MEHANIZMI SPREJEMA ORGANSKIH OBLIK DUŠIKA V RASTLINE

(1)

UNIVERZA V LJUBLJANI BIOTEHNIŠKA FAKULTETA ODDELEK ZA AGRONOMIJO

Lana ŠTANGL

MEHANIZMI SPREJEMA ORGANSKIH OBLIK DUŠIKA V RASTLINE

DIPLOMSKO DELO Univerzitetni študij - 1. stopnja

Ljubljana, 2021

(2)

UNIVERZA V LJUBLJANI BIOTEHNIŠKA FAKULTETA ODDELEK ZA AGRONOMIJO

Lana ŠTANGL

MEHANIZMI SPREJEMA ORGANSKIH OBLIK DUŠIKA V RASTLINE

DIPLOMSKO DELO Univerzitetni študij - 1. stopnja

ORGANIC NITROGEN UPTAKE MECHANISMS IN PLANTS

B. SC. THESIS Academic Study Programmes

Ljubljana, 2021

(3)

Štangl L. Mehanizmi sprejema organskih oblik dušika v rastline.

Dipl. delo (UN). Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za agronomijo, 2021

II

Diplomsko delo je zaključek Univerzitetnega študijskega programa prve stopnje Kmetijstvo – agronomija. Delo je bilo opravljeno na Katedri za aplikativno botaniko, ekologijo, fiziologijo rastlin in informatiko.

Študijska komisija Oddelka za agronomijo je za mentorja diplomskega dela imenovala prof.

dr. Dominika Vodnika.

Komisija za oceno in zagovor:

Predsednik: prof. dr. Jernej JAKŠE

Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za agronomijo Član: prof. dr. Dominik VODNIK

Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za agronomijo Članica: prof. dr. Helena GRČMAN

Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za agronomijo

Datum zagovora: 3.9.2021

(4)

III

KLJUČNA DOKUMENTACIJSKA INFORMACIJA ŠD Du1

DK UDK 581.13: 631.416.1:631.84(043.2)

KG organski dušik, aminokisline, privzem, transporterji AV ŠTANGL, Lana

SA VODNIK, Dominik (mentor)

KZ SI-1000 Ljubljana, Jamnikarjeva 101

ZA Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za agronomijo, Univerzitetni študijski program prve stopnje Kmetijstvo - agronomija

LI 2021

IN MEHANIZMI SPREJEMA ORGANSKIH OBLIK DUŠIKA V RASTLINE TD Diplomsko delo (Univerzitetni študij - 1. stopnja)

OP VI, 19 str., 9 sl., 17 vir.

IJ sl JI sl/en

AI Dušik (N) je esencialni makroelement za normalno rast in razvoj rastlin. Mineralna prehrana z N temelji na anorganski obliki N, to sta nitrat (NO3-) in amonij (NH4+).

Kljub temu je znano, da lahko rastline neposredno iz tal sprejmejo tudi organske molekule N, kot so aminokisline in peptidi. Sekundarni aktivni transport Norg omogoča protonski gradient H⁺. Pri A. Thaliana poznamo več družin aminokislinskih transporterjev: aminokislinske permeaze (AAP), lizinsko/histidinski transporterji (LHT) in prolinski-glicinski-betainski transporterji (ProT). Poleg tega poznamo tudi transporterje uree. Afiniteta in specifičnost substrata se razlikujeta med družinami prenašalcev. Pri načrtovanju gnojenja je poleg anorganske oblike N potrebno upoštevati tudi razpoložljivost organski molekul N. Uporaba organskih gnojil, ki vsebujejo aminokisline in proteini lahko predstavlja rešitev za okolju prijazno kmetijsko prakso.

(5)

IV

KEY WORDS DOCUMENTATION ND Du1

DC UDC 581.13: 631.416.1:631.84(043.2)

CX organic nitrogen, aminoacids, uptake, transporters AU ŠTANGL, Lana

AA VODNIK, Dominik (supervisor) PP SI-1000 Ljubljana, Jamnikarjeva 101

PB University of Ljubljana, Biotechnical Faculty, Department of Agronomy, Academic Study Programme in Agriculture - Agronomy

PY 2021

TI ORGANIC NITROGEN UPTAKE MECHANISMS IN PLANTS DT B. Sc. Thesis (Academic Study Programmes)

NO VI, 19 p., 9 fig., 17 ref.

LA sl AL sl/en

AB Nitrogen (N) is an essential macronutrient for plant growth and development. Plant N nutrition generally relies on inorganic forms of N, nitrate NO3- and ammonia NH4+, which are readily available for plant uptake. However, it is now well established that plants can also take up N directly in the form of organic molecules such as amino acids and peptides (Norg). In this uptake, the proton motive force generated by electrogenic H⁺ transport is used for the secondary active transport of Norg. In Arabidopsis thaliana, root amino acid uptake systems belong to different families:

Amino Acid Permeases (AAPs), Lysine/Histidine-like Transporters (LHTs) and Proline and Glycine Betaine Transporters (ProTs). Transporters and related genes for urea are also known. In general, substrate specificity and affinity vary between and within the different transporter families. Similar mechanisms are involved in allocation of Norg within the plant. The ability to utilize organic N allows plants to access a wide range of N sources in different environments. In cropping systems where inorganic N nutrition is predominant, the availability of organic molecules needs to be considered in fertilization planning. Moreover, the use of organic fertilizers, including amino acid, proteins as a N source, could be the answer to development od environmental- riendly methods of plant cultivation.

(6)

V

KAZALO VSEBINE

Str.

KLJUČNA DOKUMENTACIJSKA INFORMACIJA III

KEY WORDS DOCUMENTATION IV

KAZALO VSEBINE V KAZALO PREGLEDNIC VI KAZALO SLIK VI

1 UVOD ... 1

1.1 NAMEN IN POVOD DELA ... 1

2 KROGOTOK DUŠIKA ... 1

3 ASIMILACIJA DUŠIKA V RASTLINAH ... 2

3.1 ANORGANSKE OBLIKE ... 3

3.1.1 Asimilacija amonija ... 3

3.1.2 Asimilacija nitrata ... 3

3.2 SIMBIOTSKA FIKSACIJA ZRAČNEGA DUŠIKA ... 3

3.3 ORGANSKE OBLIKE ... 4

4 OSNOVNE MEMBRANSKEGA TRANSPORTA DUŠIKA ... 4

4.1 TRANSPORT NITRATA ... 5

4.2 TRANSPORT AMONIJA ... 7

4.3 TRANSPORT ORGANSKIH MOLEKUL ... 8

5 MEHANIZMI SPREJEMA ORGANSKEGA DUŠIKA IZ TAL V RASTLINE IN NJEGOVEGA PREMEŠČANJA V RASTLINI ... 8

5.1 SPREJEM IN TRANSPORT Norg 9

5.1.1 Sprejem Norg v korenine ... 10

5.1.2 Premeščanje Norg v/iz ksilem(-a) ... 10

5.1.3 Premeščanje Norg iz koreninskih gomoljčkov (nodulov) ... 10

5.1.4 Premeščanje Norg v/iz floem(-a) ... 10

5.1.5 Transporterji Norg v listu ... 10

5.2 TRANSPORTERJI ORGANSKIH MOLEKUL ... 11

5.2.1 Aminokisline ... 11

5.2.1.1 Super družina ATF transporterjev ... 11

5.2.1.2 Super družina APC transporterjev ... 12

5.2.1.3 Druge družine transporterjev ... 13

(7)

