Chuong 2-sltv-Su hap thu va van chuyen nuoc ppt

Chóp rễ– Bảo vệ mô phân sinh ngọn rễ – Tiết mucigel một dạng gelatin: • Giúp ngọn rễ không bị khô • Kích thích sự chuyển các chất dinh dưỡng vào rễ • Kích thích sự tương tác của rễ với c

Gv: dnth

Sơ đồ lát cắt dọc

của rễ

1.1 Rễ

• Có 3 vùng chính:

– Vùng mô phân sinh ngọn với chóp rễ

– Vùng kéo dài với các tế bào phân hóa của mô mộc, libe và nhu mô vỏ

– Vùng trưởng thành với các lông rễ

• Chức năng chủ yếu:

– Hấp thu nước, muối khoáng từ dịch đất

Mặt cắt ngang của rễ

Chóp rễ

– Bảo vệ mô phân sinh ngọn rễ

– Tiết mucigel (một dạng gelatin):

• Giúp ngọn rễ không bị khô

• Kích thích sự chuyển các chất dinh dưỡng vào rễ

• Kích thích sự tương tác của rễ với các vi sinh vật trong đất

• Tế bào Columella biệt hóa

thành tế bào peripheral

trong vòng 2 - 3 ngày,

bao lấy lớp columella

– Lớp tế bào này sẽ bị rời

khỏi chóp khi rễ cây đâm

sâu vào trong đất.

• Lớp tế bào Peripheral tiết

ra một lượng lớn mucigel

Tế bào Peripheral Mucigel

• Là một polysaccharide ngậm nước

chứa đường, các acid hữu cơ,

vitamins, enzymes, và các acid amin.

• Chức năng:

– Bảo vệ rễ

– Làm trơn rễ khi chúng xuyên vào

trong đất

– Hấp thu nước giúp duy trì liên kết giữa

rễ và nước tạo thành dòng liên tục

– Hấp thu chất dinh dưỡng thông qua

con đường hấp thu nước

Lông hút ở cây mầm và cây trưởng thành

Cấu trúc đất

4 thành phần chính của đất

1.3 Khả năng giữ nước của đất

• Độ ẩm của đất (hàm lượng nước của đất)

– Bằng % khối lượng khô của đất

– Nước dùng được cho cây phụ thuộc vào lực liên kết giữa nước và các thành phần đất

• Lực mao dẫn

• Lực hút

• Lực thẩm thấu

Lực mao dẫn (capillary force)

• Sinh ra do sự giữ nước trong các kẽ hở nhỏ của đất.

• Lực này yếu nên không gây khó khăn cho

sự hấp thu nước của cây

Lực hút (adsorbtive force)

• Được sinh ra do lực hút tĩnh điện giữa các điện tích (-) ở bề mặt chất keo và điện tích (+) của nước.

• Lực này mạnh nên giữ chặt nước trong đất, nhất là đất sét và mùn → cây rất

khó hấp thu nước trong loại đất này.

Adsorbed water

Capillary water

Enlarged soil particles or aggregates

Nước được giữ lại trong đất chủ yếu ở 2 dạng:

- trong các kẽ hở nước mao dẫn (capillary water)

- được hấp thu ở bề mặt đất nước hấp thu (adsorbed water)

Lực thẩm thấu (osmosis)

• Tùy thuộc vào nồng độ ion trong dịch đất.

