beszélje meg a növények közös táplálkozási szükségleteit

a növények kétféle módon szereznek élelmet. Az autotróf növények szervetlen nyersanyagokból, például szén-dioxidból és vízből készíthetik el saját táplálékukat fotoszintézis útján, napfény jelenlétében. A zöld növények ebbe a csoportba tartoznak. Néhány növény azonban heterotróf: teljesen parazita és hiányzik a klorofill. Ezek a növények, amelyeket holo-parazita növényeknek neveznek, nem képesek szerves szenet szintetizálni, és az összes tápanyagot a gazdanövényből kivonni.

a növények mikrobiális partnerek segítségét is igénybe vehetik a tápanyagok megszerzésében. Bizonyos baktériumok és gombák bizonyos növényekkel együtt fejlődtek ki, hogy kölcsönös szimbiotikus kapcsolatot teremtsenek a gyökerekkel. Ez javítja mind a növény, mind a mikroba táplálkozását. A hüvelyes növényekben a csomók kialakulása és a mikorrhizáció a növények táplálkozási adaptációi között tekinthető. Ezek azonban nem az egyetlen adaptációs típus, amelyet megtalálhatunk; sok növénynek más adaptációi vannak, amelyek lehetővé teszik számukra, hogy meghatározott körülmények között boldoguljanak.

táplálkozási követelmények

a növények egyedülálló organizmusok, amelyek gyökérrendszerükön keresztül képesek felszívni a tápanyagokat és a vizet, valamint a légkörből származó szén-dioxidot. A talaj minősége és az éghajlat a növények elterjedésének és növekedésének fő meghatározói. A talaj tápanyagai, a víz és a szén-dioxid, valamint a napfény kombinációja lehetővé teszi a növények növekedését.

a növények kémiai összetétele

1.ábra. A víz a gyökérszőrzeten keresztül szívódik fel, és a xilém felfelé mozog a levelekig.

mivel a növényeknek tápanyagokra van szükségük olyan elemek formájában, mint a szén és a kálium, fontos megérteni a növények kémiai összetételét. A növényi sejt térfogatának többsége víz; jellemzően a növény teljes tömegének 80-90% – át teszi ki. A talaj a szárazföldi növények vízforrása, és bőséges vízforrás lehet, még akkor is, ha száraznak tűnik. A növényi gyökerek a gyökérszőrzeten keresztül szívják fel a vizet a talajból, és a xilémen keresztül szállítják a levelekig. Mivel a vízgőz elvész a levelekből, a transzpiráció folyamata és a vízmolekulák polaritása (amely lehetővé teszi számukra a hidrogénkötések kialakulását) több vizet von el a gyökerektől a növényen keresztül a levelekig (1.ábra). A növényeknek vízre van szükségük a sejtszerkezet fenntartásához, az anyagcsere funkciókhoz, a tápanyagok szállításához és a fotoszintézishez.

a növényi sejteknek alapvető anyagokra van szükségük, amelyeket együttesen tápanyagoknak neveznek az élet fenntartásához. A növényi tápanyagok szerves vagy szervetlen vegyületekből állhatnak. A szerves vegyület olyan kémiai vegyület, amely szenet, például a légkörből nyert szén-dioxidot tartalmaz. A légköri CO-ból nyert szén2 a legtöbb növényben a száraz tömeg nagy részét alkotja. Egy szervetlen vegyület nem tartalmaz szenet, és nem része egy élő szervezetnek, illetve nem termeli azt. A talajoldat nagy részét képező szervetlen anyagokat általában ásványi anyagoknak nevezik: a növények által igényelt nitrogén (N) és kálium (k) a szerkezet és a szabályozás szempontjából.

alapvető tápanyagok

a növényeknek csak fényre, vízre és körülbelül 20 elemre van szükségük biokémiai szükségleteik kielégítéséhez: ezt a 20 elemet alapvető tápanyagoknak nevezzük (1.táblázat). Ahhoz, hogy egy elemet lényegesnek lehessen tekinteni, három kritériumra van szükség: 1) egy növény nem tudja teljesíteni életciklusát az elem nélkül; 2) egyetlen más elem sem képes ellátni az elem funkcióját; és 3) az elem közvetlenül részt vesz a növények táplálkozásában.

