Copyright © 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin Cummings
PowerPoint Lectures forBiology, Seventh Edition
Neil Campbell and Jane Reece
Lectures by Chris Romero
Chapter 29
Chapter 29
Plant Diversity IHow PlantsColonized Land
Copyright © 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin Cummings
Overview: The Greening of Earth
Looking at a lush landscape, it is difficult toimagine the land without any plants or otherorganisms
For more than the first 3 billion years of Earth’shistory, the terrestrial surface was lifeless
Since colonizing land, plants have diversified intoroughly 290,000 living species
Copyright © 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin Cummings
29_01FernsAndMoss_UP
Copyright © 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin Cummings
Concept 29.1: Land plants evolved from greenalgae
Green algae called charophyceans are the closestrelatives of land plants
Copyright © 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin Cummings
Morphological and Biochemical Evidence
Many characteristics of land plants also appear ina variety of algal clades, mainly algae
However, land plants share four key traits onlywith charophyceans:
Rose-shaped complexes for cellulosesynthesis
Peroxisome enzymes
Structure of flagellated sperm
Formation of a phragmoplast
Copyright © 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin Cummings
29_02CharoPlantHomology_UP
Copyright © 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin Cummings
Genetic Evidence
Comparisons of both nuclear and chloroplastgenes point to charophyceans as the closest livingrelatives of land plants
LE 29-3
LE 29-3
10 mm
40 µm
Chara,
a pond
organism
(LM).
Coleochaete orbicularis, a disk-shaped
charophycean (LM).
Copyright © 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin Cummings
Adaptations Enabling the Move to Land
In charophyceans a layer of a durable polymercalled sporopollenin prevents exposed zygotesfrom drying out
The accumulation of traits that facilitated survivalon land may have opened the way to itscolonization by plants
Copyright © 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin Cummings
Concept 29.2: Land plants possess a set of derivedterrestrial adaptations
Many adaptations emerged after land plantsdiverged from their charophycean relatives
Copyright © 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin Cummings
Defining the Plant Kingdom
Systematists are currently debating theboundaries of the plant kingdom
Some biologists think the plant kingdom should beexpanded to include some or all green algae
Until this debate is resolved, we will retain theembryophyte definition of kingdom Plantae
LE 29-4
LE 29-4
Viridiplantae
Streptophyta
Plantae
Red algae
Chlorophytes
Charophyceans
Embryophytes
Ancestral alga
Copyright © 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin Cummings
Derived Traits of Plants
Five key traits appear in nearly all land plants butare absent in the charophyceans:
Apical meristems
Alternation of generations
Walled spores produced in sporangia
Multicellular gametangia
Multicellular dependent embryos
29_05aMeriAndAltGenerat_CNL
LE 29-5a
LE 29-5a
Apical
Meristem
of shoot
Developing
leaves
Shoot
Root
Apical meristem
100 µm
100 µm
Apical Meristems
LE 29-5b
LE 29-5b
Mitosis
Alternation of Generations
Spores
Mitosis
Mitosis
Zygote
Gametes
Haploid multicellular
organism (gametophyte)
Diploid multicellular
organism (sporophyte)
MEIOSIS
FERTILIZATION
LE 29-5c
LE 29-5c
Walled Spores
Produced in Sporangia
Multicellular
Gametangia
Multicellular,
Dependent Embryos
Longitudinal section of
Sphagnum sporangium (LM)
Spores
Sporangium
Sporophyte
Gametophyte
Sporophyte and sporangium
of Sphagnum (a moss)
Archegonia and antheridia
of Marchantia (a liverwort)
Male gametophyte
Antheridium
with sperm
Female gametophyte
Archegonium
with egg
Maternal
tissue
Embryo
2 µm
10 µm
Wall
ingrowths
Placental
transfer
cell
Copyright © 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin Cummings
Additional derived traits such as a cuticle andsecondary compounds evolved in many plantspecies
Copyright © 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin Cummings
The Origin and Diversification of Plants
Fossil evidence indicates that plants were on landat least 475 million years ago
Fossilized spores and tissues have been extractedfrom 475-million-year-old rocks
LE 29-6
LE 29-6
Fossilized spores.Unlike the spores ofmost living plants,which are singlegrains, these sporesfound in Oman are ingroups of four (left;one hidden) and two(right).
Fossilizedsporophyte tissue.The spores wereembedded in tissuethat appears to befrom plants.
