Как высшие растения поглощают минеральные вещества из почвы
Обновлено: 12.09.2024
Поглощение воды и минеральных веществ растением непосредственно не связано друг с другом. Поглощение воды протопластом основывается на гидрофильности биоколлоидов, а поглощение ионов - на образовании лабильных соединений с макромолекулами протоплазмы.Поэтому поглощение воды не может вызвать поглощения солей, а поглощение ионов может вызвать изменения в оводненности протоплазматических структур и повлечь за собой поглощение воды.
Определяющим условием поглощения растениями минеральных элементов является поглощающая способность почвы. Вопросы поглощения почвой различных ионов были изучены русским ученым Гедройцем. Согласно его теории катионы в коллоидах почвы способны обмениваться с катионами почвенного раствора. Эти катионы называются поглощенными или обменными, а общее их количество на 100 г почвы (в мг/экв) называется емкостью поглощения или емкостью обмена. Адсорбция и удерживание растворимых веществ - это свойство почвы, которое называется поглощающей способностью. Эта способность определяется коллоидной частью почвы, которая называется почвенным поглощающим комплексом. От состава обменных катионов зависят свойства почвы.
Различают пять видов поглощения веществ почвой:
механическая поглощающая способность (при этом почва выступает в качестве фильтра для грубых суспензий),
физическая поглощающая способность (при этом происходит либо положительная адсорбция катионов на поверхность твердых частиц, либо отрицательная фильтрация анионов,
физико-химическая поглощающая способность (при этом происходит адсорбция и обменные химические реакции между почвенным раствором и почвенными частицами, что играет существенную роль в создании плодородия почв),
химическая поглощающая способность (при этом происходит превращение веществ в трудно растворимые соединения, например, при внесении фосфорных удобрений в почву, богатую ионами кальция, образуется нерастворимый фосфат кальция,
биологическая поглощающая способность (при этом происходит иммобилизация минеральных веществ под влиянием деятельности микрофлоры почвы).
Благодаря поглощающей способности почвы минеральные элементы не вымываются из почвы, сохраняются в почвенном растворе и доступны растениям.
Минеральные вещества поглощаются из почвы одновременно с поглощением воды и транспортируются в восходящем направлении преимущественно по ксилеме. Минеральные вещества обычно накапливаются в тех клетках, где в них возникает необходимость.
Для удовлетворения потребности растений в соответствующем количестве минеральных веществ, необходимых для роста и развития, должно быть соблюдено несколько условий:
минералы должны содержаться в почве в форме, доступной для их поглощения клетками корня, т.е. они должны находиться в почвенном растворе,
почва должна хорошо аэрироваться, чтобы в клетках корня могло происходить окислительное фосфорилирование (дыхание), поскольку поглощение минеральных веществ требует непрерывного снабжения энергией за счет АТФ,
должна эффективно функционировать транспортная система по доставке минеральных веществ к потребляющим клеткам.
На разных этапах развития растительного организма питательные вещества потребляются ими с различной интенсивностью, неодинакова также скорость поступления различных соединений у разных видов растений.
Отрицательное действие высоких концентраций питательных солей в почве проявляется в основном на первых этапах жизни растения, особенно в момент прорастания семени, поэтому повышенное содержание минеральных элементов в почвенном растворе часто снижает всхожесть и энергию прорастания семян. В связи с этим важно обеспечить необходимый уровень влаги в почве и регулировать уровень минеральных удобрений непосредственно в послепосевной период.
Недопустимо однократное внесение всей рекомендованной дозы минеральных удобрений в период посева, поскольку это снижает эффективность усвоения азотных удобрений и вызывает превышение допустимых концентраций других элементов в почвенном растворе.
Системы классификаций элементов в растении.
Растение поглощает углекислый газ и кислород из атмосферы, а воду и другие минеральные элементы - из почвенного раствора. Все минеральные элементы за исключением азота происходят в конечном счете из материнской породы, из которой образуется почва и при сгорании остаются в золе, почему и называются зольными элементами. Азот же, находясь в атмосфере, переводится в форму, доступную для автотрофов при синтезе белка, азотфиксирующими микроорганизмами, находящимися в почве, и в результате их метаболизма поступает в виде аммиачных и нитратных ионов в почвенный раствор.
Минеральные вещества составляют всего от 1 до 15% живой материи. Количество золы в различных частях растения, а также в разных растениях неодинаково. Состав зольных элементов также весьма вариабелен в зависимости от органа растения. Например, калия в семенах зерновых культур почти в два раза больше, чем в листьях и стеблях. В стеблях и листьях пшеницы и кукурузы отмечено большое количество кремния.
Как правило, распределение зольных элементов в разных органах растения соответствует следующей таблице:
| Наименование органа растения | Содержание зольных элементов,% |
| древесина | |
| семена | |
| корни, стебли | 4-5 |
| листья | 10-15 |
Содержание зольных элементов в растительных тканях зависит от типа и влажности почвы и от фазы развития растений.
