Bài 4. Quang hợp ở thực vật
Nội dung lý thuyết
Các phiên bản khácI. KHÁI QUÁT VỀ QUANG HỢP
1. Khái niệm về quang hợp
- Quang hợp ở thực vật là quá trình lục lạp hấp thụ và sử dụng năng lượng ánh sáng để chuyển hoá CO2 và nước thành hợp chất hữu cơ C2H2nOn đồng thời giải phóng O2
- Phương trình tổng quát của quá trình quang hợp:
2. Vai trò của quang hợp
- Cung cấp nguồn chất hữu cơ đa dạng và phong phú, đáp ứng nhu cầu dinh dưỡng và dưỡng khí của hầu hết các sinh vật trên Trái Đất.
- Tạo ra chất hữu cơ làm nguồn thức ăn cho chính cơ thể thực vật, cung cấp nguồn chất hữu cơ và O2 đáp ứng nhu cầu dinh dưỡng và dưỡng khí của hầu hết các sinh vật trên Trái Đất.
- Khí O2 được tạo ra giúp cân bằng O2/ CO2 trong khí quyển.
@3772310@
3. Hệ sắc tố quang hợp
a) Các nhóm sắc tố
- Hệ sắc tố quang hợp ở cây xanh gồm hai nhóm chính là diệp lục (chlorophyll) và carotenoid.
- Diệp lục tạo nên màu xanh của lá và các bộ phận có màu xanh ở cây.
- Có khoảng 10 loại diệp lục, trong đó loại sắc tố chủ đạo là diệp lục a. Diệp lục hấp thụ ánh sáng đỏ và xanh tím.
- Carotenoid là nhóm sắc tố tạo nên màu vàng, đỏ, cam của lá, hoa, củ, quả ở nhiều loài cây. Carotenoid gồm hai loại là xanthophyll (loại có oxygen) và carotene (loại không có oxygen), trong đó b-carotene là tiền chất của vitamin A.
@3772237@
b) Vai trò của hệ sắc tố
- Hệ sắc tố quang hợp phân bố trên màng thylakoid có vai trò quan trọng trong việc hấp thụ và biến đổi năng lượng ánh sáng thành dạng hoá năng.
- Phân tử sắc tố hấp thụ photon ánh sáng → trạng thái có electron bị kích động. Năng lượng đã hấp thụ được truyền cộng hưởng đến phân tử sắc tố khác → diệp lục a ở trung tâm phản ứng → biến đổi quang năng thành hoá năng chứa trong ATP và NADPH.
II. QUÁ TRÌNH QUANG HỢP Ở THỰC VẬT
Quá trình quang hợp ở thực vật diễn ra tại lục lạp theo hai pha: pha sáng và pha tối (pha đồng hoá CO2).
Pha sáng diễn ra trên màng thylakoid với sự tham gia của ánh sáng và các phân tử sắc tố.
Pha tối diễn ra trong chất nền của lục lạp, sử dụng các sản phẩm của pha sáng cùng với sự tham gia của các enzyme.
1. Pha sáng
Diệp lục hấp thụ ánh sáng và chuyển thành trạng thái kích động electron làm cho một số electron (e) của diệp lục bật ra khỏi quỹ đạo. Dưới tác dụng của ánh sáng nước phân li, giải phóng O2, electron và H+ theo sơ đồ: 2H2O → 4H+ + 4e + O2
Sản phẩm của pha sáng gồm có: O2, ATP và NADPH.
2. Pha tối
Sự cố định CO2 tạo thành các hợp chất hữu cơ diễn ra ở pha tối nhờ nguồn năng lượng ATP và NADPH do pha sáng cung cấp.
@3772390@
a) Con đường cố định CO2 ở thực vật C3 (chu trình Calvin hay chu trình C3)
Năm 1951, hai nhà bác học Calvin và Benson cùng cộng sự phát hiện ra con đường cố định CO2 ở nhiều loài thực vật phân bố rộng rãi trên thế giới, chủ yếu ở vùng ôn đới và cận nhiệt đới như lúa, khoai, sắn, các loại rau, đậu,...
Ribulose 1,5 biphosphate (RuBP) là chất nhận CO2 đầu tiên để tạo thành 3-Phosphoglyceric acid (3-PGA). Với sự tham gia của ATP và NADPH, 3-PGA bị khử thành glyceraldehyde 3 phosphate (G3P). Một phần G3P đi ra khỏi chu trình để tạo thành glucose và các hợp chất hữu cơ khác. Phần còn lại sẽ được sử dụng cho tái tạo RuBP.
