Bài 2. Trao đổi nước và khoáng ở thực vật

I. VAI TRÒ CỦA TRAO ĐỔI NƯỚC VÀ KHOÁNG Ở THỰC VẬT

Dinh dưỡng ở thực vật là quá trình hấp thu và sử dụng chất dinh dưỡng trong cây. Nước và chất khoáng là những chất rất cần thiết cho đời sống của cây trồng.

1. Vai trò của nước ở thực vật

Đối với thực vật, nước đóng vai trò quan trọng:

- Là thành phần cấu tạo của tế bào, chiếm tỉ lệ trên 70% khối lượng cơ thể. Nhờ có sức trương, nước đảm bảo cho tế bào và cơ thể thực vật có một hình dạng nhất định. Nước là môi trường sống của thực vật thuỷ sinh.

- Dung môi hoà tan các muối khoáng và các chất hữu cơ trong cây. Các chất hoà tan trong nước được vận chuyển đi khắp cơ thể.

- Tham gia vào các phản ứng sinh hoá, trao đổi chất trong tế bào.

- Điều hoà nhiệt độ giúp cây chống nóng, bảo vệ cây không bị tổn thương ở nhiệt độ cao. Sự thoát hơi nước ở lá và các bộ phận non làm giảm nhiệt độ trong cây, tạo điều kiện thuận lợi cho các hoạt động sinh lí và quá trình trao đổi chất diễn ra bình thường.

2. Vai trò của khoáng ở thực vật

- Có khoảng 17 nguyên tố thiết yếu trực tiếp tham gia quá trình chuyển hoá vật chất, nếu thiếu các nguyên tố này, cây không thể hoàn thành được chu trình sống.

- Các nguyên tố khoáng có vai trò cấu trúc cơ thể và điều tiết các quá trình sinh lí, trao đổi chất trong cây. Mỗi nguyên tố khoáng đảm nhận vai trò cụ thể khác nhau. Khi bị thiếu hụt một nguyên tố khoáng, cây có các biểu hiện có thể quan sát được bằng mắt thường dẫn đến bị suy giảm sinh trưởng và phát triển.

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

- Trao đổi nước gồm ba giai đoạn xảy ra đồng thời và có quan hệ mật thiết với nhau: hấp thụ nước ở rễ, vận chuyển nước ở thân và thoát hơi nước ở lá.

- Do các chất khoáng tan trong nước và tồn tại ở trạng thái ion nên sự hấp thụ các ion khoáng trong đất cũng như sự vận chuyển khoáng trong cây gắn liền với sự hấp thụ và vận chuyển nước.

1. Sự hấp thụ nước và khoáng ở rễ

Ở thực vật trên cạn, nước và các chất khoáng từ đất được hấp thụ chủ yếu qua các lông hút của rễ. Lông hút được hình thành từ tế bào biểu bì rễ, có thành tế bào mỏng, bề mặt không phủ lớp cutin, có không bào lớn. Ngoài ra, nước cũng có thể xâm nhập vào cây qua lá, thân non với lượng ít khi gặp mưa hoặc tưới nước cho cây. Ở cây thuỷ sinh, nước thấm trực tiếp qua bề mặt biểu bì của toàn bộ cây (rễ, thân, lá).

- Hấp thụ nước

+ Rễ hấp thụ nước từ đất theo cơ chế thẩm thấu.

+ Khi dịch trong tế bào lông hút có nồng độ chất tan cao hơn nồng độ của dung dịch đất, nước được vận chuyển thụ động từ đất vào lông hút.

- Hấp thụ khoáng: Rễ hấp thụ khoáng theo hai phương thức:

+ Cơ chế thụ động: các ion khoáng khuếch tán từ môi trường đất vào rễ (từ môi trường có nồng độ cao di chuyển vào dịch bào có nồng độ thấp hơn), theo cách hút bám trao đổi (giữa các ion khoáng bám trên bề mặt keo đất và trên bề mặt lông hút) hoặc di chuyển theo dòng nước (đối với các ion khoáng hoà tan trong nước).

