Fyziológia rastlín
prednášky Doc. Ing. Jaroslav Kmeť, CSc.
Katedra fytológie
Minerálna výživa
Tok látok v systéme atmosféra – strom - pôda
Hlavné zložky pôdy (Kincl, Krpeš 1994)
Minerálna výživa •
Minerálne prvky sú nutné zložky protoplazmy, jej organoidov a rastlinných pletív • Hrajú dôležitú úlohu v premene látok a energie • Plnia úlohu katalyzátorov v rôznych reakciách • Tvoria fungujúce sústavy, ovplyvňujú štruktúru koloidov a vplývajú na priepustnosť membrán • Regulujú osmotické procesy, procesy nasávania vody, turgescentný stav a iné. Základné kritériá nevyhnutnosti prvkov pre metabolizmus rastlín boli odvodené už koncom 30. rokov Arnonom a Stoutom a zahrňujú nasledovné: a/ Bez daného prvku rastlina neukončí svoj životný cyklus b/ Daný prvok nemôže byť nahradený iným, tzn. že symptómy deficitu daného prvku nemôžu byť odstránené aplikáciou iného prvku. c/ Daný prvok má v metabolizme rastliny svoju funkciu. Mechanizmus príjmu a transportu iónov solí sa líši od procesov spojených s príjmom a transportom vody a musí spĺňať tieto základné predpoklady: 1./ Vzhľadom k veľmi nízkej koncentrácii väčšiny iónov v pôdnom roztoku (často omnoho menšej, než nachádzame v bunkách koreňov), musí existovať možnosť transportu týchto iónov aj proti koncentračnému gradientu, teda z nižšej koncentrácie do vyššej.
Mobilizácia minerálnych živín v pôde a príjem minerálnych živín koreňom
Minerálna výživa
2./ Vzhľadom k veľkým rozdielom medzi koncentráciami jednotlivých iónov v pôdnom roztoku a potrebami rastliny, musia mať korene schopnosť regulovať príjem každého iónu oddelene od ostatných. Príjem živín listami rastlín (mimokoreňová výživa) Postup živín cez list môže nastať: a/ Po zmáčaní kutikuly roztokom hnojiva sa napučaním kutínu rozšíria medzery medzi voskovými doštičkami kutikuly. Takto sa živiny dostanú cez kutikulu až do bunkových stien. Nimi prenikajú buď priamo k plazmatickej membráne a sú prijímané podľa všeobecných zákonitostí, alebo sa rozptyľujú v priľahlých bunkových stenách a neskoršie vnikajú do buniek. b/ Živiny môžu byť transportované od bunky k bunke po preniknutí do plazmy epidermálnych buniek tiež plazmodezmami. c/ Živiny môžu prenikať prieduchmi ak sa pridá zmáčadlo znižujúce povrchové napätie. Koreň prijíma živiny z pôdy: 1./ Absorpciou iónov živín z pôdneho roztoku. Tieto ióny sú dostupné priamo, ale ich koncentrácia v pôdnom roztoku je veľmi nízka: NO3-, SO42-, Ca2+ a Mg2+ sú v ňom obsiahnuté v koncentráciách menších ako 1000 mg.l-1. Obsah iónov v pôdnom roztoku sa doplňuje ich čerpaním z pevnej fázy pôdy.
Minerálna výživa 2./ Výmennou absorpciou adsorbovaných živinných iónov. Koreň tým že uvoľňuje H+ a HCO3- ako disociačné produkty uvoľneného oxidu uhličitého podnecuje výmenu iónov na povrchoch ílových a humusových častíc a získava tak živinné ióny. 3./ Uvoľňovaním živín viazaných v pôdnej zásobe pomocou vylučovaných iónov H+ a organických kyselín. Živiny viazané v chemických zlúčeninách a hlavne ťažké kovy, sú tak uvoľňované a tvoria chelátové komplexy. Chelatizácia chráni kovy pred opätovnou pevnou väzbou, ale komplexy sú ľahko prijímané koreňmi rastlín. Exkrécia H+ a kyselín závisí od rýchlosti dýchania koreňov. Interferencia iónov: o prenikaní živín do rastlín často rozhoduje ich vzájomné ovplyvňovanie, tzv. interferencia. V prípade, že jeden ión brzdí prenikanie druhého, ide o antagonizmus iónov (napr. jednomocný katión K+ pôsobí výraznejšie na Na+), ak sa ióny pri prenikaní do bunky vzájomne podporujú, nazýva sa tento dej synergizmom (napr. dusík, ktorého zvýšený príjem podporuje príjem K+).
Priečny (b) a pozdĺžny (a) rez koreňom s detailom endodermálnych buniek s Caspariho pásikom
Minerálna výživa Membrány ako základný predpoklad riadeného príjmu iónov solí Lipidovú zložku membrán rastlinných buniek tvoria najmä: • fosfolipidy • glykolipidy • steroly Na dĺžke reťazcov a počte dvojitých väzieb mastných kyselín sú značne závislé fyzikálne vlastnosti celej membrány. Lipidová dvojvrstva je pre ióny a väčšie polárne molekuly prakticky nepriepustná, takže veľmi dobre oddeľuje bunku od vonkajšieho prostredia (funkcia bariéry). Membránové proteíny môžeme rozdeliť z funkčného hľadiska do niekoľkých skupín: a/ Transportné proteíny: umožňujú transport iónov a väčších polárnych molekúl cez membránu. Patria k nim predovšetkým iónové kanáliky a prenášače (vrátane protónových púmp). b/ Štruktúrne proteíny: spevňujú a stabilizujú štruktúru membrán. c/ Receptory signálov a rozlišovače cudzích molekúl: prenášajú signály z vonkajšieho prostredia k prenosovému reťazcu v bunke. Ďalej rozlišujú, ktoré molekuly proteínov a polysacharidov budú odmietnuté alebo naopak prijaté pre ďalšie spracovanie (obvykle ide o transport). Predpokladá sa, že k tejto rozlišovacej funkcii slúžia predovšetkým glykoproteíny. Najčastejšie spôsoby prieniku rôznych molekúl a iónov cez bunkové membrány
Minerálna výživa - z hľadiska lokalizácie v membráne rozdeľujeme proteíny na integrálne (transmembránové) a periférne - významnou zložkou sú tiež ióny vápnika (Ca2+), bez ktorých membrány strácajú schopnosť aktívneho a selektívneho transportu a stávajú sa pre ióny voľne priepustné - vnútorná dvojitá vrstva lipidov dáva biologickým membránam vlastnosť dielektrika. Už veľmi malá odchýlka od elektroneutrality v bunkovom prostredí vytvára významný rozdiel v elektrickom potenciály roztokov na obidvoch stranách membrány - podobne ako u transportu vody, aj ióny solí v roztokoch sa môžu pohybovať jednak difúziou, jednak hromadným tokom - chemický potenciál, v ktorom hrá významnú úlohu elektrická zložka, označujeme ako elektrochemický potenciál. Veľké transmembránové elektrické potenciály, ktoré vznikajú napr. činnosťou protónových púmp (bežne cez 100 mV) môžu veľmi podstatne napomáhať samovoľnému toku (difúzii) iónov aj proti koncentračnému gradientu, teda z miest o malej koncentrácii do miest s koncentráciou až stokrát vyššou. - všetky faktory, ktoré ovplyvňujú mobilitu iónov v membráne (okrem rozdielov v chemickom potenciály!) zahrňujeme do hodnoty koeficientov permeability. Tie sú špecifické pre jednotlivé druhy iónov a pre daný druh membrány.