Copyright © 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin Cummings
Those ancestral species gave rise to a vastdiversity of modern plants
Land plants can be informally grouped based onthe presence or absence of vascular tissue
Copyright © 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin Cummings
29_01-ExtantPlantPhyla_T
LE 29-7
LE 29-7
Ancestral
green alga
Origin of land plants
(about 475 mya)
Origin of vascular plants
(about 420 mya)
Origin of seed plants
(about 360 mya)
Land plants
Vascular plants
Seed plants
Seedless vascular plants
Bryophytes
Liverworts
Hornworts
Mosses
Lycophytes
Pterophytes
Gymno-
sperms
Angio-
sperms
Charophyceans
Copyright © 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin Cummings
Concept 29.3: The life cycles of mosses and otherbryophytes are dominated by the gametophyte stage
Bryophytes are represented today by three phylaof small herbaceous (nonwoody) plants:
Liverworts, phylum Hepatophyta
Hornworts, phylum Anthocerophyta
Mosses, phylum Bryophyta
Copyright © 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin Cummings
Debate continues over the sequence of bryophyteevolution
Mosses are most closely related to vascular plants
Copyright © 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin Cummings
Bryophyte Gametophytes
In all three bryophyte phyla, gametophytes arelarger and longer-living than sporophytes
Sporophytes are typically present only part of thetime
LE 29-8
LE 29-8
Male
gametophyte
“Bud”
      Spores develop into
threadlike protonemata.
Protonemata
“Bud”
      The haploidprotonemataproduce “buds”that grow intogametophytes.
Raindrop
Sperm
Antheridia
      Most mosses have separatemale and female gametophytes,with antheridia and archegonia,respectively.
Egg
Haploid (n)
Diploid (2n)
Key
      A sperm swimsthrough a film ofmoisture to anarchegonium andfertilizes the egg.
Archegonia
Rhizoid
Female
gametophyte
Gametophore
Spores
Sporangium
Peristome
MEIOSIS
      Meiosis occurs and haploidspores develop in the sporangiumof the sporophyte. When thesporangium lid pops off, theperistome “teeth” regulate gradualrelease of the spores.
      The sporophyte grows along stalk, or seta, that emergesfrom the archegonium.
FERTILIZATION
(within archegonium)
Archegonium
Zygote
Embryo
Calyptra
Young
sporophyte
      Attached by its foot, thesporophyte remainsnutritionally dependent on thegametophyte.
      The diploid zygotedevelops into asporophyte embryo withinthe archegonium.
Capsule
(sporangium)
Seta
Foot
Mature
sporophytes
Capsule with
peristome (SEM)
Female
gametophytes
Copyright © 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin Cummings
Bryophyte gametophytes
Produce flagellated sperm in antheridia
Produce ova in archegonia
Generally form ground-hugging carpets andare at most only a few cells thick
Some mosses have conducting tissues in thecenter of their “stems” and may grow vertically
Copyright © 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin Cummings
Bryophyte Sporophytes
Bryophyte sporophytes
Grow out of archegonia
Are the smallest and simplest of all extantplant groups
Consist of a foot, a seta, and a sporangium
Hornwort and moss sporophytes have stomata
29_09aBryophyteDiversit_CNL
LE 29-9a
LE 29-9a
Gametophore of
female gametophyte
Marchantia polymorpha,
a “thalloid” liverwort
Foot
Seta
Sporangium
500 µm
Marchantia sporophyte (LM)
LE 29-9b
LE 29-9b
Plagiochila
deltoidea,
a “leafy”
liverwort
LE 29-9c
LE 29-9c
An Anthroceros
hornwort species
Sporophyte
Gametophyte
29_09dBryophyteDiversit_CNL
LE 29-9d
LE 29-9d
Polytrichum
commune,
hairy cap
moss
Sporophyte
Gametophyte
Copyright © 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin Cummings
Ecological and Economic Importance of Mosses
Sphagnum, or “peat moss,” forms extensivedeposits of partially decayed organic materialknown as peat
Sphagnum plays an important role in the Earth’scarbon cycle
LE 29-10
LE 29-10
A peat bog.
Gametophyte
Sporangium at
tip of sporophyte
Living
photo-
synthetic
cells
Dead water-
storing cells
100 µm
Closeup ofSphagnum.
Note the “leafy”
Gametophytes andtheir offspring, thesporophytes.
Sphagnum “leaf” (LM). Thecombination of living photosyntheticcells and dead water-storing cellsgives the moss its spongy quality.
“Tolland Man,” a bog mummy dating from 405–100 B.C. Theacidic, oxygen-poor conditions produced by Sphagnum canpreserve human or animal bodies for thousands of years.
