CHUYÊN ĐỀ: “TRAO ĐỔI DINH DƯỠNG KHOÁNG VÀ ĐỒNG HÓA NITƠ Ở THỰC VẬT”

 MỞ ĐẦU

Sinh lí thực vật là môn học được giảng dạy ở các trường THPT, nội dung của môn học được đưa vào rất nhiều trong các kì thi học sinh giỏi trong nước và quốc tế.

          Khi học sinh nghiên cứu về quá trình trao đổi chất và năng lượng ở thực vật sẽ gặp rất nhiều khó khăn do sách giáo khoa và tài liệu chuyên viết chưa nhiều về vấn đề này. Quá trình trao đổi vật chất và năng lượng ở thực vật là rất đa dạng, tuy nhiên trong phạm vi 1 chuyên đề hẹp, chúng tôi chỉ tập trung đi sâu vào một số kiến thức trọng tâm và các câu hỏi, bài tập vận dụng trong phần trao đổi dinh dưỡng khoáng và đồng hóa nito ở thực vật.

          A. LÝ THUYẾT CƠ BẢN

I. Khái niệm và phân loại các nguyên tố khoáng

1. Khái niệm

          Nguyên tố dinh dưỡng khoáng là những nguyên tố được bổ sung từ môi trường ngoài, cần thiết cho sự tồn tại, sinh trưởng  và phát triển của cây.

          Các nguyên tố này cung cấp cho cây  nhằm 2 mục đích cơ bản là duy trì các hoạt động sinh lí – sinh hóa bình thường trong mô và tham gia kiến tạo các cấu trúc.

          2. Phân loại

          - Theo khối lượng, nguyên tố khoáng chia làm 3 nhóm:

          + Nhóm đại lượng gồm các nguyên tố chiếm 1 lượng lớn, từ 10^-1 đến 10^-4  % khối lượng chất khô: C, H, O, N, P, K…

          + Nhóm vi lượng gồm các nguyên tố chiếm 1 lượng nhỏ từ 10^-5  đến 10^-7 % khối lượng chất khô: Mn, B, Cu, Zn…

          + Nhóm siêu vi lượng gồm các nguyên tố chiếm 1 lượng rất nhỏ, từ 10^-8  đến 10^-14 % khối lượng chất khô: I, Ag, Au, Hg…

          - Theo chức năng sinh lý chia làm 4 nhóm:

          + Nhóm kiến tạo các chất hữu cơ

          + Nhóm tham gia phản ứng truyền năng lượng trong cây

          + Nhóm xuất hiện trong mô ở dạng tự do hoặc trạng thái ion liên kết yếu với cơ chất.

          + Nhóm các nguyên tố khoáng thiết yếu liên quan đến sự truyền điện tử.

          II. Vai trò của các nguyên tố khoáng.

          1. Vai trò của các nguyên tố đại lượng

          - Đóng vai trò cấu trúc trong tế bào, là thành phần của các đại phân tử: protein, lipit, axit nucleic, …

          - Ảnh hưởng đến tính chất của hệ thống keo trong chất nguyên sinh như: điện tích bề mặt, độ ngậm nước, độ nhớt và độ bền vững của hệ thống keo

          a. Phốtpho (P)               

          - Hàm lượng dao động trong khoảng từ 0,1 – 0,5% khối lượng khô và thường nhỏ hơn so với N va K

          - Trong cây P tồn tại chủ yếu dưới dạng hợp chất hữu cơ, 1 phần nhỏ ở dạng vô cơ (PO₄^3-).

          - Vai trò:

          + Tham gia thành phần cấu trúc các đại phân tử quan trọng

          + Tham gia trao đổi chất và năng lượng: cấu trúc các hợp chất cao năng như ATP, NaDP⁺

          + Trong quang hợp: tăng cường tổng hợp sắc tố, photphorin hóa quang hóa tạo ATP.

          + Trong trao đổi nước: tổng hợp chất hữu cơ ưa nước làm tăng cường trao đổi nước ở tế bào, làm tăng hàm lượng nước liên kết keo do đó làm tăng khả năng chịu hạn…

          + Sự thiếu P nhạy cảm ở giai đoạn sinh trưởng đầu tiên của cây, P cung cấp năng lượng dưới dạng ATP cho các phản ứng hóa học trong tế bào nên dù thiếu 1 lượng rất nhỏ cũng làm đình trệ các quá trình sinh lý và chậm chức năng sinh trưởng của cây.

