Корень как орган поглощения воды и минеральных веществ
Статья из книги «Выращивание растений без почвы» 1960 г. В.А. Чесноков Е.Н. Базырина
В ней даются основные понятия о потребностях растений в воде и кислороде. На основе этого нужно делать выводы о будущей конструкции гидропонной установки, в частности об организации её корневой зоны и об организации снабжения непосредственно корней (в случае аэропоники) или питательного раствора кислородом.
Поглощение корнем воды
Одной из важнейших функций корневой системы является всасывание и подача воды в надземную часть. Как известно, растение на 80% состоит из воды. Вода участвует в дыхательном обмене, разлагается при образовании в процессе фотосинтеза органических веществ, таких, как сахар и крахмал. Однако расход ее на эти процессы ничтожен по сравнению с той тратой, которую растения производят при испарении воды листовой поверхностью (транспирация).
В солнечную погоду листья, поглощая лучистую энергию, необходимую для процесса фотосинтеза, могут перегреться и погибнуть. Чтобы сохранить эти важнейшие органы от гибели, растения выработали защитные приспособления. Листья непрерывно испаряют воду, вследствие чего температура их снижается, и даже на ярком солнечном свету они почти не нагреваются. В зависимости от погоды площадь листьев, равная 1 м2, испаряет за час днем от 15 до 250 г воды, а ночью от 1 до 20 г.
В тепличных условиях одно взрослое растение огурцов, подвязанное на шпалерах, испаряет ежедневно до 200-300 г воды. Для пополнения воды, потраченной на испарение, корень автоматически должен подавать новые порции ее. Если корень не справляется с этой работой, то растение завядает, прекращая одновременно вырабатывать в процессе фотосинтеза новые органические вещества, перестает расти, что сильнейшим образом сказывается на урожае.
Корню приходится, таким образом, совершать колоссальную работу, чтобы обеспечить растение водой. При выращивании растений в почве корень разыскивает воду, углубляясь на 1,5- 2 м, и оплетает каждый комочек почвы в сравнительно большом объеме. В силу этого протяженность и общая поверхность корней у растений, выросших в естественных условиях, очень велика: она примерно в 50-100 раз превышает поверхность листьев.
Роль корня в обеспечении растений водой намного облегчена при выращивании их на искусственных субстратах. Вода не связывается субстратом. Поиски ее делаются ненужными. Вода всегда имеется в изобилии и легко доступном виде.
При выращивании растений на искусственных субстратах вода расходуется особенно экономно. Обычно при поливе почвы часть воды, проникая вглубь, не используется растением, часть вступает в прочное соединение с глинистыми частицами и становится недоступной для корней, иногда количество такой воды достигает 16% от общей влагоемкости. Наконец, очень много воды испаряется с поверхности почвьи. Таких потерь воды не имеется при выращивании растений без почвы.
Поглощение корнем минеральных веществ
Известно, что только молодые растущие части корневой системы (до 5 см от кончика корня) хорошо поглощают минеральные соли. Более старые опробковевшие участки корня не способны к поглощению питательных солей. Таким образом, только при создании хороших условий для роста корня растение нормально обеспечивается питательными веществами.
Корневая система (растений проделывает большую работу, разыскивая и собирая по крупицам рассеянные в почвенной толще питательные элементы. Лишь незначительная часть минеральных солей находится в так называемом почвенном растворе, из которого они без особого труда всасываются корнем. Однако почвенный раствор даже в самой плодородной почве содержит относительно мало питательных веществ и не может обеспечить нормального развития растений. Основная масса питательных солей находится в нерастворимом состоянии или адсорбирована на поверхности мельчайших почвенных частиц.
Питание растений в почве является весьма сложным по сравнению с питанием растений в водных растворах. В почве необходима как большая поверхность корневых систем, так и наличие в ней значительного запаса дыхательных материалов.
Питание растений в почве осложняется еще тем, что питательные вещества, в особенности азот и фосфор, находятся в форме органических соединений. Они становятся доступными для растения лишь после разложения его микроорганизмами, и чем благоприятнее условия для жизнедеятельности микроорганизмов в почве, тем больше питательных веществ получают растения. В холодную погоду разложение органического вещества не идет столь энергично, как летом, поэтому весной растения проявляют зачастую признаки азотного голодания. Вносимый в почву навоз, торф и другие органические удобрения также должны подвергнуться переработке микроорганизмами. Из этого следует, что урожай растений, растущих в почве, до некоторой степени зависит от жизнедеятельности микроорганизмов. К сказанному следует добавить, что зачастую даже плодородные почвы не всегда содержат достаточное количество микроэлементов, которые или отсутствуют или находятся в недоступной для растений форме.
