Bài giảng Sinh lý thực vật - Chương II: Sự trao đổi nước của thực vật - Trần Thị Hoài Thu

CHƯƠNG II: SỰ TRAO ĐỔI NƯỚC CỦA THỰC VẬT BÀI 1: SỰ HÚT NƯỚC CỦA THỰC VẬT I. Nước trong cây và vai trò của nước đối với đời sống thực vật: 1. Các dạng nước trong cây: - Nước gồm 2 nguyên tử H và một nguyên tử oxi liên kết cộng hóa trị. - Trong cây tồn tại hai dạng nước là Nước tự do và nước liên kết. + Nước tự do là nước có thể dùng làm dung môi và đông đặc ở nhiệt độ gần 00C Nước tự do vẫn giữ được tính chất vật lý, hóa học, sinh học bình thường của nước: làm dung môi, tham gia trao đổi chất, duy trì độ nhớt chất nguyên sinh... Chiếm một lượng lớn trong thực vật là 70% Nước tự do là dạng nước trong thành phần của tế bào, trong khoảng gian bào, trong các mạch dẫn của cây... không bị hút bởi các phân tử tích điện hay dạng liên kết hóa học. + Nước liên kết là nước không thể làm dung môi và đông đặc ở nhiệt độ thấp hơn 00C. Nước liên kết không giữ được tính chất vật lý, hóa học, sinh học của nước. Chiếm một lượng nhỏ trong thực vật là 30% Ngoài ra còn có cách phân loại như sau: - Nước hidrat hóa: là một thành phần liên kết hóa học củ chất nguyên sinh, nước hidrat hóa kết hợp với các ion, cấc chất hữu cơ hòa tan và các đại phân tử, choán hết các kẽ hở giữa các siêu cấu trúc của chất nguyên sinh và thành tế bào. Cần cho sự sống của tế bào việc giảm không đáng kể lượng nước trên sẽ gây chết tế bào. - Nước dự trữ: có mặt trong các xoang tích nước và trong không bào. Nước dễ được dẫn truyền nhất. - Nước khe: có mặt trong khoảng gian bào giữa các tế bào và trong các yếu tố dẫn truyền của hệ mạch và hệ ống rây. 2. Vai trò của nước đối với thực vật: - Nước là thành phần bắt buộc xây dựng nên cơ thể thực vật. Nước chiếm khối lượng 90% chất nguyên sinh và ảnh hưởng tới trạng thái keo của nguyên sinh chất ảnh hưởng cường độ hoạt động sống của tế bào. vd: các cơ quan, mô còn non đang sinh trưởng mạnh và hoạt động mạnh có lượng nước cao hơn cơ quan già, cơ quan đang ngủ nghỉ. - Nước là nhân tố đảm bảo sự thống nhất trong cơ thể thực vật. Khi tế bào diễn ra hoạt động sống mạnh thì tế bào mất nước nên tế bào sẽ hoạt động giảm, vì vậy nước là nhân tố đảm bảo sự thống nhất vì là dung môi hòa tan nhiều chất trong tế bào. Nước tham gia trực tiếp vào sự vận chuyển các chất vô cơ, hữu cơ từ bộ phận này đến bộ phận khác làm cho hoạt động của cây thành một thể thống nhất. vd: Thủy tảo: 90-98% nước Xà lách, hành, cà chua: 91-95% nước Cà rốt, của hành: 87-91% nước Thân cây gỗ: 40-55% nước - Nước góp phần tích cực đảm bảo sự thống nhất giữa cơ thể thực vật và môi trường xung quanh. Thể hiện trong sự trao đổi chất giữa rễ cây và môi trường đất có sự tham gia các ion H+ và OH- do nước phân li ra. - Nước là nguyên liệu tham gia trực tiếp các phản ứng sinh hóa diễn ra trong thực vật như: phản ứng thủy phân, quang hợp, hô hấp... - Nước có vai trò điều hòa và ổn định nhiệt độ của cơ thể thực vật nhờ các quá trình thoát hơi nước. Vậy tế bào thiếu nước thường có kích thước nhỏ và kết hợp chặt chẽ hơn so với tế bào có kích thước lớn và mọng nước. Chất nguyên sinh của tế bào là một hệ thống có chứa nước. II. Sự hút nước của thực vật: 1. Cơ quan hút nước của thực vật: Khái niệm: là cơ quan chuyên trách việc lấy nước và các muối khoáng hoà tan trong nước cho cây. - Thực vật thủy sinh: các bộ phận đều có khả năng hút nước (rễ, thân, lá). Nhóm thực vật thủy sinh như: tảo, rau câu, bèo... cây sống trong