Trao đổi nước và khoáng ở thực vật SVIP

I. Vai trò của nước và chất khoáng

Nước, chất khoáng là những chất dinh dưỡng của thực vật. Dinh dưỡng ở thực vật là quá trình hấp thụ nước, chất khoáng và đồng hóa chúng thành những chất sống của cơ thể thực vật.

1. Vai trò của nước

Nước chiếm khoảng 70 - 90% khối lượng tươi của thực vật. 

Vai trò của nước:

• Là thành phần cấu tạo của tế bào.
• Là dung môi hòa tan các chất tham gia vào quá trình vận chuyển các chất trong cây.
• Là nguyên liệu, môi trường của các phản ứng sinh hóa.
• Điều hòa nhiệt độ của cơ thể thực vật.

2. Vai trò của các nguyên tố khoáng

Nguyên tố thiết yếu đối với cơ thể thực vật là những nguyên tố mà khi thiếu chúng cây sẽ không hoàn thành được chu kì sống của mình.

Trong cây, các nguyên tố khoáng thiết yếu có vai trò:

• Cấu trúc nên các thành phần của tế bào.
• Điều tiết các quá trình sinh lí.

Hậu quả của việc thiếu hoặc thừa các nguyên tố khoáng thường được biểu hiện thành các triệu chứng quan sát thấy trên cây như hiện tượng biến màu, biến dạng của lá, thân, quả,...

II. Quá trình trao đổi nước và khoáng ở thực vật

Trao đổi nước ở cơ thể thực vật diễn ra theo ba giai đoạn: hấp thụ nước ở rễ, vận chuyển nước ở thân và thoát hơi nước ở lá.

1. Hấp thụ nước và khoáng ở rễ

Thực vật trên cạn hấp thụ nước và khoáng từ đất chủ yếu qua rễ nhờ các lông hút.

Thực vật thủy sinh hấp thụ nước và khoáng từ môi trường nước qua tế bào biểu bì của hầu hết các cơ quan.

Rễ có hình thái và cấu tạo phù hợp với chức năng hút nước và khoáng.

a. Hấp thụ nước ở tế bào lông hút

Rễ hấp thụ nước từ đất theo cơ chế thẩm thấu: Dịch tế bào biểu bì lông hút của rễ có nồng độ chất tan cao hơn dịch trong đất, nên nước sẽ di chuyển từ đất vào tế bào lông hút.

Nồng độ chất tan trong tế bào thực vật duy trì ở mức cao do hai nguyên nhân:

• Rễ hấp thụ các ion khoáng từ đất và tích lũy các chất tan từ quá trình chuyển hóa vật chất.
• Quá trình thoát hơi nước ở lá làm giảm hàm lượng nước ở các tế bào phía dưới, trong đó có tế bào lông hút.

b. Hấp thụ khoáng ở tế bào lông hút

Rễ hấp thụ khoáng theo hai cơ chế

• Thụ động: Chất khoáng hòa tan trong đất khuếch tán từ đất (nơi có nồng độ chất khoáng cao) vào rễ (nơi có nồng độ chất khoáng thấp).
• Chủ động: Chất khoáng được vận chuyển từ đất vào rễ ngược chiều gradient nồng độ, nhờ các chất mang được hoạt hóa bằng năng lượng.

c. Vận chuyển nước và chất khoáng từ lông hút vào mạch gỗ của rễ

Nước và chất khoáng được vận chuyển từ lông hút vào mạch gỗ của rễ theo hai con đường:

• Con đường gian bào: Nước và chất khoáng di chuyển qua thành tế bào và dọc theo không gian giữa các tế bào (gian bào), qua lớp vỏ đến nội bì gặp đai Caspary không thấm nước nên nước và chất khoáng phải xuyên qua lớp màng tế bào nội bì. Kết quả là thực vật có thể kiểm soát được lượng chất khoáng đi vào mạch gỗ của cây.
• Con đường tế bào chất: Sau khi vào tế bào lông hút, nước và chất khoáng sẽ di chuyển từ tế bào chất của tế bào lông hút, qua tế bào chất của các lớp tế bào trong rễ thông qua hệ thống cầu sinh chất và vào mạch gỗ ở trung trụ.

