Как растения поглощают питательные вещества?

Мало кто, внося удобрения под корень своего растения, задумывается о том, а как же происходит само «пищеварение» – поглощение питательных веществ корневой системой? Мы решили углубиться в химию и досконально разобрать вопрос питания растений.

Мы часто слышим о минеральном питании, но обычно оно представляется как элементарное всасывание жидкости корнем. На деле у растений существуют сложные механизмы обеспечения водой и питательными элементами. Давайте рассмотрим подробнее, как происходит питание и что на него влияет.

О химии элементов питания

Основным элементом питания всех живых существ на Земле является вода. Помните ту табличку в учебнике химии с растворимостью различных соединений в воде? Тогда часто учитель повторял фразу: «Вода — сильный растворитель». Что это значит? 

Н₂О — полярная молекула небольшого размера, что позволяет ей контактировать и взаимодействовать с различными свободными ионами и соединениями.  

За счёт создаваемой полярности, молекулы воды связываются между собой и растворенными солями. Из-за этого воздействия смещается распределение электронов, вызывающее разрыв молекулы. Свободные электроны вступают в связь с молекулами воды, за счет чего происходит их стабилизация в растворе — например, при растворении сульфата калия (К₂SO₄) в водном растворе происходит диссоциация на два свободных иона калия (К⁺) и сульфата (SO₄²⁻). Из-за окружения ионов водой и восстановление электронного баланса, калий и сульфат не смогут обратно соединиться в единое соединение  — этот процесс называется гидролиз. 

Как вещества проникают в корень?

Поглощение воды и питательных элементов осуществляют корневые волоски на самом кончике корня — в зоне всасывания. Есть два механизма, благодаря которым происходит захват жидкости из субстрата —пассивный и активный. 

Пассивный транспорт

Не требует энергетических затрат со стороны растения и происходит по градиенту концентрации, то есть от области с более высокой концентрацией ионов в почве к области с более низкой концентрацией в корневых клетках. Может осуществляться двумя способами: 

Диффузия. Свободные ионы перемещаются через клеточную мембрану корневых клеток за счет разницы концентраций. Например, ионы калия (K⁺) могут проникать в клетку, если их концентрация в почве выше, чем в клетке. Этот способ проникновения протекает очень медленно и подходит для самых маленьких и супер-мобильных элементов (в основном калий и водород). 

Массовый поток. Некоторые растворенные ионы могут перемещаться в клетку вместе с всасываемой водой. Для поглощения воды в клеточную стенку интегрированы особые белковые комплексы — аквапорины (от слов: aqua – вода и pore – отверстие).  Преимущественно они пропускают только воду, но ионы некоторых элементов могут быть «утянуты» вместе с водой. 

Активный транспорт

В отличие от пассивного, он требует затрат энергии в виде АТФ, так как протекает активней и способен обходить правильно градиента насыщенности. Этот процесс обеспечивает поглощение ионов даже при низкой концентрации элементов в субстрате. Для обеспечения активного транспорта в мембрану клетки встроены специальные белки-насосы.

1. Протонные насосы (H⁺-АТФаза). Основные насосы на мембране клетки. Они перекачивают протоны (H⁺) из клетки в апопласт (пространство между клетками) с помощью энергии, добываемой при переходе АТФ (аденозинтрифосфат) в АДТ (аденозиндифосфат).
Они создают электрический и pH-градиенты, обеспечивающие транспортировку других ионов и соединений внутрь клетки. А также играют важную роль при борьбе с температурным стрессом. Некоторые исследования показывают замедление и практически полную остановку работы насосов при понижении температуры. Но при приближении к критическим показателям работа насоса восстанавливается практически до тех же показателей, что и при нормальных условиях микроклимата.

2. K⁺/H⁺-антипортеры. Структурная единицы, совершающие обмен двумя ионами в обоих направлениях (внутрь и наружу). K⁺/H⁺-антипортеры используют градиент, созданный H⁺-АТФаза, для перекачки калия в клетку в обмен на протоны.

Регулирует содержание калия в растении в период фотосинтеза и его отток в субстрат в период покоя. Это необходимо для осморегуляции и метаболизма и других биохимических реакций.

Читать по теме: Фотосинтез: световая и темновая стадии

3. Кальций-транспортирующий белок (Ca²⁺+-АТФаза). Кальций участвует в укреплении клеточных стенок, сигнальных путях и регуляции роста. Эти насосы помогают управлять его распределением внутри клеток корня. Они перекачивают ионы кальция (Ca²⁺) из клетки или во внутриклеточные органеллы, что помогает поддерживать низкий уровень свободного кальция в цитоплазме (снижая токсичность).

4. Протонная пирофосфатаза (H⁺/PPаза). Служит альтернативным механизмом для создания протонного градиента, особенно в условиях стресса или когда АТФ в дефиците. Использует энергию от гидролиза пирофосфата (PPi) для перекачивания протонов (H⁺) из цитоплазмы в вакуоль. 

5. Анионные каналы и насосы. Транспортируют анионы, такие как нитраты (NO₃⁻ ) и сульфаты (SO₄²⁻), в клетку. Эти ионы важны для питания растений, особенно для синтеза аминокислот и белков и нуклеиновых кислот (ДНК, РНК). 

