Ôn tập sinh hsg một số chuyên đề trao đổi nước và dinh dưỡng khoáng ở thực vật

TRAO ĐỔI NƯỚC VÀ DINH DƯỠNG KHOÁNG Ở THỰC VẬT A- SỰ TRAO ĐỔI NƯỚC I Bộ rễ trình trao đổi nước thực vật Hình thái bên đặc điểm sinh học rễ - - - - Cây cạn có hệ rễ phát triển, ăn sâu lan rộng, phân nhánh nhiều với vơ số lơng hút nhỏ Rễ có khả hướng nước, hướng hố chủ động tìm đến nguồn nước chất dinh dưỡng Rễ số lồi có khả tiết số chất làm biến đổi chất khó tiêu thành chất dễ tiêu Với thuỷ sinh hệ rễ biến dạng phát triển nước hấp thụ qua toàn bề mặt thể Sơ lược cấu tạo giải phẫu rễ điển hình: - - - Cấu tạo gồm miền: Miền sinh trưởng: tế bào có khả phân chia mạnh mẽ sinh tế bào thay tế bào già, chết, làm rễ dài Miền lơng hút: có nhiều long hút, nhiệm vụ hút nước muối khoáng Vùng chóp rễ: bảo vệ đầu rễ  Lơng hút tế bào trực tiếp hấp thu nước muối khống, có cấu tạo đặc biệt, thích nghi với chức năng: Thành tế bào mỏng, không thấm cutin Không bào trung tâm lớn Nhiều ti thể, hô hấp mạnh Rễ bơm hút đẩy nước, qua tượng: Ở tượng , trình nước khơng cịn bị hạn chế, nước lên hồn tồn lực đẩy rễ II Các dạng tồn nước đất Nước tồn dạng: - - Nước liên kết: gồm  Nước liên kết chặt bề mặt hạt keo, lòng hạt keo  Nước màng: bao quanh hạt keo, thực vật hút khó Nước tự do: gồm:  Nước trọng lực: khe rộng hạt đất, thường rút xuống sâu  Nước mao dẫn: mao quản hạt đất, di chuyển theo nhiều hướng Trong dạng nước nước mao dẫn dạng thực vật hút chủ yếu, thực vật sử dụng nước trọng lực, nước màng không sử dụng nước liên kết chặt Đặc điểm loại đất - Đất sét: giữ nước tốt, có nhiều nước màng, nước mao dẫn Đất cát: nước nhanh Đất pha: cấu tạo viên tốt, thích hợp với đa số thực vật III Quá trình hút nước rễ Đặc điểm: - TV cạn hấp thụ nước dạng lỏng từ đất qua bề mặt tế bào lông hút TV thuỷ sinh hấp thụ nước qua toàn bề mặt thể Quá trình hút nước rễ gồm giai đoạn nhau:  Giai đoạn nước từ đất vào lông hút  Giai đoạn nước từ lông hút vào mạch gỗ rễ  Giai đoạn nước bị đẩy từ mạch gỗ rễ lên mạch gỗ thân: nước bị đẩy từ rễ lên thân lực đẩy gọi áp suất rễ Có tượng chứng minh cho áp suất rễ: + Rỉ nhựa: cắt phần thân gần gốc, sau vài phút thấy giọt nhựa rỉ + Ứ giọt:ở ngun vẹn: khơng khí bão hồ nước, mép có giọt nước, thường gặp bụi thấp thân thảo Con đường hấp thụ nước rễ: - Theo đường: Con đường qua chất nguyên sinh - không bào ( phần sống): nước từ chất nguyên sinh không bào tế bào đến chất nguyên sinh không bào tế bào tiếp theo, kiểm soát chặt chẽ Động lực: có chênh lệch nước tế bào từ phía phía Con đường thành tế bào - gian bào: nước thành tế bào, khoảng gian bào mao quản thành, đến nội bì gặp đai Caspari → vào không bào chất nguyên sinh Tế bào nội bì theo đường Động lực: hút trương keo nguyên sinh chất, chênh lệch nước – chất tế bào Cơ chế: - - Nước hút từ đất vào tế bào lông hút chế thẩm thấu: từ nơi có áp suất thâm thấu thấp đến nơi có áp suất thẩm thấu cao Nước đẩy từ rễ lên thân áp suất rễ Dòng nước chiều từ đất vào rễ lên thân động lực:  Sự giảm dần nước từ tế bào phía ngồi đến tế bào phía  Hoạt động TĐC làm cho tế bào phía có ASTT cao  Lực hút q trình nước (động thụ động) IV Q trình vận chuyển nước chất khống hồ tan nước Đặc điểm: Nước chất khống hồ tan vận chuyển chiều từ rễ lên lá, khoảng cách dài Con đường:Trong mạch gỗ Cấu tạo mạch gỗ:  Quản bào: tế bào dạng ống, hẹp, dài, chết, thành dày hoá gỗ, có vách ngăn  Mạch ống: Tế bào chết, thành dày, hố gỗ khơng cịn vách ngăn tế bào Thành mạch dẫn cấu tạo nên vật liệu ưa nước, khả đàn hồi Động lực dòng mạch gỗ:  Lực hút (động lực chính)  Áp suất rễ - lực đẩy từ gốc lên thân  Lực trung gian: liên kết phân tử nước với với thành mạch dẫn  Quá trình vận chuyển chất hữu cơ: - - - Đặc điểm: vận chuyển chiều từ vào thân, xuống rễ quan khác mạch rây Cấu tạo mạch rây:gồm tế bào sống, nguyên chất nguyên sinh, gồm loại:  Tế bào kèm: chất nguyên sinh đậm đặc, nhiều ti thể, không bào nhỏ  ống rây: không nhân, chất nguyên sinh dải mỏng nằm sát vỏ tế bào, sợi protein xếp song song với nhau, xuyên qua lỗ rây, nối tế bào rây thành ống rây liên tục Thành phần: chủ yếu sacarozo, axit amin, vitamin, hocmon, … Cơ chế: khuếch tán( chênh lệch áp suất thẩm thấu quan nguồn quan đích), vận chuyển chủ động V Thốt nước Tính tất yếu q trình thoát nước Cây thoát nước tạo động lực để hút nước muối khoáng quang hợp ởlá cần phải lấy CO2 , thải O2 , khí khổng phải mở → nước, khí khổng đóng quang hợp ngừng thiếu CO2 Tuy nhiên thiếu nước đất hay hạn hán nước thảm hoạ vì: 1000 g nước lấy vào đến 990g ngồi - Ý nghĩa q trình nước - Là động lực trình hút nước trao đổi nước Thốt nước qua khí khổng, mở khí khổng, lấy CO2 cung cấp cho quang hợp Giảm nhiệt độ bề mặt lá, giúp tránh bị đốt nóng Vận chuyển phân phối nước ion khống Cơ đặc chất tổng hợp Tạo thiếu hụt (sự chênh lệch nước) thúc đẩy trình sinh lý diễn nhanh Các đường thoát nước: đường a Thoát nước qua cutin - Trên bề mặt phần non thân, bên ngồi tế bào biểu bì thấm cutin sáp Tốc độ thoát nước qua cutin thường nhỏ, phụ thuộc vào độ chặt, độ dày tầng cutin, khơng điều chỉnh b Thốt nước qua khí khổng: đường chủ yếu - Cấu tạo khí khổng: + Hai tế bào bảo vệ (tế bào hình hạt đậu hình tạ) có thành ngồi mỏng, thành dày,trong tế bào có chứa nhiều lục lạp, nhiều ti thể + Các tế bào phụ quanh lỗ khí: + Xoang lỗ khí - Thực chất: nuớc qua khí khổng nước qua lỗ nhỏ, tuân theo định luật Stephans + Tốc độ bay nước qua lỗ nhỏ tỉ lệ vơi đường kính lỗ nhỏ + Sự nước qua lỗ nhỏ xảy với hiệu mép lớn (tốc độ thoát nước mép nhanh giữa, diện tích bề mặt có nhiều lỗ nhỏ bay nước lớn hơn)  Cơ chế thoát nước chế đóng mở khí khổng: dựa mức độ no nước tế bào hạt đậu chế: - Do ánh sáng: có ánh sáng, lục lạp tế bào hạt đậu tiến hành quang hợp làm thay đổi nồng độ CO2 dẫn đến làm thay đổi pH tế bào → tăng hàm lượng đường tăng → tăng áp suất thẩm thấu tế bào → tế bào hút nước, trương nước, khí khổng mở - Hoạt động bơm ion dẫn đến tăng giảm hàm