2. Vận chuyển nước và các chất trong thân

a. Dòng mạch gỗ

• Nước và chất khoáng từ rễ, qua thân, lên lá theo mạch gỗ.
• Mạch gỗ (xylem) được cấu tạo từ hai loại tế bào là quản bào và mạch ống.
  • Chúng là các loại tế bào chết, chỉ còn lại thành tế bào đã thấm lignin (hóa gỗ).
  • Mạch ống có bề ngang rộng hơn, nhưng chiều dài ngắn hơn so với quản bào.
  • Cách sắp xếp của mạch ống và quản bào tương tự nhau, các tế bào xếp chồng lên nhau theo chiều thẳng đứng, thông với nhau qua các lỗ ở đầu tận cùng
  • Trên quản bào và mạch ống còn có các lỗ bên, khiến dòng mạch gỗ có thể vận chuyển theo chiều ngang.
• Dịch mạch gỗ với thành phần chính là nước, chất khoáng và một số chất hòa tan khác như đường, amino acid, hormone, alkaloid, acid hữu cơ,... được vận chuyển thành dòng liên tục trong mạch gỗ nhờ sự kết hợp của ba lực chính.

Trong tự nhiên, có thể quan sát thấy một số hiện tượng chứng minh cho vai trò của áp suất rễ như hiện tượng rỉ nhựa khi cắt ngang thân cây hay các giọt nước đọng quanh mép lá (hiện tượng ứ giọt) vào mỗi buổi sáng hoặc trong điều kiện độ ẩm không khí cao.

b. Dòng mạch rây

• Trong mạch rây, các chất được vận chuyển (dịch mạch rây) có thể di chuyển theo hai hướng, từ lá xuống rễ hoặc ngược lại tùy thuộc vào vị trí của cơ quan nguồn so với cơ quan đích.
• Mạch rây (phloem) cấu tạo từ các tế bào ống rây và tế bào kèm. 
  • Các tế bào ống rây xếp chồng lên nhau theo chiều thẳng đứng và thông với nhau qua các lỗ ở hai đầu của tế bào.
  • Các tế bào kèm nằm dọc theo các ống rây, cung cấp năng lượng và nguyên liệu duy trì sự sống cho các tế bào ống rây.
• Dịch mạch rây có thành phần chính là đường sucrose, ngoài ra còn có các amino acid, horomone, chất khoáng,...
• Dịch mạch rây được vận chuyển từ cơ quan nguồn đến cơ quan đích hay cơ quan dự trữ hoặc ngược lại, từ cơ quan dự trữ lên cơ quan sử dụng xuôi theo chiều gradient nồng độ của các chất vận chuyển. Mạch rây còn nhận nước từ mạch gỗ chuyển sang, đảm bảo cho quá trình vận chuyển chất tan diễn ra thuận lợi.

3. Thoát hơi nước ở lá

Thoát hơi nước là sự bay hơi của nước qua bề mặt cơ thể thực vật vào khí quyển. 

a. Thoát hơi nước qua bề mặt lá

Lượng hơi nước thoát qua bề mặt lá phụ thuộc vào độ dày tầng cutin và diện tích lá.

Ở cây non, lượng nước thoát ra qua bề mặt lá tương đương với qua khí khổng do lớp cutin bao phủ phiến lá còn mỏng.

Khi cây trưởng thành, tầng cutin dày lên, lượng nước thoát qua bề mặt chỉ chiếm 10 - 20%. 

Lá của nhóm thực vật sống ở nơi khô hạn thường có tầng cutin dày làm giảm sự thoát hơi nước, giúp tăng khả năng chịu hạn.

b. Thoát hơi nước qua khí khổng

Lượng hơi nước thoát qua khí khổng phụ thuộc vào số lượng, sự phân bố và hoạt động đóng, mở của khí khổng.

Khí khổng là khe hở trên bề mặt lớp tế bào biểu bì lá được tạo nên giữa hai tế bào khí khổng. Khí khổng đóng hay mở phụ thuộc vào hàm lượng nước trong hai tế bào này.

