Slajd 1. Autor dr Anna DzierŜyńska

Transkrypt

1 Slajd 1 Wykład 1 Gospodarka mineralna roślin Zawartość względna pierwiastków w roślinach Pobieranie i transport jonów Wpływ rośliny na pobieranie składników mineralnych Autor dr Anna DzierŜyńska

2 Slajd 2 Gospodarka mineralna roślin Funkcje systemu korzeniowego Sieć pochłaniająca ograniczone zasoby wody i soli mineralnych z gleby System rozprowadzający pobrane jony i związki Organ spichrzowy gromadzący związki zapasowe Struktura mechaniczna podtrzymująca roślinę, umacniająca glebę, tworząca przestwory w glebie i krusząca skały Sieć odbierająca bodźce środowiska glebowego i uczestnicząca w regulowaniu wzrostu rośliny Organ dostarczający węgiel organiczny do gleby i uczestniczący w tworzeniu materii organicznej gleby Organ wydzielający róŝne związki do podłoŝa Organ zapewniający środowisko Ŝycia dla grzybów mikoryzowych oraz organizmów rizosfery i rizoplanu Uwagi do przetransponowania na program Articulate są zapisane czcionką aerial bold, do usunięcia Tekst z boku ekranu Wprowadzenie do wykładu 1 śywienie mineralne to proces wieloetapowy i po kolei będziesz poznawać poszczególne etapy. Pierwsze ogniwo tego łańcucha zdarzeń decyduje o przebiegu następnych, warto więc poznać szczegółowo proces pobierania składników mineralnych. ZaleŜy on od właściwości gleby, które poznajesz szczegółowo na przedmiocie gleboznawstwo. Wiele wiesz juŝ z botaniki o morfologii i anatomii korzeni. Przyszedł czas na to, aby poznać bliŝej rolę fizjologiczną systemu korzeniowego, w szczególności jego funkcje związane z Ŝywieniem mineralnym. Dlatego szczególną uwagę poświęcono procesowi selektywnego transportu składników mineralnych przez błony komórkowe i analizie wpływu rośliny i środowiska na pobieranie pierwiastków. Transport pobranych jonów w korzeniu do ksylemu i dalej ksylemem do pędu i rozdział do organów rośliny daje moŝliwość włączenia ich w związki organiczne i wykorzystania do budowy tkanek i do procesów Ŝyciowych. Poznanie gospodarki mineralnej roślin i symbioz pokarmowych jest podstawą do zdobywania dalszej, praktycznej wiedzy. Korzystając z tekstu na ekranie przypomnij sobie funkcje systemu korzeniowego i rozpocznij poznawanie procesu Ŝywienia mineralnego roślin, korzystając ze skryptu w pdf, slajd Wstęp do gospodarki mineralnej roślin i Gleba jako środowisko Ŝycia korzeni.

3

4 Slajd 3 Wstęp do gospodarki mineralnej roślin 60 pierwiastków mineralnych występujących w roślinach 14 pierwiastków mineralnych niezbędnych do Ŝycia roślin Pierwiastki niezbędne roślinom śywienie mineralne roślin Gospodarka mineralna roślin W roślinach wykryto około 60 pierwiastków mineralnych. Konieczne do wzrostu i rozwoju roślin składniki mineralne to, poza węglem pobieranym z powietrza w postaci CO 2, wodorem z wody i tlenem z wody lub z atmosfery, 14 pierwiastków niezbędnych do Ŝycia. Pierwiastki niezbędne, wg Arnona i Strauta, to te, które są konieczne w całym cyklu Ŝyciowym, nie mogą być zastąpione pierwiastkami o podobnych właściwościach chemicznych oraz stanowią składniki związków metabolicznych lub są niezbędne do funkcjonowania enzymów. Na Ŝywienie mineralne składa się etap pobierania pierwiastków przez korzenie, transport międzykomórkowy i międzyorganowy, dystrybucja czyli rozdział w roślinie oraz asymilacja czyli włączanie w związki i wykorzystanie w metabolizmie do budowy rośliny lub pozyskiwania przez nią energii. Mamy zatem do czynienia z gospodarką mineralną rośliny a pierwiastki z materii mineralnej, nieorganicznej włączane są w organiczną. Istotną role odgrywa regulacja tych procesów. W produkcji roślinnej celem regulacji odŝywiania mineralnego jest skierowanie odpowiedniej ilości i jakości składników pokarmowych do organów stanowiących plon rolniczy.

5 Slajd 4 Gleba Gleba jako środowisko Ŝycia korzeni Koloidy glebowe Szereg liotropowy kationów glebowych Szereg liotropowy anionów glebowych Makroelementy i mikroelementy Gleba jest złoŝonym i wielofunkcyjnym środowiskiem Ŝycia korzenia. Jej heterogeniczność wiąŝe się z istnieniem trzech faz. Faza stała czyli martwa materia organiczna i związki nieorganiczne, zawiera 98% składników pokarmowych. Cząstki stałe gleby o właściwościach koloidalnych tworzą kompleks sorpcyjny jonów. Wodny roztwór glebowy stanowi fazę ciekłą. Pozostałą przestrzeń wypełnia faza gazowa - powietrze glebowe. Stosunek wymienionych faz wpływa w duŝym stopniu na Ŝyzność gleby. Niezbędny składnik gleby stanowi mikroflora i mikrofauna glebowa. Koloidy glebowe, w większości naładowane ujemnie, adsorbują kationy. Siła tego wiązania jest zaleŝna od wielkości ładunku i stopnia uwodnienia i maleje wg następującej kolejności: Al 3+, Ca 2+, Mg 2+, NH + 4, K + i Na +. Podobny szereg liotropowy tworzą aniony. Nieliczne koloidy glebowe z ładunkiem dodatnim adsorbują aniony z malejącą siłą wg kolejności: PO 3-4, SO 2-4, NO - 3, Cl -. Większość anionów znajduje się w roztworze glebowym. Rośliny uprawne pobierają makroelementy z gleby w ilości od kilkunastu do kilkuset kilogramów z 1 hektara a mikroelementy od kilku gramów do kilku kilogramów z 1 hektara.

6 Slajd 5 Wg Larcher 2003 str 186 mm Zawartość względna pierwiastków mineralnych w glebie i w roślinie fosforan potas wapń magnez siarczan azotan ZróŜnicowanie względnej zawartości jonów pokarmowych w glebie do od Zawartość składników mineralnych w roślinach Makroskładniki > 0,1% suchej masy rośliny > 1000 ppm suchej masy > 10µM na g suchej masy > 1g na kg suchej masy Mikroskładniki < 0,01% suchej masy < 100 ppm suchej masy < 5µM na g suchej masy <100 mg na kg suchej masy Tekst z boku ekranu Na ekranie znajduje się wykres ilustrujący zakres stęŝenia makroelementów w glebie. Jony pokarmowe rozpuszczone są w roztworze glebowym (około 0,2 %) lub znajdują się w kompleksie sorpcyjnym gleby (około 2%). Pomiędzy tymi dwoma zasobami jonów ustala się stan równowagi dynamicznej, bo jony związane na koloidach to jony wymienne. StęŜenie roztworu glebowego jest niewielkie, ale moŝe podlegać duŝym wahaniom w czasie i w przestrzeni glebowej. Potencjał osmotyczny roztworu glebowego lub poŝywki do kultur wodnych nie powinien być niŝszy od -0,1 MPa, ze względu na moŝliwość osmotycznego pobrania wody. Na ekranie znajdziesz takŝe ilościowe kryteria podziału pierwiastków na makroskładniki i mikroskładniki wg zawartości względnej w suchej masie. Pierwiastki niezbędne do Ŝycia roślinom klasyfikować moŝna wg róŝnych kryteriów. Według kryterium jakościowego pierwiastki dzieli się na niezbędne, poŝądane i zbędne. Kryterium ilościowe oparte jest na zawartości pierwiastków w roślinach podział na makroelementy i mikroelementy. Inne kryteria wprowadzają podziały pierwiastków według funkcji fizjologicznej (budulcowe, katalityczne, energetyczne, osmotyczne) lub biochemicznej (organogenne, mineralne), właściwości chemicznych (niemetale, metale alkaliczne i ziem alkalicznych, półmetale, metale cięŝkie), zapotrzebowania metabolicznego na pierwiastek czy ruchliwości w roślinie.

7 Niektóre źródła podają jako wartości graniczne zawartości makroelementów w roślinie te same wartości graniczne co dla mikroskładników tzn. mikroskładniki poniŝej 0,01% suchej masy a makroskładniki powyŝej.

8 Slajd 6 pierwiastek Średnia względna zawartość pierwiastków mineralnych w roślinach średnia zawartość %suchej masy zawartość względem Mo N K Ca Mg P S pierwiastek średnia zawartość ppm zawartość względem Mo Cl Fe B Mn Na Zn Cu Ni Mo Epstein 1972, 1999 Tekst z boku ekranu Zapoznaj się z klasyfikacją pierwiastków przedstawioną w tabelach na ekranie a następnie z opisem ekranu. Podział pierwiastków pokarmowych na makroskładniki i mikroskładniki został dokonany w oparciu o ich średnie względne zawartości w suchej masie roślin. MoŜna ja wyraŝać zarówno w formie procentowego udziału masy pierwiastka w suchej masie rośliny jak i w liczbie atomów danego pierwiastka względem 1 atomu molibdenu, którego w roślinie jest zwykle najmniej. W roślinach dominuje K i N, dosyć duŝo jest Ca a znacznie mniej Mg, S i P. Zawartość makroskładników jest zwykle około1000 razy większa niŝ mikroskładników, ale podział jest umowny. Sama analiza składu chemicznego nie określi znaczenia danego pierwiastka dla rośliny. Odpowiedź na pytanie jaką rolę odgrywa on w procesach Ŝyciowych uzyskuje się pośrednio, eliminując ten pierwiastek z otoczenia rośliny i obserwując skutki jego braku. Zanim dowiesz się więcej o funkcjach pierwiastków, poznaj zróŝnicowanie względnej zwartości pierwiastków w roślinach ze skryptu na slajdach: Zawartość względna pierwiastków w roślinach, ZróŜnicowanie względnej zawartości pierwiastków na przykładzie azotu i ZróŜnicowanie gatunkowe zapotrzebowania na przykładzie siarki. Zastanów się skąd wynika bardzo duŝa zmienność % udziału pierwiastków w suchej masie czyli zmienność składu pierwiastkowego roślin.

9 Wpływają na nią czynniki związane z rośliną i z jej środowiskiem. Czynniki zewnętrzne to zasobność gleby w pierwiastki i warunki ich pobierania. Wiesz zapewne, Ŝe istnieją tzw. rośliny wskaźnikowe. Bez analizy gleby wzrost populacji zdrowych roślin określonego gatunku w danym miejscu wskaŝe nam m.in. zasobność gleby w konkretny pierwiastek. Czynniki wewnętrzne to właśnie gatunek rośliny. Determinuje on wielkość, stopień wzrostu i aktywność systemu korzeniowego w pobieraniu jonów. Zapotrzebowanie na jony wynika z fazy rozwojowej, wieku i aktywności metabolicznej całej rośliny oraz poszczególnych jej organów.