@3772538@
b) Con đường cố định CO2 ở thực vật C4 (con đường C4)
Năm 1965, hai nhà khoa học Úc là Hatch và Slack đã tìm thấy quá trình cố định CO2 ở các thực vật sống ở vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới như mía, rau dền, ngô, kê, cao lương, cỏ gấu... Ở các loài này, chất nhận CO2 đầu tiên trong tế bào mô giậu là hợp chất 3 C (phosphoenol pyruvate - PEP) và sản phẩm đầu tiên được tạo thành là hợp chất 4 C (oxaloacetic acid - OAA). Hợp chất 4 C phân giải thành pyruvate và CO2. CO2 sẽ tham gia vào chu trình Calvin để tạo carbohydrate.
@3772690@
c) Con đường cố định CO2 ở thực vật CAM (con đường CAM)
Nhóm thực vật CAM gồm các loài thực vật sống ở sa mạc hoặc trong các điều kiện hạn chế về nước → thực vật CAM có con đường cố định CO2 theo cách riêng của mình (H4.5).
Để hạn chế sự thoát hơi nước, khí khổng của các thực vật này sẽ đóng vào ban ngày và mở vào ban đêm để CO2 khuếch tán vào bên trong tế bào thịt lá.
@3772859@
3. Sự thích nghi của thực vật C3 và CAM trong điều kiện môi trường bất lợi
Sống trong điều kiện nóng, hạn thực vật C3 và CAM đã hình thành đặc điểm thích nghi trong quang hợp.
Dưới tác dụng của enzyme PEP-carboxylase có ái lực cao với CO2, cây C3 và CAM có thể cố định nhanh CO2 ở nồng độ rất thấp. Thực vật C4 tích luỹ CO2 trong không gian rộng nên chúng dự trữ được nhiều CO2, vì thế đây là nhóm thực vật cho năng suất cao.
4. Vai trò của sản phẩm quang hợp
G3P là sản phẩm quang hợp → nguyên liệu tổng hợp nên các hợp chất hữu cơ cần thiết cho cơ thể thực vật và sinh giới.
III. ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ NGOẠI CẢNH ĐẾN QUANG HỢP
Các yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến quang hợp ở thực vật là ánh sáng, khí CO2 và nhiệt độ. Ngoài ra, nước và chất khoáng cũng ảnh hưởng đến quang hợp.
1. Ánh sáng
Ánh sáng ảnh hưởng đến quang hợp thông qua cường độ ánh sáng và thành phần ánh sáng.
a) Cường độ ánh sáng
Cường độ ánh sáng ảnh hưởng rõ rệt tới cường độ quang hợp của cây. Hai chỉ tiêu quan trọng để đánh giá ảnh hưởng của cường độ ánh sáng đến quang hợp là điểm bù ánh sáng và điểm bão hoà ánh sáng.
Điểm bù ánh sáng (Io) là cường độ ánh sáng mà tại đó cường độ quang hợp bằng cường độ hô hấp (Iqh = Ihh). Cây ưa bóng có điểm bù ánh sáng thấp hơn cây ưa sáng.
Điểm bão hoà ánh sáng (Im) là cường độ ánh sáng mà ở đó cường độ quang hợp đạt cao nhất, dù có tăng cường độ ánh sáng thì cường độ quang hợp cũng không tăng.
b) Thành phần ánh sáng
Thành phần ánh sáng tại vùng ánh sáng khả kiến có 6 tia sáng là tím, xanh, lục, vàng, da cam, đỏ tương ứng với các bước sóng 400 – 700 nm. Thành phần ánh sáng thay đổi theo thời gian trong ngày: buổi sáng và buổi chiều nhiều tia đỏ, bước sóng dài; buổi trưa nhiều tia xanh tím, có bước sóng ngắn.
Các tia sáng có độ dài bước sóng khác nhau sẽ có ảnh hưởng khác nhau đến cường độ quang hợp. Quang hợp diễn ra chủ yếu ở miền ánh sáng đỏ và xanh tím, trong đó cường độ quang hợp mạnh nhất tại miền ánh sáng đỏ. Nếu cùng cường độ ánh sáng, hiệu quả quang hợp của ánh sáng đơn sắc màu đỏ cao hơn ánh sáng đơn sắc xanh tím.
Thành phần ánh sáng còn ảnh hưởng tới sự chuyển hoá sản phẩm quang hợp. Ví dụ: ánh sáng xanh tím kích thích sự tổng hợp các amino acid, protein, trong khi ánh sáng đỏ lại thúc đẩy sự hình thành carbohydrate.