Prenášače zabezpečujúce uľahčenú difúziu: prenášačové a kanálotvorné
Minerálna výživa
Funkcie transportných proteínov. •
Iónové kanáliky: sú integrálne (transmembránové) proteíny s možnosťou meniť svoju štruktúru. Schématicky si to možno predstaviť ako privieranie a otváranie regulačnej klapky. • Transmembránové prenášače: sú značne rôznorodou skupinou transportných bielkovín, ktoré pri svojej činnosti menia svoju štruktúru a tým umožňujú vlastný prenos iónov a iných látok. • Adenozíntrifosfatázy (ATP - ázy): činnosť prenášačov využívajúcich energiu z hydrolýzy ATP. Sú častou súčasťou všetkých biologických membrán. • Protónové pumpy: ide o ATP-ázy, ktoré transportujú (s využitím energie ATP) vodíkový ión z jednej strany membrány na druhú, a to aj proti ich koncentračnému gradientu. Naprostá väčšina protónových púmp transportuje vodíkové ióny von z cytosolu, teda do bunkovej steny (cez plazmalemu), jednak do vakuoly (cez tonoplast). a/ vytvára sa veľký rozdiel v koncentrácii vodíkových iónov medzi bunkovou stenou, cytosolom a vakuolou b/ dochádza ku zvýšeniu membránového elektrického potenciálu Hlavné formy prenosu látok cez plazmalemu
Minerálna výživa Diagram iónového transportu z vonkajšieho roztoku (1) do sústavy diaľkového vedenia v strednom valci koreňa. Ióny, spolu s vodou sa dopravujú apoplazmaticky od rhizodermis (2 - spolu s koreňovou kôrou) k endodermis (3) s Casparyho pásikom (CS), putujú teda bunkovými stenami a medzibunkovými priestormi zaplnenými vodou. Po začlenení do živej protoplazmy (cytoplazma C) sa ióny dopravujú symplazmaticky sústavou vnútorných membrán (ER) a plasmodezmy. Vakuoly (V) sú priestory, v ktorých sa hromadia vylučované látky, netvoria súčasť symplastu. Transport od endodermis (3) prechádza xylémovými (drevným) parenchýmom (4) do ciev (5). Dráhy prevažne pasívneho transportu opačným smerom tu nie sú znázornené (Larcher 1988). Diagram iónového transportu z vonkajšieho roztoku do sústavy diaľkového vedenia v strednom valci koreňa
1. Vonkajšie faktory vplývajúce na príjem živín a/ Vplyv teploty: 40 C, 0 C, optimum 15 C b/ Svetlo: nepriamo cez fotosyntézu a transpiráciu c/ Obsah kyslíka a oxidu uhličitého v pôde: maximálny príjem živín pri obsahu O2 v pôde 2-3% d/ Koncentrácia vodíkových iónov: zvlášť dôležitá pri príjme fosfátov (alkalizácia mení formy - H2PO4- - HPO42- - PO43-) e/ Vplyv koncentrácie roztokov a pomeru živín na príjem živín
Minerálna výživa 2. Vnútorné faktory vplývajúce na príjem živín a/ Rast b/ Vnútorná koncentrácia solí c/ Symbiotické účinky - mykorízne symbiózy - ektomykorízne štruktúry: hýfový plášť, Hartigova sieť - endomykorízne štruktúry: bez hýfového plášťa
Vylučovanie minerálnych látok. Malé množstvá minerálnych látok sú odstraňované ako zložky rôznych látok vylučovaných rastlinami. - opad - rekrécia: je vylučovanie solí v tej forme, v ktorej boli prijaté celým rastlinným povrchom. Ľahko sa vyluhujú ióny K+, Na+, Mg2+ a Mn. - sekrécia: je vylučovanie asimilátov, napr. cukrov v nektáre, karboxylových kyselín a aminokyselín z koreňov. - exkrécia: je vylučovanie prechodných metabolických produktov a konečných produktov katabolických reakcií. Obsah minerálnych látok v rastlinách Pretože jednotlivé živiny sú v jednotlivých orgánoch, pletivách a kompartmentoch bunky zastúpené veľmi nerovnomerne, dávame prednosť výrazu „obsah živín v jednotke sušiny“ pred výrazom „koncentrácia“. Obsah prvkov v rastlinách je však kontrolovaný tiež geneticky. Ektotrofná mykoríza na koreni Pinus strobus
Minerálna výživa
- významné sú aj rozdiely v obsahu prvkov medzi jednotlivými orgánmi a pletivami. To znamená, že selektívny príjem jednotlivých iónov sa uplatňuje nielen na rozhraní s vonkajším prostredím, ale aj vo vnútri rastliny medzi jej bunkami a vo vnútri buniek medzi kompartmentami. - je potrebné zdôrazniť aj systematické zmeny v obsahu živín, ktoré sú zrejmé v priebehu ontogenézy rastlín. - závislosť produkcie sušiny, výnosu, ale aj rýchlosti rastu či iného fyziologického procesu na obsahu živín sa vyznačuje typickým priebehom. - ako tzv. kritický obsah živín sa používa hodnota odpovedajúca 90% maximálnej hodnoty sledovaného procesu. Potom je kritický obsah definovaný ako taký obsah živiny v rastline, kedy výnos, rýchlosť rastu alebo aj rýchlosť fotosyntézy či dýchania dosahuje 90% maximálnej hodnoty.
