Trao đổi nước ở thực vật

+Vai trò: làm dung môi, tham gia phản ứng sinh hoá, thoát hơi nước… +Dạng nước bị các phân tử tích điện hút bởi một lực nhất định hoặc trong các liên kết hoá học ở các thành phần của t

April 13,2009

Presenter Name and Title

PLANT PHYSIOLOGY

G.V hướng dẫn: GS.TS Vũ Văn Vụ

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Thanh

Nguyễn Thị Thu Trang

Lớp: K10-CNTN-Sinh học

题 城 南 庄

W A T E R

Cơ sở khoa học của tưới nước hợp lí

Quá trình thoát hơi nước ở lá

Quá trình vận chuyển nước ở thân

Quá trình hấp thụ nước ở rễ

Nước và các đặc trưng của nước

Nước và các đặc trưng của nước

Vai trò của nước trong cây

 Cấu trúc phân tử nước

 Đặc tính của phân tử nước

Tính chất nhiệt của nước

 Lượng nhiệt cao đặc biệt giúp đệm cho quá trình thay đổi nhiệt bất thường.

 Lượng nhiệt ở dạng hóa hơi cao (44 kJ mol-1 ở 25oC)

giúp cho thực vật giảm nhiệt qua quá trình bốc hơi nước

Các dạng nước trong cây

Nước tự do Nước liên kết

+Dạng nước chứa trong các thành

phần của tế bào, trong các khoảng

gian bào, trong các mạch dẫn…

+Vẫn giữ được tính chất vật lí, hoá

học, sinh học bình thường của

nước.

+Vai trò: làm dung môi, tham gia

phản ứng sinh hoá, thoát hơi

nước…

+Dạng nước bị các phân tử tích điện hút bởi một lực nhất định hoặc trong các liên kết hoá học ở các thành phần của tế bào.

+Không giữ được các đặc tính vật

lí, hoá học, sinh học của nước +Vai trò: đảm bảo độ bền vững của hệ thống keo trong chất nguyên sinh của tế bào.

Quá trình trao đổi nước ở thực vật

Thành phần thế năng của nước trong cây

 luôn mang dấu âm, và rất bé khoảng 0.1bar

Ψ… = thế năng bất kì nào đó có thể ảnh hưởng đến Ψ

(thế năng trọng trường hay thế năng điện)

 có thể bỏ qua do lực trọng trường chỉ có tác dụng với các cây cao lớn, và phân tử nước trung hòa về điện

Ψw = Ψp + Ψs

Thế năng của nước trong cây luôn có hai thành phần thế năng và luôn luôn âm

Tế bào Vận chuyển từ ngoài vào trong tế bào thực vật

Ngắn Giữa các tế bào với nhau

Dài Vận chuyển nước qua hệ xylem trên toàn bộ cây

Phạm vi di chuyển của nước

Quá trình trao đổi nước ở thực vật

diễn ra như thế nào???

Quá trình hấp thụ nước ở rễ Quá trình vận chuyển nước ở thân Quá trình thoát hơi nước ở lá

Sự trao đổi nước ở thực vật

Đều dựa trên nguyên lý:

“Nước di chuyển từ nơi có thế cao đến nới có thế thấp”

Thế năng nước giảm dần từ đất tới lá.Sự chênh lệch thế nước là động lực chính cho sự vận chuyển nước

Quá trình hấp thụ nước ở rễ

Nước mao dẫn

Nước màng

Nước ngậm

1 Nước hấp dẫn:

 Sau khi nước lấp đầy các khe hở của đất, thì nước sẽ

chảy từ nơi cao đến nơi thấp → nước hấp dẫn.

 Rễ cây có thể hấp thu một phần dạng nước này khi

3 Nước màng:

Các hạt đất thường tích điện nên xung quanh tạo

màng nước gọi là nước màng.

Trong dạng nước màng đó, lớp nước ở phía ngoài xa trung tâm mang điện, lực hấp dẫn nhỏ hơn nên rất linh động và rễ cây có thể lấy được dễ dàng.

