Ảnh hưởng nhiệt đọ và độ ẩm đến quang hợp, thoát hơi nước và huỳnh quang diệp lục của cây Địa liền

Với sự tiến bộ của kĩ thuật hiện đại, các nhà khoa học có điều kiện đi sâu tìm hiểu bản chất của các mối liên hệ giữa các yếu tố môi trường với cơ thể thực vật như: ảnh hưởng của nhiệt đ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

-

NGUYỄN ANH SƠN

ẢNH HƯỞNG NHIỆT ĐỘ

VÀ ĐỘ ẨM ĐẾN QUANG HỢP, THOÁT HƠI NƯỚC VÀ HUỲNH QUANG DIỆP

LỤC CỦA CÂY ĐỊA LIỀN

(KAEMPFERIA GALANGA L.)

Chuyên ngành : Sinh học thực nghiệm

Mã số : 60 42 30

LUẬN VĂN THẠC SĨ SINH HỌC

Người hướng dẫn khoa học:

PGS TS NGUYỄN VĂN MÃ

HÀ NỘI, 2009

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Cây Địa Liền (Kaempferia galanga Linn) thuộc chi Kaempferia họ

Gừng (Zingiberaceae) là một loại cây thuốc đã được ghi vào Dược điển Việt Nam (1983), và dược điển Trung Quốc (1963), (1997) với các thành phần hoá học có tinh dầu thơm, trong đó thành phần chủ yếu là bormeol, metyl p.coumaric, acid etyl este, cin-namic acid etyl, cineol, cinnamic aldehyd có giá trị rất lớn trong việc chế tạo dược phẩm [1], [12], [19]

Ở Việt Nam, Địa liền được nhân dân ta trồng và sử dụng từ rất sớm Nó thường được dùng làm thuốc trợ giúp tiêu hóa, giúp ăn ngon miệng, chóng tiêu và còn dùng làm thuốc xông, ngâm rượu dùng xoa bóp chữa tê phù, tê thấp, nhức đầu, đau nhức… Ngoài ra nó còncó tác dụng ôn trung tán hàn, trừ thấp, tránh uế, chữa ngực bụng lạnh đau, đau răng [12]

Cây Địa liền dễ trồng , có khả năng thích nghi tương đối rộng với các loại đất trồng và nhiều vùng khí hậu khác nhau Hiện nay, Địa liền được trồng đại trà ở một số tỉnh trong nước như Phú Thọ, Yên Bái, Tuyên Quang, Thái Bình, Hà Nam, Bắc Giang… và được thu mua bán sang Trung Quốc, Ma-lai-xia, Ấn Độ… Do vậy, Địa liền có thể là một trong những mặt hàng nông phẩm đáp ứng được nhu cầu kinh tế của người nông dân [5]

Vấn đề cơ bản hạn chế việc phổ biến đại trà cây Địa liền ở Việt Nam là điều kiện khí hậu Do nước ta có địa hình đa dạng, diễn biến khí hậu phức tạp nên khó có thể đưa ra trồng đại trà khi chưa nghiên cứu mức ảnh hưởng của các yếu tố sinh thái lên khả năng sinh trưởng, phát triển và khả năng chống chịu của cây trồng

Các nghiên cứu tìm hiểu mối liên hệ giữa các yếu tố sinh thái với các quá trình sinh lý trong cơ thể thực vật trên thế giới nói chung và Việt Nam nói

riêng ngày càng được mở rộng Với sự tiến bộ của kĩ thuật hiện đại, các nhà khoa học có điều kiện đi sâu tìm hiểu bản chất của các mối liên hệ giữa các yếu tố môi trường với cơ thể thực vật như: ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm không khí, ánh sáng, lượng nước… đến khả năng quang hợp, sự phát triển của hạt, chất lượng nông phẩm, hô hấp… [32], [33], [53] Một số cơ chế hóa sinh

và sinh học phân tử cũng đã được nghiên cứu như: xác định bản chất protein trong cấu trúc bộ máy quang hợp [10], xác định vị trí của gen liên quan đến quá trình chịu nhiệt, quá trình điều chỉnh áp suất… [46]

Tuy nhiên, việc nghiên cứu một cách hệ thống và sâu sắc về các biến đổi sinh lý, hóa sinh của cây dưới tác động của các yếu tố môi trường và bản chất của các mối liên hệ đó còn chưa đầy đủ

Với tinh thần đó, chúng tôi xác định nhiệm vụ nghiên cứu một số chỉ tiêu sinh lý như quá trình thoát hơi nước, quá trình quang hợp, huỳnh quang diệp lục dưới ảnh hưởng của yếu tố nhiệt độ và độ ẩm không khí

2 Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện nhiệt độ, độ ẩm tới các quá trình thoát hơi nước, quang hợp và huỳnh quang diệp lục của cây Địa liền

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

Xác định sự biến đổi cường độ thoát hơi nước, cường độ quang hợp và khả năng huỳnh quang của Địa liền dưới tác động của hai yếu tố nhiệt độ và

độ ẩm không khí

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: cây Địa liền, tên khoa học là Kaempferia galanga L thuộc chi Kaempferia họ Gừng (Zingiberaceae)

- Phạm vi nghiên cứu:

Có nhiều yếu tố môi trường ảnh hưởng đến các quá trình sinh lý của cây nhưng trong phạm vi đề tài này tôi chỉ nghiên cứu sự ảnh hưởng của yếu tố

nhiệt độ và độ ẩm không khí Tuy nhiên mỗi yếu tố này lại ảnh hưởng tới nhiều quá trình sinh lý của cây, ở đây tôi tập trung nghiên cứu ảnh hưởng tới

ba quá trình: thoát hơi nước, quang hợp và huỳnh quang diệp lục của cây Địa liền

5 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

6 Giả thuyết khoa học

Sự biến đổi của các quá trình thoát hơi nước, quang hợp và huỳnh quang diệp lục có mối liên hệ chặt chẽ với sự biến đổi của các yếu tố môi trường nhiệt độ và độ ẩm không khí

7 Ý nghĩa lý luận và thực tiễn của đề tài

Tìm hiểu về mối liên hệ giữa các quá trình sinh lý của cây với các nhân

tố sinh thái

Kết quả nghiên cứu có thể làm cơ sở khoa học cho việc đưa Địa liền trồng vào vùng sinh thái phù hợp

NỘI DUNG

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 Đặc điểm sinh trưởng phát triển, yêu cầu sinh thái và giá trị của cây Địa liền

Cây Địa liền còn gọi là Sơn nại,

Tam nại, Thiền liền, Sa khương Tên

khoa học là Kaempferia galanga L

thuộc chi Kaempferia họ Gừng

(Zingiberaceae) Địa liền được trồng

phổ biến tại một số nước như Ấn Độ,

Malaysia, Trung Quốc, Lào,

Campuchia…Vùng đồi núi ta có

nhiều địa liền mọc hoang (Phú Thọ,

Yên Bái, Tuyên Quang ) và được trồng nhiều ở Thái Bình, Hà Nam, Bắc Giang… Sở dĩ có tên Địa liền vì lá mọc sát đất

Địa liền là một loại cỏ nhỏ, sống lâu năm, thân rễ hình củ nhỏ bám vào nhau, hình trứng, chứa nhiều chất dự trữ chủ yếu là các loại tinh dầu trong đó thành phần chủ yếu là bormeol, metyl p.coumaric, acid etyl este, cin-namic acid etyl, cineol, cinnamic aldehyd [1], [19].Lá khá rộng, hai hoặc ba lá mọc sát đất, hình trứng, phía cuống hẹp lại thành một cuống dài độ 1 – 2cm, mặt trên xanh lục và nhẵn, mặt dưới có lông mịn, cả hai mặt đều có những điểm nhỏ, dài rộng gần bằng nhau, chừng 8 – 15cm Lá cũng gồm có bẹ dài ôm lấy nhau làm thành thân giả, cuống ngắn và phiến lớn, giữa cuống và bẹ lá cũng

có phần phụ gọi là lưỡi nhỏ Thân lá có mùi thơm Cụm hoa mọc ở giữa, không cuống, gồm 8 – 10 hoa màu trắng với những điểm tím ở giữa Hoa không đều, đài hình ống, màu lục, tràng hình ống, phía trên chia 3 thùy, thùy giữa lớn hơn hai thùy bên Chỉ có một nhị sinh sản (ở vòng trong) với hai bao

phấn lớn nứt phía trong Một cánh môi hình bản lớn, thường có điểm tím do

ba nhị dính với nhau và biến đổi thành, nằm đối diện với nhị sinh sản Hai nhị còn lại biến thành hai nhị lép nhỏ nằm ở hai bên bao phấn Quả là loại quả nang, hạt có nội nhũ và ngoại nhũ [5], [11]

