Mineralne składniki pokarmowe roślin

Mineralne składniki pokarmowe to pierwiastki chemiczne pobierane przez rośliny z roztworu glebowego (rzadziej przez liście), które są niezbędne do ich wzrostu, rozwoju i rozmnażania. Proces pobierania i przyswajania tych substancji przez roślinę nazywany jest odżywianiem mineralnym.

Pierwiastki, które stanowią więcej niż 0,01% suchej masysucha masasuchej masy organizmu nazywamy makroelementami (makroskładnikami), natomiast te, występujące w ilościach mniejszych - mikroelementami (mikroskładnikami). Do prawidłowego wzrostu i rozwoju rośliny potrzebują 17 pierwiastków, z których 9 należy do makroelementów, a 8 – do mikroelementów.

Pobieranie mineralnych składników pokarmowych 

Większość składników mineralnych pobierana jest przez rośliny lądowe z gleby w postaci jonów. Głównym miejscem pobierania jonów są korzenie, a w ich obrębie - włośnikiwłośnikiwłośniki. Różne substancje mineralne, a także związki nieorganiczne, będące źródłem makro- i mikroelementów dostają się do rośliny również z powietrza (np. COIndeks dolny 2₂, HIndeks dolny 2₂O, OIndeks dolny 2₂).  Dla roślin całkowicie zanurzonych woda, a nie podłoże, jest głównym rezerwuarem rozpuszczonych soli mineralnych, które mogą być pobierane całą powierzchnią pędów i liści.

Wymiana kationowa w glebie

W glebie jony dostępne dla roślin występują w roztworze glebowym lub są związane z powierzchnią cząstek glebowych tworzących tzw. kompleksy sorpcyjne. Ponieważ kompleksy sorpcyjne posiadają na swojej powierzchni ładunek elektryczny ujemny, wynikający głównie z obecności w nich kwasów organicznych, przyciągają i wiążą ze sobą kationy, takie jak Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺.

Kationy te nie są trwale związane z kompleksem sorpcyjnym i mogą ulegać wymianie. Proces ten polega na tym, że protony (HIndeks górny +⁺) wydzielane przez korzeń  mogą zastępują kationy związane z kompleksem sorpcyjnym. W wyniku tego kationy zostają uwolnione do roztworu glebowego, skąd mogą być pobierane przez rośliny. Zjawisko to nazywa się wymianą kationową i odgrywa kluczową rolę w odżywianiu mineralnym roślin.

Uprawy hydroponiczne

Rośliny nie potrzebują gleby do wzrostu i rozwoju, pod warunkiem, że otrzymają w odpowiedniej ilości wszystkie niezbędne pierwiastki oraz wodę. Taki sposób uprawy nazywa się hydroponikąhydroponikahydroponiką.

RUzOqnSV6ZE0z1

Fotografia przedstawia hydroponiczną hodowlę sałaty. W ujęciu perspektywicznym pokazana konstrukcja zbudowana z systemu rurek i rynienek, w których umieszczone są piętrowo, jedna nad drugą główki sałaty. Dach budowli jest przeszklony, do każdej z rynienek doprowadzone są przewody dozujące wodę.

Uprawy hydroponiczne mają duże znaczenie naukowe w badaniu roli składników mineralnych w życiu roślin. Dzięki precyzyjnemu manipulowaniu składem pożywki – na przykład poprzez eliminację konkretnego pierwiastka – można łatwo zaobserwować skutki jego niedoboru lub nadmiaru dla rozwoju organizmu

Transport jonów mineralnych i wody do komórek korzenia i w roślinie

Pobieranie substancji mineralnych i wody odbywa się równolegle, przy czym procesy te w dużej mierze przebiegają niezależnie. Woda przenika do włośników na drodze osmozy i jest transportowana w poprzek korzenia do tkanek przewodzących. Sole mineralne natomiast, dyfundują z wodą przez ścianę komórkową włośników, ale dalej są transportowane selektywnie dwoma sposobami:

• biernie za pośrednictwem kanałów jonowych (gdy stężenie jonów w roztworze glebowym jest wyższe niż w korzeniu

• aktywnie przez przenośniki błonowe (gdy stężenie w roztworze glebowym jest niższe niż wewnątrz korzenia. Transport aktywny zachodzi z udziałem białek przenośnikowych, na zasadzie antyportu lub symportu z protonami (H⁺).

