Надходження та перетворення азоту - СтудІзба

Надходження та перетворення азоту в рослинах

Фізіологічна роль азоту у рослинному організмі.
Особливості засвоєння молекулярного азоту рослинами. Азотофіксуючі мікроорганізми.
Хімізм фіксації атмосферного азоту.
Азотний обмін рослин.

Фізіологічна роль азоту в рослинному організмі.

Азот був відкритий в 1772 р шотландським хіміком, ботаніком і лікарем Д. Резерфордом як газ, що не підтримує дихання та горіння (азот у перекладі «нежиттєвий»). Для рослин азот – дефіцитний елемент. Азот становить 1,5% сухої маси рослин. Він входить до складу амінокислот, білків, нуклеїнових кислот, фосфоліпідів, алкалоїдів, вітамінів, фітогормонів. Азот міститься у сполуках групи порфіринів, що лежать в основі хлорофілу та цитохромів, численних коферментів, у тому числі НАД та НАДФ. Рослини можуть поглинати тільки мінеральний азот і ніколи не виділяють азотистих сполук як продукти обміну.

При нестачі азоту гальмується зростання рослин, послаблюється утворення бічних пагонів і кущіння у злаків, спостерігається дрібнолиста. Одночасно зменшується розгалуження коренів. Листя спочатку бліднуть, потім внаслідок гідролізу білків і руйнування хлорофілу набувають жовті, оранжеві та червоні тони. При тривалому голодуванні спостерігається некроз тканин. Азотне голодування призводить до скорочення вегетаційного росту та більш раннього дозрівання насіння.

Особливості засвоєння молекулярного азоту рослинами. Азотофіксуючі мікроорганізми

Азот – одне із найпоширеніших елементів у природі. Основними його формами на Землі є зв'язаний азот літосфери та газоподібний молекулярний азот (N 2) атмосфери, що становить75,6% повітря за масою. Однак молекулярний азот не засвоюється рослинами і може переходити у доступну форму для них лише завдяки діяльності мікроорганізмів-азотофіксаторів. Організми, здатні до засвоєння азоту повітря, можна поділити 3 групи: 1) симбіотичні азотфіксатори - мікроорганізми, які засвоюють азот атмосфери, перебуваючи у симбіозі з вищою рослиною; 2) не симбіотичні азотфіксатори - мікроорганізми, що вільно живуть у ґрунті та засвоюють азот повітря; 3) асоціативні азотфіксатори - мікроорганізми, що мешкають на поверхні коріння, тобто живуть в асоціації з вищими рослинами.

Сімбіотичні азотфіксатори. Важливе значення мають бактерії корінь бобових рослин, що живуть у бульбах (клубенькові бактерії), що відносяться до роду Rhizobium. Кореневі системи бобових рослин мають специфічні кореневі виділення. Завдяки цьому бульбочкові бактерії накопичуються навколо кореневих волосків, які при цьому скручуються. Здійснення контакту мікроорганізмів із рослиною відбувається за рахунок лектин-вуглеводного впізнавання рослини мікроорганізмом. Суть цього полягає в тому, що лектин кореневих волосків рослин міцно зв'язується з вуглеводом поверхні бактерій. Бактерії, що впроваджуються в кореневу волосину, у вигляді суцільного тяжу (т.з. інфекційні нитки), що складається зі сполучених слизом незліченних бактерій, проникають у паренхіму кореня. Клітини перициклу починають посилено ділитися. Можливо, бактерії виділяють гормональні речовини типу ауксину і саме це є причиною розростання тканин, утворюються здуття - бульбашки. Клітини бульбочок заповнюються бактеріями, що швидко розмножуються. Тканина бульбочок, заповнена бактеріями, набуває рожевого забарвлення, оскільки після зараження в клітинах бактерій утворюється пігмент, подібний догемоглобіном, - леггемоглобін. Цей пігмент пов'язує кисень повітря та оберігає фермент нітрогеназу від впливу кисню. За відсутності леггемоглобіну азот не засвоюється. Інформація про утворення леггемоглобіну міститься у ДНК клітини вищої рослини. Синтезується клітинами рослини-господаря та утворюється після зараження.

Взаємини між рослинами та бульбочковими бактеріями зазвичай характеризують як симбіоз. Однак на перших етапах зараження бактерії харчуються повністю за рахунок рослини, тобто практично паразитують на ньому. У цей період зростання заражених рослин навіть дещо гальмується. Надалі азотфіксуюча здатність бактерій збільшується, і вони починають постачати азотистими речовинами рослина-господаря, водночас бактерії одержують від вищої рослини вуглеводи (симбіоз). У міру подальшого розвитку настає етап, коли рослина паразитує на клітинах бактерій, споживаючи всі азотисті сполуки, що там утворюються. У цей час часто спостерігається розчинення (лізис) бактеріальних клітин.

