omów wspólne potrzeby żywieniowe roślin

rośliny otrzymują pokarm na dwa różne sposoby. Rośliny autotroficzne mogą wytwarzać własną żywność z surowców nieorganicznych, takich jak dwutlenek węgla i woda, poprzez fotosyntezę w obecności światła słonecznego. Do tej grupy zaliczane są rośliny zielone. Niektóre rośliny są jednak heterotroficzne: są całkowicie pasożytnicze i pozbawione chlorofilu. Rośliny te, określane jako rośliny holo-pasożytnicze, nie są w stanie syntetyzować węgla organicznego i pobierać wszystkich składników odżywczych z rośliny żywicielskiej.

rośliny mogą również korzystać z pomocy partnerów mikrobiologicznych w pozyskiwaniu składników odżywczych. Poszczególne gatunki bakterii i grzybów ewoluowały wraz z niektórymi roślinami, tworząc mutualistyczną symbiotyczną relację z korzeniami. Poprawia to odżywianie zarówno rośliny, jak i mikroorganizmów. Tworzenie guzków w roślinach strączkowych i mikoryzacja można rozważyć wśród adaptacji żywieniowych roślin. Jednak nie są to jedyne rodzaje adaptacji, które możemy znaleźć; wiele roślin ma inne adaptacje, które pozwalają im rozwijać się w określonych warunkach.

wymagania żywieniowe

rośliny są unikalnymi organizmami, które mogą wchłaniać składniki odżywcze i wodę przez swój system korzeniowy, a także dwutlenek węgla z atmosfery. Jakość gleby i klimat są głównymi wyznacznikami rozkładu i wzrostu roślin. Połączenie składników odżywczych gleby, wody i dwutlenku węgla, wraz ze światłem słonecznym, pozwala roślinom rosnąć.

skład chemiczny roślin

Rysunek 1. Woda jest wchłaniana przez włosy korzeniowe i przesuwa się w górę ksylem do liści.

ponieważ rośliny wymagają składników odżywczych w postaci pierwiastków, takich jak węgiel i potas, ważne jest, aby zrozumieć skład chemiczny roślin. Większość objętości w komórce roślinnej stanowi woda; zwykle stanowi 80 do 90 procent całkowitej masy rośliny. Gleba jest źródłem wody dla roślin lądowych i może być obfitym źródłem wody, nawet jeśli wydaje się sucha. Korzenie roślin absorbują wodę z gleby przez włosy korzeniowe i transportują ją do liści przez ksylem. Ponieważ para wodna jest tracona z liści, proces transpiracji i polaryzacji cząsteczek wody (co umożliwia im tworzenie wiązań wodorowych) przyciąga więcej wody z korzeni przez roślinę do liści (ryc. 1). Rośliny potrzebują wody do podtrzymywania struktury komórkowej, do funkcji metabolicznych, do przenoszenia składników odżywczych i do fotosyntezy.

komórki roślinne potrzebują niezbędnych substancji, zwanych łącznie składnikami odżywczymi, aby utrzymać życie. Składniki odżywcze roślin mogą składać się ze związków organicznych lub nieorganicznych. Związek organiczny to związek chemiczny zawierający węgiel, np. dwutlenek węgla otrzymywany z atmosfery. Węgiel otrzymany z atmosferycznego CO2 stanowi większość suchej masy w większości roślin. Związek nieorganiczny nie zawiera węgla i nie jest częścią ani nie jest wytwarzany przez żywy organizm. Substancje nieorganiczne, które stanowią większość roztworu glebowego, są powszechnie nazywane minerałami: te wymagane przez rośliny obejmują azot (N) i potas (K) do struktury i regulacji.

niezbędne składniki odżywcze

rośliny wymagają tylko światła, wody i około 20 pierwiastków, aby zaspokoić wszystkie swoje potrzeby biochemiczne: te 20 pierwiastków nazywa się niezbędnymi składnikami odżywczymi (Tabela 1). Aby element był uważany za niezbędny, wymagane są trzy kryteria: 1) roślina nie może ukończyć swojego cyklu życia bez elementu; 2) żaden inny element nie może pełnić funkcji elementu; i 3) element jest bezpośrednio zaangażowany w żywienie roślin.

