2. QUANG HỢP VÀ HÔ HẤP
2.1 Quang hợp
Quang hợp là hoạt động tổng hợp chất hữu cơ của cây xanh từ CO2 và nước H2O nhờ năng lượng ánh sáng mặt trời. Hiện tượng này xảy ra ở các phần có màu xanh của cây, chủ yếu là ở lá nên gọi là diệp lục. Đây là quá trình hấp thụ và chuyển quang năng thành hóa năng tích trữ trong các phân tử Carbohydrate.
Quang hợp là một quá trình phức tạp, có thể được khái quát hóa thành 3 bước sau đây:
- Quá trình khuyếch tán của khí CO2 đến lục lạp: CO2 trong không khí [bình thường khoảng 300 ppm hay 0,03%] được khuyếch tán qua khí khổng đến lục lạp.
- Phản ứng sáng: Cây xanh sử dụng năng lượng ánh sáng mặt trời để phân giải nước, tạo ra phân tử oxy [O2], chất khử Nicotinamid adenin dinucleotid phosphate [NADPH] và Adenosin triphosphate [ATP].
- Phản ứng tối: NADPH và ATP bị khử ở ngoài ánh sáng, được dùng để khử CO2 thành Carbohydrate và các hợp chất khác. Phản ứng nầy không đòi hỏi ánh sáng nên gọi là phản ứng tối.
Trong quá trình quang hợp, từ CO2 chuyển thành Carbohydrate phải thông qua 1 trong 2 quá trình sinh hóa: con đường C–3 hoặc con đường C–4. Lúa thuộc nhóm cây quang hợp theo con đường C–3, trong đó, CO2 trước hết được kết hợp với Ribulose-1,5diphosphate để tạo thành 2 phân tử có chứa 3 carbon là 3 – phosphoglyceric acid [PGA] bắt đầu chu trình Calvin. Cây C-4 có nhiều lợi điểm hơn C-3 [Bảng 4.1]. Nó có tốc độ sinh trưởng mạnh hơn, thích nghi tốt với điều kiện nhiệt độ cao, ánh sáng mạnh và lượng nước cung cấp hạn chế, hiệu quả sử dụng nước cao hơn
Bảng 4.1. So sánh các đặc tính quang hợp của cây C-3 và cây C-4
| Đặc tính | Cây C-3 | Cây C-4 |
| 1. Nhiệt độ tối hảo cho quang hợp | 15-30 độ C | 30-45 độ C |
| 2. Cường độ ánh sáng tối hảo cho quang hợp | 30-50 % ánh sáng đầy đủ | 100% ánh sáng đầy đủ |
| 3. Vận tốc quang hợp trên đơn vị diện tích lá | Ở điều kiện tối hảo | Cây C-4 cao hơn cây C-3 khoảng 2 lần |
| 4. Vận tốc sinh trưởng tối đa trong điều kiện tối hảo | 34-39 g/m2/ngày | 50-54 g/m2/ngày |
| 5. Hiệu quả sử dụng nước | 1,49 mg chất khô/g nước | 3,14 mg chất khô/g nước |
Nguồn: Yoshida, 1981
Khi cây quang hợp, thì đồng thời cũng diễn ra quá trình hô hấp bình thường, gọi là hô hấp bóng tối. Cho nên quang hợp mà ta đo được là sự chênh lệch giữa quang hợp thật sự và hô hấp [bóng tối]. Khác với cây C-4, ngoài hô hấp bóng tối, các cây C-3 còn có quá trình hô hấp ánh sáng. Đây là 2 quá trình hoàn toàn khác nhau. Hô hấp bóng tối hay hô hấp bình thường diễn ra ở ty thể, còn hô hấp ánh sáng lại được tiến hành trong peroxisomes. Hô hấp ánh sáng không sản sinh ra một phân tử ATP nào cả và cũng không cung cấp bất cứ một khung carbon nào cho việc sinh tổng hợp trong cây.