10 Slajd 7 Zawartość względna pierwiastków mineralnych w roślinach % s.m. µg/g s.m. Cl µg/g s.m N K Ca Mg P S do od Fe B Mn Zn Ni Cu Mo do od wg F. Maathuis, Curr Opin Plant Biol 2009, 12:250 Jony pokarmowe są pobierane albo bezpośrednio z kompleksu sorpcyjnego na zasadzie kontaktowej wymiany jonów albo z roztworu glebowego. Skład pierwiastkowy roślin odbiega znacznie od składu pierwiastkowego gleby. W roślinach pierwiastki organogenne stanowią średnio ponad 90% suchej masy (C i O po 45%, H około 6%). NajwyŜszy udział w składzie gleby mają zaś krzem (Si) 330, glin (Al) 70 i Ŝelazo ( Fe) 40 g kg -1 sm. W roślinach zawartość tych pierwiastków wynosi zwykle poniŝej 1 g kg -1 sm. Z kolei pierwiastki takie jak azot (N), fosfor (P), potas (K) czy siarka (S) znajdują się w roślinach w znacznie większych stęŝeniach niŝ w glebie. To właśnie świadczy o selektywnym czyli wybiórczym pobieraniu pierwiastków przez rośliny oraz o zdolności aktywnego ich pobierania wbrew gradientowi stęŝeń i akumulowania w biomasie. W przypadku fosforu róŝnica stęŝeń w roztworze glebowym (µm) i w roślinie (mm) sięga trzech rzędów wielkości. Nie tylko zawartość pierwiastków w roślinie, ale i ich stosunki ilościowe są odmienne niŝ w glebie. Łączna względna zawartość składników mineralnych w roślinach uprawnych waha się w granicach 5-15% suchej masy a w dziko rosnących 1-2%. NajwyŜszą zawartość składników mineralnych mają liście i nasiona a najniŝszą korzenie i kłącza. Składniki mineralne (nieorganiczne) po spaleniu biomasy roślinnej pozostają jako popiół, tylko azot i siarka przechodzą częściowo przy spalaniu w lotne tlenki. Wiesz juŝ, Ŝe skład pierwiastkowy skorupy ziemskiej i tkanki roślinnej jest odmienny. Z kolejnych slajdów dowiesz się, jaka jest średnia zawartość pierwiastków w popiele.

11

12 Slajd 8 ZróŜnicowanie względnej zawartości pierwiastków mineralnych na przykładzie azotu średnie stęŝenie azotu [g /kg sm] 4 zboŝa kukurydza burak cukrowy ziemniak trawy motylkowate ziarno/ korzenie/ bulwy słoma/liście zielonka Zawartość azotu w organach stanowiących plon róŝnych roślin uprawnych Warto jeszcze nieco uwagi poświęcić na przeanalizowanie zmienności zawartości względnej pierwiastków w roślinach uprawnych, którą na slajdzie przedstawiono na przykładzie azotu. Wykres potwierdza zróŝnicowanie gatunkowe, o którym była juŝ mowa. Wskazuje takŝe na zróŝnicowanie zawartości azotu w organach rośliny, wpływającej na wartość odŝywczą pokarmu roślinnego. W zboŝach większa zawartość N znajduje się w plonie ziarna, mniejsza w liściach i słomie a w okopowych liście zawierają więcej azotu niŝ części podziemne. Na uwagę zasługuje wysoka zawartość białka w zielonce roślin motylkowatych. Korzenie zapasowe, bulwy i owoce mięsiste zawierają duŝo K +. Wynika to ze stymulacji transportu związków zapasowych do tych organów i aktywacji przez K + enzymów związanych z przemianami cukrowców. Zawartość pierwiastków zmienia się w czasie rozwoju osobniczego. Bardzo waŝne jest zaopatrzenie w azot i w potas roślin młodych, intensywnie rosnących. StęŜenia tych pierwiastków są wtedy duŝe i zmniejszają się z wiekiem, zwiększa się natomiast w trakcie rozwoju zawartość wapnia. Ciekawy, choć nie wyjaśniony jest fakt gromadzenia wapnia w większym stopniu przez rośliny dwuliścienne niŝ jednoliścienne. Krzem, który zaliczono do pierwiastków poŝądanych w niektórych gatunkach (pokrzywa, konopie, perz) moŝe stanowić nawet 2% s.m.

13 Slajd 9 ZróŜnicowanie gatunkowe zapotrzebowania na składniki mineralne na przykładzie siarki zboŝa trawy okopowe kg S /ha lucerna koniczyna rzepak rzepa kapusta gorczyca rzodkiew cebula czosnek Podział wybranych roślin uprawnych pod względem zapotrzebowania na siarkę Zawartość pierwiastka w roślinie moŝe wskazywać na wielkość zapotrzebowania na ten składnik mineralny, pod warunkiem, Ŝe jego zawartość w glebie jest optymalna. Wysokie zapotrzebowanie na składniki mineralne trwa przez cały okres wzrostu korzenia i pędu. Po zakończeniu wzrostu pobieranie pierwiastków maleje a wzrasta tempo wycofywania pierwiastków ze starych liści (redystrybucja). Ich akceptorem mogą być organy reprodukcyjne (reutylizacja). Siarka wprawdzie jest pierwiastkiem, którego niedobór w glebie spotyka się rzadko, ale chodzi tu o przykład zróŝnicowanego zapotrzebowania. Na slajdzie przedstawiono podział roślin uprawnych na grupy o róŝnych wymaganiach pod względem ilości tego pierwiastka, potrzebnej do dobrego plonowania. Zapotrzebowanie na siarkę, wyraŝone w dawce siarki na hektar uprawy, w gatunku o duŝych wymaganiach moŝe być pięciokrotnie większe w stosunku do gatunku o małym zapotrzebowaniu. Tworzenie podobnych zestawień gatunków uprawnych według wielkości zapotrzebowania na pozostałe makroelementy ma duŝe znaczenia praktyczne. Pozwala na odpowiedni dobór gatunków na konkretne gleby. Przy znajomości zasobności gleby w dany pierwiastek ułatwia zaplanowanie prawidłowego nawoŝenia pod te gatunki. Prawidłowe nawoŝenie dotyczy nie tylko dawki ale i odpowiedniej formy, w jakiej podany pierwiastek będzie pobrany.

14 Slajd 10 Fizjologiczna rola korzeni Korzenie bawełny Kompleks chelatowy EDTA- Metal Tekst z boku ekranu Wykształcanie korzeni było konsekwencją opanowania przez rośliny środowiska lądowego i Ŝycia na granicy dwu środowisk gleby i atmosfery, co widać na ekranie Pobieranie pierwiastków jest definiowane jako zdolność rośliny do pobrania, przez korzeń i/lub strzępki grzyba mikoryzowego, składnika mineralnego z gleby lub poŝywki. Mechanizm pobierania pierwiastków róŝni się w znacznym stopniu od mechanizmu przenikania wody do korzeni. Przenikanie wody zachodzi biernie, na zasadzie dyfuzji i/lub osmozy. Pierwiastki mogą takŝe biernie dyfundować przez błony cytoplazmatyczne komórek korzenia, ale znacznie wolniej niŝ woda i zwykle osobnymi kanałami jonowymi. Mogą teŝ biernie lub aktywnie przenikać przez błony z udziałem przenośników białkowych. Pierwiastki pokarmowe występują w glebie w małych stęŝeniach i wiele z nich jest akumulowanych w roślinach wbrew duŝemu gradientowi stęŝeń. W takiej sytuacji muszą być pobrane aktywnie i transportowane przez błony cytoplazmatyczne z wykorzystaniem energii metabolicznej, inaczej niŝ woda i niezaleŝnie od wody. Dalsze przemieszczanie pobranych jonów odbywa się w roślinie w roztworze wodnym. Zwróciłeś zapewne uwagę, Ŝe zawartość pierwiastków w roślinach i ich stosunki ilościowe są odmienne od ich zawartości i wzajemnych proporcji w glebie. Rośliny mają zdolność wybiórczego pobierania składników mineralnych. Mogą akumulować czyli gromadzić pierwiastki w wyŝszych niŝ w glebie stęŝeniach, pobierając je aktywnie. Składniki mineralne są pobierane przez system korzeniowy prawie wyłącznie w formie jonów lub chelatów.

15 Przedstawiony na ekranie chelat odgrywa waŝną rolę przy pobieraniu wielu pierwiastków. Więcej o procesie chelatacji dowiesz się ze skryptu, ze slajdu Fizjologiczne znaczenie chelatacji.

16 Slajd 11 Fizjologiczne znaczenie chelatacji Chelatacja Chelator Kompleks chelatowy Sztuczne chelatory, EDTA Rola chelatorów Naturalne chelaty wydzielane przez rośliny Naturalne chelaty w roślinie Chelatacja to wytworzenie dwu lub więcej oddzielnych wiązań pomiędzy ligandem i pojedynczym atomem centralnym. Chelatorem nazywa się czynnik chelatujący, który jest zwykle związkiem organicznym. Kompleks chelatowy powstaje, gdy ligand bierze w kleszcze (gr chele-kleszcze raka) jon metalu i tworzy kompleks rozpuszczalny w wodzie. Inaktywuje przy tym jon metalu tak, Ŝe nie moŝe łączyć się z innymi jonami i cząstkami oraz wytrącać osadów. Dotyczy to szczególnie Ŝelaza, miedzi i cynku. Naturalnymi chelatorami mogą być np. kwasy organiczne wydzielane przez korzeń do podłoŝa, wspomagające pobieranie metali. Związki chelatujące w glebie pochodzą takŝe z wydzielin mikroorganizmów rozkładających związki organiczne. Istnieją teŝ sztuczne chelatory. Najbardziej znanym jest EDTA (EthyleneDiamineTetraacetic Acid) kwas etylenodiaminotetraoctowy zwany kwasem wersenowym. EDTA tworzy czterokleszczowe chelaty z Ca 2+ i Mg 2+ oraz sześciokleszczowy chelat z Fe 3+. Chelaty odgrywają teŝ rolę ochronną wewnątrz komórek, chroniąc białka cytoplazmy przed szkodliwym działaniem metali cięŝkich. W warunkach skaŝenia metalami cięŝkimi syntetyzowane są w roślinach specjalne peptydy ochronne, zawierające wiele grup tiolowych SH fitochelatyny. Naturalne chelaty roślinne, zwiększające wielokrotnie aktywność metalu, to takŝe kluczowe związki metabolizmu rośliny. NajwaŜniejsze z nich to: chelaty magnezu Mg 2+ - barwniki fotosyntetyczne z grupy chlorofili oraz

17 chelaty Ŝelaza Fe 3+ (układy hemowe) - w przenośnikach elektronów z grupy cytochromów, w enzymie antyoksydacyjnym- katalazie, w grupie prostetycznej wielu enzymów hemie.

