Поглощение азота растениями

Содержание

Введение…………………………………………………………………………...3

Глава 1. Поглощение азота  растением…………………………………………..4

Глава 2. Усвоение органических форм азота……………………………………7

2.1 Стерильные культуры  покрытосеменных растений………………………..7

2.2 Усвоение молекулярного  азота микроорганизмами………………………15

Глава 3. Бактерии в почве и их роль в круговороте веществ в  природе……..20

Заключение……………………………………………………………………….26

Литература……………………………………………………………………….28

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Азот составляет около 1,5% сухой массы растений. Значение азота  определяется тем, что он входит в  состав важных органических веществ, таких, как аминокислоты и белки, нуклеотиды и нуклеиновые кислоты, фосфолипиды, алкалоиды, многие витамины, фитогормоны (ауксины и цитокинины). Азот содержится в соединениях группы порфиринов, которые лежат в основе хлорофилла и цитохромов, многочисленных коферментов, в том числе НАД и НАДФ. Формы  азота в окружающей растения среде  разнообразны: в атмосфере — газообразный азот и пары аммиака, в почве —  неорганические формы азота (азот аммиака, аммония, нитратов, нитритов) и органические (азот аминокислот, амидов, белка, гумуса и др.). Такое разнообразие форм азота  ставило перед исследователями  вопрос об источниках азотного питания  для растительного организма. В  растениях соединения азота также  находятся в разнообразной форме. В силу этого для понимания  особенностей азотного питания требовалось  установить основные этапы превращения  его соединений. Данная проблема имеет  исключительное практическое значение. Так, наиболее часто в естественных условиях встречаются растения, содержащие недостаточное количество азота. Между  тем рациональное применение азотных  удобрений требует обязательного  знания особенностей азотного обмена. Большая роль в выяснении всех указанных вопросов принадлежит  работам академика Д.Н. Прянишникова и его учеников.

 

 

 

Глава 1.Поглощение азота растением

 

Формы азота, используемые растением. Азот входит в состав важнейшей части живого организма, а именно в состав запасных белков и белков цитоплазмы. В составе золы азота нет, так как при сжигании растений он образует газообразные окислы. В сухом веществе растения содержится в среднем 1,5% азота. Добывание азота представляет для растения наибольшие трудности, так как азот не входит в состав минералов и его накопление и превращение в почве полностью связано с жизнедеятельностью организмов.

В почве доступный для  растения азот находится в основном в форме нитратов аммонийных солей.

Восстановление нитратов растениями. Нитраты представляют собой окисленную форму азота и должны быть восстановлены растением до NH₂, после чего они могут войти в состав аминокислот, а затем белка. Можно считать, что восстановление нитратов идет двумя путями:

1) восстановление за счет химической энергии дыхания и 2) фотохимическое восстановление в хлоропластах.

Восстановление нитратов идет этапами: сначала до азотистой  кислоты HNO2, затем до гидрокисламина NH2OH и, наконец, до аммиака NH3. Восстановление нитратов до NH3-и NH2-гpyпп осуществляется с помощью фермента нитратредуктазы, в состав кофермента которой входит молибден.

Восстановленный азот нитратов или непосредственно поглощенный  ион аммония, соединяясь с продуктами превращения углеводов, образует аминокислоты, а затем белки. Аммиак, реагируя с  некоторыми органическими кислотами, может образовать аминокислоты. Так, например, аммиак, реагируя с пировиноградной кислотой, образует аминокислоту аланин:

 

 

Образовавшиеся белковые вещества подвергаются превращениям в  теле растения. Животный организм все  время выводит азот из своего тела в виде мочевины и отчасти мочевой  кислоты. В отличие от животных растение очень бережно относится к  азоту, не теряя его.

При прорастании семян  расщепляются запасные белки, а количество конституционных белков не только не уменьшается, а все время увеличивается. Затем происходит накопление белков в связи с переходом растения к автотрофному питанию.

Роль амида, аспарагина, глютамина  и мочевины в растении. При восстановлении нитратов, а также при дезаминировании аминокислот (т.е. отщеплении от них аммиака) в растениях может накопляться аммиак, который ядовит для большинства из них. В растении аммиак обезвреживается, так как он связывается аспарагиновой или глутаминовой кислотой, образуя соответственные амиды (аспарагин, глутамин).

Доказан и прямой синтез мочевины из углеводов и аммиака  у многих грибов (дождевики, шампиньоны). Содержание мочевины у дождевиков доходит  до 10,7% от сухого вещества. Таким образом, аспарагин, глутамин и мочевина играют большую физиологическую роль, так  как являются соединениями, обезвреживающими ядовитое действие аммиака, а также  представляют собой резерв аминогрупп NH₂ в растении для синтеза аминокислот.