VI

5.2.2 Urea ... 14

5.2.3 Ureidi ... 15

5.2.4 Peptidi ... 16

5.3 REGULACIJA TRANSPORTA ... 16

6 APLIKACIJA ... 16

7 EKOLOŠKI VIDIK ... 17

8 ZAKLJUČEK ... 17

9 VIRI ... 17

ZAHVALA 19

KAZALO SLIK Str. Slika 1: Reakcije globalnega cikla dušika (prirejeno po Zhang in sod., 2020) 2

Slika 2: Transport nitrata skozi membrano (Vodnik, 2012) 5

Slika 3: Sprejem, transport in asimilacija nitrata (prirejeno po Wang in sod., 2014) Slika 4: Transport amonija (Vodnik, 2012) 6 7 Slika 5: Sprejem in transport amonija (prirejeno po Wang in sod., 2014) 8 Slika 6: Shema sprejema in transporta dušika po rastlini (prirejeno po Tegeder in Masclaux-Daubresse, 2018)

Slika 7: Primerjava izotopno označenega L-glutamina in amonija za različne genotipe Arabidopsis (prirejeno po Ganeteg in sod., 2017)

9 13 Slika 8: Fenotipi rastlin (A), vsebnost N (%) v koreninah in poganjkih pri različnih

režimih (prirejeno po Mérigout in sod., 2017) 14 Slika 9: Pritok N v Arabidopsis (A) in razmerje med poganjki in koreninami glede na

skupno količino ¹⁵N (prirejeno po Mérigout in sod., 2017)

15

(8)

1 1 UVOD

Dušik (N) je esencialni element v prehrani rastlin. Uvrščamo ga med makrohranila, saj ga za normalno rast in razvoj rastlina potrebuje v večjih količinah. V rastlini sodeluje v različnih presnovnih procesih in ima raznovrstne funkcije. Je gradnik aminokislin, proteinov (npr.

encimov, transportnih, strukturnih in receptorskih beljakovin), barvil (npr. klorofil), nukleinskih kislin itd. (Vodnik, 2012). Rastlina dušik povečini prejema iz tal, kjer se nahaja v organski (aminokisline, proteini, urea) in anorganski obliki (nitrat - NO3-, nitrit - NO2-, amonij - NH4+, amonijak - NH3) (Muratore in sod., 2021). Nitrat in amonij sta za rastlino najlažje dostopna, vendar je zmožna tudi privzema preprostih organskih oblik dušika, kot so npr.

aminokisline. Znanih je več različnih transportnih proteinov, ki opravljajo funkcijo sprejema in nadaljnjega transporta po rastlini (Rentsch in sod., 2007).

1.1 NAMEN IN POVOD DELA

Prehrana rastlin z dušikom večinoma poteka s sprejemom nitratnega ali amonijevega iona iz tal. Pri tem imajo pomembno vlogo membranski transportni proteini, katerih delovanje je zelo dobro poznano. Nekatere rastline so sposobne s pomočjo N-fiksirajočih bakterij asimilirati molekularni dušik iz zraka. Tudi simbiotska fiksacija dušika je izjemno dobro proučena. V zadnjih letih je vse več raziskav tudi o sprejemu organskih oblik dušika (Norg) iz tal. Rastline so namreč sposobne preko korenin privzeti predvsem aminokisline, ter tudi peptide in proteine. Poznanih je več membranskih transportnih proteinov, ki sodelujejo v tovrstnih procesih v koreninskih celicah.

V diplomski nalogi bom povzela zadnja dognanja na področju pomena aminokislin v mineralni prehrani rastlin. Podrobno bom predstavila mehanizme sprejema in transport Norg. 2 KROGOTOK DUŠIKA

V Zemljinem ozračju velik delež plinov, ca. 78 %; predstavlja molekularni dušik. V biosferi se dušik v različnih organskih in anorganskih oblikah pojavlja v živi in odmrli biomasi , npr. v organizmih, v tleh. Globalni cikel dušika je precej kompleksen in zajema naslednje poti oziroma pretvorbe (Zhang in sod., 2020; Slika 1):

▪ specializirani prokarionti reducirajo N2 do amonijaka (NH3), kar imenujemo biološka fiksacija dušika (Slika 1 - [1]);

▪ dušik se mora po vstopu v organizem, rastlino vgraditi oziroma asimilirati v organske molekule, proces zajema asimilacijo amonija in asimilacijo nitrata (podrobneje opisano v poglavju 3) (Slika 1 - [2]);

▪ pretvorbo organskega dušika v anorgansko (mineralno) obliko dušika oz. amonija imenujemo mineralizacija ali amonifikacija (Slika 1 - [3]);

▪ bakterije rodu Nitrosomonas oksidirajo amonij do nitrita in nato sledi še oksidacija nitrita do nitrata, ki jo opravljajo bakterije rodu Nitrobacter, proces imenujemo nitrifikacija (Slika 1 - [4-6]);

(9)

2

▪ pri disimilatorni redukciji nitrata do amonija, ima nitrat vlogo akceptorja elektronov pri anaerobni respiraciji kemoavtotrofov (Slika 1 - [7, 15]);

▪ fakultativne aerobne, heterotrofne bakterije uporabijo nitrat kot akceptor elektronov na koncu dihalne verige. Proces imenujemo denitrifikacija, pri tem se nitrat pretvori nazaj do N2. V primerjavi z disimilatorno redukcijo, kjer se fiksiran N reciklira se pri denitrifikaciji fiksiran N odstrani iz ekosistema (Slika 1 - [7-11]);

▪ anamoksne bakterije opravljajo proces anaerobne oksidacije amonija ali anamoks, kjer prav tako pride do izgube fiksiranega N pri nizkih koncentracijah O2. So avtotrofi, (pripadajo deblu Planctomycetes) oksidirajo NH4+, pri tem NO2- služi kot akceptor elektronov in kot končni produkt nastaja N2 (Zhang in sod., 2020) (Slika 1 - [12-14]).

Slika 1: reakcije globalnega cikla dušika (prirejeno po Zhang in sod., 2020)

3 ASIMILACIJA DUŠIKA V RASTLINAH

Proces asimilacije dušika v rastlinah vključuje sprejem dušika (opisan v poglavju 4) in vgradnjo v organske molekule (pigmenti, encimi, nukleinske kisline, aminokisline, …). Pri slednji gre za serijo kompleksnih biokemijskih reakcij, ki so med najbolj energijsko potratnimi pri živečih organizmih (Taiz in sod., 2015).

(10)

3 3.1 ANORGANSKE OBLIKE

3.1.1 Asimilacija amonija

Sprejem amonija v rastlino poteka pasivno, podrobneje je opisan v nadaljevanju (poglavje 4.2). Amonij je za rastlinsko celico toksičen, zato je njegova asimilacija pod strogim nadzorom. Pri vgradnji amonijevega iona sodelujeta dva encima: glutamin sintaza in glutamat sintaza. V prvem koraku asimilacije encim glutamin sintaza veže amonijev ion na aminokislino glutamat, nastane glutamin. Sledi prenos aminoskupine iz glutamina na 2- oksoglutarat s pomočjo encima glutamat sintaza, pri tem nastaneta dve molekuli glutamata.

