• Contribuit de OpenStax
  • Biologie generală la OpenStax CNX

Abilități de dezvoltat

adaptări

  • Înțelegeți adaptările nutriționale ale plantelor
  • Descrieți micorize
  • Explicați fixarea azotului

Plantele obțin hrană în două moduri diferite. Plantele autotrofe își pot face propriile alimente din materii prime anorganice, cum ar fi dioxidul de carbon și apa, prin fotosinteză în prezența soarelui. Plantele verzi sunt incluse în acest grup. Unele plante, totuși, sunt heterotrofe: sunt total parazite și lipsite de clorofilă. Aceste plante, denumite plante holo-parazite, sunt incapabile să sintetizeze carbon organic și să-și extragă toți nutrienții din planta gazdă.

Plantele pot solicita, de asemenea, ajutorul partenerilor microbieni în achiziționarea nutrienților. Specii particulare de bacterii și ciuperci au evoluat împreună cu anumite plante pentru a crea o relație simbiotică mutualistă cu rădăcinile. Acest lucru îmbunătățește nutriția atât a plantei, cât și a microbului. Formarea nodulilor la plantele de leguminoase și micorizarea pot fi luate în considerare printre adaptările nutriționale ale plantelor. Cu toate acestea, acestea nu sunt singurul tip de adaptări pe care le putem găsi; multe plante au alte adaptări care le permit să prospere în condiții specifice.

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 \ (\ ce \), sau dinitrogen, 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”, ceea ce înseamnă că poate fi transformat în amoniac (\ (\ ce \)) prin procese biologice, fizice sau chimice. După cum ați aflat, fixarea biologică a azotului (BNF) este conversia azotului atmosferic (\ (\ ce \)) în amoniac (\ (\ ce \)), efectuată exclusiv de procariote, cum ar fi bacteriile solului sau cianobacteriile. Procesele biologice contribuie la 65% din azotul utilizat în agricultură. Următoarea ecuație reprezintă procesul:

\ [\ ce < N2 + 16 ATP + 8 e^+ 8 H^ \rightarrow 2 NH3 + 16 ADP + 16 P_i + H_2>\]

Cea mai importantă sursă de BNF este interacțiunea simbiotică dintre bacteriile solului și plantele de leguminoase, inclusiv multe culturi importante pentru oameni (Figura \ (\ PageIndex \)). 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, cum ar fi soia și arahide, conțin niveluri ridicate de proteine ​​și servesc printre cele mai importante surse agricole de proteine ​​din lume.

Fermierii rotesc adesea porumbul (o cultură de cereale) și boabele de soia (o leguminoasă) plantând un câmp cu fiecare cultură în anotimpuri alternative. Ce avantaj ar putea conferi această rotație a culturilor?

Soia este capabilă să fixeze azot în rădăcini, care nu sunt recoltate la sfârșitul sezonului de creștere. Azotul subteran poate fi folosit în sezonul următor de porumb.

Fermierii rotesc adesea porumbul (o cultură de cereale) și boabele de soia (o leguminoasă), plantând câte un câmp cu fiecare cultură în anotimpuri alternative. Ce avantaj ar putea conferi această rotație a culturilor?

Bacteriile solului, denumite 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 la amoniac, prin intermediul enzimei nitrogenază. Prin urmare, utilizarea rizobiei este un mod natural și ecologic de fertilizare a plantelor, spre deosebire de fertilizarea chimică care folosește o resursă nerenovabilă, precum 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, iar bacteriile obțin compuși de carbon generați prin fotosinteză, precum și o nișă protejată în care să crească (Figura \ (\ PageIndex \)).

Figura \ (\ PageIndex \): 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. (credit a: modificare a lucrării de USDA; credit b: modificare a lucrării de Louisa Howard, Dartmouth Electron Microscope Facility; date de la scala de la Russell)

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. Ciupercile formează asociații simbiotice numite micorize cu rădăcinile plantelor, în care 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 în principal fosfat și alte minerale, precum zincul și cuprul, din sol. Ciuperca obține nutrienți, cum ar fi zaharurile, din rădăcina plantei (Figura \ (\ PageIndex \)). 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 pot crește în pori mici ai solului, care permit accesul la fosfor care altfel nu ar fi disponibil pentru plantă. 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. De asemenea, oferă o inducere a mecanismelor generalizate de apărare a gazdei și uneori implică producerea de compuși antibiotici de către ciuperci.

