Trao đổi chất khoáng và nitơ ở thực vật
I. Mục tiêu Học xong phần A2 học sinh phải:
- Trình bày được các cơ chế hấp thụ chất khoáng
- Giải thích được vai trò của các nguyên tố khoáng trong đời sống thực vật
- Mô tả được các quá trình trao đổi nitơ trong đất, trong cây.
- Giải thích được mối liên quan giữa quá trình hô hấp với quá trình trao đổi khoáng và nitơ.
II. Tóm tắt nội dung1. Sự hấp thụ các nguyên tố khoáng :
Các chất khoáng ở trong đất thường tồn tại dưới dạng hoà tan và phân ly thành các ion mang điện tích dương (cation) và ion mang điện tích âm (anion)
Các nguyên tố khoáng thường được hấp thụ vào cây dưới dạng ion qua hệ thống rễ là chủ yếu. Có hai cách hấp thụ các ion khoáng ở rễ:
* Cách bị động :
- Các ion khoáng khuyếch tán theo sự chênh lệch nồng độ từ cao đến thấp.
- Các ion khoáng hoà tan trong nước và vào rễ theo dòng nước.
- Các ion khoáng hút bám trên bề mặt các keo đất và trên bề mặt rễ trao đổi với nhau khi có sự tiếp xúc giữa rễ và dung dịch đất. Cách này gọi là hút bám trao đổi.
* Cách chủ động :
Phần lớn các chất khoáng được hấp thụ vào cây theo cách chủ động này. Tính chủ động ở đây được thể hiện ở tính thấm chọn lọc của màng sinh chất và các chất khoáng cần thiết cho cây đều được vận chuyển trái với qui luật khuyếch tán, nghĩa là nó vận chuyển từ nơi có nồng độ thấp ở đất đến nơi có nồng độ cao, thậm chí rất cao (hàng chục, hàng trăm lần) ở rễ. Vì cách hấp thụ khoáng này mang tính chọn lọc và ngược với gradient nồng độ nên cần thiết phải có năng lượng, tức là sự tham gia của ATP và của một chất trung gian , thường gọi là chất mang. ATP và chất mang được cung cấp từ quá trình trao đổi chất, mà chủ yếu là quá trình hô hấp. Như vậy lại một lần nữa chúng ta thấy rằng: Quá trình hấp thụ nước và các chất khoáng đều liên quan chặt chẽ với quá trình hô hấp của rể.
2. Vai trò của các nguyên tố khoáng
*Vai trò của các nguyên tố đa lượng:
Các nguyên tố đa lượng thường đóng vai trò cấu trúc trong tế bào, là thành phần của các đại phân tử trong tế bào (protein, lipit, axit nucleic,…). Các nguyên tố đa lượng còn ảnh hưởng đến tính chất của hệ thống keo trong chất nguyên sinh như: điện tích bề mặt, độ ngậm nước, độ nhớt và độ bền vững của hệ thống keo.
*Vai trò của các nguyên tố vi lượng:
Các nguyên tố vi lượng thường là thành phần không thể thiếu được hầu hết các enzym. Chúng hoạt hoá cho các enzym này trong các quá trình trao đổi chất của cơ thể.
Vai trò của các nguyên tố đa lượng, vi lượng được minh hoạ ở bảng sau :
3. Các con đường dẫn truyền nước, chất khoáng, chất hữu cơ
Quan niệm hiện nay vẫn cho rằng có hai con đường dẫn truyền:
1. Nước, muối khoáng từ rễ lên lá theo mạch gỗ (xilem).
2. Các chất hữu cơ từ lá xuống rễ theo mạch rây (phlôem).
Tuy nhiên hai con đường này không hoàn toàn độc lập với nhau. Chẳng hạn nước có thể từ mạch gỗ sang mạch rây và từ mạch rây về mạch gỗ tuỳ theo thế nước trong mạch rây.
Quan niệm hiện nay vẫn cho rằng có hai con đường dẫn truyền:
1. Nước, muối khoáng từ rễ lên lá theo mạch gỗ (xilem).
2. Các chất hữu cơ từ lá xuống rễ theo mạch rây (phlôem).
Tuy nhiên hai con đường này không hoàn toàn độc lập với nhau. Chẳng hạn nước có thể từ mạch gỗ sang mạch rây và từ mạch rây về mạch gỗ tuỳ theo thế nước trong mạch rây.
