Seminar môn sinh lý thực vật photorespiration & c3, c4, camplants

2 Nội dung lý thuyết 2.1 Quang hợp 2.1.1 Khái niệm Quang tổng hợp hay gọi tắt là quang hợp là quá trình thực vật thu nhận và chuyển hóa năng lượng ánh sáng Mặt trời, carbon dioxide và n

TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

SEMINAR MÔN SINH LÝ THỰC VẬT

PHOTORESPIRATION & C3, C4, CAM

PLANTS

Người hướng dẫn: TS TRẦN THỊ DUNG

Người thực hiện: 1/ ĐÀO THỊ XUÂN MAI – 62101141

2/ TRẦN GIA KHANG – 62100416

3/ NGUYỄN HOÀNG ĐĂNG KHOA– 62100418 4/ HỒ HẢI LONG – 62101139

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2023

1 Mở đầu

Hầu hết sự sống trên Trái đất phụ thuộc vào quá trình quang hợp Quá trình này được thực hiện bởi thực vật, tảo và một số loại vi khuẩn, thu năng lượng từ ánh sáng mặt trời để tạo ra oxy (O2) và năng lượng hóa học được lưu trữ trong glucose (một loại đường) Động vật ăn cỏ sau đó có được năng lượng này bằng cách ăn thực vật và động vật ăn thịt có được

nó bằng cách ăn động vật ăn cỏ Từ đó, có thể thấy năng suất cây trồng cao đóng vai trò quan trọng không những trong việc cung cấp lương thực cho con người mà còn nâng cao nền kinh

tế Bên cạnh đó, yếu tố về quang hô hấp lại nắm phần lớn năng suất của thực vật Có thể nói con đường trao đổi này bắt đầy khi rubisco, enzyme cố định carbon của chu trình calvin, lấy O2 thay vì CO2 Quá trình này sử dụng hết carbon cố định, tiêu tốn năng lượng và có xu hướng xảy ra khi thực vật đóng khí khổng để giảm mất nước Ở khía cạnh khác, con đường C

và CAM là hai đặc điểm thích nghi có lợi do chọn lọc tự nhiên phát sinh – cho phép một số loài nhất định giảm thiểu quá trình quang hô hấp Những con đường này hoạt động bằng cách đảm bảo rubissco luôn gặp CO nồng độ cao, có thể liên kết với O2 2

Trong phần báo cáo này, chúng ta sẽ xem xét kỹ hơn về quang hợp cũng như con đường C3, C4 và CAM và xem chúng ảnh hưởng như thế nào đến năng suất ở thực vật

2 Nội dung lý thuyết

2.1 Quang hợp

2.1.1 Khái niệm

Quang tổng hợp hay gọi tắt là quang hợp là quá trình thực vật thu nhận và chuyển hóa năng lượng ánh sáng Mặt trời, carbon dioxide và nước để tạo ra carbohydrate, oxy phục vụ bản thân cũng như làm nguồn thức ăn cho hầu hết các sinh vật trên Trái Đất

Trong quá trình quang hợp, thực vật lấy khí CO2 và nước từ không khí và đất Trong tế bào thực vật, nước bị oxy hóa, nghĩa là nó mất đi các electron, trong khi carbon dioxide bị khử, nghĩa là nó nhận được các electron Điều này biến nước thành oxy và carbon dioxide thành glucose Sau đó, cây giải phóng oxy trở lại không khí và lưu trữ năng lượng trong các phân tử glucose

2.1.2 Pha sáng và pha tối

Quá trình quang hợp ở thực vật được thực hiện ở bào quan lục lạp bao gồm 2 pha là: pha sáng và pha tối

Pha sáng diễn ra trong màng thylakoid và đòi hỏi một luồng ánh sáng mặt trời ổn định,

do đó có tên là phản ứng phụ thuộc vào ánh sáng Chất diệp lục hấp thụ năng lượng từ sóng ánh sáng, được chuyển thành năng lượng hóa học dưới dạng các phân tử ATP và NADPH Pha tối còn được gọi là Chu trình Calvin, diễn ra trong chất nền, khoảng không gian giữa màng thylakoid và màng lục lạp, và không cần ánh sáng Trong giai đoạn này, năng lượng từ các phân tử ATP và NADPH được sử dụng để lắp ráp các phân tử carbohydrate, như glucose, từ carbon dioxide

