Физиологическая роль отдельных элементов в питании растений

Несмотря на резкие различия в количественной потребности, функции каждого необходимого макро- и микроэлемента в растениях строго специфичны, ни один элемент не может быть заменен другим. Недостаток любого макро- или микроэлемента приводит к нарушению обмена веществ и физиологических процессов у растений, ухудшению их -роста и развития, снижению урожая и его качества. При остром дефиците элементов питания у растений появляются - характерные признаки голодания.

Вода. Растение представляет собой единую водопроводящую систему. Все растение - от корней, находящихся в почве, до листьев - построено из клеток, которые содержат студенистые вещества (коллоиды) тончайшей структуры. Эти вещества обладают большой силой притяжения воды, благо даря чему вода продвигается по растению; почти 99% содержимого клеток составляет вода, извлеченная из почвы, где она обычно содержится в количестве лишь 15-20%.

По проводящей системе растений вместе с водой движутся питательные вещества - от корней вверх к листьям и от листьев вниз - к тем частям расте­ния, где образуются такие питательные вещества, как сахара и аминокислоты. Аминокислоты являются строительным материалом для белков. Сахар превращаются в целлюлозу и другие соединения, образующие клеточную структуру растения.

Нормальное функционирование растительной клетки зависит от поступления соответствующего количества воды, необходимого для поддержан ее тургора и деления. Поскольку вода непрерывно испаряется из растения через устьица, тургор клеток растительных тканей зависит от точного равновесия между количеством воды, поступающей в растение через корни, и количеством воды, испаряемой листьями.

Внутриклеточное давление регулируется содержанием различных солей в клеточном соке. Вода поступает из почвы - зоны низкой концентрации солей - в растение, клетки тканей которого содержат раствор солей более высокой концентрации. Этот процесс называется осмосом. Чрезмерно высокая концентрация солей в почве вблизи корней растения, образующаяся в результате локализации избыточного количества удобрения, может нарушить процесс поглощения воды растением и привести даже к отдаче растением воды почве, что вызывает падение тургора клеток и последующее увядание растения.

Малейшее падение тургора нарушает внутреннюю организацию листа вследствие чего могут появиться симптомы, напоминающие недостаточное азота, калия или какого-либо другого элемента. И действительно, при почвенной засухе, в силу которой растение испытывает недостаток в воде, мозг наступить голодание растения, так как засуха влияет на усвояемость питательных веществ и их доступность корням. Питательные вещества в почве передвигаются вместе с почвенной влагой; уменьшение количества послед ней приводит к замедлению движения веществ.

Кислород так же необходим растениям, как и человеку. Около 50% сухого вещества растения приходится на долю кислорода, который входит состав различных органических и минеральных соединений.

В процессе жизнедеятельности здорового растения кислород вступает в реакцию с другими элементами, из которых строятся растительные ткани. Если кислород присоединяется к различным элементам и веществам, то это процесс называется окислением, если же происходит отнятие ранее присоединенного кислорода, то процесс называется восстановлением. Некоторые соединения в восстановленной форме ядовиты для растений. К таким соединениям относятся широко распространенные нитриты и сульфиты. Присоединяя кислород, т. е. окисляясь, они соответственно превращаются в нитрат и сульфаты, которые уже не являются токсичными.

Процессы восстановления и окисления в равной степени необходимы для здоровых растений. Любое нарушение равновесия процессов в результате расстройства питания растения приводит к появлению симптомов болезни.

Углерод в растениях входит в состав клетчатки, из которой построены клеточные стенки; сахара являются частицей ароматических соединений соков растений и участвуют в построении пигментов. Фактически углерод - основа всех органических веществ. Под воздействием солнечной энергии из углерода углекислого газа воздуха в зеленых зернах хлорофилла клеток листа образуются различные вещества сложной структуры.

Если растение не в состоянии усваивать углерод вследствие недостатка некоторых элементов, необходимых для данного процесса или вследствие их излишка, приводящего к нарушению равновесия, то могут появиться симптомы ненормального функционирования растений.

Азот один из основных элементов, необходимых для растений. Он входит в состав всех простых и сложных белков, являющихся составной частью цитоплазмы растительных клеток и в состав нуклеиновых кислот (РНК и ДНК), играющих важную роль в процессе обмена веществ в организме. Он содержится в хлорофилле, фосфатидах, ферментах и других органических веществах растительной клетки.

