Chọn đến phần học sinh cần nhanh chóng thông qua mục lục bằng cách click đến phần đó
I. Vai trò của nước và chất khoáng
Nước và chất khoáng là những chất dinh dưỡng thiết yếu của thực vật. Dinh dưỡng ở thực vật là quá trình hấp thụ nước, chất khoáng và đồng hóa chúng thành chất sống của cơ thể.
1. Vai trò của nước
Nước chiếm khoảng 70 – 90% khối lượng tươi của thực vật, tham gia vào thành phần cấu tạo tế bào và chi phối hầu hết các quá trình sinh lí diễn ra trong cây.
Bốn vai trò chính của nước:
| STT | Vai trò | Chi tiết |
|---|---|---|
| 1 | Thành phần cấu tạo của tế bào | Nước là thành phần chủ yếu của chất nguyên sinh, duy trì hình dạng và cấu trúc tế bào |
| 2 | Dung môi hòa tan các chất | Hòa tan các chất khoáng, chất hữu cơ và tham gia vận chuyển các chất trong cây |
| 3 | Nguyên liệu và môi trường của phản ứng sinh hóa | Tham gia trực tiếp vào các phản ứng như quang hợp, thủy phân; là môi trường cho các phản ứng enzyme |
| 4 | Điều hòa nhiệt độ cơ thể | Khi thoát hơi nước, lá được làm mát, bảo vệ cây khỏi bị hư hại trong những ngày nắng nóng |
Hai dạng nước trong cây:
Tùy theo mức độ liên kết, nước trong cây tồn tại ở hai dạng:
- Nước tự do: Giữ đầy đủ các đặc tính vật lí, hóa học, sinh học của nước như khả năng làm dung môi, bay hơi, tham gia phản ứng hóa học. Nước tự do giúp quá trình trao đổi chất diễn ra bình thường.
- Nước liên kết: Mất dần các đặc tính trên do liên kết với các phân tử khác. Tuy nhiên, nước liên kết có vai trò quan trọng trong việc đảm bảo độ bền vững của hệ thống keo trong chất nguyên sinh, giúp cây chống chịu được các điều kiện bất lợi như khô hạn, nóng, lạnh.
2. Vai trò của các nguyên tố khoáng
Trong thành phần cấu tạo của cơ thể thực vật có hơn 50 nguyên tố, nhưng chỉ có khoảng 17 nguyên tố được xem là thiết yếu với cây. Đó là những nguyên tố mà khi thiếu chúng, cây sẽ không hoàn thành được chu kì sống của mình.
Hai vai trò chính của nguyên tố khoáng thiết yếu:
- Cấu trúc nên các thành phần của tế bào
- Điều tiết các quá trình sinh lí
Phân loại nguyên tố khoáng:
| Nhóm | Đặc điểm | Vai trò chủ yếu | Ví dụ |
|---|---|---|---|
| Nguyên tố đa lượng | Cây cần với lượng lớn | Cấu trúc nên tế bào | Ca, Mg, N, P, K, S |
| Nguyên tố vi lượng | Cây cần với lượng rất nhỏ | Hoạt hóa enzyme trong trao đổi chất | Cl, Fe, Mn, Mo, Zn, Cu |
Dạng hấp thụ khoáng:
Cây hấp thụ các nguyên tố khoáng dưới dạng ion hòa tan trong nước. Ví dụ: $Ca^{2+}$, $Mg^{2+}$, $K^+$, $NO_3^-$, $NH_4^+$, $PO_4^{3-}$, $SO_4^{2-}$, $Cl^-$, $Fe^{2+}$, $Fe^{3+}$, $Mn^{2+}$, $Zn^{2+}$…
Triệu chứng thiếu khoáng:
Hậu quả của thừa hoặc thiếu nguyên tố khoáng thường được biểu hiện thành các triệu chứng quan sát thấy trên cây. Cách nhận biết rõ rệt nhất là căn cứ vào biểu hiện của lá cây.
