So sánh thực vật C3 và C4

Khái niệm  Quang hợp là quá trình tổng hợp các hợp chất hữu cơ từ các chất vô cơ đơn giản là CO 2 và H 2 O dưới tác dụng của năng lượng ánh sáng mặt trời và sự tham gia của sắc tố diệ

SO SÁNH ĐẶC ĐIỂM QUANG HỢP CỦA CÁC NHÓM THỰC VẬT C3, C4 VÀ CAM

Giáo viên giảng dạy: Nguyễn Thị Kim Thanh

2 Chu Thị Yến

3 Ngô Đình Văn

4 Hoàng Văn Tiến

5 Hoàng Hải Đăng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

Khái niệm chung về quang hợp

1 Khái niệm

 Quang hợp là quá trình tổng

hợp các hợp chất hữu cơ từ các chất vô cơ đơn giản là CO 2 và H 2 O dưới tác dụng của năng lượng ánh sáng mặt trời và sự tham gia của sắc tố diệp lục

2 Phương trình quang hợp

CO 2 + H 2 O [CH 2 O] + O 2 ( [CH 2 O] là 1 đơn vị của hydratcacbon)

Diệp lục Ánh sáng

Quá trình quang hợp chia: pha sáng và pha tối thì phương trình quang hợp biểu diễn:

12H 2 O 12[H 2 ] + 6O 2 (Pha sáng) 6CO 2 + 12[H 2 ] C 6 H 12 O 6 + 6H 2 O (Pha tối)

6CO 2 + 6H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6O 2

3 Ý nghĩa của quang hợp

 Hoạt động quang hợp cung cấp một nguồn các chất hữu cơ

vô cùng đa dạng và phong phú thoả mãn mọi nhu cầu về dinh dưỡng của mọi sinh vật trên trái đất.

Ánh sáng Diệp lục

Ánh sáng Diệp lục

 Hoạt động quang hợp bảo đảm sự cân bằng tỷ lệ O 2 /CO 2 trong khí quyển thuận lợi cho các hoạt động sống của mọi sinh vật.

 Đối với con người thì quang hợp có vai trò vô cùng to lớn: + Cung cấp một nguồn năng lượng rất phong phú cho mọi

nhu cầu của con người: than đá, dầu mỏ, củi, than bùn cung cấp nguyên liệu vô cùng phong phú và đa dạng cho công nghiệp: công nghiệp gỗ, công nghiệp dệt, công nghiệp giấy, công nghiệp thuốc lá, công nghiệp đường

+ Với sản xuất nông nghiệp thì hoạt động quang hợp quyết

định 90-95% năng suất cây trồng.

Bản chất của quang hợp

 Là một quá trình diễn ra vô cùng

phức tạp

 Ánh sáng không trực tiếp ảnh hưởng

đến toàn bộ các phản ứng diễn ra trong

quá trình quang hợp.

 Ánh sáng có vai trò quyết định ở giai

đoạn đầu của quá trình.

 Giai đoạn sau không trực tiếp chịu

ảnh hưởng của ánh sáng mà chỉ gồm các

phản ứng hoá học (hoá sinh) thuần tuý

cần xúc tác của các enzym.

 Vì vậy, quá trình quang hợp chia

thành hai giai đoạn:

 Giai đoạn cần ánh sáng trực tiếp bao

gồm các phản ứng quang hoá gọi là pha

sáng

 Giai đoạn tiếp theo không cần ánh

sáng trực tiếp mà gồm các phản ứng hoá

sinh có sự tham gia của hệ thống enzym

gọi là pha tối.

Pha sáng và pha tối của quang hợp

1 Pha sáng

 Địa điểm: xảy ra trong hệ thống màng thilacoit của lục lạp,

nơi chứa diệp lục và carotenoit.

 Nội dung: hấp thu năng lượng ánh sáng bởi diệp lục, vận

chuyển năng lượng hấp thu vào trung tâm phản ứng và tại đấy, năng lưởng ánh sáng được biến đổi thành năng lượng hóa học của các liên kết cao năng của phân tử ATP và tạo nên hợp chất khử mạnh NADPH

 Pha sáng gồm 3 giai đoạn:

 Giai đoạn quang vật lý

 Giai đoạn quang photphoryl hóa

2 Pha tối và sự đồng hóa CO 2 trong quang

hợp

 Địa điểm: phần cơ chất trong lục lạp

 Nội dung: khử CO 2 nhờ ATP và hợp

chất khử NADPH thành gluxit và các chất

hữu cơ khác

 Pha tối diễn ra với hai nội dung cơ

bản: Cố định CO 2 và khử CO 2

 Tuỳ thuộc vào con đường đồng hoá

CO 2 trong quang hợp khác nhau mà người

ta chia thế giới thực vật thành 3 nhóm: C3,

C4, CAM.