Aktivnost encima glutamat sintaza stimulira povečana koncentracija glutamina v plastidih. Ob nastanku glutamata oz. glutamina, se lahko aminokislina prenaša na 2-keto kisline, tako nastajajo nove aminokisline. Reakcije prenosa amino skupine katalizirajo encimi aminotransferaze (Vodnik, 2012).

3.1.2 Asimilacija nitrata

Nitrat je v dobro prezračenih tleh zmerne klime prevladujoča oblika dušika. Je dobro mobilen v tleh. Sprejem nitrata v rastlino poteka z aktivnim transportom (glej poglavje 4.1!). V rastlini se z redukcijo pretvarja do amonijevega iona. Pretvorba je energetsko zahtevna, saj celica porabi 12 molekul ATP za pretvorbo 1 NO3-. Najprej se v citosolu nitrat pretvori do nitrita, pri tem sodeluje encim nitrat reduktaza. Aktivnost encima je izrazitejša podnevi, saj je redukcija energetsko potratna in odvisna od fotosinteze, ki jo podpira s sintezo ATP ter reducentov (NADPH). V temi oz. ponoči reakcija redukcije ne poteka. Po nastanku nitrita se ta hitro transportira v plastid, saj je zelo reaktiven in toksičen za celico. V plastidih poteče še druga stopnja redukcije, in sicer nitrit se pretvori v amonij. Reakcijo katalizira encim nitrit reduktaza. Nastali amonijev ion celica takoj vgradi v organske molekule (Vodnik, 2012).

3.2 SIMBIOTSKA FIKSACIJA ZRAČNEGA DUŠIKA

Nekateri prokarionti imajo možnost izkoriščanja zračnega dušika. Prostoživeči živijo prosto v tleh, rizosferni se nahajajo v neposredni bližini korenin, simbiotski fiksatorji dušika pa v posebnih strukturah, ki jih na koreninah oblikuje gostiteljska rastlina ob sodelovanju fiksatorja. Dušik fiksirajoče bakterije iz rodov Bradyrhizobium, Rhizobium, Sinorhizobium in sorodnih, naselijo strukture imenovane koreninski gomoljčki oz. koreninski noduli.

Prokarionti so v celicah nodula obdani s peribakterioidno membrano, ki nastane kot derivat gostiteljeve plazmaleme. Nodul zagotavlja primerno okolje, v katerem je lahko aktiven encim nitrogenaza. Ta katalizira redukcijo zračnega dušika. Encimski kompleks nitrogenazo, sestavljata Fe-protein in MoFe-protein. Nitrogenaza je občutljiva na kisik. Nodul s svojo debelo, suberinizirano steno vzdržuje majhen parcialni tlak kisika, omejuje vstop plinov, intenzivno dihanje in omogoča vezavo kisika na leghemoglobin. Leghemoglobin je protein, del hem tvori bakterija, globin pa se sintetizira v gostitelju. Za reakcijo redukcije zračnega dušika je potreben velik vložek energije (Vodnik, 2012).

(11)

4 3.3 ORGANSKE OBLIKE

Tla so bogata z organskimi molekulami, tudi aminokislinami. Presnova aminokislin je tesno povezana s presnovo ogljikovih hidratov in odločilna pri sintezi proteinov ter sekundarnem metabolizmu. Substrati za sintezo aminokislin so intermediati glikolize, cikla citronske kisline in pentoza fosfatne poti. Presnovki od razgradnje aminokislin se v ciklu citronske kisline oz.

Krebsovem ciklu porabijo kot vir energije. Sinteza glutamina (Gln) je edina reakcija, ki omogoča asimilacijo anorganskega dušika v organske molekule. Glavna prekurzorja vseh dušikovih spojin sta Gln ali glutamat (Glu). Kot pri živalih in mikrobih imajo pri rastlinah aminokisline ključno vlogo kot spojine za sintezo različnih sekundarnih metabolitov. Ti so izjemno raznoliki in opravljajo pomembne funkcije, kot so signalizacija (npr. hormoni), vzpostavljanje strukture (npr. lignin), obramba (npr. glukozinolati, nikotin), interakcija z drugimi organizmi in zaščita (npr. pigmenti). Aminokisline so tudi nosilci asimiliranega dušika po floemu in ksilemu med različnimi organi. Imajo ključno vlogo tudi med okužbo s patogenom, saj so nepogrešljiv vir dušika za številne biotrofne patogene in kot prekurzorji obrambnih spojin (Pratelli in Pilot, 2014).

4 OSNOVNE MEMBRANSKEGA TRANSPORTA DUŠIKA

Za privzem dušika v celice korenin in listov je potreben prehod skozi celično membrano oz.

plazmalemo. Majhne, nenabite molekule lahko skozi prehajajo z difuzijo, za transport ionov, večjih polarnih molekul so potrebni transportni proteini. Ločimo tri različne transportne membranske proteine: kanalčki, prenašalci in črpalke. Kanalčki so transmembranski proteini, imajo funkcijo selektivnih por skozi katere z difuzijo (transport je pasiven!) prehajajo ioni in tudi nekatere nevtralne molekule. Kanalček ima vrata, ki se odpirajo oz. zapirajo kot odgovor na določen signal (sprememba membranskega potenciala, vezava hormona, svetloba, …).

Prenašalci so odgovorni za transport specifičnih organskih ali anorganskih ionov. Ion ali molekula se veže na protein na eni strani membrane, vezava povzroči konformacijsko spremembo po kateri se ion ali molekula sprosti na drugo stran membrane. Prenašalci omogočajo pasivni in sekundarni aktivni transport (Taiz in sod., 2015).

Aktivni transport je transport snovi v smeri proti elektrokemijskemu potencialu (pri tem sta odločilnega pomena koncentracija in naboj, ki določata smer transporta), zato je potrebna energija. Črpalke opravljajo primarni aktivni transport, pri katerem je vir energije hidroliza ATP. Transportirajo vodikove ione (H⁺) preko membrane, zato jih imenujemo tudi protonske črpalke. Prisotne so v plazmalemi (plazmalemska H⁺-ATPaza), kot tudi v membrani vakuole (V-ATPaza, H⁺-pirofosfataza). Tudi v tonoplastu najdemo črpalke, imenovane ABC- transporterji (Taiz in sod., 2015).

Sekundarni aktivni transport je transport snovi proti njenemu elektrokemijskemu gradientu, pri katerem je vir energije protonska gonilna sila, ki jo ustvarijo protonske črpalke. Poznamo dva tipa sekundarnega aktivnega transporta: simport in antiport. Pri simportu (sodelujejo proteini imenovani simporterji) se vodikovi ioni in snov premeščajo v isti smeri, medtem ko se pri antiportu v nasprotni smeri (proteine imenujemo antiporterji) (Taiz in sod., 2015).