• Nước cấu tạo là phần nước được cố định bởi liên kết cao năng trong các muối ngậm nước

cây không thể hấp thu được nước này

• Đất nhiều nước lực thẩm thấu yếu (< 1bar)

dịch đất = nước tự do của đất thế nước ( ψ ) cao

• Đất khô lực hút tăng thế nước giảm

Nước luôn lưu thông trong đất theo hướng thế nước giảm dần từ nơi ẩm (xa rễ) đến nơi khô hơn (gần rễ)

• Khả năng giữ nước tối đa: độ ẩm của đất đã bão hòa nước

• Độ ẩm tương đương (khả năng đồng ruộng – field capacity, FC hay θfc): độ ẩm ổn định của đất sau

sự bốc thoát nước

• Điểm héo (wilting point - WP hay θwp ): độ ẩm của đất mà ở đó thực vật héo không hoàn nghịch

• Dự trữ nước dùng được cho cây Available Water Capacity (AWC) = sai biệt giữa độ ẩm tương đương và điểm héo

AWC = θfc - θwp

– Theo tính toán thực tế, độ ẩm tương đương gần gấp đôi điểm héo → dự trữ nước dùng được cho cây ≈ 1/2 độ ẩm tương đương

Dự trữ nước dùng được cho cây

giữa 2 điện tích khác dấu

của các phân tử nước

cạnh nhau tạo thành

mạng lưới

Nước tối cần thiết cho tất cả các cơ thể sống

• Hầu hết sinh vật đều chứa ít nhất 70% nước;

– Xà lách chứa tới 95% nước

• Khi sinh vật đi vào giai đoạn tiềm sinh, hầu hết nước trong cơ thể bị mất đi;

– Hạt và chồi ngủ chứa ít hơn 10% nước

• Trái đất là một hành tinh nước

– Các nhà thiên văn luôn tìm kiếm nước trong không gian

• Là nguồn tài nguyên có giới hạn

– Nhất là đối với năng suất mùa màng

Nước trên trái đất

2.2 Các đặc tính của nước

• Là một dung môi hoàn hảo

• Giúp thực vật giảm bớt các dao động nhiệt

• Có khả năng kết dính và bám chặt

• Tạo áp suất thủy tĩnh

• Có sức căng bề mặt lớn

Nước là một dung môi hoàn hảo

• Phân tử nước nhỏ, hữu cực → hòa tan dễ dàng các chất, nhất là các ion và các chất tích điện

Nước giúp thực vật giảm bớt dao động nhiệt

• Nước cần một nhiệt lượng tương đối lớn để phá

vỡ cầu nối hydrogen và bốc hơi

→ Giúp thực vật giảm bớt các dao động nhiệt

→ Làm mát lá nhờ sự thóat hơi nước

tử nướcNhờ liên kết hydro,

Dòng chảy của nước trong thân cây từ rễ lên ngọn

Nước tạo áp suất thủy tĩnh

• Mô hình vật lý ống tiêm bịt kín đầu

– Đẩy piston → nước bị ép → tạo áp suất thủy tĩnh dương (kháng lại lực đẩy)

– Kéo piston → nước tạo sức căng → áp suất thủy tĩnh âm (kháng lại lực kéo)

Mô hình ống tiêm bịt kín đầu tạo áp suất thủy tĩnh dương và âm

kéo vào trong

→Giọt nước có hình cầu

Ảnh hưởng của nhiệt độ lên sức căng

bề mặt của nước

2.3 Hàm lượng nước của thực vật

• Cách biểu diễn

Trong đó:

θt: hàm lượng nước của vật liệu tươi

θk: hàm lượng nước của vật liệu khô E: trọng lượng nước

P: trọng lượng của vật liệu tươi p: trọng lượng của vật liệu khô

Hay

% 100

Sự thay đổi hàm lượng nước của thực vật

• Thay đổi tùy loài, mô, cơ quan và trạng thái sinh

Khả năng giữ nước của thực vật

3.1 Mao dẫn

• Giúp nước đi lên trong

ống mao dẫn

• Chiều cao cột nước tùy

thuộc vào hai lực:

– Trọng lực

sức căng bề mặt của nước.

