Микроэлементы в растениях, их дефицит

ОНУ им. И.И. Мечникова

 

 

 

 

 

 

Реферат на тему:

 

Микроэлементы в растениях, их дефицит

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Одесса 2014

Введение

Нормальное развитие растения возможно при обеспечении его всеми необходимыми условиями жизни — светом, теплом, водой, пищей. У каждого вида растений свои индивидуальные требования к этим условиям, неодинаковые на разных этапах его жизни. Попадая в несоответствующие для него условия окружающей среды, растение заболевает.

Наиболее частые причины неинфекционных болезней растений  - недостаток или избыток питательных веществ, неблагоприятные высокие или низкие температуры, недостаток или избыток влаги в воздухе, в почве, механические повреждения, загрязнение окружающей среды вредными для растений веществами (отходами промышленности или пестицидами) и т. д.

Особенное место в питательных веществах занимают микроэлементы, потребность растений в которых очень мала, но при их отсутствии в почве прекращается нормальное развитие растений.

Микроэлементами называют химические элементы, необходимые для нормальной жизнедеятельности растений и животных, и используемые растениями и животными в микроколичествах по сравнению с основными компонентами питания. Биологическая роль микроэлементов велика. Всем без исключения растениям для построения ферментных систем – биокатализаторов - необходимы микроэлементы, среди которых наибольшее значение имеют железо, марганец, цинк, бор, молибден, кобальт и др. Потребность растений в микроэлементах очень малая, но при дефиците микроэлементов может быть причиной неинфекционных болезней и сильного снижения урожайности и качества выращенной продукции.

1. ФОРМЫ И ФУНКЦИИ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ В РАСТЕНИЯХ.

 

 Жизнь любого организма невозможна без питательных микроэлементов. Большей частью они относятся к группе химических элементов с каталитическими функциями. Главная роль микроэлементов - участие в ферментативных реакциях живого организма.

Кальция. Кальций в клетках растительного организма выполняет неспецифические функции, влияя на осмотическую деятельность и электрическую поляризацию анионов. Больше выражено его специфическое влияние на конформацию ферментов, поляризацию реактивных групп, а также на проницаемость мембран и мембранный потенциал клеток.

Железо. Входит в состав растение в количестве 0,02 – 0,08%.В растение через корни этот элемент поступает преимущественно в форме Fe²⁺. В дальнейшем восстановленная форма железа может реокисляться, поэтому в тканях растений железо представлено соединениями Fe²⁺ и Fe³⁺, преимущественно в виде комплексов с различными органическими соединениями.

  Участие железа в процессах обмена веществ в растениях чрезвычайно обширно и отражается на активности и характере метаболизма других элементов питания, потребляемых растением. Железо в растениях представлено преимущественно в органических формах как составная часть геминсодержащих дыхательных ферментов (цитохромы, цитохромоксидаза), а также каталазы и пероксидазы. Его физиологическая активность обусловлена способностью, путем смены валентности (Fe²⁺→    Fe³⁺ + е^-), переносить электроны в метаболических циклах и входить в хелатные соединения. Железо как конституционно -функциональная составляющая активных центров ферментов и ферментных систем, причастных к фотосинтезу и дыханию, выступает мощным катализатором этих процессов в клетках живого растительного организма. Железо также необходимо для образования хлорофилла, хотя оно и не входит в его состав.

Цинк. В растениях цинк находится только в двухвалентной форме, поэтому он не может участвовать в окислительно-восстановительных реакциях. В ксилеме может встречаться в виде свободного двухвалентного катиона Zn²⁺ или в составе комплексов с органическими соединениями. Во флоэме, характеризующейся более высокими концентрациями органических соединений и значениями рН, большая часть цинка связана в комплексы.

Метаболические функции цинка основаны на его способности формировать комплексные соединения с N-, О- и S-лигандами. Цинк входит в состав многих ферментов в качестве интегрального компонента, выполняя при этом каталитическую или структурную функции. В ферментах, где цинк выполняет каталитическую функцию (карбоангидраза, карбоксипептидаза), этот металл координируется четырьмя лигандами. Три лиганда представлены аминокислотными остатками (гистидин, глутамин, аспарагин), а четвертый молекулой воды. В ферментах, где цинк выполняет структурную функцию (алкогольдегидрогеназа, Zn-белки, включенные в репликацию ДНК и экспрессию генов), атомы цинка координированы S-группами четырех остатков цистеина. Кроме того, он участвует в синтезе гетероауксина, регулирующего рост растений и имеет большое значение в биосинтезе индолилуксусной кислоты.

