- Nước, muối khoáng được vận chuyển trong cây nhờ bó mạch gỗ theo chiều từ dưới lên nhờ các lực sau: Lực đẩyáp suất rễ; Lực hút của ládo thoạt hơi nước; Lực liên kết giữa các phân tử nướ[r]
(1)CHUYÊN ĐỀ II: SINH HỌC CƠ THỂ TH VẤN ĐỀ 1- CHUYỂN HOÁ VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG Ở THỰC VẬT A TÓM TẮT LÍ THUYẾT Sự trao đổi nước thực vật Trao đổi nước thực vật bao gồm: Quá trình hấp thụ nước rễ; Quá trình vận chuyển nước thân(từ rễ lên lá); Quá trình thoát nước từ lá ngoài không khí Ba quá trình này, điều kiện bình thường, hoạt động nhịp nhàng, liên tục, liên hệ khăng khít với nhau, tạo nên trạng thái cân nước cần thiết cho sống thực vật 1.1 Quá trình hấp thụ nước rễ - Thực vật thuỷ sinh hấp thụ nước từ môi trường xung quanh qua bề mặt các tế bào biểu bì toàn cây - Thực vật trên cạn hấp thụ nước từ đất chủ yếu nhờ các tế bào lông hút (do các tế bào biểu bì rễ phát triển thành) Quá trình hấp thụ nước rễ xảy theo ba giai đoạn nhau: 1.1.1 Giai đoạn nước từ đất vào lông hút Để hấp thụ nước, tế bào lông hút có ba đặc điểm cấu tạo và sinh lí phù hợp với chức nhận nước từ đất: - Có thành tế bào mỏng, không thấm cutin - Chỉ có không bào lớn trung tâm - Có áp suất thẩm thấu cao hoạt động hô hấp rễ mạnh Vì các dạng nước tự và dạng nước liên kết không chặt từ đất lông hút hấp thụ cách dễ dàng nhờ chênh lệch áp suất thẩm thấu (nước từ nơi có áp suất thẩm thấu thấp đến nơi có áp suất thẩm thâu cao), hay nói cách khác, nhờ chênh lệch nước (từ nước cao đến nước thấp) 1.1.2 Giai đoạn nước từ lông hút vào mạch gỗ(mạch xilem) rễ Sau vào tế bào lông hút, nước vận chuyển chiều qua các tế bào vỏ, nội bì vào mạch gỗ rễ chênh lệch sức hút nước theo hướng tăng dần từ ngoài vào các tế bào Có hai đường vận chuyển nước từ lông hút vào mạch gỗ: - Con đường qua thành tế bào - gian bào đến dải Caspary ( Con đường vô bào - Apoplats ) + H2O và số ion khoáng từ đất → TB lông hút → không gian các bó sợi các tế bào vỏ rễ → nội bì ⃗ đai Caspari TBC nội bì → mạch gỗ rễ (Đai caspari nằm phần nội bì rễ, có vai trò kiểm soát các chất vào trung trụ, điều hòa vận tốc hút nước rễ) + Đặc điểm đường này là nhanh, không chọn lọc - Con đường qua chất nguyên sinh - không bào: + H2O và số ion khoáng từ đất → TB lông hút → xuyên qua TBC các tế bào vỏ rễ → TBC các tế bào nội bì → mạch gỗ rễ + Đặc điểm đường này là chậm, chọn lọc 1.1.3 Giai đoạn nước bị đẩy từ mạch gỗ rễ lên mạch gỗ thân Nước bị đẩy từ rễ lên thân lực đẩy gọi là áp suất rễ Có hai tượng minh hoạ cho áp suất rễ: Hiện tượng rỉ nhựa và tượng ứ giọt - Hiện tượng rỉ nhựa: đây là tượng thân cây bị cắt ngang gần mặt đất, thời gian sau mặt cắt rỉ các giọt nhựa Nhựa đây là hỗn hợp gồm nước(chủ yếu) muối khoáng và số hợp chất hữu tổng hợp rễ rễ đẩy từ mạch gỗ rễ lên mạch gỗ thân - Hiện tượng ứ giọt (Úp cây chuông thuỷ kín, sau đêm, ta thấy các giọt nước ứ mép lá qua khí khổng Như mặc dù không