Plant Structure and function

PLANT CELLS AND TISSUESSection 1

• Plants have adapted a range of environments over their evolution

• As they grow their cells become specialized for specific functions

• Patterns of tissues changes in each plant part – root, stem, leaf

• Also vary depending on plant’s stage of growth and taxonomic group

Specialized Plant Cells

• Remember plant cells have unique structures• Cell wall• Central vacuole• Plastids

• 3 types of specialized plant cells1. Parenchyma2. Collenchyma3. Sclerenchyma

Paranchyma “puh‐REN‐kuh‐muh”

• Usually loosely packed cube‐shaped or elongated cells

• Contain large central vacuole• Have thin, flexible cell walls• Involved in many metabolic functions:  photosynthesis, storage of water and nutrients, healing

• Usually form main part of nonwoody plants• Ex. Fleshy part of apple

Collenchyma “koh‐LEN‐kuh‐muh”

• Cells walls thicker than parenchyma• Cell walls irregular in shape• Thicker walls provide more support for plant• Usually grouped in strands• Specialized for supporting areas of plant that are still lengthening

• Ex. Celery stalks – lots of collenchyma

Sclerenchyma “skluh‐REN‐kuh‐muh”• Thick, even, stiff cell walls• Support and strengthen plant in areas where growth is finished

• Usually dies at maturity• Rough texture of pear is from presence of sclerenchyma cells

Tissue Systems

• Cells that work together to perform specific function make tissue

• In plants, arranged into systems1. Dermal system2. Ground system3. Vascular system• Systems further organized into 3 major plant 

organs – roots, stems, leaves

Dermal Tissue System

• Forms outside covering of plants• In young plants, made of epidermis “ep‐uh‐DURH‐muhs” – the outer layer made of parenchyma cells

• In some species, epidermis more than 1 cell thick

• Outer epidermal wall often covered by waxy layer called the cuticle prevents water loss

• Some epidermal cells of roots develop hairlike extensions that increase water absorption

• Openings in leaf and stem epidermis are stomata help regulate the passage of gases and moisture in and out of plant

• In woody stems and roots, epidermis replaced by dead cork cells

Ground Tissue System

• Dermal tissue surrounds the ground tissue system

• Has all 3 types of cells• Functions in storage, metabolism, support• Paranchyma most common cell• Nonwoody roots, stems, leaves made mostly of ground tissue

• Cactus stems have large amounts of parenchyma cells for storing water 

• Plants growing in very wet soil have parenchyma with large air spaces to allow air to reach roots

• Nonwoody plants that need to be flexible to withstand wind have large amount of collenchyma cells

• Sclerenchyma found where hardness is advantage, i.e. seed coats, cacti spines

Vascular Tissue System

• Ground tissue surrounds the vascular tissue system• Functions in transport and support• Xylem and phloem

• Xylem – conducts water and minerals from roots up• Phloem – conducts organic compounds and some minerals through plant

• Phloem is alive at maturity, xylem is not

Structure of Xylem

• In angiosperms, 2 major parts1. Tracheids2. Vessel elements

• Tracheid (TRAY‐kee‐id)  long, thick‐walled sclerenchyma cell with tapering (narrowing) ends

• Water moves from one tracheid to another through pits thin, porous areas of cell wall

• Vessel element sclerenchyma cell that has either large holes in top and bottom walls or no end walls at all

• Vessel elements stacked to form long tubes called vessels

• Water moves more easily in vessels than tracheids

• Xylem of most seedless vascular plants and most gymnosperms contains only tracheids

• Tracheids considered primitive type of xylem cell

• Vessel elements in angiosperms probably evolved from tracheids

• Xylem contains parenchyma and sclerenchymacells

Phloem

• Conducting parenchyma cell of angiosperm phloem is called a sieve tube member

• Sieve tube members stacked to form long sieve tubes

• Compounds move from cell to cell through end walls called sieve plates

• Each sieve tube member lies next to specialized parenchyma cell (companion cell) assists in transport

• Phloem usually contains sclerenchyma cells called fibers

• Hemp, flax, and jute fibers are phloem fibers

• Vascular tissue systems also modified for environmental reasons

• Ex. Xylem forms wood of trees• Provides plants with strength AND conducts water and minerals

• Ex. Aquatic plants• Xylem not needed for support or water so may be almost absent from plant

Growth in Meristems

• Plant growth starts in meristems “MER‐i‐stemz”  regions where cells continuously divide

• Apical “AP‐i‐kuhl” meristems plant grows in length

• Located at tips of stems and roots

• Some monocots have intercalary“in‐TUHR‐kah‐ler‐ee” meristemslocated above bases of leaves and stems

• Allow grass leaves to quickly regrowafter being cut

• Gymnosperms and most dicots also have lateral meristems allow stems and roots to increase in diameter

