Chapter 34: Plant Structure, Growth, and Nutrition

Back to chapter

34.11:

Получение воды и минералов

JoVE Core
Biology

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

JoVE Core Biology

Water and Mineral Acquisition

Previous Video
34.10: Light Acquisition

Next Video
34.12: Short-distance Transport of Resources

Languages

Share

English العربية 中文 Nederlands français Deutsch עברית italiano 日本語 한국어 português русский español Türkçe

На долю воды приходится более 80%массы большинства растений. Это важно для фотосинтеза, обмена веществ, и транспорта питательных веществ и других молекул. Неорганические питательные вещества тоже имеют решающее значение для роста растений и размножения.Например, азот является строительным блоком для ключевых биомолекул, таких как аминокислот, в то время как калий очень важен для открытия и закрытия стоматы. Каким образом растения гарантированно поглощают питательные вещества и большое количество воды? Большинство растений получают воду и минералы из почвы, в которой они укоренились.Корни растений выпускают ионы водорода ионы и углекислый газ. Углекислый газ реагирует с водой, образовывая бикарбонат анион, и дополнительные ионы водорода. Ионы водорода связываются с отрицательно заряженными частицами почвы, которые выпускают положительно заряженные ионы, такие как калий, в раствор почвы.Этот процесс называется катионным обменом и делает питательные вещества доступными для растения. Корневая архитектура и паттерны ветвления необходимы для эффективного поглощения воды и питательных веществ. Например, внешний слой клеток, который касается почвы, образует крохотные корневые волоски.Эти специализированные клетки имеют большую площадь поверхности, которая поглощает воду в обоих, активном и пассивном процессах. Например, вода и растворенные питательные вещества могут быть пассивно рассеяны в апопласт, который состоит из всех стенок клеток и пробелов между клетками. Пространство внутри мембраны клетки называется симпласт.Вода попадает в симпласт через осмос, сквозь клеточную мембрану, в то время как питательные вещества поднимаются с помощью активного транспорта. Как только вода и минералы входят в симпласт, они свободно перемещаются в направлении центра корня через межклеточные соединения. Вода и питательные вещества в апопласте, однако, заблокированы от входа в стелу Каспарскими лентами.Каспарские ленты являются слоями водонепроницаемого суберина в клетках эндодермиса, которые окружают стелу. Эти структуры блокируют прохождение потенциально нежелательных токсичных элементов. Чтобы войти в центр корня, все растворённые вещества должны пересечь плазменную мембрану.После входа в симпласт, вода и питательные вещества входят в стелу, которая распространяет их по всему растению для выполнения их основных функций.

34.11:

Получение воды и минералов

Специализированные ткани корней растений эволюционировали для захвата воды, минералов и некоторых ионов из почвы. У корней есть множество паттернов ветвления, которые облегчают этот процесс. Самые внешние корневые клетки имеют специализированные структуры, называемые корневыми волосками, которые увеличивают поверхность корня, тем самым увеличивая контакт с почвой. Вода может пассивно проникать в корни, так как концентрация воды в почве выше, чем в ткани корня. Минералы же, напротив, активно транспортируются в клетки корня.

Почва имеет отрицательный заряд, поэтому положительные ионы, как правило, остаются прикрепленными к частицам почвы. Чтобы избежать этого, корни закачивают в почву углекислый газ, который самопроизвольно разрушается, выделяя в почву положительно заряженные протоны (H ⁺). Эти протоны вытесняют связанные с почвой положительно заряженные ионы, которые можно перекачивать в ткань корня, этот процесс называется катионным обменом. Отрицательно заряженные анионы используют тенденцию ионов H ⁺ диффундировать вниз по градиенту их концентрации и обратно в клетки корня с помощью совместного транспорта: ионы, подобные Cl-, котранспортируются в ткань корня вместе с H ⁺ ионы.

Молекулы могут проникать в сердцевину корневой ткани, называемую стелой, двумя путями. Апопластический транспорт – это движение молекул в пространствах, созданных между непрерывными клеточными стенками соседних клеток и их соответствующими мембранами. Напротив, симпластический транспорт – это движение молекул через цитоплазму растительных клеток, которое использует клеточные соединения, называемые плазмодесмами, которые обеспечивают свободный цитоплазматический проход молекул между соседними клетками. Чтобы попасть в стелу, молекулы должны переместиться в симпласт, поскольку полоски Каспария, расположенные в энтодерме корня, предотвращают попадание растворенных веществ в апопласт в стелу. Следовательно, чтобы попасть в симпласт, растворенные вещества должны пройти через полупроницаемую мембрану клетки, защищая клетки от токсичных или нежелательных молекул почвы.

Suggested Reading

Barberon, Marie, and Niko Geldner. "Radial Transport of Nutrients: The Plant Root as a Polarized Epithelium." Plant Physiology 166, no. 2 (October 1, 2014): 528–37. [Source]

Kim YX, Ranathunge K, Lee S, Lee Y, Lee D, Sung J. "Composite Transport Model and Water and Solute Transport across Plant Roots: An Update." Front Plant Sci. 2018 Feb 16;9:193. [Source]