thích nghi thực vật với môi trường hạn

A. MỞ ĐẦU
Qua quá tình tiến hóa ở các loài thực vật đã hình thành nên những nhu cầu xác định
đối với môi trường sống. Đồng thời mỗi cơ thể có khả năng thích nghi với môi trường biến
đổi. Cả hai tính chất đó được tổn tại trên cơ sở di truyền. Khả năng biến đổi sự trao đổi chất
phù hợp với điều kiện thay đổi của môi trường càng lớn, phản ứng thích nghi của cơ thể
đối với môi trường càng rộng và càng thích nghi hơn với điều kiện sống. Khả năng chịu
được môi trường bất lợi có thể được di truyền lại những một phần khả năng đó có thể xuất
hiện mà không đụng đến cơ chế di truyền của cơ thể.
Tính chống chịu môi trường bất lợi có các đặc trưng đa dạng. Cơ thể có thể bằng
cách nào đó tránh khỏi tác động bất lợi. Ví dụ các loài xương rồng dự trữ nước trong cơ thể
và nhờ vậy chúng tránh được sự mất nước hoặc cá loài thực vật chóng tàn rất ngắn chu kỳ
sinh trưởng xuống chỉ còn hai tuần để gắn hoạt động sống vào thời gian có mưa ở các vùng
khô hạn như sa mạc.
Trong các điều kiện môi trường bất lợi gây nên stress ở cơ thể thực vật, thường gặp
nhất là thiếu nước (hạn), nhiệt độ cao, nhiệt độ thấp,… Để tìm hiểu thực vật làm thế nào có
thể sống trong môi trường khô hạn, tôi chọn đề tài: “Tìm hiểu về đặc điểm thích nghi của
thực vật sống trong môi trường khô hạn”.

1


B. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
I. Đặc điểm thích nghi của cây sống trong môi trường khô hạn
Cây sống trong môi trường khô hạn (cây chịu hạn) là những thực vật ở trong điều
kiện khô hạn nghiêm trọng và kéo dài vẫn chịu đựng được. Lúc đó các quá trình trao đổi
chất có yếu nhưng không bị đình trệ. Chúng sống ở sa mạc, nữa sa mạc, thảo nguyên, xa
van, đụn cát.
Ở các vùng nhiệt đới, những nơi khô hạn thường gắn liền với cường độ ánh sáng
mạnh, nhiệt độ cao cho nên cây chịu hạn thường cũng là câu ưa sáng và chịu nóng.
Cây chịu hạn được chia làm hai dạng chủ yếu: cây mọng nước và cây lá cứng.
1.1.

Cây mọng nước

Gồm các loài cây thân thảo, cây nhỏ trong họ Thầu dầu (Euphorbiaceae), họ Xương
rồng bà (Cactaceae), họ Rau muối (Chenopodiaceae), họ Dừa (Bromeliaceae), họ Thuốc
bỏng (Crassulariaceae), họ Hành (Liliaceae),…
Phân bố phổ biến ở các vùng sa mạc Trung Mỹ, Nam Phi, Trung Đông,…và những nơi
khô hạn kéo dài.
a) Lá và thân:
Lá của nhóm cây mọng nước sống trong vùng khô hạn có tầng cutin dày, trên mặt lá có
lớp sáp hoặc long rậm. Lỗ khí ít, chìm sâu trong biểu bì (Hình 1). Trong thịt lá có nhiều tế
bào lớn tích chứa nước, hệ gân ít. Nhiều giống thuộc họ Xương rồng (Cactaceae), hoàn
toàn không có lá.