18 Slajd 12 Makroskładniki forma pobierana przez korzenie org/wiki/file:electron_shell. Fosfor H 2 PO 4 - HPO 4 2- Azot NO 3 - (ph>7) NH 4 + (ph<7) CH 4 N 2 O Siarka SO 4 2- Wapń Ca 2+ chelaty Magnez Mg 2+ chelaty Potas K + Pojawia się napis na ekranie Pod symbolem pierwiastka na ekranie po kliknięciu myszką znajdziesz formę jonu w jakiej jest pobierany makroelement. Tekst z boku ekranu Komórki roślinne mogą pobierać pewne jony, których potrzebują w większych ilościach w sposób priorytetowy i akumulować je w wyŝszych stęŝeniach niŝ inne jony. Kationy są pobierane w sposób uprzywilejowany w stosunku do anionów, ale niektóre kationy są pobierane w sposób preferencyjny w stosunku do innych kationów, np. K + w stosunku do Mg 2+. Zdolność do koncentracji jonów w komórkach, wynikająca z moŝliwości ich pobierania wbrew róŝnicy potencjałów elektrochemicznych, wiąŝe się takŝe z moŝliwością ich akumulowania w wakuoli. Zbyt duŝa koncentracja jonów w cytozolu i zaburzenie stosunków jonowych prowadzi przede wszystkim do upośledzenia struktury i funkcji białek. Wśród makroskładników pod względem formy pobierania wyróŝnia się azot. Jako jedyny moŝe być pobierany jako kation amonowy lub anion azotanowy a takŝe w postaci prostego związku organicznego mocznika. Od niedawna wiadomo, Ŝe takŝe inne proste związki organiczne, występujące w niewielkich stęŝeniach, aminokwasy i amidy, mogą być jego źródłem dla roślin.

19 W przypadku fosforu pobierane mogą być róŝne jony, stwierdza się jednak, Ŝe jon ortofosforanowy H 2 PO - 4 jest uprzywilejowany w przenoszeniu przez błony cytoplazmatyczne za pomocą transporterów fosforu. W nieznacznych ilościach azot i siarka w postaci tlenków mogą dostawać się do roślin z powietrza, przez aparaty szparkowe. Rośliny oczyszczają z nich atmosferę, ale duŝe ich stęŝenia są toksyczne.

20 Slajd 13 Mikroskładniki forma pobierana przez korzenie śelazo Fe 2+ Fe 3+ chelaty Cynk Zn 2+ chelaty Chlor Cl - Mangan Mn 2+ Mn 3+ chelaty Bor H 2 BO 3 - BO 3 3- B 4 O 7 2- Nikiel Ni + Miedź Cu 2+ Cu + chelaty Molibden MoO Pojawia się napis na ekranie Pod symbolem pierwiastka na ekranie po kliknięciu myszką znajdziesz formę jonu w jakiej jest pobierany mikroelement. Tekst z boku ekranu Mikroelementy biorą udział we wszystkich reakcjach metabolicznych i funkcjach Ŝyciowych komórki. Rośliny mają róŝne zapotrzebowanie na mikroelementy, ale 8 z nich (B, Cl, Cu, Fe, Mn, Mo, Ni, Zn) występuje we wszystkich roślinach wyŝszych. Mimo, Ŝe są obecne w roślinach w bardzo małych ilościach, wiele z nich pełni bardzo waŝną funkcję katalityczną jako kofaktory metaloenzymów oksydo-redukcyjnych (np. Fe) inne działają jako aktywatory enzymów (np. Mn) a jeszcze inne jako stabilizatory struktury białek (np. Zn) lub regulatory budowy struktur komórkowych (np. B ściana komórkowa) czy teŝ regulatory ekspresji genów (np. Zn). Bor, kontrolując wzrost łagiewki pyłkowej, wpływa takŝe na proces reprodukcji. Zbyt duŝe stęŝenia tych pierwiastków mogą jednak działać toksycznie. Właściwości redoks mogą powodować, Ŝe te niezbędne do Ŝycia roślin jony metali stają się przyczyną powstawania, groźnych dla komórki, reaktywnych form tlenu. TakŜe przyłączanie nadmiaru metali do białek moŝe niszczyć ich strukturę. W związku z podwójnym, korzystnym i toksycznym, działaniem mikroelementów rozwinęły się w komórce mechanizmy utrzymania ich precyzyjnej równowagi z udziałem białek opiekuńczych. W związku z tym mało metali występuje w komórce w formie

21 wolnych jonów. Mikroskładniki, poza Cl i B, występują w połączeniu z białkami. Najliczniejszą grupę (>1200) stanowią białka cynkowe, w tym duŝa grupa czynników transkrypcyjnych. Do grupy mikroelemnetów włączono niedawno nikiel (Ni), jako składnik enzymu ureazy koniecznej do Ŝywienia roślin mocznikiem. Pierwiastek ten wpływa takŝe na symbiozę azotową oraz na pobieranie Ŝelaza. Nawet po pobieŝnym przeglądzie funkcji mikroskładników moŝna stwierdzić, Ŝe mimo, iŝ zawartość mikroskładników w roślinie jest mała, odgrywają one waŝną rolę fizjologiczną.

22 Slajd 14 Pierwiastki korzystne w Ŝywieniu mineralnym Selen Wanad Kobalt Krzem Sód Glin Pojawia się napis na ekranie Pod symbolem pierwiastka na ekranie po kliknięciu myszką znajdziesz nazwę pierwiastka poŝądanego. Tekst z boku ekranu Jest zastanawiające, dlaczego te pierwiastki określono jako poŝądane a nie jako zbędne. Zapoznaj się najpierw z definicją tego określenia a potem sam ocenisz, czy podane pierwiastki spełniają to kryterium. Pierwiastki poŝądane to takie pierwiastki, które korzystnie wpływają na przebieg niektórych procesów wzrostowo-rozwojowych wszystkich gatunków lub grup roślin. Nie są jednak konieczne do przejścia całego cyklu rozwojowego rośliny od kiełkowania do wydania nasion. Kolejno podane są informacje o działaniu tych pierwiastków. Krzem (Si) jest w duŝej ilości gromadzony w niektórych trawach bagiennych i w skrzypach. Zwiększa ich odporność na choroby grzybowe i szkodniki. Zwiększa mechaniczną wytrzymałość łodyg i źdźbeł. Sposób jego wpływu na zmniejszenie parowania i zwiększenie gromadzenia fosforu nie jest jeszcze wyjaśniony. Sód (Na) jest potrzebny roślinom z rodziny Chenopodiaceae. MoŜe stymulować plonowanie owsa i buraka, szczególnie przy słabym zaopatrzeniu gleby w potas. Podobnie jak potas poprawia uwodnienie koloidów komórkowych i obniŝa potencjał osmotyczny. Kobalt (Co) jest konieczny dla roślin motylkowych, Ŝyjących w symbiozie z bakteriami brodawkowymi. DuŜe stęŝenia tego pierwiastka znaleziono w liściach buraków cukrowych. Jego niedobór w tkankach roślinnych moŝe być groźny dla zwierząt. Wanad (V) ma

23 korzystny wpływ na rośliny wyŝsze w glebach kwaśnych, z brakiem dostępnego molibdenu. Jego działanie ma związek z asymilacją azotu w brodawkach korzeniowych z Rhizobium. Pozytywny wpływ dotyczy cech ilościowych wielkości plonu roślin motylkowatych. Poprawę cech jakościowych - zawartości białka w ziarnie obserwuje się u kukurydzy. Selen (Se) jest potrzebny niektórym glonom planktonowym. W roślinach wyŝszych jest składnikiem centrum aktywnego enzymu antyoksydacyjnego peroksydazy glutationowej oraz jest magazynowany w niektórych gatunkach roślin. Glin (Al) jest konieczny dla mszaków a dla wielu gatunków jest zdecydowanie niekorzystny. Wśród wyjątków jest herbata, którą wzrost stęŝenia Al pobudza do wzrostu.

24 Slajd 15 OdŜywianie mineralne -zapamiętaj Zapamiętaj! OdŜywianie mineralne to złoŝony, wieloetapowy proces, od pobrania składnika mineralnego do jego wykorzystania w roślinie Zawartość pierwiastków w roślinach i ich stosunki ilościowe są odmienne od ich zawartości i wzajemnych proporcji w glebie Rośliny mają zdolność wybiórczego pobierania składników mineralnych Rośliny mają zdolność wybiórczego pobierania składników mineralnych Rośliny mogą akumulować czyli gromadzić pierwiastki i wyŝszych niŝ w glebie stęŝeniach, pobierając c je aktywnie Składniki mineralne są pobierane przez system korzeniowy prawie wyłącznie w formie jonów lub chelatów Istnieją róŝne sposoby klasyfikacji składników mineralnych. Najczęściej uŝywany jest podział ilościowy na makroskładniki adniki i mikroskładniki Pierwiastki ruchliwe, pobrane i wykorzystane w jednym miejscu mogą być przemieszczone i reutylizowane czyli wykorzystane ponownie w innym miejscu

25 Slajd 16 Pobieranie i transport pierwiastków mineralnych Model budowy błony lipidowo-białkowej płynna mozaika education/teachers/learnnet/cfb/images/09a.jpg&imgrefurl = Elementy selektywnie przepuszczalnej błony lipidowobiałkowej ADP Pi ][[ ATP Schematycznie przedstawiona dwuwarstwa lipidowa błony (białka pominięto) białka kanałowe w błonie białka przenośnikowe w błonie białka pomp jonowych ATP-az w błonie Tekst z boku ekranu Elementy graficzne, przedstawione na tym ekranie są wykorzystane na następnych ekranach do ilustracji mechanizmów przenoszenia jonów przez błony lipidowo-białkowe. Białka strukturalne, stanowiące składnik błon czy teŝ inne białka związane z błoną (receptorowe, sygnałowe, enzymatyczne, transportowe, regulatorowe) nie zostały uwzględnione, dla zachowania większej przejrzystości schematów i animacji. Zaznaczone są tylko białka związane z wybranym sposobem transportu błonowego. Przypomnij sobie poznany na botanice model budowy błon komórkowych. Większość jonów jest pobierana wbrew gradientowi stęŝeń i/lub ładunków aktywnie, z pokonaniem potencjału elektrochemicznego błony komórkowej komórek korzenia. Selektywnie czyli wybiórczo przepuszczalne błony cytoplazmatyczne regulują zatem wewnętrzny skład jonowy komórek roślinnych. Jony mogą przenikać z gleby do ścian komórkowych komórek korzenia, głównie wypustek skórki korzenia czyli włośników, na zasadzie dyfuzji. Zachowanie równowagi ładunków elektrycznych (kationów i anionów) w komórkach korzenia wiąŝe się ze zjawiskiem pobierania jonów na zasadzie wymiany jonowej pomiędzy rośliną a glebą, opisanej dalej. Dalsza dyfuzja apoplastem lub symplastem jest moŝliwa od większego do mniejszego stęŝenia jonu. Jest to transport bliski, bierny, bez nakładu energii metabolicznej i nieselektywny (patrz skrypt pdf, slajd Transport bliski jonów w korzeniu. Mechanizmy

26 transportu jonów przez błony komórkowe, które są podstawą wybiórczej przepuszczalności błon, są przedstawione na kolejnych ekranach.

