બધા જીવંત સજીવોની મૂળભૂત જરૂરિયાતો મૂળતઃ સમાન જ છે. તેમના વિકાસ અને વૃદ્ધિ માટે તેમને મહાઅણુઓ, જેમ કે કાર્બોદિત, પ્રોટીન અને ચરબી, અને પાણી અને ખનિજોની જરૂર પડે છે.

આ અધ્યાય મુખ્યત્વે અકાર્બનિક વનસ્પતિ પોષણ પર કેન્દ્રિત છે, જેમાં તમે વનસ્પતિઓની વૃદ્ધિ અને વિકાસ માટે આવશ્યક તત્વોને ઓળખવાની પદ્ધતિઓ અને આવશ્યકતા સ્થાપિત કરવાના માપદંડોનો અભ્યાસ કરશો. તમે આવશ્યક તત્વોની ભૂમિકા, તેમના મુખ્ય ઉણપ લક્ષણો અને આ આવશ્યક તત્વોના શોષણની ક્રિયાવિધિનો પણ અભ્યાસ કરશો. આ અધ્યાય તમને જૈવિક નાઇટ્રોજન સ્થાપનના મહત્વ અને ક્રિયાવિધિનો સંક્ષિપ્ત પરિચય પણ આપે છે.

12.1 વનસ્પતિઓની ખનિજ જરૂરિયાતોનો અભ્યાસ કરવાની પદ્ધતિઓ

1860માં, જુલિયસ વોન સેક્સ, એક પ્રખ્યાત જર્મન વનસ્પતિવિજ્ઞાનીએ, પ્રથમ વખત દર્શાવ્યું કે વનસ્પતિઓને માટીની સંપૂર્ણ ગેરહાજરીમાં, વ્યાખ્યાયિત પોષક દ્રાવણમાં પરિપક્વતા સુધી ઉગાડી શકાય છે. પોષક દ્રાવણમાં વનસ્પતિઓ ઉગાડવાની આ તકનીક હાઇડ્રોપોનિક્સ તરીકે ઓળખાય છે. ત્યારથી, વનસ્પતિઓ માટે આવશ્યક ખનિજ પોષક તત્વો નક્કી કરવાનો પ્રયાસ કરવા માટે અનેક સુધારેલી પદ્ધતિઓનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો છે. આ બધી પદ્ધતિઓનો સાર માટી-મુક્ત, વ્યાખ્યાયિત ખનિજ દ્રાવણમાં વનસ્પતિઓની સંસ્કૃતિ સમાવે છે. આ પદ્ધતિઓ માટે શુદ્ધ પાણી અને ખનિજ પોષક ક્ષારોની જરૂર પડે છે. તમે સમજાવી શકો છો કે આ એટલું આવશ્યક કેમ છે?

પ્રયોગોની શ્રેણી પછી જેમાં વનસ્પતિઓની મૂળને પોષક દ્રાવણમાં ડુબાડવામાં આવી હતી અને જેમાં કોઈ એક તત્વ ઉમેરવામાં/બદલવામાં/દૂર કરવામાં અથવા વિવિધ સાંદ્રતામાં આપવામાં આવ્યું હતું, તેમાંથી વનસ્પતિ વૃદ્ધિ માટે યોગ્ય ખનિજ દ્રાવણ મેળવવામાં આવ્યું. આ પદ્ધતિ દ્વારા, આવશ્યક તત્વોને ઓળખવામાં આવ્યા અને તેમની ઉણપ લક્ષણો શોધાયાં. ટમાટર, બીજ વગરના કાકડી અને લેટ્યુસ જેવી શાકભાજીના વ્યાપારી ઉત્પાદન માટે એક તકનીક તરીકે હાઇડ્રોપોનિક્સનો સફળતાપૂર્વક ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો છે. એ ભારપૂર્વક કહેવું જોઈએ કે શ્રેષ્ઠ વૃદ્ધિ મેળવવા માટે પોષક દ્રાવણોને પર્યાપ્ત રીતે હવાયુક્ત કરવા જોઈએ. જો દ્રાવણો ખરાબ રીતે હવાયુક્ત હોય તો શું થશે? હાઇડ્રોપોનિક તકનીકના રેખાકૃતિ દૃશ્યો આકૃતિ 12.1 અને 12.2માં આપવામાં આવ્યા છે.

