| asimilace dusíku | inkorporace dusíku | translokace dusíku | symptomy nedostatku a nadbytku dusíku |

Asimilace dusíku

| asimilace nitrátového dusíku | asimilace amoniakálního dusíku | asimilace močoviny | fixace vzdušného dusíku |

Asimilace nitrátového dusíku

            Za normálních podmínek má nitrát pro výživu rostlin největší význam. Kořeny ho přijímají aktivně ve směru elektrochemického gradientu. V protikladu s příjmem je výdej NO₃^- procesem pasivním. Nitrátový dusík je přijímán při pH kyselejším. Při pH 6,8 se příjmem NO₃^- a NH₄⁺ v rostlinách může vyrovnat. Amonný iont působí inhibičně na příjem nitrátové formy.

            Dříve než může být nitrát metabolizován, je třeba jej  redukovat na NH₃. Tento proces zvaný redukce nitrátů sestává ze dvou etap, a to z redukce NO₃^- na NO₂^- a z další redukce NO₂^-  na NH₃. Obecně uznávaný mechanismus asimilace NO₃^- zelenými rostlinami na světle uvádí obrázek.

Schéma asimilace nitrátů v buňkách listu (Beevers, Hageman a Warner, Kleinhofs cit. Marschner, 1995)  

            Enzymy, které se účastní tohoto procesu jsou nitrátreduktáza a nitritreduktáza. Nitrátreduktáza sestává z flavinproteinu (FAD) a Mo. Obě složky fungují jako nosiče elektronů v procesu přenosu elektronů. Předpokládá se, že jedna složka přenáší elektrony z NAD na flavin a obsahuje bílkovinu, druhá složka přenáší elektrony přes Mo na nitrát. Je-li však Mo deficitní nebo inaktivní (např. wolframem) enzym může přenášet elektrony z NADH, ale nemůže redukovat nitrát. Důležitým znakem nitrátreduktázy je to, že se jedná o indukovaný enzym a k jeho syntéze dochází jen tehdy, je-li v cytoplazmě přítomen nitrát.

            Druhým stupněm procesu asimilace nitrátů je redukce NO₂^- na NH₃:

                        NO₂^-  +  6 H⁺  +  6 e^-     ------->     NH₃  +  H₂O  +  OH^-

Pro tuto fázi je třeba silného redukčního činidla v zelených buňkách, kterým je ferredoxin. Ferredoxin získává elektrony přímo z fotosyntetického řetězu transportu elektronů.

            Účinek nitrát- a nitritreduktázy může být vyjádřen souhrně takto:

                        NO₃^-  +  8 H⁺  +  8 e^-     ------->      NH₃  +  2 H₂O  +  OH^-

            Při této reakci je spotřebováno na redukci 1 molu NO₃^- 8 ekvivalentů elektronů H⁺. Reakce má alkalický účinek, neboť je produkován jeden ekvivalent OH^-.

            Ionty OH^- vzniklé při redukci nitrátů v rostlinných buňkách mohou částečně zůstat v rostlině nebo být převedeny do živného prostředí, a tak zvyšovat jeho pH. Při jednostranné výživě NO₃^- je zvýšená syntéza organických iontů, a tím je stimulován příjem kationtů, a to především Ca²⁺ a K⁺.

            Aktivitu nitrátreduktázového systému ovlivňuje řada faktorů, z nichž světlo má velmi důležitou úlohu. Přenesením rostlin ze světla do tmy je aktivita nitrátreduktázy potlačena i tehdy, je-li NO₃^- přítomen v dostatečném množství. Tento účinek spolu s poklesem redukční síly je hlavní příčinou akumulace nitrátu při nižší intenzitě světla. Akumulace nitrátu může často probíhat i jako důsledek nízké intenzity osvětlení a vysokého hnojení nitráty.

            Asimilaci nitrátu ovlivňuje i teplota. Bylo prokázáno, že při teplotách kořenů kolem 30^oC dochází k intezívnímu příjmu NO₃^-, ale snižuje se aktivita nitrátreduktázy. Vedle těchto faktorů je asimilace nitrátů ovlivněna i minerální výživou, a to zejména Mo. Je-li Mo deficitní, dochází ke kumulaci nitrátů a snížení aktivity nitrátreduktázy. Mn rovněž ovlivňuje asimilaci nitrátu nepřímo, protože je nezbytnou složkou fotosystému II, a tedy i toku elektronů z vody přes ferredoxin na nitrátreduktázu.

