栄養素 (植物)
蛇紋岩を母材とする超塩基性土壌(蛇紋岩質土壌[ serpentine soil<英語版>])では、ニッケルが高濃度で存在するため、ニッケル過剰が発生する。稲ではP型ATPaseの活性が低下して細胞膜の機能障害が起こる。小麦では体内で過酸化水素が発生し、根の伸長が阻害される。また、一般にニッケル過剰は鉄の欠乏を誘導する。植物体内の鉄:ニッケルの重量比が10~5以下になると鉄欠乏症のクロロシスやネクロシスが発生する。鉄の取り込みに利用されるニコチアナミンがニッケルの解毒に流用されるためであると考えられている。
ニッケル過剰の耐性には種間差があり、燕麦では土壌の交換性ニッケルが10mg/kgで過剰害が発生するが、バレイショやカボチャなどでは50mg/kgまで問題はない。耐性の種間差は植物のニッケル吸収の性質と関係がある。脆弱な植物では土壌中の交換性ニッケル濃度が増加すると比例して体内濃度も増加するが、耐性植物では体内濃度が上昇しにくい。
地上に乾燥重量当たり0.1mg/kg以上のニッケルを蓄積しても障害を受けないニッケル超集積植物や、蛇紋岩質土壌に特異的に生育する蛇紋岩植物[ serpentine endemics]もある。これらの植物では葉中のニッケルはクエン酸との結合で無毒化させられている。タバコの耐性種ではクエン酸ニッケルが液胞に隔離されていることが観察されている。ニッケル超集積植物のAlyssum lesbiacumではヒスチジンがニッケルの地上部への輸送と無毒化に関与している。
高等植物(維管束植物)においてニッケルはNi2+イオンの形態で吸収される。吸収されたニッケルは、窒素代謝において尿素を分解するウレアーゼの賦活剤として要求される。ニッケルが不足すると有毒な尿素が蓄積し、ネクロシスを引き起こす。下等植物においては、さまざまな酵素の賦活剤であり、また、一部の酵素の補因子として亜鉛や鉄の代替となる。
モリブデン(Mo)は植物の要求量が最も小さい必須元素である。例えば、セネデスムス(Scenedesmus obliquus)の生細胞1個が生育に要する量はせいぜい原子10個に過ぎない。植物はMoを必要量以上に吸収しても過剰害を受けない。一方で、Moを多く吸収した牧草を食べた牛が過剰害を受けることがある。
土壌中の形態は、他の必須金属は陽イオンをとるのに対し、陰イオンであるモリブデン酸MoO42-である。このため、他の金属元素とは性質が異なる。その溶解度と土壌pHの関係においても、他がpH増大時に沈殿して減少時に溶出するのに対してMoO42-は逆の応答を示す。MoO42-が低pHで沈殿する理由は、MoO42-は鉄やアルミニウムと不溶性の塩をつくるため、低pHで鉄やアルミニウムが溶出するとそれら沈殿剤がより多くのMoO42-と会合するためである。逆に、土壌pHが上昇するとMoO42-の溶解度が増大して植物への生物学的利用能が増す。鉄やアルミニウムと塩形成することは、MoO42-がリン酸イオンH2PO4+や硫酸イオンSO42-と同じく正四面体構造であることにもよる。同様の理由から、H2PO4+と同じく土壌中で粘土鉱物や土壌有機物に強く吸着する。
Moは硝酸レダクターゼ、アルデヒドオキシダーゼ、亜硫酸オキシダーゼ、キサンチンオキシダーゼ/デヒドロゲナーゼの補因子である。これら酵素の中でMoコファクター[ molybdenum cofactor<英語版>]と結合しており、電子伝達を担う。また、根粒菌のニトロゲナーゼもMoを含む。以上のことから、Moはアミノ酸の合成や窒素代謝に重要である。
Moの欠乏症の症状は一般に窒素欠乏と似ており、新しい葉よりも古い葉に現れる。なおかつ、植物種によってその形態は様々である。アブラナ科は、鞭状葉[ whiptail]と呼ばれる葉の萎縮症状を呈する。発症すると葉はその面積を小さくし、左右非対称の異常な形となる。欠乏症の程度が大きい場合は、主脈だけの葉が形成されることがある。植物体内でMoは再転流しやすいため、Mo欠乏の対策として葉面散布が有効である。
