Харчові адаптації рослин безмежної біології

Рослини не можуть видобути необхідний азот із ґрунту, тому вони утворюють симбіотичні стосунки з ризобією, що може закріпити його як аміак.

Мета навчання

Поясніть процес і значення фіксації азоту

Ключові винос

Ключові моменти

Двохатомного азоту багато в атмосфері та ґрунті, але рослини не можуть використовувати його, оскільки у них немає необхідного ферменту нітрогенази, щоб перетворити його у форму, яку вони можуть використовувати для отримання білків.
Грунтові бактерії, або ризобії, здатні здійснювати біологічну фіксацію азоту, при якій атмосферний газ азоту (N2) перетворюється в аміак (NH3), який рослини можуть використовувати для синтезу білків.
І рослини, і бактерії отримують користь від процесу фіксації азоту; рослина отримує азот, необхідний для синтезу білків, тоді як бактерії отримують вуглець з рослини та безпечне середовище для заселення в корінні рослини.

Ключові терміни

ризобія: будь-яка з різних бактерій роду Rhizobium, що утворюють бульбочки на коренях бобових та фіксують азот
азотфіксація: перетворення атмосферного азоту в аміак та органічні похідні природними засобами, особливо мікроорганізмами в ґрунті, у форму, яка може засвоюватися рослинами
вузлик: структури, що виникають на коренях рослин, які асоціюються із симбіотичними азотфіксуючими бактеріями

Фіксація азоту: взаємодія коренів та бактерій

Азот є важливим макроелементом, оскільки входить до складу нуклеїнових кислот і білків. Атмосферний азот, який є двоатомною молекулою N2, або динітрогеном, є найбільшим резервуаром азоту в наземних екосистемах. Однак рослини не можуть скористатися цим азотом, оскільки у них немає необхідних ферментів для перетворення його в біологічно корисні форми. Однак азот можна "фіксувати". Він може бути перетворений в аміак (NH3) за допомогою біологічних, фізичних або хімічних процесів. Біологічна фіксація азоту (BNF), перетворення атмосферного азоту (N2) в аміак (NH3), здійснюється виключно прокаріоти, такими як ґрунтові бактерії або ціанобактерії. Біологічні процеси вносять 65 відсотків азоту, який використовується в сільському господарстві.

Найважливішим джерелом БНФ є симбіотична взаємодія між ґрунтовими бактеріями та рослинами бобових культур, включаючи багато культур, важливих для людини. NH3, що утворюється внаслідок фіксації, може транспортуватися в рослинні тканини та вбудовуватися в амінокислоти, які потім перетворюються на рослинні білки. Деякі насіння бобових, такі як соя та арахіс, містять високий рівень білка і є одними з найважливіших сільськогосподарських джерел білка у світі.

Схема циклу азоту: Схематичне зображення кругообігу азоту. Абіотична фіксація азоту опущена.

Фіксація азоту в посівах: Деякі звичайні їстівні бобові культури, такі як (а) арахіс, (б) квасоля та (в) нут, здатні симбіотично взаємодіяти з ґрунтовими бактеріями, які фіксують азот.

Грунтові бактерії, звані спільно ризобіями, симбіотично взаємодіють з корінням бобових культур, утворюючи спеціалізовані структури, які називаються бульбочками, в яких відбувається фіксація азоту. Цей процес передбачає відновлення атмосферного азоту до аміаку за допомогою ферменту нітрогенази. Тому використання ризобії є природним та екологічно чистим способом удобрення рослин на відміну від хімічного підживлення, що використовує невідновлюваний ресурс, такий як природний газ. Завдяки симбіотичній фіксації азоту рослина отримує користь від використання нескінченного джерела азоту з атмосфери. Процес одночасно сприяє родючості ґрунту, оскільки коренева система рослин залишає за собою частину біологічно доступного азоту. Як і в будь-якому симбіозі, обидва організми отримують вигоду від взаємодії: рослина отримує аміак, а бактерії отримують сполуки вуглецю, що утворюються внаслідок фотосинтезу, а також захищену нішу, в якій можна вирощувати.

Різобія: Коріння сої містять (а) фіксуючі азот бульбочки. Клітини всередині бульбочок заражені Bradyrhyzobium japonicum, ризобією або бактерією, що любить коріння. Бактерії укладені у (b) везикули всередині клітини, як це видно на цій мікрофотографії передавальних електронів.

Мікориза: Симбіотичні стосунки між грибами та корінням

Багато рослин утворюють асоціації, звані мікоризою, з грибами, які дають їм доступ до поживних речовин у ґрунті, захищаючи від хвороб та токсичності.

Мета навчання

Охарактеризуйте симбіотичний взаємозв’язок мікоризи та коренів рослин

Ключові винос

Ключові моменти

Оскільки поживні речовини часто виснажуються в ґрунті, більшість рослин утворюють симбіотичні стосунки, звані мікоризою, з грибами, які інтегруються в корінь рослини.
Відносини між рослинами та грибами є симбіотичними, оскільки рослина отримує фосфат та інші мінерали через гриб, тоді як гриб отримує цукру з кореня рослини.
Довгі продовження гриба, звані гіфами, сприяють збільшенню площі поверхні кореневої системи рослини, щоб вона могла виходити за межі зони виснаження поживних речовин.
Ектомікоризи - це різновид мікоризи, який утворює щільну оболонку навколо коренів рослини, звану мантією, з якої ростуть гіфи; в ендомікоризах міцелій вбудовується в тканину кореня, на відміну від утворення оболонки навколо нього.
В ендомікоризах міцелій вбудовується в тканину кореня, на відміну від утворення оболонки навколо нього; вони містяться в коренях більшості наземних рослин.

Ключові терміни

мікориза: симбіотична асоціація між грибом та корінням судинної рослини
гіфа: довга розгалужена нитчаста структура гриба, яка є основним способом вегетативного росту
міцелій: вегетативна частина будь-якого гриба, що складається з маси розгалужених, ниткоподібних гіф, часто під землею

Мікориза: Симбіотичні стосунки між грибами та корінням

Зона виснаження поживних речовин може розвинутися при швидкому поглинанні ґрунтового розчину, низькій концентрації поживних речовин, низькій швидкості дифузії або низькій вологості ґрунту. Ці стани дуже поширені; тому більшість рослин покладаються на гриби, щоб полегшити засвоєння мінеральних речовин із ґрунту. Мікоризи, відомі як кореневі гриби, утворюють симбіотичні асоціації з корінням рослин. У цих асоціаціях гриби насправді інтегровані у фізичну структуру кореня. Гриби колонізують живу кореневу тканину під час активного росту рослин.