Фізіологія рослин - Мусієнко М.М. 2001

Кореневе живлення рослин
Метаболізм азоту

Азот разом з вуглецем, киснем та воднем утворює групу так званих елементів — органогенів. Хоча атмосфера майже на 78% складається з азоту, для більшості рослин він недоступний. Азот не підтримує дихання, горіння, тому Д. Резерфорд назвав його нежиттєвим, незважаючи на те що він входить до складу нуклеїнових кислот, білків та багатьох інших органічних сполук. Над кожним квадратним метром земної поверхні скупчено майже 8 т азоту. Кількість азоту в природі цим не обмежується. Вважають, що в розораному шарі грунту на глибину ЗО см на 1 га кількість органічного та мінерального азоту становить у чорноземі 18 т. Однак основні джерела азотного живлення рослин — нітрати й аміачні солі — не перевищують 1%. Тому ніякий інший елемент так не обмежує ресурси поживних речовин в екосистемах, як азот.

Академік Д.М. Прянишников майже всю свою творчу діяльність присвятив проблемі азоту в житті рослин та в землеробстві. Азотне живлення рослин залишається центральною проблемою фізіології живлення, агрохімії, мікробіології, землеробства.

Адже одна з найгостріших проблем людства сьогодні — дефіцит продовольства, насамперед кормового та харчового білків. Основне джерело їх — рослинні організми з їхньою унікальною здатністю до синтезу білків з СО₂, Н₂О, неорганічних сполук, але для цього їм вкрай потрібний азот. Тому сучасне сільське господарство неможливо уявити без застосування азотних добрив. Якщо на початку 80-х років використання азоту в усьому світі досягало 60 млн т,

то в 1985 р — 70 млн т, а в 2000 р. досягло 110-140 млн т. Однак, щоб виробити 1 т азотних добрив, слід витратити до 4 т нафти, тобто на долю виробництва азотних добрив припадає близько 30-50% енерговитрат в сільському господарстві та близько 1% всієї енергії, яка витрачається розвинутими країнами світу.

В наші дні в промисловості виробляють приблизно стільки ж сполук азоту, скільки їх утворюється в природі. Ми ще не знаємо, до чого може привести нагромадження азоту в біосфері. Вже зараз відбувається масове забруднення ґрунтових вод нітратами. Припустимі норми нітратів 300 мг/кг живої маси людини.

Саме тому питання, пов’язані із засвоєнням сільськогосподарськими культурами азоту, мають надзвичайне теоретичне і практичне значення.

Джерелом азоту для рослин можуть бути:

·молекулярний азот повітря, який засвоюється лише певними видами мікроорганізмів;

·азот амонійних солей та солей азотної кислоти, тобто неорганічних сполук (NH₄⁺, NO₃ );

·азот різних органічних сполук (сечовина, гній, рештки рослинних та тваринних організмів).

Азот атмосфери фіксується у вигляді амонію (NH₄⁺), який потім поглинається коренем та асимілюється всередині клітин у вигляді азотистих органічних сполук.

Процес розкладання білків, амінокислот та інших органічних речовин у грунті називають амоніфікацією, а грунтові організми, що здійснюють цей процес, — амоніфікаторами. Вони характеризуються активними ферментами, які інтенсивно розкладають білки до амінокислот. Останні дезамінуються з утворенням аміаку.

Мінералізацію органічного азоту, розпочатого амоніфікацією, продовжує процес нітрифікації, в ході якої нітрифікуючі бактерії аероби (Nitrosomonas, Nitrobacter) перетворюють амоній на нітрати:

а на другому етапі Nitrobacter окислює нітрит до нітрату, бо нітрити токсичні для рослин:

Інтенсивність нітрифікації є показником родючості грунту. Нітрати — найоптимальніша форма азоту для живлення рослин.

Важливу роль завершення циклу азоту мають процеси денітрифікації, в ході якої денітрифікуючі бактерії відновлюють нітрати та нітрити до молекулярного азоту. Відновлення каталізується нітратредуктазою — ферментом, до складу якого входить молібден, що тісно пов’язаний з бактеріальною мембраною Існує ряд бактерій-денітрифікаторів, які здатні відновлювати нітрати до молекулярного азоту (Pseudomonas, Micrococcus, Thiobacillus). У евкаріот нітратредуктаза являє собою ферментний комплекс з молекулярною масою 200-300 кДа, до якого входить флавін (ФАД), гем (цитохром b₅₅₇) та молібден. Електрони, що надходять від НАДФ×Н (за рахунок дихання чи фотосинтезу), переносяться до нітрату через електрон-транспортний ланцюг ферментного комплексу:

Нітратредуктаза, можливо, локалізована в цитоплазмі або вільно зв’язана із зовнішньою мембраною хлоропласта.

