Giáo án điện tử SLTV

Trao d?i nu?c ? th?c v?t
Giáo viên hướng dẫn: GS.TS Vũ Văn Vụ
Sinh viên:ĐÀo Thị Mai Lan
Lớp: CNKHTN K9 Sinh học
Nội dung
Giới thiệu chung
Company name
Vai trò của nước đối với thực vật
Dung môi hòa tan nhiều chất, là môi trường phản ứng trong tế bào
Trực tiếp tham gia 1 số phản ứng
Tạo sức căng cho tế bào, tạo áp suất trương nước cho tế bào => duy trì hình thái tế bào,Vai trò hidrat hóa => duy trì cấu trúc các hợp chất cao phân tử
Điều hòa thân nhiệt


Thế năng nước
Năng lượng tự do:
Tổng động năng và thế năng
Nước di chuyển rừ nơi có năng lượng tự do cao đến nơi có năng lượng tự do thấp
Thế năng nước:

∆ =  nơi tiêu thụ -  nơi cung cấp
Các thành phần của thế năng nước
Nước di chuyển từ nơi có thế năng cao đến nơi có thế năng thấp hơn
Ψ = Ψs + Ψp + Ψm + Ψ…
ΨS: thế năng thẩm thấu ( ψs = -RCTi ), mang dấu âm
ψp: thế năng áp suất, có giá trị dương.
ψm: thế năng cơ chất và có giá trị âm.
Ψ…: thế năng bất kì nào đó có thể ảnh hưởng đến Ψ

Các dạng nước trong đất
Trạng thái rắn: cây không dùng được
Trạng thái hơi:cây dùng được
Trạng thái lỏng:
Nước hấp dẫn: cây hấp thụ dễ dàng
Nước mao dẫn: rễ hút thường xuyên
Nước màng: cây chỉ sử dụng ít
Nước ngậm: cây không sử dụng được
Các loại đất khác nhau có khả năng giữ nước khác nhau.
Các dạng nước trong cây
Quan điểm khác nhau:
Macximop: Nước liên kết là nước không bị đông lại ở nhiệt độ thấp hơn -10oC và không thể dụng làm dung môi ngay cho những chất dễ bị hòa tan như đường
Alecxeiev:nước liên kết là nước tham gia vào sự thủy hóa và tham gia vào cấu trúc, phần nước còn lại là nước tự do
Cân bằng nước trong cây
Một cây ngô đã tiêu thụ 200 kg nước và một hecta ngô trong suốt thời kì sinh trưởng đã cần tới 8000 tấn nước. Để tổng hợp 1 gam chất khô, các cây khác nhau cần từ 200 g đến 600 g nước
Cây cao 15m
177.000 lá diện tích bề mặt 675 m2
Thoát 220l nước mỗi giờ
Cây có thể vận chuyển được 1 lượng nước là bao nhiêu?
Cây có thể vận chuyển nước lên độ cao bao nhiêu
Từ gân lá đến các tế bào thịt lá,gian bào , khí khổng, rồi ra ngoài không khí
Hệ mạch dẫn của thân:khoảng cách dài, đi qua tế bào chết
Từ bề mặt lông hút của rễ tới mạch dẫn: khoảng cách ngắn nước đi qua cả những tế bào sống và những tế bào không sống
Quá trình hấp thụ nước ở rễ
Company name
Đặc điểm
Khoảng cách di chuyển ngắn
Nước đi 1 chiều từ đất vào rễ
Nước đi qua cả tế bào sống và tế bào chết
Chia 3 giai đoạn:
nước từ đất vào tế bào lông hút
nước đi trong vỏ rễ
từ vỏ rễ vào xylem


Con đường đi của nước vào rễ
Nước đi vào trong rễ qua lông hút
Đặc điểm của lông hút thích nghi với quá trình hút nước
Các hình thức hút nước của rễ

