Quang hợp ở thực vật

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 nước thành hợp chất hữu cơ C₆H₁₂O₆ đồng thời giải phóng O₂.

Phương trình tổng quát của quá trình quang hợp:

2. Vai trò của quang hợp

• Quang hợp cung cấp nguồn chất hữu cơ vô cùng đa dạng và phong phú, đáp ứng nhu cầu dinh dưỡng của hầu hết các sinh vật trên Trái Đất.
• Quang hợp cung cấp nguồn chất hữu cơ là nguyên liệu, nhiên liệu cho các ngành công nghiệp, xây dựng, y dược. Nguồn năng lượng từ các sản phẩm quang hợp như than đá, củi đun, hơi đốt, dầu hỏa,... chiếm 90% tổng năng lượng con người sử dụng.
• Quang hợp cung cấp nguồn năng lượng lớn duy trì hoạt động của sinh giới.
• Khí O₂ được tạo ra trong quang hợp có ý nghĩa quan trọng đối với 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 đã tạo nên màu xanh của lá và các bộ phận có màu xanh ở cây.
• Carotenoid là nhóm sắc tố tạo nên màu vàng, đỏ, cam của lá, hoa, củ, quả ở nhiều loài cây như gấc, xoài, cà rốt,... Carotenoid gồm hai loại:
  • Xanthophyll (loại có oxygen).
  • Carotene (loại không có oxygen).

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 hóa năng.

Phân tử sắc tố hấp thụ photon ánh sáng và chuyển thành trạng thái có electron bị kích động. Năng lượng đã hấp thụ được truyền cộng hưởng đến phân tử sắc tố khác rồi đến phân tử diệp lục a ở trung tâm phản ứng. Tại đây, phân tử diệp lục a làm nhiệm vụ biến đổi quang năng thành hóa năng chứa trong ATP và NADPH.

II. Quá trình quang hợp ở thực vật

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

1. Pha sáng

• Pha sáng diễn ra trên màng thylakoid với sự tham gia của ánh sáng và các phân tử sắc tố.
• Pha sáng ở các nhóm thực vật C₃, C₄ và CAM có diễn biến giống nhau.
• Diễn biến:
  • Diệp lục hấp thụ ánh sáng và chuyển thành trạng thái kích động electron làm cho một số electron của diệp lục bật ra khỏi quỹ đạo. Dưới tác dụng của ánh sáng nước phân li, giải phóng O₂, electron và H⁺.
  • 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.
• Sản phẩm của pha sáng: O₂, ATP và NADPH.

2. Pha tối

• Pha tối diễn ra trong chất nền của lục lạp, sử dụng các sản phẩm của pha sáng cùng với sự tham gia của các enzyme để đồng hóa carbon thành các phân tử hữu cơ.
• Pha tối ở các nhóm thực vật C₃, C₄ và CAM 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)

Năm 1951, hai nhà bác học Calvin và Benson cùng cộng sự phát hiện ra con đường cố định CO₂ ở nhiều loài thực vật phân bố rộng rãi trên thế giới, chủ yếu ở vùng ôn đới.

Ribulose 1,5 biphosphate (RuBP) là chất nhận CO₂ đầu tiên để tạo thành 3 - Phosphoglyceric acid (3 - PGA). Đây là hợp chất 3 carbon đầu tiên được tạo thành nên chu trình này còn gọi là chu trình C₃.

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.

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

Năm 1965, hai nhà khoa học Úc là Hatch và Slack đã tìm thấy quá trình cố định CO₂ ở các thực vật sống ở vùng nhiệt đới và cận nhiệt.

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) nên con đường này còn được gọi là con đường C₄.

Hợp chất 4C đi qua cầu sinh chất đến tế bào bao bó mạch rồi phân giải thành pyruvate và CO₂. CO₂ sẽ tham gia vào chu trình Calvin để tạo carbohydrate.

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

Nhóm thực vật CAM gồm các loài thực vật sống ở sa mạc hoặc trong các điều kiện hạn chế về nước.

Để hạn chế sự thoát hơi nước, khí khổng của các thực vật này sẽ đóng vào ban ngày và mở vào ban đêm để CO₂ khuếch tán vào bên trong tế bào thịt lá

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

Sống trong điều kiện nóng, hạn thực vật C₄ và CAM đã hình thành đặc điểm thích nghi trong quang hợp đảm bảo cho chúng tổng hợp được chất hữu cơ trong điều kiện khí hậu không thuận lợi.

Pha tối ở cây C₄ và CAM có thêm chu trình sơ bộ cố định CO₂, đảm bảo nguồn cung cấp CO₂ cho quang hợp.

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

4. Vai trò của quang hợp

Glyceraldehyde 3 phosphate (G3P) là sản phẩm quang hợp ở các nhóm thực vật C₃, C₄ và 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.

III. Ảnh hưởng của các yếu tố ngoại cảnh đến quang hợp

1. Ánh sáng

a. Cường độ ánh sáng

Cường độ ánh sáng ảnh hưởng rõ rệt tới cường độ quang hợp của cây. 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 hòa 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 hòa 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.

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 400 - 700 nm.