            Aktivita nitrátreduktázy se snižuje také vlivem nedostatku Mg. Rovněž je nitrátová redukce závislá na doprovodném kationtu. Tak KNO₃ snižuje redukci nitrátů, zatímco Ca a Na redukci zvyšují. Některé herbicidy (Diuron) inhibují aktivitu nitritreduktázy.

            Zdroj redukční síly pro enzymy nitrátreduktázového systému se v rostlinách obnovuje v energetickém metabolismu: při dýchání vznikají dva typy pyridinových nukleotidů - NADH i NADPH, při fotosyntéze se tvoří  NADPH a redukovaný ferredoxin. Při vysoké intenzitě osvětlení listu se zvyšuje po přidání NO₃^- do fotosyntetizujícího listu výdej O₂. To potvrzuje přímé spojení fotosynteticky vzniklé síry při redukci nitrátu (obrázek).

Obecné schéma metabolismu spojené s redukcí nitrátů (podle Bidwala 1979)

            Rostlina přijatý nitrát ukládá do metabolického poolu, kde NO₃^- podléhá redukci a dále do zásobního poolu ve vakuole, v níž uložený nitrát není redukován a často zvyšuje jeho obsah na nežádoucí úrověň. Vedle těchto poolů (viz obrázek) existuje v buňce i malý krátkodobý pool indukční, který se přednostně doplňuje transportem nitrátů zvenčí a stimuluje aktivitu nitrátreduktázového systému.

            Podle toho, kde dochází k redukci nitrátů, můžeme rozlišovat tři skupiny rostlin:

a)    Rostliny s redukcí nitrátů v nadzemních částech, např. brutnák, řepeň (Xanthium), kukuřice. V kořenovém systému těchto rostlin je neměřitelná nitrátreduktáza. Xylémový roztok obsahuje 95-99% dusíku ve formě NO₃^- iontů.

b)   Rostliny s redukcí nitrátů v kořenech i v nadzemní části. V obou rostlinných částech jsou hladiny nitrátreduktázy vysoké. V xylému dochází k transportu NO₃^- iontů i molekul organického dusíku. Tímto intermediárním  typem se vyznačuje většina rostlin.

c)    Rostliny s asimilací NO₃^- v kořenech. Převaha nitrátreduktázy je v kořenech, takže v xylému se pohybuje převážně organický dusík. Asimilací toho typu se vyznačují některé dřeviny.

            Pro redukci nitrátu všeobecně platí, pokud NO₃^- je příjímán v nízkých kvantech, tak je jeho značná část redukovaná v kořenech. Zvyšující se příjem nitrátu (luxusní výživa) omezuje kapacitu redukce nitrátu v kořenech a NO₃^- je ve míře transportován do nadzemních částí.

Schématické znázornění nitrátových a cukerných poolů z hlediska indukce a syntézy nitrátreduktázy (Sahulka 1980)

     Obdélníky s plnými čarami ... kompartmenty ohraničené semipermeabilní membránou.

      Šipky s přerušovanou čarou ... transport omezen.

            Kumulace nitrátů představuje v rostlině rozdíl mezi příjmem a jeho redukcí. Určité rostliny se vyznačují velkým příjmem nitrátů a neefektivní redukční schopností. Tyto rostliny mají tendenci kumulovat nitráty a řadíme k nim: špenát, celer, zeleninovou řepu, ředkvičku, rychlený salát aj.

Obsah N_min v půdě a koncentrace NaNO₃ v čerstvé hmotě salátu (Richter 1990)

            Při výživě rostlin vysokými dávkami dusíku dochází v půdě činností nitrifikačních bakterií k jejich přeměně na nitráty. Vysoká koncentrace nitrátů v živném prostředí nebo použití ledků k hnojení na list udržuje vysoký obsah nitrátů v rostlinách, který zvláště u zelenin a krmných plodin může vést ke zhošení zdravotního stavu. Volf (1981) uvádí, že toxická dávka dusičnanů pro dospělého člověka je 6 g a pro kojence 100 mg. Toxicita nitrátů se může projevovat methemoglobinemií a vedle toho nitráty mohou být v zažívacím traktu přeměňovány na karcinogenní nitrosaminy. Pro odstranění tohoto nebezpečí je nutné používat dusíkatá hnojiva v únosných dávkách, omezovat nitrifikaci používání inhibitorů jejich činností a kontrolovat obsah nitrátů v zeleninách a krmivech.  

