So sánh thực vật C3 và C4

SO SÁNH ĐẶC ĐIỂM QUANG HỢP
CỦA CÁC NHÓM THỰC VẬT C3, C4 VÀ CAM

Giáo viên giảng dạy: Nguyễn Thị Kim Thanh
Nhóm thực hiện: 1. Nguyễn Thị Nhài
2. Chu Thị Yến
3. Ngô Đình Văn
4. Hoàng Văn Tiến
5. Hoàng Hải Đăng
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC
SEMINAR
SINH LÝ THỰC VẬT NÂNG CAO



Khái niệm chung về quang hợp
1. Khái niệm
Quang hợp là quá trình tổng hợp các hợp chất hữu cơ từ các chất vô cơ đơn giản là CO2 và H2O dưới tác dụng của năng lượng ánh sáng mặt trời và sự tham gia của sắc tố diệp lục.
2. Phương trình quang hợp

CO2 + H2O [CH2O] + O2

( [CH2O] là 1 đơn vị của hydratcacbon)

Diệp lục
Ánh sáng



Quá trình quang hợp chia: pha sáng và pha tối thì phương trình quang hợp biểu diễn:

12H2O 12[H2] + 6O2 (Pha sáng)

6CO2 + 12[H2] C6H12O6 + 6H2O (Pha tối)

6CO2 + 6H2O C6H12O6 + 6O2

3. Ý nghĩa của quang hợp
Hoạt động quang hợp cung cấp một nguồn các chất hữu cơ vô cùng đa dạng và phong phú thoả mãn mọi nhu cầu về dinh dưỡng của mọi sinh vật trên trái đất.
Ánh sáng
Diệp lục
Ánh sáng
Diệp lục




Hoạt động quang hợp bảo đảm sự cân bằng tỷ lệ O2/CO2 trong khí quyển thuận lợi cho các hoạt động sống của mọi sinh vật.
Đối với con người thì quang hợp có vai trò vô cùng to lớn:
Cung cấp một nguồn năng lượng rất phong phú cho mọi nhu cầu của con người: than đá, dầu mỏ, củi, than bùn... cung cấp nguyên liệu vô cùng phong phú và đa dạng cho công nghiệp: công nghiệp gỗ, công nghiệp dệt, công nghiệp giấy, công nghiệp thuốc lá, công nghiệp đường...
Với sản xuất nông nghiệp thì hoạt động quang hợp quyết định 90-95% năng suất cây trồng.



Bản chất của quang hợp
Là một quá trình diễn ra vô cùng phức tạp.
Ánh sáng không trực tiếp ảnh hưởng đến toàn bộ các phản ứng diễn ra trong quá trình quang hợp.
Ánh sáng có vai trò quyết định ở giai đoạn đầu của quá trình.
Giai đoạn sau không trực tiếp chịu ảnh hưởng của ánh sáng mà chỉ gồm các phản ứng hoá học (hoá sinh) thuần tuý cần xúc tác của các enzym.
Vì vậy, quá trình quang hợp chia thành hai giai đoạn:
Giai đoạn cần ánh sáng trực tiếp bao gồm các phản ứng quang hoá gọi là pha sáng.
Giai đoạn tiếp theo không cần ánh sáng trực tiếp mà gồm các phản ứng hoá sinh có sự tham gia của hệ thống enzym gọi là pha tối.
Pha sáng và pha tối của quang hợp



1. Pha sáng
Địa điểm: xảy ra trong hệ thống màng thilacoit của lục lạp, nơi chứa diệp lục và carotenoit.
Nội dung: hấp thu năng lượng ánh sáng bởi diệp lục, vận chuyển năng lượng hấp thu vào trung tâm phản ứng và tại đấy, năng lưởng ánh sáng được biến đổi thành năng lượng hóa học của các liên kết cao năng của phân tử ATP và tạo nên hợp chất khử mạnh NADPH
Pha sáng gồm 3 giai đoạn:
Giai đoạn quang vật lý
Giai đoạn quang hoá học
Giai đoạn quang photphoryl hóa



