5 Минеральное питание растений

Организм находится в единстве со средой обитания, из которой он получает необходимую ему для жизнедеятельности энергию и субстраты для построения и динамического обновления биологических структур. В данном пособии рассматривается вопрос формы химических элементов в окружающей растения среде и способы и пути их поступления в организм растения. Минеральное питание растений – это процесс усвоения ими из внешней среды ионов минеральных солей, необходимых для нормальной жизнедеятельности растительного организма.

К элементам минерального питания растений относят в первую очередь макроэлементы N, Р, S, К, Ca, Mg, а также микроэлементы (Fe, В, Cu, Zn, Mn и др.). В этом списке элементов нет кислорода, углерода и водорода. Это связано с тем, углерод поступает в достаточном количестве из атмосферного пула в виде двуокиси углерода – СО₂, водород же поступает в организм растения благодаря разложению воды, при этом высвободившийся кислород выбрасывается в окружающую среду. Минеральное питание растений. складывается из поглощения минеральных веществ в виде ионов, их передвижения по растению и включения в обмен веществ. Одноклеточные организмы и водные растения поглощают ионы всей поверхностью, высшие наземные растения - поверхностными клетками корня, в основном корневыми волосками, о которых говорилось выше.

Ионы сначала адсорбируются на клеточных оболочках, затем проникают в цитоплазму через окружающую её липопротеидную мембрану - плазмалемму. Катионы (за исключением К⁺) проникают через мембрану пассивно, путём диффузии, анионы, а также К⁺ (при низких концентрациях) - активно, с помощью молекулярных «ионных насосов», транспортирующих ионы с затратой энергии. Скорость активного транспорта ионов зависит от обеспеченности клетки углеводами и интенсивности дыхания, скорость пассивного поглощения - от проницаемости биологических мембран, разности концентраций и электрических потенциалов между средой и клеткой. Проницаемость мембраны для разных ионов неодинакова. Так, для катиона К⁺ она в 100 раз выше, чем для Na⁺, и в 500 раз выше, чем для анионов.

Поглощённые ионы передвигаются от клетки к клетке через соединяющие их цитоплазматические перемычки - плазмодесмы. У высших растений в корне и стебле имеется специальная сосудистая система для транспорта минеральных веществ и их органических соединений (синтез которых частично происходит и в корне) в листья. По мере старения нижних листьев некоторые минеральные вещества оттекают из них в растущие органы растения, где могут использоваться повторно.

Каждый элемент минерального питания растений играет в обмене веществ определённую роль и не может быть полностью заменен другим элементом. Азот входит в состав белков - основных веществ цитоплазмы, а также в состав амидов, нуклеиновых кислот, гормонов, алкалоидов, витаминов (B₁, B₂, B₆, PP) и хлорофилла. Азот поглощается в форме аниона NO^-₃ (нитрата) и катиона NH⁺₄ (аммония), которые образуются при разложении опада микроорганизмами почвы.

Молекулярный азот (N₂), который является основной составной частью воздуха (79 %), может усваиваться только некоторыми видами низших растений. Нитраты с помощью фермента нитратредуктазы восстанавливаются до аммония. Аммоний соединяется с органическими кислотами, образуя аминокислоты, которые затем включаются в белки.

Фосфор входит в состав нуклеопротеидов клеточного ядра, фосфолипидов клеточных мембран, фосфатидов и фосфорных эфиров сахаров. Особенно важно участие фосфора в фотофосфорилировании, в процессе которого солнечная энергия, аккумулируемая в форме богатых энергией связей аденозинтрифосфата (АТФ), используется на усвоение CO₂ из воздуха и образование органических веществ. В форме макроэргических связей АТФ запасается также энергия, выделяемая при дыхании за счёт окисления органических веществ, образуемых в процессе фотосинтеза.

Фосфор поглощается в форме аниона ортофосфорной кислоты (PO^3-₄, или фосфата) и включается за сотые доли секунды в органические соединения в неизменном виде. Вместе с тем в растениях всегда содержится много неорганического фосфата (его физиологическое значение не ясно).

Сера, как и азот, входит в состав всех белков, а также пептидов (глутатион), некоторых аминокислот (цистин, цистеин, метионин) и эфирных масел. Сера поглощается растениями в форме аниона (SO^2-₄, или сульфата), который в клетках восстанавливается, образуя дисульфидные (—S—S—) и сульфгидрильные (—SH) группы (последние образуют связи, закрепляющие конфигурацию белковой макромолекулы). Как правило, сера не является дефицитным элементом для растений, которые не нуждаются в подкормке соединениями серы.

Калий поглощается в форме катиона К⁺ и в такой же форме остаётся в клетке, не образуя прочных органических соединений. Он вступает лишь в слабые адсорбционные взаимодействия с белками и в обменные реакции с органическими кислотами. В отличие от N, Р и S, непосредственно участвующих в создании органического материала растительной клетки, калий не является в полном смысле питательным элементом. Он повышает водоудерживающую способность цитоплазмы, интенсивность фотосинтеза, отток ассимилятов, участвует в функционировании устьиц и др.

Кальций и магний поглощаются в форме двухвалентных катионов: Ca²⁺ и Mg²⁺. Основная функция Ca состоит в стабилизации клеточных структур. Ионы Ca²⁺ («кальциевые мостики») связывают между собой молекулы липидов, обеспечивая их упорядоченное расположение в клеточных мембранах. Соединения кальция с пектиновыми веществами склеивают оболочки соседних клеток. В отличие от других элементов минерального питания растений, Ca в растении малоподвижен. Он практически не реутилизируется и накапливается в стареющих органах. Ca необходим для поддержания структуры рибосом, в которых происходит синтез белка. Mg входит в состав хлорофилла, активирует ферменты, переносящие фосфат с АТФ на молекулу сахара. Железо входит в состав ряда ферментов, в том числе дыхательных (цитохромов). Оно участвует в синтезе хлорофилла, хотя и не входит в его состав. Возможно также минерального питания растений через листья.

Вместе с воздушным питанием (фотосинтезом) минеральное питание растений составляет единый процесс обмена веществ между растением и средой. Оно влияет на все физиологические процессы (дыхание, рост, развитие, фотосинтез, водный режим и т. д.) и, в свою очередь, зависит от них. Поэтому одно из наиболее успешных средств управления продуктивностью культурных растений заключается в регулировании минерального питания растений, поддерживая его в оптимальном режиме. Обычно это осуществляется с помощью удобрений.