2


Hình 1. Biểu bì, cutin và lỗ khí ở lá các cây mọng nước.
a) Euphorbia denteri; b) E.spec; c) Hoodia currori (Asclepiadaceae);
d) Senecio longiflous (Asteraceae); e) Aloe asperifolia

Nhiều loài có lá tiêu giảm, có khi chỉ còn những vảy bé, sớm rụng như cây xương khô
(Euphorbia tirucalli), hoặc lá biến thành gai
như cây xương rồng bà (Opuntia monocantha),
hoăc có một số loài tiêu giảm thành lông cứng.
Do lá tiêu giảm nên thân cành chứa nhiều diệp
lục và làm nhiệu vụ quang hợp. Mục đính của
gai là long cứng là làm giảm tối thiểu sự thoát
hơi nước, đón bắt lượng mưa, sương đêm ít ỏi,
Hình 2. Xương rồng bà (Opuntia monocantha)

(nguồn: internet)

chống lại các kẻ thù gây hại.
Rãnh trên thân cây: các vùng khô hạn có
lượng mưa thấp, do vậy thân cây có cấu trúc
rãnh kéo dài từ đỉnh xuống tận gốc, giống như
các máng xối thu nước từu các mái nhà. Các
rãnh này có tác dụng thu gom các giọt nước
hiếm hoi từ không gian xung quanh để đưa
xuống rễ.

Hình 3. Rãnh của loài Ferocactus pilosus
(nguồn: internet)

3


Bên trong thân cây xương rồng là các màng nhầy dạng keo mứt. Vì chính có dạng này,
xương rồng mới giữ được một lượng nước lớn trong cơ thể để có thể chịu đựng sự khô hạn
trong thời gian dài.

a

b

Hình 4. Mặt cắt ngang của cây xương rồng (nguồn: internet)
a) Cleistocactus winteri– b) Mammillaria plumose

b) Rễ:
Hệ rễ ăn nông, rộng, bò lan theo chiều ngang, lý

do chính là lượng nước trong đất nơi nó sống
thường tập trung ở phần lớp đất mặt (do lượng mưa
ít nên những vùng này nước ngầm rất sâu hoặc
không có nước ngầm) . Khi khô hạn lâu, rễ bị héo,
nhưng khi có sương hoặc mưa, chúng phục hổi
nhanh, phát triển nhiều rễ bên và long hút, áp suất
Hình 5. Bộ rễ loài Mammillaria luethyi
(nguồn: internet)

thấm lọc của rễ thấp 3 – 8 atm.
Ngoài ra, hoa của các loài xương rồng thường có
màu sắc rực rỡ và nổi bật, mục đích để hấp dẫn các
loài côn trùng đến để tạo thuận lợi cho sự thụ phấn
giúp bảo tổn nòi giống. Quả cũng có vị ngọt và
nhiều hạt, điều này kích thích chim, dơi đến ăn và
mang các hạt đi phát tán nhiều nơi.
c) Hoạt động sinh lý:

Hình 6. Hoa của loài Leuchtenbergiaceae
(nguồn: internet)
4


Hoạt động sinh lí của cây mọng nước khá yếu. Ban ngày lỗ khí thường đóng kín, ban
đêm mới mở hấp thu CO2 dùng cho quang hợp ngày hôm sau. Ngoài ra khi hô hấp ban đêm
các chat gluxit không phân giải thành khí CO 2 mà thành các axit hữu cơ và được đưa đến
dịch tế bào. Ban ngày ở ngoài sáng, các axit hữu cơ phân giải và giải phóng CO 2 dùng cho
quang hợp.
Năm 1963, Vactapechian dung H2O18 và O218 để nghiên cứu hoạt đọng của cây mọng
nước, cho thấy: nhờ có tầng cutin dày, lỗ khí ít cà đóng nên cây có khả năng sử dụng lại

H2O và CO2 thoát ra trong hô hấp và O2 thải ra trong quang hợp.
Do trao đổi chất với môi trường ngoài ít nên cây mọng nước sinh trưởng rất chậm.
Cây mọng nước chịu nhiệt độ cao rất tốt, ở nhiệt độ 45 – 50 0C nhiều loài cây đã chất, còn
cây mọng nước chịu nhiệt độ 60 – 65 0C. Có khả năng đó là do chũng giữ được lượng nước
liên kết lớn. Cây chứa 95 – 98 % nước so với khối lượng cơ thể nhưng chủ yếu là nước liên
kết và chỉ có 30% là nước tự do.
1.2.

