Nutrizione delle piante

Almeno 17 elementi sono noti per essere nutrienti essenziali per le piante. In quantità relativamente grandi, il suolo fornisce azoto, fosforo, potassio, calcio, magnesio e zolfo; questi sono spesso chiamati macronutrienti. In quantità relativamente piccole, il suolo fornisce ferro, manganese, boro, molibdeno, rame, zinco, cloro e cobalto, i cosiddetti micronutrienti. I nutrienti devono essere disponibili non solo in quantità sufficienti, ma anche in rapporti appropriati.

La nutrizione delle piante è un argomento difficile da comprendere completamente, in parte a causa della variazione tra diverse piante e anche tra diverse specie o individui di un dato clone. Gli elementi presenti a bassi livelli possono causare sintomi di carenza, e la tossicità è possibile a livelli troppo alti. Inoltre, la carenza di un elemento può presentarsi come sintomi di tossicità di un altro elemento, e viceversa. L’abbondanza di un nutriente può causare una carenza di un altro nutriente. Per esempio, l’assorbimento di K+ può essere influenzato dalla quantità di NH+
4 disponibile.

L’azoto è abbondante nell’atmosfera terrestre, e un certo numero di piante agricole importanti dal punto di vista commerciale si impegnano nella fissazione dell’azoto (conversione dell’azoto atmosferico in una forma biologicamente utile). Tuttavia, le piante ricevono il loro azoto principalmente attraverso il suolo, dove è già convertito in forma biologicamente utile. Questo è importante perché l’azoto nell’atmosfera è troppo grande per la pianta da consumare, e richiede molta energia per convertirlo in forme più piccole. Questi includono la soia, i fagioli e i piselli commestibili, così come i trifogli e l’erba medica usati principalmente per l’alimentazione del bestiame. Piante come il mais, il grano, l’avena, l’orzo e il riso, importanti dal punto di vista commerciale, richiedono la presenza di composti azotati nel suolo in cui crescono.

Il carbonio e l’ossigeno vengono assorbiti dall’aria, mentre altri nutrienti vengono assorbiti dal suolo. Le piante verdi ordinariamente ottengono il loro rifornimento di carboidrati dall’anidride carbonica nell’aria attraverso il processo di fotosintesi. Ognuno di questi nutrienti è usato in un posto diverso per una diversa funzione essenziale.

Nutrienti di baseModifica

I nutrienti di base derivano dall’aria e dall’acqua.

CarbonioModifica

Il carbonio forma la spina dorsale della maggior parte delle biomolecole vegetali, comprese le proteine, gli amidi e la cellulosa. Il carbonio è fissato attraverso la fotosintesi; questa converte l’anidride carbonica dell’aria in carboidrati che sono usati per immagazzinare e trasportare energia all’interno della pianta.

IdrogenoModifica

L’idrogeno è necessario per costruire gli zuccheri e costruire la pianta. È ottenuto quasi interamente dall’acqua. Gli ioni idrogeno sono indispensabili per un gradiente protonico che aiuti a guidare la catena di trasporto degli elettroni nella fotosintesi e per la respirazione.

OssigenoModifica

L’ossigeno è un componente di molte molecole organiche e inorganiche nella pianta, ed è acquisito in molte forme. Queste includono: O2 e CO2 (principalmente dall’aria attraverso le foglie) e H2O, NO-
3, H2PO-
4 e SO2-
4 (principalmente dall’acqua del suolo attraverso le radici). Le piante producono ossigeno gassoso (O2) insieme al glucosio durante la fotosintesi, ma poi hanno bisogno di O2 per sottoporsi alla respirazione cellulare aerobica e scomporre questo glucosio per produrre ATP.

Macronutrienti (primari)Edit

AzotoModifica

L’azoto è uno dei principali costituenti di molte delle più importanti sostanze vegetali. Per esempio, i composti dell’azoto comprendono dal 40% al 50% della materia secca del protoplasma, ed è un costituente degli aminoacidi, i mattoni delle proteine. È anche un costituente essenziale della clorofilla. In molti contesti agricoli, l’azoto è il nutriente limitante per una crescita rapida.

