Aktivní mobilizace živin

Zpřístupnění živin a jejich využití

Diana Heuermann

Dr. Diana Heuermann, Leibniz-Institut für Kulturpflanzenforschung, Gatersleben

Rostlinami se živíme. Ale jak se vlastně živí rostliny?

Aby zajistily svůj životní cyklus, potřebují rostliny 14 minerálních živin, z nichž jen tři, totiž uhlík, kyslík a vodík, přijímají ze vzduchu. Všechny ostatní živiny získávají z půdy. Přitom platí Liebigův zákon minima, totiž že růst je omezen zdrojem, který je nejméně dostupný.Potřeba živin je značně závislá na vývojové fázi rostliny, ale i na podmínkách vnějšího prostředí. Obecně však platí, že rostliny mají vyšší potřebu makroprvků, jako je dusík a fosfor, než stopových prvků, jako je železo a měď. Živiny se ke kořenům dostávají dvěma hlavními cestami. Na základě hmotnostního toku se prostřednictvím transportu na velké vzdálenosti dostávají ke kořeni s proudem vznikajícím při příjmu vody. Pokud rostlina přijímá živiny, postupují difuzí pomocí lokálního koncentračního spádu na povrch kořene. Jestliže přísun živin vázne, mají rostliny vytvořeny překvapivě kreativní mechanismy k tomu, aby se k živinám dostaly.

Od řízeného růstu kořenů k interakci s mikroorganismy

Prostřednictvím komplexního signálního systému může rostlina aktivně řídit růst svých kořenů. Trpí-li například nedostatkem dusíku, tvoří cíleně hluboké kořeny, neboť minerální dusík v dusičnanové formě, který se v dobře provzdušněných půdách vyskytuje především, je silně ohrožen vymýváním. Narazí-li však kořen na oblast s lokálně vysokou nabídkou amoniakální formy dusíku, rozvětví se. Amonný kationt se díky svému kladnému náboji dobře váže na půdní částečky, a je proto méně mobilní. Rozvětvením kořenů dojde ke zvětšení aktivního povrchu, a tím k eficientnímu využití živiny. Je vyvoláno specifickou signální cestou, do níž spadá přesun rostlinného hormonu auxinu z lodyhy a snížení pH v okolí kořene navozené příjmem amonného kationtu.1 Tento příklad z aktuálního výzkumu ukazuje komplexnost regulačních mechanismů rostlin.

Kořenový systém se v ornici rozvětvuje také při nedostatku fosforu. Navíc rostliny vylučují kořenové výměšky, aby zvýšily koncentraci fosforečnanů v půdním roztoku: organické kyseliny snižují hodnotu pH a uvolňují fosfoniový kationt z vazby na železo, vápník nebo hliník. Vylučování určitých enzymů, takzvaných fosfatáz, má za cíl zpřístupnit fosforečnan (fosfát) z organických zdrojů. Aby došlo k mobilizaci železa, vylučují rostliny chelátory. Tyto látky vážou v půdě se vyskytující Fe³⁺ a transportují ho ke kořenu.2 Rostliny mohou chelátory vylučovat přímo, zajímavé je však zjištění, že prostřednictvím kořenových výměšků rostliny cíleně podporují růst určitých bakterií, které samy vytvářejí chelátory.

Přes kořenové výměšky rostliny řídí množství interakcí s půdním mikrobiomem, které zlepšují přísun živin. Například pomocí signálních látek aktivně lákají mykorhitické houby. Rostlina s nimi vytváří symbiotický vztah, neboť houbové hyfy mají až 20× menší průměr než nejjemnější kořenové vlásky, a mohou tak osídlit i ty nejmenší spáry mezi půdními částečkami za účelem příjmu živin. Jiný příklad ukazuje, že rostliny aktivně vylučují látky bránící přeměně amonného iontu na dusičnanový bakteriemi oxidujícími amonium, takzvané inhibitory bionitrifikace. Dusík je tím z určité části v půdě stabilizován ve formě méně vymyvatelného amonného kationtu a je pro rostliny k dispozici dlouhodoběji. Tuto tematiku aktuálně zkoumá CATCH-BNI project financovaný Evropskou unií. Takovýchto přes kořenové výměšky řízených interakcí s půdním biomem existuje velké množství a dosud jsou objasněny jen z malé části. V každém případě lze konstatovat, že rostliny mají zásadní vliv na složení a aktivitu mikrobiálního společenstva v půdě a že výživa rostlin v mnoha ohledech profituje z půdních organismů.

