Bài 2. Trao đổi nước và khoáng ở thực vật

I. VAI TRÒ CỦA NƯỚC VÀ CHẤT KHOÁNG

1. Vai trò của nước

Nước chiếm khoảng 70 – 90% khối lượng tươi của thực vật. Nước tham gia vào thành phần cấu tạo của tế bào và chi phối các quá trình sinh lí diễn ra trong cây:

2. Vai trò của các nguyên tố khoáng

Có khoảng 17 nguyên tố được xem là thiết yếu với cây. Đó là những nguyên tố mà khi thiếu chúng cây sẽ không hoàn thành được chu kì sống của mình.

II. QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI NƯỚC VÀ KHOÁNG Ở THỰC VẬT

Trao đổi nước ở cơ thể thực vật diễn ra theo ba giai đoạn: hấp thụ nước ở rễ, vận chuyển nước ở thân và thoát hơi nước ở lá. Nguyên tố khoáng hoà tan trong nước, do vậy trao đổi khoáng đi kèm với trao đổi nước.

1. Hấp thụ

- Thực vật thuỷ sinh hấp thụ nước và khoáng từ môi trường nước qua tế bào biểu bì của hầu hết các cơ quan.

- Thực vật trên cạn hấp thụ nước và khoảng từ đất chủ yếu qua rễ nhờ các lông hút.

- Rễ có hình thái và cấu tạo phù hợp với chức năng hút nước và khoáng.

a) Hấp thụ nước ở tế bào lông hút

Rễ hấp thụ nước từ đất theo cơ chế thẩm thấu: Dịch tế bào biểu bì lông hút của rễ có nồng độ chất tan cao hơn so với dịch trong đất nên nước sẽ di chuyển từ đất vào tế bào lông hút.

b) Hấp thụ khoáng ở tế bào lông hút

Rễ hấp thụ khoáng theo hai cơ chế: thụ động và chủ động.

Cơ chế thụ động: Chất khoáng hoà tan trong đất khuếch tán từ đất (nơi có nồng độ chất khoáng cao) vào rễ (nơi nồng độ chất khoáng thấp).

Cơ chế chủ động: Chất khoáng được vận chuyển từ đất vào rễ ngược chiều gradient nồng độ, nhờ các chất mang được hoạt hoá bằng năng lượng.

c) Vận chuyển nước và chất khoáng từ lông hút vào mạch gỗ của rễ

Nước và các chất khoáng được vận chuyển từ lông hút vào mạch gỗ của rễ theo hai con đường: con đường gian bào và con đường tế bào chất.

Con đường gian bào: Nước và chất khoáng di chuyển qua thành tế bào và dọc theo không gian giữa các tế bào (gian bào), qua lớp vỏ đến nội bì gặp vành đai Caspary không thấm nước nên nước và chất khoáng phải xuyên qua lớp màng tế bào nội bì. Kết quả là thực vật có thể kiểm soát được lượng chất khoáng đi vào mạch gỗ của cây.

Con đường tế bào chất: Sau khi vào tế bào lông hút, nước và chất khoáng sẽ di chuyển từ tế bào chất của tế bào lông hút, qua tế bào chất của các lớp tế bào trong rễ thông qua hệ thống cầu sinh chất và vào mạch gỗ ở trung trụ.

2. Vận chuyển nước và các chất trong thân

a) Dòng mạch gỗ

Nước và chất khoáng từ rễ, qua thân, lên lá theo mạch gỗ.

- Mạch gỗ (xylem) được cấu tạo từ hai loại tế bào là quản bào và mạch ống. Chúng là các tế bào chết. Các tế bào xếp chồng lên nhau theo chiều thẳng đứng, thông với nhau qua các lỗ ở đầu tận cùng. Trên quản bào và mạch ống còn có các lỗ bên, khiến dòng mạch gỗ có thể vận chuyển theo chiều ngang.

- Dịch mạch gỗ với thành phần chính là nước, chất khoáng và một số chất hoà tan khác được vận chuyển thành dòng liên tục trong mạch gỗ.

b, Dòng mạch rây

- Trong mạch rây, các chất vận chuyển (dịch mạch rây) có thể di chuyển theo hai hướng, từ lá xuống rễ hoặc ngược lại tuỳ thuộc vào vị trí của cơ quan nguồn so với cơ quan đích.

- Mạch rây (phloem) cấu tạo từ các tế bào ống rây và tế bào kèm. Các tế bào ống rây xếp chồng lên nhau theo chiều thẳng đứng và thông với nhau qua các lỗ ở hai đầu của tế bào. Các tế bào kèm nằm dọc theo các ống rây.

- Dịch mạch rây có thành phần chính là đường sucrose.

- Dịch mạch rây được vận chuyển từ cơ quan nguồn (lá) đến cơ quan đích hay cơ quan dự trữ (rễ) hoặc ngược lại. 