2. Khí CO₂

Trong giới hạn nhất định, khi nồng độ CO₂ tăng thì cường độ quang hợp cũng tăng. Tuy nhiên, nếu nồng độ CO₂ tăng quá cao (khoảng 0,2%) có thể làm cây chết vì ngộ độc; còn nồng độ CO₂ quá 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 hòa CO₂ là 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 hòa CO₂ dao động khoảng 0,06 - 0,1%.

3. Nhiệt độ

Các cây nhiệt đới bắt đầu quang hợp ở nhiệt độ 5 - 7^oC. Còn các cây vùng lạnh và ôn đới có thể bắt đầu quang hợp là khoảng (-15)^oC - (-5)^oC.

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.

Nhiệt độ tối ưu thay đổi theo từng loài thực vật.

• Thực vật nhiệt đới thường có nhiệt độ tối ưu khoảng 25 - 30^oC.
• Thực vật ôn đới thường có nhiệt độ tối ưu khoảng 8 - 15^oC.

IV. Quang hợp và năng suất cây trồng

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

Khi phân tích thành phần hóa học của các sản phẩm nông nghiệp, người ta nhận thấy tổng số chất khô do quang hợp tạo ra chiếm 90 - 95% tổng số chất khô của thực vật.

Chính vì vậy, quang hợp là nhân tố chủ yếu quyết định 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

a. Biện pháp kĩ thuật nông học

• Bón phân hợp lí giúp thúc đẩy quá trình vận chuyển sản phẩm đồng hóa về cơ quan dự trữ, làm tăng năng suất.
• Cung cấp nước đầy đủ cho cây trồng đặc biệt là khi cây bắt đầu chuyển sang giai đoạn sinh sản sẽ quyết định đến sự vận chuyển vật chất trong cây về cơ quan dự trữ.
• 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.
• 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

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.

Trồng rau trong phòng hoặc trong nhà kính có sử dụng đèn LED là mô hình canh tác mới, có nhiều ưu điểm:

• Tốn ít không gian.
• Rút ngắn thời gian sinh trưởng của cây.
• Khắc phục được những điều kiện bất lợi của môi trường.
• Đem lại năng suất và giá trị kinh tế cao.

V. Thực hành

1. Quan sát được lục lạp trong tế bào thực vật

a. Cơ sở lí thuyết

Lục lạp là bào quan lớn của tế bào thực vật nên có thể quan sát trực tiếp dưới kính hiển vi.

b. Các bước tiến hành

Chuẩn bị

• Dụng cụ: kính hiển vi, lam kính, panh, thiết bị chụp ảnh.
• Hóa chất: nước.
• Mẫu vật: rong đuôi chó hoặc rong cúc.

Tiến hành

• Nhỏ một giọt nước lên lam kính và dàn mỏng.
• Dùng panh lấy lá rong cho lên lam kính chỗ giọt nước được dàn mỏng.
• Quan sát ở vật kính 10x sau đó chuyển sang vật kính 40x để quan sát lục lạp trong tế bào lá rong cúc.
• Vẽ hình ảnh quan sát được vào vở hoặc chụp ảnh kết quả quan sát.

Báo cáo

• Học sinh trình bày và giải thích các kết quả thu được.

2. Nhận biết, tách chiết các sắc tố trong lá cây

a. Cơ sở lí thuyết

Sắc tố quang hợp hòa tan trong dung môi hữu cơ, do đó có thể dùng dung môi hữu cơ để tách sắc tố quang hợp.

b. Các bước tiến hành

Chuẩn bị

• Dụng cụ: ống đong 20 mL, cốc đong 100 mL, cân, kéo, chày, cối, phễu và giấy lọc kích thước 1,5 x 10 cm, thiết bị chụp ảnh.
• Hóa chất: nước cất, dung môi ethanol 90%.
• Mẫu vật: lá khoai lang, lá tía tô, lá rau dền,...

Tiến hành

• Cân 1,5 g mẫu vật.
• Dùng kéo cắt nhỏ mẫu vật.
• Cho mẫu lá cắt nhỏ vào cối và nghiền nát bằng chày.
• Bổ sung 15 mL dung môi ethanol 90% vào mẫu thí nghiệm và 15 mL nước cất vào mẫu đối chứng.
• Lọc qua phễu và thu dịch lọc bằng cốc đong.
• Cho miếng giấy lọc vào cốc đong đựng dịch chiết mẫu thí nghiệm và mẫu đối chứng. Để khoảng 15 phút, sau đó lấy miếng giấy ra và hong khô.

• Quan sát dịch lọc, miếng giấy lọc sau khi kết thúc thí nghiệm, chụp ảnh dịch lọc và miếng giấy lọc thu được.

Báo cáo

• Học sinh trình bày các kết quả thu được trên từng loại lá và cho nhận xét về màu sắc của các dịch lọc và miếng giấy lọc thu được ở các mẫu thí nghiệm và mẫu đối chứng.