Подводя итоги, можно отметить два типа синтеза белков: первичный  и вторичный. В обоих этих синтезах аммиак играет большую роль, что  и дало возможность Д.Н. Прянишникову сказать, что аммиак есть альфа и  омега (первая и последняя буквы  греческого алфавита), т.е. начало и  конец, превращения белков в растениях. При первичном синтезе из аммиака  и углеводов строится белок (левая  часть схемы). При распаде белка  образуются аминокислоты, от которых  при дезаминировании отщепляется  аммиак, связывающийся в аспарагин  или глютамин. При вторичном синтезе  белков (правая и нижняя части схемы) происходит отщепление аммиака от аспарагина и образование аминокислот из углеводов (вернее, из продуктов их превращения) и аммиака. Все эти  представления можно объединить в следующую схему Прянишникова:

 

 

 

 

 

 

 

Глава 2. Усвоение органических форм азота

2.1 Стерильные  культуры покрытосеменных растений

 

Долгое время оставался  нерешенным вопрос о возможности  усвоения корневой системой растений органических форм азота. Вопрос этот можно было решить только в стерильных культурах, так как в нестерильных условиях развились бы бактерии, которые  своими ферментами разложили бы органический азот и превратили бы его в минеральные  формы. Корневая система высших растений находилась в простерилизованном питательном  растворе, содержащем органический азот. Семена растений стерилизовались бромной  водой или раствором сулемы.

Опыты показали, что хотя аминокислоты и могут быть усвоены  зеленым растением, но это усвоение идет крайне медленно, и растения, выращенные на этих соединениях, всегда отстают  в росте от растений, получивших минеральные формы азота.

Насекомоядные растения. Большой интерес представляют высшие растения со своеобразным типом азотистого питания. Сюда относятся некоторые сапрофиты, паразиты, полупаразиты и, наконец, насекомоядные растения. Своеобразие азотистого, а у некоторых форм и углеродного питания возникло в процессе эволюции под влиянием условий существования и естественного отбора. Таким образом, в отличие от грибов и бактерий, где гетеротрофное питание азотом имеет первичный характер, у этих растений оно возникло вторично. Наиболее интересную группу растений, питающихся органическим азотом, составляют насекомоядные растения.

К насекомоядным растениям  принадлежит примерно 500 видов растений. Все они обитатели болот. Несмотря на богатство болотных почв органическим веществом, находящийся в этих почвах органический азот недоступен для растений. Болотные почвы также очень бедны  и минеральными солями (фосфор, калий  и др.). Все насекомоядные растения имеют хлорофилл, т.е.

 

 

Ознакомимся с некоторыми представителями насекомоядных  растений.

Росянка - многолетнее  растение, растет на сфагновых болотах. Каждый год на поверхности мха  образуется новая розетка листьев  росянки. Листья снабжены многочисленными  железистыми волосками (их часто  называют щупальцами), выделяющими  липкую жидкость, к которой и прилипают  мелкие насекомые - комары и мелкие мухи. При прилипании насекомого пластинка  листа свертывается. Особенно хорошо это свертывание пластинки видно  у вида росянки длиннолистной. После  того как насекомое прилипнет  к листу, в растении начинается выделение  гидролитических ферментов - протеаз, разлагающих белки, и муравьиной кислоты. Кислота способствует работе фермента протеазы, и, кроме того, она  действует как яд на бактериальную флору. Последнее очень важно, так как пышное развитие флоры гнилостных бактерий могло бы сказаться отрицательно на самом растении.

Ботаник Фрэнсис Дарвин, сын Чарльза Дарвина, выяснил  благоприятное влияние питания  росянки насекомыми. Он взял шесть  сосудов с растениями росянки  и разделил каждый из них перегородкой. По одну сторону перегородки росянки  получали мясо, а по другую сторону  им его не давали.

 

 

 

В конце опыта выяснилось, что на 100 цветков у контрольной  группы, которые не получали мяса, приходится 165 цветков у получавших мясо. Иными  словами, репродуктивная способность  растений росянки, питавшихся мясом, сильно возрастала.

Большой интерес представляет обитающая в болотистых водоемах пузырчатка. Помимо рассеченных листьев, она несет еще характерные пузыревидно измененные листья. В такой пузырек проникают мелкие рачки и уже не могут выбраться наружу, так как створка, сквозь которую проник рачок, открывается в одну сторону.

Из других насекомоядных  растений можно отметить кувшиноносы (непентес) из тропиков Мадагаскара и Явы: австралийский цефалотус и американскую сарацению, листья которых имеют вид кувшинов, куда и попадают насекомые. Эти растения также выделяют гидролизирующие белки-ферменты и переваривают насекомых. У цефалотуса выделения ферментов не происходит.

Многие насекомоядные  растения привлекают к себе насекомых  яркой окраской листьев, а некоторые  выделяют сладкий сок. Так, например, у кувшиноноса в верхней части  кувшинчиков имеются железки, выделяющие сладкий сок.

Особенно интересна венерина мухоловка, растущая на болотах штата Каролина в Северной Америке. Это небольшое растение активно захлопывает створки листьев, когда насекомое заденет чувствительный волосок его листа.

 

 

Симбиоз и паразитизм. Особую группу покрытосеменных растений составляют сапрофиты. Встречаются они на богатой  органическими веществами почве, в  лесах, среди разлагающейся лесной подстилки. К ним относятся такие  растения, как подъельник и орхидея  гнездовка. Оба эти растения бесцветны. Правда, в листьях гнездовки содержится небольшое количество хлорофилла а, хлорофилла б у нее совсем не найдено.

Подъельник - растение-сапрофит, лишенное хлорофилла. По-видимому, гриб снабжает подъельник углеводами и азотистыми веществами из малодоступного для растения перегноя, очевидно, получая от растения физиологически активные вещества (витамины), а также, возможно, и аминокислоты. Выращивая сосну в стерильных условиях и затем заражая ее определенным видом гриба (эктотрофная микориза), удалось экспериментально доказать наличие связи между высшим растением  и грибом. При наблюдениях за растениями и грибами в природной обстановке выявилась тесная связь между  определенными грибами и высшими  растениями. По меткому выражению  одного ученого, гриб кортинариус следует  за березой, как "дельфин за кораблем". Большинство наших съедобных грибов образуют эктотрофную микоризу и тесно связано с определенными деревьями. Это давно отмечено в названиях грибов.

В настоящее время показано, что семена орхидеи содержат очень незначительные количества витамина РР (никотиновой кислоты). Грибок снабжает семена орхидеи никотиновой кислотой, после чего они и начинают прорастать. Кроме того, синтез витамина Bi также несколько затруднен у орхидей, и снабжение семян этими веществами способствует их прорастанию и росту корней и надземной массы.

Большинство травянистых  дикорастущих и культурных растений также содержат эндотрофную микоризу, вызываемую низшими грибами, имеющими неразделенный перегородками мицелий. Отмечено, что при неблагоприятных  условиях, например при сильном увлажнении, гриб часто становится паразитом  растения. По-видимому, и в случае эндотрофной микоризы гриб снабжает растение азотом, добывая его из перегноя, а от растения получает углеводы, а также физиологически активные вещества.

К последней группе растений, отклоняющихся в своем азотистом  питании, относятся полупаразиты и  паразиты. По-видимому, путь к паразитизму  у высших растений лежал и лежит через полупаразитизм.

 

 

Много полупаразитов встречается  в семействе норичниковых. Среди  полупаразитов из норичниковых можно  отметить характерные растения лугов: погремок, очанку и др. Растения эти  присасываются своими корнями к  корням других растений. Одни из них  сохраняют более или менее  нормальную зеленую окраску, а другие уже значительно меньше содержат хлорофилла (как, например, погремок). Основной причиной перехода этих растений к  паразитическому образу жизни является слабое развитие корневой системы, вследствие чего они не могут свести своего водного баланса.

Из полных паразитов можно  упомянуть о видах заразихи, поражающей подсолнечник, тыквенные и ряд дикорастущих растений. Мелкие семена заразихи прорастают, стимулируемые подкислением субстрата корневыми выделениями. Основным мероприятием по борьбе с заразихой является создание невосприимчивых (иммунных) сортов.

Паразит повилика в отличие от заразихи, которая поражает корни, обвивает растение и присасывается к его стеблю. У повилики имеется очень незначительное количество хлорофилла. Проросток повилики совершает круговое движение, свойственное всем растениям, но у повилики оно проявляется особенно резко. Если при этом повилика не встретит растения, вокруг которого она может обвиться, то она погибает.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2 Усвоение молекулярного  азота микроорганизмами

 

Клубеньковые бактерии. Способность бобовых растений использовать атмосферный азот была доказана опытами немецких ученых Г. Гельригеля и Г. Вильфарта в 1886 г. Им удалось показать, что, посеянные в прогретый песок, в котором убиты все бактерии, бобовые растения, не образующие в этом случае клубеньков, не усваивают (не фиксируют) атмосферный азот, а растут лишь при наличии его в виде сортветственных солей в песке. Впоследствии бактерии были выделены в чистую культуру и названы клубеньковыми бактериями. Оказалось, что, прекрасно развиваясь на питательных средах, клубеньковые бактерии обычно не фиксируют при этом атмосферного азота. Усвоение азота воздуха идет у них беспрепятственно только в симбиозе (сожительстве) с бобовыми растениями.