肥料の三要素
植物細胞内でアンモニウムイオンが現れる経路はさまざまである。土壌からのアンモニウムイオンの吸収、硝酸イオンが還元されたことによるアンモニウムイオンの生成、光呼吸におけるグリシンからセリンの合成、脱水素酵素によるアミノ酸のアミノ基の酸化的分解、グルタミンやアスパラギンのアミド基の加水分解、フェニルアラニンアンモニアリアーゼによるフェニルアラニンからの桂皮酸の合成、プリン塩基やピリミジン塩基やキサンチンなどの含窒素化合物の分解、などである。特に光呼吸によるアンモニウムイオンの生成速度は、根からのアンモニアの吸収速度の10倍以上に達する。しかし、アンモニウムイオンは植物細胞内で活発に代謝されているため、アンモニウムイオン濃度は10〜10程度に維持されている。
アンモニウムイオンの同化経路の枢要はGS/GOGATサイクルである。この経路ではグルタミン合成酵素(GS)とグルタミン酸合成酵素(GOGAT)が共役し、アンモニウムイオンをグルタミン酸に変換する。GSはMg存在下で次の反応を触媒する。
グルタミン酸 + NH4 + ATP → グルタミン + ADP + Pi
多くの植物はGS1とGS2の2種類のGSを持つ。GS1はサイトゾルに局在し、通常の分化、生長、種子形成などに関わる。GS1遺伝子は小遺伝子ファミリーを形成している。シロイヌナズナやトウモロコシには5種類、稲には3種類のGS1遺伝子がある。GS2は地上部では葉緑体、地下部ではプラスチドに局在する。光呼吸でのアンモニウムイオンの解毒に機能している。
植物はリンが不足すると、様々な代謝経路を連動させて体内のリンの利用効率を高めようとする。特に、低リン耐性植物は以下のリン利用戦略を取る。
下位葉から上位葉や子実へのリン輸送を活発に行う。
有機態リンからのオルトリン酸の生成を脱リン酸化酵素により促進する。
リボヌクレオチド分解酵素によるRNAの分解を促進し、RNAを激減させる。
炭素代謝をリン欠乏に対応させ、解糖系をバイパス経路で進行させる。通常の経路はオルトリン酸を生じないか消費するが、バイパス経路ではオルトリン酸を生じるか消費しない。
リン酸をリサイクルするため、デンプン合成に関連する多くの酵素の遺伝子発現量を増加させる。これにより、地上部にデンプンは蓄積する。
土壌のカリウム濃度が高いと、健全に生長するのに適正な量以上のカリウムを植物は吸収(過剰消費(英: luxury consumption)し、過剰症状が現れる。