Bài 4. Quang hợp ở thực vật

I. KHÁI QUÁT VỀ 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 của quang hợp ở thực vật như sau:

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; 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 cho tế bào và cơ thể thực vật.

- Đối với sinh vật: Cung cấp nguồn O₂ và chất hữu cơ cho nhiều loài sinh vật khác.  

- Đối với sinh quyển: Đảm bảo hàm lượng khí O₂ và CO₂ trong khí quyển được duy trì ở mức ổn định.

II. HỆ SẮC TỐ QUANG HỢP

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

- Có hai loại chlorophyll chủ yếu là chlorophyll a và chlorophyll b, trong đó, 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. 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 (pha đồng hoá CO₂).

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. 

- Trong pha sáng, các phân tử sắc tổ quang hợp hấp thụ năng lượng ánh sáng và truyền năng lượng đã hấp thụ cho chlorophyll a ở trung tâm phản ứng → thu nhận năng lượng ánh sáng trở thành trạng thái kích động electron và chuyền electron cho chuỗi chuyền 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:

- 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 chuyền electron quang hợp.

2. Pha tối (pha đồng hoá 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; 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, 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.

+ 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

- Ánh sáng là nhân tố cơ bản ảnh hưởng đến quá trình quang hợp ở thực vật.

- Mỗi loài thực vật thích nghi với cường độ ánh sáng khác nhau. Hầu hết các loài thực vật có điểm bão hoà ánh sáng nằm trong khoảng từ 500 – 1 000 umol/m/s, trong đó, thực vật ưa sáng có điểm bão hoà 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.

- Bên cạnh đó, 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

- CO₂ trong không khí là nguồn nguyên liệu của quá trình quang hợp.

- 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 hoà CO₂: Nồng độ CO₂ mà tại đó cường độ quang hợp đạt cực đại. Nếu vượt quá trị số bão hoà, 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^oC); 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^oC.

- Ngoài ba yếu tố trên, hàm lượng nước và các nguyên tố khoảng cũng có sự ảnh hưởng đến quá trình quang hợp ở thực vật.

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.

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 tuy 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; 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; gieo trồng đúng thời vụ.

+ Áp dụng công nghệ cao trong trồng trọt.