Tác động của môi trường đến quang hợp
Tất cả các loài thực vật đều hấp thụ carbon dioxide trong khí quyển và chuyển hóa nó thành đường và tinh bột thông qua quá trình quang hợp nhưng chúng thực hiện theo những cách khác nhau. Phương pháp [hoặc con đường] quang hợp cụ thể được sử dụng bởi mỗi lớp thực vật là một biến thể của một tập hợp các phản ứng hóa học được gọi là Chu trình Calvin . Những phản ứng này ảnh hưởng đến số lượng và loại phân tử carbon mà cây tạo ra, nơi lưu trữ những phân tử đó, và quan trọng nhất là đối với nghiên cứu về biến đổi khí hậu, khả năng của cây trồng chịu được khí quyển carbon thấp, nhiệt độ cao hơn, giảm lượng nước và nitơ. .
Các quá trình quang hợp này — được các nhà thực vật học gọi là C3, C4 và CAM, — có liên quan trực tiếp đến các nghiên cứu về biến đổi khí hậu toàn cầu vì thực vật C3 và C4 phản ứng khác nhau với những thay đổi về nồng độ carbon dioxide trong khí quyển và những thay đổi về nhiệt độ và nguồn nước.
Con người hiện đang phụ thuộc vào các loài thực vật không phát triển mạnh trong điều kiện nóng hơn, khô hơn và thất thường hơn. Khi hành tinh tiếp tục ấm lên, các nhà nghiên cứu đã bắt đầu khám phá những cách mà thực vật có thể thích nghi với sự thay đổi của môi trường. Điều chỉnh quá trình quang hợp có thể là một cách để làm điều đó.
PHẦN I. KIẾN THỨC
- Quá trình quang hợp được chia thành 2 pha: pha sáng và pha tối. Quang hợp ở các nhóm thực vật C3, C4và CAM chỉ khác nhau ở pha tối.
I.THỰC VẬT C3
1. Khái quát về quang họp ở thực vật C3
| Đặc điểm so sánh | Pha sáng | Pha tối |
| Nơi thực hiện | - Trên màng tilacoit | - Chất nền Stroma |
| Nguyên liệu | - Nước, ADP, NADP+ | - CO2, ATP, NADPH |
| Sản phẩm | - ATP, NADPH, O2 | - ADP, NADP+, C6H12O6 và các chất hữu cơ trung gian khác |
2. Các pha của quang hợp ở thực vật C3
a.Pha sáng
-Khái niệm: Pha sáng là pha chuyển hóa năng lượng ánh sáng đã được diệp lục hấp thụ thành năng lượng của các liên kết hóa học trong ATP và NADPH.
-Pha sáng diễn ra ở tilacoit khi có chiếu sáng.
-Trong pha sáng, năng lượng ánh sáng được sử dụng để thực hiện quá trình quang phân li nước:
- PT:
- Sản phẩm:
- Oxi: O2 được giải phóng là oxi của nước.
- ATP: Năng lượng ATP được giải phóng đồng thời bù lại điện tử electron cho diệp lục a
- NADPH: Các proton H+ đến khử NADP+ thành NADPH
- ATP và NADPH của pha sáng được sử dụng trong pha tối để tổng hợp các hợp chất hữu cơ.
b.Pha tối
-Diễn ra trong chất nền [stroma] của lục lạp.
- Cần CO2 và sản phẩm của pha sáng là ATP và NADPH.
-Pha tối ở thực vật C3chỉ có chu trình Canvin:
-Thực vật C3phân bố mọi nơi trên trái đất [gồm các loài rêuđếncây gỗ trong rừng].
- Chu trình Canvin gồm 3 giai đoạn:
*Giai đoạn cố định CO2:
- Chất nhận CO2 đầu tiên và duy nhất là hợp chất 5C [Ribulozo- 1,5- điphotphat [RiDP]
- Sản phẩm đầu tiên ổn định của chu trình là hợp chất 3C [Axit photphoglyxeric APG]
- Enzim xúc tác cho phản ứng là RiDP- cacboxylaza
*Giai đoạn khử APG[axit phosphoglixeric] thành AlPG [aldehit phosphoglixeric]:
- APG [axit phosphoglixeric] → AlPG [aldehit phosphoglixeric],ATP, NADPH
- Một phần AlPG tách ra khỏi chu trình và kết hợp với 1 phân tử triozo khác để hình thành C6H12O6 từ đó hình thành tinh bột, axit amin…
*Giai đoạn tái sinh chất nhận ban đầu là Rib – 1,5 diP [ribulozo- 1,5 diphosphat]:
- Phần lớn AlPG qua nhiều phản ứng cần cung cấp ATP tái tạo nên RiDP để khép kín chu trình
- Sản phẩm: Cacbohidrat.
