Nguồn thức ăn và nguồn oxygen góp phần duy trì sự sống trên Trái Đất bắt nguồn chủ yếu từ quá trình quang hợp của các sinh vật quang tự dưỡng:

- Quang hợp cung cấp nguồn chất hữu cơ vô cùng đa dạng và phong phú, đáp ứng nhu cầu dinh dưỡng của hầu hết các sinh vật trên Trái Đất.

- Khí oxygen được tạo ra trong quang hợp có ý nghĩa quan trọng đối với sự cân bằng O₂/CO₂ trong khí quyển.

- Nguồn gốc của nguyên liệu trong quang hợp: CO₂ có nguồn gốc từ khí quyển, H₂O được hấp thụ từ môi trường.

- Nguồn gốc của năng lượng trong quang hợp: năng lượng ánh sáng thường có nguồn gốc từ Mặt Trời.

- Sản phẩm của quang hợp là chất hữu cơ và khí O₂:

+ Vai trò của chất hữu cơ tạo ra từ quang hợp: cung cấp dinh dưỡng và năng lượng cho hầu hết các sinh vật trên Trái Đất; là nguyên liệu, nhiên liệu cho các ngành công nghiệp, xây dựng, y dược,...

+ Vai trò của khí O₂ tạo ra từ quang hợp: khí O₂ được tạo ra có ý nghĩa quan trọng đối với sự cân bằng O₂/CO₂ trong khí quyển, giúp đảm bảo nguồn dưỡng khí cho các sinh vật.

- Hệ sắc tố quang hợp ở cây xanh gồm hai nhóm chính là diệp lục (chlorophyll) và carotenoid.

- Vai trò của các nhóm sắc tố trong quang hợp: Hệ sắc tố quang hợp trên màng thylakoid có vai trò quan trọng trong việc hấp thụ và biến đổi năng lượng ánh sáng thành dạng hóa năng. Trong đó, diệp lục a ở trung tâm trực tiếp đảm nhận nhiệm vụ biến đổi quang năng thành hóa năng chứa trong ATP và NADPH, còn các sắc tố khác có vai trò hấp thụ và truyền năng lượng ánh sáng cho diệp lục a ở trung tâm.

- Một số loài thực vật có lá màu đỏ vẫn có khả năng quang hợp bình thường.

- Giải thích: Trong lá có nhiều loại sắc tố khác nhau, tỉ lệ các loại sắc tố này sẽ quyết định màu sắc của lá cây. Ở những loài thực vật có lá màu đỏ, hàm lượng nhóm sắc tố carotenoid sẽ cao hơn hàm lượng nhóm sắc tố diệp lục chứ không phải là không có chứa diệp lục. Do vẫn có chứa diệp lục nên một số loài thực vật có lá màu đỏ vẫn có khả năng quang hợp bình thường.

- Quá trình quang hợp gồm hai pha là: pha sáng và pha tối.

- Nguyên liệu và sản phẩm của mỗi pha:

- Giải thích tên gọi của các nhóm thực vật:

+ Gọi là thực vật C₃ vì sản phẩm đầu tiên khi cố định CO₂ là hợp chất có 3 carbon (3 – PGA).

+ Gọi là thực vật C₄ vì sản phẩm đầu tiên khi cố định CO₂ là hợp chất có 4 carbon (oxaloacetic acid – OAA).

+ Gọi là thực vật CAM (Crassulacean Acid Metabolism) vì chúng cố định CO₂ bằng con đường CAM (diễn ra gồm 2 giai đoạn tương tự thực vật C₄ nhưng diễn ra trên cùng một tế bào ở hai thời điểm khác nhau) và được đặt tên theo họ thực vật mà cơ chế này lần đầu tiên được phát hiện ra - họ Crassulacean.

- Sự thích nghi với điều kiện sống trong quá trình quang hợp ở 3 nhóm thực vật:

+ Nhóm thực vật C₃ thích nghi với điều kiện khí hậu vùng ôn đới và cận nhiệt đới (điều kiện nhiệt độ, ánh sáng, nước,… thường ổn định không quá cao cũng không quá thấp). Do đó, thực vật C₃ chỉ cần tiến hành cố định CO₂ theo chu trình C₃ (Calvin) khi có ánh sáng.

+ Hai nhóm thực vật C₄ và CAM có quá trình quang hợp thích nghi với điều kiện sống không thuận lợi: nhóm thực vật C₄ thích nghi với điều kiện khí hậu vùng nhiệt đới và cận nhiệt (cường độ ánh sáng cao); nhóm thực vật CAM thích nghi với khí hậu sa mạc hoặc các điều kiện hạn chế về nước (cường độ ánh sáng cao, thiếu nước). Do đó, pha tối ở cây C₄ và CAM có thêm chu trình sơ bộ cố định CO₂ (dưới tác dụng của enzyme PEP – carboxylase có ái lực cao với CO₂, cây C₄ và CAM có thể cố định nhanh CO₂ ở nồng độ rất thấp) đảm bảo nguồn cung cấp CO₂ cho quang hợp trong điều kiện khí khổng chủ động đóng một phần để tránh mất nước khi trời nắng, hạn.

Những yếu tố ngoại cảnh chủ yếu ảnh hưởng đến cường độ quang hợp là: ánh sáng, khí CO₂, nhiệt độ, nước, chất khoáng.

