به نام خدا
متن فصل 7 (گفتار 1و2)
جذب و انتقال مواد در گیاهان
گرچه بیشتر گیاهان می توانند به وسیله ی فتوسنتز، بخشی از مواد موردنیاز خود مانند کربوهیدرات و در پی آن پروتئین و لیپید را تولید کنند ؛ اما همچنان به مواد مغذی مانند آب و مواد معدنی نیاز دارند. گیاهان، این مواد را به کمک اندامهای خود، به ویژه ریشه ها جذب میکنند. گیاهان چه سازوکارهایی برای جذب مواد مورد نیاز و نیز انتقال آنها به اندامهای خود دارند؟ مواد حاصل از فرایند فتوسنتزچگونه به سراسر گیاه منتقل میشوند؟ در این فصل به فرایندهای مربوط به تغذیه، جذب و انتقال گیاهان میپردازیم.
گفتار 1 تغذیه گیاهی گیاهان، مواد مورد نیاز را از هوا، آب یا خاک اطراف خود جذب میکنند. کربن دی اکسید یکی از مهمترین موادی است که گیاهان از هوا جذب میکنند. کربن، اساس ماده ی آلی و بنابراین یکی از عناصر مورد نیاز گیاهان است. کربندیاکسید به همراه سایر گازها از طریق روزنهها وارد فضاهای بین یاختهای گیاه میشود. مقداری از کربن دیاکسید هم با حل شدن در آب، به صورت بیکربنات درمیآید که میتواند توسط گیاه جذب شود. سایر مواد مغذی هم بیشتر از طریق خاک جذب میشوند.
خاک و مواد مغذی مورد نیاز گیاهان خاک، ترکیبی از مواد آلی، غیرآلی و ریزجانداران (میکرو ارگانیسم ها) است. خاکهای مناطق مختلف به علت تفاوت در این ترکیبات، توانایی متفاوتی در نگهداری آب، مقدار هوای خاک، pH و مواد معدنی دارند. گیاخاک (هوموس)، لایه سطحی خاک است و به طور عمده از بقایای جانداران و بهویژه اجزای در حال تجزیۀ آنها تشکیل شده است. گیاخاک، با داشتن بارهای منفی، یونهای مثبت را در سطح خود نگه میدارند و در نتیجه مانع از شست وشوی این یون ها میشوند. گیاخاک همچنین باعث اسفنجی شدن حالت خاک میشود که برای نفوذ ریشه مناسب است. ذرات غیرآلی خاک از تخریب فیزیکی وشیمیایی سنگها در فرایندی به نام هوازدگی ایجاد میشوند. این ذرات از اندازه ی بسیار کوچک رس تا درشت شن و ماسه را شامل میشوند. تغییرات متناوب یخ زدن و ذوب شدن، که باعث خرد شدن سنگها میشود، نمونهای از اثر هوازدگی فیزیکی است. اسیدهای تولید شده توسط جانداران و نیز ریشه ی گیاهان هم میتوانند هوازدگی شیمیایی ایجاد کنند
فعالیت : خاکهای مختلف، ذراتی با اندازه های مختلف دارند. تحقیق کنید که رشد ریشه ی گیاهان در خاکهای رسی و ماسهای با چه چالشها و فرصت هایی روبه روست؟
جذب مواد معدنی خاک نیتروژن و فسفر دو عنصر مهمی هستند که در ساختار پروتئینها و مولکولهای وراثتی شرکت میکنند. گیاهان، ترکیبات این دو عنصر را بیشتر از خاک جذب میکنند .
