Питание растений корневое и воздушное: Питание растений — урок. Окружающий мир, 3 класс.

Методическая разработка урока биологии для 6-го класса «Питание. Почвенное и воздушное питание растений»

Задачи урока.

  1. Раскрыть содержание понятия “питание”,
    особенности минерального (почвенного) питания
    растений, роль корневой системы в этом процессе.

  2. Развивать понятие о функциях листа.

  3. Познакомиться с процессом образования
    органических веществ, узнать условия их
    образования.

  4. Продолжить формирование умений узнавать ткани
    и органы растительного организма на таблицах,
    рисунках, работать с учебником, устанавливать
    причинно-следственные связи.

  5. Отработать навыки ухода за растениями (полив и
    подкормка).

Оборудование. Комнатные растения, таблицы
“Строение цветкового растения”, “Корень и его
зоны”, “Поглощение света листом”, макет корня,
презентация по теме урока, виртуальные уроки
“Кирилла и Мефодия. 6 класс”, микроскопы.


Тип урока:

урок комплексного
применения знаний с элементами инновационных
технологий и дифференцированного подхода.

Формы организации познавательной
деятельности:

фронтальная,
индивидуальная, элементы лабораторно-
исследовательской деятельности.

Основные методы:

проблемный,
дифференцированного подхода,
объяснительно-иллюстративный,
частично–поисковый, наглядно-практический,
личностно-ориентированный, творческий, метод
проблемного изложения учебного материала;
эвристическая беседа; аудиовизуальные;
наглядные (иллюстративные, демонстративные).

Основные биологические понятия урока.
Минеральное (почвенное) питание, корень, стебель,
лист; корневые волоски, проводящая ткань, сосуды,
фотосинтез, устьица, основная ткань листа.



ПЛАН УРОКА

I. Организационный момент.  Презентация

Домашнее задание: стр. 58–59, подготовить
проектное задание о “нетрадиционных” способах
питания растений — хищничестве и паразитизме.



II. Актуализация изученного материала.
Введение в новый раздел.

1. Актуализация знаний (биологическая
разминка, работа по карточкам).



КАРТОЧКА № 1. “Строение корня”

— Какие вещества входят в состав растения?

— Как минеральные вещества поступают в
растение?

— Какие органические вещества вы знаете?

— Как они поступают в растение?

— Как организмы получают основные химические
элементы, из которых построено их тело?

— Чем питание растений отличается от питания
других организмов?

— Какие функции выполняет корень? Что такое
корневой волосок? Каково его значение? (СЛАЙДЫ №
4, 5)

— Что такое питание?



2. Постановка познавательной задачи.

3. Сообщение ученика по теме “Питание”. (СЛАЙД
№ 6)



Питание – процесс получения организмом
энергии и веществ через пищу. Энергия не
создается и не уничтожается. Она существует в
разных формах – световой, химической, тепловой,
электрической, механической и т.д. Формы энергии
могут переходить друг в друга. Например, когда
включается вентилятор, то электрическая энергия
превращается в механическую, а у
электрообогревателя – в тепловую. Энергию можно
определить как способность совершать работу.
Живые организмы в этом случае можно сравнить с
машинами, которые не могут работать (оставаться
живыми) без постоянного притока энергии.

Примеры различного рода работы в организме:
образование органических веществ, транспорт
веществ, механическое сокращение мышц, деление
клеток. Кроме энергии, во время питания организм
получает вещества, необходимые для его роста и
развития.



III. Изучение нового материала.

1. Вступительное слово учителя (рассказ с
элементами беседы).

Типы питания живых организмов – автотрофы,
гетеротрофы (записываем схему). (СЛАЙД № 7)



2. Особенность питания растений. Работа с
учебником (гл. 10, с. 58).

Ученики изучают текст на с. 58 и отвечают на
вопросы (работа по программированной карте).
(СЛАЙД № 8)

— Что такое пищеварение, почему его нет у
зеленых растений?

— Какие приспособления есть у листьев для
поглощения углекислого газа из воздуха?

— Почему растения нельзя поливать холодной
водой? Почему корневых волосков на 1 мм2
поверхности насчитывается десятки и сотни?

— В чем значение минеральных подкормок
растений?

— Почему по отношению к удобрениям и воде не
подходит поговорка: “Кашу маслом не испортишь”?



3. Обобщение знаний по изученному фрагменту
темы (ответ ученика).