Mechanizmy transportu minerálnych živín V zásade sa transportné mechanizmy delia (Voet a Voetová 1995) do týchto skupín: 1. nešpecifický transport - jednoduchá difúzia - sprostredkovaná difúzia 2. sprostredkovaný transport - primárny aktívny transport - sekundárny aktívny transport Schéma transportu minerálnych živín medzi koreňmi a listami
Minerálna výživa Transport na dlhé vzdialenosti Transport iónov z listov do koreňov je tiež významnou zložkou distribúcie látok v rastline. Pri transporte iónov proti smeru transpiračného prúdu je k ich prenosu využívaný transport vo floéme, ktorý inak zabezpečuje transport a distribúciu asimilátov.
Transport na krátke vzdialenosti V kompartmentoch bunky alebo v bunkovej stene sú ióny transportované difúziou. To znamená, že ióny spontánne difundujú z miest s ich vyššou koncentráciou do miest s nižšou koncentráciou. Nešpecifický transport 1./ Nešpecifická (jednoduchá) difúzia: riadi sa 1. Fickovým zákonom. Rýchlosť tohoto prenosu je lineárne úmerná rozdielu koncentrácií danej látky. 2./ Difúzia cez membránu: prenos látok cez membrány difúziou je ovplyvnený odlišnou koncentráciou danej látky vo vodnom prostredí v blízkosti membrány a v lipofilnom prostredí samotnej membrány. Hodnoty koeficientu permeability pre plazmalemu sa pohybujú rádovo okolo --6 10 ms-1 pre malé neelektrolyty alebo molekuly bez elektrického náboja.
Hlavné toky minerálnych živín medzi pôdou, rastlinou a okolím
Minerálna výživa
3./ Difúzia bunkovou stenou: v bunkovej stene, ktorá je viacmenej saturovaná vodou, prebieha difúzia prevažne v intermicelárnych priestoroch. Permeabilita bunkovej steny je výrazne väčšia než permeabilita plazmalemy. 4./ Pasívny sprostredkovaný transport (uľahčená difúzia): jeho charakteristické rysy sú: - rýchlosť a špecifita prenosu: rýchlosť prenosu príslušného iónu, ktorý je systémom dobre špecifikovaný, prevyšuje rýchlosť bežnej difúzie. - saturačná kinetika: závislosť rýchlosti prenosu na koncentrácii látky vo vonkajšom prostredí (odkiaľ je látka prenášaná) - možnosť kompetitívnej inhibície: látky podobného chemického zloženia môžu kompetitívne inhibovať prenos danej látky. - možnosť chemickej inaktivácie: rýchlosť prenosu je možné inhibovať látkami modifikujúcimi štruktúry mnohých bielkovín. Tento pasívny sprostredkovaný transport zabezpečujú: a/ prenášače, ktoré selektívne pútajú prenášaný ión, a membránou potom difunduje celý tento komplex. Na druhej strane membrány je ión uvoľnený a voľný ionofor sa vracia na pôvodnú stranu membrány. Spoločnou vlastnosťou týchto prenášačov je rozpustnosť v nepolárnych rozpúšťadlách. Model transportu pomocou prenášačov lokalizovaných v membráne
Minerálna výživa
b/ kanály (póry), ktorými môžu niektoré ióny voľne difundovať • aby boli aktívne, musia prenášače voľne difundovať membránou, čo je sťažené pri poklese teploty, kedy štruktúra membrány prechádza v gél. Naproti tomu kanáliky nie sú touto zmenou teploty ovplyvnené. • rýchlosti prenosu obidvomi typmi sú pritom vysoké. Napr. jedna molekula prenášača prenesie cez membránu až 10000 iónov K+ za sekundu. Rýchlosť prenosu kanálikmi môže byť ešte o 3 rády vyššia. Urýchľuje sa však len pasívny prenos látok membránou.Pri vyrovnaní koncentrácií prenášanej látky na oboch stranách membrány sa prenos oboma typmi zastaví. • v rastlinných bunkách boli identifikované 2 druhy draslíkových kanálov v plazmaleme. Jeden umožňuje vtok iónov K+ do bunky a druhý ich výdaj z bunky. • významné aniónové kanáliky boli zistené v plazmaleme zatváracích buniek prieduchov. • vakuola buniek vyšších rastlín je hlavným zásobným kompartmentom pre ióny aj produkty metabolizmu a podieľa sa na udržovaní cytoplazmatickej rovnováhy. Tiež preto je transport látok tonoplastom veľmi významný a zahrňuje zložky aktívneho (pumpy a kotransport) a pasívneho (prenášače a kanáliky) transportu.