• Lực kéo = chu vi x sức căng bề mặt

tc= = D

→ Cần 2,5 s (giây) để một phân tử nhỏ khuếch tán qua tế bào có θ ≈ vài chục µm

→ Cần 109s (≈ 32 năm) để phân tử đó đi qua 1m chiều dài lá bắp

Sự khuếch tán chỉ có hiệu quả trong phạm

vi tế bào, quá chậm để vận chuyển đường dài trong các mạch

3.3 Dòng khối

• Là quá trình vận chuyển nước

theo khuynh độ áp suất

– Vd: Cái vòi nước Mở vòi, nước sẽ

trào ra do áp suất bên trong ống cao hơn so với áp suất không khí bên ngoài.

• Đây là cơ chế quan trọng giúp

nước di chuyển theo đường dài

trong mạch mộc, libe, vách tế

bào và trong đất

3.4 Thẩm thấu

• Mô hình vật lý

Thẩm thấu kế Dutrochet Thẩm thấu kế Pfeffer

Khái niệm

• Thẩm thấu là quá trình di chuyển của một dung môi qua màng

• Trong sinh học, thẩm thấu là quá trình

khuyếch tán của nước qua một màng thấm chọn lọc (màng tế bào)

– Màng thấm chọn lọc:

• cho nước và các phân tử nhỏ không tích điện,

• cản các phân tử kích thước lớn, các chất tích điện

Aquaporin

nước đi xuyên qua lõi

thích nước của protein

xuyên màng

• Sự thẩm thấu chịu ảnh hưởng bởi

– khuynh độ nồng độ (trong khuyếch

tán) và

– khuynh độ áp suất (trong dòng khối)

• Hướng và tốc độ di chuyển của

nước qua màng được xác định

bởi lực dẫn kép

• Lực dẫn kép phát sinh do một

khuynh độ thế hóa học của nước

hay khuynh độ thế nước

T: nhiệt độ tuyệt đối (độ Kelvin, 0 K = -273,16 0 C)

Cs: nồng độ tổng cộng các chất hoà tan trong dung dịch

π = RTC là áp suất thẩm thấu của dung dịch

• Áp suất thẩm thấu là áp suất cần để làm dừng quá trình thẩm thấu

dilute more

concentrated

• Áp suất thẩm thấu là lực của sự thẩm thấu

Phương trình thế nước

∀ ψ giảm khi π tăng, áp suất thủy tĩnh âm trong tế bào phát triển

∀ ψ tăng khi π giảm, áp suất thủy tĩnh

dương trong tế bào phát triển

• Thế nước luôn âm trong dung dịch

ψ = - π + P

4.2 Nước trong tế bào thực vật

• Thay đổi trạng thái liên tục do thế nước luôn thay đổi

• Sự vận chuyển nước qua màng luôn là quá trình thụ động → “xuống” khuynh độ thế nước

– Nước đi vào khi ψ thực vật âm (thấp) hơn ψđất

– Nước đi ra khi ψ đất âm hơn ψ thực vật

Thí dụ về hướng của dòng nước qua

Co nguyên sinh và trương nước của tế bào

• Đặt tế bào vào dung dịch nhược trương

→ ψ dung dịch > ψ tế bào → nước vào tế bào

→ Tế bào trương nước

• Đặt tế bào vào dung dịch ưu trương

→ ψ dung dịch < ψ tế bào → nước ra khỏi tế bào

→ Tế bào co nguyên sinh

Thay đổi thể tích tạm thời

Dung dịch ưu trương Dung dịch đẳng trương

Dung dịch nhược trương

Nhăn Bình thường

Vỡ tế bào

Co nguyên sinh Bình thường

Trương nước

Tế bào thực vật

Tế bào động vật

4.3 Các phương pháp đo thế nước

• Đo sự thay đổi trọng lượng mô

– Là phương pháp đơn giản nhất

– Cho các khúc cắt mô đồng dạng vào một dãy

dung dịch có nồng độ tăng dần; sau một thời gian nhất định đem cân và tính sai biệt trọng lượng

