Introduction to
Botany
Alexey Shipunov
June 7, 2021
,Shipunov, Alexey. Introduction to Botany. June 7, 2021 version. 192 pp. URL: http:
//ashipunov.info/shipunov/school/biol_154/
Title page: Plantago major image drawn by Alexey Shipunov.
This book was prepared at Minot State University (North Dakota, USA) with the help
of students in Biology 154 and Biology 310 classes.
This book is dedicated to the public domain
,Contents
Foreword 6
Glossary 7
1 Introduction to the Introduction 19
1.1 Plants, Botany, and Kingdoms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.1.1 Taxonomy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.2 Styles of Life and Basic Chemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2 Photosynthesis 28
2.1 Discovery of Photosynthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.2 Light Stage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.3 Enzymatic Stage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.4 C4 Pathway . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.5 True respiration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3 Symbiogenesis and the Plant Cell 40
3.1 Introduction to Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.2 Mitochondria and Chloroplasts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.3 Cell wall, Vacuoles, and Plasmodesmata . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.4 Other Parts of the Cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.4.1 Protein Synthesis: from the Nucleus to the Ribosomes . . . . . 49
3.4.2 Other Vesicles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.4.3 Cellular Skeleton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4 Multicellularity, the Cell Cycle and the Life Cycle 50
4.1 Mitosis and the Cell Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.2 Syngamy and Meiosis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.2.1 Sexual Process and the Syngamy . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.2.2 Meiosis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3
, 4.3 Life cycle of the Unicellular Eukaryote . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.4 Life cycle of the Multicellular Eukaryote . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.4.1 Origin of Death . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.4.2 Sporic, Zygotic and Gametic Life Cycles . . . . . . . . . . . . . . 62
4.4.3 Evolution of Life Cycles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.4.4 Life Cycle of Vegetabilia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5 Tissues and Organs; or how the Plant is built 67
5.1 Tissues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.1.1 Epidermis and Parenchyma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.1.2 Supportive Tissues: Building Skyscrapers . . . . . . . . . . . . 68
5.1.3 Meristems: the Construction Sites . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.1.4 Vascular Tissues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.1.5 Periderm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.1.6 Absorption Tissues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.1.7 Other Tissues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.2 Organs and Organ Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.3 The Leaf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.3.1 Morphology of the Leaf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.3.2 Anatomy of the Leaf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.3.3 Ecological Forms of Plants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
5.4 The Stem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.4.1 Morphology of the Stem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.4.2 Anatomy of the Primary Stem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.5 The Root . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5.5.1 Morphology of the Root . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.5.2 Anatomy of the Root . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
5.5.3 Water and Sugar Transportation in Plants . . . . . . . . . . . . 101
6 Growing Diversity of Plants 104
6.1 Bryophyta: the mosses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
6.2 Pteridophyta: the ferns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
6.2.1 Diversity of pteridophytes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
6.2.2 Heterospory: Next step on land . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
7 The Origin of Trees and Seeds 119
7.1 Secondary Stem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
7.2 Branching Shoot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
7.3 Life Forms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
7.3.1 Architectural Models Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
7.4 Modified Shoot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
7.4.1 Raunkiaer’s Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
4 Version June 7, 2021
Botany
Alexey Shipunov
June 7, 2021
,Shipunov, Alexey. Introduction to Botany. June 7, 2021 version. 192 pp. URL: http:
//ashipunov.info/shipunov/school/biol_154/
Title page: Plantago major image drawn by Alexey Shipunov.
This book was prepared at Minot State University (North Dakota, USA) with the help
of students in Biology 154 and Biology 310 classes.
This book is dedicated to the public domain
,Contents
Foreword 6
Glossary 7
1 Introduction to the Introduction 19
1.1 Plants, Botany, and Kingdoms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.1.1 Taxonomy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.2 Styles of Life and Basic Chemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2 Photosynthesis 28
2.1 Discovery of Photosynthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.2 Light Stage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.3 Enzymatic Stage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.4 C4 Pathway . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.5 True respiration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3 Symbiogenesis and the Plant Cell 40
3.1 Introduction to Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.2 Mitochondria and Chloroplasts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.3 Cell wall, Vacuoles, and Plasmodesmata . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.4 Other Parts of the Cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.4.1 Protein Synthesis: from the Nucleus to the Ribosomes . . . . . 49
3.4.2 Other Vesicles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.4.3 Cellular Skeleton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4 Multicellularity, the Cell Cycle and the Life Cycle 50
4.1 Mitosis and the Cell Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.2 Syngamy and Meiosis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.2.1 Sexual Process and the Syngamy . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.2.2 Meiosis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3
, 4.3 Life cycle of the Unicellular Eukaryote . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.4 Life cycle of the Multicellular Eukaryote . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.4.1 Origin of Death . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.4.2 Sporic, Zygotic and Gametic Life Cycles . . . . . . . . . . . . . . 62
4.4.3 Evolution of Life Cycles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.4.4 Life Cycle of Vegetabilia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5 Tissues and Organs; or how the Plant is built 67
5.1 Tissues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.1.1 Epidermis and Parenchyma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.1.2 Supportive Tissues: Building Skyscrapers . . . . . . . . . . . . 68
5.1.3 Meristems: the Construction Sites . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.1.4 Vascular Tissues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.1.5 Periderm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.1.6 Absorption Tissues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.1.7 Other Tissues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.2 Organs and Organ Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.3 The Leaf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.3.1 Morphology of the Leaf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.3.2 Anatomy of the Leaf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.3.3 Ecological Forms of Plants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
5.4 The Stem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.4.1 Morphology of the Stem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.4.2 Anatomy of the Primary Stem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.5 The Root . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5.5.1 Morphology of the Root . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.5.2 Anatomy of the Root . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
5.5.3 Water and Sugar Transportation in Plants . . . . . . . . . . . . 101
6 Growing Diversity of Plants 104
6.1 Bryophyta: the mosses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
6.2 Pteridophyta: the ferns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
6.2.1 Diversity of pteridophytes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
6.2.2 Heterospory: Next step on land . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
7 The Origin of Trees and Seeds 119
7.1 Secondary Stem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
7.2 Branching Shoot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
7.3 Life Forms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
7.3.1 Architectural Models Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
7.4 Modified Shoot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
7.4.1 Raunkiaer’s Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
4 Version June 7, 2021