• Located near outside of stems and roots• 2 types1. Vascular cambium2. Cork cambium

• Vascular cambium produces additional vascular tissues

• Located between xylem and phloem

• Cork cambium produces cork• Located outside phloem

• Cork cells replace epidermis in woody stems and roots

• Protects plant• Cork dead cells that provide protection and prevent water loss

• Primary growth increase in length• Made by apical and intercalary meristems

• Secondary growth increase in diameter• Made by lateral meristems• By vascular cambium and cork cambium

ROOTSSection 2

Functions

1. Anchor plant in soil

2. Absorb/transport water and minerals

3. Store water and organic compounds

Types of Roots

• When seed sprouts it makes a primary root

• If it becomes the largest root it’s called the taproot

• Some plants the primary root doesn’t get big• Instead many small roots develop to make fibrous root system

• Many monocots, like grasses, have this• Often develop straight from stem instead of other roots

• Adventitious rootsspecialized roots that grow from stems and leaves

Root Structures• Root tip covered by protective root cap

• Covers apical meristem• Makes slimy substance that acts like lubricant

• Allows root to move easily through soil as it grows

• Cells crushed in root cap as root moves through soil replaced by new cells made in apical meristem

• Root hairs extensions of epidermal cells; increase surface area of root so increase plant’s ability to absorb

• Root structures adapted for several functions

• Root hairs – greatly increase surface area for absorption

• Most roots also form relationships with mycorrhizal fungi

• Threadlike hyphae increase surface area also

• Highly branched root system increases amount of soil for plant to absorb water and minerals from

• Also helps in anchoring plant in soil

• Large amount of root parenchyma functions in storage and metabolism

• Roots need shoots (stems) for energy – must store starch during periods of little/no photosynthesis (night, winter)

Primary Growth in Roots

• Increase in length through cell division, elongation, and maturation in root tip

• Dermal tissue matures to form epidermis• Ground tissue matures into 2 specialized regions

1. Cortex – just inside epidermis

2. Endodermis – innermost layer of cortex

• Endodermal cell walls have narrow band of waterproof substance that stops further movement of water through cell walls

• Must pass through selectively permeable membrane of root cell

• Once in cell membrane, dissolved substances can move from cell to cell

• Vascular tissue in roots matures to form innermost part of root

• In dicots/gymnosperms, xylem makes up center core

• Has pockets of phloem between xylem

• Monocot root xylem happens in patches that circle pith

• Small areas of phloem occur between xylem patches

• Outermost layer of central vascular tissue is called pericycle “PER‐i‐sie‐kuhl”

• Lateral roots formed from division of pericycle cells

• Developing lateral root connects vascular tissues and endodermis to parent root

• Grows out through parent root’s endodermis and cortex

• Emerges from epidermis

Secondary Growth in Roots• Dicot and gymnosperm roots often have secondary growth

• Begins when vascular cambium forms between primary xylem and primary phloem

• Pericycle cells form vascular cambium at ends of xylem areas where no phloem is located

• Vascular cambium makes secondary xylem toward inside of root and secondary phloem toward outside of root

• Expansion of vascular tissues in center crushes all tissues external to phloem, including endodermis, cortex, epidermis

• Cork cambium develops in pericycle to replace crushed cells with cork

Root Functions

• Besides anchoring plant in soil roots have 2 other main functions

1. Absorb water and minerals dissolved in soil

• Roots are selective about which minerals they absorb

• Absorb some, exclude others• Absorbed mainly as ions

• Plant cells use some minerals in large amounts macronutrients

• Required in large amounts• More than 1,000 mg/kg of dry matter

• Use other minerals in smaller amounts micronutrients

• Required in small amounts• Less than 100 mg/kg of dry matter

• Adequate amounts of all 13 minerals required for normal growth

• Plants with shortages show symptoms and reduced growth

• Serious mineral deficiencies can kill a plant

• Too many may also be toxic

2. Storing Carbohydrates and Water

• Roots often adapted to do this• Phloem carries carbohydrates made in leaves to roots

• Carbohydrates not immediately used are stored

• In roots, these usually converted to starch• Stored in parenchyma cells

STEMSSection 3

Types of Stems

• Different types show different adaptations to environment

• Ex. Strawberry stems – grow along soil surface, make new plants at nodes

• Ex. Edible white potato tuber – modified for storing energy

• Ex. Cactuses – green fleshy stems that store water and carry out photosynthesis

• Ex. Black locust and honey locust develop sharp thorns to protect from animals

Stem Structures

• Similar to roots but more complex

• Stems, like roots, grow in length only at their tips

• Apical meristems make new primary tissues

• Stems, like roots, also grow in circumference through lateral meristems

• Surfaces of stems have several features that roots don’t have

• Divided into segments called internodes• End of each internode = node

• At point of attachment of each leaf, stem has lateral bud

• Bud capable of developing into a new shoot• Contains apical meristem and is enclosed by specialized leaves called bud scales