• Dùng phòng áp suất

– Dùng để đo áp suất thủy tĩnh âm trong mạch

mộc

Đo sự thay đổi trọng lượng mô

0,1M 0,2M 0,3M 0,4M

• Thế nước của mô = thế thẩm thấu của dung dịch

• Công thức van’t Hoff tính thế thẩm thấu:

ψs = -C γ RT

• C, nồng độ mol của dung dịch

∀ γ = 1 đối với các dung dịch trung tính (sorbitol, manitol)

• R, hằng số khí = 0,00831

Dùng phòng áp suất

• Dùng để đo áp suất thủy tĩnh âm trong mạch mộc

5.1 Nước từ dịch đất tới bề mặt rễ

• Rễ hút nước → áp suất gần bề mặt rễ giảm

→ khuynh độ áp suất phát triển → nước theo

kẽ hở đi đến rễ

→ Nước di chuyển trong đất theo cơ chế

dòng khối

• Khi đất khô, bóng khí trong đất làm gián

đoạn dòng nước → nước bám sát vào thành của các kẽ hở trong đất → cây khó hấp thu nước

• Từ biểu bì đến nội bì

– Con đường apoplast– Con đường symplast– Con đường qua màng

• Qua nội bì

• Vào mạch mộc

5.2 Nước từ bề mặt rễ tới mạch mộc

Đường đi của nước từ rễ tới mạch mộc

– Con đường symplast ,

trong tế bào chất qua

cầu liên bào

– Con đường qua màng ,

qua các màng nguyên

sinh chất và màng

Các ngăn trong tế bào

Các con đường vận chuyển nước

Con đường apoplast

Vách tế bào

Màng nguyên sinh chất Dịch tế bào

Màng không bào (tonoplast)

Không bào Cầu liên bào

Phiến giữa tế bào

Con đường symplast

Vách tế bào

Màng nguyên sinh chất Dịch tế bào

Màng không bào (tonoplast)

Không bào Cầu liên bào

Phiến giữa tế bào

Con đường qua màng

Vách tế bào

Màng nguyên sinh chất Dịch tế bào

Màng không bào (tonoplast)

Không bào Cầu liên bào

Phiến giữa tế bào

• Tế bào nội bì có khung

tan qua nội bì bằng con

đường symplast và qua

màng

Qua nội bì Khung caspary tẩm suberin

Hành trình của nước từ đất đến mạch mộc

Sức đẩy của rễ

• Áp suất thủy tĩnh dương của rễ

đẩy nước đi lên trong thân

→ Nước đi vào mạch mộc

• Sức đẩy của rễ < 0,1 MPa, mất

khi cây thoát hơi nước mạnh

Dịch tiết

Cột thủy ngân Nước

Áp suất rễ không đủ mạnh để đẩy cột nước đi lên trong cây cao

Áp suất rễ là nguyên nhân gây ra hiện tượng tiết giọt nước qua thủy khẩu ở rìa lá vào buổi sớm mai

Lực kéo nước từ ngọn (lá)

• Có nguồn gốc từ sự thoát hơi nước qua các khí khẩu ở lá

• Cơ chế chủ yếu: khuếch tán

• Có sự tương quan thuận giữa mật độ khí khẩu và tốc độ thoát hơi nước

Cơ chế của lực kéo nước từ lá

• Vách tế bào hút nước đi lên nhờ lực mao dẫn

• Sự thoát hơi nước,

– Tạo lực dẫn nước trong mạch mộc, từ tế bào sang tế bào – Làm giảm sức trương nước của lông rễ → thu nước vào

→ Phát sinh một khuynh độ thế nước trong lá

• Khi bốc hơi, lớp nước mỏng bao quanh các

khoảng khí dưới khí khẩu bị kéo vào các kẽ hở giữa các vách và giữa các vi sợi trong vách →tạo mặt cong hiển vi (menicus)

• Thoát hơi nước mạnh → đường kính mặt cong càng nhỏ → áp suất âm càng tăng theo phương trình:

P = -2T/r

Với r, bán kính mặt cong

T, sức căng bề mặt nước = 7,28 x 10 -8 MPa m

Sự trao đổi khí (CO và H O) qua khí khẩu

Hai vấn đề của thực vật khi chịu sức

căng lớn do thoát hơi nước

• Mạch mộc có đủ cứng rắn để khỏi bị méo

mó hay bị vỡ dưới sức căng?