Почва, которая используется человеком для
выращивания культурных растений, требует
восстановления состава, т.к. питательные
вещества уносятся растениями. Поэтому человек
вносит удобрения.

Корень, стебель и лист связаны непрерывной
системой проводящих пучков, в которых есть
сосуды. По сосудам, как по трубам, вода и
растворенные в ней минеральные соли поднимаются
из корня в лист, где вместе с углекислым газом они
участвуют в образовании органических веществ.



Вывод: почвенное питание растений связано с
поглощением воды и минеральных веществ с помощью
корневых волосков зоны всасывания корня. (СЛАЙД
№ 9)

Постановка вопроса урока. А что же такое
воздушное питание растений? (СЛАЙД № 10)



Условия образования органических веществ (рассказ,
работа с опорной схемой, составление
характеристики по опорной схеме, работа с
микроскопами).

Фотосинтез – это процесс образования
сахара на свету из углекислого газа и воды в
хлоропластах. (СЛАЙД № 11)



1-е условие фотосинтеза: наличие
хлоропластов. (СЛАЙД № 3, УРОК № 14)



2-е условие фотосинтеза: наличие углекислого
газа, поступающего через устьица из воздуха.



3-е условие фотосинтеза: наличие воды
(поступает из почвы).



4-е условие фотосинтеза: наличие света. (СЛАЙД
№ 12)



“Хлорофилл — это Прометей, который
выкрал огонь с небес и подарил людям”. К.А.Тимирязев

4. Продукты фотосинтеза (обсуждение, связь с
практическим значением органических веществ для
питания). (СЛАЙД № 13)



IV. Закрепление изученного материала (работа с
дифференцированными разноуровневыми заданиями,
схемами). (СЛАЙДЫ № 3, 7)

Типы питания (дифференцированное закрепление
изученного материала). (СЛАЙД № 14)

— Какие вещества необходимы растению?

— Где они их берут в процессе питания?

— Питание у растений различают: почвенное
(минеральное) и воздушное (фотосинтез).

Обязательный уровень

(СЛАЙД № 15)

(СЛАЙД № 16)

 

Составление схемы “Питание растений”.
(СЛАЙД № 17)



Повышенный уровень








  ПОЧВЕННОЕ
ПИТАНИЕ

 

ВОЗДУШНОЕ ПИТАНИЕ

КОРЕНЬ

ОРГАН

ЛИСТ

ВСАСЫВАЮЩАЯ

ТКАНЬ

ОСНОВНАЯ

КОРНЕВЫЕ ВОЛОСКИ

КЛЕТКИ

СТОЛБЧАТЫЕ

——-

СТРУКТУРЫ

ХЛОРОПЛАСТЫ

ВОДА И МИНЕРАЛЬНЫЕ
СОЛИ

ВЕЩЕСТВА

ОРГАНИЧЕСКИЕ
(ГЛЮКОЗА)



(СЛАЙДЫ № 18, 19, 20)



V. Дифференциальная самостоятельная работа.

Обязательный уровень

1. Выберите правильные утверждения:

  1. Корневые волоски находятся на всем протяжении
    корня.

  2. Клетки корневого чехлика недолговечны.

  3. Поступление воды и минеральных солей
    происходит только в зоне всасывания.

  4. Зона всасывания находится между зоной роста и
    проводящей зоной.

  5. Лист – единственный орган растения, в котором
    происходит фотосинтез.

  6. Устьичные клетки не имеют хлорофилла.

  7. Почка – это зачаточный побег.

  8. Стержневая корневая система имеет один корень.

  9. Придаточные корни развиваются из корешка
    зародыша.



2. Докажите, что луковица видоизмененный
побег.

Ключ: правильные утверждения: 2, 3, 4, 7.

Повышенный уровень



1. При дыхании корни поглощают:

а) кислород; б) воду; в) углекислый газ;

г) растворенные минеральные вещества.



2. В поглощении воды и минеральных солей
участвует:

а) зона деления; б) зона роста;

в) зона всасывания; г) зона проведения.



3. Органическое удобрение:

а) навоз; б) зола; в) селитра; г) мочевина.



4. Почка – это:

а) зачаточный побег; б) зачаточные листья;

в) видоизмененный побег; г) видоизмененные
листья.



5. Клубень – это:

а) плод; б) видоизмененный побег; в) корень; г)
часть побега.



6. Вегетативные органы:

а) семена; б) плоды; в) корни и побеги; г) цветки.



7. Фотосинтез происходит:

а) только на свету; б) в темноте; в) только осенью;
г) только ночью.