FosforoModifica

Come l’azoto, il fosforo è coinvolto in molti processi vitali delle piante. All’interno di una pianta, è presente principalmente come componente strutturale degli acidi nucleici: acido desossiribonucleico (DNA) e acido ribonucleico (RNA), così come un costituente dei fosfolipidi grassi, che sono importanti nello sviluppo e nella funzione delle membrane. È presente sia in forma organica che inorganica, entrambe prontamente traslocate all’interno della pianta. Tutti i trasferimenti di energia nella cellula dipendono criticamente dal fosforo. Come in tutti gli esseri viventi, il fosforo fa parte dell’Adenosina trifosfato (ATP), che è di uso immediato in tutti i processi che richiedono energia con le cellule. Il fosforo può anche essere usato per modificare l’attività di vari enzimi mediante fosforilazione, ed è usato per la segnalazione cellulare. Il fosforo è concentrato nei punti di crescita più attiva di una pianta e immagazzinato nei semi in previsione della loro germinazione.

PotassioModifica

A differenza di altri elementi principali, il potassio non entra nella composizione di nessuno dei costituenti vegetali importanti coinvolti nel metabolismo, ma si trova in tutte le parti delle piante in quantità sostanziali. È essenziale per l’attività enzimatica, compresi gli enzimi coinvolti nel metabolismo primario. Gioca un ruolo nella regolazione del turgore, influenzando il funzionamento degli stomi e la crescita del volume cellulare.

Sembra essere di particolare importanza nelle foglie e nei punti di crescita. Il potassio è eccezionale tra gli elementi nutritivi per la sua mobilità e solubilità all’interno dei tessuti vegetali.

I processi che coinvolgono il potassio includono la formazione di carboidrati e proteine, la regolazione dell’umidità interna della pianta, come catalizzatore e agente condensante di sostanze complesse, come acceleratore dell’azione enzimatica e come contributo alla fotosintesi, specialmente sotto bassa intensità luminosa. Il potassio regola l’apertura e la chiusura degli stomi tramite una pompa di ioni di potassio. Poiché gli stomi sono importanti nella regolazione dell’acqua, il potassio regola la perdita d’acqua dalle foglie e aumenta la tolleranza alla siccità. Il potassio serve come attivatore di enzimi usati nella fotosintesi e nella respirazione. Il potassio è usato per costruire la cellulosa e aiuta nella fotosintesi attraverso la formazione di un precursore della clorofilla. Lo ione potassio (K+) è altamente mobile e può aiutare a bilanciare le cariche anioniche (negative) all’interno della pianta. Una relazione tra la nutrizione di potassio e la resistenza al freddo è stata trovata in diverse specie di alberi, comprese due specie di abete rosso. Il potassio aiuta la colorazione della frutta, la forma e ne aumenta anche il brix. Quindi, i frutti di qualità sono prodotti in terreni ricchi di potassio.

La ricerca ha collegato il trasporto di K+ all’omeostasi dell’auxina, alla segnalazione cellulare, all’espansione cellulare, al traffico di membrana e al trasporto floemico.

Macronutrienti (secondari e terziari)Edit

ZolfoEdit

Lo zolfo è un componente strutturale di alcuni aminoacidi (inclusi cisteina e metionina) e vitamine, ed è essenziale per la crescita e la funzione dei cloroplasti; si trova nei complessi ferro-zolfo delle catene di trasporto degli elettroni nella fotosintesi. È necessario per la fissazione dell’N2 da parte dei legumi e per la conversione del nitrato in aminoacidi e poi in proteine.

CalcioModifica

Il calcio nelle piante si trova principalmente nelle foglie, con concentrazioni inferiori nei semi, nei frutti e nelle radici. Una funzione importante è quella di costituente delle pareti cellulari. Quando è accoppiato con certi composti acidi delle pectine gelatinose della lamella media, il calcio forma un sale insolubile. È anche intimamente coinvolto nei meristemi, ed è particolarmente importante nello sviluppo delle radici, con ruoli nella divisione cellulare, nell’allungamento cellulare e nella disintossicazione degli ioni idrogeno. Altre funzioni attribuite al calcio sono: la neutralizzazione degli acidi organici, l’inibizione di alcuni ioni attivati dal potassio e un ruolo nell’assorbimento dell’azoto. Una caratteristica notevole delle piante con carenza di calcio è un sistema radicale difettoso. Le radici sono solitamente colpite prima delle parti fuori terra. Il marciume del fiore è anche un risultato di calcio inadeguato.