 Nhóm thực vật C3: con đường quang

hợp của chúng chỉ thực hiện duy nhất một

chu trình quang hợp là C3 (chu trình

Calvin) Hầu hết cây trồng thuộc nhóm này:

lúa, đậu đỗ, khoai, sắn, cam chanh, nhãn

 Nhóm thực vật C4: con đường

quang hợp của chúng là sự liên

hợp giữa 2 chu trình quang hợp là

chu trình C4 và chu trình C3 Một

số cây trồng thuộc nhóm: mía,

ngô, kê, cao lương

vật mọng nước như các loại xương

rồng, dứa, hành tỏi Chúng thực

hiện con đường quang hợp thích

nghi với điều kiện khô hạn, bắt

buộc phải đóng khí khổng vào ban

ngày và chỉ mở khí khổng vào ban

đêm.

Do vậy, quang hợp ở 3 nhóm thực

vật này có điểm giống nhau ở pha

sáng – khác nhau ở pha tối

Nhóm thực vật C4

Nhóm thực vật CAM

Cấu tạo giải phẫu lá

 Tế bào biểu bì bảo vệ lá có nhiều khí khổng để CO 2 xâm

nhập từ ngoài lá và thoát hơi nước ra ngoài

 Mô đồng hóa thực hiện quá trình quang hợp Mô dậu chứa

nhiều hạt lục lạp, mô khuyết chứa lục lạp nhưng ít hơn.

 Nhiều mạnh dẫn để dẫn nước, muối khoáng và sản phẩm

quang hợp

 Ở Thực vật C3, quá trình quang hợp chỉ diễn ra ở tế bào mô

giậu (cả pha sáng và tối)

 Thực vật C4 quá trình quang hợp diễn ra ở hai loại tế bào

và lục lạp có cấu trúc và chức năng khác nhau Kiểu cấu trúc của lá thực vật C4 là cấu trúc Kranz.

∗ Tế bào thịt lá chứa lục lạp của tế bào thịt lá Lục lạp tế bào thịt lá có cấu trúc grana rất phát triển Chức năng của chúng

là thực hiện chu trình C4 tức là cố định CO 2.

∗ Tế bào bao quanh bó mạch nằm sát cạnh các bó mạch dẫn

Tế bào này chứa lục lạp của tế bào bao quanh bó mạch với cấu trúc grana rất kém phát triển Các lục lạp này chứa rất nhiều hạt tinh bột Chức năng của chúng là thực hiện chu trình C3 để khử

CO 2 tạo nên các sản phẩm quang hợp

Chu trình C3 Chu trình C4

CAM

Sơ đồ vắn tắt con đường quang hợp của các nhóm thực vật C3, C4, CAM

Thời gian cố định CO 2

 Các thực vật C3 và C4 mở khí

kkổng vào ban ngày và đóng vào ban đêm nên quá trình cố định CO 2 xảy ra vào ban ngày

 Nhóm thực vật CAM sống trong

điều kiện khô hạn nên chúng không được phép mở khí khổng vào ban ngày để tránh sự bay hơi nước quá mạnh làm cây chết mà chỉ mở vào ban đêm Vào ban đêm, khi nhiệt độ không khí giảm xuống thì khí khổng

mở ra để thoát hơi nước và CO 2 sẽ xâm nhập vào lá qua khí khổng mở (quá trình cố định CO 2 diễn ra)

Quang hô hấp ( Hô hấp sáng)

giải phóng CO 2 nhưng không giải phóng năng lượng

mới xảy ra quá trình phân huỷ chất hữu cơ để giải phóng CO 2.

cao, cường độ ánh sáng mạnh và nồng độ oxi cao.

của enzym RDP-cacboxilase:

cacboxyl hoá RDP (C5) để hình thành nên 2 phân tử APG và chu trình C3 của quang hợp diễn ra bình thường trong cây

