Quang hợp ở thực vật SVIP

I. KHÁI QUÁT VỀ QUANG HỢP

1. Khái niệm về quang hợp

Quang hợp ở thực vật là quá trình lục lạp hấp thụ và sử dụng năng lượng ánh sáng để chuyển hóa CO₂ và H₂O thành hợp chất hữu cơ C₆H₁₂O₆(năng lượng hóa học), đồng thời giải phóng O₂.

Phương trình khái quát quang hợp:

2. Vai trò của quang hợp

Quang hợp cung cấp chất hữu cơ, năng lượng và khí oxygen → có vai trò rất quan trọng đối với cơ thể thực vật, sinh vật và sinh quyển.

Sản phẩm của quang hợp được sử dụng để cung cấp năng lượng và tổng hợp các chất hữu cơ

➢ Với thực vật

- Quang hợp tạo đường C₆H₁₂O₆:

+ 50% là nguyên liệu của hô hấp tế bào → cung cấp năng lượng cho thực vật.

+ 50% còn lại được sử dụng để kiến tạo nên tế bào và cơ thể thực vật, đồng thời dự trữ năng lượng. → Chiếm 90 - 95% tổng khối lượng chất khô, quyết định năng suất cây trồng.

➢ Với sinh vật

- Quang hợp cung cấp nguồn chất hữu cơ:

+ Là nguồn vật chất và năng lượng cho các sinh vật trên Trái Đất.

+ Là nguyên liệu, nhiên liệu cho các ngành công nghiệp, xây dựng, y dược,...

- Quang hợp cung cấp khí oxygen:

+ Là nguồn dưỡng khí cho hầu hết các sinh vật trên Trái Đất.

➢ Với sinh quyển

- Quang hợp hấp thụ CO₂ và giải phóng O₂:

+ Giúp cân bằng O₂/CO₂ trong khí quyển, giảm hiệu ứng nhà kính và điều hòa không khí

- Thực vật là sinh vật sản xuất:

+ Là mắt xích đầu tiên cung cấp nguồn năng lượng duy trì hoạt động của sinh giới.

3. Hệ sắc tố quang hợp

Hệ sắc tố quang hợp là nhóm các chất nằm trên màng thylakoid của lục lạp, có vai trò thu nhận năng lượng ánh sáng, chuyển hóa quang năng thành hóa năng dưới dạng ATP và NADPH.

a. Các nhóm sắc tố

b. Vai trò của hệ sắc tố

- Hệ sắc tố quang hợp nằm trên màng thylakoid → hấp thụ năng lượng ánh sáng → chuyển sang trạng thái có electron bị kích động → truyền cộng hưởng đến phân tử sắc tố khác → đến diệp lục a ở trung tâm phản ứng → biến đổi thành hóa năng chứa trong ATP và NADPH.

Sơ đồ hấp thụ và truyền năng lượng ánh sáng giữa các sắc tố quang hợp

II. QUÁ TRÌNH QUANG HỢP Ở THỰC VẬT

Quang hợp ở thực vật diễn ra tại lục lạp theo hai pha: Pha sáng (pha hấp thụ năng lượng ánh sáng) và pha tối (pha đồng hóa/cố định CO₂).

Hai pha của quang hợp

1. Pha sáng

- Diễn ra trên màng thylakoid.

- Thành phần tham gia: Ánh sáng và các sắc tố quang hợp.

- Giống nhau ở thực vật C₃, C₄ và CAM.

- Diễn biến:

+ Diệp lục hấp thụ ánh sáng → chuyển sang trạng thái kích động → làm bật ra một số electron → đi vào chuỗi truyền electron → quang phân li nước.

2H₂O → 4H⁺ + 4e + O₂

+ Electron sinh ra từ quá trình phân li nước được dùng để bù lại cho phân tử diệp lục a đã mất electron. H⁺ tham gia tổng hợp ATP và khử NADP⁺ thành NADPH.

- Phương trình tổng quát:

H₂O + ADP + Pi + NADP+ → H⁺ + 1/2O₂ + ATP + NADPH

2. Pha tối

- Diễn ra trong chất nền của lục lạp.

