So sánh thực vật C3, C4 và CAM
Câu hỏi: So sánh thực vật C3, C4 và CAM. Trả lời:
*Giống nhau ở pha sáng gồm:
+ Quang lí: Diệp lục hấp thụ năng lượng ánh sáng mặt trời => dạng kích thích
+ Quang phân li nước: Sử dụng năng lượng mà diệp lục nhận được để phân li nước theo phương trình 2H2O → 4H+ + 4e- + O2
+ Quang hóa: hình thành ATP, NADPH *Khác nhau Đặc điểm Thực vật C3 Thực vật C4 Thực vật CAM Môi trường Khí hậu ôn hòa,
1 số TV nhiệt đới, cận TV thân mọng sống
cường độ ánh sáng nhiệt đới, cường độ nước vùng khô bình thường AS mạnh hạn hoang mạc Đại diện Lúa, đậu.. Ngô, mía Xương rồng, dứa Giải phẫu Không Có Không Kranz (có 2
- Có 1 loại lục lạp ở - Có 2 loại lục lạp ở tế - Có 1 loại lục lạp loại lục lạp) tế bào mô giậu bào mô giậu, tế bào ở tế bào mô giậu - Lá bình thường bao bó mạch - Lá mọng nước - Lá bình thường Chất nhận RDP PEP PEP CO2 đầu tiên Sản phẩm APG (C3) AOA (C4) AOA (C4) đầu tiên Enzym RDP-cacboxylase PEP - cacboxylase PEP-cacboxylase cacboxyl hoá RDP-cacboxylase RDP-cacboxylase Thời gian cố Ngoài sáng Ngoài sáng Trong tối định CO2 Quang hô Cao Rất thấp Rất thấp hấp Nhiệt độ 20 - 30oC 25 - 35oC 30 - 40oC thích hợp Ức chế Có Không Có quang hợp bởi O2 Hiệu ứng Kìm hãm Kích thích Kích thích nhiệt độ cao lên quang hợp (30- 40oC)
Điểm bù CO2 Cao (25 -100 ppm) Thấp (0-10 ppm) Thấp (0-5 ppm) Điểm
bão Thấp: 1/3 ánh sáng Cao, khó xác định Cao, khó xác định hòa
ánh mặt trời toàn phần sáng Năng
suất Trung bình đến cao Cao Thấp sinh vật học Sự thoát hơi Cao Thấp Rất thấp nước (Nhu cầu nước) I. Thực vật C3
- Thực vật C3 phân bố mọi nơi trên trái đất, gồm các loài rêu cho đến các loài cây gỗ trong rừng. 1. Pha sáng
- Là pha chuyển hóa năng lượng ánh sáng đã được diệp lục hấp thụ thành năng lượng
của các liên kết hóa học trong ATP và NADPH.
- Pha sáng diễn ra ở tilacôit khi có chiếu sáng.
- Trong pha sáng, năng lượng ánh sáng được sử dụng để thực hiện quá trình quang
phân li nước, O2 được giải phóng là O2 của nước. 2H2O → 4H+ + 4e- + O2
- ATP và NADPH của pha sáng được sử dụng trong pha tối để tổng hợp các hợp chất hữu cơ. 2. Pha tối
- Pha tối ở thực vật C3 diễn ra trong chất nền (strôma) của lục lạp.
- Pha tối ở thực vật C3 chỉ có một chu trình Canvin, được chia thành 3 giai đoạn:
+ Giai đoạn cố định CO2.
+ Giai đoạn khử APG (axit phôtphoglixêric) → AllPG (aldehit phosphoglixeric) → tổng
hợp nên C6H12O6 → tinh bột, axit amin…
+ Giai đoạn tái sinh chất nhận ban đầu là Rib – 1,5 điP (ribulôzơ – 1,5 điphôtphat). II. Thực vật C4 1. Đại diện
Gồm một số loài thực vật sống ở vùng nhiệt đới như: mía, rau dền, ngô, cao lương, kê…
2. Chu trình quang hợp ở thực vật C4
Pha tối gồm chu trình quang hợp ở thực vật C4 bao gồm: cố định CO2 tạm thời (chu
trình C4) và tái cố định CO2 theo chu trình Canvin. Cả hai chu trình đều diễn ra vào ban
ngày, nhưng ở 2 loại tế bào khác nhau trên lá.