Trong nhân dân, thường trồng Địa liền vào tháng hai hoặc tháng ba Mùa hoa vào tháng 8 tháng 9 Địa liền có thể mọc hoang ở nhiều nơi nên yêu cầu của Địa liền với điều kiện sinh thái cũng không quá khó khăn Khả năng chịu lạnh của cây trưởng thành tới 60C, chịu nhiệt lên tới 380C Nếu nhiệt độ cao quá 380C kéo dài có thể gây phản ứng xấu về sinh lý Nhiệt độ sinh trưởng tốt nhất là 20 – 250C Địa liền có thể phát triển tốt ở nhiều loại đất nhưng thường đòi hỏi đất giàu hữu cơ, đất không bị bí chặt, độ pH thích hợp từ 5,0 – 5,5 Do

đó, khi trồng Địa liền người ta thường bón rất nhiều phân chuồng Về chế độ gió và chế độ mưa, Địa liền không đòi hỏi khắt khe [5]

Địa liền đã được ghi vào Dược điển Việt Nam (1983), và dược điển Trung Quốc (1963), (1997) với các thành phần hoá học có tinh dầu thơm, trong đó thành phần chủ yếu là bormeol, metyl p.coumaric, acid etyl este, cin-namic acid etyl, cineol, cinnamic aldehyd… có giá trị rất lớn trong việc chế tạo dược phẩm và trong công nghiệp chất thơm [19] Ở nước ta, Địa liền được trồng đại trà, thường được thu mua và bán sang các nước như Trung Quốc, Ma-lai-xia Từ tháng 12 đến tháng 3 năm sau, người ta đào củ về, chọn những cây đã trên hai năm, rửa sạch đất cát, thái thành miếng mỏng, xông diêm sinh một ngày rồi phơi khô Có nơi chỉ đào củ về , rửa sạch phơi khô Địa liền mùi thơm mát, đặc biệt dễ chịu, vị cay tê Loại địa liền khô, mùi thơm dịu, vị cay tê, da vàng ngà, thịt trắng, nhiều bột, sạch rễ con, không vụn nát, không mốc mọt, không lẫn tạp chất, củ to đường kính trên 1cm là tốt Địa liền rất dễ bảo quản, hầu như không bị mốc, mọt dù điều kiện bảo quản cũng như các vị thuốc khác Người ta cũng thu mua Địa liền tươi [12]

Địa liền đã được nhân dân ta sử dụng từ rất sớm Theo Đông y, Địa liền

vị cay, tính ôn, vào hai kinh tỳ và vị, có tác dụng ôn trung tán hàn, trừ thấp, tránh uế, chữa ngực bụng lạnh đau, đau răng Nó thường được dùng làm thuốc trợ giúp tiêu hóa, giúp ăn ngon miệng, chóng tiêu và còn dùng làm thuốc xông Ngâm rượu dùng xoa bóp chữa tê phù, tê thấp, nhức đầu, đau nhức… Ngoài ra chúng còn có tác dụng ức chế tế bào ung thư [1], [5]

1.2 Huỳnh quang diệp lục ở thực vật

Huỳnh quang diệp lục là sự bức xạ được diệp lục phát ra với bước sóng dài hơn bước sóng hấp thụ và đồng thời với thời gian chiếu sáng

Khi hấp thụ năng lượng của lượng tử ánh sáng thì phân tử diệp lục chuyển sang trạng thái kích thích điện tử Thực chất là khi nhận ánh sáng đỏ hay xanh tím thì một điện tử rất linh động trong phân tử diệp lục sẽ vượt ra ngoài quỹ đạo cơ bản của mình để đến một quỹ đạo xa hơn, tức là đã nâng mức năng lượng của nó cao hơn trạng thái cũ Có thể nói rằng năng lượng ánh sáng đã chuyển thành năng lượng của điện tử được kích thích của phân tử diệp lục Năng lượng của lượng tử hấp thu càng lớn thì điện tử nhảy lên quỹ đạo càng xa hơn và mức năng lượng kích thích cũng lớn hơn

Có hai trạng thái kích thích điện tử của phân tử diệp lục:

Trạng thái kích thích sơ cấp còn gọi là Singlet hay trạng thái không bền, nếu như khi chuyển điện tử lên mức năng lượng cao hơn không kèm theo sự đổi dấu của spin điện tử Thời gian tồn tại của trạng thái này là khoảng 10-12đến 10-9 giây

Trạng thái kích thích thứ cấp được gọi là Triplet hay trạng thái bền ổn định hoặc trạng thái bền thứ cấp, nếu như sự chuyển điện tử lên mức năng lượng cao hơn có kèm theo sự đổi dấu spin điện tử Thời gian tồn tại của trạng thái này lâu hơn, khoảng 10-3 giây

Điện tử ở trạng thái kích thích sẽ nhanh chóng chuyển về trạng thái cơ bản bằng cách giải phóng năng lượng hấp thụ theo những con đường sau: Một là, nó có thể chuyển năng lượng tới một phân tử nhận năng lượng khác và cuối cùng là khởi động các phản ứng quang hóa, gây ra sự truyền điện tử quang hợp

Hai là, năng lượng được giải phóng ra dưới dạng nhiệt

Ba là, năng lượng được giải phóng ra dưới dạng sóng điện từ Có nghĩa

là nó có thể phát lại dưới dạng một photon có năng lượng nhỏ hơn (tức là có bước sóng dài hơn) Hiện tượng này được gọi là huỳnh quang

Hiện tượng huỳnh quang xảy ra khi chuyển điện tử từ trạng thái kích thích Singlet về trạng thái cơ sở, năng lượng phát ra dưới dạng sóng điện từ Các quá trình truyền năng lượng nêu trên cạnh tranh nhau, chủ yếu là sự cạnh tranh giữa phản ứng quang hóa và huỳnh quang diệp lục Ta có thể mô tả quá trình trên bằng sơ đồ:

kQ

thích bị mất dưới dạng huỳnh quang trong quá trình vận chuyển năng lượng kích thích về tâm phản ứng Như vậy, khi tâm phản ứng “mở” xảy ra quá trình oxi hóa hoàn toàn chất nhận điện tử đầu tiên Quinon (QA), còn khi các tâm phản ứng “đóng” xảy ra khử chất nhận điện tử đầu tiên Quinon (QA) và khi đó huỳnh quang diệp lục đạt giá trị cựu đại Khi tâm phản ứng “đóng” thì hằng

số tốc độ mất trạng thái kích thích bằng quang hóa sẽ bằng 0, còn huỳnh quang tăng lên và đạt giá trị cựu đại (Fm) [10]

(QZ) = 0 m

f F

k Q

hán, không đủ dinh dưỡng…) Hiệu suất huỳnh quang biến đổi đặc trưng cho hiệu quả khử Quinon (QA) trong hệ quang hóa II và có thể được sử dụng để đánh giá trạng thái sinh lý của thực vật [10]

Tỷ lệ FV/Fm là phản ánh dòng điện tử trong phản ứng quang hợp đi qua chất nhận điện tử thứ hai là QB Tỷ lệ này giảm đi khá nhiều khi điều kiện sinh trưởng gặp bất lợi và có thể sử dụng để đánh giá trạng thái sinh lý của thực vật

1.3 Quá trình quang hợp ở cây xanh

Quang hợp là quá trình biến đổi vật chất vô cơ đơn giản thành các hợp chất hữu cơ phức tạp có hoạt tính sinh học cao trong cơ thể thực vật dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời với sự tham gia của hệ sắc tố trong cây Bản chất của quá trình quang hợp là sự khử CO2 thành hydrocacbon với sự tham gia của năng lượng ánh sáng mặt trời do sắc tố thực vật hấp thụ

Phản ứng tổng quát của quá trình quang hợp dạng chung nhất có thể được biểu diễn như sau

