ƯU THẾ CÂY C4(Ngô).SO SÁNH CÂY C4 VỚI CÂY C3

I, ƯU THẾ CÂY C4

Các loại cây quang hợp theo chu trình c4 có các đặc tính ưu việt hơn hẳn các cây quang hợp theo các chu trình khác.Cây ngô là một dẫn chứng điển hình.

-Lá ngô hai mặt đều có khí khổng

-Gữa hai lớp biểu bì, phía ngoài là phần thịt lá,phía trong là phần bó mạch.Mặt cắt ngang khác với các cây kiểu cây c3.Lục lạp ngô gồm 2 loại: lục lạp của tế bào thịt lá với những hạt grama phát triển đầy đủ, chúng tích lủy ít hoặc không tích lủy tinh bột, lục lạp của tế bào bó mạch không có hạt grama, chúng tích lủy nhiều tinh bột.Tổ chức đặc biệt như vậy gọi là tổ chức giải phẩu Kranz.Chính hai loại lục lạp nằm ở hai bộ phận khác nhau như vậy đã làm tách biệt các bước của cây quang hợp kiểu c4.Sau khi đã cố định CO2 sản phẩm thu được biến đổi thành malat và aspactat.những chất này được vận chuyển đến nơi có enzim của chu trình Calvin,tại đó xảy ra biến đổi tạo ra các axit pyruvic lại tham gia phản ứng tái tạo chất nhận CO2: cacbonphotphat-enol, pyruvic .

Tất cả enzim của chu trình Calvin đều nằm ở lục lạp của tế bào bó mạch.Trong khi đó ở lục lạp tế bào thịt lá tập trung các enzim của chu trình c4.Điều đó chứng tỏ quan hệ giữa chu trình c3 và c4 chỉ thực hiện được khi có hai loại lục lạp nằm trên hai vị trị khác nhau, đó là tế bào thịt lá và tế bào bó mạch.Có thể nói quá trình cố định CO2 theo chu trình Calvin đã được bổ sung một vòng nữa với axit bốn nguyên tử cacbon và chu trình c4 hai lần cố định CO2.Chu trình c4 có ái lực rất lớn với CO2, vì trong tế bào thịt lá của kiểu cây c4 số lượng men enol pyruvic cacboxylaza có tác dụng xúc tiến quá trình cố định CO2 ngay khi hàm lượng CO2 xuống thấp đến mức không xác định được (đến 0,1ppm ).

Nhờ có giải phẩu Kranz mà bộ máy quang hợp gắn chặt với hoạt động của dòng nước trong bó mạch, vì vậy các kiểu cây c4 không có quang hô hấp, khả năng thoát khá, dẫn đến mức tiêu tốn cho một đơn vị chất khô thấp, đồng thời quá trình vận chuyển sản phẩm quang hợp đến các bộ phận khác diễn ra nhanh hơn.Trong điều kiện khô hạn, ánh sáng mạnh, cây ngô có thể sản sinh ra lượng chất khô gấp 1,5-2 lần so với cây c3 trong điều kiện tương tự.Nhóm thực vật một lá mầm đồng hoá theo Chu trình C4 có cấu tạo giải phẫu và hoạt động sinh lý khá đặc trưng.

Về hình thái giải phẫu trong lá của nhóm thực vật này có hai loại tế bào khác nhau. Tế bào thịt lá (Mezophyll) nằm ngay sát dưới lớp biểu bì. Tế bào bao bó mạch nằm giữa lá, bao quanh bó mạch. kích thước tế bào lớn hơn, lục lạp dạng lamen và to hơn lục lạp tế bào mezophyll. Các tế bào xếp sít nhau không có gian bào. Số lượng ty thể, peroxyxom nhiều hơn ở tế bào mezophyll.