Pri transportu s prenašalci lahko hitrost transporta opišemo na podoben način kot pri hitrosti encimskih reakcij, t. j. z Michaelis-Menten-ovo kinetiko. Pri tem ocenimo učinek

(12)

5

koncentracije zunanjih ionov na hitrost transporta. Maksimalna hitrost transporta (Vmax) je dosežena, ko je mesto vezave transportiranega iona vedno zasedeno oz. ko je pretok skozi kanalček maksimalen. Km (Michaelis-Menten-ova konstanta), je tista koncentracija transportirane snovi, pri kateri je dosežena polovična maksimalna hitrost transporta, z njo pa opišemo afiniteto transporterja.. Nizka Km pomeni, da je polovična Vmax dosežena pri manjši koncentraciji snovi, kar odraža visoko afiniteto vezavnega mesta prenašalca za transportirano molekulo. Visoka Km pomeni nižjo afiniteto vezavnega mesto do transportirane snovi (Taiz in sod., 2015).

4.1 TRANSPORT NITRATA

Pri sprejemu nitrata (NO3-) gre za sekundarni aktivni transport, za simport NO3- in vodikovih ionov (H⁺). Protonska črpalka s prečrpavanjem H⁺ ionov iz celice ustvari protonsko gonilno silo, pri tem porablja energijo v obliki ATP. S tem omogoča prenos NO3- v celico, proti elektrokemijskem gradientu nitrata. Ta transport vrši simportni prenašalni protein NRT.

Slika 2: Transport nitrata skozi membrano (Vodnik, 2012)

Za privzem nitrata sta znana dva sistema, ki delujeta z različno afiniteto. LATS (low-affinity transport systems), deluje pri visokih koncentracijah (>1 mM) in HATS (high-affinity transport systems), pa pri zelo majhnih koncentracijah. Km je pri HATS nižja kot pri LATS.

Oba sistema se dopolnjujeta in rastlini omogočata optimizacijo sprejema nitrata ob spremenljivih koncentracijah tega iona v tleh (Kraiser in sod., 2011).

Znani sta dve družini transporterjev NRT1 in NRT2. NRT2 družina kodira transporterje z visoko afiniteto do nitrata. Medtem, ko NRT1 kodira nizko afinitetne nitratne transporterje, z izjemo NRT1.1 (znan tudi kot CHL1), ki sodeluje tako pri nizko kot tudi visoko afinitetnem privzemu nitrata (Kraiser in sod., 2011).

Najbolj podrobno sta raziskana nitratna transporterja Arabidopsis NRT1.1 in NRT2.1. Do indukcije transkripcije genov za NRT2.1 pride ob nizki razpoložljivosti N ali ob njegovem

(13)

6

pomankanju, do represije pa ob večji razpoložljivosti N, ki vključuje tudi transporter NRT1.1 (Kraiser in sod., 2010). Transporter NRT1.1 ima dvojno afinitetno funkcijo. Aktivacija NRT1.1 je regulirana preko fosforilacije Thr101 (treoninski ostanek). Fosforiliran NRT1.1 deluje kot visoko afinitetni in defosforiliran NRT1.1 kot nizko afinitetni transporter nitrata (Sun in Zheng, 2015).

NRT niso omejeni le na koreninske celice, kjer sodelujejo pri sprejemu nitrata, najdemo jih tudi v drugih delih rastline, kjer potekajo premiki tega iona skozi membrane (Wang in sod., 2014) (Slika 3).

Slika 3: Sprejem, transport in asimilacija nitrata (prirejeno po Wang in sod., 2014)

Po sprejemu nitrata v koreninske celice, se ta lahko radialno premika in prerazporedi v različna tkiva. Vstopa v ksilem, po katerem se transportira v nadzemne dele. V navadnem repnjakovcu je AtNRT1.5 (prenašalec družine NRT1) odgovoren za transport na dolge razdalje od korenin pa vse do poganjkov. AtNRT1.8 (prav tako NRT1) je lociran v plazmalemi, pogost je predvsem v parenhimskih ksilemskih celicah korenin in poganjkov.

(14)

7

Uravnava nizko afinitetni sprejem nitrata in opravlja vlogo transporta nitrata izven ksilemskih žil. Raziskava transporterja NRT1.9 pri A. thaliana nakazuje na pomembno funkcijo pri floemskem transportu NO3-. NRT1.7 opravlja nalogo nalaganja NO3- v floem, za remobilizacijo iz starejših listov v tkiva, ki potrebujejo N. Transporter NRT 1.4 uravnava homeostazo NO3- v listih. Nizko afinitetni NRT1.6 pa sodeluje pri prenosu NO3- iz izvornega tkiva v novo razvijajoč se zarodek oz. seme. Transporter NRT2.7 ima posebno vlogo pri kopičenju NO3-, sodeluje pri nalaganju NO3- v vakuolo (Wang in sod., 2014).

4.2 TRANSPORT AMONIJA

Rastlina sprejme amonij (NH4+) s pasivnim transportom. Ker je celica napram zunanjosti negativno nabita (membranski potencial) gradient elektro-kemičnega potenciala omogoča vstop amonija brez vložka energije.

Slika 4: Transport amonija (Vodnik, 2012)

Transport amonija je uniport. Prenašalne proteine, ki ga vršijo označujemo z AMT (amonium transporter). Za sprejem amonija je odločilna družina AMT/MEP/Rh membranskih proteinov, prisotni so tako pri rastlinah kot tudi mikroorganizmih in živalih. Pri rastlinah so za transport amonija odgovorni transporterji družine AMT1. Poleg opisanega mehanizma uniporta amonijevega kationa je možen tudi transport ne-ionske oblike, deleža katere je odvisen od pH.

Znani tudi kot NH3/H⁺ ko-transporterji. Veliko koncentracija N v tleh deluje na sprejem amonija zavirajoče, medtem ko ga majhna spodbuja (Kraiser in sod., 2011).

(15)

8

Slika 5: Sprejem in transport amonija (prirejeno po Wang in sod., 2014)

Visoko afinitetni amonijevi transporterji (AMTs) in nizko afinitetni sistemi za sprejem (akvaporini, kationski kanali) kontrolirajo transport amonija in homeostazo rastlin. Pri navadnem repnjakovcu A. thalina so identificirali šest pripadnikov poddružin AMT1 in AMT2. Transporterji AtAMT1.1, AtAMT1.2, AtAMT1.3 in AtAMT1.5 so vključeni v koreninski privzem NH4+. AMT 1.1, AMT1.3 in AMT1.5 so odgovorni za simplastni transport NH4+. Poleg tega pa lahko NH4+ preko apoplastnega transporta s pomočjo AMT1.2 vstopi v simplast (Wang in sod., 2014).

4.3 TRANSPORT ORGANSKIH MOLEKUL

Organske spojine dušika kot so aminokisline, urea, proteini, v tleh prav tako prispevajo k mineralni prehrani rastlin. Aminokisline zastopajo največji del organskega N v tleh. Opisanih je več različnih transporterjev aminokislin. Pri modelni rastlini Arabidopsis je raziskanih in opisanih kar nekaj različnih aminokislinskih transporterjev (Kraiser in sod., 2011), njihov pregled in opis delovanja podajamo v podpoglavju 5.2.1.