Il calcio regola il trasporto di altri nutrienti nella pianta ed è anche coinvolto nell’attivazione di certi enzimi della pianta. La carenza di calcio provoca l’arresto della crescita. Questo nutriente è coinvolto nella fotosintesi e nella struttura della pianta. È necessario come catione di bilanciamento per gli anioni nel vacuolo e come messaggero intracellulare nel citosol.

MagnesioModifica

Il ruolo principale del magnesio nella nutrizione delle piante è quello di costituente della molecola della clorofilla. Come trasportatore, è anche coinvolto in numerose reazioni enzimatiche come un attivatore efficace, in cui è strettamente associato a composti di fosforo che forniscono energia.

Micro-nutrientiModifica

Le piante sono in grado di accumulare sufficientemente la maggior parte degli oligoelementi. Alcune piante sono indicatori sensibili dell’ambiente chimico in cui crescono (Dunn 1991), e alcune piante hanno meccanismi di barriera che escludono o limitano l’assorbimento di un particolare elemento o specie di ioni, ad esempio, i ramoscelli di ontano comunemente accumulano molibdeno ma non arsenico, mentre il contrario è vero per la corteccia di abete rosso (Dunn 1991). Altrimenti, una pianta può integrare la firma geochimica della massa del suolo permeata dal suo sistema radicale insieme alle acque sotterranee contenute. Il campionamento è facilitato dalla tendenza di molti elementi ad accumularsi nei tessuti alle estremità della pianta. Alcuni micronutrienti possono essere applicati come rivestimento dei semi.

FerroModifica

Il ferro è necessario per la fotosintesi ed è presente come cofattore enzimatico nelle piante. La carenza di ferro può provocare clorosi intervegetale e necrosi. Il ferro non è una parte strutturale della clorofilla ma è molto essenziale per la sua sintesi. La carenza di rame può essere responsabile della promozione di una carenza di ferro.aiuta nel trasporto di elettroni della pianta.

MolybdenumEdit

Molybdenum è un cofattore di enzimi importanti nella costruzione di aminoacidi ed è coinvolto nel metabolismo dell’azoto. Il molibdeno fa parte dell’enzima nitrato reduttasi (necessario per la riduzione del nitrato) e dell’enzima nitrogenasi (necessario per la fissazione biologica dell’azoto). Una produttività ridotta come risultato della carenza di molibdeno è solitamente associata alla ridotta attività di uno o più di questi enzimi.

BoronEdit

Il boro ha molte funzioni all’interno di una pianta: influenza la fioritura e la fruttificazione, la germinazione del polline, la divisione cellulare e l’assorbimento del sale attivo. Il metabolismo degli aminoacidi e delle proteine, dei carboidrati, del calcio e dell’acqua sono fortemente influenzati dal boro. Molte di queste funzioni elencate possono essere incarnate dalla sua funzione nello spostare gli zuccheri altamente polari attraverso le membrane cellulari riducendo la loro polarità e quindi l’energia necessaria per far passare lo zucchero. Se lo zucchero non può passare alle parti a crescita più rapida abbastanza rapidamente, queste parti muoiono.

RameEdit

Il rame è importante per la fotosintesi. I sintomi della carenza di rame includono la clorosi. È coinvolto in molti processi enzimatici; necessario per una corretta fotosintesi; coinvolto nella fabbricazione della lignina (pareti cellulari) e coinvolto nella produzione di grano. È anche difficile da trovare in alcune condizioni del suolo.

ManganeseEdit

Il manganese è necessario per la fotosintesi, compresa la costruzione dei cloroplasti. La carenza di manganese può provocare anomalie di colorazione, come macchie scolorite sul fogliame.

SodioModifica

Il sodio è coinvolto nella rigenerazione del fosfoenolpiruvato nelle piante CAM e C4. Il sodio può potenzialmente sostituire il potassio nella regolazione dell’apertura e della chiusura degli stomi.