Ánh sáng thúc đẩy quang hợp làm tăng tổng hợp đường trong tế bào khí khổng và hoạt hóa bơm ion trên màng tế bào khí khổng dẫn đến tăng nồng độ các ion K⁺, NO₃^-, Cl^-,... trong tế bào. Kết quả là áp suất thẩm thấu của tế bào khí khổng tăng lên, làm tế bào hút nước và khí khổng mở. Tuy nhiên, nếu cường độ ánh sáng quá mạnh làm tăng nhiệt độ lá, khi đó tế bào khí khổng sẽ bị mất nước và đóng lại.

c. Vai trò của thoát hơi nước

• Tạo lực hút kéo nước và các chất hòa tan đi theo một chiều từ rễ lên lá.
• Trong quá trình thoát hơi nước, khí khổng mở ra tạo điều kiện để CO₂ từ môi trường khuếch tán vào lá, cung cấp nguyên liệu cho quá trình quang hợp.
• Làm giảm nhiệt độ bề mặt của lá, đảm bảo cho lá không bị hư hại, đặc biệt trong những ngày nắng nóng.

III. Dinh dưỡng nitrogen

1. Vai trò của nitrogen

Nitrogen là nguyên tố đặc biệt quan trọng đối với sự sinh trưởng, phát triển của thực vật. 

• Vai trò cấu trúc: Nitrogen là thành phần của các hợp chất hữu cơ quan trọng như protein, nucleic acid, diệp lục,...
• Vai trò điều tiết: Nitrogen tham gia cấu tạo nên enzyme, các hormone thực vật,... qua đó điều tiết các quá trình sinh trưởng, phát triển của thực vật.

2. Nguồn cung cấp nitrogen cho thực vật

Trong tự nhiên, nitrogen tồn tại ở dạng tự do (N₂ trong khí quyển) và dạng hợp chất (vô cơ, hữu cơ). Thực vật chỉ có thể hấp thụ được nitrogen ở dạng vô cơ. Tuy nhiên, dưới tác động của yếu tố vật lí hoặc hoạt động của một số nhóm vi khuẩn mà nitrogen trong khí quyển và trong các hợp chất hữu cơ được chuyển hóa thành dạng NH₄⁺, NO₃^- cây có thể hấp thụ được.

Con người có thể bổ sung nguồn nitrogen cung cấp cho cây trồng thông qua quá trình bón phân. 

• Phân vô cơ: Phân đạm urea, phân đạm chứa gốc NH₄⁺ hay NO₃^-.
• Phân hữu cơ cung cấp thành phần dinh dưỡng cân bằng, đa dạng cho cây và tham gia cải tạo đất trồng.

3. Quá trình biển đổi nitrate và ammonium ở thực vật

Nitrogen có trong NH₄⁺ và NO₃^- sau khi được cây hấp thụ sẽ được biến đổi thành nitrogen chứa trong các hợp chất hữu cơ. Đây là hoạt động đồng hóa nitrogen trong cơ thể thực vật, bao gồm hai quá trình: khử nitrate và đồng hóa ammonium.

a. Quá trình khử nitrate

Quá trình chuyển nitrogen từ dạng NO₃^- thành dạng NH₄⁺ gọi là quá trình khử nitrate. 

Quá trình này diễn ra qua hai bước dưới sự xúc tác của enzyme nitrate reductase và nitrite reductase theo sơ đồ:

b. Quá trình đồng hóa ammonium

Ammonium (NH₄⁺) được cây hấp thụ và hình thành từ quá trình khử nitrate sẽ tham gia vào quá trình tổng hợp amino acid hoặc tạo các amide theo các cách sau:

• Ammonium kết hợp với keto acid (pyruvic, ketoglutaric, fumaric và oxaloacetic) tạo thành amino acid.
• Ammonium kết hợp với các amino dicarboxylic tổng hợp nên các amide. Quá trình này giúp giải độc cho tế bào khi lượng NH₄⁺ tích lũy quá nhiều, đồng thời là cơ chế dự trữ ammonium cho tế bào thực vật.