8. Стержневая корневая система имеет:

а) один корень; б) много корней;

в) много придаточных корней; г) главный и
боковые корни.



9. Придаточные корни:

а) развиваются из корешка зародыша;

б) отрастают от стебля;

в) развиваются на главном корне;

г) отрастают от боковых корней.

Биологический диктант

Корневая система растения поглощает из почвы …
и … с помощью … Из листа вода поступает к клеткам
основной ткани, содержащим … Через устьица к
клеткам основной ткани поступает … В
хлоропластах при участии света образуются …
Происходит процесс … При этом выделяется газ …

Ключ: 1 г), 2 в), 3 а), 4 а), 5 б), 6 в), 7 а), 8 г), 9
б).

Биологический диктант: воду,
минеральные вещества, корневых волосков,
устьица, углекислый газ, органические вещества,
фотосинтез, кислород.



VI. Рефлексия.

Что мы нового узнали на уроке? Оценивание
учащихся.

Продолжить сказку о фотосинтезе.
“Инопланетяне решили уничтожить жизнь на
планете Земля. Они выяснили, чтобы уничтожить
жизнь, необходимо уничтожить фотосинтез…”.

Питание растений

По типу питания все высшие растения являются автотрофами, то есть они способны синтезировать органические вещества (вещества, находящиеся в растительных организмах, продукты их выделения и ассимиляции) из неорганических (состоят, главным образом, из углерода, водорода, кислорода, азота, серы, фосфора). В организм растения неорганические вещества попадают двумя путями:

• «воздушное питание» (иначе фотосинтез) – попадает углекислый газ

• «корневое питание» — попадают азот, сера, фосфор, железо, калий, кальций, натрий, микроэлементы (молибден) и вода

«Воздушное питание» представляет собой поглощение листьями растений углекислого газа из окружающей среды. В листьях он претерпевает ряд химических изменений в результате чего образуются необходимые растению органические вещества (аминокислоты, белки). В качестве побочного продукта образуется кислород.

«Корневое питание» представляет собой поглощение воды и минеральных веществ корнем непосредственно из почвы. Поглощение возможно за счет осмотического давления, то есть за счет разницы давлений между давлением внутри растения и давлением окружающей среды. С последним растение взаимодействует в процессе испарения воды, раскрывая многочисленные устьица на площади листа.

Минеральные вещества, попадают в тело растения в виде положительно (катионы) или отрицательно заряженных (анионы) ионов (атомов, реже молекул с выраженным зарядом) неорганических веществ. В дальнейшем они переводятся в готовые органические вещества (аминокислоты, белки). Часть органических веществ может синтезировать сам корень.

Непосредственно на корне за впитывание минеральных веществ отвечают молодые растущие корешки и множество корневых волосков. Количество корневых волосков может достигать 200-500 штук на 1 квадратный миллиметр, что увеличивает площадь соприкосновение корня с почвой в несколько раз. Срок жизни каждого корешка и волоска не превышает 2-5 дней. Вследствие этого корни у растения растут непрерывно в течение всей жизни. За один день общий прирост корней может составлять 5-10 миллиметров.

Во время роста корня часто наблюдается такое интересное явление как хемотропизм. Его смысл состоит в том, что корневая система растет наиболее быстрее в том направлении, где больше всего питательных веществ. Но возможен и отрицательный хемотропизм, то есть корневая система растет в сторону о т неблагоприятных условий. В качестве последних может выступать реакция почвенной среды, температура, степень обеспеченности водой, кислородом и минеральными веществами.

Избыток или, чаще всего, недостаток многих неорганических веществ отрицательно сказывается на облике растения. Растение хиреет, плохо или вообще не плодоносит, часто погибает. Чтобы этого избежать сельскохозяйственные растения подкармливают удобрениями.

Поделиться ссылкой

Как корни овощных растений поглощают питательные вещества

Корни овощных растений поглощают питательные вещества посредством двух совершенно разных последовательных процессов. Во-первых, питательные вещества должны перемещаться из почвы на поверхность корней растений. Во-вторых, питательные вещества должны иметь возможность проникать снаружи внутрь корней растений. Как только питательные вещества попадают внутрь растения, они могут перемещаться вверх к листьям и развивающимся овощам.

