Bài giảng Sinh lý thực vật - Chương IV: Quang hợp của thực vật - Trần Thị Hoài Thu

CHƯƠNG IV: QUANG HỢP CỦA CỦA THỰC VẬT BÀI 1: CƠ QUAN QUANG HỢP CỦA THỰC VẬT I. Một số khái niệm chung: 1. Định nghĩa quang hợp của thực vật: Quang hợp là quá trình biến đổi các hợp chất vô cơ đơn giản thành các hợp chất hữu cơ phức tạp xảy ra ở diệp lục dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời. PTPƯ: CO2 + H2O → C6H12O6 + O2 2. Bản chất quang hợp của thực vật: - Là quá trình khử CO2 để tạo thành các hợp chất hữu cơ. - Phân li nước giải phóng oxi cung cấp cho sự sống. 3. Ý nghĩa quang hợp của thực vật: - Quá trình quang hợp là quá trình quan trọng trong đời sống sự sống của toàn sinh vật trên trái đất vì quá trình tạo ra các hợp chất hữu cơ. - Quang hợp cung cấp năng lượng cho sự sống. - Thực vật là nhà máy khổng lồ để làm sạch môi trường không khí, nó biến đổi các hợp chất khí CO2 thành O2 qua quá trình quang hợp điều hoà nước của môi trường. II. Những cơ quan thực hiện chức năng quang hợp của thực vật: 1. Lá: 1.1 Đặc điểm bên ngoài của lá: - Các phần của lá: + Cuống: đa số cây, Bẹ: cỏ, lúa, chuối. + Phiến: màu xanh lục dạng bản dẹt, là phần rộng nhất của lá. + Gân: nằm trên phiến lá Gân hình mạng: nhiều cây Gân song song: tre, ngô, lúa Gân hình cung: bèo nhật bản, ngọc trâm - Các loại lá: + Lá đơn: mít, ớt, dâm bụt + Lá kép: hoa hồng, phượng vĩ, khế - Các kiểu xếp lá: + Mọc cách: bưởi, rau muống + Mọc đối: ổi, bạc hà + Mọc vòng: hoa sữa, trúc đào - Biến dạng của lá: + Tua cuốn, tay móc: giúp thân cây leo lên. Đậu hà lan, Đậu ngự, Đậu rồng + Gai: giảm sự thoát hơi nước trong điều kiện khô hạn. Xương rồng + Lá vảy: che chở cho chồi nằm trên thân rễ. Củ dong ta, củ riềng + Lá dự trữ: bẹ lá phồng lên chứa chất dự trữ. Củ hành ta, hành tây + Lá bắt mồi: có lông tuyến bắt và tiêu hoá sâu bọ. Lá cây bắt mồi Gân lá kéo dài và phát triển thành bình có nắp trong chứa dịch tiêu hoá sâu bọ. Cây nắp ấm 1.2 Cấu tạo trong của phiến lá: a. Biểu bì: - Lớp biểu bì trong suốt, xếp sát nhau, có vách phía ngoài dày. - Có lỗ khí, tập trung nhiều ở mặt dưới lá. Chức năng: Bảo vệ phiến lá, để cho ánh sáng chiếu được vào phần thịt lá. Trao đổi khí và thoát hơi nước. b. Thịt lá: - Gồm một vài lớp tế bào chứa lục lạp. + Phía trên gồm các tế bào hình dài, xếp sát nhau và có nhiều lục lạp hơn. + Phía dưới gồm các tế bào dạng gần tròn, ít lục lạp hơn, xếp không sát nhau xen giữa có nhiều khoảng trống chứa khí. Chức năng: Chế tạo chất hữu cơ nuôi cây. Thu nhận ánh sáng Dự trữ và trao đổi khí. c. Gân lá: Gồm các bó mạch gỗ và mạch rây liên hệ với các bó mạch của thân và cành. Chức năng: Dẫn nước và muối khoáng lên lá và dẫn các chất hữu cơ do lá chế tạo đi. 2. Lục lạp: Là bào quan điển hình của thực vật, có hình bầu dục. - Mỗi lục lạp được bao bọc bởi màng kép, bên trong là khối chất nền và các hạt nhỏ. - Lục lạp là một trong ba loại lạp thể (vô sắc lạp, sắc lạp, lục lạp) chỉ có trong các tế bào có chức năng quang hợp ở thực vật. - Số lượng lục lạp trong mỗi tế bào của môi trường sống và loài. - Trong lục lạp có chứa chất diệp lục và sắc tố vàng, các nguyên tố khoáng. 