2.1.3 Diễn biến của quá trình quang hợp

Thực vật quang hợp là nhờ vào chất diệp lục có trong hệ sắc tố quang hợp ở lá cây cùng với Carotenoit Bề mặt lá hấp thụ ánh sáng mặt trời giúp các sắc tố diệp lục hấp thụ được năng lượng và thực hiện quá trình quang hợp ở cây xanh Hệ sắc tố quang hợp của lá gồm có 2 thành phần chính là diệp lục và carotenoit

Chất diệp lục

Diệp lục là sắc tố hấp thụ nguồn ánh sáng có màu xanh lam (430 nm) đến đỏ (662 nm) Trong lá cây, diệp lục gồm 2nhóm là: diệp lục nhóm a và diệp lục nhóm b

 Diệp lục nhóm a: là những phân tử P700 và P680 có trong chất diệp lục a Những

phân tử này sẽ tham gia trực tiếp vào quá trình hấp thụ ánh sáng chuyển hoá thành năng lượng trong ATP và NADPH

 Diệp lục nhóm b: Chất diệp lục b sẽ kết hợp với chất diệp lục a còn lại có thể kết hợp

các phân tử P700 và P680 để truyền năng lượng của ánh sáng và hấp thụ cho chúng

Chất Carotenoid

Carotenoid gồm xantophin và caroten là các sắc tố phụ của quá trình quang hợp Chất Carotenoid trong quang hợp có tác dụng là truyền các năng lượng cho 2 nhóm chất diệp lục a

và b Trong đó, Carotene hấp thụ ánh sáng ở bước sóng thấp từ 446 – 476 nm, Xantophin hấp thụ ánh sáng ở bước sóng cao từ 451 -1 481 nm Trong trường hợp ánh nắng có cường độ cao, carotenoid còn giữ vai trò bảo vệ các cơ quan quan quang hợp trên lá

Diễn biến

+ Pha sáng là giai đoạn có sự tham gia của ánh sáng chuyển hóa năng lượng Trong pha này, ánh sáng sẽ biến đổi thành các dạng năng lượng hóa học dưới dạng là hợp chất dự trữ năng lượng ATP và hợp chất khử NADPH Sắc tố quang hợp – diệp lục sẽ hấp thu năng lượng ánh sáng và đưa vào chuỗi chuyền electron quang hợp Sau các phản ứng oxy hóa khử, ADP và NADP+ sẽ chuyển thành hợp chất dự trữ năng lượng ATP và hợp chất khử NADPH Nguyên liệu bao gồm nh sng, nưc, ADP, NADP+

Sản phẩm cuối cùng là: ATP, NADPH, oxy

+ Pha tối là giai đoạn Carbon dioxide tạo thành cacbohidrat Pha tối không có sự tham gia trực tiếp của ánh sáng Khác với pha sáng, pha tối là phản ứng khử biến đổi Carbon dioxide tạo thành các hợp chất 6C không bền → Hợp chất 3C bền vững → Cacbohidrat Nguyên liệu bao gồm: ATP, NADPH, Carbon dioxide

Sản phẩm cuối cùng là : Sản phẩm hữu cơ Cacbohidrate

2.2 Thực vật C3

2.2.1 Khái niệm

Thực vật C3 là nhóm thực vật có thể cố định CO2 dựa theo con đường C3 (hay chu trình canvin) Đó là những thực vật mà sản phẩm ban đầu của chúng sinh ra là 3-phosphoglycerate cùng với 3 nguyên tử cacbon Các loại thực vật C3 còn được gọi là cây ôn đới vì những cây này có thể khử thành khí cacbonic trực tiếp bên trong lục lạp

Thực vật C3 có nguồn gốc từ thời kỳ đại Trung Sinh và đại Cổ Sinh tức là nó xuất hiện trước thực vật C4 Hiện nay, thực vật C3 vẫn chiếm tới 95% sinh khối thực vật trên Trái Đất, chúng bao gồm các loài rong rêu đến các cây gỗ lớn phân bố rộng rãi ở khắp mọi nơi Một số loài thực vật C3 phổ biến là rau bina, đậu phộng, bông, lúa mì, gạo, lúa mạch và hầu hết các loại cây và cỏ

Loại thực vật này có xu hướng phát triển tốt và ổn định nhất ở trong các khu vực với những điều kiện như: Cường độ ánh sáng mặt trời và nhiệt độ môi trường ở mức vừa phải, hàm lượng dioxide cacbon rơi vào khoảng 200 ppm (parts per million) hoặc có thể cao hơn 1 chút, nguồn nước ngầm đầy đủ

2.2.2 Chu trình các pha của quang hợp ở thực vật C3

Pha sáng

 – Khái niệm: Pha sáng là pha có vai trò trong việc chuyển hóa năng lượng ánh sáng đã được các chất diệp lục hấp thụ thành năng lượng của các liên kết hóa học trong ATP cùng với NADPH Pha sáng được diễn ra trong lục lạp tại tilacôit