nước và muối khoáng hòa tan qua khắp bề mặt biểu bì của rễ, thân, lá. - Thực vật trên cạn: cơ quan hút nước chủ yếu là rễ đặc biệt là các tế bào lông hút. Nhóm thực vật trên cạn chia làm 3 nhóm: + Ẩm sinh: những thực vật sống ở nơi có độ ẩm cao. + Trung sinh: những thực vật sống nơi có độ ẩm trung bình. + Hạn sinh: những thực vật sống nới khô hạn, chịu được điều kiện thiếu nước. Gồm 2 loại: mọng nước: sống ở sa mạc và chịu mặn: chịu được hạn sinh lý. - Bộ rễ của cây phải ăn sâu vào trong đất để tiếp xúc lớn với các tầng mặt của đất. - Cây cần diện tích bề mặt hấp thụ đủ lớn để hấp thụ đủ chất dinh dưỡng cần thiết cho mọi hoạt động sống xảy ra ở cây đặc biệt là cây có kích thước lớn. - Chức năng của rễ: + Hấp thụ nước và chất khoáng là hai loại chất dinh dưỡng thiết yếu của cây. + Dẫn truyền chất dinh dưỡng từ bề mặt hấp thụ (lông hút, rễ con đến trụ mô dẫn của rễ). + Nén chặt hay cố định để nâng đỡ cây ở thế đứng vững chắc trong không gian. + Có vai trò chống hiện tượng rửa trôi, xói mòn đất, bảo vệ đất. 2. Sự hút nước của thực vật: Cây hút nước nhờ 3 động lực: - Động lực dưới: do áp lực của rễ. - Động lực trung gian: do lực tương tác và lực hút bám của phân tử nước - Động lực trên: do lực phát tán hơi nước của lá gây ra. 2.1 Động lực dưới (quá trình hút nước chủ động): - Trong rễ cây, đặc biệt là cá tế bào lông hút có chứa các cơ chất như đường, muối vô cơ, axit amin... làm cho nồng độ dịch bào tăng dẫn đến tăng áp suất thẩm thấu và tăng sức hút nước. - Như vậy, rễ cây đã tạo ra một lực hút nước để có thể hút nước từ môi trường ngoài vào trong cây. - Có 2 hiện tượng: + Rĩ nhựa: khi cắt ngang thân, gần gốc cây, hay các tác nhân làm chầy sướt cây thấy trên vết cắt hay vết chầy sướt có dịch lỏng. + Ứ giọt: cây non khi úp chúng trong chuông thủy tinh bão hòa hơi nước thì sau một thời gian thấy tren mép lá, đầu ngọn có giọt nước ứ đọng lại. - Ý nghĩa: mùa xuân, mùa thu cây chưa ra lá, cây vẫn sống được nhờ vào động lực dưới. 2.2 Động lực trung gian: - Do lực tương tác giữa các phân tử nước và lực hút bám giữa các phân tử nước với mạch dẫn. - Ý nghĩa: làm cho cột nước trong cây diễn ra liên tục không bị đứt đoạn 2.3 Động lực trên (quá trình hút nước bị động) - Do lực phát tán hơi nước của bộ lá gây ra. - Ý nghĩa: trong điều kiện nhiệt độ cao nhờ lá thoát hơi nước sẽ điều tiết được chế độ nước của cây tránh sự đốt nóng của ánh sáng mặt trời. Tạo điều kiện cho quá trình trao đổi chất diễn ra mạnh mẽ. Nhờ có động lực trên mà tạo điều kiện cho rễ đặc biệt các tế bào lông hút hút nước và muối khoáng trong đất cho các bộ phận của cây. III. Ảnh hưởng điều kiện ngoại cảnh đến sự hút nước của rễ: 1. Nhiệt độ đất: 1.1 Nhiệt độ cao: - Nếu tăng nhiệt độ của đất thì sự hút nước của rễ tăng lên. Vì nhiệt độ tăng dẫn đến tăng sực hút nước. - Đa số thực vật thích hợp cho sự hút nước của rễ là 25 – 300C, nếu vượt quá ngưỡng đó thì sự hút nước của rễ giảm xuống. 1.2 Nhiệt độ thấp: - Kìm hãm quá trình hút nước của cây. Nếu nhiệt độ thấp đến một mức nào đó rễ cây hoàn toàn không có khả năng hấp thu nước trong đó cây vẫn tiến hành thoát hơi nước gây hiện tượng hạn sinh lý. - Nhiệt độ cây nguồn gốc nhiệt đới từ 0-20C thì rễ hầu như không hút được nước. - Thực vật nhiệt đới như cà chua, lúa, đậungừng hút nước ở nhiệt độ 5-70C. - Có các biện pháp chống rét như bón tro bếp hay che chắn bằng polyetylen. - Nguyên nhân: + làm tăng độ nhớt của nước dẫn đến tốc độ khếch tán của nước