Поступление минеральных веществ

Поступление минеральных веществ через корневую систему

1. Радиальный и ксилемный транспорт элементов минерального питания
2. Метаболизм корней
3. Влияние внешних и внутренних факторов на минеральное питание растений

Радиальный и ксилемный транспорт элементов минерального питания

Корневая система растений поглощает из почвы как воду, так и питательные минеральные вещества. Клеточные стенки принимают непосредственное участие как в поглощении веществ из почвы, так и в их транспорте. Основной движущей силой поглотительной активности корней является работа ионных насосов (помп), локализованных в мембранах. Радиальный транспорт минеральных веществ от поверхности корня к проводящей системе осуществляется в результате взаимодействия всех тканей зоны поглощения. И завершается загрузкой минеральных веществ и их органических производных в трахеиды и сосуды ксилемы.

В целом процесс минерального питания растения - это сложная цепь биофизических, биохимических и физиологиче­ских процессов со своими обратными и прямыми связями и си­стемой регуляции.

Поглотительная активность корня основывается на механизмах поглотительной активности, присущей любой растительной клетке (избирательное поступление веществ, трансмембранный перенос ионов, определенная роль фазы клеточных стенок).

Путем диффузии и обменных процессов ионы поступают в клеточные стенки ризодермы. Затем через коровую паренхиму перемещаются к проводящим пучкам (радиальный транспорт). Это передвижение происходит как по клеточным стенкам — апопласту, так и по симпласту. Перемещение ионов по апопласту происходит за счет диффузии и обменной адсорбции по градиенту концентрации и ускоряется током воды.

Движение минеральных веществ по симпласту осуществляется благодаря движению цитоплазмы, а также по каналам ЭПС, а между клетками - по плазмодесмам. Направленному движению по симпласту могу! способствовать градиенты концентрации веществ. Большое значение для радиального транспорта имеет неравномерное развитие тканей корня. Позднее всего дифференцируются ткани, лежащие в глубине корня: проводящие, эндодерма, внутренние зоны корневой паренхимы. И поэтому процессы метаболизма в них более активны, чем в закончивших свое развитие наружных тканях, и поглощенные вещества в большей степени подвергаются здесь метаболизации.

Диффузия ионов и молекул по апопласту прерывается на уровне эндодермы. Так как пояски Каспари содержат суберин, обладающий гидрофобными свойствами и служит непреодолимым барьером для передвижения веществ по апопласту. Единственный путь дальнейшего передвижения веществ через эндодерму - по симпласту. Существование в эндодерме пропускных клеток, в которых пояски Каспари недоразвиты или отсутствуют, позволяет незначительной части поглощенных веществ избежать метаболического контроля.

Симпластический транспорт является основным для многих ионов. При этом активной метаболизации подвергаются соединения, содержащие азот, углерод, фосфор, в меньшей степени - серу, кальций, хлор. Другие ионы метаболическому контролю практически не подвергаются. Существенную роль в симпластическом транспорте веществ играют вакуоли. Они конкурирую с сосудами ксилемы за поглощенные вещества и играют роль регулятора поступления веществ в сосуды. Процесс регуляции зависит от степени насыщения вакуолярного сока растворенными веществами. В то же время при снижении концентрации веществ в цитоплазме они могут вновь выходить из вакуолей, представляя, таким образом, запасной фонд питательных веществ. Поглощение ионов вакуолями снижает концентрацию их в симпласте и обеспечивает создание градиента концентрации, необходимого для их транспорта. Поступление ионов в вакуоли может происходить против электрохимического градиента, т. е. за счет активных процессов мембранного транспорта. Далее за счет работы ионных насосов происходит загрузка минеральных веществ в сосуды ксилемы. Вслед за минеральными веществами по законам осмоса входит вода и развивается корневое давление. Транспирация и корневое давление способствуют передвижению элементов минерального питания по ксилеме в другие части растения.

Рекомендуемые материалы

Метаболизм корней

Особенности обмена веществ в корне связаны с его ролью в целом растении.

1. Корень - это специализированный орган поглощения воды и минеральных элементов из почвы. Поэтому часть процессов биосинтеза направлена на построение аппарата поглощения и систем транспорта поступивших в корень ионов, органических соединений и воды к местам их потребления.

2. В корне происходит частичная или полная переработка поступивших ионов и перевод их в транспортную форму: восстановление, включение в различные органические соединения.

3. В корне синтезируются физиологически активные вещества - фитогормоны цитокинины и гиббереллины, необходимые для нормального роста и развития всего растения.

