- Vai trò của quang hợp ở thực vật đối với thực vật: Quang hợp tạo ra các phân tử đường. Một phần hợp chất carbon tạo ra từ quá trình quang hợp được sử dụng để cung cấp năng lượng cho thực vật thông qua quá trình hô hấp tế bào, phần còn lại được sử dụng để tổng hợp các hợp chất hữu cơ tham gia kiến tạo đồng thời dự trữ năng lượng cho tế bào và cơ thể thực vật.

- Vai trò của quang hợp ở thực vật đối với các sinh vật khác trên Trái Đất: Quang hợp giải phóng O₂ cung cấp dưỡng khí cho nhiều sinh vật trên Trái Đất, tạo ra chất hữu cơ cung cấp nguyên liệu và năng lượng cho các sinh vật khác.

- Cơ chế của quá trình quang hợp ở các cây trong hình trên không giống nhau. Cụ thể: Pha sáng có diễn biến giống nhau ở tất cả các cây trên. Còn ở pha tối (pha đồng hóa CO₂), lúa nước (a) thực hiện theo chu trình C₃, mía (b) thực hiện theo chu trình C₄ và thanh long (c) thực hiện theo chu trình CAM.

Bản chất của quá trình quang hợp ở thực vật: Quang hợp ở thực vật là quá trình lục lạp hấp thụ và sử dụng năng lượng ánh sáng để chuyển hóa CO₂ và H₂O thành hợp chất hữu cơ (C₆H₁₂O₆) đồng thời giải phóng O₂.

- Nguyên liệu của pha sáng: H₂O, NADP⁺, ADP, Pi, năng lượng ánh sáng.

- Sản phẩm của pha sáng: O₂, ATP và NADPH.

Phân chia thực vật thành các nhóm C₃, C₄ và CAM dựa trên cơ sở khoa học về những điểm khác nhau trong diễn biến pha tối của quá trình quang hợp:

- Nhóm thực vật C₃ cố định CO₂ bằng chu trình Calvin, có sản phẩm ổn định đầu tiên khi cố định CO₂ là hợp chất có 3 carbon (3 – Phosphoglycerate).

- Nhóm thực vật C₄ cố định CO₂ bằng con đường C₄ (hai giai đoạn đều diễn ra vào ban ngày trên 2 loại tế bào khác nhau), có sản phẩm ổn định đầu tiên khi cố định CO₂ là hợp chất 4 carbon (oxaloacetate).

- Nhóm thực vật CAM cố định CO₂ bằng con đường CAM (gồm hai giai đoạn giống con đường C₄ nhưng diễn ra trên cùng một tế bào ở hai thời điểm khác nhau), được đặt tên theo họ thực vật mà cơ chế này lần đầu tiên được phát hiện ra là họ Crassulacean.

Quang hợp có vai trò quyết định đến năng suất cây trồng vì: Quang hợp tạo ra hợp chất hữu cơ – nguyên liệu để cung cấp, dự trữ năng lượng và kiến tạo nên cơ thể thực vật. Khoảng 90 – 95% tổng khối lượng vật chất khô của tế bào và cơ thể thực vật chính là các hợp chất hữu cơ. Chính vì vậy, quang hợp là nhân tố quyết định năng suất cây trồng, hiệu quả của quá trình quang hợp sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất cây trồng.

Ảnh hưởng của ánh sáng tới hiệu quả quang hợp:

- Ánh sáng ảnh hưởng trực tiếp và gián tiếp đến quá trình quang hợp: Ánh sáng ảnh hưởng trực tiếp đến phản ứng phân li nước và mức độ kích thích của các phân tử diệp lục, ảnh hưởng đến sự đóng mở của khí khổng nên gián tiếp làm ảnh hưởng đến hàm lượng CO₂ trong tế bào.

- Cường độ ánh sáng, thành phần quang phổ và thời gian chiếu sáng đều ảnh hưởng đến quá trình quang hợp ở thực vật: Hiệu quả của quang hợp tăng khi tăng cường độ ánh sáng và đạt giá trị cực đại ở điểm bão hòa ánh sáng; vượt qua điểm bão hòa ánh sáng, cường độ quang hợp không tăng mà có thể bị giảm. Ánh sáng đỏ và xanh tím giúp tăng hiệu quả quang hợp. Thời gian chiếu sáng khoảng 10 – 12 giờ/ngày thường phù hợp với đa số thực vật.