Jakmile se živiny dostanou ke kořenu, jsou přijaty pomocí specifických transportérů, které díky své struktuře a náboji působí jako selektivní filtry pro určité živiny. Rostlina navíc přizpůsobuje afinitu transportérů dostupnému množství živiny: při nízké dostupnosti živiny aktivuje transportéry s vysokou afinitou, aby omezený zdroj mohla účinně využít. Při dobré dostupnosti živiny by však transportéry s vysokou afinitou byly příliš rychle nasyceny, naopak transportéry s menší afinitou umožňují příjem celkově většího množství živiny.

Optimalizace využití živin v osevním postupu

Tuto komplexnost a eficienci mobilizace a příjmu živin si rostliny vytvořily, protože v přírodě je omezená dispozice živin všudypřítomným problémem. Teprve moderní zemědělství zajistilo kulturním rostlinám luxusní výživu, maximální výnosy, a tudíž dostatek potravin pro miliardy lidí. Zároveň však v důsledku vynášení dusíku do životního prostředí dochází už po řadu let až k trojnásobnému překračování hranic zatížení Země, které mají zajistit stabilitu přirozených ekosystémů. Také výnos fosforu do životního prostředí se dnes již nachází mimo rámec bezpečného množství.3 Má-li v zemědělství dojít ke zlepšení ve využití živin a mají-li se zachovat výnosy i kvalita při současném snížení množství používaných hnojiv, je nutné nasadit ty nejlepší nástroje z oblasti techniky, šlechtění, managementu hnojení a utváření osevních postupů.

V ideálním případě dostává kulturní rostlina jen tolik živin, kolik jich aktuálně potřebuje, a tyto živiny účinně přeměňuje ve výnos. Hnojiva však není možné aplikovat pokaždé ve chvíli, kdy má rostlina jejich maximální potřebu. Klíčem k efektivnějšímu využití živin je tak vytvoření úložiště živin v půdě. Z organického materiálu se živiny pozvolna uvolňují činností mikroorganismů, a mohou tak podporovat výživu rostlin i při jejich pokročilém růstu. Po sklizni by se mělo zabránit odnosu živin z rozkládajících se rostlinných zbytků.

Meziplodiny vyseté za tímto účelem tyto živiny přijímají, ukládají je ve své biomase a po zapravení je jakožto organické zelené hnojení postupně uvolňují pro následnou plodinu. Druhy jako svazenka nebo pohanka navíc dokážou velmi efektivně zpřístupňovat půdní zásoby fosforu, zatímco leguminózy prostřednictvím symbiózy s hlízkovými bakteriemi na kořenech poutají vzdušný dusík. Jsou-li tyto živiny jednou převedeny do organické formy, lze je snadněji mobilizovat pro následnou plodinu. Momentálně je však nutný další detailní výzkum k otázkám, jaké množství živin je meziplodina schopna přenést a zda se jejich uvolňování časově kryje s potřebou živin hlavní plodiny.

V rámci projektu CATCHY, financovaného Spolkovým ministerstvem pro vzdělávání a výzkum (BMBF), bylo zjištěno, že ozimé meziplodiny přenášejí na následnou plodinu 20–30kg N/ha, přičemž směsi jsou efektivnější než jednodruhové porosty, a že leguminózy uvolňují dusík více než neleguminózy. Tyto poznatky dlouhodobě přispějí k vývoji optimálních směsí pro eficientní podzimní mobilizaci a příjem živin a k zásobování živinami, které bude časově i co do množství přizpůsobeno potřebám následné plodiny tak, aby byl optimalizován koloběh živin v osevním postupu.

Diana Heuermann

Článek vyšel v časopisu Lebendige Erde 3/2022