Lý thuyết Sinh học 11 Bài 4: Quang hợp ở thực vật

1. Khái niệm về quang hợp

- Khái niệm: Quang hợp ở thực vật là quá trình lục lạp hấp thụ và sử dụng năng lượng ánh sáng để chuyển hoá CO₂ và nước thành hợp chất hữu cơ C₆H₁₂O, đồng thời giải phóng O₂.

- Phương trình tổng quát của quá trình quang hợp:

2. Vai trò của quang hợp

Quang hợp có vai trò quan trọng đối với sự sống trên Trái Đất:

- Cung cấp nguồn chất hữu cơđáp ứng nhu cầu dinh dưỡng của hầu hết các sinh vật trên Trái Đất.

- Cung cấp nguồn nguyên liệu, nhiên liệu cho các ngành công nghiệp, xây dựng, y dược,…

- Cung cấp nguồn năng lượng lớn duy trì hoạt động của sinh giới.

- Đảm bảo sự cân bằng O₂/CO₂ trong khí quyển.

3. Hệ sắc tố quang hợp

a. Các nhóm sắc tố

Hệ sắc tố quang hợp ở cây xanh gồm hai nhóm chính là diệp lục (chlorophyll) và carotenoid:

- Diệp lục:

+Là nhóm sắc tố có vai trò quan trọng nhất trong quang hợp, tạo nên màu xanh cho lá và các bộ phận khác của cây.

+ Có khoảng 10 loại diệp lục, trong đó loại sắc tố chủ đạo mà thiếu nó cây không thể quang hợp được là diệp lục a.

+ Diệp lục hấp thụ ánh sáng đỏ và xanh tím.

- Carotenoid:

+Là nhóm sắc tố phụ trong quang hợp, tạo nên màu vàng, đỏ, cam của lá, hoa, củ, quả ở nhiều loài cây như gấc, xoài, cà rốt,...

+ Gồm hai loại là xanthophyll (loại có oxygen) và carotene (loại không có oxygen), trong đó ß-carotene là tiền chất của vitamin A.

b. Vai trò của hệ sắc tố

Hệ sắc tố quang hợp phân bố trên màng thylakoid có vai trò quan trọng trong việc hấp thụ và biến đổi năng lượng ánh sáng thành dạng hoá năng:

(*): trạng thái kích động của electron

- Phân tử sắc tố hấp thụ photon ánh sáng và chuyển thành trạng thái có electron bị kích động.

- Các sắc tố khác có vai trò hấp thụ và truyền năng lượng ánh sáng cho diệp lục a ở trung tâm.

- Diệp lục a ở trung tâm trực tiếp đảm nhận nhiệm vụ biến đổi quang năng thành hóa năng chứa trong ATP và NADPH.

- Quá trình quang hợp ở thực vật diễn ra tại lục lạp theo hai pha: pha sáng và pha tối (pha đồng hoá CO₂).

1. Pha sáng

- Vị trí diễn ra: trên màng thylakoid của lục lạp.

- Bản chất: Pha sáng là pha chuyển hóa năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học trong ATP và NADPH.

- Nguyên liệu: H₂O, ADP, Pi, NADP⁺, năng lượng ánh sáng.

- Sản phẩm: ATP, NADPH, H⁺, O₂.

- Diễn biến:Pha sángcó diễn biến giống nhau ở tất cả các nhóm thực vật (C₃, C₄và CAM).

+ Diệp lục hấp thụ ánh sáng và chuyển thành trạng thái kích động electron làm cho một số electron (e) của diệp lục bật ra khỏi quỹ đạo. Dưới tác dụng của ánh sáng nước phân li, giải phóng O₂, electron và H⁺ theo sơ đồ sau:

+ 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 của pha sáng trong quang tổng hợp:

2. Pha tối

- Vị trí diễn ra: chất nền lục lạp, pha này không phụ thuộc vào ánh sáng nhưng lại phụ thuộc vào sản phẩm của pha sáng như ATP và NADPH.