Vì là cây C-3, nên lúa có điểm bù CO2 cao, có hiện tượng hô hấp ánh sáng và thiếu lục lạp trong bó mạch [Bảng 4.2].
Cường độ quang hợp thuần của lá lúa thay đổi theo vị trí, hướng lá, tình trạng dinh dưỡng, tình trạng nước và giai đoạn sinh trưởng của cây. Trong điều kiện ánh sáng bảo hòa, cường độ quang hợp thuần vào khoảng 40-50 mg CO2 /dm2 /giờ [hình 4.1].
Không có quang hợp cây không thể sống và phát triển được. Quang hợp mạnh hay yếu tùy thuộc vào cường dộ ánh sáng, nồng độ CO2 trong không khí, điều kiện sinh lý, dinh dưỡng của cây và cấu tạo của quần thể ruộng lúa.
Bảng 4.2. Một số đặc trưng về quang hợp của cây lúa
| Các đặc trưng | Giá trị đo đạc | Điều kiện đo đạc |
| Ánh sáng | Điểm bù: 400-1000 lux | 25 độ C, 300 ppm CO2 |
| Bảo hòa: 45-60 klux | 30 độ C, 300 ppm CO2 | |
| Nhiệt độ tối hảo | 20-33 độ C [Đối với giống japonica] | 300 ppm CO2, 50 klux |
| 25-35 độ C [Đối với giống indica] | 300 ppm CO2, 50 klux | |
| CO2 | Điểm bù: 55 ppm | 25 độ C, > 10 klux Nhiệt độ tối hảo |
| Cường độ quang hợp thuần | 40-50 mg CO2/dm2/giờ | Bão hòa ánh sáng |
| Con đường sinh hóa | C-3 | |
| Lục lạp bó mạch | Không | |
| Hô hấp ánh sáng | Có |
Nguồn: Yoshida, 1981
Ánh sáng là động lực của quang hợp. Cây lúa bắt đầu quang hợp được ngay khi cường độ ánh sáng ở 400 lux. Quang hợp gia tăng theo cường độ ánh sáng và đạt đến mức cao nhất khi cường độ ánh sáng lên đến khoảng 40000-60000 lux
Hình 4.1. Tương quan giữa cường độ ánh sáng và quang hợp của lá lúa [Yoshida, 1981]
Cho nên, trời trong sáng, nhiều nắng cây lúa quang hợp tốt thì năng suất mới cao. Khi bức xạ mặt trời không thay đổi, thì cường độ quang hợp sẽ gia tăng khi độ dài ngày gia tăng. Ảnh hưởng của độ dài ngày đến quang hợp được xem là một điểm ưu việt của khí hậu ôn đới so với nhiệt đới.
Nồng độ CO2 trong không khí càng cao, điều kiện sinh lý dinh dưỡng của cây đầy đủ, quang hợp càng mạnh. Ngoài ra, cấu tạo quần thể ruộng lúa tốt: mật độ thích hợp, nhiều lá, lá xanh tươi, bộ lá thẳng đứng là điều kiện tốt để ruộng lúa sử dụng được nhiều ánh sáng cần thiết cho quang hợp hữu hiệu hơn. Chỉ số diện tích lá LAI [tỷ số giữa diện tích lá/diện tích đất] tốt nhất là 5-6 ở vùng nhiệt đới, đối với các giống lúa cao sản thấp cây. LAI cần thiết để quang hợp được tối đa tùy thuộc vào hướng lá trong tán lá vì nó quyết định môi trường ánh sáng trong quần thể ruộng lúa. Sự hấp thụ ánh sáng của quần thể ruộng lúa có thể được mô tả bằng định luật Beer như sau:
Trong đó:
I0 = Cường độ ánh sáng tới trên tán lá.
I = Cường độ ánh sáng trong quần thể khi LAI = F.
