น้ำในดินเคลื่อนที่เข้าสู่รากได้โดยกระบวนการ osmosis ส่วนแร่ธาตุที่อยู่ในรูปสารละลายผ่านเข้าสู่รากได้โดยกระบวนการแพร่ และ active transport เมื่อน้ำและแร่ธาตุผ่านเข้าสู่ภายในเซลล์ขนรากแล้ว น้ำจะออสโมซิสจากเซลล์ขนรากไปยังเซลล์รากที่อยู่ติดกันไปเรื่อยๆ จนถึงท่อลำเลียงที่เรียกว่า ไซเล็ม (xylem) น้ำและแร่ธาตุจะถูกส่งไปตามไซเล็มไปยังส่วนต่างๆ ของพืช

เส้นทางการลำเลียงน้ำ

ขนราก --> คอร์เท็กซ์ --> เอนโดเดอร์มิส --> เพอริไซเคิล --> ไซเล็ม

โครงสร้างที่ทำหน้าที่ในการลำเลียงน้ำ

น้ำและแร่ธาตุที่รากดูดซึมจากดินจะผ่านเซลล์ชั้นนอก คือ epidermis เข้าสู่เซลล์ชั้นใน คือ cortex, endodermis และไซเล็มของราก โดยอาศัยการลำเลียงทางด้านข้าง (lateral transport) ซึ่งอยู่ในแนวรัศมีของต้นพืช และเป็นระยะทางสั้นๆ

น้ำและแร่ธาตุจากดินจะถูกดูดซึมโดยขนรากผ่านชั้น cortex จนถึง endodermis ด้วย 2 วิธี คือ

1. apoplast คือ การที่น้ำและแร่ธาตุผ่านจากเซลล์หนึ่งไปยังเซลล์หนึ่ง โดยผ่านช่องว่างระหว่างผนังเซลล์ในชั้น cortex และผ่านเซลล์ที่ไม่มีชีวิต (ยกเว้น endodermis) คือ tracheid และ vessel

2. simplest คือ การที่น้ำและแร่ธาตุผ่านจากเซลล์หนึ่งไปยังอีกเซลล์หนึ่ง โดยผ่านทางไซโทพลาซึมที่เชื่อมต่อกัน และทะลุไปอีกเซลล์หนึ่งโดยผ่านทาง plasmodesmata ดังนั้น การที่น้ำและแร่ธาตุสามารถผ่านไปจึงเป็นการผ่านชั้นเยื่อหุ้มเซลล์เท่านั้น เมื่อน้ำและแร่ธาตุเคลื่อนมาถึง เอนโดเดอร์มิสซึ่งมีแคสพาเรียนสตริป (Kasparian strip) กั้นอยู่ที่ผนังเซลล์ น้ำและแร่ธาตุจะผ่านไปตามผนังเซลล์ไม่ได้ ดังนั้น น้ำและแร่ธาตุจึงต้องผ่านไปทางไซโทพลาซึมของเซลล์เอนโดเดอร์มิส

นั่นคือ ในวิธี apoplast น้ำและแร่ธาตุจะผ่านชั้นเอนโดเดอร์มิสไปไม่ได้ จึงต้องใช้วิธีซิมพลาสต์ผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ของเอนโดเดอร์มิส เข้าสู่ cytoplasm ของ endodermis แล้วจึงเข้าสู่ stele จนถึงไซเล็ม แร่ธาตุที่ผ่านเยื่อหุ้มเซลล์จึงถูกคัดเลือกโดยเยื่อหุ้มเซลล์

แรงที่ช่วยในการลำเลียงน้ำในพืช

1. แรงดันราก (root pressure) เกิดจากการดูดน้ำเข้ามาสะสมและแออัดอยู่ใน xylem ทำให้เกิดแรงดันของน้ำภายในราก

2. แรงดึงจากการคายน้ำ (transpiration pull) เกิดจากการที่พืชคายน้ำออกทางปากใบ ทำให้เกิดแรงดึงในท่อไซเล็มดึงน้ำขึ้นสู่ลำต้นและใบได้ น้ำทุกส่วนในพืชลำเลียงต่อกันเป็นสายและจะมีแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลของน้ำ เรียกว่า cohesion เมื่อพืชคายน้ำออกทางปากใบ จะมีแรงดึงให้น้ำเคลื่อนที่ไม่ขาดตอน ไซเล็มเป็นท่อลำเลียงที่มีขนาดเล็ก เปรียบเหมือนหลอดคะปิลลารี ซึ่งมีแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลของน้ำ กับผนังด้านข้างของท่อไซเล็ม เรียกว่า adhesion ทำให้น้ำเคลื่อนที่ขึ้นไปตามท่อไซเล็มเล็กๆ เรียกกระบวนการนี้ว่า capillary action 

