discutați nevoile nutriționale comune ale plantelor

plantele obțin hrană în două moduri diferite. Plantele autotrofe își pot face propriile alimente din materii prime anorganice, cum ar fi dioxidul de carbon și apa, prin fotosinteză în prezența luminii solare. Plantele verzi sunt incluse în acest grup. Cu toate acestea, unele plante sunt heterotrofe: sunt total parazitare și lipsite de clorofilă. Aceste plante, denumite plante holo-parazitare, nu sunt capabile să sintetizeze carbonul organic și să-și extragă toți nutrienții din planta gazdă.

plantele pot solicita, de asemenea, ajutorul partenerilor microbieni în achiziția de nutrienți. Anumite specii de bacterii și ciuperci au evoluat împreună cu anumite plante pentru a crea o relație simbiotică mutualistă cu rădăcinile. Acest lucru îmbunătățește nutriția atât a plantei, cât și a microbului. Formarea nodulilor în plantele leguminoase și micorizarea pot fi considerate printre adaptările nutriționale ale plantelor. Cu toate acestea, acestea nu sunt singurul tip de adaptări pe care le putem găsi; multe plante au alte adaptări care le permit să prospere în condiții specifice.

cerințe nutriționale

plantele sunt organisme unice care pot absorbi substanțele nutritive și apa prin sistemul lor radicular, precum și dioxidul de carbon din atmosferă. Calitatea solului și clima sunt principalii factori determinanți ai distribuției și creșterii plantelor. Combinația de nutrienți din sol, apă și dioxid de carbon, împreună cu lumina soarelui, permite plantelor să crească.

compoziția chimică a plantelor

Figura 1. Apa este absorbită prin părul rădăcinii și se deplasează în sus pe xilem spre frunze.

deoarece plantele necesită nutrienți sub formă de elemente precum carbon și potasiu, este important să înțelegem compoziția chimică a plantelor. Majoritatea volumului dintr-o celulă vegetală este apă; de obicei cuprinde 80 până la 90% din greutatea totală a plantei. Solul este sursa de apă pentru plantele terestre și poate fi o sursă abundentă de apă, chiar dacă pare uscată. Rădăcinile plantelor absorb apa din sol prin părul rădăcinii și o transportă până la frunze prin xilem. Pe măsură ce vaporii de apă se pierd din frunze, procesul de transpirație și polaritatea moleculelor de apă (care le permite să formeze legături de hidrogen) atrage mai multă apă de la rădăcini prin plantă până la frunze (Figura 1). Plantele au nevoie de apă pentru a susține structura celulară, pentru funcții metabolice, pentru a transporta nutrienți și pentru fotosinteză.

celulele vegetale au nevoie de substanțe esențiale, denumite colectiv nutrienți, pentru a susține viața. Substanțele nutritive din plante pot fi compuse fie din compuși organici, fie din compuși anorganici. Un compus organic este un compus chimic care conține carbon, cum ar fi dioxidul de carbon obținut din atmosferă. Carbonul care a fost obținut din CO atmosferic2 compune majoritatea masei uscate din majoritatea plantelor. Un compus anorganic nu conține carbon și nu face parte sau nu este produs de un organism viu. Substanțele anorganice, care formează majoritatea soluției solului, sunt denumite în mod obișnuit minerale: cele cerute de plante includ azot (N) și potasiu (K) pentru structură și reglare.

nutrienți esențiali

plantele necesită doar lumină, apă și aproximativ 20 de elemente pentru a-și susține toate nevoile biochimice: aceste 20 de elemente se numesc nutrienți esențiali (Tabelul 1). Pentru ca un element să fie considerat esențial, sunt necesare trei criterii: 1) o plantă nu își poate finaliza ciclul de viață fără element; 2) niciun alt element nu poate îndeplini funcția elementului; și 3) elementul este direct implicat în nutriția plantelor.

macronutrienți și micronutrienți

elementele esențiale pot fi împărțite în două grupe: macronutrienți și micronutrienți. Nutrienții de care plantele au nevoie în cantități mai mari se numesc macronutrienți. Aproximativ jumătate din elementele esențiale sunt considerate macronutrienți: carbon, hidrogen, oxigen, azot, fosfor, potasiu, calciu, magneziu și sulf. Primul dintre acești macronutrienți, carbonul (C), este necesar pentru a forma carbohidrați, proteine, acizi nucleici și mulți alți compuși; prin urmare, este prezent în toate macromoleculele. În medie, greutatea uscată (cu excepția apei) a unei celule este de 50% carbon. Așa cum se arată în Figura 2, carbonul este o parte cheie a biomoleculelor vegetale.