Lục lạp (Chloroplast) là bào quan thực hiện chức năng quang hợp Lục lạp có chứa hệ sắc tố trong đó quan trọng nhất là nhóm sắc tố chlorophyll (diệp lục) Nhóm sắc tố này có khả năng hấp thụ năng lượng ánh sáng mặt trời và biến năng lượng hấp thụ ấy thành dạng năng lượng hóa học, trong khi

đó các nhóm sắc tố khác không làm được chức năng đầy đủ và trực tiếp như vậy Có nhiều loại chlorophyll khác nhau về một số chi tiết cấu tạo và cực đại hấp thụ ánh sáng Về cấu tạo chung của chlorophyll đều gồm 4 nhân pyron liên kết với nhau bằng các cầu nối metyl (–CH=) để tạo nên vòng porphyrin với nguyên tử Mg ở giữa; có liên kết thật và giả với các nguyên tử N của các nhân pyron, hai nguyên tử H ở nhân pyron thứ 4, vòng xiclopentan và gốc rượu phyton Công thức tổng quát của chlorophyll a là C55H72O5N4Mg và chlorophyll b là C55H70O6N4Mg

Quang phổ hấp thụ của chlorophyll gồm hai vùng là xanh lam (430nm)

và đỏ (662nm) Màu lục đặc trưng là kết quả hấp thụ ở vùng quang phổ xanh lam và đỏ và không hấp thụ ở vùng quang phổ xanh lục Năng lượng của lượng tử ánh sáng được chlorophyll hấp thụ đã kích thích phân tử chlorophyll

và các dạng của phân tử sắc tố đã truyền năng lượng cho nhau, tạo nên các hiện tượng lân quang và huỳnh quang Cuối cùng các năng lượng tích lũy được bởi các phân tử chlorophyll đã được chuyển cho các phản ứng quang hóa và biến thành dạng năng lượng hóa học

Cùng với diệp lục, các nhóm sắc tố khác như nhóm sắc tố vàng carotenoid, nhóm sắc tố xanh ở thực vật bậc thấp phycobilin, các sắc tố dịch bào antoxyan cũng có chức năng hấp thụ năng lượng ánh sáng mặt trời bổ sung cho chlorophyll

Khi năng lượng ánh sáng mặt trời được hệ sắc tố hấp thụ, nó được vận chuyển giữa các thành phần trong bộ máy quang hợp nhờ hệ thống các thành phần truyền điện tử của bộ máy quang hợp Đó là các quinon, các xitocrom, feredoxin và feredoxin-NADP-reductase, các plastoxyanin…

Theo Emerson và Arnold, trong các điều kiện tối ưu, để cố định một phân tử CO2 cần phải có sự tham gia của 2500 phân tử chlorophyll cùng với các sắc tố khác, các enzim và các chất truyền điện tử [30]

Từ đó đưa đến một khái niệm về đơn vị quang hợp là một đơn vị phức hệ sắc tố tổng hợp đồng thời ba nhiệm vụ: nhận một phân tử CO2 (hay giải phóng một phân tử O2), chuyển một điện tử, biến đổi năng lượng một quang

tử thành dạng năng lượng hóa học [30]

Quá trình quang hợp tổng hợp tất cả các chất hữu cơ từ các chất vô cơ (CO2, H2O) nhờ sử dụng năng lượng ánh sáng mặt trời Quá trình này bao gồm hai pha: pha sáng và pha tối

Pha sáng xảy ra trong hệ thống màng thylacoid của lục lạp, nơi chứa diệp lục và caroten Pha sáng bao gồm các phản ứng quang hóa đầu tiên kể từ lúc sắc tố hấp thụ năng lượng ánh sáng, sau đó dự trữ nó trong cấu trúc phân

tử sắc tố dưới dạng năng lượng điện tử kích thích và các quá trình khác, cuối cùng năng lượng được biến đổi thành thế năng hóa học Pha sáng gồm hai giai đoạn kế tiếp nhau là giai đoạn quang vật lý và giai đoạn quang hóa học Giai đoạn quang vật lý của quang hợp bao gồm quá trình hấp thụ năng lượng và sự di chú tạm thời năng lượng trong cấu trúc của phân tử chlorophyll Giai đoạn này gồm hai phản ứng sáng xảy ra trên hai hệ thống ánh sáng PSI và PSII

Phản ứng sáng 1 xảy ra gắn liền với PSI Năng lượng ánh sáng ở bước sóng dài (< 730nm) kích thích diệp lục a hấp thụ bước sóng dài (683,695) và P700 Năng lượng ánh sáng tập trung vào P700 Điện tử P700 giàu năng lượng được chuyển cho các chất vận chuyển trung gian (có thể là hợp chất Fd khử FRS, Fd, Fd2 rồi tới NADP để tạo NADPH)

Phản ứng sáng 2 gắn liền với PS II Năng lượng ánh sáng có bước sóng ngắn hơn (<700nm) kích thích các sắc tố phụ chlorophyll b, c, d… Sau đó năng lượng ánh sáng được vận chuyển và tập trung vào P680 Điện tử P680 giàu năng lượng được chuyển tới các chất vận chuyển như Q, PQ, Xit b3 rồi

tới PS I Năng lượng ánh sáng dư thừa được giải phóng ở dạng nhiệt huỳnh quang, chỉ một phần để hình thành ATP

Giai đoạn quang hóa học là giai đoạn chlorophyll sử dụng năng lượng photon hấp thụ được vào các phản ứng quang hóa để hình thành nên các hợp chất dự trữ năng lượng và các hợp chất khử Giai đoạn này gồm có quá trình quang phân li nước và quá trình photphoryl hóa vòng và không vòng

Ngày nay người ta đã biết rằng O2 giải phóng ra trong quá trình quang hợp ở cây xanh từ H2O chứ không phải từ CO2 như trước đây quan niệm Thí nghiệm của Arnold (1954 – 1958) [30] đã cho thấy cơ chế của quá trình quang phân ly nước nhờ tác dụng của ánh sáng được hấp thụ bởi chlorophyll

Có thể tóm tắt quá trình quang phân ly nước như sau:

4Dl+4hv  4Dl*4Dl* + 4H2O 4DlH + 4OH-4OH- 2H2O + O2 + 4e-Gần đây thí nghiệm của Vartapetian (1999) [33] cho thấy Oxy của quang hợp có thành phần đồng vị khác của H2O Ông cho rằng nước dùng trong quang hợp trong lục lạp gồm hai loại từ môi trường ngoài và hình thành trong quang hợp, trong đó nước trong quang hợp nặng hơn

Photphoryl hóa quang hợp là quá trình tạo ra ATP từ năng lượng ánh sáng Khi e giàu năng lượng truyền từ sản phẩm trung gian trở về chlorophyll qua các xitocrom đã giải phóng ra một phần năng lượng của mình cho ADP

và ADP cùng với photpho vô cơ tạo thành ATP Trong quá trình photphoryl hóa vòng thì năng lượng ánh sáng hoàn toàn được tích lũy trong ATP Còn ở photphoryl hóa không vòng thì năng lượng còn được tích lũy cả trong NADPH do phối hợp với quá trình quang phân ly nước Và đây mới là cơ chế năng lượng cơ bản của cây xanh

Pha tối của quang hợp có bản chất gồm các phản ứng sinh hóa có sự tham gia của hệ thống enzim và không cần ánh sáng trực tiếp Pha tối sử dụng năng lượng đã cố định được ở pha sáng để đồng hóa CO2 (cố định CO2 và khử CO2) tạo thành các hợp chất hữu cơ

Ngày nay người ta đã biết đến ba con đường cố định và khử CO2, các con đường này được gọi theo tên của tác giả hay tên sản phẩm đầu tiên Đó là chu trình Calvin (chu trình C3), chu trình Hatch – Slack (chu trình C4) và chu trình CAM Các chu trình khác nhau ở chất nhận CO2 đầu tiên, sản phẩm cuối cùng của chu trình, địa điểm và thời gian đồng hóa CO2

Tóm lại, quá trình đồng hóa CO2 ở cây xanh là một quá trình phức tạp, bao gồm các hướng khác nhau với những sản phẩm cuối cùng khác nhau Trong tiến trình của quá trình quang hợp, đã tạo ra nhiều sản phẩm trung gian

và các sản phẩm này có quan hệ mật thiết với các quá trình trao đổi chất khác nhau xảy ra ở cây xanh