12.2 આવશ્યક ખનિજ તત્વો

માટીમાં હાજર મોટાભાગના ખનિજો મૂળ દ્વારા વનસ્પતિઓમાં પ્રવેશ કરી શકે છે. હકીકતમાં, અત્યાર સુધી શોધાયેલા 105માંથી 60 કરતાં વધુ તત્વો વિવિધ વનસ્પતિઓમાં જોવા મળે છે. કેટલીક વનસ્પતિ પ્રજાતિઓ સેલેનિયમ સંચય કરે છે, કેટલીક અન્ય સોનું, જ્યારે ન્યુક્લિયર ટેસ્ટ સાઇટ્સની નજીક ઉગતી કેટલીક વનસ્પતિઓ રેડિયોએક્ટિવ સ્ટ્રોન્શિયમ લે છે. એવી તકનીકો છે જે ખનિજોને ખૂબ જ ઓછી સાંદ્રતા (10-8 g/ mL) પર પણ શોધી શકે છે. પ્રશ્ન એ છે કે, શું વનસ્પતિમાં હાજર તમામ વિવિધ ખનિજ તત્વો, ઉદાહરણ તરીકે, ઉપર ઉલ્લેખિત સોનું અને સેલેનિયમ, ખરેખર વનસ્પતિઓ માટે જરૂરી છે? વનસ્પતિઓ માટે શું આવશ્યક છે અને શું નથી તેનો નિર્ણય આપણે કેવી રીતે કરીએ?

12.2.1 આવશ્યકતાના માપદંડો

કોઈ તત્વની આવશ્યકતાના માપદંડો નીચે આપેલા છે:

(ક) સામાન્ય વૃદ્ધિ અને પ્રજનનને આધાર આપવા માટે તત્વ સંપૂર્ણપણે આવશ્યક હોવું જોઈએ. તત્વની ગેરહાજરીમાં વનસ્પતિઓ તેમનો જીવન ચક્ર પૂર્ણ કરતી નથી અથવા બીજ ધરાવતી નથી.

(ખ) તત્વની જરૂરિયાત વિશિષ્ટ હોવી જોઈએ અને બીજા તત્વ દ્વારા બદલી શકાય તેવી ન હોવી જોઈએ. બીજા શબ્દોમાં કહીએ તો, કોઈ પણ એક તત્વની ઉણપ કોઈ અન્ય તત્વ પૂરું પાડીને પૂરી થઈ શકતી નથી.

(ગ) તત્વ સીધું જ વનસ્પતિના ચયાપચયમાં સામેલ હોવું જોઈએ.

ઉપરોક્ત માપદંડોના આધારે માત્ર થોડા જ તત્વો વનસ્પતિ વૃદ્ધિ અને ચયાપચય માટે સંપૂર્ણપણે આવશ્યક જોવા મળ્યા છે. આ તત્વોને તેમની જથ્થાત્મક જરૂરિયાતોના આધારે આગળ બે વ્યાપક શ્રેણીઓમાં વિભાજિત કરવામાં આવ્યા છે.

(i) મહાપોષક તત્વો, અને

(ii) સૂક્ષ્મ પોષક તત્વો

મહાપોષક તત્વો સામાન્ય રીતે વનસ્પતિ ઊતકોમાં મોટી માત્રામાં હાજર હોય છે (10 mmole Kg –1 શુષ્ક દ્રવ્ય કરતાં વધુ). મહાપોષક તત્વોમાં કાર્બન, હાઇડ્રોજન, ઓક્સિજન, નાઇટ્રોજન, ફોસ્ફરસ, સલ્ફર, પોટેશિયમ, કેલ્શિયમ અને મેગ્નેશિયમનો સમાવેશ થાય છે. આમાંથી, કાર્બન, હાઇડ્રોજન અને ઓક્સિજન મુખ્યત્વે CO2 અને H2O માંથી મેળવવામાં આવે છે, જ્યારે અન્ય ખનિજ પોષણ તરીકે માટીમાંથી શોષવામાં આવે છે.