makrotápanyagok és mikrotápanyagok

az alapvető elemek két csoportra oszthatók: makrotápanyagok és mikrotápanyagok. Azokat a tápanyagokat, amelyeket a növények nagyobb mennyiségben igényelnek, makrotápanyagoknak nevezzük. Az alapvető elemek körülbelül felét makrotápanyagoknak tekintik: szén, hidrogén, oxigén, nitrogén, foszfor, kálium, kalcium, magnézium és kén. Ezen makrotápanyagok közül az első, a szén (C) szükséges a szénhidrátok, fehérjék, nukleinsavak és sok más vegyület képződéséhez; ezért minden makromolekulában jelen van. Átlagosan a cella száraz tömege (a víz kivételével) 50% szén. Amint a 2. ábrán látható, a szén a növényi biomolekulák kulcsfontosságú része.

2. ábra. A cellulóz, a növényi sejtfal fő szerkezeti alkotóeleme, a növényi anyag több mint harminc százalékát teszi ki. Ez a legelterjedtebb szerves vegyület a földön.

a növényi sejtek következő leggyakoribb eleme a nitrogén (N); a fehérjék és a nukleinsavak része. A nitrogént bizonyos vitaminok szintézisében is használják. A hidrogén és az oxigén olyan makrotápanyagok, amelyek számos szerves vegyület részét képezik, és vizet is képeznek. Oxigén szükséges a sejtlégzéshez; a növények oxigént használnak az energia tárolására ATP formájában. A foszfor (P), egy másik makromolekula szükséges a nukleinsavak és foszfolipidek szintetizálásához. Az ATP részeként a foszfor lehetővé teszi az élelmiszer-energia kémiai energiává történő átalakítását oxidatív foszforilezéssel. Hasonlóképpen, a fényenergia kémiai energiává alakul a fotofoszforilezés során a fotoszintézis során, valamint a légzés során kinyerendő kémiai energiává. A kén bizonyos aminosavak, például a cisztein és a metionin része, és számos koenzimben jelen van. A kén szerepet játszik a fotoszintézisben is az elektrontranszport lánc részeként, ahol a hidrogéngradiensek kulcsszerepet játszanak a fényenergia ATP-vé történő átalakításában. A kálium (k) fontos szerepet játszik a sztóma nyitásának és záródásának szabályozásában. A gázcsere nyílásaként a sztómák segítenek fenntartani az egészséges vízegyensúlyt; egy káliumion-szivattyú támogatja ezt a folyamatot.

a magnézium (Mg) és a kalcium (Ca) szintén fontos makrotápanyagok. A kalcium szerepe kettős: szabályozza a tápanyagok szállítását és számos enzimfunkciót támogat. A magnézium fontos a fotoszintetikus folyamat szempontjából. Ezek az ásványi anyagok, valamint az alábbiakban ismertetett mikrotápanyagok szintén hozzájárulnak a növény Ionos egyensúlyához.

a makrotápanyagok mellett az organizmusok kis mennyiségben különféle elemeket igényelnek. Ezek a mikrotápanyagok vagy nyomelemek nagyon kis mennyiségben vannak jelen. Ezek közé tartozik a bór (B), klór (Cl), mangán (Mn), vas (Fe), cink (Zn), réz (Cu), molibdén (Mo), nikkel (Ni), Szilícium (Si) és nátrium (Na).

3.ábra. A tápanyaghiány nyilvánvaló azokban a tünetekben, amelyeket ezek a növények mutatnak. Ez (a) a szőlő paradicsom kalciumhiány által okozott virágzási rothadásban szenved. A sárgulás ebben a (b) Frangula alnusban magnéziumhiányból származik. A nem megfelelő magnézium (c) intervenális klorózishoz is vezet, amelyet itt egy sweetgum levélben látunk. Ezt a (d) tenyerét a káliumhiány befolyásolja. (C hitel: Jim Conrad munkájának módosítása; D hitel: Malcolm Manners munkájának módosítása)

ezen tápanyagok bármelyikének hiánya—különösen a makrotápanyagok-hátrányosan befolyásolhatja a növények növekedését (3.ábra). Az adott tápanyagtól függően a hiány elakadt növekedést, lassú növekedést vagy klorózist (a levelek sárgulását) okozhat. A szélsőséges hiányosságok azt eredményezhetik, hogy a levelek sejthalál jeleit mutatják.