khí chuông thuỷ tinh đã bão hoà nước, nước bị đẩy từ mạch gỗ rễ lên lá và không thoát dạng nên ứ thành các giọt) 1.2 Quá trình vận chuyển nước thân - Nước chuyển theo dòng mạch gỗ từ mạch gỗ rễ lên mạch gỗ thân → mạch gỗ lá - Nước, muối khoáng vận chuyển cây nhờ bó mạch gỗ theo chiều từ lên nhờ các lực sau: Lực đẩy(áp suất rễ); Lực hút lá(do nước); Lực liên kết các phân tử nước với và với thành mạch gỗ 1.3 Sự thoát nước qua lá - Lá là quan thoát nước chủ yếu cây (2) - Quá trình thoát nước thông qua đường: qua khí khổng và qua cutin 1.4 Các tác nhân môi trường ảnh hưởng đến quá trình trao đổi nước thực vật - Ánh sáng: Tác nhân gây đóng mở khí khổng ảnh hưởng đến thoát nước - Nhiệt độ: ảnh hưởng đến hấp thụ nước rễ (do ảnh hưởng đến sinh trưởng và hô hấp rễ) và thoát nước lá (do ảnh hưởng đến độ ẩm không khí) - Độ ẩm: Độ ẩm đất càng tăng thì quá trình hấp thụ nước tăng, độ ẩm không khí càng tăng thì thoát nước càng giảm - Dinh dưỡng khoáng: Hàm lượng khoáng đất càng cao thì áp suất dung dịch đất càng cao hấp thụ nước càng giảm Dinh dưỡng khoáng thực vật 2.1 Vai trò các nguyên tố dinh dưỡng khoáng thực vật 2.1.1 Các nguyên tố khoáng đại lượng(C, H, O, N, P, K, S, Ca, Mg) tham gia vào cấu trúc tế bào, thể; điều tiết các quá trình sinh lí Ví dụ: nguyên tố N và vai trò N thực vật - Nguồn cung cấp nitơ tự nhiên cho cây +Nitơ phân tử khí quyển(N 2), chiếm khoảng 80%, cây không hấp thu Chỉ các vi khuẩn tự (Azotobacter – ruộng lúa, Anabaena…) và vi khuẩn cộng sinh (Rhizobium – cộng sinh nốt sần cây họ đậu, Anabaena azollae – cộng sinh bèo hoa dâu …) tiết enzim nitrogenaza để cố định N2 → NH4+, quá trình này thực điều điều kiện kị khí, có các lực khử H O NH4+ mạnh và ATP: NN ⃗ H NH=NH ⃗ H NH2-NH ⃗ H NH3 ⃗ +Trong đất(đất là nguồn cung cấp nitơ chủ yếu cho cây), N tồn dạng : nitơ khoáng và nitơ hữu +¿ cây hấp thụ N dạng NH ¿ và NO−3 vậy, đất xảy quá trình chuyển hoá nitơ nhờ các vi khuẩn: Vi khuẩn amôn hoá Chất hữu Vi khuẩn nitrat hoá NH4+ NO3- - Vai trò nguyên tố N: +Vai trò chung : là nguyên tố dinh dưỡng khoáng thiết yếu +Vai trò cấu trúc: Nitơ là thành phần hầu hết các hợp chất cây (prôtêin, axit nuclêic …) cấu tạo nên tế bào, thể +Vai trò điều tiết: Tham gia thành phần các enzim, hoocmôn… điều tiết các quá trình sinh lí, hoá sinh tế bào, thể 2.1.2 Các nguyên tố khoáng vi lượng(chiếm 100mg/1kg chất khô cây), chủ yếu đóng vai trò hoạt hóa các enzim 2.2 Cơ chế hấp thụ ion khoáng Khác với hấp thụ nước, các ion khoáng di chuyển từ đất vào tế bào cách chọn lọc theo hai chế: - Cơ chế thụ động: Các ion khoáng di chuyển từ đất (hoặc môi trường dinh dưỡng) vào rễ theo chiều građien nồng độ Có thể cần chất mang không tiêu tốn ATP - Cơ chế chủ động : Đối với số ion cây có nhu cầu cao nhiên nồng độ các tế bào rễ cây lại cao dung dịch đất(môi trường), các ion này vận chuyển ngược chiều gradient nồng độ Cần chất mang(bơm) và tiêu tốn