27 Slajd 17 Transport bliski jonów w korzeniu Transport jonów w korzeniu apoplastem Transport jonów w korzeniu symplastem Rola śródskórni w transporcie jonów Załadunek jonów do ksylemu Jony przenikają z roztworem wodnym w obrębie przestworów i ścian komórkowych miękiszu kory pierwotnej korzenia czyli apoplastem. Jony, które przeniknęły przez błony komórkowe korzenia mogą dyfundować dalej symplastem, przenikając z komórki do komórki przez plazmodesmy. Część jonów pokonuje w ten sposób drogę w poprzek miękiszu kory pierwotnej korzenia. Od włośników jony mogą zatem przenikać radialnie apoplastem, przez błony i symplastem kory pierwotnej. Przepływ wody i jonów apoplastem zablokowany jest przez komórki śródskórni o skutynizowanych ścianach komórkowych. Po przeniknięciu przez błony komórek przepustowych dalsza migracja poprzez walec osiowy zachodzi juŝ drogą symplastyczną. Jony gromadzą się w komórkach miękiszu walca osiowego i zgodnie z gradientem stęŝeń z pomocą białek nośnikowych transportowane są do naczyń ksylemu.

28 Slajd 18 Ściana komórkowa ][ Cytoplazma komórki Potencjał błonowy transport bierny i aktywny polaryzacja Transport bierny Dyfuzja przez dwuwarstwę lipidową Dyfuzja przez kanał białkowy Dyfuzja ułatwiona przez przenośnik białkowy K ][ Napływ K+ do komórki ][ K + Wypływ K + z komórki depolaryzacja hyperpolaryzacja ][ Transport aktywny Pompa jonowa ADP Pi ATP Pojawia się i znika napis na ekranie Przeczytaj opis z lewej strony ekranu. Kliknięciem myszki uruchom animację potencjału błonowego, powtórnym kliknięciem uruchom animację transportu biernego i aktywnego przez błony. Tekst z lewej strony ekranu Jony mają ładunek elektryczny, dlatego ich asymetryczne rozmieszczenie po obu stronach błony decyduje o polaryzacji błony i wielkości elektrycznego potencjału transbłonowego. Potencjał błonowy jest to róŝnica potencjału elektrycznego po dwóch stronach błony, powstała na skutek nierównomiernego rozmieszczenia i akumulacji jonów o róŝnym ładunku po obu stronach błony. W komórkach roślinnych wewnętrzny ujemny potencjał błon wynosi od -120 do 200 mv w plazmolemie. Potencjał błonowy tonoplastu wynosi około -90mV. Depolaryzacja to zmniejszenie potencjału błonowego na skutek przepływu jonów przez błonę i podniesienia potencjału w komórce. Hyperpolaryzacja to z kolei zwiększenie potencjału błonowego na skutek przepływu jonów i obniŝenia potencjału w komórce. Względnie duŝa przepuszczalność błon komórkowych dla K + powoduje istotny wpływ tego jonu na modyfikacje potencjału błonowego, przedstawione na ekranie. Transport pierwiastków mineralnych przez błony lipidowo-białkowe zachodzi zarówno pomiędzy komórką i środowiskiem, komórkami sąsiednimi i obszarami wewnątrzkomórkowymi, oddzielonymi błonami. Na ekranie zestawiono róŝne rodzaje (bierny i aktywny) i sposoby (kanały, transportery) transportu przez błony. Ich wyjaśnienie znajduje

29 się w skrypcie pdf na slajdzie Transport pierwiastków mineralnych przez błony komórkowe.

30 Slajd 19 Transport pierwiastków mineralnych przez błony komórkowe Transport bierny przez błony cytoplazmatyczne dyfuzja prosta dyfuzja złoŝona dyfuzję ułatwiona Transport błonowy białka kanałowe białka przenośnikowe Transport bierny przez błony cytoplazmatyczne odbywa się spontanicznie, zgodnie z róŝnicą potencjału osmotycznego i elektrochemicznego, wynikającego z róŝnicy stęŝenia i ładunku jonów po obu stronach błony, bez dodatkowego nakładu energii. Ustaje w momencie wyrównania stęŝeń. Ten rodzaj transportu obejmuje dyfuzję prostą, zaleŝną do gradientu stęŝeń, dyfuzję złoŝoną, zaleŝną od stęŝeń i ładunku i dyfuzję ułatwioną z udziałem białek nośnikowych. Przenikanie np. Ca 2+ do rośliny jest procesem biernym. Przenikanie cząsteczek rozpuszczalnych w tłuszczach moŝe zachodzić drogą dyfuzji przez dwuwarstwę lipidową błony (np. O 2 i CO 2 ). Cząsteczki i jony rozpuszczalne w wodzie przenoszone są przez błony z udziałem białek transportujących. Dwie główne klasy białek transportujących to białka kanałowe i przenośnikowe, zwane teŝ transporterami. Przenośniki białkowe wiąŝą rozpuszczoną w wodzie substancję po jednej stronie błony i przenoszą ją na drugą stronę, dzięki zmianie konformacji przestrzennej przenośnika lub zmieniają stan uwodnienia jonu. Przenośniki są wysoce selektywne i transportują często tylko jeden typ cząsteczek, pasujących do miejsca wiąŝącego na białku przenośnika. Kanały są małymi, hydrofilowymi porami w białkach błony, przez które mogą dyfundować cząsteczki lub jony. Większość kanałów przepuszcza tylko jony nieorganiczne, rozpuszczalne w wodzie (np. K + ) i dlatego nazywa się je kanałami jonowymi. Poczwórne kanały przez które przenika woda, nazywane akwaporynami, mogą czasem transportować kanałem centralnym określone jony.

31

32 Slajd 20 Kanały jonowe i pompy jonowe Otwieranie i zamykanie kanałów jonowych -bramkowanie ][ ][ Bramkowanie potencjałem błonowym ][ ][ ][ Bramkownie ligandem chłód ][ Bramkowanie stresem pompy protonowe plazmalemy i tonoplastu ATP ATP ATP ATP H+ H+ Ca 2+ Ca 2+ ADP Pi ADP Pi ADP Pi ADP Pi pompy wapniowe Ca 2+ - ATPazy w plazmalemie i tonoplaście Pojawia się i znika napis na ekranie Przeczytaj opis z lewej strony ekranu. Kliknięciem myszki uruchom animację bramkowania kanałów jonowych, powtórnym kliknięciem uruchom animację działania pomp jonowych. Tekst z lewej strony ekranu Widoczne na ekranie kanały jonowe mogą być otwarte lub zamknięte na skutek bramkowania przez róŝne czynniki. Błona komórkowa, błona wakuolarna i pozostałe błony wewnątrzkomórkowe zawierają, często odmienne, róŝnorodne białka kanałowe, wprowadzające lub wyprowadzające jon i róŝne przenośniki białkowe, regulujące skład jonowy przedziałów komórkowych. Więcej o kanałach jonowych moŝesz dowiedzieć się ze skryptu pdf, slajd Kanały jonowe. Transport aktywny przez błony cytoplazmatyczne to przemieszczenie cząsteczki lub jonu przez błonę, wbrew gradientowi stęŝeń lub ładunku czyli potencjału elektrochemicznego jonu, które wiąŝe się z wykonaniem pracy przez przenośniki białkowe. Musi być zatem sprzęŝone z innymi procesami, dostarczającymi energii metabolicznej jak hydroliza ATP lub utlenianie NADH i NADPH. Pobieranie K +, Mg 2+, HPO i SO 4 jest procesem aktywnym. Transport aktywny, zachodzi z udziałem specjalnego typu przenośników, sprzęŝonych z określonymi źródłami energii. NaleŜą do nich nośniki białkowe zaleŝne od ATP i przenośniki białkowe sprzęŝone z gradientem stęŝenia protonów wodorowych H + (ph),

33 wytwarzanym przez pompy protonowe (wyjaśnienie ich działania znajdziesz w skrypcie pdf, slajd Pompy jonowe ). Na ekranie przedstawiono działanie pierwotnej pompy protonowej H + - ATPazy oraz pompy jonowej Ca 2+ -ATP-azy w plazmolemie i tonoplaście. Zarówno nadmiar Ca 2+ jak i H + jest przenoszony poza obręb cytoplazmy podstawowej, do ściany komórkowej i do wakuoli.

34 Slajd 21 Kanały jonowe Selektywność kanałów jonowych Bramkowanie kanałów jonowych Transport kanałowy zgodny z gradientem potencjału elektrochemicznego Szybkość przenoszenia jonów przez błony Selektywność kanałów jonowych zaleŝy od średnicy, kształtu i od rozmieszczenia naładowanych reszt aminokwasowych w uwodnionym wnętrzu białkowego kanału. ZaleŜy teŝ od wielkości, ładunku i stopnia uwodnienia przenikającego jonu (kanały kationo lub aniono selektywne). Maksymalna szybkość transportu przez kanały jest wielokrotnie większa niŝ przez przenośniki. Istnieją kanały wpustowe i wypustowe. Zamknięcie lub otwarcie kanałów jest moŝliwe dzięki bramkowaniu, które zmieniając konformację białka, powoduje zmianę stanu kanału. Stan otwarcia wielu kanałów jest regulowany przez wielkość potencjału błonowego. Inne są bramkowane przez stres lub przez przyłączenie ligandu (np. określonego białka receptorowego) zewnątrz lub wewnątrzkomórkowego (np. jon Ca 2+ ). Przejście ze stanu otwartego w zamknięty i odwrotnie jest regulowane przez określone warunki wewnątrz i na zewnątrz komórki, powodujące wzrost prawdopodobieństwa zamykania lub otwierania kanałów. Przejściowa przepuszczalność kanałów dla wybranych jonów nieorganicznych powoduje szybką dyfuzję tych jonów, zgodnie z ich gradientem elektrycznym i chemicznym. Szybkość przenoszenia jonów przez błony zaleŝy od ilości kanałów jonowych na jednostce powierzchni błony i róŝnicy stęŝeń jonów. Jest wprost proporcjonalna do obu tych czynników. Najlepiej poznane są kanały potasowe, wapniowe i chlorkowe, występujące zarówno w plazmolemie jak i w tonoplaście.