- Mối quan hệ giữa nồng độ CO₂ và cường độ quang hợp: Nồng độ CO₂ thấp nhất mà cây quang hợp được là khoảng 0,008 – 0,01 %. Khi tăng nồng độ CO₂ thì cường độ quang hợp cũng tăng tỉ lệ thuận, sau đó tăng chậm cho tới khi đến giá trị bão hòa (nồng độ CO₂ khoảng 0,06 – 0,1 %).

- Điểm bù CO₂ được xác định là nồng độ CO₂ mà tại đó lượng CO₂ sử dụng cho quá trình quang hợp tương đương với lượng CO₂ tạo ra trong quá trình hô hấp.

So sánh nhu cầu CO₂ giữa thực vật C₃ và C₄:

- Thực vật C₄ có điểm bù CO₂ thấp hơn thực vật C₃.

- Thực vật C₄ có điểm bão hòa CO₂ thấp hơn thực vật C₃.

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình quang hợp: Khi các nhân tố môi trường khác ở điều kiện thuận lợi, cường độ quang hợp tăng khi tăng nhiệt độ. Khi vượt qua ngưỡng nhiệt tối ưu, cường độ quang hợp bắt đầu giảm. Nhiệt độ tối ưu cho quá trình quang hợp của các nhóm thực vật là khác nhau.

Một số biện pháp kĩ thuật và công nghệ nâng cao năng suất cây trồng dựa trên cơ sở cải tạo điều kiện môi trường sống:

- Bón phân hợp lí: làm tăng sự phát triển của bộ lá, nâng cao hiệu suất quang hợp; thúc đẩy quá trình vận chuyển sản phẩm đồng hóa về cơ quan dự trữ, làm tăng năng suất.

- Tưới nước hợp lí: Cung cấp nước đầy đủ, đặc biệt là khi cây bắt đầu chuyển sang giai đoạn sinh sản sẽ quyết định đến sự vận chuyển vật chất trong cây về cơ quan dự trữ. Đồng thời, nước cũng là nguyên liệu của quá trình quang hợp nên cung cấp đủ nước làm tăng hiệu quả quang hợp, từ đó làm tăng năng suất cây trồng.

- Tăng cường nguồn sáng: Khi cần thiết có thể chiếu sáng bổ sung và sử dụng nguồn sáng có bước sóng phù hợp với từng loại cây trồng.

- Ngoài ra, ủ ấm hoặc chống nóng cho cây trồng, xới đất tạo độ thoáng khí, diệt cỏ dại,… cũng là những biện pháp kĩ thuật giúp cải tạo môi trưởng để tăng năng suất cây trồng.

Cơ sở khoa học của các biện pháp kĩ thuật và công nghệ nâng cao năng suất cây trồng liên quan đến quá trình quang hợp:

- Cải tạo tiềm năng của cây trồng: Chọn tạo giống có cường độ quang hợp cao nhằm tăng hiệu suất quang hợp, kết hợp với các biện pháp canh tác để sản phẩm quang hợp phân bố chủ yếu vào các bộ phận có giá trị kinh tế (hạt, củ, hoặc thân,…).

- Tăng diện tích lá: Lá là cơ quan quang hợp để tạo ra các chất hữu cơ tích lũy vào các cơ quan có giá trị kinh tế, diện tích lá lớn sẽ nâng cao hiệu suất quang hợp và tăng năng suất cây trồng.

- Sử dụng hiệu quả nguồn sáng: Chọn giống cây có thời gian sinh trưởng phù hợp với thời gian chiếu sáng và nhiệt độ ở các mùa khác nhau. Tăng diện tích tiếp xúc của lá cây với ánh sáng bằng cách bố trí hàng, luống phù hợp.

- Tăng cường nguồn sáng: Chiếu sáng bổ sung khi cần thiết và sử dụng nguồn sáng có bước sóng phù hợp với từng loại cây trồng sẽ làm tăng cường độ quang hợp.

BÁO CÁO KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

QUAN SÁT ĐƯỢC LỤC LẠP TRONG TẾ BÀO THỰC VẬT

- Tên thí nghiệm: Quan sát lục lạp trong tế bào thực vật.

- Nhóm thực hiện: …………………..

- Kết quả và thảo luận:

+ Ảnh chụp tế bào lục lạp dưới kính hiển vi:

+ Giải thích: Lục lạp là bào quan lớn, có màu xanh lục của tế bào thực vật nên có thể quan sát trực tiếp dưới kính hiển vi.

- Kết luận: Có thể quan sát lục lạp của tế bào thực vật trực tiếp dưới kính hiển vi.

BÁO CÁO KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

NHẬN BIẾT, TÁCH CHIẾT CÁC SẮC TỐ TRONG LÁ CÂY

- Tên thí nghiệm: Nhận biết, tách chiết các sắc tố trong lá cây.