Quang hợp có vai trò chuyển năng lượng ánh sáng mặt trời thành năng lượng hóa học dự trữ cần thiết cho tất cả sinh vật trên Trái đất, đây là vai trò quan trọng bậc nhất của quá trình quang hợp Hàng năm, quá trình quang hợp của thực vật dưới nước và thực vật trên cạn đã tổng hợp nên gần 110 tỷ tấn chất hữu cơ Quá trình quang hợp là quá trình độc nhât biến những chất không

ăn được thành những chất ăn được, một quá trình mà tất cả các hoạt động đều phụ thuộc vào nó

Hầu hết oxy khí quyển là do cây xanh tạo ra Hàng năm thực vật xanh đã đồng hóa 170 tỷ tấn CO2 và giải phóng 115 tỷ tấn O2 duy trì sự cân bằng ổn định sinh thái, điều hòa khí hậu và làm trong sạch môi trường Có thể nói quá trình quang hợp quyết định tới sự sống của sinh giới

Quá trình quang hợp là quá trình sinh lý chủ yếu của cây trồng, quyết định năng suất và khả năng sinh trưởng của cây trồng Các sản phẩm của

quang hợp có ý nghĩa lớn lao đối với con người, nó cung cấp một nguồn nguyên liệu to lớn cho con người như bông sợi, dược phẩm, gỗ và nhiều chế phẩm khác

1.4 Quá trình thoát hơi nước ở thực vật

Tất cả các bộ phận của cây đều có khả năng bay hơi nước vào khí quyển nhưng quan trọng nhất và chủ yếu nhất là sự bay hơi nước qua bề mặt lá Người ta gọi quá trình này là sự thoát hơi nước Như vậy, thoát hơi nước là sự mất nước từ bề mặt lá qua hệ thống khí khổng là chủ yếu và một phần từ thân, cành

Sự thoát hơi nước của cây đã mất vào khí quyển một lượng nước khổng

lồ vượt xa rất nhiều lần so với lượng nước mà cây cần cho các hoạt động sống

và sinh lý trong cơ thể Người ta đã tính toán cho thấy rằng 99% lượng nước hút vào bị thoát ra ngoài thông qua quá trình thoát hơi nước trong suốt mùa sinh trưởng của cây

Sự thoát hơi nước tạo điều kiện cho cây lấy CO2 từ môi trường vào để thực hiện quang hợp Do tính chất đối lập của quá trình thoát hơi nước (vai trò của nó) và ảnh hưởng của cơ chế điều hòa khí khổng (cho quá trình thoát hơi nước) lên quá trình quang hợp mà các nhà sinh lý đã gọi quá trình thoát hơi nước là “thảm họa cần thiết”

Thoát hơi nước còn tạo nên một động lực quan trọng nhất cho sự hút nước và vân chuyển của dòng nước đi trong cây Ngoài ra, sự thoát hơi nước

là một phương thức quang trọng nhất để bảo vệ lá cây tránh khỏi sự đốt nóng của ánh sáng mặt trời Sự bay hơi nước từ bề mặt lá đã làm mất một lượng nhiệt lớn cho cây

Sự thoát hơi nước cũng giống như bay hơi nước đều là những quá trình vật lý và đều tuân theo định luật bay hơi nước vật lý của Dalton:

V = K(F - f) S

PTrong đó:

V: là lượng nước bốc hơi từ một đơn vị bề mặt

K: hệ số khuếch tán

F: áp suất hơi nước bão hòa ở nhiệt độ của bề mặt bốc hơi

f: áp suất hơi nước trong không khí xung quanh lúc thí nghiệm

Sự thoát hơi nước của thực vật có thể qua khí khổng hoặc qua cutin nhưng chủ yếu vẫn là qua khí khổng Khí khổng là những khe hở nhỏ trên biểu bì của lá thông giữa các khoảng gian bào của thịt lá với không khí bên ngoài, qua đó hơi nước từ bên trong các khoảng gian bào khuếch tán ra ngoài không khí và ngược lại CO2 từ không khí đi vào lá Sự thoát hơi nước qua khí khổng bao gồm hai giai đoạn kế tiếp nhau Giai đoạn thứ nhất, nước từ thể lỏng chuyển thành thể hơi trong các tế bào thịt lá và khuếch tán vào các khoảng gian bào thịt lá Giai đoạn này phụ thuộc vào tổng diện tích các

khoảng gian bào thịt lá Giai đoạn thứ hai là sự khuếch tán của hơi nước trong các khoảng gian bào qua khí khổng để ra ngoài không khí Khi khí khổng hé

mở thì quá trình này diễn ra ngay lập tức Đây là giai đoạn quan trọng nhất quyết định cho toàn bộ quá trình thoát hơi nước của cây Đây cũng là đặc điểm khác nhau cơ bản giữa quá trình bay hơi nước vật lý và quá trình thoát hơi nước mang bản chất sinh học Bản chất sinh học của thoát hơi nước chính

là sự điều chỉnh của khí khổng, bao gồm hình thái của khí khổng, sự phân bố

và nhất là sự đóng mở của khí khổng

Sự thay đổi độ trương nước trong tế bào đóng là nguyên nhân cơ bản gây nên sự mở của khí khổng Độ trương nước của tế bào đóng tăng là do thế năng nước giảm, mà sự giảm thế năng nước lại do sự giảm thế năng thẩm thấu

ở chính bên trong tế bào đóng gây ra Mặt khác, thế năng thẩm thấu giảm là

do sự tích lũy các chất hòa tan có hoạt tính thẩm thấu, hoặc bởi sự tổng hợp chúng ở trong các tế bào đóng, hoặc sự chuyển chúng từ các tế bào lân cận vào Trước đây cũng có lý thuyết cho rằng biến đổi thuận nghịch tinh bột thành đường trong các tế bào đóng cũng gây nên sự đóng mở lỗ khí Sự biến đổi tinh bột thành đường làm tăng áp suất thẩm thấu trong tế bào đóng do đó

là tăng khả năng hút nước của chúng và làm cho khí khổng mở ra Còn sự tổng hợp đường thành tinh bột sẽ làm giảm khả năng hút nước của các tế bào đóng và do đó làm cho khí khổng đóng lại Tuy nhiên còn rất nhiều tranh cãi xung quanh lý thuyết này [43]

Hiện nay, ngoài lý thuyết cổ điển trên, còn có hai lý thuyết giải thích sự đóng mở lỗ khí là lý thuyết về vai trò của ion K+ và hormon ABA

Lý thuyết về vai trò của K+ cho rằng sức trương của tế bào khí khổng là nguyên nhân chính gây ra sự đóng mở lỗ khí Việc thay đổi sức trương của tế bào bảo vệ là do sự biến đổi của hàm lượng ion K+ gây ra Khi hàm lượng K+thấp làm cho tế bào khí khổng bị mất nước, dẫn đến sức trương giảm và khí

khổng đóng lại Khi có chiếu sáng thì ion K+ sẽ được vận chuyển từ các tế bào xung quanh (các tế bào kèm) vào tế bào khí khổng và kèm theo sự xâm nhập của nước từ các tế bào xung quanh vào tế bào khí khổng, sức trương của tế bào khí khổng tăng và khí khổng mở để nước thoát ra ngoài và CO2 đi vào lá

Lý thuyết hormon thì cho rằng việc đóng lỗ khí khổng khi thực vật thiếu hụt nước là cơ chế đầu tiên của cây ngăn chặn sự héo Thực vật có con đường nhanh chóng và hiệu quả để chấm dứt sự thoát hơi nước Đó là tăng nhanh hàm lượng ABA trong tế bào khí khổng đồng thời vận chuyển nhanh chóng

K+ ra khỏi tế bào khí khổng và khí khổng lập tức đóng lại khi cây gặp hạn Tuy nhiên cơ chế điều chỉnh sự đóng mở lỗ khí bởi ABA đến nay vẫn chưa hoàn toàn sáng tỏ

Nhưng dù giải thích theo cơ chế nào thì sự đóng mở lỗ khí đều liên quan trực tiếp đến sự biến đổi của sức trương P trong tế bào khí khổng Các cơ chế khác nhau có thế chỉ là các cách khác nhau gây nên sự biến đổi sức trương mà thôi