+ Cơ chế chủ động: các ion khoáng từ môi trường đất có nồng độ thấp di chuyển vào dịch bào có nồng độ cao hơn nhờ các chất vận chuyển và cần cung cấp năng lượng.

+ Ngoài ra, các nguyên tố khoáng còn có thể được lá cây hấp thụ qua bề mặt lá. Đây là cơ sở để thực hiện bón phân trên lá.

- Vận chuyển nước và khoáng từ đất vào mạch gỗ của rễ: theo hai con đường: con đường tế bào chất và con đường gian bào. Hai con đường này có thể chuyển đổi linh hoạt cho nhau.

+ 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 kế tiếp của vỏ rễ thông qua các cầu sinh chất để vào mạch gỗ của rễ.

+ Con đường gian bào: Nước và khoáng di chuyển qua thành của các tế bào và các khoảng gian bào để vào bên trong. Khi qua lớp nội bì có đai Caspary không thấm nước giúp điều tiết lượng nước và khoáng đi vào mạch gỗ của rễ.

2. Sự vận chuyển các chất trong cây

Các chất được vận chuyển trong cây theo hai dòng: dòng mạch gỗ và dòng mạch rây.

- Dòng mạch gỗ

+ Mạch gỗ được tạo thành do các tế bào hình ống có thành hoá gỗ cứng chắc nối liền với nhau.

+ Dòng mạch gỗ nổi từ mạch gỗ của rễ lên mạch gỗ của thân và mạch gỗ của lá. Nước, các chất khoáng hoà tan và một số chất hữu cơ tổng hợp từ rễ được vận chuyển một chiều trong mạch gỗ của thân lên lá và các cơ quan ở phía trên.

+ Động lực làm cho các chất di chuyển trong dòng mạch gỗ là do:

• Lực đẩy của rễ (do áp suất rễ).
• Lực kéo của lá (do thoát hơi nước).
• Lực liên kết giữa các phân tử nước và lực bám giữa phân tử nước với thành mạch dẫn.

​Nhờ vậy, ở những cây cao, dòng mạch gỗ có thể vận chuyển đưa các chất lên cao hàng chục mét một cách dễ dàng.

- Dòng mạch rây

+ Mạch rây được tạo thành do các tế bào rây nối liền với nhau, xung quanh ống rây là các tế bào kèm.

+ Dòng mạch rây nối từ mạch rây của lá đến mạch rây của thân rồi xuống mạch rây của rễ. Dịch vận chuyển theo mạch rây có thành phần chủ yếu là các chất hữu cơ được tổng hợp từ lá. Các chất vận chuyển trong mạch rây có thể theo hai chiều: đi từ cơ quan nguồn (lá) đến cơ quan chứa (rễ, củ, quả, hạt) hoặc theo chiều ngược lại. Ngoài ra, nước cũng có thể vận chuyển ngang từ mạch gỗ sang mạch rây và ngược lại tuỳ theo nhu cầu của cây, đảm bảo cho quá trình vận chuyển chất tan diễn ra thuận lợi.

+ Động lực làm cho các chất di chuyển trong dòng mạch rây là do sự chênh lệch gradient nồng độ của các chất vận chuyển.

3. Sự thoát hơi nước ở lá

Có hai con đường thoát hơi nước: thoát hơi nước qua bề mặt lá và thoát hơi nước qua khí khổng.

Thoát hơi nước qua khí khổng

- Sự thoát hơi nước ở lá được thực hiện chủ yếu qua khí khổng và phụ thuộc vào số lượng và sự đóng, mở của khí khổng.