Hút nước bị động:do các lực có nguồn gốc từ khí quyển, nhờ quá trình thoát hơi nước ở lá. Nước của lá luôn luôn bị mất đi nên gây ra tình trạng thiếu nước thường xuyên trong tế bào, nước liên tục hấp thụ từ đất vào rễ => động cơ trên của sự hút nước
Hút nước chủ động:động lực là ở rễ. Sự hấp thụ tích cực có thể dưới hai dạng :
Hấp thụ thông qua aquaporin.
Sự hấp thụ thẩm thấu nhờ áp suất rễ
=> động cơ dưới của quá trình hút nước
Hiện tượng rỉ nhựa, ứ giọt
Xuất hiện ở những cây nhỏ
Nguyên nhân:áp suất rễ
Điều kiện xảy ra: khi thế năng nước của đất cao và tỉ lệ thoát hơi nước ít

Sự di chuyển của nước trong đất và từ đất vào trong rễ
Ψ∏ = -2T/r
Nước di chuyển trong đất do: Sự chênh lệch gradient áp suất, sự khuếch tán của hơi nước
Nước đi từ rễ vào mạch dẫn
G:sltvch34c1.swf
So sánh 2 con đường
Tóm tắt 3 giai đoạn
G:sltvwater_movement_roots.swf
Cơ chế dòng nước 1 chiều:
Nước đi theo 1 chiều: Rễ - Thân - lá
Theo Usprung và Blem: Nước hút vào do sự chênh lệch của sức hút nước của rễ và môi trường bên ngoài và của các tế bào cạnh nhau trên đường đi.
Theo Brillant, nước hút vào do sự phân cực của tế bào : hai đầu tế bào có tính thấm khác nhau nên nước đi từ đầu này của tế bào đến đầu kia theo một chiều.
Theo quan điểm của một số nhà khoa học giai thích trên cơ sở của công thức S = P – T
Tế bào bão hoà nằm trên đường đi của nước có S = P- T = 0 còn các tế bào ống dẫn xylem là các tế bào chết nên S = P.
Quan điểm của Xabinhin: 2 nguyên nhân : do tính thấm khác nhau của từng phần chất nguyên sinh trong mỗi tế bào và do sự khác nhau trong quá trinh trao đổi chất của tế bào.
Ngày nay các nhà khoa học giải thích cơ chế dòng nước một chiều theo 2 cơ sở gradient thế năng nước và gradient nồng độ chất tan
Gradient nồng độ chất tan: nước đi tự nơi có nồng độ chất tan thấp đến nơi có nồng độ chất tan cao
Gradient thế năng nước: nước di chuyển từ nơi có thế năng cao (có gí trị âm nhỏ hơn) tới nơi có thế năng nước thấp
Các nhân tố ảnh hưởng
Sức giữ nước của đất: điểm héo vĩnh viễn
Các nhân tố ức chế hô hấp rễ:
Nhiệt độ thấp
Nhân tố ức chế hô hấp: cyanide
Điều kiện yếm khí
=> giải thích cây bị héo khi bị ngập úng
Chất khoáng ảnh hưởng một cách phức tạp đến khả năng hút nước thông qua tác động quá trình tổng hợp các chất ưa nước, đến sự kích thích hoạt tính các hệ enzyme, đến trao đổi năng lượng.
Điều kiện dinh dưỡng cũng ảnh hưởng đến tỉ lệ nước tự do và nước liên kết trong cây có thể do ảnh hưởng trực tiếp của các ion đến sự thủy hóa hóa học và do sự biến đổi tiến trình trao đổi chất ảnh hưởng đến tỉ lệ các chất thích nước ít hay nhiều trong tế bào.

Tóm tắt
Quá trình vận chuyển nước ở thân
Company name
Đặc điểm
Khoảng cách vận chuyển dài nhất
Vận chuyển qua các tế bào chết theo 1 chiều từ gốc tới ngọn
99.5% nước được vận chuyển trong xylem
Nước không chỉ vận chuyển theo 1 chiều duy nhất theo mạch gỗ từ rễ lên lá mà còn được vạn chuyển trong ploem từ trên xuống hoặc vận chuyển ngang
Cấu tạo của thân
Đặc điểm
Vận chuyển trong xylem yêu cầu sự chênh lệch thế năng áp suất nhỏ hơn trong rễ
gradient áp suất cần thiết cho việc di chuyển nước trong 1 xylem đường kính 40 micromet,với vận tốc 4mm/s là 0.02MPa/m.Qua tế bào sống là 2x108 MPa/m
Khi di chuyển nước lên cao 100m: 2MPa,trọng lực 1MPa => tổng 3MPa

Động lực
Sự vận chuyển nước trong xylem không nhờ lực bơm từ các tế bào sống
Thí nghiệm của thực vật học người Đức Eduard Strasburger năm 1893
Áp suất rễ không phải là động lực chính cho sự vận chuyển nước
Thường không vượt quá 0.1 – 0.2 MPa (1-2 atm), biến mất khi tỉ lệ thoát hơi nước cao
nếu áp suất rễ là động lực giúp nước di chuyểnthì thế năng áp suất dương luôn trong xylem.Trên thực tế nước trong xylem luôn luôn có 1 sức căng chúng cỏ thế năng áp suất âm
Như là Strasburger đã chứng minh: nước có thể được vạn chuyển trong xylem ngay cả khi rế bị loại bỏ.
Sức căng-lực cố kết-thoát hơi nước
G:sltv031.swf
Sức căng từ sự thoát hơi nước
Sự thoát hơi nước ở lá tạo thế năng nước âm trong xylem (thí nghiệm Per Scholander)
Cơ chế thoát sức căng-lực cố kết-thoát hơi nước không đòi hỏi phải tiêu tốn năng lượng .Trong mỗi bước từ đất vào cây rồi thoát ra ngoài không khí nước đều di chuyển thụ động về phía có thế năng âm hơn.
Không khí khô có thế năng âm nhất (-95 Mpa tại độ ẩm 50%) và dung dịch đất có thế năng âm ít nhất (từ -0.01 đến -3MPa) Dịch trong xylem có thế năng nước âm hơn các tế bào vỏ rễ nhưng lại kém âm hơn so với các tế bào thịt lá.
Thế năng nước giảm dần từ đất tới lá.Sự chênh lệch thế nước là động lực chính cho sự vận chuyển nước
Tuy nhiên việc vận chuyển nước trong xylem phải đối mặt với nhiều thử thách:
Thành tế bào yếu dễ bị tác động bởi sức căng lớn có thể gây vỡ mạch
Hình thành bọt khí gây tắc mạch
=> giải quyết?

Vận chuyển nước trong xylem
Các yếu tố ảnh hưởng tới sự vận
chuyển nước trong xylem
Tóm tắt
Con đường: xylem
Hình thức: thụ động
Động lực: sức căng-lực cố kết-sự thoát hơi nước
Cơ chế: chệch lệch thế năng nước

Quá trình thoát hơi nước ở lá
Company name
Đặc điểm
Cứ trong 1000g nước cây hấp thụ qua rễ thì khoảng 990g nước thoát ra ngoài không khí qua lá dưới dạng hơi, qua quá trình thoát hơi nước.
Macximôp – Nhà Sinh lí thực vật người Nga đã viết: “Thoát hơi nước là là tai hoạ tất yếu của cây”.


Con đường
Con đường thoát qua khí khổng :
- Vận tốc lớn
- Được điều chỉnh bằng việc đóng, mở khí khổng

Con đường qua bề mặt lá – qua cutin
- Vận tốc nhỏ
- Không được điều chỉnh



Cấu tạo lỗ khí
Cơ chế hoạt động của bộ máy lỗ khí
Cơ sở vật lý của thoát hơi nước

Quá trình bốc hơi nước diễn ra theo quy luật Dalton :
V = K(F-f) 760S/P
V : lượng nước bỗc hơi từ một đơn vị bề mặt.
K : hệ số khuyếch tán (thường là hằng số tìm ra trên cơ sở thực nghiệm).
F- f : độ thiếu hụt bão hoà hơi nước của không khí (sức hút nước của không khí) là giá trị quyết định tốc độ bốc hơi nước.
P : Áp suất khí quyển (mmHg).
S : Diện tích bề mặt lá.