સૂક્ષ્મ પોષક તત્વો અથવા ટ્રેસ તત્વો, ખૂબ જ ઓછી માત્રામાં જરૂરી હોય છે (10 mmole Kg –1 શુષ્ક દ્રવ્ય કરતાં ઓછા). આમાં આયર્ન, મેંગેનીઝ, કોપર, મોલિબ્ડેનમ, ઝિંક, બોરોન, ક્લોરિન અને નિકલનો સમાવેશ થાય છે.

ઉપર નામ આપેલા 17 આવશ્યક તત્વો ઉપરાંત, કેટલાક લાભકારી તત્વો જેવા કે સોડિયમ, સિલિકોન, કોબાલ્ટ અને સેલેનિયમ હોય છે. તે ઉચ્ચ વનસ્પતિઓ દ્વારા જરૂરી છે.

આવશ્યક તત્વોને તેમની વિવિધ કાર્યોના આધારે ચાર વ્યાપક શ્રેણીઓમાં પણ વર્ગીકૃત કરી શકાય છે. આ શ્રેણીઓ છે: (i) જૈવઅણુઓના ઘટકો અને તેથી કોષોના માળખાકીય તત્વો તરીકે આવશ્યક તત્વો (ઉદા., કાર્બન, હાઇડ્રોજન, ઓક્સિજન અને નાઇટ્રોજન).

(ii) વનસ્પતિઓમાં ઊર્જા-સંબંધિત રાસાયણિક સંયોજનોના ઘટકો તરીકે આવશ્યક તત્વો (ઉદા., ક્લોરોફિલમાં મેગ્નેશિયમ અને ATP માં ફોસ્ફરસ).

(iii) આવશ્યક તત્વો જે ઉત્સેચકોને સક્રિય અથવા નિષ્ક્રિય કરે છે, ઉદાહરણ તરીકે Mg2+ રિબ્યુલોઝ બાયફોસ્ફેટ કાર્બોક્સિલેઝઓક્સિજનેઝ અને ફોસ્ફોએનોલ પાયરુવેટ કાર્બોક્સિલેઝ બંને માટે સક્રિયક છે, જે બંને પ્રકાશસંશ્લેષી કાર્બન સ્થાપનમાં નિર્ણાયક ઉત્સેચકો છે; Zn2+ એલ્કોહોલ ડિહાઇડ્રોજનેઝનો સક્રિયક છે અને નાઇટ્રોજન ચયાપચય દરમિયાન મોલિબ્ડેનમ નાઇટ્રોજનેઝનો સક્રિયક છે. શું તમે આ શ્રેણીમાં આવતા કેટલાક વધુ તત્વોનું નામ આપી શકો છો? આ માટે, તમારે તમે અગાઉ અભ્યાસ કરેલા કેટલાક જૈવરાસાયણિક માર્ગોને યાદ કરવાની જરૂર પડશે.

(iv) કેટલાક આવશ્યક તત્વો કોષની પરાસરણ ક્ષમતા બદલી શકે છે. પોટેશિયમ રંધ્રોના ખુલવા અને બંધ થવામાં મહત્વપૂર્ણ ભૂમિકા ભજવે છે. તમે કોષના જલીય ક્ષમતા નક્કી કરવામાં દ્રાવ્ય તરીકે ખનિજોની ભૂમિકા યાદ કરી શકો છો.

