Chương 1 SINH LÝ TẾ BÀO THỰC VẬT Sinh lý thực vật là môn học khoa học nghiên cứu các quá trình sống diễn ra trong cây như sự hấp thu nước và các chất dinh dưỡng của cây, sự vận chuyển và đường hướng vận chuyển nước và các chất hòa tan từ đất qua rễ, thân, cành và tới lá rồi sau đó thoát ra ngoài không khí. Một quá trình quan trọng chỉ xảy ra trong thực vật xanh là quang hợp (quá trình tổng hợp carbohydrate từ CO 2 của không khí và nước xảy ra tại diệp lục tố dưới tác dụng của ánh sáng). Sự sinh trưởng và phát triển của cây bao gồm hàng trăm phản ứng xảy ra trong cây như sự hình thành hoa, trái, sự chín của trái, Sinh lý thực vật nghiên cứu tất cả các quá trình này. Từ đây hiểu rõ các quá trình này và có thể điều khiển theo ý muốn của con người. Hình 1.1: Kích thước của tế bào thực vật so với kích thước của cơ thể khác. 1.1. SƠ LƯỢC VỀ CẤU TRÚC CỦA THỰC VẬT • Về mặt hình thái cây vào giai đoạn sinh trưởng dinh dưỡng gồm 3 cơ quan chính: ♦ Lá: làm nhiệm vụ quang hợp và thoát hơi nước ♦ Thân: liên kết lá-rễ, vận chuyển các chất, dự trữ ♦ Rễ: giúp cây đứng vững và hấp thu khoáng, nước • Về mặt giải phẫu ♦ Mô phân sinh là nơi phân cắt tế bào, có 3 vùng chính: mô phân sinh (MPS) ngọn, MPS rễ, MPS chồi bên ♦ Mô dinh dưỡng có 3 loại chính: Mô biểu bì. Lông hút/rễ và khí khẩu/lá là những cơ quan nằm trên những mô biểu bì Mô bao quanh + Nhu mô thực hiện dự trữ, quang hợp,. . . + Giao mô: gần phiá ngoài của thân, cuống lá loại mô này có khả năng kéo dài + Cương mô: giúp cơ quan cứng cáp, chống đỡ. Mô này không có khả năng kéo dài + Mô mạch - Mô gỗ: Tế bào mô gỗ có vách dày và chết đi khi già. Nhiệm vụ dẫn nước, muối khoáng và các chất khác. - Mô li be: Vách tế bào mô libe tẩm lignin. Tê bào trong mô libe goị là ống libe hay ống sàng. Ống sàng liên kết với tế bào nhu mô có tế bào chất đậm đặc hơn goị là tế bào kèm. 1 1.2. THÀNH PHẦN TẾ BÀO THỰC VẬT Hình 1.2: Mô hình của tế bào thực vật 1.2.1. Vách tế bào Một đặc điểm mà có thể phân biệt được giữa tế bào thực vật và động vật là tế bào thực vật có vách. Nhiệm vụ của vách tế bào là bảo vệ những bào quan bên trong, giúp cho cây cứng chắc, cầm giữ nước, muối khoáng, dưỡng chất, điều hòa sinh trưởng, bảo vệ tế bào trước sự tấn công của sâu bệnh. Vách tế bào có cấu tạo gồm 2 lớp vách: vách sơ lập (primary wall), và một lớp giữa. Lớp giữa (midle lamell) là lớp ngoài cùng có nhiệm vụ như là lớp ciment nối kết 2 tế bào bên cạnh với nhau giống như những viên gạch được gắn với nhau bởi hồ ciment. Thành phần chủ yếu của lớp này là pectin. Khi trái chín lớp pectin này bị enzyme phân giải và tan ra (Hình 1.3 & 1.4) Hình 1.3: Mô hình cấu trúc vách tế bào thực vật 2 Khi tế bào trưởng thành có hai hiện tượng sinh lý xảy ra trên của vách tế bào là sự tổng hợp ligin và lignin hóa vách tế bào. Những tế bào vận chuyển nước và làm nhiệm vụ nâng đỡ như thân, cành thì sau khi ngừng tăng trưởng, tế bào thành lập ngay lớp hậu lập chứa một tỉ lệ lignin đáng kể khoảng 20-35% cùng với cellulose, pectin, hemicellulose. Ngay cả lớp giữa cũng được lignin hóa. Sự lingin hóa vách tế bào làm cho tế bào trở nên cứng chắc chịu được lực và cũng là mô dẫn chuyển nước và muối khoáng cho những cây cao hàng chục mét. Vài loài thực vật không có hiện tượng lignin hoá vách