- Khí khổng do tế bào biểu bì tạo nên, được cấu tạo từ hai tế bào hình hạt đậu quay vào nhau tạo ra một khe hở nhỏ, bên dưới là khoảng gian bào, xung quanh là các tế bào biểu bì. Thành của tế bào khí khổng có cấu tạo không đều: thành trong dày, thành ngoài mỏng. Vì vậy, khi tế bào trương nước, thành ngoài dãn nhiều hơn làm cho hai tế bào này uốn cong lại và khí khổng mở ra. Ngược lại, khi tế bào mất trương nước, thành ngoài co lại làm cho khí khổng đóng.

- Sự trương nước hoặc mất trương nước của tế bào khí khổng phụ thuộc vào các yếu tố bên trong cơ thể cũng như các yếu tố từ môi trường, được điều tiết bởi ánh sáng và stress:

+ Ánh sáng là tác nhân thúc đẩy quá trình quang hợp, làm tăng nồng độ đường trong tế bào khí khổng; đồng thời hoạt hoá bơm ion trên màng tế bào → tăng nồng độ các ion trong tế bào → tăng áp suất thẩm thấu → sự trương nước → khí khổng mở ra. Tuy nhiên, nếu cường độ ánh sáng quá mạnh làm tăng nhiệt độ lá, tế bào khí khổng bị mất nước làm cho khí khổng đóng lại.

+ Khi cây bị stress, trong cây sẽ tăng cường tổng hợp abscisic acid thúc đẩy bơm ion vận chuyển K⁺ ra khỏi tế bào khí khổng; tế bào mất sức trương nước làm khí khổng đóng, hạn chế sự mất nước.

Vai trò của thoát hơi nước

- Tạo động lực đầu trên của dòng mạch gỗ, là lực kéo giúp nước và khoáng vận chuyển từ rễ lên các bộ phận của cây trên mặt đất, đến đỉnh ngọn của thân.

- Hạ nhiệt độ bề mặt lá vào những ngày nắng nóng, đảm bảo cho các quá trình sinh lí trong tế bào và cơ thể thực vật xảy ra bình thường.

- Trong quá trình thoát hơi nước, khí khổng mở ra tạo điều kiện diễn ra sự trao đổi khí CO₂ và O₂ giữa cơ thể và môi trường.

III. DINH DƯỠNG NITROGEN Ở THỰC VẬT

1. Vai trò của nitrogen

Nitrogen là nguyên tố dinh dưỡng khoáng thiết yếu, là thành phần tham gia cấu tạo nhiều hợp chất sinh học quan trọng (protein, nucleic acid, diệp lục, ATP,...) và tham gia điều tiết các quá trình trao đổi chất của tế bào thực vật.

2. Nguồn cung cấp nitrogen cho thực vật

Thực vật hấp thụ nitrogen dưới dạng NH₄⁺ và NO₃^- được tạo ra từ hoạt động cố định nitrogen khí quyển của các vi sinh vật, tác dụng của sấm chớp, sự phân huỷ xác động, thực vật và phân bón do con người cung cấp.

3. Quá trình trao đổi nitrogen trong cây

- Quá trình khử NO₃^-

Khi được hấp thụ vào cây, dạng nitrogen oxi hoá (NO₃^-) được biến đổi thành dạng khử (NH₄⁺):

- Quá trình đồng hoá NH₄⁺

Trong mô thực vật, NH₄⁺ được đồng hoá để tạo thành các amino acid và các amide (theo con đường amin hoá các keto acid và chuyển vị amin):

Sự hình thành amide (có hai gốc amin) được xem là con đường khử độc NH₄⁺ dư thừa, đồng thời tạo ra nguồn dự trữ NH₄⁺ cho quá trình tổng hợp amino acid khi cần thiết.

Từ các amino acid, thực vật tạo ra các protein và các hợp chất thứ cấp khác.

IV. CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN TRAO ĐỔI NƯỚC VÀ DINH DƯỠNG KHOÁNG Ở THỰC VẬT

Sự trao đổi nước và dinh dưỡng khoáng ở thực vật bị chi phối bởi các nhân tố ánh sáng, độ ẩm, nhiệt độ, các tính chất của đất.

