Trao đổi nước và khoáng ở thực vật SVIP

I. VAI TRÒ CỦA NƯỚC VÀ CHẤT KHOÁNG

Nước và chất khoáng là những chất dinh dưỡng quan trọng được thực vật hấp thụ để xây dựng chất sống cho cơ thể.

1. Vai trò của nước

- Nước chiếm khoảng 70 - 90% sinh khối tươi của thực vật. 

- Vai trò của nước:

+ Là thành phần cấu tạo tế bào, liên kết các mô, bộ phận.

+ Là dung môi hòa tan các chất và ion khoáng.

+ Là phương tiện vận chuyển các chất trong hệ mạch.

+ Tham gia các phản ứng hóa sinh của cơ thể.

+ Là môi trường của các phản ứng sinh hóa.

+ Điều hòa nhiệt độ, là chất đệm bảo vệ cơ thể.

2. Vai trò của các nguyên tố khoáng

- Thành phần cấu tạo của thực vật có hơn 50 nguyên tố, với 17 nguyên tố thiết yếu.

- Nguyên tố khoáng thiết yếu: Tham gia trực tiếp vào quá trình chuyển hóa các chất và không thể thay thế → Nếu thiếu thì cây không thể hoàn thành chu trình sống.

- Vai trò của các nguyên tố khoáng thiết yếu:

+ Cấu trúc nên các thành phần của tế bào.

+ Điều tiết các quá trình sinh lí.

II. QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI NƯỚC VÀ KHOÁNG Ở THỰC VẬT

Trao đổi nước ở thực vật diễn ra theo ba giai đoạn kế tiếp nhau: Hấp thụ nước ở rễ → vận chuyển nước ở thân → thoát hơi nước ở lá.

Sơ đồ khái quát quá trình trao đổi nước trong cây
(1) - hấp thụ nước ở rễ, (2) - vận chuyển nước ở thân, (3) - thoát hơi nước ở lá

1. Hấp thụ nước và khoáng ở rễ

Nhờ có tế bào lông hút, thực vật hấp thụ nước theo cơ chế thẩm thấu, hấp thụ ion khoáng theo cơ chế thụ động hoặc chủ động. Nước và khoáng từ lông hút được vận chuyển vào mạch gỗ của rễ qua hai con đường gian bào và tế bào chất.

- Thực vật sống trên cạn hấp thụ nước và khoáng từ đất chủ yếu qua rễ nhờ các tế bào lông hút, ngoài ra có thể hấp thụ thông qua khí khổng trên bề mặt lá.

- Thực vật sống dưới nước hấp thụ nước và khoáng từ môi trường qua bề mặt các tế bào biểu bì của hầu hết các cơ quan.

a. Hấp thụ nước ở tế bào lông hút

- Cơ chế: Thẩm thấu → nước sẽ di chuyển từ dung dịch đất (môi trường nhược trương) vào tế bào lông hút (môi trường ưu trương).

- Nồng độ chất tan trong tế bào lông hút luôn được duy trì ở mức cao (môi trường ưu trương) nhờ:

+ Sự hấp thụ các ion khoáng ở tế bào lông hút.

+ Sự tích lũy các chất tan được tổng hợp từ quá trình chuyển hóa vật chất (đường sucrose, acid hữu cơ,...).

+ Thoát hơi nước ở lá → Giảm hàm lượng nước ở tế bào.

b. Hấp thụ khoáng ở tế bào lông hút

- Cơ chế:

+ Thụ động: Ion khoáng khuếch tán từ đất (nồng độ cao) đến dịch tế bào lông hút (nồng độ thấp); xâm nhập theo dòng nước liên kết; hoặc từ bề mặt hạt keo đất trao đổi ion khoáng với bề mặt rễ khi tiếp xúc trực tiếp.

+ Chủ động: Ion khoáng được vận chuyển từ đất vào rễ ngược chiều gradient nồng độ (thấp → cao) → tiêu tốn năng lượng ATP.

c. Vận chuyển nước và chất khoáng từ lông hút vào mạch gỗ của rễ

Hai con đường vận chuyển của nước và chất khoáng từ lông hút vào mạch gỗ của rễ

- Nước và chất khoáng được vận chuyển từ đất vào lông hút và tới mạch gỗ của rễ theo hai con đường:

+ Con đường gian bào: Nước và ion khoáng di chuyển qua khoảng trống giữa các tế bào (gian bào) và khoảng trống giữa các các bó sợi cellulose trong thành tế bào → qua lớp vỏ → đến nội bì gặp đai Caspary (không thấm nước) → chuyển sang con đường tế bào chất → mạch gỗ.

+ Con đường tế bào chất: Nước và ion khoáng đi vào tế bào lông hút → qua tế bào chất của các lớp tế bào thông qua hệ thống cầu sinh chất giữa các tế bào → mạch gỗ.

