Азотно хранене при растенията Печат

I.Значение на азотното хранене

В сухото вещество на растеничта освен C,O и H2 се съдърва и N-от 2 до 4%, а в белтъка той е 15-19%, като заема четвърто място по количество в състава на органичните вещества.За усвочване и включване на азота е необходима енергия,която се получава от разграждането на въглехидратите. От друга страна,растежът на растенията зависи от азот в почвата .Следователно между усвояването на азота и продуктивността на растенията има тясна корелация. Тази зависимост важи както за отделното растение , така и за цялата растителност , намираща се на земната повърхност. Растежните процеси при растенията много често се ограничават от количеството на азота, вследствие на което растенията остават ниски, с малко клетки в тъканите и груби клетъчни стени. От друга страна , въпреки че азотното съдържание в атмосферата е 70-80%, растенията гладуват за азоти са принудени да използват само този, който се намира в почвата. Азотът в почвата е в ограничено количество и за да се осигури нужното количество за растенията, е необходимо той да бъде внасчн в почвата отвън чрез азотно подхранване.

Значението на азота и азотното хранене понасточщем още повече се усилва, тъй като наличното количество на белтъка е недостатъчно за изхранването на човечеството, в резултат на което се почвчва тъй нареченият „белтъчен глад”. Ето защо проблемът за белтъка и неговата синтеза стана една от най-сериозните и актуални за разрешаване теми в много лаборатории.

II.Азотни източници в почвата.

Източник на азот за повечето растения е този от почвата, който се намира в неорганична и органична форма. Минералните азотни вещества, които растенията извличат от почвата, са във вид на нитратни и амониеви соли, а органичните съединенич са балтъчните вещества на хумуса и продуктите от тяхното разпадане – аминокиселини и др. (фиг.109)

Това са главно различните форми на азот, които растенията си доставят за синтеза на органични вещества. По литературни данни количеството на азота в почвата и то е от 0,002 до 0,004% амонячен азот и 0,004% нитратен азот и заедно неорганичен и органичен азот от 0,3 до 0,4%. Както се вижда, в почвата преобладава органичният азот. Въпросът за усвояване на органичният азот е бил разрешен в стерилни опити, където органичният азот е подаден във вид на карбамид – H2N-CO-NH2 или аспаргин –CO(NH2).CH2.CHNH2.COOH. Било е установено, че тези съединения лесно се усвояват от растенията. Белтъците, липидите и други неразтворими във вода съединения не се усвояват от  растенията.За да може азотът, съдържащ се в тези вещества да се поеме от разтенията, последните в почвата се подлагат на процеса амонификацияс участие на повече микроорганизми – амонификатори. Благодарение на ензими, съдържащи се в тези микроорганизми, белтъчните съединения се хидролизират до аминокиселини, а последните се дезаминират до оксикиселина и се освобождава амоняк:

RCHNH2COOH + H2O  RCHOHCOOH + NH3

Този амоняк под действие на нитрофициращи бактерии може да се окисли до нитрати или пък при кисели и недобре аерирани почви да образува амониеви соли. Обикновенно зелените растения използват неорганично свързан азот под форма на нитрати и амониеви йони (NO3- и NH4+). Тъй като поглъщането и пренасянето на азота изисква енергия, която се получава при дишането, при студови и слабо аерирани почви растенията често страдат от недостиг на азот поради подтискане на дишането от ниските температури.

III.Асимилация на азота и първична синтеза на амоняк

Погълнатият от растенията азот се включва във вид на амино-група към въглеродните съединения, като се образува аминокиселина.Преди това, за да бъде усвоен азота от нитратите, е необходимо да се редуцира до амоняк. Това се извършва от няколко последоватени реакции с участието на няколко вида ензими , както е показано на схемата на фиг.110.

Ензимът, както се вижда на схемата, всяка реакция се съпровожда с изменение на валентноста на азота и се катализира от съответните ензими: интратредоктаза, нитритредуктаза, хипонитритредуктаза, хидрокси ламинредуктаза.Всеки ензим работи с участието на определени микроелементи: при интратредуктаза – молибден, нитротредуктаза и хипонитритредуктаза – мед, желязо и магнезий, а при хидроксиламинредуктаза – манган и магнезий. Всички изброени ензими са флавопротеиди и се активират от горепосочените микроелементи. Донатор на електрони за реакцията на нитритите са НАДН2 и НАДФН2 и редуцираният фероксин. Участието на тези вещества в редукцията на нитрати е представено на следната фигура:

Нитратредуктазата е индуктивен ензим, тъй като той се активира само в присъствие на малко количество нитрати (2-4 м на растение) и за кратко време (3-4 часа).