ここでは、特定の植物にとっての必須栄養素と有用栄養素について詳述する。アルミニウムやルビジウムなど、話題には植物に対する毒性を持つ元素も含まれるが、基本的に有用性のみを記述する。
植物が吸収するケイ素の形態は、電荷をもたない中性分子として土壌溶液中に溶け込んでいるケイ酸である。この溶解性ケイ酸はpH9以下で現れ、土壌溶液中に0.1〜0.6mM程度存在する。pH9以上になると、電荷を持ったケイ酸塩となる。また、ケイ酸濃度が2mM以上となると重合してシリカとなる。ケイ酸の溶出元は、土壌中に豊富な二酸化ケイ素である。これは、岩石の主成分として土壌質量の50-70%を占める。
植物にとってのケイ素の重要性を説明する前に、植物中のケイ素の存在量を説明する。ケイ素は、土に根を下ろす全ての植物に含まれており、その含有量は植物種によって大きく異なる(下表)。被子植物ではイネ科とカヤツリグサ科が特に高い。双子葉植物では、ウリ科とイラクサ科を除いて低い。身近な植物では竹やトウモロコシやトクサがケイ素集積植物である。これらの集積能力の違いは、後述する根のケイ素吸収能力の違いに起因する。
ケイ酸含量に基づき、植物は以下の3つのグループに分類される。
ケイ酸含量10-15% ― 湿地イネ科(水稲、スギナ)
ケイ酸含量1-3% ― 乾燥地イネ科(サトウキビ、穀物のほとんど、双子葉植物のいくつか)
ケイ酸含量0.5%以下 ― 双子葉植物のほとんど、特にマメ科植物
次に、ケイ素の必須性を概略的に説明する。必要とする植物は限られており、サトウキビやトクサ科植物などである。しかし、必須ではなくとも、多くの植物種で適正な量を与えるとその成長を促進する。その効果は生物的・非生物的ストレスの軽減および光合成の促進である。下にまとめる。
稲のいもち病、胴枯れ病、紋枯病、褐斑病など
キュウリ、大麦、小麦のうどん粉病
虫害耐性 (ニカメイガ、ウンカなど)
金属毒性の緩和(Al、Cd、As、Mn、Feなど)
栄養素過不足の改善(窒素過剰、リン不足など)
葉の垂れ下がりの防止(直立葉、leaf erectness)による、葉の受光姿勢の改善および他の個体に対する遮光の防止
これらの効果は、ケイ素を多く集積する植物で顕著に現れる。一方で、あまり集積しない植物では現れにくい。光合成の促進効果は、窒素の多量投入かつ密植集約で栽培する場合に特に顕著となる。以下にケイ素の効果を各論で説明する。
病害・虫害耐性向上の仕組みは2つ提唱されている。一つは、ケイ素が組織に沈積し、物理的な障壁[ physical barrier]を形成して糸状菌や害虫の侵入を防ぐというものである。もう一つは、植物体内に溶け込んでいるケイ酸が抗菌性物質(フェノール化合物やファイトアレキシンなど)の生産と抗菌性酵素(キチン分解酵素、過酸化酵素、ポリフェノール酸化酵素など)の活性を高めるというものである。この仮説の中でケイ酸は、病原菌に対する宿主植物の応答を促進させる役目を担う。
物理的ストレス耐性の向上は、ケイ素が植物体内に沈積することによる。沈積は茎の稈壁の厚さと維管束の太さを増加させ、また、クチクラ蒸散を抑制して乾燥を防ぐ。これらの働きは稲の場合で典型的に効果的である。収穫期の台風による倒伏を減少させる。また、特にもみ殻の過蒸散を抑える効果があるため、沈積量が少ないと白穂が発生しやすい。
マンガン過剰の緩和はイネ、大麦、豆、カボチャで見いだされた。このマンガンストレスの軽減機構は植物種によって異なる。稲では、ケイ酸が根の酸化力を向上させることによってマンガンの過剰な吸収を抑える。大麦と豆においては、ケイ酸はマンガンの吸収に影響しないが、体内のマンガン濃度を均一化させる。カボチャでは、体内のマンガンを不活性の部位(毛茸)に局在化させることで、マンガンの過剰害を回避させる。