• Tip of each stem usually has a terminal bud

• When growth resumes in spring, terminal bud opens

• Bud scales fall off• Bud scales leave scars on stem surface

• Root tips have permanent protective layer (root cap)

• Stem apical meristem only protected by bud scales when stem is not growing

• Surface bud forms close to stem tip with 1 or more buds at each node

• Lateral roots originate farther back from root tip

• Form deep inside root at no particular location

Primary Growth in Stems

• Same as roots, apical meristems form dermal, ground, and vascular tissues

• Dermal tissue represented by epidermis (outer layer of stem)

• Main functions – protect plant, reduce loss of water but allow gas exchange

• In gymnosperm and dicot stems, ground tissue forms a cortex and pith

• Cortex lies just inside epidermis (like root)

• Cortex usually contains flexible collenchymacells

• Pith located in center of stem

• Ground tissue of monocot stems not usually separated into pith and cortex

• Vascular tissue formed near apical meristemhappens in bundles

• Long strands embedded in cortex

• Each bundle has xylem and phloem tissues

• Xylem usually toward inside, phloem toward outside

• Monocot stem vascular bundles usually scattered throughout ground tissue

• Most don’t have secondary growth

• In dicots, organized in single ring

• Primary tissue replaced by secondary

Secondary Growth in Stems• Stems increase in thickness b/c of division of cells in vascular cambium

• In dicot and gymnosperms first comes between xylem and phloem

• Eventually vascular cambium forms cylinder

• Vascular cambium produces secondary xylem to inside, secondary phloem to outside

• Usually makes more secondary xylem than secondary phloem

• Wood secondary xylem

• Older parts of xylem eventually stop transporting water

• Often become darker than new xylem b/c resin and other compounds made by live cells in xylem build up

• Heartwood darker wood in center of tree

• Functional, usually lighter‐colored wood near outside of trunk is sapwood

• In large‐diameter tree, heartwood gets wider, sapwood stays same

• Phloem made near outside of stem is part of bark protective outside covering of woody plants

• Made of cork, cork cambium, phloem

• Cork cambium makes cork near outside

• Cork cells dead at maturity

• Cannot elongate

• Cork cracks as stem continues to widen

• Result:  bark of some trees appears rough

• During spring, vascular cambium forms new xylem tissue with cells that are wide and thin walled  springwood

• Rains a lot, lots of water to fill cells• In summer (drier), vascular cambium makes summerwood smaller cells, thicker walls

• Change between summerwood and springwood makes the annual ring

• Can estimate age of tree b/c 1 ring usually made per year

• Usually don’t happen in tropical trees (environment same year round)

• Can form in dicot and gymnosperm roots (harder to see)

Stem Functions

• Transport and store nutrients and water

• Support leaves• Carbohydrates, plant 

hormones, other organic compounds transported by phloem

• Movement of carbs occurs from where they’re made/stored (source) to where they’re stored/used (sink)

• Translocationmovement of carbohydrates through plant

• May be made in photosynthetic cells or stores as starch

• Movement explained by pressure‐flow hypothesis carbohydrates actively transported into sieve tubes

• As carbs enter sieve tubes, water transported by osmosis

• Positive pressure builds up at source end of sieve tube

• “pressure” part of pressure‐flow hypothesis

• At sink, process reversed

• Carbs actively transported out

• Water leaves by osmosis

• Pressure reduced• Difference in pressure causes “flow”

Transport of Water

• Water and minerals transported through xylem

• During day, water constantly evaporating from plant (through stomata)

• Water loss  transpiration “tran‐spuh‐RAY‐shuhn”

• Result of plant needing CO2 from air• How does water move up a stem?

Cohesion‐Tension Theory

• Water pulled up xylem by strong attraction of water molecules to each other (cohesion)

• Movement also depends on rigid xylem walls and adhesion (attraction of water to xylem walls)

• Thin columns of water extend from leaves through stems and into roots

• As water evaporates, water column has great tension

• Water column doesn’t break b/c cohesion and adhesion

• Only other possible direction:  up• Pull at top of tree reaches all the way to bottom

• As water pulled up, more water enters roots to replace lost water

Storing Water and Nutrients

• Plant stems adapted for storage in most species• Many parenchyma cells in cortex• Cacti – stems specialized for storing water• Roots found close to surface (absorb water quickly and transport to stem)

• Sugar‐cane stems store large amount of sucrose• Etc.