II.THỰC VẬT C4
1. Các đối tượng thực vật C4
-Gồm 1 số loài sống ở vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới như: mía, ngô, cao lương …
-Thực vật C4sống trong điều kiện nóng ẩm kéo dài, nhiệt độ, ánh sáng cao=>tiến hành quang hợp theo chu trình C4.
2. Chu trình quang hợp ở thực vật C4
- Diễn ra tại 2 loại tế bào là tế bào mô giậu và tế bào bao bó mạch
- Tại tế bào mô giậu diễn ra giai đoạn cố dịnh CO2 đầu tiên
- Chất nhận CO2 đầu tiên là 1 hợp chất 3C [phosphoenl piruvic - PEP]
- Sản phẩm ổn định đầu tiên là hợp chất 4C [axit oxaloaxetic - AOA], sau đó AOA chuyển hóa thành 1 hợp chất 4C khác là axit malic [AM] trước khi chuyển vào tế bào bao bó mạch.
- Tại tế bào bao bó mạch diễn ra giai đoạn cố định CO2 lần 2
- AM bị phân hủy để giải phóng CO2 cung cấp cho chu trình Canvin và hình thành nên hợp chất 3C là axit piruvic
- Axit piruvic quay lại tế bào mô giậu để tái tạo lại chất nhận CO2 đầu tiên là PEP
- Chu trình C3 diễn ra như ở thực vật C3
- Thực vật C4 ưu việt hơn thực vật C3:
- Cường độ quang hợp cao hơn, điểm bù CO2 thấp hơn, điểm bảo hòa ánh sáng cao hơn, nhu cầu nước thấp →thực vật C4 có năng suất cao hơn thực vật C3
- Chu trình C4gồm 2 giai đoạn: giai đoạn đầu theo chu trình C4diễn ra ở lục lạp của tế bào nhu mô lá, giai đoạn 2 theo chu trình Canvin diễn ra trong lục lạp của tế bào bao bó mạch.
III.THỰC VẬT CAM
1. Các đối tượng thực vật CAM
-Gồm những loài mọng nước, sống ở vùng hoang mạc khô hạn như: xương rồng, dứa, thanh long …
2. Chu trình quang hợp ở thực vật CAM
-Để tránh mất nước, khí khổng các loài này đóng vào ban ngày và mở vào ban đêm=>cố định CO2theo con đường CAM.
- Vào ban đêm, nhiệt độ môi trường xuống thấp, tế bào khí khổng mở ra, CO2 khuếch tán qua lá vào
- Chất nhận CO2 đầu tiên là PEP và sản phẩm ổn định đầu tiên là AOA.
- AOA chuyển hóa thành AM vận chuyển vào các tế bào dự trữ.
- Ban ngày, khi tế bào khí khổng đóng lại:
- AM bị phân hủy giải phóng CO2 cung cấp cho chu trìnhCanvin và axit piruvic tái sinh chất nhận ban đầu PEP.
- Chu trình CAM gần giống với chu trình C4, điểm khác biệt là về thời gian: cả 2 giai đoạn của chu trình C4 đều diễn ra ban ngày; còn chu trình CAM thì giai đoạn đầu cố định CO2 được thực hiện vào ban đêm khi khí khổng mở và còn giai đoạn tái cố định CO2 theo chu trình Canvin thực hiện vào ban ngày khi khí khổng đóng.
1. Các nhóm thực vật C3, C4, CAM
– Nhóm C3: Thích hợp với điều kiện khí hậu bình thường như vùng ôn đới. Quá trình cố định CO2 xảy ra ở tế bào mô giậu.
– Nhóm C4: Thích hợp với điệu kiện môi trường nóng, ẩm. Quá trình cố định CO2 xảy ra ở cả tế bào mô giậu và tế bào bao bó mạch.
– Nhóm CAM: thích hợp với điều kiện môi trường khô, hạn vùng sa mạc. Quá trình cố định CO2 xảy ra vào ban đêm ở lục lạp tế bào mô giậu.
Khái niệm
Phần đầu của bài viết so sánh sự giống và khác nhau giữa thực vật C3, C4 và CAM, hãy cùng Đâytìm hiểu khái niệm của từng loại thực vật trên nhé!
Thực vật C3 là gì?
Thực vật C3 là nhóm thực vật cố định CO2 theo con đường C3 [chu trình canvin]. Đó là những thực vật mà sản phẩm ban đầu là 3-photphoglycerat với 3 nguyên tử cacbon.