Процесс 1: Перемещение ионов питательных веществ из почвы к поверхности корней

Людей, незнакомых с ботаникой, удивляет, что корни растений не растут в поисках питательных веществ. Вместо того, чтобы корни растений проросли в почву, они должны сначала столкнуться с близлежащими питательными веществами и поглотить их, чтобы развить новую корневую ткань. Поскольку у корней нет специального радара, сонара или другого устройства для обнаружения питательных веществ за углом или в более глубоких слоях почвы, вместо этого они зависят, по сути, от поступающих к ним питательных веществ.

Корневой перехват.  Почвенные частицы, такие как песок, ил и глина, образуют почвенные агрегаты или куски, связанные с гумусом (органическим веществом), где содержится большинство питательных веществ почвы. Но поскольку корни растений соприкасаются лишь с очень ограниченной частью общей поверхности почвы — примерно от 1 до 2 процентов, — процесс прямого контакта корней с частицами почвы (перехват корней) не может быть очень важным объяснением того, как питательные вещества растений перемещаются. к корням. Вместо этого корни растут вокруг этих агрегатов и обычно не проникают в них. Таким образом, корни большинства растений не соприкасаются с большей частью очень обширных поверхностей мельчайших частиц глинистых минералов и частиц гумуса в почве.

Массовый поток через транспирацию листьев.  Однако листья растений вызывают больший контакт. Овощные растения испаряют воду из своих листьев, создавая всасывание воды на поверхности корней, которое притягивает питательный поверхностный почвенный раствор к корням растений. Этот процесс массового потока, вызванный транспирацией листьев, объясняет, как большая часть питательных веществ для растений (98 процентов) перемещается из почвы на поверхность корней. Растворение питательных веществ в почвенном растворе является важной предпосылкой, позволяющей ему двигаться в этом массовом потоке.

Распространение.  Для некоторых конкретных ионов питательных веществ для растений основным механизмом движения является очень медленный процесс диффузии. Можно уподобить диффузию концентрированной толпе людей, покидающих стадион, чтобы вернуться домой после игры, каждый из которых идет домой разными путями. В почве сравните гранулу удобрения или полосу питательных веществ с медленно рассредоточенной толпой на стадионе. Концентрация питательных веществ начинается очень высокой вокруг гранул или полосы удобрений, но со временем ионы питательных веществ очень медленно удаляются из зоны концентрации (за пределы стадиона). Это движение происходит в ответ на высокий градиент концентрации на поверхности гранулы или зоны и низкий градиент концентрации, существующий дальше от гранулы или зоны. Диффузия происходит за счет того, что эти высококонцентрированные ионы перемещаются как можно дальше друг от друга и становятся доступными для корней растений. Фосфат, калий и цинк являются основными питательными ионами, перемещающимися в результате диффузии.

Хелаты.  Ионы металлов микроэлементов (железо, марганец, медь, цинк, кобальт и никель) могут перемещаться в результате действия хелатов. Хелаты естественным образом образуются самыми разнообразными микроорганизмами, хотя некоторые производители применяют синтетические хелаты. Эти хелаты действуют как такси питательных веществ. Каждый хелат присоединяется к иону микроэлемента металла, образуя нейтральную электрически заряженную частицу, позволяя хелатному питательному веществу перемещаться к корням в ответ на массовый поток почвенного раствора.

Процесс 2: Движение ионов снаружи внутрь корня

Как только питательное вещество для растений перемещается из почвы через проникновение корня, массовый поток или диффузию или движение хелата, питательное вещество достигает только поверхности корень растения. Следующий процесс (поглощение) понять гораздо сложнее. Во-первых, рассмотрим природу корней растений. Чтобы обеспечить защиту от утечки их содержимого и от нападения патогенных микроорганизмов, корни растений разработали важный барьер, полосу каспария.

Полоска Каспариана.  Отложение пробкового типа, представьте себе каспариевую полосу как раствор, скрепляющий кирпичи вместе. В этой аналогии кирпичи — это отдельные растительные клетки. Как и кирпичная стенка, полоска каспария состоит только из одного слоя шириной в клетку, полностью окружающего корень. Эта полоса похожа на рукав и расположена внутри нескольких клеточных слоев от внешней поверхности клетки. Это можно представить как ношение внешнего шерстяного свитера с внутренней курткой, защищающей от ветра. Внутренняя куртка будет похожа на полоску каспариана. Пробковое отложение окружает камеру, как и цементный раствор вокруг кирпича, но не покрывает ни переднюю, ни заднюю часть ячеек.