Принято делить минеральные элементы, входящие в состав растительных клеток, на группы, причем используются в основном две системы классификации элементов.
В основу первой системы классификации положен критерий количественного содержания элементов в растении:
макроэлементы (составляют от 10 до 0,01% в клетке) (органогены - О, Н, С, N, P и минералы -Si, K, Ca, S, Mg, Na, Al),
микроэлементы (составляют от 0,001 до 0,00001%) -Mn, B, St, Cu, Zn, Br, F, Sn, Ni, Ti, Rb, Fe, Ba, Mo, Co, Cl, I,
ультрамикроэлементы (составляют 10 -6 -10 -12 %) -As, Ge, Pb, Au, Ra, Hg, Ag, Li.
Вторая система классификации основывается на роли минеральных элементов в живой клетке:
основные компоненты органического вещества -C, H, O, N, P, S,
элементы, участвующие в осмотической регуляции, балансе электронов, и определяющие проницаемость мембран -K, Mg, Ca, Mn, Cl,
элементы, входящие в ферментные системы, - Cu, Zn, Mo, Fe. Эти элементы часто поглощаются в форме хелатов, находятся в протопласте и способны вытеснять друг друга при избытке какого-либо из них в следующем порядке Cu>Zn>Mo>Fe.
элементы, токсичные для высших растений -F, I, Ni, Cr, Pb, Cd.
Ряд элементов, весьма важных в малых концентрациях, при накоплении в избыточном количестве могут быть токсичными для растений, например Mn, Cu, Fe, B.
Для определения роли того или иного элемента в питании растений проводят специальные опыты с использованием водных или песчаных культур, других специализированных методик.
Важнейшая часть растения скрыта от нашего взора под землей. Миллионы лет назад благодаря корням первые наземные растения смогли закрепиться в почве. Затем растения с помощью корней научились извлекать из почвы различные питательные вещества. Сегодня корни растений играют важную роль в жизни человека. Некоторые корни мы употребляем в пищу, другие используем для решения экологических проблем.
Режим обучения доступен только авторизованным пользователям
Возможности режима обучения:
- просмотр истории в виде слайдов
- возможность прослушивания озвучки по каждому слайду
- возможность добавить свою, детскую озвучку
- тесты для детей, чтобы закрепить материал
- специально подобранные коллекции картинок и видео для улучшения восприятия
- ссылки на дополнительные обучающие курсы
Озвучка доступна в режиме обучения
Строение корней
Видоизменения корней
Мангровые растения живут в заболоченных почвах, и их корням не хватает воздуха. У мангровых растений корни возвышаются над землей, выполняя функцию дыхания (такие корни ещё называют пневматофоры).
У баньяна корни свисают со стеблей. Если такой корень достигнет земли, то он создаст для дерева дополнительную опору.
Сократительные корни втягивают растение глубже в почву. Луковицы лилий каждый год углубляются в почву по мере развития новых сократительных корней. Луковицы продолжат опускаться до тех пор, пока не будет достигнута область с оптимальной температурой.
Корни и минеральное питание растений
Минеральное питание растений
Поглощение различных веществ из окружающей среды – главная задача любого живого организма. Часть поглощенных веществ используется в качестве строительного материала, другая часть – для производства энергии. Растения научились получать эти два ресурса в процессе фотосинтеза, в ходе которого они создают сахар. Однако на одном только сахаре растение не выживет. Ему необходимо также производить нуклеиновые кислоты (ДНК), белки, жиры и многие другие молекулы. Помимо углекислого газа и воды, требующихся для фотосинтеза, растения поглощают азот, кальций, фосфор и многие другие минеральные вещества. Но необходимые молекулы залегают глубоко в почве или находятся в малых концентрациях (количествах). Корни растения – это эффективная машина для поиска и сбора редких ресурсов.
Поглощение различных веществ растением
Из земли растения поглощают около 15 основных элементов. Азот(N), фосфор(P) и калий(К) требуются в больших количествах – это макроэлементы (от греч. макро – большой). Часто рост растения сдерживает именно недостаток макроэлементов в почве. Железо(Fe), цинк(Zn), и некоторые другие – это микроэлементы (от греч. микро – маленький). В растении они присутствуют в небольших количествах. Например, на один атом молибдена в растении приходится 60 миллионов атомов водорода.
Недостаток того или иного элемента приводит к порче органов и постепенному увяданию. При дефиците элемента проявляются разные симптомы. Например, увядание и пожелтение старых листьев говорит о недостатке азота или фосфора. Гибель молодых листьев указывает на дефицит железа или кальция. Избыток элементов в почве токсичен для растения и также приводит к увяданию. Откуда фермеры знают, сколько и в каких количествах вносить удобрения (смесь различных веществ)? В лаборатории ученые выращивали растения, убирая из питательной смеси по одному элементу. Затем они следили, как развивается растение и постепенно вносили недостающий элемент. Например, так было установлено, что для нормального роста томату необходима медь в количестве 0,002 миллиграмма на литр воды.