Бор. В растениях бор находится в форме мономеров: В(ОН)₃, В(ОН)₄-, или комплексов с органическими структурами. Растения содержат как водорастворимые, так и не растворимые в воде формы бора.

Бор принимает участие в углеводном и белковом обмене, синтезе пектинов, входящих в состав клеточных стенок, поглощении воды. Кроме того, этот элемент для многих растений требуется в течение всего периода вегетации. Он необходим для развития активноделящихся тканей, или меристемы. Поэтому борное голодание существенно нарушает обмен веществ у растений и нередко приводит к гибели пораженных тканей.

Медь. По биохимическим свойствам и функциям медь сходна с железом, способна образовывать стабильные комплексы и изменять валентность (Cu²⁺→Сu⁺). Одновалентная медь, в отличие от двухвалентной, нестабильна. Вопрос о том, в какой форме медь поступает в растение: Сu (II) или Сu (I), в настоящее время дискутируется. В растениях до 98-99% меди содержится в виде комплексных форм, концентрация свободных Сu²⁺ и Сu⁺ предельно низкая. Медь характеризуется большим сродством к аминокислотам, чем к органическим кислотам, и средней мобильностью во флоэме.

Большинство функций меди как микроэлемента связано с ее участием в ферментативных окислительно-восстановительных реакциях. Медь входит в состав полифенолоксидазы, оксидазы аскорбиновой кислоты и некоторых других ферментов.

Высшие растения характеризуются относительно невысоким содержанием меди, в среднем от 1 до 20 мг/кг сухого вещества. Концентрация меди в соках ксилемы и флоэмы колеблется от следовой до 140 мкмоль/л. Содержание меди повышено в листьях, где свыше 60% этого металла сосредоточено в хлоропластах. В корнях медь в основном связана с клеточными стенками и чрезвычайно малоподвижна. Меди довольно много в репродуктивных органах растений, в частности в семенах

 Магния. Несмотря на то, что содержание магния в растениях не превышает 0,2-0,5% сухого вещества, плодовые и ягодные культуры очень часто страдают от недостатка в различных органах из-за преимущественного его поступления по направлению к вершине. Причиной тому очень часто является конкурирующее влияние других катионов, и прежде всего калия. Конкурирующее влияние кальция обычно бывает менее значимым.

В растениях более 50% ионов поступившего магния находится в свободном состоянии, остальное количество выступает как обязательный компонент (15-20% от общего содержания Mg в растении) в различных соединениях, среди которых важное место занимает хлорофилл. Кроме того, он является составной частью фитина и пектиновых веществ. Магний активизирует многие ферменты, и особенно фосфорилазы.

Марганец. В биологических системах марганец проявляет главным образом валентности II—IV. Относительно стабильны Mn²⁺, Mn⁴⁺, причем доминируют двухвалентные формы марганца, нестабилен Mn³⁺.

Марганец также участвует в синтезе хлорофилла, катализирует некоторые окислительно-восстановительные реакции процессов дыхания и фотосинтеза.

Содержание марганца в травах колеблется от 17 до 334 мг/кг. Марганец обычно концентрируют растения, богатые танидами. Довольно много марганца содержат также алкалоидоносы. Содержание марганца повышено в корнеплодах свеклы, понижено во фруктах. Манганофилы могут накапливать марганец до 2000 мг/кг сухой массы. Значительное число манганофилов встречается среди гидрофитов и гигрофитов.

В корнях концентрация марганца существенно выше, чем в побегах. В надземных органах трав содержание марганца в листьях выше, чем в стеблях. У древесных форм и кустарников марганец распределен по надземным органам следующим образом: листья (хвоя) → кора→ древесина.

У гороха и кукурузы до 40% марганца от его общего содержания в клетке приурочено к фракции клеточных стенок. В растворимой фракции клеток содержится около 30%; во фракции, обогащенной органеллами, около 20; в мембранной фракции 6% от общего марганца. Эта закономерность верна для корней и побегов растений изученных видов. Из клеточных органелл больше всего марганца содержат хлоропласты. Самый большой пул свободного марганца в растительной клетке связан с вакуолью. В процессе поглощения растением марганца уровень содержания его свободных форм в цитозоле относительно низок. Вероятно, в растительной клетке существуют системы активного контроля за концентрацией свободного марганца в цитозоле

 Молибдена. Основные биохимические функции молибдена связаны с его способностью изменять валентность и участвовать в реакциях комплексообразования. В растениях молибден существует как Mo (VI)-Mo (IV). Транспортные формы молибдена практически не изучены, вероятнее всего, он транспортируется в виде аниона МоО₄^2-. Молибден обладает средней подвижностью во флоэме.