Реакцията на преминаване се катализира от специфични ензими трансминази или аминотрансферази, чиято активна група е фосфорният естер на витамин B6 – пиридоксалфосфат:

VI.Първична синтеза на аминокиселини.

Тя протича по две реакции:

1Реакция на редуционно аминиране.При растенията тя е била открита от Кретович при прорастъци от житни растения, тиква и грах. Тя протича по следната схема:

Който участва, е аланиндехидрогеназа и работи като кофакторНАДН. Друг ензим, открит от същият автор е глутаматдехидрогеназа, който катализира образуването на глутаминова киселина от кетоглутарова киселина и NH3.

По разпространена реакция за синтеза на аминокиселини е реакцията на трансаминиране, открита от Браунщейн и Крицкин през 1937г. Тази реакция преминава през няколко етапа: аминокиселина взаимодейства с някоя кетокиселина, т.е. трансаминирането или преаминирането се извършва между аминокиселина, като приема аминогрупата от аминокиселината.(фиг. 111).

2Втората важна реакция, водеща до включване на неорганичния азот в аминокиселини, е АТФ-зависимото превръщане на глутамата в глутамин:

Аминосинтезата на аспаргинова киселина се извършва по два начина:

1)Чрез, реакцията на трансаминиране, при която кислородът в кетогрупата на оксалата се заменя с амино-група.

Подобни реакции са обратими и служат като звено между метаболитните пътища на аминокиселините и въглехидратите. Аспаргиновата киселина се синтезира в реакцията на пряко аминиране.

2)Чрез пряко аминиране на формулата:

Доскоро се смяташе, че основният път на асимилация на амония става посредством редукционното аминиране, както това беше показано по горе: α-кртоглутсматова киселина, катализирана от глутамат дехидрогеназа и реакциите на трансаминиране. След откриване на новия ензим глутаматсинтаза е било показано, че бактериите Aerobacter aerogenas има друг алтернативен път , който функционира в условия на наличие на нитрати и при недостатъчно количество на амоний в средата. Сега този ензим е намерен не само в бактерии, но и във висши растения. Глутаматсинтезата катализира следната реакция:

α-глутамин+α-кетоглутарова киселина + НАД(Ф)Н –> 2 мол α-глутаминова киселина + НАД(Ф)

Както се вижда от реакцията, глутаминът е донор на аминогрупа, чрез която става аминиране на α-кетоглутаровата киселина.Образуват се 2 молекули глутаминова киселина. От уравнението се вижда още, че глутаматсинтетазата работи при наличието на глутамина. Последният се синтезира от глутаминова киселина и амоняк с участието на ензима глутаматсинтетаза:

Глутаминова к-на + NH3 + АТФ  глутамин + АДФ + Ф

По такъв начин двата ензима образуват система, която действа едновременно и последователно.

Въпросът за ключовите реакции на асимилацията амонийни първо синтезата на глутамин и от него на глутаминова киселина е непосредствено свързан с биологичната фиксация на молекулният азот, тъй като първият продукт от асимилацията на молекулният азот е амонякът, който след това ще бъде изполван чрез горепосочените реакции за синтеза на аминокиселините.

Синтезата на аминокиселините може да се извърши още от първичният траен продукт на фиксацията при C3-тип растения – 3 фосфоглицеринова киселина (ФГК). Последната под действието на ензими от енолазната система се превръща във фосфофенолпируаза (ФЕП). Пируваткиназата превръща ФЕП в пирогроздена киселина ,от която чрез пряко редукционно аминиране се получава аланин.. Освен по този пряк начин, включвайки се в цикъла на Кребс, пирогроздената киселина става източник за получаването и на други киселини. Така например от оксалоцетната киселина чрез аминиране се получава аспаргинова киселина.

V.Вторична синтеза на ааминокиселини и синтеза на амиди.