У зв’язку з проблемою транспорту нітратів є важливим відкриття мембранно-зв’язаної форми нітратредуктази. Зокрема, в клітинах хлорели ідентифіковано зв’язану з плазмалемою нітратредуктазну активність. Синтез ферменту в клітині відбувається у відповідь на надходження NO₃ (рис. 125).

Рис 125. Ймовірна схема синтезу нітрат-редуктази

Індукція синтезу нітратредуктази стимулюється нітратом, а також вуглеводами та фітохромом (рис. 126). При ферментативному перетворенні нітрату в нітрит субстрат перед відновлен ням безпосередньо зв’язується з Мо²⁺-вмісним центром ферменту. Вважають, що активний центр нітратредуктази забезпечує виділення з нітратів лише одного атома О₂, що дозволяє запобігти процесу денітрифікації. Утворений при цьому нітрит через атом азоту з’єднується з нітритредуктазою і весь процес завершується без зайвих втрат азоту. Саме нітратредуктаза є ключовим ферментом в регуляції відновлення нітратів в процесі асиміляції азоту у вищих рослин (рис. 127, 128).

Рис. 126. Регуляція нітратредуктази. Синтез нітратредуктази стимулюється вуглеводами (глюкоза або ініші) і світлом (+) і гальмується глутаміном або іншими амінокислотами (-)

Рис 127. Взаємозв'язок обмінних процесів у клітинних структурах при асиміляції нітрату в клітині вищої рослини

Рис. 128. Відновлення нітратів до аміаку

Нітритредуктаза забезпечує відновлення нітритів до аміаку: при цьому переноситься шість електронів на NO₂:

Асиміляція нітратів відбувається в три етапи: — надходження нітратів в рослинну клітину;

Початкове надходження нітратів — процес, пов’язаний з появою в мембрані нітратспецифічних пермеаз. Етапи відновлення потребують надходження електронів та протонів, донорами яких виступають НАД-Н та відновлений фередоксин. Процес відновлення здійснюється в коренях та листках рослин.

Нітрити, утворені на першому етапі відновлення нітратів, майже не накопичуються, а швидко відновлюються до аміаку за допомогою ферменту нітритредуктази. Активність даного ферменту завжди значно вища (в 5-20 разів), ніж нітратредуктази. Нітритредуктаза як донор електронів використовує відновлений фередоксин:

Нітритредуктаза — відносно низькомолекулярний білок, що включає близько 600 амінокислотних залишків. Цей фермент має незвичайний гем — сирогемтетрагідропорфірин, який одночасно акцептує електрони та служить місцем приєднання субстрату, а можливо, й інших проміжних продуктів відновлення на шляху до утворення амонію (NH₄). Встановлено, що перенесення шести електронів каталізується одним ферментом, причому нітрити відновлюються до аміаку без нагромадження вільних проміжних сполук типу гіпонітриту (HNO)₂ та гідроксиламіну (NH₂OH). Процес відновлення нітритів за участю нітритредуктази, як і перший етап відновлення нітратів, відбувається як в листках, так і в коренях. В листках нітритредуктаза знаходиться в хлоропластах (рис 129), де донор електронів фередоксин відновлюється при циклічному

Рис 129. Взаємодія хлоропласта та цитоплазми при асиміляції азоту

Рис 130. Ймовірна схема взаємодії обмінних процесів кори та центрального циліндра кореня в процесі асиміляції та транспортування азоту

транспортуванні в електрон транспортному ланцюгу тилакоїдної мембрани в процесі світлової стадії фотосинтезу. Іони амонію гальмують асиміляцію нітратів через репресію синтезу ферментів нітрат- і нітритредуктаз.

Нітрити легко метаболізуються і в коренях (рис 130), де нітратредуктаза зв’язана з пропластидами (поки що невідомий у цьому випадку донор електронів). Допускають, що джерелом електронів в тканинах кореня може бути НАДФ×Н₂, яка утворюється в пентозофосфатному циклі під час дихання.

Існує взаємозв’язок між відновленням нітратів і фотосинтезом:

Фотосинтез також виступає як джерело АТФ для синтезу нітрат- і нітритредуктази та транспортування нітратів у клітину (рис. 131).

Рис 131. Послідовність перенесення електрона в фотосистемах і можливість використання його при відновленні нітратів у нітрити

Цікаво відмітити, що у вищих рослин, поряд з відновленням нітратів до аміаку спостерігається і обернений процес — окислення амонійної форми азоту в нітратну (Б.А. Ягодін). Це спростовує широко поширену думку про виключно екзогенне походження нітратів у рослин.