autotróf növények

nitrogén rögzítés: gyökér és baktérium kölcsönhatások

a nitrogén fontos makrotápanyag, mert része a nukleinsavaknak és fehérjéknek. A légköri nitrogén, amely a kétatomos molekula N2, vagy dinitrogén, a szárazföldi ökoszisztémák legnagyobb nitrogénkészlete. A növények azonban nem tudják kihasználni ezt a nitrogént, mert nem rendelkeznek a szükséges enzimekkel ahhoz, hogy biológiailag hasznos formákká alakítsák. A nitrogén azonban “rögzíthető”, ami azt jelenti, hogy biológiai, fizikai vagy kémiai folyamatok révén ammóniává (NH3) alakítható. Mint megtudta, a biológiai nitrogén rögzítés (BNF) a légköri nitrogén (N2) ammóniává (NH3) történő átalakítása, amelyet kizárólag prokarióták, például talajbaktériumok vagy cianobaktériumok végeznek. A biológiai folyamatok a mezőgazdaságban felhasznált nitrogén 65% – át teszik ki. A következő egyenlet képviseli a folyamatot:

\text{N}_2+16\text{ ATP}+8\text{e}^{-}+8\text{H}^{+}\longrightarrow2\text{NH}_{3}+16\text{ ADP}+16\text{Pi}+\text{H}_2

a BNF legfontosabb forrása a talajbaktériumok és a hüvelyes növények közötti szimbiotikus kölcsönhatás, beleértve sok ember számára fontos növény (4.ábra). A rögzítésből származó NH3 a növényi szövetekbe szállítható, és aminosavakba építhető be, amelyek ezután növényi fehérjékké alakulnak. Néhány hüvelyes mag, például a szójabab és a földimogyoró magas fehérjetartalmat tartalmaz, és a világ legfontosabb mezőgazdasági fehérjeforrásai közé tartozik.

4.ábra. Néhány közös ehető hüvelyesek—mint (a) földimogyoró, (b) bab, és (c) csicseriborsó—képesek kölcsönhatásba szimbiotikusan talaj baktériumok, amelyek rögzítik a nitrogén. (a hitel: Jules Clancy munkájának módosítása; B hitel: a munka módosítása az USDA által)

a talajbaktériumok, amelyeket együttesen rhizobiának neveznek, szimbiotikusan kölcsönhatásba lépnek a hüvelyesek gyökereivel, hogy speciális struktúrákat képezzenek, amelyeket csomóknak neveznek, amelyekben nitrogén rögzítés történik. Ez a folyamat magában foglalja a légköri nitrogén ammóniává történő redukcióját a nitrogenáz enzim segítségével. Ezért a rhizobia használata természetes és környezetbarát módja a növények megtermékenyítésének, szemben a kémiai megtermékenyítéssel, amely nem megújuló erőforrást, például földgázt használ. A szimbiotikus nitrogénrögzítés révén a növény számára előnyös, ha végtelen nitrogénforrást használ a légkörből. A folyamat egyidejűleg hozzájárul a talaj termékenységéhez, mivel a növény gyökérzete a biológiailag elérhető nitrogén egy részét maga mögött hagyja. Mint minden szimbiózisban, mindkét szervezet profitál a kölcsönhatásból: a növény ammóniát kap, a baktériumok pedig fotoszintézis útján keletkező szénvegyületeket, valamint egy védett rést kapnak, amelyben növekedhetnek (5.ábra).