→ Đai Caspary và con đường tế bào chất sẽ giúp kiểm soát thành phần và số lượng các chất đi vào mạch gỗ. → Tốc độ chậm hơn con đường gian bào.

2. Vận chuyển nước và các chất trong thân

Nước và các chất trong cây được vận chuyển nhờ dòng mạch gỗ (xylem) và dòng mạch rây (phloem). Dòng mạch gỗ vận chuyển nước và khoáng từ rễ lên lá nhờ áp suất rễ, lực liên kết giữa các phân tử nước và thoát hơi nước ở lá. Dòng mạch rây vận chuyển sản phẩm quang hợp và các chất khác đi khắp cơ thể nhờ sự chênh lệch áp suất thẩm thấu giữa cơ quan nguồn và cơ quan đích.

Dòng mạch gỗ và dòng mạch rây

a. Dòng mạch gỗ

- Chất được vận chuyển: Nước và các chất khoáng.

- Chiều vận chuyển: Một chiều từ rễ lên lá và các cơ quan phía trên.

- Cấu tạo: Từ hai loại tế bào là quản bào và mạch ống. Đặc điểm:

+ Là tế bào chết, thành tế bào thấm lignin (hóa gỗ) → không thấm nước.

+ Các tế bào xếp chồng lên nhau theo chiều thẳng đứng, không có vách ngăn giữa các tế bào.

+ Có lỗ bên → có thể vận chuyển theo chiều ngang.

- Động lực:

Các động lực của dòng mạch gỗ

+ (1) - Áp suất rễ (lực đẩy).

+ (2) - Lực liên kết giữa các phân tử nước và lực bám giữa các phân tử nước với thành mạch dẫn (động lực trung gian).

+ (3) - Thoát hơi nước ở lá (lực kéo).

- Chứng minh lực đẩy của áp suất rễ: Hiện tượng rỉ nhựa khi cắt ngang thân cây hay hiện tượng ứ giọt trên mép lá vào sáng sớm hoặc trong điều kiện độ ẩm không khí cao.

Hiện tượng ứ giọt ở thực vật thân thảo

b. Dòng mạch rây

- Chất được vận chuyển: Sản phẩm quang hợp (chủ yếu là đường sucrose), ngoài ra còn có các amino acid, horomone, chất khoáng, nước,...

- Chiều vận chuyển: Từ cơ quan nguồn đến cơ quan dự trữ và các cơ quan khác cần sử dụng → vận chuyển đa chiều tùy thuộc vào vị trí của cơ quan nguồn so với cơ quan đích.

- Cấu tạo: Từ các tế bào ống rây và tế bào kèm. Đặc điểm:

+ Là các tế bào sống, không bị lignin hóa.

+ Các tế bào ống rây xếp chồng lên nhau theo chiều thẳng đứng, giữa các tế bào có vách ngăn với các lỗ cho dòng vật chất đi qua.

+ Các tế bào kèm nằm dọc theo các ống rây → cung cấp năng lượng và nguyên liệu duy trì sự sống cho tế bào ống rây.

- Động lực: Gradient nồng độ: Từ cơ quan nguồn có áp suất thẩm thấu cao → cơ quan đích có áp suất thẩm thấu thấp.

- Nước được vận chuyển theo chiều ngang giữa mạch rây và mạch gỗ → đảm bảo cho quá trình vận chuyển chất tan diễn ra thuận lợi.

3. Thoát hơi nước ở lá

Thoát hơi nước là sự bay hơi của nước qua bề mặt cơ thể thực vật, chủ yếu diễn ra ở lá. Lá thoát hơi nước theo 2 con đường: Qua khí khổng (chủ yếu) và qua bề mặt lớp cuticle.

a. Thoát hơi nước qua bề mặt lá

- Phụ thuộc độ dày tầng cuticle và diện tích lá → Lượng hơi nước và tốc độ thoát thấp hơn qua khí khổng.

- Lá non có tầng cuticle mỏng → lượng nước thoát ra tương đương với qua khí khổng.

- Lá trưởng thành có tầng cutin dày → lượng nước thoát ra chỉ chiếm 10 - 20%. 

- Thực vật sống nơi khô hạn thường có tầng cutin dày → giảm sự thoát hơi nước, tăng khả năng chịu hạn.

b. Thoát hơi nước qua khí khổng

- Phụ thuộc vào số lượng, sự phân bố và hoạt động đóng, mở của khí khổng.

Khí khổng mở khi tế bào trương nước và đóng khi tế bào mất nước

- Cơ chế đóng mở khí khổng: Phụ thuộc vào hàm lượng nước trong tế bào.