tế bào thì cây chỉ cao vài cm. Ở thực vật trên cạn còn có hiện tượng tích lũy cutin và suberin không những giúp cho vách tế bào vững chắc mà còn làm cho vách tế bào không thấm nước. Hình 1.4: Mô hình sắp xếp các sợi cellulose, hemicellulose và pectin trong vách tế bào Pectin là một hợp chất cao phân tử, phức tạp, đơn vị cấu trúc là những phân tử đường có phân tử lượng khác nhau. Trong điều kiện acid, pectins ở dạng gel và có thể ăn được. Tùy theo lọai cây và tế bào mà lượng pectin trong vách tế bào nhiều hay ít. 1.2.2. Nguyên sinh chất (protoplasm) a/ Màng nguyên sinh chất (plasma membrane) Màng nguyên sinh chất hay còn gọi màng tế bào . Màng này có 2 lớp lipid phân cực (phopholipids). Màng phospholipid có 2 đầu, đầu “ghét nước” (water-fearing, hydrophobic) hướng vào nhau và một kia gọi là đầu “ưa nước” (water-loving, hydrophillic) hướng vào trong tế bào chất và ra môi trường bên ngoài để hấp thu và vận chuyển nước vào trong tế bào. Nhiệm vụ của 2 lớp lipid là vận chuyển nước vào ra tế bào. Ngoài ra trên màng tế bào còn có protein được chen vào giữa phospholipid, có những protein có thể xuyên qua khuôn lipid hoàn toàn hình thành một đường liên lạc giữa tế bào và môi trường bên ngoài. Sự hiện diện của protein trên màng tế bào đóng vai trò như một enzyme hay một chất nhận hay một chất xúc tác chuyển vận các chất tan từ môi trường bên ngoài vào bên trong tế bào. Tính đa dạng của các màng do protein quyết định. Số lượng của protein trên màng cũng khác nhau, có những màng số lượng protein chiếm tới 50% trọng lượng như màng ty thể. Nhiệm vụ chủ yếu của protein trên màng tế bào là vận chuyển các chất hòa tan có trọng lượng phân tử lớn. b/ Tế bào chất (cytoplasm) Tế bào chất bao gồm những thể (ribosomes), hạt (lục lạp = chloroplast), hệ thống ống (mạng lưới nội chất = endoplasmic reticulum, ER), không bào (vacuole) nhưng không kể nhân tế bào. 3 Hình1.4: Mô hình cấu trúc của màng tế bào thực vật + Không bào (vacuole) có vai trò rất lớn trong sự trao đổi nước và chất khoáng. Khi tế bào còn non, không bào chỉ là những giọt nhỏ nằm rải rác trong nguyên sinh chất dưới dạng là những túi. Khi tế bào trưởng thành thì các giọt đó tụ hợp lại thành một túi lớn chiếm 80% thể tích tế bào. Ở các mô dự trữ thì ngược lại, kích thước của không bào sẽ thu hẹp lại để chứa các chất dự trữ. Trong không bào chứa nước, muối khoáng, muối hữu cơ và những chất tan khác. Vì vậy không bào có áp suất thẩn thấu lớn, đó là động lực để tế bào có thể trao đổi nước và muối khoáng với môi trường bên ngoài. + Mạng lưới nội chất (endoplasmic reticulum, ER) bao gồm những mạng hình ống và dĩa được gọi là ER. Hệ thống ống này nối các bào quan với nhau hay từ tế bào này đến tế bào khác xuyên qua các lổ nhỏ trên màng tế bào lân cận để trao đổi chất và nước. Trên bề mặt ngoài của mạng lưới nội chất có những thể nhỏ hình cầu là ribosomes. Ribosomes có nhiệm vụ tổng hợp protein và hiện tượng này chỉ xảy ra trên một vùng nhất định nào đó trên mạng lưới nội chất. + Lạp thể (chloroplast) là cơ quan quan trọng trong tế bào thực vật (Hình 1.6). Chức năng sinh lý của nó là tổng hợp carbohydrate. Trong lạp thể chứa lục lạp nơi thực hiện các quá trình quang hợp. Mô tả chi tiết trong chương quang hợp + Ty thể (mitochrondria) cũng