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Phosphor spielt aufgrund seiner Beteiligung an zahlreichen biochemischen Prozessen eine äußerst wichtige Rolle im Leben aller Organismen. Neben den wichtigsten Elementen für Pflanzen – Kohlenstoff, Stickstoff und Kalium – gehört Phosphor zu denjenigen, deren Nährstoffbedarf besonders hoch ist. Phosphor erfüllt wichtige und unersetzliche Funktionen in pflanzlichen Lebensprozessen wie Atmung, Photosynthese, Fettstoffwechsel, Stickstoffstoffwechsel und vielen anderen. Aus biochemischer Sicht liegt die wichtigste Rolle des Phosphors jedoch in seiner Fähigkeit, energiereiche Bindungen einzugehen, wodurch Verbindungen entstehen, die als „Energiespeicher“ dienen.
Der Phosphorkreislauf in der Natur.
Der ständige Austausch von Mineralien oder Elementen zwischen Organismen und ihrer Umwelt wird als biogeochemischer Kreislauf bezeichnet. Einer der wichtigsten ist der Phosphorkreislauf. Er umfasst die Bewegung dieses Elements durch lebende und nichtlebende Teile der Biosphäre. Viele auf der Erde vorkommende chemische Elemente sind für Prozesse und Lebewesen essenziell. Im Gegensatz zu Sauerstoff und Kohlenstoff durchläuft Phosphor komplexe Stoffwechselwege. Er zirkuliert im Boden, Gestein, Wasser und der Erdatmosphäre sowie in den Organismen, die all diese Ökosysteme bewohnen.
Phosphor und Pflanzen.
Phosphorverbindungen kommen hauptsächlich in Gesteinen vor. Phosphor gelangt nicht in die Atmosphäre, aber phosphorhaltige Gesteine setzen durch Verwitterung und Erosion Phosphate (PO₄³⁻) in das Ökosystem frei . Für Pflanzen ist Phosphor ein essenzieller Nährstoff (nach Stickstoff der zweitwichtigste). Pflanzen nehmen Phosphate (H₂PO₄⁻ , HPO₄²⁻ ) über Wurzelhaare auf , winzige Ausstülpungen der Wurzelhaut – der sogenannten Rhizodermis. Auch über Blätter können Pflanzen Phosphor aufnehmen, wobei junges Gewebe und Blätter ihn am effizientesten absorbieren. In der Pflanze wird er in organische Verbindungen umgewandelt. Phosphor ist Bestandteil von Zuckerphosphaten, Nukleotiden, Nukleinsäuren, Phospholipiden und Coenzymen. Pflanzen nutzen verschiedene Strategien, um die Verfügbarkeit und Aufnahme anorganischer Orthophosphate aus dem Substrat zu erhöhen. Die Phosphorverfügbarkeit kann durch die Sekretion organischer Säuren, insbesondere Zitronen- und Ameisensäure, aus den Wurzeln in das Substrat und die Umwandlung von Eisen-, Aluminium- und Calciumphosphaten in Citrate, die von den Pflanzen aufgenommen werden, erhöht werden. Eine verringerte Phosphorverfügbarkeit führt außerdem zu einer erhöhten Aktivität und Sekretion extrazellulärer Phosphatasen in den Wurzeln, welche organische Phosphorverbindungen hydrolysieren. Ein sinkender Phosphorgehalt im Gewebe erhöht die Phosphationenaufnahme, nachdem die Pflanzen in ein Vollmedium überführt wurden. Die erhöhte Aufnahmekapazität für PO₄³⁻ lässt sich durch eine Zunahme der Anzahl von Phosphattransportern in den Zellmembranen und deren Affinität zu Phosphationen erklären. Phosphattransporter sind in den Membranen von Chloroplasten und Mitochondrien bekannt.
Phosphormangel und Pflanzenwachstum
Das Wachstum von Pflanzen mit Phosphormangel ist beeinträchtigt. Im Gegensatz zu Pflanzen mit Stickstoffmangel sind diese Pflanzen dunkelgrün. Phosphormangel führt häufig zu einer übermäßigen Anreicherung von Anthocyanpigmenten im Pflanzengewebe, was das erste Symptom von Phosphormangel ist. Bei starkem Phosphormangel entziehen junge Blätter älteren Blättern Phosphationen, was zu deren Absterben führt. Ein verringerter Phosphorgehalt oder dessen Fehlen in der Umgebung beeinflusst die Wurzelmorphologie: Wurzelmasse und -länge nehmen zu, während der Durchmesser abnimmt. Es bilden sich vermehrt Seitenwurzeln, die sich zudem verlängern. Diese Veränderungen vergrößern die Oberfläche für die Ionenaufnahme. Ultrastrukturelle Untersuchungen der Zellen in der Wurzelwachstumszone zeigten außerdem eine erhöhte Anzahl von Vakuolen und das Vorhandensein sekundärer Vakuolen in der Rinde. Der Phosphorgehalt im Gewebe beeinflusst maßgeblich Verlauf und Intensität der Photosynthese, indem er den Chlorophyllgehalt und die Chloroplastenstruktur verändert sowie die Reaktionen der Licht- und Dunkelphase der Photosynthese und die Trennung und den Stoffwechsel der Photosyntheseprodukte beeinflusst. Ein leichter Phosphormangel im Pflanzengewebe führt zu einem Anstieg des Chlorophyllgehalts in den Blättern.
Die Rolle des Phosphors bei der Speicherung und dem Transfer von Energie in Pflanzengeweben.
Eine der Eigenschaften von Phosphor ist seine Fähigkeit, energiereiche Bindungen zu bilden. Dadurch kann die bei verschiedenen Prozessen freigesetzte Energie zwischengespeichert und später für Prozesse genutzt werden, die Energie benötigen. Biologische Reaktionen lassen sich in exogene und endogene unterteilen. Bei exogenen Reaktionen wird Energie freigesetzt, während bei endogenen Reaktionen Energie aus der Umgebung aufgenommen wird; diese Reaktionen benötigen also Energiezufuhr. Alle wichtigen Syntheseprozesse in der Zelle sind endogen. Synthesereaktionen in biologischen Systemen sind in der Regel endogen und müssen daher, um ablaufen zu können, an eine andere Reaktion gekoppelt sein, die die benötigte Energie liefert. Phosphatbindungen, die signifikante Energiemengen bereitstellen, werden als hochenergetisch bezeichnet.
Autor: Marcin Kołodziejczyk
- Iwona Ciereszko: „Wachstum und Stoffwechsel von Pflanzen unter Phosphormangelbedingungen.“ Kosmos, Band 49, Nummer 1–2, 2000.
- Gerhard Richter: „Stoffwechselprozesse in Pflanzen.“ PWN, 1975. Franck B. Salibury, Cleon Ross: „Pflanzenphysiologie.“ PWRiL, 1975. -
Zurzycki J., Michniewicz M.: „Pflanzenphysiologie.“ PWRiL, 1979.
- Otis F. Daniel, G. Curtis Clark: „Einführung in die Pflanzenphysiologie.“ PWRiL, 1958.
- Anna Nowotna-Mieczyńska: „Physiologie der Mineralstoffernährung von Pflanzen.“ PWRiL, 1965.