 – Trong pha sáng, năng lượng của ánh sáng mặt trời sẽ được sử dụng để thực hiện quá trình quang phân li nước Cụ thể, giúp giải phóng oxi, bù lại các electron đã mất cho diệp lục a, các proton H+ được dùng để khử NADP+ thành NADPH Công thức như sau: 2H2O -> 4H+ + 4e- + O2

 – ATP và NADPH trong pha sáng sẽ được sử dụng ở trong pha tối để tổng hợp lại các hợp chất hữu cơ

Pha tối

 – Pha tối ở thực vật C3 sẽ chỉ bao gồm chu trình Canvin và được diễn ra trong chất nền của lục lạp Chu trình Canvin bao gồm 3 giai đoạn như sau:

Giai đoạn cố định CO : 2

 + Chất nhận CO đầu tiên và cũng là duy nhất sẽ là hợp chất 5C (Ribulozo- 1,5-2

diphotphat (RiDP))

 + Sản phẩm đầu tiên được sản sinh ra trong giai đoạn này là hợp chất 3C (hay Axit photphoglyxeric – APG)

Giai đoạn khử

 + APG (axit phosphoglixeric) được chuyển hoá thành AlPG (andehit photphoglixeric), ATP và NADPH

 + Một phần của AlPG sẽ được tách ra khỏi chu trình và kết hợp với 1 phân tử triozo khác

để có thể hình thành nên C6H O12 6, từ đó cấu thành nên tinh bột, axit amin …

Giai đoạn tái sinh:

 Chất nhận ban đầu sẽ là Rib – 1.5 diP (ribulozo- 1.5 điphosphat)

 + Phần lớn AlPG phải thông qua nhiều phản ứng cần ATP mới có thể tái tạo nên RiDP để khép kín lại chu trình

2.3 Thực vật c4

2.3.1 Khái niệm

Cũng giống như thực vật C3, thực vật C4 cũng là nhóm thực vật cố định nhưng thuộc thể dioxide cacbon, hình thành nên các hợp chất đường 4 cacbon để có đi vào chu trình C3 hoặc là chu trình calvin

Thực vật C4 sẽ bao gồm một số loại cây trồng sống ở vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới như là mía, ngô, sắn, cao lương (miến lúa) Thực vật C4 có thể sống trong điều kiện nóng ẩm kéo dài cùng ánh sáng và nhiệt độ cao quanh năm mà không ảnh hưởng đến quá trình sinh trưởng Chính vì vậy, các loài cây C4 có khả năng thích ứng tốt với nhiệt độ và cường độ quang hợp cao (cần nhiều ánh sáng), nhu cầu nước thấp (chịu được hạn tốt)

Đặc điểm ngoại hình bên ngoài của dòng thực vật C4 là có lá nhỏ và mảnh, chứa rất ít nước Do vậy, C4 ít khi bị mất nước và héo úa khi gặp phải thời tiết có nhiệt độ cao như các loại C3 Thậm chí, ngay cả khi bị cắt đứt ra khỏi thân thì lá vẫn có thể xanh tươi trong nhiều giờ hoặc là nhiều ngày tuỳ vào giống cây

2.3.2 Chu trình quang hợp của thực vật C4

– Chu trình quang hợp này sẽ được diễn ra tại 2 loại tế bào, đó là tế bào mô giậu và tế bào bao bó mạch

* Tại tế bào mô giậu, đây là nơi sẽ diễn ra giai đoạn cố định CO đầu tiên2

 + Chất nhận CO đầu tiên là 1 loại hợp chất 3C (tức phosphoenolpyruvate – PEP)2

 + Sản phẩm ổn định đầu tiên được sản sinh ra là hợp chất 4C (axit oxaloaxetic – AOA) Ngay sau đó AOA sẽ được chuyển hóa thành 1 hợp chất 4C khác có tên là axit malic (AM) trước khi được chuyển vào tế bào bao bó mạch

* Tại tế bào bao bó mạch, nơi diễn ra giai đoạn cố định CO lần thứ 22

 + AM sẽ bị phân hủy để giúp giải phóng CO cung cấp cho chu trình Canvin cùng hợp 2 chất 3C là axit piruvic

 + Axit piruvic sẽ quay lại tế bào mô giậu để có thể tái tạo lại chất nhận CO đầu tiên là 2 PEP