Важнейшая особенность метаболизма корня состоит в том, что источником углерода для него служат продукты фотосинтеза, поступающие из надземных органов. Основной транспортной формой ассимилятов служит сахароза. В меньшем количестве из надземных частей поступают аминокислоты и некоторые другие органические соединения (например, тиамин). Сахароза - универсальный источник для синтеза органических соединений в корне. Образующиеся в процессе метаболизации сахарозы соединения используются самим корнем, т. е. на поддержание его роста и функциональной активности, входит в состав корневых выделений или в состав пасоки поступает в надземные органы.

В метаболизме клеток корня используются также поглощенные из окружающей среды минеральные вещества, вода, а также некоторые органические соединения, выделяемые ми­кроорганизмами ризосферы: витамины, аминокислоты.

Поступившая в корень сахароза расщепляется до моносахаров, которые участвуют в образовании полимеров клеточных стенок (целлюлозы, гемицеллюлозы, пектиновых веществ), а также используются на синтез крахмала, откладываются в запас, тратятся на процессы дыхания.

Способность к синтезу аминокислот присуща и воздушным корням. Синтез аминокислот локализован в определенных участках корня. Максимальное количество аминокислот образуется в зоне корневых волосков, а вышележащие участки корня осуществляют их транспорт в надземную часть растения. Синтез аминокислот зависит от возраста растения, достигает максимума в фазу цветения. Существует суточный ритм синтеза аминокислот, в дневное время интенсивность синтетических процессов выше.

В корнях так же синтезируются вещества содержащие азот, порфирины, некоторые витамины (В₁, В₆, никотиновая и аскорбиновая кислоты), ростовые вещества (цитокинин, АБК, гиббереллины), алкалоиды и др.

Влияние внешних и внутренних факторов на минеральное питание растений

Содержание минеральных элементов в растениях значительно варьирует в зависимости от:

- доступности и концентрации минеральных соединений в почве;

- уровня кислотности среды;

- условий влажности, температуры, аэрации в зоне корней;

- возраста растений.

Внешние факторы

Температура. При температуре, близкой к 0°С, поглощение солей идет медленно, затем, в пре­делах до 40°С, оно усиливается. Увеличение температуры на 10°С может вызвать возрастание поглощения в два и даже в три раза.

Свет. В темноте поглощение солей замедляется и постепенно прекращается, а под влиянием освещения ускоряется. На свету в процессе фотосинтеза образуются углеводы, которые необходимы для дыхания, также на свету в процессе фотофосфорилирования образуется АТФ, энергия которой используется на поступление веществ.

Содержание кислорода. При уменьшении содержания кислорода до 2-3% интенсивность поступления солей остается на одном уровне. Лишь снижение концентрации кислорода ниже 3% вызывает падение поглощения минеральных элементов в два раза.

Значение рН также сказывается на поглощении солей. Подкисление почвенного раствора улучшает доступность ионов фосфорной кислоты, а подщелачивание снижает. Резкое изменение значения рН может повредить клеточные мембраны, что в последующем окажет влияние на скорость поглощения минеральных веществ.

Конкуренция ионов. Поглощение одного иона зависит от присутствия других ионов. Ионы с одинаковым зарядом обычно конкурируют между собой.

Внутренние факторы

Интенсивность дыхания. Процесс дыхания может оказывать влияние на поступление солей в нескольких направлениях.

Люди также интересуются этой лекцией: Лекция 5.

1) В процессе дыхания выделяющийся углекислый газ в водной среде диссоциирует на ионы Н⁺ и НС0₃^-. Адсорбируясь на поверхности корня, эти ионы служат обменным фондом для поступающих катионов и анионов.

2) В процессе переноса ионов через мембрану участвуют специфические белки-переносчики, синтез которых находится в зависимости от интенсивности дыхательного процесса.

3) Энергия, выделяемая в процессе дыхания, непосредственно используется для поступления солей (активное поступление).

Поступление воды и солей во многих случаях идет независимо друг от друга. В условиях высокой влажности воздуха транспирация резко падает, а поступление солей идет с достаточной интенсивностью. Однако в некоторых случаях увеличение интенсивности транспирации может сказаться положительно на поглощении солей. Усиление транспирации приводит к ускорению передвижения восходящего тока воды с растворенными солями, что способствует быстрому освобождению от них клеток корня, а следовательно, косвенно ускоряет поглощение.

Фотосинтез. Увеличение интенсивности фотосинтеза приводит к возрастанию содержания углеводов и, как следствие, к увеличению интенсивности дыхания и поступления солей.

Ростовые процессы. Ускорение темпов роста увеличивает использование питательных веществ и тем самым усиливает их поступление. Наряду с этим быстрый рост корневой системы оказывает прямое влияние на поглощение благодаря увеличению поверхности, соприкасающейся с почвой.