マンガンはアルミニウムやナトリウムの害、およびリンの欠乏・過剰も緩和する。ケイ酸は土壌溶液中のアルミニウムイオンと結合し、植物へと吸収されないようにしている。ナトリウムの取り込みの防止は、ケイ素沈積による蒸散量の減少によると考えられている。稲ではリンが欠乏している場合、ケイ酸はリンの吸収に直接影響しないが、リン酸と欠乏しやすい鉄やマンガンの吸収を抑えることで間接的に体内のリンの有効度を高める。リン酸過剰では、ケイ酸がリン酸の吸収を抑える。
続いて、ケイ素の肥料としての側面を紹介する。上述したようにケイ素は植物体を強化する。加えて、根の重量や密度を高めるとともに植物の成長や生理活性を向上させ、作物のバイオマスと収量を改善させることも見出されている。このため、多くの国で肥料として重要視されている。例えば、日本は1955年に世界で初めてケイ素を、稲の安定収量に重要な必須栄養素と認定した。米国飼料検査官協会(Association of American Plant Food Control Officials)(AAPFCO)は2006年にケイ素の植物有用物質としての等級を上げた。
ケイ素は、土壌中に存在する元素の中で唯一、過剰害を引き起こさない。これは、植物が通常生育可能なpH(pH9以下)において、電荷を持たない分子であるためと、ケイ素濃度が2mMを超えると重合して植物に吸収されなくなるためである。このため、過剰害を引き起こす他の元素のように、電荷を持った塩として、細胞内に高浸透圧を作り出したり生体分子と結合したりしない。
次に、植物体内のケイ素の生理学的挙動を、根の吸収から地上部組織への分配、植物成長への寄与まで順を追って説明する。まず、根によるケイ酸の吸収である。その機構には、積極的な吸収と受動的な吸収がある。また、これとは別に、体内のケイ酸を排出する仕組みもある。これらの機構の有無は植物によって異なる。稲は積極的に吸収し、培地溶液のケイ酸濃度を素早く減少させる。キュウリは受動的に吸収し、培地中の濃度はほとんど変わらない。トマトは排除機構を持ち、水の吸収に伴いケイ酸濃度を上昇させる。ただし、これら3つの植物において、根のケイ酸輸送体のケイ酸への親和性は同程度である。取り込みの最大速度は稲>キュウリ>トマトであり、この違いは、細胞当たりの輸送体の発現量の違いに起因する。加えて稲は、導管中のケイ酸濃度は外部より濃縮されていたのに対し、キュウリとトマトではより低かった。稲は、体内での導管へのケイ酸の輸送を能動的に行うことができると予想されている。
根のケイ酸輸送体として、稲と大麦とトウモロコシでLsi1とLsi2の2つが発見されている。ケイ酸吸収欠損変異体lsi1(low silicon 1)から同定されたLsi1は、細胞の外から中へと輸送する。根の外皮と内皮の両層において、細胞の遠心側に局在する。アクアポリンと同じファミリーに属する。一方、Lsi2は内から外に向けて働き、外皮と内皮の向心側に局在する。陰イオン輸送体と似た構造を持つ。2つの輸送体の一次構造には全く相動性は見られない。共通する点は、主に根、特に基部での発現が多いことと、主根と側根に発現するが、根毛がある表皮細胞には表れないことである。これらの発現事情は根でのケイ酸吸収に関する生理学的実験の結果―吸収量は先端よりも基部でより多い、かつ、吸収に対して根毛による寄与がない―と一致する。
次に、根のケイ酸輸送体により吸収されたケイ酸が導管で地上部へと運ばれる機構を説明する。この運搬過程において興味深い点は、導管中のケイ酸濃度が20mM以上にも達する事実である。これは、ケイ酸が重合して不溶性のシリカゲルに変化する飽和濃度(常温で2mM)を大きく上回る。しかし、導管内のケイ素の形態は単分子のケイ酸のみである。飽和濃度以上でも重合が起こらない理由は、濃縮と輸送の過程が素早いためだと考えられている。