5.ábra. A szójabab gyökerei (a) nitrogént rögzítő csomókat tartalmaznak. A csomókban lévő sejteket Bradyrhyzobium japonicum, rhizobia vagy “gyökérszerető” baktérium fertőzte meg. A baktériumok a sejt belsejében lévő (b) vezikulákba vannak beágyazva, amint az ebben a transzmissziós elektronmikrográfiában látható. (a hitel: az USDA munkájának módosítása; B hitel: Louisa Howard munkájának módosítása, Dartmouth elektronmikroszkóp létesítmény; matt Russell skála-sáv adatai)

Mycorrhizae: a gombák és a gyökerek közötti szimbiotikus kapcsolat

tápanyag-kimerülési zóna alakulhat ki, ha a talajoldat gyors felvétele, alacsony tápanyagkoncentráció, alacsony diffúziós sebesség vagy alacsony talajnedvesség van. Ezek a feltételek nagyon gyakoriak; ezért a legtöbb növény a gombákra támaszkodik, hogy megkönnyítse az ásványi anyagok felvételét a talajból. A gombák szimbiotikus asszociációkat alkotnak, amelyeket mikorrhizának neveznek növényi gyökerekkel, amelyekben a gombák valójában beépülnek a gyökér fizikai szerkezetébe. A gombák az aktív növénynövekedés során kolonizálják az élő gyökérszövetet.

6.ábra. A gyökércsúcsok mikorrhiza fertőzés jelenlétében szaporodnak, amely ezen a képen törtfehér fuzz-ként jelenik meg. (hitel: a munka módosítása Nilsson et al. BMC bioinformatika 2005)

a mikorrhizáción keresztül a növény főként foszfátot és más ásványi anyagokat, például cinket és rézet nyer a talajból. A gomba tápanyagokat, például cukrokat nyer a növény gyökeréből (6.ábra). A mikorrhizák segítenek növelni a növény gyökérzetének felületét, mivel a keskeny hifák elterjedhetnek a tápanyag-kimerülési zónán túl. A hifák apró talaj pórusokká nőhetnek, amelyek lehetővé teszik a foszforhoz való hozzáférést, amely egyébként nem lenne elérhető a növény számára. A növényre gyakorolt jótékony hatás leginkább a rossz talajban figyelhető meg. A gombák előnye, hogy a növények által elért teljes szén akár 20% – át is megszerezhetik. A Mycorrhizae a kórokozók fizikai gátjaként működik. Ezenkívül generalizált gazdaszervezet-védelmi mechanizmusok indukcióját is biztosítja, és néha magában foglalja az antibiotikus vegyületek termelését a gombák által.

kétféle mycorrhizae létezik: ectomycorrhizae és endomycorrhizae. Az Ectomycorrhizae kiterjedt sűrű hüvelyt képez a gyökerek körül, amelyet köpenynek neveznek. A gombákból származó hifák a köpenytől a talajba nyúlnak, ami növeli a víz és az ásványi anyagok felszívódását. Ez a fajta mycorrhizae megtalálható az erdei fákban, különösen a tűlevelűekben, nyírfákban és tölgyekben. Az Endomycorrhizae, más néven arbuscularis mycorrhizae, nem képez sűrű hüvelyt a gyökér felett. Ehelyett a gombás micélium be van ágyazva a gyökérszövetbe. Az endomycorrhizák a szárazföldi növények több mint 80% – ának gyökereiben találhatók.

heterotróf növények

egyes növények nem tudnak saját táplálékot előállítani, és táplálékukat külső forrásokból kell beszerezniük—ezek a növények heterotrófok. Ez előfordulhat parazita vagy szaprofita növényeknél. Egyes növények kölcsönös szimbionták, epifiták vagy rovarirtók.

növényi paraziták

a parazita növény túlélése a gazdaszervezetétől függ. Néhány parazita növénynek nincs levele. Erre példa a dodder (7a. ábra), amelynek gyenge, hengeres szára van, amely a gazdaszervezet körül tekercsel és balekokat képez. Ezekből a szopókból a sejtek behatolnak a gazdaszervezet szárába, és növekednek, hogy összekapcsolódjanak a gazdaszervezet vaszkuláris kötegeivel. A parazita növény ezeken a kapcsolatokon keresztül szerez vizet és tápanyagokat. A növény teljes parazita (holoparazita), mert teljesen függ a gazdájától. Más parazita növények (hemiparaziták) teljesen fotoszintetikusak, és csak a vizet és az ásványi anyagokat használják. Körülbelül 4100 parazita növényfaj van.

szaprofiták

a szaprofita olyan növény, amely nem rendelkezik klorofillal, és táplálékát halott anyagból kapja, hasonlóan a baktériumokhoz és gombákhoz (vegye figyelembe, hogy a gombákat gyakran szaprofitáknak nevezik, ami helytelen, mert a gombák nem növények). Az ilyen növények enzimeket használnak a bioélelmiszerek egyszerűbb formákká történő átalakítására, amelyekből felszívhatják a tápanyagokat (7b ábra). A legtöbb szaprofita nem emészti meg közvetlenül az elhalt anyagot: ehelyett parazitálják azokat a gombákat, amelyek megemésztik az elhalt anyagot, vagy mikorrhizásak, végül fotoszintátot nyernek egy olyan gombából, amely a gazdájából fotoszintetált. A szaprofita növények ritkák, csak néhány fajt írnak le.

