diskutera de gemensamma näringsbehoven hos växter

växter får mat på två olika sätt. Autotrofa växter kan göra sin egen mat av oorganiska råvaror, såsom koldioxid och vatten, genom fotosyntes i närvaro av solljus. Gröna växter ingår i denna grupp. Vissa växter är emellertid heterotrofa: de är helt parasitiska och saknar klorofyll. Dessa växter, som kallas holo-parasitiska växter, kan inte syntetisera organiskt kol och dra alla sina näringsämnen från värdväxten.

växter kan också få hjälp av mikrobiella partners i näringsförvärv. Vissa arter av bakterier och svampar har utvecklats tillsammans med vissa växter för att skapa en mutualistisk symbiotisk relation med rötter. Detta förbättrar näringen av både växten och mikroben. Bildandet av knölar i baljväxter och mykorrhisering kan övervägas bland näringsanpassningarna av växter. Dessa är dock inte den enda typen av anpassningar som vi kan hitta; många växter har andra anpassningar som gör att de kan trivas under specifika förhållanden.

näringsbehov

växter är unika organismer som kan absorbera näringsämnen och vatten genom sitt rotsystem, liksom koldioxid från atmosfären. Markkvalitet och klimat är de viktigaste faktorerna för växtfördelning och tillväxt. Kombinationen av jordnäringsämnen, vatten och koldioxid, tillsammans med solljus, gör att växter kan växa.

den kemiska sammansättningen av växter

Figur 1. Vatten absorberas genom rothåren och flyttar upp xylemen till bladen.

eftersom växter kräver näringsämnen i form av element som kol och kalium är det viktigt att förstå växternas kemiska sammansättning. Huvuddelen av volymen i en växtcell är vatten; det omfattar vanligtvis 80 till 90 procent av växtens totala vikt. Jord är vattenkällan för markväxter och kan vara en riklig vattenkälla, även om den verkar torr. Växtrötter absorberar vatten från jorden genom rothår och transporterar det upp till bladen genom xylem. När vattenånga går förlorad från bladen drar transpirationsprocessen och polariteten hos vattenmolekyler (vilket gör det möjligt för dem att bilda vätebindningar) mer vatten från rötterna upp genom växten till bladen (Figur 1). Växter behöver vatten för att stödja cellstruktur, för metaboliska funktioner, för att bära näringsämnen och för fotosyntes.

växtceller behöver väsentliga ämnen, kollektivt kallade näringsämnen, för att upprätthålla livet. Växtnäringsämnen kan bestå av antingen organiska eller oorganiska föreningar. En organisk förening är en kemisk förening som innehåller kol, såsom koldioxid erhållen från atmosfären. Kol som erhölls från atmosfärisk CO2 komponerar majoriteten av torrmassan inom de flesta växter. En oorganisk förening innehåller inte kol och ingår inte i eller produceras av en levande organism. Oorganiska ämnen, som utgör majoriteten av jordlösningen, kallas vanligtvis mineraler: de som krävs av växter inkluderar kväve (N) och kalium (K) för struktur och reglering.

väsentliga näringsämnen

växter kräver endast ljus, vatten och cirka 20 element för att stödja alla deras biokemiska behov: dessa 20 element kallas väsentliga näringsämnen (Tabell 1). För att ett element ska betraktas som väsentligt krävs tre kriterier: 1) en växt kan inte slutföra sin livscykel utan elementet; 2) inget annat element kan utföra elementets funktion; och 3) elementet är direkt involverat i växtnäring.

makronäringsämnen och mikronäringsämnen

de väsentliga elementen kan delas in i två grupper: makronäringsämnen och mikronäringsämnen. Näringsämnen som växter kräver i större mängder kallas makronäringsämnen. Ungefär hälften av de väsentliga elementen betraktas som makronäringsämnen: kol, väte, syre, kväve, fosfor, kalium, kalcium, magnesium och svavel. Den första av dessa makronäringsämnen, kol (C), krävs för att bilda kolhydrater, proteiner, nukleinsyror och många andra föreningar; det är därför närvarande i alla makromolekyler. I genomsnitt är en Cells torrvikt (exklusive vatten) 50 procent kol. Som visas i Figur 2 är kol en viktig del av växtbiomolekyler.