地上部へと運ばれた後、導管中のケイ酸は葉や茎などの組織に分配される。この分配を担うのは、導管中に分布する外向き輸送体のLsi6である。Lsi6は前述のLsi1の相同遺伝子であり、稲とトウモロコシで発見された。葉鞘と葉身の導管に隣接する木部柔組織に発現し、導管に面して偏在する。
Lsi6を介して地上部組織(葉、茎、もみ殻、果実表面など)に分配されたケイ素は、蒸散に従って濃縮され、重合して非晶性で不定形のシリカとなる。植物体内のケイ素の95%以上はこのシリカとして存在する。シリカは、クチクラ層直下のアポプラスト(クチクラ-シリカ二重層)や機動細胞、短細胞、長細胞などの細胞に沈積することが稲の葉身においてわかっている。細胞中では小胞体、細胞壁、細胞間隙に沈着する。その後、ポリフェノールと複合体を形成し、細胞壁を構成するリグニンに置き換わる。いったん沈積したケイ素はほとんど再移動しない。こうして、細胞壁をより頑強にする。
イネ科植物のケイ化細胞は植物オパールとして知られ、枯死後も土壌に残留する。植物オパールは植物種ごとに特徴的な形をしているため、考古学ではその土地に生えていた植物を推測するための手掛かりとなる。
ナトリウムは一部の植物にとっての必須または有用要素であり、植物一般の必須栄養素ではない。要求性の植物は、CAM型光合成やC4型光合成を行うものの中の、NAD-ME型とPEP-CK型である。例としてヒエEchinochloa utilis、ギョウギシバCynodon dactylon、Kyllinga brevifolia、ハゲイトウAmaranthus tricolor L.、Kochia childsii、マツバボタンPortulaca grandiflora、アフリカヒゲシバChloris gayana、キビPanicum miliaceum、ギニアグラスPanicum maximum、Panicum coloratum、オオクサキビPanicum dichotomiflorumがあり、培養液からナトリウムが除かれると枯死する。これらの植物においてナトリウムは、ピルビン酸を葉肉細胞の葉緑体へと供給する際に必要とされる。すなわち、NAD-ME型とPCK型ではピルビン酸はナトリウムとの共輸送により運搬される。一方で、NADP-ME型C4植物ではピルビン酸輸送にナトリウムを必須としない。葉緑体でピルビン酸はホスホエノールピルビン酸合成の基質になる。このほか、要求性植物ではナトリウムは光化学系IIの活性および、葉肉葉緑体の超微細構造変化の抑制に用いられる。
ナトリウムは一部の作物の生育と品質を向上させることが実証されている。例えば、ニンジンのスクロース濃度が増加する。理由はよくわかっていないが、アカザ科にはナトリウムを好む植物が多い。アカザ科のテンサイでは、カリウムが十分に施用されている場合においてもナトリウムにより生育は促進される。ドイツや北海道ではチリ硝石(硝酸ナトリウム)がよく施用される。
ナトリウムは、浸透圧調節、気孔の開閉の調節、光合成、長距離輸送における中和作用、酵素活性についてカリウムの代替となることができるが。その性質の強さによって植物は次の4つのグループに分類される。
ナトリウムが大部分のカリウムの代替となることができ、ナトリウムも施用するとカリウムだけの場合と比べて生長が促進される。
ナトリウムに対して特異的な反応を示すが大きな効果はない。
わずかな量のカリウムの代替しかできず、カリウムだけの場合と比べてナトリウムとの施用に効果は見られない。
ナトリウムはカリウムの代替とならない。
ナトリウムは葉面積の増大や水分調節を促進する。
コバルトは一部の植物において有用である。マメ科植物において、根粒菌(窒素固定細菌)との共生による窒素固定に要求される。コバルトが不足すると根粒菌のタンパク質合成が阻害される。コバルト要求性の非マメ科植物がコバルトを何に利用しているかは判明していない。