3. Thí nghiệm tìm hiểu sự hình thành tinh bột trong quá trình quang hợp

a. Cơ sở lí thuyết

Quá trình quang hợp hình thành carbohydrate và thường được tích lũy dưới dạng tinh bột. Hàm lượng tinh bột có thể nhận biết thông qua phản ứng màu với dung dịch 0,5% iodine.

b. Các bước tiến hành

Chuẩn bị

• Dụng cụ: cốc đong loại 250 mL và loại 500 mL, giấy màu và kẹp, đèn cồn, lưới chịu nhiệt, thiết bị chụp ảnh.
• Hóa chất: dung dịch iodine 0,5%, ethanol 90%, nước cất.
• Mẫu vật: cây khoai lang trồng trong chậu.

Tiến hành

• Để chậu trồng cây khoai lang trong tối 2 ngày.
• Dùng giấy màu và kẹp bọc kín một phần phiến lá khoai.
• Để chậu cây ngoài ánh sáng khoảng 4 - 6 giờ.
• Tháo bỏ giấy màu ở lá khoai lang.
• Cho lá cây vào cốc đong loại 250 mL có chứa dung môi ethanol 90%.
• Cho cốc đong 250 mL chứa dung dịch ethanol và lá cây vào cốc đong 500 mL chứa 200 mL nước, đặt lên giá có lưới chịu nhiệt, đun cách thủy trên ngọn lửa đèn cồn và để sôi trong 5 phút.
• Lấy lá cây ra khỏi cốc và rửa lá cây trong dung dịch nước ấm.
• Cho lá cây vào cốc đong có chứa dung dịch iodine 0,5%.
• Quan sát màu sắc của phiến lá, chụp ảnh kết quả thu được.

Báo cáo

• Học sinh trình bày các kết quả thu được, nhận xét màu sắc của phiến lá bọc giấy màu và không bọc giấy màu.

4. Thí nghiệm tìm hiểu sự thải oxygen trong quá trình quang hợp

a. Cơ sở lí thuyết

Quá trình quang hợp giải phóng oxygen. Ở những loài thực vật thủy sinh, khi được chiếu sáng, oxygen giải phóng từ quá trình quang hợp sẽ tạo thành bọt khí thoát ra khỏi dung dịch.

b. Các bước tiến hành

Chuẩn bị

• Dụng cụ: hai ống nghiệm có nút bằng cao su, giá để ống nghiệm, hai cốc đong 250 mL chứa 120mL nước cất, một hộp tăm tre, bật lửa, thiết bị chụp ảnh.
• Mẫu vật: rong cúc hoặc rong đuôi chó.

Tiến hành

• Cho hai cành rong có kích thước tương tự nhau vào hai ống nghiệm khác nhau (chú ý cho phần lớn cành rong vào trong ống nghiệm và để dư khoảng 1 cm bên ngoài).

• Đổ ngập nước đến miệng ống nghiệm.
• Dùng ngón tay cái bịt chặt miệng ống nghiệm rồi úp ngược hai ống nghiệm đưa vào hai cốc đong, thả tay ra, tránh tạo bọt khí trong ống nghiệm.
• Để một cốc đong trong tối (cốc đối chứng), một cốc đong ngoài ánh sáng (cốc thí nghiệm).

• Sau 5 giờ, quan sát hiện tượng xảy ra trong hai ống nghiệm, chụp ảnh kết quả thí nghiệm.
• Lấy rong ra khỏi hai ống nghiệm, dùng nút cao su bịt chặt ống nghiệm rồi lấy ra khỏi cốc nước.

• Đốt que tăm, mở nút cao su và lập tức đưa que tăm đang cháy vào miệng ống nghiệm.

• Quan sát hiện tượng xảy ra đối với que tăm đang cháy ở hai ống nghiệm.

Báo cáo

• Học sinh trình bày và giải thích kết quả thu được.

1. Quang hợp là quá trình thực vật tổng hợp carbohydrate và giải phóng O₂ từ các chất vô cơ đơn giản dưới tác dụng của năng lượng ánh sáng và sự tham gia của hệ sắc tố quang hợp.

2. Quang hợp tạo ra chất hữu cơ cung cấp cho cây và các sinh vật dị dưỡng trên Trái Đất; cung cấp nguyên liệu cho các ngành công nghiệp, cung cấp nguồn năng lượng lớn duy trì hoạt động của sinh giới; đảm bảo sự cân bằng O₂, CO₂ giúp điều hòa khí quyển.

3. Trong pha sáng của quang hợp, hệ sắc tố quang hợp có vai trò nhận năng lượng ánh sáng và chuyển hóa năng lượng đó (quang năng) thành hóa năng dưới dạng ATP và NADPH. Các sản phẩm này được sử dụng làm nguồn năng lượng để cố định CO₂ trong pha tối của quang hợp. Sản phẩm quang hợp là nguyên liệu để tổng hợp các hợp chất hữu cơ cần thiết cho cơ thể.

4. Các yếu tố bên ngoài ảnh hưởng trực tiếp đến cường độ quang hợp. Hoạt động quang hợp quyết định 90 - 95% năng suất cây trồng. Do vậy, để nâng cao năng suất cây trồng, cần áp dụng các biện pháp kĩ thuật và công nghệ để tăng cường độ quang hợp.