Figur 2. Cellulosa, den huvudsakliga strukturella komponenten i växtcellväggen, utgör över trettio procent av växtmaterialet. Det är den vanligaste organiska föreningen på jorden.

det näst vanligaste elementet i växtceller är kväve (N); det är en del av proteiner och nukleinsyror. Kväve används också vid syntesen av vissa vitaminer. Väte och syre är makronäringsämnen som ingår i många organiska föreningar och bildar också vatten. Syre är nödvändigt för cellulär andning; växter använder syre för att lagra energi i form av ATP. Fosfor (P), en annan makromolekyl, är nödvändig för att syntetisera nukleinsyror och fosfolipider. Som en del av ATP möjliggör fosfor att matenergi omvandlas till kemisk energi genom oxidativ fosforylering. På samma sätt omvandlas ljusenergi till kemisk energi under fotofosforylering i fotosyntes och till kemisk energi som ska extraheras under andning. Svavel är en del av vissa aminosyror, såsom cystein och metionin, och finns i flera koenzymer. Svavel spelar också en roll i fotosyntesen som en del av elektrontransportkedjan, där vätegradienter spelar en nyckelroll i omvandlingen av ljusenergi till ATP. Kalium (K) är viktigt på grund av dess roll för att reglera stomatal öppning och stängning. Som öppningar för gasutbyte hjälper stomata att upprätthålla en hälsosam vattenbalans; en kaliumjonpump stöder denna process.

Magnesium (Mg) och kalcium (Ca) är också viktiga makronäringsämnen. Kalciums roll är tvåfaldig: att reglera näringstransport och att stödja många enzymfunktioner. Magnesium är viktigt för den fotosyntetiska processen. Dessa mineraler, tillsammans med mikronäringsämnena, som beskrivs nedan, bidrar också till växtens jonbalans.

förutom makronäringsämnen kräver organismer olika element i små mängder. Dessa mikronäringsämnen, eller spårämnen, finns i mycket små mängder. De inkluderar bor (B), klor (Cl), mangan (Mn), järn (Fe), zink (Zn), koppar (Cu), molybden (Mo), nickel (Ni), kisel (Si) och natrium (Na).

Figur 3. Näringsbrist är uppenbart i de symtom som dessa växter visar. Denna (a) druvtomat lider av blom end rot orsakad av kalciumbrist. Gulningen i denna (b) Frangula alnus är resultatet av magnesiumbrist. Otillräcklig magnesium leder också till (c) intervenal kloros, sett här i ett sötgumblad. Denna (d) palm påverkas av kaliumbrist. (kredit c: modifiering av arbete av Jim Conrad; kredit d: modifiering av arbete av Malcolm Manners)

brister i något av dessa näringsämnen—särskilt makronäringsämnena-kan påverka växttillväxten negativt (Figur 3). Beroende på det specifika näringsämnet kan en brist orsaka hämmad tillväxt, långsam tillväxt eller kloros (gulning av bladen). Extrema brister kan leda till att löv visar tecken på celldöd.

autotrofa växter

kvävefixering: rot-och Bakterieinteraktioner

kväve är ett viktigt makronäringsämne eftersom det ingår i nukleinsyror och proteiner. Atmosfäriskt kväve, som är den diatomiska molekylen N2, eller dinitrogen, är den största kvävepoolen i markbundna ekosystem. Växter kan dock inte dra nytta av detta kväve eftersom de inte har nödvändiga enzymer för att omvandla det till biologiskt användbara former. Kväve kan emellertid ”fixeras”, vilket innebär att det kan omvandlas till ammoniak (NH3) genom biologiska, fysiska eller kemiska processer. Som du har lärt dig är biologisk kvävefixering (BNF) omvandlingen av atmosfäriskt kväve (N2) till ammoniak (NH3), uteslutande utförd av prokaryoter som jordbakterier eller cyanobakterier. Biologiska processer bidrar med 65 procent av kvävet som används i jordbruket. Följande ekvation representerar processen:

\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 viktigaste källan till BNF är den symbiotiska interaktionen mellan jordbakterier och baljväxter, inklusive många grödor som är viktiga för människor (figur 4). NH3 som härrör från fixering kan transporteras till växtvävnad och införlivas i aminosyror, som sedan görs till växtproteiner. Vissa baljväxter, som sojabönor och jordnötter, innehåller höga nivåer av protein och tjänar bland de viktigaste jordbrukskällorna för protein i världen.