Завдяки діяльності бульбочкових бактерій частина азотистих сполук з коріння бобових рослин дифундує у ґрунт, збагачуючи його азотом. Посів бобових рослин веде до підвищення ґрунтової родючості. Гектар бобових рослин у симбіозі з бактеріями може перевести у зв'язаний стан від 100 до 400 кг азоту на рік.

Існують інші види вищих рослин, у яких спостерігається симбіоз з мікроорганізмами. Так, невелика водяна папороть азолла знаходиться в симбіотичних відносинах з азотфіксуючими ціанобактеріями. Азолла здатна фіксувати до 0,5 кг азоту на га на добу. Деякі дерева та чагарники (наприклад, вільха, обліпиха, лох) мають як симбіонти бактерії з роду актиноміцети.

Не симбіотичніазотфіксатори (4 вільні бактерії - азотфіксатори). Зараз відомий ряд видів Azotobacter. Свободноживущіе азотфіксатори можуть бути факультативними аеробними або факультативними анаеробними. Для того, щоб ці мікроорганізми здійснювали процес фіксації азоту, необхідна присутність молібдену, заліза та кальцію. Вільно живучі азотфіксатори засвоюють в середньому близько 1 г азоту на 1 м 2 на рік. Засвоювати атмосферний азот здатні і багато інших бактерій, наприклад ціанобактерії, що викликають цвітіння прісних та океанічних водойм. У низці країн їх розведення практикується на рисових полях.

Асоціативні азотфіксатори. Асоціативні взаємини характерні для ризосферних мікроорганізмів, т. е. рослин, що живуть на поверхні кореневої системи. Послідовність взаємовідносин з рослиною-господарем асоціативних азотфіксаторів має певну схожість із симбіотичними організмами: лектин-вуглеводне впізнавання та етап встановлення міцних зв'язків. Відсутня лише етап утворення бульбочок. Ефективність азотфіксації асоціативною мікрофлорою менша в порівнянні з симбіотичною, але асоціативні азотфіксатори продукують гормони росту рослин і мають інші властивості, що позитивно впливають на ріст і розвиток рослин (захист від фітопатогенів, руйнування токсичних речовин). Найбільш вивчені з цієї групи мікроорганізми з роду азоспірил (Azospirillum).Вони колонізують коріння злаків.

Хімізм фіксації атмосферного азоту.

Кінцевим продуктом фіксації азоту є аміак. У процесі відновлення азоту до аміаку бере участь мультиферментний комплекс – нітрогеназ. Нітрогеназа складається з двох компонентів: MoFe-білок та Fe-білок. MoFe -білок містить молібден, залізо та сірку і здійснює зв'язування тавідновлення азоту. Fe-білок містить залізо та сірку, бере участь у транспорті електронів від їх донорів (ферредоксин) на MoFe-білок.

Джерелом протонів та електронів для відновлення азоту служить дихальний електрон-транспортний ланцюг. Це вказує на зв'язок засвоєння азоту атмосфери з процесами дихання та фотосинтезу (джерела вуглеводів). Для відновлення N 2 до NH 3 потрібно шість електронів відповідно до рівняння:

Процес вимагає АТФ як джерела енергії: відновлення однієї молекули N 2 потрібно щонайменше 12 молекул АТФ. Для роботи нітрогенази потрібні анаеробні умови. Водночас у клітинах вищої рослини кисень необхідний підтримки дихання. У зв'язку з цим роль леггемоглобіну полягає у зв'язуванні О2 в організмі бактерій та створенні умов для роботи нітрогенази.

Для нормального перебігу процесу азотофіксації необхідні Мо, Fe та С, оскільки Мо і Fe входять до складу ферменту нітрогенази. Молібден виконує структурну функцію, підтримуючи конформацію нітрогенази, каталітичну, беручи участь у зв'язуванні азоту та переносі електронів, а також індукує синтез нітрогенази. Кобальт входить до складу вітаміну В12, який залучається до біосинтезу леггемоглобіну.

Для вільноживучих фотосинтезуючих організмів (ціанобактерії, сірчані бактеріями) донором протонів та електронів може бути або вода, або сірководень.

Азотний обмін рослин

Вищі рослини поглинають сполуки азоту із ґрунту, у вигляді нітратів та аміаку. Коренева система рослин добре засвоює нітрати, які після ферментативного відновлення до нітритів перетворюються на аміак. Відновлення йде через низку етапів за участю ферменту нітратредуктази.