3. Sắc tố quang hợp của thực vật: 3.1 Diệp lục: - Có màu xanh lục, chính nó là màu xanh của lá - Có 2 loại diệp lục: + Diệp lục a (còn gọi là Clorophin a): C55H72O5N4Mg + Diệp lục b (còn gọi là Clorophin b): C55H70O6N4Mg - Đóng vai trò như một chất xúc tác cho hoạt động quang hợp. - Diệp lục hấp thụ và nhận được ánh sáng đỏ và ánh sáng xanh tím - Trong lá, diệp lục luôn đổi mới và mất đi, phụ thuộc vào điều kiện môi trường. Lá sẽ bị vàng dần, mất màu xanh của lá. 3.2 Carôtenoit: - Có màu vàng, da cam, đỏ, tím đỏ. - Gặp ở lá già, quả chín, trong lá xanh bình thường cũng có Carôtenoit tiếp nhận năng lượng ánh sáng mặt trời. - Carôtenoit tiếp nhận năng lượng ánh sáng mặt trời và truyền năng lượng ánh sáng cho diệp lục, gián tiếp tham gia quang hợp của thực vật. - Lọc ánh sáng bảo vệ phân tử diệp lục tránh khỏi tác hại của cường độ ánh sáng mạnh. - Có 2 loại: + Carôtin: không tan trong nước, tan trong hợp chất hữu cơ, có dạng màu hồng khi hoà tan hữu cơ có màu vàng. + Xantôphin: tan trong hợp chất hữu cơ, có màu đỏ, da cam. 3.3 Antôxyan: - Sự tăng hàm lượng Antôxyan sẽ giảm hàm lượng diệp lục trong lá. - Tăng khả năng giữ nước trong tế bào khi cây bị hạn và khô. - Tăng khả năng đóng mở khí khổng. 3.4 Phycôbilin: - Quan trọng đối với tảo và thực vật sống dưới nước. - Nhóm sắc tố này thích nước, trong tế bào chúng liên kết với prôtein nên tên gọi là Biliprôtein hay Phycôbiliprôtein. - Hấp thụ ánh sáng lục và vàng. BÀI 2: BẢN CHẤT CỦA CÁC QUÁ TRÌNH QUANG HỢP CỦA THỰC VẬT I. Bản chất pha sáng của quang hợp ở thực vật: 1. Định nghĩa: - Pha sáng là pha mà diệp lục hấp thụ năng lượng ánh sáng mặt trời trở thành trạng thái kích động và biến đổi năng lượng ánh sáng mặt trời hấp thụ được thánh năng lượng dự trữ trong các hợp chất cao năng ATP, chất khử NADH2. - Pha sáng quang hợp gồm 2 quá trình: + Giai đoạn quang lý: là giai đoạn các phân tử diệp lục hấp thụ năng lượng anhs sáng mặt trời và trở thành trạng thái kích động. + Giai đoạn quang hoá: là giai đoạn mà sau khi phân tử diệp lục hấp thụ năng lượng thì năng lượng đó sẽ được biến đổi tạo thành các hợp chất cao năng và chất khử. 2. Bản chất pha sáng của quang hợp ở thực vật: 2.1 Quang lý: - Các phân tử diệp lục hấp thụ năng lượng ánh sáng mặt trời trong khoảng bước sóng 400 đến 700nm. - Trong giai đoạn quang lý các phân tử diệp lục hấp thụ các tia sáng có bước sóng thấp sẽ chuyển năng lượng cho diệp lục hấp thụ tia sáng có bước sóng cao hơn và cuối cùng năng lượng đó sẽ chuyển cho trung tâm phản ứng. 2.2 Quang hóa: - Giai đoạn này gồm 3 giai đoạn: + Quang hoá khởi nguyên: là quá trình cho hay nhận điện tử của phân tử diệp lục ở trung tâm phản ứng với các chất cho hay nhận