Quang hợp ở thực vật SVIP

I. Khái quát quang hợp ở thực vật

1. Khái niệm

Quang hợp ở thực vật là quá trình lục lạp hấp thụ và sử dụng năng lượng ánh sáng tổng hợp chất hữu cơ (C₆H₁₂O₆) từ CO₂ và nước đồng thời giải phóng O₂.

Phương trình tổng quát:

6CO₂ + 12H₂O \(\xrightarrow[Lụclạp]{Ánhsáng}\) C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 6H₂O

2. Vai trò của quang hợp ở thực vật

Đối với thực vật: Khoảng 50 % chất hữu cơ được tạo ra từ quang hợp được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các hoạt động sống thông qua quá trình hô hấp tế bào trong các ti thể của tế bào thực vật; phần còn lại được dùng làm nguyên liệu tổng hợp các hợp chất hữu cơ cấu tạo nên tế bào thực vật, đồng thời là nguồn carbon và năng lượng dự trữ (chủ yếu là tinh bột) cho tế bào và cơ thể thực vật.

Đối với sinh vật: Quang hợp cung cấp nguồn O₂ và chất hữu cơ cho nhiều loài sinh vật khác. Sản phẩm hữu cơ được tạo ra từ quang hợp cung cấp nguồn vật chất và năng lượng có thể sử dụng cho các loài sinh vật (kể cả con người). Bên cạnh đó, sản phẩm của quá trình quang hợp còn cung cấp nguồn nguyên liệu cho công nghiệp, xây dựng, sản xuất dược liệu.

Đối với sinh quyển: Quang hợp đảm bảo hàm lượng khí O₂ và CO₂ trong khí quyển được duy trì ở mức ổn định (21 % O₂ và 0,03 % CO₂), góp phần ngăn chặn hiệu ứng nhà kính; quang hợp tạo ra khoảng 150 tỉ tấn carbohydrate mỗi năm, đây là nguồn năng lượng dồi dào để duy trì các hoạt động sống của sinh giới.

II. Hệ sắc tố quang hợp

Hệ sắc tố quang hợp ở thực vật nằm trên màng thylakoid, gồm có chlorophyll (diệp lục) và carotenoid.

• Chlorophyll (diệp lục):
  • Chlorophyll a: Trực tiếp tham gia vào quá trình biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng hoá học được tích trữ trong ATP và NADPH.
  • Chlorophyll b.
• Carotenoid là nhóm sắc tố phụ gồm có carotene và xanthophyll.

Hệ sắc tố quang hợp chỉ hấp thụ ánh sáng trong phổ ánh sáng nhìn thấy, cụ thể:

• Carotenoid hấp thụ ánh sáng chủ yếu ở vùng xanh tím, sau đó, truyền năng lượng ánh sáng đã hấp thụ được cho chlorophyll.
• Chlorophyll hấp thụ ánh sáng chủ yếu ở vùng xanh tím và đỏ, chuyển năng lượng ánh sáng hấp thụ được cho các phản ứng quang hoá để hình thành ATP và NADPH.

Các sắc tố quang hợp hấp thụ và truyền năng lượng ánh sáng theo sơ đồ: Carotenoid → Chlorophyll b → Chlorophyll a → Chlorophyll a ở trung tâm phản ứng.

III. Các giai đoạn của quá trình quang hợp

Quá trình quang hợp ở thực vật diễn ra gồm hai pha: Pha sáng và pha tối.

1. Pha sáng

Pha sáng của quang hợp là pha chuyển hoá năng lượng ánh sáng được chlorophyll hấp thụ thành năng lượng hoá học trong ATP và NADPH. Diễn biến trong pha sáng giống nhau ở các nhóm thực vật (C₃, C₄ và CAM).

Trong pha sáng, các phân tử sắc tố quang hợp hấp thụ năng lượng ánh sáng và truyền năng lượng đã hấp thụ cho chlorophyll a ở trung tâm phản ứng. Các phân tử chlorophyll a ở trung tâm phản ứng thu nhận năng lượng ánh sáng trở thành trạng thái kích động electron và truyền electron cho chuỗi truyền electron quang hợp nằm trên màng thylakoid. Sự mất electron của chlorophyll a ở trung tâm phản ứng đã kích hoạt quá trình quang phân li nước diễn ra tại xoang thylakoid theo sơ đồ phản ứng như sau:

2H₂O \(\xrightarrow[Chlorophyll]{Ánhsáng}\) 4H⁺ + 4e^- + O₂

Các electron được giải phóng từ quá trình quang phân li nước sẽ đến bù lại cho electron bị mất của chlorophyll a, còn các electron được kích hoạt bằng năng lượng ánh sáng giải phóng từ chlorophyll a và H⁺ (từ quang phân li nước) sẽ tham gia tổng hợp ATP và khử NADP⁺ thành NADPH trong chuỗi truyền electron quang hợp.

2. Pha tối (pha đồng hóa CO₂)

Pha tối là quá trình đồng hoá CO₂ diễn ra ở chất nền lục lạp, nhờ năng lượng từ ATP và NADPH được cung cấp từ pha sáng để hình thành các hợp chất hữu cơ.