Voľný priestor a vnútorný priestor bunky
Minerálna výživa
Aktívny transport 1./ Primárny aktívny transport: ako primárny aktívny prenos sa označujú endergonické procesy, ktoré sú zviazané s hydrolýzou ATP alebo s iným zdrojom voľnej energie. Tieto prenosy môžu byť: a/ elektroneutrálne: kedy je výsledný rozdiel nábojov transportovaných iónov nulový, teda pri symporte (súbežnom transporte rovnakým smerom) opačne nabitých iónov alebo pri antiporte (súbežnom transporte dvoch rozdielnych molekúl opačným smerom) súhlasne nabitých iónov. b/ elektrogénne: kedy výsledkom transportu je zmena veľkosti náboja na oboch stranách membrány. Príkladom tohoto typu prenosu iónov je tzv. sodíková pumpa (Na+, K+ATPáza), ktorá prenáša ióny Na+ von a ióny K+ do vnútra bunky za súbežnej hydrolýzy intracelulárneho ATP. Iným príkladom je Ca2+-ATPáza v plazmaleme, ktorej aktivita je riadená hladinou iónov Ca2+ v cytosole. 2./ Sekundárny aktívny transport: je známe, že na membránach tylakoidov alebo na vnútornej membráne mitochondrií sa vytvára gradient elektrochemického potenciálu, ktorým je zaisťovaná syntéza ATP. Avšak táto disipácia iónového gradientu môže byť využitá tiež pre pohon sekundárneho aktívneho transportu. Radiálny pohyb látok koreňom: čiarkované šípky - apoplastická cesta, plné šípky – pohyb symplastom
Minerálna výživa
•
iný mechanizmus prenosu predstavujú H+-ATPázy, ktoré sú v membránach eukaryotických buniek veľmi rozšírené. • voľná energia tejto reakcie je využitá na prenos H+ proti elektrochemickému gradientu. Protónová pumpa H+ATPáza aktívnym prenosom H+ cez membránu vytvára rozdiel pH a elektrického potenciálu na tejto membráne, ktorý môže byť následne využitý k transportu obidvoma smermi (podľa povahy látky). • protonmotorická sila vytvorená H+-ATPázou je tiež využívaná v symporte sacharidy/H+ alebo v symporte aminokyseliny/H+ pri vstupe týchto látok do vodivých ciest. • bolo dokázané, že H+-ATPáza sa hojne vyskytuje v pokožke koreňov, najmä v koreňovej špičke a v sprievodných bunkách floému. • Obecne sa aktívny transport člení: a/ uniport, kedy je prenášaná len jedna molekula b/ symport prenášajúci súbežne dve rôzne molekuly alebo ióny rovnakým smerom c/ antiport, kedy sú súbežne prenášané dve rozdielne molekuly opačným smerom.
Znázornenie niektorých aktívnych transportných systémov v rastlinných membránach
Minerálna výživa Distribúcia živín 1./ Distribúcia medzi kompartmenty bunky V bunke rozlišujeme dva základné pooly, v ktorých sa nachádzajú minerálne živiny: metabolický, ktorý je lokalizovaný v cytoplazme, a zásobný vo vakuole. Zatiaľ čo v cytosole sa udržujú relatívne konštantné koncentrácie väčšiny iónov, vakuola vykazuje nielen viac premenlivú celkovú koncentráciu rozpustených látok, ale najmä ich zloženie. Za obvyklých podmienok obsahuje predovšetkým ióny K+ s príslušnými aniónmi Cl-, SO42-, PO43-, NO3- a malát.. 2./ Distribúcia medzi pletivami Na rozdiel od intracelulárnej kompartmentácie sú poznatky o rozdieloch v obsahu mnohých živín medzi rôznymi pletivami toho istého orgánu rastliny pomerne nové. 3./ Distribúcia medzi orgánmi rastliny Jedným z prvých symptómov deficitu minerálnych živín je pokles hodnoty pomeru hmotnosti sušiny nadzemná časť/korene alebo zvyšujúci sa podiel hmotnosti sušiny koreňov na hmotnosti sušiny celej rastliny. S tým súvisí aj istá prednosť v zásobovaní koreňov i minerálnymi látkami. Rastový vrchol koreňa
Minerálna výživa Fyziologická funkcia minerálnych prvkov 1. Makroelementy - prvky v rozmedzí 10 - 0,01 % čerstvej hmotnosti (O, H, C, P, Si, K, Ca, N, S, Mg, Fe, Na, Cl, Al) 2. Mikroelementy - v množstve 0,001 - 0,00001 %. Sem patrí Mn, B, Sr, Cu, Ti, Zn, Li, Ba, Br, J, F, Rb, Sn, Ni, Mo, Co ai. 3. Ultramikroelementy - v nepatrnom množstve (As, Se, Cs, Cd, Pb, Hg, Ag, Au. Podľa chemickej povahy: a/ Nekovy: vo forme aniónov (N, P, S, Cl ai.) b/ Kovy: vo forme katiónov (K, Ca, Mg, Fe ai.) Rastliny potrebujú minerálne živiny z mnohých dôvodov. Medzi tie najobecnejšie patrí ich využitie ako: • substrátu v biochemických reakciách (napr. PO43-, NO3-, alebo SO42-) • kofaktorov enzýmov (Mg, Zn, Mn ai) • osmotiká (K+, Na+, NO3-) • poslov v prenášaní signálov (Ca). 1. Makrobiogénne prvky 1.1. Uhlík, kyslík, vodík - napr. oxid uhlíka (CO2) funguje v energetickej bilancii rastliny ako konečný akceptor elektrónov (e-) vo fotosyntéze (umožňuje dlhodobú akumuláciu energie v bunke). V sušine rastlín tvorí uhlík približne 45% hmotnosti. Vplyv pôdneho pH na pôdotvorný proces, mobilizáciu a dostupnosť minerálnych živín rastlinám a na žívotné podmienky v pôde.
