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10.12: Pflanzenernährung - Biologie


Lernziele

  • Besprechen Sie die allgemeinen Ernährungsbedürfnisse von Pflanzen

Pflanzen nehmen Nahrung auf zwei verschiedene Arten auf. Autotrophe Pflanzen können durch Photosynthese in Gegenwart von Sonnenlicht aus anorganischen Rohstoffen wie Kohlendioxid und Wasser ihre eigene Nahrung herstellen. Grüne Pflanzen gehören zu dieser Gruppe. Einige Pflanzen sind jedoch heterotroph: Sie sind völlig parasitär und besitzen kein Chlorophyll. Diese Pflanzen, die als holo-parasitäre Pflanzen bezeichnet werden, sind nicht in der Lage, organischen Kohlenstoff zu synthetisieren und alle ihre Nährstoffe aus der Wirtspflanze zu ziehen.

Pflanzen können auch die Hilfe von mikrobiellen Partnern bei der Nährstoffaufnahme in Anspruch nehmen. Bestimmte Bakterien- und Pilzarten haben sich zusammen mit bestimmten Pflanzen entwickelt, um eine gegenseitige symbiotische Beziehung mit Wurzeln zu schaffen. Dies verbessert die Ernährung sowohl der Pflanze als auch der Mikrobe. Die Knöllchenbildung bei Hülsenfrüchten und Mykorrhisierungen können zu den ernährungsphysiologischen Anpassungen von Pflanzen gezählt werden. Dies sind jedoch nicht die einzigen Arten von Anpassungen, die wir finden können; viele Pflanzen haben andere Anpassungen, die es ihnen ermöglichen, unter bestimmten Bedingungen zu gedeihen.

Nährstoffbedarf

Pflanzen sind einzigartige Organismen, die über ihr Wurzelsystem Nährstoffe und Wasser sowie Kohlendioxid aus der Atmosphäre aufnehmen können. Bodenqualität und Klima sind die wichtigsten Determinanten für die Verbreitung und das Wachstum von Pflanzen. Die Kombination von Bodennährstoffen, Wasser und Kohlendioxid zusammen mit Sonnenlicht lässt Pflanzen wachsen.

Die chemische Zusammensetzung von Pflanzen

Da Pflanzen Nährstoffe in Form von Elementen wie Kohlenstoff und Kalium benötigen, ist es wichtig, die chemische Zusammensetzung der Pflanzen zu verstehen. Der Großteil des Volumens in einer Pflanzenzelle ist Wasser; es macht typischerweise 80 bis 90 Prozent des Gesamtgewichts der Pflanze aus. Boden ist die Wasserquelle für Landpflanzen und kann eine reichliche Wasserquelle sein, auch wenn er trocken erscheint. Pflanzenwurzeln nehmen durch Wurzelhaare Wasser aus dem Boden auf und transportieren es durch das Xylem zu den Blättern. Da Wasserdampf aus den Blättern verloren geht, ziehen der Transpirationsprozess und die Polarität der Wassermoleküle (die es ihnen ermöglicht, Wasserstoffbrücken zu bilden) mehr Wasser von den Wurzeln durch die Pflanze zu den Blättern (Abbildung 1). Pflanzen brauchen Wasser zur Unterstützung der Zellstruktur, für Stoffwechselfunktionen, zum Transport von Nährstoffen und für die Photosynthese.

Pflanzenzellen brauchen essentielle Substanzen, die zusammen Nährstoffe genannt werden, um das Leben zu erhalten. Pflanzennährstoffe können aus organischen oder anorganischen Verbindungen bestehen. Ein organische Verbindung ist eine chemische Verbindung, die Kohlenstoff enthält, wie beispielsweise Kohlendioxid, das aus der Atmosphäre gewonnen wird. Kohlenstoff, der aus atmosphärischem CO . gewonnen wurde2 macht den Großteil der Trockenmasse in den meisten Pflanzen aus. Ein anorganische Verbindung enthält keinen Kohlenstoff und ist nicht Teil eines lebenden Organismus oder von diesem produziert. Anorganische Stoffe, die den Großteil der Bodenlösung ausmachen, werden gemeinhin als Mineralien bezeichnet: Pflanzen benötigen Stickstoff (N) und Kalium (K) für Struktur und Regulierung.

Essentielle Nährstoffe

Pflanzen benötigen nur Licht, Wasser und etwa 20 Elemente, um all ihre biochemischen Bedürfnisse zu decken: Diese 20 Elemente werden als essentielle Nährstoffe bezeichnet (Tabelle 1). Damit ein Element als angesehen wird notwendig, sind drei Kriterien erforderlich: 1) Eine Anlage kann ihren Lebenszyklus ohne das Element nicht abschließen; 2) kein anderes Element kann die Funktion des Elements erfüllen; und 3) das Element ist direkt an der Pflanzenernährung beteiligt.