2. Pha tối và sự đồng hóa CO2 trong quang hợp
Địa điểm: phần cơ chất trong lục lạp
Nội dung: khử CO2 nhờ ATP và hợp chất khử NADPH thành gluxit và các chất hữu cơ khác.
Pha tối diễn ra với hai nội dung cơ bản: Cố định CO2 và khử CO2.
Tuỳ thuộc vào con đường đồng hoá CO2 trong quang hợp khác nhau mà người ta chia thế giới thực vật thành 3 nhóm: C3, C4, CAM.
Nhóm thực vật C3: con đường quang hợp của chúng chỉ thực hiện duy nhất một chu trình quang hợp là C3 (chu trình Calvin). Hầu hết cây trồng thuộc nhóm này: lúa, đậu đỗ, khoai, sắn, cam chanh, nhãn vải....

Nhóm thực vật C3



Nhóm thực vật C4: con đường quang hợp của chúng là sự liên hợp giữa 2 chu trình quang hợp là chu trình C4 và chu trình C3. Một số cây trồng thuộc nhóm: mía, ngô, kê, cao lương...
Nhóm thực vật CAM: các thực vật mọng nước như các loại xương rồng, dứa, hành tỏi... Chúng thực hiện con đường quang hợp thích nghi với điều kiện khô hạn, bắt buộc phải đóng khí khổng vào ban ngày và chỉ mở khí khổng vào ban đêm.
Do vậy, quang hợp ở 3 nhóm thực vật này có điểm giống nhau ở pha sáng – khác nhau ở pha tối
Nhóm thực vật C4
Nhóm thực vật CAM



Cấu tạo giải phẫu lá
Tế bào biểu bì bảo vệ lá có nhiều khí khổng để CO2 xâm nhập từ ngoài lá và thoát hơi nước ra ngoài
Mô đồng hóa thực hiện quá trình quang hợp. Mô dậu chứa nhiều hạt lục lạp, mô khuyết chứa lục lạp nhưng ít hơn.
Nhiều mạnh dẫn để dẫn nước, muối khoáng và sản phẩm quang hợp
Ở Thực vật C3, quá trình quang hợp chỉ diễn ra ở tế bào mô giậu (cả pha sáng và tối)
Thực vật C4 quá trình quang hợp diễn ra ở hai loại tế bào và lục lạp có cấu trúc và chức năng khác nhau. Kiểu cấu trúc của lá thực vật C4 là cấu trúc Kranz.



Tế bào thịt lá chứa lục lạp của tế bào thịt lá. Lục lạp tế bào thịt lá có cấu trúc grana rất phát triển. Chức năng của chúng là thực hiện chu trình C4 tức là cố định CO2.
Tế bào bao quanh bó mạch nằm sát cạnh các bó mạch dẫn. Tế bào này chứa lục lạp của tế bào bao quanh bó mạch với cấu trúc grana rất kém phát triển. Các lục lạp này chứa rất nhiều hạt tinh bột. Chức năng của chúng là thực hiện chu trình C3 để khử CO2 tạo nên các sản phẩm quang hợp.




Chu trình C3
Chu trình C4
CAM
Sơ đồ vắn tắt con đường quang hợp của các nhóm thực vật C3, C4, CAM



Thời gian cố định CO2
Các thực vật C3 và C4 mở khí kkổng vào ban ngày và đóng vào ban đêm nên quá trình cố định CO2 xảy ra vào ban ngày
Nhóm thực vật CAM sống trong điều kiện khô hạn nên chúng không được phép mở khí khổng vào ban ngày để tránh sự bay hơi nước quá mạnh làm cây chết mà chỉ mở vào ban đêm. Vào ban đêm, khi nhiệt độ không khí giảm xuống thì khí khổng mở ra để thoát hơi nước và CO2 sẽ xâm nhập vào lá qua khí khổng mở (quá trình cố định CO2 diễn ra)



