Sinh 11 Kết nối tri thức Bài 2: Trao đổi nước và khoáng ở thực vật

* Vai trò của nước đối với thực vật:

- Nước là thành phần cấu trúc tạo nên chất nguyên sinh (>90%).

- Nếu như hàm lượng nước giảm thì chất nguyên sinh từ trạng thái sol chuyển thành gel và hoạt động sống của nó sẽ giảm sút.

- Các quá trình trao đối chất đều cần nước tham gia. 

- Nước là nguyên liệu tham gia vào một số quá trình trao đối chất.

- Sự vận chuyển các chất vô cơ và hữu cơ đều ở trong môi trường nước.

* Vai trò của các nguyên tố khoáng đối với thực vật:

- Tham gia vào thành phần các chất cấu tạo nên hệ thống chất nguyên sinh, cấu trúc nên tế bào và các cơ quan.

- Nguyên tố khoáng tham gia vào quá trình điều chỉnh các hoạt động trao đổi chất, các hoạt động sinh lý trong cây:

+ Thay đổi các đặc tính lý hóa của chất keo nguyên sinh,

+ Hoạt hóa enzim, làm tăng hoạt động trao đổi chất,

+ Điều chỉnh quá trình sinh trưởng của cây.

- Tăng tính chống chịu cho cây trồng đối với các điều kiện bất lợi của môi trường.

* Nước và các nguyên tố khoáng được hấp thụ vào bằng các cách:

Đối với ion khoáng:

Có 2 cách hấp thụ các ion khoáng ở rễ là:

- Hấp thụ bị động.

- Hấp thụ chủ động (chiếm phần lớn).

Đối với nước:

- Nước được hấp thụ liên tục từ đất vào tế bào lông hút theo cơ chế hấp thụ thụ động (thẩm thấu): nước di chuyển từ đất là môi trường nhược trương (ít ion khoáng, nhiều nước) vào tế bào lông hút là môi trường ưu trương (nhiều ion khoáng, ít nước) nhờ sự chênh lệch về áp suất thẩm thấu/ gradient nồng độ.

Những hoạt động, quá trình sinh lí mà nước tham gia vào trong đời sống của thực vật như:

- Tham gia cấu tạo tế bào, giúp ổn định hình dạng của tế bào.

- Là dung môi hòa tan các chất, tham gia vào quá trình vận chuyển các chất trong cây.

- Là nguyên liệu, môi trường của các phản ứng sinh hóa.

- Tham gia điều hòa nhiệt độ của cơ thể thực vật.

– Thực vật hấp thụ nước nhờ rễ ở tế bào lông hút theo cơ chế thẩm thấu: Dịch tế bào biểu bì lông hút của rễ có nồng độ chất tan cao hơn so với dịch trong đất (ưu trương so với dịch trong đất), nên nước sẽ di chuyển từ đất vào tế bào lông hút.

– Thực vật hấp thụ ion khoáng ở tế bào lông hút theo hai cơ chế:

+ Cơ chế thụ động: Chất khoáng hòa tan trong đất khuếch tán từ đất (nơi có nồng độ chất khoáng cao) vào rễ (nơi có nồng độ chất khoáng thấp).

+ Cơ chế chủ động: Chất khoáng được vận chuyển từ đất vào rễ ngược chiều gradient nồng độ, nhờ các chất mang được hoạt hóa bằng năng lượng.

– Triệu chứng thiếu khoáng ở cây trồng:

+ Lá cây có màu sắc hoặc hình dạng bất thường: lá hóa vàng, lá nhỏ và xoăn, lá có màu lục đậm,…

+ Cây thiếu chất dinh dưỡng không thể sinh trưởng và phát triển: cây còi cọc, rễ thối, chồi bị thui chột, ít hoa, quả rụng, ngọn cây khô héo,…

+ Cây yếu, không chống lại được tác nhân gây bệnh, gây hại: cây dễ đổ, cây dễ nhiễm bệnh,…

+ Cây sinh trưởng kém, lá hóa vàng: Biểu hiện thiếu nguyên tố khoáng N

+ Lá cây màu vàng đỏ, màu lục đậm chuyển dần sang màu đỏ, tía. Thân, rễ chậm lớn, trổ hoa trễ, quả chín muộn: Biểu hiện thiếu nguyên tố khoáng P

+ Mô phân sinh bị ức chế, thân rễ ngắn, lá mềm, chồi đỉnh bị chết; quả bị héo khô: Biểu hiện thiếu nguyên tố khoáng Ca.

+ Phiến lá vàng và xuất hiện các mô bị hoại tử: Biểu hiện thiếu nguyên tố khoáng Mg.

+ Cây không có khả năng chống chịu sâu bệnh hại: Biểu hiện thiếu nguyên tố khoáng K

– Thực vật điều tiết thoát hơi nước theo cơ chế đóng mở khí khổng: Điều chỉnh hàm lượng nước trong tế bào khí khổng.

+ Khí khổng mở khi no nước: Khi lá no nước (trương nước), thành ngoài mỏng của tế bào khí khổng căng ra, thành dày bên trong cong theo làm cho khí khổng mở ra → sự thoát hơi nước tăng lên.