@3773097@
2. Khí CO2
Trong giới hạn nhất định, khi nồng độ CO2 tăng thì cường độ quang hợp cũng tăng (H4.7). Tuy nhiên, nồng độ CO2 tăng quá cao (khoảng 0,2%) có thể làm cây chết vì ngộ độc, còn nồng độ khí CO2 quá thấp, quang hợp sẽ không xảy ra.
Điểm bù CO2 là nồng độ CO2 tối thiểu mà tại đó cường độ quang hợp bằng cường độ hô hấp. Điểm bù CO2 thay đổi tuỳ theo từng loại cây. Điểm bù CO2 của thực vật CAM và cây C4 thấp hơn các cây C3.
Điểm bão hoà CO2 là điểm mà ở đó nếu nồng độ CO2 tăng lên thì cường độ quang hợp cũng không tăng (quang hợp đạt cực đại). Cây trồng có điểm bão hoà CO2 dao động khoảng 0,06 - 0,1%.
3. Nhiệt độ
Các cây nhiệt đới bắt đầu quang hợp ở nhiệt độ khoảng 5 - 7oC. Trong khi đó, nhiệt độ cây vùng lạnh và ôn đới có thể bắt đầu quang hợp là khoảng (-15) - (-5)oC.
Sự phụ thuộc giữa nhiệt độ và quang hợp theo chiều hướng: nhiệt độ tăng thì cường độ quang hợp tăng nhanh và thường đạt cực đại ở nhiệt độ tối ưu, sau đó giảm dần.
Nhiệt độ tối ưu thay đổi theo từng loài thực vật. Đa số thực vật nhiệt đới có nhiệt độ tối ưu khoảng 25 – 30oC. Các cây vùng ôn đới có cường độ quang hợp mạnh nhất ở nhiệt độ tối ưu khoảng 8 – 15oC.
IV. QUANG HỢP VÀ NĂNG SUẤT CÂY TRỒNG
1. Mối quan hệ giữa quang hợp và năng suất cây trồng
Tổng số chất khô do quang hợp tạo ra chiếm tới 90 – 95% tổng số chất khô của thực vật → quang hợp là nhân tố chủ yếu quyết định năng suất cây trồng; 5 –10% còn lại là do dinh dưỡng khoáng quyết định.
2. Một số biện pháp kĩ thuật và công nghệ nâng cao năng suất cây trồng thông qua quang hợp
Quang hợp quyết định phần lớn năng suất cây trồng, vì vậy, muốn nâng cao năng suất cây trồng cần tăng diện tích bộ lá, tăng cường độ và hiệu quả quang hợp thông qua một số biện pháp dưới đây:
a) Biện pháp kĩ thuật nông học
Bón phân hợp lí giúp thúc đẩy quá trình vận chuyển sản phẩm đồng hoá về cơ quan dự trữ, làm tăng năng suất. Phân bón (nhất là đạm) cũng là yếu tố ảnh hưởng đến sự phát triển bộ lá của cây. Diện tích lá lớn sẽ nâng cao hiệu suất quang hợp.
Cung cấp nước đầy đủ cho cây trồng. Nước là nguyên liệu của quang hợp, cung cấp nước đầy đủ sẽ làm tăng hiệu quả quang hợp, từ đó làm tăng năng suất cây trồng.
Gieo trồng đúng thời vụ tạo điều kiện thuận lợi về các yếu tố thời tiết,... giúp cây sinh trưởng, phát triển tốt, cho năng suất cao.
Ngoài ra, công tác chọn, tạo những giống cây trồng có diện tích lá lớn, cường độ quang hợp và năng suất cao, kết hợp với các biện pháp phòng trừ sâu, bệnh hại cũng có vai trò quan trọng trong việc nâng cao năng suất cây trồng.
b) Công nghệ nâng cao năng suất cây trồng
Hiện nay, sử dụng ánh sáng đèn LED thay thế ánh sáng mặt trời là công nghệ mới giúp con người có thể chủ động tạo được nguồn ánh sáng có cường độ và thành phần quang phổ phù hợp với quá trình quang hợp ở từng loại cây trồng.
Trồng rau trong phòng hoặc trong nhà kính có sử dụng đèn LED có nhiều ưu điểm như tốn ít không gian, rút ngắn thời gian sinh trưởng của cây, khắc phục được những điều kiện bất lợi của môi trường đem lại năng suất và giá trị kinh tế cao.
@3773168@