جذب نیتروژن با اینکه جو زمین دارای 78درصد نیتروژن( )N2است، گیاهان نمیتوانند شکل مولکولی نیتروژن را جذب کنند. بیشتر نیتروژن مورد استفادۀ گیاهان به صورت یون آمونیوم (NH+4)یا نیترات (NO-3) است. این ترکیبات در خاک و توسط ریزجانداران تشکیل میشوند. خلاصه ای از این فرایندها در شکل 1نشان داده شده است. به تبدیل نیتروژن جو به نیتروژن قابل استفادۀ گیاهان تثبیت نیتروژن گفته میشود. بخشی از نیتروژن تثبیت شده در خاک، حاصل عملکرد زیستی باکتریهاست. باکتریهای تثبیتکنندۀ نیتروژن، به صورت آزاد در خاک یا همزیست با گیاهان زندگی میکنند. نیتروژن تثبیت شده در این باکتریها به مقدار قابلتوجهی دفع، و یا پس از مرگ آنها برای گیاهان قابل دسترس میشود. مهمترین انواع تثبیت نیتروژن، در ادامۀ این فصل توضیح داده خواهد شد.امروزه تلاشهای زیادی برای انتقال ژنهای موثر در تثبیت نیتروژن به گیاهان در جریان است، تا بدون نیاز به این باکتریها، نیتروژن مورد نیاز در اختیار گیاه قرار گیرد. در شکل 1انواع دیگری از باکتریهای خاک دیده میشوند. نقش هر یک از آنها در تغییر و تبدیل مواد نیتروژن دار چیست؟
شکل 1ــ تغییرات مواد نیتروژن دار و چگونگی جذب آنها از خاک
جذب فسفر فسفر (P) از دیگر عناصر معدنی است که کمبودآن، رشد گیاهان رامحدود میکند. گیاهان، فسفر مورد نیاز خود را به صورت یونهای فسفات از خاک به دست می آورند . گرچه فسفات در خاک فراوان است ، اغلب برای گیاهان غیرقابل دسترس است. یکی از دلایل، این است که فسفات به بعضی ترکیبات معدنی خاک به طور محکم ی متصل میشود. برخی گیاهان برای جبران،شبکه ی گسترده تری از ریشه ها و یا ریشه های دارای تار کشنده ی بیشتر ایجاد میکنند که جذب را افزایش میدهد .
بهبود خاک خاک مناطق مختلف ممکن است دچار کمبود برخی مواد یا فزونی مواد دیگر باشد. اصلاح این خاکها میتواند آنها را برای گیاهان قابل کشت کند. اگراین خاک ها دچار کمبود باشند، با افزودن کود میتوان حاصلخیزی آنها را افزایش داد. زیست شناسان برای تشخیص نیازهای تغذیه ای گیاهان، آنهارا در محلول ّ های مغذی رشد میدهند (شکل2) این محلولها، آب و عناصر مغذی محلول به مقدار معین دارند. از این شیوه برای تشخیص اثرات عناصر بر رشد و نمو گیاهان نیز استفاده میشود. مقدار نیتروژن، فسفر و پتاسیم قابل دسترس دراغلب خاکها محدود است، به همین دلیل در بیشتر کودها این عناصر وجود دارند. کودهای مهم در انواع آلی، شیمیایی و زیستی (بیولوژیک) وجود دارند. کودهای آلی، شامل بقایای درحال تجزیه جانداراناند. این کودها مواد معدنی را به آهستگی آزاد میکنند و چون به نیازهای جانداران شباهت بیشتری دارند، استفادۀ بیش از حد آنها به گیاهان آسیب کمتری میزند. از معایب این کودها، احتمال آلودگی به عوامل بیماری زاست .