điện tử. + Quang phân li nước: phân tử nước bị phân li dưới tác dụng của năng lượng ánh sáng đã được diệp lục hấp thụ. 2H2O ánh sáng , diệp lục 4H+ + 4e- +O2 Sơ đồ cho thấy oxi được giải phóng ra từ nước. Các e xuất hiện trong quá trình quang phân li nước để bù lại các e của diệp lục đã bị mất khi tham gia vào các dây chuyền khác. + Quang photphorin hoá: là quá trình tạo thành ATP trong quang hợp. Vậy sản phẩm của pha sáng gồm có: ATP, NADPH2, O2. II. Bản chất pha tối của quang hợp ở thực vật: 1. Định nghĩa: - Pha tối quang hợp là pha khử CO2 được tiến hành trong một thời gian dài hơn so với pha sáng và thời gian quang hợp kéo dài ở pha tối. - Các sản phẩm tạo ra trong pha sáng như: ATP, NADH2 sẽ đi vào trong pha tối để thực hiện quá trình khử CO2, tạo ra sản phẩm hữu cơ như prôtein, lipit, gluxit - Các con đường đồng hoá CO2: hiện nay theo nghiên cứu ccá nhà khoa học như Calvin, Hatch- Slack có 3 con đường. + Con đường đồng hoá theo C3 + Con đường đồng hoá theo C4 + Con đường đồng hoá theo CAM 2. Bản chất pha tối của quang hợp ở thực vật: 2.1 Chu trình Calvin (C3): - Gồm các nhóm cây thực vật như: lúa, khoai, sắn, rau (các loại), đậu - Có thể chia chu trình Calvin thành 3 giai đoạn: giai đoạn cố định CO2, giai đoạn khử APG (axit photphoglixêric) thành AlPG (Anđêhic photphogixêric) và giai đoạn tái sinh chất nhận ban đầu là ribulôzơ – 1,5 – điphotphat. - Tại điểm kết thúc giai đoạn khử có phân tử AlPG được tách ra khỏi chu trình. AlPG là chất khởi đầu để tổng hợp nên C6H12O6 rồi từ đó tổng hợp nên tinh bột, saccarôzơ, axit amin, lipit trong quang hợp. - Thực vật C3 gồm từ các loại rêu cho đến các loài cây cao lớn mọc trong rừng, phân bố hầu khắp mọi nơi trên trái đất. Nhóm thực vật này cố định CO2 theo con đường Calvin. Hình các bước thực hiện chu trình C3 2.2 Chu trình Hatch-Slack (C4): - Gồm các nhóm thực vật như: ngô, mía, cỏ lồng cực, cỏ gấu - Nhóm Thực vật C4 bao gồm một số loại sống ở vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới như mía, rau dền, ngô, kê, cao lươngtiến hành quang hợp theo con đường C4. Đó là phản ứng thích nghi sinh lý với cường độ ánh sáng mạnh. Thực vật C4 có các ưu việt hơn C3: cường độ quang hợp cao hơn, điểm bù CO2 thấp hơn, điểm bão hoà ánh sáng cao hơn, nhu cầu nước thấp hơn, thoát hơi nước thấp hơn. Nhờ vậy, thực vật C4 có năng suất cao hơn thực vật C3. 2.3 Chu trình CAM: - Thực vật CAM gồm những loài mọng nước sống ở các vùng hoang mạc khô hạn (xương rồng) và các loài cây trồng như dứa, thanh long. Để tránh mất nước do thoát hơi nước, khí khổng của các loài cây mọng nước đóng vào ban ngày và mở vào ban đêm. Do đó, chúng sẽ không quang hợp được. Để thoát khỏi tình trạng ấy, thực vật mọng nước đã chọn được một con đường cố định CO2 theo cách riêng của mình. Con đường đó gọi là con đường CAM. - Bản chất hoá học của con đường CAM giống với con đường C4. Điểm khác biệt rõ nét nhất với