Роль элементов минерального питания
Корневое питание растений. Физиологическая роль элементов минерального питания.
- Способы контроля минерального питания растений.
- Роль отдельных элементов в растительном организме (макроэлементы, микроэлементы).
- Почва как источник питательных веществ для растений.
- Физиологические основы применения удобрений.
Способы контроля минерального питания растений.
Развил учение о минеральном питании растений в 1629 году голландский ученый Я. Б. ван Гельмонт. Он посадил в глиняный сосуд содержащий 91 кг сухой почвы, ивовую ветвь массой 2,25 кг и регулярно поливал дождевой водой. Через 5 лет растение и почва были взвешены отдельно. Оказалось, что ива весила 77 кг (прибавка около 75 кг), а масса почвы уменьшилась всего на 56,5 кг. Он сделал вывод, что вся растительная масса за счет воды. Опыт послужил для водной теории питания растений.
В конце 18 века немецкий агроном А. Тэер разработал «гумусовую теорию» питания растений. Подмечая что темный цвет почвы зависит от содержания в ней различных органических остатков или гумуса. Согласно его теории, растения питаются водой и гумусом.
Немецкий ученый Ю. Либих возражая против гумусовой теории в 1840 г. опубликовал книгу «Химия в приложении к земледелию и физиологии», где обосновал теорию минерального питания растений. Он утверждал, что основой плодородия являются минеральные вещества почвы. Либих считал, что перегной нужен для образования СО2, и предлагал применять в качестве удобрения чистые минеральные вещества. Недостатком теории является отрицание роли органических веществ для развития растений. Либих сформировал «закон минимума», согласно которого внесение любого количества минеральных веществ не дает прироста урожая, пока не будет ликвидирован недостаток веществ, содержащихся в минимальном количестве, а также «закон возврата», указывающий на необходимость возврата в почву питательных веществ, поглощенных растениями.
Способы контроля минерального питания растений.
Сакс и Кнопп (1860) – метод водных культур. Был определенный набор элементов минерального питания. Готовятся питательные растворы, каждый из которых не имеет определенного элемента. Последний вариант имеет все элементы это контроль. Опыт проводится в вегетационных сосудах (банки 3 литра), которые оборачивают сначала темной, а затем светлой бумагой для того чтобы не поселились водоросли. Ежедневно продувается сосуды воздухом для аэрации. Метод водных культур дает возможность определить влияние микроэлементов на рост и развитие растений. Затем опыт проводят в полевых условиях для подтверждения данных.
Метод гравийных культур. Определяется влияние макроэлементов. Используют гравий, который определенным образом готовят, его прокаливают высокой температурой, затем обрабатывают 1% раствором HCl, промывают дисцилированной водой, доводят рН до 7, затем гравий погружают в глиняный вазон с отверстиями. Этот вазон помещает во второй сосуд в котором находится питательный раствор с исключением какого-либо элемента. Контроль - все элементы. В эксперимент берутся культуры, которые высеваются в гравий. Гравий предохраняет корневую систему от высыхания, обеспечивает благоприятные условия аэрации. Отверстия в сосуде позволяют корням быть в контакте с питательным раствором. Гравий закрепляет и удерживает корни растений.
Метод песчаных культур. Песок готовится аналогичным способом и загружается в вегетационные сосуды. Эти сосуды поливаются растворами без определенного элемента. Контроль – все элементы. Раствор собирается в поддонах и затем подвергается анализу.
Рекомендуемые материалы
Перечисленные методы позволяют выращивать растения без почвы на водных растворах. Такие методы выращивания растений называются гидропоникой.
Метод почвенных культур. Определяются элементы питания, а так же питательные достоинства почвы. В сосуд помещают 5-7 кг почвы (дезинфицируют), поливают с исключением определенного элемента.
Метод меченых атомов. Используются в подкормку растений соли меченых по тому или иному иону. Метод позволяет проследить судьбу меченого иона в организме растения. Радиоактивный фосфор передвигается от корней по стеблю, через ксилему. Радий концентрируется в горохе в 15 раз выше, чем в окружающей среде. Актиний концентрируется в горохе в 100 раз выше, чем в окружающей среде.
Роль отдельных элементов в растительном организме (макроэлементы, микроэлементы).