- Bản chất: Pha tối là pha cố định CO₂ tạo thành các hợp chất hữu cơ (glucose,...)nhờ nguồn năng lượng ATP và NADPH do pha sáng cung cấp.

- Nguyên liệu: CO₂, ATP, NADPH.

- Sản phẩm: C₆H₁₂O₆, ADP, Pi, NADP⁺.

- Diễn biến: Tuỳ từng nhóm thực vật mà pha tối sẽ diễn ra theo các con đường khác nhau.

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

- Đại diện của thực vật C₃: Nhiều loài thực vật phân bố rộng rãi trên thế giới, chủ yếu ở vùng ôn đới và cận nhiệt đới như lúa, khoai, sắn, các loại rau, đậu,...

- Diễn biến: Ở thực vật C₃, pha tối diễn ra theo chu trình Calvin.

+ Ribulose 1,5 biphosphate (RuBP) là chất nhận CO₂ đầu tiên để tạo thành 3-Phosphoglyceric acid (3-PGA).

+ Với sự tham gia của ATP và NADPH (từ pha sáng), phân tử 3-PGA bị khử thành glyceraldehyde 3 phosphate (G3P).

+ Một phần G3P đi ra khỏi chu trình để tạo thành glucose và các hợp chất hữu cơ khác. Phần còn lại sẽ được sử dụng cho tái tạo RuBP.

- Phương trình tổng quát của chu trình Calvin:

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

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

- Đại diện của thực vật C₄: Các thực vật sống ở vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới như mía, rau dền, ngô, kê, cao lương, cô gấu,..

- Diễn biến: Pha tối diễn ra gồm 2 chu trình là chu trình sơ bộ cố định CO₂ diễn ra ở tế bào thịt lá và chu trình Calvin diễn ra ở tế bào bao quanh bó mạch.

+ Chu trình sơ bộ cố định CO₂: Chất nhận CO₂ đầu tiên trong tế bào mô giậu là hợp chất 3C (phosphoenol pyruvate – PEP) và sản phẩm đầu tiên được tạo thành là hợp chất 4C (oxaloacetic acid – OAA). OAA sau đó được chuyển hoá thành malate.

+ Chu trình Calvin: Malate đi qua cầu sinh chất đến tế bào bao bó mạch rồi phân giải thành pyruvate và CO₂. CO₂sẽ tham gia vào chu trình Calvin để tạo carbohydrate còn pyruvate quay trở lại tế bào mô giậu để tái sinh chất nhận ban đầu.

c. Con đường cố định CO₂ở thực vật CAM (con đường CAM)

- Đại diện của thực vật CAM: Nhóm thực vật CAM gồm các loài thực vật sống ở sa mạc hoặc trong các điều kiện hạn chế về nước như dứa, xương rồng, thuốc bỏng,...

- Diễn biến: Bản chất hoá học của quá trình cố định CO₂ ở thực vật CAM và thực vật C₄ là giống nhau và gồm hai chu trình. Tuy nhiên, ở thực vật C₄ cả hai chu trình đều diễn ra vào ban ngày trên hai loại tế bào khác nhau. Ngược lại, ở thực vật CAM, cả hai chu trình đều diễn ra trên cùng một tế bào nhưng ở hai thời điểm khác nhau: chu trình sơ bộ cố định CO₂ diễn ra vào ban đêm và chu trình Calvin diễn ra vào ban ngày.

3. Sự thích nghi của động vật C₄ và CAM trong môi trường bất lợi

- Thực vật C₄ và CAM thích nghi với điều kiện nóng, hạn bằng cách có thêm chu trình cố định CO₂trong pha tối để đảm bảo nguồn cung cấp CO₂ cho quang hợp.Dưới tác dụng của enzyme PEP–carboxylase có ái lực cao với CO₂, thực vật C₄ và CAM có thể cố định nhanh CO₂ ở nồng độ rất thấp.