Limity pro obsah nitrátů v zeleninách (Vyhláška Ministerstva zdravotnictví č. 53/2002)

NPM – nejvyšší přípustné množství, při jehož překročení je potravina a potravinová surovina vyloučena z oběhu

PM – přípustné množství  

Příklady koncentrací dusičnanů v závislosti na termínu sklizně (mg NO₃/kg)

Příklady koncentrací dusičnanů v různých částech rostlin (mg NO₃/kg čerstvé hmoty)

Příklady koncentrací dusičnanů v hlávkovém salátu a rajčatech (mg NO₃/kg čerstvé hmoty) v závislosti na původu

nahoru

Asimilace amoniakálního dusíku

            Příjem kationtové formy dusíku není dosud plně objasněn. Názory se liší v tom, jestli je dusík příjímán jako NH₄⁺ kationt nebo ve formě neutrální molekuly NH₃. Předpokládá se, že NH₃ je přijímán přednostně, zvláště při vyšším pH, tj. v neutrálním a zásaditém prostředí. Amonný iont působí inhibičně na příjem nitrátové formy N. Inhibice není zdůvodňována zvyšující se koncentrací NH₄⁺ v roztoku, ale je i důsledkem saturace specifických míst jeho příjmu. Vznikem aminokyselin a iontů H⁺ jako produktu asimilace NH₄⁺ se v cytoplazmě zvyšuje acidita, která může neutralizací transmembránového gradientu pH v kořenových buňkách omezit přenos iontů NO₃^- přes membránu do buňky.

            Při výživě rostlin amoniakálním dusíkem je celkově nižší příjem většiny iontů, ale zvláště kationtů (Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺) a organických aniontů.

            Z energetického hlediska je amoniakální dusík výhodným zdrojem pro rostliny, protože může být přímo zapojen do metabolismu bez dalších požadavků na energii. Tuto „výhodu“ můžeme pozorovat jen při nízkých koncentracích NH₄⁺ dusíku v živném prostředí.

            Asimilace NH₄⁺ předpokládá pouze odštěpení H⁺ z kationtu:

                        NH₄⁺      ------->     NH₃  +  H⁺

            Vzniklé H⁺ ionty jsou obvykle vylučovány do vnějšího prostředí, a tak snižují pH (okyselení).

            Z chemických analýz vyplývá, že deprese růstu při NH₄⁺ výživě není způsobená zvýšenou kumulací dusíkatých iontů, ale vyčerpáním sacharidů. Amoniak potom není rostlina schopná utilizovat, a tak se zvyšuje alkalita buněk. Volný amoniak v buňce blokuje fotosyntetickou fosforylaci, omezuje dýchací procesy, snižuje oxidoredukci (NADH --> NAD) atp.

            NH₃ může být pro rostlinu toxický již při nízkých koncentracích. Toxicita je závislá i na pH živného prostředí. Zásadité pH živného roztoku toxicitu NH₄⁺ zvyšuje a kořeny mohou být již při nižší koncentraci tohoto iontu poškozeny.  

nahoru

Asimilace močoviny

            Močovina může být přijímána rostlinami po jejím předchozím rozkladu v půdě ureázou nebo ve formě celých molekul (zvláště při foliární výživě). V přirozených půdních podmínkách je močovina přijímána rostlinami po jejím rozkladu na NH₄⁺ nebo dále po mikrobiální přeměně na NO₃^-.

            Rostliny jsou schopny přijímat také močovinu ve formě celých molekul a v kořenech i dalších rostlinných tkáních ji ureázou přeměňovat na amoniak. Reakce probíhá podle rovnice:

Tuto schopnost však nevykazují všechny rostliny. Aktivita ureázy se s postupujícími vývojovými fázemi snižuje.

            Vedle tohoto enzymatického rozkladu močoviny v rostlině předpokládá řada autorů včlenění N močoviny do N metabolismu přímo. Schématicky je možné reakci znázornit takto:

            CO(NH₂)₂     ------>     karbamidová kyselina     ------->     aminokyseliny

            U pšenice, žita, ječmene, ovsa a kukuřice byla v rostlinách močovina nalezena v době vzcházení. Syntetická močovina může v rostlině plnit funkci amidů a v této formě ji kořenový systém může předávat do nadzemních orgánů. Asimilace močoviny je aktivní metabolický proces, který je pro rostliny zdrojem nejen N, ale i uhlíku. Potvrdily to práce se značenou močovinou u rýže a pšenice.

            Na základě nádobových pokusů bylo zjištěno, že v porovnání s ostatními formami dusíku projevovala močovina určitou růstovou depresi, která byla v literatuře nazvána „fytotoxicita močoviny“. Její příčiny jsou ve vysokém obsahu biuretu, v účinku samotné močoviny nebo meziproduktech přeměny v půdě (NH₄OCN nebo NH₃), v rostlině.