trong đất giảm và giảm sực hút nước. + tăng độ nhớt làm giảm tính thấm của chất nguyên sinh và giảm xâm nhập nước vào rễ và giảm sự vận động nước trong rễ. + làm giảm hô hấp của rễ à giảm quá trình hút nước chủ động của rễ. + làm giảm quá trình thoát hơi nước của lá làm giảm tốc độ vẫn chuyển nước trong cây + làm cho bộ rễ sinh trưởng kém, không ăn sâu để hút nước ở các tầng đất khác nhau. 2. Hàm lượng oxi: - Để cho quá trình hút nước được thuận lợi thì rễ cây phải thực hiện quá trình hô hấp. Cho nên trong đất phải có đủ oxi để hoạt động hút nước của rễ được thực hiện. - Hàm lượng oxi trong đất khoảng 10-12% là thích hợp nhất cho sự hút nước của rễ. Hàm lượng oxi thấp hơn rễ sẽ hô hấp yếm khí, có hại cho cây. - Các loại thực vật khác nhau mẫn cảm với điều kiện oxi khác nhau như cây sống trên cạn: lạc, đậu, bầu, bí,thiếu oxi cây rất dễ chết cần phải xới xáo, phá váng thường xuyên. - Các loại thực vật sống nước: lúa,chịu được nồng độ oxi thấp nhưng vẫn cung cấp oxi thêm bằng cách làm cỏ, sục bùn. - Các loại cây sống trong nước điều kiện đầm lầy hoàn toàn thiếu oxi như sen, súng, đướccác thực vật này rễ vẫn hô hấp do loại thực vật này có hệ thống thông khí từ các cơ quan trên mặt đất xuống rễ để dẫn oxi xuống cung cấp cho hệ rễ. - Trong sản xuất, ta cần hạn chế hiện tượng yếm khí cho đất bằng biện pháp cung cấp oxi cho đất như làm kỹ đất trước khi gieo, phá váng, làm cỏ sục bùn, sục khí thủy canh 3. Nồng độ dung dịch đất: - Nồng độ dung dịch đất ảnh hưởng đến sự hút nước của rễ, tế bào hút được nước khi nồng độ dung dịch tế bào cao hơn nồng độ của các chất thải ra trong đất. - Khi trồng cây ở đất mặn, đất phèn không nên bón quá nhiều phân một lúc. Rễ không hút được nước gây hiện tượng hạn sinh lý. - Một số loại thực vật có khả năng sống trong điều kiện nồng độ dung dịch đất cao như loại cây sú vẹt, cói, lúa chịu mặn, lúa chịu phèncác loại cây này có đặc điểm sinh lý tế bào thích nghi với điều kiện phèn, mặn đó là nồng độ dich bào của rễ cao hơn nồng độ dịch bào trong đất nên chúng có thể lấy được nước trong đất mặn. Người ta coi thực vật chịu hạn như là thực vật chịu hạn vì chúng có cơ chế chống chịu như nhau là đều có nồng độ dịch bào cao. - Trong sản xuất, người ta chọn tạo các giống chống chịu mặn cho các vùng đất bị nhiễm phèn, mặn. Trong trường hợp gặp mặn, cần làm giảm nồng độ dung dịch đất bằng các biện pháp thau chua, rửa mặn, đào rãnh hạ phàn xuống tầng đất sâu 4. Ánh sáng: Là tác nhân gây mở khí khổng làm tăng thoát hơi nước ở cây. vd: thực vật khi ánh sáng bình minh vừa xuất hiện thì khí khổng mở. Cường độ ánh sáng càng tăng thì càng mở to và đến trưa thì mở to nhất. Buổi chiều khí khổng khép dần lại theo sự giảm cường độ ánh sáng đến hoàng hôn thì đóng lại. BÀI 2: SỰ THOÁT HƠI NƯỚC CỦA THỰC VẬT I. Ý nghĩa của sự thoát hơi nước: - Lượng nước ở cây mất đi là do quá trình thoát hơi nước nhiều hơn lượng nước cần cho cây, do đó ở một khía cạnh nào đó giảm thoát hơi nước sẽ có lợi cho cây. Khoảng 98% lượng nước mà rễ hấp thụ được bị mất đi qua con đường thoát hơi nước. Chỉ 2% lượng nước đi qua cây được sử dụng để tạo môi trường cho hoạt động sống. vd: ngô – thoát 250 kg hơi nước để tổng hợp 1 kg chất khô - Thoát hơi nước làm giảm nhiệt độ của lá. - Sự thoát hơi nước đòi hỏi khí khổng mở, qua đó mà CO2 đi vào thực hiện quá trình quang hợp. - Sự thoát hơi nước là động lực chủ yếu cho quá trình hút và vận chuyển nước của thực vật. II. Ảnh hưởng