Minerálna výživa - kyslík (O2) je produktom fotosyntetických procesov. Je pre elektróny akceptorom s vysokým potenciálom redox, a preto má zásadný význam v aeróbnom metabolizme. - vodík (H+) ako protón sleduje transport elektrónov a elektricky vyrovnáva jeho náboj v organických molekulách. 1.2. Dusík (N) - príjem dusíka: hlavne ako ióny NO3-. Rastliny sú schopné prijímať dusík aj vo forme NH4+ a niektorých organických zlúčenín (aminokyseliny). Pre poľnohospodárstvo je významný príjem močoviny, ktorá je dôležitým hnojivom. Existujú dve základné kritériá, ktoré musia spĺňať bielkoviny označené ako prenášače nitrátu cez membrány: • musia byť lokalizované v plazmaleme a • musia sa syntetizovať v prítomnosti nitrátov vo vonkajšom médiu - asimilácia dusíka: prvý krok spočíva v redukcii dusičnanu na dusitan, katalyzovanej celým reťazcom enzýmov a kofaktorov, rozhodujúcu úlohu má však nitrátreduktáza (NR). Jej aktivita je orgánovo špecifická (u stromov je najväčšia v koreňoch a u mnohých bylín v listoch) a závisí tiež na veku buniek (najväčšia aktivita býva v skorých fázach vývinu rastlín a pletív a v rastúcich orgánoch). NR sa uplatňuje aj pri redukcii dusitanu na NH4. Energiu a „redukčnú silu“ pre asimilačnú redukciu dusičnanov a dusitanov poskytuje dýchanie (NADH2) a - v bunkách obsahujúcich chloroplasty - fotosyntéza (NADPH2). Premena (redukcia na NH4+) a ďalší transport nitrátu po jeho vstupe do epidermálnej bunky koreňa
Minerálna výživa Vlastný asimilačný proces spočíva v redukčnej aminácii ketokyselín, u vyšších rastlín je prvou z nich kyselina ketoglutarová, prechodný produkt v respiračnom cykle kyseliny citrónovej. Vzniká kyselina glutamová, a tá môže prenášať svoju skupinu NH2 na iné ketokyseliny vytvárané pri glykolýze a v cykle kyseliny citrónovej (transaminácia). Aminokyseliny vznikajú tiež pri fotosyntéze (glycin, serin a alanin u C3 rastlín, kyselina asparagová u C4 rastlín) a pri fotorespirácii (glycin a serin). Metabolizmus bielkovín je tiež orgánovo špecifický a závisí od veku. Orgány a pletivá, ktoré rastú a ukladajú rôzne látky, charakterizuje zvlášť veľká rýchlosť syntézy bielkovín, v starnúcich listoch a kvetných častiach prevláda rozklad bielkovín. Ak je rastlina v strese, zbrzdí sa syntéza bielkovín a zrýchli sa ich rozpad, takže podstatne vzrastie obsah voľných aminokyselín a amidov. Nitrát vstupujúci do cytosolu môže byť: • redukovaný na amonium, • dočasne premiestnený do vakuoly, • symplastom transportovaný do xylému alebo • pasívne unikne späť do koreňového substrátu. Katión NH4+ ľahko preniká rastlinnými membránami. Do koreňov sa preto dostáva veľmi rýchlo (niekoľkokrát rýchlejšie ako nitrát). Rastlina ho musí rýchlo spracovať, ináč by došlo k metabolickým poruchám (tzv. toxicita amoniaku). Žltnutie listov duba (Quercus) nedostatkom dusíka
Minerálna výživa Nitrity sú pre bunky škodlivé a preto sú okamžite redukované nitritreduktázou (NiR) lokalizovanou v stróme plastidov. NH3 je pre bunku toxický, pretože veľmi účinne odpojuje syntézu ATP od prenosu elektrónov v membránach tylakoidov. - rozdelenie dusíka v rastline: niektoré z prijatých anorganických dusíkatých zlúčenín sú asimilované v koreňoch, zatiaľ čo zbytok odchádza do výhonkov s tokom štiav, a tam sa začleňuje do organických zlúčenín. Organické dusíkaté zlúčeniny schopné translokácie sa tiež tvoria vo veľkých množstvách pri rozpade bielkovín v starnúcich alebo stresom poškodených rastlinných častiach a pri mobilizácii zásobných bielkovín. Diaľkový transport týchto látok prechádza floémom. Väčšina dusíka prijatého koreňami sa premiestňuje v anorganickej forme (ako dusičnan) vodivými elementami xylému do listov a do vrcholu výhonkov. Rastúce rastlinné časti tiež dostávajú floémovou cestou aminokyseliny a amidy, ktoré sa tvoria v nadbytku vo fotosynteticky zvlášť aktívnych listoch alebo sú uvoľňované pri rozpade bielkovín v najspodnejších listoch, ktoré už začali žltnúť. Tretí zdroj dusíka pre rastové vrcholy výhonkov a neskoršie pre kvety a plody sú opäť aminokyseliny, vzniknuté proteolýzou (rozkladom bielkovín). Žltnutie ihličia a potlačenie rastu nedostatkom dusíka u smreka (Picea abies)
Minerálna výživa U stromov - pokiaľ sú preštudované - prebiehajú redukcie dusičnanov a syntéza aminokyselín tiež hlavne v koreňoch, len nepatrná časť dusičnanov sa dostane do nadzemných častí, kde sú v listoch zredukované a asimilované. V neskorom lete a na jeseň sa aminokyseliny a amidy vzniknuté v koreňoch postupne premiestňujú do kmeňa a konárov, kde sa hromadia hlavne v borke. Pred opadom odchádzajú produkty rozpadu bielkovín z listov a ukladajú sa v stonkových orgánoch stromu. Tým je zaistená dodávka významného množstva aminokyselín a bielkovín novorastúcim asimilačným orgánom a výhonkom v nasledujúcom roku. - prejavy deficitu dusíka: jedným z prvých prejavov je pokles hodnoty udávajúcej pomer hmotnosti sušiny nadzemná časť/korene. Zmena tohoto pomeru je spôsobená skôr poklesom rýchlosti rastu nadzemnej časti, než zvýšením rýchlosti rastu koreňov. Medzi ďalšie nápadné symptómy deficitu dusíka patrí pokles syntézy chlorofylu, a tým vyvolané svetlozelené až žlté sfarbenie listov. - fixácia atmosferického dusíka: zástupcovia 11 čeľadí baktérií a 8 čeľadí sinic majú schopnosť redukovať molekulárny N2. Tieto prokaryotické organizmy sa v prírode vyskytujú ako voľne žijúce alebo ako symbionti s vyššími rastlinami. Aktivita voľne žijúcich prokaryot fixujúcich N2 (Azotobacter, Beijerinckia) závisí na dostupnosti organických látok v pôde. N2-fixujúce baktérie Actinomyces alni na koreňoch jelše
