Все организмы, размножающиеся половым путем, имеют половые клетки, или гаметы. Образованию их предшествует особый вид деления клеточного ядра — мейоз (от греч. мейозис — уменьшение), существенно отличающийся от митоза.
В связи с тем, что при оплодотворении происходит объединение материнского и отцовского наборов хромосом, уменьшение их числа вдвое при образовании гамет совершенно необходимо. Это и происходит в процессе мейоза. Мейоз состоит из двух быстро следующих один за другим делений клеток: редукционного, ИЛИ первого, при котором число хромосом уменьшается в 2 раза, и второго, или равного, протекающего по типу митоза. Каждое из этих делений, как и обычный митоз, состоит из четырех фаз: профазы, метафазы, анафазы и телофазы.
В профазе первого деления наблюдается так называемая конъюгация хромосом, состоящая в том, что парные (гомологичные) хромосомы притягиваются и по своей длине соприкасаются одна с другой. Конъюгирующие хромосомы образуют сдвоенные пары — биваленты, каждый из которых состоит из четырех хроматид. Затем биваленты хромосом начинают расходиться. В это время хорошо наблюдается перекрест отдельных участков парных хромосом, во время которого происходит обмен их гомологичными участками (так называемое явление кроссинговера).
В заключительной стадии профазы первого деления хромосомы благодаря спирализации утолщаются и укорачиваются; разрушается оболочка ядра, и наступает вторая фаза первого деления — метафаза, во время которой спаренные хромосомы, состоящие из четырех хроматид, располагаются в плоскости экватора веретена.
В анафазе спаренные хромосомы расходятся. При этом к каждому полюсу отходит одна из хромосом каждой пары. Следовательно, в каждую из образовавшихся дочерних клеток попадает половина хромосом материнской клетки, то есть происходит редукция (уменьшение) числа хромосом. Распределение хромосом по дочерним клеткам при редукционном делении случайно: из каждой пары гомологичных хромосом любая может попасть либо в одну, либо в другую клетку.
Сразу же после короткой телофазы наступает интерфаза — промежуток времени между концом первого и началом второго деления. Она длится очень недолго, и хромосомы входят в нее уже удвоенными. Это удвоение (редупликация) происходит еще перед редукционным делением (в интерфазе, предшествовавшей профазе первого деления). Вслед за этим начинается второе деление мейоза, протекающее так же, как и митоз.
Генетическое значение мейотического деления сводится к трем основным моментам.
1. Благодаря мейозу поддерживается видовое постоянство числа хромосом.
2. Вследствие случайной перекомбинации материнских и отцовских хромосом мейоз обеспечивает генетическую разнородность гамет.
3. В результате мейоза благодаря обмену участками гомологичных (парных) материнских и отцовских хромосом образуются хромосомы нового генетического состава.
Половые клетки формируются из обычных клеток генеративных, или воспроизводительных, тканей. У животных они образуются в семенниках и яичниках, у покрытосеменных растений — в пыльниках и семяпочках цветка. Процесс образования микроспор в пыльниках цветка называется микроспорогенезом, процесс образования мегаспор в семяпочках завязи — мегаспорогенезом.
Возникновение микро — и мегаспор у растений завершается образованием пыльцевых зерен в пыльниках и зародышевых мешков в завязях. Пыльца трехъядерная (два ядра генеративных и одно — вегетативное), зародышевой мешок — восьмиядерный. Мужские гаметы (спермии) в пыльцевых зернах и женские гаметы (яйцеклетки) в зародышевых мешках формируются в процессе гаметогенеза.
Несмотря на то, что в оплодотворении яйцеклетки участвует один спермий, у растений, как правило, образуется очень большое количество пыльцы. Так, у кукурузы в одном султане формируется около 25 млн. пыльцевых зерен, то есть примерно по 25 тыс. на каждое зерно початка. На 1 см2 посева этой культуры в среднем приходится 7 тыс. пыльцевых зерен.
Жизнеспособность пыльцы у различных видов растений разная, с продолжительностью от нескольких часов до нескольких суток. У пшеницы, ржи, ячменя, кукурузы при благоприятных условиях пыльца остается жизнеспособной в течение 3—5 сут, пыльцу яблони и других плодовых можно хранить 20 сут и более.
В период образования пыльцы растения очень чувствительны к низкой температуре. Например, у пшеницы и ржи при температуре от 0 до —2 С наблюдается частичная, а при дальнейшем ее понижении — полная стерильность пыльцы. Поэтому даже небольшие заморозки в это время представляют очень большую опасность для урожая.