Giáo trình Sinh lý thực vật - Chương 2: Sự trao đổi nước ở thực vật

11/8/2013 1 CHƢƠNG II – SỰ TRAO ĐỔI NƢỚC Ở THỰC VẬT • Dung môi lý tưởng, hòa tan được nhiều chất. H2O  H + + OH- • Có tính lưỡng cực  hình thành màng thủy hoá • Tham gia vào các phản ứng hóa sinh, các biến đổi chất trong tế bào, trao đổi chất • Nước là chất điều chỉnh nhiệt trong cây Tích điện (-) Tích điện (+) Các phân tử nước không liên kết Các phân tử nước liên kết 2.1. Các dạng nước trong đất • Nước trọng lực: Rễ cây có thể hấp thu một phần khi nước này chảy qua. • Nước mao dẫn: rất có ý nghĩa sinh học đối với cây và cây có khả năng lấy dễ dàng. • Nước màng: cây có thể hút lớp nước ở xa trung tâm mang điện • Nước ngậm: cây không thể sử dụng 2.2. Các dạng nước trong cây • Nước liên kết (4-5%) và nước tự do • Nước liên kết thường kết hợp với nhóm ưa nước của protein bằng cầu nối hydrogen. • Hàm lượng nước liên kết lớn  khả năng chống chịu của chất nguyên sinh đối với ngoại cảnh bất lợi cao. Sự trao đổi nước ở cấp độ tế bào Phân tử nước BÊN NGOÀI TẾ BÀO TẾ BÀO CHẤT Lỗ màng (chỉ cho nước qua) Lớp màng kép 11/8/2013 2 Mặt đất Rễ hút nước từ đất Động lực chính của dòng nước đi từ đất qua cây và thoát ra không khí là: lực mao dẫn, áp suất rễ và sức kéo của thoát hơi nước Nước đi lên nhờ mạch gỗ (lực mao dẫn) Nước thoát hơi qua lá (nhờ các khí khổng) Mạch gỗ cắt ngang Ngoại bì Nhu mô vỏ Trụ bì Nội bì Thượng tầng (B) MẶT CẮT NGANG RỄ V ùn g m ô p hâ n si nh V ùn g k éo d ài V ùn g tr ư ở ng th àn h Lông hút Nhu mô vỏ Lông hút Nội bì với vành đai Caspar Biểu bì Khu vục phân chia tế bào Chóp rễ Chất nhầy Trung tâm rễ Đỉnh rễ Lông hút Mạch libe (phloem) Mạch gỗ (xylem) Mạch gỗ Mạch libe (A) DÒNG NƢỚC TRONG CÂY (C) MẶT CẮT DỌC KHU VỰC ĐỈNH RỄ Các tế bào phân sinh nằm gần đầu rễ, hình thành chóp rễ và các mô rễ. Ở vùng kéo dài, các tế bào phân hóa để hình thành mô gỗ, libe và nhu mô vỏ. Lông hút được tạo ra trong tế bào biểu bì, xuất hiện trước tiên ở vùng trưởng thành 3.2. Đường đi của nước vào cây và trong các tế bào sống Đường đi của nước vào mạch dẫn: Sức hút nước của rễ > Sức giữ nước của đất  nước đi qua lông hút  các tế bào biểu bì rễ  nhu mô vỏ   lớp tế bào nội bì có vách tế bào hóa bần 4 mặt (vòng đai caspar)  hệ thống chất nguyên sinh   nhu mô ruột  mạch dẫn Rễ Lông hút Nước Hạt cát Hạt sét Không khí Lông hút tiếp xúc trực tiếp với các hạt đất và làm tăng đáng kể bề mặt tiếp xúc để hút nước. Đất là sự pha trộn các hạt (cát, sét, bùn và chất hữu cơ), nước, các chất hòa tan và không khí. Nước bị hút bám ở bề mặt các hạt đất. Khi cây hút nước, dung dịch đất rút xuống các lỗ, rãnh, kẽ hở nhỏ hơn giữa các hạt đất. Ở bề mặt chung của nước – không khí, sự rút nước làm bề mặt dung dịch đất tạo các mặt lõm (mũi tên trong hình ngay các vị trí lõm), làm dung dịch bị nén do sự nén bề mặt. Khi nhiều nước bị lấy đi khỏi đất, càng nhiều mặt lõm nhọn được hình thành, dẫn đến dung dịch bị nén nhiều hơn (càng nhiều áp suất âm) Nội bì Vòng đai caspar Biểu bì Con đường Apoplast Con đường Symplast Nhu mô vỏ Trụ bì Con đường hút nước và chất khoáng của rễ (mạch gỗ) (mạch libe) Sợi liên bào Thành tế bào Màng sinh chất Lớp giữa Tế bào chất Màng không bào Không bào Sợi liên bào 11/8/2013 3 6. Sự vận chuyển nước đi trong cây Hạt đất Nước Hút nƣớc từ đất Tế bào mạch gỗ Phân tử nước Khí khổng Tế bào thịt lá Nhựa cây Thoát hơi nƣớc Các phân tử nước dính nhau nhờ liên kết hydro Phân tử nước bám vào thành mạch dẫn nhờ liên kết hydro Thành tế bào Không khí T h ế n ƣ ớ c 1 atm = 0.1013 Mpa Ψ mạch gỗ Ψ rễ Ψ mạch gỗ Ψ thành tế bào lá Ψ khoảng gian bào lá Ψ không khí Sự bám dính nhau của phân tử nƣớc trong mạch gỗ Phân tử nước