В резултат на хидролиза на белтъка се получават аминокиселини и амиди. Така получените аминокиселини се разграждат чрез реакциите:

1)Дезаминиране. При него се освобождава аминната група и се образува съответната кетокиселина. Обикновенно то е окислително. Така например при окислително дезаминиране:

Аланин + H2O--2H  пирогроздена киселина + H3

Аспаргинова киселина + H2O--2H  оксалоцетна к-на + H3

Глутаминова киселина + H2O--2H  кетоглутарова к-на + H3

Освободените кетокиселини отново се превръщат в аминокиселини или се включват в дишането, като се разграждат до CO2 и вода.

2)Окислително декарбоксилиране. При него се освобождава CO2 от карбонилната група и се образъват тъй наречените амини:

CHNH2COOH  CH2NH2 + CO2

Например: цистеин – цистеамин;

Аспаргинова к-на – β-аланин

(двата амина влизат в състава на КоА);

Триптофан – хетероауксин (γ-индолоцетна к-на – растежен автор);

Глутаминова к-на – γ-аминомаслена к-на

3)Взаимно превръщане на една аминокиселина в друга.

Например:

Пролин + О2 – оксипролин

Серин + H2 – цистеин

Пролин – орнитин

Освободеният при тези реакции амоняк отново се включва в органични съединения чрез реакции на амидиране на глутаминната и апаргиновата киселина, в резултат на което се образуват двата най-разпространени амида – глутамин и аспаргин. Аспаргиновата киселина мове да се синтезира освен чрез аминирането на осалоцетната киселина още чрез  аминиране на фумалпаргиновата киселина се амидира подобно на глутаминовата киселина и се получава аспаргин.

VI.Биологична фиксация на азота.

Още през 1838г. Френският учен Бусенго е наблюдавал, че добивът от пшеница е по-голям когато се засява след бобови растения , отколкото след житни. От този факт Бусенго направил предположение, че бобовите растения асимилират молекулярен азот и по такъв начин обогатяват почвата с този макроелемент. Тези предположения не са били възприети тогава и даже много учени по това време , като Либих и др., са възразили на Бусенго. Едва след 50 год., с точни експерименти , проведени от Хелригел и др., било установено , че някои растения фиксират атмосферен азот. Този учен се счита за откривател на грудковите бактерии. Чиста култура от грудкови бактерии е била получена от Бейринт през 1888г., в която се извършва азотфиксация. С това той доказал че тези бактерии (Rhizobium) образуват грудките на корена. Както бе изтъкнато във въздуха се съдържа 70-80% свободен азот , който поради голямата си инертност неможе да се редуцира при обикновенни условия, а само при температура 4000C и 300 атмосфери налягане и катализатор мове да се свърже NH3.  Способноста да свързват по биологичен начин атмосферен азот имат някои свободни и симбиотично живеещи бактерии – синьо зелени водорасли. В почвата широко са разпространени свободно живеещи азорфиксиращи бактерии. Така например за 1 г. Почвата съдържа от 2000 до 20 000 бактерии, които за 1 год. Могат да обогатят почвата с 20-40 кг азот на 1 хектар. Известни са два вида свободно живеещи бактерии – аеробни и анаеробни. От аеробните най-широко разпространени са Azotobacter и Crococcum, а от анаеробните – Clostridium pasteurain um.

Синьозелените водорасли също улавят азот. По литературни данни натрупването на азот в почвата от тези водорасли може да достигне до 50 кг на един хектар за година. Обогатяване с азот с помоща на синьозелени водорасли практически се използва при отглеждането на ориз, като за целта се използват Noctos и др. Тези синьозелени водорасли са напълно автотрофни, тъй като усвояват и въглерод, т.е. фотосинтезират. Те са разпространени в почвата, във водоемите, в горещи източници и др. При тях фиксацията на азота започва с редукция на молекулярния азот – реакция, изискваща голямо количество енергия която се получава при дишането. Реакцията се катализира от ензима нитрогеназа. Установено е, че в лабораторни условия за фиксираната т.Г азот на азотобактериите са необходими 50г глюкоза, а Cl. Stridium изразходва 170г, което показва, че при естествени условия в почвата в недостатъчно количество са хранителните субрати на развитите на белтък бактерии. Известно е също така, че при ниски температури (от 0 до 3-40C) нитрогеназата при синьозелените водорасли изгубва активноста си, което говори, че този ензим не се адаптира към ниски температури. Неговият температурен оптимум е 20-250C. Сега е известно, че способноста да фиксират азот широко разпространени и при други видове бактерии, като сулфтредуциращите бактерии и пурпурната бактерия(Rhodospirillum azotrum).