+ Khí khổng đóng khi thiếu nước: Khi lá mất nước, thành mỏng khí khổng trở lại bình thường và thành dày duỗi thẳng → khí khổng đóng lại.

– Ánh sáng, stress là hai tác nhân chính điều tiết sự trương nước hay mất nước của tế bào khí khổng:

+ Quá trình quang hợp được thúc đẩy nhờ ánh sáng, khi có ánh sáng, khí khổng mở. Khí khổng lập tức đóng lại khi cường độ ánh sáng quá mạnh, nhiệt độ lá tăng làm tế bào khí khổng bị mất nước.

+ Khí khổng đóng lại khi thực vật bị stress như: hạn hán. Cây tăng tổng hợp abscisic acid khiến bơm ion bơm K⁺ ra khỏi tế bào.

Câu hỏi 1 SGK Sinh 11 Kết nối tri thức Bài 2 (trang 17): Khi bón quá nhiều phân đạm cho một số loại cây ngũ cốc như lúa, ngô thì hiện tượng gì sẽ xảy ra? Giải thích.

– Khi bón quá nhiều phân đạm cho một số loại cây ngũ cốc như lúa, ngô: Cây trồng sẽ bị thừa đạm dẫn đến hiện tượng “đổ lốp”. Cây thừa đạm sẽ sinh trưởng và phát triển quá mức, lá cây phát triển mạnh, tán lá xum xuê, lá mỏng, mô cơ thân cây không phát triển khiến cây yếu dễ đổ ngã. Ngoài ra cây còn dễ bị sâu bệnh tấn công dẫn đến năng suất, hiệu suất không cao.

- Các nguồn cung cấp nitrogen cho thực vật:

+ Khí quyển 

+ Các vi sinh vật cố định đạm

+ Vật chất hữu cơ (xác sinh vật)

+ Phân bón, khoáng vô cơ trong đất

- Nitrogen tồn tại ở dạng tự do (N₂) trong khí quyển, nhưng thực vật chỉ có thể hấp thụ được nitrogen ở dạng vô cơ (NH₄+, NO₃-). Nên thực vật không thể sử dụng trực tiếp nitrogen tự do có trong không khí mà dưới tác động của yếu tố vật lí (sấm sét) hoặc hoạt động của một số nhóm vi khuẩn mà nitrogen trong khí quyển và trong các hợp chất hữu cơ được chuyển hóa thành dạng (NH4+, NO₃-) cây có thể hấp thụ được.

Nitrogen vô cơ (NH₄+, NO₃-) cây hấp thụ vào được chuyển hóa thành nitrogen trong các hợp chất hữu cơ (amino acid, protein,…) theo các cách sau:

- Ammonium (NH₄+) kết hợp với keto acid (pyruvic, ketoglutaric, fumaric và oxaloacetic) tạo thành amino acid. Sau đó, các amino acid này có thể tham gia tổng hợp nên các amino acid khác và protein.

Ví dụ: NH₄⁺ + Pyruvic acid → Alanine

- Ammonium (NH₄+) kết hợp với các amino dicarboxylic tổng hợp nên các amide.

Ví dụ: NH₄⁺ + Glutamic acid → Glutamin

- Ánh sáng:

+ Thúc đẩy khí khổng mở, làm tăng tốc độ thoát hơi nước ở lá, tạo động lực cho quá trình hấp thụ, vận chuyển nước và chất khoáng ở rễ và thân, là yếu tố quan trọng của quá trình 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.

- Nhiệt độ: tốc độ hấp thụ nước và nguyên tố khoáng tỉ lệ thuận với sự tăng nhiệt độ.

+ Nhiệt độ giảm làm giảm khả năng hô hấp của rễ và khuếch tán của chất khoáng trong đất, dẫn đến khả năng hấp thụ khoáng của hệ rễ giảm.

+ Nhiệt độ tăng quá cao (trên 45^o) thì lông hút có thể bị tổn thương hoặc chết, enzyme tham gia vào hoạt động trao đổi chất bị biến đổi, dẫn đến giảm hoặc dừng hấp thụ nước và khoáng.

- Độ ẩm đất và không khí: độ ẩm đất tỉ lệ thuận với khả năng hấp thụ nước và khoáng của hệ rễ, 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 đất phù hợp giúp cho quá trình hô hấp thuận lợi và làm tăng trưởng kích thước của hệ rễ, do đó tăng lượng nước và khoáng hấp thụ được.

+ Độ ẩm đất quá cao hoặc quá thấp sẽ làm giảm hô hấp và ức chế sinh trưởng của rễ, dẫn đến giảm lượng nước và chất khoáng hấp thụ.

+ Độ ẩm không khi cao làm giảm tỉ lệ hoạt động và độ mở của khí khổng, từ đó dẫn đến giảm cường độ thoát hơi nước.

+ Độ ẩm không khi thấp, cường độ thoát hơi nước tăng lên, qua đó thúc đẩy quá trình hấp thụ nước và khoáng.

