Những Ảnh hưởng sinh lý có hại của “stress” nước (thiếu nước) Đối với Đời sống cây trồng chiến lược tự bảo vệ của thực vật chống chịu lại với “stress” nước

Ảnh hưởng sinh lý có hại của stress nước đối với đời sống cây trồng: sự phá vỡ cấu trúc màng và sự rối loạn bào quan 1 Khái quát về stress nước Stress nước xảy ra khi cây bị thiếu nước

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC CẦN THƠ TRƯỜNG NÔNG NGHIỆP KHOA SINH LÍ - SINH HÓA

***

BÁO CÁO SINH LÝ CÂY TRỒNG TRONG ĐIỀU KIỆN BẤT LỢI

MÃ HP: NS122 NHÓM 3: CÂU 7

NHỮNG ẢNH HƯỞNG SINH LÝ CÓ HẠI CỦA “STRESS”

NƯỚC (THIẾU NƯỚC) ĐỐI VỚI ĐỜI SỐNG CÂY TRỒNG? CHIẾN LƯỢC TỰ BẢO VỆ CỦA THỰC VẬT

CHỐNG CHỊU LẠI VỚI “STRESS” NƯỚC?

THÀNH VIÊN NHÓM

ĐÀO NGỌC DUY

BẰNG HUỲNH THỊ MỸ NGỌC

NGUYỄN XUÂN THỌ

MSSV B2308093 B2308106 B2308114 B2308102

MỤC LỤC

Ảnh hưởng sinh lý có hại của stress nước đối với đời sống cây trồng: sự phá vỡ cấu trúc màng và sự