là bào quan quan trọng, nhiệm vụ sinh lý của ty thể là tổng hợp các liên kết cao năng phosphate như ATP, NADP, GTP, nhờ những enzyme có trên màng ty thể. Cho nên có thể nói rằng ty thể là cơ quan trung tâm trao đổi năng lượng của tế bào. c/ Nhân (Nuleus) là một phần của nguyên sinh chất được bao bọc bởi màng nhân. Nó liên lạc với tế bào chất qua những lổ nhỏ, các lổ này cũng là cổng để kiểm soát các đại phân tử như RNA, protein. Bên trong nhân chứa chất nhiễm sắc (chromatin). 4 Không bào Hình 1.5: Không bào trong tế bào chất Hình 1.6: Cấu tạo lạp thể và các thành phần của lạp thể Màng ngoài Màng trong Hạt grana Bảng 1.1: Mô tả tóm tắt chức năng quan trọng của các bào quan trong tế bào thực vật Bào quan Mô tả Nhiệm vụ - Vách tế bào Chủ yếu bằng sợi cellulose Chống đỡ và bảo vệ - Màng tế bào Màng đôi lipid có protein gắn vào Điều khiển các chất vào ra tế bào - Thủy thể (không bào) Túi chứa chất lỏng Dự trữ các chất, tạo áp suất thẩm thấu - Mạng lưới nội chất Bao gồm hệ thống ống và túi Vận chuyển và tổng hợp protein - Lục lạp Màng đôi bao quanh chứa bên trong diệp lục tố Quang hợp - Hạt không màu (leucoplast) Thể không màu Chứa nhiều chất khác nhau, đặc biệt là tinh bột - Hạt màu (chromoplast) Thể có màu Chứa sắc tố khác nhau có nhiều tế bào hoa và trái - Ty thể Bao quanh bởi màng đôi Hô hấp 1.3. Tế bào là hệ thống toàn vẹn có khả năng cảm ứng và tự điều tiết (Tự đọc trong bài giảng) 1.4. ĐẶC TÍNH LÝ HÓA HỌC CỦA NGUYÊN SINH CHẤT TẾ BÀO 1.2.1. Đặc tính hóa học Tế bào thực vật có thể hoàn thành chức năng sống của mình nhờ vào tính chất lý hóa học đặc biệt của chúng. Chúng ta có thể hình dung rằng nguyên sinh chất (NSC) tế bào vừa có tính cấu tạo nhưng đồng thời vừa có tính của một chất lỏng. Đặc tính đó của NSC liên quan đến thành phần hóa học của chúng. Thành phần hóa học của tế bào thực vật thay đổi theo giống loài. Ví dụ, thành phần hóa học của tế bào vi khuẩn (Alberts et al., 1995) nước 70% fw, các đại phân tử (protein, đường đa) chiếm 26% fw. Trong thành phần hóa học của NSC ta thấy nước và các đại phân tử (protein, lipid, đường đa) chiếm ưu thế. Nước sẽ đề cập trong chương kế. Riêng protein chúng ta sẽ nghiên cứu tính chất của chúng có chi phối đến hoạt động của tế bào. 1.2.2. Đặc tính lý học a./ Đặc điểm chung: nguyên sinh chất của tế bào thực vật là hệ keo phức tạp, những đại phân tử trong dung dịch của tế bào chất. Vì các chất trong nguyên sinh chất của tế bào ở trạng thái keo nên nó có đặc tính lý học của hạt keo là - Đường kính chất tan trong DD thật < Đường kính hạt keo (0,001-1 µm) < Đường kính chất tan trong DD huyền phù. - Do kích thước khá nhỏ như vậy các hạt keo sinh học vượt qua khỏi ảnh hưởng của trọng lực, do vậy nó không bị lắng tụ. Hơn nữa, các hạt keo được bao quanh bằng những phân tử nước nhỏ hơn và có chuyển động nhanh nên có sự va chạm vào nhau. Kết quả của sự va chạm liên tục làm cho các hạt keo không bao giờ ở trạng thái đứng yên trong tế bào sống đặc biệt trong các tế bào hoạt động mạnh như tế bào lông hút, tế bào hạt phấn, hạt nẩy mầm, . . . . - Keo có đặc tính giống như chất lỏng gọi là hệ thống keo ở trạng thái sol. 5 - Một hệ thống keo ở trạng thái cô đặc goị là gel. - Trạng thái keo ở trạng thái coaxerva là trạng thái keo bị mất bớt