1. Ánh sáng

- Ánh sáng có liên quan chặt chẽ đến quá trình quang hợp nên có ảnh hưởng đến quá trình trao đổi nước và dinh dưỡng khoáng ở thực vật.

- Ánh sáng ảnh hưởng đến sự thoát hơi nước; sự đóng, mở khí khổng và quá trình quang hợp.

- Sản phẩm chất hữu cơ của quang hợp được chuyển xuống rễ là nguồn nguyên liệu cho quá trình hô hấp, tạo năng lượng cung cấp cho sự hấp thụ và vận chuyển chủ động các chất trong cây.

- Trong trồng trọt, cần đảm bảo mật độ gieo trồng, hướng phơi sáng, độ che bóng,... nhằm đảm bảo cung cấp đủ ánh sáng theo nhu cầu của cây.

2. Độ ẩm

- Khi độ ẩm trong đất tăng, sự hấp thụ nước của rễ càng mạnh.

- Hàm lượng nước tự do trong đất cao giúp hoà tan nhiều ion khoáng, do đó, nó dễ dàng hấp thụ theo dòng nước vào rễ; nhưng nếu lượng nước trong đất tăng quá mức sẽ gây ngập úng.

- Ngược lại, khi độ ẩm của đất quá thấp sẽ gây khô hạn, rễ cây không hút đủ nước, sự thoát hơi nước bị giảm đi, ảnh hưởng bất lợi cho đời sống của cây.

- Khi độ ẩm không khí càng thấp thì cường độ thoát hơi nước càng mạnh. Nếu kết hợp độ ẩm thấp với nhiệt độ cao thì thoát hơi nước diễn ra càng mạnh có thể gây ra hạn không khí. Khi độ ẩm không khí cao thì thoát hơi nước giảm đi.

- Trong thực tiễn sản xuất, cần tưới đủ nước cho cây trồng để cây sinh trưởng và phát triển tốt.

3. Nhiệt độ

- Sự hấp thụ nước và khoáng ở rễ có liên quan đến nhiệt độ môi trường đất.

- Trong giới hạn nhiệt độ của cây, khi nhiệt độ thấp, độ nhớt và tính thấm của chất nguyên sinh bị giảm nên tốc độ khuếch tán các chất khoáng chậm đi và khi tăng nhiệt độ lên, sự hấp thụ các chất khoáng cũng tăng lên.

- Nếu nhiệt độ tăng lên quá cao, hệ rễ bị tổn thương, tốc độ hút khoáng giảm dần và cây sẽ chết. Ngoài ra, khi nhiệt độ được đảm bảo sẽ thúc đẩy quá trình hô hấp ở rễ cung cấp năng lượng cho sự hút khoáng chủ động. 

- Nhiệt độ của không khí có ảnh hưởng đến sự thoát hơi nước của cây. Khi nhiệt độ tăng, sự thoát hơi nước diễn ra mạnh làm cho cây không bị đốt nóng và làm tăng sự hút nước và khoáng; nếu nhiệt độ tăng quá cao, khí khổng đóng lại làm giảm thoát hơi nước. Khi nhiệt độ thấp, sự thoát hơi nước chậm lại làm giảm động lực kéo của dòng nước đi lên trong mạch dẫn.

- Trong thực tiễn sản xuất, cần đảm bảo nhiệt độ phù hợp cho sự sinh trưởng và phát triển của cây trồng; đặc biệt khi trồng cây trong nhà màng, nhà kính cần có chế độ thông khí tốt giúp ổn định nhiệt độ. Khi trời rét, cần che chắn cho cây trồng và bón bổ sung phân giàu K.

4. Tính chất của đất

- Độ thoáng khí của đất làm tăng hàm lượng O₂ trong đất giúp cho rễ hô hấp mạnh, cung cấp đủ năng lượng cần thiết cho sự hút nước và khoáng.

