1.1. Vai trò của nước và một số nguyên tố khoáng đối với thực vật

1.1.1. Vai trò của nước

– Nước chiếm từ 70% đến hơn 90% sinh khối tươi của mô thực vật tuỳ thuộc vào cơ quan, tuổi cây, loài cây và điều kiện ngoại cảnh. 

– Trong cơ thể thực vật, nước giữ nhiều vai trò khác nhau như:

+ Thành phần cấu tạo tế bào thực vật, môi trường liên kết rất số các bộ phân của cơ thể thực vật, dung môi của các icon khoáng và các hợp chất hoà tan trong nước, môi trường của các phản ứng sinh hoá.

+ Thành phần tham gia trực tiếp các quá trình hoá sinh của cơ thể, điều hoà nhiệt độ, chất đệm bảo vệ cơ thể khỏi tác động cơ học, phương tiện vận chuyển các chất trong hệ vận chuyển ở cơ thể thực vật.

⇒ Nước giữ vai trò quan trọng trong mọi hoạt động sống của thực vật, vì vậy, nước quyết định sự phân bố của thực vật trên Trái Đất.

1.1.2. Vai trò sinh lí của một số nguyên tố dinh dưỡng khoáng trong cây

– Dinh dưỡng ở thực vật là quá trình thực vật hấp thụ các nguyên tố, hợp chất cần thiết từ môi trường và sử dụng cho trao đổi chất, sinh trưởng và sinh sản ở thực vật.

– Nguyên tố dinh dưỡng khoáng thiết yếu là nguyên tố trực tiếp tham gia vào quá trình chuyển hoá vật chất trong cơ thể, không thể thay thế bởi nguyên tố khác và nếu thiếu chúng thì cây không thể hoàn thành được chu trình sống.

– Dựa vào hàm lượng trong cây, các nguyên tố dinh dưỡng khoáng được chia thành hai nhóm nguyên tố đa lượng và nguyên tố vi lượng:

+ Nguyên tố đa lượng là nguyên tố có hàm lượng tương đối lớn, ví dụ: N, K, Ca, Mg, P và S.

+ Nguyên tố vi lượng có hàm lượng nhỏ (50,01% khối lượng chất khô), ví dụ: Cl, B. Fe, Mn, Zn, Cu, Mo và Ni.

– Các nguyên tố dinh dưỡng khoảng có vai trò cấu trúc và vai trò điều tiết. 

Hình 1. Lá cà chua trong các điều kiện: bình thường (a), thiếu nước (b), thiếu dinh dưỡng khoáng (c)

1.2.1. Sự hấp thụ nước và khoáng ở thực vật 

– Cơ quan hấp thụ nước và khoáng ở thực vật

+ Thực vật sống dưới nước có thể hấp thụ nước và khoáng từ môi trường xung quanh qua bề mặt các tế bào biểu bì của cây.

+ Thực vật sống trên cạn hấp thụ nước và khoáng từ dung dịch đất qua bề mặt tế bào biểu bì rễ, chủ yếu qua các tế bào lông hút.

+ Ngoài ra, thực vật sống trên cạn cũng có thể hấp thụ nước và khoảng qua tế bào khi khổng trên bề mặt lá.

– Cơ chế hấp thụ nước và khoáng ở rễ cây

+ Sự hấp thụ nước: Nước di chuyển từ dung dịch đất (môi trường nhược trương) vào tế bào lông hút (môi trường ưu trương) theo cơ chế thẩm thấu (thụ động). 

+ Sự hấp thụ khoáng: Các ion khoáng từ đất xâm nhập vào rễ cây theo hai cơ chế: thụ động và chủ động.

+ Con đường di chuyển của nước và khoáng từ đất vào mạch gỗ của rễ: Nước và các ion khoáng từ đất xâm nhập vào tế bảo lông hút rồi di chuyển qua các lớp tế bảo vỏ rễ để tới mạch gỗ (xylem) theo con đường gian bảo và con đường tế bào chất.

Hình 2. Các con đường di chuyển của nước và khoáng ở rễ cây

1.2.2. Sự vận chuyển các chất trong cây

– Vận chuyển trong mạch gỗ:

+ Nước, các chất khoáng hoà tan và một số hợp chất hữu cơ như amino acid, amide, cytokinine, alkaloid, … từ rễ được vận chuyển một chiều trong mạch gỗ của thân cây lên lá và các cơ quan phía trên.

+ Động lực đảm bảo sự vận chuyển nước và chất khoảng hoà tan trong mạch gỗ là áp suất rễ (lực đẩy), thoát hơi nước ở lá (lực kéo), lực liên kết giữa các phân tử nước với nhau và lực bám giữa các phân tử nước với thành mạch gỗ (động lực trung gian).

– Vận chuyển trong mạch rây:

+ Các sản phẩm quang hợp (chủ yếu là sucrose), một số hợp chất như amino acid, hormone thực vật (phytohormone), các ion khoảng tái sử dụng được vận chuyển trong mạch rây từ lá đến rễ và các cơ quan dự trữ. 

+ Động lực đảm bảo sự vận chuyển vật chất trong mạch rây là chênh lệch áp suất thẩm thấu giữa cơ quan nguồn (nơi có áp suất thẩm thấu cao) và các cơ quan sử dụng (nơi có áp suất thẩm thấu thấp).

+ Nước còn được vận chuyển theo chiều ngang từ mạch gỗ sang mạch rây và ngược lại tuỳ theo nhu cầu của cây.