Figura 2. Celuloza, principala componentă structurală a peretelui celular al plantei, reprezintă peste treizeci la sută din materia vegetală. Este cel mai abundent compus organic de pe pământ.

următorul element cel mai abundent din celulele vegetale este azotul (N); face parte din proteine și acizi nucleici. Azotul este, de asemenea, utilizat în sinteza unor vitamine. Hidrogenul și oxigenul sunt macronutrienți care fac parte din mulți compuși organici și formează, de asemenea, apă. Oxigenul este necesar pentru respirația celulară; plantele folosesc oxigen pentru a stoca energie sub formă de ATP. Fosforul (P), O altă macromoleculă, este necesar pentru a sintetiza acizii nucleici și fosfolipidele. Ca parte a ATP, fosforul permite transformarea energiei alimentare în energie chimică prin fosforilarea oxidativă. La fel, energia luminii este transformată în energie chimică în timpul fotofosforilării în fotosinteză și în energie chimică care trebuie extrasă în timpul respirației. Sulful face parte din anumiți aminoacizi, cum ar fi cisteina și metionina, și este prezent în mai multe coenzime. Sulful joacă, de asemenea, un rol în fotosinteză ca parte a lanțului de transport al electronilor, unde gradienții de hidrogen joacă un rol cheie în conversia energiei luminoase în ATP. Potasiul (K) este important datorită rolului său în reglarea deschiderii și închiderii stomatale. Ca deschideri pentru schimbul de gaze, stomatele ajută la menținerea unui echilibru sănătos al apei; o pompă de ioni de potasiu susține acest proces.

magneziul (Mg) și calciul (Ca) sunt, de asemenea, macronutrienți importanți. Rolul calciului este dublu: de a regla transportul nutrienților și de a susține multe funcții enzimatice. Magneziul este important pentru procesul fotosintetic. Aceste minerale, împreună cu micronutrienții, care sunt descriși mai jos, contribuie, de asemenea, la echilibrul ionic al plantei.

pe lângă macronutrienți, organismele necesită diverse elemente în cantități mici. Aceste micronutrienți sau oligoelemente sunt prezente în cantități foarte mici. Acestea includ bor (B), clor (Cl), mangan (Mn), fier (Fe), zinc (Zn), cupru (Cu), molibden (Mo), nichel (Ni), siliciu (Si) și sodiu (Na).

Figura 3. Deficitul de nutrienți este evident în simptomele pe care le prezintă aceste plante. Această roșie de struguri (a) suferă de putregaiul de înflorire cauzat de deficiența de calciu. Îngălbenirea în acest (b) Frangula alnus rezultă din deficiența de magneziu. Magneziul inadecvat duce, de asemenea, la (c) cloroză intervenală, văzută aici într-o frunză de dulce. Această palmă (d) este afectată de deficiența de potasiu. (credit c: modificarea operei de Jim Conrad; credit d: modificarea operei de Malcolm Manners)

deficiențele în oricare dintre acești nutrienți—în special macronutrienții-pot afecta negativ creșterea plantelor (Figura 3). În funcție de nutrienții specifici, lipsa poate provoca o creștere scăzută, o creștere lentă sau cloroză (îngălbenirea frunzelor). Deficiențele Extreme pot duce la frunze care prezintă semne de moarte celulară.

plante autotrofe

fixarea azotului: interacțiuni rădăcină și bacterii

azotul este un macronutrient important, deoarece face parte din acizi nucleici și proteine. Azotul atmosferic, care este molecula diatomică N2, sau dinitrogen, este cel mai mare bazin de azot din ecosistemele terestre. Cu toate acestea, plantele nu pot profita de acest azot, deoarece nu au enzimele necesare pentru a-l transforma în forme biologic utile. Cu toate acestea, azotul poate fi „fixat”, ceea ce înseamnă că poate fi transformat în amoniac (NH3) prin procese biologice, fizice sau chimice. După cum ați învățat, fixarea biologică a azotului (BNF) este conversia azotului atmosferic (N2) în amoniac (NH3), efectuată exclusiv de procariote, cum ar fi bacteriile din sol sau cianobacteriile. Procesele biologice contribuie cu 65% din azotul utilizat în agricultură. Următoarea ecuație reprezintă procesul:

\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

cea mai importantă sursă de BNF este interacțiunea simbiotică dintre bacteriile din sol și plantele de leguminoase, inclusiv multe alte culturi importante pentru oameni (figura 4). NH3 rezultat din fixare poate fi transportat în țesutul vegetal și încorporat în aminoacizi, care sunt apoi transformați în proteine vegetale. Unele semințe de leguminoase, cum ar fi soia și arahidele, conțin niveluri ridicate de proteine și servesc printre cele mai importante surse agricole de proteine din lume.

