8. Výživa rostlin

Mezi rostlinou a prostředím probíhá neustálá výměna látek a energií. Rostlina z prostředí látky přijímá - příjem - přizpůsobuje je svým potřebám - asimilace - a po využití energie, vázané v přijatých látkách , je postupným štěpením např. při dýchání - disimilace - jako nepotřebné vydává do prostředí - výdej látek. Z přijatých látek se ty, které jsou potřebné pro životní děje rostliny, nazývají živinami.

Rostliny, kromě několika výjimek, přijímají živiny jen ve vodných roztocích nebo v plynné formě, protože stěna buněčná rostlinných buněk propouští jen roztoky a plyny. Rostliny přijímají roztoky hlavně kořeny a plynné látky převážně listy. V rostlinách se živiny ve formě roztoků pohybují z buňky do buňky difúzí a osmózou, u rostlin vývojově vyšších se pro transport látek tedy i živin vyvinula speciální - vodivá pletiva.

Rostlina žije v prostředí, ve kterém je mnoho prvků. Které z nich rostlina z prostředí přijala, zjistíme analýzou rostlinného těla. Když rostlinu zbavíme vody čili ji vysušíme, získáme sušinu. Sušina se skládá z rozmanitých organických a anorganických látek, když ji spálíme, zůstane popel. Spálení je dokonalá oxidace, při které organické látky uniknou jako volný dusík nebo plynné oxidy (oxid uhličitý, oxid dusíku). Zbytek - popel - jsou anorganické látky, a to oxidy, uhličitany, sulfáty, fosforečnany a chloridy různých prvků.

V těle různých rostlin bylo zjištěno asi 70 prvků. Prvky nepostradatelné pro život rostlin se nazývají biogenní prvky. Některé z nich se v rostlinách nacházejí ve větším množství a tvoří hlavní oddíl sušiny - to jsou stavební prvky - makroelementy (C, O, H, K, N, Ca, Mg, P, S). Jiné jsou přítomny jen v nepatrném množství, to jsou stopové prvky - mikroelementy, s katalytickými účinky (např. Pe, Mn, B, Sr, Cl, Cu, Zn, Ba, Lim Co). Ostatní prvky v rostlinách (např. Na, Si, Al) nemají biogenní charakter. Biogenní prvek se ve své funkci nedá nahradit jiným prvkem. Nedostatek některého biogenního prvku se na rostlině projeví abnormálním vývinem až vyhynutím.

Analýzou je možné zjistit, které prvky a v jakém množství se v rostlině nacházejí, ale nezjistí se, které jsou pro rostlinu nezbytně potřebné a které se do ní dostaly jen náhodou a pro její životní děje nemají význam. Důležitost jednotlivých prvků pro život rostliny a pro její jednotlivé životní projevy je možno zjistit pěstování v živném prostředí (médiu), jehož chemické složení přesně známe a případně je můžeme měnit. O významu určitého prvku se přesvědčíme tak, že ho ze životního prostředí vyloučíme nebo ho do něj přidáme.

Takové pokusy se mohou provádět ve dvojím živném médiu:

1. v nerozpustném, např. v čistém křemenném písku, do něhož nalijeme vodný roztok solí zkoumaných prvků
2. v živném roztoku, tj. ve vodě, ve které je rozpuštěné určité množství solí živných prvků, to jsou vodní kultury. Jako vodní kultury - hydroponicky - se mohou pěstovat i zemědělské plodiny. Hydroponické pěstování rostlin má slibnou budoucnost, zejména při případném nedostatku zemědělské půdy.

Vodními kulturami se dokázalo, že k výživě zelených rostlin zcela postačí anorganické látky a rostliny je přijímají kořeny z půdy nebo ze živného roztoku a listy ze vzduchu (CO₂). Listy mohou rostliny přijímat i jiné minerální živiny. Taková mimokořenová výživa se aplikuje postřikem nebo poprachem a umožňuje regulovat hladinu živin během vegetace. Osvědčilo se to např. při dodávání dusíkatých hnojiv obilninám.

Heterotrofie

Heterotrofní organismy z organických látek přijímají uhlík, který je nezbytný pro jejich život. Ostatní složky výživy přijímají z velké části stejně jako autotrofní organismy. Rozkladem organických látek získávají i energii potřebnou pro jejich životní pochody. Protože organické látky jsou bohaté na energii, vystačí jim jako zdroj potřebné energie.

Heterotrofní způsob výživy je vývojově primitivnější, protože závisí na jiných organismech, které jsou schopně organické látky syntetizovat. Z rostlin jsou heterotrofní zejména některé nezelené rostliny, ale i mladé klíční rostlinky zelených rostlin se vyživují heterotrofně - zásobními látkami ze semen až do doby, dokud jim nezelenají dělohy nebo dokud se jim nevyvinou zelené asimilační listy. I orgány zelených rostlin, které nemají chlorofyl, se vyživují heterotrofně, např. kořeny, květy, plody a některá pletiva. Celá rostlina je autotrofní jen u vývojově nejnižších rostlin, jejichž všechny buňky obsahují asimilační barvivo.