- Giai đoạn cố định CO2 tạm thời diễn ra ở tế bào mô giậu
+ Chất nhận CO2 đầu tiên là 1 hợp chất 3C (photphoenol pyruvic – PEP)
+ Sản phẩm ổn định đầu tiên là hợp chất 4C (axit oxaloaxetic – AOA), sau đó chuyển
hóa thành một hợp chất 4C khác là axit malic (AM) trước khi chuyển vào tế bào bao bó mạch
- Giai đoạn tái cố định CO2 diễn ra ở tế bào bao bó mạch
+ AM bị phân hủy để giải phóng CO2 cung cấp cho chu trình Canvin và hình thành nên
hợp chất 3C là axit pyruvic
+ Axit pyruvic quay lại tế bào mô giậu để tái tạo chất nhận CO2 đầu tiên là PEP
+ Chu trình C3 diễn ra như ở thực vật C3
- Thực vật C4 ưu việt hơn thực vật C3: cường độ quang hợp cao hơn, điểm bù
CO2 thấp hơn, điểm bão hòa ánh sáng cao hơn, thoát hơi nước thấp hơn. Nhờ vậy,
thực vật C4 có năng suất cao hơn thực vật C3. III. Thực vật CAM
1. Một số đặc điểm nhận biết thực vật CAM
+ Loài thực vật chịu hạn có các lá dày với tỷ số diện tích bề mặt nhỏ hơn so với thể tích.
Chúng thường có lớp cutin dày để bảo vệ không bị khô héo trước ánh nắng mặt trời gay gắt.
Các khí khổng (lỗ thở) có thể đóng và ban ngày hoặc bị chìm xuống thành các hốc lõm ngăn thoát hơi nước.
Một số loại sẽ rụng lá vào mùa khô (không phải mùa lạnh).
Thích hợp sống tại vùng có nhiệt độ cao (trên 30 độ) và ít CO2(sa mạc, núi đá)
Cây rất dễ bị thối rễ hoặc úng lá nếu tưới nhiều và đất không kịp thoát nước.
Một số loại khác có thể lưu giữ nước trong các không bào (xương rồng, lan và dứa, sen đá).
2. Cơ chế quang hợp CAM
Thực vật CAM đóng kín các khí khổng trong thời gian ban ngày nhằm giữ gìn nước
bằng cách ngăn cản quá trình thoát-bốc hơi nước. Các khí khổng sẽ được mở ra vào
thời gian ban đêm lạnh và ẩm hơn, cho phép chúng hấp thụ CO2 để sử dụng trong quá
trình cố định cacbon (chuyển hóa chất dinh dưỡng). Cơ chế CAM cho phép các loài
thực vật này có thể phát triển bình thường trong các điều kiện môi trường mà nếu khác
đi thì là quá khô hạn đối với sự phát triển của chúng, hay ít nhất ra là làm cho chúng có
thể chịu đựng được các điều kiện cực kỳ khô hạn.
- Pha tối ở thực vật CAM gần giống với pha tối ở thực vật C4, điểm khác biệt là về thời gian:
+ Ở thực vật C4, cả 2 chu trình của pha tối đều diễn ra vào ban ngày.
+ Ở thực vật CAM thì chu trình đầu cố định CO2 tạm thời được thực hiện vào ban đêm
khi khí khổng mở và chu trình Canvin tái cố định CO2 thực hiện vào ban ngày khi khí khổng đóng.
Quá trình tổng hợp chất hữu cơ của thực vật CAM được bắt đầu khi hợp chất 3 -
cacbon là Photphoenolpyruvat được Cacboxylat hóa thành Oxaloaxetat và nó sau đó bị
khử để tạo ra Malat. Thực vật CAM lưu trữ các trung gian 4- cacbon này cùng các hợp
chất hữu cơ đơn giản khác trong các không bào của chúng. Muối malat dễ dàng bị phá
vỡ thành Pyruvat và CO2, sau đó pyruvat được Photphorylat hóa để tái sinh
Photphoenolpyruvat (PEP). Trong thời gian ban ngày, axít malic bị chuyển ra khỏi các
không bào và bị phân tách ra để tạo thành CO2 sao cho nó có thể được enzym
RuBisCO sử dụng trong chu trình Calvin-Benson trong chất nền đệm của lục lạp. Bằng
cách này nó làm giảm tốc độ thoát - bốc hơi nước trong quá trình trao đổi khí.
Thực vật CAM có khả năng giữ nước rất tốt, cũng như rất hiệu quả trong việc sử dụng
nitơ. Tuy nhiên, chúng là không hiệu quả trong việc hấp thụ CO2, do vậy chúng là các
loại cây phát triển chậm khi so sánh với các loài thực vật khác. Ngoài ra, thực vật CAM
cũng tránh quang hô hấp. Enzym chịu trách nhiệm cố định cacbon trong chu trình
Calvin, Rubisco, không thể phân biệt CO2 với ôxy. Kết quả là thực vật sử dụng năng
lượng để phá vỡ các hợp chất cacbon.