アルミニウム(Al)は一般に植物に対して毒性を持つが、一部の植物にとって必須な微量元素でもある。いくつかの水生植物はAlがないと枯死する。例えば、StoklasaはAl非存在下で栽培を行った結果、Glyceria aquatica(ヒロハノドジョウツナギ)は22日目に、Juncus effusus(イグサ)は56〜69日目に枯死した。シダ類はAlを要求することが示唆されており、いくつかの種は胞子の正常な配偶体の形成に必須とする。少なくとも、3種類のシダ:Alsophila australis(マルハチ類)、Aspidiumu filis-mas、Polypodium proliferum(ウラボシ類)はAlなしで正常に生育できない。
茶はAlの毒性に耐性を持ち、むしろAlの施用で成長が促進される。アルカリ性土壌で茶の樹は激しいクロロシスを示すが、これはAlの注射により消失し、また、鉄の注射では改善しない。これは、銅、マンガンあるいはリンの毒性を防ぐためである。加えて、根腐れを引き起こす真菌を殺菌する働きがあることが報告されている。
必須性は証明されていないが、Alの添加で一部の植物の生育がよくなる。小麦、大麦、燕麦、およびDeschampsia flexuosa(コメススキ)といった若干の草本類がそうである。Alの添加は、無添加条件と比べてキビの種実収量を大幅に増加させる。Sommer(1926)の栽培実験では、無添加条件で収量は0.2gだったのに対し、添加条件で4.98gだった。
Znamenskijは、種名が同じ小麦の2変種でAlに対する反応が異なることを発見し、このことが水分の要求度の違いによるものである可能性を報告した。低濃度の硫酸アルミニウムAl2(SO4)3は、要求度が低い乾生Triticum vulgare var. ferrugineum 81/4の生育は抑制されるが、要求度がより高い中生var. pceudohostianum 330/16の生育は逆に促進される。このときのAl濃度は中生小麦の呼吸を刺激し、乾生小麦の呼吸を阻害する。なお、Al2(SO4)3が高濃度の場合、両方の生育は悪化する。
現在のところ、Alのみを要求する金属酵素は発見されていない。しかし、Alは若干の植物酵素に対して非特異的な活性物質である。アスコルビン酸酸化酵素に対しては特異的に活性化させる。ピリドキシンと多数のアミノ酸に起こるアミノ基転移反応はCu、FeおよびAlが触媒する。
Alは土壌中のPを沈殿させて植物のPの取り込み量を減少させるが、一方で、大麦とサトウキビはAlの影響でPの吸収を旺盛にすることがある。Alはリン酸化の反応に影響せず、糖エステルとヌクレオチドの含量を増加させない。エンドウにAlを施用すると全く施用しない条件と比べて大型の根粒がより多く発達する。Alの影響を受けたエンドウの根粒の多くは異常に伸長しており、その細胞の数は非常に多い。このような根粒では、Al無施用条件での根粒と違ってデンプンがデンプン鞘に集中しておらず、様々な組織に分散している。Sestakovによるとこのことは、Alが根粒におけるデンプン代謝に強く影響する証拠である。Alは不利な環境条件(旱魃、高温、低温、および土壌の塩類集積)に対する植物の抵抗性の強化に重要である。ヒマワリの種子を播種前にAl2(SO4)3で処理すると、水分欠乏の際の生長点でRNAとDNA含量は好影響を受ける。このとき、リボヌクレアーゼの活性は低下する。この効果が、Alが植物の耐乾性を高める理由だと考えられている。
バナジウムはいくつかの植物において、Moの代替として非常に低濃度で必要であることが示唆されている。農業上は、アゾトバクターの生育を促進することで植物成長に貢献する。
一般的にセレン(Se)は植物にとって有毒であるが、一方でごく一部の植物(Se濃縮者[ seleniferous vegetation])の生長を促進する。例えば、土壌濃度1-27ppmのSeはレンゲ属Astragalus racemosusとA. pattersoniiの生育を促進する。Se濃縮者のA. pectinatusとAplopappus fromontiiは、Seを含まない土壌には全く見られない。このことから、Se濃縮者にとってSeは必須栄養素であると予想されている。