35

36 Slajd 22 Pompy jonowe Pierwotna pompa protonowa - H + - ATPaza Pompa wapniowa Ca 2+ -ATP-az Transport aktywny jonów przez błony Pierwotna pompa protonowa funkcjonuje jako białko nośnikowe H + - ATPaza. Białko to jest nośnikiem przenoszącym przez błony protony wodorowe ze znaczną szybkością i niezaleŝnie od gradientu elektrochemicznego. Energia konieczna do tego transportu jonu pochodzi z hydrolizy ATP przez to białko, dlatego nazywa się ono ATP-azą. Pi powstały wyniku hydrolizy ATP do ADP jest przyłączany przez białko nośnikowe. Fosforylacja zmienia konformację białka i umoŝliwia przeniesienie jonu wodoru.. Transport Ca 2+ odbywa się za pośrednictwem aktywnych pomp wapniowych Ca 2+ -ATP-az. Działają one analogicznie jak pompy protonowe, wykorzystując energię hydrolizy ATP do ADP i przyłączając Pi do białka przenośnika. Są więc pompami jonowymi naleŝącymi do ATP-az typu P. W transporcie aktywnym istnieją jeszcze inne pompy jonowe, zaleŝne od ATP oraz inne typy przenośników i kanałów, niezaleŝne od ATP. NaleŜą do nich m.in. transportery Pi, azotanów i pierwiastków śladowych.

37 Slajd 23 Uniport, kotransport: antyport i symport Uniport - transport pojedynczy Antyport Ca 2+ w tonoplaście Ca 2+ ATP H+ ADP Pi Kotransport -transport sprzęŝony H+ Symport - transport w tym samym kierunku Symport NO 3- w plazmolemie NO - 3 H+ Antyport transport w przeciwnych kierunkach ATP H+ ADP Pi Pojawia się napis na ekranie Przeczytaj opis z lewej strony ekranu. Kliknięciem myszki uruchom animację uniportu i kotransportu, powtórnym kliknięciem uruchom animację antyportu Ca 2+ w tonoplaście i symportu NO - 3 w plazmolemie. Tekst z lewej strony ekranu Substancja, która ma być przemieszczana zgodnie z gradientem potencjału elektrochemicznego, moŝe dyfundować pojedynczo. Jest to uniport. Dotyczy to mechanizmów dyfuzji prostej, złoŝonej i ułatwionej, zarówno przez kanały jak i przez przenośniki. W ten sposób jest przez plazmolemę transportowany jon amonowy. Aktywny transport substancji przez błony przez przenośniki białkowe wymaga wytworzenia potencjału błonowego. Powstaje on między innymi w wyniku transportu pierwotnego, w którym na skutek działania pomp protonowych powstaje gradient elektrochemiczny protonów i gradient ph w poprzek błony. Polaryzacja błony wywołana pierwotnym transportem jonów przez kanały i pompy jonowe, stanowić moŝe siłę napędową do wtórnego transportu innych jonów przez błony. Mamy wtedy do czynienie z transportem sprzęŝonym. W transporcie wtórnym jonów, sprzęŝonym z pierwotnym, gradient protonowy jest wykorzystywany do jednoczesnego transportu innych jonów czyli kotransportu, inaczej współtransportu. W zaleŝności od kierunku przenoszenia wyróŝnia się symport i antyport. JeŜeli przenośnik wspomaga transport przez błonę jednocześnie dwóch jonów w tym samym

38 kierunku tzn. kierunek transportu protonów i jonów towarzyszących jest taki sam, określa się to mianem symportu. JeŜeli kierunki przenikania jonów są przeciwne, taki współtransport określa się mianem antyportu. Animacja uniportu, symportu i antyportu znajduje się po lewej stronie ekranu. Przykładem transportu sprzęŝonego z pierwotną pompą protonową moŝe być antyport Ca 2+ w tonoplaście i symport NO - 3 w plazmolemie po prawej stronie ekranu.. Więcej szczegółów na slajdzie Pierwotne pompy protonowe plazmolemy i tonoplastu w skrypcie w pdf.

39 Slajd 24 Pierwotne pompy protonowe plazmolemy i tonoplastu Pierwotna pompa protonowa tonoplastu Pierwotna pompa protonowa plazmolemy Pierwotna pompa protonowa tworzy gradient protonów wodoru w poprzek tonoplastu, uzyskany dzięki energii z hydrolizy ATP do ADP i Pi. Białko to nie podlega jednak fosforylacji jak ATP-aza plazmolemy, dlatego zaliczana jest do pomp protonowych typu V. Ten gradient protonowy jest zmagazynowaną energią, która moŝe być uŝyta do transportu innych jonów przez błonę np. jonu Ca 2+ do wnętrza wakuoli. Proton wodorowy opuszcza wakuolę zgodnie z róŝnicą stęŝeń, umoŝliwiając jednoczesny aktywny transport Ca 2+ w stronę przeciwną. W tonoplaście występuje takŝe drugi typ pompy protonowej zwanej H + -pirofosfatazą (H + - PPaza). Do jej aktywności niezbędne są kationy H +,K + i Mg 2+. Pierwotna pompa protonowa tworzy gradient protonów wodoru w poprzek plazmolemy, uzyskany dzięki energii z hydrolizy ATP do ADP i Pi. Ten gradient protonowy jest wykorzystany do aktywnego przeniesienia jonu NO - 3 do wnętrza komórki, wbrew gradientowi potencjału elektrochemicznego. Wnikanie NO - 3 do komórki odbywa się wraz z protonem wodoru, który wnika do komórki zgodnie z gradientem potencjału, na drodze -. symportu, w tym samym kierunku co NO 3 Na drodze symportu z jonami wodorowymi pokonują błony takŝe jony SO 2-4 i H 2 PO - 4.

40 Slajd 25 Lokalizacja pobierania pierwiastków mineralnych i wymiana jonów K + HPO 4 2- SO 2-4 NH + 4 NO 3 - Ca 2+ H 2 PO 4 - włośniki strefa róŝnicowania K + H + Cl -- ph gleby K + HPO 4 2- SO 2-4 NH + 4 NO 3 - NO 3- Ca 2+ Mg 2+ Ca 2+ Pobieranie jonów w róŝnych strefach korzenia strefa wydłuŝania strefa podziałów sól fizjologicznie kwaśna Ca NO Ca 2+ NO OH -- lub HCO HCO ph gleby sól fizjologicznie zasadowa Wymiana jonów korzeń- gleba Tekst z lewej strony ekranu Zapoznaj się z animacjami na ekranie i przeczytaj opis. Zajrzyj teŝ do skryptu w pdf do slajdu Przemieszczanie jonów pokarmowych w glebie, równowaga Donnana w roślinie oraz Lokalizacja pobierania pierwiastków w korzeniu. Konieczność zachowania równowagi ładunków elektrycznych (kationów i anionów) w komórkach wiąŝe się ze zjawiskiem pobierania jonów na zasadzie wymiany jonowej pomiędzy rośliną a glebą, która nie zmienia ładunku elektrostatycznego w korzeniu. Kation H + jest wydzielany przez korzeń w zamian za kation pokarmowy pobierany z gleby. Anion OH - - lub HCO 3 jest wydzielany z korzenia w zamian za anion pokarmowy. Jony wymienne w korzeniach pochodzą z procesu oddychania. JeŜeli z danej soli roślina intensywniej pobiera kationy niŝ aniony, wydzielając intensywniej protony wodorowe, zakwasza środowisko korzeniowe i obniŝa wskaźnik ph. Taką sól nazywa się fizjologicznie kwaśną. JeŜeli natomiast z danej soli roślina intensywniej pobiera aniony niŝ kationy, wydzielając intensywniej aniony hydroksylowe OH - lub reszty słabego kwasu węglowego HCO - 3, alkalizuje środowisko korzeniowe i podwyŝsza ph. Taką sól nazywa się fizjologicznie zasadową. ZrównowaŜone pobieranie kationów i anionów z danej soli nie wpływa na zmianę odczynu gleby i sól taką nazywa się fizjologicznie obojętną. Przykład soli fizjologicznie kwaśnej i zasadowej przedstawiono na ekranie.

41 Slajd 26 Przemieszczanie jonów pokarmowych w glebie, równowaga Donnana w roślinie przemieszczanie pokarmowych jonów mineralnych w glebie strefa wyczerpania składników pokarmowych wokół korzenia łatwiejszy transport kationów niŝ anionów przez błony równowaga Donnana Przemieszczanie jonów pokarmowych w glebie w kierunku korzenia odbywa się na zasadzie przepływu masowego z wodą (N) lub na zasadzie dyfuzji (P, K). Pierwiastki przeniesione z wodą w sąsiedztwo korzenia mogą przejściowo zgromadzić się w rizosferze (Ca, Mg). Dyfuzja jonów zachodzi na skutek róŝnicy stęŝeń, która wynika z pobierania tych jonów przez korzenie. Jest to proces powolny i dlatego tempo transportu zaleŝy od tempa pobierania pierwiastka i od szybkości penetracji gleby przez system korzeniowy. Penetracja gleby zaleŝy od szybkości wzrostu korzeni na długość oraz szybkości powiększania się średnicy strefy wyczerpania składników pokarmowych wokół korzenia, w której brakuje juŝ jonów na skutek ich pobrania. Rozrastanie się systemu korzeniowego ma szczególne znaczenie w przypadku pierwiastków mało ruchliwych w glebie (P). Transport jonów zaleŝy między innymi od róŝnicy ładunków po obu stronach błony. W ścianie i błonie komórkowej istnieje przewaga ładunków ujemnych, związanych z obecnością zdysocjowanych pektynianów oraz białek. Z tego powodu kationy łatwiej dyfundują przez błony niŝ aniony, gromadzą się bowiem w apoplaście i na zewnętrznej stronie błony komórkowej na zasadzie róŝnicy ładunków. Przestrzeń apolastu korzenia, do której dyfundują kationy, od nazwiska jego odkrywcy, nazwano przestrzenią Donnana a zjawisko nazywa się równowagą Donnana.