1.5 Lịch sử nghiên cứu vấn đề ảnh hưởng một số yếu tố sinh thái tới các quá trình sinh lý của thực vật

Vấn đề mối liên quan giữa các quá trình sinh lý của thực vật với các yếu

tố khí hậu của môi trường như nước, ánh sáng, nhiệt độ, không khí, các điều kiện dinh dưỡng của nước, đất… là một trong hai hướng cơ bản của ngành Sinh lý học thực vật mà các nhà khoa học đã quan tâm nghiên cứu từ rất lâu Hướng này chủ yếu tiến hành nghiên cứu trong các điều kiện của phòng thí nghiệm, bán tự nhiên và tự nhiên, nhằm tìm ra các quy luật hoạt động của các quá trình sinh lý trong những điều kiện môi trường xác định, tìm ra các đặc trưng của từng giới thực vật trong các vùng nhất định Hiện nay hướng nghiên cứu sinh lý – sinh thái chuyển mạnh sang hướng sinh lý – sinh thái thực nghiệm Đó là hướng nghiên cứu cây trồng trong điều kiện sinh thái cực thuận

(trong phytotron), nhằm xây dựng mô hình tối ưu sinh thái học cho các quá trình sinh lý, nhằm đạt hiệu quả trồng trọt cao nhất

Với sự tiến bộ của khoa học, vấn đề nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu

tố sinh thái tới các quá trình sinh lý của thực vật ngày càng được tìm hiểu một cách toàn diện và sâu sắc hơn Từ năm 1971, những nghiên cứu về khả năng quang hợp trên cây lúa của Ishihara và cộng sự [38] đã chỉ ra rằng nhiệt độ cao là một trong những yếu tố quyết định đến sinh trưởng và quang hợp của cây trồng Khi nhiệt độ tăng làm cho không khí quanh cây trồng thay đổi như

độ ẩm giảm và áp suất tăng Chính vì vậy, lượng CO2 đi qua khí khổng bị hạn chế và đây là nguyên nhân giảm quang hợp của cây Những nghiên cứu sau này cũng chỉ ra các kết quả tương tự (Zeiger và cộng sự, 1987; Kawamitsu và cộng sự, 1993) [43], [56] Tìm hiểu sâu hơn về ảnh hưởng của nhiệt độ lên quá trình quang hợp, các nghiên cứu cũng cho thấy trong chuỗi phản ứng quang hợp thì giai đoạn quang hóa không bị ảnh hưởng nhiều bởi nhiệt độ, tuy nhiên pha tối của quang hợp khi mà có hoạt động của các enzim thì rất mẫn cảm với nhiệt độ Trị số Q10 đối với hai pha của quang hợp là khác nhau, đối với pha sáng Q10 là 1,1 – 1,4, đối với pha tối là 2 – 3 trùng với Q10 của các phản ứng hóa học (Ishihii và cộng sự, 1977) [39] Tuy nhiên, trị số Q10 ở từng khoảng nhiệt độ và tùy từng loài thực vật là khác nhau Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ lên quang hợp và hiệu quả sử dụng CO2 trong tối và sáng của lá xanh, Choy-Sin Hew và cộng sự (1969) [33] đã nhận thấy rằng trị số

Q10 từ 200 – 300C là 0,92 và từ 300 – 400C là 0,73, đồng thời hiệu suất quang hợp cũng giảm 50% khi nhiệt độ tăng từ 200 – 400C Sự ảnh hưởng của nhiệt

độ tới quá trình quang hợp có liên quan đến cấu trúc protein trong trung tâm phản ứng quang hệ 2 của bộ máy quang hợp Nhiệt độ tăng cao gây nên sự biến tính của protein D1 và D2 trong quang hệ 2, từ đó ảnh hưởng hoạt động của bộ máy quang hợp (Georgieva,1997; Nabra O và Satoh K., 1987) [41]

[49] Nhiệt độ không khí cao không những trực tiếp phá hủy bộ máy quang hợp mà còn tác động gián tiếp thông qua sự thay đổi độ ẩm tương đối (Horie, 1988) [37] Nhiệt độ không chỉ ảnh hưởng đến quá trình quang hợp mà nó còn ảnh hưởng đến tất cả các quá trình sinh lý sinh hóa khác trong cơ thể thực vật một cách trực tiếp hoặc gián tiếp Thông qua hiệu quả quang hợp, nhiệt độ còn ảnh hưởng đến khả năng sinh trưởng chiều cao, khả năng ra hoa, đậu quả, hàm lượng enzim, cường độ tích lũy chất khô, chất lượng nông phẩm… (Abd El-Walhab,1973; Schereiber và cộng sự,1997; Zauberman và Jobin-Decor,1995) [27], [54], [55]

Ngoài những nghiên cứu về nhiệt độ, các nhân tố sinh thái khác cũng được nghiên cứu rất nhiều trong mối quan hệ giữa chúng với cây trồng như ánh sáng, độ ẩm, nồng độ khí, chất lượng nước và chế độ dinh dưỡng đất… Ánh sáng là nguồn cung cấp năng lượng cho thực vật tiến hành quang hợp, vì vậy ánh sáng có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình quang hợp nói riêng và các quá trình sinh lý trong cơ thể thực vật nói chung Cho đến nay đã có rất nhiều công trình nghiên cứu mối liên quan giữa quang hợp với cường độ, thành phần quang phổ của ánh sáng Inagaki và cộng sự (1989) [50] khi nghiên cứu ảnh hưởng của ánh sáng, nồng độ CO2 và nhiệt độ lên quá trình quang hợp

của loài Asparagus officinalis L đã nhận thấy rằng khi tăng cường độ ánh

sáng từ 5 đến 100 klx, thì cường độ quang hợp tăng dần trong khoảng từ 5klx đến 30klx sau đó gần như không đổi, sau đó nếu tiếp tục tăng cường độ ánh sáng thì cường độ quang hợp giảm dần Nghiên cứu cũng cho thấy cường độ quang hợp tăng khi nồng độ CO2 tăng, và nhiệt độ tăng cao làm cường độ quang hợp giảm Việc tăng cường độ quang hợp khi cường độ ánh sáng tăng

là do tăng khả năng vận chuyển điện tử đồng thời hoạt tính của enzim cố định

CO2 tăng (Ishhi và cộng sự, 1977) [39] Tuy nhiên, ánh sáng mạnh đặc biệt khi kết hợp với nhiệt độ cao có thể gây oxy hóa và phá hủy bộ máy quang hợp

nếu như cây trồng không có cơ chế giải phóng năng lượng dư thừa (Joshi và cộng sự 1995) [40] Những nghiên cứu khác cũng cho kết quả tương tự (Gabriel Cornic, 1991; Khan và cộng sự, 1995; Randa và cộng sự, 2004) [34], [35], [47]

Nhiều công trình nghiên cứu cũng đã chỉ ra mối quan hệ giữa các yếu tố như nồng độ oxy, độ ẩm không khí, độ mặn của nước lên quá trình quang hợp, sự trao đổi nước, khả năng sinh trưởng, khả năng chống chịu của cây…(Rawson và Begg, 1977; Randa và cộng sự, 2004) [36], [47] Ngoài những nghiên cứu sinh lý thực nghiệm còn có những nghiên cứu sinh lý – sinh thái trên diện rộng nhằm tìm hiểu tác động của các nhân tố khí hậu đến

sự sống của thảm thực vật như tổng hợp nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ hàng năm đến hiệu quả quang hợp của hệ thống rừng phía Bắc Phần Lan từ năm 1906 đến năm 2002 của Perti Hari và Pekka Nöjd [53]

Ở Việt Nam, vấn đề nghiên cứu mối liên hệ giữa các nhân tố sinh thái với các quá trình sinh lý của thực vật còn khá mới mẻ Các nhà nghiên cứu chủ yếu tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện dinh dưỡng đất, theo hướng tìm hiểu tác động của việc bổ sung các nguyên tố đa lượng, vi lượng hay các công thức bón phân khác nhau tới sự sinh trưởng và chống chịu của cây trồng, từ đó nhằm tìm ra một công thức chăm sóc, tưới tiêu hợp lý để đạt được hiệu quả trồng trọt cao nhất Một số tác giả nghiên cứu vấn đề này như Nguyễn Văn Mã, Nguyễn Như Khanh, Điêu Thị Mai Hoa, Võ Minh Thứ… [6], [13], [14], [15], [16], [17], [24]