Transport jonów w poprzek korzenia odbywa się trzema szlakami: symplastycznym (przez wnętrze komórek), apoplastycznym (wzdłuż ścian komórkowych) lub transmembranowym (przez błony komórkowe kolejnych komórek). Przemieszczanie się tymi drogami trwa jednak tylko do warstwy endodermy. Ze względu na obecność w jej ścianach komórkowych pasemek Caspary’egopasemko Caspary'egopasemek Caspary’ego, które są nieprzepuszczalne dla wody i soli mineralnych, wszystkie jony – niezależnie od dotychczasowej drogi – muszą w tym miejscu zostać przemieszczone do symplastu. Transport ten ma charakter selektywny, dzięki czemu do naczyń i cewek ksylemu przedostają się tylko te jony, które są roślinie potrzebne.

Dalej jony migrują wraz z wodą do perycyklu, a następnie do miękiszu otaczającego ksylem. Ten odcinek transportu kończy się aktywnym transportem składników mineralnych do naczyń ksylemu, skąd transportowane są wraz z prądem transpiracyjnym w górę korzenia i nadziemnych części rośliny.  

Makroelementy i ich funkcje

Do najważniejszych makroelementów należą tzw. pierwiastki biogenne: węgiel (C), wodór (H), tlen (O), azot (N), siarka (S) i fosfor (P). Są one podstawowymi składnikami związków organicznych (białek, lipidów, węglowodanów). Niedobór pierwiastków biogennych prowadzi do zaburzenia funkcji życiowych, a nawet do obumierania roślin. 

Pozostałymi pierwiastkami zaliczanymi do makroelementów są: wapń (Ca), magnez (Mg), potas (K).

Azot pobierany jest z roztworu glebowego w postaci jonu amonowego (NHIndeks dolny 4₄Indeks górny +⁺) oraz azotanowego (NOIndeks dolny 3₃Indeks górny -^-). Pierwiastek ten jest składnikiem wszystkich aminokwasów, białek, kwasów nukleinowych, alkaloidów i chlorofilu.

R1GbhF3pwksuR

Zdjęcie przedstawia ciecz, która przelewana jest z większego naczynia do wiadra. Wokół przelewanej i substancji pojawia się dym.

Siarka przyswajana jest w postaci jonów siarczanowych (SOIndeks dolny 4₄Indeks górny 2-^2- ) z roztworu glebowego. Najważniejszą funkcją siarki jest utrzymywanie struktury białek. Jest ona składnikiem aminokwasów siarkowych, czyli cystyny, cysteiny i metioniny; wchodzi w skład niektórych koenzymów, np. koenzymu A.

R1LaOxtZYt9NN

Zdjęcie przedstawia grudki substancji o żółtym kolorze.

Wapń pobierany jest z roztworu glebowego w postaci dwuwartościowych kationów (CaIndeks górny 2+²⁺).  Bierze również udział w przekazywaniu informacji międzykomórkowej:  przepływ jonów wapnia kontrolowany jest przez błonowe pompy wapniowe, a niewielkie zmiany jego stężenia w komórkach informują o natężeniu bodźca pochodzącego ze środowiska zewnętrznego. Jest składnikiem ścian komórkowych oraz kofaktorem wielu enzymów.

Magnez, podobnie jak wapń, pobierany jest z roztworu glebowego w postaci dwuwartościowych kationów (MgIndeks górny 2+²⁺). Jest kofaktorem wielu enzymów, wchodzi w skład cząsteczki chlorofilu. 

RqG2MyAiCkjoc

Rysunek przedstawia wzory strukturalne chlorofilu z wyróżnioną grupą metylową C indeks dolny 3 H oraz grupą aldehydową H C O.

Potas pobierany jest z roztworu glebowego w postaci jednowartościowych kationów (KIndeks górny +⁺). Jest głównym regulatorem gospodarki wodnej roślin. Wpływając na osmotyczny przepływ wody między komórkami odpowiada za ruchy turgorowe organów roślinnych (np. składanie się liści mimozy pod wpływem dotyku) i ruchy komórek szparkowych. Regulacja otwierania i zamykania aparatów szparkowych przez zmiany stężenia jonów potasu pozwala na dostarczanie COIndeks dolny 2₂, który jest niezbędny w procesie fotosyntezy, oraz na ochronę roślin przed nadmierną transpiracją.