Các chỉ tiêu của quá trình
thoát hơi nước
Cường độ thoát hơi nước. được tính bằng trọng lượng nước tiêu hao trên một đơn vị diện tích lá trong một đơn vị thời gian. Đơn vị tính: gam nước tiêu hao trên 1m2 lá trong một giờ hoặc mgH2O/dm2lá /h.
Hiệu suất thoát hơi nước:


Hệ số thoát hơi nước


Thoát hơi nước tương đối

Con đường
3 giai đoạn :
Giai đoạn 1: nước bốc hơi từ bề mặt tế bào nhu mô lá vào gian bào
Giai đoạn 2: hơi nước khuếch tán qua khe khí khổng
Giai đoạn 3: hơi nước khuếch tán từ bề mặt lá ra không khí xung quanh
Quá trình thoát hơi nước
G:sltv857b3fcf3d116507a7eab10d15c3349.swf
Điều hòa quá trình thoát hơi nước
Tất cả thực vật ở cạn phải đối mặt với sự cạnh tranh giữa việc lấy CO2 từ không khí trong khí phải đảm bảo mất một lượng nước giới hạn
thực vật không thể ngăn cản lại việc khuếch tán nước ra ngoài mà không có việc loại bỏ CO2 một cách tự nhiện
Khi nước có nhiều hơn mức đủ:mở vào ban ngày đóng vào ban đêm.
Vào ban đêm khi không có sự quang hợp và do đó cây không cần nhu cầu CO2 khí khổng mở ra và giữ ở mức nhỏ để giữ nước mất đi vừa phải.Vào những ngày nắng buổi sáng khi nguồn cung cấp nước đầy đủ lá ưu tiên quang hợp , nhu cầu CO2 trong tế bào lá lớn khí khổng mở rộng, giảm sức kháng khí khổng giúp sự khuếch tán CO2, chăc chắn là sự thoát hơi nước qua lỗ khí cũng tăng nhưng khi mà nước cung cấp 1 cách đầy đủ thì đó lại là điều thận lợi cho việc lấy nước cung cấp cho quang hợp. Điều này là rất cần thiết cho sự sinh trưởng và sinh sản.
khi nước trong đất ít hơn mức đủ, thì khí khổng sẽ mở ít hơn hoặc thậm chí là đóng trong buoi nắng sớm.Bằng việc giữ cho khí khổng đóng trong điều kiện khô hạn, thực vật tránh được sự mất nước.Các giá trị C lá, C không khí, rb không thực sự tuân theo đối với điều hòa sinh học
tỉ lệ thoát hơi nước: bằng tổng lượng nước thoát ra qua quá trình thoát hơi nước chia cho tổng lượng CO2 thu vào trong quá trình quang hợp.
Trong 1 cây điển hình, sản phẩm cố định C đầu tiên là hợp chất 3C thì có khoảng 500 phân tử nước mất đi cho mỗi phân tử CO2 được cố định bới quang hợp.
Cây C4 đảm bảo mất lượng nước ít nhất cho mỗi phân tử CO2 được cố định, tỉ lệ thoát hơi nước ở cây C4 là 250.Thực vật thích nghi ví khí hậu sa mạc CAM có tỉ lệ thoát hơi nước thấp nhất khoảng 50.
Cơ chế đóng mở lỗ khí
Giả thuyết starch-sugar:
Do dự biến đổi thuận nghịch giữa đường ↔ tinh bột. Ánh sáng là nguyên nhân của sự biến đổi đó


Giả thuyết này chưa thoả đáng:
Sự giảm của CO2 lượng nhỏ không đủ làm thay đổi độ pH một cách đáng kể.
Trong các tế bào đóng không có tinh bột và có lẽ không có cả enzym photphorinlaza.

Giả thuyết về thụ thể ánh sáng xanh
Ánh sáng xanh (blue light), được hấp thụ bởi các sắc tố trên màng của các tế bào bảo vệ, hoạt hoá quá trình bơm proton,bơm các ion H+ ra khỏi các tế bào bảo vệ ra các tế bào xung quanh.
Kết quả: sự tích luỹ của các ion K+ (bơm K+/H+) trong các tế bào bảo vệ.
Nồng độ của ion K+ trong tế bào tăng lên làm cho thế năng nước của tế bào bảo vệ âm hơn. Nước đi vào bởi quá trình thẩm thấu, khí khổng mở ra.