Tabelle 1. Wesentliche Elemente für das Pflanzenwachstum
MakronährstoffeMikronährstoffe
Kohlenstoff (C)Eisen (Fe)
Wasserstoff (H)Mangan (Mn)
Sauerstoff (O)Bor (B)
Stickstoff (N)Molybdän (Mo)
Phosphor (P)Kupfer (Cu)
Kalium (K)Zink (Zn)
Kalzium (Ca)Chlor (Cl)
Magnesium (Mg)Nickel (Ni)
Schwefel (S)Kobalt (Co)
Natrium (Na)
Silizium (Si)

Makronährstoffe und Mikronährstoffe

Die wesentlichen Elemente lassen sich in zwei Gruppen einteilen: Makronährstoffe und Mikronährstoffe. Nährstoffe, die Pflanzen in größeren Mengen benötigen, nennt man Makronährstoffe. Etwa die Hälfte der essentiellen Elemente gelten als Makronährstoffe: Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Phosphor, Kalium, Calcium, Magnesium und Schwefel. Der erste dieser Makronährstoffe, Kohlenstoff (C), wird benötigt, um Kohlenhydrate, Proteine, Nukleinsäuren und viele andere Verbindungen zu bilden; es ist daher in allen Makromolekülen vorhanden. Im Durchschnitt beträgt das Trockengewicht (ohne Wasser) einer Zelle 50 Prozent Kohlenstoff. Wie in Abbildung 2 gezeigt, ist Kohlenstoff ein wichtiger Bestandteil pflanzlicher Biomoleküle.

Das zweithäufigste Element in Pflanzenzellen ist Stickstoff (N); es ist Teil von Proteinen und Nukleinsäuren. Stickstoff wird auch bei der Synthese einiger Vitamine verwendet. Wasserstoff und Sauerstoff sind Makronährstoffe, die Bestandteil vieler organischer Verbindungen sind und auch Wasser bilden. Sauerstoff ist für die Zellatmung notwendig; Pflanzen verwenden Sauerstoff, um Energie in Form von ATP zu speichern. Phosphor (P), ein weiteres Makromolekül, wird zur Synthese von Nukleinsäuren und Phospholipiden benötigt. Als Bestandteil von ATP ermöglicht Phosphor die Umwandlung von Nahrungsenergie in chemische Energie durch oxidative Phosphorylierung. Ebenso wird bei der Photophosphorylierung bei der Photosynthese Lichtenergie in chemische Energie und bei der Atmung in chemische Energie umgewandelt, die extrahiert werden soll. Schwefel ist Bestandteil bestimmter Aminosäuren wie Cystein und Methionin und kommt in mehreren Coenzymen vor. Schwefel spielt auch bei der Photosynthese als Teil der Elektronentransportkette eine Rolle, wobei Wasserstoffgradienten eine Schlüsselrolle bei der Umwandlung von Lichtenergie in ATP spielen. Kalium (K) ist wegen seiner Rolle bei der Regulierung des Öffnens und Schließens der Stomata wichtig. Als Öffnungen für den Gasaustausch tragen Spaltöffnungen zu einem gesunden Wasserhaushalt bei; eine Kaliumionenpumpe unterstützt diesen Vorgang.

Magnesium (Mg) und Calcium (Ca) sind ebenfalls wichtige Makronährstoffe. Calcium hat eine zweifache Rolle: den Nährstofftransport zu regulieren und viele Enzymfunktionen zu unterstützen. Magnesium ist wichtig für den Photosyntheseprozess. Diese Mineralien tragen zusammen mit den unten beschriebenen Mikronährstoffen auch zum Ionengleichgewicht der Pflanze bei.

Neben Makronährstoffen benötigen Organismen verschiedene Elemente in geringen Mengen. Diese Mikronährstoffe, oder Spurenelemente, sind in sehr geringen Mengen vorhanden. Dazu gehören Bor (B), Chlor (Cl), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Zink (Zn), Kupfer (Cu), Molybdän (Mo), Nickel (Ni), Silizium (Si) und Natrium ( N / A).

Ein Mangel an einem dieser Nährstoffe – insbesondere der Makronährstoffe – kann das Pflanzenwachstum beeinträchtigen (Abbildung 3). Je nach Nährstoff kann ein Mangel zu Wachstumsstörungen, langsamem Wachstum oder Chlorose (Gelbfärbung der Blätter) führen. Extreme Mängel können dazu führen, dass Blätter Anzeichen von Zelltod aufweisen.