rối loạn bào quan 1

1 Khái quát về stress nước 1

2 Sự phá vỡ cấu trúc màng tế bào 1

2.1 Thay đổi thành phần lipid màng 1

2.2 Tăng tính thấm của màng tế bào 1

2.3 Oxy hóa lipid màng 2

3 Sự rối loạn các bào quan do stress nước 2

3.1 Lục lạp – trung tâm quang hợp bị tổn thương 2

3.2 Ty thể – suy giảm sản xuất atp 3

3.3 Không bào – mất cân bằng áp suất thẩm thấu 3

3.4 Lưới nội chất và bộ máy golgi – giảm tổng hợp protein 3

4 Sự làm hư hại chức năng khí khẩu 4

4.1 Cơ chế làm hư hại chức năng khí khẩu 4

4.1.1 Tăng cường đóng khí khẩu (để tiết kiệm nước) 4

4.1.2 Khả năng điều tiết khí khẩu suy giảm 5

4.1.3 Hậu quả của sự hư hại chức năng khí khẩu 5

4.2.1 Giảm khả năng quang hợp 5

4.2.2 Mất nước nghiêm trọng 6

4.2.3 Giảm khả năng chống chịu với môi trường 6

4.2.4 Tăng nguy cơ suy giảm năng suất và chất lượng cây trồng 6

5 Các chiến lược bảo vệ chống lại stress khô hạn 7

5.1 Tư thế của lá: 7

5.1.1 Cuộn lá và gập lá 7

5.1.2 Gấp lá theo chiều dọc 7

5.1.3 Thay đổi góc lá 7

5.1.4 Giảm diện tích lá 8

5.2 Sự điều tiết thẩm thấu 8

5.2.1 Cơ chế điều tiết thẩm thấu 8

5.2.2 Các chất tan chính tham gia điều tiết thẩm thấu 8

5.3.1 Thay đổi sự phát triển của rễ 9

5.3.2 Mối quan hệ cộng sinh với vi sinh vật 10

5.3.3 Điều chỉnh cấu trúc rễ để thích nghi với hạn hán 10

5.4 Các thay đổi về hormone 10

5.4.1 Axit abscisic (aba) - hormone chính trong phản ứng hạn hán 10

5.4.2 Ethylene - điều chỉnh tăng trưởng rễ và chồi 11

5.4.3 Cytokinin - kiểm soát sự phát triển của chồi 11

5.4.4 Auxin - điều chỉnh tăng trưởng rễ 11

5.5 Tính lưỡng hình và sự rụng lá 11

5.6 Sự giảm kích thước tế bào 12

5.7 Sự hấp thu sương 13

5.8 Sự điều tiết khí khẩu 13

5.8.1 Cơ chế điều tiết khí khẩu trong stress nước 14

5.8.2 Tác động của đóng khí khẩu 14

Ảnh hưởng sinh lý có hại của stress nước đối với đời sống cây trồng: sự phá vỡ cấu trúc màng và

sự rối loạn bào quan

1 Khái quát về stress nước

Stress nước xảy ra khi cây bị thiếu nước (hạn hán), thừa nước (ngập úng) hoặc bị mất cân bằng nước trong tế bào Những thay đổi này gây ảnh hưởng trực tiếp đến cấu trúc màng tế bào

và các bào quan, dẫn đến những rối loạn sinh lý nghiêm trọng

2 Sự phá vỡ cấu trúc màng tế bào

2.1 Thay đổi thành phần lipid màng

Màng sinh chất của tế bào thực vật được cấu tạo từ lớp phospholipid kép, protein màng và các phân tử cholesterol giúp duy trì tính linh hoạt và ổn định

Khi cây bị stress nước, cấu trúc lipid màng bị biến đổi:

- Hạn hán: làm giảm hàm lượng lipid không bão hòa, khiến màng trở nên cứng và dễ vỡ

- Ngập úng: gây tích lũy lipid bão hòa, làm giảm độ linh động của màng

➡ suy giảm chức năng bảo vệ và vận chuyển của màng tế bào, ảnh hưởng đến sự hấp thu nước và dinh dưỡng

2.2 Tăng tính thấm của màng tế bào

Stress nước làm màng tế bào mất đi tính chọn lọc, dẫn đến: rò

rỉ ion k , ca² , ảnh hưởng đến hoạt động sinh⁺ ⁺ lý bình thường Mất các chất tan quan trọng như đường, axit amin Xâm nhập của các chất độc từ môi trường bên ngoài

➡ rối loạn cân bằng nội môi, gây stress oxy hóa và làm tế bào dễ tổn thương hơn

2.3 Oxy hóa lipid màng

Dưới tác động của stress nước, cây tạo ra các gốc tự do (ros

màng

Quá trình này làm: Hỏng cấu trúc màng do peroxy hóa lipid Giảm khả năng tự phục hồi của tế bào, tăng nguy cơ chết tế bào

➡ màng bị tổn thương nghiêm trọng, mất chức năng bảo

vệ, làm tăng tốc độ héo rũ và chết tế bào

3 Sự rối loạn các bào quan do stress nước

3.1 Lục lạp – trung tâm quang hợp bị tổn thương

Lục lạp là nơi diễn ra quá trình quang hợp, tạo ra năng lượng cho cây.Stress nước gây:

- Thay đổi cấu trúc màng thylakoid, làm giảm khả năng hấp thụ ánh sáng

- Giảm tổng hợp diệp lục, làm vàng lá, giảm khả năng sinh trưởng

- Suy giảm chu trình calvin, ảnh hưởng đến sản xuất đường và chất hữu cơ

➡ giảm hiệu suất quang hợp, cây thiếu năng lượng để phát triển

3.2 Ty thể – suy giảm sản xuất atp

Ty thể là nơi cung cấp atp cho các hoạt động sống của tế bào Khi bị stress nước:

- Hạn hán: thiếu nước làm gián đoạn chu trình hô hấp hiếu khí, giảm tổng hợp atp

- Ngập úng: thiếu oxy trong môi trường rễ làm lên men ethanol, gây độc cho tế bào