makroelementy i mikroelementy

podstawowe elementy można podzielić na dwie grupy: makroelementy i mikroelementy. Składniki odżywcze, które rośliny wymagają w większych ilościach, nazywane są makroskładnikami odżywczymi. Około połowa niezbędnych pierwiastków jest uważana za makroskładniki: węgiel, wodór, tlen, azot, fosfor, potas, wapń, magnez i siarka. Pierwszy z tych makroskładników, węgiel (C), jest wymagany do tworzenia węglowodanów, białek, kwasów nukleinowych i wielu innych związków; dlatego jest obecny we wszystkich makrocząsteczkach. Średnio sucha masa (z wyłączeniem wody) komórki wynosi 50 procent węgla. Jak pokazano na fig. 2, węgiel jest kluczowym elementem biomolekuł roślinnych.

Rysunek 2. Celuloza, główny składnik strukturalny ściany komórkowej roślin, stanowi ponad trzydzieści procent materii roślinnej. Jest to najobficiej występujący związek organiczny na ziemi.

kolejnym najliczniejszym pierwiastkiem w komórkach roślinnych jest azot (N); jest częścią białek i kwasów nukleinowych. Azot jest również stosowany w syntezie niektórych witamin. Wodór i tlen są makroskładnikami odżywczymi, które są częścią wielu związków organicznych, a także tworzą wodę. Tlen jest niezbędny do oddychania komórkowego; rośliny wykorzystują tlen do magazynowania energii w postaci ATP. Fosfor (P), Inna makrocząsteczka, jest niezbędna do syntezy kwasów nukleinowych i fosfolipidów. Jako część ATP fosfor umożliwia przekształcanie energii żywności w energię chemiczną poprzez fosforylację oksydacyjną. Podobnie, energia światła jest przekształcana w energię chemiczną podczas fotofosforylacji w fotosyntezie i w energię chemiczną, która ma być pobierana podczas oddychania. Siarka jest częścią niektórych aminokwasów, takich jak cysteina i metionina, i jest obecna w kilku koenzymach. Siarka odgrywa również rolę w fotosyntezie jako część łańcucha transportu elektronów, gdzie gradienty wodoru odgrywają kluczową rolę w przekształcaniu energii światła w ATP. Potas (K) jest ważny ze względu na jego rolę w regulacji otwierania i zamykania jamy ustnej. Jako otwory do wymiany gazowej aparaty szparkowe pomagają w utrzymaniu zdrowego bilansu wodnego; pompa jonów potasowych wspiera ten proces.

magnez (Mg) i wapń (Ca) są również ważnymi makroskładnikami odżywczymi. Rola wapnia jest dwojaka: reguluje transport składników odżywczych i wspiera wiele funkcji enzymatycznych. Magnez jest ważny dla procesu fotosyntetycznego. Minerały te, wraz z mikroelementami, które są opisane poniżej, również przyczyniają się do równowagi jonowej rośliny.

oprócz makroskładników, organizmy wymagają różnych pierwiastków w małych ilościach. Te mikroelementy lub pierwiastki śladowe występują w bardzo małych ilościach. Należą do nich Bor (B), chlor (CL), mangan (mn), żelazo (Fe), cynk (Zn), miedź (cu), molibden (Mo), nikiel (Ni), krzem (Si) i sód (Na).

Rysunek 3. Niedobór składników odżywczych jest widoczny w objawach, które wykazują te rośliny. Ten (A) winogronowy pomidor cierpi na zgniliznę końcową spowodowaną niedoborem wapnia. Żółknięcie w tym (B) Frangula alnus wynika z niedoboru magnezu. Nieodpowiedni magnez prowadzi również do (C) chlorozy międzyzwrotnikowej, obserwowanej tutaj w liściu sweetgum. Ta (D) Palma jest dotknięta niedoborem potasu. (kredyt c: modyfikacja pracy Jima Conrada; kredyt d: modyfikacja pracy Malcolma Mannersa)

niedobory któregokolwiek z tych składników odżywczych – zwłaszcza makroskładników-mogą niekorzystnie wpływać na wzrost roślin (ryc. 3). W zależności od konkretnego składnika odżywczego brak może powodować zahamowanie wzrostu, powolny wzrost lub chlorozę (żółknięcie liści). Skrajne niedobory mogą spowodować, że liście przejawią oznaki śmierci komórki.