lượng ion tế bào đóng → thay đổi áp suất thẩm thấu sức trương tế bào - Khi bị hạn, hàm lượng axit abxixic tăng kích thích bơm ion ( K+) hoạt động rút ion khỏi tế bào đóng → tế bào giảm áp suất, giảm sức trương nước → khí khổng đóng  Các phản ứng đóng mở khí khổng: - Phản ứng mở quang chủ động: tượng mở khí khổng chủ động lúc sáng sớm sau mặt trời mọc chuyển từ tối sáng - Phản ứng đóng thuỷ chủ động: tượng đóng khí khổng chủ động vào buổi trưa cường độ nước cao làm cho tế bào đóng bị nước mạnh( q 15%), khí khổng đóng chủ động để giữ nước - Phản ứng đóng mở thuỷ bị động: tế bào hoàn toàn bão hoà nước, tế bào xung quanh khí khổng tăng thể tích, ép lên tế bào làm khe khí khổng khép lại cách bị động Ngược lại tế bào nước tế bào khí khổng khơng bị chèn, khe khí khổng mở Nhân tố mơi trường ảnh hưởng đến đóng mở khí khổng a Ánh sáng - Ánh sáng gây phản ứng mở quang chủ động, làm tăng nhiệt độ bề mặt → tăng thoát nước - Cả tốc độ độ mở cuối tăng lên với tăng cường độ ánh sáng b Nồng độ CO2 - Nồng độ CO2 giảm làm cho khí khổng mở, dù sáng hay tối c Nước độ ẩm - Nước độ ẩm không khí ảnh hưởng đến độ trương nước tế bào khí khổng, độ trương tương đối tế bào bảo vệ tế bào biểu bì lân cận d Nhiệt độ - Nhiệt độ → trạng thái nước củatế bào → đóng, mở khí khổng - Nhiệt độ → tốc độ chuyển hoá vật chất Tế bào → tốc độ đóng, mở khí khổng Cơ sở khoa học việc tưới nước hợp lý cho trồng a Cân nước vấn đề hạn trồng Cân nước hiểu tương quan q trình hấp thụ nước q trình nước Khi nước bù lại nhận nước đến mức bão hồ nước trạng thái cân nước dương, có thiếu hụt nước trạng thái cân nước âm Ở trạng thái bắt đầu thiếu nước gọi bị hạn - Hệ số héo: tỉ lệ % nước lại đất trồng đất bắt đầu bị héo Hệ số tính theo % ẩm dung tồn phần đất hệ số giới hạn nước dùng loại đất Hệ số héo loại đất khác lớn Ví dụ: Đất cát : 2,2 ,đất thịt : 12,6 ,đất sét : 26,2 % - Hạn sinh lý: tượng điều kiện dư thừa nước bị héo Nguyên nhân:  Ngập úng gây thiếu O2 đất,  Nồng độ dung dịch đất cao  Nhiệt độ qua thấp → rối loạn trao đổi chất rễ, tế bào lông hút bị ức chế hoạt động bị chết - Vấn đề đặt phải tưới nước cho trồng b.Tưới nước hợp lí cho trồng: Để có chế độ nước thích hợp tạo điều kiện tốt cho sinh trưởng đạt suất cao trồng cần phải thực việc tưới nước cách hợp lý cho chúng Vậy tưới nước hợp lý? Đó việc trả lời thực lúc ba vấn đề sau: - Khi cần tưới nước? - Lượng nước cần tưới bao nhiêu? - Cách tưới nào? Vấn đề cần tưới nước, khoa học đại ngày vào tiêu sinh lý chế độ nước trồng : sức hút nước lá, nồng độ hay áp suất thẩm thấu dịch tế bào, trạng thái khí khổng, cường độ hơ hấp lượng nước tưới phải vào nhu cầu nước lồi cây, tính chất vật lý, hoá học loại đất điều kiện môi trường cụ thể Vấn đề cuối cách tưới nước Vấn đề phụ thuộc vào nhóm trồng khách Ví dụ: Đối với lúa n ước tưới ngập nước cịn trồng cạn nói chung cần tưới đạt 80% ẩm dung tồn phần đất Cách tưới nước phụ thuộc vào loại đất Ví dụ: Đối với đất cát phải tưới