42 Slajd 27 Lokalizacja pobierania pierwiastków w korzeniu strefa włośnikowa korzenia pobieranie Ca i P w najmłodszej strefie włośnikowej Pobieranie jonów zachodzi głównie w strefie włośnikowej korzenia. Włośniki korzeniowe stanowią 70-90% powierzchni korzeni. System transportu N, P, K i S przez błony cytoplazmatyczne w korzeniu związany jest szczególnie z komórkami epidermy w strefie włośnikowej, ale pobieranie odbywa się takŝe w strefie wzrostu. Pobieranie Ca odbywa się w najmłodszej strefie włośnikowej, gdzie endoderma nie ma jeszcze pasemek Caspariego oraz w części wierzchołkowej korzenia, gdzie nie ma endodermy i transport odbywa się apoplastem. Przy wierzchołku korzeni pobierany jest takŝe P. Właściwe pobieranie jonów przez komórki korzenia odbywa się ze ścian komórkowych komórek skórki lub kory pierwotnej korzenia. Transport jonów od włośników do naczyń przewodzących korzenia, odbywa się, podobnie jak wody, apoplastem, symplastem i przez błony komórkowe, które pokonują co najmniej dwukrotnie wnikając do symplastu i przenikając do naczyń lub cewek drewna.

43 Slajd 28 Rola śródskórni w bliskim transporcie jonów i transport daleki pierwiastków mineralnych Ca 2+ K + HPO 4 2- NO - 3 Endoderma hamuje przenikanie jonów apoplastem Ca 2+ K + Pi NO - 3 Mg 2+ NH + 4 SO 2-4 Fe Zn Cu B Mo Mn drewno K + H 2 PO - 4 HPO 2-4 NO - 3 Mg 2+ NH + 4 SO 2-4 Cl - łyko Pierwiastki transportowane drewnem i łykiem Tekst z lewej strony ekranu Na ekranie przedstawiono schematycznie rolę śródskórni w kontroli bliskiego i dalekiego transportu jonów oraz skład pierwiastkowy roztworu z drewna i łyka. Szczegóły znajdziesz w opisie. Endoderma z suberynowymi pasemkami Caspariego zatrzymuje transport roztworu wodnego drogą apoplastyczną. Suberyna jest nieprzepuszczalna dla roztworu wodnego. Dzięki temu w warstwie endodermy jest moŝliwa ostatnia, przed wniknięciem do naczyń, kontrola składu jonowego roztworu, który naczyniami popłynie z korzenia do pędu. Zachodzi ona dzięki selektywnie przepuszczalnym błonom cytoplazmatycznym komórek przepustowych endodermy. Mogą tu zostać zatrzymane pierwiastki występujące w nadmiarze, pierwiastki spoza grupy niezbędnych a takŝe pierwiastki szkodliwe, które przeniknęły z gleby do apoplastu dzięki duŝej róŝnicy stęŝeń. Transport pierwiastków z korzenia do pędu odbywa się elementami drewna wraz ze wstępującym strumieniem wody. Skład pierwiastkowy roztworu ksylemowego jest zróŝnicowany. Mechanizmy przepływu wody przez roślinę zostały omówione w dziale poświęconym gospodarce wodnej. Przypomnijmy, Ŝe rozcieńczony roztwór wodny przepływa ksylemem do góry dzięki sile podciśnienia, generowanej przez proces transpiracji lub nadciśnienia, wytwarzanego przez parcie korzeniowe. Istnieje zatem związek przepływu wody przez roślinę z zaopatrzeniem w składniki mineralne jej organów, choć nawet w warunkach ograniczonej transpiracji proces pobierania i przemieszczania jonów nie ustaje.

44 Wycofywanie jonów ruchliwych w roślinie ze starzejących się liści do młodych części rośliny, gdzie mogą być ponownie wykorzystane, nosi nazwę zjawiska reutylizacji. Więcej szczegółów transportu dalekiego jonów w roślinie moŝesz poznać ze slajdu Transport daleki pierwiastków z korzenia do pędu w skrypcie w pdf a o rozdziale pierwiastków pomiędzy organy dowiesz się ze slajdu Dystrybucja pierwiastków w roślinach.

45 Slajd 29 Transport daleki pierwiastków z korzenia do pędu załadunek i rozładunek jonów do / z ksylemu i floemu zjawisko cyrkulacji zjawisko reutylizacji zpecyfika pobierania wapnia Gromadzona jest wiedza dotycząca sposobów załadunku oraz rozładunku poszczególnych jonów do ksylemu i floemu. Niewiele jeszcze wiadomo o transporterach tych procesów, mechanizmy załadunku z miękiszu ksylemowego do naczyń dla Pi, NO - 3 i K + są juŝ częściowo poznane. Dzięki wymianie wody i jonów pomiędzy elementami drewna i łyka w wiązkach przewodzących (zjawisko cyrkulacji), rozprowadzanie wielu jonów po róŝnych częściach rośliny odbywać się moŝe z udziałem elementów łyka. StęŜenie niektórych jonów np. K + we floemie moŝe być nawet wyŝsze niŝ w ksylemie. Dotyczy to szczególnie zaopatrzenia w jony organów generatywnych oraz wycofywania jonów ze starzejących się liści do młodych części rośliny czyli zjawiska reutylizacji. Pierwiastkiem, którego obecności często nie stwierdzano w roztworze floemowym jest wapń, dlatego symptomy jego niedoboru w roślinie pojawić się mogą w warunkach niskiego natęŝenia transpiracji. Odgrywa on jednak waŝną rolę sygnalną i bierze udział w regulacji droŝności rurek sitowych (Starck Z str 72).

46 Slajd 30 Dystrybucja pierwiastków w roślinach Na podstawie J.F. Suttclife, 1962 Dynamika gromadzenia i zmiany rozmieszczenia fosforu w roślinach owsa przy zaopatrzeniu w Pi a- deficytowym, b- średnim, c- optymalnym WzdłuŜ drogi przepływu roztworu w naczyniach zachodzi resorpcja jonów do komórek otaczających, w znacznym stopniu na zasadzie róŝnicy stęŝeń i dyfuzji prostej lub ułatwionej, ale takŝe z udziałem białek przenośnikowych. Dzięki rozgałęzionej sieci elementów drewna i łyka jony przenikają do ścian komórkowych komórek róŝnych części pędu i są pobierane z apolastu. Rozdział jonów transportowanych ksylemem jest zaleŝny w duŝym stopniu od natęŝenia transpiracji w docelowym organie. Rozdział jonów transportowanych floemem moŝe być w duŝym stopniu zaleŝny od zapotrzebowania na asymilaty, bo przepływ floemem zachodzi od dawcy (donora) asymilatów do organu, który jest ich biorcą (akceptorem). Zaopatrzenie pędu w jony zaleŝeć moŝe w większym stopniu od sprawności pobrania jonu z gleby i załadunku do ksylemu, (przy recyrkulacji od załadunku do floemu), niŝ od zapotrzebowania na składniki mineralne i rozładunku w organie docelowym (J Am College Nutr 2002, 21, No :178S). Z wykresu na slajdzie wynika, Ŝe wiecha owsa gromadzi znaczną część fosforu a jego ilość w tym organie zaleŝy od zaopatrzenia roślin w fosfor. Badania mechanizmów rozpoznawania stęŝenia składnika mineralnego w glebie wykazały, Ŝe indukcja w korzeniu przenośników dla anionów S i P następuje przy ich braku w glebie a przenośników anionu N przy pojawieniu się azotanu w roztworze glebowym. Znacznie mniej wiadomo o przenośnikach błonowych przy załadunku ksylemu w korzeniu i rozładunku w liściu, ale w przypadku S znaleziono juŝ kilka genów kodujących białka transportowe załadunku i

47 rozładunku siarczanu. Ich ekspresja jest hamowana brakiem siarczanów w podłoŝu a indukowana po ich ponownym dostarczeniu (Curr Opin Biotech 2001,12:161). Składniki mineralne gromadzone są w częściach roślin stanowiących poŝywienie. W przypadku Zn zidentyfikowano 3 geny u jęczmienia i 4 w ryŝu związane ze zwiększonym przemieszczeniem Zn do ziarniaków (J Nutr 2003,133:1502S). Jest to droga do uzyskania roślin transgenicznych o podwyŝszonym statusie mineralnym tkanek wegetatywnych i/lub generatywnych (J Am College Nutr 2002, 21, No :178S).

48 Slajd 31 Pobieranie i transport składników mineralnych- zapamiętaj Zapamiętaj! Zdolność korzeni do wybiórczego pobierania pierwiastków wynika z budowy i działania selektywnych błon komórkowych Aktywny transport jonów pierwiastków przez błony, w kierunku niezgodnym z gradientem potencjału elektrochemicznego, wymaga nakładu adu energii metabolicznej ATP Istnieje wiele róŝnych sposobów transportu jonów przez błonyb lipidowo-białkowe Pobieranie jonów pokarmowych na zasadzie wymiany jonów ma wpływ na odczyn gleby Szczególną aktywność w pobieraniu jonów pokarmowych wykazuje strefa włośnikowa w korzenia Śródskórnia jest szczególnym miejscem kontroli i regulacji składu jonowego roztworu wodnego, transportowanego naczyniami do pędu Jakość poŝywienia zaleŝy m.in. od pobierania, rozdziału w roślinie i gromadzenia składników mineralnych w jadalnych częściach roślin

49 Slajd 32 Związek morfologii korzenia z warunkami środowiska Lucerna 0 Koniczyna czerwona ekstensywny system korzeniowy 150 cm intensywny system korzeniowy W zaleŝności od intensywności rozgałęziania i osiąganej przez korzenie głębokości, rośliny wykształcają intensywny lub ekstensywny system korzeniowy. Ekstensywny system korzeniowy charakteryzuje się głębokim zasięgiem i małym stopniem rozgałęziania (lucerna - Medicago sativa). Zwiększa on zdolności konkurencyjne roślin w środowisku mało zasobnym w wodę i składniki pokarmowe (suchym i oligotroficznym). Intensywny system korzeniowy jest płytki, ale bardzo rozgałęziony (koniczyna czerwona - Trifolium pratense) i dobrze spełnia swą rolę w środowisku zasobnym w składniki mineralne i wodę. Istotne znaczenie ma wielkość systemu korzeniowego (całkowita masa, długość i powierzchnia) w stosunku do części nadziemnej rośliny. Określa ją wskaźnik stosunku masy pędu do korzenia. W warunkach niedoboru azotu wskaźnik ten się zmniejsza (Plant and Soil 2004, 274: 1). W warunkach niedoboru fosforu moŝe początkowo się zwiększać. DuŜe znaczenie dla prawidłowego rozwoju systemu korzeniowego ma zaopatrzenie w Ca 2+. Wpływa on na wzrost korzeni, tworzenie się włośników i wydłuŝanie komórek w strefie elongacyjnej. Pobieranie jonów jest wspomagane przez chemotropizm korzenia. Jest to ruch wzrostowy wywołany występowaniem chemicznego bodźca zewnętrznego. Wzrost korzenia w stronę optymalnego stęŝenia jonu pokarmowego to chemotropizm dodatni. Wzrost korzenia w stronę przeciwną do czynnika toksycznego w glebie (metale cięŝkie, allelopatiny) to chemotropizm ujemny.