การลำเลียงธาตุอาหารในพืช

เนื่องจากน้ำเป็นตัวทำละลายที่ดี ดังนั้น น้ำที่พืชดูดเข้าไปใช้จึงไม่ใช่น้ำบริสุทธิ์ เนื่องจากน้ำที่อยู่ในดินย่อมต้องละลายแร่ธาตุต่างๆ ปะปนเข้าไปด้วย
 

การที่แร่ธาตุต่างๆ จะผ่านเข้าไปในเซลล์ได้ จะต้องผ่านจากผนังเซลล์เข้าสู่เยื่อหุ้มเซลล์ ซึ่งมีสมบัติเป็นเยื่อเลือกผ่าน (selective permeable membrane) การลำเลียงแร่ธาตุต่างๆ ที่ละลายเป็นไอออน แล้วเข้าสู่เยื่อหุ้มเซลล์ ไม่สามารถผ่านได้โดยอิสระ การลำเลียงแร่ธาตุจึงมีความซับซ้อนมากกว่าการลำเลียงน้ำที่เกิดโดยวิธีออสโมซิส การลำเลียงแร่ธาตุของพืชเกิดโดยวิธีการดังนี้

1. passive transport เป็นการลำเลียงสารหรือแร่ธาตุ จากบริเวณที่มีแร่ธาตุเข้มข้นมากกว่า ไปยังบริเวณที่มีแร่ธาตุเข้มข้นน้อยกว่าโดยไม่ต้องใช้พลังงาน แต่อาศัยหลักของการแพร่ (diffusion) นั่นคือ ไอออนหรือสารละลายจะเคลื่อนที่จากบริเวณที่มีความต่างศักย์เคมีสูงกว่า ไปยังบริเวณที่มีความต่างศักย์ทางเคมีต่ำกว่า จนกว่าความต่างศักย์ทางเคมีของสองบริเวณนี้เท่ากัน

2. active transport เป็นการลำเลียงสารหรือแร่ธาตุ จากบริเวณที่มีแร่ธาตุเข้มข้นน้อยกว่า หรือเจือจางกว่า ไปยังบริเวณที่มีสารหรือแร่ธาตุเข้มข้นมากกว่า ซึ่งเป็นการลำเลียงที่ต่อต้านกับความเข้มข้นของสาร ดังนั้น วิธีนี้จึงต้องอาศัยพลังงานจาก ATP ช่วย ซึ่งเป็นวิธีที่รากและลำต้นจะมีโอกาสสะสมแร่ธาตุต่างๆ ไว้ได้ ทำให้พืชดูดแร่ธาตุจากภายนอกเข้ามาได้ ทั้งๆ ที่ความเข้มข้นของแร่ธาตุชนิดนั้นภายในเซลล์มีมากกว่าภายนอกเซลล์แล้วก็ตาม

การได้รับแก๊สออกซิเจนของราก มีความสัมพันธ์กับการดูดแร่ธาตุของรากคือ ออกซิเจนที่รากได้รับจากดินถูกนำไปใช้ในกระบวนการเมแทบอลิซึมของเซลล์ราก ในกรณีที่ออกซิเจนในดินน้อย อัตราเมแทบอลิซึมของเซลล์รากจะน้อยลงด้วย ถ้าพลังงานจาก ATP ที่มีความจำเป็นต่อกระบวนการ active transport เกิดขึ้นน้อย การลำเลียงสารโดยกระบวนการนี้จะไม่สามารถดำเนินต่อไปได้ ปริมาณการดูดแร่ธาตุเข้าสู่เซลล์รากจะลดลง
 

ธาตุอาหารที่พืชต้องการ แบ่งเป็น 2 กลุ่มใหญ่ คือ

1. ธาตุอาหารที่พืชต้องการในปริมาณมาก ได้แก่

- ธาตุอาหารหลัก คือ ไนโตรเจน ฟอสฟอรัส และโพแทสเซียม

- ธาตุอาหารรอง คือ แคลเซียม แมกนีเซียม ซัลเฟอร์

2. ธาตุอาหารที่พืชต้องการในปริมาณน้อย ได้แก่ แมงกานีส สังกะสี ทองแดง โบรอน และคลอรีน

