Diskuter de vanlige ernæringsmessige behovene til planter

Planter få mat på to forskjellige måter. Autotrofe planter kan lage sin egen mat fra uorganiske råvarer, som karbondioksid og vann, gjennom fotosyntese i nærvær av sollys. Grønne planter er inkludert i denne gruppen. Noen planter er imidlertid heterotrofiske: de er helt parasittiske og mangler klorofyll. Disse plantene, referert til som holo-parasittiske planter, er ikke i stand til å syntetisere organisk karbon og trekke alle sine næringsstoffer fra vertsplanten.

Planter kan også få hjelp av mikrobielle partnere i næringsoppkjøp. Spesielle arter av bakterier og sopp har utviklet seg sammen med visse planter for å skape et mutualistisk symbiotisk forhold til røtter. Dette forbedrer ernæringen av både planten og mikroben. Dannelsen av knuter i legume planter og mycorrhization kan betraktes blant de ernæringsmessige tilpasninger av planter. Dette er imidlertid ikke den eneste typen tilpasninger vi kan finne; mange planter har andre tilpasninger som gjør at de kan trives under bestemte forhold.

Ernæringsmessige Krav

Planter er unike organismer som kan absorbere næringsstoffer og vann gjennom sitt rotsystem, samt karbondioksid fra atmosfæren. Jordkvalitet og klima er de viktigste faktorene for plantedistribusjon og vekst. Kombinasjonen av jord næringsstoffer, vann og karbondioksid, sammen med sollys, tillater planter å vokse.

Plantenes Kjemiske Sammensetning

Figur 1. Vann absorberes gjennom rothårene og beveger seg opp i xylem til bladene.

siden planter krever næringsstoffer i form av elementer som karbon og kalium, er det viktig å forstå plantens kjemiske sammensetning. Størstedelen av volumet i en plantecelle er vann; det består vanligvis av 80 til 90 prosent av plantens totale vekt. Jord er vannkilden til landplanter, og kan være en rikelig kilde til vann, selv om det ser tørt ut. Planterøtter absorberer vann fra jorda gjennom rothår og transporterer det opp til bladene gjennom xylem. Når vanndamp går tapt fra bladene, trekker prosessen med transpirasjon og polariteten til vannmolekyler (som gjør at de kan danne hydrogenbindinger) mer vann fra røttene opp gjennom planten til bladene (Figur 1). Planter trenger vann for å støtte cellestruktur, for metabolske funksjoner, for å bære næringsstoffer og for fotosyntese.

Planteceller trenger essensielle stoffer, kollektivt kalt næringsstoffer, for å opprettholde livet. Plantenæringsstoffer kan bestå av enten organiske eller uorganiske forbindelser. En organisk forbindelse er en kjemisk forbindelse som inneholder karbon, som karbondioksid oppnådd fra atmosfæren. Karbon som ble oppnådd fra atmosfærisk CO2 komponerer størstedelen av tørrmassen i de fleste planter. En uorganisk forbindelse inneholder ikke karbon og er ikke en del av eller produsert av en levende organisme. Uorganiske stoffer, som danner flertallet av jordløsningen, kalles vanligvis mineraler: de som kreves av planter inkluderer nitrogen (N) og kalium (K) for struktur og regulering.

Essensielle Næringsstoffer

Planter krever bare lys, vann og ca 20 elementer for å støtte alle deres biokjemiske behov: disse 20 elementene kalles essensielle næringsstoffer (Tabell 1). For at et element skal anses som essensielt, kreves tre kriterier: 1) en plante kan ikke fullføre sin livssyklus uten elementet; 2) ingen andre elementer kan utføre elementets funksjon; og 3) elementet er direkte involvert i planteernæring.

Makronæringsstoffer Og Mikronæringsstoffer

de essensielle elementene kan deles inn i to grupper: makronæringsstoffer og mikronæringsstoffer. Næringsstoffer som planter krever i større mengder kalles makronæringsstoffer. Omtrent halvparten av de essensielle elementene betraktes som makronæringsstoffer: karbon, hydrogen, oksygen, nitrogen, fosfor, kalium, kalsium, magnesium og svovel. Det første av disse makronæringsstoffene, karbon (c), er nødvendig for å danne karbohydrater, proteiner, nukleinsyrer og mange andre forbindelser; det er derfor tilstede i alle makromolekyler. I gjennomsnitt er tørrvekten (unntatt vann) av en celle 50 prosent karbon. Som vist i Figur 2 er karbon en viktig del av plantebiomolekyler.