IV. Các nhân tố ảnh hưởng đến hoạt động trao đổi nước và dinh dưỡng khoáng

1. Ánh sáng

Ánh sáng thúc đẩy khí khổng mở, làm tăng tốc độ thoát hơi nước ở lá, tạo động lực cho quá trình hấp thụ, vận chuyển nước và chất khoáng ở rễ và thân.

Ánh sáng cần cho hoạt động quang hợp tạo chất hữu cơ, cung cấp nguyên liệu cho hoạt động hô hấp, qua đó giải phóng năng lượng cần thiết cho quá trình hấp thụ và vận chuyển chủ động các chất trong cây.

Trong trồng trọt, cần đảm bảo mật độ gieo trồng, chọn khu vực,... nhằm cung cấp đủ ánh sáng cho cây.

2. Nhiệt độ

Trong giới hạn sinh thái về nhiệt độ của mỗi loài thực vật, tốc độ hấp thụ nước và nguyên tố khoáng tỉ lệ thuận với sự tăng nhiệt độ. Nhiệt độ giảm làm giảm khả năng hô hấp của rễ và khuếch tán của chất khoáng trong đất, dẫn đến khả năng hấp thụ khoáng của hệ rễ giảm.

Ví dụ: Ảnh hưởng của nhiệt độ ở vùng rễ đến khả năng hấp thụ chất khoáng của cây dưa chuột được thể hiện qua bảng dưới đây.

Tuy nhiên nếu nhiệt độ tăng quá cao (trên 45^oC) thì lông hút có thể bị tổn thương hoặc chết, enzyme tham gia vào hoạt động trao đổi chất bị biến đổi, dẫn đến giảm hoặc dùng hấp thụ nước và khoáng.

Trong sản xuất, để hạn chế ảnh hưởng của nhiệt độ thấp đến khả năng hút nước và chất khoáng của hệ rễ có thể tiến hành ủ ấm gốc cây bằng rơm rạ, bao tải gia,... Trong phương pháp trồng cây thủy canh, các ống trồng cây được bọc hoặc làm từ vật liệu cách nhiệt để nhằm duy trì nhiệt độ ổn định trong dung dịch dinh dưỡng từ đó tăng khả năng hút khoáng của hệ rễ.

3. Độ ẩm đất và không khí

Trong giới hạn nhất định, độ ẩm đất tỉ lệ thuận với khả năng hấp thụ nước và khoáng của hệ rễ.

• Độ ẩm đất phù hợp giúp cho quá trình hô hấp thuận lợi và làm tăng trưởng kích thước của hệ rễ, do đó tăng lượng nước và khoáng hấp thụ được.
• Độ ẩm đất quá cao hoặc quá thấp sẽ làm giảm hô hấp và ức chế sinh trưởng của rễ, dẫn đến giảm lượng nước và chất khoáng hấp thụ.

Độ ẩm không khí ảnh hưởng gián tiếp đến hoạt động trao đổi nước và khoáng thông qua việc tác động đến quá trình thoát hơi nước.

• Độ ẩm không khí cao làm giảm tỉ lệ hoạt động và độ mở của khí khổng, từ đó dẫn đến giảm cường độ thoát hơi nước.
• Độ ẩm không khí thấp, cường độ thoát hơi nước tăng lên, thúc đẩy quá trình hấp thụ nước và khoáng.

V. Ứng dụng quá trình trao đổi nước và khoáng ở thực vật trong sản xuất nông nghiệp

1. Tưới nước hợp lí cho cây trồng

Cân bằng nước trong cơ thể thực vật đạt được khi lượng nước cây hấp thụ vào bằng hoặc lớn hơn lượng nước thoát ra. Ngược lại, khi lượng nước thoát ra môi trường cao hơn lượng nước cây hấp thụ được, hiện tượng mất cân bằng nước sẽ xảy ra, triệu chứng héo ở lá và thân non xuất hiện.

Trạng thái mất cân bằng nước có thể xuất hiện khi thực vật sinh trưởng trong các điều kiện như hạn, mặn, ngập úng,... Thực vật thường có các phản ứng để chống chịu với các điều kiện bất lợi này thông qua một số biến đổi về hình thái, giải phẫu, quá trình sinh lí - sinh hóa hoặc biến đổi ở cấp độ phân tử (protein chống chịu). Các biến đổi này có tác dụng hạn chế thoát hơi nước, tăng cường khả năng hấp thụ nước và khoáng, từ đó thiết lập trạng thái cân bằng nước mới, đảm bảo cho thực vật chống chịu được trong một thời gian nhất định.

2. Phân bón và năng suất cây trồng

Trong sản xuất nông nghiệp, phân bón là một trong những nguồn cung cấp chất khoáng quan trọng nhất cho cây trồng. Trong giới hạn nhất định, lượng phân bón cung cấp tỉ lệ thuận với năng suất cây trồng.

• Bón phân với lượng quá ít, không đáp ứng đủ nhu cầu dinh dưỡng của cây, triệu chứng thiếu khoáng sẽ xuất hiện, cây còi cọc và chậm lớn dễn đến giảm năng suất cây trồng.

• Bón phân quá nhiều dẫn đến dư thừa và gây độc cho cây. Dư thừa phân bón có thể tiêu diệt các sinh vật có lợi trong đất, làm ô nhiễm đất và nước ngầm, tồn dư trong mô thực vật gây ảnh hưởng xấu đến sức khỏe của người và vật nuôi khi sử dụng thực vật làm thức ăn.

Để nâng cao năng suất cây trồng, cần phải bón phân hợp lí, cụ thể là phân bón phải đáp ứng được nhu cầu dinh dưỡng và phù hợp với từng giai đoạn sinh trưởng phát triển của cây trồng.

Trong thực tế, để đạt được hiệu quả kinh tế cao, việc bón phân cần tuân thủ theo 4 nguyên tắc chính:

• Đúng loại phân bón.
• Đúng liều lượng.
• Đúng thời điểm.
• Bón đúng phương pháp.

Ví dụ: Lượng phân bón và phương pháp bón khuyến cáo cho cây mía trồng thâm canh trên đất cát pha được thể hiện trong bảng dưới đây.

1. Nước và chất khoáng là những chất dinh dưỡng của thực vật. Quá trình dinh dưỡng thực vật là quá trình hấp thụ nước, chất khoáng và đồng hóa chúng thành chất sống của cơ thể thực vật.

2. Hoạt động trao đổi nước ở thực vật diễn ra theo ba giai đoạn kế tiếp nhau gồm: hấp thụ nước ở hệ rễ, vận chuyển nước ở thân và thoát hơi nước ở lá. Nguyên tố khoáng hòa tan trong nước, do vậy, quá trình trao đổi khoáng đi kèm với trao đổi nước.

3. Rễ hấp thụ nước theo cơ chế thụ động, trong khi hấp thụ khoáng theo cả cơ chế chủ động và thụ động.

4. Trong cây tồn tại hai con đường vận chuyển vật chất là dòng mạch gỗ vận chuyển nước, muối khoáng từ rễ lên lá và dòng mạch rây vận chuyển chất hữu cơ từ lá xuống rễ (hoặc theo chiều ngược lại).

5. Thoát hơi nước diễn ra theo hai con đường: qua bề mặt lá hoặc qua khí khổng. Trong đó, lượng nước bay hơi khỏi lá được điều tiết chủ yếu bởi cơ chế đóng mở khí khổng.

6. Đất là nguồn cung cấp nitrogen chính cho cây trồng. Cây hấp thụ nitrogen ở hai dạng là NH₄⁺ và NO₃^-; nhờ quá trình khử nitrate và đồng hóa ammonium, nitrogen vô cơ được chuyển thành dạng hữu cơ.

7. Hoạt động trao đổi nước và chất khoáng chịu ảnh hưởng của các yếu tố môi trường. Trong sản xuất, có thể điều khiển các yếu tố ngoại cảnh và áp dụng chế độ bón phân, tưới nước hợp lí để nâng cao năng suất cây trồng.