У растений насчитывается несколько ферментов, содержащих молибден в качестве кофактора: нитратредуктпаза, нитпрогеназа, ксантиноксидаза/дегидрогеназа, алъдегидоксидаза и, возможно, сулъфитоксидаза. В этих энзимах молибден выполняет каталитическую и структурную функции. У нитратредуктазы и других Mo-ферментов (кроме нитрогеназы) молибдокофакторы (Мосо), Мо-птерины, идентичны. Это каталитические центры многих ферментов, играющих важную роль в жизни бактерий, водорослей, грибов, растений и животных.

Молибден играет важную роль в азотном обмене растений и в процессе фиксации азота у азотфиксирующих бактерий. Он входит в состав фермента нитратредуктазы, поэтому при его недостатке в листьях накапливаются нитраты и снижается интенсивность процесса синтеза белка.

В растениях содержание молибдена сильно варьирует в зависимости от их видовых особенностей и почвенно-климатических факторов. Как правило, в бобовых растениях и небобовых, способных к N₂-фиксации, накапливается больше молибдена, чем в растениях других семейств. До 90% представителей семейства бобовых концентрируют этот микроэлемент, и его уровень в растениях существенно превышает содержание в почве. Распределение молибдена по органам изменяется в ходе онтогенеза бобовых.

У люпина в течение длительного периода вегетации молибден на-капливается главным образом в стеблях и клубеньках. Онтогенез люпина, как и других бобовых, заканчивается накоплением молибдена в семенах. Этот процесс усиливается благодаря подкормкам молибденовыми удобрениями растений в периоды их максимальной потребности в этом микроэлементе. У неклубеньковых растений основное количество молибдена локализовано в надземных органах. Так, в листьях хлопчатника содержание молибдена в несколько раз больше, чем в его стеблях и корнях. У льна наибольшее количество молибдена обнаружено в стеблях, а у пшеницы в листьях.

2.ВЛЯНИЕ НЕДОСТАТОК  МИКРОЭЛЕМЕНТОВ НА ВОЗНИКНОВЕНИЕ НЕИФЕКЦИОННЫХ БОЛЕЗНЕЙ.

Обеспеченность растения всеми необходимыми для него элементами питания — одно из главных условий его продуктивности. Отсутствие в почве или недостаточное поступление в растение того или иного элемента питания может вызвать серьезные нарушения в его развитии. Внешне это выражается как в изменении общего вида растения (карликовость, недоразвитость и т. д.), так и в появлении характерных для данного вида голодания симптомов — изменении окраски определенных органов, некрозов на листьях и т. д.

Голодание растений не всегда связано с отсутствием или недостаточным содержанием данного элемента в почве. Важное значение имеют формы (доступные или недоступные для растения), в которых он находится. Это в большей степени зависит от свойств почвы — ее кислотности, влажности, буферных свойств, а также от состава микрофлоры, что приходится учитывать при проведении защитных мероприятии (предупредительных или лечебных) в случае болезней голодания, особенно при недостатке микроэлементов.

Температура почвы, ее влажность оказывают прямое влияние на интенсивность минерального питания растения. В сухой и чрезмерно влажной почве усвоение корнями элементов минерального питания протекает значительно слабее, чем при оптимальной влажности почвы.

Обычно недостаток тех или иных элементов минерального питания проявляется почти на всех органах растения. Симптомы могут быть очень четкими, специфичными, но бывают и нехарактерными. Одни и те же симптомы могут быть следствием дефицита различных элементов (азот и фосфор, азот и медь).

2.1.Недостаток кальции.

При его недостатке в первую очередь страдают активно растущие ткани конусов нарастания. Признаки заболевания сначала появляются на верхушках побегов. В контролируемых же условиях эксперимента четко регистрируется недостаток кальциевого питания, прежде всего приостановлением роста корней с последующим их побурением и отмиранием кончиков. Замедляется общий рост побегов и ствола, а верхушечные листья светлеют. Недостаток поступления кальция при формирования плодов резко снижает их качество.