*4. Trao đổi nitơ ở thực vật
4.1. Vai trò của Nitơ đối với thực vật:
Rể cây hấp thụ Nitơ ở hai dạng: Nitơ nitrat (NO3-) và Nitơ amôn (NH4+) trong đất. Các dạng Nitơ này được hình thành do sự biến đổi từ Nitơ phân tử trong khí quyển bằng con đường oxy hoá và con đường khử, trong đó con đường cố định Nitơ khí quyển đóng vai trò quan trọng. Ngoài ra các quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ của vi sinh vật đất và lượng phân bón hàng năm đã cung cấp một lượng khá lớn Nitơ cho cây trồng.
4.1. Vai trò của Nitơ đối với thực vật:
Rể cây hấp thụ Nitơ ở hai dạng: Nitơ nitrat (NO3-) và Nitơ amôn (NH4+) trong đất. Các dạng Nitơ này được hình thành do sự biến đổi từ Nitơ phân tử trong khí quyển bằng con đường oxy hoá và con đường khử, trong đó con đường cố định Nitơ khí quyển đóng vai trò quan trọng. Ngoài ra các quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ của vi sinh vật đất và lượng phân bón hàng năm đã cung cấp một lượng khá lớn Nitơ cho cây trồng.
Nitơ có vai trò đặc biệt quan trọng đối với sự sinh trưởng, phát triển của cây trồng và do đó nó quyết định năng suất và chất lượng thu hoạch. Nitơ có trong thành phần của hầu hết các chất trong cây: protein, axit nucleic, các sắc tố quang hợp, các hợp chất dự trữ năng lượng: ADP, ATP, các chất điều hoà sinh trưởng.
Như vậy Nitơ vừa có vai trò cấu trúc, vừa tham gia trong các quá trình trao đổi chất và năng lượng. Nitơ có vai trò quyết định đến toàn bộ các quá trình sinh lý của cây trồng.
Như vậy Nitơ vừa có vai trò cấu trúc, vừa tham gia trong các quá trình trao đổi chất và năng lượng. Nitơ có vai trò quyết định đến toàn bộ các quá trình sinh lý của cây trồng.
4.2. Quá trình cố định nitơ khí quyển
Nitơ phân tử (N2) có một lượng lớn trong khí quyển (%)và mặc dù “tắm mình trong biển khí nitơ” phần lớn thực vật vẫn hoàn toàn bất lực trong việc sử dụng khi nitơ này. May mắn thay nhờ có Enzym Nitrogenaza và lực khử mạnh (Fred-H2, FAD-H2, NAD-H2), một số vi khuẩn sống tự do và cộng sinh đã thực hiện được việc khử N2 thành dạng nitơ cây có thể sử dụng được: NH4+. Đó chính là quá trình cố định nitơ khí quyển, thực hiện bởi các nhóm vi khuẩn tự do (Azôtobacterium, Closterium, Anabaena, Nostoc,…) và các vi khuẩn cộng sinh (Rhizobium trong nốt sần rễ cây Bộ Đậu, Anabaena azolleae trong cây dương xỉ -Azolla: bèo hoa dâu) theo cơ chế sau:
Các vi khuẩn tự do có thể cố định hàng chục kilogam NH4+, còn các vi khuẩn cộng sinh có thể cố định hàng trăm kilogam NH4+/ha/năm.
Nitơ phân tử (N2) có một lượng lớn trong khí quyển (%)và mặc dù “tắm mình trong biển khí nitơ” phần lớn thực vật vẫn hoàn toàn bất lực trong việc sử dụng khi nitơ này. May mắn thay nhờ có Enzym Nitrogenaza và lực khử mạnh (Fred-H2, FAD-H2, NAD-H2), một số vi khuẩn sống tự do và cộng sinh đã thực hiện được việc khử N2 thành dạng nitơ cây có thể sử dụng được: NH4+. Đó chính là quá trình cố định nitơ khí quyển, thực hiện bởi các nhóm vi khuẩn tự do (Azôtobacterium, Closterium, Anabaena, Nostoc,…) và các vi khuẩn cộng sinh (Rhizobium trong nốt sần rễ cây Bộ Đậu, Anabaena azolleae trong cây dương xỉ -Azolla: bèo hoa dâu) theo cơ chế sau:
Các vi khuẩn tự do có thể cố định hàng chục kilogam NH4+, còn các vi khuẩn cộng sinh có thể cố định hàng trăm kilogam NH4+/ha/năm.
4.3. Quá trình biến đổi Nitơ trong cây
* Quá trình Amôn hóa: NO3- => NH4+
Cây hút được từ đất cả hai dạng nitơ oxy hóa (NO3-) và nitơ khử ( NH4+), nhưng cây chỉ cần dạng NH4+ để hình thành các axit amin nên việc trước tiên mà cây phải làm là việc biến đổi dạng NO3- thành dạng NH4+.