Một số triệu chứng thiếu khoáng điển hình:
| Nguyên tố thiếu | Triệu chứng | Giải thích |
|---|---|---|
| N, Mg, Fe | Lá vàng (thiếu diệp lục) | N, Mg là thành phần cấu tạo diệp lục; Fe là enzyme xúc tác tổng hợp diệp lục |
| Ca | Lá nhỏ, mềm, mầm đỉnh bị chết | Ca cần cho thành tế bào; triệu chứng xuất hiện ở bộ phận non trước vì Ca không di động |
| K | Mép lá và đầu lá bị cháy | K điều tiết áp suất thẩm thấu của tế bào |
Lưu ý quan trọng: Khi lá bị vàng do thiếu diệp lục, cần bón nhóm nguyên tố N, Mg, Fe. Trong đó, bón $Mg^{2+}$ giúp lá xanh trở lại nhanh nhất vì Mg là thành phần trực tiếp cấu tạo nên phân tử diệp lục.
II. Quá trình trao đổi nước và khoáng ở thực vật
Trao đổi nước ở cơ thể thực vật diễn ra theo ba giai đoạn kế tiếp nhau: hấp thụ nước ở rễ → vận chuyển nước ở thân → thoát hơi nước ở lá. Nguyên tố khoáng hòa tan trong nước, do vậy trao đổi khoáng đi kèm với trao đổi nước.
1. Hấp thụ nước và khoáng ở rễ
Cơ quan hấp thụ:
- Thực vật trên cạn: Hấp thụ nước và khoáng từ đất chủ yếu qua rễ nhờ các lông hút. Lông hút được hình thành từ tế bào biểu bì rễ.
- Thực vật thủy sinh: Hấp thụ nước và khoáng từ môi trường nước qua tế bào biểu bì của hầu hết các cơ quan.
Rễ cây trên cạn có đặc điểm thích nghi với chức năng hút nước: rễ đâm sâu, lan rộng, hình thành khối lượng khổng lồ các lông hút để tăng diện tích tiếp xúc với đất.
a) Hấp thụ nước ở tế bào lông hút
Rễ hấp thụ nước từ đất theo cơ chế thẩm thấu (thụ động).
Nguyên lí: Dịch tế bào biểu bì lông hút của rễ có nồng độ chất tan cao hơn so với dịch trong đất, nghĩa là ưu trương so với dịch trong đất. Do đó, nước sẽ di chuyển từ đất (nơi có thế nước cao) vào tế bào lông hút (nơi có thế nước thấp).
Hai nguyên nhân giúp nồng độ chất tan trong tế bào lông hút luôn duy trì ở mức cao:
- Rễ hấp thụ các ion khoáng từ đất và tích lũy các chất tan từ quá trình chuyển hóa vật chất
- Quá trình thoát hơi nước ở lá làm giảm hàm lượng nước ở các tế bào phía dưới, trong đó có tế bào lông hút
Lưu ý: Thế nước giảm dần từ đất đến mạch gỗ (hay áp suất thẩm thấu tăng dần từ ngoài vào trong), nhờ đó nước được vận chuyển một chiều vào trong.
b) Hấp thụ khoáng ở tế bào lông hút
Rễ hấp thụ khoáng theo hai cơ chế: thụ động và chủ động.
| Cơ chế | Đặc điểm | Điều kiện |
|---|---|---|
| Thụ động (khuếch tán) | Khoáng di chuyển từ nơi nồng độ cao → thấp | Không tiêu tốn năng lượng |
| Chủ động | Khoáng vận chuyển ngược chiều gradient nồng độ | Cần năng lượng ATP và chất mang |
c) Vận chuyển nước và khoáng từ lông hút vào mạch gỗ của rễ
Nước và các chất khoáng được vận chuyển từ lông hút vào mạch gỗ của rễ theo hai con đường:
| Con đường | Đặc điểm | Ý nghĩa |
|---|---|---|
| Con đường gian bào | Nước và khoáng di chuyển qua thành tế bào và khoảng gian bào → đến nội bì gặp đai Caspary (không thấm nước) → phải chuyển sang con đường tế bào chất | Thực vật có thể kiểm soát được lượng chất khoáng đi vào mạch gỗ |
| Con đường tế bào chất | Nước và khoáng di chuyển từ tế bào chất của tế bào này sang tế bào chất của tế bào khác thông qua hệ thống cầu sinh chất | Vận chuyển chọn lọc qua màng tế bào |
2. Vận chuyển nước và các chất trong thân
Trong cây tồn tại hai con đường vận chuyển vật chất: dòng mạch gỗ và dòng mạch rây.
a) Dòng mạch gỗ
Nước và chất khoáng từ rễ, qua thân, lên lá theo mạch gỗ.