rośliny autotroficzne

wiązanie azotu: interakcje korzenia i bakterii

azot jest ważnym makroskładnikiem pokarmowym, ponieważ jest częścią kwasów nukleinowych i białek. Azot atmosferyczny, który jest dwuatomową cząsteczką N2 lub dinitrogenem, jest największą pulą azotu w ekosystemach lądowych. Jednak rośliny nie mogą wykorzystać tego azotu, ponieważ nie mają niezbędnych enzymów, aby przekształcić go w biologicznie użyteczne formy. Jednak azot można „utrwalić”, co oznacza, że można go przekształcić w amoniak (NH3) w procesach biologicznych, fizycznych lub chemicznych. Jak już wiesz, biologiczne wiązanie azotu (BNF) to konwersja azotu atmosferycznego (N2) w amoniak (NH3), przeprowadzana wyłącznie przez prokarioty, takie jak bakterie glebowe lub cyjanobakterie. Procesy biologiczne przyczyniają się do 65 procent azotu stosowanego w rolnictwie. Poniższe równanie przedstawia proces:

\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

najważniejszym źródłem BNF jest symbiotyczna interakcja między bakteriami glebowymi a roślinami strączkowymi, w tym wieloma roślinami uprawnymi ważne dla ludzi (rys. 4). NH3 powstający w wyniku wiązania może być transportowany do tkanki roślinnej i włączany do aminokwasów, które następnie są wytwarzane w białka roślinne. Niektóre nasiona roślin strączkowych, takie jak soja i orzeszki ziemne, zawierają wysoki poziom białka i służą jednym z najważniejszych rolniczych źródeł białka na świecie.

Rysunek 4. Niektóre typowe jadalne rośliny strączkowe – jak (A) orzeszki ziemne, (b) fasola i (C) ciecierzyca—są w stanie współdziałać symbiotycznie z bakteriami glebowymi, które utrwalają azot. (kredyt a: modyfikacja pracy Jules 'a Clancy’ ego; kredyt b: modyfikacja pracy przez USDA)

bakterie glebowe, zwane łącznie kłączami, symbiotycznie oddziałują z korzeniami roślin strączkowych, tworząc wyspecjalizowane struktury zwane guzkami, w których następuje wiązanie azotu. Proces ten polega na redukcji azotu atmosferycznego do amoniaku za pomocą enzymu nitrogenazy. Dlatego stosowanie rhizobia jest naturalnym i przyjaznym dla środowiska sposobem nawożenia roślin, w przeciwieństwie do nawożenia chemicznego, które wykorzystuje nieodnawialne zasoby, takie jak gaz ziemny. Dzięki symbiotycznemu wiązaniu azotu roślina korzysta z niekończącego się źródła azotu z atmosfery. Proces ten przyczynia się jednocześnie do żyzności gleby, ponieważ system korzeniowy roślin pozostawia część biologicznie dostępnego azotu. Podobnie jak w przypadku każdej symbiozy, oba organizmy korzystają z interakcji: roślina otrzymuje amoniak, a bakterie otrzymują związki węgla wytwarzane w procesie fotosyntezy, a także chronioną niszę, w której rośnie (ryc. 5).

Rysunek 5. Korzenie soi zawierają (a) guzki zawierające azot. Komórki w guzkach są zakażone Bradyrhyzobium japonicum, rhizobia lub bakterią „root-loving”. Bakterie są zamknięte w (B) pęcherzyki wewnątrz komórki, jak widać w tej transmisji elektronów mikrograf. (kredyt a: modyfikacja pracy przez USDA; kredyt b: modyfikacja pracy przez Louisa Howard, Dartmouth electron Microscope Facility; dane w skali barowej od Matta Russella)

mikoryzy: symbiotyczny związek między grzybami i korzeniami

Strefa zubożenia składników odżywczych może rozwinąć się, gdy występuje szybki pobór roztworu w glebie, niskie stężenie składników odżywczych, niska szybkość dyfuzji lub niska wilgotność gleby. Warunki te są bardzo powszechne, dlatego większość roślin opiera się na grzybach, aby ułatwić pobieranie minerałów z gleby. Grzyby tworzą symbiotyczne skojarzenia zwane mikoryzami z korzeniami roślin, w których grzyby są faktycznie zintegrowane z fizyczną strukturą korzenia. Grzyby kolonizują żywą tkankę korzeniową podczas aktywnego wzrostu roślin.