Quá trình amôn hoá xảy ra theo các bước sau đây:
* Quá trình Amôn hóa: NO3- => NH4+
Cây hút được từ đất cả hai dạng nitơ oxy hóa (NO3-) và nitơ khử ( NH4+), nhưng cây chỉ cần dạng NH4+ để hình thành các axit amin nên việc trước tiên mà cây phải làm là việc biến đổi dạng NO3- thành dạng NH4+.
Quá trình amôn hoá xảy ra theo các bước sau đây:
NO3- —> NO2- —> NH4+
* Quá trình hình thành axit amin:
Quá trình hô hấp của cây tạo ra các xêtoaxit (R-COOH), và nhờ quá trình trao đổi nitơ các xêto axit này có thêm gốc NH2 để thành các axit amin.
Có 4 phản ứng để hình thành các axit amin và sau đó có các phản ứng chuyển amin hóa để hình thành 20 axit amin và từ các axit amin này thực vật có thể tạo vô vàn các protein và các hợp chất thứ cấp khác của thực vật.
Sau đây là các phản ứng khử amin hoá để hình thành các axit amin:
- xetoglutaric + NH2 = glutamin
- axit pyruvic + NH2 = alanin
- axit fumaric + NH2 = aspartic
- axit oxaloaxetic + NH2 = aspartic
Quá trình hô hấp của cây tạo ra các xêtoaxit (R-COOH), và nhờ quá trình trao đổi nitơ các xêto axit này có thêm gốc NH2 để thành các axit amin.
Có 4 phản ứng để hình thành các axit amin và sau đó có các phản ứng chuyển amin hóa để hình thành 20 axit amin và từ các axit amin này thực vật có thể tạo vô vàn các protein và các hợp chất thứ cấp khác của thực vật.
Sau đây là các phản ứng khử amin hoá để hình thành các axit amin:
- xetoglutaric + NH2 = glutamin
- axit pyruvic + NH2 = alanin
- axit fumaric + NH2 = aspartic
- axit oxaloaxetic + NH2 = aspartic
4.4. Vấn đề bón phân hợp lý cho cây trồng
Theo sự tính toán của các nhà Sinh lí thực vật, phân bón quyết định 50% năng suất cây trồng. Vì vậy vấn đề bón phân hợp lí cho cây trồng là vấn đề hết sức quan trọng trong nông nghiệp. Cũng như vấn đề tưới nước hợp lí, vấn đề bón phân hợp lí cho cây trồng cũng phải trả lời và thực hiện bốn vấn đề sau: Bón bao nhiêu, bón khi nào, bón thế nào và bón phân gì?
a) Về lượng phân bón phải căn cứ vào các yếu tố sau đây:
- Nhu cầu dinh dưỡng của cây trồng (lượng chất dinh dưỡng để hình thành một đơn vị thu hoạch).
- Khả năng cung cấp chất dinh dưỡng của đất.
- Hệ số sử dụng phân bón.
Dựa vào các yếu tố này ta có thể tính được lượng phân bón cần thiết cho một thu hoạch định trước.
Hãy tính lượng phân bón nitơ cần thiết để có một thu hoạch 50 tạ thóc /ha? Biết rằng: Nhu cầu dinh dưỡng của lúa là: 1, 4 kg nitơ / tạ thóc, lượng chất dinh dưỡng còn lại trong đất bằng 0, hệ số sử dụng phân nitơ là 60%.
Cách tính như sau:
Lượng nitơ cần phải bón: (1,4 . 50 . 100)/60 = 116, 7 kg Nitơ
b) Về thời kì bón phân phải căn cứ vào các quá trình sinh trưởng của mỗi loại cây trồng- Nhu cầu dinh dưỡng của cây trồng (lượng chất dinh dưỡng để hình thành một đơn vị thu hoạch).
- Khả năng cung cấp chất dinh dưỡng của đất.
- Hệ số sử dụng phân bón.
Dựa vào các yếu tố này ta có thể tính được lượng phân bón cần thiết cho một thu hoạch định trước.
Hãy tính lượng phân bón nitơ cần thiết để có một thu hoạch 50 tạ thóc /ha? Biết rằng: Nhu cầu dinh dưỡng của lúa là: 1, 4 kg nitơ / tạ thóc, lượng chất dinh dưỡng còn lại trong đất bằng 0, hệ số sử dụng phân nitơ là 60%.