Podle toho, odkud heterotrofní organismy získávají organické látky, dělíme je na saprofyty - organické látky získávají z odumřelých organismů, a parazity org. l. odebírají organismům živým.

Saprofyti mají v přírodě velký význam, protože rozkládají odumřelá těla rostlin a živočichů, až posléze je mineralizují. Tak mění organické zbytky na jednoduché organické látky (např. H₂O,CO₂, NH₃, H₂S a některé soli), které jsou opět přístupné rostlinám k výživě. Na rozkladu organických zbytků se saprofyti účastní v pravidelném pořadí jeden po druhém. Přitom konečné produkty jedněch saprofytů jsou výchozím materiálem pro dalšího saprofyta.

Paraziti odebírají živiny jinému živočichu - žijícímu organismu - hostiteli - a do jeho těla často vylučují různé zplodiny svého metabolismu - toxiny. Žijí buď na povrchu těla hostitele a z jeho buněk vysávají živiny nejčastěji haustorií (např. padlí, kokotice) nebo žijí v těle hostitele (např. původce rakoviny brambor). Někteří paraziti žijí jen na jednom hostiteli, jiní potřebují ke svému vývinu hostitele dva, např. rez travní obilniny a dřišťál. Paraziti odebírají z těla hostitelské rostliny všechny živiny - minerální i organické.

Poloparaziti jsou semenné rostliny s chlorofylem, takže organická část živin si vytvářejí samy fotosyntézou, ale vodu a minerální živiny odebírají hostitelské rostlině. Proto jejich haustoria vnikají do dřevní části cévních svazků hostitelské rostliny. Typickým poloparazitem je jmelí bílé, které se přichytávají na kořeny lučních porostů, např. všivec, světlík.

Hostitelská rostlina se proti parazitům brání různými obrannými mechanismy. Proti parazitům jsou odolnější rostliny s větší mechanickou odolností, tj. s tlustším epidermem a pokožkou s korkovou vrstvou, příp. s větším obsahem ligninu - látky, která zpevňuje buněčné stěny, hlavně dřevní části svazků cévních. Některá pletiva vyšších rostlin produkují např. fotoncidy - látky, které ničí baktérie a houby. Rostlina, schopná odolat působení parazitů, je proti němu rezistentní čili imunní. Imunita rostlin proti příslušným parazitům má genetický základ. V současné době ochrany rostlin se zavádí mykoparazitismus - to znamená nasazení parazita na cizopasnou houbu. Dosáhne se usměrnění potravinového řetězce, a tím se bojuje např. proti spále řepy.

Autotrofie

Autotrofní rostliny vytvářejí z  jednoduchých, na energii chudých anorganických látek, energeticky bohaté organické látky. Zdrojem uhlíku je pro něj CO₂. Energii na jeho redukci získávají buď oxidací jednoduchých, nejčastěji anorg. látek, chemosyntézou nebo fotosyntézou spojenou s uvolňováním kyslíku.

Chemosyntéza je autotrofní způsob výživy baktérií, které nemají chlorofyl, a tak nemohou využívat světelnou energii. Zdrojem uhlíku je jim CO₂. Chemickou energii na jeho redukci získávají oxidací jednoduchých, hlavně anorganických např. H₂S, H, CH₃, železnatých a manganatých solí, méně často organických látek, např. metanu. Ze zemědělského hlediska jsou z chemosyntetizujících baktérií důležité např. nitrifikační baktérie. Žijí v půdě, ve které se rozkladem organických zbytků uvolňuje amoniak. Ten se při nitrifikaci nejprve oxiduje na dusitany a potom dále na dusičnany. Při obou reakcích se uvolňuje energie.

Nitrifikací se zvětšuje v půdě množství dusíkatých sloučenin, přijatelných kořeny rostlin. Denitrifikační baktérie půdu naopak ochuzují o dusíkaté sloučeniny, protože rozkládají nitráty, přičemž se uvolňuje dusík, který uniká do atmosféry.

V rostlinném těle se uskutečňuje mnoho procesů výměny a přeměny látek. Mezi nimi má prvořadý význam příjem uhlíku z oxidu uhličitého za spoluúčasti světelné energie a jeho zabudování do organických sloučenin v procesech fotosyntézy. Světelná energie se mění na energii chemickou, pomocí níž se z oxidu uhličitého a vody tvoří sacharidy, neboli z anorganických látek látky organické, a do vzduchu uniká kyslík. Proto je fotosyntéza velmi důležitý fotochemický a biochemický proces, podmiňující život na naší planetě.

Chloroplast

Fotosyntéza vyšších rostlin probíhá v chloroplastech uložených v cytoplazmě buněk. V jedné buňce zeleného listu jich bývá 20 až 100. Každý chloroplast je ohraničený dvojitou membránou, která uzavírá základní bílkovinnou plazmu - stroma. V ní je síť uzavřených membrán ve tvaru stlačených měchýřků, které se nazývají tylakoidy. Stupňovité na sebe uložené tylakoidy tvoří grana, která jsou pro velký obsah chlorofylu intenzívně zelená. Tylakoidy mají vrstevnatou strukturu. Jejich povrchová vrstva je bílkovinná, vnitřní lipidová.