หน้าที่และความสำคัญของธาตุต่างๆ

1. ไนโตรเจน (N) เป็นธาตุที่สำคัญต่อการเจริญเติบโตของพืช โดยเฉพาะในการสร้างกรดอะมิโน (amino acids) กรดนิวคลีอิก (nucleic acids) โปรตีน และฮอร์โมนชนิดต่างๆ รวมไปถึงการมีความเกี่ยวพันโดยตรงต่อกระบวนการสังเคราะห์แสง ซึ่งไนโตรเจนเป็นหนึ่งในองค์ประกอบหลักของคลอโรฟิลล์ (chlorophyll) ที่ทำให้พืชมีสีเขียว 

ในสภาวะขาดแคลน : สีของใบเปลี่ยนเป็นสีเหลือง ขนาดของใบเล็กลง ลำต้นแคระแกร็น และมีผลผลิตต่ำ

2. ฟอสฟอรัส (P) เป็นธาตุอาหารที่กระตุ้นและเร่งการเจริญเติบโตของรากพืช เป็นธาตุที่ส่งผลต่อการควบคุมการออกดอก ออกผล และการสร้างเมล็ด อีกทั้งยังมีความสำคัญต่อกระบวนการต่างๆ ไม่ว่าจะเป็นการสังเคราะห์แสง การกักเก็บและถ่ายโอนพลังงาน และกระบวนการหายใจของพืช

ในสภาวะขาดแคลน : ระบบรากของพืชไม่สามารถเจริญเติบโตอย่างสมบูรณ์ ใบแก่จะมีการเปลี่ยนสีจากสีเขียวเป็นสีม่วง แล้วกลายเป็นสีน้ำตาลและหลุดร่วง ลำต้นแคระแกร็น และไม่ผลิดอกออกผล

3. โพแทสเซียม (K) เป็นธาตุอาหารที่มีส่วนช่วยในการสังเคราะห์น้ำตาล แป้ง และโปรตีน ส่งเสริมกระบวนการเคลื่อนย้ายน้ำตาล แป้ง และน้ำมัน รวมถึงประสิทธิภาพการใช้น้ำของพืชและการให้ผลผลิต อีกทั้งยังช่วยส่งเสริมพืชในการต้านทานโรคและแมลงบางชนิด

ในสภาวะขาดแคลน : ลำต้นไม่แข็งแรง การเจริญของดอกและผลไม่สมบูรณ์ ผลผลิตมีคุณภาพต่ำ โดยเฉพาะผลผลิตที่เน้นด้านรสชาติและสีสัน

4. แคลเซียม (Ca) เป็นธาตุอาหารที่เป็นหนึ่งในองค์ประกอบหลักของการเจริญเติบโตของพืช ซึ่งมีส่วนช่วยในการแบ่งเซลล์ การผสมเกสร การงอกของเมล็ด การเจริญของใบและราก

ในสภาวะขาดแคลน : มีการเจริญของใบใหม่ที่ไม่สมบูรณ์ ตายอดไม่เจริญ อาจมีจุดดำที่เส้นใบ รากสั้น และให้ผลผลิตคุณภาพต่ำ

5. แมกนีเซียม (Mg) เป็นธาตุที่เป็นองค์ประกอบสำคัญของคลอโรฟิลล์ ช่วยสังเคราะห์กรดอะมิโน วิตามิน ไขมัน และน้ำตาล ทำให้สภาพกรดด่างในเซลล์เหมาะสม และช่วยส่งเสริมในการงอกของเมล็ด นอกจากนี้ แมกนีเซียมยังมีส่วนส่งเสริมการดูดซึม และนำการฟอสฟอรัสมาใช้ประโยชน์อีกด้วย

ในสภาวะขาดแคลน : มีการเจริญของใบไม่สมบูรณ์ ใบแก่จะเปลี่ยนสี และร่วงโรยในเวลาอันรวดเร็ว

6. กำมะถัน (S) เป็นธาตุที่องค์ประกอบสำคัญของกรดอะมิโน โปรตีน และวิตามินในพืช มีส่วนในการสร้างคลอโรฟิลล์และการผลิตเมล็ด นอกจากนี้ กำมะถันยังเป็นองค์ประกอบของสารระเหยที่สร้างกลิ่นเฉพาะตัวในพืชบางชนิดอีกด้วย

ในสภาวะขาดแคลน : มีการเจริญของใบและลำต้นไม่สมบูรณ์ ส่งผลให้ลำต้นอ่อนแอ

พัดชา วิจิตรวงศ์