Minerálna výživa Bakteroid s membránou je označovaný ako symbiozom. V ňom je syntetizovaná nitrogenáza, katalyzujúca redukciu N2. Vzniknutý amoniak je exportovaný do rastliny výmenou za sacharidy a aminokyseliny. Fixácia atmosferického N2 začína za 10 až 20 dní po infekcii koreňa. Aktivita nitrogenázy je inhibovaná už nízkymi koncentráciami kyslíka, a preto je lokalizovaná v heterocystách so silnými bunkovými stenami zamedzujúcimi prístup O2. 1.3. Fosfor (P) - molekulárne mechanizmy regulujúce príjem a utilizáciu fosfátu rastlinami sú zatiaľ známe len veľmi málo - do rastliny vstupuje buď ako H2PO4- alebo HPO42-. Príjem anorganického fosforu začína jeho vstupom do nukleotidov (ADP, ATP), teda zlúčenín, ktoré vznikajú v koreňoch pri oxidačných fosforyláciách. Intenzita príjmu anorganického fosforu je teda spojená s rýchlosťou oxidačných fosforylácií. - príjem a metabolizmus fosforu je ovplyvnený celou radou faktorov, napr. nedostatok vody vedie k zníženiu oxidačných fosforylácií a k narušeniu syntézy ATP. Nízka teplota pôdy podstatne viac znižuje rýchlosť príjmu P koreňami ako nízka teplota ovzdušia. Sfarbenie listov duba (Quercus) pri nedostatku fosforu
Minerálna výživa - minerálny fosfor musí prejsť najprv celým metabolickým procesom, než sa dostane do vodivých pletív. Floémom je takmer výhradne transportovaný v organickej forme (ATP, cukornaté estery), v xylémovom vzostupnom prúde z veľkej časti tiež vo forme cukornatých esterov. - fosfor je súčasťou mnohých významných zlúčenín. Sú to najmä fosfolipidy ako zložky membrán, fosforylované sacharidy a bielkoviny, RNA a DNA, adenyláty (NAD+, NADP+) a zlúčeniny ADP, ATP. - fosfor je dôležitou súčasťou systémov zabezpečujúcich prenos signálov na vnútrobunkovej a medzibunkovej úrovni. - mimoriadny je význam fosforu v reakciách súvisiacich s využívaním a premenou energie. - významnou zlúčeninou fosforu v zásobných orgánoch (semenách) je fytát so 6 atómami P v molekule. Tvorí zďaleka najväčšiu časť fosforu v semenách. - fosfát je koreňami aktívne prijímaný, a to mnohokrát aj proti takému koncentračnému spádu, kedy v koreni je 104krát vyššia koncentrácia ako v pôdnom roztoku. - je obecne známe, že koncentrácia fosfátu je udržovaná na pomerne stálej hladine, zatiaľ čo pri dostatku fosfátu vo vonkajšom médiu sa jeho veľká časť hromadí vo vakuole.
Priemerné obsahy popolovín v sušine rôznych rastlinných skupín
Minerálna výživa 1.4. Síra (S) - rastliny prijímajú síru z minerálnych zlúčenín vo forme najvyššieho oxidu - ako anión SO42-. Nižšie oxidovaná síra (SO2) a redukované (H2S) anorganické zlúčeniny síry sú pre rastliny nedostupné, dokonca toxické. Bolo dokázané, že rastliny môžu prijímať síru tiež formou organických zlúčenín (cystein, cystin, metionin). - ióny SO42- vstupujú do metabolizmu už v koreňoch alebo sú transportované do listov, kde sa síra spolu s N zúčastňuje syntézy bielkovín. V rastline je S transportovaná do nadzemných orgánov predovšetkým v sulfátovej forme (v cievnych zväzkoch je vo väčšej miere sulfátová forma, v listoch sa rýchlo premieňa na organickú formu). - redukcia SO42- a tvorba cysteinu prebieha v chloroplastoch a je výrazne stimulovaná svetlom. - v molekule cysteinu je S vo forme sulfohydrilovej skupiny SH. Cystein má recipročnú schopnosť oxidoredukčnej premeny v cystin, v ktorom je síra vo forme disulfidu (-S-S). Nedostatok S sa v prírodných podmienkach obvykle neprejavuje. Sfarbenie ihlíc jedle (Abies) po akútnom pôsobení oxidu siričitého
Minerálna výživa 1.5. Draslík (K) - na zásobení rastliny draslíkom sa podieľajú tri základné procesy: aktívny transport, tvorba sorpčného povrchu koreňov a transpiračný prúd. - predpokladá sa, že pri nízkych koncentráciách K+ fungujú prenášače ako transportéry K+, zatiaľ čo pri vyšších koncentráciách ako kanáliky. - draslík sa v rastlinách nachádza vo forme chloridov, hydrouhličitanov, fosforečnanov, vinanov, citrátov či šťavelanov. V rastlinnej bunke je rozložený nerovnomerne. Komplexy K+ sú totiž relatívne nepevné a nešpecifické a je ťažké ho z rastliny izolovať. - vo voľnom priestore buniek sa K pohybuje ľahko, je pomerne rýchlo prenášaný cez rôzne membrány, pohybuje sa xylémom aj floémom. V xyléme sa draslík pohybuje veľmi ľahko. Keď dosiahne listový mezofyl, preniká do vnútorného priestoru buniek opäť za pomoci prenášačov. - funkcia draslíka je väčšinou spájaná s reguláciou vodného režimu. Patrí medzi najvýznamnejšie osmotika v rastlinách a má tiež význam pri predlžovacom raste buniek. Pomáha pri udržaní iónovej rovnováhy v rastline a elektroneutrality v kompartmentoch bunky. Zúčastňuje sa na vytváraní polymérov (škrob a bielkoviny), má kľúčový význam pri otváraní prieduchov a tiež pri nastických pohyboch. Jeho funkcia vo fotosyntéze súvisí s ovplyvňovaním syntézy bielkovín, najmä enzýmu Rubisco. Chlorotickonekrotické sfarbenie listov buka (Fagus) nedostatkom draslíka
Minerálna výživa 1.6. Horčík (Mg) - horčík sa hromadí hlavne v pletivách s intenzívnym metabolizmom a intenzívnym delením buniek. Mg je v rastlinách v troch zložkách: • viazaný v protoplazme • v chlorofyle • vo forme anorganických solí v bunkovej šťave. - význam horčíka v rastline je mnohostranne spojený s fotosyntézou, a to nielen ako zložky chlorofylu (2,7% jeho molekulovej hmotnosti), ale tiež pre jeho podiel pri utváraní grán a svetlozberných pigmentov v chloroplastoch, kde je lokalizovaných až 20% všetkého Mg. - pri ožiarení listov je horčík z lumenu tylakoidov transportovaný do strómy, kde sa podieľa na aktivácii enzýmu Rubisco. - má silný vplyv na fluorescenciu chlorofylu, rozloženie svetelnej energie medzi fotosystémom II a fotosystémom I, na spojovanie a rozpojovanie tylakoidov i na aktivitu enzýmov cyklu fixácie CO2. - horčík sa zúčastňuje syntézy bielkovín a DNA-polymeráza je aktivovaná Mg. - pri nedostatku Mg vo výžive rastlín sa znižuje obsah zelených aj žltých pigmentov, mení sa kvantitatívny pomer chlorofylu a/b v prospech chlorofylu b. V dôsledku zníženého obsahu chlorofylu klesá aj rýchlosť fotosyntézy.