• Làm sao để tránh xuất hiện các bọt khí

gây gián đoạn cột nước đi lên trong mạch mộc?

Vấn đề 1

• Vách thứ cấp của các tế bào mạch mộc

và các yếu tố mộc rất dày

Vấn đề 2

xung quanh nhờ các lỗ trên vách mạch mộc

• Ban đêm, sự thoát hơi nước thấp, sức căng trong mạch mộc giảm, sức đẩy của rễ tăng

ép các bóng khí vào các khoảng tự do

mô mộc cũ ngưng hoạt động (do bị các bóng khí hay các chất tiết chèn kín)

Các đặc tính của con đường

vận chuyển nước

• Liên tục từ đất tới khí quyển

• Nước đi lên cao do sự thoát hơi nước , sức đẩy của rễ , sự tăng trưởng và sinh sản tế bào

• Là quá trình thụ động , đi từ nơi có Ψ cao

đến nơi có Ψ thấp

Vai trò của nước

• Tạo sức trương → duy trì cấu trúc tế bào

• Cho phép xảy ra các phản ứng biến

dưỡng → tăng trưởng, cử động tế bào

– Đóng mở khí khẩu

• Giúp vận chuyển các chất dinh dưỡng, hormon thực vật, thải cặn bã

Trong đời sống bình thường, thực vật mất một phần lớn nước bởi sự thoát hơi nước

ở lá

• Cây hấp thu 63% năng lượng mặt trời; trong

đó, 1% dùng cho quang hợp, 45% cho thoát

hơi nước, 17% nóng lá

• Sự thoát hơi nước xảy ra ở 2 mặt lá

• Sự thoát hơi nước từ lá làm thay đổi toàn bộ

nước trong cây trong vòng một giờ

Sự thoát hơi nước cần thiết cho quang hợp và tăng trưởng thực vật

• Thoát hơi nước qua khí khẩu → thu nhận CO2

cho quang hợp, tích lũy trọng lượng khô

• Là động lực chủ yếu dẫn nước từ rễ lên lá, bù lại

• Sự thoát hơi nước là hiện tượng bình thường, thiết yếu cho đời sống thực vật

• Nếu không có sự thoát hơi nước, sẽ

không có sự tăng trưởng thực vật

Đáp ứng của thực vật để cân bằng nước

• Thích ứng hình thái, điều hòa sinh lý bằng cách đóng mở khí khẩu

– Thiếu nước tới ngưỡng → khí khẩu đóng tạm thời

– Ban đêm, không có quang hợp → khí khẩu

đóng hay mở hẹp

• Tỷ lệ thoát hơi nước = số phân tử hơi nước thoát ra / số phân tử CO2 được cố định

Ở thực vật C3, khoảng 500 phân tử nước bị mất

trên 1 phân tử CO2 được cố định → tỷ lệ thoát hơi nước khoảng 500; ở C4 khoảng 250; CAM

khoảng 50

• Hiệu năng sử dụng nước = số nghịch đảo

của tỷ lệ thoát hơi nước

CAMkhoảng 0,02; C (0,004); C (0,002)

TÓM TẮT

• Nước từ đất được thực vật hấp thu, phân phối khắp cơ thể và thoát ra khí quyển ở dạng hơi nước

• Nước di chuyển trong cơ thể thực vật theo

khuynh độ thế nước

• Cột nước liên tục trong mạch mộc nhờ cầu nối hydrogen, được kéo lên cao chủ yếu nhờ sự thoát hơi nước ở lá