RDP-cacboxilase

RDP + CO 2 2 APG

 Khi có cường độ ánh sáng mạnh, nhiệt độ cao, nồng độ

oxi cao thì emzym RDP-cacboxilase hoạt động như một emzym oxi hoá (RDP-oxidase) Phản ứng oxi hoá RDP sẽ tạo ra 1 phân tử APG và một hợp chất có 2 C là glycolat Phân tử APG

sẽ đi vào chu trình quang hợp C3 để tạo nên các sản phẩm quang hợp, còn glycolat thì bị oxi hoá tiếp tục để giải phóng

CO 2 ra không khí

RDP-oxidase RDP + O2 APG (C3) + Glycolat (C2)

 Hô hấp sáng chỉ xảy ra ở các thực vật C3, còn nhóm thực

vật C4 và thực vật CAM thì quang hô hấp không xảy ra hoặc rất yếu

 Thực vật C3, quá trình quang hợp chỉ diễn ra ở tế bào mô giậu

(cả pha sáng và tối) chính vì thế khi nồng độ CO 2 thấp, O 2 được thải

ra trong pha sáng cao làm ức chế vai trò cacboxylaza của enzim Rubisco, lúc này Rubisco sẽ sử dụng O 2 để làm cơ chất cho hoạt tính oxigendaza, tiêu hao nhiều năng lượng và sản phẩm quang hợp Chính vì thế năng suất cây trồng không cao.

 Thực vật C4, quá trình quang hợp diễn ra ở 2 không gian

hoàn toàn cách biệt nhau (pha sáng và quá trình cố định CO 2 diễn

ra ở tế bào mô dậu, quá trình khử CO 2 và chu trình Calvin diễn ra

ở tế bào bao bó mạch), đảm bảo nồng độ CO 2 trong tế bào bao bó mạch luôn cao nên Rubisco đảm bảo được hoạt tính cacboxylaza của mình Ở tế bào mô dậu, enzim PEP-cacboxylaza có ái lực với

CO 2 cao gấp 100 lần so với Rubisco nên quá trình cố định CO 2 vào chất trung gian luôn diễn ra mặc dù ở nồng độ rất thấp.

Năng suất sinh vật học

sản phẩm quang hợp quang hô hấp có thể làm giảm từ 30 đến 50% năng suất cây trồng.Chính vì thế năng suất cây trồng không cao.

 Thực vật C4 đã có sự phân công trách nhiệm rõ ràng trong việc thực hiện chức năng quang hợp của Ngoài ra, thực vật C4 có một số đặc tính nổi bật khác như điểm bù CO2 rất thấp vì khả năng cố định CO2 rất cao, không có quang hô hấp hoặc rất yếu nên giảm thiểu sự huỷ chất hữu cơ giải phóng CO 2 ngoài sáng, năng suất cây trồng không

bị giảm, cường độ quang hợp thường cao và năng suất sinh vật học cao.

 Thực vật CAM do quang hợp trong điều kiện quá khó khăn nên

cường độ quang hợp của các thực vật mọng nước thường thấp, năng suất sinh vật học cũng vào loại thấp và sinh trưởng chậm hơn các thực vật khác

Đặc điểm Thực vât C3 Thực vật C4 Thực vật CAM

Giải phẫu Kranz Không Có Không

Chất nhận CO2 đầu tiên RDP PEP PEP

Sản phẩm đầu tiên APG (C3) AOA (C4) AOA (C4) Enzym cacboxyl hóa RDP-cacboxylase PEP-cacboxylase

RDP-cacboxylase RDP-cacboxylasePEP-cacboxylase Thời gian cố định CO2 Ngoài sáng Ngoài sáng Trong tối Quang hô hấp Cao Rất thấp Rất thấp

Ức chế quang hợp bởi O2 Có Không Có

Hiệu ứng nhiệt độ cao lên

quang hợp

(30-40 o C)

Kìm hãm Kích thích Kích thích

Điểm bù CO2 Cao (25-100 ppm) Thấp (0-10 ppm) Thấp (0-5 ppm) Năng suất sinh vật học Trung bình đến cao Cao Thấp

Sự thoát hơi nước Cao Thấp Rất thấp

So sánh đặc điểm quang hợp của 3 nhóm thực vật C3, C4, CAM