12.2.2 મહા- અને સૂક્ષ્મ-પોષક તત્વોની ભૂમિકા

આવશ્યક તત્વો અનેક કાર્યો કરે છે. તેઓ વનસ્પતિ કોષોમાં વિવિધ ચયાપચય પ્રક્રિયાઓમાં ભાગ લે છે જેમ કે કોષ પટલની પારગમ્યતા, કોષ રસની પરાસરણ સાંદ્રતાની જાળવણી, ઇલેક્ટ્રોન-પરિવહન પ્રણાલીઓ, બફર ક્રિયા, ઉત્સેચકીય પ્રવૃત્તિ અને મહાઅણુઓ અને સહ-ઉત્સેચકોના મુખ્ય ઘટકો તરીકે કાર્ય કરે છે.

આવશ્યક પોષક તત્વોના વિવિધ સ્વરૂપો અને કાર્યો નીચે આપેલા છે.

નાઇટ્રોજન: આ વનસ્પતિઓ દ્વારા સૌથી વધુ જરૂરી પોષક તત્વ છે. તે મુખ્યત્વે NO3– તરીકે શોષવામાં આવે છે જોકે કેટલાક NO2– અથવા NH4+ તરીકે પણ લેવામાં આવે છે. નાઇટ્રોજન વનસ્પતિના તમામ ભાગો દ્વારા જરૂરી છે, ખાસ કરીને વિભાજ્ય ઊતકો અને ચયાપચય સક્રિય કોષો દ્વારા. નાઇટ્રોજન પ્રોટીન, ન્યુક્લિક એસિડ, વિટામિન અને હોર્મોનના મુખ્ય ઘટકોમાંનું એક છે.

ફોસ્ફરસ: ફોસ્ફરસ વનસ્પતિઓ દ્વારા ફોસ્ફેટ આયનો (H2 PO−4 અથવા HPO2− 4) ના સ્વરૂપમાં માટીમાંથી શોષવામાં આવે છે. ફોસ્ફરસ કોષ પટલો, ચોક્કસ પ્રોટીન, તમામ ન્યુક્લિક એસિડ અને ન્યુક્લિઓટાઇડનો ઘટક છે, અને તમામ ફોસ્ફરીલેશન પ્રક્રિયાઓ માટે જરૂરી છે.

પોટેશિયમ: તે પોટેશિયમ આયન (K+) તરીકે શોષવામાં આવે છે. વનસ્પતિઓમાં, આ વિભાજ્ય ઊતકો, કલિકાઓ, પર્ણ અને મૂળના અગ્રભાગમાં વધુ પ્રમાણમાં જરૂરી છે. પોટેશિયમ કોષોમાં એનાયન-કેશન સંતુલન જાળવવામાં મદદ કરે છે અને પ્રોટીન સંશ્લેષણ, રંધ્રોના ખુલવા અને બંધ થવા, ઉત્સેચકોની સક્રિયતા અને કોષોની સ્ફીતિ જાળવવામાં સામેલ છે.

કેલ્શિયમ: વનસ્પતિ કેલ્શિયમ આયનો (Ca2+) ના સ્વરૂપમાં માટીમાંથી કેલ્શિયમ શોષે છે. કેલ્શિયમ વિભાજ્ય અને વિભેદક ઊતકો દ્વારા જરૂરી છે. કોષ વિભાજન દરમિયાન તે કોષ ભિત્તિના સંશ્લેષણમાં ઉપયોગમાં લેવાય છે, ખાસ કરીને મધ્ય લેમેલામાં કેલ્શિયમ પેક્ટેટ તરીકે. તે માયટોટિક સ્પિન્ડલની રચના દરમિયાન પણ જરૂરી છે. તે જૂનાં પર્ણમાં સંચય પામે છે. તે કોષ પટલોના સામાન્ય કાર્યમાં સામેલ છે. તે ચોક્કસ ઉત્સેચકોને સક્રિય કરે છે અને ચયાપચયીય પ્રવૃત્તિઓને નિયંત્રિત કરવામાં મહત્વપૂર્ણ ભૂમિકા ભજવે છે.