5 MEHANIZMI SPREJEMA ORGANSKEGA DUŠIKA IZ TAL V RASTLINE IN NJEGOVEGA PREMEŠČANJA V RASTLINI

Rastline so razvile kompleksne mehanizme za sprejem, asimilacijo in razporeditev dušika (glej sliko 6!). Biološke membrane zagotavljajo naravne pregrade za sprejem in premik različnih oblik N po rastlini. Ta transport omogočajo transportni proteini. Identifikacija transportnih sistemov, ki so odgovorni za tok N metabolitov med celičnimi organeli, tkivi,

(16)

9

organi in čez celotno rastlino je nujna za razumevanje transporta in razporeditve dušika (Rentsch in sod., 2007).

Slika 6: Shema sprejema in transporta dušika po rastlini (prirejeno po Tegeder in Masclaux-Daubresse, 2018).

Posamezna poglavja, katerim pripada določen del slike, so označena z rdečo barvo.

5.1 SPREJEM IN TRANSPORT Norg

Večina doslej opisanih aminokislinskih transporterjev je lokalizirana na celični membrani. So simporterji protonov in aminokislin. Ti sekundarni aktivni prenašalci z razliko v elektrokemičnem gradientu protonov privzemajo aminokisline. Gradient protonov vzdržuje ATP-aza s prečrpavanjem protonov (Ortiz-Lopez in sod., 2000).

(17)

10 5.1.1 Sprejem Norg v korenine

Rastline so zmožne privzema aminokislin (AA; Slika 6), peptidov, uree in nekaterih ureidov (Ur; Slika 6). Za sprejem organskih molekul N v koreninske celice in nadaljnji transport po rastlini so potrebni transporterji, navedeni in opisani v poglavju 5.2.

5.1.2 Premeščanje Norg v/iz ksilem(-a)

Po ksilemu poteka tok nitrata, N asimilatov, drugih hranil in vode od korenin proti porabnikom. Tok omogoča transpiracija, ki povzroči gradient hidrostatičnega tlaka. Odvisno od mesta asimilacije N (nodul, korenine, listi) se ureidi, aminokisline ali nitrat prenašajo po ksilemu do poganjka. Koncentracija posameznih aminokislin se lahko razlikuje glede na rastlinsko vrsto in okolje. Po navadi prevladujejo aspartat, glutamat, asparagin in glutamin.

Polnjenje ksilema splošno poteka (apoplastno) s pasivnim transportom. Čeprav še ni dokazano, naj bi UmamiT transporterji, kot sta UmamiT14 in UmamiT18 sodelovali pri polnjenju ksilema (Tegeder in Masclaux-Daubresse, 2018).

5.1.3 Premeščanje Norg iz koreninskih gomoljčkov (nodulov)

V koreninskih gomoljčkih stročnic, kot so soja (Glycine max), grah (Pisum sativum) in lucerna (Medicago sativa) se aminokisline porabijo za proizvodnjo ureidov. Nastale aminokisline ali ureidi so glavne oblike prenosa N na dolge razdalje od vira (korenine, gomolji, zreli listi) do ponora, ki potrebujejo organski N za rast in razvoj. V nodulih se torej iz glutamina proizvajata alantoin in alantionska kislina. Ti ureidi se iz nodulov transportirajo v ksilem in potujejo v poganjke. Nedavne študije na soji so pokazale, da je za sprejem alantiona in alantionske kisline potrebno delovanje ureidnih permeaz (UPS1 in UPS2) (Tegeder in Masclaux-Daubresse, 2018).

5.1.4 Premeščanje Norg v/iz floem(-a)

Floemski tok poteka od vira k ponoru, npr. od fotosintetsko aktivnih listov do porabnikov. N iz ksilema se neposredno prenese v floem, za namen oskrbe hitro rastočih ponorov.

Arabidopsis AAP2 se izraža v floemu po vsej rastlini in je skupaj z AAP6 bistvenega pomena za prenos aminokislin iz ksilema v floem. Transporterji ureidov, odgovorni za polnenje ksilema še niso identificirani (Tegeder in Masclaux-Daubresse, 2018).

5.1.5 Transporterji Norg v listu

Informacij o transporterjih, ki sodelujejo pri razkladanju N iz ksilema in privzemu v mezofil lista je zelo malo. V mezofilnih celicah se nitrat in amonij pretvorita do aminokislin ali se shranita v vakuoli. Poleg funkcije v koreninah je LHT1 vključen pri privzemu aminokislin v celice listov. UPS1 transporterji najverjetneje sodelujejo pri premiku ureidov v celice lista.

Privzeti ureidi in aminokisline se lahko prenesejo v skladiščne bazene v citosolu ali vakuoli, lahko se porabijo za izdelavo beljakovin potrebnih za metabolizem, ali pa se po floemu prerazporedijo do ponorov. Pri Arabidposis so bili identificirani nekateri tonoplastni transporterji, CAT2, CAT4 in CAT8. Študije transporterja CAT9 pri paradižniku so pokazale, da ta sodeluje pri izmenjavi GABA kisline za glutamin/aspartat. AVT3a, ki je soroden

(18)

11

prenašalcu aromatskih in nevtralnih aminokislin (ANT1), je vključen v izvoz alanina in prolina iz vakuole (Tegeder in Masclaux-Daubresse, 2018).

Kloroplasti (tudi citosol) so mesta de novo biosinteze številnih proteinogenih aminokislin.

Membranski proteini so bistveni za premik čez plastidno ovojnico do floema. Do zdaj sta bila odkrita le dva kloroplastna transporterja aminokislin, in sicer Arabidopsis dikarboksilatni prenašalec (DiT2) in Petunia hybrida kationski aminokislinski prenašalec (PhpCAT) (Tegeder in Masclaux-Daubresse, 2018).

Koncentracija prostih aminokislin močno niha v listih, zlasti med razvojem ali kot odgovor na abiotski/biotski stres. S staranjem listov se koncentracija skupnih aminokislin v listnih režah enakomerno zmanjšuje, medtem ko se v floemskem soku povečuje. Poleg tega se spekter aminokislin spreminja s starostjo rastline in prehrano z N. Med okrevanjem po stresu se lahko predhodno shranjene aminokisline porabijo za presnovo ali se transportirajo do ponorov.

Prisotnost aminokislin shranjenih v listih, se prav tako spreminja glede na rastlinsko vrsto.

Glavni bazeni so najverjetneje glutamat, aspartat, glutamin in prolin ali asparagin pri stročnicah, koruzi in rižu (Tegeder in Masclaux-Daubresse, 2018).

Ureidi predstavljajo glavno obliko shranjevanja N v tropskih stročnicah. Prisotni so tudi pri rastlinskih vrstah, ki niso stročnice. Povečana koncentracija ureidov/alantoina sproži splošni odziv na abiotski in biotski stres (Tegeder in Masclaux-Daubresse, 2018).

5.2 TRANSPORTERJI ORGANSKIH MOLEKUL 5.2.1 Aminokisline

Večina začetnih študij o transportu organskih oblik dušika je izvedena z uporabo Arabidopsis thaliana. Kasneje so odkrili homologne transporterje tudi pri drugih, kot so paradižnik, krompir, bob, kloščevec, grah, ječmen in riž (Rentsch in sod., 2007). V rastlinah so odkrili več tipov aminokislinskih transporterjev, ki jih razvrščamo v družine.