50

51 Slajd 33 Funkcje wydzielin korzeniowych na przykładzie pobierania Fe poprawa właściwości gleby ochrona korzenia DA poprawa funkcjonowania korzenia - Investigate-plant.jpg Zmodyfikowane Fe MA 3+ DA - kwas dezoksymugineikowy fitosiderofor chelatujący Ŝelazo Tekst z lewej strony ekranu. Funkcje wydzielin korzeniowych moŝna pogrupować w zaleŝności od wpływu na glebę oraz na samą roślinę i jej kontakt z glebą, zgodnie z informacja na ekranie. Ochrona korzenia dotyczy zabezpieczenia przed wysychaniem, roślinoŝercami, patogenami, roślinami konkurencyjnymi i uszkodzeniami. Poprawa funkcjonowania korzenia to zmniejszenie tarcia wierzchołka wzrostu w glebie, zabezpieczenie kontaktu powierzchni korzenia z glebą, wydzielanie protonów, kwasów organicznych i chelatów zwiększających dostępność pierwiastków pokarmowych, selektywna adsorpcja i gromadzenie jonów, prowokowanie korzystnych symbioz korzeniowych. W warunkach deficytu Ŝelaza rośliny jednoliścienne trawiaste zwiększają zacznie wydzielanie fitosideroforów przez korzenie. Są to niebiałkowe aminokwasy, takie jak kwas mugineikowy, deoksymugineikowy i awenikowy, bardzo efektywne w zwiększaniu rozpuszczalności słabo rozpuszczalnych, nieorganicznych związków Fe 3+ w glebie. Bardzo specyficzne pobieranie kompleksów chelatowych Fe 3+ - fitosiderofory jest do 1000 razy szybsze niŝ kompleksów chelatowych Fe 3+ - sztuczne chelatory np. EDTA. Taki charakterystyczny dla traw mechanizm obrony przed deficytem Fe, nazywany strategią II jest przedstawiony na ekranie. Dodatkowych wiadomości o morfologii korzeni szukaj w skrypcie w pdf na slajdzie Związek morfologii korzenia z warunkami środowiska a o roli wydzielin korzeniowych i o strategii I pobierania Ŝelaza na slajdach: Rola wydzielin korzeniowych w poprawieniu właściwości gleby i Specyfika pobierania Fe.

52

53 Slajd 34 Rola wydzielin korzeniowych w poprawieniu właściwości gleby Mikroorganizmy rizosfery i rizoplanu Poprawa właściwości gleby przez korzenie Związki organiczne wydzielane przez korzenie Korzenie nie tylko korzystają z zasobów glebowych, ale wymieniają materię z tym środowiskiem, zmieniając jego właściwości. Szczególnie waŝne jest to dla uczestniczących w obiegu materii mikroorganizmów glebowych. Zarówno wydzieliny korzeniowe jak i resztki organiczne obumarłych korzeni stanowią źródło pokarmu dla tych organizmów. Rizosfera to przestrzeń gleby bezpośrednio przylegającej do korzenia a rizoplan to powierzchnia korzenia. Poprawa właściwości gleby przez korzenie obejmuje stabilizację mikroagregatów glebowych i regulację mikroflory i mikrofauny glebowej przez dostarczanie do gleby związków C i N w formie cukrów, kwasów organicznych czy aminokwasów oraz poprawę utrzymywania wody w glebie, głównie przez wydzieliny śluzowe a takŝe zmiany fizyczne i chemiczne gleby, odfiltrowanie toksyn, kumulowanie rzadkich składników. Związki organiczne wydzielane przez korzenie do rizosfery mogą na glebach ornych stanowić % węgla zasymilowanego przez rośliny uprawne. Intensywność wydzielania jest róŝna na róŝnych odcinkach korzenia i regulowana przez skład gleby. Nadmiar glinu, niedobór fosforu i obecność jonów amonowych silnie zwiększa wydzielanie.

54 Slajd 35 Specyfika pobierania Fe Strategia I obrony przed deficytem Ŝelaza występuje u dwu i jednoliściennych roślin nietrawiastych. WiąŜe się ona z rozpadem kompleksu chelatu Ŝelazowego (FCR) i redukcją Ŝelaza. Obserwowany jest wzrost aktywności NADPH -reduktazy chelatu Ŝelazowego (FCR) w plazmolemie komórek korzenia (ekspresja genu LeFRO1), wzrost aktywności transporterów Fe 2+ plazmolemy (ekspresja genu LeIRT) oraz wzrost aktywności białka regulującego ekspresję wspomnianych genów LeFRO1 i LeIRT (ekspresja genu FER). Pobieranie Fe jest takŝe wydajniejsze dzięki wzrostowi zakwaszenia środowiska pozakomórkowego przez H + -ATPazę i wzmoŝonemu rozwojowi włośników podwierzchołkowych korzeni. Taka strategia zaopatrzenia w Fe jest przewidywana w warunkach podwyŝszonego stęŝenia CO 2 w atmosferze, związanego z efektem cieplarnianym (Plant Physiol 1986,80: ).

55 Slajd 36 Mikoryza symbiozą rośliny i grzyba Grzyb woda sole mineralne regulatory wzrostu ochrona metale cięŝkie uszkodzenia infekcje susza wysoka temperatura toksyny zasolenie niekorzystne ph korzyści korzyści Roślina wyŝsza cukry proste aminokwasy α ketokwasy witaminy stymulatory wzrostu Mikoryza jest powszechnie występującą symbiozą niepatogenicznego, biotroficznego grzyba mikoryzy arbuskularnej z korzeniami 80% gatunków roślin naczyniowych. W warunkach słabego zaopatrzenia roślin w składniki pokarmowe, szczególnie w fosfor, jest to związek wzajemnych korzyści. Pojawia się napis na ekranie Hodowla roślin do warunków intensywnej uprawy i nawoŝenia mogła przyczynić się do selekcji form o słabej efektywności pobierania składników mineralnych, które odnoszą wyraźnie korzyści z mikoryzy. Klikając na punkty na ekranie otworzysz okna z opisem tych korzyści odnoszonych przez rośliny, które zwiększają stopień wzrostu roślin i stanowią ochronę przed niekorzystnymi warunkami. Interaktywność punkty wskazujące miejsca na ekranie labelled graphics Punkt do kliknięcia przy słowie woda otwiera opis Woda Mikoryza zwiększa łączną powierzchnię chłonną korzenia do 1000 razy. Rozwój strzępek grzyba w glebie wymaga mniej nakładów niŝ wykształcenie nowych korzeni. Jednocześnie korzenie z mikoryzą rosną intensywniej, poniewaŝ są lepiej zaopatrzone w składniki pokarmowe. Punkt do kliknięcia przy słowie sole mineralne otwiera opis Sole mineralne Symbiont grzybowy zaopatruje roślinę przede wszystkim w P a takŝe w N, S, Ca, K, Zn i Cu (New Phytologist 2007,173:11). Lepsze zaopatrzenie w P wynika z penetracji nawet 100 krotnie większej objętości gleby przez strzępki grzyba rośliny z mikoryzą a bez włośników niŝ przez roślinę z włośnikami ale bez symbionta grzybowego. Wynika takŝe z większej dynamiki metabolizmu P w strzępkach, które mogą hydrolizoweać P organiczny i przekazywać go w postaci fosforu nieorganicznego Pi do rośliny. W warunkach niskiego zaopatrzenia w P symbiont grzybowy moŝe takŝe stymulować wydzielanie fosfatazy

56 przez partnera roślinnego i w ten sposób polepszać zaopatrzenie w ten pierwiastek (New Phytologist 2007,175: 381). Ponad 70% obecnego w roślinie z mikoryzą P pochodzi z absorpcji przez strzępki grzyba. Mikoryza dodatkowo pobudza syntezę specyficznych transporterów Pi w roślinie (Plant Soil 2005,274:37). Punkt do kliknięcia przy słowie metale cięŝkie otwiera opis Metale cięŝkie Kukurydza, jako uprawa o duŝej biomasie i gospodarz grzybów mikoryzowych, pobiera z gleby znaczące ilości Pb, Cd, Zn i Cu, gromadząc je w korzeniach i/lub pędach. Grzyb symbiotyczny moŝe przyczyniać się do sprawniejszego pobierania z gleby i gromadzenia w roślinie metali cięŝkich. Takie zjawisko moŝe być wykorzystane do fitoremediacji gleb, o której będzie mowa w kolejnym wykładzie. W zaleŝności od rodzaju zanieczyszczenia i rodzaju symbionta grzybowego obserwuje się takŝe efekt odwrotny tzn. rośliny z mikoryzą gromadzą mniej metali cięŝkich niŝ kontrolne bez mikoryzy. Grzybnia zatem chroni roślinę symbionta przed zanieczyszczeniem metalami cięŝkimi (Internation J Phytoremed 2007, 9:345). Punkt do kliknięcia przy słowie Infekcje i patogeny otwiera opis Infekcje i patogeny Grzyby mikoryzy arbuskularnej (Glomeromycota) mogą chronić rośliny nie tylko przed stresami abiotycznymi jak susza czy skaŝenie metalami cięŝkimi, ale takŝe przed chorobami infekcyjnymi (Cellular Microbiology 2005,7:1555) i innymi patogenami (New Phytologist 2007,173: 11). Punkt do kliknięcia przy słowie susza otwiera opis Susza W wielu wypadkach stwierdzono korzystny wpływ grzyba mikoryzowego na stan fizjologiczny rośliny gospodarza w warunkach suszy. Mimo, Ŝe nie w kaŝdym przypadku jest on potwierdzony i dotyczy raczej umiarkowanej suszy, wydaje się wynikać nie tylko z lepszego zaopatrzenia rośliny w składniki mineralne za pośrednictwem grzyba ale takŝe z jego wpływu na lepsze uwodnienie rośliny (New Phytologist 2007,175:381; 2007,173: 11). MoŜe ono wynikać z zmiany stęŝenia fitohormonów (kwas abscyzynowy i cytokininy) w korzeniach i lepszego transportu wody w glebie o lepszej strukturze (EhlersW, GossM,2003 ). Punkt do kliknięcia przy słowie zasolenie otwiera opis Zasolenie W rejonach suchych i półsuchych mikoryza powoduje takŝe wzrost odporności roślin na zasolenie (New Phytologist 2007,173: 11).

