha/év) |
|---|---|---|---|
| Nem hiperakkumulátor | 25 | 500 | 12,5 |
| Hiperakkumulátor | 5 | 20000 | 100 |
A legkomolyabb megoldandó probléma ugyanis az, hogy a fitoextrakció során nagy tömegű, fémekkel enyhén szennyezett biomassza keletkezik, mely takarmányként nem hasznosítható. A fémeket tartalmazó biomassza tömegét égetéssel lehet csökkenteni.
Termesztett növényeink között is találunk fémakkumuláló növényfajokat (hiperakkumulációról itt nem beszélhetünk), melyek főként a keresztesvirágúak (káposztafélék) és a fészkes virágúak közé tartoznak. Kimagasló például a szarepta mustár (Brassica juncea) egyes fajtáinak Pb, Cd, Cr, Ni, Zn, Cu akkumulációja.
A talaj, vagy üledék fizikai szerkezete nem károsodik, termékenysége megmarad, és a fitoremediáció környezeti kockázata egyrészt kisebb, mint a fizikai-kémiai módszereké, mert kisebb másodlagos szennyeződést okoz, ugyanakkor a növényekben nagy koncentrációban felhalmozott toxikus fém veszélyezteti az ökoszisztémát (rovarok, madarak).
A fitoremediáció egy természetbarát technológia, a szennyezett környezet megtisztítására növények által. Konkrétabb a bio(fito)remediáció, mely szintén a szennyezett környezet tisztítása növények által, azonban ez mikroorganizmusok (gombák, baktériumok) közreműködésével történik. A szennyező anyagokat a növények akkumulálni képesek, ezért a talajt, vizet különösen szennyező nehézfémek (ólom, kadmium, cink) eltávolítására alkalmasak. A vízinövények, illetve vizes élőhelyek növényeinek gyökerén a szennyezőanyag abszorbeálódhat vagy felvevődhet. Növények alkalmazása a szennyező anyagok biológiai elérhetőségének mérséklésére.
A legújabb kutatások arra irányulnak, hogy a hiperakkumulátor növények fémtoleranciáért felelős génjeit gyorsan növő, nagy biomasszát képező, mélyen gyökerező mezőgazdasági növényekbe ültessék át.