Важность почвы для растений Процесс формирования плодородной почвы занимает тысячи лет. Сперва происходит разрушение каменистых горных пород под действием ветра и дождя. Образовавшиеся мелкие частички (гравий, песок, глина) создают основу для почвы. Затем в почве появляются микроорганизмы. Они делают почву более плодородной, формируя гумус (органический компонент почвы). Самыми плодородными почвами считаются чернозёмы – доля в них гумуса составляет 10%. От состава и текстуры почвы зависит способность корней расти и поглощать вещества. Слишком плотная почва не даст корням нормально расти, а в слишком рыхлой минеральные вещества будут быстро вымываться. В свою очередь, корни растений играют важную роль в переносе глубоко залегающих веществ на поверхность, способствуя обогащению верхнего слоя почвы.
Эрозия – это процесс разрушения почвы под действием ветра и воды. В природе почва образуется быстрее, чем разрушается. Растения препятствуют эрозии, удерживая и скрепляя почву корнями. Однако чрезмерная эксплуатация человеком пахотных земель и вырубка лесов ускоряют эрозию почв. Деградация (разрушение) почв наблюдается во всём мире. В России около 80% сельскохозяйственных земель подвержены эрозии. Бедные гумусом почвы России вынуждают фермеров интенсивно использовать доступные пахотные угодья, что приводит к ускорению темпов эрозии. В результате истощительного землепользования ежегодно недобирается 30% урожая. Своевременные методы мелиорации (процедуры по улучшению плодородия почвы) трудозатратны, однако они способны повысить плодородие почвы на годы вперед.
Корни и минеральное питание растений
В позапрошлом веке ходили легенды о гигантском растении на острове Мадагаскар, которое питалось людьми. Растений-людоедов ученым обнаружить не удалось, однако некоторые растения с удовольствием питаются насекомыми. Хищные растения способны фотосинтезировать, но страдают от нехватки минеральных веществ на заболоченной почве. Поэтому в ходе эволюции их листья адаптировались к привлечению, захвату и перевариванию насекомых, мелких ящериц и лягушек. Из переваренных животных хищные растения получают необходимый азот, фосфор и некоторые другие элементы.
Необходимые для растений азот и фосфор всегда в дефиците. Их концентрация (количество) в почве невелика, что ограничивает рост растения. Содружество (ассоциация) растений с грибами позволяет решить эту проблему. Переплетаясь, корни растений и нити грибов образуют мицелий. Оба партнера получают выгоду от сожительства друг с другом – такие взаимовыгодные отношения называют симбиозом. Гриб лучше усваивает фосфор и азот, передавая их растению. Растение, в свою очередь, делится с грибом продуктами фотосинтеза – углеводами. Грибы также стимулируют рост и ветвление корней и защищают их от почвенных микробов. Около 80% растений вступают в симбиотические отношения с грибами.
Корни и их польза для человека В корнях многих растений запасаются продукты фотосинтеза. С древних времен человек приметил пользу и питательную ценность таких корней. Вам хорошо известны такие корнеплоды как репа, брюква, хрен, морковь и свёкла. Морковь особенно полезна, так как в ней содержится каротин. Каротин – красноватое вещество, которое является источником витамина А. Сахарная свёкла была выведена в 18 веке из обычного сорта свёклы. Селекционерам удалось увеличить количество сахара в свёкле с 2% до 20%. Сегодня 35% мирового сахара получают именно из сахарной свёклы. Интересно, что первым производство сахарной свёклы поддержал Наполеон. Таким образом он хотел положить конец монополии Англии, производившей сахар из тростника. Жители южных стран употребляют такие корнеплоды как маниока и батат (сладкий картофель). Батат является особенно питательным – он содержит 5% белков, богат витаминами A и D, а также железом, кальцием и другими минералами .
Для питания растениям необходимы не только углеводы, образующиеся при фотосинтезе, но и некоторые минеральные вещества. Для чего нужны эти элементы, указано в таблице. У высших растений минеральные вещества из почвы или окружающей воды поглощают корни1. Максимальное поглощение происходит в зоне корневых волосков. Участие в этом процессе микоризы обсуждается в статье.
Чтобы понять механизм поглощения и транспорта минеральных ионов, необходимо помнить следующее.
1. Минеральные элементы, необходимые растению, входят в состав солей. В водном растворе молекулы солей диссоциируют и образующиеся ионы свободно передвигаются.