Tuỳ theo từng nhóm thực vật mà pha tối được thực hiện theo những con đường khác nhau.

Con đường đồng hoá CO₂ ở thực vật C₃

Thực vật C₃ phân bố hầu hết các nơi trên Trái Đất như: Rêu, các loài cây gỗ lớn, lúa, khoai, sắn, đậu,...; thích nghi với điều kiện khí hậu ôn hoà: Cường độ ánh sáng, nhiệt độ, nồng độ O₂ và CO₂ bình thường. Nhóm thực vật C₃ đồng hoá CO₂ theo chu trình Calvin (chu trình C₃).

Phân tử G3P được tạo thành trong chu trình Calvin là chất khởi đầu để tổng hợp glucose, sau đó tổng hợp nên carbohydrate, protein, lipid.

Con đường đồng hoá CO₂ ở thực vật C₄

Thực vật C₄ bao gồm các loài thực vật sống ở vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới như mía, cỏ lồng vực, ngô, kê, cao lương,... Thực vật C₄ sống trong điều kiện nóng ẩm kéo dài: Cường độ ánh sáng mạnh, nhiệt độ cao, nồng độ CO₂ thấp và nồng độ O₂ cao. Trong điều kiện này, thực vật C₄ cố định CO₂ theo con đường C₄ nhằm tăng nồng độ CO₂ trong tế bào.

Con đường đồng hoá CO₂ ở thực vật CAM

Thực vật CAM gồm những loài mọng nước sống ở nơi có điều kiện khô hạn kéo dài như dứa, xương rồng, thuốc bỏng, thanh long,... Để tránh sự mất nước, các loài thực vật này đóng khí khổng vào ban ngày và mở khí khổng vào ban đêm để lấy CO₂. Do đó, con đường đồng hoá CO₂ ở thực vật CAM sẽ diễn ra theo cách riêng: Cố định CO₂ vào ban đêm, còn chu trình Calvin diễn ra vào ban ngày khi có ánh sáng. Đồng hoá CO₂ theo con đường C₄ và CAM có sự khác biệt nhau về thời gian, không gian diễn ra các lần cố định CO₂ và nguyên liệu được dùng để tái tạo PEP.

IV. Các nhân tố ảnh hưởng đến quang hợp ở thực vật

1. Ánh sáng

Mỗi loài thực vật thích nghi với cường độ ánh sáng khác nhau. Thực vật ưa sáng có điểm bù ánh sáng khoảng 10 - 20 μmol/m²/s, thực vật ưa bóng khoảng 1 - 5 μmol/m²/s.

Hầu hết các loài thực vật có điểm bão hòa ánh sáng nằm trong khoảng 500 - 1000 μmol/m²/s, trong đó thực vật ưa sáng có điểm bão hòa ánh sáng cao hơn thực vật ưa bóng.

• Điểm bù ánh sáng: Cường độ ánh sáng mà tại đó cường độ quang hợp và cường độ hô hấp bằng nhau.
• Điểm bão hoà ánh sáng: Cường độ ánh sáng mà tại đó cường độ quang hợp đạt cực đại.

Thành phần quang phổ ánh sáng cũng ảnh hưởng đến quá trình quang hợp. Quang hợp xảy ra tại vùng ánh sáng xanh tím và ánh sáng đỏ. Các tia sáng xanh tím kích thích quá trình tổng hợp amino acid, protein; còn các tia sáng đỏ kích thích quá trình tổng hợp carbohydrate. Nếu cùng một cường độ chiếu sáng thì ánh sáng đỏ cho hiệu quả quang hợp cao hơn ánh sáng xanh tím.

2. Nồng độ CO₂

Nồng độ CO₂ thích hợp cho cây quang hợp là 0,03 %, nồng độ tối thiểu mà cây có thể quang hợp được là 0,008 - 0,01 %; nếu dưới ngưỡng này, quang hợp rất yếu hoặc không xảy ra. Khi nồng độ CO₂ tăng quá cao (khoảng 0,2 %) có thể làm cây chết vì ngộ độc CO₂. Thực vật C₄ có điểm bù CO₂ thấp hơn thực vật C₃.

• Điểm bù CO₂: Nồng độ CO₂ mà tại đó cường độ quang hợp và cường độ hô hấp bằng nhau.
• Điểm bão hòa CO₂: Nồng độ CO₂ mà tại đó cường độ quang hợp đạt cực đại. Nếu vượt qua trị số bão hòa, cường độ quang hợp cũng không tăng thêm.

3. Nhiệt độ

Nhiệt độ ảnh hưởng đến quá trình quang hợp thông qua sự ảnh hưởng đến hoạt tính của enzyme xúc tác các phản ứng trong pha sáng và pha tối. Tuỳ theo loài và môi trường sống mà nhiệt độ tối ưu cho quang hợp là khác nhau. Trong điều kiện môi trường thuận lợi, khi nhiệt độ tăng thì cường độ quang hợp ở thực vật C₃ tăng dần và đạt mức cực đại ở nhiệt độ tối ưu (khoảng 25 - 30 °C); nếu nhiệt độ tiếp tục tăng, cường độ quang hợp giảm. Các loài thực vật C₄ sống ở sa mạc có cường độ quang hợp đạt cực đại ở nhiệt độ cao hơn 40 °C.