Figura 4. Unele leguminoase comestibile comune—cum ar fi (a) arahide, (B) fasole și (c) năut—sunt capabile să interacționeze simbiotic cu bacteriile din sol care fixează azotul. (credit a: modificarea lucrării de Jules Clancy; credit b: modificarea muncii de către USDA)

bacteriile din sol, denumite colectiv rizobie, interacționează simbiotic cu rădăcinile leguminoaselor pentru a forma structuri specializate numite noduli, în care are loc fixarea azotului. Acest proces implică reducerea azotului atmosferic la amoniac, prin intermediul enzimei azotază. Prin urmare, utilizarea rizobiei este o modalitate naturală și ecologică de fertilizare a plantelor, spre deosebire de fertilizarea chimică care utilizează o resursă neregenerabilă, cum ar fi gazul natural. Prin fixarea simbiotică a azotului, planta beneficiază de utilizarea unei surse nesfârșite de azot din atmosferă. Procesul contribuie simultan la fertilitatea solului, deoarece sistemul radicular al plantei lasă în urmă o parte din azotul disponibil biologic. Ca în orice simbioză, ambele organisme beneficiază de interacțiune: planta obține amoniac, iar bacteriile obțin compuși de carbon generați prin fotosinteză, precum și o nișă protejată în care să crească (Figura 5).

Figura 5. Rădăcinile de soia conțin (A) noduli de fixare a azotului. Celulele din noduli sunt infectate cu Bradyrhyzobium japonicum, o rizobie sau bacterie „iubitoare de rădăcini”. Bacteriile sunt închise în vezicule (B) în interiorul celulei, așa cum se poate observa în acest micrograf electronic de transmisie. (credit a: modificarea muncii de către USDA; credit b: modificarea muncii de Louisa Howard, Dartmouth electronic microscop Facility; date despre bara de scară de la Matt Russell)

Mycorrhizae: relația simbiotică dintre ciuperci și rădăcini

o zonă de epuizare a nutrienților se poate dezvolta atunci când există o absorbție rapidă a soluției solului, o concentrație scăzută de nutrienți, o rată de difuzie scăzută sau o umiditate scăzută a solului. Aceste condiții sunt foarte frecvente; prin urmare, majoritatea plantelor se bazează pe ciuperci pentru a facilita absorbția mineralelor din sol. Ciupercile formează asociații simbiotice numite micorize cu rădăcini de plante, în care ciupercile sunt de fapt integrate în structura fizică a rădăcinii. Ciupercile colonizează țesutul rădăcinii vii în timpul creșterii active a plantelor.

Figura 6. Vârfurile rădăcinilor proliferează în prezența infecției micorizale, care apare ca fuzz alb murdar în această imagine. (credit: modificarea lucrărilor de Nilsson și colab., BMC Bioinformatica 2005)

prin micorizare, planta obține în principal fosfat și alte minerale, cum ar fi zincul și cuprul, din sol. Ciuperca obține substanțe nutritive, cum ar fi zaharurile, din rădăcina plantei (Figura 6). Micorizele ajută la creșterea suprafeței sistemului radicular al plantei, deoarece hifele, care sunt înguste, se pot răspândi dincolo de zona de epuizare a nutrienților. Hifele pot crește în pori mici de sol care permit accesul la fosfor care altfel nu ar fi disponibil plantei. Efectul benefic asupra plantei este cel mai bine observat în solurile sărace. Beneficiul pentru ciuperci este că pot obține până la 20% din carbonul total accesat de plante. Mycorrhizae funcționează ca o barieră fizică pentru agenții patogeni. De asemenea, oferă o inducție a mecanismelor generalizate de apărare a gazdei și, uneori, implică producerea de compuși antibiotici de către ciuperci.

există două tipuri de micorize: ectomycorrhizae și endomycorrhizae. Ectomycorrhizae formează o teacă densă extinsă în jurul rădăcinilor, numită manta. Hifele din ciuperci se extind din manta în sol, ceea ce mărește suprafața pentru absorbția apei și a mineralelor. Acest tip de micorize se găsește în copacii de pădure, în special în conifere, mesteacăn și stejari. Endomycorrhizae, numite și micorize arbusculare, nu formează o teacă densă peste rădăcină. În schimb, miceliul fungic este încorporat în țesutul rădăcinii. Endomycorrhizae se găsesc în rădăcinile a peste 80% din plantele terestre.

plante heterotrofe

unele plante nu își pot produce propria hrană și trebuie să obțină nutriția din surse externe—aceste plante sunt heterotrofe. Acest lucru poate apărea la plantele parazitare sau saprofite. Unele plante sunt simbionți mutualiști, epifite sau insectivore.