3. Thoát hơi nước ở lá

- Thoát hơi nước là sự bay hơi của nước qua bề mặt cơ thể thực vật vào khí quyển. Trong đó, lá là cơ quan thoát hơi nước chủ yếu.

- Thoát hơi nước ở lá diễn ra theo hai con đường: qua bề mặt lá và qua khí khổng, trong đó thoát hơi nước qua khí khổng là chủ yếu.

a) Thoát hơi nước qua bề mặt lá

- Lượng hơi nước thoát qua bề mặt lá phụ thuộc vào độ dày tầng cutin và diện tích lá.

- Ở cây non, lượng nước thoát hơi qua bề mặt lá tương đương với qua khí khổng do lớp cutin bao phủ phiến lá còn mỏng.

- Khi cây trưởng thành, tầng cutin dày lên, lượng nước thoát qua bề mặt chỉ chiếm 10 – 20%. 

b) Thoát hơi nước qua khí khổng

- Lượng hơi nước thoát qua khí khổng phụ thuộc vào số lượng, sự phân bố và hoạt động đóng mở của khí khổng.

- Khí khổng là khe hở trên bề mặt lớp tế bào biểu bì lá được tạo nên giữa hai tế bào khí khổng. Khí khổng đóng hay mở phụ thuộc vào hàm lượng nước trong hai tế bào này. Sự trương nước hay mất nước của tế bào khí khổng được điều tiết bởi ánh sáng và stress.

- Ánh sáng thúc đẩy quang hợp → tăng tổng hợp đường và hoạt hoá bơm ion → tăng nồng độ các ion K⁺, NO₃,... trong tế bào → áp suất thẩm thấu của tế bào khí khổng tăng → tế bào hút nước và khí khổng mở. Tuy nhiên, nếu cường độ ánh sáng quá mạnh làm tăng nhiệt độ lá, khi đó tế bào khí khổng sẽ bị mất nước và đóng lại.

- Khi thực vật bị stress, cây tăng tổng hợp abscisic acid → tăng thúc đẩy bơm ion bơm K* ra khỏi tế bào → khí khổng đóng lại → hạn chế mất nước.

c) Vai trò của thoát hơi nước

- Chỉ khoảng 2% lượng nước được cây hấp thụ sử dụng cho các hoạt động sống, còn lại 98% mất đi qua thoát hơi nước.

- Vai trò của quá trình thoát hơi nước:

+ Tạo lực hút kéo nước và các chất hoà tan đi theo một chiều từ rễ lên lá.

+ Khí khổng mở ra tạo điều kiện để CO, từ môi trường khuếch tán vào lá, cung cấp nguyên liệu cho quá trình quang hợp.

+ Làm giảm nhiệt độ bề mặt của lá, đảm bảo cho lá không bị hư hại, đặc biệt trong những ngày nắng nóng.

III. DINH DƯỠNG NITROGEN

1. Vai trò của nitrogen

Nitrogen vừa có vai trò cấu trúc, vừa giữ chức năng điều tiết nhiều quá trình sinh lí diễn ra trong cây.

- Vai trò cấu trúc: Nitrogen là thành phần của các hợp chất hữu cơ quan trọng như protein, nucleic acid, diệp lục,...

- Vai trò điều tiết: Nitrogen tham gia cấu tạo nên enzyme, các hormone thực vật,... qua đó điều tiết các quá trình sinh trưởng, phát triển của thực vật.

Khi thiếu nitrogen, lá có màu vàng, cây sinh trưởng chậm. Ngược lại, nếu thừa nitrogen, thân và lá phát triển mạnh, cây yếu, dễ đổ và mắc sâu bệnh.

2. Nguồn cung cấp nitrogen cho thực vật

- Trong tự nhiên, nitrogen tồn tại ở dạng tự do (N₂) và dạng hợp chất (vô cơ, hữu cơ).

- Thực vật chỉ có thể hấp thụ được nitrogen ở dạng vô cơ (NH₄⁺, NO₃^-).

- Tuy nhiên, dưới tác động của yếu tố vật lí (sấm sét) hoặc hoạt động của một số nhóm vi khuẩn mà nitrogen trong khí quyển và trong các hợp chất hữu cơ được chuyển hoá thành dạng NH₄⁺, NO₃^- cây có thể hấp thụ được.

3. Quá trình biến đổi nitrate và ammonium ở thực vật

Nitrogen có trong NH₄⁺, NO₃^- sau khi được cây hấp thụ sẽ được biến đổi thành nitrogen chứa trong các hợp chất hữu cơ. Đây là hoạt động đồng hoá nitrogen trong cơ thể thực vật, bao gồm hai quá trình: khử nitrate và đồng hoá ammonium.

a) Quá trình khử nitrate

Quá trình chuyển nitrogen từ dạng NO₃^- thành dạng NH₄⁺ gọi là quá trình khử nitrate. Quá trình này diễn ra qua hai bước dưới sự xúc tác của enzyme nitrate reductase và nitrite reductase:

b) Quá trình đồng hoá ammonium

- NH₄⁺ được cây hấp thụ và hình thành từ quá trình khử nitrate sẽ tham gia vào quá trình tổng hợp amino acid hoặc tạo các amide theo các cách sau:

Ammonium + keto acid → amino acid. Ví dụ: NH₄⁺ + Pyruvic acid → Alanine

- Sau đó, các amino acid này có thể tham gia tổng hợp nên các amino acid khác và protein. Ammonium + amino dicarboxylic → amide. Quá trình này giúp giải độc cho tế bào khi lượng NH₄⁺ tích luỹ quá nhiều, đồng thời là cơ chế dự trữ ammonium cho tế bào thực vật.