- Nhóm thực hiện: ………………

- Kết quả và thảo luận:

Học sinh tiến hành thí nghiệm theo hướng dẫn trong SGK để ghi nhận và giải thích kết quả thí nghiệm về màu sắc của các dịch lọc và miếng giấy lọc thu được ở các mẫu thí nghiệm và mẫu đối chứng.

Chú ý:

+ Các sắc tố hòa tan tốt trong dung môi hữu cơ (cồn) và hòa tan kém trong nước. Điều này được thể hiện thông qua sự khác nhau về màu sắc của các dịch lọc ở các mẫu thí nghiệm và mẫu đối chứng (Ví dụ: dịch chiết từ lá cây khoai lang khi sử dụng dung môi hữu cơ có màu xanh lục, dịch chiết từ lá cây khoai lang khi sử dụng nước có màu xanh lục nhạt).

Chạy sắc kí tách chiết sắc tố quang hợp của lá khoai lang

(a) thí nghiệm và (b) kết quả

+ Mỗi loại lá cây có thể có thành phần các sắc tố khác nhau, dịch chiết sẽ có màu tương ứng với màu sắc của lá cây (Ví dụ: dịch chiết của lá cây khoai lang có màu xanh lục, dịch chiết của lá cây rau rền có màu đỏ tía vì lá cây khoai lang có hàm lượng diệp lục (có màu xanh lục) cao còn lá cây rau rền có chứa nhiều anthocyanin (có màu đỏ tía) cao).

- Kết luận:

+ Lá cây chứa nhiều loại sắc tố quang hợp khác nhau như chlorophyll, carotenoid,…

+ Các sắc tố hòa tan trong dung môi hữu cơ, do đó có thể dùng dung môi hữu cơ để tách sắc tố quang hợp.

BÁO CÁO KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

TÌM HIỂU SỰ THẢI OXYGEN TRONG QUÁ TRÌNH QUANG HỢP

- Tên thí nghiệm: Tìm hiểu sự thải oxygen trong quá trình quang hợp.

- Nhóm thực hiện: ……………………

- Kết quả và thảo luận:

+ Kết quả: Sau 5 giờ, quan sát thấy ống nghiệm khi để ngoài sáng có bọt khí thoát ra, khi đưa que tăm đang cháy vào miệng ống nghiệm thấy có hiện tượng que tăm bùng cháy mạnh hơn. Ở ống nghiệm để trong tối, không có bọt khí thoát ra; khi đưa que tăm đang cháy vào miệng ống nghiệm, que tăm bị tắt.

+ Giải thích:

          Ở ống nghiệm để trong tối, do không nhận được ánh sáng nên cành rong trong ống nghiệm không tiến hành quá trình quang hợp, bằng chứng là không có bọt khí oxygen thoát ra dẫn đến khi đưa que tăm đang cháy vào thì que tăm bị tắt vì thiếu oxygen để duy trì sự cháy.

          Ở ống nghiệm để ngoài sáng, do nhận được ánh sáng đầy đủ nên cành rong tiến hành quá trình quang hợp thải khí oxygen tạo thành bọt khí dẫn đến khi đưa que tăm đang cháy vào thì que tăm đang cháy sẽ bùng cháy mạnh hơn do oxygen là loại khí duy trì sự cháy.

- Kết luận: Cây giải phóng khí oxygen trong quá trình quang hợp.

Ở những vùng có khí hậu nóng và khô nên trồng nhóm thực vật C₄ và CAM vì các nhóm thực vật này có những đặc điểm thích nghi để quang hợp hiệu quả trong điều kiện này, nhờ đó, các nhóm thực vật này có thể sinh trưởng và phát triển tốt. Cụ thể, các nhóm thực vật này có quá trình cố định tạm CO₂, do đó, cây không bị tình trạng thiếu CO₂ để quang hợp như ở nhóm thực vật C₃ khi khí khổng đóng một phần trong điều kiện nóng và khô.

Ánh sáng là nhân tố ảnh hưởng trực tiếp và gián tiếp đến quá trình quang hợp ở cây trồng, từ đó, ảnh hưởng lớn đến năng suất của cây trồng → Việc xác định điểm bù ánh sáng và điểm bão hòa ánh sáng đối với cây trồng sẽ giúp con người có thể điều khiển được cường độ ánh sáng thuận lợi nhất cho quá trình quang hợp (đặc biệt có ý nghĩa trong kĩ thuật trồng cây trong nhà kính), từ đó, giúp nâng cao năng suất của cây trồng.