 Th c v t th y sinh h p th n c t môi tr ng ự ậ ủ ấ ụ ướ ừ ườ

xung quanh qua b m t các t bào bi u bì c a ề ặ ế ể ủ

Quá trình hấp thụ nước

Đặc điểm

con đường

Khoảng cách di chuyển ngắn

Nước đi qua cả tế bào sống và chết

Nước đi theo 1 chiều từ đất vào rễ

Giai đoạn 3

Giai đoạn 2

Giai đoạn 1 Nước từ đất đi vào tế

bào lông hút Nước đi trong vỏ rễ

Nước đi từ vỏ rễ vào xylem rễ

Quá trình hấp thụ nước

Chỉ có một không bào trung tâm lớn

Thành tế bào mỏng,

ko thấm cutin

Áp suất thẩm thấu lớn

Đặc điểm tế bào lông hút

 Làm tăng diện tích bề mặt

Giai đoạn 1: Nước từ đất đi vào tế bào lông hút

Nước di chuyển trong đất do: Sự chênh lệch gradient áp suất, sự khuếch tán của hơi nước

Động cơ hút nước

Động cơ dưới

Quá trình hút nước của rễ (chủ động)

Thông qua:

+ Bơm aquaporin + Áp suất rễ

Vận chuyển nước chủ động thông qua bơm Aquaporin

Động cơ hút nước

Nhận biết áp suất rễ thông qua 2

+ Hiện tượng ứ giọt: ở một số cây

trong điều kiện ẩm ướt thấy xuất

hiện những giọt nước đọng ở đầu

lá và mép lá

→ Thành phần của giọt dịch đều

chứa các chất vô cơ và hữu cơ

quãng đường dài hơn,

thời gian nhanh hơn.

+ Không có sự kiểm

soát các chất đi qua.

+ Nước được vận chuyển qua các tế bào sống thông qua

plasmodesma.

+ Vận chuyển với quãng đường ngắn hơn, thời gian lâu hơn + Có sự kiểm soát các chất đi vào.

+ Nước được vận chuyển liên tục vào

tế bào tại một vị trí,

và ra khỏi tế bào tại

vị trí khác.

+ Nước được vận chuyển qua 2 lần màng.

+ Có thể được vận chuyển vào trong màng của không bào

Symplast pathway Transmembrane

Giai đoạn 2: Nước đi trong vỏ rễ

→Tuy nhiên, các thí nghiệm đã chỉ ra rằng: Vận chuyển nước bằng con đường Apoplast vẫn là chủ yếu ở rễ của các cây ngũ cốc còn non

(Frensch et al 1996)

Giai đoạn 3: Nước đi từ vỏ rễ vào xylem rễ

Cấu tạo đai caspary:

+ Là một băng quấn quanh thành

tế bào nội bì, được thấm

Suberin

+ Hoạt động như một barrie cho

nước và các chất hòa tan đi

qua

+ Vành đai caspary phá vỡ tính

liên tục của con đường vận

chuyển Apoplast ở vùng vỏ rễ

và làm cho dòng nước phải vận

chuyển bằng con đường

Symplast.

+ Nước đi xuyên qua hệ thống

CNS và đi vào trong tế bào nhu

mô ruột và đến mạch dẫn

Tốc độ thu nhận nước ở các phần khác

nhau của rễ cây bí ngô.

Đặc điểm Giai đoạn 1 Giai đoạn 2 Giai đoạn 3

Cơ chế Chênh lệch thế năng

giữa đất và tế bào lông hút

Chênh lệch thế năng giữa các tế bào lông hút cạnh nhau.

Chênh lệch thế năng giữa tế bào

vỏ rễ và mạch dẫn.

Quá trình hấp thụ nước

Bảng tổng kết các giai đoạn của quá trình vận chuyển nước ở rễ

Tổng kết cả ba giai đoạn

Cơ chế dòng nước một chiều

+ Do gradien nồng độ chất tan: từ thấp đến cao.

+ Do gradien thế nước: từ cao đến thấp.

Nước hút vào do

sự phân cực của

tế bào: hai đầu tế bào có tính thấm khác nhau nên nước từ đầu này đến đầu kia theo một chiều.

Nước đi vào cây theo một chiều là

do 2 nguyên nhân:

+ Do tính thấm khác nhau cua từng phần CNS trong mỗi tế bào.

+ Do sự khác nhau trong qt TĐC của tế bào

1 Nhiệt độ:

+ Nhiệt độ hạ thấp làm tăng độ nhớt CNS, gây cản trở cho quá

trình hút nước.

+ Nhiệt độ cao làm hoạt động sống của cây bị rối loạn, rễ cây

bị hóa gỗ nhanh chóng, do đó cây cũng ko hút được nước + Nhiệt độ tối ưu cho cây trồng nhiệt đới vào khoảng 25-300C.

2 Nồng độ oxi:

+ Nồng độ oxi trong đất giảm thì sự hút nước giảm do sự sinh

trưởng của rễ bị ảnh hưởng và hô hấp yếm khí tạo ra các sản phẩm độc đối với cây.