Cấu tạo mạch gỗ (xylem):
Mạch gỗ được cấu tạo từ hai loại tế bào là quản bào và mạch ống. Đặc điểm chung:
- Là các tế bào chết, chỉ còn lại thành tế bào đã thấm lignin (hóa gỗ)
- Các tế bào xếp chồng lên nhau theo chiều thẳng đứng, thông với nhau qua các lỗ ở đầu tận cùng
- Có các lỗ bên giúp vận chuyển theo chiều ngang
Thành phần dịch mạch gỗ: Nước, chất khoáng và một số chất hòa tan khác như đường, amino acid, hormone, alkaloid, acid hữu cơ…
Ba động lực của dòng mạch gỗ:
| STT | Động lực | Vai trò |
|---|---|---|
| 1 | Lực đẩy của áp suất rễ | Đẩy nước từ rễ lên thân |
| 2 | Lực liên kết giữa các phân tử nước và lực bám giữa phân tử nước với thành mạch dẫn | Duy trì cột nước liên tục, không bị đứt đoạn |
| 3 | Lực kéo do thoát hơi nước ở lá | Tạo lực hút kéo nước lên (động lực chính) |
Nhờ các động lực này, dòng mạch gỗ có thể vận chuyển lên độ cao hàng trăm mét, tương ứng với chiều cao của các cây gỗ lớn.
Hiện tượng chứng minh vai trò của áp suất rễ:
- Hiện tượng rỉ nhựa khi cắt ngang thân cây
- Hiện tượng ứ giọt (các giọt nước đọng quanh mép lá) vào buổi sáng hoặc trong điều kiện độ ẩm không khí cao
b) Dòng mạch rây
Khác với kiểu vận chuyển một chiều ở mạch gỗ, trong mạch rây, các chất có thể di chuyển theo hai hướng, từ lá xuống rễ hoặc ngược lại tùy thuộc vào vị trí của cơ quan nguồn so với cơ quan đích.
Cấu tạo mạch rây (phloem):
Mạch rây cấu tạo từ các tế bào ống rây và tế bào kèm. Đặc điểm:
- Là các tế bào sống
- Các tế bào ống rây xếp chồng lên nhau, thông với nhau qua các lỗ ở hai đầu (bản rây)
- Tế bào kèm nằm dọc theo các ống rây, cung cấp năng lượng và nguyên liệu duy trì sự sống cho tế bào ống rây
Thành phần dịch mạch rây: Đường sucrose (chủ yếu), amino acid, hormone, chất khoáng…
Chiều vận chuyển:
- Từ cơ quan nguồn (lá – nơi quang hợp) đến cơ quan đích (rễ, củ – nơi dự trữ)
- Hoặc ngược lại: từ cơ quan dự trữ (củ) lên cơ quan sử dụng (lá non, chồi non)
Mạch rây còn nhận nước từ mạch gỗ chuyển sang, đảm bảo cho quá trình vận chuyển chất tan diễn ra thuận lợi.
So sánh mạch gỗ và mạch rây:
| Đặc điểm | Mạch gỗ | Mạch rây |
|---|---|---|
| Cấu tạo từ | Quản bào + mạch ống | Ống rây + tế bào kèm |
| Loại tế bào | Tế bào chết | Tế bào sống |
| Hướng vận chuyển | Một chiều (rễ → lá) | Hai chiều (nguồn ↔ đích) |
| Thành phần chính | Nước, khoáng | Đường sucrose |
3. Thoát hơi nước ở lá
Thoát hơi nước là sự bay hơi của nước qua bề mặt cơ thể thực vật vào khí quyển. Trong đó, lá là cơ quan thoát hơi nước chủ yếu.
a) Hai con đường thoát hơi nước
Thoát hơi nước qua bề mặt lá (qua cutin):
Lượng hơi nước thoát qua bề mặt lá phụ thuộc vào độ dày tầng cutin và diện tích lá.
| Đối tượng | Đặc điểm cutin | Tỉ lệ thoát hơi nước qua cutin |
|---|---|---|
| Cây non, cây dưới bóng râm | Cutin mỏng | Gần bằng qua khí khổng |
| Cây trưởng thành | Cutin dày | Chỉ chiếm 10 – 20% |
| Cây sống ở nơi khô hạn | Cutin rất dày | Rất thấp (tăng khả năng chịu hạn) |
Thoát hơi nước qua khí khổng:
Đây là con đường chủ yếu vì có vận tốc lớn và được điều chỉnh bằng cơ chế đóng mở khí khổng. Lượng hơi nước thoát qua khí khổng phụ thuộc vào số lượng, sự phân bố và hoạt động đóng mở của khí khổng.
b) Cơ chế đóng mở khí khổng
Khí khổng là khe hở trên bề mặt lớp tế bào biểu bì lá, được tạo nên giữa hai tế bào khí khổng.
Tác nhân trực tiếp điều tiết độ mở khí khổng: Hàm lượng nước trong tế bào khí khổng.
Cơ chế:
Do tế bào khí khổng có cấu tạo thành trong dày, thành ngoài mỏng nên:
- Khi tế bào hút nước (trương nước) → thành ngoài căng nhanh hơn thành trong → khí khổng mở
- Khi tế bào mất nước → tế bào xẹp xuống → khí khổng đóng
Hai tác nhân điều tiết sự trương/mất nước của tế bào khí khổng:
| Tác nhân | Cơ chế | Kết quả |
|---|---|---|
| Ánh sáng | Thúc đẩy quang hợp → tăng tổng hợp đường; hoạt hóa bơm ion $K^+$, $NO_3^-$, $Cl^-$ vào tế bào → tăng áp suất thẩm thấu → tế bào hút nước | Khí khổng mở |
| Stress (hạn hán) | Cây tăng tổng hợp abscisic acid → thúc đẩy bơm $K^+$ ra khỏi tế bào → giảm áp suất thẩm thấu → tế bào mất nước | Khí khổng đóng |
Lưu ý: Nếu cường độ ánh sáng quá mạnh làm tăng nhiệt độ lá, tế bào khí khổng sẽ bị mất nước và đóng lại để hạn chế thoát hơi nước.
c) Vai trò của thoát hơi nước
Chỉ khoảng 2% lượng nước được cây hấp thụ sử dụng cho các hoạt động sống, còn lại 98% mất đi qua thoát hơi nước. Lượng nước thoát ra lớn thể hiện vai trò quan trọng của quá trình này:
| STT | Vai trò |
|---|---|
| 1 | Tạo lực hút kéo nước và các chất hòa tan đi theo một chiều từ rễ lên lá |
| 2 | Khí khổng mở ra tạo điều kiện để $CO_2$ từ môi trường khuếch tán vào lá, cung cấp nguyên liệu cho quang hợp |
| 3 | Làm giảm nhiệt độ bề mặt của lá, đảm bảo cho lá không bị hư hại, đặc biệt trong những ngày nắng nóng |
III. Dinh dưỡng nitrogen
1. Vai trò của nitrogen
Nitrogen là nguyên tố đặc biệt quan trọng đối với sự sinh trưởng, phát triển của thực vật, vừa có vai trò cấu trúc, vừa giữ chức năng điều tiết.
| Vai trò | Chi tiết |
|---|---|
| Cấu trúc | Là thành phần của các hợp chất hữu cơ quan trọng như protein, nucleic acid, diệp lục… |
| Điều tiết | Tham gia cấu tạo nên enzyme, các hormone thực vật… qua đó điều tiết các quá trình sinh trưởng, phát triển |
Biểu hiện khi thiếu và thừa nitrogen:
| Tình trạng | Biểu hiện |
|---|---|
| Thiếu nitrogen | Lá có màu vàng, cây sinh trưởng chậm |
| Thừa nitrogen | Thân và lá phát triển mạnh, cây yếu, dễ đổ và mắc sâu bệnh |
2. Nguồn cung cấp nitrogen cho thực vật
Trong tự nhiên, nitrogen tồn tại ở dạng tự do ($N_2$ trong khí quyển) và dạng hợp chất (vô cơ, hữu cơ). Tuy nhiên, thực vật chỉ có thể hấp thụ được nitrogen ở dạng vô cơ: $NH_4^+$ (ammonium) và $NO_3^-$ (nitrate).