Thực vật C3 còn được gọi là cây ôn đới. Những cây này khử thành khí cacbonic trực tiếp trong lục lạp.
Thực vật C3, có nguồn gốc từ đại Trung Sinh và đại Cổ Sinh, là xuất hiện trước thực vật C4. Hiện nay, thực vật C3 vẫn chiếm khoảng 95% sinh khối thực vật của Trái Đất. Chúng gồm các loài rêu đến các cây gỗ lớn phân bố rộng khắp mọi nơi.
Chúng có xu hướng phát triển tốt trong các khu vực với các điều kiện sau: cường độ ánh sáng mặt trời và nhiệt độ là vừa phải, hàm lượng dioxide cacbon là khoảng 200 ppm hoặc cao hơn, nước ngầm đầy đủ.
Thực vật C4 là gì?
Thực vật C4 là nhóm thực vật cố định dioxide cacbon thành các hợp chất đường 4 cacbon để đi vào chu trình C3 hoặc chu trình calvin. Thực vật C4 bao gồm một số loại sống ở vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới như mía, ngô, cao lương [miến lúa].
Thực vật C4 sống trong điều kiện nóng ẩm kéo dài, ánh sáng và nhiệt độ cao quanh năm. Vì vậy, các loài cây C4 có khả năng thích ứng nhiệt độ cao, cường độ quang hợp cao [cần nhiều ánh sáng], nhu cầu nước thấp [chịu hạn tốt].
Đặc điểm bên ngoài của dòng thực vật C4 là lá nhỏ và mảnh, chứa ít nước. Do vậy, C4 ít bị mất nước và héo úa khi gặp nhiệt độ cao như các loại C3 [ngay cả khi bị cắt đứt ra khỏi thân thì là vẫn xanh trong nhiều giờ thậm chí nhiều ngày].
Thực vật CAM là gì?
Thực vật CAM hay quang hợp CAM với CAM là từ viết tắt của Crassulacean acid metabolism [trao đổi chất axít Crassulacea]. Đây là nhóm thực vật cố định cacbon dioxide bằng con đường CAM hoặc chuyển hóa axit Crassulacean.
CAM là cơ chế thông thường tìm thấy trong các thực vật sinh sống trong các điều kiện khô hạn. Chúng bao gồm các loài tìm thấy trong sa mạc [xương rồng hay dứa].
Nó được đặt tên theo họ thực vật mà cơ chế này lần đầu tiên được phát hiện ra, là họ Cảnh thiên [Crassulaceae] bao gồm các loài thực vật mọng nước như cảnh thiên, thuốc bỏng,…
Thực vật CAM là gì?
Khái niệm thực vật CAM
Trong tự nhiên, có những loài thực vật sở hữu cơ chế thích nghi vô cùng đặc biệt để có thể phát triển tốt và ổn định trong điều kiện khí hậu khô cằn như sa mạc, núi đá, savan [thực vật ưa khô hay các thực vật chịu hạn]. Một trong những cơ chế này được gọi là cơ chế chuyển hóa axit “Crassulacean” và được viết tắt là CAM [Crassulacean acid metabolism] hay còn gọi được gọi ngắn gọn hơn là thực vật CAM.
Cơ chế hoạt động của loại thực vật này cũng rất đơn giản. Cụ thể, thực vật CAM sẽ đóng kín các khí khổng [tức lỗ thở] vào ban ngày để giữ gìn nước ở bên trong không cho thoát ra ngoài. Vào ban đêm thì các khí khổng này sẽ được mở ra khi có nguồn không khí lạnh và có nhiều độ ẩm hơn, cho phép chúng hấp thụ CO2 để sử dụng trong quá trình chuyển hóa cacbon thành các chất hữu cơ [thường diễn ra trong quá trình quang hợp của thực vật].
Chu trình quang hợp diễn ra ở thực vật CAM
– Để có thể giúp thực vật tránh bị mất nước, khí khổng của các loài này sẽ được đóng lại vào ban ngày và mở ra vào ban đêm để cố định được CO2 dựa theo con đường CAM.
– Vào ban đêm, nhiệt độ ở môi trường bên ngoài sẽ xuống thấp, lúc này các tế bào khí khổng được mở ra, nhờ đó CO2 sẽ khuếch tán qua lá vào môi trường.