57 Slajd 37 Wiązanie N 2 przez bakterie w symbiozie z roślinami Bakterie brodawkowe Rhizobium, Bradyrhizobium, Azorhizobium Czynnik brodawkowania nod Kompleks enzymatyczny nitrogenazy rozkładający N 2 korzyści korzyści Wysokie koszty symbiotycznego wiązania N 2 przez rośliny strączkowe Związanie 1 mola N 2 to zuŝycie mola ATP lub 0,63 1,38 mola glukozy Roślina motylkowata Wydzieliny korzeniowe Izoflawony Lektyny Nić infekcyjna w korzeniu Brodawka korzeniowa bakteroid leghemoglobina substraty oddechowe enzymy oddechowe energia ATP enzymy asymilacji azotu szkielety węglowe do związków azotowych Zakładki, pojawia się wprowadzenie Wprowadzenie Z rolniczego punktu widzenia bardzo cenne jest wiązanie N 2 przez bakterie w symbiozie z roślinami. Dowiedz się więcej o fizjologii tego mutualistycznego związku otwierając kolejne zakładki. Zakładka 1 Związek symbiotyczny bakterii Rhizobium, Bradyrhizobium, Azorhizobium z roślinami motylkowatymi jest zwykle relacją mutualizmu czyli wzajemnych korzyści. DuŜe nakłady energii i związków węgla przesądzają o wysokich kosztach utrzymania symbionta bakteryjnego przez roślinę gospodarza, podanych na ekranie. Ten sposób wykorzystania azotu atmosferycznego do mineralnego odŝywiania roślin jest jednak z pewnością korzystniejszy dla środowiska od produkcji azotowych nawozów sztucznych. Motylkowate rośliny uprawne wymagają tylko startowej dawki azotu, pozostawiając szczątki organiczne z korzeni w glebie jako źródło w azotu organicznego a części nadziemne mogą słuŝyć jako nawóz zielony. MoŜesz bardziej szczegółowo poznać zjawisko tej symbiozy pokarmowej sięgając do skryptu do slajdu Symbioza roślin motylkowatych z bakteriami brodawkowymi.

58 Slajd 38 Symbioza roślin motylkowatych z bakteriami brodawkowymi Efektywność symbiozy zaleŝy od właściwego nawoŝenia mako i mikroskładnikami. Stosowanie pestycydów i zanieczyszczenie gleby metalami cięŝkimi moŝe mieć na nią niekorzystny wpływ. Brodawki korzeniowe mogą być niszczone przez bakteriofagi i niektóre szkodniki glebowe (np. oprzędzika prąŝkowanego). Brodawki baktrii Rhizobium z korzenia soi Symbiont bakteryjny wnosi do tego związku kompleks enzymatyczny nitrogenazę, rozszczepiający silne wiązanie potrójne azotu cząsteczkowego. Rola rośliny motylkowatej jest bardziej wielostronna. Infekcja rozpoczyna się od wydzielenia przez korzenie rośliny gospodarza związków izo/flawonoidowych. Działają one jako chemoatraktanty oraz induktory genów nod bakterii. Wynikiem ekspresji tych genów jest synteza złoŝonego związku indukującego rozwój brodawek korzeniowych. Rozpoznanie czynnika nod przez roślinę powoduje zawinięcie włośnika korzeniowego wokół bakterii i przeniknięcie jej do korzenia. Dobry kontakt z powierzchnią komórki bakteryjnej umoŝliwiają wydzielane przez roślinę glikoproteiny-lektyny. Po wniknięciu następuje przemieszczane bakterii za pośrednictwem nici infekcyjnej do komórek kory korzenia. Indukcja przez bakterię podziałów komórkowych umoŝliwia wytworzenie brodawki korzeniowej. W komórkach brodawek rośliny rozpoczynają syntezę specyficznych białek enzymatycznych i leghemoglobiny na potrzeby procesu wiązania azotu. Rola leghemoglobiny polega na odpowiednim zmniejszeniu stęŝenia tlenu w komórkach, umoŝliwiającym aktywność nitrogenazy. Koszty wytworzenia brodawki ponosi roślina gospodarza. Bakterie namnaŝają się, korzystając całkowicie ze związków pokarmowych gospodarza, po czym zmieniają formę na bakteroidy, otoczone ścianą komórkową komórki gospodarza i błoną powstałą z błon aparatu Golgiego. Są to tzw symbiosomy. W nich zapewnione są warunki odpowiedniej wilgotności i stęŝenia tlenu. De- represja genów nif bakterii uruchamia proces wiązania N 2 w bakteroidzie. Jest on aktywny do czasu kwitnienia rośliny, kiedy to brodawki tracą róŝowe zabarwienie na skutek

59 rozkładu leghemoglobiny. Uwolnione do gleby bakterie są zdolne do infekcji następnych roślin. Endoergiczna reakcja rozerwania N 2 przez nitrogenazę jest moŝliwa dzięki energii ATP i elektronom pochodzącym z oddychania komórkowego gospodarza. Roślina zapewnia substraty i enzymy oddechowe. Dostarcza teŝ szkielety węglowe, pochodzące z fotoasymilatów i enzymy do asymilacji zredukowanego azotu do formy aminokwasu.

60 Slajd 39 Rola pierwiastków mineralnych w symbiotycznym wiązaniu N 2 CH Fe BAKTEROID Cykl Krebsa ferredoksyna flawodoksyna błona cytoplazmatyczna z aparatów Golgiego komórki gospodarza. B e Mg Fe Mg - ATP Fe S Leghemoglobina-O 2 transport e NITROGENAZA białko Fe-S białko Mo-Fe-S 2H + H 2 Mg, ADP +Pi Mo Pi Witamina B 12 Co 2NH 3 glutamina CO 2 O 2 N 2 NOD factor enzymy NH 2 -R-COOH Ca ściana komórkowa nasycona suberyną Zakładka 2 System enzymatyczny nitrogenazy jest kompleksem dwu białek enzymatycznych, zawierających jony Ŝelaza Fe, molibdenu Mo i siarki S. Fe jest takŝe składnikiem przenoszącej elektrony ferredoksyny i kontrolującej stęŝenie tlenu w bakteroidzie leghemoglobiny. Działanie ATP jest zaleŝne od magnezu Mg i wymaga obecności Pi. Symbiotyczne wiązanie azotu jest ograniczone w glebach kwaśnych i zimnych oraz z defycytem boru B i wapnia Ca. B odgrywa waŝną rolę w reakcjach powierzchniowych komórek korzenia roślin, prowadzących do endocytozy bakterii Rhizobium w brodawkach korzeniowych. Jest niezbędny do prawidłowej budowy ścian i błon komórek w brodawkach oraz rozwoju i dojrzewania bakteroidu. Ca jest niezbędny na wczesnych etapach infekcji, związany z zawartością czynnika indukującego geny nod bakterii w wydzielinach korzeni gospodarza i ścieŝką sygnałową czynnika nod (Plant, Cell & Environ, 2003, 26 (11):1905). Co, jako składnik witaminy B 12, reguluje przemiany biochemiczne w komórkach brodawek, związane z wiązaniem N 2 przez bakterie Rhizobium i jest niezbędny do tego procesu.

61 Slajd 40 Oszacowanie symbiotycznego wiązania N 2 przez rośliny uprawne Szczep Rhizobium Roślina uprawna Zakres ilości wiązanego N [kg/ha/rok] Średnia ilość wiązanego N [kg/ha/rok] R. trifolii koniczyna R. meliloti lucerna R. leguminosarum wyka R. leguminosarum groch R. lupini łubin R. japonicum soja (500) 100 Larcher 2003, Physiological Plant Ecology ed. Springer, p. 208 Zakładka 3 Ilość azotu wiązanego w symbiozie róŝnych upraw rolniczych znajdziesz w tabeli na ekranie. Dodatkową korzyścią jest uzyskanie lepszej struktury i właściwości fitosanitarnych gleby. Bakterie brodawkowe zaopatrują w azot rośliny motylkowe w zamian za węglowodany. W wyniku tej symbiozy rośliny dają plony o duŝej zawartości azotu i po przyoraniu mogą stanowić nawóz zielony. Występuje specyficzność gatunkowa symbiotycznych związków bakterii brodawkowych z roślinami i np. Bradyrhizobium sp. Ŝyje na korzeniach łubinu Rh. leguminosarum bv. viceae na grochu, wyce, bobie i soczewicy Rh. leguminosarum bv. phaseoli na fasoli Rh. leguminosarum bv. trifolii na koniczynie. Startowa dawka azotu czyli dodanie do gleby małej ilości nawozu azotowego zabezpiecza roślinę przed głodem azotowym na początku wegetacji, w okresie między wyczerpaniem tego składnika z nasienia a początkiem symbiotycznego wiązania azotu z powietrza. Nadmierna dawka azotu hamuje wiązanie symbiotyczne. Biologiczne wiązanie azotu nie zuŝywa paliw kopalnych i nie powoduje zanieczyszczenia środowiska. Wprowadzenie do roślin uŝytkowych genów nif (nitrogen fixation), odpowiedzialnych za wiązanie N 2 z powietrza atmosferycznego, jest wielkim wyzwaniem biotechnologii. Bakterie symbiotyczne moŝna wprowadzać do gleby, podobnie jak grzyby mikoryzowe, w postaci szczepionek. Informacje o nich znajdziesz w skrypcie w formacie pdf na slajdach Szczepionki bakteryjne i Szczepionki mikoryzowe.

62

63 Slajd _small.jpg Szczepionki bakteryjne Szczepionka z bakteriami brodawkowymi Rośliny soi szczepionej Bradyrhizobium japonicum (z lewej) i nie szczepionej (z prawej) Oddziaływanie korzeń organizmy rizosfery jest wzajemne. Bakterie glebowe mogą stymulować wzrost korzenia na róŝne sposoby, między innymi przez wydzielanie hormonów z grupy cytokinin i auksyn, stymulujących wzrost korzenia. Prawdopodobnie mogą takŝe stymulować system transportu jonów azotanowych, zabezpieczający dobre zaopatrzenie w azot, szczególnie w środowiskach mało zasobnych. Szczepienie bakteriami promującymi wzrost korzeni polepsza pobieranie N przez korzenie w warunkach jego niedoboru (Plant Soil 2004, 274:1). Nadmierna chemizacja rolnictwa powoduje zuboŝenie gleb w bakterie brodawkowe, np. zaprawy nasienne opóźniają tempo wzrostu szczepów Rhizobium oraz zmniejszają liczebność i wielkość ich kolonii. ChociaŜ bakterie brodawkowe znajdują się w glebie w formie przetrwalników i zakaŝają korzenie samorzutnie, stosuje się szczepionki (nitraginy). Wprowadza się w ten sposób do gleby szczepy bardziej aktywne i wirulentne (bardziej zdolne do zakaŝania korzeni), lepiej dopasowane do gatunku gospodarza. Celem jest zwiększenie plonów roślin motylkowatych (wzrost plonu 10-29% i wzrost zawartości białka) przy jednoczesnej oszczędności stosowania nawoŝenia azotowego. Nitragina to preparat biologiczny, określany czasem jako nawóz bakteryjny, zawierający specjalnie dopasowany do gatunku rośliny szczep symbiotycznych bakterii brodawkowych rodzaju Rhizobium lub Bradyrhizobium, przygotowany do zaprawienia nasion roślin motylkowych. Nitraginą zaprawia się nasiona bezpośrednio przed ich siewem, zwykle stosując zawiesinę wodną.