Figur 2. Cellulose, den viktigste strukturelle komponenten av plantecelleveggen, utgjør over tretti prosent av plantematerialet. Det er den mest omfattende organiske forbindelsen på jorden.

det nest mest vanlige grunnstoffet i planteceller er nitrogen (N); det er en del av proteiner og nukleinsyrer. Nitrogen brukes også i syntesen av noen vitaminer. Hydrogen og oksygen er makronæringsstoffer som er en del av mange organiske forbindelser, og danner også vann. Oksygen er nødvendig for cellulær respirasjon; planter bruker oksygen til å lagre energi i FORM AV ATP. Fosfor (P), en annen makromolekyl, er nødvendig for å syntetisere nukleinsyrer og fosfolipider. Som EN DEL AV ATP gjør fosfor at matenergi kan omdannes til kjemisk energi gjennom oksidativ fosforylering. På samme måte omdannes lysenergi til kjemisk energi under fotofosforylering i fotosyntese, og til kjemisk energi som skal ekstraheres under respirasjon. Svovel er en del av visse aminosyrer, som cystein og metionin, og er tilstede i flere koenzymer. Svovel spiller også en rolle i fotosyntese som en del av elektrontransportkjeden, hvor hydrogengradienter spiller en nøkkelrolle i omdannelsen av lysenergi til ATP. Kalium (k) er viktig på grunn av sin rolle i å regulere stomatal åpning og lukking. Som åpninger for gassutveksling bidrar stomata til å opprettholde en sunn vannbalanse; en kaliumionpumpe støtter denne prosessen.

Magnesium (Mg) og kalsium (Ca) er også viktige makronæringsstoffer. Kalsiumens rolle er todelt: å regulere næringstransport, og å støtte mange enzymfunksjoner. Magnesium er viktig for fotosyntetisk prosess. Disse mineralene, sammen med mikronæringsstoffene, som er beskrevet nedenfor, bidrar også til plantens ioniske balanse.

i tillegg til makronæringsstoffer krever organismer forskjellige elementer i små mengder. Disse mikronæringsstoffer, eller sporstoffer, er til stede i svært små mengder. De inkluderer bor (B), klor (Cl), mangan (Mn), jern (Fe), sink (Zn), kobber (Cu), molybden (Mo), nikkel (Ni), silisium (Si) og natrium (Na).

Figur 3. Næringsdefekt er tydelig i symptomene disse plantene viser. Denne (a) drue tomat lider av blossom end rot forårsaket av kalsiummangel. Gulingen i Denne (B) Frangula alnus skyldes magnesiummangel. Utilstrekkelig magnesium fører også til (c) intervenal chlorosis, sett her i en sweetgum blad. Denne (d) palmen påvirkes av kaliummangel. (kreditt c: modifikasjon av Arbeid Av Jim Conrad; kreditt d: modifikasjon av arbeid Av Malcolm Manners)

Mangler i noen av disse næringsstoffene-spesielt makronæringsstoffer – kan påvirke planteveksten negativt (Figur 3). Avhengig av det spesifikke næringsstoffet, kan mangel føre til stunted vekst, langsom vekst eller klorose (guling av bladene). Ekstreme mangler kan føre til blader som viser tegn på celledød.

Autotrofiske Planter

Nitrogenfiksering: Rot-Og Bakterieinteraksjoner

Nitrogen Er et viktig makronæringsstoff fordi Det er en del av nukleinsyrer og proteiner. Atmosfærisk nitrogen, som er det diatomiske molekylet N2, eller dinitrogen, er det største nitrogenbassenget i terrestriske økosystemer. Planter kan imidlertid ikke dra nytte av dette nitrogenet fordi de ikke har de nødvendige enzymene for å konvertere det til biologisk nyttige former. Nitrogen kan imidlertid «fikses», noe som betyr at det kan omdannes til ammoniakk (NH3) gjennom biologiske, fysiske eller kjemiske prosesser. Som du har lært, er biologisk nitrogenfiksering (BNF) omdannelsen av atmosfærisk nitrogen (N2) til ammoniakk (NH3), utelukkende utført av prokaryoter som jordbakterier eller cyanobakterier. Biologiske prosesser bidrar med 65 prosent av nitrogenet som brukes i landbruket. Følgende ligning representerer prosessen:

\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

den viktigste kilden TIL BNF er den symbiotiske interaksjonen mellom jordbakterier og legume planter, inkludert mange andre.avlinger som er viktige for mennesker (figur 4). NH3 som følge av fiksering kan transporteres inn i plantevev og inkorporeres i aminosyrer, som deretter gjøres til planteproteiner. Noen legume frø, som soyabønner og peanøtter, inneholder høye nivåer av protein, og tjene blant de viktigste landbruks kilder til protein i verden.