Cây lá cứng

Phần lớn thuộc họ Lúa (Poaceae), họ Cói (Cyperaceae), một số ít loài thuộc họ Đậu
(Fabaceae), một số cây gỗ thuộc Thông, Phi lao, họ Sổ,… Chúng thường sống ở những
vùng có khí hậu khố theo mùa, thảo nguyên, xavan,…
a) Lá và thân:
Cây lá cứng có lá hẹp, phủ nhiều long
trắng bạc có tác dụng cách nhiệt. Tế bào biểu
bì có thành dày, tầng cutin dày, gân lá phát
triển. Ở loài thuộc họ Lúa mặt trên lá còn có
những tế bào cơ làm cho lá có thể cuộn lại hạn
chế sự tiếp xúc của lỗ khí với khí hậu nóng.
Một số loài có lá biến thành gai hoặc các thùy

Hình 7. Thảm cây bụi ở hoang mạc Sahara

của lá biến thành gai (họ Cúc). Một số loài cây rút ngắn chu kì sinh
trưởng
cho phù hợp với
(nguồn:
internet)
thời kì có mưa ngắn ngủi trong năm.

5


Ở các vùng khô hạn, thường là cây thân bụi thấp
mọc thành cụm, lá là một trở ngại cho thân vì nó hấp
thu quá nhiều sức nóng và làm mất nước, do đó để
thích nghi lá nhỏ đi hay không còn lá và khi đó thân
đảm nhiệm vai trò quang hợp. Ở cây Phi lao, lá tiêu
giảm còn rất nhỏ như những vảy mọc vòng quanh các
mắt, cành dạng lá kiểu này được gọi là diệp chi
(cladode). Những diệp chi này có khí khổng nằm dọc
Hình 8. Diệp chi (cladode) ở Allocasuarina
(nguồn: internet)

theo các tãnh giữa hai mắt.
b) Rễ:

Rễ phâm nhánh nhiều. Rễ có lực hút mạnh (20 – 40 atm), nhờ vậy mà khi gặp hạn
chúng vẫn hút được nước trong đất. Cường độ thoát hơi nước cao có tác dụng chống nóng
cho lá. Khi đủ nước chúng sử dụng rất hào phóng, ở một số loài sau 1 – 2 giờ đã có thể
thay thế nước trong cơ thể. Khi thiếu nước chúng đóng lỗ khí và giữ nước lại.

Hinh 9. Mô hình chung về hệ rễ của các cây sống ở hoang mạc
(nguồn: internet)

II. Bản chất phản ứng thích nghi của thực vật với điều kiện khô hạn
2.1.

Bản chất của tính chịu hạn

6


Khả năng chịu được khô hạn liên quan đến khả năng giữ nước của protein nguyên sinh
chất và áp suất thẩm thấu cao. Tăng tích lũy các protein ưa nước phân tử thấp có khả năng
liên kết được nhiều phân tử nước ở dạng màng nước. Ở những loài cây chống chịu mất
nước tốt (chịu hạn cao) tích lũy các protein ưa nước, axit amin prolin và monoxacarit có tác
dụng tăng lượng nước liên kết trong tế bào chất.
Cơ chế hóa sinh có tác dụng bảo vệ tế bào trong điều kiện bị mất nước là bảo đảm sự
khử độc các sản phẩm được tạo nên trong quá trình phân giải các hợp chất cao phân tử, xúc
tiến sự phục hồi các cấu trức sinh học bị hư hại. Sauk hi hạn ngưng tác động, các quá trình
phục hồi diễn ra nhanh nếu bộ gen được bảo tồn khỏi bị hư hại trong thời gian khô hạn.
Điều đó có được là nhờ các protein nhân với sự tham gia của các protein stress (sốc) đặc
hiệu. Nhờ vậy mà AND chỉ bị biến đổi khi ở điều kiện hạn nặng và kéo dài.
2.2.