nhiều lần, đất mặn phải tưới nhiều nước nhu cầu nước B- SỰ TRAO ĐỔI KHỐNG VÀ NITƠ I Q trình trao đổi khoáng Các nguyên tố thiết yếu thực vật: - Nguyên tố thiết yếu nguyên tố có liên quan trực tiếp đến hoạt động sống cây, vai trị khơng thể thay ngun tố khác, thiếu khơng thể sinh trưởng phát triển bình thường - Có 16 ngun tố thiết yếu là: C, H, O, N, K, Ca, Mg, P, S, Fe, Cu, Zn, Mo, Bo, Cl, Mn - Trong 16 nguyên tố trên, dựa vào hàm lượng người ta chia thành nhóm: + Nguyên tố đại lượng: chiếm 0,01 % khối lượng chất khô (C, H, O, N, K, Ca, Mg, P, S) + Các nguyên tố vi lượng: chiếm lượng nhỏ, từ 0,001% - 0,01%khối lượng khô(Cu, Zn, Mo, Bo, Cl, Mn) + Ngồi cịn có nguyên tố khác có hàm lượng nhỏ (các nguyên tố siêu vi lượng: I, Ag, Au, Hg…) Vai trị số ngun tố khống tiêu biểu thực vật Vai trò nguyên tố đa lượng: Các ngun tố đa lượng thường đóng vai trị cấu trúc tế bào, thành phần đại phân tử tế bào (protein, lipit, axit nucleic, ) Các ngun tố đa lượng cịn ảnh hưởng đến tính chất hệ thống keo chất nguyên sinh như: điện tích bề mặt, độ ngậm nước, độ nhớt độ bền vững hệ thống keo a Photpho(P) - Nguồn cung cấp:P2O5, H3PO4, đá mẹ Dạng hấp thụ:H2PO4, dinh dưỡng P hiệu pH đất từ 6 đến Vai trò: + Là thành phần nhiều hợp chất hữu quan trọng( ADN, ARN, protein, photpholipit, ATP, enzim vitamin….) Thiếu P: + Hình thái:lá biến màu: xanh lục lẫn đồng thau, phiến nhỏ, thân mềm, chín chậm + Sinh lý: ngừng tổng hợp protein, dễ bị bệnh chết b Kali: Nguồn cung cấp: giàu đất Dạng hấp thụ: muối Kali tan( K+) Vai trò: + Trong tế bào chất ảnh hưởng tới tính chất hệ keo, từ ảnh hưởng tới q trình trao đổi chất + Liên quan qua trình tổng hợp sắc tố + Làm tăng tính chống chịu nhiệt độ thấp, khơ hạn + Tăng q trình hô hấp + Xúc tiến hấp thụ NH4+ - Thiếu kali: úa vàng, mô thực vật chết dần, thành Tế bào cutin mỏng, giảm khả hút nước c Canxi: Nguồn cung cấp: giàu đất: CaCO3, CaO, Ca(OH)2 dạng hấp thụ: Ca2+ Vai trò: + Là thành phần pectatcanxi( chất gắn kết tế bào) + Liên quan tính thấn màng, vận động tế bào chất + Hoạt hoá enzim + Tham gia vào trình phân bào (\hình thành vi ống, thoi phân bào) Thiếu canxi: mô non bị hỏng, tế bào nhiều nhân, tế bào lơng hút rễ phụ khơng hình thành, d Magiê Dạng hấp thụ: Mg2+ Vai trò: + Là trung tâm nhân pocpirin, thành phần cấu tạo diệp lục Diệp lục a: C55H72O5N4Mg Diệp lục b: C55H70O6N4Mg + Tham gia hình thành cấu trúc ADN, ARN, enzimvà vitamin,… Tỉ lệ Ca/Mg tỉ lệ điều tiết tế bào chất -  Vai trò nguyên tố vi lượng: Các nguyên tố vi lượng thường thành phần thiếu hầu hết enzym Chúng hoạt hoá cho enzym trình trao đổi chất thể - Dạng tồn tại: dạng phức chất với hợp chất hữu khác đường, ATP, chelat, vitamin… Vai trò cấu trúc nên vitamin, enzim phức VD: Co thành phần cấu tạo vitamin B12, Bo thành phần cấu tạo nên vitamin nhóm B Điều hồ sinh trưởng VD: Bo thúc đẩy tổng hợp auxin, Liên quan đến trình trao đổi chất:  Liên quan đến tổng hợp sắc tố  Thành phần enzim tham gia pha