            Biuret (H₂N-CO-NH-CO-NH₂) je vždy přítomen v močovině a při hnojení je nutné znát jeho obsah v hnojivu. Symptomy poškození rostlin biuretem jsou popisovány jako mezižeberní žloutnutí listů, zasychání listů od špiček, deformace listů, brzdění prorůstání prvního listu z koleoptile u obilovin. Toto onemocnění pojmenovali Babička, Zalabák (1966) hyponastií, a bylo prokázáno na základě pokusů s biuretem. Pokusy prováděné ve vodních kulturách potvrdily při koncentraci 50 ppm jeho toxický účinek.

            Toxicita biuretu se vysvětluje vlivem na Krebsův cyklus, kde se blokují centra fixující amoniak, a tím se nepřímo ovlivňuje syntéza bílkovin v listech. Další příčinou toxického působení může být nadměrné množství amoniaku, který vzniká vysokou ureázovou aktivitou některých rostlin (vikvovité). Amoniak rostlina není schopna zabudovat do organických sloučenin z důvodu nedostatku sacharidů. Proto se nedoporučuje jednorázově aplikovat vyšší dávky dusíku ve formě močoviny než 100kg.ha^-1, aby nedošlo k poškození zvláště malosemenných rostlin.

nahoru

Fixace vzdušného dusíku rostlinami

            Inertní vzdušný dusík dovedou využívat diazotrofní mikroorganismy. Tyto organismy poutající N₂ představují ekologicky nejvýznamnější úroveň autotrofie vzhledem k dusíku. Některé z nich žijí volně v půdě a vodě, jiné jako symbionty.

            Nesymbiotickou fixaci dusíku provádí řada půdních bakterií (Clostridium pasteurianum, Azotobacter chroococcum aj.), vodní bakterie, sinice aj.).

            Symbiotická fixace dusíku využívá energii získanou fotosyntézou u rostlin k přeměně N₂ na NH₃. Na této přeměně se zúčastňuje v převážné míře rod Rhizobium. Symbionti poutající N₂ si opatřují potřebné sacharidy v buňkách autotrofních rostlin. Na každý gram dusíku obsaženého v aminokyselinách a amidech se v době největší syntetické aktivity hostitelské rostliny v hlízkových bakteriích spotřebují 4g uhlíku obsaženého v sacharidech. Proto množství N₂ poutaného symbionty velmi závisí na fotosyntéze hostitelské rostliny.

Schéma fixace vzdušného dusíku N₂ (podle Mengela, Kirkbyho 1978)

            Na obrázku je uvedeno schéma procesu fixace. Centrální význam má nitrogenáza, sestávající ze dvou bílkovinných komplexů - Fe a Mo. Celý systém je obalen membránou a je lokalizován v buňkách kořenové pokožky rhizobia. Při fixaci N₂ je zapotřebí elektronů a ATP. Elektrony jsou dodávány přes ferredoxin na nitrogenázu, která je místem redukce N₂. Cyklus trikarboxylové kyseliny tohoto systému dodává oxokyseliny (oxoglutarát a oxalacetát), které reagují s NH₃ za vzniku aminokyselin (cestou redukční aminace). Vzniklé aminokyseliny mohou být využity při syntéze bílkovin v hlízkách a kromě toho značná část aminokyselin je transportována do hostitelské rostliny, kde je začleněna do metabolismu dusíku. Bakteroid obsahuje leghemoglobin, který funguje jako nosič O₂ v řetězci transportu elektronů.

            Redukce N₂ probíhá velmi rychle. Předpokládá se, že má 3 stupně: diimid, hydrazin, NH₃.

            Místem redukce N₂ je Fe - Mo bílkovinný komplex. Existuje hypotéza, že Mg tvoří můstek mezi Fe-bílkovinným komplexem a ATP. K redukci l molekuly N₂ je zapotřebí asi 4-5 molekul  ATP. Rhizobia pro svou činnost potřebují dále Cu a Co. Kobalt je esenciální složkou propionátového cyklu, který zřejmě řídí syntézu leghemoglobinu.  

            Množství redukovaného N₂ celosvětově činí v průměru 17,2.10⁷ tun ročně, což je přibližně 2,5x více než je množství dusíku vyrobeného chemickým průmyslem, kde se spotřebuje na 1kg vyrobeného N asi 8 373 kJ.

Výkonnost fixace N luštěnin na zrno

Výkon fixace N u pícnin

Původ N uloženého v Lupině bílé (Vlčí bob bílý) v závislosti na aplikaci cukru a hnojení N v době květu

nahoru

autor textu: Prof. Ing. Rostislav Richter, DrSc.