5.2.1.1 Super družina ATF transporterjev

Družina ATF (družina aminokislinskih transporterjev) transporterjev z drugo besedo družina AAAP (aminokislinka/avksinska permeaza) je bila prva opisana pri rastlinah. Znotraj poznamo 6 poddružin:

a) AAP (aminokislinske permeaze) vključuje 8 transporterjev. Transportirajo aminokisline in glutamat. AtAAP6 je znan kot visoko afinitetni, medtem ko so ostalo znotraj družine AAP srednje ali nizko afinitetni za prepoznavo substrata.

b) LHT (lizinski/histidinski transporterji) transporterji, z visoko afiniteto do nevtralnih in kislih aminokislin.

c) ProT transportirajo prolin, glicin, betain in druge amonijeve spojine, kot tudi aminokislino α-aminobutanojsko kislino (GABA) s srednjo ali nizko afiniteto.

d) GAT (transporterji γ-aminobutanojske kisline), za transport GABA kisline in njenih spojin.

(19)

12

e) ANT1 podoben protein (transporter aromatskih in nevtralnih aminokislin 1), do zdaj je raziskan le AtANT1 kot srednje afinitetni transporter. Ostalih 18 predstavnikov še ni natančno poznanih.

f) AUX podskupina, transporter AtAUX1 ima vlogo pri transportu hormona avksina, nedavno pa so odkrili vlogo tudi pri transportu indol-3-ocetne kisline (IAA) (Rentsch in sod., 2007).

5.2.1.2 Super družina APC transporterjev

Druga velika družina aminokislinskih prenašalcev je APC (aminokisline-poliamin-holin).

Homologi so prisotni pri prokariontih (bakterije, arheje) in evkariontih (parazitski protozoji, glive, živali). Transporterji iz družine APC se delijo na dve podskupini:

a) CAT (prenašalci kationskih aminokislin), AtCAT1 in AtCAT5 sta bila opisana kot visoko afinitetna transporterja. Nedavno so dokazali vlogo AtCAT6 pri transportu nevtralnih aminokislin in bazične aminokisline lizina z zmerno afiniteto.

b) LAT (prenašalci L-aminokislin) so poimenovani po podskupini, ki jo najdemo pri sesalcih. Zaenkrat ni podatkov o biokemičnih lastnostih rastlinskih LAT (Rentsch in sod., 2007).

Ganeteg in sodelavci (2017) so v študiji z genotipi A. thaliana, ki se razlikujejo v izražanju lizinsko/histidinskega transporterja LHT1 ugotavljali vlogo organskega N v prehrani rastlin.

Poskus so izvedli s tremi različnimi genotipi, in sicer LHT1-KO (knock-out), divji tip (Wild type) in 35S-LHT1. Rastline so izpostavili minutnemu pulzu dvojno označenega L-glutamina.

V drugem poskusu so genotipe izpostavil dvojno označenemu L-glutaminu ali ¹⁵NH4+, da bi ocenili vpliv razlik v izražanju LHT1 na označena ¹³C in ¹⁵N, ter omogočili primerjavo pridobivanja dveh virov N. Vsebnost ¹³C, ¹⁵N in označenega L-glutamina so določili s tekočinsko kromatografijo-masno spektrofotometrijo (TK-MS).

Višje ravni N, označenega s ¹⁵N in C, označenega s ¹³C nakazujejo, da je sposobnost korenin za sprejem aminokislin pomembna lastnost za organsko prehrano rastlin z N. V poskusu so preučevali genotipske razlike v hitrosti privzema L-glutamina in NH4+. LHT1-KO mutanti, ki so bili izpostavljeni označenem L-glutaminu so v koreninah vsebovali bistveno manj ¹³C- označenega C in ¹⁵N-označenega N v primerjavi z divjim tipom in 35S-LHT1 rastlinami (Slika 9). To nakazuje, da so te rastline (LHT1-KO) lahko dostopale do označenega N šele po mineralizaciji L-glutamina v ¹⁵NH4+ in morda ¹⁵NO3-. Rastline divjega tipa so imele podobno vsebnost ozačenega ¹⁵N za oba vira, kar kaže na podoben vnos iz L-glutamina ali NH4+ (Slika 9). Nasprotno pa so rastline 35S-LHT1 pokazale višjo stopnjo označenega ¹⁵N iz L-glutamina (Slika 9a), rastline LHT1-KO pa višjo stopnjo ¹⁵N iz NH4+ (Slika 9a) (Ganeteg in sod., 2017).

(20)

13

Slika 7: Primerjava izotopno označenega L-glutamina in amonija za različne genotipe Arabidopsis. Koreninska vsebnost ¹⁵N-ozanečenga N (a) in ¹³C-označenega C (b) po dodatku U-¹³C5, ¹⁵N2 L-glutamina ali ¹⁵NH4+. Stolpci predstavljajo srednje vrednosti ± SE (standardna napaka), N =6. Različno male črke označujejo razliko med rastlinami tretiranimi z L-glutaminom in NH4+, znotraj posameznega genotipa. Različne velike črke pa označujejo razliko med genotipi znotraj posameznega tretiranja z N (prirejeno po Ganeteg in sod., 2017).

5.2.1.3 Druge družine transporterjev

Nedavno je bila odkrita nova družina transporterjev. Imenuje se UmamiT (usually multiple amino acids move in and out transporter), ki uravnava transport aminokislin v in iz celic.

Spada v naddružino DMT (transporterji metabolitov). UmamiT18 je dvosmerni transporter aminokislin, se nahaja v plazmalemi celic prevodnih tkiv in razvijajočih se semen. Poleg UmamiT 18 pri izvozu iz floema v razvijajoči se embrio sodelujejo tudi UmamiT14, 28 in 29 (Dinkeloo in sod., 2018).

V različne druge družine spadajo prenašalci aminokislin, ki se nahajajo v membranah organelov. Identificirani so bili prenašalci, ki omogočajo prenos aminokislin iz citosola prek ovojnic plastidov. V zunanji ovojnici pri grahu tvori OEP16 kationsko selektivni kanalček za prenos aminokislin in aminov. Zaenkrat je edini znan transporter, ki deluje na notranji ovojnici plastidov, DiT2.1 (dikarboksilatni transporter). DiT2.1 sodeluje pri izmenjavi glutamata in malata, ki sta bistvenega pomena za fotorespiracijo. Mitohondrijski transporterji aminokislin so člani družine MCF (mitohondrijski prenašalci). V A. thaliana sta bila

(21)

14

funkcionalno opredeljena dva AtmBAC (mitohondrijski prenašalec osnovnih aminokislin).

AtmBAC1 in AtmBAC2 sta odgovorna za transport arginina, lizina, ornitina in histidina (Rentsch in sod., 2007).

5.2.2 Urea

Urea predstavlja lahko dostopen vir dušika v tleh, saj jo izloča veliko število organizmov.

Prav tako pa je ene izmed najpogosteje uporabljenih dušikovih gnojil v kmetijstvu. V tleh se sečnina hitro hidrolizira z encimom ureazo, ki jo izločajo mikrobi, rastlina pa uporabi sproščene N anorganske ione. Nedavno pa so v rastlinah identificirali posebnega membranskega prenašalca za ureo. To nakazuje, de je lahko ta organska oblika N neposredni vir N (Muratore in sod., 2021). Nadaljnje raziskave so pokazale, da lahko koreninske celice direktno sprejemajo ureo iz tal. Glavni transporter odgovoren za privzem uree pri Arabidopsis je AtDUR3, ki deluje kot ko-transportni mehanizem (simport urea/protoni). AtDUR3 je visoko afinitetni transporter uree, ekspresija le tega se poveča ob pomankanju N in zmanjša ob dodatku nitrata ali amonija (Kraiser in sod., 2011). Ekspresija AtDUR3 pa se močno poveča ob dodatku sečnine (Muratore in sod., 2021).

Raziskava Mérigout-ja in sodelavcev (2017) opredeljuje učinek sečnine na rast Arabidopsis.

Rastline so gojili v hranilni raztopini, ki je kot vir N vsebovala nitrat in amonij. Po petih tednih so jih prenesli za 1 teden v hranilne raztopine, ki so vsebovale amonijev nitrat (AN), amonijev nitrat + urea (AN + U), samo sečnino (U) in zadnja ni vsebovala vira N (stradanje – S). Izvedena sta bila dva neodvisna poskusa, fenotipi rastlin v enem od poskusov so prikazani na sliki 6A. Na sliki 6B so merili vsebnost celotnega N. Opaziti je manjšo vsebnost N v koreninah in poganjkih rastlin, ki so rasle s sečnino kot edinim virom N. V primerjavi z rastlinami, ki so rasle z AN in AN + U razlik v vsebnosti N ni bilo. Po pričakovanjih je bila vsebnost pri rastlinah, ki so bile podvržene pomanjkanju N še izrazitejše.

Slika 8: Fenotipi rastlin (A), vsebnost N (%) v koreninah in poganjkih pri različnih režimih. Vrednosti so povprečja ± SD 21 ponovitev. Različne črke označujejo pomembne razlike med režimi pri P < 0,05 (prirejeno po Mérigout in sod., 2017).

(22)

15

Za preučevanje absorpcije sečnine v koreninske celice so uporabili ¹⁵N označeno sečnino.

Rastline gojene v hranilnih raztopinah so 5 minut inkubirali z označenim sečninski pripravkom. Merili so tudi vnose N z uporabo ¹⁵NO3- in ¹⁵NH4+. Privzem sečnine v korenine je zaznan ne glede na režim vnosa N v rastline (Slika 7A). Dotok sečnine je bil največji, ko je bila ta prisotna kot edini vir N (7A). Pri uporabi sečnine v kombinaciji z amonijevim nitratom (AN ali AN + U) na privzem nitrata ni imelo vpliva. Vendar se je zmanjšal pri rastlinah gojenih s sečnino in tistim podvrženim pomanjkanju N. Nasprotno je bil dotok amonija pri rastlinah podvrženih stradanju, 2-krat večji kot pri AN ali AN + U rastlinah. Medtem ko sta se amonij in sečnina asimilirala neposredno v koreninah, se je nitrat hitro prenesel v poganjke, saj je bila vrednost razmerja ¹⁵N med poganjki in koreninami približno 1 za rastline AN in AN + U (Slika 7B). Zelo malo nitrata je bilo v poganjkih, ki so rasli z ureo (Mérigout in sod., 2017).

Slika 9: Pritok N v Arabidopsis (A) in razmerje med poganjki in koreninami glede na skupno količino ¹⁵N.

Vrednosti so povprečja ± SD petih ponovitev. Različne črke označujejo razlike med režimi pri P < 0,05 (prirejeno po Mérigout in sod., 2017)

Predstavljeni podatki dokazujejo, da je navadni repnjakovec (A. thaliana) sposoben sprejema sečnine kot edinega vira N. Privzem sečnine sta uravnavala sama sečnina in amonijev nitrat, ne pa tudi stradanje N. Sprejem uree je bil manj učinkovit kot sprejem nitratov. Rastline, ki so rasle s sečnino pa so kazale znake pomankanja N (Mérigout in sod., 2017).

5.2.3 Ureidi

Pri stročnicah, kot so soja, navadni fižol in grah sta glavna produkta vezave N2 ureida alantoin in alantoinska kislina. Transportirata se iz nodulov v poganjke. Rastlinski transporterji alantoinske kisline še niso znani. Prenašalci alantiona imenovani UPS (ureidne premeaze) so opredeljeni kot člani družine DMT (transporterji metabolitov). AtUPS1 transportira alantion, uracil in ksantin. Ostala člana pa sta odgovorna za transport uracila (AtUPS2) in ksantina (AtUPS5). PvUPS1 izoliran iz navadnega fižola transportira alantion, prepozna pa tudi sečno kislino in ksantin (Rentsch in sod., 2007).

(23)

16 5.2.4 Peptidi

Novi rezultati študij so pokazali, da lahko rastline sprejmejo dipeptide, tripeptide in celo oligopeptide brez predhodne encimske razgradnje. Rastlinski transporterji peptidov pripadajo trem različnim družinam, in sicer PTR (transport di- in tripeptidov), OPT (oligopeptidni transporterji) in TAP (transport večjih peptidov), od katerih vsaka prepoznava peptide določene dolžine (Rentsch in sod., 2007).

5.3 REGULACIJA TRANSPORTA

Transport aminokislin je reguliran preko sprememb v okoljskih dejavnikih, kot so svetloba, osmotske spremembe in napad patogena. Malo je znanega o vplivu svetlobe na rastlinske aminokislinske transporterje (Liu in Bush, 2006).

Rastline ob stresnih pogojih sintetizirajo in kopičijo osmoprotektanke, med katere spada prolin in še nekateri drugi. Ekspresija nekaterih transporterjev naj bi bila regulirana z osmotskih stresom. Pri Arabidopsis so zasledili, da je bilo izražanje AtAAP4 in AtAAP6 zavrto ob vodnem in slanostnem stresu. Indukcija transporta prolina in represija transporta ostalih aminokislin bi lahko bila pomembna za premagovanje stresnih pogojev v okolju (Liu in Bush, 2006).

Razpoložljivost hranil naj bi imela vpliv na izražanje genov transporterjev. Ekspresija transporterja AtAAP1 je bila povečana ob dodatku saharoze ali glukoze. Že dolgo časa je znano, da pomankanje nitrata v tleh povzroči povečano aktivnost sprejema nitrata. Le malo pa je znano o vplivu razpoložljivosti nitrata na aminokislinske transporterje. Pri Arabidopsis so ob pomankanju nitrata opazili indukcijo sinteze transporterja AtAAP1. Dokazana je tudi indukcija ekspresije AtAAP1 z amonijem ali aminokislinami (Glu in Gln) (Liu in Bush, 2006).

Geni aminokislinskih transporterjev imajo zapleteno ekspresijo in so regulirani s strani številnih razvojnih in okoljskih signalov. Kljub vse številčnejšim študijam, je malo znanega o regulatornih elementih v genih transporterjev, ki so odgovorni za nadzor ekspresije (Liu in Bush, 2006).

6 APLIKACIJA

Trg ponuja širok spekter gnojil, ki vsebujejo najrazličnejše aminokisline tudi proteine in druge organske oblike N. Največkrat se gnojila na podlagi aminokislin uporablja za foliarno aplikacijo. Lahko pa tudi za kapljično namakanje oziroma fertigacijo sadnega drevja, vrtnin, okrasnih rastlin in trte. Pomemben je optimalen odmerek in termin gnojenja. Ta je naveden na gnojilnem sredstvu. Pred gnojenjem je priporočljivo opraviti analizo tal, ki nam pove trenutno založenost tal s hranili. Tako lahko določimo optimalen odmerek, saj ne želimo prekomernega gnojenja.