Trong sản xuất nông nghiệp, muốn cây sinh trưởng, phát triển tốt và cho năng suất cao thì không nên trồng với mật độ quá dày vì: Khi trồng ở mật độ quá dày cây sẽ thu nhận được ít ánh sáng, hạn chế về nguồn nước và chất dinh dưỡng,… dẫn đến hoạt động quang hợp của cây trồng kém hiệu quả khiến sự tổng hợp và tích lũy chất hữu cơ của cây sụt giảm. Hậu quả là cây sẽ sinh trưởng, phát triển kém và cho năng suất thấp.

Quang hợp quyết định năng suất cây trồng vì khoảng 90 – 95% tổng khối lượng chất khô của tế bào và cơ thể thực vật chính là các hợp chất hữu cơ do quang hợp tạo ra.

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.

- Một số biện pháp kĩ thuật có thể tác động tới quang hợp nhằm nâng cao năng suất cây trồng: bón phân hợp lí, cung cấp đủ nước, gieo trồng đúng thời vụ, chọn tạo giống có khả năng quang hợp cao, phòng trừ sâu bệnh hại,…

- Phân tích tác dụng của mỗi biện pháp trên:

+ Bón phân hợp lí: giúp thúc đẩy quá trình vận chuyển sản phẩm đồng hóa về cơ quan dự trữ, làm tăng năng suất. Phân bón cũng là yếu tố ảnh hưởng đến sự phát triển đến bộ lá của cây, diện tích lá lớn sẽ nâng cao hiệu quả quang hợp.

+ Cung cấp nước đầy đủ cho cây trồng: Nước quyết định sự vận chuyển vật chất trong cây về cơ quan dự trữ, đặc biệt là khi cây bắt đầu chuyển sang giai đoạn sinh sản. Đồng thời, nước là nguyên liệu của quang hợp. Do đó, cung cấp nước đầy đủ làm tăng hiệu quả quang hợp, từ đó, làm tăng năng suất cây trồng.

+ Gieo trồng đúng thời vụ: giúp tạo điều kiện thuận lợi về các yếu tố thời tiết (nhiệt độ, cường độ ánh sáng,…) làm tăng cường độ và hiệu suất quang hợp, từ đó, cho năng suất cao.

+ Chọn tạo giống có khả năng quang hợp cao: Những giống cây trồng có diện tích lá lớn, cường độ quang hợp cao sẽ giúp cây trồng có tiềm năng đạt năng suất cao.

+ Phòng trừ sâu bệnh hại, tiêu diệt cỏ dại: giúp cây trồng sinh trưởng và phát triển tốt, loại bỏ sự cạnh tranh dinh dưỡng, từ đó, cho năng suất cao.

- Công nghệ trồng cây không cần ánh sáng mặt trời là công nghệ sử dụng đèn LED thay thế ánh sáng mặt trời, giúp con người có thể chủ động tạo được nguồn ánh sáng có cường độ và thành phần quang phổ phù hợp với quá trình quang hợp ở từng loại cây trồng.

- Một số loại cây trồng được áp dụng công nghệ trồng cây không cần ánh sáng mặt trời: các loại rau xanh như xà lách, rau diếp, rau cải, rau muống, củ cải đỏ, cần tây,… các loại cây cảnh như hoa hồng, hoa lan, kiềng lá, sen đá,…

Các cây xương rồng, thuốc bỏng,… thường sinh trưởng và phát triển chậm hơn so với các cây thuộc nhóm thực vật C₃, C₄ vì: Để thích nghi với điều kiện môi trường sống nắng nóng, nhiệt độ cao, khô hạn, khí khổng ở các loài cây này không mở ra vào ban ngày mà chỉ mở vào ban đêm khi nhiệt độ giảm xuống. Điều này dẫn đến CO₂ – nguyên liệu cho quá trình quang hợp chỉ xâm nhập vào lá vào ban đêm để dự trữ, sau đó, vào ban ngày, CO₂ này mới được sử dụng để tạo ra chất hữu cơ. Bởi vậy, ở những loài cây này, cường độ quang hợp thấp kéo theo lượng chất hữu cơ được tổng hợp và tích lũy ít dẫn đến sinh trưởng và phát triển của cây chậm hơn các loài thực vật khác.

- Cây có điểm bù ánh sáng thấp có khả năng quang hợp ở cường độ ánh sáng thấp, còn cây có điểm bù ánh sáng cao có khả năng quang hợp ở cường độ ánh sáng cao → Trong trồng trọt, người ta thường trồng xen canh các cây có điểm bù ánh sáng thấp với cây có điểm bù ánh sáng cao để tận dụng tối đa nguồn ánh sáng, chất dinh dưỡng trên một diện tích trồng trọt mà vẫn đảm bảo năng suất do cây có điểm bù ánh sáng cao sẽ ở phía tầng trên còn cây có điểm bù ánh sáng thấp sẽ ở tầng dưới.

- Ví dụ: Trồng xen giữa ngô có điểm bù ánh sáng cao với đậu đỗ có điểm bù ánh sáng thấp.

Trong trồng trọt, muốn tăng năng suất và chất lượng cây trồng như khoai tây, khoai lang, sắn dây, mía, củ cải đường,… thông qua quang hợp, cần áp dụng các biện pháp kĩ thuật như: chọn giống thích hợp, bón phân hợp lí, cung cấp đầy đủ nước cho cây trồng, gieo trồng đúng thời vụ, phòng trừ sâu bệnh hại,…