các phân tử nước liên kết lỏng lẻo bao quanh hạt keo. Chung quanh hạt keo vẫn còn lớp nước liên kết chặt với hạt keo. Trạng thái coaxerva là trạng thái trung gian của sol và gel và nó khác biệt với hai trạng thái này về mức độ phân tán. Trạng thái này có thể biến đổi sang trạng thái gel hoặc sol tùy theo điều kiện. Hiệu ứng Tyndall (John Tyndall, 1820-1893): khi quan sát các hạt keo của NSC dưới kính hiển vi với cường độ chiếu sáng mạnh, các hạt keo xuất hiện như những điểm sáng là do các hạt keo nhỏ khúc xạ ánh sáng gây hiệu ứng Tyndall. Chuyển động Brown (Robert Brown, 1827) là sự chuyển động liên tục của hạt keo trong NSC do sự tác động của các phân tử nước vào bề mặt hạt keo không đồng đều làm chúng chuyển động và giữ chúng không bị lắng tụ mà còn được phân tán đều trong dung dịch NSC. Ý nghiã, các phản ứng sinh hóa xảy ra trên bề mặt hạt keo. Với diện tích bề mặt rộng lớn của hạt keo lớn như vậy đảm bảo cho sự hấp thu nước, trao đổi chất trong tế bào đơn lẻ. b./ Khả năng chuyển động của chất sống Tuy sự chuyển động của NSC đã được phát hiện từ lâu nhưng cho đến nay bản chất của sự chuyển động này chưa được làm sáng tỏ. Các tài liệu thực nghiệm cho thấy nguyên nhân của sự chuyển động này có thể do: • Hoạt động của tế bào đặc biệt ở các tế bào hoạt động mạnh như lông hút, hạt nẩy mầm. Hoạt động này gắn liền với năng lượng như ATP. Ngược lại nếu thêm vào đó các chất ức chế hô hấp (KCN, CO, NaF, . . .) thì sự chuyển động này chậm lại hoặc ngừng lại. • Nhiệt độ, độ chiếu sáng, pH, áp suất thẩm thấu, các chất kích sinh trưởng, . . . . cũng ảnh hưởng đến sự chuyển động này. Ví dụ ở tảo vận tốc chuyển động khoảng 20 µm/giây, ở vẫy hành 5-7 µm/giây. c./ Tính nhớt của NSC Độ nhớt của keo NSC liên quan đến độ ngậm nước của keo NSC và phụ thuộc vào trạng thái keo sol, coaxerva hay gel. Nói chung độ nhớt của NSC cao hơn 10-20 lần so với dung dịch thật và nhỏ hơn độ nhớt của glycerin, dầu. Như vậy độ nhớt của tế bào ở trạng thái bình thường gần giống với thể lỏng. Độ nhớt của NSC tương quan nghịch với vận tốc trao đổi chất và tương quan thuận với tác động bất lợi của ngoại cảnh như chịu hạn, chịu nóng, rét, mặn, . . . Trong một khoảng giới hạn nhiệt độ nào đó, khi nhiệt độ tăng thì độ nhớt giảm vì dưới tác động của nhiệt các liên kết yếu của nước với hạt keo bị cắt làm tăng tính lỏng và giảm độ nhớt. Khi nhiệt độ thấp NSC bị cô đặc làm độ nhớt tăng lên. Các ion có hóa trị 1 như K + , Na + xâm nhập vào tế bào làm tăng khả năng độ ngậm nước của keo cũng làm giảm độ nhớt. Ngược lại các ion có hóa trị 2,3 như Ca 2+ , Mg 2+ , Al 3+ làm các hạt keo kết dính lại làm tăng độ nhớt dẫn đến sự trao đổi chất giảm xuống. 6 . Ống sàng liên kết với tế bào nhu mô có tế bào chất đậm đặc hơn goị là tế bào kèm. 1 1.2. THÀNH PHẦN TẾ BÀO THỰC VẬT Hình 1.2: Mô hình của tế bào thực vật 1.2.1. Vách tế bào Một đặc điểm mà có. hình cấu trúc vách tế bào thực vật 2 Khi tế bào trưởng thành có hai hiện tượng sinh lý xảy ra trên của vách tế bào là sự tổng hợp ligin và lignin hóa vách tế bào. Những tế bào vận chuyển nước. trong tế bào thực vật Bào quan Mô tả Nhiệm vụ - Vách tế bào Chủ yếu bằng sợi cellulose Chống đỡ và bảo vệ - Màng tế bào Màng đôi lipid có protein gắn vào Điều khiển các chất vào ra tế bào -