Tế bào mezophyll nằm sát biểu bì nên có thể tiếp nhận trực tiếp CO2 từ không khí khuyếch tán qua khí khổng. Những sản phẩm quang hợp tạo ra ở đây lại khó đưa đến bó mạch dẫn để vận chuyển đi nuôi các bộ phận khác của cây. Ngược lại tế bào bao bó mạch nằm sâu trong lá nên không thể tiếp nhận CO2 từ không khí cung cấp, những sản phẩm tạo ra ở đây chuyển vào hệ mạch dẫn dễ dàng.

Về hoạt động sinh lý, sinh thái, nhóm thực vật C4 cũng có những đặc trưng riêng. Nhu cầu nhiệt độ cho quang hợp cao hơn thực vật C3. Cường độ ánh sáng bão hoà cao hơn rất nhiều so với thực vật C3. Ngược lại nhu cầu nước, điểm bù CO2 lại thấp hơn thực vật C3. Một đặc điểm rất quan trọng của thực vật C4 là không có quang hô hấp cho nên cường độ quang hợp cao hơn nhiều so với thực vật C3.Đặc điểm chủ yếu của cây c4 là quá trình đồng hoá xảy ra hai giai đoạn ở hai tế bào khác nhau: tế bào thịt lá và tế bào bao bó mạch (chu trình Hatch-Slack).

- Quá trình cacboxyl hoá APEP (Axxit photpho enol pyruvic) tạo nên axit oxalo acetic,. Quá trình này xảy ra ở tế bào mezophyll, sau đó A.oxalo bị khử thành axit malic.

- Quá trình decacboxyl hoá axit malic tạo CO2 và A.pyruvic. CO2 tách ra từ A.Malic được Ribulozo 1,5 dP tiếp nhận thực hiện chu trình Calvin để tạo sản phẩm sơ cấp quang hợp là C6H12O6 sau đó tạo tinh bột.

Việc chuyển axit malic từ tế bào thịt lá vào tế bào bao bó mạch có ý nghĩa quan trọng trong quá trình đồng hoá CO2 của thực vật C4. Ở tế bào bao bó mạch do nằm sâu trong lá nên không tiếp nhận được CO2 từ không khí. Nhờ axit malic từ tế bào mezophyll chuyển vào để decacboxyl hoá tạo CO2 nội bào cung cấp cho chu trình Calvin. Thực vât c4 ưu viêt hơn thưc vât c3 thể hiện: Cường độ quang hợp cao hơn, điểm bù CO2 thấp hơn, điểm bảo hòa ánh sáng cao hơn, nhu cầu nước thấp -> thực vật C4 có năng suất cao hơn thực vật C3. Chu trình C4 gồm 2 giai đoạn: giai đoạn đầu theo chu trình C4 diễn ra ở lục lạp của tế bào nhu mô lá, giai đoạn 2 theo chu trình Calvin diễn ra trong lục lạp của tế bào bao bó mạch.

II.So sánh một số đặc điểm của 2 nhóm thực vật c3 và c4

1.Một số đặc điểm giống nhau giữa thực vật c3 và c4

Giống nhau ở pha sáng quang hợp

-Nơi diễn ra: Tilacôit.

-Nguyên liệu: Nước (Trong lá cây).

-Điều kiện: Khi chiếu sáng, diệp lục

-Tiến trình:

Quang phân li nước:

ánh sáng

2H2O------------> 4H+ + 4e- + O2

Diệp lục

-Vai trò: + cung cấp oxi.

+ bù e cho diệp lục.

+ khử NADP+ --->NADPH.

-Sản Phẩm của pha sáng:

+ O2

+ ATP, NADP: cung cấp cho pha tối.

Pha sáng ở các nhóm thực vật đều giống nhau : là quá trình ôxi hóa H2O nhờ năng lượng ánh sáng → H+ + e- →ATP, NADPH và giải phóng O2. Gồm các pứ sau :

+ Phản ứng kích thích chất diệp lục bởi các photon

+ Phản ứng quang phân li nước nhờ năng lượng hấp thụ từ các photon

+ Phản ứng quang hóa hình thành ATP và NADPH

Thực vât c3 và c4 nói chung là giống nhau chỉ khác nhau chỉ khác nhau trong pha tối quang hợp do cấu tạo lá khác nhau.