Vấn đề nghiên cứu mối liên hệ giữa các yếu tố sinh thái với các hoạt động sinh lý của thực vật bước đầu đã có những kết quả nhất định Trong báo cáo về ảnh hưởng của nhiệt độ và ánh sáng đến ưu thế lai về các đặc tính quang hợp của lúa lai F1 (Oryza sativa L.), Phạm Văn Cường và cộng sự

(2004) [2] đã khẳng định khi ánh sáng và nhiệt độ tăng làm cho độ nhạy khí

khổng của lúa lai F1 tăng ở tất cả các giai đoạn Nhiệt độ và ánh sáng đều có tương quan thuận đối với hàm lượng diệp lục, quá trình thoát hơi nước và quá trình quang hợp Tuy nhiên ở điều kiện nhiệt độ cao và cường độ chiếu sáng mạnh thì cường độ quang hợp lại giảm Trong những nghiên cứu khác, Phạm Văn Cường cũng đã phát hiện thấy trong điều kiện lượng phân đạm cao thì con lai F1 cho ưu thế lai về quang hợp, do có ưu thế lai về hiệu suất sử dụng đạm đối với hàm lượng diệp lục và hoạt tính của enzim cố định CO2 [31], [32] Cũng nghiên cứu về bộ máy quang hợp, tác giả Đặng Diễm Hồng nghiên cứu về bản chất mất hoạt tính của quang hệ II của tảo ở nhiệt độ cao

đã giải thích việc giảm hiệu suất sử dụng năng lượng ánh sáng trong quang hợp khi nhiệt độ cao trên 450C là có liên quan đến sự phá hủy bằng nhiệt của mộtsố protein của PSII [10] Những nghiên cứu khác cũng đã chỉ ra tác động của nhiệt độ đến các quá trình sinh lý khác của thực vật như nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự biến đổi sinh lý, hóa sinh của quả chuối tiêu trong thời gian bảo quản (Nguyễn Thị Bích Thủy, 2002) [23] Nghiên cứu đã khẳng định chuối tiêu bảo quản ở nhiệt độ thấp (60 – 100C) có biểu hiện bị tổn thương lạnh ở các thời điểm khác nhau và mức độ tổn thương cũng khác nhau

và mức độ tổn thương cũng tùy thuộc và nhiệt độ bảo quản

Tuy nhiên ở nước ta, ngoài yếu tố nhiệt độ và ánh sáng thì các yếu tố khác vẫn chưa được tìm hiểu và đánh giá một cách sâu sắc

CHƯƠNG 2

ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng nghiên cứu

Địa liền còn gọi là Sơn nại, Tam nại, Thiền liền, Sa khương Tên khoa

học là Kaempferia galanga L Cây giống được mua tại xí nghiệp giống cây

trồng vùng Đông Bắc, Lạng Sơn

2.2 Phương pháp nghiên cứu

2.2.1 Thời gian và địa điểm nghiên cứu

- Thời gian nghiên cứu: từ tháng 10/2008 đến tháng 9/2009

- Địa điểm nghiên cứu được tiến hành tại Trung tâm Hỗ trợ Nghiên cứu Khoa học và Chuyển giao Công nghệ của trường Đại học Sư phạm Hà nội 2 2.2.2 Bố trí thí nghiệm

Toàn bộ thí nghiệm được tiến hành trong buồng khí hậu nhân tạo AXYOS E800 Tủ vi khí hậu cao 1404mm, rộng 1737m, và sâu 744m, có thể tích 800 lít và làm bằng thép không rỉ Tủ được cung cấp hệ thống phụ gia nhiệt và làm lạnh để điều khiển nhiệt độ, hệ thống phụ tạo ẩm và loại ẩm để điều khiển độ ẩm và một hệ thống đèn cung cấp ánh sáng được tích hợp với các điều khiển khác trong tủ Trong tủ có 4 giá đỡ có thể để mẫu thí nghiệm Kích thước giá là 1460 x 595 (mm x mm)

Bộ phận điều khiển gồm 5 phím “UP”, “DOWN”, “NEXT”, “BACK” và

“ENTER” Muốn thay đổi các thông số trước hết cần mở khóa bảng điều khiển bằng cách bấm đồng thời hai phím “UP”, “DOWN” Lúc đó con trỏ sẽ nhấp nháy tại các giá trị cho phép ta thay đổi thông số Ta có thể dịch chuyển con trỏ sang các vị trí thích hợp bằng cách sử dụng phím “LEFT” hoặc

“RIGHT” Lựa chọn chế độ điều chỉnh bằng tay MANUAL Khi màn hình hiển thị “OPERATION TIMER”, bấm phím “CENTRE” để vào chế độ mình

cần lựa chọn Sau đó bấm “NEXT” màn hình sẽ chỉ thị [TEMPERATURE] Điều chỉnh thông số nhiệt độ theo ý muốn Sau đó bấm “NEXT” tiếp theo để thay đổi giá trị độ ẩm [HUMIDITY] Sau khi nhập xong các thông số thì bấm phím “CENTRE” để xác nhận

2.2.2.1 Thí nghiệm thăm dò biên độ nhiệt và độ ẩm

Thực hiện các phép thử với các khoảng chênh lệch nhiệt độ là 0,20C, 0,50C, 0,70C, 0,80C, 0,90C, 10C và các khoảng chênh lệch độ ẩm lần lượt là 2%, 5%, 7%, 8%, 10% Việc thực hiện phép thử các khoảng chênh lệch nhiệt

độ và độ ẩm nhằm tìm ra biên độ chính xác khi thay đổi nhiệt độ và độ ẩm ở mức nhỏ nhất thì sự biến đổi các thông số cần nghiên cứu là có ý nghĩa Việc thực hiện phép thử được tiến hành với giá trị huỳnh quang diệp lục của cây Cây được trồng trong 4 chậu tương ứng với 4 lần nhắc lại với chế độ chăm bón giống nhau và được đặt trong buồng khí hậu nhân tạo Ta tiến hành

đo huỳnh quang diệp lục ở các điểm nhiệt độ là 200C; 20,20C; 20,50C; 20,70C; 20,80C; 20,90C; 210C và đánh giá sự biến đổi giá trị huỳnh quang diệp lục ở mỗi điểm nhiệt độ so với mốc 200C Tương tự với độ ẩm, ta tiến hành đo huỳnh quang diệp lục ở các điểm độ ẩm là 50%, 52%, 55%, 57%, 58%, 60%

và đánh giá sự biến đổi giá trị các tham số so với mốc 50%

2.2.2.2 Tiến hành thí nghiệm thực

Sau khi chọn ra được biên độ nhiệt độ và độ ẩm phù hợp, tiến hành thí nghiệm như sau:

Cây cũng được trồng trong 4 chậu tương ứng với 4 lần nhắc lại với chế

độ chăm bón giống nhau và được đặt trong buồng khí hậu nhân tạo Tiến hành

đo các chỉ số cường độ thoát hơi nước, cường độ quang hợp, huỳnh quang diệp lục của lá Địa liền như sau:

Điều chỉnh nhiệt độ từ 50C tăng dần đến 500C, cứ mỗi một độ ta tiến hành đo các chỉ số trên Tương tự với độ ẩm, từ 0% đến 100%, ta chia thành

các khoảng độ ẩm cách đều nhau với khoảng chênh lệch là 8% Tại mỗi mốc

độ ẩm, tiến hành đo các chỉ số quang hợp, thoát hơi nước và huỳnh quang diệp lục

Phép đo được thực hiện sau khi điều kiện nhiệt độ, độ ẩm của buồng khí hậu nhân tạo đạt mức ổn định 30 phút

2.2.3 Phương pháp phân tích các chỉ tiêu

- Xác định huỳnh quang diệp lục

Huỳnh quang diệp lục được đo trên máy Chlorophyll fluorometer OS –

30 do hãng ADC – Anh cung cấp Thời gian ủ tối là 10 phút để các tâm phản ứng ở trạng thái “mở” hoàn toàn hay toàn bộ chất nhận điện tử đầu tiên trong mạch vận chuyển điện tử quang hợp – Quinon A (QA) ở trạng thái oxi hóa Máy đo xác định các chỉ tiêu:

F 0 – Cường độ huỳnh quang ổn định, F 0 phản ánh sự mất đi năng lượng

kích thích bằng bức xạ trong khoảng thời gian vận chuyển chúng về tâm phản ứng PSII ở trạng thái “mở”

F m - Cường độ huỳnh quang cực đại, F m đo được khi các tâm phản ứng PSII ở trạng thái “đóng”, khi đó QA bị khử

F vm – Hiệu suất huỳnh quang biến đổi, F vm phản ánh hiệu quả sử dụng năng lượng ánh sáng trong phản ứng quang hóa, được xác định như sau:

vm

F F FF

F F



 

- Xác định cường độ quang hợp và cường độ thoát hơi nước:

Hai chỉ tiêu này được xác định bằng máy chuyên dụng Ultra compact photosynthesis system LCi - ADC (Anh) Hệ thống bao gồm một bộ xử lý trung tâm, bộ phận cung cấp khí, buồng đo quang hợp và một card dữ liệu Lượng khí CO2 và hơi nước đưa vào trong buồng lá ở cả hai mặt Khi máy làm việc sẽ phân tích được hàm lượng CO2, H2O đưa vào và thoát ra trong

một đơn vị diện tích và trên một đơn vị thời gian Hoạt động đồng hóa và thoát hơi nước được tính toán trong 20s Một chiếc quạt nhỏ để bơm cho buồng khí được trộn đều trong buồng lá Lượng CO2 trao đổi được đo bằng tia hồng ngoại, hơi nước được xác định bằng hai bộ phận cảm thụ độ ẩm bằng tia laser Máy đo cũng cho biết nhiệt độ bề mặt lá, bức xạ có tính quang hợp (PAR) và áp suất không khí Khi cho lá và buồng đo, máy cần thiết ít nhất 2 phút để điều chỉnh các yếu tố môi trường Kết quả đo và tính toán được hiển thị trên màn hình tinh thể lỏng của bộ phận xử lý trung tâm và lưu trữ tại card

dữ liệu

2.2.4 Phương pháp xử lý số liệu thống kê

Các kết quả nghiên cứu được xử lý theo phương pháp thống kê toán học qua các thông số; giá trị trung bình số học (X), phương sai (S2), sai số trung bình số học (m), tiêu chuẩn độ tin của hiệu (t) so sánh hai trung bình mẫu Tiêu chuẩn độ tin của hiệu được so trong bảng phân phối Student với số bậc

tự do: (n1 + n2 – 2), mức ý nghĩa α = 0,05

Các tính toán được thực hiện trên cơ sở sử dụng những ứng dụng của phần mềm Microsoft Excel Trong mỗi bảng số liệu, số liệu trong mỗi hàng kèm theo các dấu sao (*) thể hiện sự sai khác giữa hai số liệu liền kề nhau có

ý nghĩa thống kê với độ tin cậy α = 0,05, dấu gạch ngang (-) thể hiện sự sai khác không có ý nghĩa thống kê

Bảng 3.1 Kết quả thí nghiệm thăm dò biên độ nhiệt

0 372,75±2,175a 1372,50±5,737a 0,728±0,002a 0,2 374,75±2,780a 1387,25±10,379a 0,729±0,001a 0,5 380,00±2,041a 1400,50±9,242b 0,729±0,002a 0,7 379,75±2,016a 1424,50±7,263b 0,733±0,001a 0,8 390,00±1,291b 1447,25±11,213c 0,730±0,001a 0,9 393,50±1,936b 1488,25±6,421d 0,735±0,001b

3.2 ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ KHÔNG KHÍ TỚI QUÁ TRÌNH THOÁT HƠI NƯỚC, QUANG HỢP VÀ HUỲNH QUANG DIỆP LỤC

3.2.1 Cường độ thoát hơi nước

Thoát hơi nước là quá trình sinh lý phức tạp chịu ảnh hưởng rất lớn của các yếu tố sinh thái, đặc biệt là nhiệt độ Nhiệt độ ảnh hưởng đến áp suất hơi nước bão hòa Nhiệt độ tăng thì F tăng do đó (F – f) tăng lên và vận tốc thoát hơi nước của lá cũng tăng lên Ngược lại, nhiệt độ giảm thì F giảm và thoát hơi nước cũng chậm lại Tuy nhiên nếu nhiệt độ quá cao thì khí khổng buộc phải đóng lại nên thoát hơi nước cũng giảm Đây là trường hợp giảm sút thoát hơi nước vào các buổi trưa hè

Chúng tôi tiến hành đo cường độ thoát hơi nước tại mỗi điểm nhiệt độ khi cho nhiệt độ không khí tăng từ 50 – 500C nhằm tìm hiểu ảnh hưởng của nhiệt độ không khí tới quá trình thoát hơi nước Kết quả thí nghiệm được trình bày trong bảng 3.3 và biểu diễn bằng đồ thị trong hình 3.1 được đo bằng máy Ultra compact photosynthesis system LCi – ADC (cường độ thoát hơi nước

được tính bằng µmol H 2 O.m -2 s -1)

Hình 3.1 cho thấy cường độ thoát hơi nước tăng dần khi nhiệt độ tăng lên và đạt cực thuận ở 370C sau đó giảm dần khi nhiệt độ tiếp tục tăng

Tốc độ tăng của cường độ thoát hơi nước khá đều Khi nhiệt độ tăng từ

50C đến 150C thì cường độ thoát hơi nước tăng từ 0,73 đến 2,05 (≈ 2,8 lần), từ

150C đến 250C cường độ thoát hơi nước tăng từ 2,05 đến 4,1 (≈ 2 lần) còn từ

250C đến 370C nhiệt độ tăng từ 4,1 đến 8,16 (≈ 2) Như vậy có thể thấy quá trình thoát hơi nước cũng tuân theo quy luật của nhiệt động học và Q10của quá trình thoát hơi nước là 2 – 3 Có nghĩa là khi nhiệt độ tăng thêm 100C thì tốc độ thoát hơi nước tăng gấp 2 đến 3 lần Sở dĩ như vậy vì quá trình thoát hơi nước cũng có bản chất vật lý là quá trình bay hơi nước từ bề mặt, các

phân tử nước từ thể lỏng chuyển thành thể hơi nước và khuếch tán vào môi trường xung quanh Do đó nó cũng tuân theo công thức bay hơi nước của Dalton Vì vậy khi nhiệt độ tăng thì F (áp suất hơi nước bão hòa) tăng, làm cho (F – f) tăng và làm tốc độ thoát hơi nước tăng lên như đã nói ở trên

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Hình 3.1 Mối quan hệ giữa nhiệt độ không khí với cường độ

thoát hơi nước của cây Địa liền

Tuy nhiên cường độ thoát hơi nước đạt cực thuận ở 370C sau đó khi tiếp tục tăng nhiệt độ thì cường độ thoát hơi nước lại giảm xuống Nhìn vào đồ thị

có thể thấy tốc độ thoát hơi nước giảm không đều Từ 370C – 430C cường độ thoát hơi nước giảm nhẹ từ 8,16 đến 7,02, từ 430C – 500C cường độ thoát hơi nước giảm mạnh từ 7,02 đến 2,81 Điều này thể hiện mặt bản chất sinh học của quá trình thoát hơi nước khác với quá trình bay hơi nước vật lý đơn thuần Quá trình bay hơi nước phụ thuộc tuyến tính với nhiệt độ không khí Còn đối với quá trình thoát hơi nước ở thực vật thì sự phụ thuộc này có giới hạn Khi nhiệt độ môi trường cứ tăng lên thì khí khổng buộc phải đóng lại nhằm hạn chế lượng nước thoát ra Đây là cơ chế sinh học điều hòa thoát hơi nước bằng

cơ chế đóng mở khí khổng

Ithn

t0C

Như vậy, cường độ thoát hơi nước có sự phụ thuộc với nhiệt độ không khí và sự phụ thuộc này là có giới hạn Khi nhiệt độ tăng lên thì cường độ thoát hơi nước cũng tăng lên đến giới hạn cực đại ở 370C sau đó cường độ thoát hơi nước giảm xuống khi nhiệt độ tiếp tục tăng lên