Quang hô hấp ( Hô hấp sáng)
Định nghĩa: Hô hấp sáng là quá trình phân giải chất hữu cơ và giải phóng CO2 nhưng không giải phóng năng lượng.
Điều kiện để xảy ra hô hấp sáng:
Có chiếu sáng. Khi có chiếu sáng thì các thực vật có hô hấp sáng mới xảy ra quá trình phân huỷ chất hữu cơ để giải phóng CO2.
Quá trình hô hấp sáng thường xảy ra mạnh mẽ khi gặp nhiệt độ cao, cường độ ánh sáng mạnh và nồng độ oxi cao.
Quá trình quang hô hấp xảy ra là do tính chất hoạt động 2 chiều của enzym RDP-cacboxilase:
Trong điều kiện bình thường: emzym này xúc tác cho phản ứng cacboxyl hoá RDP (C5) để hình thành nên 2 phân tử APG và chu trình C3 của quang hợp diễn ra bình thường trong cây
RDP-cacboxilase
RDP + CO2 2 APG




Khi có cường độ ánh sáng mạnh, nhiệt độ cao, nồng độ oxi cao thì emzym RDP-cacboxilase hoạt động như một emzym oxi hoá (RDP-oxidase). Phản ứng oxi hoá RDP sẽ tạo ra 1 phân tử APG và một hợp chất có 2 C là glycolat. Phân tử APG sẽ đi vào chu trình quang hợp C3 để tạo nên các sản phẩm quang hợp, còn glycolat thì bị oxi hoá tiếp tục để giải phóng CO2 ra không khí.
RDP-oxidase
RDP + O2 APG (C3) + Glycolat (C2)
Hô hấp sáng chỉ xảy ra ở các thực vật C3, còn nhóm thực vật C4 và thực vật CAM thì quang hô hấp không xảy ra hoặc rất yếu.



Thực vật C3, quá trình quang hợp chỉ diễn ra ở tế bào mô giậu (cả pha sáng và tối) chính vì thế khi nồng độ CO2 thấp, O2 được thải ra trong pha sáng cao làm ức chế vai trò cacboxylaza của enzim Rubisco, lúc này Rubisco sẽ sử dụng O2 để làm cơ chất cho hoạt tính oxigendaza, tiêu hao nhiều năng lượng và sản phẩm quang hợp. Chính vì thế năng suất cây trồng không cao.
Thực vật C4, quá trình quang hợp diễn ra ở 2 không gian hoàn toàn cách biệt nhau (pha sáng và quá trình cố định CO2 diễn ra ở tế bào mô dậu, quá trình khử CO2 và chu trình Calvin diễn ra ở tế bào bao bó mạch), đảm bảo nồng độ CO2 trong tế bào bao bó mạch luôn cao nên Rubisco đảm bảo được hoạt tính cacboxylaza của mình. Ở tế bào mô dậu, enzim PEP-cacboxylaza có ái lực với CO2 cao gấp 100 lần so với Rubisco nên quá trình cố định CO2 vào chất trung gian luôn diễn ra mặc dù ở nồng độ rất thấp.



Năng suất sinh vật học
Thực vật C3 xảy ra quang hô hấp tiêu hao nhiều năng lượng và sản phẩm quang hợp. quang hô hấp có thể làm giảm từ 30 đến 50% năng suất cây trồng.Chính vì thế năng suất cây trồng không cao.
Thực vật C4 đã có sự phân công trách nhiệm rõ ràng trong việc thực hiện chức năng quang hợp của. Ngoài ra, thực vật C4 có một số đặc tính nổi bật khác như điểm bù CO2 rất thấp vì khả năng cố định CO2 rất cao, không có quang hô hấp hoặc rất yếu nên giảm thiểu sự huỷ chất hữu cơ giải phóng CO2 ngoài sáng, năng suất cây trồng không bị giảm, cường độ quang hợp thường cao và năng suất sinh vật học cao.
Thực vật CAM do quang hợp trong điều kiện quá khó khăn nên cường độ quang hợp của các thực vật mọng nước thường thấp, năng suất sinh vật học cũng vào loại thấp và sinh trưởng chậm hơn các thực vật khác.



So sánh đặc điểm quang hợp của 3 nhóm thực vật C3, C4, CAM



XIN CHÂN THÀNH CẢM ƠN