ATP 3.Chuyển hóa vật chất và lượng cây Quá trình chuyển hóa vật chất và lượng cây bao gồm quá trình quang hợp và hô hấp Đây là quá trình đối lập thống với Sản phẩm quang hợp là nuyên liệu cho hô hấp Sản phẩm hô hấp lại chính là các nguyên liệu tham gia trực tiếp vào quá trình quang hợp trên hình 22.2 SGK 3.1 Quang hợp 3.1.1 Cơ chế quang hợp: * Khái niệm: (3) - Quang hợp là quá trình đó lượng ánh sáng mặt trời lá(diệp lục) hấp thụ để tạo cacbonhyđrat và ôxy từ khí CO2 và H2O ⃗ - PTTQ: 6CO2 + 12H2O C6H12O6 + 6O2 +6 H2O ASMT Diệp lục * Cơ chế: Quang hợp thực vật Pha sáng Nơi diễn Tilacoit (grana) Pha tối Ng Liệu Sản phẩm Nơi diễn Ng Liệu Sản phẩm AS, H2O, ADP, NADP+ O2, ATP, NADPH Chất lục lạp(stroma) CO2, ATP, NADPH C6H12O6 Pha sáng: + Khái niệm : là pha chuyển hóa lượng ánh sáng đã diệp lục hấp thụ thành lượng các liên kết hóa học ATP và NADPH +Cơ chế : Các sắc tố quang hợp hấp thụ lượng ánh sáng và truyền cho diệp lục a trung tâm phản ứng quang hợp theo sơ đồ: Carôtenôit Diệp lục b Diệp lục a Diệp lục a trung tâm Sau đó quang chuyển cho quá trình quang phân li nước và phản ứng quang hoá để hình thành ATP và NADPH(nicôtin amit ađenin đinuclêôtit photphat) Như vậy, pha sáng diễn theo giai đoạn: Giai đoạn quang lí: Diệp lục(clorophyl) hấp thụ lượng ánh sáng và chuyển thành trạng thái kích thích: Chl + h Chl*, lượng kích thích đó sử dụng cho giai đoạn tiếp theo: Giai đoạn photphoryl quang hóa: Quang phân li nước: 2H2O ⃗ Chl* 4H+ + 4e- + O2 Phot phoril hoá tạo ATP: ADP + Pi ATP Tổng hợp NADPH: NADP + H+ NADPH PTTQ: 12H2O + 18ADP + 18Pvô + 12NADP + 18ATP + 12NADPH + 6O - Pha tối: +Pha tối diễn khác các nhóm thực vật Tuy nhiên, điểm giống là thực chu trình Canvin gồm giai đoạn chính: Giai đoạn cố định CO 2(cacboxil hoá ): RiDP + CO2 APG Giai đoạn khử (tốn 6ATP và 6NADPH): 6APG 6AlPG Giai đoạn tái sinh chất nhận RiDP và tạo đường (tiêu tốn ATP): 5AlPG 3RiDP (4) 1AlPG Tham gia tạo C6H12O6 Tóm tắt chu trình Canvin PTTQ: 12 H2O + CO2 + Q (năng lượng ánh sáng) C6H12O6 + O2 + H2O +Điểm khác pha tối nhóm thực vật Nhóm Thực vật C3 Thực vật C4 Thực Vật CAM Đặc điểm Đều có chu trình Canvin tạo ALPG từ đó hình thành nên các hợp chất Giống cacbohiđrit, axit amin, prôtêin, lipit,… Chất nhận Ribulôzơ-1,5-điphôtphat PEP (axit phôtphoenol piruvic) CO2 Sản phẩm Hợp chất cacbon:APG Hợp chất cacbon: AOA và axit malic/aspactic đầu tiên (axitphotphoglyxeric) Sống vùng ôn đới và á Sống khí hậu nhiệt đới nhiệt đới điều kiện và cận nhiệt đới, khí hậu Thực vật sống vùng sa khí hậu ôn hòa, cường độ nóng ẩm kéo dài mạc, là thực vật mọng Đặc điểm CO2, O2 bình thường Bao gồm số loài ngô, nước thích nghi Bao gồm Rêu, đa số cây mía, cao lương, rau dền, Điều kiện sống: khí hậu trồng(lúa, khoai, sắn, các cỏ lồng vực, khô hạn kéo dài loài rau, đậu, ) - GĐ cố định CO2 tạm Khác - GĐ cố định CO2 tạm thời thời xảy tế bào (ban đêm) Chỉ giai đoạn là chu mô giậu