3.2.2 Cường độ quang hợp

Các phản ứng trong pha sáng và pha tối của quang hợp đều rất nhạy cảm với nhiệt độ Nhiệt độ ảnh hưởng đến tốc độ vận chuyển của điện tử trên chuỗi vận chuyển điện tử quang hợp, ảnh hưởng đến các phản ứng sinh hóa trong pha tối Ngoài ra nhiệt độ còn ảnh hưởng đến quá trình hình thành diệp lục và phân hủy của diệp lục

Chúng tôi tiến thành đo cường độ quang hợp của Địa liền ở từng mốc nhiệt độ khi cho tăng nhiệt độ từ 5– 500C nhằm tìm hiểu mối quan hệ giữa nhiệt độ không khí và cường độ quang hợp Kết quả thí nghiệm được thể hiện bằng bảng 3.4 và đồ thị trong hình 3.2 và cũng được đo bằng máy Ultra compact photosynthesis system LCi – ADC (cường độ quang hợp được tính

bằng µmol CO 2 m -2 s -1)

Địa liền bắt đầu quang hợp từ 50C , cường độ quang hợp tăng dần khi nhiệt độ tăng lên và đạt giá trị cao nhất tại 290C (Iqh = 36,75) Tốc độ tăng của cường độ quang hợp là khá đều Từ 50C – 150C cường độ quang hợp tăng từ 9,23 đến 19,06 (≈ 2,1 lần), từ 150C – 250C cường độ quang hợp tăng từ 19,06 đến 34,05 (≈ 1,8 lần) Như vậy hệ số nhiệt độ Q10 của quang hợp trùng với

1,4, đối với pha tối là 2 – 3 và đối với quang hợp nói chung thì Q10 là 2 – 3 [53]

0 5 10 15 20 25 30 35 40

5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49

Hình 3.2 Mối quan hệ giữa nhiệt độ không khí với cường độ quang hợp

Qua bảng và đồ thị cũng có thể thấy nhiệt độ tối ưu của quang hợp ở cây Địa liền là 250C – 300C Đây là khoảng nhiệt độ mà ở đó cường độ quang hợp của cây có thể đạt ≥ 90% cường độ quang hợp cực đại

Khi vượt quá nhiệt độ tối ưu (t0 ≥ 300C) thì cường độ quang hợp giảm dần Tốc độ giảm của cường độ quang hợp là không đều Từ 300C – 400C cường độ quang hợp giảm từ 36,05 đến 17,06 (≈ 2,1 lần), từ 400C – 500C cường độ quang hợp giảm từ 17,06 đến 3,82 (≈ 4,5 lần)

Có nhiều nguyên nhân dẫn đến cường độ quang hợp giảm xuống khi nhiệt độ tăng quá nhiệt độ tối ưu Trong trung tâm phản ứng PSII bao gồm có protein D1 và D2, xitocrom 559, 4 – 5 phân tử diệp lục a, 2 phân tử pheophytin, 1 nguyên tử FO không có nhân hem, 1 phân tử βcrotean [41], [49] Trong đó protein D1 và D2 được cấu thành từ axit amin Tirozin, là một loại axit amin rất mẫn cảm với nhiệt độ, thường bị biến tính từ 350C trở lên [52] Do đó khi nhiệt độ tăng cao đã làm cấu trúc hệ thống ánh sáng PSII thay

Iqh

t0

đổi, bộ máy quang hợp không hoạt động bình thường nên quá trình quang hợp

bị ức chế Mặt khác, nhiệt độ tăng cao cũng ảnh hưởng xấu đến quá trình tổng hợp tiền lạp thể, quá trình hình thành diệp lục Ta biết rằng nhiệt độ thích hợp cho quá trình hình thành diệp lục là 260C – 300C, khi nhiệt độ vượt quá sẽ gây bất hoạt các enzim có trong quá trình tổng hợp protoporphyrin làm giảm hàm lượng diệp lục tổng số Ngoài ra, nhiệt độ tăng cao cũng làm các quá trình khác liên quan đến quang hợp bị ngừng trệ, nhiệt độ bề mặt lá tăng lên, lỗ khí đóng lại làm CO2 không thể đi vào để tiến hành quang hợp Khi nhiệt độ vượt quá nhiệt độ tối ưu thì hệ thống nguyên sinh chất sẽ bị phá hủy, không những làm giảm cường độ quang hợp mà cây có thể bị chết [33], [34], [39]

Như vậy, khi nhiệt độ tăng thì cường độ quang hợp tăng nhanh và đạt tới cực đại ở 250C – 300C, sau đó khi nhiệt độ tiếp tục tăng lên, cường độ quang hợp giảm xuống

3.3.3 Huỳnh quang diệp lục

Huỳnh quang diệp lục là một thông số phản ánh trạng thái sinh lý của bộ máy quang hợp trong các điều kiện khác nhau của môi trường Sự biến đổi các tham số huỳnh quang diệp lục cho phép ta đánh giá được hiệu quả sử dụng ánh sáng cũng như hiệu quả làm việc của bộ máy quang hợp

Các tham số huỳnh quang diệp lục được nghiên cứu bao gồm cường độ huỳnh quang ổn định, huỳnh quang cực đại và hiệu suất huỳnh quang biến đổi Trong đó, cường độ huỳnh quang ổn định (F0) phản ánh sự mất đi năng lượng kích thích bằng bức xạ trong khoảng thời gian vận chuyển nó về trung tâm phản ứng PS II ở trạng thái “mở” Cường độ huỳnh quang cực đại (Fm) được đo khi các trung tâm phản ứng PS II ở trạng thái “đóng” và cường độ

chiếu sáng cao Hiệu suất huỳnh quang biến đổi (Fvm) đặc trưng cho hiệu quả khử QA trong PS II liên quan với hiệu suất lượng tử thải Oxy và khử CO2, được tính theo tỷ lệ Fv/Fm, ở đây Fv = Fm – F0 Các tham số được đo trên máy huỳnh quang Chlorophyll Fluorometer OS 30 – ADC Kết quả nghiên cứu được trình bày ở bảng 3.5 và được biểu diễn qua hình 3.3, hình 3.4,hình 3.5

Sự thay đổi của Fo: Kết quả thí nghiệm cho thấy, khi nhiệt độ tăng lên,

F0 cũng tăng lên nhưng không đều, đạt đến giá trị cực đại và sau đó giảm xuống Cụ thể, từ 50C – 270C, F0 tăng chậm và đều, từ 172,6 đến 504,8; từ

270C – 330C, F0 giảm nhẹ, từ 504,8 xuống 401,40; sau đó từ 340C – 430C, F0lại tăng mạnh, từ 465,6 đến 753,8; từ 440C – 500C, F0 giảm mạnh từ 748,4 xuống còn 255,6 Có thể giải thích hiện tượng này như sau:

Ở nhiệt độ thấp, chất nguyên sinh nội bào chủ yếu ở dạng gel làm cho các phản ứng sinh hóa nội bào bị ngừng trệ, các quá trình sinh lý trong cây hoạt động kém, hoạt động của bộ máy quang hợp cũng kém hơn, do đó khả năng hấp thụ năng lượng ánh sáng của diệp lục và các sắc tố cũng bị hạn chế dẫn đến năng lượng được giải phóng ra kể cả dưới dạng sóng điện (hiện tượng huỳnh quang) có giá trị thấp Khi nhiệt độ tăng dần lên, nguyên sinh chất chuyển từ dạng gel sang dạng sol làm cho hoạt động nội bào, các phản ứng sinh hóa diễn ra nhanh hơn, hoạt động sinh lý của cây diễn ra bình thường, bộ máy quang hợp cũng trở lại hoạt động bình thường và ổn định, do đó năng lượng ánh sáng được hấp thụ cao hơn, dẫn đến năng lượng giải phóng dưới dạng huỳnh quang cũng tăng lên

Từ 270C – 330C, có hiện tượng F0 giảm nhẹ Đây là khoảng nhiệt độ tối

ưu cho quá trình quang hợp do đó hiệu quả sử dụng năng lượng ánh sáng trong phản ứng quang hóa tăng lên dẫn đến sự giải phóng năng lượng dạng huỳnh quang ít hơn

bang 3.3 (thoát hơi nước)

bang 3.4 quang hợp

Bảng 3.5 Huỳnh quang