Hình 3. Sự vận chuyển các chất trong cây

1.3.1. Thoát hơi nước ở lá cây

– Thoát hơi nước có thể diễn ra ở bề mặt nhiều bộ phận của cây như lỗ vỏ trên thân, cánh hoa, vỏ quả,… nhưng lá là cơ quan thoát hơi nước chủ yếu của cây.

– Có hai con đường thoát hơi nước qua lá: thoát hơi nước qua lớp cutin và thoát hơi nước qua khí khổng.

+ Thoát hơi nước qua lớp cutin

+ Thoát hơi nước qua khí khổng

1.3.2. Cơ chế đóng mở khí khổng

– Động lực làm biến đổi độ mở của lỗ khí là sự biến đổi sức trương nước trong các tế bào khí khổng (tế bào hình hạt đậu).

– Khi tế bào khí khổng tích luỹ các chất thẩm thấu như K⁺, malate, sucrose sẽ trương nước, thành mỏng phía ngoài bị căng mạnh và đẩy ra xa khỏi lỗ khí, thành dày phía trong bị căng yếu hơn làm khí khổng mở.

– Ngược lại, sự giải phóng các chất thẩm thấu khỏi tế bào khí khổng làm giảm sự hút nước, lỗ khí đóng lại. 

Hình 4. Cơ chế đóng mở khí khổng

1.3.3. Vai trò của quá trình thoát hơi nước đối với thực vật

– Tạo ra động lực đầu trên cho quá trình hấp thụ, vận chuyển vật chất ở rễ lên lá và cơ quan phía trên, duy trì sức trương và liên kết các cơ quan của cây thành một thể thống nhất;

– Đảm bảo CO₂, có thể khuếch tán vào lá, cung cấp cho quang hợp, giảm nhiệt độ bề mặt lá trong những ngày nắng nóng, bảo vệ các cơ quan khỏi bị tổn thương bởi nhiệt độ và duy trì các hoạt động sống bình thường.

1.4.1. Nguồn cung cấp nitrogen

Hình 5. Một số nguồn cung cấp nitrogen cho cây

– Trong tự nhiên, nitrogen (N₂) tồn tại ở dạng tự do trong khí quyển và các dạng hợp chất vô cơ, hợp chất hữu cơ.

– Thực vật hấp thụ nitrogen chủ yếu ở hai dạng NH₄⁺ và NO₃^– nhờ cơ chế chủ động. 

1.4.2. Quá trình biến đổi nitrate và ammonium ở thực vật

– Quá trình khử nitrate (NO3–) trong cây

+ NO3–, sau khi được hấp thụ cần được chuyển hoá thành NH4 trong các cơ quan thực vật. 

+ Quá trình khử nitrate diễn ra ở trong rễ cây và cành cây qua hai giai đoạn:

– Quá trình đồng hoá ammonium (NH4+) trong cây

+ Sự tích luỹ NH4+ ở nồng độ cao sẽ gây kiềm hoá dịch bảo và gây độc cho tế bào. Vì vậy, NH4+ sau khi được hấp thụ hoặc hình thành từ quá trình khử nitrate sẽ nhanh chóng kết hợp với các keto acid, sinh ra các amino acid sơ cấp.

+ NH4+ có thể kết hợp với glutamic acid, aspartic acid tạo thành các amide là glutamine và asparagine, đây là hợp chất dự trữ NH4+ cho cơ thể thực vật khi cần sinh tổng hợp amino acid.

– Nước có vai trò là thành phần cấu tạo tế bào thực vật, là dung môi hoà tan các chất, môi trường cho các phản ứng sinh hoá, tham gia trực tiếp vào các quá trình sinh hoá, điều hoà thân nhiệt và là phương tiện vận chuyển các chất trong hệ vận chuyển ở cơ thể thực vật. – Dinh dưỡng ở thực vật là quá trình thực vật hấp thụ các chất và hợp chất cần thiết từ môi trường và sử dụng cho trao đổi chất, sinh trưởng và sinh sản ở thực vật. – Các nguyên tố dinh dưỡng khoáng thiết yếu là nguyên tố mà nếu thiếu nó thì cây không thể hoàn thành được chu trình sống. Các nguyên tố thiết yếu có vai trò cấu trúc hoặc điều tiết các hoạt động trao đổi chất trong cây. – Nước được hấp thụ vào rễ nhờ cơ chế thẩm thấu, các ion khoáng được hấp thụ vào rễ nhờ cơ chế thụ động hoặc chủ động. – Nước, ion khoáng và các chất tan được vận chuyển trong cây theo mạch gỗ từ rễ lên trên. Động lực của sự vận chuyển trong mạch gỗ là áp suất rễ (lực đẩy), sự thoát hơi nước ở lá (lực kéo), lực liên kết giữa các phân tử nước với nhau và với thành mạch gỗ (động lực trung gian). Các chất hữu cơ được vận chuyển trong mạch rây từ lá đến rễ và các cơ quan dự trữ. Động lực của sự vận chuyển trong mạch rây là chênh lệch áp suất thẩm thấu giữa cơ quan nguồn và các cơ quan sử dụng. – Thoát hơi nước có vai trò quan trọng đối với đời sống của cây. Quá trình thoát hơi nước chủ yếu diễn ra ở lá qua hai con đường: cuticle và khí khổng. – Nguồn cung cấp nitrogen cho cây từ các quá trình hoá lí, quá trình cố định N2 nhờ vi sinh vật, quá trình phân giải chất hữu cơ hoặc từ phân bón. Thực vật hấp thụ nitrogen từ môi trường chủ yếu ở hai dạng NH4+ và NO3– theo cơ chế chủ động. Trong cây, NO3– được khử thành NH4+, NH4+ được đồng hoá tạo thành amino acid và amide.