Næringsstoffer - fra jord til plante

Næringsstoffer i planten

Glukose som næringsstof er utilstrækkelig til vækst hvis planterne ikke får næringssalte med nødvendige grundstoffer. Herunder kan nævnes bl.a. kvælstof, fosfor og andre mineraler.

Hovedgrundstofferne i organisk materiale udgøres af kulstof, ilt og brint (90% af plantevævet), mens resten fordeler sig mellem 14 essentielle næringsstoffer:

Seks makronæringsstoffer: kvælstof (N), kalium (K), calcium (Ca), fosfor (P), magnesium (Mg) og svovl (S)

Otte mikronæringsstoffer: klor (Cl), jern (Fe), bor (B), mangan (Mn), zink (Zn), kobber (Cu), nikkel (Ni) og molybden (Mo).

For nogle planter er også cobolt (Co) og natrium (Na) essentielle.

Mikronæringsstoffer defineres som de stoffer planterne behøver i mindre mængde end svovl. Der findes dog også andre makro- og mikronæringsstoffer som er vigtige for planten, fx Al, Se, Si, Au, Pb, Hg, Cd, As og U.

En oversigt over de vigtigste kemiske grundstoffer og særligt deres funktioner i planten ses nedenfor:

Grundstof og kemisk symbol	Optagelsesform	% af tørstofvægt	Funktion i planten
Kulstof (C) Ilt (O) Brint (H)	CO2 CO2, H2O, O2 H2O	45 45 6	Indgår i alle organiske stoffer: kulhydrat, proteiner, fedtstoffer, DNA og vitaminer, m.fl.
Kvælstof (N)	NO-3, NH4+	1,5	Indgår i alle aminosyrer, DNA, korofyl, visse vitaminer
Calcium (Ca)	Ca2+	0,5	Indgår i cellevæggen og i regulation af membranproteiner og enzymer
Fosfor (P)	H2PO4-	0,2	Del af ATP, DNA, NADPH, fosforlipider og visse vitaminer
Kalium (K)	K+	1	Indgår i plantecellers ionbalance og i lukning af stomata
Magnesium (Mg)	Mg2+	0,2	Indgår i klorofyl og i aktivering af mange enzymer
Svovl (S)	SO42-	0,1	Indgår bl.a. i aminosyrerne cystein og methionin samt i coenzym-A
Klor (Cl)	Cl-	0,010	Indgår i plantecellers ionbalance
Jern (Fe)	Fe2+ Fe3+	0,010	Nødvendig for klorofylsyntese og indgår i cytochromer og nitrogenase
Bor (B)	H3BO3	0,002	Indgår i specielle stoffer i cellevæggen
Mangan (Mn)	Mn2+	0,0050	Indgår i aktiveringen af visse enzymer og frigivelsen af ilt fra fotosyntese
Zink (Zn)	Zn2+	0,0020	Indgår i mange enzymer
Kobber (Cu)	Cu+, Cu2+	0,0006	Indgår i mange enzymer
Nikkel (Ni)	Ni2+	?	Indgår i enzymer involveret i kvælstof-stofskiftet
Molybden (Mo)	MoO42-	0,00001	Indgår i enzymet nitrogenase til fiksering af kvælstof

Næringsstofferne i rodzonen

Jorden består hovedsageligt af silicium, aliminium, jern og andre metaloxider. De stoffer planterne søger rummer jorden som regel kun i ganske små koncentrationer. Planterne optager næringsstofferne i jordvæsken som ioner (uorganiske stoffer med negativ/positiv ladning).

Jord i rodzonen består af lerpartikler, jordkolloider, og af et dødt organisk stof, humus, dvs. rester af dødt plantestoffer, som svampe/bakterier har nedbrudt. Jordkolloider og humusstoffer har begge negative ladninger på overfladen, så de kan binde de positivt ladede næringsstoffer.

På jordkolloiderne sker stor udskiftning af ioner fra bindingsstederne. Et ion med kraftig ladning (biningskapacitet) fortrænger svagere ladede kationer. Protonerne (H⁺) binder sig (absorberer) med størst styrke.

Ionernes bindingsevne er:

H⁺ > Ca²⁺ > Mg²⁺ > K⁺ = NH₄⁺ > Na⁺

Planterødderne udnytter dette ved at øge koncentrationen af protoner i jordvæsken. Protonerne fortrænger fx NH₄⁺-ioner fra jord- og humuspartiklerne, hvorefter rødderne kan optage dem. Dette betyder derfor også, at koncentrationen af negativt ladede næringsstoffer i jorden er meget lille. Negative ioner (anioner) som NO₃^- , SO₄^2- og Cl^- har nemlig ingen mulighed for at adsorbere til jordpartiklerne. De er letopløselige og skylles let ud til vandløb, søer med regnvand, eller siver ned mod grundvandet.

Tilgængeligt fosfat forekommer kun i lave koncentrationer i jordvæsken, men skylles dog ikke ud i gundvand og søer. I stedet danner fosfat tungtopløselige salte med aluminium, jern eller calcium fra jordpartiklerne. Her er fosfat så hårdt bundet at planterne kan have svært ved at skaffe fosfat nok, idet bundet fosfat kun frigives ved forvitring af jordmineralerne.

