Вход и преобразуване на азот - StudIzba

Въвеждане и преобразуване на азот в растенията

Физиологична роля на азота в растителния организъм.
Особености на усвояване на молекулен азот от растенията. Азотфиксиращи микроорганизми.
Химия за фиксиране на азотния атмосфер.
Растителният азотен метаболизъм.

Физиологична роля на азота в растителния организъм.

Азотът е открит през 1772 г. от шотландския химик, ботаник и лекар Д. Ръдърфорд като газ, който не поддържа дишането и горенето (азотът се превежда като „не-жизненоважен“). За растенията азотът е оскъден елемент. Азотът представлява 1,5% от сухото тегло на растенията. Той е част от аминокиселини, протеини, нуклеинови киселини, фосфолипиди, алкалоиди, витамини, фитохормони. Азотът се съдържа в съединения от порфириновата група, които са в основата на хлорофила и цитохромите, множество коензими, включително NAD и NADP. Растенията могат да абсорбират само минерален азот и никога да не отделят азотни съединения като метаболитни продукти.

При липса на азот растежът на растенията се възпрепятства, образуването на странични издънки и бразда в зърнените култури се отслабва и се наблюдават малки листа. В същото време разклоняването на корените намалява. Листата първо пребледняват, след това в резултат на хидролиза на протеини и разрушаването на хлорофила те придобиват жълти, оранжеви и червени тонове. При продължително гладуване се наблюдава некроза на тъканите. Азотният глад води до намален вегетативен растеж и по-ранно узряване на семената.

Особености на усвояване на молекулен азот от растенията. Азотфиксиращи микроорганизми

Азотът е един от най-разпространените елементи в природата. Основните му форми на Земята са свързаният азот на литосферата и газообразният молекулярен азот (N 2) на атмосферата, който съставлява 75,6% от въздуха по маса. Молекулярният азот обаче не се усвоява от растенията и може да се превърне в достъпна за тях форма само поради активността на азотфиксиращите микроорганизми. Организмите, способни да асимилират азот във въздуха, могат да бъдат разделени на 3 групи: 1) симбиотични азотни фиксатори - микроорганизми, които асимилират атмосферния азот, намиращи се в симбиоза с висше растение; 2) несимбиотични азотни фиксатори - микроорганизми, които живеят свободно в почвата и усвояват азота от въздуха; 3) асоциативни азотни фиксатори - микроорганизми, които живеят на повърхността на корените, тоест те живеят в асоциация с висши растения.

Симбиотични азотни фиксатори . Бактериите, живеещи в коренови възли на бобовите растения (бактерии от коренови нодули), принадлежащи към рода Rhizobium, са от голямо значение. Кореновите системи на бобовите растения имат специфичен коренов секрет. В резултат на това възлови бактерии се натрупват около кореновите власинки, които се извиват в процеса. Контактът на микроорганизмите с растението се дължи на разпознаването на растението от лектин-въглехидрати от микроорганизма. Същността на това е, че лектинът от растителни коренни косми силно се свързва с въглехидратите на повърхността на бактериите. Бактериите нахлуват в кореновата коса под формата на непрекъсната нишка (така наречените инфекционни нишки), състояща се от безброй бактерии, свързани чрез слуз, проникват в кореновия паренхим. Клетките на перицикла започват да се делят интензивно. Може би бактериите отделят хормонални вещества като ауксин и именно това причинява растеж на тъканите, подуване - образуват се възли. Клетките на възлите са пълни с бързо размножаващи се бактерии. Възлестата тъкан, изпълнена с бактерии, става розова на цвят, тъй като след инфекцията в клетките на бактериите се образува пигмент, подобен на хемоглобина - легемоглобин. Този пигмент свързва кислорода във въздуха и предпазва нитрогеназния ензим от излагане на кислород. При липса на легемоглобин азотът не се усвоява. Информация за образуването на легемоглобин се съдържа в ДНК на висша растителна клетка. Синтезира се от клетките на растението гостоприемник и се образува след инфекция.

Връзката между растенията и възлите бактерии обикновено се характеризира като симбиоза. Въпреки това, в първите етапи на инфекцията бактериите се хранят изцяло с растението, тоест те практически паразитират върху него. През този период растежът на заразените растения дори е малко потиснат. В бъдеще способността за фиксиране на азот на бактериите се увеличава и те започват да доставят азотни вещества на растението гостоприемник, като в същото време бактериите получават въглехидрати от висшето растение (симбиоза). С развитието си етапът идва, когато растението паразитира върху клетките на бактериите, консумирайки всички азотни съединения, образувани там. През този период често се наблюдава разтваряне (лизис) на бактериални клетки.

Благодарение на дейността на възлови бактерии, част от азотните съединения от корените на бобовите растения се дифузират в почвата, обогатявайки я с азот. Засяването на бобови растения води до увеличаване на плодородието на почвата. Хектар бобови растения в симбиоза с бактерии може да превърне в свързано състояние от 100 до 400 кг азот годишно.

Има и други видове висши растения, при които се наблюдава симбиоза с микроорганизми. По този начин малката водна папрат на Azolla е в симбиотична връзка с фиксиращите азот цианобактерии. Azolla е способна да фиксира до 0,5 kg азот на хектар на ден. Някои дървета и храсти (например елша, морски зърнастец, олеагус) имат бактерии от рода актиномицети като симбионти.

Несимбиотични азотни фиксатори (свободно живеещи бактерии - азотни фиксатори). Понастоящем са известни редица видове Azotobacter. Свободно живеещите азотни фиксатори могат да бъдат факултативни аеробни или факултативни анаеробни. За да могат тези микроорганизми да осъществят процеса на азотно фиксиране, е необходимо присъствието на молибден, желязо и калций. Свободно живеещите азотни фиксатори усвояват средно около 1 g азот на 1 m 2 годишно. Много други бактерии също са способни да усвояват атмосферния азот, например цианобактерии, които причиняват цъфтеж на пресни и океански водни тела. В някои страни тяхното отглеждане се практикува на оризови полета.