شکل 2ــ دستگاه ساده ای برای کشت گیاهان در محلولهای مغذی
کودهای شیمیایی شامل مواد معدنی هستند که به راحتی در اختیار گیاه قرار میگیرند؛ بنابراین میتوانند به سرعت ، کمبود مواد مغذی خاک را جبران کنند. مصرف بیش از حد کودهای شیمیایی میتواند آسیبهای زیادی به خاک و محیط زیست وارد و بافت خاک را تخریب کند. از طرفی، با شسته شدن توسط بارشها، این مواد به آبها وارد میشوند. حضور این مواد باعث رشد سریع باکتریها، جلبکها و گیاهان آبزی میشود. افزایش این عوامل مانع نفوذ نور و اکسیژن کافی به آب میشود و میتواند باعث مرگ و میر جانوران آبزی شود. کودهای زیستی شامل باکتری ّ هایی هستند که برای خاک مفید و با فعالیت و تکثیر خود، مواد معدنی به خاک را افزایش میدهند. استفاده از این کودها بسیار سادهتر و کم هزینه تر است. این کودها معمولا همراه کودهای شیمیایی به خاک افزوده میشوند و معایب دو نوع کود دیگر را ندارند. همانطور که کاهش عناصر مغذی در خاک برای گیاهان زیان ّ بار است، افزایش بیش از حد بعضی مواد در خاک میتواند مسمومیت ایجاد کند و مانع رشد گیاهان شود. بعضی گیاهان میتوانند نوعی سرخس غلظتهای زیادی از این مواد را درون خود بهصورت ایمن نگهداری کنند؛ مثلا میتواند آرسنیک را که ماده ّ ای سمی برای گیاه است، در خود جمع کند. بعضی گیاهان میتوانندآلومینیم را نیز در بافت ً ها ذخیره کنند. مثلا گیاه گل ادریسی که در خاکهای خنثی و قلیایی صورتی رنگ هستند در خاکهای اسیدی آبی رنگ میشوند. این تغییر رنگ به علت تجمع آلومینیوم در گیاهاست (شکل 3) بعضی گیاهان نیز با جذب و ذخیره ی نمکها، موجب کاهش شوری خاک میشوند. با کاشت و برداشت این گیاهان در چند سال پی درپی میتوان باعث کاهش شوری خاک و بهبود کیفیت آن شد.
بیشتر بدانید به دلیل اینکه بیشتر کشور ما دارای اقلیم خشک و یا شور است، عناصری مانند بور و آلومینیم در خاکها فراوان است که میتواند باعث مسمومیت در گیاهان شود. گیاهان از بور برای استحکام دیواره ی یاختهای استفاده میکنند ولی افزایش آن موجب کاهش نیتروژن، فسفر، پتاسیم و کلسیم برگها میشود. یون آلومینیم نیز یکی از مواد فراوان خاک است و به مقدار کم میتواندبه بافتهای گیاهی نفوذ کند. این یون مانع جذب مواد معدنی دیگر و آب، توسط ریشه ها میشود. مقدار آلومینیم در خاکهای اسیدی فراوانتر است .
فعالیت
آزمایشی را طراحی کنید که به کمک آن بتوان تاثیر کاهش یا افزایش مواد معدنی را در رشد و نمو گیاهان تعیین کرد.
گفتار 2 جانداران موثر در تغذیه ی گیاهی
گیاهان شیوه های شگفت انگیزی برای گرفتن مواد مورد نیاز خود از جانداران دیگر دارند. گیاهان با بعضی از این جانداران ارتباط همزیستی برقرار میکنند. از مهمترین انواع این همزیستها، قارچ ریشه ای ها (میکوریزا) و باکتریهای تثبیت کننده ی نیتروژن هستند
قارچ ریشه ای انواعی یکی از معمولترین سازگاری ّ ها برای جذب آب و مواد مغذی همزیستی ریشۀ گیاهان با انواعی از قارچها است که به آن قارچ ریشه ای گفته میشود (شکل 4 ) حدود 90درصد گیاهان دانه دار با قارچ ها همزیستی دارند. این قارچ ها در سطح ریشه زندگی میکنند.رشته های ظریفی به درون ریشه میفرستد که تبادل مواد را با آن انجام میدهند. در قارچ ریشه ای، قارچ، مواد آلی را از ریشه ی گیاه میگیرد و برای گیاه، مواد معدنی و به خصوص فسفات فراهم میکند. پیکر رشتهای و بسیار ظریف قارچها، نسبت به ریشه ی گیاه با سطح بیشتری از خاک در تماس است و میتواند مواد معدنی بیشتری را جذب کند .