મેગ્નેશિયમ: તે વનસ્પતિઓ દ્વારા દ્વિસંયોજક Mg2+ ના સ્વરૂપમાં શોષવામાં આવે છે. તે શ્વસન, પ્રકાશસંશ્લેષણના ઉત્સેચકોને સક્રિય કરે છે અને DNA અને RNA ના સંશ્લેષણમાં સામેલ છે. મેગ્નેશિયમ ક્લોરોફિલની રિંગ રચનાનો ઘટક છે અને રાઇબોઝોમ માળખું જાળવવામાં મદદ કરે છે.

સલ્ફર: વનસ્પતિઓ સલ્ફેટ (SO2− 4) ના સ્વરૂપમાં સલ્ફર મેળવે છે. સલ્ફર બે એમિનો એસિડ - સિસ્ટીન અને મેથિઓનાઇનમાં હાજર છે અને અનેક સહ-ઉત્સેચકો, વિટામિન (થાયામિન, બાયોટિન, સહ-ઉત્સેચક A) અને ફેરેડોક્સિનનો મુખ્ય ઘટક છે.

આયર્ન: વનસ્પતિઓ ફેરિક આયનો (Fe3+) ના સ્વરૂપમાં આયર્ન મેળવે છે. તે અન્ય સૂક્ષ્મ પોષક તત્વોની તુલનામાં વધુ માત્રામાં જરૂરી છે. તે ઇલેક્ટ્રોનના સ્થાનાંતરણમાં સામેલ પ્રોટીન જેવા કે ફેરેડોક્સિન અને સાયટોક્રોમનો મહત્વપૂર્ણ ઘટક છે. તે ઇલેક્ટ્રોન સ્થાનાંતરણ દરમિયાન Fe2+ થી Fe3+ માં વિપરીત રીતે ઑક્સિડાઇઝ થાય છે. તે કેટાલેઝ ઉત્સેચકને સક્રિય કરે છે, અને ક્લોરોફિલની રચના માટે આવશ્યક છે.

મેંગેનીઝ: તે મેંગેનસ આયનો (Mn2+) ના સ્વરૂપમાં શોષવામાં આવે છે. તે પ્રકાશસંશ્લેષણ, શ્વસન અને નાઇટ્રોજન ચયાપચયમાં સામેલ અનેક ઉત્સેચકોને સક્રિય કરે છે. મેંગેનીઝનું સૌથી સારી રીતે વ્યાખ્યાયિત કાર્ય પ્રકાશસંશ્લેષણ દરમિયાન ઓક્સિજન મુક્ત કરવા માટે પાણીના વિભાજનમાં છે.

ઝિંક: વનસ્પતિઓ Zn2+ આયનો તરીકે ઝિંક મેળવે છે. તે વિવિધ ઉત્સેચકો, ખાસ કરીને કાર્બોક્સિલેઝને સક્રિય કરે છે. તે ઑક્સિનના સંશ્લેષણમાં પણ જરૂરી છે.

કોપર: તે કપ્રિક આયનો (Cu2+) તરીકે શોષવામાં આવે છે. તે વનસ્પતિઓમાં સમગ્ર ચયાપચય માટે આવશ્યક છે. આયર્નની જેમ, તે રેડોક્સ પ્રક્રિયાઓમાં સામેલ ચોક્કસ ઉત્સેચકો સાથે સંકળાયેલું છે અને Cu+ થી Cu2+ માં વિપરીત રીતે ઑક્સિડાઇઝ થાય છે.

બોરોન: તે BO3− અથવા B4O2− 7 તરીકે શોષવામાં આવે છે. બોરોન Ca2+ ના ગ્રહણ અને ઉપયોગ, પટલ કાર્ય, પરાગનું અંકુરણ, કોષ લંબાણ, કોષ વિભેદન અને કાર્બોદિત સ્થાનાંતરણ માટે જરૂરી છે.