F = Tổng diện tích lá tích lũy trên đơn vị diện tích đất. F = 0 ở trên tán lá và đạt gia trị tối đa ở mặt đất [giá trị nầy được xem là LAI]. k = Hệ số hấp thu của lá [không đơn vị].
k tùy vào góc lá hoặc hướng lá, đối với lúa k biến thiên từ 0,4 ở lá thẳng đến 0,8 ở lá rủ [Hayashi và Ito, 1962]. Thí dụ nếu cường độ ánh sáng tới bị giảm 95 % sau khi đi qua tán lá thì F được tính như sau:
[a] Đối với lá thẳng [k = 0,4]:
[b] Đối với lá rủ [k = 0,8]
Như vậy, lá thẳng đứng nhận cường độ ánh sáng trên đơn vị diện tích lá thấp hơn trường hợp lá rủ, nên cho phép ánh sáng mặt trời xuyên sâu xuống bên dưới tán lá. Do đó, tán lá đứng có LAI tối hảo lớn hơn và khả năng quang hợp cao hơn [Hình 4.2].
Các nghiên cứu cho thấy rằng khoảng 80-90 % chất khô trong cây được tạo thành là do quang hợp, phần còn lại là chất khoáng lấy từ đất.
Hình 4.2. Ảnh hưởng của góc lá trên sự quang hợp và LAI thích hợp của quần thể ruộng lúa [Van Keulen 1976]
Đáp án: D
Để sinh trưởng và phát triển bình thường, cây xanh cần các chất dinh dưỡng để sống: nước, muối khoáng, ánh sáng để quang hợp, khí ôxi để hô hấp.
CÂU HỎI HOT CÙNG CHỦ ĐỀ
Tóm tắt lý thuyết và một số bài tập điển hình
Tóm tắt lý thuyết và một số bài tập điển hình
ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC NHÂN TỐ NGOẠI CẢNH ĐẾN QUANG HỢP
A/ LÝ THUYẾT
I. ÁNH SÁNG:
Ánh sáng ảnh hưởng đến quang hợp về 2 mặt: cường độ ánh sáng và quang phổ ánh sáng.
1. Cường độ ánh sáng:
- Điểm bù ánh sáng: là khi cường độ quang hợp = cường độ hô hấp.
- Điểm bảo hòa ánh sáng: là điểm cường độ ánh sáng tối đa để cường độ quang hợp cực đại.
2. Quang phổ ánh sáng:
- Các tia sáng có độ dài bước sóng khác nhau ảnh hưởng không giống nhau đến cường độ quang hợp.
- Quang hợp chỉ xảy ra tại miền ánh sáng xanh, tím và đỏ [tia xanh tím kích thích tổng hợp axit amin, protein tia đỏ xúc tiến quá trình hình thành carbohidrat].
- Trong môi trường nước, thành phần ánh sáng biến động nhiều theo độ sâu, theo thời gian trong ngày [buổi sáng và chiều nhiều tia đỏ ; buổi trưa nhiều tia xanh tím]
II. NỒNG ĐỘ CO2:
- Tăng nồng độ CO2 à tăng cường độ quang hợp, sau đó tăng chậm đến trị số bảo hoà CO2 .
- Trị số tuyệt đối của quang hợp biến đổi tuỳ thuộc vào cường độ chiếu sáng, nhiệt độ và các điều kiện khác [thông thường ở điều kiện cường độ ánh sáng cao, tăng nồng độ CO2 sẽ thuận lợi cho quang hợp]
III. NƯỚC:
- Khi cây thiếu nước từ 40 à 60 % thì quang hợp bị giảm mạnh và có thể ngừng trệ.
- Khi bị thiếu nước, cây chịu hạn có thể duy trì quang hợp ổn định hơn cây trung sinh và cây ưa ẩm.
IV. NHIỆT ĐỘ:
- Nhiệt độ cực tiểu làm ngừng quang hợp ở những loài cây khác nhau thì khác nhau:
+ Thực vật vùng núi cao, ôn đới là _ 50oC,
+ Thực vật nhiệt đới là 4 à 8 oC.