Lông hút dậu Mô khuyết (mô xốp) CẤU TẠO LÁ C3 * Cấu trúc của hệ thống vận chuyển nước (hệ thống mạch gỗ) (xylem) • Các tế bào hẹp và dài (hình ống) đã chết, mất hẵn chất nguyên sinh. • Thành tế bào dày và hóa gỗ, nhưng không có vách ngăn  các ống mao quản liên tục suốt hệ thống dẫn  nước chảy trong mao quản thông suốt mà không có vật cản. • Là hệ thống vận chuyển nước hoàn hảo nhất và tiến hóa nhất. 11/8/2013 4 Lignin Lignin (Mạch gỗ) Thành thứ cấp Thành sơ cấp Lỗ bên Lỗ đơn Vách ngăn có nhiều lỗ Quản bào Mạch ống Quản bào Mạch ống Lỗ bên Đĩa có nhiều lỗ li ti (loại đơn giản) (loại phức tạp) Thành sơ cấp Cặp lỗ nhỏ Thành thứ cấp Màng lỗ Đế Hốc Mạch ống Quản bào (D) Các loại tế bào trong mạch gỗ và sự nối kết của chúng. (A) Cấu trúc của quản bào và mạch ống. Quản bào là các tế bào kéo dài, rỗng và chết với thành tế bào hóa gỗ ở mức độ cao. Thành tế bào chứa vô số các lỗ nhỏ - các vùng chỉ có thành sơ cấp, không có thành thứ cấp. Hình dạng và kiểu lỗ nhỏ khác nhau ở loại cơ quan và giữa loài cây. Quản bào hiện diện ở tất cả loài cây có mạch dẫn. Mạch ống cũng là các tế bào chết và nối liền với các mạch ống bên cạnh nhờ các vách ngăn có nhiều lỗ - các vùng Nước Lỗ Bong bóng khí Quản bào lắp đầy bong bóng khí Đĩa có nhiều lỗ li ti Mạch ống lắp đầy bong bóng khí Đĩa bậc thang 6. Sự thoát hơi nước của cây • Bay hơi nước (bốc hơi nước) chủ yếu qua bề mặt lá • Thoát hơi nước: hơi nước trong cây qua các lỗ khí khổng trên bề mặt lá hoặc qua lớp cutin (phủ trên bề mặt lá) thoát ra ngoài. • Thông thường cây hút 1000 phần nước thì chỉ có trung bình 1 phần đi vào tạo ra chất khô Tế bào chất Lục lạp Lớp H2O Bốc hơi Màng tế bào Vi sợi cellulose (mặc cắt) Bốc hơi Bốc hơi Không khí Bề mặt nước – không khí Bốc hơi Tế bào chất Nước trong thành tế bào Thành tế bào Màng tế bào Thành tế bào Không bào Áp lực nước (MPa) Bán kính đường cong (μm) 11/8/2013 5 Biểu bì Lục lạp Bó mạch Nhu mô khuyết Nhu mô dậu Lục mô Khí khổng Tế bào khí khổng Mạch libe Mạch gỗ Biểu bì Lớp cutin Lớp cutin Lớp cutin Biểu bì trên Nhu mô khuyết Biểu bì dưới Gân lá Nhu mô dậu Lớp không khí mép lá Tế bào khí khổng Lỗ khí khổng Lớp không khí mép lá Hơi nước Sự thoát hơi nước qua lá Tế bào biểu bì Các vi sợi cellulose được xếp tỏa tròn Lỗ Tế bào khí khổng Tế bào biểu bì Các vi sợi cellulose được xếp tỏa tròn Tế bào khí khổng Lỗ Tế bào phụ Phức hợp khí khổng Sự sắp xếp tỏa tròn của các vi sợi trong tế bào khí khổng 11/8/2013 6 3 con đƣờng thẩm thấu của tế bào khí khổng Mũi tên đậm là các bước trao đổi chất chính dẫn đến sự tích lũy chất tan thẩm thấu chủ động trong tế bào khí khổng Malate được hình thành từ thủy phân tinh bột K+ và Cl- vào tế bào theo gradient nồng độ Tinh bột TẾ BÀO CHẤT KHÔNG BÀO LỤC LẠP Tinh bột Tích lũy đường từ thủy phân tinh bột 3 con đƣờng thẩm thấu của tế bào khí khổng Mũi tên đậm là các bước trao đổi chất chính dẫn đến sự tích lũy chất tan thẩm thấu chủ động trong tế bào khí khổng TẾ BÀO CHẤT KHÔNG BÀO Tinh bột LỤC LẠP Tích lũy đường từ cố định Carbon 3 con đƣờng thẩm thấu của tế bào khí khổng Mũi tên đậm là các bước trao đổi chất chính dẫn đến sự tích lũy chất tan thẩm thấu chủ động trong tế bào khí khổng Tinh bột TẾ BÀO CHẤT KHÔNG BÀO LỤC LẠP Tinh bột Đ ộ m ở k h í k h ổ n g Nền ánh sáng đỏ Arabidopsis hoang dại npq1 (Thể đột biến thiếu zeaxanthin) TẾ BÀO CHẤT Năng lượng ánh sáng LỤC LẠP Thụ cảm ánh sáng xanh Dòng tín hiệu từ ánh sáng xanh kích thích khí khổng mở dậu Mô khuyết (mô xốp) CẤU TẠO LÁ C3 11/8/2013 7 Lớp cutin Lớp cutin Biểu bì trên Nhu mô khuyết Biểu bì dưới Gân lá Nhu mô dậu Lớp không khí mép lá Tế bào khí khổng Lỗ khí khổng Lớp không khí mép lá Hơi nước Sự thoát hơi nước qua lá