con đường C4 là về thời gian: cả 2 giai đoạn của con đường C4 đều diễn ra ban ngày, còn đối với con đường CAM thì: giai đoạn đầu cố định CO2 được thực hiện vào ban đêm, lúc khí khổng mở, còn giai đoạn tái cố định CO2 theo chu trình C3 được thực hiện vào ban ngày , lúc khí khổng đóng. Thực vật CAM không có 2 loại lục lạp (nhu mô và bao bó mạch) như ở thực vật C4. - Con đường CAM là đặc điểm thích nghi sinh lý của thực vật mọng nước đối với môi trường khô hạn ở sa mạc. III. Ảnh hưởng của điều kiện bên ngoài đến quá trình quang hợp của thực vật: 1. Ảnh hưởng của ánh sáng đến quang hợp: 1.1 Cường độ ánh sáng: - Ánh sáng là điều kiện cơ bản cho quang hợp. - Quang hợp có thể tiến hành trong điều kiện cường độ ánh sáng thấp. (dưới ánh sáng của đèn dầu hỏa, ánh sáng trăng) - Cường độ quá thấp, quang hợp diễn ra rất yếu khiến không đủ bù lượng chất hữu cơ hao hụt do quá trình hô hấp tiêu hao. - Nhân tố ánh sáng giữ vai trò quan trọng trong sự tạo ra năng suất cao của cây nông nghiệp. Bởi vậy, khi giảm cường độ quang hợp và là nguyên nhân giảm năng suất. 1.2 Thành phần quang phổ của ánh sáng: - Quang hợp có hiệu quả nhất là vùng tia đỏ và tia xanh tím. Các tia còn lại có hiệu quả rất thấp hay không còn có hiệu quả quang hợp. - Ánh sáng sóng ngắn (xanh tím) có khả năng giúp cho việc tạo thành axit amin, prôtein - Ánh sáng sóng dài (đỏ) giúp cho việc tổng hợp gluxit. 2. Ảnh hưởng của nước đến quá trình quang hợp: - Là nguyên liệu của quá trình tổng hợp - Cung cấp H+ để tham gia quá trình tạo khử trong quang hợp. - Hàm lượng nước trong tế bào giảm xuống 5 – 20 % so với tổng số nước trong tế bào thì quang hợp vẫn xảy ra bình thường. - Khi thiếu 40 – 60 % quang hợp giảm mạnh và dẫn tới ngừng quang hợp. - Đối với nhóm cây khác nhau ý nghĩa của cùng mật độ thiếu nước có thể khác nhau. - Nước là nhân tố điều hòa nhiệt độ lá. 3. Ảnh hưởng của nồng độ CO2 đến quá trình quang hợp: - Trong tự nhiên CO2 trung bình 0,03%. Nồng độ CO2 thấp nhất mà cây quang hợp được là 0,008 đến 0,01%. Dưới ngưỡng đó, quang hợp rất yếu hay có thể không xảy ra. Nồng độ CO2 0,01 đến 0,03% quang hợp tăng lên, CO2 tăng đến 0,1% thì quang hợp vẫn không bị ức chế. - CO2 của không khí là nguồn cung cấp cacbon cho quang hợp, đồng thời là sản phẩm của quá trình hô hấp, nếu nồng độ quá cao thì ức chế hô hấp và ức chế quang hợp. - Đất là một nguồn cung cấp CO2 cho không khí. CO2 trong đất chủ yếu là do hô hấp của vi sinh vật và của rễ cây tạo nên. Thông thường ở điều kiện cường độ ánh sáng cao, tăng nồng độ CO2 thuận lợi cho quang hợp. 4. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình quang hợp: - Liên quan quá trình quang hợp thông qua các hoạt tính của enzim và liên quan đến pha tối của quang hợp. Vì vậy, nhiệt độ ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình quang hợp. - Tuỳ theo nhiệt độ khác nhau mà nhiệt độ tác động tích hợp đến quang hợp cũng khác nhau. Thực vật C3 thích hợp: 15-250C Thực vật C4 thích hợp: 30-400C Một số thực vật sống ở các nơi suối nước nóng, có nhiệt độ thích hợp quang hợp 40-450C. 5. Ảnh hưởng của nồng độ O2đến quá trình quang hợp: - Hàm lượng O2 trong tế bào từ 1-5ppm không ức chế quang hợp. Nồng độ O2 cao hơn ức chếq quang hợp. 6. Ảnh hưởng của dinh dưỡng đến quá trình quang hợp: - Có thể ảnh hưởng trực tiếp hay gián tiếp tới quá trình quang hợp. Nó ảnh hưởng tới trạng thái và cấu trúc của nguyên sinh chất hay trực tiếp đến các giai đoạn của quá trình quang hợp. + Nitơ: tăng diện tích của lá để quang hợp, tăng hàm lượng diệp lục, xây dựng nên cấu trúccủa enzim để tham gia quang hợp, thiếu đạm kích thước lá nhỏ lại. + Photpho: gián tiếp tham gia quá trình tổng hợp diệp lục, giúp cho quang hợp chịu được những biến đổi khắc nghiệt của môi trường, giúp cho dòng vận chuyển các sản phẩm quang hợp về cơ quan dự trữ tốt hơn. + Kali: tăng khả năng giữ nước của lá giúp cho cây quang hợp được trong điều kiện cao. + Magiê: cấu tạo nên phân tử diệp lục nếu thiếu sẽ bạc lá. IV. Quang hợp và năng suất cây trồng: 1. Quang hợp quyết định năng suất cây trồng: - Quang hợp quyết định khoảng 90 đến 95% năng suất cây trồng, phần còn lại 5 đến 10% là các chất dinh dưỡng khoáng. - Một số khái niệm liên quan đến năng suất cây trồng: + Năng suất sinh học là tổng lượng chất khô tích luỹ được mỗi ngày trên 1ha gieo trồng trong suốt thời gian sinh trưởng. + Năng suất kinh tế: là một phần của năng suất sinh học được tích luỹ trong các cơ quan (hạt, củ, quả, lá) chứa các sản phẩm có giá trị kinh tế đối với con người của từng loài cây. 2. Tăng năng suất cây trồng thông qua sự điều khiển quang hợp: 2.1 Tăng diện tích lá: - Có thể điều khiển diện tích bộ lá nhờ các biện pháp nông sinh như bón phân, tưới nước hợp lí, thực hiện kĩ thuật chăm sóc phù hợp với loài và giống cây trồng . - Tác dụng của bộ lá đối với quang hợp thể hiện ở trị số của diện tích lá đối với cây lấy hạt là 3 - 4 (30000-40000m2 lá/ha), cây lấy củ và rễ là 4 - 5,5. 2.2 Tăng cường độ quang hợp: - Cường độ quang hợp là chỉ số thể hiện hiệu suất hoạt động của bộ máy quang hợp. Chỉ số đó ảnh hưởng quyết định đến sự tích luỹ chất khô và năng suất cây trồng. - Tăng cường độ quang hợp bằng cách thực hiện các biện pháp kỹ thuật như cung cấp nước, bón phân, chăm sóc hợp lý tạo điều kiện cho cây hấp thụ và chuyển hoá năng lượng mặt trời một cách có hiệu quả. - Trong tuyển chọn và tạo mới các giống cây trồng, người ta chú ý đến những giống cây có cường độ quang hợp cao. 2.3 Tăng hệ số kinh tế: - Tuyển chọn các hạt giống cây có sự phân bố sản phẩm quang hợp vào bộ phận có giá trị kinh tế (hạt, quả, củ) với tỉ lệ cao, do đó sẽ tăng hệ số kinh tế của cây trồng. - Các biện pháp nông sinh như bón phân hợp lí. + Cây lấy quả, hạt cần nhiều muối lân, đạm. + Cây lấy củ cần nhiều muối Kali. + Cây lấy thân, lá (các loại rau) cần đạm.