paraziți de plante

o plantă parazită depinde de gazda sa pentru supraviețuire. Unele plante parazitare nu au frunze. Un exemplu în acest sens este dodderul (figura 7a), care are o tulpină slabă, cilindrică, care se înfășoară în jurul gazdei și formează fraieri. Din aceste fraieri, celulele invadează tulpina gazdă și cresc pentru a se conecta cu fasciculele vasculare ale gazdei. Planta parazitară obține apă și substanțe nutritive prin aceste conexiuni. Planta este un parazit total (un holoparazit) deoarece este complet dependent de gazda sa. Alte plante parazite (hemiparazite) sunt complet fotosintetice și folosesc gazda doar pentru apă și minerale. Există aproximativ 4.100 de specii de plante parazitare.

saprofite

un saprofit este o plantă care nu are clorofilă și își obține hrana din materie moartă, similară cu bacteriile și ciupercile (rețineți că ciupercile sunt adesea numite saprofite, ceea ce este incorect, deoarece ciupercile nu sunt plante). Plantele ca acestea folosesc enzime pentru a transforma materialele alimentare organice în forme mai simple din care pot absorbi substanțele nutritive (figura 7b). Majoritatea saprofitelor nu digeră direct materia moartă: în schimb, parazitează ciupercile care digeră materia moartă sau sunt micorizale, obținând în cele din urmă fotosinteză dintr-o ciupercă care a derivat fotosinteza de la gazda sa. Plantele saprofite sunt mai puțin frecvente, sunt descrise doar câteva specii.

Figura 7. (a) dodder este un holoparazit care pătrunde în țesutul vascular al gazdei și deviază substanțele nutritive pentru propria creștere. Rețineți că vița de vie a dodderului, care are flori albe, este bej. Dodderul nu are clorofilă și nu își poate produce propria hrană. (b) saprofitele, ca această țeavă Olandeză (monotropa hypopitys), își obțin hrana din materie moartă și nu au clorofilă. (a credit:”Lalithamba” /Flickr; B credit: modificarea lucrării de Iwona Erskine-Kellie)

simbionți

un simbiont este o plantă într-o relație simbiotică, cu adaptări speciale, cum ar fi micorize sau formarea de noduli. Ciupercile formează, de asemenea, asociații simbiotice cu cianobacterii și alge verzi (numite licheni). Lichenii pot fi uneori văzuți ca creșteri colorate pe suprafața rocilor și copacilor (figura 8a). Partenerul de alge (phycobiont) face ca alimentele să fie autotrofice, dintre care unele le împărtășesc cu ciuperca; partenerul fungic (mycobiont) absoarbe apa și mineralele din mediu, care sunt puse la dispoziția algei verzi. Dacă un partener ar fi separat de celălalt, amândoi ar muri.

epifite

un epifit este o plantă care crește pe alte plante, dar nu depinde de cealaltă plantă pentru nutriție (figura 8b). Epifitele au două tipuri de rădăcini: rădăcini aeriene agățate, care absorb substanțele nutritive din humus care se acumulează în crăpăturile copacilor; și rădăcini aeriene, care absorb umezeala din atmosferă.

figura 8. (a) lichenii, care au adesea relații simbiotice cu alte plante, pot fi găsiți uneori crescând pe copaci. (b) aceste plante epifite cresc în sera principală a Jardin des Plantes din Paris. (credit: un „benketaro” / Flickr)

plante insectivore

Figura 9. Un flytrap Venus are frunze specializate pentru a prinde insectele. (credit: „Selena N. B. H.” / Flickr)

o plantă insectivoră are frunze specializate pentru a atrage și digera insectele. Venus flytrap este cunoscut popular pentru modul său insectivor de nutriție și are frunze care funcționează ca capcane (Figura 9).

mineralele pe care le obține din pradă îi compensează pe cei lipsiți de solul bogat (pH scăzut) al câmpiilor sale de coastă native din Carolina de Nord. Există trei fire de păr sensibile în centrul fiecărei jumătăți a fiecărei frunze. Marginile fiecărei frunze sunt acoperite cu spini lungi. Nectarul secretat de plantă atrage muștele către frunză. Când o muscă atinge firele senzoriale, frunza se închide imediat. Apoi, fluidele și enzimele descompun prada și mineralele sunt absorbite de frunză. Deoarece această plantă este populară în comerțul horticol, este amenințată în habitatul său original.

verificați-vă înțelegerea

răspundeți la întrebarea(întrebările) de mai jos pentru a vedea cât de bine înțelegeți subiectele abordate în secțiunea anterioară. Acest test scurt nu contează pentru nota dvs. în clasă și îl puteți relua de un număr nelimitat de ori.

utilizați acest test pentru a vă verifica înțelegerea și a decide dacă (1) studiați secțiunea anterioară în continuare sau (2) Treceți la secțiunea următoare.