Роль элементов минерального питания в фотосинтетической активности растений
5 мин чтения
Минеральное питание растений определяет активность их фотосинтеза. Элементы питания влияют на этот процесс напрямую, входя в состав ферментов и пигментов, или косвенно — через обмен веществ, рост и состояние цитоплазмы клеток. Сбалансированное питание поддерживает адаптацию растений: их приспособление к меняющимся условиям среды от кратковременных реакций до генетических изменений, закрепленных естественным отбором. Это обеспечивает устойчивость к различным внешним факторам на протяжении всего онтогенеза, сохраняя жизнеспособность отдельных растений и вида в целом.
Азот, фосфор и калий — основа фотосинтетической активности
Азот влияет на фотосинтез как прямо, так и косвенно. Прямое действие заключается в том, что этот элемент расходуется на образование аминокислот, которые являются продуктами фотосинтеза. Косвенное влияние связано с тем, что азот необходим для биосинтеза пигментов и белков. Белки служат основой структуры хлоропластов и работают как ферменты, ускоряющие фотосинтетические реакции. Также азот входит в состав нуклеиновых кислот, управляющих синтезом белка.
Фосфор повышает интенсивность как световых, так и темновых реакций фотосинтеза. Его прямое действие связано с тем, что остатки фосфорной кислоты входят в состав акцептора углекислого газа и промежуточных продуктов процесса. Кроме того, за счет энергии света из неорганического фосфата и АДФ синтезируется АТФ, необходимый для восстановления диоксида углерода. Косвенно фосфор работает в составе фосфатидов, фосфопротеидов и нуклеиновых кислот.
Дефицит калия быстро подавляет фотосинтез. Этот элемент активирует процессы фосфорилирования напрямую, а также действует косвенно: регулирует степень открытия устьиц, повышает оводненность цитоплазмы и ускоряет отток ассимилятов из листьев.
Мезо- и микроэлементы: от структуры хлоропластов до работы ферментов
Мезоэлементы формируют основу фотосинтетического аппарата. Магний входит в состав хлорофиллов, участвует в работе сопрягающих белков при синтезе АТФ, а также регулирует реакции карбоксилирования и восстановления НАДФ+. Сера необходима для построения белков и сульфолипидов, входит в состав сопрягающего фактора и ферментов, отвечающих за усвоение углекислого газа и окислительно-восстановительные процессы. Кальций поддерживает структуру хлоропластов и их функциональную активность.
Кремний увеличивает размер фотосинтетического аппарата и улучшает работу световых «ловушек» в тилакоидах. Он повышает механическую прочность тканей, защищая растения от полегания. Листья располагаются вертикально и не затеняют друг друга, благодаря чему повышается общая эффективность использования света посевом.
Железо в восстановленной форме необходимо для синтеза хлорофилла, cytochromes, ферредоксина и феофитина. При его дефиците нарушаются циклическое и нециклическое фотофосфорилирование, выработка пигментов и структура хлоропластов. Для расщепления воды и выделения кислорода растениям необходимы марганец и хлор. Марганец участвует в реакциях фотоокисления воды, и его отсутствие блокирует реакцию Хилла и нециклическое фотофосфорилирование.
Другие микроэлементы выполняют специфические функции в фотосинтезе:
- Медь входит в состав пластоцианина, при ее дефиците интенсивность фотосинтеза резко падает.
- Бор регулирует углеводный, белковый и нуклеиновый обмен, отвечает за синтез, превращение и транспорт углеводов.
- Цинк участвует в создании цинкпротопорфирина — предшественника магний- и железопорфиринов.
- Кобальт стабилизирует хлорофилл-белково-липидный комплекс и ускоряет отток продуктов фотосинтеза из листьев в стебли, корни и репродуктивные органы.
- Молибден стимулирует синтез белков и повышает концентрацию пигментов в листьях.
Попадание в атмосферу токсичных газов антропогенного происхождения или выделяющихся из вулканов заметно сказывается на растительных организмах, причем, судя по всему, процесс антропогенного загрязнения в будущем будет усиливаться. Действие загрязнителей на растения является функцией сложного комплекса метеорологических условий и факторов, зависящих от самого растения. Изменения фотосинтетической активности листьев служат быстрым и чувствительным показателем их повреждения веществами, загрязняющими окружающую среду, т. к. первой мишенью их действия, как правило, являются фотосинтетические реакции. Вещества, загрязняющие атмосферу, и разнообразные химические препараты, используемые для уменьшения транспирации, а также для борьбы с болезнями, вредителями и сорняками часто заметно понижают фотосинтез. Действие этих соединений на фотосинтез проявляется в: 1) засорении устьиц и задержке поглощения диоксида углерода; 2) изменении оптических свойств листьев, вследствие чего изменяется отражение и уменьшается проникновение света; 3) изменении теплового баланса листьев; 4) изменении метаболизма листьев; 5) изменении анатомического строения листьев. Кроме того, фотосинтез понижается под влиянием химических препаратов, вызывающих механические повреждения, хлороз, побурение листьев или листопад.