Figur 4. Några vanliga ätbara baljväxter-som (A) jordnötter, (b) bönor och (c) kikärter—kan interagera symbiotiskt med jordbakterier som fixar kväve. (kredit a: ändring av arbete av Jules Clancy; kredit b: ändring av arbete av USDA)

jordbakterier, kollektivt kallade rhizobia, interagerar symbiotiskt med baljväxtrötter för att bilda specialiserade strukturer som kallas knölar, där kvävefixering sker. Denna process medför reduktion av atmosfäriskt kväve till ammoniak med hjälp av enzymet kväveas. Därför är användning av rhizobia ett naturligt och miljövänligt sätt att befrukta växter, i motsats till kemisk befruktning som använder en icke-förnybar resurs, såsom naturgas. Genom symbiotisk kvävefixering drar växten nytta av att använda en oändlig kvävekälla från atmosfären. Processen bidrar samtidigt till jordens bördighet eftersom växtrotsystemet lämnar efter sig en del av det biologiskt tillgängliga kvävet. Som i någon symbios drar båda organismerna nytta av interaktionen: växten får ammoniak och bakterier får kolföreningar som genereras genom fotosyntes, liksom en skyddad nisch att växa i (Figur 5).

Figur 5. Sojabönorötter innehåller (A) kvävefixerande knölar. Celler i nodulerna är infekterade med Bradyrhyzobium japonicum, en rhizobia eller ”rotälskande” bakterie. Bakterierna är inneslutna i (b) vesiklar inuti cellen, vilket kan ses i denna transmissionselektronmikrograf. (kredit a: modifiering av arbete av USDA; kredit b: modifiering av arbete av Louisa Howard, Dartmouth Elektronmikroskopanläggning; scale-bar data från Matt Russell)

Mycorrhizae: det symbiotiska förhållandet mellan svampar och rötter

en näringsutarmningszon kan utvecklas när det finns snabb jordlösningsupptagning, låg näringskoncentration, låg diffusionshastighet eller låg markfuktighet. Dessa förhållanden är mycket vanliga; därför är de flesta växter beroende av svampar för att underlätta upptaget av mineraler från jorden. Svampar bildar symbiotiska föreningar som kallas mycorrhizae med växtrötter, där svamparna faktiskt är integrerade i rotens fysiska struktur. Svamparna koloniserar den levande rotvävnaden under aktiv växttillväxt.

Figur 6. Rottips sprider sig i närvaro av mykorrhizal infektion, som framträder som benvit fuzz i denna bild. (kredit: ändring av arbete av Nilsson et al., BMC bioinformatik 2005)

genom mykorrhisering får växten huvudsakligen fosfat och andra mineraler, såsom zink och koppar, från jorden. Svampen får näringsämnen, såsom sockerarter, från växtroten (Figur 6). Mycorrhizae hjälper till att öka ytan på växtrotsystemet eftersom hyfer, som är smala, kan spridas bortom näringsutarmningszonen. Hyphae kan växa till små jordporer som ger tillgång till fosfor som annars inte skulle vara tillgänglig för växten. Den positiva effekten på växten observeras bäst i fattiga markar. Fördelen med svampar är att de kan få upp till 20 procent av det totala kolet som växter har tillgång till. Mycorrhizae fungerar som en fysisk barriär mot patogener. Det ger också en induktion av generaliserade värdförsvarsmekanismer och involverar ibland produktion av antibiotiska föreningar av svamparna.

det finns två typer av mycorrhizae: ectomycorrhizae och endomycorrhizae. Ectomycorrhizae bildar en omfattande tät mantel runt rötterna, kallad en mantel. Hyphae från svamparna sträcker sig från manteln till jorden, vilket ökar ytan för vatten och mineralabsorption. Denna typ av mycorrhizae finns i skogsträd, särskilt barrträd, björkar och ekar. Endomycorrhizae, även kallad arbuscular mycorrhizae, bildar inte en tät mantel över roten. Istället är svampmyceliet inbäddat i rotvävnaden. Endomycorrhizae finns i rötterna på mer än 80 procent av markväxter.

heterotrofa växter

vissa växter kan inte producera sin egen mat och måste få sin näring från externa källor—dessa växter är heterotrofa. Detta kan inträffa med växter som är parasitiska eller saprofytiska. Vissa växter är mutualistiska symbionter, epifyter eller insektsätande.