➡ Cây bị suy yếu, giảm khả năng chống chịu với môi trường

3.3 Không bào – mất cân bằng áp suất thẩm thấu

Không bào chứa nước và chất tan, giúp duy trì áp suất trương trong tế bào.Khi bị stress nước:

- Hạn hán: nước trong không bào bị rút cạn, làm mất sức trương → tế bào co rút, lá héo

- Ngập úng: quá nhiều nước làm màng không bào bị

vỡ, gây chết tế bào hàng loạt

➡ Tế bào bị tổn thương nghiêm trọng, ảnh hưởng đến khả năng sinh trưởng của cây

3.4 Lưới nội chất và bộ máy golgi – giảm tổng hợp protein

Lưới nội chất và bộ máy golgi có vai trò quan trọng trong tổng hợp protein và vận chuyển chất Stress nước làm:

- Giảm hoạt động của ribosome, làm chậm quá trình tổng hợp protein

- Ứ đọng protein lỗi, gây stress nội bào

- Giảm vận chuyển protein, làm rối loạn hoạt động của tế bào

➡ Cây phát triển chậm, dễ bị tổn thương bởi điều kiện môi trường khắc nghiệt

4 Sự làm hư hại chức năng khí khẩu

Khi cây trải qua stress nước, khả năng điều tiết khí khẩu bị suy giảm, và điều này có thể gây ra nhiều tác động tiêu cực đối với quá trình sinh trưởng và phát triển của cây Sau đây là cơ chế và hậu quả của việc làm hư hại chức năng khí khẩu trong điều kiện stress nước

4.1 Cơ chế làm hư hại chức năng khí khẩu

Khi cây bị thiếu nước, các tế bào khí khẩu sẽ phản ứng bằng cách đóng lại để giảm bớt sự mất nước qua thoát hơi nước (transpiration)

4.1.1 Tăng cường đóng khí khẩu (để tiết kiệm nước)

Khi cây bị thiếu nước, hormone abscisic acid (aba) được sản xuất để điều chỉnh và kích thích sự đóng của các khí khẩu Điều này nhằm ngăn ngừa sự mất nước quá mức Tuy nhiên, nếu khí khẩu đóng lại quá lâu hoặc không thể mở lại khi cây cần, quá trình quang hợp sẽ bị giảm sút nghiêm trọng do thiếu co₂

4.1.2 Khả năng điều tiết khí khẩu suy giảm

Khi cây trải qua stress nước kéo dài, các tế bào khí khẩu có thể

bị hư hại hoặc không thể hoạt động hiệu quả Các yếu tố gây hư hại chức năng khí khẩu trong stress nước bao gồm:

- Mất áp suất turgor trong tế bào khí khẩu: khi cây thiếu nước,

áp suất trong các tế bào khí khẩu bị giảm, khiến các tế bào này không thể giãn ra hoặc co lại đúng mức để điều tiết khí khẩu

- Căng thẳng oxy hóa: stress nước kéo dài có thể dẫn đến sự gia tăng tổn thương tế bào do các gốc tự do (reactive oxygen species

- ros), làm hư hại cấu trúc và chức năng của các tế bào khí khẩu

4.1.3 Hậu quả của sự hư hại chức năng khí khẩu

Khi chức năng khí khẩu của cây bị hư hại do stress nước, có thể dẫn đến các hậu quả nghiêm trọng sau:

4.2.1 Giảm khả năng quang hợp

Khí khẩu đóng lâu làm giảm sự hấp thụ co₂, làm cho quá trình quang hợp bị giảm sút Quang hợp giảm sẽ làm giảm lượng glucose và năng lượng mà cây cần để phát triển

Thiếu năng lượng: khi quang hợp bị ảnh hưởng, cây không thể tạo ra đủ năng lượng cho các hoạt động sống, dẫn đến cây yếu ớt và chậm phát triển

4.2.2 Mất nước nghiêm trọng

Nếu tế bào khí khẩu không đóng kín đúng cách, cây sẽ tiếp tục mất nước qua quá trình thoát hơi nước, ngay cả trong tình trạng thiếu nước, dẫn đến héo úa và chết cây

