1.1. Khái quát về quang hợp ở thực vật

1.1.1. Khái niệm quang hợp

– Quang hợp ở thực vật là quá trình lục lạp hấp thụ và sử dụng năng lượng ánh sáng (NLAS) để chuyển hoa CO₂ và H₂O thành hợp chất hữu cơ (C₆H₁₂O₆) đồng thời giải phóng O₂ trong quá trình này thực vật chuyển hóa năng lượng ánh sáng thành năng lượng hoá học. 

– Phương trình quang hợp:

1.1.2. Hệ sắc tố quang hợp

– Quá trình quang hợp ở thực vật diễn ra ở lục lạp.

– Trung tâm của quá trình này chính là hệ sắc tổ quang hợp nằm trên màng thylakoid.

– Ở thực vật, hệ sắc tổ quang hợp chủ yếu gồm diệp lục a và b (chlorophyll a và b) và carotenoid.

Hình 1. Cấu trúc của lục lạp

Quá trình quang hợp ở thực vật diễn ra theo hai pha: pha sáng (pha hấp thụ năng lượng ánh sáng) và pha đồng hoá CO₂ (pha cố định CO2).

1.2.1. Pha sáng

– Pha sáng của quá trình quang hợp diễn ra trên màng thylakoid.

– Phân tử diệp lục a ở trung tâm phản ứng tiếp nhận năng lượng ánh sáng trở thành dạng kích thích và truyền electron cho các chất trong chuỗi truyền electron nằm trên màng thylakoid, sau đó đến chất nhận cuối cùng là NADP để hình thành NADPH.

– Quá trình phân li nước diễn ra trong xoang thylakoid giải phóng O₂, và electron để bù lại electron bị mất cho phân tử diệp lục a ở trung tâm phản ứng.

1.2.2. Pha đồng hoá CO₂

Pha đồng hoá CO₂ diễn ra ở chất nền của lục lạp. Pha đồng hoá CO₂ được thực hiện theo các chu trình khác nhau ở ba nhóm thực vật, đó là thực vật C3 thực vật C4 và thực vật CAM.

– Thực vật C3 

+ Nhóm thực vật C3 bao gồm phần lớn các loài thực vật phân bố rộng trên thế giới, ví dụ như lúa, khoai tây, đậu và nhiều loại rau có nguồn gốc ôn đới.

+ Nhóm thực vật này cố định CO₂ theo chu trình Calvin, sản phẩm ổn định đầu tiên của chu trình là hợp chất 3 carbon nên chúng được gọi là thực vật C3 

– Thực vật C4

+ Nhóm thực vật C4 bao gồm một số thực vật sống ở vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới, ví dụ như mía, ngô, kê, rau dền, cỏ gấu, …

+ Sống trong điều kiện khô và nóng, các nhóm thực vật này phải đóng một phần khi không để hạn chế mất nước, do đó làm giảm lượng CO₂ trong tế bào thịt lá.

– Thực vật CAM

+ Thực vật CAM gồm những thực vật mọng nước sống ở vùng sa mạc khô hạn, ví dụ như xương rồng, dứa, thanh long….

+ Để tránh mất nước do quá trình thoát hơi nước, các loài thực vật này đóng khí khổng vào ban ngày và mở vào ban đêm. Do đó, chúng không lấy được CO₂ vào ban ngày. Để khắc phục tình trạng đó, nhóm thực vật CAM thực hiện quá trình cố định CO₂ theo cách riêng.

Hình 2. Chu trình cố định CO₂ ở thực vật C3 (a), C4 (b) và CAM (c)

– Quá trình quang hợp ở thực vật đóng vai trò quan trọng đối với chính cơ thể thực vật, các sinh vật và sinh quyển. 

– Đối với thực vật: Quang hợp tạo ra các phân tử đường. 

– Đối với sinh vật: Quang hợp giải phóng O2, cung cấp dưỡng khi cho nhiều sinh vật trên Trái Đất. Hợp chất hữu cơ tạo ra trong quá trình quang hợp chính là nguồn vật chất và năng lượng mà tất cả các sinh vật trong đó có con người có thể sử dụng được. 