Cả 2 con đường đều có chu trình Canvin tạo ra AlPG rồi từ đó hình thành một hợp chất cacbohidrat, axit amin , protein, lipit...

Đều có 3 giai đoạn là giai đoạn cố định CO2 , giai đoạn tái cố định CO2 và giai đoạn tái sinh chất nhận CO2.

2.Một số đặc điểm khác nhau giữa thực vật c3 và c4

Đặc điểm Thực vật C3 Thực vật C4

Cấu tạo lá -1 loại tế bào tham gia quang hợp (tế bào thịt lá)

- Tế bào có cấu trúc xếp lớp - 2 loại tế bào tham gia QH

+ Tế bào thịt lá

+ Tế bào bao bó mạch

- Thịt lá mỏng hướng tâm

- Bao bó mạch xếp lớp.

Hoạt động khí khổng - Khí khổng mở ban ngày Khí khổng mở ban ngày

Cấu trúc lục lạp Lục lạp dạng hạt - Thịt lá: hạt

- Bao bó mạch: lamen

Nhu cầu to tối ưu 10-25oC 30-45oC

Nhu cầu ánh sáng - Trung bình

- Điểm no thấp 1/3 AS mặt trời toàn phần - Mạnh

- Không có điểm no

Điểm bù CO2 30-70 mol/l (cao) 0-10mol/l (thấp)

Nhu cầu H2O Cao Thấp (bằng 1/2 thựuc vật C3)

Sự kìm hãm O2 nồng độ cao - Có - Không (O2 1-100% không ảnh hưởng)

Quang hô hấp Có Không

Chất nhận CO2 Ri 1,5 dP - PEP

- Ri 1,5 dP

Sản phẩm APG (C3) A.oxalo (C4)

Tốc độ đồng hoá - Chậm (10-35 mg/dm2/h) - Cao (40-60 mg/dm2/h)

Đối tượng, điều kiện sống Rông,rêu,cây gỗ lớn.

Hầu hết thực vật trên Trái đất, chủ yếu ở vùng ôn đới và á nhiệt đới.

Sống trong điều kiện khí hậu ôn hoà: cường độ ánh sáng, nhiệt độ, nồng độ O2, CO2 bình thường. TV sống ở vùng nhiệt đới, cận nhiệt đới: Mía, ngô, kê, raudền, cao lương.

TV C4 sống trong điều kiện nống ẩm kéo dài ở vùng nhiệt đới.

Ánh sáng cao, nhiệt độ cao, nồng độ CO2 giảm, nồng O2 tăng.

S¶n phÈm ban ®Çu APG (ChÊt 3C) ChÊt 4C

Tiến trình quang hợp . 1 giai đoạn lớn:Chu trình Canvin:

3 giai đoạn nhỏ:

- Giai đoạn cố định CO2.

- Giai đoạn khử:

+ Sản phẩm của pha sáng (ATP, NADPH) SD để khử APG-> AlPG.

+ AlPG tách khỏi chu trình->C6H12O6

-> sản phẩm khác.

- Giai đoạn tái sinh chất nhận 2 giai đoạn lớn:

-Giai đoạn đầu cố định CO2 xảy ra ở tế bào mô giậu.

- Giai đoạn tái cố định CO2 theo chu trình Canvin xảy ra ở tế bào bao bó mạch.

H×nh th¸i gi¶i phÉu 1 lo¹i lôc l¹p ë tÕ bµo m« giËu.

- L¸ b×nh thường 2 lo¹i lôc l¹p: TÕ bµo m« giËu vµ tÕ bµo bao bã m¹ch.

- G©n l¸ song song: MÝa, Lóa ...

C¬êng ®é quang hîp ThÊp Cao h¬n

§iÓm bï ¸nh s¸ng ThÊp Cao, khã x¸c ®Þnh

N¨ng suÊt Trung b×nh Cao(GÊp ®«i C3)

NGUỒN: PGS.TS. LÊ XUÂN CHÍ QUYẾT