- Thành phần tham gia: Sản phẩm pha sáng và các enzyme đồng hóa carbon.

- Khác nhau ở thực vật C₃, C₄ và CAM.

- Phương trình tổng quát:

6CO₂ + 12NADPH + 18ATP → C₆H₁₂O₆ + 18ADP + 18Pi + 12NADP⁺

a. Con đường cố định CO₂ ở thực vật C₃ (chu trình Calvin hay chu trình C₃)

- Có ở nhiều loài thực vật vùng ôn đới và cận nhiệt.

- Diễn biến:

+ Chất nhận CO₂ đầu tiên: Ribulose 1,5 bisphosphate (RuBP).

+ RuBP nhận CO₂ → 3-Phosphoglyceric acid (3-PGA) → Sản phẩm đầu tiên là một hợp chất 3 carbon.

+ ATP và NADPH (từ pha sáng) tham gia khử 3-PGA thành glyceraldehyde 3 phosphate (G3P).

+ Một phần G3P ra khỏi chu trình để tạo thành glucose và các hợp chất hữu cơ khác, một phần được sử dụng để tái tạo RuBP.

Chu trình C₃

b. Con đường cố định CO₂ ở thực vật C₄ (con đường C₄)

- Có ở các thực vật vùng nhiệt đới và cận nhiệt.

- Diễn biến:

+ Chất nhận CO₂ đầu tiên: Hợp chất 3C (phosphoenol pyruvate - PEP).

+ Sản phẩm đầu tiên: Oxaloacetic acid - OAA → là hợp chất 4C.

+ Hợp chất 4C chuyển thành malate và đi qua cầu sinh chất đến tế bào bao bó mạch → phân giải thành pyruvate và CO₂ → CO₂ đi vào chu trình Calvin → Carbohydrate.

c. Con đường cố định CO₂ ở thực vật CAM (con đường CAM)

- Có ở các loài thực vật sống ở sa mạc hoặc trong các điều kiện hạn chế về nước.

→ Để hạn chế sự thoát hơi nước, cây đóng khí khổng vào ban ngày và mở vào ban đêm để lấy CO₂ vào tế bào thịt lá.

Sơ đồ quá trình cố định CO₂ ở thực vật CAM

3. Sự thích nghi của thực vật C₄ và CAM trong điều kiện môi trường bất lợi

- Để thích nghi với điều kiện môi trường nóng, hạn:

+ Pha tối ở cây C₄ và CAM có thêm chu trình sơ bộ cố định CO₂ → đảm bảo nguồn cung cấp CO₂.

+ Enzyme PEP có ái lực với CO₂ cao hơn enzyme RuBisCO → cây C₄ và CAM có thể cố định CO₂ ở nồng độ rất thấp.

+ Cây C₄ dự trữ CO₂ trong nhu mô thịt lá → năng suất cao.

4. Vai trò của quang hợp

- Sản phẩm quang hợp glyceraldehyde 3 phosphate (G3P) - hợp chất 3 carbon là nguyên liệu tổng hợp nên các hợp chất hữu cơ khác cần thiết cho cơ thể thực vật và sinh giới.

Vai trò của sản phẩm quang hợp

III. ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ NGOẠI CẢNH ĐẾN QUANG HỢP

1. Ánh sáng

Ánh sáng là điều kiện đầu tiên để cây quang hợp → ảnh hưởng đến cây thông qua cường độ và thành phần ánh sáng.

a. Cường độ ánh sáng

Mối quan hệ giữa cường độ ánh sáng và cường độ quang hợp

- Cường độ ánh sáng ảnh hưởng đến cường độ quang hợp của cây thông qua 2 chỉ số:

+ Điểm bù ánh sáng (I_o): Là điểm cường độ ánh sáng cho cường độ quang hợp = cường độ hô hấp. Cây ưa bóng có điểm bù ánh sáng thấp hơn cây ưa sáng.

+ Điểm bão hòa ánh sáng (I_m): Là điểm cường độ ánh sáng cho cường độ quang hợp cao nhất. Nếu cường độ ánh sáng tăng vượt quá điểm bão hòa thì cường độ quang hợp có thể bị giảm.

b. Thành phần ánh sáng

- Thành phần ánh sáng tại vùng ánh sáng khả kiến (có 6 tia sáng là tím, xanh, lục, vàng, da cam, đỏ tương ứng với các bước sóng từ 400 - 700 nm) thay đổi theo thời gian trong ngày.