Mất nước quá mức có thể làm cây không thể duy trì độ turgor (độ căng của tế bào), gây ra hiện tượng héo và chết khô

4.2.3 Giảm khả năng chống chịu với môi trường

Khi chức năng khí khẩu bị suy giảm, cây sẽ kém khả năng đối phó với các điều kiện môi trường khắc nghiệt như nắng nóng hoặc thiếu nước kéo dài

Giảm khả năng phục hồi: cây sẽ không thể phục hồi tốt sau khi trải qua stress nước, vì việc thiếu co₂ và mất nước nghiêm trọng làm cây yếu và dễ bị các tác nhân gây hại (bệnh tật, sâu bệnh) tấn công

4.2.4 Tăng nguy cơ suy giảm năng suất và chất lượng cây

trồng

Đặc biệt đối với cây trồng nông nghiệp, việc chức năng khí khẩu bị hư hại do stress nước có thể dẫn đến suy giảm năng suất và chất lượng sản phẩm, vì cây không thể thực hiện các quá trình sinh lý hiệu quả như quang hợp, sinh trưởng và phát triển

5 Các chiến lược bảo vệ chống lại stress khô hạn

5.1 Tư thế của lá:

Tư thế của lá có ảnh hưởng lớn đến khả năng giảm mất nước trong điều kiện khô hạn Cây sử dụng nhiều cơ chế để điều chỉnh góc lá, vị trí và hình dạng nhằm giảm thoát hơi nước

5.1.1 Cuộn lá và gập lá

Một số loài cây, đặc biệt là lúa, cỏ, có khả năng cuộn lá vào trong khi bị stress khô hạn Cơ chế này giúp giảm diện tích tiếp xúc với ánh sáng mặt trời, hạn chế thoát hơi nước qua khí khổng Các mô cơ giới (mô giậu, mô dày) giúp giữ nước bên trong lá lâu hơn

Ví dụ: lúa (oryza sativa) có thể cuộn lá khi bị hạn hán để bảo

vệ khí khổng bên trong

5.1.2 Gấp lá theo chiều dọc

Một số cây có lá gấp dọc theo gân chính khi gặp điều kiện khô hạn

Ví dụ: cây bạch đàn (eucalyptus) thay đổi tư thế lá để giảm tiếp xúc trực tiếp với ánh nắng gay gắt

5.1.3 Thay đổi góc lá

Một số loài cây điều chỉnh góc của lá để tránh ánh nắng mặt trời chiếu trực tiếp

Ví dụ: cây hướng dương (helianthus) có thể thay đổi tư thế

lá vào buổi trưa để giảm nhiệt độ bề mặt

Cây keo (acacia) có lá hẹp hoặc nghiêng góc để giảm sự hấp thụ nhiệt

5.1.4 Giảm diện tích lá

Cây có thể giảm kích thước lá hoặc rụng bớt lá trong mùa khô

để giảm sự mất nước

Ví dụ: cây xương rồng biến lá thành gai để hạn chế thoát hơi nước

5.2 Sự điều tiết thẩm thấu

Sự điều tiết thẩm thấu là quá trình cây điều chỉnh lượng chất hòa tan bên trong tế bào để giảm thiểu tác động của mất nước, giúp duy trì sự ổn định của tế bào và tiếp tục sinh trưởng trong điều kiện hạn hán

5.2.1 Cơ chế điều tiết thẩm thấu

Khi cây bị stress nước, áp suất thẩm thấu bên trong tế bào giảm, làm cho nước khuếch tán ra ngoài tế bào, dẫn đến hiện tượng mất nước tế bào

Để hạn chế tác động này, cây sẽ tích lũy các chất tan hòa tan (osmolytes) giúp giảm thế năng nước của tế bào nhưng không ảnh hưởng đến các hoạt động sinh lý bình thường