Освен свободно живеещите бактерии азот фиксират и симбиозно живеещите в корените на висшите растения бактерии. Най-разпространени видове са Rhizobium,  разпространени в грудките на бонвите растения. Установено е , че симбиотичните азот фиксиращи в почвата може да натрупат 200кг азот на хектар – близо 10 пъти повече от свободно живеещите бактерии.

Витранен за първи път е установил, че грудковите клетки съдържат хемоглобин, наречен легхемоглобин, който снабдчва клетките с О2 . Този пигмент е известен като легхемоглобин о меговото количество се увеличава от интензивноста на светлината. Бактериите Rhizobium са дребни Х-образна форма. Когато живеят свободно в почвата , те се делят и размножават и въпреки че съдържат ензима нитрогеназа , немогат да усвоят азота от въздуха. Тези свободни бактерии придобиват в грудките на корена , където обикновенно навлизат през кореновите власинки. В зависимост от вида на растенията грудките имат различна форма, натрупват различно количество и на определени места в корена. Например грудките при соята са разположени по целия корен. След навлизането на бактерията в кореновата клетка, тя живее като паразит, получава от растителната клетка необходимите за растежа хранителни вещества – главно захари и аминокиселини. Бактериите в клетките на грудките претърпяват редица морфологични и биохимични промени, в резултат на което се образува бактероид, който придобива функцията да фиксира N2 от въздуха но не и в отсъствие на NH3. Същевременно с навлизането на бактериите в корена те предизвикват разрастване на неговите тъкани, което води до образуване на грудките. При пълно развитие на последните разтението престава да черпи азот от почвата поради азотфиксацията на бактериите. От казаното до тук се вижда, че в началото бактериите живеят паразитно, но по късно паразит става самото растение хазяин, като паразитира за сметка на фиксирания азот от бактероида и накрая растението при умирането си ги разрушава. В междуклетъчната фаза двата организма живеят в типични симбиотични отношения – бактерията намира място за живеене и получава от клетката хазяин енергия и съединения от въглерода, а растението използва съединението на азота, образувани от бактерията. Поотделно нито бактерията нито бобовото растение имат способноста да фиксират N2.  също не се наблюдава асимилиране на азот, който върху корен от небобово растение се присади бобово растение .

Това е схематичен строеж на инфицирана клетка от грудка на бобово растение.

Понастоящем широко се прилагат азотните торове произведени по промишлен начин, но има и  недостатъци при този вид торове състоящи се в това, че азотните торове лесно се измиват от водата (50%) и замърсяват водоемите и реките. Затова решаваща роля в кръговрата на азота в почвата все още играят растенията които свързват молекулярния азот от атмосферата , напр. Бобовите растения и др. Огромно значение на снабдяване с азот на всички растения , което ще се равнява на революция в биологията, ако е останалите растения (небобови – пшеница, ръж, царевица и др.) придобият способноста да фиксират молекулярния азот. По принцип възможноста за пренасяне на свойствата и признаци чрез пренасяне на генетична информация , т.е. чрез пренасяне на ДНК, е вече доказано през 1944г. Пренасянето на гени или съответни части на ДНК на живи същества от различни видове може да бъде успешно само в случаи, когато организмът, който приема гена, няма ензими за разрушаване или промяна на чуждата ДНК. Английските учени Диксън и Постгент през 1972г. Първи са осъяествили пренос на гени отговорни за фиксацията на азот от бактерията Klebsiella , върху един щам Escherichia coli. Гените, отговорни за фиксацията на азот обозначени като nij (азотфиксация), са причина за синтеза на ензима нитрогеназа, което е било направено чрез редукция на ацитилен. Тези гени, коиото присъстват в Eschdrichia coli, се предполага, че са във вид на пръстеновиден участък на ДНК, която не се среща в хромозомите на ядрото. Свойствата обаче на образуваната в Escherichia coli нитрогеназа все още не са извествни. Възможноста да се пренесе nif-генът от бактерията на вис6и растения се увеличава и от това, че бактериалната ДНК има същата пръстенообразна форма каквато е тази на хлоропластите. Хибридизацията на ДНК или на техните части ще бъде много по успешна, отколкото е хибридизацията на бактериална ДНК (прокариоти) с тези на растителна клетка, което коренно се различава от ДНК на бактерията , т.е. от ДНК на еукариотите.