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34.11: Wasser- und Mineralgewinnung
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Water and Mineral Acquisition
 
PROTOKOLLE

34.11: Water and Mineral Acquisition

34.11: Wasser- und Mineralgewinnung

Specialized tissues in plant roots have evolved to capture water, minerals, and some ions from the soil. Roots exhibit a variety of branching patterns that facilitate this process. The outermost root cells have specialized structures called root hairs that increase the root surface, thus increasing soil contact. Water can passively cross into roots, as the concentration of water in the soil is higher than that of the root tissue. Minerals, in contrast, are actively transported into root cells.

Soil has a negative charge, so positive ions tend to remain attached to soil particles. To circumvent this, roots pump carbon dioxide into the soil, which spontaneously breaks down, releasing positively charged protons (H+) into the soil. These protons displace soil-associated positively charged ions that are available to be pumped into the root tissue, a process called cation exchange. Negatively charged anions exploit the tendency of H+ ions to diffuse down their concentration gradient and back into root cells using co-transport: ions like Cl- are cotransported into the root tissue in association with H+ ions.

Molecules can travel into the core of the root tissue, called the stele, by two routes. Apoplastic transport is the movement of molecules in the spaces created between the continuous cell walls of neighboring cells and their corresponding membranes. In contrast, symplastic transport is the movement of molecules through the cytoplasm of plant cells, which utilizes cellular junctions called plasmodesmata, which allow the free cytoplasmic passage of molecules between adjacent cells. In order to enter the stele, molecules must move into the symplast, as Casparian strips located in the root's endodermis prevent passage of solutes in the apoplast from entering the stele. Therefore, in order to enter into the symplast, solutes must pass through a cell's semipermeable membrane, protecting cells from toxic or unwanted molecules from the soil.

Spezialisierte Gewebe in Pflanzenwurzeln haben sich entwickelt, um Wasser, Mineralien und einige Ionen aus dem Boden zu fangen. Wurzeln weisen eine Vielzahl von Verzweigungsmustern auf, die diesen Prozess erleichtern. Die äußersten Wurzelzellen haben spezielle Strukturen, die Wurzelhaare genannt werden, die die Wurzeloberfläche erhöhen und so den Bodenkontakt erhöhen. Wasser kann passiv in Wurzeln eindringen, da die Wasserkonzentration im Boden höher ist als die des Wurzelgewebes. Mineralien hingegen werden aktiv in Wurzelzellen transportiert.

Der Boden hat eine negative Ladung, so dass positive Ionen tendenziell an Bodenpartikeln befestigt bleiben. Um dies zu umgehen, pumpen Wurzeln Kohlendioxid in den Boden, das spontan zusammenbricht und positiv geladene Protonen (H+) in den Boden freisetzt. Diese Protonen verdrängen bodenassoziierte positiv geladene Ionen, die in das Wurzelgewebe gepumpt werden können, ein Prozess, der Kationenaustausch genannt wird. Negativ geladene Anionen nutzen die Tendenz von H+ Ionen aus, ihren Konzentrationsgradienten nach unten und zurück in Wurzelzellen mittels Co-Transport zu diffundieren: Ionen wie Cl- werden in Verbindung mit H+ Ionen in das Wurzelgewebe mittransportiert.

Moleküle können auf zwei Wegen in den Kern des Wurzelgewebes, die so genannte Stele, eindringen. Der apoplastische Transport ist die Bewegung von Molekülen in den Räumen, die zwischen den kontinuierlichen Zellwänden benachbarter Zellen und ihren entsprechenden Membranen entstehen. Im Gegensatz dazu ist der symplastische Transport die Bewegung von Molekülen durch das Zytoplasma von Pflanzenzellen, das zelluläre Verbindungen, Plasmodesmata genannt, nutzt, die den freien zytoplasmatischen Durchgang von Molekülen zwischen benachbarten Zellen ermöglichen. Um in die Stele eindringen zu können, müssen sich Moleküle in den Symplast bewegen, da Casparian-Streifen, die sich in der Endodermis der Wurzel befinden, verhindern, dass die Durchfahrt von Solutes im Apoplast in die Stele gelangt. Um in den Symplast einzutreten, müssen daher Solutes durch die halbdurchlässige Membran einer Zelle gelangen und Zellen vor toxischen oder unerwünschten Molekülen aus dem Boden schützen.


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