肥料の三要素
植物はリン源として多価リン酸を吸収するが、なかでもリン酸二水素イオン(H2PO4)が最も容易に吸収される。また、通常、リン酸二水素イオンが土壌溶液中で最も一般的な多価リン酸の形態である。これは、多くの場合、土壌溶液は弱酸性〜弱塩基性であり、かつ、リン酸二水素イオンの酸化型(リン酸三水素H3PO4)および還元型(リン酸一水素H1PO4)との酸解離定数pKaはそれぞれ2.1と7.2だからである。
土壌溶液中のリン酸濃度は数μM程度であるが、リン酸は根の表皮および根毛細胞上の膜輸送体によって能動輸送される。リン酸イオンはpHを増加させるので、膜輸送体は1モルのリン酸を1モルのプロトンと共輸送していると考えられている。
リン酸吸収のための膜輸送体は高親和性のものと低親和性のものの2種類がある。2008年現在、植物のリン酸輸送体タンパク質には5種類のファミリーが規定されている。シロイヌナズナで発見されたリン酸輸送体は9種類あり、まとめてPht1ファミリーと呼ばれている。このファミリーのタンパク質は高親和性プロトン共役輸送体[ high-affinity proton-coupled Pi transporter ]であり、主に根で発現する。酵母や真菌のPi:H共輸送体(Pi:H symporter: PHS)のホモログである。
窒素が過剰となると、病気や害虫の食害を受けやすくなったり、キュウリやトマトなどの果菜類では、葉や茎ばかりが成長して、結実しなかったり出来が悪くなったりする。
イネでは草丈亢進により収穫期の倒伏が生じやすくなり、収穫作業が困難になったり品質低下が生じる。
他の多量要素と異なり、植物体内において、代謝に関わる生体分子の構成元素にならず、植物体液に溶解した無機塩として機能する。カリウムイオンは植物細胞内の主要な陽イオンであり、通常、陽イオンの中で植物内の濃度が最も高い。その役割は細胞の水ポテンシャルと、代謝反応に適切なイオン雰囲気の形成である。カリウムイオンがイオンチャネルを通って別の細胞に移動すると、その細胞の水ポテンシャルは低下し、水の移動が起こる。植物は根圏に対して葉身の水ポテンシャルを低くしており、この差に依存して吸水を行っている。
カリウムイオンの移動による水の移動は植物細胞の大きさや形を変えることがある。これを利用し、植物一般は孔辺細胞を膨張収縮させて気孔を開閉させ、オジギソウなどのマメ科植物は機動細胞を変形させて葉枕を就眠運動させる。孔辺細胞の膜電位が-120 mV以下に過分極するとカリウムチャンネルは開き、内向きにカリウムイオンを運ぶ。-40 mVで外向きの輸送が行われる。
植物でのカリウムの膜輸送は膜外と膜内のプロトンHの濃度勾配、すなわちpHの違いを原動力とする。植物細胞の細胞質はpH7-8、液胞はpH5-6、細胞壁はpH6以下である。一方、動物でのカリウムの膜輸送はナトリウムとの対向輸送(一次輸送)か、ナトリウムの濃度勾配を原動力とした単輸送である。しかし、植物でこれらの輸送系は発見されていない。
根からのカリウムの吸収速度と培養液のカリウム濃度とのグラフは複数の曲線で構成されている。各曲線は、対応するカリウム濃度の各段階で吸収速度は飽和することを示す。そして、各段階で、吸収速度が飽和してからある程度カリウム濃度が上昇すると再び吸収速度はカリウム濃度に対して増加することを表す。このグラフが示唆することは、植物のカリウムイオン輸送体は、異なるカリウム濃度に対応することである。シロイヌナズナでは現在、カリウムイオン輸送体が27種類同定されている。
カリウムイオンは根から吸収された後、導管を経由して地上部へ移行する。葉身では気孔の開閉や浸透圧の調節に関与する。カリウムは必須栄養素の中でも植物組織内での移動性が高い。一部は師管を経由して再び根に戻り体内を循環している。
窒素は、主に植物を大きく成長させる作用があり、特に葉や茎を大きくすることから葉肥(はごえ)とも呼ばれる。根から吸収される必須栄養素の中で、最も多量に要求される。植物が利用できる窒素の土壌中含量が、植物の生産性を決める主要な因子であるとされる。植物の原形質の乾燥重量の40 - 50 %は、窒素化合物である。植物の中でも、葉や茎を食用とする葉菜類は、特に窒素を多量に必要とする。