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
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 CO
2
và H
2
O
dưới tác dụng của năng lượng ánh
sáng mặt trời và sự tham gia của
sắc tố diệp lục.
2. Phương trình quang hợp
CO
2
+ H
2
O [CH
2
O] + O

2
( [CH
2
O] 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:
12H
2
O 12[H
2
] + 6O
2
(Pha sáng)
6CO
2
+ 12[H
2
] C
6
H
12
O
6
+ 6H
2
O (Pha tối)
6CO

2
+ 6H
2
O C
6
H
12
O
6
+ 6O
2
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 O
2
/CO
2
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 CO
2
trong quang
hợp


Địa điểm: phần cơ chất trong lục lạp

Nội dung: khử CO
2
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 CO
2
và khử CO
2
.

Tuỳ thuộc vào con đường đồng hoá
CO
2
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 CO
2
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 CO
2.
∗
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
CO
2
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 CO
2


Các thực vật C3 và C4 mở khí
kkổng vào ban ngày và đóng vào ban
đêm nên quá trình cố định CO
2
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 CO
2
sẽ
xâm nhập vào lá qua khí khổng mở
(quá trình cố định CO
2
diễn ra)
Quang hô hấp ( Hô hấp sáng)

Định nghĩa: Hô hấp sáng là quá trình phân giải chất hữu cơ và
giải phóng CO
2
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 CO
2.

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 + CO
2
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
CO
2
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 CO
2
thấp, O
2
được thải
ra trong pha sáng cao làm ức chế vai trò cacboxylaza của enzim
Rubisco, lúc này Rubisco sẽ sử dụng O
2
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 CO
2
diễn
ra ở tế bào mô dậu, quá trình khử CO
2
và chu trình Calvin diễn ra
ở tế bào bao bó mạch), đảm bảo nồng độ CO
2
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

CO
2
cao gấp 100 lần so với Rubisco nên quá trình cố định CO
2
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 CO
2
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.
Đặc điểm Thực vât C3 Thực vật C4 Thực vật CAM
Giải phẫu Kranz Không Có Không
Chất nhận CO
2
đầu tiên RDP PEP PEP

Sản phẩm đầu tiên APG (C3) AOA (C4) AOA (C4)
Enzym cacboxyl hóa RDP-cacboxylase PEP-cacboxylase
RDP-cacboxylase
PEP-cacboxylase
RDP-cacboxylase
Thời gian cố định CO
2
Ngoài sáng Ngoài sáng Trong tối
Quang hô hấp Cao Rất thấp Rất thấp
Ức chế quang hợp bởi O
2
Có Không Có
Hiệu ứng nhiệt độ cao lên
quang hợp
(30-40
o
C)
Kìm hãm Kích thích Kích thích
Điểm bù CO
2
Cao (25-100 ppm) Thấp (0-10 ppm) Thấp (0-5 ppm)
Năng suất sinh vật học Trung bình đến cao Cao Thấp
Sự thoát hơi nước Cao Thấp Rất thấp
So sánh đặc điểm quang hợp của 3 nhóm thực vật C3, C4, CAM