+ Đặc điểm tế bào khí khổng: Thành trong dày, thành ngoài mỏng.

+ Ánh sáng thúc đẩy quang hợp → tăng tổng hợp đường trong tế bào khí khổng và hoạt hóa bơm ion trên màng tế bào → tăng nồng độ các ion (K⁺, NO₃^-, Cl^-,...) và các chất thẩm thấu khác (malate, sucrose,...) → tăng áp suất thẩm thấu → tế bào tăng cường hút nước → thành mỏng căng mạnh, kéo theo thành dày cong yếu hơn → khí khổng mở.

+ Ngược lại khi các chất thẩm thấu được giải phóng → giảm áp suất và giảm hút nước → khí khổng đóng.

- Sự đóng mở khí khổng chịu ảnh hưởng của ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm, độ no nước của cây, cân bằng ion, hormone,...

Ví dụ: Cường độ ánh sáng quá mạnh → tăng nhiệt độ lá → tế bào khí khổng bị mất nước → khí khổng đóng lại.

c. Vai trò của thoát hơi nước

- Tạo động lực đầu trên (lực kéo) cho quá trình hấp thu và vận chuyển nước cùng các chất khoáng từ rễ lên lá.

- Tạo điều kiện để khuếch tán CO₂ từ môi trường vào lá (khi khí khổng mở), cung cấp nguyên liệu cho quang hợp.

- Làm giảm nhiệt độ bề mặt của lá trong những ngày nắng nóng, bảo vệ các cơ quan và duy trì hoạt động sống bình thường.

III. DINH DƯỠNG NITROGEN

Nitrogen có vai trò cấu trúc và tham gia điều tiết các quá trình sinh hóa trong cơ thể thực vật. Thực vật hấp thụ nitrogen từ đất dưới dạng NH₄⁺, NO₃^- nhờ cơ chế chủ động.

1. Vai trò của nitrogen

- Vai trò cấu trúc: Là thành phần của các hợp chất hữu cơ quan trọng như protein, nucleic acid, diệp lục,...

- Vai trò điều tiết: Tham gia cấu tạo nên các enzyme, các hormone thực vật,...

2. Nguồn cung cấp nitrogen cho thực vật

- Trong tự nhiên, nitrogen tồn tại ở dạng tự do (N₂) và dạng hợp chất (vô cơ, hữu cơ).

- Thực vật chỉ có thể hấp thụ được nitrogen ở dạng vô cơ: NH₄⁺ và NO₃^-.

- Các nguồn cung cấp nitrogen cho cây trồng:

+ (1) Vi sinh vật cố định nitrogen (sống tự do hay sống cộng sinh với thực vật): Đây là nguồn cung cấp chủ yếu.

+ (2) Quá trình hóa lí trong tự nhiên: Tia sét oxy hóa N₂ thành NO₃^-.

+ (3) Vi sinh vật phân giải hợp chất nitrogen hữu cơ trong phân, xác sinh vật.

+ (4) Hoạt động bón phân của con người: Phân vô cơ (như chứa gốc NH₄⁺ hay NO₃^-) và phân hữu cơ (thành phần dinh dưỡng cân bằng, đa dạng hơn và giúp cải tạo đất).

Nguồn nitrogen cung cấp cho thực vật

3. Quá trình biển đổi nitrate và ammonium ở thực vật

Thực vật hấp thụ nitrogen dưới dạng các chất vô cơ NH₄⁺ và NO₃^- rồi biến đổi thành nitrogen trong các hợp chất hữu cơ thông qua hai quá trình: Khử nitrate (NO₃^-) và đồng hóa ammonium (NH₄⁺).

a. Quá trình khử nitrate

- Là quá trình chuyển nitrogen từ dạng NO₃^- thành NH₄⁺ dưới sự xúc tác của enzyme nitrate reductase và nitrite reductase.

- Cơ chế:

b. Quá trình đồng hóa ammonium

- Là quá trình chuyển hóa ammonium (NH₄⁺) để tạo ra các amino acid hoặc amide → giúp giải độc cho tế bào khi lượng NH₄⁺ tích lũy quá nhiều, đồng thời là cơ chế dự trữ ammonium cho tế bào thực vật.

- Cơ chế:

+ NH₄⁺ kết hợp với các keto acid → amino acid sơ cấp → giải độc nhanh và cung cấp nguồn amino acid.

Ví dụ: α-ketoglutaric acid + NH₄⁺ → glutamic acid

+ NH₄⁺ kết hợp với glutamic acid, aspartic acid → amide (glutamine, asparagine) → dự trữ NH₄⁺ cho cơ thể.