(24)

17 7 EKOLOŠKI VIDIK

Dandanes se običajno uporabljajo anorganska dušikova gnojila. Ta vsebujejo nitrat, ki pa se zaradi visoke mobilnosti v tleh hitro izpira po talnem profilu. Pri gnojenju je sicer za rastlino lahko dostopen, vendar se zaradi izpiranja hitro premakne v nedosegljivo območje. Z zelenjavo dobimo ljudje največ nitrata, a ta ni zdravju škodljiv. Večino ga izločimo skozi ledvice. Produkt pretvorbe nitrata je nitrit, ki pa je zdravju škodljiv. V ustih in želodcu, v kislem okolju se lahko del nitrata pretvori v nitrit. To lahko predstavlja nevarnosti pri prehrani ljudi in pri krmi za prehrano živine (Mihelič in sod., 2009).

Dejstvo, da lahko rastline sprejmejo tudi Norg bi lahko spremenilo strategijo gnojenja pri rastlinah. Zaradi gnojenja z anorganskimi gnojili, se pojavlja evtrofikacija vodnih površin, onesnaževanje podtalnice in zraka. Po drugi strani pa so organska gnojila stabilnejša. Razvoj okolju prijaznih metod pridelave je izredno pomembno za trajnostno kmetijstvo. Uporaba gnojil, ki vsebujejo proteine, aminokisline oz. druge oblike Norg, bi bila lahko pomembna rešitev (Adamczyk in sod., 2010).

8 ZAKLJUČEK

Svetovna populacija se vse hitreje veča. Vedno več prebivalstva zahteva vse večjo oskrbo s hrano. Pri tem pa se soočamo z omejenimi kmetijskimi površinami. Gnojenje je in bo tudi v naprej pomemben ukrep pri vzdrževanju rodovitnosti tal za potrebe pridelave hrane. Oviro predstavlja okolju prijazna kmetijska praksa, ki bo v prihodnje največji izziv.

Odkritje, da so rastline zmožne privzema organskih oblik dušika je odločilno za dobrobit ohranitvi okolju prijazne pridelave hrane. Gnojila na osnovi organskega dušika v obliki aminokislin in proteinov so prihodnost. V tleh so stabilna in se ne izpirajo v globlje plasti talnega profila. Pri tem za razliko od mineralnih gnojil ne prihaja do onesnaževanja podtalnice in s tem ogrožanja virov pitne vode. Anorganska gnojila prav tako vplivajo na evtrofikacijo vodnih površin in cvetenje morja.

Menim, da je na področju sprejema in transporta organskega dušika potrebno še več študij in poskusov. Predvsem so potrebne informacije o delovanju tega transporta v različnih razmerah npr. regulacija vezana na okoljske dejavnike. Na podlagi velikega števila transporterjev za tako aminokisline kot proteine in ostale vire organskega N, sem mnenja da je organski N pomemben vir dušika za rastline. V prihodnje je potrebno razširiti znanje na tem področju in se osredotočiti na čim prejšnje spreminjanje kmetijske prakse, ter pomembno zmanjšanje emisij.

9 VIRI

Adamczyk B., Smolander A., Kitunen V., Godlewski M. 2010. Proteins as nitrogen source for plants. Plant Signaling and Behavior, 5, 7: 817-819

Dinkeloo K., Boyd S., Pilot G. 2018. Update on amino acid transporter functions and on possible amino acid sensing mechanisms in plants. Seminars in Cell and Developmental Biology, 74: 105-113

(25)

18

Ganeteg U., Ahmad I., Jämtgård S., Aguetoni-Cambui C., Inselsbacher E., svennerstam H., Schmidt S., Näsholm T. 2017. Amino acid transporter mutants of Arabidopsis provides evidence that a non-mycorrhizal plants acquires organic nitrogen from agricultural soil.

Plant, Cell and Environment, 40, 3: 413-423

Kraiser T., Gras E. D., Gutiérres G. A., González B., Gutiérrez A. R. 2011. A holistic view of nitrogen acquisition in plants. Journal od Experimental Botany, 62, 4: 1455-1466

Liu X., Bush R. D. 2006. Expression and transcriptional regulation of amino acid transporters in plants. Amino Acids, 30, 2: 113-120

Mérigout P., Lelandais M., Bitton F., Renou P.-J., Briand X., Meyer C., Vedele-Daniel F.

2008. Physiological and transcriptomic aspects of urea uptake and assimilation in arabidopsis plants. Plant Physiology, 147, 3:1225-1238

Mihelič R., Čop J., Jakše M., Štampar F., Majer D., Tojnko S., Vršič S. 2009. Smernice za strokovno utemeljeno gnojenje. Ljubljana, Ministrstvo za kmetijstvo, gozdarstvo in prehrano: 180 str.

Muratore C., Espen L., Prinsi B. 2021. Nitrogen uptake in plants: the plasma membrane root transport systems from a physiological and proteomic perspective. Plants, 10, 4: 1-26 Ortiz-Lopez A., Chang C. H., Bush R. D. 2000. Amino acid transporters in plants. Biochimica

et Biophysica Acta – Biomembranes, 1465, 1-2: 257-280

Pratelli R., Pilot G. 2014. Regulation of amino acid metabolic enzymes and transporters in plants. Journal od Experimental Botany, 65, 19: 5535-5556

Rentsch D., Schmidt S., Tegeder M. 2007. Transporters for uptake and allocation of organic nitrogen compounds in plants. Federation of European Biochemical Societies Letters, 581, 12: 2281-2289

Sun J., Zheng N. 2015. Molecular mechanism underlying the plant NRT1.1 dual-affinity nitrate transporter. Frontiers in Physiology, 6, 386, doi: 10.3389/fphys.2015.00386: 6 str.

Taiz L., Zeiger E., Moller M. I., Murphy A. 2015. Plant physiology and development. 6 izd.

U. S. A., Sinauer Associates: 761 str.

Tegeder M., Masclaux-Daubresse C. 2018. Source and sink mechanisms of nitrogen tramsports and use. New Phytologist, 217, 1: 35-53

Vodnik D., Kladnik A., Turk B., Batič F., Kranjc Urbanek A. 2012. Osnove fiziologije rastlin.

Ljubljana, Biotehniška fakulteta, oddelek za agronomijo: 141 str.

Zhang X., Ward B. B., Sigman M. D. 2020. Global nitrogen cycle: critical enzymes, organisms, and processes for nitrogen budgets and dynamics. Chemical Reviews, 120, 12:

5308-5351

Wang M., Shen Q., Xu G., Guo S. 2014. New insight into the strategy for nitrogen metabolism in plant cells. International Review of Cell and Molecular Biology, 310, 2014:

1-37

(26)

19 ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju red. prof. dr. Dominiku Vodniku, za pomoč in usmeritve pri pripravi diplomskega dela.

Zahvaljujem se tudi fantu in družini za spodbudo pri pisanju diplomskega dela.