- + Chất nhận CO2 đầu tiên sẽ là PEP và sản phẩm ổn định đầu tiên sản sinh là AOA
- + AOA sẽ được chuyển hóa thành AM để có thể vận chuyển vào các tế bào dự trữ
– Ban ngày, khi các tế bào khí khổng đóng lại sẽ xảy ra hiện tượng:
- + Các AM bị phân hủy và giải phóng CO2 cung cấp cho chu trình Canvin, axit piruvic được tái sinh chất nhận ban đầu là PEP
– Chu trình CAM sẽ gần giống với chu trình C4, điểm khác biệt duy nhất là về thời gian: Cả 2 giai đoạn chính của chu trình C4 đều diễn ra vào ban ngày, trong khi đó chu trình CAM phải phân chia thực hiện vào ban đêm và ban ngày.
Tổng quanSửa đổi
Các thực vật có cơ chế thích nghi để có thể phát triển tốt trong điều kiện khí hậu khô cằn được gọi là thực vật chịu hạn hay thực vật ưa khô. Một số thực vật chịu hạn có các lá nhỏ và dày với tỷ số diện tích bề mặt so với thể tích là nhỏ. Chúng cũng có thể có lớp cutin dày để bảo vệ chúng không bị khô héo. Các khí khổng có thể bị chìm xuống thành các hốc lõm. Một vài thực vật chịu hạn rụng lá vào mùa khô. Một số khác, như xương rồng, lan và dứa có thể lưu giữ nước trong các không bào. Một số thực vật chịu hạn thực hiện cơ chế quang hợp theo kiểu CAM.
Thực vật CAM đóng kín các khí khổng trong thời gian ban ngày nhằm giữ gìn nước bằng cách ngăn cản quá trình thoát-bốc hơi nước. Các khí khổng sẽ được mở ra vào thời gian ban đêm lạnh và ẩm hơn, cho phép chúng hấp thụ dioxide cacbon để sử dụng trong quá trình cố định cacbon. Quá trình này được bắt đầu khi hợp chất 3-cacbon là photphoenolpyruvat được cacboxylat hóa thành oxaloaxetat và nó sau đó bị khử để tạo ra malat. Thực vật CAM lưu trữ các trung gian 4-cacbon này cùng các hợp chất hữu cơ đơn giản khác trong các không bào của chúng. Muối malat dễ dàng bị phá vỡ thành pyruvat và CO2, sau đó pyruvat được photphorylat hóa để tái sinh photphoenolpyruvat [PEP]. Trong thời gian ban ngày, axít malic bị chuyển ra khỏi các không bào và bị phân tách ra để tạo thành CO2 sao cho nó có thể được enzym RuBisCO sử dụng trong chu trình Calvin-Benson trong chất nền đệm của lục lạp. Bằng cách này nó làm giảm tốc độ thoát-bốc hơi nước trong quá trình trao đổi khí, CAM cho phép các loài thực vật này có thể phát triển bình thường trong các điều kiện môi trường mà nếu khác đi thì là quá khô hạn đối với sự phát triển của chúng, hay ít nhất ra là làm cho chúng có thể chịu đựng được các điều kiện cực kỳ khô hạn.
Ở một vài phương diện, CAM tương tự như kiểu quang hợp C4, ngoại trừ một điều là thực vật CAM không chứa các tế bào bó màng bọc. Thực vật C4 bắt CO2 trong một kiểu mô tế bào [thịt lá] và sau đó di chuyển nó tới kiểu mô khác [các tế bào bó màng bao] sao cho quá trình cố định cacbon có thể diễn ra thông qua chu trình Calvin-Benson. Ngoài ra, trao đổi chất C4 diễn ra liên tục khi còn có ánh nắng, trong khi CAM chỉ diễn ra ban đêm. Vì thế, trao đổi chất C4 về mặt tự nhiên là tách rời cố định CO2 ra khỏi chu trình Calvin-Benson, trong khi trao đổi chất CAM tạm thời tách rời cố định CO2 ra khỏi chu trình này.
Thực vật CAM có khả năng giữ nước rất tốt, cũng như rất hiệu quả trong việc sử dụng nitơ. Tuy nhiên, chúng là không hiệu quả trong việc hấp thụ CO2, do vậy chúng là các loại cây phát triển chậm khi so sánh với các loài thực vật khác. Ngoài ra, thực vật CAM cũng tránh quang hô hấp. Enzym chịu trách nhiệm cố định cacbon trong chu trình Calvin, Rubisco, không thể phân biệt CO2 với oxy. Kết quả là thực vật sử dụng năng lượng để phá vỡ các hợp chất cacbon. Quá trình tốn kém này diễn ra khi nồng độ oxy bên trong lá là quá cao, cụ thể là trong các thực vật C3.