Giai - GĐ cố định CO2 theo chu trình Canvin xảy - GĐ cố định CO2 theo đoạn trình Canvin (ban ngày) các tế bào mô giậu chu trình Canvin xảy xảy cùng loại tế bào bao bó tế bào mô giậu mạch Có cường độ quang hợp trung bình, điểm bù CO2 Có cường độ quang hợp Có cường độ quang hợp cao, thoát nước cao, cao, điểm bù CO2 thấp, thấp, điểm bù CO2 thấp hơn, Các tiêu có xảy hô hấp sáng thoát nước thấp hơn, không có hô hấp sáng, thoát chí khác tiêu tốn sản phẩm quang không có hô hấp sáng, nước thấp thấp, Do hợp Do vậy, có Nên có suất cao đó, có suất thấp suất trung bình (5) 3.1.2 Vai trò quang hợp: Tạo chất hữu cung cấp cho sống trên trái đất; Biến đổi và tích luỹ lượng (năng lượng vật lí thành lượng hoá học); Hấp thụ CO và thải O2 điều hòa không khí 3.2 Hô hấp 3.2.1 Cơ chế hô hấp - Khái niệm hô hấp: quá trình chuyển đổi lượng tế bào sống Trong đó, các phân tử cacbohyđrat bị phân giải đến CO và H2O đồng thời lượng giải phóng và phần lượng đó tích lũy ATP - Cơ chế: Tùy điều kiện có oxi không có oxi phân tử mà có thể xảy các quá trình sau: +Hô hấp hiếu khí: Khi có oxi phân tử, xảy theo các giai đoạn: Đường phân(diễn TBC), chu trình Crep và chuỗi chuyền êlectron(diễn ti thể) tóm tắt theo sơ đồ: Đường phân Chu trình Crep Chuỗi chuyền êlectron Glucôzơ 2.Axit pyruvic 10 NADH, 2FADH 2, 6CO2 6H2O + (36 -38) ATP + Nhiệt - PTTQ: C6H12O6 + 6O2 + 6H2O 6CO + 12H 2O + (36 - 38) ATP + Nhiệt + Lên men: Khi không có oxi phân tử trải qua các giai đoạn: Đường phân và phân giải kị khí(đều xảy TBC) tạo các sản phẩm còn nhiều lượng: Rượu etilic axit lactic Đường phân phân giải kị khí Glucôzơ Axit pyruvic êtilic + 2CO + 2ATP + Nhiệt axit lactic + 2ATP + Nhiệt PTTQ: C6H12O6 êtilic + 2CO + 2ATP + Nhiệt C6H12O6 axit lactic + 2ATP + Nhiệt * Hô hấp sáng là quá trình hấp thụ O2 và giải phóng CO2 ngoài sáng Chủ yếu xảy thực vật C3, điều kiện cường độ ánh sáng cao (CO cạn kiệt, O2 tích luỹ nhiều) với tham gia ba bào quan: Ti thể, lục lạp, perôxixôm Xảy đồng thời với quang hợp, không tạo ATP tiêu hao nhiều sản phẩm quang hợp (30 – 50%) 3.1.2 Mối quan hệ hô hấp với quang hợp và môi trường * Mối quan hệ hô hấp và quang hợp - Quang hợp tích luỹ lượng, tạo các chất hữu cơ, oxi là nguyên liệu cho quá trình hô hấp - Hô hấp tạo lượng cung cấp cho các hoạt động sống đó có tổng hợp các chất tham gia vào quá trình quang hợp (sắc tố, enzim, chất nhận CO ), tạo H2O, CO2 là nguyên liệu cho quá trình quang hợp * Mối quan hệ hô hấp và môi trường - Nhiệt độ: Nhiệt độ tăng đến nhiệt độ tối ưu cường độ hô hấp tăng (do tốc độ các phản ứng enzim tăng); nhiệt độ tăng quá nhiệt độ tối ưu thì cường độ hô hấp giảm - Hàm lượng nước: Cường độ hô hấp tỉ lệ thuận với hàm lượng nước Nồng độ CO2: CO2 là sản phẩm hô hấp vì CO tích lại (> 40%) ức chế hô hấp → cường độ hô hấp tỉ lệ nghịch với nồng độ CO → CO2 sử dụng bảo quản nông sản - Nồng độ O2: Cường độ hô hấp tỉ lệ thuận với nồng độ O (6)