Figur 4. Noen vanlige spiselige belgfrukter-som (a) peanøtter, (b) bønner og (c) kikærter—er i stand til å samhandle symbiotisk med jordbakterier som fikser nitrogen. (kreditt a: endring av arbeid Av Jules Clancy; kreditt b: endring av ARBEID AV USDA)

Jordbakterier, kollektivt kalt rhizobia, samhandler symbiotisk med legume røtter for å danne spesialiserte strukturer kalt knuter, hvor nitrogenfiksering finner sted. Denne prosessen innebærer reduksjon av atmosfærisk nitrogen til ammoniakk, ved hjelp av enzymet nitrogenase. Derfor er rhizobia en naturlig og miljøvennlig måte å gjødsle planter på, i motsetning til kjemisk befruktning som bruker en ikke-fornybar ressurs, for eksempel naturgass. Gjennom symbiotisk nitrogenfiksering drar anlegget fordel av å bruke en endeløs kilde til nitrogen fra atmosfæren. Prosessen bidrar samtidig til jordens fruktbarhet fordi planterotsystemet etterlater noe av det biologisk tilgjengelige nitrogenet. Som i enhver symbiose drar begge organismer nytte av samspillet: planten får ammoniakk, og bakterier får karbonforbindelser generert gjennom fotosyntese, samt en beskyttet nisje for å vokse (Figur 5).

Figur 5. Soyabønnerøtter inneholder (a) nitrogenfikserende knuter. Celler i knutene er infisert Med Bradyrhyzobium japonicum, en rhizobia eller» rot-elskende » bakterie. Bakteriene er innkapslet i (b) vesikler inne i cellen, som det kan ses i denne transmisjonselektronmikrografen. (kreditt a: modifikasjon av arbeid AV USDA; kreditt b: modifikasjon av arbeid Av Louisa Howard, Dartmouth Electron Microscope Facility; skala-bar data Fra Matt Russell)

Mycorrhizae: Det Symbiotiske Forholdet Mellom Sopp Og Røtter

en næringsutarmningssone kan utvikles når det er rask opptak av jordoppløsning, lav næringskonsentrasjon, lav diffusjonshastighet eller lav jordfuktighet. Disse forholdene er svært vanlige; derfor er de fleste planter avhengige av sopp for å lette opptaket av mineraler fra jorda. Sopp danner symbiotiske foreninger kalt mycorrhizae med planterøtter, hvor soppene faktisk er integrert i rotens fysiske struktur. Svampene koloniserer det levende rotvevet under aktiv plantevekst.

Figur 6. Root tips sprer seg i nærvær av mycorrhizal infeksjon, som vises som off-white fuzz i dette bildet. (kreditt: modifikasjon av arbeid Av Nilsson et al., BMC Bioinformatikk 2005)

gjennom mycorrhization får anlegget hovedsakelig fosfat og andre mineraler, som sink og kobber, fra jorda. Svampen får næringsstoffer, som sukker, fra plantens rot (Figur 6). Mycorrhizae bidra til å øke arealet av anlegget rotsystem fordi hyphae, som er smale, kan spre seg utover nærings uttømming sone. Hyphae kan vokse til små jordporer som gir tilgang til fosfor som ellers ville være utilgjengelig for anlegget. Den gunstige effekten på anlegget er best observert i fattige jordarter. Fordelen med sopp er at de kan få opptil 20 prosent av det totale karbonet som er tilgjengelig av planter. Mycorrhizae fungerer som en fysisk barriere for patogener. Det gir også en induksjon av generalisert vert forsvarsmekanismer, og noen ganger innebærer produksjon av antibiotika forbindelser av sopp.

det finnes to typer mycorrhizae: ectomycorrhizae og endomycorrhizae. Ectomycorrhizae danner en omfattende tett skjede rundt røttene, kalt en mantel. Hyphae fra soppene strekker seg fra mantelen til jorda, noe som øker overflaten for vann og mineralabsorpsjon. Denne typen mycorrhizae finnes i skogstrær, spesielt nåletrær, bjørker og eik. Endomycorrhizae, også kalt arbuscular mycorrhizae, danner ikke en tett skjede over roten. I stedet er soppmyceliet innebygd i rotvevet. Endomycorrhizae finnes i røttene til mer enn 80 prosent av jordbaserte planter.

Heterotrofe Planter

noen planter kan ikke produsere sin egen mat og må skaffe seg næring fra eksterne kilder – disse plantene er heterotrofe. Dette kan oppstå med planter som er parasittiske eller saprofytiske. Noen planter er mutualistiske symbionter, epifytter eller insektsaktige.