Fotosyntetické pigmenty

Pro fotosyntézu jsou důležité některá barviva - pigmenty - zejména zelená barviva - chlorofyly a a b, protože absorbují nejúčinnější modrou a červenou oblast spektra. Další pigmenty, zvláště karotenoidy, však spolu s chlorofylem b pouze zprostředkovávají přenášení fotonu elementárního množství elektromg. záření.

Molekuly fotosyntetických pigmentů jsou v chloroplastech seskupené do systémů. Z mnoha molekul v systému může pohltit dopadající foton jen jedna molekula chlorofylu a. Při fotosyntéze je tedy nejdůležitější chlorofyl a, protože jeho molekula může absorbovat foton, a tím se dostane do excitovaného stavu, tj. do stavu s vyšší hladinou energie. Jeden z jejich elektronů se totiž obohatil o energii absorbovaného fotonu, a tím se zvětšila jeho energie. Tento elektron se z molekuly chlorofylu a uvolní a zachytí ho některý přenášeč. Molekula chlorofylu a se ztrátou elektronu ionizuje a chybějící elektron si hned doplní.

Činitelé ovlivňující intenzitu fotosyntézy

Prvořadými podmínkami fotosyntézy jsou živé chloroplasty, světelná energie, voda a oxid uhličitý.

Živé chloroplasty. Protože fotosyntéza je činností živého chloroplastu, tedy organely buňky, je ovlivňována stejnými činiteli prostředí, které ovlivňují život buňky.

Světelná energie. Na průběh fotosyntézy má vliv kvalita (délka vlny), intenzita a doba působení světelné energie. List jako orgán fotosyntézy absorbuje jen asi 2% na něj dopadající světelné energie.

CO₂. Koncentrace CO₂ v atmosféře je malá (0,03%). Rostliny jsou na ni přizpůsobené velkými dotykovými plochami aparátu fotosyntézy. Menší změny koncentrace CO₂ intenzitu podstatně neovlivňují, ale jeho vysoký obsah fotosyntézu snižuje nebo zcela zastaví.

Teplota. Fotosyntéza se uskutečňuje jen v určitém rozmezí teplot (0 až 60° ). Zvyšováním teploty k určité optimální hranici (asi 30 až 40° ) se fotosyntéza urychluje, další zvyšování teploty fotosyntézu zpomalí až zastaví.

Voda. Je nezbytnou podmínkou života, tedy i fotosyntézy, současně je i materiálem pro fotolýzu.

Mixotrofie

Mixotrofní rostliny žijí autotrofně - heterotrofním způsobem života. Přizpůsobují se tak stanovišti s nedostatečnou výživou, zejména s nedostatkem N (např. masožravé rostliny).

Symbióza je prospěšné soužití dvou nebo více organismů. Symbioticky žijící organismy si vzájemně doplňují svou výživu např. o sloučeniny uhlíku, dusíku, o enzymy a růstové látky. V symbióze spolu mohou žít např. houby s řasami, nebo i se živočichy, např. v trávící soustavě živočichů specific. mikroflóra.

Bobovité rostliny, v důsledku symbiózy s půdními baktériemi, mají schopnost vázat atmosférický dusík. Činností baktérií se tvoří na jejich kořenech hlízky, proto se půdní baktérie nazývají také hlízkovité. Střídavě žijí volně v půdě a kořenech bobovité rostliny, která jim dodává k jejich výživě sacharidy. Po příjmu dusíku z prostředí z nich tvoří dusíkaté sloučeniny, zejména bílkoviny, které vyživují bobovité rostliny, zejména v době květu a tvorby plodů.

Po skončení života bobovité rostliny se zbývající baktérie dostanou do půdy a v následujícím roce se celý cyklus opakuje. Činnosti hlízkovitých baktérií se využívá v zemědělství při zeleném hnojení. Celé bobovité rostliny se zaorají do půdy, čímž se půdy obohatí o dusíkaté látky.

Příkladem symbiózy autotrofních zelených řas s heterotrofními houbami jsou lišejníky. Řasa tvoří asimiláty, houba dodává vodu a minerální živiny.

Mykorhiza je symbiózou hub s kořeny vyšších rostlin. Z nich odebírá houba organické látky tak, že hyfami přilne k povrchu kořenů, např. lesních stromů, přičemž pronikne i do mezibuněčných prostoru mezi pokožkou a korovými buňkami anebo až do živých buněk kořenových pletiv, anebo žije na povrchu kořene a současně její hyfy pronikají do buněk, jako u mnoha našich dřevin. Houba pomáhá rostlině získat více vody a minerálních živin a produkuje pro ni účinné látky, např. enzymy, vitamíny a růstové látky. Semena orchidejí klíčí jen v přítomnosti určitých druhů hub. Některé druhy hub zase vyrůstají jen v blízkosti určitých stromů (křemenáč osikový, klouzek modřínový aj.).