Клетки корней растений, встроенные в полоску каспариана, заставляют все ионы питательных веществ проникать непосредственно через эти живые клетки. Питательные ионы должны перемещаться снаружи внутрь корня. Этого не может произойти путем диффузии, потому что концентрация ионов внутри корня выше, чем концентрация вне его. Таким образом, если бы корни были проникнуты, чистый поток питательных веществ вытекал бы из корней растений. Однако этого не происходит. Пробковое покрытие предотвращает утечку.

СПС.  Чтобы протолкнуть питательные вещества к корням, несмотря на более высокую концентрацию питательных веществ внутри, клетки растений должны затратить энергию. Эта энергия поступает из АТФ (аденозинтрифосфата), энергетической молекулы всех клеток. Точный механизм не был полностью раскрыт науке. Некоторые теории объясняют известные нам факты. По-видимому, растительные клетки содержат в своих клеточных стенках особую молекулу (называемую переносчиком), способную распознавать каждый конкретный питательный ион. Таким образом, клетка содержит множество этих особых молекул-носителей, по одной для каждого отдельного питательного вещества. Например, для кальция, магния, меди и цинка существуют отдельные носители. Это объясняет, как корни растений могут быть избирательными в отношении природы ионов, поступающих в корни растений.

Корни овощных растений, растущих на холодных почвах, часто проявляют симптомы дефицита фосфора (P) (фиолетовая окраска при медленном росте). Однако, когда почва прогревается, корни растут, в результате чего корни поглощают больше фосфора, тем самым преодолевая симптомы дефицита. Это наблюдение убедило ученых, что корни растений реагируют в первую очередь на физиологические, а не чисто химические процессы поглощения ионов питательных веществ растениями. Это наблюдение подтверждается тем фактом, что корням растений требуется газообразный кислород из воздуха, чтобы корни оставались здоровыми. Этот газообразный кислород используется растением для производства энергии АТФ, необходимой для доставки ионов питательных веществ в растение.

Как только ионы питательных веществ проходят через живые клетки полоски каспариана, эти ионы перемещаются в ткань ксилемы растения и переносятся вверх к листьям и развивающимся частям растений. Эти ионы (главным образом микроэлементы металлов) могут служить компонентами различных ферментов. Другие питательные вещества (в основном азот, фосфор, магний и сера, а также кальций) становятся основными компонентами растения в виде белков, сахаров, ДНК, хлорофилла и множества других соединений.

Источник: Томас А. Рюр, профессор кафедры наук о Земле и почве Калифорнийского политехнического университета, Сан-Луис-Обиспо, Калифорния 93407-0261. Адаптировано из журнала Vegetables West.

Похожие темы:

Усвоение питательных веществ растениями | Биология организмов

  1. Описать образование и структуру почвы
  2. Объясните роль корневых волосков, протонных насосов, ионных каналов и котранспортеров в поглощении растениями воды, ионов и минералов
  3. Объясните, почему и как состав и текстура почвы влияют на усвоение растениями воды, ионов и минералов
  4. Сравните и сопоставьте роли бактерий rhyzobia и микоризных грибов в усвоении питательных веществ корнями растений

Приведенная ниже информация была адаптирована из OpenStax Biology 31. 2

Почва образуется в результате выветривания горных пород механическими (физическими), химическими и биологическими процессами. Почвы резко различаются в разных регионах, но все состоят из живых и неживых компонентов:

  • Гумус: органическое вещество (живое и мертвое), включая корни растений, прокариотические и эукариотические микроорганизмы, разлагающиеся растения/животные; составляет около 5% объема почвы
  • Фрагменты горных пород и другие неорганические минеральные вещества из горных пород, медленно распадающиеся на более мелкие частицы разного размера; составляет от 40 до 45% объема почвы
  • Вода и газы (воздух), растворенные в почвенных частицах; составляют около 50 % объема почвы

Количество каждого из основных компонентов почвы зависит от количества растительности, уплотнения почвы и воды, присутствующей в почве. Хорошая здоровая почва содержит достаточно воздуха, воды, минералов и органических материалов для развития и поддержания жизни растений.

Типовой приблизительный состав почвы. Сорок пять процентов составляют неорганические минеральные вещества, 25 процентов — вода, 25 процентов — воздух, 5 процентов — органические вещества, включая микроорганизмы и макроорганизмы. Изображение предоставлено: Биология OpenStax.