- Nồng độ dung dịch đất phù hợp sẽ tạo thuận lợi cho sự hấp thụ nước và khoáng của rễ. Nếu nồng độ của dung dịch đất cao hơn nồng độ dịch bào thì lông hút không thể hút được nước từ đất mà còn bị mất nước vào đất gây nên hạn sinh lí. Trường hợp này thường gặp khi cây sinh trưởng trên đất mặn, đất phèn hay bón phân khoáng quá liều lượng. Độ pH của đất từ 6 - 6,5 thích hợp cho sự hấp thụ khoáng của thực vật.

- Trong thực tiễn, cần làm đất tơi xốp nhằm tăng độ thoáng khí cho đất, bón vôi để điều chỉnh độ pH cho đất chua phèn.

V. ỨNG DỤNG THỰC TIỄN CỦA TRAO ĐỔI NƯỚC VÀ DINH DƯỠNG KHOẢNG

1. Tưới nước hợp lí cho cây trồng

- Tưới nước hợp lí là đảm bảo được sự cân bằng nước trong cây, nghĩa là phải dựa trên mối tương quan giữa lượng nước hấp thụ vào và lượng nước thoát hơi ra. Nhu cầu nước của cây phụ thuộc vào các yếu tố như:

+ Loài cây: cây trên cạn được chia ra các nhóm: cây hạn sinh (cần rất ít nước), cây trung sinh (cần lượng nước vừa phải) và cây ẩm sinh (cần nhiều nước).

+ Thời kì sinh trưởng của cây: giai đoạn đâm chồi, đẻ nhánh, ra hoa (cần nhiều nước), giai đoạn tạo quả, hạt (cần ít nước).

+ Loại đất trồng: đất cát (ít giữ nước), đất sét (giữ nước),...

+ Điều kiện thời tiết: khô hạn (cần tưới nước), mưa nhiều, ngập úng (cần tiêu nước).

- Khi tưới nước cần đảm bảo nguyên tắc: tưới khi cây cần, tưới đủ và tưới đúng cách.

- Cây bị thiếu nước sẽ rơi vào trạng thái héo. Trạng thái mất cân bằng nước còn xảy ra khi cây sống ở điều kiện mặn, ngập úng, hô hấp của rễ bị suy giảm nghiêm trọng dẫn đến không đủ năng lượng cung cấp cho quá trình hút khoáng. Thực vật có các phản ứng chống chịu hạn, mặn, ngập úng bằng cách hình thành các đặc điểm hình thái giải phẫu thích nghi hoặc biến đổi các quá trình sinh lí, sinh hoá.

- Ngoài ra, con người có thể tiến hành chọn lọc, chuyển gene, lai tạo ra các giống cây trồng có tính chống chịu hoặc tiến hành các biện pháp cải tạo đất, tôi luyện hạt giống, xây dựng chế độ phân bón phù hợp,... để tăng cường sự chống chịu cho cây trồng.

2. Bón phân hợp lí cho cây trồng

- Phân bón cung cấp các chất cần thiết cho sự sinh trưởng và phát triển của cây trồng, giúp cây trồng có khả năng tăng cường tính chống chịu với những điều kiện bất lợi của môi trường.

- Bón phân hợp lí phải xác định và đáp ứng đúng nhu cầu của cây.

- Về cách bón, ngoài việc bón phân vào đất, người ta còn sử dụng phun dung dịch dinh dưỡng vào lá.

- Người ta đã sử dụng các nguyên tố vi lượng phối hợp với nguyên tố đa lượng để xử lí nhằm tăng tính chống chịu cho các cây nông nghiệp, cây công nghiệp và đã thu được kết quả tốt.

- Mặt khác, việc tưới nước và bón phân hợp lí còn giúp tiết kiệm nguồn nước, không gây ô nhiễm môi trường và đảm bảo được nguồn thực phẩm sạch, bảo vệ sức khoẻ cho người tiêu dùng.