همزیستی گیاه با تثبیت کننده های نیتروژن برخی گیاهان با انواعی از باکتری ها همزیستی دارند که این همزیستی برای به دست آوردن نیتروژن بیشتر است. دو گروه مهم این باکتریها عبارت اند از: ریزوبیومها و سیانوباکتریها. ریزوبیوم: از گذشته برای تقویت خاک، تناوب کشت انجام میشد که در آن گیاهان زراعی مختلف به صورت پیدر پی کشت میشد. یکی از انواع گیاهانی که در تناوب کشت مورد استفاده قرار میگیرد، گیاهان تیرۀ پروانهواران است (دلیل این نامگذاری، شباهت گلهای آنها به پروانه است.) سویا، نخود و یونجه از گیاهان مهم زراعی این تیره هستند. در ریشه ی این گیاهان و در محل برجستگیهایی به نام گرهک، نوعی باکتری تثبیت کننده ی نیتروژن به نام ریزوبیوم زندگی میکند (شکل 5) هنگامیکه این گیاهان می میرند یا بخشهای هوایی آنها برداشت میشود، گرهکهای آنها در خاک باقی میماند و گیاخاک غنی از نیتروژن ایجاد میکنند. ریزوبیومها با تثبیت نیتروژن، نیاز گیاه را به این عنصر برطرف میکنند و گیاه نیز مواد آلی مورد نیاز باکتری را برای آن فراهم میکند
همزیستی با سیانوباکتریها: سیانوباکتریها نوعی از باکتری های فتوسنتزکننده هستندکه بعضی از آنها میتوانند علاوه بر فتوسنتز، تثبیت نیتروژن هم انجام دهند. آزولا گیاهی کوچک است که در تالابهای شمال و مزارع برنج کشور به فراوانی وجود دارد. گیاه آزولا با سیانوباکتریها همزیستی دارد و نیتروژن تثبیت شده ی آن را دریافت میکند (شکل 6ــ الف.) گیاه گونرا نیز در نواحی فقیر از نیتروژن رشد شگفت انگیزی دارد. چگونه این گیاه با وجود کمبود نیتروژن چنین رشدی دارد؟ سیانوباکتریهای همزیست درون ساقه و دمبرگ این گیاه، تثبیت نیتروژن انجام میدهند و از محصولات فتوسنتزی گیاه استفاده میکنند (شکل 6ــ ب).
بیشتر بدانید گیاه آبزی آزولا، بومی ایران نیست و برای تقویت مزارع برنج به تالابهای شمالی وارد شد. رشد سریع این گیاه موجب کاهش اکسیژن آب و مرگ بسیاری آبزیان میشود. این گیاه اکنون به معضلی برای این تالابها بدل شده است. چنین مواردی به ما هشدار میدهندکه نباید بدون مطالعه و در نظر داشتن پیامدهای احتمالی، گونه های غیربومی را وارد محیط زیست کرد
روشهای دیگر به دست آوردن مواد غذایی در گیاهان: گیاهان حشره خوار: این گیاهان فتوسنتزکننده اند، ولی در مناطقی زندگی میکنند که از نظرنیتروژن فقیرند. در این گیاهان برخی برگها برای شکار و گوارش جانوران کوچک مانند حشرات، تغییر کرده است. گیاه توبره واش که از گیاهان حشره خوار است در تالاب های شمال کشور میروید. این گیاه حشرات و لار و آنها را به سرعت به درون بخش کوزه مانند خود میکشد و سپس گوارش میدهد. در شکل8 انواع دیگری از گیاهان حشره خوار نشان داده شده است 0
گیاهان انگل: انواعی از گیاهان انگل وجود دارند که همه یا بخشی از آب و مواد غذایی خود را از گیاهان فتوسنتزکننده دریافت می کنند. گیاه سس، نمونهای از این گیاهان است. این گیاه ساقه ی نارنجی یا زردرنگی تولید میکند که فاقد ریشه است. گیاه سس به دور گیاه سبز میزبان خود میپیچد و اندامهای مکنده ایجاد میکند (شکل 9ـ الف) که به درون آوندهای گیاه نفوذ، و مواد مورد نیاز انگل را جذب میکند. گل جالیز نمونه ی دیگری از این گیاهان است که با ایجاد اندام مکنده و نفوذ آن به ریشه ی گیاهان جالیزی، مواد مغذی را دریافت میکند (شکل 9ـ ب.)
پایان