 

Текстура почвы определяется пропорциями частиц разного размера в почве, что влияет как на способность корней растений проникать в почву, так и на способность почвы удерживать воду. По механическому составу почвы классифицируются следующим образом:

  • Гравий: частицы диаметром более 2,0 мм
  • Песок: частицы диаметром от 0,02 до 2 мм
  • Ил: частицы от 0,002 до 0,02 мм
  • Глина: частицы диаметром менее 0,002 мм
  • Суглинок: почва, состоящая из смеси песка, ила и гумуса

Пять основных факторов определяют почвообразование: исходный материал, климат, топография, биологические факторы и время.

  • Исходный материал: Органический и неорганический материал, из которого формируются почвы, является исходным материалом, таким как коренная порода, песок, ледниковый нанос, речные отложения.
  • Климат:  Температура, влажность и ветер вызывают различные процессы выветривания и, следовательно, влияют на характеристики почвы. Наличие влаги и питательных веществ в результате выветривания также будет способствовать биологической активности: ключевому компоненту качественной почвы.
  • Топография:  Региональные особенности поверхности (обычно называемые «рельефом земли») могут иметь большое влияние на характеристики и плодородие почвы. Топография влияет на сток воды, который смывает исходный материал и влияет на рост растений. Крутые почвы более подвержены эрозии и могут быть тоньше, чем относительно плоские или ровные почвы.
  • Биологические факторы: Животные и микроорганизмы могут образовывать поры и щели, а корни растений могут проникать в щели, вызывая большее дробление. Растительные выделения способствуют развитию микроорганизмов вокруг корня, в области, известной как ризосфера. Кроме того, листья и другие материалы, падающие с растений, разлагаются и вносят свой вклад в состав почвы.
  • Время: Время является важным фактором в почвообразовании, поскольку почвы развиваются в течение длительного времени. Почвообразование представляет собой динамический процесс. Материалы со временем откладываются, разлагаются и превращаются в другие материалы, которые могут использоваться живыми организмами или откладываться на поверхности почвы. По оценкам, в зависимости от климата требуется от 200 до 1000 лет, чтобы создать 1 дюйм почвы.

После формирования почвы получают названия и классифицируются на основе их «горизонтов» или слоев. Почва обычно имеет четыре типа горизонтов или слоев:

  1. Горизонт О: свежеразлагающееся органическое вещество (гумус)
  2. Горизонт А: верхний слой почвы, богатый органическим веществом с примесью неорганического материала; важнейший слой почвы для роста растений; обычно только 2-3 дюйма глубиной
  3. Горизонт В: недра, состоящие из плотного слоя мелкозернистого материала, сместившегося вниз
  4. Горизонт С: почвенная основа, состоящая из материнского материала плюс органический и неорганический материал; под горизонтом С залегает коренная порода

Горизонт О насыщенного темно-коричневого цвета. Горизонт А от двух до десяти дюймов. Этот слой немного светлее, чем горизонт О, и видны обширные корневые системы. Горизонт В от десяти до тридцати дюймов. Горизонт В красновато-коричневый. Более длинные корни доходят до нижней части этого слоя. Горизонт С простирается от 30 до 48 дюймов. Этот слой каменистый и лишен корней. Изображение предоставлено: Биология OpenStax.

Некоторые почвы могут иметь дополнительные слои или не иметь одного из этих слоев. Мощность слоев также непостоянна и зависит от факторов, влияющих на почвообразование. Как правило, незрелые почвы могут иметь горизонты О, А и С, тогда как зрелые почвы могут иметь все это, а также дополнительные слои.

Учитывая количество времени, необходимое для формирования почвы, что происходит, когда мы теряем почву в результате эрозии и других процессов? В этом видео описываются последствия этого явления, которое в конечном итоге может привести к опустыниванию:

 

Приведенная ниже информация была адаптирована из OpenStax Biology 30.3,

.

Большинство растений являются автотрофными и используют фотосинтез для производства пищи из неорганического сырья, такого как углекислый газ и вода. (Некоторые растения являются гетеротрофными: они полностью паразитируют и лишены хлорофилла. Гетеротрофные растения не могут синтезировать органический углерод и получать все свои питательные вещества от растения-хозяина.)

В этом видео рассматриваются основные понятия о фотосинтезе. На левой панели щелкните каждую вкладку, чтобы выбрать тему для обзора.

Несмотря на то, что большинство растений являются автотрофами и могут производить свои собственные сахара из углекислого газа и воды, им все же требуются определенные ионы и минералы из почвы. Как растения усваивают микроэлементы из почвы? Этот процесс опосредован корневыми волосками , которые являются расширениями эпидермальной ткани корня, которые увеличивают площадь поверхности корня, в значительной степени способствуя поглощению воды и минералов.