+ P có hiệu quả nhất đối với các cây họ đậu vì P cần cho hoạt động cố định đạm của vi sinh vật. Trong cây, thừa P không gây hại, P có thể vận chuyển từ cơ quan già đến cơ quan non đang sinh trưởng mạnh gọi là “ nguyên tố dùng lại”

- Biểu hiện cây thiếu P:

+ Lá hoặc thân thường có màu sẫm đặc trưng đến lam lục, thiếu nhiều còn thấy biểu hiện màu tím đỏ.

b. Kali (K)

- K chiếm khoảng 0,5 – 6% khối lượng khô của cây, nhiều nhất so với N và P, đặc biệt ở mô phân sinh K chiếm 50% các nguyên tố khoáng, được rễ hấp thụ dưới dạng ion K⁺.

+ K không tham gia vào thành phần cấu trúc, tồn tại ở dạng ion tự do trong dung dịch hoặc liên kết với các bề mặt tích điện âm của mô.

+ K trong cây được gọi là “nguyên tố dùng lại”

- Vai trò:

+ Điều chỉnh hệ keo chất nguyên sinh, từ đó ảnh hưởng đến chiều hướng và tốc độ quá trình trao đổi chất.

+ Điều chỉnh đóng mở khí khổng: K đi vào làm tăng độ ngậm nước.

+ Điều chỉnh dòng vận chuyển các chất hữu cơ trong mạch rây à có ý nghĩa quan trọng trong tăng năng suất kinh tế ở cây trồng.

+ Tham gia hoạt hóa một số enzim của quá trình trao đổi chất: enzim ATPaza (tổng hợp ATP), axetyl-coA (trong chu trình Crep), … Do đó, K liên quan đến tất cả các chức năng quan trọng của tế bào sống.

+ Tham gia điều chỉnh vận động ở thực vật: ion K⁺ làm tế bào trương nước hoặc mất sức trương (trinh nữ, nắp ấm).

+ Tăng khả năng chống rét, chống lốp đổ, chống một số bệnh.

- Biểu hiện thiếu K:

+ Xuất hiện các triệu chứng và biểu hiện trước hết ở lá già như úa vàng dọc mép lá, đỉnh lá bị sém và nâu, sau đó lan dần và phía trong. Cây phát triển chậm và còi cọc, thân yếu, hạt và quả không phát triển.

+ Thiếu K làm tăng khả năng bị bệnh gây ra do các tác nhân như virut, vi khuẩn, côn trùng, nấm, …

c. Lưu huỳnh (S)   

- Chiếm khoảng 0,2% khối lượng chất khô.

- Dạng hấp thu:

+ Dạng vô cơ hoặc hữu cơ nhưng dạng cây hút chủ yếu là muối sunpphat SO₄^2-.

+ Trong môi trường axit, lưu huỳnh bị giữ chặt trong keo đất nên việc bón vôi làm tăng độ pH của đất tạo điều kiện cho ion SO₄^2- dễ di động, cây sử dụng dễ dàng hơn.

+ Trong cây, lưu huỳnh tập trung nhiều ở lục lạp và ti thể.

+ S không là “nguyên tố dùng lại”            

- Vai trò:

+ Tham gia cấu trúc một số axit amin quan trọng (xistein, methionin) và các hợp chất sinh học quan trọng (coenzim, vitamin)

+ Tham gia cấu trúc các sản phẩm trung gian như tinh dầu hành, tỏi; hợp chất glucosid,...

- Biểu hiện thiếu S: Lá non có màu vàng hoặc lục nhạt, sau đó xuất hiện các vết chấm đỏ do mô chết. Trong thực tế ít bón phân lưu huỳnh vì trong đất thường không thiếu lưu huỳnh, sau khi sử dụng đạm sunphat đã gián tiếp cung cấp lưu huỳnh cho cây.

d. Magiê (Mg)        

- Dạng hấp thu: MgCO₃, thường chỉ đất cát ven biển mới thiếu Mg

- Mg là nguyên tố linh động, được dùng lại.

- Vai trò:

+ Là thành phần cấu trúc của diệp lục

+ Toàn bộ Mg ở cơ thể chiếm 15-20% thì ở lá chiếm 10%.

+ Tham gia hoạt hóa một số enzym: ATPaza, photphataza, ..

+ Tham gia quá trình hình thành vách tế bào, hình thành riboxom, ...

+ Điều chỉnh sự hút các cation (liều lượng cao nó làm giảm bớt, loại trừ độc hại của sự thừa Mn).

+ Tham gia tổng hợp các tinh dầu cao su, vitamin A, C.

+ Mg cần cho các cây ngắn ngày: lúa, ngô, đậu tương, khoai tây. Bón Mg làm tăng lượng tinh bột trong nông sản.

- Biểu hiện thiếu Mg:

+ Lá trắng sau đó chuyển sang vàng do quá trình tổng hợp diệp lục bị ức chế.

+ Mép lá có màu vàng da cam, đỏ hoặc đỏ sẫm.

2. Vai trò của các nguyên tố vi lượng và siêu vi lượng

          + Là thành phần cấu trúc không thể thiếu được của hầu hết các enzim.