7.ábra. (a) A dodder egy holoparazita, amely behatol a gazdaszervezet érszövetébe, és eltereli a tápanyagokat a saját növekedéséhez. Ne feledje, hogy a fehér virágokkal rendelkező dodder szőlője bézs színű. A doddernek nincs klorofillja, és nem képes saját táplálékot előállítani. (b) a szaprofiták, mint ez a Holland pipa (Monotropa hypopitys), Holt anyagból nyerik táplálékukat, és nem tartalmaznak klorofillt. (a hitel: “Lalithamba” / Flickr; b hitel: Iwona Erskine-Kellie munkájának módosítása)

Symbionts

a szimbiont egy szimbiotikus kapcsolatban álló növény, speciális adaptációkkal, például mikorrhizával vagy csomóképződéssel. A gombák szimbiotikus asszociációkat alkotnak a cianobaktériumokkal és a zöld algákkal (úgynevezett zuzmók). A zuzmók néha színes növekedésnek tekinthetők a sziklák és fák felszínén (8a ábra). Az algapartner (phycobiont) autotrofikusan készíti az ételt, amelyek közül néhányat megoszt a gombával; a gombapartner (mycobiont) felszívja a vizet és az ásványi anyagokat a környezetből, amelyek a zöld alga rendelkezésére állnak. Ha az egyik partnert elválasztják a másiktól, mindketten meghalnak.

epifiták

az epifita olyan növény, amely más növényeken növekszik, de táplálkozása nem függ a másik növénytől (8b ábra). Az epifitáknak kétféle gyökere van: kapaszkodó légi gyökerek, amelyek felszívják a tápanyagokat a fák hasadékaiban felhalmozódó humuszból; és légi gyökerek, amelyek felszívják a nedvességet a légkörből.

8.ábra. a) a zuzmók, amelyek gyakran szimbiotikus kapcsolatban állnak más növényekkel, néha fákon nőnek. b)ezek az epifita növények a párizsi Jardin des Plantes fő üvegházában nőnek. (forrás :a”benketaro” /Flickr)

rovarevő növények

9.ábra. A Vénusz légycsapdájának speciális levelei vannak a rovarok csapdába ejtésére. (hitel: “Selena N. B. H.” / Flickr)

a rovarevő növény speciális levelekkel rendelkezik a rovarok vonzására és emésztésére. A Vénusz légycsapója közismerten rovarevő táplálkozási módjáról ismert, levelei csapdákként működnek (9.ábra).

a zsákmányból nyert ásványi anyagok kompenzálják azokat, akik hiányoznak a natív Észak-Karolinai parti síkság mocsaras (alacsony pH-értékű) talajából. Minden levél mindkét felének közepén három érzékeny szőr található. Az egyes levelek széleit hosszú tüskék borítják. A növény által kiválasztott nektár vonzza a legyeket a levélhez. Amikor egy légy megérinti az érzékszervi szőrszálakat, a levél azonnal bezáródik. Ezután a folyadékok és az enzimek lebontják a zsákmányt, és az ásványi anyagokat a levél felszívja. Mivel ez a növény népszerű a kertészeti kereskedelemben,eredeti élőhelyén fenyegeti.

ellenőrizze megértését

válaszoljon az alábbi kérdés(ek) re, hogy lássa, mennyire jól érti az előző szakaszban tárgyalt témákat. Ez a rövid kvíz nem számít bele az osztályzatodba, és korlátlan számú alkalommal megismételheted.

használja ezt a kvízt, hogy ellenőrizze a megértést, és eldöntse, hogy (1) tanulmányozza tovább az előző szakaszt, vagy (2) lépjen tovább a következő szakaszra.