Besuchen Sie diese Website, um an einem interaktiven Experiment zu Pflanzennährstoffmangel teilzunehmen. Sie können die Mengen an N, P, K, Ca, Mg und Fe, die Pflanzen erhalten, anpassen. und schau was passiert.

Versuch es

Hydroponik ist eine Methode, Pflanzen in einer Wasser-Nährstoff-Lösung anstelle von Erde zu züchten. Seit ihrem Aufkommen hat sich die Hydrokultur zu einem Wachstumsprozess entwickelt, der von Forschern häufig verwendet wird. Wissenschaftler, die daran interessiert sind, Nährstoffmängel bei Pflanzen zu untersuchen, können Hydroponik verwenden, um die Auswirkungen verschiedener Nährstoffkombinationen unter streng kontrollierten Bedingungen zu untersuchen. Hydroponik hat sich auch als eine Möglichkeit entwickelt, Blumen, Gemüse und andere Pflanzen in Gewächshausumgebungen anzubauen. Sie können hydroponisch angebaute Produkte in Ihrem örtlichen Lebensmittelgeschäft finden. Heutzutage werden viele Salate und Tomaten auf Ihrem Markt hydroponisch angebaut.

Lernziele

Pflanzen können über ihr Wurzelsystem anorganische Nährstoffe und Wasser sowie Kohlendioxid aus der Umwelt aufnehmen. Die Kombination organischer Verbindungen zusammen mit Wasser, Kohlendioxid und Sonnenlicht erzeugt die Energie, die Pflanzen wachsen lässt. Anorganische Verbindungen bilden den Großteil der Bodenlösung. Pflanzen greifen über den Boden auf Wasser zu. Wasser wird von der Pflanzenwurzel aufgenommen, transportiert Nährstoffe durch die Pflanze und erhält die Struktur der Pflanze. Essentielle Elemente sind unverzichtbare Elemente für das Pflanzenwachstum. Sie werden in Makronährstoffe und Mikronährstoffe unterteilt. Die Makronährstoffe, die Pflanzen benötigen, sind Kohlenstoff, Stickstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Phosphor, Kalium, Kalzium, Magnesium und Schwefel. Wichtige Mikronährstoffe sind Eisen, Mangan, Bor, Molybdän, Kupfer, Zink, Chlor, Nickel, Kobalt, Silizium und Natrium.

Autotrophe Pflanzen

Stickstofffixierung: Wechselwirkungen zwischen Wurzel und Bakterien

Stickstoff ist ein wichtiger Makronährstoff, da er Bestandteil von Nukleinsäuren und Proteinen ist. Atmosphärischer Stickstoff, das zweiatomige Molekül N2, oder Distickstoff, ist der größte Stickstoffpool in terrestrischen Ökosystemen. Pflanzen können diesen Stickstoff jedoch nicht nutzen, da sie nicht über die notwendigen Enzyme verfügen, um ihn in biologisch nützliche Formen umzuwandeln. Stickstoff kann jedoch „fixiert“ werden, was bedeutet, dass er in Ammoniak (NH .) umgewandelt werden kann3) durch biologische, physikalische oder chemische Prozesse. Biologische Stickstofffixierung (BNF) ist die Umwandlung von atmosphärischem Stickstoff (N2) in Ammoniak (NH3), die ausschließlich von Prokaryoten wie Bodenbakterien oder Cyanobakterien durchgeführt wird. Biologische Prozesse tragen 65 Prozent des in der Landwirtschaft verwendeten Stickstoffs bei.

Die wichtigste Quelle für BNF ist die symbiotische Interaktion zwischen Bodenbakterien und Hülsenfrüchten, darunter viele für den Menschen wichtige Nutzpflanzen (Abbildung 4). Das NH3 die aus der Fixierung entstehen, können in Pflanzengewebe transportiert und in Aminosäuren eingebaut werden, die dann zu Pflanzenproteinen verarbeitet werden. Einige Hülsenfrüchte wie Sojabohnen und Erdnüsse enthalten einen hohen Proteingehalt und gehören zu den wichtigsten landwirtschaftlichen Proteinquellen der Welt.

Übungsfrage

Bauern wechseln oft Mais (eine Getreidepflanze) und Sojabohnen (eine Hülsenfrucht) und bepflanzen in abwechselnden Jahreszeiten mit jeder Ernte ein Feld. Welche Vorteile könnte diese Fruchtfolge bringen?