Если рассматривать почву с этих позиций, то каждый почвенный образец представляет собой настолько сложную среду, что часто самый точный химический анализ не в состоянии дать ответ, сколько и каких веществ находится в данный момент в распоряжении растений. Это создает большие трудности при решении вопросов, связанных с подкормкой при интенсивной культуре растений, так как излишнее внесение минеральных удобрений приводит к засолению почвы и ухудшает ее физические свойства.
Выращивание растений без почвы легко разрешает задачу рационального питания растений, так как в любое время простой количественный анализ позволит дать точный ответ, в каком количестве то или иное вещество находится в растворе. В случае необходимости состав среды можно изменить в нужном направлении. Это является одним из основных преимуществ метода.
Поглощение минеральных веществ является физиологическим процессом и тесно связано с дыханием корней. Поэтому одним из условий интенсивного поглощения питательных солей является хорошая аэрация корневой системы. Очень важны также температурные условия, кислотность и концентрация окружающего раствора. Остановимся отдельно на каждом из этих условий, которые способствуют обеспечению растений питательными веществами.
Роль аэрации корня в поглощении им питательных веществ
Как уже говорилось, корень нуждается в кислороде, иначе функции его по поглощению воды и питательных солей затормаживаются. Воздушные пространства между крупными комочками структурной почвы вполне удовлетворяют эту потребность. В бесструктурной почве с очень мелкими частицами и незначительными воздушными полостями имеется ничтожный запас кислорода, что отрицательно сказывается на росте растений.
Интенсивнее всего дышат растущие молодые корни, они главным образом и поглощают питательные соли. Старые корни действуют лишь как транспортные пути, передавая поглощенные ионы в надземную часть растений. Нежные молодые корешки в сухом пространстве отмирают, не достигнув питательного раствора. Поэтому при выращивании растений в искусственной среде необходимо в первую очередь обратить серьезное внимание на создание благоприятных условий аэрации и влажности воздуха, что обеспечит и нормальный рост корня и его работу.
Какова фактическая потребность корня в кислороде? Опыты показали, что корень взрослого растения томатов при сухом весе в 2 г поглощает за один час в среднем 15-16 мг кислорода (Базырина, 1950). Если сравнить эту величину с содержанием кислорода в одном литре воздуха, которое составляет около 300 мг — станет ясным, что корень, помещенный во влажную, хорошо проветриваемую воздушную среду, никогда не будет страдать от недостатка кислорода. Совершенно другая картина наблюдается при полном погружении корня в питательный раствор и особенно при внезапном затоплении его. В таких случаях уже через 3 — 4 часа начнется подвялание листвы и отмирание растений, так как корень начинает испытывать недостаток в кислороде.
Объяснение этого явления кроется в том, что в одном литре воды (питательного раствора) содержится всего 8-9 мг кислорода. Такой мизерный запас может обеспечить нормальное дыхание мощно развитой корневой системы в течение очень короткого времени.
В дальнейшем дыхание корня будет поддерживаться только за счет поступления в питательный раствор новых порций кислорода, что происходит крайне медленно. Через поверхность в 100 см2 за каждый час в раствор будет поступать всего 0,5 мг кислорода. Корень будет находиться в состоянии удушья — кислородного голодания, которое может привести к частичному отмиранию корневой системы и затормозить рост растений.
Залог успеха выращивания растений в водных растворах, прежде всего заключается в том, чтобы создать для жизнедеятельности корня наиболее благоприятные условия: корневая система должна находиться в хорошо проветриваемом воздушном пространстве, насыщенном водяными парами, и только кончики корней могут быть погружены в питательный раствор. Нарушение этих условий, хотя бы частичное, неблагоприятно скажется на росте растений.
Источник
Как корень поглощает воду
Корень — осевой подземный орган растения, обладающий неограниченным концевым ростом.
Главный корень развивается из зародышевого корешка семени и играет в растении роль центральной оси подземной части.
Придаточные корни растут от побега.
Боковые корни образуются на главном и придаточных корнях.
Рис. 1. Виды корней
Вся совокупность корней растения называется корневой системой.