При сжигании растений определенные элементы улетучиваются азот, кислород, водород, углерод – на их долю приходится углерод 45%, кислород 42%, водород 6,5%, азот 1,5%. Остальные элементы входят в состав золы от 4 до 15% (магний, фосфор, железо, калий, кальций, медь, марганец, цинк, бром, хлор и др.).
По Вернадскому, если содержание элементов в организме не падает ниже 0,01% - это макроэлементы. Если содержание элементов в организме от 0,01 до 0,00001% - это микроэлементы.
Макроэлементы – это металлы и неметаллы азот, фосфор, сера, калий, кальций, магний, железо эти элементы не заменимы и при их выпаде растение не может развиваться. Микроэлементы – это бор, марганец, цинк, молибден, медь. Субмикроэлементы – фтор, йод, натрий, никель, хлор.
Были разработаны питательные смеси для водных культур соответствующие следующим требованиям:
- содержащие питательные элементы должны быть доступны для растений,
- рН должен быть близкий к нейтральному, и значение его не должно сдвигаться при росте растений,
- общая концентрация солей не должна превышать определенный уровень.
Фосфор (Р) содержится в растении от сухой массы 0,2-1,3 %, входит в состав органических соединений – белков, нуклеиновых кислот, витаминов. Для Р характерна способность образовывать связи с низко- и высокоэнергетическим потенциалом, которые позволяют позволять энергию для биохимических и физиологических процессов. Р кислота поступает в растение быстро включается в состав нуклеотидов. Далее образуется в результате фосфорелирования АТФ. АТФ используется в синтезе нуклеиновых кислот, активации сахаров аминокислот.
Радиальное движение Р в зоне поглощения корня до ксилемы происходит по симпласту. Концентрация Р в корне в сотни раз превышает концентрацию Р в почвенных растворах. Транспорт по ксилеме осуществляется в форме неорганического фосфата, в таком виде он достигает листьев и зон роста. Из клеток листьев он поступает в ситовидные трубки и по флоэме в другие части, особенно в конусы нарастания, плоды. Аналогичный отток Р происходит и из стареющих листьев.
Симптом Р голодания – синевато-зеленая окраска листьев с пурпурным или бронзовым оттенками. Листья становятся мелкими и узкими. Приостанавливается рост, задерживается созревание урожая. При дефиците Р снижается скорость поглощения кислорода, изменяется активность ферментов, активизируются процессы распада фосфорорганических соединений и полисахаридов, тормозится синтез белков и свободных нуклеотидов. Наиболее чувствительны в недостатку Р являются молодые растения. Нормальное фосфорное питание ускоряет развитие растений, они хорошо переносят засуху и заморозки.
Сера (S) содержание в растении от 0,2 до 1% в расчете на сухую массу, входит в состав аминокислот (цистеина, метионина). В белках и полипептидах SH-группы образовывают ковалентные связи, которые поддерживают трехмерную структуру белка. В растении S поддерживает окислительно-восстановительный потенциал клетки, входит в состав биологических соединений коэнзима А и витаминов (липоевой кислоты, биотина, тиамина).
Недостаток S тормозит синтез серосодержащих аминокислот и белков, снижает фотосинтез и скорость роста растений. При дефиците серы наблюдается побледнение и пожелтение сначала молодых затем старых листьев.
Калий (К) 0,5-1,2% от сухой массы растения. Содержание К в клетках в 100-1000 раз выше, чем в окружающей среде. Наилучшим источником К являются растворимые соли калия. В растениях К в наибольшем количестве концентрируется в молодых растущих тканях отличающихся высоким уровнем метаболизма (меристемах, камбии, молодых листьях, побегах, почках). В клетках основная масса (80%) К содержится в вакуолях. К играет огромную роль в водном обмене, открывании и закрывании устьиц, повышает содержание крахмала и моносахаридов. Достаточное содержание К делает растение устойчивым к заболеваниям, особенно необходимо это в период нарастания вегетативной массы (огурцы, томаты, капуста).
При недостатке К наблюдается пожелтение листьев снизу вверх, пожелтение начинается с краев, иногда появляются ржавые пятна. Дефицит К приводит к отмиранию верхушки нарастания, снижению фотосинтеза, наблюдается эффект кущения.
Кальций (Са) – 5-30 мг на 1 гр сухой массы. Са накапливается в старых органах и тканях, так как транспорт осуществляется по ксилеме, вывод затруднителен. У культурных растений накапливается в вегетативных органах. Са оказывает влияние на структуру клеточных мембран, ионные потоки через них и биоэлектрические явления, на перестройки цитоскелета. Са необходим для процессов секреции у растений с участием аппарата Гольджи. СА активирует ряд ферментных систем клетки. Избыток Са приводит к угнетению окислительного фосфорелирования и фотофосфорелирования.