NO 3 - NO 2 - NH 2 OH → NH 3

нітратнітрит гідроксиламін аміак

Для відновлення нітратів потрібна присутність донора водню та електронів, якими є відновлені нікотинаміди (НАДФН2 або НАДН2), постачальником цих сполук є процес дихання. Великий вплив на відновлення нітратів надає світло, оскільки використовуються продукти, що утворюються в процесі нециклічного фотофосфорелювання (НАДФН2 та АТФ), процес стимулюється при освітленні синім світлом.

Відновлення нітратів у рослин може здійснюватися і в листі, і в корінні, проте відносна частка участі цих органів у редукції нітратів у рослин різних видів сильно варіює. За цією ознакою рослини поділяють на три основні групи:

1. Рослини, що практично повністю відновлюють нітрати в коренях і транспортують азот до листя в органічній формі (чорниця, журавлина).

2. Рослини, що практично не виявляють нітратредуктазної активності в коренях і асимілюючі нітрати в листі (дурнишник, бавовник, буряк, брунь).

3. Рослини, здатні підтримувати активність нітратредуктази і в листі, і в корінні. Це найбільш численна група, до якої належать більшість трав'янистих рослин, у тому числі злакові, бобові, багато технічних та сільськогосподарських культур.

Асиміляція нітратів у листі світла тісно пов'язані з процесом фотосинтезу. Реакції фотосинтезу використовуються як джерело АТФ для синтезу нітрат- та нітритредуктази та транспорту нітратів, а також як джерело відновників та субстрату для зв'язування кінцевого продукту відновлення – аміаку.

Аміак також може бути джерелом азотного харчування для рослин, при цьому він надходить у рослини навіть швидше ніж нітрати. Накопичення аміаку в клітинах призводить до небажанихнаслідків, рослини мають здатність знешкоджувати аміак, приєднуючи його до органічних кислот з утворенням амідів (глутаміну та аспарагіну). Це дозволяє розділити рослини на амідні, що утворюють аспарагін та глутамін, та аміачні, що утворюють солі амонію.

Утворення амідів у рослині починається в процесі дихання, де як проміжні продукти утворюються органічні кислоти α-кетоглутарова і щавлевооцтова. Ці кислоти внаслідок прямого відновлювального амінування приєднують аміак.

HOOC ∙ CH 2 CH 2∙ CO ∙ COOH + NH 3 + H АДН2 ↔ HOOC ∙ CH 2∙ CH 2 CH ∙ NH 2 COOH + H 2 O + НАД

α-кетоглутарова кислота глутамінова кислота

HOOC ∙ CH 2∙ CO ∙ COOH + NH 3 + H АДН2 ↔ HOOC ∙ CH 2∙ CH ∙ NH 2 COOH + H 2 O + НАД

щавлевооцтова кислота аспарагінова кислота

Глутамінова та аспарагінова кислоти, приєднуючи ще одну молекулу аміаку, дають аміди – глутамін та аспарагін. У реакціях утворення амідів необхідна енергія АТФ та присутність іоном магнію для активації сентетаз.

Роль амідів у рослині різноманітна. Це не лише форма знешкодження аміаку, а й транспортна форма азотистих сполук, що забезпечують відтік їх з одного органу до інших. Аміди є матеріалом для побудови багатьох інших амінокислот у процесах переамінування.

Синтез білка.Для нормального синтезу білка в рослинному організмі потрібні такі умови: 1) забезпеченість азотом; 2) забезпеченість вуглеводами; 3) висока інтенсивність процесів дихання та фосфорелювання; 4) присутність нуклеїнових кислот: ДНК та РНК; 5) рибосоми; 6) білки-ферменти каталізатори синтезу білка; 7) ряд мінеральних елементів (магній, кальцій).

Освіта білка закінчуєтьсяпрогресивна гілка азотистого обміну в рослинах за схемою Прянішнікова.

Органічні кислоти → амінування → амінокислоти (аспарагінова, глутанінова, α-кетоглутарова, щавлевооцтова) + аміак → глутамін та аспарагін → амінокислоти → білки.

Друга половина схеми показує послідовність у процесі розпаду білків (регресивна гілка азотистого обміну). Білки розпадаються до амінокислот, далі до аміаку, він знову знешкоджується у вигляді амідів (аспарагін та глутамін). На основі цих сполук утворюються амінокислоти, які йдуть на побудову нових білків

Білки → амінокислоти → аміак → аспарагін та глутамін → амінокислоти → білки.