типы корневых систем
В зависимости от развития тех или иных видов корней выделяют два типа корневых систем (рис. 2). Стержневая корневая система состоит из хорошо развитого главного корня и отходящих от него более мелких боковых корней, которые в свою очередь делятся на боковые корни второго, третьего и т. д. порядков.
Такая корневая система характерна для двудольных растений и хорошо просматривается только у молодых растений, выращенных из семян. У старых многолетних растений главный корень со временем замедляет рост, а боковые корни догоняют его или даже перерастают.
Мочковатая корневая система состоит из многочисленных придаточных и боковых корней. Главный корень не развивается или развивается слабо.
Мочковатая корневая система характерна для однодольных растений.
Рис. 2. Типы корневых систем
внутреннее строение корня
В строении корня различают несколько зон, каждая из которых имеет определенное строение и выполняет определенные функции (рис. 3).
Зона деления состоит из мелких постоянно делящихся клеток верхушечной меристемы. Это зона находится на кончиках всех корней растения. Благодаря верхушечной меристеме осуществляется рост корня в длину.
Корневой чехлик — несколько слоёв плотно сросшихся клеток с утолщенными стенками.
Функция корневого чехлика:
- механическая защита зоны деления;
- выделение слизистых веществ для более легкого проникновения в почву.
Клетки снаружи корневого чехлика постоянно разрушаются, а с внутренней стороны он нарастает благодаря клеткам меристемы.
Пикировка корня — удаление кончика главного корня — производится с целью прекращения роста главного корня и усиления роста боковых корней: общая площадь корневого питания увеличивается.
Рис. 3. Зоны корня
Зона растяжения (роста). В ней клетки растут, вытягиваясь в длину, благодаря чему и происходит удлинение корня.
В этой же зоне начинается дифференцировка клеток. Поверхностные клетки превращаются в клетки эпидермы. В центре формируются клетки проводящих тканей.
Зона всасывания. Зона всесывания снаружи покрыта тонкой покровной тканью эпиблемой (или ризодермой). В этой зоне клеткиэпиблемы образуют выросты — корневые волоски. Корневые волоски представляют собой длинные тонкие нитевидные клеточные выросты, в которые перемещается ядро клетки. По мере роста корня они разрушаются, эпидерма замещается пробкой и зона всасывания замещается зоной проведения.
Функция корневых волосков: поглощение из почвы воды и минеральных веществ.
Зона проведения продолжается до наземных частей растения. В ней находятся сосуды ксилемы, по которым от корня поднимается вода с минеральными веществами, и ситовидные трубки флоэмы, по которым в корень поступают органические вещества из листьев.
Корни подавляющего большинства растений выполняют шесть основных функций:
- Корни удерживают растение в определённом положении. Эта функция очевидна для наземных растений, особенно значима она для крупных деревьев с большой массой ветвей и листьев. У многих водных растений закрепление на дне позволяет выгодно распределить в пространстве листья. У плавающих растений, например у ряски, корни не позволяют растению переворачиваться.
- Корни осуществляют почвенное питание растения, поглощая из почвы воду с растворёнными в ней минеральными веществами, и проведение веществ к побегу (рис. 1).
- У некоторых растений в главном корне осуществляется хранение запасных питательных веществ, таких как крахмал и другие углеводы.
- В корнях происходит образование определённых веществ, нужных организму растения. Так, в корнях осуществляется восстановление нитратов до нитритов, синтез некоторых аминокислот и алкалоидов.
- Корни могут осуществлять симбиоз с грибами и микроорганизмами, обитающими в почве (микориза, клубеньки представителей семейства Бобовые).
- С помощью корней может осуществляться вегетативное размножение (например, корневыми отпрысками). Корневыми отпрысками размножаются, например, одуванчик, слива, малина, сирень.
Поглощение воды и минеральных веществ корнем
Эта функция возникла у растений в связи с выходом на сушу.
Поглощение воды и минеральных веществ растением происходит независимо друг от друга, так как эти процессы основаны на различных механизмах действия. Вода проходит в клетки корня пассивно, а минеральные вещества поступают в клетки корня в основном в результате активного транспорта, идущего с затратами энергии.
Рис. 1. Горизонтальный транспорт воды:
1 — корневой волосок; 2 — апопластный путь; 3 — симпластный путь; 4 — эпиблема (ризодерма) 5 — эндодерма; 6 — перицикл; 7 — сосуды ксилемы; 8 — первичная кора; 9 — плазмодесмы; 10 — пояски Каспари.