[practice-area rows=”2″][/practice-area]
[reveal-answer q=”890921″]Antwort anzeigen[/reveal-answer]
[hidden-answer a=”890921″]Sojabohnen sind in der Lage, Stickstoff in ihren Wurzeln zu binden, die am Ende der Vegetationsperiode nicht geerntet werden. Der unterirdische Stickstoff kann in der nächsten Saison vom Mais genutzt werden.[/hidden-answer]

Bodenbakterien, zusammenfassend genannt Rhizobien, interagieren symbiotisch mit Hülsenfrüchten, um spezialisierte Strukturen zu bilden, die als . bezeichnet werden Knötchen, bei dem die Stickstofffixierung stattfindet. Dieser Prozess beinhaltet die Reduktion von Luftstickstoff zu Ammoniak mit Hilfe des Enzyms Nitrogenase. Daher ist die Verwendung von Rhizobien eine natürliche und umweltfreundliche Art, Pflanzen zu düngen, im Gegensatz zur chemischen Düngung, bei der eine nicht erneuerbare Ressource wie Erdgas verwendet wird. Durch die symbiotische Stickstofffixierung profitiert die Pflanze von der Nutzung einer endlosen Stickstoffquelle aus der Atmosphäre. Gleichzeitig trägt das Verfahren zur Bodenfruchtbarkeit bei, da das Pflanzenwurzelsystem einen Teil des biologisch verfügbaren Stickstoffs hinterlässt. Wie bei jeder Symbiose profitieren beide Organismen von der Interaktion: Die Pflanze erhält Ammoniak, Bakterien erhalten durch Photosynthese erzeugte Kohlenstoffverbindungen sowie eine geschützte Nische zum Wachsen (Abbildung 5).

Mykorrhiza: Die symbiotische Beziehung zwischen Pilzen und Wurzeln

Eine Nährstoffdepletionszone kann sich entwickeln, wenn eine schnelle Aufnahme der Bodenlösung, eine niedrige Nährstoffkonzentration, eine niedrige Diffusionsrate oder eine niedrige Bodenfeuchtigkeit vorliegt. Diese Bedingungen sind sehr häufig; Daher sind die meisten Pflanzen auf Pilze angewiesen, um die Aufnahme von Mineralien aus dem Boden zu erleichtern. Pilze bilden mit Pflanzenwurzeln symbiotische Assoziationen, die Mykorrhizen genannt werden, in denen die Pilze tatsächlich in die physikalische Struktur der Wurzel integriert sind. Die Pilze besiedeln das lebende Wurzelgewebe während des aktiven Pflanzenwachstums.

Durch Mykorrhisierung gewinnt die Pflanze hauptsächlich Phosphat und andere Mineralien wie Zink und Kupfer aus dem Boden. Nährstoffe wie Zucker erhält der Pilz aus der Pflanzenwurzel (Abbildung 6). Mykorrhizen helfen, die Oberfläche des Pflanzenwurzelsystems zu vergrößern, da sich die schmalen Hyphen über die Nährstoffmangelzone hinaus ausbreiten können. Hyphen können zu kleinen Bodenporen wachsen, die den Zugang zu Phosphor ermöglichen, der sonst für die Pflanze nicht verfügbar wäre. Die wohltuende Wirkung auf die Pflanze lässt sich am besten in kargen Böden beobachten. Der Vorteil für Pilze besteht darin, dass sie bis zu 20 Prozent des gesamten von Pflanzen aufgenommenen Kohlenstoffs aufnehmen können. Mykorrhiza fungiert als physikalische Barriere für Krankheitserreger. Es bietet auch eine Induktion von generalisierten Abwehrmechanismen des Wirts und beinhaltet manchmal die Produktion von antibiotischen Verbindungen durch die Pilze.

Es gibt zwei Arten von Mykorrhizen: Ektomykorrhiza und Endomykorrhiza. Ektomykorrhizen bilden eine ausgedehnte dichte Hülle um die Wurzeln, einen sogenannten Mantel. Hyphen der Pilze erstrecken sich vom Mantel in den Boden, wodurch die Oberfläche für die Wasser- und Mineralaufnahme vergrößert wird. Diese Art von Mykorrhiza kommt in Waldbäumen vor, insbesondere in Nadelbäumen, Birken und Eichen. Endomykorrhizen, auch arbuskuläre Mykorrhizen genannt, bilden keine dichte Hülle über der Wurzel. Stattdessen ist das Pilzmyzel in das Wurzelgewebe eingebettet. Endomykorrhizen kommen in den Wurzeln von mehr als 80 Prozent der Landpflanzen vor.