Главным источником азота для растений служат соли азотной кислоты и соли аммония. Поступившие в растения минеральные формы азота проходят сложный цикл превращений, конечным этапом которых является включение их в состав белковых молекул.

Уровень азотного питания определяет размеры и интенсивность синтеза белка и других азотистых органических соединений в растениях и, следовательно, ростовые процессы. Недостаток азота особенно резко сказывается на росте вегетативных органов. Слабое формирование фотосинтезирующего листового и стеблевого аппарата вследствие дефицита азота, в свою очередь, ограничивает образование органов плодоношения и ведет к снижению урожая и уменьшению количества белка в продукции.

Фосфор также является обязательной составной частью живых клеток растения - он входит в состав сложных белков в виде нуклеопротеидов, в состав фосфатидов (жироподобные органические соединения), многих ферментов, фитина, образует эфиры с сахарами.

Фосфор принимает непосредственное участие в процессах дыхания и брожения, играет важную роль в фотосинтезе, имеет исключительное значение для обмена азотистых веществ в растениях. Следует указать на роль фосфора в энергетике живой клетки, которая определяется его способностью к образованию соединений (АТФ, АДФ), несущих большой запас энергии. Фосфор повышает зимостойкость растений, ускоряет их развитие и созревание.

Значительная часть фосфора в растениях находится и в минеральной форме, являясь запасным веществом для синтеза фосфорсодержащих органических соединений. Общее содержание фосфора в растениях колеблется в пределах 0, 3-2% и составляет около 1/3 от содержания в них азота. Особенно богаты им молодые части растения и семена.

Поступает фосфор из почвы в течение всего периода жизни растений. Но особое значение фосфор имеет при начальном росте растения и недостаток его в этот период не может быть компенсирован в последующем. Умеренная обеспеченность фосфором способствует более быстрому появлению новых листьев, лучшему развитию корневой системы, более раннему и быстрому цветению, оказывает положительное влияние на процессы форм ния репродуктивных органов.

Калий в растениях в виде сложных органических соединений не обнаружен. Большая часть его находится в клеточном соке, а меньшая - адсорбированная коллоидами и незначительная - необменная - удерживается митохондриями в протоплазме растений. Калий принимает участие в обмене веществ. В его присутствии поступление азота в растения и процессы с азотистых веществ усиливаются, повышается активность ферментов, участвующих в углеводном обмене. Калий влияет на свойства протоплазмы клеток удерживать воду, уменьшает испарение воды растением, увеличивать тургор. Для калия характерно его многократное использование (реутилизация) внутри растения. Калий находится в основном, в вегетативных органах (соломе, ботве, листьях).

Сера является важным элементом питания растений, и они часто содежат ее больше, чем фосфора, кальция или магния. Сера, поступающая в растения, частично расходуется на построение аминокислоты цистеин, входящей в состав белков.

Кальций в растениях входит в состав стенки клеток, образуя нечто вроде защитного «сита» для просачивающихся через клетки растворов питательных веществ. Кальций в межклетниках действует так же, как цементирующее вещество, связывая клетки между собой.

В растениях в процессе жизнедеятельности клеток образуются некоторые побочные продукты, в том числе органические кислоты, накопление которых могло бы представить опасность для растений, если бы не проявлялось нейтрализующее действие кальция. Так, например, щавелевая кислота, вступая в реакцию с кальцием, превращается в безвредный для растений оксалат кальция, который нерастворим в воде. Кальций в растениях находится в равновесии с магнием, калием, а возможно, и бором. Любое нарушение равновесия вследствие избытка или недостатка какого-либо из этих элементов приводит к ненормальным явлениям в жизнедеятельности растения.

Внешнее проявление избытка кальция в растении фактически может начать недостаток одного или более из указанных элементов, и положение может быть выправлено дополнительным введением недостающих элементов, а не уменьшением количества кальция. Точно так же кажущийся избыток калия, магния или бора может обусловливаться недостаточностью кальция.

Магний является основным элементом молекулы хлорофилла - зеленого пигмента растений, поглощающего солнечную энергию и способствующего жизнедеятельности растительного организма.