Essenzialità del sodio:

• Essenziale per le piante C4 piuttosto C3
• Sostituzione del K con il Na: Le piante possono essere classificate in quattro gruppi:

1. Gruppo A-un’alta percentuale di K può essere sostituita da Na e stimolare la crescita, cosa che non può essere ottenuta con l’applicazione di K
2. Gruppo B: si osservano risposte di crescita specifiche al Na, ma sono molto meno distinte
3. Gruppo C: è possibile solo una sostituzione minore e il Na non ha alcun effetto
4. Gruppo D: non si verifica alcuna sostituzione

• Stimola la crescita: aumenta l’area delle foglie e degli stomi. Migliora l’equilibrio idrico
• Funzioni del Na nel metabolismo

1. Metabolismo C4
2. Danneggia la conversione del piruvato in fosfoenolo-piruvato
3. Ridurre l’attività del fotosistema II e i cambiamenti ultrastrutturali nel cloroplasto del mesofillo

• Riprendere le funzioni K

1. Interno osmoticum
2. Funzione stomatica
3. Fotosintesi
4. Contrasto nel trasporto a lunga distanza
5. Attivazione degli enzimi

• Migliora la qualità del raccolto, ad es.g. migliora il gusto delle carote aumentando il saccarosio

ZincoEdit

Lo zinco è richiesto in un gran numero di enzimi e gioca un ruolo essenziale nella trascrizione del DNA. Un sintomo tipico della carenza di zinco è la crescita stentata delle foglie, comunemente conosciuta come “piccola foglia” ed è causata dalla degradazione ossidativa dell’ormone della crescita auxina.

NichelEdit

Nelle piante superiori, il nichel viene assorbito dalle piante sotto forma di ione Ni2+. Il nichel è essenziale per l’attivazione dell’ureasi, un enzima coinvolto nel metabolismo dell’azoto che è necessario per elaborare l’urea. Senza nichel, i livelli tossici di urea si accumulano, portando alla formazione di lesioni necrotiche. Nelle piante inferiori, il nichel attiva diversi enzimi coinvolti in una varietà di processi, e può sostituire lo zinco e il ferro come cofattore in alcuni enzimi.

CloroModifica

Il cloro, come cloruro composto, è necessario per l’osmosi e l’equilibrio ionico; svolge anche un ruolo nella fotosintesi.

CobaltoEdit

Il cobalto ha dimostrato di essere benefico almeno per alcune piante, anche se non sembra essere essenziale per la maggior parte delle specie. Tuttavia, ha dimostrato di essere essenziale per la fissazione dell’azoto da parte dei batteri azotofissatori associati ai legumi e ad altre piante.

SilicioModifica

Il silicio non è considerato un elemento essenziale per la crescita e lo sviluppo delle piante. Si trova sempre in abbondanza nell’ambiente e quindi, se necessario, è disponibile. Si trova nelle strutture delle piante e migliora la salute delle piante.

Nelle piante, il silicio ha dimostrato negli esperimenti di rafforzare le pareti cellulari, migliorare la forza delle piante, la salute e la produttività. Ci sono stati studi che hanno dimostrato che il silicio migliora la resistenza alla siccità e al gelo, diminuisce il potenziale di allettamento e aumenta i sistemi naturali di lotta contro i parassiti e le malattie della pianta. È stato anche dimostrato che il silicio migliora il vigore e la fisiologia delle piante, migliorando la massa e la densità delle radici e aumentando la biomassa delle piante e la resa dei raccolti. Il silicio è attualmente all’esame dell’Associazione dei funzionari americani per il controllo degli alimenti vegetali (AAPFCO) per l’elevazione allo status di “sostanza benefica per le piante”.

VanadioModifica

Il vanadio può essere richiesto da alcune piante, ma a concentrazioni molto basse. Può anche sostituire il molibdeno.

SelenioModifica

Il selenio non è probabilmente essenziale per le piante da fiore, ma può essere benefico; può stimolare la crescita delle piante, migliorare la tolleranza allo stress ossidativo e aumentare la resistenza agli agenti patogeni e all’erbivoro.