Rodcellerne hos planten tvinger næringsstofferne fri af jordkoloiderne

Koncentrationen af næringsstoffer er ofte lavere i jordvæsken end i rodcellerne. Adgang til næringsstoffer kræver derfor energi. Energi kommer fra ATP og trækker en protonpumpe der skaber grundlag for at drive næringsstofferne ind i rodcellerne.

Positivt ladede ioner sikrer planten sig ved at øge H⁺-koncentrationen i jordvæsken. Det sker dels ved at rodcellerne hele tiden frigiver CO₂ fra deres respiration. I jordvæsken reagerer CO₂ med vand og bliver til kulsyre som fraspalter H⁺. Samtidig pumper rodcellerne også H⁺ ud i jordvæsken via de såkaldte ATP-ase-komplekser i cellemembranen, som spalter ATP efter følende proces:

ATP → ADP + (P) + 32 kJ/mol ATP

Den frigjorte energi driver protonpumpen og skaber et elektrisk potentiale henover cellemembranen som følge af flere negativt ladede stoffer i cellens cytoplasma i forhold til omgivelserne. Positivt ladede ioner vil derfor søge mod cellens negative indre selvom koncentrationer af kalium er højere inde i cellen end udenfor. For kun at lade visse positivt ladede ioner komme ind, har rodcellerne endvidere transportproteiner.

Negativt ladede næringsstoffer (sammensat negative ioner) som NO₃^-, SO₄^2- og H₂PO₄^- tiltrækkes ikke af det negative indre af rodcellerne. Rødderne udnytter derfor igen protongradienten. Overskuddet af protoner i jordvæsken tiltrækker og binder de frie anioner, som ellers ville sive med jordvandet ud af rodzonen. Epidermismembranen er ikke permeabel for frie protoner, selvom koncentrationen inde i cellen trækker i protonerne. Men sammen med en anion kan de komme igennem membranen via specifikke transportproteiner. Hertil benyttes aktiv transport frem for diffusion, da diffusion vil begrænse plantes vækst. Systemet kaldes symport eller cotransport, da transporten af en anion sker sammen med en proton.

Frie aminosyrer i jordvæsken kan planterne optage ved cotransport med en proton og dermed skaffe sig nærings- og kvælstofbidrag.

Kun gasarter som O₂, CO₂ og N₂ samt vand optages udelukkende via diffusion. Gasarter kan nemlig pga. deres lille molekylestørrelse og neutrale ladning diffundere frit over membranen, og på denne måde skaffes ilt til respiration for planterne.

Når næringsstoffer er igennem cellemembranen leverer epidermiscellerne stofferne videre til næste cellelag i roden, cortexcellerne. Transporten er symplasmatisk, idet den går via cellernes cytoplasma gennem de såkaldte plasmodesmata (snævre rørforbindelser som forbinder nabocellernes cytoplasma). Næringsstofferne trænger således ind til rodens kerne, hvor en ny aktiv transportmekanisme transporterer dem til vedkarrene.

Næringstofferne følger vedkarrene ud til hver eneste plantecelle, hvor transpirationen af vand fra bladene er drivkraften.

Mykorrhiza – en magisk svamp for planter!

For at opnå livsnødvendige næringsstoffer har mange planter udviklet en symbiose med forskellige mikroorganismer.
Mykorrhiza er en svamperod, der danner en symbiose med plantens rødder. På denne måde forlænges plantes rødder via mykorrhizasvampens lange svampetråde (hyfer). Hermed kan planten langt bedre nå de næringsstoffer, som den med sit eget rodnet ikke kan få adgang til. Mykorrhizasvampen forbedrer således plantens næringsstofoptagelse betydeligt. Faktisk kan hyferne blive over 100 gange længere end selve plantens rødder! Til gengæld forsyner planten mykorrhizasvampen med simple kulhydrater, aminosyrer, vitaminer og andre vækststoffer, som svampen skal bruge til egen vækst og til at udvide sine hyfer, så planten kan få adgang til nye jordpartikler og næringsstoffer via mykorrhiza. Mellem 5 og 20% af plantens nettoproduktion forbruges af mykorrhiza.
Det anslås at op mod 85% af alle vores træarter i Danmark, samt en betydelig del af vore urteagtige planter har udviklet et symbiotisk forhold til mikorrhiza.

Symbiosen mellem mykorrhizasvampen og planten opstår ved, at plantens rodspidser vokser sammen med svampens hyfer. Hvis hyferne trænger ind i selve roden og bryder plantens cellevæg kaldes svampen en endomykorrhiza. Omslutter hyferne derimod rodspidsen med et tykt beskyttende kappe og sender sideskud ind mellem rodcellerne, så kaldes svampen en ektomykorrhiza. Det smarte ved særligt den sidste form for symbiose mellem mykorrhiza og planter er, at ektomykorrhizaens kappe beskytter rodspidserne mod frost og infektioner.