Вода поступает в растение в основном по закону осмоса. Корневые волоски имеют огромную вакуоль с концентрированным клеточным соком, обладающую большим осмотическим потенциалом, который обеспечивает поступление воды из почвенного раствора в корневой волосок.
ГОРИЗОНТАЛЬНЫЙ ТРАНСПОРТ ВЕЩЕСТВ
Вода попадает в тело растения через ризодерму, поверхность которой сильно увеличена благодаря наличию корневых волосков.
В этой зоне в проводящем цилиндре корня формируется проводящая система корня — сосуды ксилемы, необходимая для обеспечения восходящего тока воды и минеральных веществ.
Вода с минеральными солями поглощается корневыми волосками. Эндодерма перекачивает эти вещества в проводящий цилиндр, создавая корневое давление и не позволяя воде выходить назад. Вода с солями поступает в сосуды проводящего цилиндра и поднимается транспирационным током по стеблю к листьям.
Горизонтальный транспорт воды и минеральных веществ происходит по трём путям (рис. 1):
- апопластный путь (основной для воды и минеральных веществ) — путь через межклеточные пространства и клеточные стенки;
- симпластный путь (для транспорта органических и минеральных веществ) — путь через систему протопластов (внутреннего содержимого) клеток, соединённых посредством плазмодесм (цитоплазматических мостиков);
- вакуолярный путь (только транспорт воды; в корне минимален) — путь из вакуоли в вакуоль через другие компоненты смежных клеток (плазматические мембраны, цитоплазма и тонопласт вакуолей).
В корне вода передвигается по межклетникам до эндодермы (апопластный путь). Здесь её дальнейшему продвижению мешают водонепроницаемые клеточные стенки, пропитанные суберином (пояски Каспари). Поэтому вода попадает в стелу по симпласту через пропускные клетки (вода проходит через плазматическую мембрану под контролем цитоплазмы пропускных клеток эндодермы). Благодаря этому происходит регуляция движения воды и минеральных веществ из почвы в ксилему. В стеле вода уже не встречает сопротивления и поступает в проводящие элементы ксилемы.
ВЕРТИКАЛЬНЫЙ ТРАНСПОРТ ВЕЩЕСТВ
Корни осуществляют проведение воды и минеральных веществ к наземным органам растения.
Вертикальное перемещение воды происходит по мёртвым клеткам ксилемы, которые не способны толкать воду к листьям. Это движение поддерживается транспирационной функцией листьев.
Корень представляет собой нижний концевой двигатель, подающий воду в сосуды стебля под давлением.
Корневое давление — сила, с которой корень нагнетает воду в стебель.
Корень активно перекачивает минеральные и органические вещества в сосуды ксилемы; в результате возникает повышенное осмотическое давление в сосудах корня относительно с давлением почвенного раствора. Величина корневого давления может достигать 3 атм. Доказательством наличия корневого давления служит, например, гуттация (выделение капелек воды листьями).
Верхний концевой двигатель, обеспечивающий вертикальный транспорт воды, возникает в результате транспирации (испарения воды с поверхности листьев).
При непрерывном испарении воды создаётся возможность для нового притока воды к листьям. Сосущая сила листьев у деревьев может достигать 20 атм.
В сосудах ксилемы вода движется в виде непрерывных водяных нитей. Молекулы воды движутся друг за другом за счет когезии (сцепления друг с другом) и адгезии (прилипания к стенкам сосудов).
Таким образом, поднятие воды по растению осуществляется благодаря верхнему и нижнему двигателям водного тока и силам сцепления молекул воды в сосудах. Основной движущей силой является транспирация.
ОСМОС И ТУРГОР
В живых клетках корня происходит первый отбор веществ, допускаемых внутрь растения. Участие живых клеток в принятии веществ обусловливает избирательную способность растения, благодаря которой различные вещества поглощаются в разных количествах. Так как поступление в сильной степени зависит от потребления, растение принимает на различных стадиях развития то одни соли, то другие. Чем сильнее развита корневая система, тем активнее идёт поглощение воды и солей.
Часто возникают ситуации, когда корни растений выполняют некоторые дополнительные функции или одна из основных функций требует большего развития. В таких случаях образуются видоизменения корней
Источник