6. H⁺/сахар симпорт. Специфический тип белка-переносчика, который участвует в симпорте (синхронный перенос двух веществ) ионов водорода (H⁺) и молекул сахаров, через клеточную мембрану. Осуществляется с помощью протонного градиента.

Использование протонного градиента для активного транспорта сахаров позволяет растениям эффективно поглощать важные питательные вещества, даже при низкой концентрации их в окружающей среде и низким энергопотреблением.

Поглощаемые сахара и углеводы – важный источник энергии и строительных блоков для клеток.

Сложно устроенные механизмы активного транспорта формировались на протяжении миллионов лет для облегчения добывания питательных элементов. Это белковые комплексы обеспечивают доступ к основным строительным материалам и внесли большой вклад в процесс развития от простейших растений к сложным организмам. 

Не смотря на эволюцию, каннабис и другие высшие растения сохранили механизм одиного из самых первых способов пропитания — эндоцитоз. 

Эндоцитоз

В процессе эндоцитоза клетка поглощает вещества из внешней среды, образуя пузырьки (питательные вакуоли), которые затем поглощаются обратно в клетку. Так растения захватывают соли, макромолекулы (белки, углеводы, органические кислоты и тд) и даже микроорганизмы. 

Процесс эндоцитоза делится на три условных этапа:  

1. Образование пузырька. Клеточная мембрана образует углубление, которое захватывает жидкости и частицы из субстрата. Это углубление постепенно погружается в клетку и замыкается, образуя пузырёк (везикулу).
2. Формирование везикулы. Пузырёк, содержащий поглощённые вещества, отделяется от клеточной мембраны и погружается в клетку.
3. Слияние с эндосомами. Везикула сливается с эндосомой, в которой содержимое подвергается дальнейшему переработке и сортировке. На этом этапе начинаются процессы гидролиза, образования питательных вакуолей для хранения запасов или транспортировка веществ дальше.

Взаимодействие с внешней средой

На поглощение питательных элементов влияют и условия окружающей среды. На что стоит обратить внимание:

Насыщенность питательными элементами (ЕС или TDS). Важность питания объяснять не надо, бедный субстрат не даст возможности для полноценного развития. Перенасыщение питательной среды приводит к осмотическому стрессу — нарушается поглощение воды и питательных элементов. 

рН среды. При слишком низком pH (менее 5.5) многие элементы, такие как фосфор, становятся менее доступными, а избыточное количество водорода может привести к токсическому шоку. При слишком высоком pH (выше 7.5) некоторые питательные вещества, такие как железо, марганец и цинк, становятся менее доступными, что может вызвать дефицит.

Температура. Влияет на активность корневых систем и микроорганизмов. Низкие температуры замедляют корневую активность, а высокие – могут повреждать корни и снижать доступность воды.

Влажность. Влажность почвы влияет на транспорт питательных элементов. В условиях дефицита воды затрудняется транспортировка питательных веществ, а чрезмерная влажность может приводить к анаэробным условиям, ухудшающим корневое дыхание и поглощение питательных элементов.
Также растения разработали механизмы влияния на ризосферу для улучшения условий жизни. Произведённые в процессе фотосинтеза углеводы могут поставляться по флоэме к корням для подпитки симбиотических микроорганизмов. Но есть и механизмы прямого воздействия на субстрат с помощью выделений специальных жидкостей. 

Эти выделения включают органические кислоты, ферменты,  аминокислоты и другие вещества. 

Органические кислоты. Лимонная, яблочная, щавелевая кислоты могут снижать pH почвы вокруг корней, делая такие элементы, как фосфор, железо, марганец и цинк, более доступными для растения. Они могут связываться с нерастворимыми соединениями этих элементов, превращая их в формы, которые легче поглощаются корнями.

Ферменты. Фосфатазы, протеазы и тд. помогают расщеплять органические соединения в почве, высвобождая питательные вещества в доступной для растения форме.

Аминокислоты. Аминокислоты могут связывать металлы и микроэлементы, делая их доступными для поглощения. И могут действовать как сигнальные молекулы, способствующие симбиотическим отношениям с микроорганизмами.

Вывод

В ходе эволюции растения получили множество инструментов для продуктивного развития и продолжения рода. Способы добычи питательных элементов также получили апгрейд, пройдя долгий путь от эндоцитоза до сложных белковых комплексов. 

Работоспособность этих механизмов напрямую зависит от условий, которые мы предоставляем растению. Если что-то пойдёт не так, эти процессы перестроятся для достижения хоть какого-то «потомства». Но обеспечив каннабис всем необходимым в нужных пропорциях, мы разгоняем внутренний потенциал каждого маленького винтика. 

Автор: @McFingerFukk

🖤 Благодарим сидшоп Sovoc за поддержку нас в написании научных публикаций! У них действует скидка 10% по промокоду DZAGI на весь ассортимент. 

Ещё почитать:

• Второстепенные макроэлементы минерального питания: кальций, магний и сера
• Функции основных питательных элементов NPK
• Исследование: как проявляются дефициты NPK у каннабиса