Heterotrophe Pflanzen

Einige Pflanzen können ihre eigene Nahrung nicht produzieren und müssen ihre Nahrung aus externen Quellen beziehen – diese Pflanzen sind heterotroph. Dies kann bei Pflanzen auftreten, die parasitär oder saprophytisch sind. Einige Pflanzen sind mutualistische Symbionten, Epiphyten oder Insektenfresser.

Pflanzenparasiten

EIN parasitäre Pflanze Das Überleben hängt von seinem Wirt ab. Einige parasitäre Pflanzen haben keine Blätter. Ein Beispiel dafür ist der Dodder (Abbildung 7a), der einen schwachen, zylindrischen Stiel hat, der sich um den Wirt windet und Saugnäpfe bildet. Von diesen Saugnäpfen dringen Zellen in den Wirtsstamm ein und wachsen, um sich mit den Leitbündeln des Wirts zu verbinden. Durch diese Verbindungen erhält die parasitäre Pflanze Wasser und Nährstoffe. Die Pflanze ist ein totaler Parasit (ein Holoparasit), da sie vollständig von ihrem Wirt abhängig ist. Andere parasitäre Pflanzen (Hemiparasiten) sind vollständig photosynthetische und verwenden den Wirt nur für Wasser und Mineralien. Es gibt etwa 4.100 Arten von parasitären Pflanzen.

Saprophyten

EIN Saprophyt ist eine Pflanze, die kein Chlorophyll enthält und ihre Nahrung aus abgestorbenen Stoffen bezieht, ähnlich wie Bakterien und Pilze (beachten Sie, dass Pilze oft als Saprophyten bezeichnet werden, was falsch ist, da Pilze keine Pflanzen sind). Pflanzen wie diese verwenden Enzyme, um organische Nahrungsmaterialien in einfachere Formen umzuwandeln, aus denen sie Nährstoffe aufnehmen können (Abbildung 7b). Die meisten Saprophyten verdauen tote Materie nicht direkt: Stattdessen parasitieren sie Pilze, die tote Materie verdauen, oder sind Mykorrhiza, und erhalten schließlich Photosynthese von einem Pilz, der Photosynthese von ihrem Wirt ableitet. Saprophytische Pflanzen sind selten; nur wenige Arten sind beschrieben.

Symbionten

EIN Symbiontin ist eine symbiotische Pflanze mit besonderen Anpassungen wie Mykorrhizen oder Knötchenbildung. Pilze gehen auch symbiotische Assoziationen mit Cyanobakterien und Grünalgen (genannt Flechten) ein. Flechten sind manchmal als bunte Wucherungen auf der Oberfläche von Felsen und Bäumen zu sehen (Abbildung 8a). Der Algenpartner (Phycobiont) stellt Nahrung autotroph her, die er teilweise mit dem Pilz teilt; der Pilzpartner (Mycobiont) nimmt Wasser und Mineralien aus der Umwelt auf, die der Grünalge zur Verfügung gestellt werden. Wenn ein Partner vom anderen getrennt würde, würden beide sterben.

Epiphyten

Ein Epiphyt ist eine Pflanze, die auf anderen Pflanzen wächst, aber für die Ernährung nicht von der anderen Pflanze abhängig ist (Abbildung 8b). Epiphyten haben zwei Arten von Wurzeln: anhaftende Luftwurzeln, die Nährstoffe aus Humus aufnehmen, der sich in den Spalten der Bäume ansammelt; und Luftwurzeln, die Feuchtigkeit aus der Atmosphäre aufnehmen.

Insektenfressende Pflanzen

Ein insektenfressend Pflanze hat spezielle Blätter, um Insekten anzulocken und zu verdauen. Die Venusfliegenfalle ist im Volksmund für ihre insektenfressende Ernährung bekannt und hat Blätter, die als Fallen dienen (Abbildung 9).

Die Mineralien, die es aus Beutetieren gewinnt, gleichen diejenigen aus, die dem sumpfigen (niedrigen pH) Boden der einheimischen Küstenebenen von North Carolina fehlen. In der Mitte jeder Blatthälfte befinden sich drei empfindliche Haare. Die Ränder jedes Blattes sind mit langen Stacheln bedeckt. Der von der Pflanze abgesonderte Nektar lockt Fliegen zum Blatt. Wenn eine Fliege die Sinneshaare berührt, schließt sich das Blatt sofort. Als nächstes bauen Flüssigkeiten und Enzyme die Beute ab und Mineralien werden vom Blatt aufgenommen. Da diese Pflanze im Gartenbau beliebt ist, ist sie in ihrem ursprünglichen Lebensraum bedroht.


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