Большинство сельскохозяйственных растений обычно содержит магния меньше, чем кальция. Различие определяется особенностями культуры составом почвы.

Магний соединяется с фосфатами, делая возможным их перемещение в растении в форме фосфата магния.

Железо, несмотря на то, что необходимо растениям в очень незначительном количестве, является исключительно важным элементом. Хлороз, развивающийся у растений от недостатка железа, сопровождается потерей способности растений к образованию хлорофилла, в состав которого, хотя не входит. Железо участвует в окислительно-восстановительных процессах в растениях, входит в состав некоторых дыхательных ферментов.

Бор в растениях содержится в пределах 0, 0001% ил 0, 1 мг на 1 кг биомассы. Наиболее нуждаются в нем двудольные растения. Обнаружено большое содержание бора в цветках, рыльцах и столбиках. В растительных клетках большая часть бора находится в клеточных стенках. Бор усиливает рост пыльцевых трубок, прорастание пыльцы, увеличивает количество плодов. Без бора нарушается процесс созревания семян. Он снижает активность окислительных ферментов, оказывает влияние на синтез и передвижение стимуляторов роста. В растениях бор имеет функциональную связь с кальцием. Если в растениях нарушается соотношение между этими элементами вследствие недостатка бора, то прекращается нормальное развитие верхушечных частей растений.

Молибден в большом количестве содержится в бобовых - от 0, 5 до 20 мг Мо на 1 кг массы. Он входит в состав и активизирует фермент нитратредуктазу и нитритредуктазу, при участии которых идет процесс восстановления нитратов до аммиака. При его недостатке в растениях накапливаются нитраты. Он входит в состав ферментов (нитрогеназы) катализирующих процессы восстановления молекулярного азота азотфиксирующими свободноживущими аэробными, а также клубеньковыми бактериями. Высокая потребность бобовых культур в молибдене определяется его участием в фиксации молекулярного азота в симбиозе растений и клубеньковых бактерий - в клубеньках усиливается активность дегидрогеназ - ферментов, обеспечивающих непрерывный приток водорода, необходимый для связывания азота атмосферы.

Цинк влияет на многие процессы в растениях - углеводный обмен, фосфорный и белковый обмен, что определяется его присутствием во многих ферментативных системах. Цинк влияет на утилизацию фосфора растениями. При недостатке цинка увеличивается поступление фосфора в растения, однако утилизация его нарушается, при этом увеличивается доля неорганического фосфора, то есть недостаток цинка вызывает замедление превращения неорганических фосфатов в органические формы.

Он образует комплексы с различными органическими соединениями, преимущественно физиологически активными - белками, нуклеиновыми кислотами, витаминами.Цинк входит в состав многих ферментов - дыхательных, участвующих в процессе фотосинтеза.

Медь входит в состав ферментов и белков, катализирующих окисление фенолов: ортофенолоксидазы, полифенолоксидазы, тирозиназы. Медь также входит в состав нитритредуктазы, гипонитритредуктазы и редуктаз окиси азота, в присутствии меди усиливается процесс связывания молекулярного азота атмосферы и усвоение азота из почвы и удобрения.

Медь снижает ингибирующее действие на растения высоких доз ростовых веществ. Черный пигмент меланин, образуется за счет окисления аминокислоты тирозина, осуществляемого ферментом тирозиназой, в состав которой входит в медь. Отсутствие данного фермента вызывает альбинизм, темнение битых картофелин и яблок также вызывается тирозиназой.

Марганец входит в состав окислительных ферментов, регулирующих окислительно-восстановительные процессы, марганец участвует в синтезе аскорбиновой кислоты в растениях. Участвует в системе выделения кислорода при фотосинтезе и в восстановительных реакциях фотосинтеза. Увеличивает содержание сахаров, хлорофилла, прочность его связи с белком, улучшает отток сахаров, усиливает интенсивность дыхания. Входит в состав фермента гидроксиламинредуктазы, осуществляющую реакцию восстановления гидроксиламина до аммиака.

Методические указания: использовать раздаточный материал, рекомендуемую литературу

Литература:

1 Минеев В.Г. Экологическая агрохимия. – М., 2000

2 Церлинг В.В. Агрохимические основы диагностики минерального питания с/х культур. М, 1978.

3 Церлинг В.В. Диагностика питания с/х культур. Москва, 1990.