V. Quang hợp và năng suất cây trồng

1. Quang hợp quyết định năng suất cây trồng

Khi phân tích thành phần hoá học trong sản phẩm thu hoạch của cây trồng, người ta thấy rằng tổng tỉ lệ của các nguyên tố C, H, O chiếm khoảng 90 - 95 % khối lượng chất khô; các nguyên tố khoáng còn lại chiếm khoảng 5 - 10 %. Điều này chứng tỏ quang hợp quyết định 90 - 95 % năng suất cây trồng.

Ví dụ: Cùng chế độ tưới nước và bón phân, nếu trồng khoai tây ở nhiệt độ cao thì cây có năng suất thấp do quang hợp bị ức chế dẫn đến giảm lượng sản phẩm hữu cơ, cây không hình thành củ hoặc củ rất ít và nhỏ; nhưng nếu trồng ở nhiệt độ thấp (18 - 23 °C) sẽ cho năng suất củ rất cao.

2. Các biện pháp điều khiển quang hợp nhằm tăng năng suất cây trồng

Năng suất cây trồng phụ thuộc vào quá trình quang hợp, do đó, để cây trồng đạt năng suất tối đa, người ta có thể điều tiết các yếu tố ảnh hưởng đến quang hợp, từ đó nâng cao hiệu quả của quá trình quang hợp. Một số biện pháp kĩ thuật và công nghệ nhằm nâng cao năng suất cây trồng như:

• Tăng diện tích bề mặt lá bằng các kĩ thuật chăm sóc phù hợp, bón phân và tưới nước hợp lí tùy từng loại cây trồng, điều kiện thời tiết, mùa vụ.
• Tăng cường độ và hiệu suất quang hợp bằng cách thực hiện các biện pháp kĩ thuật (tưới nước, bón phân, dùng đèn LED để chiếu sáng, điều chỉnh nồng độ CO₂ trong nhà kính, xây dựng hệ thống dẫn khí để bón CO₂,...); tạo điều kiện thuận lợi và tăng thời gian cho quá trình quang hợp; tuyển chọn và tạo các giống cây trồng có cường độ quang hợp cao.

• Nâng cao hiệu quả quang hợp thông qua tuyển chọn các giống cây trồng có sự tích luỹ tối đa sản phẩm quang hợp vào các cơ quan có giá trị kinh tế; sử dụng phân bón (phân potassium) nhằm tăng sự vận chuyển sản phẩm quang hợp vào hạt, củ, quả; gieo trồng đúng thời vụ nhằm đảm bảo các điều kiện thuận lợi về khí hậu, thời tiết.
• Áp dụng công nghệ cao trong trồng trọt: Xây dựng hệ thống nhà lưới; sử dụng các thiết bị hiện đại, hệ thống tưới tự động; sử dụng nước thải trong chăn nuôi đã qua xử lí để tưới cho cây;...

1. Quang hợp ở thực vật là quá trình lục lạp hấp thụ và sử dụng năng lượng ánh sáng tổng hợp chất hữu cơ từ CO₂ và nước, đồng thời giải phóng O₂.

2. Vai trò của quang hợp: Cung cấp chất hữu cơ và năng lượng cho thực vật và nhiều sinh vật khác trên Trái Đất; cung cấp O₂ và hấp thụ CO₂ góp phần điều hoà thành phần khí trong sinh quyển; cung cấp nguồn nguyên liệu cho các ngành công nghiệp, xây dựng, sản xuất dược liệu.

3. Hệ sắc tổ quang hợp nằm trên màng thylakoid gồm chlorophyll và carotenoid. Các sắc tố quang hợp hấp thụ và truyền năng lượng ánh sáng cho chlorophyll a ở trung tâm phản ứng.

4. Trong pha sáng, hệ sắc tố quang hợp thu nhận và chuyển hoá quang năng thành hoá năng dưới dạng ATP và NADPH. Các sản phẩm này có vai trò cung cấp năng lượng cho quá trình đồng hóa CO₂. Tuỳ từng nhóm thực vật mà quá trình đồng hóa CO₂ có thể diễn ra theo con đường C₃, C₄ hoặc CAM. Sản phẩm hữu cơ của quang hợp được dùng để chuyển hoá thành các chất cần thiết cho cơ thể như carbohydrate, protein, lipid.

5. Quang hợp ở thực vật chịu ảnh hưởng của các yếu tố môi trường như ánh sáng, nồng độ CO₂, nhiệt độ, hàm lượng nước và các nguyên tố khoáng.

6. Quang hợp quyết định 90 - 95 % năng suất cây trồng. Một số biện pháp kĩ thuật và công nghệ tăng năng suất cây trồng thông qua điều khiển quang hợp: Tăng diện tích lá, tăng cường độ và hiệu suất quang hợp, nâng cao hiệu quả quang hợp, áp dụng các công nghệ cao trong trồng trọt.