Ví dụ: glutamic acid + NH₄⁺ → glutamine

IV. CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HOẠT ĐỘNG TRAO ĐỔI NƯỚC VÀ DINH DƯỠNG KHOÁNG

Trao đổi nước và dinh dưỡng khoáng ở thực vật bị chi phối bởi các nhân tố ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm đất, độ ẩm không khí, vi sinh vật,...

1. Ánh sáng

- Tác động:

+ Thúc đẩy khí khổng mở, tăng tốc độ thoát hơi nước → động lực cho quá trình hấp thụ, vận chuyển nước và chất khoáng.

Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng đến tốc độ thoát hơi nước của lá cây xô thơm

+ Là năng lượng cần cho hoạt động quang hợp → tạo chất hữu cơ → nguyên liệu cho hô hấp → giải phóng năng lượng cho quá trình hấp thụ và vận chuyển chủ động các chất.

→ Ứng dụng: Cần đảm bảo mật độ gieo trồng, chọn khu vực,... cây có đủ ánh sáng.

2. Nhiệt độ

- Tác động:

+ Nhiệt độ giảm → giảm khả năng hô hấp của rễ và khuếch tán của chất khoáng trong đất → giảm khả năng hấp thụ khoáng của hệ rễ.

+ Nhiệt độ tăng trong ngưỡng nhất định → tăng thoát hơi nước và tốc độ hấp thụ ở rễ.

+ Nhiệt độ quá cao (> 45 ^oC) → gây tổn thương hoặc chết tế bào lông hút, biến đổi các enzyme → giảm/dừng hấp thụ nước và khoáng.

→ Ứng dụng: Ủ ấm gốc cây bằng rơm rạ, bao tải, dựng bạt che chắn, bón phân giàu K,... khi nhiệt độ thấp.

3. Độ ẩm đất và không khí

- Tác động của độ ẩm đất:

+ Trong ngưỡng nhất định, độ ẩm đất tỉ lệ thuận với khả năng hấp thụ nước và khoáng của hệ rễ.

+ Độ ẩm đất quá cao/thấp → giảm hô hấp và ức chế sinh trưởng của rễ → giảm hấp thụ nước và chất khoáng.

- Tác động của độ ẩm không khí:

+ Độ ẩm không khí cao → giảm cường độ thoát hơi nước.

+ Độ ẩm không khí thấp → tăng thoát hơi nước → tăng hấp thụ nước và khoáng.

Ảnh hưởng của độ ẩm không khí đến độ mở của khí khổng ở cây Arabidopsis thaliana

V. ỨNG DỤNG QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI NƯỚC VÀ KHOÁNG Ở THỰC VẬT TRONG SẢN XUẤT NÔNG NGHIỆP

1. Tưới nước hợp lí cho cây trồng

Cân bằng nước là tương quan giữa lượng nước do rễ cây hút vào và lượng nước thoát ra (qua thoát hơi nước).

- Cân bằng nước đạt được khi lượng nước hấp thụ ≥ lượng nước thoát ra.

- Khi mất cân bằng nước (bị hạn, mặn, ngập úng,...) → cây sẽ bị héo.

- Thực vật có thể biến đổi đặc điểm hình thái, giải phẫu; thay đổi các quá trình sinh lí - sinh hóa hoặc biến đổi ở cấp độ phân tử (protein chống chịu) → hạn chế thoát hơi nước, tăng cường khả năng hấp thụ nước và khoáng,... → thiết lập trạng thái cân bằng nước mới → giúp thực vật chống chịu tốt hơn.

2. Phân bón và năng suất cây trồng

Bón phân hợp lí và tuân thủ đúng các nguyên tắc (đúng loại, đúng liều lượng, đúng thời điểm, đúng phương pháp) sẽ giúp tăng năng suất cây trồng. Nếu lượng bón quá ít hoặc quá nhiều sẽ gây ảnh hưởng xấu đến cây và môi trường.

- Trong giới hạn nhất định, lượng phân bón cung cấp các chất khoáng quan trọng nhất → tỉ lệ thuận với năng suất cây trồng.

+ Lượng bón quá ít → cây còi cọc và chậm lớn → giảm năng suất cây trồng.

+ Lượng bón quá nhiều → gây độc cho cây, làm chết các sinh vật có lợi trong đất, ô nhiễm đất và nước ngầm, ảnh hưởng xấu đến sức khỏe của người, vật nuôi khi ăn phải.

Mối quan hệ giữa phân bón và năng suất cây trồng

→ Để đáp ứng được nhu cầu dinh dưỡng và phù hợp với từng giai đoạn sinh trưởng phát triển của cây, khi bón phân cần tuân thủ 4 nguyên tắc: Đúng loại, đúng liều lượng, đúng thời điểm, đúng phương pháp.

Ví dụ: Lượng phân bón và phương pháp bón khuyến cáo cho cây mía trồng thâm canh trên đất cát pha: