BÀI 2. TRAO ĐỔI NƯỚC VÀ KHOÁNG Ở THỰC VẬT
Trang bìa
Trang bìa
Ảnh
BÀI 2. TRAO ĐỔI NƯỚC VÀ KHOÁNG Ở THỰC VẬT (TIẾT 1)
DẪN DẮT
Mục tiêu bài học
MỤC TIÊU BÀI HỌC
- Trình bày được vai trò của nước đối với thực vật và mô tả được ba giai đoạn của quá trình trao đổi nước trong cây. - Trình bày được cơ chế hấp thụ nước và khoáng ở tế bào lông hút của rễ. - Nêu được sự vận chuyển các chất trong cây theo hai dòng: dòng mạch gỗ và dòng mạch rây. Nêu được vai trò của sự vận chuyển các chất hữu cơ trong mạch rây. - Trình bày được vai trò của quá trình thoát hơi nước và nêu được cơ chế đóng mở của khí khổng.
Mục tiêu bài học
MỤC TIÊU BÀI HỌC
- Nêu được khái niệm dinh dưỡng ở thực vật và vai trò sinh lí của một số nguyên tố khoáng đa lượng và vi lượng đối với thực vật. Quan sát và nhận biết được một số biểu hiện của cây do thiếu khoáng. - Nêu được nguồn cung cấp nitrogen cho cây. Trình bày được quá trình hấp thụ và biến đổi nitrate và ammonium ở thực vật. - Phân tích được một số nhân tố ảnh hưởng đến trao đổi nước và quá trình dinh dưỡng khoáng ở thực vật. - Giải thích được sự cân bằng nước và tưới tiêu hợp lí, phân tích được vai trò của phân bón đối với năng suất cây trồng.
Hoạt động 1 (a)
a) Nước và chất khoáng có vai trò gì đối với thực vật? b) Chúng được thực vật hấp thụ và sử dụng như thế nào?
a) Vai trò của nước và chất khoáng đối với thực vật: Nước, chất khoáng là những chất dinh dưỡng của thực vật + Vai trò của nước đối với thực vật: Nước là thành phần cấu tạo 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; điều hòa nhiệt độ của cơ thể thực vật → Nước tham gia vào thành phần cấu tạo của tế bào và chi phối các quá trình sinh lí diễn ra trong cây. + Vai trò của chất khoáng đối với thực vật: Trong cây, các nguyên tố khoáng thiết yếu có 2 vai trò chính là cấu trúc nên các thành phần của tế bào và điều tiết các quá trình sinh lí.
Hoạt động 1 (b)
a) Nước và chất khoáng có vai trò gì đối với thực vật? b) Chúng được thực vật hấp thụ và sử dụng như thế nào?
b) Sự hấp thụ và sử dụng nước và chất khoáng đối với thực vật: + Nước và chất khoáng được thực vật trên cạn hấp thụ chủ yếu nhờ lông hút ở 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. + Sau khi được hấp thụ, nước và chất khoáng được vận chuyển đến các tế bào của cây chủ yếu nhờ hệ thống mạch gỗ để thực hiện các hoạt động sống.
VAI TRÒ CỦA NƯỚC VÀ CHẤT KHOÁNG
Vai trò của nước
I, VAI TRÒ CỦA NƯỚC VÀ CHẤT KHOÁNG
- Nước, chất khoáng là những chất dinh dưỡng của thực vật. Dinh dưỡng ở thực vật là quá trình hấp thụ nước, chất khoáng và đồng hoá chúng thành chất sống của cơ thể thực vật
1, Vai trò của nước
- Nước chiếm khoảng 70-90% khối lượng tươi của thực vật - Nước tham gia vào thành phần cấu tạo của tế bào và chi phối các quá trình sinh lí diễn ra trong cây, vai trò cụ thể của nước được thể hiện trong sơ đồ dưới đây:
Ảnh
Vai trò của các nguyên tố khoảng
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. - Trong cây, các nguyên tố khoáng thiết yếu có hai vai trò chính, đó là: + Cấu trúc nên các thành phần của tế bào + Điều tiết các quá trình sinh lí - Bảng 2.1 dưới đây thể hiện vai trò của một số nguyên tố đa lượng và vi lượng.
Bảng 2.1
Ảnh
Bảng 2.1. Vai trò của một số nguyên tố khoáng thiết yếu đối với thực vật
Hậu quả của thừa hoặc thiếu nguyên tố khoảng
- Hậu quả của thừa hoặc thiếu nguyên tố khoảng thường được biểu hiện thành các triệu chứng quan sát thấy trên cây như hiện tượng biến màu, biến dạng của lá, thân, quả,... (H2.1)
Ảnh
Hình 2.1 Màu lá cà chua bình thường (a) và triệu chứng biến màu trên lá cà chua khi thiếu một số nguyên tố khoáng (b)
QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI NƯỚC VÀ KHOẢNG Ở THỰC VẬT
Sơ đồ khái quát quá trình trao đổi nước trong cây
II. QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI NƯỚC VÀ KHOẢNG Ở THỰC VẬT
Ảnh
- Trao đổi nước ở cơ thể thực vật diễn ra theo ba giai đoạn: hấp thụ nước ở rễ, vận chuyển nước ở thân và thoát hơi nước ở lá (H 2.2). - Nguyên tố khoáng hoà tan trong nước, do vậy trao đổi khoảng đi kèm với trao đổi nước.
Hình 2.2. Sơ đồ khái quát quá trình trao đổi nước trong cây
Hấp thụ nước và khoáng ở rễ
1, Hấp thụ nước và khoáng ở rễ
- Thực vật trên cạn hấp thụ nước và khoảng từ đất chủ yếu qua rễ nhờ các lông hút. Thực vật thuỷ sinh hấp thụ nước và khoáng từ môi trường nước qua tế bào biểu bì của hầu hết các cơ quan. - Rễ có hình thái và cấu tạo phù hợp với chức năng hút nước và khoảng (H 2.3)
Ảnh
Hình 2.3. Hệ rễ với các tế bào lông hút
Hấp thụ nước ở tế bào lông hút
a) Hấp thụ nước ở tế bào lông hút
- Rễ hấp thụ nước từ đất 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, nghĩa là ưu trương so với dịch trong đất, nên nước sẽ di chuyển từ đất vào tế bào lông hút. - Nồng độ chất tan trong tế bào thực vật duy trì ở mức cao do hai nguyên nhân: + Rễ hấp thụ các ion khoảng từ đất và tích luỹ các chất tan từ quá trình chuyển hoá 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.
Hấp thụ khoáng ở tế bào lông hút
b) Hấp thụ khoáng ở tế bào lông hút
- Rễ hấp thụ khoáng theo hai cơ chế: thụ động và chủ động. + Cơ chế thụ động: Chất khoáng hoà tan trong đất khuếch tán từ đất (nơi có nồng độ chất khoáng cao) vào rễ (nơi 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 hoá bằng năng lượng.
- Nước và các chất khoáng được vận chuyển từ lông hút vào mạch gỗ của rễ theo hai con đường: con đường gian bào và con đường tế bào chất (H 2.4)
c) Vận chuyển nước và chất khoáng từ lông hút vào mạch gỗ của rễ
Vận chuyển nước và chất khoáng từ lông hút vào mạch gỗ của rễ
+ Con đường gian bào: Nước và chất khoáng di chuyển qua thành tế bào và dọc theo không gian giữa các tế bào (gian bào), qua lớp vỏ đến nội bì gặp vành đai Caspary không thẩm nước nên nước và chất khoáng phải xuyên qua lớp màng tế bào nội bì. Kết quả là thực vật có thể kiểm soát được lượng chất khoáng đi vào mạch gỗ của cây. - Con đường tế bào chất: Sau khi vào tế bào lông hút, nước và chất khoáng sẽ di chuyển từ tế bào chất của tế bào lông hút, qua tế bào chất của các lớp tế bào trong rễ thông qua hệ thống cầu sinh chất và vào mạch gỗ ở trung trụ.
c) Vận chuyển nước và chất khoáng từ lông hút vào mạch gỗ của rễ
Hình 2.4
Ảnh
Hình 2.4 Hai con đường vận chuyển của nước và chất khoảng từ lông hút vào mạch gỗ của rễ
Vận chuyển nước và các chất trong thân
2, Vận chuyển nước và các chất trong thân a) Dòng mạch gỗ
- Nước và chất khoáng từ rễ, qua thân, lên lá theo mạch gỗ. - Mạch gỗ (xylem) được cấu tạo từ hai loại tế bào là quản bào và mạch ống (H2.5a). Chúng là các tế bào chết, chỉ còn lại thành tế bào đã thấm lignin (hoá gỗ). Mạch ống có bề ngang rộng hơn, nhưng chiều dài ngắn hơn so với quản bào. - Cách sắp xếp của mạch ống và quản bào trong mạch gỗ tương tự nhau. Cụ thể, các tế bào xếp chồng lên nhau theo chiều thẳng đứng, thông với nhau qua các lỗ ở đầu tận cùng. Trên quản bào và mạch ống còn có các lỗ bên, khiến dòng mạch gỗ có thể vận chuyển theo chiều ngang.
Dòng mạch gỗ
- Dịch mạch gỗ với thành phần chính là nước, chất khoáng và một số chất hoà tan khác như đường, amino acid, hormone, alkaloid, acid hữu cơ,... được vận chuyển thành dòng liên tục trong mạch gỗ nhờ sự kết hợp của ba lực chính (H 2.5b). - 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. Bất kì tác động nào ảnh hưởng hoặc loại bỏ các động lực của dòng mạch gỗ cũng có thể làm ngắt quãng dòng nước vận chuyển trong thân. - Trong tự nhiên, có thể quan sát thấy một số hiện tượng chứng minh cho vai trò của áp suất rễ như hiện tượng rỉ nhựa khi cắt ngang thân cây hay các giọt nước đọng quanh mép lá (hiện tượng ứ giọt) vào buổi sáng hoặc trong điều kiện độ ẩm không khí cao.
Hình 2.5
Ảnh
Hình 2.5. Cấu tạo của mạch gỗ (a) và các động lực của dòng mạch gỗ (b)
Dòng mạch rây
b) Dòng mạch rây
- Khác với kiểu vận chuyển một chiều ở mạch gỗ, trong mạch rây, các chất vận chuyển (dịch mạch rây) có thể di chuyển theo hai hướng, từ lá xuống rễ hoặc ngược lại tuỳ thuộc vào vị trí của cơ quan nguồn so với cơ quan đích. - Mạch rây (phloem) cấu tạo từ các tế bào ống rây và tế bào kèm (H 2.6a). Các tế bào ống rây xếp chồng lên nhau theo chiều thẳng đứng và thông với nhau qua các lỗ ở hai đầu của tế bào. Các tế bào kèm nằm dọc theo các ống rây, cung cấp năng lượng và nguyên liệu duy trì sự sống cho các tế bào ống rây. - Dịch mạch rây có thành phần chính là đường sucrose, ngoài ra còn có các amino acid, hormone, chất khoáng,...
Hình 2.6
Ảnh
Hình 2.6. Cấu tạo mạch rây (a) và chiều vận chuyển các chất trong mạch rây (b)
- Dịch mạch rây được vận chuyển từ cơ quan nguồn (lá) đến cơ quan đích hay cơ quan dự trữ (rễ) hoặc ngược lại, từ cơ quan dự trữ (củ) lên cơ quan sử dụng (lá non, chồi non) xuôi theo chiều gradient nồng độ của các chất vận chuyển (H 2.6b). Mạch rây còn nhận nước từ mạch gỗ chuyển sang, đảm bảo cho quá trình vận chuyển chất tan diễn ra thuận lợi.
Thoát hơi nước ở lá
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. Thoát hơi nước ở lá diễn ra theo hai con đường: qua bề mặt lá và qua khí khổng, trong đó thoát hơi nước qua khí khổng là chủ yếu.
a) Thoát hơi nước qua bề mặt lá
- Lượng hơi nước thoát qua bề mặt lá phụ thuộc vào độ dày tầng cutin và diện tích lá. Ở cây non, lượng nước thoát hơi qua bề mặt lá tương đương với qua khí khổng do lớp cutin bao phủ phiến lá còn mỏng. - Khi cây trưởng thành, tầng cutin dày lên, lượng nước thoát qua bề mặt chỉ chiếm 10 – 20%. Lá của nhóm thực vật sống ở nơi khô hạn thường có tầng cutin dày làm giảm sự thoát hơi nước, giúp tăng khả năng chịu hạn.
Thoát hơi nước qua khí khổng
b) Thoát hơi nước qua 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. - Khí khổng là khe hở trên bề mặt lớp tế bào biểu bì lá được tạo nên giữa hai tế bào khí khổng. Khí khổng đóng hay mở phụ thuộc vào hàm lượng nước trong hai tế bào này (H 2.7). - Cụ thể, do tế bào khí khổng có cấu tạo thành trong dày, thành ngoài mỏng nên khi tế bào hút nước (trương nước), thành ngoài dẫn nhanh hơn thành trong làm cho khí khổng mở ra; ngược lại, khi tế bào mất nước xẹp xuống thì khí khổng đóng lại. - Sự trương nước hay mất nước của tế bào khí khổng được điều tiết bởi hai tác nhân chính đó là ánh sáng và stress.
Thoát hơi nước qua khí khổng
- Ánh sáng thúc đẩy quang hợp làm tăng tổng hợp đường trong tế bào khí khổng và hoạt hoá bơm ion trên màng tế bào khí khổng dẫn đến tăng nồng độ các ion K+, NO3, CI-,... trong tế bào. Kết quả là áp suất thẩm thấu của tế bào khí khổng tăng lên, làm tế bào hút nước và khí khổng mở. Tuy nhiên, nếu cường độ ánh sáng quá mạnh làm tăng nhiệt độ lá, khi đó tế bào khí khổng sẽ bị mất nước và đóng lại. - Khi thực vật bị stress (ví dụ: hạn hán) cây tăng tổng hợp abscisic acid, hàm lượng acid này tăng thúc đẩy bơm ion bơm K+ ra khỏi tế bào và làm khí khổng đóng lại, giúp hạn chế mất nước.
Hình 2.7
Ảnh
Hình 2.7 Khí khổng mở khi tế bào trương nước (a) Hình và đóng khi tế bào mất nước (b)
Vai trò của 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 thoát hơi nước: + Thoát hơi nước ở lá tạo lực hút kéo nước và các chất hoà tan đi theo một chiều từ rễ lên lá. + Trong quá trình thoát hơi nước, khí khổng mở ra tạo điều kiện để CO, từ môi trường khuếch tán vào lá, cung cấp nguyên liệu cho quá trình quang hợp. + Thoát hơi nước làm giảm nhiệt độ bề mặt của lá, đảm bảo cho lá không bị hư hại, đặc biệt trong những ngày nắng nóng.
Hoạt động 2 (a)
a) Nước tham gia vào những hoạt động, quá trình sinh lí nào trong đời sống của thực vật?
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.
Hoạt động 2 (b)
b) Thực vật hấp thụ nước và ion khoáng theo những cơ chế nào?
- Thực vật hấp thụ nước theo cơ chế thẩm thấu: Dịch tế bào biểu bì lông hút của rễ có nồng độ chất tan cao hơn với dịch trong đất (ưu trương hơn so với dịch trong đất) nên nước sẽ di chuyển từ đất vào tế bào lông hút. - Thực vật hấp thụ ion khoáng 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.
Hoạt động 2 (c)
c) Thực vật điều tiết quá trình thoát hơi nước theo cơ chế nào?
- Thực vật điều tiết quá trình thoát hơi nước theo cơ chế điều chỉnh hàm lượng nước trong tế bào khí khổng: + Khi tế bào khí khổng no nước, thành mỏng phía ngoài căng ra làm cho thành dày cong theo, làm khí khổng mở, dẫn đến thoát hơi nước tăng. + Ngược lại, khi tế bào khí khổng mất nước xẹp xuống thì khí khổng đóng lại, làm thoát hơi nước giảm. - Sự trương nước hay mất nước của tế bào khí khổng được điều tiết bởi hai tác nhân chính đó là ánh sáng và stress: + Khi có ánh sáng, khí khổng mở nhưng nếu cường độ ánh sáng quá mạnh làm tăng nhiệt độ lá thì khí khổng sẽ đóng lại. + Khi thực vật bị stress, cây tăng tổng hợp abscisic acid khiến bơm ion bơm K+ ra khỏi tế bào và làm khí khổng đóng lại.
LUYỆN TẬP
Kiến thức cốt lõi
KIẾN THỨC CỐT LÕI
- Nước, chất khoáng là những chất dinh dưỡng của thực vật. Quá trình dinh dưỡng thực vật là quá trình hấp thụ nước, chất khoáng và đồng hoá chúng thành chất sống của cơ thể thực vật. - Hoạt động trao đổi nước ở thực vật diễn ra theo ba giai đoạn kế tiếp nhau gồm: hấp thụ nước ở hệ rẻ, vận chuyển nước ở thân và thoát hơi nước ở lá. Nguyên tố khoáng hoà tan trong nước, do vậy, quá trình trao đổi khoáng đi kèm với trao đổi nước. - Rễ hấp thụ nước theo cơ chế thụ động, trong khi hấp thụ khoáng theo cả cơ chế chủ động và thụ động. - Trong cây tồn tại hai con đường vận chuyển vật chất là dòng mạch gỗ vận chuyển nước, muối khoáng từ rễ lên lá và dòng mạch rây vận chuyển chất hữu cơ từ lá xuống rẻ (hoặc theo chiều ngược lại).
Kiến thức cốt lõi
KIẾN THỨC CỐT LÕI
- Thoát hơi nước diễn ra theo hai con đường: qua bề mặt lá hoặc qua khí khổng. Trong đó, lượng nước bay hơi khỏi lá được điều tiết chủ yếu bởi cơ chế đóng mở khí khổng. - Đất là nguồn cung cấp nitrogen chính cho cây trồng. Cây hấp thụ nitrogen ở hai dạng là NH4+ và NO3-; nhờ quá trình khử nitrate và đồng hoá ammonium, nitrogen vô cơ được chuyển thành dạng hữu cơ. - Hoạt động trao đổi nước và chất khoáng chịu ảnh hưởng của các yếu tố môi trường như ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm đất và không khí,... Trong sản xuất, có thể điều khiển các yếu tố ngoại cảnh và áp dụng chế độ bón phân, tưới nước hợp lí để nâng cao năng suất cây trồng
BT1
Bài tập trắc nghiệm
Lực nào sau đây đóng vai trò là lực đẩy nước từ rễ lên thân, lên lá?
Lực thoát hơi nước
Lực liên kết giữa các phân tử nước với nhau
Lực liên kết giữa các phân tử nước với thành mạch dẫn
Áp suất rễ
BT2
Bài tập trắc nghiệm
Nước được vận chuyển ở thân chủ yếu
qua mạch rây theo chiều từ trên xuống.
từ mạch gỗ sang mạch rây
từ mạch rây sang mạch gỗ
qua mạch gỗ
BT3
Bài tập trắc nghiệm
Khi thiếu Photpho, cây có những biểu hiện như
lá màu vàng nhạt, mép lá màu đỏ và có nhiều chấm đỏ trên mặt lá.
lá nhỏ, có màu xanh đậm, màu của thân không bình thường, sinh trưởng rễ bị tiêu giảm.
lá mới có màu vàng, sinh trưởng rễ bị tiêu giảm.
sinh trưởng còi cọc, lá có màu vàng.