- Nhiệt độ cực đại làm ngừng quang hợp ở các loài cũng khác nhau:
+ Cây ưa lạnh ngừng quang hợp ở 12oC
+ Thực vật ở sa mạc có thể quang hợp ở nhiệt độ 58oC
V. NGUYÊN TỐ KHOÁNG:
- Các nguyên tố khoáng ảnh hưởng nhiều đến quang hợp:
+ N, P, S : tham gia tạo thành enzim quang hợp.
+ N, Mg : tham gia hình thành diệp lục.
+ K : điều tiết độ đóng mở khí khổng giúp CO2 khuếch tán vào lá.
+ Mn, Cl : liên quan đến quang phân li nước.
VI. TRỒNG CÂY DƯỚI ÁNH SÁNG NHÂN TẠO:
- Là sử dụng ánh sáng của các loại đèn [đèn neon, đèn sợi đốt] thay cho ánh sáng mặt trời để trồng cây trong nhà hay trong phòng.
- Giúp con người khắc phục điều kiện bất lợi của môi trường như giá lạnh, sâu bệnh à đảm bảo cung cấp rau quả tươi ngay cả khi mùa đông.
- Ở Việt Nam, áp dụng phương pháp này để trồng rau sạch, nhân giống cây trồng, nuôi cấy mô …
B/ BÀI TẬP
Câu 1. Điểm bù ánh sáng là cường độ ánh sáng mà ở đó, cường độ quang hợp
A. Lớn hơn cường độ hô hấp.
B. Cân bằng với cường độ hô hấp.
C. Nhỏ hơn cường độ hô hấp.
D. Lớn gấp 2 lần cường độ hô hấp.
Câu 2. Nếu cùng cường độ chiếu sáng thì ánh sáng đơn sắc màu đỏ sẽ có hiệu quả quang hợp
A. Kém hơn ánh sáng đơn sắc màu xanh tím.
B. Bằng ánh sáng đơn sắc màu xanh tím.
C. Lớn hơn ánh sáng đơn sắc màu xanh tím.
D. Nhỏ hơn ánh sáng đơn sắc màu xanh lam.
Câu 3. Điểm bão hòa ánh sáng là cường độ ánh sáng tối đa để cường độ quang hợp đạt
A. Cực đại.
B. Cực tiểu.
C. Mức trung bình
D. Trên mức trung bình.
Câu 4. Điểm bão hòa CO2 là nồng độ CO2 đạt
A. Tối đa để cường độ quang hợp đạt tối thiểu.
B. Tối thiểu để cường độ quang hợp đạt cao nhất.
C. Tối đa để cường độ quang hợp đạt cao nhất.
D. Tối đa để cường độ quang hợp đạt mức trung bình.
Câu 5. Nồng độ CO2 trong không khí thích hợp nhất đối với quá trình quang hợp là
A. 0,01%.
B. 0,02%.
C. 0,04%.
D. 0,03%.
Câu 6. Nhận định nào sau đây đúng?
A. Ở điều kiện cường độ ánh sáng thấp, tăng nồng độ CO2 thuận lợi cho quang hợp.
B. Ở điều kiện cường độ ánh sáng thấp, giảm nồng độ CO2 thuận lợi cho quang hợp.
C. Ở điều kiện cường độ ánh sáng cao, tăng nồng độ CO2 thuận lợi cho quang hợp.
D. Ở điều kiện cường độ ánh sáng cao, giảm nồng độ CO2 thuận lợi cho quang hợp.
Câu 7. Điểm bù CO2 là nồng độ CO2 đạt
A. Tối đa để cường độ quang hợp và cường độ hô hấp bằng nhau.
B. Tối thiểu để cường độ quang hợp thấp hơn cường độ hô hấp.
C. Tối thiểu để cường độ quang hợp lớn hơn cường độ hô hấp.
D. Tối thiểu để cường độ quang hợp và cường độ hô hấp bằng nhau.
Câu 8. Những phát biểu nào đúng trong các phát biểu sau?
[1] Cường độ ánh sáng tăng dần đến điểm bão hòa thì cường độ quang hợp tăng dần; từ điểm bão hòa trở đi, cường độ ánh sáng tăng thì cường độ quang hợp giảm dần.