sáng, pha tối  Thành phần enzim hơ hấp  Liên quan đến q trình trao đổi nước Cơ chế hấp thụ khoáng Các chất khống đất thường tồn dạng hồ tan phân ly thành ion mang điện tích dương (cation) ion mang điện tích âm (anion) Các nguyên tố khoáng thường hấp thụ vào dạng ion qua hệ thống rễ chủ yếu Có hai cách hấp thụ ion khoáng rễ:  Hấp thụ thụ động: a Các hình thức: + Các ion khoáng khuyếch tán theo chênh lệch nồng độ từ cao đến thấp + Các ion khống hồ tan nước vào rễ theo dòng nước + Các ion khoáng hút bám bề mặt keo đất bề mặt rễ trao đổi với có tiếp xúc rễ dung dịch đất Cách gọi hút bám trao đổi b Tính chất chung: - Khơng chọn lọc khơng phụ thuộc vào hoạt động sinh lí - Xảy khi:  Nồng độ chất môi trường cao,  Rễ bị tổn thương  Tế bào già  Hấp thụ chủ động: Phần lớn chất khoáng hấp thụ vào theo cách chủ động Tính chủ động thể tính thấm chọn lọc màng sinh chất chất khoáng cần thiết cho vận chuyển trái với qui luật khuyếch tán, nghĩa vận chuyển từ nơi có nồng độ thấp đất đến nơi có nồng độ cao, chí cao (hàng chục, hàng trăm lần) rễ a Tính chất: - Chọn lọc - Vận chuyển ngược chiều nồng độ, phụ thuộc nhu cầu hoạt động sinh lí - Cần thiết phải có lượng ATP chất mang ATP chất mang cung cấp từ trình trao đổi chất, mà chủ yếu trình hơ hấp Như q trình hấp thụ nước chất khoáng liên quan chặt chẽ với trình hơ hấp rể II Q trình đồng hố nitơ thực vât Vai trò nitơ thực vật - Rể hấp thụ Nitơ hai dạng: Nitơ nitrat (NO3-) Nitơ amôn (NH4+) đất - Nitơ có vai trị: + Cấu trúc : thành phần hầu hết chất cây: protein, axit nucleic, sắc tố quang hợp, hợp chất dự trữ lượng: ADP, ATP, chất điều hồ sinh trưởng + vai trị điều tiết trao đổi chất: Nitơ có vai trị đặc biệt quan trọng sinh trưởng, phát triển trồng định suất chất lượng thu hoạch Nguồn nitơ cho NH4+ NO3- tạo từ: - Nitơ tự (N2) tự nhiên + tác dụng tia lửa điện( sấm sét) + hoạt động VSV tự do: (Azôtobacterium, Closterium, Anabaena, Nostoc, ) + hoạt động vi khuẩn, tảo cộng sinh: Rhizobium nốt sần rễ Bộ Đậu, Anabaena azolleae dương xỉ -Azolla: bèo hoa dâu - Từ xác động thực vật, VSV thối rữa phân huỷ thành - Phân bón người cung cấp Nitơ dất bị di q trình phản nitrat hố điều kiện yếm khí Q trình cố định nitơ khí Nitơ phân tử (N2) có lượng lớn khí (78%)và "tắm biển khí nitơ" phần lớn thực vật hồn tồn bất lực việc sử dụng nitơ May mắn thay nhờ khả đặc biệt mà số vi khuẩn sống tự cộng sinh thực việc khử N2 thành dạng nitơ sử dụng được: NH 4+ Đó q trình cố định nitơ khí quyển, thực nhóm vi khuẩn tự vi khuẩn cộng sinh theo chế sau: Những điều kiện: - Có lực khử mạnh ( lên men FredH2,trong hô hấp FADH2, NADH2) - Có lượng ATP - Enzim Nitrogenaza ( phải có Mo hoạt hố) - Điều kiện yếm khí Các vi khuẩn tự cố định hàng chục kilogam NH4+, vi khuẩn cộng sinh cố định hàng trăm kilogam NH4+/ha/năm ` Sau sơ đồ minh hoạ cho nguồn cung cấp nitơ cho : Quá trình biến đổi Nitơ a Q trình Amơn hóa: Cây hút từ đất hai dạng nitơ oxy hóa (NO 3-) nitơ khử ( NH4+), 10