– Đối với sinh quyển: Trong quá trình quang hợp, thực vật hấp thụ CO2, và giải phóng O2, giúp điều hoà không khi, kiến tạo và duy trì tầng ozone, giảm hiệu ứng nhà kinh.

– Ánh sáng:

+ Cường độ ánh sáng, thành phần quang phổ và thời gian chiếu sáng đều ảnh hưởng đến quá trình quang hợp ở thực vật. Ở cường độ ánh sáng mà cường độ quang hợp và hô hấp bằng nhau thì gọi là điểm bù ánh sáng.

+ Hiệu quả của quang hợp tăng khi tăng cường độ ánh sáng và đạt giá trị cực đại ở điểm bão hoa ánh sáng, vượt qua điểm bão hoà ảnh sáng, cường độ quang hợp không tăng mà có thể bị giảm.

– Nồng độ CO₂:

+ Nguồn cung cấp CO2 cho quá trình quang hợp ở thực vật là không khí, nồng độ CO2 trong không khí khoảng 0,038%.

+ Nồng độ CO₂ thấp nhất mà cây quang hợp được là khoảng 0.008-0.01%

– Nhiệt độ:

+ Nhiệt độ tối ưu cho quá trình quang hợp phụ thuộc vào loài thực vật và môi trường sống của chúng.

+ Thông thường, khi các nhân tố môi trường khác ở điều kiện thuận lợi, cường độ quang hợp tăng khi tăng nhiệt độ.

– Biện pháp kĩ thuật và công nghệ nâng cao năng suất cây trồng:

+ Trong thực tiễn, một số biện pháp kĩ thuật và công nghệ nâng cao năng suất cây trồng liên quan đến quá trình quang hợp thường được áp dụng dựa trên một số cơ sở sau: cải tạo tiềm năng của cây trồng, tăng diện tích lá, sử dụng hiệu quả nguồn sáng, tăng cường nguồn sáng.

+ Cải tạo tiềm năng của cây trồng.

+ Tăng diện tích lá.

+ Sử dụng hiệu quả nguồn sáng.

+ Tăng cường nguồn sáng.

1.5.1. Quan sát được lục lạp trong tế bào thực vật

a. Cơ sở lí thuyết: Lục lạp là bảo quan lớn của tế bào thực vật nên có thể quan sát trực tiếp dưới kính hiển vi.

b. Các bước tiến hành

– Chuẩn bị

+ Dụng cụ: kính hiển vi, lam kính, panh, thiết bị chụp ảnh.

+ Hoá chất: nước.

+ Mẫu vật: rong đuôi chó (Ceratophyllum demersum) hoặc rong cúc (ngô công thảo, Egeria najas).

– Tiến hành

– Báo cáo: Học sinh trình bảy (hình vẽ hoặc anh chụp) và giải thích các kết quả thu được.

1.5.2. Nhận biết, tách chiết các sắc tố trong lá cây

a. Cơ sở lí thuyết: Sắc tố quang hợp (chlorophyll, carotenoid) hoà tan trong dung môi hữu cơ, do đó có thể dùng dung môi hữu cơ để tách sắc tố quang hợp.

b. Các bước tiến hành

– Chuẩn bị:

+ Dụng cụ: ống đong 20 mL, cốc đong 100 mL, cân, kéo, chảy, cối, phễu và giấy lọc kích thước 1,5 × 10 cm, thiết bị chụp ảnh.

+ Hoá chất: nước cất, dung môi ethanol 90%.

+ Mẫu vật: lá khoai lang, lá tía tô, lá rau dền,…

– Tiến hành:

+ Cân 1,5 g mẫu vật.

+ Dùng kéo cắt nhỏ mẫu vật.

+ Cho mẫu lá cắt nhỏ vào cối và nghiền nát bằng chày.

– Báo cáo: Học sinh trình bày các kết quả thu được trên từng loại lá và cho nhận xét về màu sắc của các dịch lọc và miếng giấy lọc thu được ở các mẫu thí nghiệm và mẫu đối chứng.