Корневые волоски поглощают ионы, растворенные в воде в почве. Однако не все ионы одинаково доступны в почвенной воде, в зависимости от свойств почвы. Глина заряжена отрицательно, поэтому любые положительные ионы (катионы), присутствующие в богатых глиной почвах, будут прочно связаны с частицами глины. Эта тесная связь с частицами глины предотвращает вымывание катионов проливными дождями, но также предотвращает легкое поглощение катионов корневыми волосками растений. Напротив, анионы легко растворяются в почвенной воде и поэтому легко доступны для корневых волосков растений; однако они также очень легко смываются дождевой водой. По его мнению, присутствие частиц глины представляет собой компромисс для растений: они предотвращают вымывание катионов из почвы дождевой водой, но они также предотвращают поглощение катионов растением.

Как растения преодолевают эти проблемы? Эпидермальная ткань корневых волосков выстлана протонными насосами (H+-АТФазы), которые используют АТФ в качестве источника энергии для выкачивания протонов из клеток в почву против их электрохимического градиента. Эти протонные насосы создают сильный электрохимический градиент с высокой концентрацией протонов и сильным положительным зарядом вне клетки и низкой концентрацией протонов и относительно отрицательным зарядом внутри клетки. Эти протоны, закачанные в почву протонными насосами, приводят к двум результатам:

  1. Протоны связываются с отрицательно заряженными частицами глины, высвобождая катионы из глины в процессе, называемом катионным обменом . Затем катионы диффундируют по своему электрохимическому градиенту в корневые волоски. (Почвенная среда сильно положительно заряжена, поэтому катионам выгодно перемещаться в корневые волоски).
  2. Высокая концентрация протонов в почве создает сильный электрохимический градиент, который способствует транспорту протонов обратно в корневые волоски. Растения используют совместно транспортирует протонов по градиенту их концентрации в качестве источника энергии для перемещения анионов против их электрического градиента в корневые волоски. (Почвенная среда сильно положительно заряжена, поэтому для анионов неблагоприятно покидать почву, но очень благоприятно для протонов покидать почву).

Из-за влияния pH и глины на удержание ионов, а также на другие параметры, состав и текстура почвы сильно влияют на способность корней проникать в почву, а также на доступность воды, питательных веществ и кислорода:

Состав Доступность воды Доступность питательных веществ Наличие кислорода Способность проникать в корень
Песок Низкий уровень: вода сливается Низкий: низкая способность к катионному обмену; анионы вымываются Высокий: много воздухосодержащих помещений Высокий: крупные частицы неплотно упаковываются
Глина Высокая: вода прилипает к заряженной поверхности частиц глины Высокий: большая емкость для катионного обмена; анионы остаются в растворе Низкий: мало воздухосодержащих помещений Низкий: мелкие частицы плотно упаковываются
Органическое вещество Высокая: вода прилипает к заряженной поверхности частиц глины Высокий: готовый источник питательных веществ, большая емкость для катионного обмена; анионы остаются в растворе Высокий: много воздухосодержащих помещений Высокий: крупные частицы неплотно упаковываются

 

Посмотрите видеоролики ниже, чтобы обсудить эти взаимодействия, в том числе важность pH и глины в почвах, а также процесс катионного обмена, используемый растениями для получения питательных веществ из богатых глиной почв.

 

 

В приведенном ниже видео рассматриваются основные принципы активного и пассивного транспорта (начинайте с 1 мин 7 с и смотрите через 5 мин 14 с). Эти процессы будут обсуждаться в более конкретном контексте корневого транспорта в классе. .

Хотя растения имеют свободный доступ к углероду (углекислому газу) и воде (за исключением сухого климата или засухи), они должны извлекать минералы и ионы из почвы. Часто азот больше всего ограничивает рост растений; хотя он составляет примерно 80% атмосферы, газообразный азот химически стабилен и биологически недоступен для растений. Многие растения развили мутуалистические отношения с микроорганизмами, такими как определенные виды бактерий и грибов, чтобы повысить их способность усваивать азот и другие питательные вещества из почвы. Эта взаимосвязь улучшает питание как растения, так и микроба.