Figura \ (\ PageIndex \): vârfurile rădăcinii proliferează în prezența infecției micorizice, care apare ca fuzz alb-murdar în această imagine. (credit: modificare a lucrării de către Nilsson și colab., BMC Bioinformatics 2005)

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.

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 la plantele parazite sau saprofite. Unele plante sunt 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 dodder (Figura \ (\ PageIndex \)), care are o tulpină slabă, cilindrică, care se înfășoară în jurul gazdei și formează fraierele. 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 (hemiparazite) sunt pe deplin fotosintetice și folosesc gazda doar pentru apă și minerale. Există aproximativ 4.100 de specii de plante parazite.

Figura \ (\ PageIndex \): 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. (credit: „Lalithamba”/Flickr)

Saprofite

Un saprofit este o plantă care nu are clorofilă și obține hrana din materie moartă, similară bacteriilor și ciupercilor (rețineți că ciupercile sunt adesea numite saprofite, ceea ce este incorect deoarece ciupercile nu sunt plante). Plantele ca acestea folosesc enzime pentru a transforma materialele alimentare organice în forme mai simple din care pot absorbi nutrienții (Figura \ (\ PageIndex \)). Majoritatea saprofitelor nu digeră direct materia moartă: în schimb, parazitează ciupercile care digeră materia moartă sau sunt micorizate, obținând în cele din urmă fotosintatul de la o ciupercă care a derivat fotosintatul de la gazda sa. Plantele saprofite sunt mai puțin frecvente; sunt descrise doar câteva specii.

Figura \ (\ PageIndex \): Saprofitele, la fel ca această conductă olandeză (Monotropa hypopitys), își obțin hrana din materie moartă și nu au clorofilă. (credit: modificare a lucrării de Iwona Erskine-Kellie)

Simbionți

Un simbiont este o plantă aflată într-o relație simbiotică, cu adaptări speciale precum micorize sau formarea nodulilor. Ciupercile formează, de asemenea, asociații simbiotice cu cianobacteriile și algele verzi (numite licheni). Lichenii pot fi uneori văzuți ca niște creșteri colorate la suprafața rocilor și copacilor (Figura \ (\ PageIndex \)). Partenerul algal (ficobiont) 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.

Figura \ (\ PageIndex \): Lichenii, care au adesea relații simbiotice cu alte plante, uneori pot fi găsiți crescând pe copaci. (credit: „benketaro”/Flickr)

Epifite

Un epifit este o plantă care crește pe alte plante, dar nu depinde de cealaltă plantă pentru nutriție (Figura \ (\ PageIndex \)). Epifitele au două tipuri de rădăcini: rădăcini aeriene agățate, care absorb substanțele nutritive din humus care se acumulează în crăpăturile copacilor; și rădăcini aeriene, care absorb umezeala din atmosferă.

Figura \ (\ PageIndex \): Aceste plante epifite cresc în sera principală din Jardin des Plantes din Paris.

Plante insectivore

O plantă insectivoră are frunze specializate pentru atragerea și digerarea insectelor. Trapă de muște Venus este cunoscută popular pentru modul său nutritiv insectivor și are frunze care funcționează ca capcane (Figura \ (\ PageIndex \)). 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. Apoi, fluidele și enzimele descompun prada, iar mineralele sunt absorbite de frunză. Deoarece această plantă este populară în comerțul horticol, este amenințată în habitatul său original.

Figura \ (\ PageIndex \): o capcana pentru muste Venus are frunze specializate pentru a prinde insectele. (credit: "Selena N. B. H."/Flickr)

rezumat

Azotul atmosferic este cel mai mare bazin de azot disponibil în ecosistemele terestre. Cu toate acestea, plantele nu pot folosi acest azot deoarece nu au enzimele necesare. Fixarea biologică a azotului (BNF) reprezintă conversia azotului atmosferic în amoniac. Cea mai importantă sursă de BNF este interacțiunea simbiotică dintre bacteriile solului și leguminoasele. Bacteriile formează noduli pe rădăcinile leguminoaselor în care are loc fixarea azotului. Ciupercile formează asociații simbiotice (micorize) cu plante, devenind integrate în structura fizică a rădăcinii. Prin micorizare, planta obține minerale din sol, iar ciuperca obține fotosintatul din rădăcina plantei. Ectomicorize formează o înveliș dens dens în jurul rădăcinii, în timp ce endomicorize sunt încorporate în țesutul rădăcinii. Unele plante - paraziți, saprofite, simbionți, epifite și insectivore - au evoluat adaptări pentru a obține nutriția lor organică sau minerală din diverse surse.