R11HCjQINXiJP

Zdjęcie przedstawia aparaty szparkowe w epidermie liścia tulipana. Wzdłuż podłużnych komórek epidermy, gdzieniegdzie widoczne są kuliste komórki aparatu szparkowego.

Fosfor pobierany jest przez rośliny z roztworu glebowego w formie jonów fosforanowych (HPOIndeks dolny 4₄Indeks górny 2-^2-i HIndeks dolny 2₂POIndeks dolny 4₄Indeks górny -^-). Stanowi składnik fosfolipidów budujących błony komórkowe, kwasów nukleinowych i przenośnika energii energii – ATP. Wysokoenergetyczny związek ATP (adenozynotrifosforan) powstaje w wyniku przyłączenia reszty fosforanowej do adenozynodifosforanu (ADP) podczas reakcji fosforylacji. 

Skutki niedoboru makroelementów

Mikroelementy i ich funkcje

Do mikroelementów się: żelazo (Fe), bor (B), miedź (Cu), cynk (Zn), mangan (Mn), chlor (Cl) i molibden (Mo). 

Rh29iWvTnk5KU1

Ilustracja przedstawia liście rośliny. Liście są podłużne. Liście mają barwę zielonkawą, zbliżoną do żółtej.

Pierwiastki te wpływają m.in. na przyswajanie innych składników pokarmowych (np. makroelementów), a także wygląd, kondycję oraz zdrowotność roślin. Nie wszystkie jednak rośliny wykazują jednakowe zapotrzebowanie na każdy z tych pierwiastków. Przykładowo w przypadku roślin ozdobnych szczególnie ważne jest żelazo, które wpływa na kolor liści, zaś u roślin uprawnych duże znaczenie mają pierwiastki warunkujące urodzajne plony, np. mangan, bor i molibden.

Żelazo jest trudno dostępne dla roślin, Jego pobieranie z roztworu glebowego bezpośrednio w formie jonowej jest ograniczone, ponieważ w większości gleb żelazo występuje głównie w formie nierozpuszczalnych związków FeIndeks górny 3+³⁺. Dlatego główną formą dostępną dla wielu roślin są chelaty (kompleksy organiczne) jonów FeIndeks górny 3+³⁺. 

Żelazo wchodzi w skład wielu enzymów i przenośników elektronów (np. cytochromów) w mitochondriach i chloroplastach. Jest niezbędne do syntezy chlorofilu.

Podsumowanie

• Mineralne składniki pokarmowe to pierwiastki chemiczne pobierane przez rośliny z roztworu glebowego (rzadziej przez liście), które są niezbędne do ich wzrostu, rozwoju i rozmnażania.

• Odżywianie mineralne roślin to proces pobierania i przyswajania mineralnych składników odżywczych.

• Pierwiastki chemiczne, które stanowią więcej niż 0,01% suchej masy organizmu nazywamy makroelementami, natomiast te, występujące w ilościach mniejszych - mikroelementami.

• Do prawidłowego wzrostu i rozwoju rośliny potrzebują 16 pierwiastków, z których 9 należy do makroelementów, a 7 – do mikroelementów.

• Do najważniejszych makroelementów należą tzw. pierwiastki biogenne (węgiel, wodór, tlen, azot, siarka i fosfor) oraz wapń,, magnez, i potas.

• Do mikroelementów się: żelazo, bor, miedź, cynk, mangan, chlor i molibden. 

• Większość składników mineralnych pobierana jest przez rośliny lądowe z gleby w postaci jonów. Głównym miejscem pobierania jonów są korzenie, a w ich obrębie - włośniki**.**

• Kluczową rolę w pobieraniu przez korzeń jonów z gleby pełni wymiana kationowa. 

• Pobieranie jonów mineralnych z gleby przez włośniki zachodzi najczęściej aktywnie, z wykorzystaniem ATP na zasadzie antyportu lub symportu z protonami (HIndeks górny +⁺).

• Transport jonów w poprzek korzenia odbywa się trzema szlakami: symplastycznym, apoplastycznym i transmembranowym do granicy endodermy. 

• Pasemka Caspary’ego – nieprzepuszczalne pasma suberyny i ligniny znajdujące się w ścianach komórkowych endodermy blokują transport apoplastyczny, zmuszając wodę i jony mineralne do przejścia przez błonę komórkową do symplastu. Dzięki temu roślina zyskuje pełną kontrolę nad składem chemicznym roztworu wprowadzanego do tkanek przewodzących (ksylemu).

Ćwiczenia utrwalające