Mykorrhiza kan ikke nedbryde humusstoffer, men kan optage uorganiske næringsioner på og omkring jordkolloiderne, som dernæst kan videreføres til planten. Planten modtager fra mykorrhiza næringssalte, især fosfat, samt calcium, amonium, kalium, magnesium, kobber og kvælstof, som alle er vigtige stoffer for planten. Derudover forsyner mykorrhiza også planten med vand og beskytter planten mod angreb fra nematoder og andre svampearter.Det er desuden værd at bemærke, at mykorrhiza kan forbinde mange forskellige plantearter i en skov samtidigt og således sørge for en udveksling af sukkerstoffer, vitaminer og plantehormoner mellem arterne. Mykorrhizasvampe bliver således fælles bindeled for et større sammenhængende plantesamfund.
Ved brug af fungicider (svampegifte) i landbrug i dag begrænses udviklingen af mykorrhiza dog, hvilket derfor medfører, at afgrødernes evne til at optage mange næringsstoffer tillige begrænses, og derfor stiger anvendelsen af kunstgødning.

Læs evt. videre om symbiosens genetik, hvor symbiosen uddybes og hvor det bl.a. beskrives, at specifikke planters evne til at danne dette symbiotiske forhold med mykorrhizasvampen genetisk har meget tilfælles med det symbiotiske forhold etableret med rhizobiumbakterier. 


Kilder:http://da.wikipedia.org/wiki/Mykorrhiza, http://www.denstoredanske.dk/Natur_og_milj%C3%B8/Botanik/Stilksporesvampe_(Basidiomycetes)/mykorrhiza,

En win-win situation mellem planter og mikroorganismer!

Næringsstoffer som kvælstof og fosfor er essentielle for planters overlevelse. Men mange næringsstoffer er bundet til svært nedbrydelige organiske forbindelser og humusstoffer, hvilket planter ikke selv kan nedbryde. F.eks. er helt op til 95% af alt kvælstof i jorden ofte bundet i organiske forbindelser, mens kun ca. 5% findes i jorden som løst bundet nitrat og ammonium, som planternes rodceller kan udnytte.
Dog har planter udviklet et symbiotisk forhold med mikroorganismerne omkring rodnettet, da mikroorganismerne nemlig har den evne, at kunne nedbryde disse svært nedbrydelige organiske forbindelser via særlige enzymer og dermed frigøre de næringsstoffer til jordvæsken som planterne søger til vækst. For at lokke mikroorganismerne hen til planternes rodnet og på den måde øge den mikrobielle aktivitet omkring rodnettet, forsyner planterne mikroorganismerne med letomsættelige kulhydrater som mikroorganismerne skal bruge til egen vækst og formering. Der opstår således et symbiotisk forhold mellem planter og mikroorganismer.

Planter udskiller dog ikke en konstant mængde af letomsættelige kulhydrater til jordvæsken hele året, men varierer udskillelsen i løbet af året, for på den måde at variere og tilpasse den mikrobielle aktivitet i forhold til plantens vækst.
Ved at foretage undersøgelser med radioaktivt mærket CO2, er det muligt at bestemme hvor stor en del af kulhydratproduktionen i planter der går til de mange processer i planter i løbet af et år.
Den radioaktive CO2 indbygges via planternes fotosynteseproces i glukosen, der omdannes til sukkerstoffet sucrose for at kunne blive transporteret ud til alle plantes celler og udnyttes. Man kan derfor følge sukkerstoffet rundt i planterne, og se hvad planterne anvender det til.

Undersøgelserne har vist, at det særligt er i starten af en vækstsæson, at planter investerer store dele af deres primære produktion af kulhydrater til at fremme den mikrobielle aktivitet omkring rødderne. Planterne udskiller derfor mange letomsættelige kulhydrater til mikroorganismerne i starten af foråret, hvor planterne har meget brug for, at vigtige næringsstoffer til egen vækst frigøres i jordvæsken og har brug for at danne et godt mikrobielt miljø omkring rodnettet til resten af vækstsæsonen.

Som vækstsæsonen skrider frem, ændrer dette sig dog markant. Når rodnettet er godt udviklet og udbygget og det mikrobielle miljø omkring rødderne er sikret til resten af vækstsæsonen, så kan planterne begynde at reducere udskillelsen af letomsættelige kulhydrater til mikroorganismerne, og i stedet begynde at investere i den overjordiske del af planten. Nu bruges den største del af kulhydratproduktionen hos planterne derfor mest af alt til udvikling og modning af frø.

Senere i vækstsæsonen øges bakterieantallet omkring rodnettet, hvilket trækker protozoer og nematoder til omkring rødderne. Årsagen hertil er, at planterne nu afskærer en del af deres rodnet for at overleve den kommende vinter. Det døde rodnet skaber en ny mikrobiel aktivitet, idet mikroorganismer nu begynder at omsætte det døde rodvæv.

Planter og mikroorganismer er derfor inderligt afhængige af hinanden i løbet af en vækstsæson.