Хотя атмосфера на 80% состоит из азота, азот в газообразной форме недоступен для большинства организмов. Лишь несколько видов бактерий способны «фиксировать» азот, и весь биологически доступный азот получается в результате деятельности этих бактерий. Растения способны утилизировать азот из азотфиксирующих бактерий или из азота, выделяемого редуцентами, такими как грибы. By Cicle_del_nitrogen_de.svg: *Cicle_del_nitrogen_ca.svg: Johann Dréo (User:Nojhan), перевод Joanjoc d’après Image:Cicle azote fr.svg.Производная работа: Burkhard (разговор)Nitrogen_Cycle. jpg: Агентство по охране окружающей среды, производная работа: Raeky ( разговор) – Cicle_del_nitrogen_de.svgNitrogen_Cycle.jpg, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=7905386

Азот является важным макроэлементом, поскольку он входит в состав нуклеиновых кислот и белков. Атмосферный азот, представляющий собой двухатомную молекулу N 2, или диазот, является самым большим пулом азота в наземных экосистемах. Однако растения не могут воспользоваться этим азотом, так как у них нет необходимых ферментов для превращения его в биологически полезные формы. Однако азот может быть «фиксированным», что означает, что его можно преобразовать в аммиак (NH 3 ) посредством биологических, физических или химических процессов. Биологическая азотфиксация (БНФ) – превращение атмосферного азота (N 2 ) в аммиак (NH 3 ), осуществляемый исключительно прокариотами, такими как почвенные бактерии или цианобактерии. Биологические процессы дают 65 процентов азота, используемого в сельском хозяйстве.

Наиболее важным источником BNF является симбиотическое и мутуалистическое взаимодействие между почвенными бактериями и бобовыми растениями, включая многие важные для человека культуры. NH 3 , образующийся в результате фиксации, может транспортироваться в ткани растений и включаться в аминокислоты, которые затем превращаются в растительные белки. Семена некоторых бобовых, таких как соевые бобы и арахис, содержат большое количество белка и служат одним из самых важных сельскохозяйственных источников белка в мире.

Определенные почвенные бактерии, называемые rhizobia , могут симбиотически взаимодействовать с корнями бобовых, образуя специальные структуры, называемые клубеньками, в которых происходит фиксация азота. Этот процесс влечет за собой восстановление атмосферного азота до аммиака с помощью фермента нитрогеназы. Благодаря симбиотической фиксации азота растение получает выгоду от использования бесконечного источника азота из атмосферы. Этот процесс одновременно способствует повышению плодородия почвы, поскольку корневая система растений оставляет часть биологически доступного азота. Как и в любой симбиотический мутуализм, оба организма получают выгоду от взаимодействия: растение получает аммиак, а бактерии получают соединения углерода, образующиеся в результате фотосинтеза, а также защищенную нишу для роста. Важно отметить, что фермент нитрогеназа инактивируется в присутствии кислорода, и, таким образом, корневые клубеньки помогают поддерживать низкую концентрацию кислорода, чтобы «защитить» нитрогеназу внутри ризобий от отравления кислородом.

Корни сои содержат (а) азотфиксирующие клубеньки. Клетки внутри клубеньков инфицированы Bradyrhyzobium japonicum, ризобией или «корнелюбивой» бактерией. Бактерии заключены в везикулы (б) внутри клетки, как видно на этой трансмиссионной электронной микрофотографии. (кредит a: модификация работы Министерства сельского хозяйства США; кредит b: модификация работы Луизы Ховард, Dartmouth Electron Microscope Facility; данные масштабной линейки от Matt Russell)

Зона истощения питательных веществ может развиваться при быстром поглощении почвенного раствора, низкой концентрации питательных веществ, низкой скорости диффузии или низкой влажности почвы. Эти состояния очень распространены; поэтому большинство растений полагаются на грибы, чтобы облегчить поглощение минералов из почвы. Грибы образуют симбиотические и мутуалистические ассоциации, называемые микоризами , с корнями растений, в которых грибы фактически интегрированы в физическую структуру корня. Грибы колонизируют живую корневую ткань во время активного роста растений.

  • Эктомикоризные грибы   имеют гифы, которые обвивают эпидермальные клетки корня.
  • Эндомикоризные грибы  (также называемые арбускулярными грибами) имеют гифы, которые могут проникать через клеточные стенки (но не через клеточные мембраны) клеток корней растений. Эндомикоризы обнаружены в корнях более 80% наземных растений.

Путем микоризации растение получает из почвы азот, фосфат и другие минералы, такие как цинк и медь. Гриб получает доступ к этим питательным веществам в результате разложения мертвого органического вещества в почве, делая эти питательные вещества биологически доступными для себя и растения.