Các nguồn chuyển hóa nitrogen thành dạng cây hấp thụ được:
| Nguồn | Quá trình chuyển hóa |
|---|---|
| Nitrogen khí quyển ($N_2$) | Sấm sét hoặc vi khuẩn cố định nitrogen → $NH_4^+$, $NO_3^-$ |
| Hợp chất hữu cơ (xác sinh vật) | Vi khuẩn ammonium hóa → $NH_4^+$ → Vi khuẩn nitrate hóa → $NO_3^-$ |
| Phân bón | Phân vô cơ (đạm urea, $NH_4^+$, $NO_3^-$) hoặc phân hữu cơ (cần vi sinh vật phân giải) |
Lưu ý: Thực vật không thể sử dụng trực tiếp nitrogen tự do ($N_2$) trong không khí.
3. Quá trình biến đổi nitrate và ammonium ở thực vật
Nitrogen có trong $NH_4^+$ và $NO_3^-$ sau khi được cây hấp thụ sẽ được biến đổi thành nitrogen chứa trong các hợp chất hữu cơ. Đây là hoạt động đồng hóa nitrogen, bao gồm hai quá trình:
a) Quá trình khử nitrate
Quá trình chuyển nitrogen từ dạng $NO_3^-$ thành dạng $NH_4^+$:
$$NO_3^- \xrightarrow{\text{Nitrate reductase}} NO_2^- \xrightarrow{\text{Nitrite reductase}} NH_4^+$$
b) Quá trình đồng hóa ammonium
Ammonium ($NH_4^+$) được cây hấp thụ và hình thành từ quá trình khử nitrate sẽ tham gia vào quá trình tổng hợp amino acid hoặc tạo các amide theo các cách sau:
Cách 1: Ammonium kết hợp với keto acid tạo thành amino acid
$$NH_4^+ + \text{Keto acid} \rightarrow \text{Amino acid}$$
Ví dụ: $NH_4^+$ + Pyruvic acid → Alanine
Sau đó, các amino acid này có thể tham gia tổng hợp nên các amino acid khác và protein.
Cách 2: Ammonium kết hợp với amino dicarboxylic tổng hợp nên các amide
$$NH_4^+ + \text{Amino dicarboxylic} \rightarrow \text{Amide}$$
Ví dụ: $NH_4^+$ + Glutamic acid → Glutamin
Quá trình này giúp giải độc cho tế bào khi lượng $NH_4^+$ tích lũy quá nhiều, đồng thời là cơ chế dự trữ ammonium cho tế bào thực vật.
IV. Các nhân tố ảnh hưởng đến trao đổi nước và dinh dưỡng khoáng
Quá trình trao đổi nước và dinh dưỡng khoáng ở thực vật chịu ảnh hưởng của một số nhân tố như ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm đất và không khí.
1. Ánh sáng
Ánh sáng thúc đẩy khí khổng mở, làm tăng tốc độ thoát hơi nước ở lá, tạo động lực cho quá trình hấp thụ và vận chuyển nước, chất khoáng ở rễ và thân.
Bên cạnh đó, ánh sáng cần cho hoạt động quang hợp tạo chất hữu cơ, cung cấp nguyên liệu cho hoạt động hô hấp, qua đó giải phóng năng lượng cần thiết cho quá trình hấp thụ và vận chuyển chủ động các chất trong cây.
Ứng dụng: Trong trồng trọt, cần đảm bảo mật độ gieo trồng (trồng theo hàng, tỉa cây, tỉa cành…), chọn khu vực trồng… nhằm cung cấp đủ ánh sáng cho cây.
2. Nhiệt độ
Trong giới hạn sinh thái về nhiệt độ của mỗi loài thực vật, tốc độ hấp thụ nước và nguyên tố khoáng tỉ lệ thuận với sự tăng nhiệt độ.
| Ảnh hưởng của nhiệt độ | Giải thích |
|---|---|
| Nhiệt độ giảm → giảm hấp thụ khoáng | Giảm khả năng hô hấp của rễ và khuếch tán của chất khoáng trong đất |
| Nhiệt độ quá cao (>45°C) → giảm hoặc dừng hấp thụ | Lông hút bị tổn thương hoặc chết, enzyme tham gia trao đổi chất bị biến tính |
| Nhiệt độ quá thấp (rét hại) → cây héo chết | Lông hút bị tổn thương, cây không hấp thụ được nước |
Ứng dụng: Để hạn chế ảnh hưởng của nhiệt độ thấp, có thể tiến hành ủ ấm gốc cây bằng rơm rạ, bao tải gai… Trong phương pháp trồng cây thủy canh, các ống trồng cây được bọc hoặc làm từ vật liệu cách nhiệt.