          + Tham gia vào quá trình trao đổi chất của cơ thể: hoạt hóa enzim, liên kết với các chất hữu cơ  tạo thành hợp chất cơ kim.

          II.  Sự hấp thụ các chất khoáng ở thực vật.

  1. Cấu trúc và chức năng của rễ.     

  Rễ có những biến đổi thích nghi với chức năng hấp thụ:  vách tế bào biểu bì mỏng, không thấm cutin, từ biểu bì hình thành vô số lông hút, làm tăng bề mặt tiếp xúc rất lớn, tế bào vỏ có nhiều khoảng gian bào để dự trữ nước và ion khoáng. Tế bào nội bì có đai caspary làm cho rễ có khả năng điều chỉnh và kiểm tra dòng vật chất vào trụ mạch dẫn.

Ngoài ra, rễ cây có cấu tạo vững chắc, mềm dẻo, linh động, dễ uốn cong và nhờ vào sự phân nhánh, ăn sâu lan rộng mà nó có thể giúp cây bám

 chặt vào đất và chống lại các tác động cơ học bất lợi khác.

2. Cơ chế hấp thụ khoáng

a. Hấp thu bị động:

- Các hình thức:

+ Các ion khoáng khuyếch tán theo sự chênh lệch nồng độ từ cao đến thấp.
+ Các ion khoáng hoà tan trong nước và vào rễ theo dòng nước.

+ Các ion khoáng hút bám trên bề mặt các keo đất và trên bề mặt rễ trao đổi với nhau khi có sự tiếp xúc giữa rễ và dung dịch đất. Cách này gọi là hút bám trao đổi.

-  Tính chất chung:

- Không chọn lọc và không phụ thuộc vào hoạt động sinh lí của cây

- Xảy ra khi:

+ Nồng độ các chất trong môi trường cao,

+ Rễ cây bị tổn thương

+ Tế bào già

b. Hấp thụ chủ động.

Phần lớn các chất khoáng được hấp thụ vào cây theo cách chủ động.

Đó là con đường thu nhận các ion khoáng trực tiếp từ đất vào nguyên sinh chất của các tế bào rễ nhờ các protein vận chuyển chuyên hóa bám trên màng tế bào biểu bì, quá trình vận chuyển này có tiêu tốn năng lượng ATP.

-  Tính chất:                       

+ Chọn lọc

+Vận chuyển ngược chiều nồng độ, phụ thuộc nhu cầu và hoạt động sinh lí của cây.

+ Cần thiết phải có năng lượng ATP và  chất mang. ATP và chất mang được cung cấp từ quá trình trao đổi chất, mà chủ yếu là quá trình hô hấp.

Như vậy quá trình hấp thụ nước và các chất khoáng đều liên quan chặt chẽ với quá trình hô hấp của rể.

Ngoài ra, các nguyên tố khoáng còn có thể được lá cây hấp thụ nhờ khí khổng, đây là cơ sở cho thực hành bón phân trên lá.

III. Quá trình đồng hoá nitơ ở thực vât

1. Vai trò của nitơ đối với thực vật

  Rễ cây hấp thụ Nitơ ở hai dạng: Nitơ nitrat (NO₃^-) và Nitơ amôn (NH₄⁺) trong đất.

  N là “nguyên tố dùng lại” 

  - Nitơ có vai trò:

 + Là thành phần của hầu hết các chất trong cây: protein, axit nucleic, các sắc tố quang hợp, các hợp chất dự trữ năng lượng: ADP, ATP, các chất điều hoà sinh trưởng à N vừa có vai trò cấu trúc, vừa tham gia quá trình TĐC và năng lượng.

 + Điều tiết trao đổi chất: N có vai trò đặc biệt quan trọng đối với sự sinh trưởng, phát triển của cây trồng và do đó nó quyết định năng suất và chất lượng thu hoạch.

 + Thực vật có nhu cầu N rất lớn, khi thiếu N cây ngừng ST, lá chuyển sang màu vàng nhạt, cây lúc này tích lũy nhiều cacbohyđrat vì không được sử dụng để tổng hợp các hợp chất chứa N. Khi thừa N cây ST quá mạnh, thân và lá tăng trưởng nhanh, nhiều nhưng mô cơ giới (mô nâng đỡ) kém phát triển, cây dễ bị lốp đổ, sâu bệnh, năng suất giảm.

2. Nguồn nitơ cho cây

 NH₄⁺ và NO₃^- được tạo ra từ:

- Nitơ tự do (N₂) trong  tự nhiên

- Dưới tác dụng của tia lửa điện( sấm sét)

- Do hoạt động của các VSV tự do: (Azôtobacterium, Closterium, Anabaena, Nostoc,...)