Ví dụ: NH₄⁺ + Glutamic acid → Glutamin

IV. CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HOẠT ĐỘNG TRAO ĐỔI NƯỚC VÀ DINH DƯỠNG KHOÁNG

1. Ánh sáng

Ánh sáng thúc đẩy khí khổng mở, làm tăng tốc độ thoát hơi nước ở lá, tạo động lực cho quá trình hấp thụ, vận chuyển nước và chất khoáng ở rễ và thân.

Bên cạnh đó, ánh sáng cần cho hoạt động quang hợp tạo chất hữu cơ, cung cấp nguyên liệu cho hoạt động hô hấp, qua đó giải phóng năng lượng cần thiết cho quá trình hấp thụ và vận chuyển chủ động các chất trong cây.

2. Nhiệt độ

Trong giới hạn sinh thái về nhiệt độ của mỗi loài thực vật, tốc độ hấp thụ nước và nguyên tố khoáng tỉ lệ thuận với sự tăng nhiệt độ.

Nhiệt độ giảm làm giảm khả năng hô hấp của rễ và khuếch tán của chất khoáng trong đất, dẫn đến khả năng hấp thụ khoáng của hệ rễ giảm.

Nếu nhiệt độ tăng quá cao (trên 45°C) thì lông hút có thể bị tổn thương hoặc chết, enzyme bị biến đổi, dẫn đến giảm hoặc dừng hấp thụ nước và khoáng.

3. Độ ẩm đất và không khí

Trong giới hạn nhất định, độ ẩm đất tỉ lệ thuận với khả năng hấp thụ nước và khoáng của hệ rễ. Độ ẩm đất phù hợp giúp cho quá trình hô hấp thuận lợi và làm tăng trưởng kích thước của hệ rễ, do đó tăng lượng nước và khoáng hấp thụ được. 

Độ ẩm không khí ảnh hưởng gián tiếp đến hoạt động trao đổi nước và khoáng thông qua việc tác động đến quá trình thoát hơi nước. Độ ẩm không khí cao làm giảm tỉ lệ hoạt động và độ mở của khí khổng, từ đó dẫn đến giảm cường độ thoát hơi nước. 

V. ỨNG DỤNG QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI NƯỚC VÀ KHOÁNG Ở THỰC VẬT TRONG SẢN XUẤT NÔNG NGHIỆP

1. Tưới nước hợp lí cho cây trồng

Cân bằng nước trong cơ thể thực vật đạt được khi lượng nước cây hấp thụ vào bằng hoặc lớn hơn lượng nước thoát ra. 

Trạng thái mất cân bằng nước có thể xuất hiện khi thực vật sinh trưởng trong các điều kiện như hạn, mặn, ngập úng,... Thực vật thường có các phản ứng để chống chịu với các điều kiện bất lợi này thông qua một số biến đổi về hình thái, giải phẫu. Các biến đổi này có tác dụng hạn chế thoát hơi nước, tăng cường khả năng hấp thụ nước và khoáng, từ đó thiết lập trạng thái cân bằng nước mới, đảm bảo cho thực vật có thể chống chịu được trong một thời gian nhất định.

Trong sản xuất, để duy trì trạng thái cân bằng nước trong cây, cần tưới tiêu nước hợp lí, đáp ứng nhu cầu của cây trồng. Tưới tiêu nước hợp lí là tưới nước đúng nhu cầu sinh lí của cây, đúng thời điểm cây cần và đúng phương pháp.

2. Phân bón và năng suất cây trồng

Trong giới hạn nhất định, lượng phân bón cung cấp tỉ lệ thuận với năng suất cây trồng.

Nếu bón phân với lượng quá ít, không đáp ứng đủ nhu cầu dinh dưỡng của cây, triệu chứng thiếu khoáng sẽ xuất hiện, cây còi cọc và chậm lớn dẫn đến giảm năng suất cây trồng.

Ngược lại, bón phân quá nhiều sẽ dẫn đến dư thừa và gây độc cho cây. 

Vì vậy, để nâng cao năng suất cây trồng, cần phải bón phân hợp lí. Việc bón phân cần tuân thủ theo 4 nguyên tắc chính: đúng loại phân bón, đúng liều lượng, đúng thời điểm và bón đúng phương pháp.