Cơ chế đóng mở do ABA

Nếu tế bào thịt lá thiếu nước,thế năng nước trong tế bào quá âm. Các tế bào thịt lá sẽ giải phóng ra một hooc môn thực vật là axit abscisic.
ABA liên kết với các thụ thể trên bề mặt của màng tế bào chất của tế bào bảo vệ.
Phức hệ ABA-R hoạt hoá một chuỗi emzym trong tế bào:
Bơm H + trên màng tế bào, làm tăng pH trong tế bào.
Bơm Ca2+ : làm tăng quá trình vận chuyển của Ca2+ từ không bào ra tế bào chất.
Nồng độ Ca2+ trong tế bào chất tăng lên sẽ khoá bơm ion K+, trong khi đó pH tăng làm giảm sự tích luỹ ion Cl- và các ion hữu cơ (như malat2-).
Các ion này giảm làm cho áp suất thẩm thấu trong tế bào giảm do đó tế bào bảo vệ bị mất nước và đóng lại.

Phản ứng đóng mở khí khổng
Mở quang chủ động: sáng sớm khi mặt trời mọc. Đưa cây từ tối ra sáng
Đóng thủy chủ động: buổi trưa khi nắng lớn
Đóng và mở thủy bị động : sau khi mưa,

Cơ chế ngoài khí khổng
Ví dụ:cây hướng dương khí khổng mở suốt ngày và chỉ đóng lúc gần chiều tối. Cây mục túc khí khổng đóng ngay lúc 11h trưa nhưng mức độ thoát hơi nước của hai cây là như nhau.
Sự điều chỉnh quá trình bay hơi nước trong các gian bào của lá.Thành tế bào bị mất nước đã giữ phần nước còn lại với lực lớn. Không phụ thuộc vào sự hoạt động của khí khổng
Ví dụ ở cây bông,ngày nắng thường thấy cây ngừng thoát hơi nước trong khi khí khổng vẫn mở.
Khi khí hậu khô nóng, có gió mạnh thường xảy ra sự bốc hơi nước rất nhanh từ bề mặt các tế bào nhu mô lá bao quanh khoang thở dưới lỗ khí làm cho các tế bào nhu mô lá bị khô và sự bốc hơi nước từ bề mặt các tế bào nhu mô này bị ngừng.
Các yếu tố ảnh hưởng
Các ion
ảnh hưởng của nhiệt độ
ảnh hưởng của gió
Ảnh hưởng của ánh sáng
Làm tăng nhiệt độ của lá nên tăng F-f do đó làm tăng tốc độ thoát hơi nước
Gây phản ứng mở quang chủ động
ảnh hưởng của hoocmon
Đóng khí khổng:
acid apscisic
Ethylene (cà chua,cẩm chướng ở nồng độ 60-70ppm)
Mở khí khổng:
Các Cytokinin
indoleacetic acid (IAA)
fusicoccin (FC),
Sự thích nghi của thực vật
Company name
Cây sống trong nước ngọt
Cây sống trong nước mặn
Tổng kết
Company name
Tổng kết
Thách thức đối với các thực vật ở cạn là đảm bảo sự cân bằng nước
Đảm bảo sự cân bằng nước trong cây:
Hệ rễ phát triển để hút nước từ đất nhanh nhất, nhiều nhất
Giảm sức kháng trên con đường vận chuyển nước trong xylem
Tầng cutin phủ trên bề mặt các tế bào biểu bì làm giảm sự bốc hơi nước
Có các tế bào bảo vệ để diều khiển sự đóng mở của khí khổng, điều hòa quá trình trao đổi
=> bằng các cơ chế trao đổi nước thực vật có thẻ hấp thu 1 lượng nước lớn và vận chuyển chúng lên 1 độ cao đáng kể

Thế năng nước giảm dần từ đất tới lá.Sự chênh lệch thế nước là động lực chính cho sự vận chuyển nước
3 quá trình
G:sltv36_A01.swf
Thank you!
Thank you!