5.2.2 Các chất tan chính tham gia điều tiết thẩm thấu

Proline: là một axit amin giúp bảo vệ màng tế bào và ổn định protein khi bị mất nước

Glycine betaine: có tác dụng bảo vệ cấu trúc enzyme, tăng khả năng chịu hạn

Đường (sucrose, fructose, mannitol, sorbitol): hỗ trợ duy trì cấu trúc tế bào và bảo vệ màng tế bào khỏi bị tổn thương do khô hạn

Các ion vô cơ (k , cl , ca² ): giữ áp suất thẩm thấu ổn định,⁺ ⁻ ⁺ giúp duy trì dòng chảy nước vào tế bào

5.2.3 Vai trò của điều tiết thẩm thấu

Giúp cây giữ nước tốt hơn, hạn chế mất nước ra môi trường Bảo vệ protein và màng tế bào, giúp duy trì cấu trúc và chức năng của tế bào trong điều kiện hạn hán

Tăng khả năng chịu hạn và phục hồi nhanh sau khi hết stress nước

5.3 Các cơ chế liên kết với rễ

Bộ rễ là cơ quan quan trọng giúp cây hấp thụ nước từ đất, đặc biệt trong điều kiện khô hạn Khi gặp stress nước, cây có thể kích hoạt một số cơ chế giúp tăng cường khả năng hút nước và hạn chế mất nước

5.3.1 Thay đổi sự phát triển của rễ

Tăng sinh trưởng của rễ sâu: giúp cây tiếp cận nguồn nước ở tầng đất sâu hơn

Phát triển rễ ngang: một số cây phát triển hệ thống rễ lan rộng

để thu nước từ phạm vi rộng hơn

Tăng tỷ lệ rễ/chồi: khi gặp hạn hán, cây có xu hướng ưu tiên phát triển rễ nhiều hơn so với chồi để tăng khả năng hút nước

5.3.2 Mối quan hệ cộng sinh với vi sinh vật

Nấm rễ (mycorrhizae): Giúp cây mở rộng vùng hấp thụ nước nhờ mạng lưới sợi nấm

Tăng khả năng hấp thụ khoáng chất quan trọng như phospho, giúp cây tăng sức chịu hạn

Vi khuẩn cố định đạm (rhizobium, azospirillum, bacillus sp.): Giúp rễ cây khỏe mạnh, tăng cường khả năng hút nước

5.3.3 Điều chỉnh cấu trúc rễ để thích nghi với hạn hán

Tăng số lượng lông hút: giúp tăng diện tích hấp thụ nước

Thay đổi cấu trúc mô mạch trong rễ: một số cây điều chỉnh cấu trúc mạch dẫn để cải thiện khả năng vận chuyển nước từ

rễ lên lá

5.4 Các thay đổi về hormone

Hormone thực vật đóng vai trò quan trọng trong điều chỉnh phản ứng của cây với stress nước, giúp kiểm soát sự sinh trưởng và bảo vệ tế bào khỏi mất nước

5.4.1 Axit abscisic (aba) - hormone chính trong phản ứng hạn hán

Khi cây bị thiếu nước, aba được tổng hợp nhiều hơn và có các vai trò chính sau:

Kích thích đóng khí khổng: giảm thoát hơi nước, giúp bảo toàn lượng nước trong cây

Điều chỉnh sự biểu hiện của gen chống hạn: giúp cây sản xuất protein bảo vệ màng tế bào khỏi mất nước

Kích thích sự phát triển của rễ: giúp cây hấp thụ nước tốt hơn.