+ Hàm lượng oxi trong đất khoảng 10-12% là thích hợp nhất

cho sự hút nước của rễ.

Ảnh hưởng của điều kiện ngoại cảnh đến sự hút

nước của rễ

Ví dụ như một số loại: Sú, vẹt, đước…

Ảnh hưởng của điều kiện ngoại cảnh đến sự hút

nước của rễ

(A) Well-watered

(B) Mild water stress

(C) Severe water stress

Hậu quả thiếu nước

Cây bông (Gossypium

theo chiều sâu để tìm

kiếm nguồn nước.

Thiếu nước thúc đẩy sản sinh và tích luỹ ABA trong lục lạp

Sự thiếu hụt nước làm giảm

khả năng mở rộng của lá và

từ đó, làm giảm khả năng

quang hợp của thực vật.

Quá trình vận chuyển nước ở thân

Quá trình vận chuyển nước ở thân

Đặc điểm

con đường

Khoảng cách di chuyển dài nhất

Nước đi qua hệ thông TB chết-xylem

Nước đi theo 1 chiều từ gốc tới ngọn cây

Đặc điểm

 Nước không chỉ vận chuyển từ

gốc lên ngọn theo hệ thống

xylem mà còn vận chuyển

ngang sang phloem hoặc theo

phloem đi từ trên ngọn xuống

dưới gốc.

 Cần sự chênh lệch Ψw thấp do

vận chuyển trong tế bào chết

khong chịu lực cản của các

chất sống.

Hệ thống xylem

Nước chảy từ rễ tới lá theo hệ thống xylem, một

mạng lưới các tế bào chuyên hóa được gọi là các

yếu tố ống dẫn

Hạt trần có các quản bào Hạt kín có cả yếu tố mạch dẫn và quản bào

Hạn chế của áp suất rễ

 Áp su t r r t nh so v i quãng đ ng c n di chuy n ấ ễ ấ ỏ ớ ườ ầ ể

c a n c trong xylem (1-2 atm) ủ ướ

 Th ng ch xác đ nh đ c vào mùa xuân ườ ỉ ị ượ

 Khi ta lo i b r c a cây thì n c v n có th đ c ạ ỏ ễ ủ ướ ẫ ể ượ

v n chuy n trong cây ậ ể

 N c trong xylem luôn âm do s c căng sinh ra t s ướ ứ ừ ự thoát h i n c t o ra trong khi đó áp su t r l i ơ ướ ạ ấ ễ ạ

d ng do nó đ y n c di chuy n ươ ẩ ướ ể

ĐỘNG LỰC CHÍNH LÀ 2 LỰC DẪN NƯỚC TRONG THÂN

VÀ QUÁ TRÌNH THOÁT HƠI NƯỚC Ở LÁ

Sắc căng do thoát hơi nước gây ra

Các thành tế bào lá

ẩm ướt là các vị trí bốc hơi nước

Như đối với đất, một thế năng âm hơn đã xuất hiện khi thành tế bào lá dehydrate hóa và nước được giữ ở các vị trí lỗ nhỏ hơn

Sự thoát hơi nước ở lá tạo thế năng nước âm trong

xylem (thí nghiệm Per Scholander)

Lực cố kết và lực dính bám

 Cohension: Các phân tử

nước phân cực dính vào với

nhau bằng liên kết hydro

 Adhension: Lực dính bám

giữa các phân từ nước với

các bề mặt phân cực

N c đ c nâng lên các ng h p nh vào cácướ ượ ố ẹ ờ

Thuyết sức căng và lực cố kết TENSION-COHESION THEORY

Thuyết sức căng và lực cố kết TENSION-COHESION THEORY

 Được coi là mô hình được chấp nhận phổ biến nhất về quá trình vận chuyển nước qua xylem

 Đưa ra năm 1896 bởi Dixon và Joly.

Áp suất âm và sức căng sinh ra ở thành tế

bào lá do quá trình bốc hơi nước

Áp suất âm và sức căng sinh ra ở thành tế

bào lá do quá trình bốc hơi nước

Đặc tính cố kết của phân tử nước muốn nói tới sức căng này được truyền tới phân tử nước ở

xylem bên cạnh và suốt cây

Vấn đề tạo bọt khí gây tắc mạch

 Khi sự thoát hơi nước gia tăng làm giảm nhanh thế năng âm của nước, nước vận chuyển nhanh trong mạch gây nên hiện tượng sủi bọt khí làm tắc mạch, từ đó làm ngưng trệ quá trình vận chuyển nước