При недостатке Са страдает корневая система и молодые меристематические ткани, недостаток Са приводит к набуханию пектиновых веществ, происходит ослизнение, загнивание и отмирание клеток. Края листьев белеют, затем чернеют, листовые пластинки закручиваются. На плодах появляются некротические пятна.
Магний (Mg) содержание 0,02 – 3 % на сухую массу. Накапливается в молодых тканях, передвигается в растении по ксилеме и флоэме. До 12 % входит в состав хлорофилла. В хлорофилле он не заменим. Mg является кофактором почти всех ферментов, катализирующих перенос фосфатных групп (фосфокиназ, фосфотрансфераз и др.). необходим для гликолиза и цикла Кребса, усиливает синтез каучука, витамина А, С, эфирных масел.
При недостатке магния нарушается синтез пластид и между зелеными жилками появляются пятна, края листа желтеют, краснеют и лист становится мраморным. На поздней стадии беловатые полоски наблюдаются и на молодых листьях, затем развивается хлороз и некроз.
Железо (Fe) – 0,02-0,08 % на сухую массу. Вместе с молибденом участвует в восстановлении нитратов и фиксации молекулярного азота клубеньковыми бактериями, входя в состав нитратредуктазы и нитрогеназы. Катализирует начальные этапы синтеза хлорофилла.
При недостатке снижается интенсивность дыхания и фотосинтеза. Хлороз и быстрое опадение.
Микроэлементы входят в состав активных групп ферментов, витаминов. Быстро вступают в метаболизм.
Кремний(Si) присутствует у всех растений. Особенно много его в клеточных стенках, он придает прочность стеблям растений.
Недостаток вызывает задержку роста, снижает количество семян злаков, нарушаются структуры клеточных органелл.
Алюминий (Al) особое значение имеет в метаболизме у гигрофитов. Недостаток его приводит к хлорозу, а в высоких дозах алюминий связывается с фосфором, это приводит к фосфорному голоданию.
Марганец (Mn) способствует повышению содержания сахаров, играет большую роль в росте клеток. При исключении марганца нарушается соотношение основных элементов минерального питания. При голодании появляется точечный хлороз листьев, между жилками с последующим некрозом.
Молибден (Md) сосредоточен в листовых пластинках, хлоропластах. Участвует в восстановлении нитратов, входя в состав нитратредуктазы. Оказывает влияние на накопление аскорбиновой кислоты. При недостатке Мо в тканях накапливается большое количество нитратов, не развиваются клубеньки на корнях бобовых, тормозится рост, наблюдается деформация листовых пластинок, листья бледнеют. Высокая концентрация молибдена токсична для растений. Большое количество Мо в с/х продукции вредно для животных и человека.
Кобальт (Co) необходим бобовым растениям для обеспечения нормального размножение клубеньковых бактерий. Наряду с магнием и марганцем кобальт активирует ферменты гликолиза и гидролиза. Признаки недостатка сходны с азотным голоданием.
Обратите внимание на лекцию "1.1. Система комплексной защиты населения".
Медь (Cu)около 70% находится в листьях, входит в состав медьсодержащих белков и ферментов. Повышает устойчивость растений к полеганию, повышает засухо- и морозоустойчивость.
Недостаток меди задерживает рост и цветение, наблюдается хлороз, потеря тургора с последующим завяданием. У злаков наблюдается недоразвитие колоска, у плодовых появляются засохшие верхушки.
Цинк (Zn) участвует в синтезе аминокислоты триптофана, способствует синтезу фитогормона ауксина, тем самым активирует рост растений.
При недостатке наблюдается снижение содержания сахарозы и крахмала, в 2-3 раза подавляется скорость деления клеток, задерживается рост междоузлий, развивается хлороз.
Бор (B) значительное количество содержится в цветках, в пестиках, в клетках концентрация бора происходит в клеточной стенке. Бор усиливает рост пыльцевых трубок, прорастание пыльцы, увеличивает количество цветков и плодов.
При недостатке бора нарушается синтез, превращение и транспорт углеводов, формирование репродуктивных органов, оплодотворение и плодоношение. При борном голодании происходит отмирание конуса нарастания.