29_10-SphagnumSignificant_L
Copyright © 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin Cummings
Concept 29.4: Ferns and other seedless vascularplants formed the first forests
Bryophytes and bryophyte-like plants were theprevalent vegetation during the first 100 millionyears of plant evolution
Vascular plants began to diversify during theCarboniferous period
Vascular plants dominate most landscapes today
Copyright © 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin Cummings
Origins and Traits of Vascular Plants
Fossils of the forerunners of vascular plants dateback about 420 million years
These early tiny plants had independent,branching sporophytes
They lacked other derived traits of vascular plants
Copyright © 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin Cummings
29_11FossilVascularPlant_U
Copyright © 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin Cummings
Life Cycles with Dominant Sporophytes
In contrast with bryophytes, sporophytes ofseedless vascular plants are the larger generation,as in the familiar leafy fern
The gametophytes are tiny plants that grow on orbelow the soil surface
LE 29-12
LE 29-12
Spore
Sperm
Antheridium
Egg
Haploid (n)
Diploid (2n)
Key
Young
gametophyte
Sorus
Sporangium
MEIOSIS
FERTILIZATION
Archegonium
Zygote
New
sporophyte
Mature
sporophyte
Sporangium
Gametophyte
Fiddlehead
Copyright © 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin Cummings
Transport in Xylem and Phloem
Vascular plants have two types of vascular tissue:xylem and phloem
Xylem conducts most of the water and mineralsand includes dead cells called tracheids
Phloem consists of living cells and distributessugars, amino acids, and other organic products
Copyright © 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin Cummings
Evolution of Roots
Roots are organs that anchor vascular plants
They enable vascular plants to absorb water andnutrients from the soil
Roots may have evolved from subterranean stems
Copyright © 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin Cummings
Evolution of Leaves
Leaves are organs that increase the surface areaof vascular plants, thereby capturing more solarenergy that is used for photosynthesis
Copyright © 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin Cummings
Leaves are categorized by two types:
Microphylls, leaves with a single vein
Megaphylls, leaves with a highly branchedvascular system
According to one model of evolution, microphyllsevolved first, as outgrowths of stems
LE 29-13
LE 29-13
Vascular tissue
Microphylls
Megaphylls
Copyright © 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin Cummings
Sporophylls and Spore Variations
Sporophylls are modified leaves with sporangia
Most seedless vascular plants are homosporous,producing one type of spore that develops into abisexual gametophyte
All seed plants and some seedless vascular plantsare heterosporous, having two types of sporesthat give rise to male and female gametophytes
Copyright © 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin Cummings
29_UN586HomoAndHeterospor_L
Copyright © 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin Cummings
Classification of Seedless Vascular Plants
There are two phyla of seedless vascular plants:
Lycophyta includes club mosses, spikemosses, and quillworts
Pterophyta includes ferns, horsetails, andwhisk ferns and their relatives
LE 29-14a
LE 29-14a
Selaginella apoda,
a spike moss
LE 29-14b
LE 29-14b
Isoetes
gunnii,
a quillwort
29_14cVascPlantDiversity_UP
LE 29-14c
LE 29-14c
Diphasiastrum tristachyum, a club moss
Strobili
(clusters of
sporophyllis)
LE 29-14d
LE 29-14d
Psilotum
nudum,
a whisk
fern
LE 29-14e
LE 29-14e
Equisetum
arvense,
field
horsetail
Vegetative stem
Strobilus on
fertile stem
LE 29-14f
LE 29-14f
Athyrium filix-femina, lady fern
Copyright © 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin Cummings
Phylum Lycophyta: Club Mosses, Spike Mosses, andQuillworts
Giant lycophytes thrived for millions of years inmoist swamps
Surviving species are small herbaceous plants
Copyright © 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin Cummings
Phylum Pterophyta: Ferns, Horsetails, and WhiskFerns and Relatives
Ferns are the most diverse seedless vascularplants, with more than 12,000 species
They are most diverse in the tropics but alsothrive in temperate forests
Some species are even adapted to aridclimates
Copyright © 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin Cummings
The Significance of Seedless Vascular Plants
The ancestors of modern lycophytes, horsetails,and ferns grew to great heights during theCarboniferous, forming the first forests
These forests may have helped produce theglobal cooling at the end of the Carboniferousperiod
The decaying plants of these Carboniferousforests eventually became coal
Copyright © 2005 Pearson Education, Inc. publishing as Benjamin Cummings
29_15CarboniferousForest_U