Wasser- und Mineralgewinnung

Wasser macht mehr als 80% der Masse von den meisten Pflanzen aus. Es ist wesentlich für die Photosynthese, den Metabolismus und den Transport von Nährstoffen und anderen Molekülen. Anorganische Nährstoffe sind ebenfalls grundwichtig für das Pflanzenwachstum und die Reproduktion. Zum Beispiel ist Stickstoff ein Grundbaustein der wichtigsten Biomoleküle wie beispielsweise Aminosäuren, während Kalium lebensnotwendig ist zur Öffnung und zum Schließen von Stomata. Wie absorbieren Pflanzen zuverlässig Nährstoffe und große Mengen von Wasser? Die meisten Pflanzen beziehen Wasser und Mineralien vom Boden, in dem sie verwurzelt sind. Pflanzenwurzeln geben Wasserstoffionen und Kohlendioxid frei. Kohlendioxid reagiert mit Wasser, bildet ein Bikarbonat-Anion und zusätzliche Wasserstoffionen. Die Wasserstoffionen binden sich an die negativ geladenen Bodenpartikel, die positiv geladene Ionen, wie beispielsweise Kalium, in die Bodenlösung freisetzen. Dieser Prozess wird als Kationenaustausch bezeichnet und macht für die Pflanze Nährstoffe verfügbar. Die Wurzelarchitektur und Verzweigungsmuster sind grundwichtig für effiziente Wasser- und Nährstoffaufnahme. Zum Beispiel bildet die äußere Schicht von Zellen, die in Kontakt ist mit dem Boden, winzige Wurzelhärchen. Diese spezialisierten Zellen haben große Oberflächenbereiche, die Wasser durch sowohl aktive als auch passive Prozesse absorbieren. Zum Beispiel können Wasser und aufgelöste Nährstoffe passiv in den Apoplat diffundieren, der alle Zellwände und Räume zwischen den Zellen umfasst. Der Raum innerhalb der Zellmembran wird als Symplast bezeichnet. Wasser tritt in den Symplast mittels Osmose über die Zellmembrane ein, während Nährstoffe mittels aktivem Transport aufgenommen werden. Sobald Wasser und Mineralien in den Symplast eindringen, bewegen sie sich frei zum Zentrum der Wurzel über Verbindungen zwischen den Zellen. Wasser und Nährstoffe im Apoplast jedoch, werden vom Eintritt in die Stele durch die casparischen Streifen gehindert. Vasparische Streifen sind Schichten von wasserundurchlässigem Suberin in den Zellen der Epidermis, die die Stele umgeben. Diese Strukturen hindern den Durchgang potentiell unerwünschter oder toxischer Elemente. Um in das Zentrum der Wurzel einzudringen müssen alle gelösten Stoffe eine Plasmamembrane durchqueren. Sobald sie in den Symplast eindringen, treten Wasser und Nährstoffe in die Stele ein, die sie in alle Teile der Pflanze verteilt, um deren grundlegende Rollen zu erfüllen.