- Thực vật C₄ tích luỹ CO₂ trong không gian rộng (nhu mô thịt lá) nên chúng dự trữ được nhiều CO₂vì thế đây là nhóm thực vật cho năng suất cao.

4. Vai trò của sản phẩm quang hợp

- Glyceraldehyde 3 phosphate (G3P) là sản phẩm quang hợp ở các nhóm thực vật C₃, C₄và CAM. Đây là hợp chất 3 carbon đóng vai trò quan trọng, là nguyên liệu tổng hợp nên các hợp chất hữu cơ cần thiết cho cơ thể thực vật và sinh giới.

- Các yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến quang hợp ở thực vật là ánh sáng, khí CO₂ và nhiệt độ. Ngoài ra, nước và chất khoáng cũng ảnh hưởng đến quang hợp.

1. Ánh sáng

- Ánh sáng là điều kiện cơ bản để cây tiến hành quang hợp. Ánh sáng ảnh hưởng đến hoạt động quang hợp của cây thông qua cường độ ánh sáng và thành phần ánh sáng.

a. Cường độ ánh sáng

- Hai chỉ tiêu quan trọng để đánh giá ảnh hưởng của cường độ ánh sáng đến quang hợp là điểm bù ánh sáng và điểm bão hoà ánh sáng.

+ Điểm bù ánh sáng (I_o) là cường độ ánh sáng mà tại đó cường độ quang hợp bằng cường độ hô hấp (I_qh = I_hh). Cây ưa bóng có điểm bù ánh sáng thấp hơn cây ưa sáng.

+ Điểm bão hoà ánh sáng (I_m) là cường độ ánh sáng mà ở đó cường độ quang hợp đạt cao nhất, dù có tăng cường độ ánh sáng thì cường độ quang hợp cũng không tăng.

- Mối quan hệ giữa cường độ ánh sáng và cường độ quang hợp: Hiệu quả của quang hợp tăng khi tăng cường độ ánh sáng và đạt giá trị cực đại ở điểm bão hòa ánh sáng; vượt qua điểm bão hòa ánh sáng, cường độ quang hợp không tăng mà có thể bị giảm.

b. Thành phần ánh sáng

- Các tia sáng có độ dài bước sóng khác nhau sẽ có ảnh hưởng khác nhau đến cường độ quang hợp. Quang hợp diễn ra chủ yếu ở miền ánh sáng đỏ và xanh tím, trong đó cường độ quang hợp mạnh nhất tại miền ánh sáng đỏ.

- Thành phần ánh sángcòn ảnh hưởng tới sự chuyển hoá sản phẩm quang hợp. Ví dụ: Ánh sáng xanh tím kích thích sự tổng hợp các amino acid, protein, trong khi ánh sáng đỏ lại thúc đẩy sự hình thành carbohydrate.

2. Khí CO₂

- CO₂ là nguyên liệu trong pha tối của quá trình quang hợp.

- Mối quan hệ giữa nồng độ CO₂ và cường độ quang hợp: Trong giới hạn nhấtđịnh, khi nồng độ CO₂ tăng thì cường độ quang hợp cũng tăng. Tuy nhiên, nồng độ CO₂tăng quá cao (khoảng 0,2%) có thể làm cây chết vì ngộ độc, còn nồng độ khí CO₂quá thấp, quang hợp sẽ không xảy ra.

- Điểm bù CO₂ là nồng độ CO₂ tối thiểu mà tại đó cường độ quang hợp bằng cường độ hô hấp.Điểm bù CO₂ của thực vật CAM và cây C₄ thấp hơn các cây C₃.

- Điểm bão hoà CO₂là điểm mà ở đó nếu nồng độ CO₂ tăng lên thì cường độ quang hợp cũng không tăng (quang hợp đạt cực đại). Cây trồng có điểm bão hoà CO₂ dao động khoảng 0,06-0,1%.