3. Độ ẩm đất và không khí
Độ ẩm đất:
Trong giới hạn nhất định, độ ẩm đất tỉ lệ thuận với khả năng hấp thụ nước và khoáng của hệ rễ.
| Độ ẩm đất | Ảnh hưởng |
|---|---|
| Phù hợp | Hô hấp thuận lợi, rễ sinh trưởng tốt → tăng hấp thụ |
| Quá cao hoặc quá thấp | Giảm hô hấp, ức chế sinh trưởng của rễ → giảm hấp thụ |
Độ ẩm không khí:
Độ ẩm không khí ảnh hưởng gián tiếp đến hoạt động trao đổi nước và khoáng thông qua việc tác động đến quá trình thoát hơi nước.
| Độ ẩm không khí | Ảnh hưởng |
|---|---|
| Cao | Giảm tỉ lệ hoạt động và độ mở của khí khổng → giảm cường độ thoát hơi nước |
| Thấp | Tăng cường độ thoát hơi nước → thúc đẩy hấp thụ nước và khoáng |
V. Ứng dụng trong sản xuất nông nghiệp
1. Tưới nước hợp lí cho cây trồng
Cân bằng nước trong cơ thể thực vật:
- Đạt được khi lượng nước cây hấp thụ vào bằng hoặc lớn hơn lượng nước thoát ra
- Khi lượng nước thoát ra cao hơn lượng nước hấp thụ → mất cân bằng nước → triệu chứng héo ở lá và thân non
Các điều kiện gây mất cân bằng nước: Hạn, mặn, ngập úng…
Đặc biệt: Cây không ưa mặn không sống được trong đất có nồng độ muối cao vì thế năng của nước trong đất quá thấp (do nồng độ chất tan cao), khiến cây không thể hấp thụ được nước.
Phản ứng thích nghi của thực vật:
- Biến đổi hình thái, giải phẫu: lá biến thành gai, lá có lớp lông phủ trên bề mặt, khí khổng nằm sâu dưới biểu bì lá…
- Biến đổi sinh lí – sinh hóa hoặc cấp độ phân tử (protein chống chịu)
Tưới tiêu nước hợp lí là: Tưới nước đúng nhu cầu sinh lí của cây, đúng thời điểm cây cần và đúng phương pháp.
Ba yếu tố xác định thời điểm cần tưới nước:
- Sức hút nước của lá
- Nồng độ hay áp suất thẩm thấu của dịch tế bào
- Trạng thái của khí khổng, cường độ hô hấp của lá
2. Phân bón và năng suất cây trồng
Trong sản xuất nông nghiệp, phân bón là một trong những nguồn cung cấp chất khoáng quan trọng nhất cho cây trồng. Trong giới hạn nhất định, lượng phân bón cung cấp tỉ lệ thuận với năng suất cây trồng.
| Lượng phân bón | Hậu quả |
|---|---|
| Quá ít | Triệu chứng thiếu khoáng, cây còi cọc, chậm lớn → giảm năng suất |
| Quá nhiều | Dư thừa gây độc cho cây; tiêu diệt vi sinh vật có lợi trong đất; ô nhiễm đất và nước ngầm; tồn dư trong mô thực vật gây ảnh hưởng xấu đến sức khỏe |
Bốn nguyên tắc bón phân hợp lí:
- Đúng loại phân bón
- Đúng liều lượng
- Đúng thời điểm
- Đúng phương pháp
Cô Nguyễn Ngọc Châu
(Người kiểm duyệt, ra đề)
Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Sinh Học THPT
Trình độ: Cử nhân Sư phạm Sinh học, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ AT sinh học, Ngoại ngữ B1
Kinh nghiệm: 9+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Trần Phú