Žltnutie listov buka (Fagus) z nedostatku horčíka
Minerálna výživa 1.7. Vápnik (Ca) - najdôležitejším zdrojom Ca2+ v pôde je pôdny roztok, výmenný sorbovaný vápnik a niektoré soli (uhličitan vápenatý). - obsah Ca v rastlinách je veľmi variabilný. Príjem vápnika je dosť komplikovaný. Síce ľahko preniká z pôdy do voľných priestorov buniek v koreňoch rastliny, ale do cytoplazmy preniká pomaly a v symplaste je veľmi obmedzene pohyblivý. V koreňoch pravdepodobne existuje bariéra voľného priechodu Ca2+ do xylému. - väčšina vápnika je lokalizovaná v bunkových stenách, kde s pektínmi vytvára gélovú matrix. Vápnik sa však rovnako podieľa na udržaní integrity biologických membrán. - ak stratí membrána pri nedostatočnom prísune z vonku svoj Ca2+, dochádza k jej deštrukcii a stráca svoju semipermeabilnú funkciu (dochádza k voľnému prieniku do bunky aj z bunky von). Transport Ca do nadzemných orgánov sa uskutočňuje xylémom. - vápnik má mimoriadnu úlohu v odovzdávaní signálov. Po objavení kalmodulinu a ďalších bielkovín viažúcich Ca2+ je vápnik považovaný za významného posla pri prenose signálov v rastlinách (Poovaiah a Reddy 1993). Bolo dokázané, že ióny Ca2+ splňujú všetky 4 kritériá, ktoré sú rozhodujúce pre identifikáciu posla vo fyziologických procesoch indukovaných primárnymi stimulmi:
Účasť vápnika v prenose signálov v rastlinnej bunke
Minerálna výživa a/ Dochádza k výrazným zmenám v koncentrácii cytosolového Ca2+ ako odpoveď na primárne stimuly a tieto zmeny predchádzajú vlastnej fyziologickej odpovedi. b/ Umelo navodené zmeny v obsahu Ca2+ v cytosole vyvolávajú fyziologickú reakciu aj bez pôsobenia primárneho stimulu c/ Bunky majú mechanizmy, ktorými reagujú na zmeny v obsahu cytosolového Ca2+. d/ Blokovanie zmien obsahu Ca2+ zároveň blokuje fyziologické odpovede na príslušné podnety. - nedostatok vápnika sa prejavuje v zmene tvaru a počte mitochondrií, znižuje stabilizáciu plazmatických membrán, ktoré sa stávajú priepustnejšie. 1.8. Železo (Fe) - v pôde je železa dostatok, na všetkých pôdach však nie je rastlinám rovnako dostupné. V pôde aj v rastlinách ľahko prechádza do ťažko rozpustných zlúčenín. - sorpcia Fe objasnená nie je, sú len domnienky jeho vstupu do rastliny. Za jednu z ciest je považovaný prenos železa (zo systému Fe2+/Fe3+ v pôde) do rastliny za účasti špecifických reduktáz. V rastline je potom zmenené na chelátovú formu a tak je transportované vodivými pletivami. Ďalšia možnosť je tá, že z vonkajšieho prostredia preniká do rastliny celý chelát. Sfarbenie ihlíc smreka (Picea) pri nedostatku mangánu/železa, chloróza z nadbytku vápnika (kalcióza)
Minerálna výživa - v rastlinách Fe prakticky neexistuje vo voľnej iónovej forme, pretože sa ľahko oxiduje a prechádza na nerozpustné zlúčeniny. Najčastejšie je železo v rastlinách viazané na organické kyseliny, z nich sa zdá byť najdôležitejšia kyselina citrónová. - v zlúčeninách vystupuje Fe v dvoch oxidačných stupňoch. Menej stále ako Fe2+ a stálejšie Fe3+. Rozpustnou formou je spravidla len Fe2+. - v priamej väzbe s bielkovinou je napr. vo feredoxine, ktorý funguje ako akceptor vodíka vo fotosystéme I. Ako porfyrínový chelát sa uplatňuje predovšetkým v komponentoch cytochrómového systému fungujúceho v mitochondriálnej respirácii a v prechode elektrónov medzi fotosystémom II a I. - železo sa ukladá hlavne v chloroplastoch a zúčastňuje sa tvorby fotosyntetického aparátu. V chloroplastoch je obsiahnuté až 90% z celkového Fe v liste. - u dvojklíčnolistových rastlín môže deficit železa indukovať zvýšený výdaj H+ do rizosféry. Tým sa zvýši redukcia Fe3+ a výsledné Fe2+ môže byť prijaté koreňami. - listy rastlín so silným deficitom železa vykazujú znížený obsah chlorofylu, ktorý veľmi dobre koreluje aj so zníženým obsahom enzýmu Rubisco.