5.4.2 Ethylene - điều chỉnh tăng trưởng rễ và chồi

Ethylene thường liên quan đến phản ứng stress của cây, giúp cây thích nghi với môi trường hạn hán

Khi bị thiếu nước, ethylene có thể kích thích sinh trưởng rễ theo chiều sâu, giúp cây tìm nước trong đất

5.4.3 Cytokinin - kiểm soát sự phát triển của chồi

Khi cây bị stress nước, cytokinin giảm mạnh, làm chậm sự phát triển của chồi và lá để giảm nhu cầu nước

Sự giảm cytokinin giúp cây tập trung năng lượng để duy trì sự sống hơn là phát triển

5.4.4 Auxin - điều chỉnh tăng trưởng rễ

Auxin có thể kích thích sự phát triển của rễ khi gặp hạn hán, giúp cây cải thiện khả năng hút nước từ đất

Một số cây điều chỉnh hàm lượng auxin để thay đổi hướng phát triển rễ, tối ưu hóa khả năng hút nước

5.5 Tính lưỡng hình và sự rụng lá

Tính lưỡng hình (heterophylly) là sự xuất hiện của các dạng

lá khác nhau trên cùng một cây, giúp thích nghi với điều kiện khô hạn

Sự rụng lá là cơ chế giảm mất nước bằng cách loại bỏ các

bộ phận tiêu tốn nhiều nước khi điều kiện khắc nghiệt

Cơ chế hoạt động:

Cây có thể có lá nhỏ hơn, dày hơn vào mùa khô để giảm thoát hơi nước, nhưng có lá rộng vào mùa mưa để tăng cường quang hợp

Khi gặp hạn nghiêm trọng, cây chủ động rụng lá để giảm diện tích bề mặt thoát hơi nước và bảo vệ mô sống quan trọng (thân, rễ)

Ví dụ:

Ngô (zea mays): khi bị hạn, lá dưới của ngô héo và rụng trước, giữ lại các lá trên phục vụ quang hợp

Keo (acacia spp.): rụng lá trong mùa khô và chỉ giữ lại các cuống lá biến đổi thành gai để hạn chế mất nước

5.6 Sự giảm kích thước tế bào

Khi bị stress nước kéo dài, thực vật có thể tạo ra các tế bào nhỏ hơn, dày hơn để tăng cường khả năng chịu hạn

Cơ chế hoạt động:

Tế bào nhỏ giúp giảm nhu cầu nước, duy trì áp suất thẩm thấu cao hơn để hút nước hiệu quả hơn

Thành tế bào dày hơn giúp bảo vệ tế bào khỏi sự mất nước và giúp duy trì cấu trúc của cây

Ví dụ:

Xương rồng (cactaceae): các tế bào mô chứa nước nhỏ và có thành dày giúp cây tích trữ nước lâu hơn

Lúa mì (triticum aestivum): khi gặp hạn, lá nhỏ lại, mô tế bào dày hơn giúp giảm mất nước

5.7 Sự hấp thu sương

Một số loài thực vật có khả năng hấp thu nước từ sương hoặc hơi nước trong không khí, giúp sống sót trong điều kiện khô hạn kéo dài

Cơ chế hoạt động:

Các lông trên bề mặt lá có thể ngưng tụ sương đêm và hướng nước về rễ hoặc vào mô hấp thu Một số cây có khí khổng hoặc mô đặc biệt giúp hút hơi nước từ không khí

Ví dụ:

Dứa (ananas comosus): có lá dạng rãnh giúp thu nước từ sương vào phần trung tâm để hấp thu

Tillandsia (họ bromeliaceae): có các lông hấp thu sương trực tiếp qua lá mà không cần rễ

5.8 Sự điều tiết khí khẩu

Khi cây gặp stress nước, các cơ chế điều tiết khí khẩu sẽ được kích hoạt để bảo vệ cây khỏi mất nước quá mức và giảm thiểu tác động tiêu cực của tình trạng thiếu nước

Điều kiện:

Nước trong đất cạn kiệt, cây không thể hút đủ nước để duy trì

các quá trình sinh lý

Nhiệt độ cao khiến nước trong cây bay hơi nhanh hơn, làm cho

cây mất nước nhanh chóng

Độ ẩm không khí thấp, gây ra mất nước qua thoát hơi nước