- Do hoạt động của các vi khuẩn, tảo cộng sinh: Rhizobium trong nốt sần rễ cây Bộ Đậu, Anabaena azolleae trong bèo hoa dâu.

- Từ xác động thực vật, VSV thối rữa phân huỷ thành

- Phân bón do con người cung cấp

  Nitơ trong dất có thể bị mất di do quá trình phản nitrat  hoá trong  điều kiện yếm khí.

  3. Quá trình cố định nitơ khí quyển

  Nitơ phân tử (N₂) có một lượng lớn trong khí quyển (78%) và mặc dù "tắm mình trong biển khí nitơ" phần lớn thực vật vẫn hoàn toàn bất lực trong việc sử dụng khi nitơ này. May mắn thay nhờ khả năng đặc biệt mà một số vi khuẩn sống tự do và cộng sinh đã thực hiện được việc khử N₂ thành dạng nitơ cây có thể sử dụng được: NH₄⁺. Đó chính là quá trình cố định nitơ khí quyển, thực hiện bởi các nhóm vi khuẩn tự do và các vi khuẩn cộng sinh theo cơ chế sau:

Những điều kiện:

- Có lực khử mạnh ( trong lên men là FredH₂,trong hô hấp là FADH₂, NADH₂)

- Có năng lượng ATP

- Enzim Nitrogenaza ( phải có Mo hoạt hoá)

- Điều kiện yếm khí

Các vi khuẩn tự do có thể cố định hàng chục kilogam NH₄⁺, còn các vi khuẩn cộng sinh có thể cố định hàng trăm kilogam  NH₄⁺/ha/năm.

`        Sau đây là sơ đồ minh hoạ cho các nguồn cung cấp nitơ cho cây :

4. Quá trình biến đổi Nitơ trong cây

a. Quá trình khử NO₃^-

 Cây hút được từ đất cả hai dạng nitơ oxy hóa (NO₃^-) và nitơ khử ( NH₄⁺), nhưng cây chỉ cần dạng  NH₄⁺ để hình thành các axit amin nên việc trước tiên mà cây phải làm là việc biến đổi dạng NO₃^- thành dạng  NH₄⁺ nhờ hệ thống các enzim Reductaza. Mo và Fe hoạt hóa các enzim tham gia vào quá trình khử trên.

Quá trình amôn hoá xảy ra theo các bước sau đây:

                 Nitratreductase         Nitritreductase

NO₃^- -------------->   NO₂^- ------------->  NH₄⁺

b. Quá trình đồng hoá NH₃

- Hình thành axit amin: Quá trình hô hấp của cây tạo ra các xêtoaxit (R-COOH), và nhờ quá trình trao đổi nitơ các xêto axit này có thêm gốc NH₂ để thành các axit amin. Có 4 phản ứng để hình thành các axit amin. Sau đây là các phản ứng khử amin hoá để hình thành các axit amin:

+ Xetoglutaric + NH₃ + 2H⁺→ glutamin + H₂O

+ Axit pyruvic + NH₃+ 2H⁺ → alanin + H₂O

+ Axit fumaric + NH₃ → aspartic

+ Axit oxaloaxetic + NH₃ + 2H⁺→   aspartic + H₂O

Và sau đó có các phản ứng chuyển amin hóa để hình thành 20 axit amin và từ các axit amin này thực vật có thể tạo vô vàn các protein và các hợp chất thứ cấp khác của thực vật.

- Hình thành amit: các axit amin mới được hình thành sẽ kết hợp với NH₃ tạo thành các amit, có tác dụng giải độc và dự trữ N cho cây khi mô thực vật thừa NH₃.

IV. Ảnh hưởng các nhân tố môi trường đến quá trình trao đổi khoáng và nitơ

1. Ánh sáng

- Ánh sáng ảnh hưởng đến sự hút các ion khoáng thông qua tác động đến quá trình quang hợp, trao đổi nước và tính thẩm thấu của chất nguyên sinh.

2. Nhiệt độ

- Trong giới hạn nhiệt độ nhất định, khi tăng nhiệt độ thì làm tăng quá trình hô hấp ở rễ → tăng sự hấp thụ các nguyên tố khoáng và nito.

   3. Độ ẩm đất

- Nước tự do trong đất tạo điều kiện để hoà tan ion và ảnh hưởng đến sự phát triển của hệ rễ → tăng khả năng trao đổi.

4. Độ pH đất

    - pH đất ảnh hưởng đến sự hoà tan các chất khoáng trong đất, khả năng biến đổi các chất khó tiêu thành chất dễ tiêu và sự phát triển của hệ rễ, pH phù hợp nhất từ 6-6,5.

pH axit → hút anion mạnh

pH kiềm → hút cation mạnh

Ở đất chua, H⁺ bám trên bề mặt keo đất, các ion dinh dưỡng dễ bị rửa trôi vì vậy đất nghèo dinh dưỡng.