Sự thoát hơi nước ở lá

Sự thoát hơi nước ở lá

Đặc điểm

con đường

Khoảng cách di chuyển ngắn

Nước đi qua cả tế bào sống và gian bào

Chiếm tới 99% lượng nước hút vàotrong suốt mùa sinh trưởng

Là thảm họa thiết yếu cho cây

Động lực trên và chủ yếu của quá

trình hút và vận chuyển nước

Động lực trên và chủ yếu của quá

trình hút và vận chuyển nước

Đảm bảo cân bằng nhiệt

Tạo độ thiếu bão hòa nước nhất định

tạo điều kiện cho sinh trưởng và

phát triển

Tạo độ thiếu bão hòa nước nhất định

tạo điều kiện cho sinh trưởng và

phát triển

Vai trò

Vai trò của con đường thoát hơi nước

Qua khí khổng

Hình thức chủ yếu

Chiếm 90% lượng khí thoát ra

Qua bì khổng ở thân hoặc cành

Con đường thoát hơi nước

Hoạt động đóng mở khí khổng

Cơ sở vật lý của thoát hơi nước

Quá trình bốc hơi nước diễn ra theo quy luật Dalton :

V = K(F-f) 760S/P

V : lượng nước bốc hơi từ một đơn vị bề mặt.

K : hệ số khuyếch tán (thường là hằng số tìm ra trên cơ

sở thực nghiệm).

(F- f ): độ thiếu hụt bão hoà hơi nước của không khí

(sức hút nước của không khí) là giá trị quyết định tốc

độ bốc hơi nước.

P : áp suất khí quyển (mmHg).

S : diện tích bề mặt lá.

Các chỉ tiêu của quá trình thoát hơi nước

 Cường độ thoát hơi nước được tính bằng trọng lượng

nước tiêu hao trên một đơn vị diện tích lá trong một đơn

vị thời gian Đơn vị tính: gam nước tiêu hao trên 1m2 lá trong một giờ hoặc mgH2O/dm2lá /h.

 Hiệu suất thoát hơi nước:

 Hệ số thoát hơi nước

 Thoát hơi nước tương đối

bào nhu mô lá

vào gian bào

 Qúa trình

bốc hơi nước

vật lý

hơi nước khuếch tán qua khe khí khổng

 Quá trình

sinh lý

hơi nước khuếch tán từ

bề mặt lá ra không khí xung quanh

L c ho t hóa cho quá trình thoát h i n c là gradietn n ng đ ự ạ ơ ướ ồ ộ

c a t trong ra ngoài lá Hủ ừ 2O

CƠ CHẾ NGOÀI KHÍ KHỔNG

Quá trình bay hơi

nước ở gian bào của lá

 Bốc hơi nước từ

bề mặt các tế bào nhu mô

CƠ CHẾ ĐÓNG

MỞ KHÍ KHỔNG

CƠ CHẾ ĐIỀU HÒA

Điều hòa quá trình thoát hơi nước

Cơ chế đóng mở khí khổng

1 Giả thuyết biến đổi đường thành tinh bột

 Dưới tác dụng của ánh sáng giảm nồng độ CO2 tức

là tăng pH xúc tác enzyme phosphorylase phân giải đường thành tinh bột.

Tinh bột Đường

 Giả thuyết này chưa thoả đáng:

• Sự giảm của CO2 lượng nhỏ không đủ làm thay đổi độ pH

một cách đáng kể

• Trong các tế bào đóng không có tinh bột và có lẽ không

có cả enzym photphorinlaza

sáng tối

2 Giả thuyết về thụ thể ánh sáng xanh

 Ánh sáng xanh (blue light), được hấp thụ bởi các sắc tố trên màng của các tế bào bảo vệ, hoạt hoá quá trình

bơm proton,bơm các ion H+ ra khỏi các tế bào bảo vệ ra các tế bào xung quanh.

 Kết quả: sự tích luỹ của các ion K+ (bơm K+/H+) trong các

tế bào bảo vệ

 Nồng độ của ion K+ trong tế bào tăng lên làm cho thế

năng nước của tế bào bảo vệ âm hơn Nước đi vào bởi quá trình thẩm thấu, khí khổng mở ra

Cơ chế đóng mở khí khổng

3 Đóng mở khí khổng do acid abscisic

 Nếu tế bào thịt lá thiếu nước,thế năng nước trong tế bào quá

âm Các tế bào thịt lá sẽ giải phóng ra một hooc môn thực vật

là axit abscisic.

 ABA liên kết với các thụ thể trên bề mặt của màng tế bào chất

của tế bào đóng.