Se濃縮者は二つのグループに分けられる。第一のグループはSeをよく吸収し、体内で利用している。レンゲ属Astragalus racemosus、A. pectinatus、A. bisulcatus、A. grayii、A. perhaps、Stanleya pinnata、S. pinnata、Aplopappus fromontii、Aster parryiなどが含まれる。第二のグループは、Seを生化学的に利用しないが、高Se土壌で顕著に生育する。Seの毒にほぼ完全に影響されず、また吸収もする。このグループにはシオン属Aster ericoides、A. fendleri、Gutierrezia sarothrae、Helianthus annuus(ヒマワリ)、オカヒジキ属Salsola pestifer(ロシアアザミ)などがある。
Seを蓄積しない植物種の生長もSeは刺激する場合がある。非Se蓄積植物のソラマメ、芥子菜およびキビの土壌栽培で、Seはその収量を大幅に増やす。レンゲ属のSe濃縮者からの抽出液はイネ科植物の生長を良くする。
高Se土壌には、Se濃縮者とともに非Se蓄積植物も生育している。このような植物はSeを極めて微量にしか含んでいない。レンゲ属(Astragalus)の中には非Se蓄積種も存在する。Se濃縮者のA. racemosusとA. bisulcatusのSe蓄積量は乾重量当たり1,000mg/kgであるのに対し、同一土壌条件でA. nissouriensisの蓄積量は1-5mg/kgに過ぎない。
植物はしばしばSeの無機化合物からよりも有機化合物からSeを多く摂取している。Painter(1941)の説によると、種子にSeが蓄積する際、タンパク質中のSと入れ替わる。生物はSe依存性のグルタチオン過酸化酵素が存在する。
海藻を含む海生生物はリチウム(Li)を著しく多く含む。Li濃度は紅藻類のAnodimenia palmatoやChara hispidaで比較的高く、Zostera nana、Z. marinaおよびRuppia spiralesで高い(66-100mg/kg生体重)。褐藻類ではLi濃度はルビジウム(Rb)濃度の18分の1である。
陸生植物にも、Liを体内に多く含むもの(Li濃縮者)が存在する。Li濃縮者の植物相も発見されている。この植物相にはRanunchlaceae(キンポウゲ科)やSolanaceae(ナス科)の若干の種が属する。キンポウゲ科の代表種はLiを1g/kg(灰分重)、ナス科植物の代表種は9g/kg含む。この2科および他の科のLi濃縮者(例えばCirsium vulgare(アザミ))は、Liに富む土壌を好む。Labiatae(シソ科)の薄荷とMalvaceae(アオイ科)の綿は、Li濃度が高い土壌でだけLiを吸収する。Gramineae(イネ科)やCruciferae(アブラナ科)はLiに富む土壌で生育しない。Leguminosae(マメ科)を含めて多数の科の植物はLiを少量しか吸収しないが、Li濃度が高い土壌でも生育できる。Solicornia(アッケシソウ属)の代表種は多量のLiを体内に蓄積する。このことはLiが土壌の塩類集積と関連することを示唆する。
その植物の種や土壌中のLi濃度により植物体内の濃度は大きく変動する。ザラフシャン渓谷の土壌は高いLi濃度を有し、そこに生育する植物のLi含量は0.01-9,000mg/kgと多様である。この土壌にLiを施用するとタバコ(Nicotiana tabacum)下葉のLi濃度は大幅に増加し、Ezdakovaの実験では灰分換算で20.3g/kg、乾燥重量換算で6.1g/kg相当に達した。