[2] Cây quang hợp mạnh nhất ở miền ánh sáng đỏ sau đó là miền ánh sáng xanh tím.
[3] Nồng độ CO2 càng tăng thì cường độ quang hợp càng tăng.
[4] Nồng độ CO2 tăng dần đến điểm bão hòa thì cường độ quang hợp tăng dần; từ điểm bão hòa trở đi, nồng độ CO2 tăng thì cường độ quang hợp giảm dần.
[5] Khi nhiệt độ tăng đến nhiệt độ tối ưu thì cường độ quang hợp tăng rất nhanh thường đạt cực đại ở 25 - 35oC rồi sau đó giảm mạnh.
Phương án trả lời đúng là:
A. [1] và [4].
B. [1], [2] và [4].
C. [1], [2], [4] và [5].
D. [1], [2], [3], [4] và [5].
Câu 9. Quan sát đồ thị sau:
Trong các nhận định sau:
[1] Đồ thị biểu diễn sự thay đổi tốc độ cố định CO2 của một loài thực vật theo cường độ ánh sáng và nồng độ CO2 trong không khí.
[2] Tốc độ cố định CO2 tăng khi tăng cường độ ánh sáng tới một giới hạn nhất định thì dừng lại, mặc dù cường độ ánh sáng tiếp tục tăng. Lúc này, để tăng tốc độ cố định CO2 phải tăng nồng độ CO2.
[3] Đường a thể hiện phần mà tốc độ cố định CO2 bị hạn chế bởi nhân tố ánh sáng. Đường b thể hiện phần tốc độ cố định CO2 bị hạn chế bởi nhân tố là nồng độ CO2.
[4] a và b là biểu thị sự phụ thuộc vào nồng độ CO2 của hai loài khác nhau.
Số nhận định đúng với đồ thị trên là:
A. 1.
B. 2.
C. 3.
D. 4.
Câu 10. Nồng độ CO2 trong không khí thích hợp nhất đối với quá trình quang hợp là:
A.0,01%
B.0,02%
C.0,04%
D.0,03%
Câu 11. Trong tự nhiên, nồng độ CO2 trong không khí là:
A.0,008%
B.0,04%
C.0,03%
D.0,4%
Câu 12. Điểm bù CO2 là nồng độ CO2 đạt:
A.Tối đa để cường độ quang hợp và cường độ hô hấp bằng nhau
B.Tối thiểu để cường độ quang hợp thấp hơn cường độ hô hấp
C.Tối thiểu để cường độ quang hợp lớn hơn cường độ hô hấp
D.Tối thiểu để cường độ quang hợp và cường độ hô hấp bằng nhau
Câu 13. Điểm bão hòa CO2 là nồng độ CO2 đạt
A.Tối đa để cường độ quang hợp đạt tối thiểu
B.Tối thiểu để cường độ quang hợp đạt cao nhất
C.Tối đa để cường độ quang hợp đạt cao nhất
D.Tối đa để cường độ quang hợp đạt mức trung bình
Câu 14. Điểm bão hòa CO2 là thời điểm:
A.Nồng độ CO2 tối đa để cường độ quang hợp đạt tối thiểu
B.Nồng độ CO2 tối thiểu để cường độ quang hợp đạt cao nhất
C.Nồng độ CO2 tối đa để cường độ quang hợp đạt cao nhất
D. Nồng độ CO2 tối đa để cường độ quang hợp đạt mức trung bình
Câu 15. Phát biểu nào không đúng khi nói về ảnh hưởng của nước đến quang hợp?
A.Nước là nguồn nguyên liệu cho pha tối của quang hợp
B.Nước là nguyên liệu cho quá trình quang hợp
C.Cây thiếu nước 40-60%, quang hợp bị giảm mạnh và có thể bị ngừng trệ
D.Nước là môi trường cho các phản ứng trong pha sáng và pha tối
ĐÁP ÁN