Phản ứng thích nghi của thực vật đối với nhiệt độ thấp

Để chịu được nhiệt độ thấp vào ban đêm ở các vùng khô hạn như ở hoang mạc và sa
mạc giữ được ổn định tính lỏng (fluid) của màng, có tỉ lệ cao các axit béo không no. Tế bào
chất của thực vật chịu rét có khản năng giữ nước cao, tổng hợp các chất thẩm thấu như axit
amin prolin, xacarose và đặc biệt, hình thành các protein sốc.
III. Cơ sở tế bào phản ứng thích nghi của thực vật
3.1. Sự thay đổi độ lỏng của màng tế bào là một cơ sở của phản ứng thích nghi
Sở dĩ nhiều loài thực vật ở trong môi trường khô hạn như sa mạc, hoang mạc sống
qua được nhiệt độ dao động đến 300C trong thời gian ngày đêm là do sự thay đổi độ lỏng
của màng để thích ứng với sự thay đổi đột ngột như vậy.
Tế bào tối ưu hóa độ lỏng của màng bằng cách điều tiết thành phần lipit. Giống như
tất cả các chất béo, lipit của màng tổn tại ở hai trạng thái vật lý khác biệt: trạng thái gel bán

tinh thể và trạng thái lỏng (sol). Bất kì một lipit cụ thể nào hoặc hỗn hợp lipit đều có thể
chuyển từ trạng thái gel sang trạng thái sol, nó bị tạn chảy khi gia tăng nhiệt độ. Quá trình
gel hóa làm cho hầu hết các hoạt tính của màng ngừng trệ và tăng độ thấm của nó. Mặc
khác, khi ở nhiệt độ cao lipit trở nên quá lỏng và không thể duy trì được sự cản thấm. Tuy
7


nhiên các loài thực vật sa mạc có thể thay đổi độ lỏng của màng làm cho chúng có thể thích
ứng được với nhiệt độ cao, đồng thời những loài thực vật này có thể thay thế thành phần
trong các màng của chúng để tối ưu hóa độ lỏng co hợp với nhiệt độ cụ thể. Những cơ chế
được áp dụng để bù đắp lại nhiệt độ thấp bao gồm sự rút ngắn các đuôi axit béo, sự tăng số
lượng các liên kết kép và tăng kích thước hoặc tích điện của các nhóm đầu tận cùng.
3.2. Những biến đổi trong thành phần của các sterol của màng cũng có thể thay thế các
phản ứng của màng đối với nhiệt độ
Các sterol của màng đóng vai trò như là các chất đệm lỏng của màng làm tăng độ
lỏng ở nhiệt độ thấp bằng cách làm rối loạn quá trình hóa gel của phospholipit và làm giảm
độ lỏng của màng ở nhiệt độ cao bởi sự can dự vào các vận động uốn gập tạo nên cấu trúc
hình nắp bán tinh thể của các đuôi axit béo, vì mỗi một axit có một Tm (nhiệt độ tan chảy)
riêng biệt, trong khi đó các lipit khác vẫn tồn tại ở trạng thái lỏng. Tương tự với các phân
tử khác trong tế bào, các lipit màng có giới hạn sống và phải được xoay trở đều đặn. Sự lưu
chuyển như vậy giúp cho tế bào thực vật tự điều chỉnh thành phần lipit màng của chúng để
phản ứng với những biến đổi của nhiệt độ trong môi trường bao quanh.
3.3. Hoạt động sinh lý tế bào của thực vật đảm bảo sự thích nghi với môi trường khô
hạn
Liên quan tới sự tiết kiệm nước, cây mọng nước như ở xương rồng có kiểu trao đổi
chất độc đáo gọi là CAM. Ban ngày khí khổng đóng, ban đêm khí khổng mở cho khí CO 2
khuếch tán vào lá. Các axit hữu cơ vốn rất giàu trong câu mọng nước là các chất nhận CO 2.
Trong các tế bào cây xương rồng nhờ có sự oxi hóa không hoàn toàn cacbonhidrat, trong
hô hấp tích lũy lại nhiều axit hữu cơ. Ban ngày khi ánh sáng chiếu tới, CO 2 đã ở trangh thái
liên kết được giải phóng ra và được tái cố định theo chu trình Calvin – Benson để được liên

kết vào các hợp chất hữu cơ là sản phẩm của quang hợp như C 6H12O6 và các chất khác. Đặc
điểm trao đổi chất theo con đường CAM như vậy giúp thực vật mọng nước thực hiện được
quang hợp vào ban ngày lúc khí khổng đóng đảm bảo thực hiện sự giẩm thiểu sự mất nước
qua quá trình thoát hơi nước và đồng thời hạn chế được hô hấp.

8


Ở cây lá cứng sống trong môi trường khô hạn, cường độ thoát hơi nước cao có tác
dụng chống nóng cho lá; khi đủ nước chúng sử dụng rất hào phóng, khi thiếu nước chúng
đóng lỗ khí và giữ nước lại.
3.4. Thực vật sống trong môi trường khô hạn chịu nóng cao nhờ sự bền vững hóa lý của
hệ keo sinh chất
Cơ sở hóa sinh của tính chịu nóng là khả năng khử độc cao và khả năng phục hổi
nhanh chóng những hư hại sau khi nhiệt độ cao ngừng tác động. Đặc biệt là sự xuất hiện
các protein stress (sốc) đặc hiệu, đồng thời giảm protein vốn được hình thành ở điều kiện
bình thường.

9


C. KẾT LUẬN
Sự thích nghi của thực vật trong môi trường khô hạn có các đặc trưng riêng và khá
đa dạng. Bằng nhiều cách khác nhau mà thực vật tránh được sự tác động bất lợi đó để đảm
bảo sự tổn tại của chúng. Cây chịu hạn được chia làm hai dạng chủ yếu: cây mọng nước và
cây lá cứng.
- Cây mọng nước: như các loài xương rồng dự trữ nước trong cơ thể và nhờ vậy
chúng tranh được sự mất nước, lá và thân có sự thay đổi về cấu tạo, hình thái: có cutin dày,
có sáp hoặc long rậm, lỗ khí ít, nhiều loài có gai hoặc hoàn toàn không có lá, thân tạo rãnh,
rễ nông, lan rộng,…

- Cây lá cứng: lá hẹp, phủ nhiều long trắng bạc có tác dụng cách nhiệt, tế bào biểu bì
có thành dày, tầng cutin dày, gân lá phát triển, hoặc có thể tiêu giảm thành các diệp chi để
tránh sức nóng và mất nước; khi đủ nước sẽ sử dụng nhiều và khi thiếu nước lỗ khí đóng và
giữ nước lại. Hoặc các loài thực vật chóng tàn, rút ngắn chu kỳ sinh trưởng xuống chỉ còn
hai tuần để gắn hoạt động sống vào thời gian có mưa ở các vùng khô hạn.
Mặc dù các loài thực vật này sống trong môi trường khô hạn khắc nghiệt nhưng với
sự thích nghi của chúng đã tạo nên một hệ sinh thái đa dạng phong phú cho hệ sinh vật ở
các vùng hoang mạc, sa mạc.

10


Tài liệu tham khảo
1. Trần Kiên – Phan Nguyên Hồng (1990), Sinh thái học đại cương, NXB Giáo dục.
2. Hoàng Thị Sản (2001), Phân loại thực vật, Nxb Giáo dục, Hà Nội.
3. Võ Văn Chi, Dương Đức Tiến (1978), Phân loại thực vật học, tập I-II-III, Nxb Đại
học và THCN, Hà Nội.
4. Lê Bá Dũng – Lê Thị Anh Tú (2009), Sinh thái học, NXB Đại học quốc gia Tp. Hồ
Chí Minh.
5. Bùi Trang Việt (2000), Sinh lý thực vật đại cương Phần I-II, NXB Đại học quốc gia
Tp, Hồ Chí Minh.
6. Dai A: Increasing drought under global warming in observations and models. Nat
Clim Chang. 2012;3:52–8.
7. Bray EA: Plant responses to water deficit. Trends Plant Sci.1997;2(2):48–54.
8. Bohnert HJ, Nelson DE, Jensen RG: Adaptations to Environmental Stresses. Plant
Cell. 1995;7(7):1099–111.
9. Levitt J: Responses of plants to environmental stresses. Volume II. Water, radiation,
salt, and other stresses. (Academic Press),1980.
10. Jones MM, Turner NC, Osmond CB: Mechanisms of drought resistance. The
11.

12.
13.
14.

physiology and biochemistry of drought resistance in plants.1981;1:15–37.
/> /> />

11