+ Còn chu trình Canvin của giai đoạn này sẽ được diễn ra như ở thực vật C3

2.4 Thực vật CAM

2.4.1 Khái niệm

Trong tự nhiên, có những loài thực vật sở hữu cơ chế thích nghi vô cùng đặc biệt để có thể phát triển tốt và ổn định trong điều kiện khí hậu khô cằn như sa mạc, núi đá, savan (thực vật ưa khô hay các thực vật chịu hạn) Một trong những cơ chế này được gọi là cơ chế chuyển hóa acid “Crassulacean” và được viết tắt là CAM (Crassulacean acid metabolism) hay còn gọi được gọi ngắn gọn hơn là thực vật CAM

Cơ chế hoạt động của loại thực vật này cũng rất đơn giản Cụ thể, thực vật CAM sẽ đóng kín các khí khổng (tức lỗ thở) vào ban ngày để giữ gìn nước ở bên trong không cho thoát ra ngoài Vào ban đêm thì các khí khổng này sẽ được mở ra khi có nguồn không khí lạnh và có nhiều độ ẩm hơn, cho phép chúng hấp thụ CO2 để sử dụng trong quá trình chuyển hóa cacbon thành các chất hữu cơ (thường diễn ra trong quá trình quang hợp của thực vật)

2.4.2 Chu trình quang hợp diễn ra ở thực vật CAM

– Để có thể giúp thực vật tránh bị mất nước, khí khổng của các loài này sẽ được đóng lại vào ban ngày và mở ra vào ban đêm để cố định được CO dựa theo con đường CAM.2

– Vào ban đêm, nhiệt độ ở môi trường bên ngoài sẽ xuống thấp, lúc này các tế bào khí khổng được mở ra, nhờ đó CO sẽ khuếch tán qua lá vào môi trường.2

 + Chất nhận CO đầu tiên sẽ là PEP và sản phẩm ổn định đầu tiên sản sinh là AOA2

 + AOA sẽ được chuyển hóa thành AM để có thể vận chuyển vào các tế bào dự trữ – Ban ngày, khi các tế bào khí khổng đóng lại sẽ xảy ra hiện tượng:

 + Các AM bị phân hủy và giải phóng CO cung cấp cho chu trình Canvin, axit piruvic2

được tái sinh chất nhận ban đầu là PEP

– Chu trình CAM sẽ gần giống với chu trình C4, điểm khác biệt duy nhất là về thời gian: Cả

2 giai đoạn chính của chu trình C4 đều diễn ra vào ban ngày, trong khi đó chu trình CAM phải phân chia thực hiện vào ban đêm và ban ngày

3 Ứng dụng của quang hợp ảnh hưởng đến năng suất cây trồng

3.1 Đặc điểm quang hợp và tích lũy chất khô các dòng lúa phát triển mới với thời gian sinh trưởng ngắn

Thí nghiệm trong chậu được thực hiện trong nhà kính nhằm đánh giá đặc điểm quang hợp, tích lũy chất khô và tốc độ sinh trưởng của các kiểu gen lúa ngắn ngày Hai dòng, IL 3 4-2-7, IL 19-4-3-8 và giống đối chứng IR24 đã được sử dụng trong nghiên cứu này Ở các giai đoạn đẻ nhánh, trỗ và chín, 4 cây của mỗi dòng được chọn ngẫu nhiên để đo các đặc tính quang hợp, chẳng hạn như tốc độ quang hợp, giá trị SPAD (một chỉ số về hàm lượng diệp lục), diện tích lá và sinh khối chất khô trong lá, thân và chùy Kết quả cho thấy không có sự khác biệt đáng kể về đặc tính quang hợp và sản xuất chất khô giữa các dòng IL và IR24 Tốc

độ sinh trưởng của cây (PGR) của IL3-4-2-7 và IL 19-4-3-8 từ giai đoạn đẻ nhánh chủ động đến giai đoạn làm đòng cao hơn giai đoạn làm đòng đến giai đoạn chín vàng Ngược lại, PGR của IR24 giống nhau ở hai giai đoạn Mối tương quan thuận và có ý nghĩa giữa năng suất hạt

và tốc độ quang hợp ở giai đoạn đẻ nhánh và làm đòng tích cực đã được tìm thấy ở các dòng mới được chọn lọc, trong khi đó, mối tương quan thuận và có ý nghĩa giữa năng suất hạt và tốc độ quang hợp ở giai đoạn làm đòng và chín bột đã được quan sát thấy đối với giống IR24 Năng suất hạt của các dòng có thời gian sinh trưởng ngắn tương quan thuận và đáng kể với PGR trước giai đoạn trổ bông, trong khi năng suất hạt của dòng IR24 tương quan thuận và đáng kể với PGR sau giai đoạn trổ đòng