1.5.3. Thí nghiệm tìm hiểu sự hình thành tinh bột trong quá trình quang hợp

a. Cơ sở lí thuyết: Quá trình quang hợp hình thành carbohydrate và thường được tích luỹ dưới dạng tinh bột. Hàm lượng tinh bột có thể nhận biết thông qua phản ứng màu với dung dịch 0,5% iodine.

b. Các bước tiến hành

– Chuẩn bị

+ Dụng cụ: cốc đong loại 250 mL và loại 500 mL, giấy màu (xanh, hồng, đen,…) và kẹp, đèn cồn và lưới chịu nhiệt, thiết bị 

+ Hoá chất: dung dịch iodine 0,5%, ethanol 90%, nước cất.

+ Mẫu vật: cây khoai lang trồng trong chậu.

– Tiến hành: Để chậu trồng cây khoai lang trong tối 2 ngày

– Báo cáo: Học sinh trình bày các kết quả thu được, nhận xét màu sắc của phiến lá bọc giấy màu và không bọc giấy màu.

1.5.4. Thí nghiệm tìm hiểu sự thải oxygen trong quá trình quang hợp

a. Cơ sở lí thuyết: Quá trình quang hợp giải phóng oxygen. Ở những loài thực vật thuỷ sinh, khi được chiếu sáng, oxygen giải phóng từ quá trình quang hợp sẽ tạo thành bọt khi thoát ra khỏi dung dịch.

b. Các bước tiến hành

– Chuẩn bị

+ Dụng cụ: hai ống nghiệm có nút bằng cao su, giá để ống nghiệm, hai cốc đong 250 mL chứa 120 mL nước cất, một hộp tăm tre, bật lửa, thiết bị chụp ảnh.

+ Mẫu vật: rong cúc (ngô công thảo, E. najas) hoặc rong đuôi chó (C. demersum).

– Tiến hành

+ Cho hai cành rong có kích thước tương tự nhau vào hai ống nghiệm khác nhau (Chủ ý cho phần lớn canh rong vào trong ống nghiệm và để dư khoảng 1 cm bên ngoài).

+ Đổ ngập nước đến miệng ống nghiệm.

+ Dùng ngón tay cái bịt chặt miệng ống nghiệm rồi úp ngược hai ống nghiệm đưa vào hai cốc đong, thả tay ra, tránh tạo bọt khí trong ống nghiệm.

– Báo cáo: Học sinh trình bày và giải thích các kết quả thu được.

– Quang hợp ở thực vật là quá trình lục lạp hấp thụ, sử dụng năng lượng ánh sáng để chuyển hoá CO2 và H2O thành chất hữu cơ (C6H12O6), đồng thời giải phóng O2. – Quá trình quang hợp đóng vai trò quan trọng đối với thực vật, các sinh vật khác và sinh quyển: hình thành và cung cấp chất hữu cơ và nguồn năng lượng cho thực vật và các sinh vật khác, điều hoà không khí, hấp thụ CO2, cung cấp O2 cho các sinh vật và góp phần hình thành tầng ozone. Quang hợp có vai trò quyết định đến năng suất cây trồng. – Hệ sắc tố quang hợp nằm trên màng thylakoid của lục lạp có vai trò tiếp nhận và chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng hoá học tích luỹ trong ATP và NADPH (pha sáng). – Pha đồng hoá CO2 diễn ra ở chất nền của lục lạp. Thực vật có các con đường đồng hoá CO2 khác nhau và chia thành ba nhóm: thực vật C3, thực vật C4 và thực vật CAM. Nhóm thực vật C4 và CAM thường thích nghi với điều kiện khí hậu khô, nóng. – Quá trình quang hợp ở thực vật chịu sự chi phối của các nhân tố môi trường quan trọng như ánh sáng, nồng độ CO2, nhiệt độ, nước và các chất khoáng. – Một số biện pháp kĩ thuật và công nghệ tăng năng suất cây trồng dựa trên quang hợp thường áp dụng dựa trên cơ sở: cải tạo tiềm năng của cây trồng, tăng diện tích lá, sử dụng hiệu quả nguồn sáng, tăng cường nguồn sáng.