– Trong sản xuất, để đảm bảo trạng thái cân bằng nước trong cây, cần tưới tiêu hợp lí. Cung cấp, đáp ứng đủ lượng nước cần thiết cho cây trồng, tưới nước đúng nhu cầu sinh lí, đúng thời điểm cây cần và cần có phương pháp tưới thích hợp.

– Tùy theo từng loài cây, mỗi loài có nhu cầu lượng nước vào từng giai đoạn và cách tưới khác nhau. Để tưới cây hợp lí cần căn cứ vào đặc điểm, giai đoạn phát triển và điều kiện thổ nhưỡng, điều kiện thời tiết, cách tưới,… sao cho phù hợp, đảm bảo được lượng nước để cây phát triển tốt nhất, cho năng suất cao.

– Trong trồng trọt, lượng phân bón cung cấp tỉ lệ thuận với năng suất cây trồng.

– Bón phân quá ít, cây sẽ không được cung cấp đủ nhu cầu dinh dưỡng. Cây có các biểu hiện thiếu chất dinh dưỡng như: còi cọc, vàng lá, chậm lớn, kém phát triển làm giảm năng suất cây trồng.

– Nếu bón quá nhiều phân, cây thừa dinh dưỡng, tích lũy nhiều trong cây, tồn dư trong mô thực vật gây ngộ độc ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người và vật nuôi khi sử dụng thực vật làm thức ăn. Cây được bón phân quá nhiều làm cho nồng độ chất tan ở trong dung dịch đất cao hơn nồng độ chất tan ở trong tế bào, từ đó rễ cây không hút được nước từ ngoài môi trường vào mà nước lại đi ra ngoài tế bào nên làm cho cây bị héo và chết.

– Ngoài ra, bón quá nhiều phân cây không thể hấp thụ hết, các chất sẽ tích tụ lại trong đất có thể tiêu diệt các vi sinh vật có lợi trong đất, gây tình trạng ô nhiễm môi trường.

– Trong tự nhiên, ở một số cây trồng như cà rốt, khoai tây, … chất dự trữ trong củ sẽ được vận chuyển lên các cơ quan phía trên trong giai đoạn nảy mầm và cây mầm.

– Ở giai đoạn nảy mầm và cây mầm chất dinh dưỡng dự trữ trong củ được huy động để hỗ trợ cho sự hình thành và phát triển của các chồi non, lá non.

+ Ví dụ: Khi tiếp xúc với ánh sáng, độ ẩm thích hợp, lâu dần khoai tây sẽ nảy mầm. Khi khoai tây bắt đầu nảy mầm, chúng sẽ sử dụng các chất dinh dưỡng dự trữ để hỗ trợ sự phát triển của các chồi mới. Điều này dẫn đến giảm một số giá trị dinh dưỡng của khoai tây (giảm hàm lượng carbohydrate, vitamin C)

– Khi đất bị ngập nước, rễ cây bị thối hỏng, cây trồng bị héo lá, rụng, cây chết dần.

– Cây bị chết do thiếu oxy, đất gập nước khiến oxy trong không khí không thể khuếch tán vào đất, cây không có oxy thực hiện trao đổi khí và hấp thụ các chất. 

– Quá trình ngập úng kéo dài → rễ không lấy được oxy ảnh hưởng đến quá trình hô hấp bình thường của rễ → tế bào lông hút thiếu năng lượng để hấp thụ các chất khoáng cần thiết gây ra hiện tượng hô hấp kị khí sinh → các chất độc hại tích lũy ở tế bào và làm cho lông hút bị chết, rễ bị thối hỏng, không hình thành được lông hút mới.

– Ngoài ra, ngập úng nước quá lâu ngày tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của các vi sinh vật yếm khí. Từ đó hình thành acid hữu cơ, CO₂ và một số chất độc hại. Các loại nấm gây hại cũng phát triển và tấn công cây trồng → cây không thể phát triển.

– Trong trồng trọt, phân hữu cơ (phân chuồng, phân xanh,…) thường được sử dụng để bón lót vì trong phân có hàm lượng hữu cơ cao, phân hủy chậm thích hợp cho cây trồng vào thời kì đầu cần cung cấp chất dinh dưỡng với hàm lượng vừa phải. Ngoài việc cung cấp chất dinh dưỡng, phân hữu cơ còn làm cho đất tơi xốp, giúp tăng cường hoạt động cho hệ vi sinh vật có ích trong đất tạo điều kiện cho cây phát triển thuận lợi.

– Các loại phân vô cơ (đạm, kali) được dùng để bón thúc vì các loại phân này chứa các dưỡng chất dễ hấp thu, thường ở dạng hòa tan cây có thể sử dụng ngay được nên có thể đáp ứng kịp thời nhu cầu dinh dưỡng trong thời kỳ cây trồng đang sinh trưởng (đẻ nhánh, vươn lóng, phát triển thân lá, tạo củ, tạo quả…), nhằm cung cấp chất dinh dưỡng đầy đủ và cân đối cho cây trồng tạo năng suất cao. Nếu thiếu phân bón thúc cây trồng còi cọc, kém phát triển, năng suất thấp.