3.2 Quang hợp và tốc độ tăng trưởng của khoai sọ

Nhằm tìm hiểu đặc điểm quang hợp và tích lũy chất khô về củ của 16 giống khoai sọ thu thập ở các tỉnh phía Bắc Việt Nam ở hai thời kỳ bắt đầu phân hóa củ và khi cây ngừng sinh trưởng và chuyển sang tàn lụi Kết quả cho thấy: (1) Cường độ quang hợp (CĐQH) của thời

kỳ bắt đầu phân hóa thân củ trong điều kiện vụ xuân ở miền Bắc Việt Nam có giá trị cao hơn các giai đoạn khác do điều kiện ánh sáng yếu và nhiệt độ thấp hơn cuối giai đoạn ngừng sinh trưởng và đầu giai đoạn tàn lụi, tích lũy về củ Giá trị CĐQH không phải là yếu tố quyết định tới năng suất, có thể cần phải xem xét kết hợp với thời gian duy trì quang hợp trong ngày (2) CĐQH ở thời kỳ đầu của phân hóa thân củ tương quan thuận nghịch rất chặt với nồng độ CO2 trong gian bào (r = -0,91) trong khi đó, CĐQH thời kỳ đầu của giai đoạn tàn lụi lại tương quan dương chặt với độ nhạy khí khổng (r = 0,74) và tốc độ thoát hơi nước (r = 0,84) (3) NAR tương quan thuận chặt với CGR ở giai đoạn đầu phân hóa củ với r = 0,66, ngược lại tương quan nghịch rất chặt ở giai đoạn đầu của tàn lụi và tích lũy về củ r = -0,85 (4) Hai giống Hậu Xít- Hà Giang (G8) và Tơ Hậu - Lào Cai (G5) là hai giống cho năng suất cao nhất khi trồng ở điều kiện đồng bằng, có đặc điểm chung là: cho tốc độ tăng trưởng củ (CoGR)

cao và đều xuyên suốt cả thời kỳ sinh trưởng phát triển, đặc biệt là ở giai đoạn đầu của tàn lụi vẫn cho tích lũy về củ tương đối lớn

4 Kết luận

-Quang hợp quyết định năng suất cây trồng từ 90-95%, phần còn lại 5-10% là các chất khoáng

-Quang hợp ảnh hưởng đến tốc độ chức năng của các tế bào, sự phát triển của các tế bào của thực vật

-Thực vật C3 xử lý CO trong quá trình quang hợp trong các điều kiện nhiệt độ thấp và ánh ₂ sáng trung bình Nó cũng sử dụng CO nhiều hơn nếu khí hậu nóng hơn, nhưng lại gặp sự cản₂ trở do không khí hơi khá hạn chế

-Thực vật C4 sử dụng enzyme khác để tách hỗn hợp CO và O trong quá trình quang hợp ₂ ₂

Để tránh sự cản trở do không khí hơi, thực vật C4 sử dụng enzyme để tách hỗn hợp CO và ₂

O trước khi quá trình quang hợp diễn ra, và sử dụng nhiều năng lượng hơn để tách hỗn hợp ₂ Thực vật C4 cũng có khả năng chịu được nhiệt độ cao hơn và nhiều hơn trong các điều kiện khô ráo

-Thực vật Cam không cần bất kỳ enzyme nào để xử lý CO Nó sử dụng một loại enzyme gọi ₂

là PEP carboxylase để tách hỗn hợp CO và O trong quá trình quang hợp, chỉ tốn một số ₂ ₂ năng lượng ít Thực vật Cam cũng có khả năng chịu được nhiệt độ cao hơn và có khả năng hấp thụ CO tốt hơn trong môi trường không khí khô ráo.₂

5.Quiz

5.1.Điểm bù CO2 ở thực vật C3,C4 và CAM?

 C3: Cao(25-100ppm)

 C4: Thấp(0-10ppm)

 CAM: Thấp(0-5ppm)

5.2.Điểm bão hòa ánh sáng của thực vật C3,C4 và CAM?

 C3: 1/3 ánh sáng mặt trời toàn phần

 C4: khó xác định

 CAM: khó xác định

5.3.Nhu cầu nước đối với thực C3,C4 và CAM như thế nào?

 C3: Cao

 C4: Thấp

 CAM: Rất thấp

5.4.Quang hô hấp đối với thực vật C3,C4 và CAM?

C3: Cao

C4: Rất thấp