Li濃縮者にはLi嗜好性の植物があり、これらの植物にとってLiは必須元素である。嗜好性植物には例えばN. tabacum、Datura stramonium(チョウセンアサガオ属)、Hyoscyamus niger(ヒヨス)などがある。クコ属のLi嗜好性植物(Lycium ruthenicumとL. turcomanicum)は、中央アジア河谷の氾濫原にて高Li濃度の土壌で森林を形成している。好塩性の植物はLiを必須とする可能性がある。ただし、Liはすべての植物にとって必須ではない。
カルボン酸およびサリチル酸リチウムは足部通風などの病気の治療薬として使われている。医療用の薬草の中にはLi濃縮者が存在する。これらの薬草の高Li含量が薬効と関連するものと推測されている
Liは一部の生物で窒素含有化合物の代謝にかかわる。クロロフィラーゼの活性は、塩類中でLiCl2によってもっとも活性化される。特に、タバコとヒマワリで著しく効果は高い。Liはテンサイの葉で、特に糖の蓄積期におけるインベルターゼの活性を著しく高め、葉から根への糖の転流を著しく促進する。Liはタバコ、バレイショおよびコショウの葉の光合成に好影響を与える。
一部の植物でLiはアルカロイドとその前駆体の生合成を制御する。土壌への施用はタバコの葉と根でニコチン含量を増加させる。チョウセンアサガオの葉は一定量のLiを与えられると、トロパンアルカノイド(ヒスタミンとヒヨスチアミン)の生合成を促進させる。このトロパンアルカノイドおよびその前駆体(フェニルアラニンとオルニチン)含量はLi含量と密接な依存関係にある。キンポウゲ科)やナス科に属する多くのLi嗜好性植物はアルカロイドを生産する。Datura stramonium(チョウセンアサガオ)の葉では、Liが存在しない条件でアルカロイド含量は極めて低くなる。
Liは強い水和力を持ち、アルカリ金属中、水溶液で最大のイオン半径を持つ。GrinčenkoとGolovinaの説によると、細胞内にLiが現れると遊離水と結合水の量が増加する。実際、Liの影響で植物組織の保水力は増加し、また、コロイドと結合する水の含量は増加する。親水性Liイオンは原形質におけるコロイドの化学的性質(細胞内のコロイドの大きさと膨張速度)と水の状態に重大な影響を与える。
Liは植物の耐病性を強化する。土壌に0.003%のLiが存在するとき、小麦うどんこ病に対する小麦の感染性は減少する。この際、病原の菌類の菌糸の成長と分生子発芽は止まらない。このため、Liは菌類に直接作用せず、寄主植物の物質代謝を変化させると考えられている。
一部の植物でLi塩は植物の形態発生に影響を及ぼす。セツブンソウ属Eranthis hiemalisの胚が炭酸リチウムLi2CO3で処理されると、子葉は合着する。ナデシコにLi塩溶液を数年間、与えるとそのがく弁は合着する。Dianthus uzbekistanicusはLi含量が高いとき、様々な形の花弁と色の花冠を持つ。
Li塩がDNA合成を阻害する場合がある。タマネギの場合、Liのこの効果により根の分裂組織における有糸分裂は攪乱され、奇形変化することがある。
褐藻類は海水からストロンチウム(Sr)を摂取することが知られている。ヒバマタ属Fucus serratusは海水の40倍、Ascophyllum nodosumは20倍、コンブ属Laminaria digitataは14倍の体内濃度を有する。地上の植物では、若干の種がSrを必須元素とする。モモの樹におけるクロロシスは、葉にSrClの希薄溶液を散布すると治癒する場合がある。マメ科植物はSrをイネ科植物の3倍含む。一般に、葉は植物体で最もSrが豊富な部位である。
動物と一部の植物での体内Sr濃度はCa濃度と相関関係にある。イガマメなど、Ca要求性が高い植物はSrをCaの一部と代用することができる。燕麦は、中性土壌でCa不足に陥っているとき、SrCO3を施用されると生育を回復させる。トウモロコシもSrをCaの一部と代替できる。