Planteparasitter

en parasittisk plante avhenger av verten for å overleve. Noen parasittiske planter har ingen blader. Et eksempel pa dette er dodderen (Figur 7a), som har en svak, sylindrisk stamme som spoler rundt verten og danner suckers. Fra disse suckers invaderer celler vertsstammen og vokser for å koble til vertens vaskulære bunter. Den parasittiske planten får vann og næringsstoffer gjennom disse forbindelsene. Planten er en total parasitt (en holoparasitt) fordi den er helt avhengig av verten. Andre parasittiske planter (hemiparasitter) er fullt fotosyntetiske og bruker bare verten for vann og mineraler. Det er ca 4100 arter av parasittiske planter.

Saprophytes

en saprophyte er en plante som ikke har klorofyll Og får maten fra død materie, som ligner bakterier og sopp (merk at sopp ofte kalles saprophytes, noe som er feil, fordi sopp ikke er planter). Planter som disse bruker enzymer til å konvertere økologiske matmaterialer til enklere former som de kan absorbere næringsstoffer fra (Figur 7b). De fleste saprophytes ikke direkte fordøye død materie: i stedet, de parasitize sopp som fordøye død materie, eller er mycorrhizal, slutt å skaffe photosynthate fra en sopp som avledet photosynthate fra sin vert. Saprofytiske planter er uvanlige; bare noen få arter er beskrevet.

Figur 7. (a) dodderen er en holoparasitt som penetrerer vertens vaskulære vev og avleder næringsstoffer for egen vekst. Legg merke til at dodderens vinranker, som har hvite blomster, er beige. Dodderen har ingen klorofyll og kan ikke produsere sin egen mat. (B) Saprophytes, som Denne Dutchmen ‘ s pipe (Monotropa hypopitys), får maten fra død materie og har ikke klorofyll. (en kreditt: «Lalithamba»/Flickr; b kreditt: endring av Arbeid Av Iwona Erskine-Kellie)

Symbionter

en symbiont er en plante i et symbiotisk forhold, med spesielle tilpasninger som mycorrhizae eller noduleformasjon. Svampe danner også symbiotiske foreninger med cyanobakterier og grønne alger (kalt lav). Lichens kan noen ganger ses som fargerike vekst på overflaten av bergarter og trær (Figur 8a). Algepartneren (phycobiont) gjør mat autotrofisk, hvorav noen deler med soppen; svampepartneren (mycobiont) absorberer vann og mineraler fra miljøet, som gjøres tilgjengelig for den grønne algen. Hvis en partner ble skilt fra den andre, ville de begge dø.

Epifytter

en epifyt er en plante som vokser på andre planter, men er ikke avhengig av den andre planten for ernæring (Figur 8b). Epifytter har to typer røtter: klamrer antenne røtter, som absorberer næringsstoffer fra humus som akkumuleres i sprekkene av trær; og antenne røtter, som absorberer fuktighet fra atmosfæren.

figur 8. (A) Lav, som ofte har symbiotiske forhold til andre planter, kan noen ganger bli funnet vokser på trær. (B) disse epifytplanter vokser i hovedhuset I Jardin des Plantes I Paris. (kreditt: en «benketaro» / Flickr)

Insectivorous Planter

Figur 9. En Venus flytrap har spesialiserte blader for å fange insekter. (kreditt: «Selena N. B. H.» / Flickr)

en insektbeskyttende plante har spesialiserte blader for å tiltrekke seg og fordøye insekter. Venus flytrap er populært kjent for sin insectivorous modus for ernæring, og har blader som fungerer som feller (Figur 9).

mineralene det får fra byttedyr, kompenserer for de som mangler i den skumle (lave pH) jorda på Sine innfødte kystsletter I Nord-Carolina. Det er tre følsomme hår i midten av hver halvdel av hvert blad. Kantene på hvert blad er dekket med lange spines. Nektar utskilt av anlegget tiltrekker fluer til bladet. Når en fly berører sensoriske hår, lukkes bladet umiddelbart. Deretter bryter væsker og enzymer ned byttet og mineraler absorberes av bladet. Siden denne planten er populær i hagebruk handel, er den truet i sin opprinnelige habitat.

Sjekk Din Forståelse

Svar på spørsmålet(e) nedenfor for å se hvor godt du forstår emnene dekket i forrige avsnitt. Denne korte quizen teller ikke mot karakteren din i klassen, og du kan ta den på nytt et ubegrenset antall ganger.

Bruk denne testen for å sjekke din forståelse og avgjøre om du vil (1) studere forrige avsnitt videre eller (2) gå videre til neste avsnitt.