växtparasiter

en parasitväxt beror på sin värd för överlevnad. Vissa parasitiska växter har inga löv. Ett exempel på detta är dodder (figur 7a), som har en svag, cylindrisk stam som spolar runt värden och bildar sugor. Från dessa suger invaderar cellerna värdstammen och växer för att ansluta sig till värdens vaskulära buntar. Den parasitiska växten får vatten och näringsämnen genom dessa anslutningar. Växten är en total parasit (en holoparasit) eftersom den är helt beroende av sin värd. Andra parasitiska växter (hemiparasiter) är helt fotosyntetiska och använder endast värden för vatten och mineraler. Det finns cirka 4100 arter av parasitiska växter.

saprofyter

en saprofyt är en växt som inte har klorofyll och får sin mat från död materia, liknande bakterier och svampar (Observera att svampar ofta kallas saprofyter, vilket är felaktigt, eftersom svampar inte är växter). Växter som dessa använder enzymer för att omvandla ekologiska livsmedelsmaterial till enklare former från vilka de kan absorbera näringsämnen (figur 7b). De flesta saprofyter smälter inte direkt död materia: istället parasiterar de svampar som smälter död materia, eller är mykorrhizala, vilket i slutändan får fotosyntes från en svamp som härledde fotosyntes från sin värd. Saprofytiska växter är ovanliga; endast ett fåtal arter beskrivs.

Figur 7. (a) dodder är en holoparasit som tränger igenom värdens kärlvävnad och avleder näringsämnen för sin egen tillväxt. Observera att dodderens vinstockar, som har vita blommor, är beige. Dodderen har ingen klorofyll och kan inte producera sin egen mat. (b) saprofyter, som detta Holländarrör (Monotropa hypopitys), får sin mat från död materia och har inte klorofyll. (en kredit: ”Lalithamba” / Flickr; b kredit: ändring av arbete av Iwona Erskine-Kellie)

symbionter

en symbiont är en växt i ett symbiotiskt förhållande, med speciella anpassningar som mycorrhizae eller nodulbildning. Svampar bildar också symbiotiska föreningar med cyanobakterier och gröna alger (kallade lavar). Lavar kan ibland ses som färgglada tillväxter på ytan av stenar och träd (figur 8a). Algpartnern (phycobiont) gör mat autotrofiskt, varav några delar med svampen; svamppartnern (mycobiont) absorberar vatten och mineraler från miljön, som görs tillgängliga för den gröna algen. Om en partner separerades från den andra skulle de båda dö.

epifyter

en epifyt är en växt som växer på andra växter, men är inte beroende av den andra växten för näring (figur 8b). Epifyter har två typer av rötter: klamrar luftrötter, som absorberar näringsämnen från humus som ackumuleras i trädens sprickor; och luftrötter som absorberar fukt från atmosfären.

figur 8. (a) lavar, som ofta har symbiotiska förhållanden med andra växter, kan ibland hittas växer på träd. (B) dessa epifytväxter växer i Huvudväxthuset i Jardin des Plantes i Paris. (kredit: en ”benketaro” / Flickr)

Insectivorous växter

Figur 9. En Venus flytrap har specialiserade löv för att fånga insekter. (kredit: ”Selena N. B. H.” / Flickr)

en insektslevande växt har specialiserade löv för att locka och smälta insekter. Venus flytrap är populärt känd för sitt insektsätande näringsätt och har löv som fungerar som fällor (Figur 9).

mineralerna som den erhåller från byte kompenserar för de som saknar den boggy (låga pH) jorden i sina infödda North Carolina kustslätter. Det finns tre känsliga hår i mitten av varje hälft av varje blad. Kanterna på varje blad är täckta med långa ryggar. Nektar som utsöndras av växten lockar flugor till bladet. När en fluga berör de sensoriska håren stängs bladet omedelbart. Därefter bryter vätskor och enzymer ner bytet och mineraler absorberas av bladet. Eftersom denna växt är populär inom trädgårdshandeln hotas den i sin ursprungliga livsmiljö.

kontrollera din förståelse

svara på frågorna nedan för att se hur väl du förstår de ämnen som behandlas i föregående avsnitt. Denna korta frågesport räknas inte mot ditt betyg i klassen, och du kan återta det ett obegränsat antal gånger.

använd det här testet för att kontrollera din förståelse och besluta om att (1) studera föregående avsnitt ytterligare eller (2) gå vidare till nästa avsnitt.