Žltnutie ihličia borovice (Pinus) nedostatkom železa/mangánu, vápnitá chloróza
Minerálna výživa 1.9. Mangán (Mn) - rastlina prijíma mangán ako katión Mn2+. Vstup Mn2+ do rastliny je uľahčený pri vyššej kyslosti prostredia. - mangán je potrebný pri vytváraní lamelárnej štruktúry tylakoidov v chloroplastoch a je súčasťou supramolekulárneho komplexu fotosystému II, štiepiaceho molekulu vody pri fotosyntéze. Mn je koenzýmom alebo aktivátorom mnohých dehydrogenáz, hydroxyláz, dekarboxyláz a ďalších enzýmov. - mangán sa v cytosole vyskytuje vo veľmi nízkej koncentrácii (menej ako 0,1 mol l-1). Je relatívne nepohyblivý vo floéme (najskôr v chelátovej forme). 1.10. Kobalt (Co) - tvorí katióny Co2+, ale tiež môže fungovať ako Co3+ alebo aj Co4+. V rastlinách sprevádza Fe. - nebolo dokázané, že by bol pre zelené autotrofné rastliny záväzným mikrobiogénnym prvkom. - je však nevyhnutný pre rastliny so symbiotickými baktériami fixujúcimi atmosferický dusík. 1.11. Meď (Cu) - tvorí jednomocné a dvojmocné katióny, ľahko reaguje s organickými látkami. Transportné formy Cu v rastline nie sú zatiaľ známe. Rastové anomálie na mladých stromoch douglasky (Pseudotsuga menziesii) nedostatkom medi
Minerálna výživa - meď je významnou zložkou mnohých oxidáz (cytochromoxidáza, askorbátoxidáza, aminooxidáxa ai.) a fenoláz a laktáz, ktoré sa podieľajú na lignifikácii pletív. - viac ako polovica medi lokalizovanej v chloroplastoch je zložkou plastocyaninu, ktorý prenáša elektróny na fotosystém I. Ovplyvňuje tiež obsah chlorofylu. - vo vyšších koncentráciách sa prejavuje jej toxicita. Toxicita je spôsobená pravdepodobne ľahkým vstupom jej iónu do bunky a veľkou schopnosťou tvoriť komplexy s organickými látkami. - naopak pri nedostatku Cu je inhibovaná vitalita peľu. 1.12. Zinok (Zn) - jeho pohyblivosť v rastline je malá, dokonca menšia ako pohyblivosť Ca. Zn sa hromadí hlavne v mladých listoch a v meristematických pletivách. - desiatky enzýmov je závislých na dostatku zinku. Zn ovplyvňuje aktivitu mnohých enzýmov glycidového metabolizmu, vrátane Rubisco, a je dôležitý pri syntéze bielkovín a fotosyntetických pigmentov. 1.13. Bór (B) - o mechanizmoch reakcií, ktorých sa bór v rastlinách zúčastňuje, sa vie pomerne málo. - je známe, že dvojklíčnolistové rastliny vyžadujú viac bóru ako jednoklíčnolistové. Zvlášť vysoké požiadavky majú druhy rodu Brassica. Belavá chloróza z nedostatku mangánu v liste javora (Acer)
Minerálna výživa - bór je nutný pre dostatočný floémový transport sacharózy, pričom nápadne vysoké požiadavky majú rastliny transportujúce latex. Nevyhnutný je tiež B pri klíčení peľu a v ďalších procesoch oplodňovania, pri syntéze bunkových stien a lignifikácii, v metabolizme ribonukleových kyselín, auxínu ai. - bór plní tiež funkciu posla v mnohých fyziologických procesoch, ktoré sú iniciované svetlom, pôsobením zemskej tiaže alebo fytohormónami. - nadmerný obsah bóru (napr. viac ako 0,5 mg g-1 sušiny) pôsobí na rast inhibične a na špičkách listových čepelí sa objavujú kryštalické zrazeniny. - nedostatok B inhibuje delenie buniek v meristémoch. 1.14. Chlór (Cl) - v rastline funguje ako ľahko transportovateľný anión Cl- . - chlór je významný predovšetkým v komplexe fotosystému II, ktorý zabezpečuje rozklad vody. Okrem toho sa podieľa na zmenách otvorenosti prieduchov. 1.15. Molybdén (Mo) - vyskytuje sa ako anión i katión, pre výživu rastlín má základný význam kyslíkatý anión, molybdenan. - Mo je významný pri redukcii molekulárneho dusíka hľúzkovými baktériami a tvorí súčasť nitrátreduktázy.
Akútne poškodenie listov buka lesného (Fagus sylvatica) imisiami chlorovodíka
Minerálna výživa 1.16. Nikel (Ni) - nikel je súčasťou ureázy, čo zvýrazňuje jeho význam pre kultúrne rastliny, u ktorých sa často používa močovina ako hnojivo - o samotnej účasti niklu v metabolizme rastlín však existuje minimum informácií 1.17. Kremík (Si) - niektoré druhy rastlín obsahujú pozoruhodné množstvá kremíku - Si je v roztoku vo forme Si(OH)4 a vykazuje podobné pôsobenie s pektínmi a polyfenolmi v bunkovej stene ako kyselina boritá. 1.18. Sodík (Na) - stopové množstvá sodíku sú nevyhnutné pre rastliny C4. Minerálna výživa v kultúrach in vitro - je predpoklad, že väčšina faktorov ovplyvňujúcich rast rastlín v ich prirodzených podmienkach bude mať podobné účinky aj v podmienkach in vitro. - pri kultivácii rastlín, orgánov, pletív a buniek v systémoch in vitro bola zatiaľ najväčšia pozornosť venovaná účinkom fytohormónov, sacharidov, teploty, vlhkosti ap. - takmer nedotknuté zostávajú problémy spojené s príjmom a využitím minerálnych živín, pretože obsah jednotlivých minerálnych živín v kultivačných médiách bol stanovovaný v podstate len empiricky.
Zhnednutie a opadávanie ihlíc borovice (Pinus) pôsobením posypových solí
Minerálna výživa
- dosiaľ prevládajúci empirický prístup si vzhľadom k rozširujúcemu sa využívaniu kultúr in vitro nesporne vyžiada systematické štúdium. - za zmienku stojí aj opačný postup, tzn. využitie kultúr in vitro k štúdiu niektorých problémov minerálnej výživy. Kultúry in vitro umožňujú premeniť koreň, ktorý je bežne sinkom pre asimiláty, v zdroj organických látok zásobujúcich celú rastlinu. - to umožňuje úplne nové metodické prístupy aj k štúdiu mechanizmu distribúcie látok v rastline.
Stredový pozdľžny rez koreňom jačmeňa dvojradového (Hordeum distichon) a jeho koreňové vlásky
Minerálna výživa
Stredový pozdľžny rez koreňovou čiapočkou jačmeňa dvojradového (Hordeum distichon)
Schéma statocytu s polárnym usporiadaním organel
Minerálna výživa Priečny rez koreňom jačmeňa dvojradového (Hordeum distichon)
Detail stredného valca koreňa kukurice siatej (Zea mays) s prierezmi ciev neskorého metaxylému
Rôzne typy koreňov
Minerálna výživa
Endoderma s vyznačením lokalizácie Casparyho pásika
Sekundárna stavba koreňa Tetrarchný
Diarchný
Triarchný
Priemerné obsahy minerálnych živín v rastlinách, v pôde a v morskej vode