LEAVESSection 4

• This is a tendril• Specialized leaf found in many vines• Wraps around object to support climbing vine• In some species, it is specialized stem (like in grapes)

• Unusual leaf modification happens in carnivorous plants like the pitcher plant/venus fly trap

• Leaves function as food traps• Plants grow in soil poor in many nutrients, especially nitrogen

• Plant gets nutrients when it traps and digests insects and other small animals

• b/c spines are so small and nonphotosynthetic, they greatly reduce loss of water from transpiration

Leaf Structures

• Wide variety of shapes and sizes

• Important for identifying plants

• Blade broad, flat portion of leaf

• Site of photosynthesis

• Blade usually attached to stem by petiole

• Simple leaf single blade• Compound leaf leaf divided into leaflets

• In some species, leaflets are also divided• Doubly compound leaf

• Leaves have 3 tissue systems

• Dermal tissue system –epidermis 

• Epidermis is single layer coated with cuticle

• Water, oxygen, carbon dioxide enter/exit through stomata

• Can have epidermal hairs

• Protect leaf from insects and intense light

• Number of stomata in area depends on species

• Aquatic plants – little or no stomata

• Corn – up to 10,000 per square cm on upper and lower surface

• Scarlet oak – over 100,000 only on lower surface

• In most plants, photosynthesis happens in the leaf mesophyll“MEZ‐oh‐fil”

• Ground tissue made of chloroplast‐rich parenchyma cells

• In most plants, mesophyll organized into 2 layers

• Palisade mesophylldirectly beneath upper epidermis

• Site of most photosynthesis

• Palisade mesophyll are in columns

• Look packed tightly together in 1 or two layers

• There are air spaces between walls

• Beneath palisade layer is spongy mesophyll

• Consists of irregularly shaped cells surrounded by large air spaces

• Allow O2, CO2 and H2O to diffuse in and out of leaf

• Vascular tissue system of leaves made of vascular bundles called veins

• Continuous with vascular system of stem and petiole

• Embedded in mesophyll

• Venationarrangement of veins in leaf

• Most monocots –parallel venation

• Most dicots – net venation (branched

Leaf Functions• Primary site of photosynthesis• Mesophyll cells use light energy, carbon dioxide, water to make carbohydrates

• Light energy also used in mesophyll cells to make amino acids, fats, and other organic molecules

• Carbs made in leaf used by leaf as energy or building blocks

• May also be transported to other parts of plants

• Major limitation to photosynthesis is not enough water b/c of transpiration

• Ex. About 98% water absorbed by corn’s roots lost by transpiration

• Also cools plant and speeds transport of minerals through xylem

Modifications in Capturing Light

• Leaves often adapt to maximize catching light

• Leaves develop in full sun are thicker, have smaller area per leaf, and more chloroplasts

• Shade‐leaf chloroplasts are arranged so shading of one chloroplast by another is minimized

• In dry environment, plants can receive more light than they can use

• Often have structures that reduce amount of light absorbed

• Ex. Dense coating of hairs• Ex. Growing underground

Gas Exchange• Plants have to balance their need to open stomata to get CO2 and release O2 with need to close stomata to prevent water loss

• Stoma bordered by 2 guard cellsmodified cells that regulate gas and water exchange

• Stomata of most plants open during day and closed at night

• Opening and closing regulated by amount of water in guard cells

• Epidermal cells of leaves pump K+ into guard cells• Water moves into guard cells by osmosis• Flood of water makes guard cells swell• Bend apart to make pore• Stomata now open

• During darkness, K+ pumped out of guard cells

• Water leaves by osmosis

• Guard cells shrink and stomata close

• Stomata also close is plant has shortage of water

• Closing greatly reduces water loss

• Helps plant survive until next rain

• Nearly shuts down photosynthesis (no CO2)

Parts of a Flower• Early land plants didn’t have leaves and roots, only stems

• Leaves evolved from branches of stems

• Botanists consider flowers to be specialized branches and parts of flowers specialized leaves

• All specialized leaves form on tip of floral ‘branch’ called the receptacle

• The receptacle is the enlarged part of the pedicle/peduncle (stem that ends in the flower)

• Flower parts usually found in 4 continuous whorls (rings)

• Outermost whorl is the calyxmade of sepals ‘SEE‐puhlz’

• Surround and protect other parts of developing flower before it opens

• Petalsmake up next whorl• Most animal‐pollinated flowers have brightly colored petals

• Petals and sepals of wind‐pollinated plants are small or absent

• Two innermost whorls contain reproductive structures

• Male reproductive structures are stamens‘STAY‐muhnz’

• Each has anther and filament

• Anther contains microsporangia produce microspores that develop into pollen grains

• Filament supports anther

• Innermost whorl contains female reproductive structures called carpels‘KAHR‐puhlz’

• One or more carpels fused together make up pistil

• Large base of pistil is the ovary• Style stalklike and rises from 

ovary• Stigma tip of style

– Usually sticky or has hairs to trap pollen

• Most species of flowering plants have flowers with both stamens and pistils

Some have only stamens - Male flowersSome have only pistils - Female flowers