2. Ионы способны пересекать клеточные мембраны различными путями. Один из них — активный транспорт. Он требует затрат энергии в форме АТФ, образующегося в процессе дыхания и может вести к перемещению ионов против градиента их концентрации (разд. 5.9.8).
3. Внутрь корня от его эпидермиса распространяется непрерывная система клеточных стенок — апопласт. Вода и любые растворенные в ней вещества свободно проникают в эту систему из почвы.
На рисунке приведен график поглощения ионов калия молодыми корнями злаков, предварительно отмытыми чистой водой. Через 90 мин к растворам добавляли ингибитор дыхания — цианид калия.
Рисунок показывает, что поглощение ионов четко разделяется на две фазы. Первая длится примерно 10—20 мин. Поглощение в этот период идет относительно быстро. Ионы калия, соприкасаясь с эпидермисом корня, проникают в клеточные стенки и движутся вглубь через апопласт по механизму либо объемного потока, обеспечиваемому транспирацией, либо диффузии. Можно видеть, что эта фаза относительно независима от температуры, поскольку скорость поглощения примерно одинакова и при 25, и при 0 °С. Речь идет о пассивном процессе.
Вторая фаза зависит от температуры и не наблюдается при 0 °С, когда интенсивность метаболизма и дыхания очень низка. Ингибирование поглощения К-ионов цианистым калием свидетельствует о том, что этот процесс зависит именно от дыхания. Во время второй фазы ионы калия поступают в клетки корня через плазма-лемму путем активного транспорта.
Сходные результаты можно получить и на изолированных тканях. Обычно в таких опытах используются запасающие органы растений, например корнеплод моркови. Данные, приведенные на рисунке, подтверждают, что поглощение ионов зависит от дыхания и ингибируется цианидом калия.
Итак, поступление ионов в корень обеспечивают два процесса: 1) пассивное поступление, когда ионы движутся за счет объемного потока и диффузии через апопласт; 2) активный транспорт, при котором ионы переносятся в клетки против градиента их концентрации за счет энергии, генерируемой при дыхании.
Активный транспорт — процесс избирательный и зависит от дыхания, а диффузия неизбирательна и энергозатрат не требует. В результате пассивного поглощения все клетки первичной коры корня омываются раствором, сходным по составу с почвенным. Так создается обширная поверхность для поглощения ионов.
Ионы, передвигаясь по апопласту, доходят только до эндодермы, где дальнейшее их продвижение блокируют пояски Каспари. Пересечь этот барьер ионы могут путем диффузии или путем активного транспорта через плазмалеммы эндодермальных клеток и попадая в их цитоплазму и, возможно, в вакуоли. Таким способом растение контролирует, какие минеральные вещества в конце концов попадают в ксилему.
Ионы могут перемещаться и по симпласту. Попав в цитоплазму одной клетки, они будут продвигаться дальше по плазмодесмам, не пересекая мембран. Непрерывный симпластный путь идет от корневых волосков до самой ксилемы. На рисунке показаны все возможные пути транспорта ионов внутри корня.
Конечный этап передвижения минеральных солей по корню — высвобождение ионов в ксилему. Для этого им рано или поздно надо покинуть цитоплазму клеток через плазмалемму. Это происходит либо путем диффузии, либо за счет активного транспорта.
Информация на сайте подлежит консультации лечащим врачом и не заменяет очной консультации с ним.
См. подробнее в пользовательском соглашении.
Для минерального питания растения необходимы такие вещества, как: азот, калий, фосфор, цинк и т.д.
№ 2. Как растения поглощают питательные вещества?
Высшие растения поглощают питательные вещества с водой из почвы с помощью корней и корневых волосков. Водные растения для усвоения питательных веществ используют поверхность своего тела.
№ 3. Что такое корневое давление?
Корневое давление – это активная подача воды корнем вверх по проводящим сосудам стебля, которая обусловлена поглотительной деятельностью корневой системы.
№ 4. Почему растения не рекомендуется поливать холодной водой?
Потому что холодная вода хуже поглощается корнями растения.
№ 5. Какие виды удобрений вы знаете?
Мне известны органические и минеральные удобрения, которые используются для подкормки почвы под растениями. Органические удобрения являются отмершими частицами растений или животных или отходами их жизнедеятельности.
Минеральные удобрения – это неорганические соединения, которые содержат в своем составе необходимые для питания растений элементы в виде разных соединений, например, калий, фосфор или азот.
№ 6. Какое влияние на рост и развитие растений оказывают азот, калий, фосфор?
Азот благотворно влияет на рост растений, фосфор способствует быстрому созреванию плодов. Калий оказывает воздействие на полноценный отток органических веществ от листьев растения к корням.
№ 7. Что такое подкормка?
Подкормка – это внесение удобрений (минеральных и органических) в почву для улучшения состояния растений, ускорения их роста и созревания плодов.
Читайте также: