Plantele nu pot extrage azotul necesar din sol, astfel încât formează relații simbiotice cu rizobia care îl pot fixa ca amoniac.

plantelor

obiective de invatare

Explicați procesul și importanța fixării azotului

Chei de luat masa

Puncte cheie

  • Azotul diatomic este abundent în atmosferă și sol, dar plantele sunt incapabile să-l folosească, deoarece nu au enzima necesară, azotaza, pentru a-l transforma într-o formă pe care o pot folosi pentru a produce proteine.
  • Bacteriile solului sau rizobia sunt capabile să efectueze fixarea biologică a azotului în care azotul atmosferic gazos (N2) este transformat în amoniac (NH3) pe care plantele îl pot folosi pentru a sintetiza proteinele.
  • Atât plantele, cât și bacteriile beneficiază de procesul de fixare a azotului; planta obține azotul de care are nevoie pentru a sintetiza proteinele, în timp ce bacteriile obțin carbon din plantă și un mediu sigur pentru a locui în rădăcinile plantei.

Termeni cheie

  • rizobie: oricare dintre diferitele bacterii, din genul Rhizobium, care formează noduli pe rădăcinile leguminoaselor și fixează azotul
  • fixarea azotului: conversia azotului atmosferic în amoniac și derivați organici, prin mijloace naturale, în special de microorganisme din sol, într-o formă care poate fi asimilată de plante
  • nodul: structuri care apar pe rădăcinile plantelor care se asociază cu bacterii simbiotice care fixează azotul

Fixarea azotului: interacțiuni cu rădăcina și bacteriile

Azotul este un macronutrient important deoarece face parte din acizi nucleici și proteine. Azotul atmosferic, care este molecula diatomică N2, sau dinitrogenul, este cel mai mare bazin de azot din ecosistemele terestre. Cu toate acestea, plantele nu pot profita de acest azot deoarece nu au enzimele necesare pentru a-l transforma în forme utile din punct de vedere biologic. Cu toate acestea, azotul poate fi „fixat”. Poate fi transformat în amoniac (NH3) prin procese biologice, fizice sau chimice. Fixarea biologică a azotului (BNF), conversia azotului atmosferic (N2) în amoniac (NH3), este realizată exclusiv de procariote, cum ar fi bacteriile solului sau cianobacteriile. Procesele biologice contribuie la 65% din azotul utilizat în agricultură.

Cea mai importantă sursă de BNF este interacțiunea simbiotică dintre bacteriile solului și plantele de leguminoase, inclusiv multe culturi importante pentru oameni. NH3 rezultat din fixare poate fi transportat în țesutul vegetal și încorporat în aminoacizi, care sunt apoi transformați în proteine ​​vegetale. Unele semințe de leguminoase, precum soia și arahide, conțin niveluri ridicate de proteine ​​și se numără printre cele mai importante surse agricole de proteine ​​din lume.

Diagrama ciclului azotului: Reprezentarea schematică a ciclului azotului. A fost permisă fixarea azotului abiotic.

Fixarea azotului în culturi: Unele leguminoase comestibile obișnuite, cum ar fi (a) arahide, (b) fasole și (c) năut, sunt capabile să interacționeze simbiotic cu bacteriile solului care fixează azotul.

Bacteriile solului, numite în mod colectiv rizobie, interacționează simboliotic cu rădăcinile leguminoase pentru a forma structuri specializate numite noduli în care are loc fixarea azotului. Acest proces implică reducerea azotului atmosferic în amoniac prin intermediul enzimei azotazază. Prin urmare, utilizarea rizobiei este un mod natural și ecologic de fertilizare a plantelor, spre deosebire de fertilizarea chimică care folosește o resursă neregenerabilă, cum ar fi gazul natural. Prin fixarea simbiotică a azotului, planta beneficiază de utilizarea unei surse nesfârșite de azot din atmosferă. Procesul contribuie simultan la fertilitatea solului, deoarece sistemul rădăcinii plantelor lasă în urmă o parte din azotul disponibil biologic. Ca în orice simbioză, ambele organisme beneficiază de interacțiune: planta obține amoniac și bacteriile obțin compuși de carbon generați prin fotosinteză, precum și o nișă protejată în care să crească.

Rhizobia: Rădăcinile de soia conțin (a) noduli care fixează azotul. Celulele din noduli sunt infectate cu Bradyrhyzobium japonicum, o rizobie sau o bacterie „iubitoare de rădăcini”. Bacteriile sunt înglobate în vezicule (b) în interiorul celulei, așa cum se poate observa în această micrografie electronică de transmisie.

Micorize: relația simbiotică dintre ciuperci și rădăcini

Multe plante formează asociații numite micorize cu ciuperci care le oferă acces la nutrienți în sol, protejând împotriva bolilor și a toxicităților.

obiective de invatare

Descrieți relația simbiotică a micorizei și a rădăcinilor plantelor

Chei de luat masa

Puncte cheie

  • Deoarece nutrienții sunt adesea epuizați în sol, majoritatea plantelor formează relații simbiotice numite micorize cu ciuperci care se integrează în rădăcina plantei.
  • Relația dintre plante și ciuperci este simbiotică, deoarece planta obține fosfat și alte minerale prin ciupercă, în timp ce ciuperca obține zaharuri din rădăcina plantei.
  • Extensiile lungi ale ciupercii, numite hife, ajută la creșterea suprafeței sistemului radicular al plantelor, astfel încât să se poată extinde dincolo de zona de epuizare a nutrienților.
  • Ectomicorize sunt un tip de micorize care formează o teacă densă în jurul rădăcinilor plantei, numită manta, din care cresc hifele; în endomicorize, miceliul este încorporat în țesutul rădăcinii, spre deosebire de formarea unei învelișuri în jurul acestuia.
  • În endomicorize, miceliul este încorporat în țesutul rădăcinii, spre deosebire de formarea unei învelișuri în jurul acestuia; acestea se găsesc în rădăcinile majorității plantelor terestre.

Termeni cheie

  • micoriza: o asociere simbiotică între o ciupercă și rădăcinile unei plante vasculare
  • hifa: o structură lungă, ramificată, filamentoasă a unei ciuperci, care este principalul mod de creștere vegetativă
  • miceliu: partea vegetativă a oricărei ciuperci, formată dintr-o masă de hife ramificate, asemănătoare firelor, adesea subterane

Micorize: relația simbiotică dintre ciuperci și rădăcini

O zonă de epuizare a nutrienților se poate dezvolta atunci când există o absorbție rapidă a soluției solului, o concentrație scăzută de nutrienți, o rată redusă de difuzie sau o umiditate scăzută a solului. Aceste condiții sunt foarte frecvente; prin urmare, majoritatea plantelor se bazează pe ciuperci pentru a facilita absorbția mineralelor din sol. Micorizele, cunoscute sub numele de ciuperci radiculare, formează asociații simbiotice cu rădăcinile plantelor. În aceste asociații, ciupercile sunt de fapt integrate în structura fizică a rădăcinii. Ciupercile colonizează țesutul rădăcinii vii în timpul creșterii active a plantelor.

Prin micorizare, planta obține fosfat și alte minerale, precum zincul și cuprul, din sol. Ciuperca obține nutrienți, cum ar fi zaharurile, din rădăcina plantei. Micorizele ajută la creșterea suprafeței sistemului radicular al plantelor, deoarece hifele, care sunt înguste, se pot răspândi dincolo de zona de epuizare a nutrienților. Hifele sunt prelungiri lungi ale ciupercii, care pot crește în pori mici ai solului, care permit accesul la fosfor altfel indisponibil plantei. Efectul benefic asupra plantei este cel mai bine observat în solurile sărace. Beneficiul ciupercilor este că pot obține până la 20 la sută din totalul carbonului accesat de plante. Micorizele funcționează ca o barieră fizică pentru agenții patogeni. Ele oferă, de asemenea, o inducere a mecanismelor generalizate de apărare a gazdei, care uneori implică producerea de compuși antibiotici de către ciuperci. De asemenea, s-a constatat că ciupercile au un rol protector pentru plantele înrădăcinate în soluri cu concentrații mari de metale, cum ar fi solurile acide și contaminate.

Micorize: Hifele proliferează în interiorul micorizei, care apare ca fuză albă în această imagine. Aceste hife cresc foarte mult suprafața rădăcinii plantei, permițându-i să ajungă în zone care nu sunt epuizate de nutrienți.

Există două tipuri de micorize: ectomicorize și endomicorize. Ectomicorize formează o înveliș dens dens în jurul rădăcinilor, numit manta. Hifele din ciuperci se extind de la manta în sol, ceea ce mărește suprafața pentru absorbția apei și a mineralelor. Acest tip de micorize se găsește în copacii din pădure, în special în conifere, mesteceni și stejari. Endomicorizele, numite și micorize arbusculare, nu formează o teacă densă peste rădăcină. În schimb, miceliul fungic este încorporat în țesutul rădăcinii. Endomicorizele se găsesc în rădăcinile a peste 80% din plantele terestre.

Ectomicorize: Ectomicorize formează învelișuri, numite manta, în jurul rădăcinilor plantelor, așa cum se arată în această imagine.

Nutrienți din alte surse

Multe specii de plante nu sunt capabile să-și facă hrana prin fotosinteză și trebuie să dobândească substanțe nutritive într-o varietate de moduri suplimentare.

obiective de invatare

Diferențiați între sursele de nutriție a plantelor

Chei de luat masa

Puncte cheie

  • Unele plante sunt paraziți, care dobândesc toți nutrienții lor de la o altă plantă gazdă și, prin urmare, sunt în întregime dependenți de aceasta pentru supraviețuirea lor.
  • Saprofitele dobândesc substanțe nutritive din materie moartă, folosind enzime pentru a transforma compușii organici complecși în forme mai simple din care planta poate absorbi substanțele nutritive.
  • Un simbiont experimentează un aranjament reciproc benefic cu o plantă; ambii parteneri contribuie cu nutrienții necesari celuilalt.
  • Un epifit este o plantă care crește pe alte plante, dar nu depinde de cealaltă plantă pentru nutriție; în schimb, folosește cealaltă plantă pentru sprijin fizic.
  • Plantele insectivore au adaptări speciale pentru atragerea și captarea insectelor, pe care le folosesc pentru a-și completa propriile substanțe nutritive, epuizate în solul din jur.

Termeni cheie

  • fotosintat: orice compus care este un produs al fotosintezei
  • fotobiont: un simbiont fotosintetic
  • micobiont: ciuperca care este o componentă a unui lichen
  • saprofit: orice organism care trăiește cu materie organică moartă, ca anumite ciuperci și bacterii
  • epifit: o plantă care crește pe alta, folosind-o ca suport fizic, dar nici nu obține substanțe nutritive din ea, nici nu îi provoacă daune, dacă nu oferă niciun beneficiu
  • insectivor: capabil să prindă și să absoarbă insecte; cum ar fi sundew, ulcior și Venus flytrap

Nutrienți din alte surse

Unele plante nu își pot produce propriile alimente și trebuie să-și obțină nutriția din surse externe. Acest lucru se poate întâmpla în cazul plantelor parazitare sau saprofite: ingerarea și utilizarea materiei moarte ca sursă de hrană. În alte cazuri, plantele pot fi simbionte mutualiste, epifite sau insectivore.

Paraziți de plante

O plantă parazită depinde de gazda sa pentru supraviețuire. Unele plante parazite nu au frunze. Un exemplu în acest sens este cusătura, care are o tulpină slabă, cilindrică, care se înfășoară în jurul gazdei și formează fraieri. Din aceste fraieri, celulele invadează tulpina gazdei și cresc pentru a se conecta cu fasciculele vasculare ale gazdei. Planta parazită obține apă și substanțe nutritive prin aceste conexiuni. Planta este un parazit total (un holoparazit), deoarece este complet dependentă de gazda sa. Alte plante parazite, numite hemiparazite, sunt pe deplin fotosintetice și folosesc gazda doar pentru apă și minerale. Există aproximativ 4.100 de specii de plante parazite.

Plante parazite: Dodderul este un holoparazit care pătrunde în țesutul vascular al gazdei și deviază nutrienții pentru propria creștere. Rețineți că vița de vie, care are flori albe, este bej. Curățenia nu are clorofilă și nu își poate produce propria hrană.

Saprofite

Un saprofit este o plantă care nu are clorofilă, obținându-și hrana din materie moartă, asemănătoare bacteriilor și ciupercilor. (Rețineți că ciupercile sunt adesea numite saprofite, ceea ce este incorect, deoarece ciupercile nu sunt plante). Plante precum acestea folosesc enzime pentru a transforma materialele alimentare organice în forme mai simple din care pot absorbi nutrienții. Majoritatea saprofitelor nu digeră direct materia moartă. În schimb, parazitează micorize sau alte ciuperci care digeră materia moartă, obținând în cele din urmă fotosintatul de la o ciupercă care a derivat fotosintatul de la gazda sa. Plantele saprofite sunt mai puțin frecvente, cu doar câteva specii descrise.

Saprofite: Saprofitele, la fel ca această conductă olandeză (Monotropa hypopitys), își obțin hrana din materie moartă și nu au clorofilă.

Simbionți

Un simbiont este o plantă aflată într-o relație simbiotică cu alte organisme, cum ar fi micoriza (cu ciuperci) sau formarea nodulilor. Nodulii radiculari apar pe rădăcinile plantelor (în primul rând Fabaceae) care se asociază cu bacterii simbiotice, care fixează azotul. În condiții de limitare a azotului, plantele capabile formează o relație simbiotică cu o tulpină de bacterii specifică gazdei cunoscută sub numele de rizobie. În nodulii leguminoși, azotul gazos din atmosferă este transformat în amoniac, care este apoi asimilat în aminoacizi (blocurile de proteine), nucleotide (blocurile de construcție ale ADN-ului și ARN-ului, precum și importantei molecule de energie ATP) și alți constituenți celulari, cum ar fi vitaminele, flavonele și hormonii.

Ciupercile formează, de asemenea, asociații simbiotice cu cianobacteriile și algele verzi; organismul simbiotic rezultat se numește lichen. Lichenii pot fi uneori văzuți ca niște creșteri colorate la suprafața rocilor și copacilor. Partenerul algal (fico- sau fotobiont) produce alimentele în mod autotrofic, dintre care unele le împărtășesc cu ciuperca; partenerul fungic (micobiont) absoarbe apa și mineralele din mediu, care sunt puse la dispoziția algelor verzi. Dacă un partener ar fi separat de celălalt, ar muri amândoi.

Simbionți: Lichenii, care rezultă din relația simbiotică dintre ciuperci și alge verzi, sunt adesea văzuți crescând pe copaci.

Epifite

Un epifit este o plantă care crește pe alte plante, dar nu depinde de cealaltă plantă pentru nutriție; este neparazit. Epifita își derivă umiditatea și substanțele nutritive din aer, ploaie și, uneori, din resturile care se acumulează în jurul său în loc de structura pe care este fixat. Epifitele au două tipuri de rădăcini: rădăcini aeriene agățate (care absorb nutrienții din humus care se acumulează în crăpăturile copacilor) și rădăcini aeriene (care absorb umezeala din atmosferă).

Plante insectivore

O plantă insectivoră are frunze specializate pentru atragerea și digerarea insectelor. Capcana pentru muște Venus este cunoscută popular pentru modul său nutritiv insectivor și are frunze care funcționează ca capcane. Mineralele pe care le obține de la pradă compensează cele care lipsesc în solul mlaștinos (cu pH scăzut) din câmpiile sale de coastă din Carolina de Nord nativă. Există trei fire sensibile în centrul fiecărei jumătăți a fiecărei frunze. Marginile fiecărei frunze sunt acoperite cu spini lungi. Nectarul secretat de plantă atrage muște spre frunză. Când o muscă atinge firele de păr senzoriale, frunza se închide imediat. Fluidele și enzimele descompun apoi prada, iar mineralele sunt absorbite de frunză. Deoarece această plantă este populară în comerțul horticol, este amenințată în habitatul său original.

Plante insectivore: O capcană Venus are frunze specializate pentru a prinde insectele, pe care le folosește pentru a suplimenta nivelul scăzut de substanțe nutritive din solul în care trăiește.