Rysunek 6. Końcówki korzeni rozmnażają się w obecności zakażenia mikoryzowego, które na tym obrazie pojawia się jako białawy fuzz. (kredyt: modyfikacja pracy Nilsson et al., BMC Bioinformatyka 2005)

dzięki mikoryzacji roślina pozyskuje z gleby głównie fosforany i inne minerały, takie jak cynk i miedź. Grzyb pozyskuje składniki odżywcze, takie jak cukry, z korzenia rośliny (ryc. 6). Mikoryzy pomagają zwiększyć powierzchnię systemu korzeniowego roślin, ponieważ strzępki, które są wąskie, mogą rozprzestrzeniać się poza strefę wyczerpania składników odżywczych. Strzępki mogą rozwijać się w małe pory gleby, które umożliwiają dostęp do fosforu, który w przeciwnym razie byłby niedostępny dla rośliny. Korzystny wpływ na roślinę najlepiej obserwuje się na słabych glebach. Korzyścią dla grzybów jest to, że mogą one uzyskać do 20 procent całkowitego węgla, do którego dostęp mają rośliny. Mikoryza działa jako fizyczna bariera dla patogenów. Zapewnia również indukcję uogólnionych mechanizmów obronnych gospodarza, a czasami wiąże się z produkcją związków antybiotykowych przez grzyby.

istnieją dwa rodzaje mikoryzy: ektomyk i endomyk. Ektomycorrhizae tworzą rozległą, gęstą osłonkę wokół korzeni, zwaną płaszczem. Strzępki grzybów rozciągają się z płaszcza do gleby, co zwiększa powierzchnię absorpcji wody i minerałów. Ten rodzaj mikoryzy występuje w drzewach leśnych, zwłaszcza iglastych, brzóz i dębów. Endomycorrhizae, zwane również mikoryzami arbuskularnymi, nie tworzą gęstej osłony nad korzeniem. Zamiast tego grzybnia jest osadzona w tkance korzeniowej. Endomycorrhizae znajdują się w korzeniach ponad 80 procent roślin lądowych.

rośliny heterotroficzne

niektóre rośliny nie mogą produkować własnego pokarmu i muszą uzyskać pożywienie ze źródeł zewnętrznych—rośliny te są heterotroficzne. Może to wystąpić u roślin pasożytniczych lub saprofitycznych. Niektóre rośliny są mutualistycznymi symbiontami, epifitami lub owadożernymi.

pasożyty roślin

roślina pasożytnicza zależy od żywiciela, aby przeżyć. Niektóre rośliny pasożytnicze nie mają liści. Przykładem tego jest dodder (rysunek 7a), który ma słaby, Cylindryczny trzon, który zwija się wokół hosta i tworzy przyssawki. Z tych przyssawek komórki atakują łodygę gospodarza i rosną, aby połączyć się z wiązkami naczyniowymi gospodarza. Dzięki tym połączeniom roślina pasożytnicza uzyskuje wodę i składniki odżywcze. Roślina jest totalnym pasożytem (holopasytem), ponieważ jest całkowicie zależna od żywiciela. Inne rośliny pasożytnicze (hemipasyty) są w pełni fotosyntetyczne i wykorzystują żywiciela tylko do wody i minerałów. Istnieje około 4100 gatunków roślin pasożytniczych.

saprofity

saprofity to roślina, która nie ma chlorofilu i pobiera pokarm z martwej materii, podobnie jak bakterie i grzyby (zauważ, że grzyby są często nazywane saprofitami, co jest nieprawidłowe, ponieważ grzyby nie są roślinami). Rośliny takie jak te wykorzystują enzymy do przekształcania organicznych materiałów spożywczych w prostsze formy, z których mogą wchłaniać składniki odżywcze (rysunek 7b). Większość saprofitów nie trawi bezpośrednio martwej materii: zamiast tego pasożytują na grzybach, które trawią martwą materię lub są mikoryzami, ostatecznie uzyskując fotosyntat z grzyba, który uzyskał fotosyntat od gospodarza. Rośliny saprofityczne są rzadkie; opisano tylko kilka gatunków.

