KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM THĂM DÒ BIÊN ĐỘ NHIỆT VÀ
3.2. ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ KHÔNG KHÍ TỚI QUÁ TRÌNH THOÁT HƠI NƯỚC, QUANG HỢP VÀ HUỲNH QUANG
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 H2O.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 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49
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
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 CO2.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 Q10của các phản ứng hóa học (Q10 =2 – 2,5).
Như ta đã biết, quang hợp bao gồm hai pha sáng và tối gồm rất nhiều các phản ứng khác nhau. Các phản ứng này đều có bản chất vật lý và hóa học, do đó chúng cũng tuân theo các quy luật của nhiệt động học và có mối liên hệ chặt chẽ với nhiệt độ môi trường. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng trị số Q10 ở pha sáng và pha tối là không giống nhau. Trị số Q10 đối với pha sáng là 1,1 –
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
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, F0 lại 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.
Khi nhiệt độ tiếp tục tăng lên thì F0 tăng lên khá mạnh và đạt cực đại ở 430C (753,8). Giá trị F0 tăng được giải thích là do ảnh hưởng của nhiệt độ làm cho số lượng tâm phản ứng PS II ở trạng thái “mở” giảm đi, năng lượng dùng cho quang hóa giảm dần mà chủ yếu năng lượng được giải phóng ra dưới dạng sóng điện từ, có nghĩa là huỳnh quang ổn định tăng. Một số nghiên cứu còn khẳng định giá trị F0 phản ánh khả năng chịu hạn của cây và khi so sánh giữa cá giống và dòng với nhau thì sự tăng F0 đồng nghĩa với khả năng chịu hạn kém hơn [16], [21], [22]. 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49
Hình 3.3 Mối quan hệ giữa nhiệt độ không khí với giá trị huỳnh quang ổn định
Khi nhiệt độ tăng quá cao đến 500C làm cho hệ thống nguyên sinh chất bị phá hủy, cấu trúc protein của bộ máy quang hợp bị biến tính, hệ thống hấp thụ ánh sáng không còn hoạt động dẫn đến năng lượng hấp thụ được giảm mạnh nên năng lượng giải phóng ra cũng giảm, cường độ huỳnh quang ổn định cũng giảm.
Sự thay đổi của Fm: Fm là tham số biểu hiện huỳnh quang cực đại đo được khi toàn bộ trung tâm phản ứng ở trạng thái “đóng”, khi chất nhận điện tử đầu tiên QA khử. Qua bảng 3.5 và hình 3.4 cho thấy: Fm cũng tăng nhanh
F0
khi nhiệt độ tăng từ 50C – 270C (từ 212,6 đến 2574,2)và sau đó giảm xuống khá nhanh khi nhiệt độ tăng tiếp từ 280C – 500C (từ 2434,0 xuống 324,6). Hình 3.4 cũng cho thấy điểm nhiệt độ mà huỳnh quang cực đại đạt giá trị cao nhất là 270C (2574,2). 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49
Hình 3.4 Mối quan hệ giữa nhiệt độ với giá trị huỳnh quang cực đại
Cũng tương tự như F0, khi ở nhiệt độ thấp giá trị Fm cũng thấp vì khả năng hấp thụ ánh sáng của hệ sắc tố bị hạn chế nên năng lượng giải phóng ra dưới mọi hình thức cũng thấp. Khi nhiệt độ tăng dần lên, hoạt động sinh lý của cây diễn ra bình thường, khả năng hấp thụ năng lượng ánh sáng cũng tăng lên, do đó giá trị Fm cũng tăng lên. Đồng thời việc Fm tăng lên khi nhiệt độ tăng cũng được coi là một hình thức tự vệ của cây nhằm tránh nguồn năng lượng dư thừa thiêu đốt lá, phá hủy cấu trúc của diệp lục, do đó diệp lục tăng cường thải năng lượng dưới dạng huỳnh quang làm cho bức xạ huỳnh quang tăng, Fm tăng.
Tuy nhiên, khi nhiệt độ tăng lên quá cao sẽ dẫn tới sự phá hủy cấu trúc bộ máy quang hợp do đó bức xạ huỳnh quang giảm. Nghiên cứu về bản chất mất hoạt tính của quang hệ II của tảo ở nhiệt độ cao, tác giả Đặng Diễm Hồng
Fm
và cộng sự khẳng định Fm giảm ở nhiệt độ cao có liên quan tới sự phá hủy cân bằng nhiệt của một số protein của PSII, đó là các protein D1, D2 có bản chất là các axit amin tyrozin [10].
Sự thay đổi của Fvm: Fvm phản ánh hiệu quả sử dụng năng lượng ánh sáng trong phản ứng quang hóa ở PSII. Kết quả thí nghiệm trong bảng 3.3 cho thấy Fvm tăng nhanh khi nhiệt độ tăng từ 50C đến 230C. Từ 230C - 310C, Fvm có xu hướng ổn định cân bằng. Khi nhiệt độ tiếp tục tăng từ 320C – 500C, Fvm giảm mạnh. 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49
Hình 3.5 Mối quan hệ giữa nhiệt độ với hiệu suất huỳnh quang biến đổi
Ta biết rằng Fvm được tính theo tỷ lệ Fv/Fm mà Fv = Fm – F0. Do đó sự tăng Fvm có thể do sự tăng huỳnh quang cực đại hoặc giảm huỳnh quang ổn định hoặc xảy ra cả hai quá trình. Như đã nói ở trên, khi nhiệt độ tăng lên (từ 50C - 230C) các quá trình sinh lý sinh hóa trong cơ thể thực vật dần trở về hoạt động bình thường, hoạt động của bộ máy quang hợp tăng lên, làm cho khả năng hấp thụ năng lượng ánh sáng và hiệu quả sử dụng năng lượng ánh sáng trong phản ứng quang hóa cũng tăng lên, hay nói cách khác Fvm tăng. Đồ thị hình 3.5 cũng cho thấy giá trị hiệu suất huỳnh quang biến đổi của Địa liền
Fvm
đạt giá trị khá ổn định trong khoảng nhiệt độ từ 230C đến 310C (giao động từ 0,785 – 0,814). Điều này chứng tỏ đây là khoảng nhiệt độ thích hợp cho Địa liền tiến hành quang hợp vì hiệu quả sử dụng năng lượng đạt giá trị cao nhất.
Từ 320C – 500C, Fvm giảm mạnh từ 0,789 xuống 0,199. Sự giảm Fvm là do xảy ra đồng thời hai quá trình: giảm huỳnh quang cực đại và tăng huỳnh quang ổn định. Điều kiện nhiệt độ tăng cao làm ảnh hưởng đến protein trong PSII làm tăng cường sự giảm hoạt tính của quang hệ này. Sự biến đổi này của