મોલિબ્ડેનમ: વનસ્પતિઓ તેને મોલિબ્ડેટ આયનો (MoO2+ 2) ના સ્વરૂપમાં મેળવે છે. તે અનેક ઉત્સેચકોનો ઘટક છે, જેમાં નાઇટ્રોજનેઝ અને નાઇટ્રેટ રિડક્ટેઝ બંનેનો સમાવેશ થાય છે જે નાઇટ્રોજન ચયાપચયમાં ભાગ લે છે.

ક્લોરિન: તે ક્લોરાઇડ એનાયન (Cl–) ના સ્વરૂપમાં શોષવામાં આવે છે. Na+ અને K+ સાથે, તે કોષોમાં દ્રાવ્ય સાંદ્રતા અને એનાયન-કેશન સંતુલન નક્કી કરવામાં મદદ કરે છે. તે પ્રકાશસંશ્લેષણમાં પાણી-વિભાજન પ્રક્રિયા માટે આવશ્યક છે, એક પ્રક્રિયા જે ઓક્સિજન ઉત્સર્જન તરફ દોરી જાય છે.

12.2.3 આવશ્યક તત્વોના ઉણપ લક્ષણો

જ્યારે પણ કોઈ આવશ્યક તત્વનો પુરવઠો મર્યાદિત થાય છે, ત્યારે વનસ્પતિ વૃદ્ધિ અવરોધિત થાય છે. જે સાંદ્રતા થી નીચે વનસ્પતિ વૃદ્ધિ અવરોધિત થાય છે તેને નિર્ણાયક સાંદ્રતા કહેવામાં આવે છે. તત્વ નિર્ણાયક સાંદ્રતા કરતાં નીચે હાજર હોય ત્યારે ઉણપગ્રસ્ત કહેવાય છે. દરેક તત્વ વનસ્પતિઓમાં એક અથવા વધુ વિશિષ્ટ માળખાકીય અથવા કાર્યાત્મક ભૂમિકા ધરાવે છે, કોઈ પણ ચોક્કસ તત્વની ગેરહાજરીમાં, વનસ્પતિઓ ચોક્કસ આકારવિજ્ઞાનિક ફેરફારો દર્શાવે છે. આ આકારવિજ્ઞાનિક ફેરફારો ચોક્કસ તત્વ ઉણપના સૂચક છે અને તેને ઉણપ લક્ષણો કહેવામાં આવે છે. ઉણપ લક્ષણો તત્વ પ્રતિ તત્વ બદલાય છે અને જ્યારે ઉણપગ્રસ્ત ખનિજ પોષક તત્વ વનસ્પતિને પૂરું પાડવામાં આવે છે ત્યારે તે અદૃશ્ય થઈ જાય છે. જો કે, જો અભાવ ચાલુ રહે, તો તે અંતે વનસ્પતિની મૃત્યુ તરફ દોરી શકે છે. વનસ્પતિના જે ભાગો ઉણપ લક્ષણો દર્શાવે છે તે પણ વનસ્પતિમાં તત્વની ગતિશીલતા પર આધારિત છે. જે તત્વો વનસ્પતિમાં સક્રિય રીતે ગતિશીલ હોય છે અને યુવા વિકસિત ઊતકોમાં નિકાસ કરવામાં આવે છે, તેમના ઉણપ લક્ષણો પ્રથમ જૂનાં ઊતકોમાં દેખાવા માંડે છે. ઉદાહરણ તરીકે, નાઇટ્રોજન, પોટેશિયમ અને મેગ્નેશિયમના ઉણપ લક્ષણો પ્રથમ વૃદ્ધ પર્ણમાં દૃશ્યમાન હોય છે. જૂનાં પર્ણમાં, આ તત્વો ધરાવતા જૈવઅણુઓ તોડવામાં આવે છે, જે આ તત્વોને યુવા પર્ણો તરફ ગતિશીલ કરવા માટે ઉપલબ્ધ બનાવે છે.

જ્યારે પણ તત્વો પ્રમ