- Ánh sáng đỏ và xanh tím giúp tăng hiệu quả quang hợp, mạnh nhất tại miền ánh sáng đỏ.

Mức độ hấp thụ ánh sáng của các sắc tố quang hợp

- Khoảng thời gian quang hợp từ 10 - 12 giờ/ngày phù hợp với đa số thực vật.

2. Khí CO₂

Trong giới hạn nhất định, nồng độ CO₂ tăng → cường độ quang hợp tăng.

- Nếu nồng độ CO₂ quá cao (khoảng 0,2%) → cây có thể chết vì ngộ độc.

- Nếu nồng độ CO₂ quá thấp → quang hợp sẽ không xảy ra.

+ Điểm bù CO₂: Là điểm nồng độ CO₂ tối thiểu cho cường độ quang hợp = cường độ hô hấp. Điểm bù CO₂ của cây CAM và C₄ < cây C₃.

+ Điểm bão hòa CO₂: Là điểm nồng độ CO₂ cho cường độ quang hợp cực đại. Nếu nồng độ CO₂ tiếp tục tăng thì cường độ quang hợp cũng không tăng. Điểm bão hòa CO₂ của cây dao động khoảng 0,06 - 0,1%.

Mối quan hệ giữa nồng độ CO₂ và cường độ quang hợp

3. Nhiệt độ

Nhiệt độ bắt đầu quang hợp, nhiệt độ tối ưu phụ thuộc vào loài thực vật và môi trường.

- Ví dụ:

+ Nhiệt độ tối ưu của cây C₃ là 20 - 30 ^oC; C₄ là 25 - 35 ^oC; CAM là 30 - 40 ^oC.

+ Cây nhiệt đới bắt đầu quang hợp ở khoảng 5 - 7 ^oC, nhiệt độ tối ưu khoảng 25 - 30 ^oC.

+ Cây vùng lạnh và ôn đới bắt đầu quang hợp ở khoảng (-15) - (-5) ^oC, nhiệt độ tối ưu khoảng 8 - 15 ^oC.

- Nhiệt độ tăng → cường độ quang hợp tăng và đạt cực đại ở nhiệt độ tối ưu, sau đó giảm dần.

IV. QUANG HỢP VÀ NĂNG SUẤT CÂY TRỒNG

Quang hợp quyết định 90 - 95% năng suất cây trồng → Muốn nâng cao năng suất cây trồng, cần áp dụng các biện pháp kĩ thuật và công nghệ để cải tạo giống cây trồng, thay đổi một số yếu tố môi trường làm tăng cường độ quang hợp.

1. Mối quan hệ giữa quang hợp và năng suất cây trồng

- Sản phẩm của quang hợp chiếm 90 - 95% tổng số chất khô của thực vật, 5 - 10% còn lại là do dinh dưỡng khoáng quyết định. → Quang hợp là nhân tố quyết định năng suất cây trồng.

2. Một số biện pháp kĩ thuật và công nghệ nâng cao năng suất cây trồng thông qua quang hợp

a. Biện pháp kĩ thuật nông học

- Bón phân hợp lí.

- Cung cấp nước đầy đủ.

- Gieo trồng đúng thời vụ.

- Chọn, tạo giống cây trồng có diện tích lá lớn, cường độ quang hợp và năng suất cao.

- Phòng trừ sâu, bệnh hại.

b. Công nghệ nâng cao năng suất cây trồng

- Sử dụng ánh sáng đèn LED thay thế ánh sáng mặt trời → chủ động thay đổi cường độ và thành phần quang phổ phù hợp với từng loại cây trồng.

- Mô hình canh tác: Trồng trong phòng/nhà kính có sử dụng đèn LED.

+ Tốn ít không gian.

+ Rút ngắn thời gian sinh trưởng.

+ Khắc phục được những điều kiện bất lợi của môi trường.

+ Năng suất và giá trị kinh tế cao.