 Phức hệ ABA-R hoạt hoá một chuỗi emzym trong tế bào:

 Bơm H + trên màng tế bào, làm tăng pH trong tế bào.

 Bơm Ca2+ : làm tăng quá trình vận chuyển của Ca 2+ từ không bào ra tế bào chất.

 Nồng độ Ca 2+ trong tế bào chất tăng lên sẽ khoá bơm ion K + , trong khi đó pH tăng làm giảm sự tích luỹ ion Cl - và các ion

hữu cơ

 Các ion này giảm làm cho áp suất thẩm thấu trong tế bào giảm

do đó tế bào bảo vệ bị mất nước và đóng lại.

Cơ chế đóng mở khí khổng

Phản ứng đóng mở khí khổng

trời mọc Đưa cây từ tối ra sáng

lớn

Các nhân tố ảnh hưởng đến thoát hơi nước

 Tăng hay giảm nồng

độ các ion cũng làm cho khí khổng đóng và

mở theo tương ứng

Nồng độ các ion

 Nhiệt độ tăng làm

tăng áp suất hới bão

hòa trong không khí

do đó làm tăng tốc độ

thoát hơi nước.

Các nhân tố ảnh hưởng đến thoát hơi nước

Nhiệt độ

 Gió làm tăng quá trình thoát hơi nước tuy nhiên cũng có lúc làm giảm do làm giảm nhiệt

độ lá và làm khí khổng đóng lại

Các nhân tố ảnh hưởng đến thoát hơi nước

Gió

 Làm tăng nhiệt độ của lá nên tăng F-f do đó làm tăng tốc

độ thoát hơi nước

 Gây phản ứng mở quang chủ động

Các nhân tố ảnh hưởng đến thoát hơi nước

Ánh sáng

 transpiration

Nước và cơ sở tưới nước hợp lý

Nhu cầu nước đối với thực vật

Bảng: Hàm lượng nước trong mô, cơ quan của một số thực vật

(tính theo % khối lượng tươi)

Phân lo i cây theo nhu c u n ạ ầ ướ c

Nhóm cây ẩm sinh Nhóm cây trung sinh Nhóm cây hạn sinh

+Nhóm cây thích hợp

với vùng có độ ẩm

cao như ở ven hồ ao,

sông suối, rừng tối và

ẩm…

+Thoát hơi nước chủ

yếu qua lớp cutin.

+ Nhóm cây sống ở những vùng có độ ẩm vừa phải.

+Chúng phân bố rộng

từ vùng ôn đới tới nhiệt đới.

+Nhóm cây sống ở các miền sa mạc và bán sa mạc.

+Đặc điểm: ít khí khổng, bề mặt lá dạng gai, rễ dài…

Cây thiên lý (Cây ẩm sinh)

Cây phong lan (Cây ẩm sinh)

Cây lúa (Cây trung sinh)

Phân loại cây theo nhu cầu nước

Add your company slogan

LOGO

www.themegallery.com

Sự cân bằng nước trong cây được xác định bằng

sự so sánh giữa lượng nước hút vào (A) và lượng

Add your company slogan

LOGO

www.themegallery.com

 a Cân bằng nước dương:

 Là trạng thái cây thiếu nước ít, qúa trình hút nước và

thoát hơi nước phối hợp với nhau nhịp nhàng.

 Về hình thái cây luôn ở trạng thái tươi vì các tế bào

luôn trương nước.

 → Cây ở trạng thái cân bằng nước thuận lợi cho các

hoạt động sinh lý và hình thành năng suất.

 b Cân bằng nước âm:

 Xảy ra khi có độ thiếu hụt bão hoà nước trong cây lớn,

cây thoát hơi nước quá mạnh, vượt qua khả năng

cung cấp nước của rễ.

 Về hình thái thì lá cây bị héo, không thuận lợi cho các

hoạt động sinh lý và giảm năng suất.

Cân bằng nước trong cây

Add your company slogan

LOGO

www.themegallery.com

Hệ số héo của đất

 Lượng nước còn lại trong đất mà cây không sử dụng

được và cây bị héo → hệ số héo của đất

 Theo Brige Shantz thì hệ số héo của đất được tính theo công thức:

q = % lượng nước ngậm/0,68

 Các loại đất khác nhau thì có hệ số héo khác nhau

 Nhìn chung, đất càng nhẹ thì hệ số héo càng thấp, nhưng nước

tổng số ít nên cây dùng được ít Đất càng nặng tuy có hàm lượng

nước vô hiệu nhiều, nhưng nước tổng số nhiều nên cây lấy được

nhiều nước