Rysunek 7. (a) dodder jest holopasytem, który przenika przez tkankę naczyniową gospodarza i przekierowuje składniki odżywcze dla własnego wzrostu. Zauważ, że winorośle doddera, które mają białe kwiaty, są beżowe. Dodder nie ma chlorofilu i nie może produkować własnego pokarmu. B) saprofity, takie jak ta rura (Monotropa hypopitys), pozyskują pokarm z martwej materii i nie posiadają chlorofilu. (a credit:”Lalithamba” /Flickr; B credit: modyfikacja pracy Iwony Erskine-Kellie)

symbionty

symbiont jest rośliną w symbiotycznym związku, ze specjalnymi adaptacjami, takimi jak mikoryza lub tworzenie guzków. Grzyby tworzą również symbiotyczne skojarzenia z sinicami i zielonymi glonami (nazywanymi porostami). Porosty mogą być czasami postrzegane jako kolorowe narośla na powierzchni skał i drzew (ryc. 8a). Partner glonowy (phycobiont) wytwarza pokarm autotroficznie, część z nich dzieli z grzybem; partner grzybowy (mycobiont) absorbuje wodę i minerały ze środowiska, które są udostępniane zielonej Algie. Gdyby jeden partner był oddzielony od drugiego, oboje by zginęli.

epifitów

epifit jest rośliną, która rośnie na innych roślinach, ale nie jest zależna od drugiej rośliny pod względem odżywiania (rysunek 8b). Epifity mają dwa rodzaje korzeni: przylegające korzenie powietrzne, które pochłaniają składniki odżywcze z próchnicy, która gromadzi się w szczelinach drzew; i korzenie powietrzne, które pochłaniają wilgoć z atmosfery.

Rysunek 8. a) porosty, które często mają symbiotyczne relacje z innymi roślinami, czasami można znaleźć rosnące na drzewach. B) te epifitowe rośliny rosną w głównej szklarni Jardin des Plantes w Paryżu. (źródło: „benketaro” / Flickr)

rośliny owadożerne

Rysunek 9. Muchołówka Wenus ma wyspecjalizowane liście do pułapki owadów. (źródło: „Selena N. B. H.” / Flickr)

roślina owadożerna ma wyspecjalizowane liście, które przyciągają i trawią owady. Muchołówka Wenus jest powszechnie znana ze swojego owadożernego sposobu odżywiania i ma liście, które działają jak pułapki (Rysunek 9).

minerały, które pozyskuje od zdobyczy, kompensują te, których brakuje w zabagnionej (niskiej pH) glebie rodzimych równin przybrzeżnych Karoliny Północnej. Na środku każdej połowy każdego liścia znajdują się trzy wrażliwe włosy. Brzegi każdego liścia pokryte są długimi kolcami. Nektar wydzielany przez roślinę przyciąga muchy do liścia. Kiedy mucha dotyka włosków czuciowych, liść natychmiast się zamyka. Następnie płyny i enzymy rozkładają zdobycz, a minerały są wchłaniane przez liść. Ponieważ roślina ta jest popularna w handlu ogrodniczym, jest zagrożona w swoim pierwotnym siedlisku.

Sprawdź swoje zrozumienie

Odpowiedz na poniższe pytania, aby zobaczyć, jak dobrze rozumiesz tematy omówione w poprzedniej sekcji. Ten krótki quiz nie liczy się do twojej oceny w klasie i możesz go powtórzyć nieograniczoną liczbę razy.

Użyj tego quizu, aby sprawdzić swoje zrozumienie i zdecydować ,czy (1) przestudiować poprzednią sekcję dalej, Czy (2) przejść do następnej sekcji.