Cách tính như sau:
Lượng nitơ cần phải bón: (1,4 . 50 . 100)/60 = 116, 7 kg Nitơ
c) Về cách bón phân: bón lót (bón trước khi trồng), bón thúc (bón trong quá trình sinh trưởng của cây) và có thể bón phân qua đất hoặc bón phân qua lá.
d) Việc bón phân gì phải căn cứ vào vai trò của mỗi loại phân bón và biểu hiện của cây khi thiếu dinh dưỡng.
III. Trả lời câu hỏi và bài tập
Câu 1. Nêu được hai cơ chế hấp thụ khoáng: cơ chế bị động và cơ chế chủ động với các hình thức như đã nêu trong SGK. Phân biệt sự khác nhau giữa hai cơ chế: Cơ chế bị động chủ yếu theo cơ chế khuếch tán và không cần năng lượng. Cơ chế chủ động là cơ chế hấp thụ các chất ngược với gradien nồng độ, do đó đòi hỏi cung cấp năng lượng và đôi khi cả các chất trung gian (chất mang)
Câu 2. Nêu vai trò chung của các nguyên tố đại lượng: là thành phần của các đại phân tử trong tế bào, tham gia vào cấu trúc của các thành phần của tế bào, mô, cơ quan, cơ thể.
Vai trò của các chất cụ thể: trả lời theo các kiến thức trình bày trong SGK, cần lưu ý vai trò đặc trưng của từng nguyên tố. Ví dụ: N là thành phần của chất diệp lục, thành phần quan trọng trong hợp chất protein, axit nucleic. P là thành phần quan trọng trong các chất dự trữ năng lượng và trong axit nucleic. K có vai trò chủ yếu trong việc cân bằng nước và ion. Mg là thành phần của chất diệp lục. Ca là thành phần quan trọng của thành tế bào. S là thành phần của một số axit amin quan trọng như xistin, xistein, metionin.
Câu 3. Vai trò chung của các nguyên tố vi lượng: Dựa vào các kiến thức trong SGK để trả lời. Chú ý đến vai trò tham gia vào quá trình trao đổi chất với tư cách là thành phần của các coenzim và hoạt hoá enzim. Một số nguyên tố cụ thể: Fe có vai trò hoạt hoá enzim tổng hợp chất diệp lục. Co tham gia hoạt hoá enzim nitrogenaza. B tham gia hoạt hoá enzim auxin – oxidaza.
Câu 4. – Nêu được hai nhóm vi khuẩn cố định nitơ khí quyển
- Nêu được 4 điều kiện cố định nitơ khí quyển
- Nêu cơ chế cố định nitơ khí quyển – cơ chế khử
Câu 5. – Nêu quá trình khử nitrat với các lực khử NADH và FedH2
- Nêu quá trình đồng hoá nhóm NH4+ để hình thành axit amin với 4 phản ứng khử amin hoá và amin hoá.
Sưa tầm
Câu 2. Nêu vai trò chung của các nguyên tố đại lượng: là thành phần của các đại phân tử trong tế bào, tham gia vào cấu trúc của các thành phần của tế bào, mô, cơ quan, cơ thể.
Vai trò của các chất cụ thể: trả lời theo các kiến thức trình bày trong SGK, cần lưu ý vai trò đặc trưng của từng nguyên tố. Ví dụ: N là thành phần của chất diệp lục, thành phần quan trọng trong hợp chất protein, axit nucleic. P là thành phần quan trọng trong các chất dự trữ năng lượng và trong axit nucleic. K có vai trò chủ yếu trong việc cân bằng nước và ion. Mg là thành phần của chất diệp lục. Ca là thành phần quan trọng của thành tế bào. S là thành phần của một số axit amin quan trọng như xistin, xistein, metionin.
Câu 3. Vai trò chung của các nguyên tố vi lượng: Dựa vào các kiến thức trong SGK để trả lời. Chú ý đến vai trò tham gia vào quá trình trao đổi chất với tư cách là thành phần của các coenzim và hoạt hoá enzim. Một số nguyên tố cụ thể: Fe có vai trò hoạt hoá enzim tổng hợp chất diệp lục. Co tham gia hoạt hoá enzim nitrogenaza. B tham gia hoạt hoá enzim auxin – oxidaza.
Câu 4. – Nêu được hai nhóm vi khuẩn cố định nitơ khí quyển
- Nêu được 4 điều kiện cố định nitơ khí quyển
- Nêu cơ chế cố định nitơ khí quyển – cơ chế khử
Câu 5. – Nêu quá trình khử nitrat với các lực khử NADH và FedH2
- Nêu quá trình đồng hoá nhóm NH4+ để hình thành axit amin với 4 phản ứng khử amin hoá và amin hoá.
Sưa tầm