3. Nhiệt độ

- Nhiệt độ ảnh hưởng đến hoạt động của các enzyme xúc tác phản ứng trong quang hợp của thực vật; ảnh hưởng đến sự hấp thụ nước và sự đóng mở khí khổng.

- Sự phụ thuộc giữa nhiệt độ và quang hợp theo chiều hướng: nhiệt độ tăng thì cường độ quang hợp tăng nhanh và thường đạt cực đại ở nhiệt độ tối ưu, sau đó giảm dần.

- Các cây nhiệt đới bắt đầu quang hợp ở nhiệt độ khoảng 5 – 7 °C, trong khi đó, nhiệt độ cây vùng lạnh và ôn đới có thể bắt đầu quang hợp là khoảng (-15) –(-5) °C.Đa số thực vật nhiệt đới có nhiệt độ tối ưu khoảng 25 – 30 °C, các cây vùng ôn đới có cường độ quang hợp mạnh nhất ở nhiệt độ tối ưu khoảng 8 – 15 °C.

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

- Quang hợp là nhân tố chủ yếu quyết định 90 – 95% năng suất cây trồng, 5 –10% còn lại là do dinh dưỡng khoáng quyết định.

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

- Quang hợp quyết định phần lớn năng suất cây trồng, vì vậy, muốn nâng cao năng suất cây trồng cần tăng diện tích bộ lá, tăng cường độ và hiệu quả quang hợp thông qua một số biện pháp dưới đây:

a. Biện pháp kĩ thuật nông học

- Bón phân hợp lí giúp thúc đẩy quá trình vận chuyển sản phẩm đồng hoá về cơ quan dự trữ, làm tăng năng suất. Ví dụ: Bón phân kali đầy đủ cho các cây lấy củ (khoai tây, sắn, củ cải,..) sẽ làm củ to, hàm lượng tinh bột và đường tăng; bón phân lân cho các cây họ Đậu làm tăng tổng hợp chất béo và chuyển hoá nitrogen thành đạm; bón phân đạm để tăng diện tích lá;…

- Cung cấp nước đầy đủ cho cây trồng, đặc biệt là khi cây bắt đầu chuyển sang giai đoạn sinh sản.

- Gieo trồng đúng thời vụ tạo điều kiện thuận lợi về các yếu tố thời tiết,... giúp cây sinh trưởng, phát triển tốt, cho năng suất cao.Ví dụ: Khoai tây trồng vào vụ đông, nếu được tưới nước, bón phân hợp lí sẽ cho năng suất củ rất cao vì nhiệt độ thích hợp cho khoai tây hình thành củ là 18 – 23 °C.

- Ngoài các biện pháp kĩ thuật nêu trên, công tác chọn, tạo những giống cây trồng có diện tích lá lớn, cường độ quang hợp và năng suất cao, kết hợp với các biện pháp phòng trừ sâu, bệnh hại cũng có vai trò quan trọng trong việc nâng cao năng suất cây trồng.

b. Công nghệ nâng cao năng suất cây trồng

- Cơ sở khoa học: Sử dụng ánh sáng đèn LED thay thế ánh sáng mặt trời là công nghệ mới giúp con người có thể chủ động tạo được nguồn ánh sáng có cường độ và thành phần quang phổ phù hợp với quá trình quang hợp ở từng loại cây trồng.

- Đối tượng áp dụng: Công nghệ này đã được ứng dụng phổ biến ởnhiều loại cây trồng, nhất là rau xanh và các cây trồng được nhân giống bằng phương pháp nuôi cấy mô tế bào thực vật.

- Ưu điểm: Trồng rau trong phòng hoặc trong nhà kính có sử dụng đèn LEDcó nhiều ưu điểm như tốn ít không gian, rút ngắn thời gian sinh trưởng của cây, khắc phục được những điều kiện bất lợi của môi trường (mùa đông lạnh giá, ánh sáng yếu),... đem lại năng suất và giá trị kinh tế cao.

Hệ thống hoá các tiêu chí phân biệt giữa ba con đường cố định $CO_2$ ở thực vật: