Введение

Ассимиляция азота — это образование органических соединений азота, таких как аминокислоты, из неорганических соединений азота, присутствующих в окружающей среде. Организмы, такие как растения, грибы и некоторые бактерии, способные к фиксации азота (N2), зависят от способности ассимилировать нитраты или аммиак для удовлетворения своих потребностей. Другие организмы, такие как животные, полностью зависят от органического азота, получаемого с пищей.

Ассимиляция азота в растениях

Растения поглощают азот из почвы в форме нитрата (NO3−) и аммония (NH4+). В аэробных почвах, где возможна нитрификация, нитрат обычно является основной формой доступного азота, который поглощается. Однако это не всегда так, поскольку аммиак может преобладать на лугах и в затопленных, анаэробных почвах, таких как рисовые поля. Корни растений могут влиять на содержание различных форм азота, изменяя pH и выделяя органические соединения или кислород. Это влияет на микробную активность, включая взаимопревращение различных соединений азота, высвобождение аммиака из органического вещества в почве и фиксацию азота бактериями, не образующими клубеньки. Ионы аммония поглощаются растением посредством транспортеров аммиака. Нитрат поглощается несколькими нитратными транспортерами, использующими протонный градиент для обеспечения транспорта. Азот транспортируется от корня к побегу через ксилему в форме нитрата, растворенного аммиака и аминокислот. Обычно (но не всегда) большая часть восстановления нитрата происходит в побегах, в то время как корни восстанавливают лишь небольшую часть поглощенного нитрата до аммиака. Аммиак (как поглощенный, так и синтезированный) включается в аминокислоты посредством пути глутаминсинтетазы – глутаматсинтазы (GS GOGAT). В то время как почти весь аммиак в корне обычно включается в аминокислоты непосредственно в корне, растения могут транспортировать значительное количество ионов аммония в ксилеме для фиксации в побегах. Это может помочь избежать транспортировки органических соединений к корням только для переноса азота обратно в виде аминокислот. Восстановление нитрата происходит в два этапа. Сначала нитрат восстанавливается до нитрита (NO2−) в цитозоле нитратредуктазой с использованием NADH или NADPH. В нефотосинтезирующих тканях NADPH образуется в результате гликолиза и пентозофосфатного пути. В хлоропластах глутаминсинтетаза включает этот аммиак в амидную группу глутамина, используя глутамат в качестве субстрата. Глютаматсинтаза (Fd GOGAT и NADH GOGAT) переносит амидную группу на молекулу 2-оксоглутарата, образуя две молекулы глутамата. Последующие трансаминации приводят к образованию других аминокислот (чаще всего аспарагина) из глутамина. Хотя фермент глутаматдегидрогеназа (GDH) не играет прямой роли в ассимиляции, он защищает митохондриальные функции в периоды интенсивного метаболизма азота и участвует в мобилизации азота.

pH и ионный баланс при ассимиляции азота

Каждый нитратный ион, восстанавливаясь до аммиака, образует один ион OH−. Для поддержания pH-баланса растение должно либо выделять его во внешнюю среду, либо нейтрализовать органическими кислотами. Это приводит к тому, что среда вокруг корней растений становится щелочной при поглощении нитратов. Для поддержания ионного баланса, каждое поглощение NO3− корнем должно сопровождаться либо поглощением катиона, либо выделением аниона. Растения, такие как томаты, поглощают ионы металлов, такие как K+, Na+, Ca2+ и Mg2+, в точном соответствии с количеством поглощенного нитрата, и хранят их в виде солей органических кислот, таких как малат и оксалат. Другие растения, например соя, балансируют большую часть поглощения NO3− выделением OH− или HCO3−. Растения, восстанавливающие нитраты в побегах и выделяющие щелочь из корней, должны транспортировать щелочь в инертной форме от побегов к корням. Для этого они синтезируют яблочную кислоту из нейтральных предшественников, таких как углеводы. Ионы калия, поступающие в листья вместе с нитратом по ксилеме, затем транспортируются к корням вместе с малатом через флоэму. В корнях малат расходуется. При преобразовании малата обратно в яблочную кислоту перед использованием выделяется OH− (RCOO− + H2O > RCOOH + OH−). Затем ионы калия возвращаются вверх по ксилеме со свежим нитратом. Таким образом, растения избегают поглощения и хранения избыточных солей, а также транспортировки OH−. Растения, такие как клещевина, восстанавливают большое количество нитрата непосредственно в корне и выделяют образовавшуюся щелочь. Часть щелочи, образующейся в побегах, транспортируется к корням в виде солей органических кислот, а небольшое количество карбоксилатов накапливается непосредственно в побегах.

Эффективность использования азота

Эффективность использования азота (NUE) – это отношение количества азота, поглощенного и использованного растением, к общему количеству доступного азота. Повышение эффективности использования азота и, следовательно, удобрений, важно для обеспечения устойчивости сельского хозяйства за счет снижения загрязнения (выноса удобрений), производственных затрат и увеличения урожайности. В мировом масштабе сельскохозяйственные культуры обычно демонстрируют эффективность использования азота менее 50%. Улучшенные удобрения, совершенствование агротехники и генетическая инженерия могут способствовать повышению NUE. Эффективность использования азота можно оценивать на разных уровнях: на уровне растения, почвы, вносимых удобрений, продуктивности экосистемы и т.д. Эффективность использования азота в процессе фотосинтеза в листьях называется фотосинтетической эффективностью использования азота (PNUE).