của điều kiện ngoại cảnh đến quá trình thoát hơi nước: 1. Nhiệt độ: - Là yếu tố tác động trực tiếp đến quá trình thoát hơi nước. Nhiệt độ thích hợp cho quá trình thoát hơi nước là 30-400C. Nhiệt độ ảnh hưởng đến hoạt động hô hấp của rễ qua đó ảnh hưởng đến hấp thu nước của rễ, nhiệt độ môi trường còn làm thay đổi độ ẩm không khí qua đó tác động đến sự thoát hơi nước của lá. 2. Ánh sáng: - Năng lượng ánh sáng cung cấp lớn làm nhiệt độ tăng còn năng lượng ánh sáng cung cấp nhỏ làm nhiệt độ giảm. - Khí khổng mở ngoài sáng và đóng trong tối làm lá cây cân bằng. 3. Độ ẩm: - Các loại thực vật thoát hơi nước bình thường trong điều kiện 70-80% . Nếu độ ẩm cao 80- 90% ức chế quá trình thoát hơi nước. Nếu độ ẩm thấp 60% tăng thoát hơi nước. 4. Gió: - Làm tăng quá trình thoát hơi nước mang bề mặt lá không khí ẩm và thay bằng một lớp không khí khô hơn. Gió làm tăng thoát hơi nước do giảm ẩm độ tương đối trên bề mặt lá. Gió làm thay đổi nhiệt độ lá, làm nhiệt độ lá gần bằng nhiệt độ gió. 5. Phân bón: - Khi mới bón phân sự thoát hơi nước giảm vì phân bón làm tăng nồng độ của dịch đất làm giảm thế nước của đất, rễ khó hút nước. Sau đó, rễ hút nước mạnh hơn và thoát hơi nước cũng mạnh hơn. III. Sự cân bằng nước trong cây cơ sở sinh lý của việc tưới nước hợp lý: 1. Sự cân bằng nước: - Là chỉ số giữa lượng nước thoát ra và lượng nước hút vào trong cây T: thoát hơi nước A: hút nước T/A ≤ 1: cây cân bằng nước và đủ nước → phát triển bình thường T/A > 1: cây thiếu nước và gây héo → cây sẽ bị hư hại nên sinh trưởng giảm, năng suất giảm, có thể chết. - Héo là hiện tượng giảm sức căng bề mặt của tế bào + Héo tạm thời: là hiện tượng héo diễn ra trong thời gian ngắn. Sau đó cây hút nước và trở lại hình dạng ban đầu. Ví dụ: buổi trưa hè nắng nóng, lúc đó nhiệt độ không khí quá cao, độ ẩm không khí thấp khiến sự thoát hơi nước mạnh nên rễ cây không thể cung cấp đủ nước cho thoát hơi nước, vì vậy cây mất cân bằng nước và bị héo. Nhưng vào buổi chiều và ban đêm, lúc đó nhiệt độ giảm, thoát hơi nước giảm và cây tự khôi phục được trạng thái cân bằng nước và lấy lại trạng thái tươi. Ví dụ: các loại cây trồng có lá rộng như: bầu, bí, mướp, hướng dương, củ cải + Héo lâu dài: là hiện tượng héo diễn ra trong một thời gian dài, cây khó trở lại trạng thái ban đầu, để lâu quá sẽ chết. Ví dụ: xảy ra ở đất hạn gây nên. Vì đất thiếu nước nên hệ thống rễ không hút đủ nước cho cây cả ngày và đêm, dẫn đến cây mất cân bằng nước. 2. Cơ sở khoa học của việc tưới nước hợp lý: - Dựa vào độ ẩm trong đất. - Dựa vào sức hút nước của tế bào đa số cây trồng sức hút nước tế bào giao động 5 – 15 atm. - Dựa vào hiện tượng biểu hiện sinh lý bên ngoài của cây. + Thay đổi màu sắc lá + Độ căng của lá - Dựa vào dinh dưỡng khoáng trong đất. 3. Xác định phương pháp tưới nước: Tùy theo từng loại cây trồng mà ta cần xác định phương pháp tưới nước thích hợp nhất. Có nhiều phương pháp tưới nước: - Phương pháp tưới ngập, tưới tràn thường sử dụng với cây lúa, một số cây trồng cần nhiều nước và chủ động về thủy lợi. - Phương pháp tưới rãnh thường sử dụng với các loại cây hoa màu. - Phương pháp tưới phun mưa, phun sương với các vùng thiếu nước cho các cây công nghiệp, cây ăn quả. Phương pháp này tiết kiệm nước nhưng phải có thiết bị nhỏ giọt đến tận từng gốc cây. Tùy theo các loại cây trồng khác nhau, các điều kiện khác nhau cung cấp nước và thiết bị tưới và theo giai đoạn sinh trưởng mà chọn ra phương pháp tưới thích hợp.