5. Độ thoáng khí

- O₂ cần cho sự hút khoáng ( thuận lợi nhất khi nồng độ ôxi phân tử là 2- 3%), liên quan đến quá trình hô hấp của rễ.

- Sự tích lũy CO₂, N₂, H₂S và các chất khác trong đất ngập úng  ức chế hoạt động hút khoáng của hệ rễ.

V. Nhu cầu dinh dưỡng khoáng và bón phân hợp lí

- Nhu cầu dinh dưỡng: là lượng dinh dưỡng cần thiết để tạo ra một đơn vị năng suất cây trồng.

- Phương pháp xác định:

+ Phân tích định kì hàm lượng các chất dinh dưỡng trong thân, rễ, lá, hoa quả

+ Trồng trong dung dịch, phân tích phần dung dịch còn lại.

+ Bón thêm chất dinh dưỡng vào các thời kì sinh trưởng khác nhau xem năng suất tăng ở thời kì nào nhiều nhất.

- Nguyên tắc bón phân hợp lí:

          Cũng như vấn đề tưới nước hợp lí, vấn đề bón phân hợp lí cho cây trồng cũng phải trả lời và thực hiện bốn vấn đề sau: Bón bao nhiêu, bón khi nào, bón thế nào và bón phân gì?

          + Về lượng phân bón phải căn cứ vào các yếu tố sau đây:

*Nhu cầu dinh dưỡng của cây trồng (lượng chất dinh dưỡng để hình thành một đơn vị thu hoạch).

*Khả năng cung cấp chất dinh dưỡng của đất.

*Hệ số sử dụng phân bón.

- Dựa vào các yếu tố này ta có thể tính được lượng phân bón cần thiết cho một thu hoạch định trước.

+ Về thời kì bón phân phải căn cứ vào các quá trình sinh trưởng của mỗi loại cây trồng.

+ Về cách bón phân: bón lót (bón trước khi trồng), bón thúc (bón trong quá trình sinh trưởng của cây) và có thể bón phân qua đất hoặc bón phân qua lá.

+ Việc bón phân gì phải căn cứ vào vai trò của mỗi loại phân bón và biểu hiện của cây khi thiếu dinh dưỡng.

B. MỘT SỐ CÂU HỎI VẬN DỤNG

1. Vai trò hô hấp của rễ đối với trao đổi khoáng?

TL:

  Vai trò hô hấp của rễ đối với trao đổi khoáng:

          - Tạo ra năng lượng ATP cho cây hút khoáng chủ động

          - Tạo ra các sản phẩm trung gian (chất mang) cho hút khoáng chủ động.

          - Tạo ra áp suất thẩm thấu cao trong dịch bào giúp cho hút nước và khoáng.

- Tạo ra CO₂, CO₂ + H₂O à H₂CO₃^- + H⁺, H⁺ sinh ra thực hiện hút bám trao đổi với các ion khoáng bám trên bề mặt keo đất.

          2. Nêu các con đường đồng hóa NH₃ trong mô thực vật? quá trình đó có ý nghĩa như thế nào đối với cơ thể thực vật?

          TL:                             

*NH₃ trong mô thực vật được đồng hóa theo 3 con đường:

          - Amin hóa trực tiếp các xeto axit (xeto axit + NH₃ à Axit amin

          - Chuyển vị amin: Axit amin + Xeto axit à Axit amin mới + Xeto axit mới.

          - Hình thành amit: Axit amin dicacboxylic + NH₃ à Amit

          *Ý nghĩa:

          - Giải độc NH₃

          - Nguồn dự trữ NH₃ cho quá trình tổng hợp axit amin trong cơ thể thực vật khi cần thiết.

          3. Tại sao nói thực vật tắm mình trong bể nito mà vẫn thiếu nito? Làm thế nào để bể nito trong không khí biến đổi thành dạng nito mà cây có thể sử dung? Cho biết điều kiện để thực hiện quá trình này? Cơ chế nào giúp tảo lam (VK lam) có thể cố định nito trong điều kiện sống hiếu khí của chúng?

          TL:

          * N₂ có phần lớn trong khí quyển (khoảng 78%) nhưng thực vật không thể sử dụng dạng này.

* Ở một số vi khuẩn sống tự do, vi khuẩn sống cộng sinh có khả năng cố định nito khí quyển nhờ có hệ thống enzim nitrogenaza.

* Điều kiện:

          - Có các lực khử mạnh

- Được cung cấp năng lượng ATP

- Có sự tham gia của enzim nitrogenaza

- Thực hiện trong điều kiện kị khí

* Tảo lam dạng sợi có khả năng cố định N trong điều kiện sống hiếu khí nhờ enzim nitrogenaza, enzim này bị bất hoạt bởi oxi nên tảo lam chỉ cố định nito trong môi trường kị khí. Cố định nito xảy ra ở dị bào (là tế bào xuất phát từ tế bào dinh dưỡng nhưng to hơn tế bào dinh dưỡng, có vách dày, không có oxigen và không có hệ thống PS II, do đó nó không sản xuất ra oxi trong quá trình quang hợp).

          4. Cho các nguyên tố sau: N, K, P, S, Fe, Mg, Mn, Mo, Ca, Cl, Cu. Chọn các nguyên tố liên quan đến: 

          a. Hàm lượng diệp lục trong lá

          b. Quá trình quang phân li nước

          c. Sự bền vững của thành tế bào

          d. Quá trình cố định nito khí quyển

          e. Cân bằng nước và ion

          TL:

          a. Mg, N, Fe

          b. Cl, Mn

          c. Ca

          d. Mo

          e. K

          5. Vì sao khi trồng cây trong điều kiện thiếu ánh sáng mà bón nhiều phân nitrat (NO₃^-) cho cây sẽ làm cây bị ngộ độc?

          TL:

          - Cây hút từ đất 2 dạng nito oxi hóa (NO₃^-) và nito khử (NH₄⁺)

          - Thiếu ánh sáng cây không quang hợp được để tạo ra NADPH

          - Thiếu NADPH quá trình khử nitrat gặp khó khăn vì:

                   NO₃^- + NADPH + H⁺ + 2e à NO₂^- + NADP⁺ + H₂O

                   NO₂^- + 6Fd khử + 8H⁺ + 6e à NH₄⁺ + 6Fd oxi hóa + H₂O

          - Vì vậy, trồng cây trong điều kiện thiếu ánh sáng  bón nhiều phân nitrat (thừa NO₃^-) trong cây dễ gây ngộ độc cho cây.

6. Bằng những hiểu biết của mình, em hãy giải thích câu:

                             Lúa chiêm lấp ló đầu bờ

                   Hễ nghe tiếng sấm, phất cờ mà lên.

          TL:                              

          - Vụ lúa chiêm kéo dài khoảng từ tháng 1 đến tháng 5, lúc này cây lúa đang thời kì con gái, sinh trưởng phát triển mạnh, cần nhiều nước, phân (Nito).

          - Nhưng gặp thời điểm khô hạn, cây lúa thiếu phân, nước nên chậm lớn, chỉ “lấp ló” đầu bờ - ngang bờ.

          - Hễ nghe tiếng sấm: báo hiệu có những cơn mưa đầu mùa.

          - Mưa giông đầu mùa thường có hiện tượng phóng điện trong tự nhiên à sấm, chớp, đồng thới cũng làm cho N₂ bị oxi hóa thành nguồn đạm (NO₃^-) theo nước mưa cung cấp cho cây. Cây lúa đang giai đoạn lớn nhanh, cần nhiều nước và phân, đang bị khô hạn khi gặp mưa đầu mùa chỉ việc “phất cờ” mà lên.

          7. Hãy chỉ rõ các nguồn chính đã cung cấp 2 dạng nito (NO₃^- và NH₄⁺) mà cây xanh có khả năng sử dụng được? Trong 2 dạng khoáng trên, dạng nào được xem là thức ăn chủ yếu của cây xanh? Trong sản xuất, trước khi gieo trồng, nhà nông ta thường phải cày bừa đất, việc làm này có liên quan gì đến trao đổi khoáng nito?

          TL:

          *Có 4 nguồn chính là:

- Do sự phóng điện tạo NO₃ từ nito khí quyển

- VK sống tự do và VK cộng sinh cố định N₂, chuyển N₂ thành NH₄⁺

- Xác động thực thực vật, vi sinh vật bị phân giải trong đất.

- Từ phân bón.

*Trong hai dạng khoáng trên, dạng được xem là thức ăn chủ yếu của cây xanh là NO₃^- (nitrat)

*Trong sản xuất, trước khi gieo trồng nhà nông ta thường phải cày bừa đất. Việc làm này có ý nghĩa là làm cho đất thoáng, thuân lợi cho việc cung cấp oxi, từ đó giúp cho nhóm VSV hiếu khí (Nitrobacter và Nitrosomonas) có trong đất hoạt động tốt nhằm biến đổi:

NH₄^- à Nitrit à Nitrat là thức ăn chủ yếu của cây xanh.

          8. Hãy tính lượng phân đạm nitrat KNO₃ 13%N cần bón cho lúa để đạt năng suất trung bình 50 tạ/ha. Biết rằng, để thu 100kg thóc cần 1,5kgN. Hệ số sử dụng nito trung bình ở cây lúa chỉ đạt 60%, trong đất trồng lúa vẫn tồn tại trên mỗi ha 15kgN.

          TL:                                     

          Lượng phân đạm KNO₃ 13%N cần bón cho đất là:

          (50 x 1,5 x 100/60 - 15 ) x 100/13= 846,2 kg

          9. Nêu tóm tắt quá trình biến đổi nito trong cây?

          * Quá trình biến đổi nito trong cây gồm:    

          - Quá trình khử NO₃^-: cây hút được từ đất cả 2 dạng nito oxi hóa (NO₃^-) và nito khử (NH₄⁺), nhưng khi hình thành các axit amin thì cây cần nhiều nhóm NH₂ nên trong cây có quá trình biến đổi dạng NO₃^- thành dạng NH₄⁺: NO₃^- à NO­­₂^- à NH₄⁺

          Xảy ra theo các bước sau đây với sự tham gia của các enzim khử - reductaza:

          NO₃^- + NADPH + H⁺ + 2e à NO₂^- + NADP⁺ + H₂O

          NO₂^- + 6 Feredoxin khử + 8H⁺ + 6e à NH₄⁺ + 2H₂O

          - Quá trình đồng hóa NH₃: quá trình hô hấp của cây tạo ra các xeto axit (R-COOH) và nhờ quá trình trao đổi nito mà các axit này có thêm nhóm NH₂ để tạo thành các axit amin.

          Axit pyruvic + NH₃ + 2H⁺ à Alanin + H₂O

          Axit α-xeto glutaric + NH₃ + 2H⁺ à Glutamin + H₂O   

          Axit fumaric + NH₃ à Aspatic

          Axit oxalo axetic + NH₃ + 2H⁺ à Aspatic + H₂O

          Từ các axit amin này, thông qua quá trình chuyển amin hóa, 20 axit amin sẽ được hình thành trong mô thực vật và là nguyên liệu để hình thành các loại protein khác nhau.

          - Các axit amin được hình thành này còn có thể kết hợp với NH₃ hình thành các amit.

          Axit amin đicacboxylic + NH₃ à Amit

          Đây là cách tốt nhất để thực vật không bị ngộ độc khi NH₃ bị tích lũy.

          10. Vì sao đất trồng cây lâu năm thường bị chua và nghèo dinh dưỡng? Vì sao trong mô thực vật diễn ra quá trình khử nitrat? Trình bày về kĩ thuật trồng cây không cần đất?

TL:

- Trong thời gian cây trồng ở trong đất, cây và đất đã trao đổi nhiều loại ion, hoạt động trao đổi chất của cây sinh ra nhiều H⁺ sẽ được đẩy ra ngoài dung dịch đất trong khi các ion dinh dưỡng như Ca²⁺ , K⁺… được rễ hấp thu vào => thời gian dài trồng cây làm H⁺ trong dung dịch đất tăng lên => đất hóa chua và mất đi nhiều dinh dưỡng, đất nghèo dinh dưỡng.

- Trong mô thực vật diễn ra quá trình khử nitrat là do trong 2 dạng nitơ hấp thụ từ môi trường bên ngoài có dạng NO₃ là dạng oxi hóa nhưng trong cơ thể thực vật chỉ tồn tại dạng khử, do đó nitrat cần được khử thành amoniac để tiếp tục đồng hóa thành axit amin, amit và protein.

11. a. Điều kiện để 1 sinh vật sử dụng trực tiếp nito tự do trong không khí? Tại sao có nhóm vi khuẩn cố định nito sống tự do lại có nhóm sống cộng sinh?

b. Tại sao khi thiếu ánh sáng thì quá trình đồng hóa nito ở thực vật cũng bị đình trệ?

c. Tại sao người ta xem các nốt sần trên rễ cây họ đậu là những nhà máy phân đạm nhỏ bé? Khi trồng cây họ đậu có cần bón phân đạm không? Giải thích?

TL:                                                                                        

a. Điều kiện:

- Có lực khử mạnh (trong lên men là FredH₂, trong hô hấp là FADH₂, NADH₂)

- Có năng lượng ATP, có sự tham gia của các nguyên tố vi lượng như  Mo, Mg,CO…

- Enzym Nitrogenaza

- Điều kiện hiếu khí

=> Những sinh vật có đủ 4 điều kiện thì chúng sống tự do, nhiều chủng vi khuẩn không có đủ những điều kiện ấy thì chúng phải sống cộng sinh với những sinh vật khác để tận dụng những điều kiện mình còn thiếu ở đối phương.

b. Khi thiếu ánh sáng kéo dài thì pha sáng quang hợp bị ức chế, không diễn ra được => Không tạo ra các chất có thể oxi hóa khử cao (NADH, FADH₂) => quá trình đồng hóa Nitơ (giai đoạn amon hóa) bị đình trệ.

c. Nốt sần rễ cây họ đậu là tập hợp các tế bào của rễ cây với vi khuẩn Rhizobium, Rhizobium nhờ vào nguồn năng lượng của cây mà biến đổi N₂  tự do thành nguồn Nito mà cây sử dụng dễ dàng => trồng cây họ đậu không phải bón phân đạm.

12. Trình bày tóm tắt vai trò của các nguyên tố khoáng và các cơ chế hấp thụ khoáng?

TL:

Vai trò của các nguyên tố đại lượng:

- Đóng vai trò cấu trúc tế bào, là thành phần của các đại phân tử protein, axit nucleic, lipit…

- Ảnh hưởng đến tính chất của hệ thống keo nguyên sinh: điện tích bề mặt, độ nhớt…

* Vai trò của các nguyên tố vi lượng:

- Là thành phần không thể thiếu của hầu hết các enzim

- Hoạt hóa các enzim này trong quá trình trao đổi chất của cơ thể.

* Các cơ chế hấp thụ khoáng: các chất khoáng trong đất thường tồn tại dưới dạng hòa tan và phân tử thành các ion + và ion -; Các nguyên tố khoáng thường được hấp thụ vào cây dưới dạng ion qua hệ thống rễ là chủ yếu. Có 2 cơ chế hấp thụ ion khoáng ở rễ là:

- Cơ chế bị động:

+ Các ion khoáng khuếch tán theo sự chênh lệch nhiệt độ từ cao -> thấp.

+ Các ion khoáng hòa tan trong nước và vào rễ theo dòng nước.

+ Các ion khoáng hút bám trên mặt keo đất và trên bề mặt rễ trao đổi với nhau khi có sự tiếp xúc giữa rễ và dung dịch đất (hút bám trao đổi)

- Cơ chế chủ động:

+ Hấp thụ mang tính chọn lọc, ngược gradin nồng độ.

+ Cần có ATP và chất mang cung cấp từ quá trình trao đổi chất chủ yếu là hỗn hợp.

13. Vì sao khi trồng cây trong điều kiện thiếu ánh sáng mà bón nhiều phân nitrat (NO₃^-) sẽ làm cây bị ngộ độc?

TL:

Cây hút từ đất 2 dạng nito oxi hóa (NO₃^-) và nito khử (NH₄⁺)

- Thiếu ánh sáng cây không quang hợp được để tạo ra NADPH

- Thiếu NADPH quá trình khử nitrat gặp khó khăn vì:

NO₃^-   +   NADPH   +   2e^-   +    H⁺     à  NO₂^-   +  NADP⁺     +   H₂O

          NO₂^-   +  6Fed khử   +   6e^_   +  8H⁺    àNH₄⁺    + 6Fed oxh    + 2H₂O

à Trồng cây trong điều kiện thiếu ánh sáng mà bón nhiều phân nitrat làm cây dễ bị ngộ độc.

C- KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Chuyên đề là nguồn tài liệu tham khảo cho giáo viên dạy phần trao đổi dinh dưỡng khoáng và đồng hóa nito ở thực vật, đặc biệt là học sinh trong các lãnh đội học sinh giỏi tham dự các kì thi học sinh giỏi. Đây là phần kiến thức tương đối khó nên việc nghiên cứu kĩ chuyên đề này sẽ giúp các em nắm được những kiến thức cơ bản và khái quát nhất trong chương trao đổi vật chất và năng lượng ở thực vật.

Tuy nhiên, chuyên đề được viết trong một thời gian ngắn, để có tính hiện thực toàn diện cần một thời gian nhất định và sự đầu tư nghiên cứu sâu sắc. Vì vậy, rất mong nhận được sự góp ý và tham gia của đồng nghiệp cùng các em học sinh để chuyên đề được hoàn chỉnh thêm và thực sự có ích cho công tác giảng dạy sinh học.

                             TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Bài tập Sinh lí học thực vật - NXB Giáo dục - Nguyễn Duy Minh

2. Tài liệu giáo khoa chuyên sinh học THPT: Sinh lí thực vật – NXB Giáo dục - Vũ Văn Vụ (chủ biên).

3. Bồi dưỡng học sinh giỏi sinh học sinh học THPT Sinh lí học thực vật - NXB Giáo dục – Vũ Văn Vụ.

4. Tuyển tập đề thi olympic 30-4 năm 2002, 2006, 2011 và các đề thi học sinh giỏi cấp quốc gia – NXB Giáo dục. 

5. Chuyên đề bồi dưỡng học sinh giỏi môn sinh THPT – NXB Giáo dục – Vũ Văn Hiển

6. Tuyển tập các đề thi HSG Quốc gia và Quốc tế các năm từ 2008 -2010 -NXB Giáo Dục - Nguyễn Duy Minh.