Khám phá tất tần tật về quang hợp ở thực vật! Bài viết này cung cấp lý thuyết chi tiết, dễ hiểu về quá trình quang hợp, các pha, vai trò và các yếu tố ảnh hưởng. Kèm theo đó là các dạng bài tập trắc nghiệm, tự luận có đáp án, giúp bạn ôn luyện và nắm vững kiến thức, tự tin chinh phục mọi bài kiểm tra, kỳ thi.
A. TÓM TẮT LÝ THUYẾT
I. KHÁI QUÁT VỀ QUANG HỢP
1. Khái niệm
– Quang hợp ở thực vật là quá trình lục lạp hấp thụ, sử dụng năng lượng ánh sáng để chuyển hóa CO2 và H2O thành chất hữu cơ (C6H12O6) đồng thời giải phóng O2.
– Phương trình quang hợp: 6CO2 + 12H2O 
C6H12O6 + 6O2 + 6H2O
2. Vai trò của quang hợp
– Chuyển quang năng → hóa năng trong các liên kết hóa học → duy trì sự sống trong sinh giới.
– Tạo ra chất hữu cơ → để cơ thể thực vật sử dụng và cung cấp thức ăn cho các sinh vật khác.
(Quang hợp tổng hợp khoảng 90 đến 95% lượng chất hữu cơ có trong cơ thể thực vật (5 đến 10% số chất hữu cơ trong cây do sinh tổng hợp protein, tổng hợp lipid,… tạo nên). Hàng năm thực vật đã đồng hóa khoảng 170 tỉ tấn CO2, quang phân li khoảng 130 tỉ tấn H2O, giải phóng khoảng 115 tỉ tấn O2 và tổng hợp được khoảng 4,5.1011 tấn hợp chất hữu cơ.)
– Quang hợp hấp thu CO2 và thải O2 → cân bằng nồng độ CO2/O2 trong khí quyển.
(Quang hợp hấp thụ khí carbon dioxide, làm giảm sự ô nhiễm môi trường và giải phóng oxygen cung cấp dưỡng khí cho cơ thể sống. Quang hợp hút khí CO2 vì vậy làm giảm hiệu ứng nhà kính, giảm nhiệt độ của môi trường.)
3. Hệ sắc tố quang hợp
– Phân bố ở màng thylakoid. Gồm:
+ Carotenoid: hấp thụ ánh sáng ở vùng xanh tím, truyền năng lượng ánh sáng cho diệp lục.
+ Diệp lục (chlorophyll): hấp thụ ánh sáng ở vùng xanh tím và đỏ, chuyển quang năng thành hóa năng trong ATP và NADPH (chlorophyll a).
– Sơ đồ hấp thụ & truyền năng lượng:
Carotenoid ⭢ chlorophyll b ⭢ chlorophyll a ⭢ chlorophyll a ở trung tâm phản ứng.
II. QUÁ TRÌNH QUANG HỢP Ở THỰC VẬT
– Gồm 2 pha: pha sáng & pha tối
1. Pha sáng
– Diễn ra trên màng thylakoid.
– Chuyển hóa năng lượng ánh sáng được diệp lục hấp thụ và chuyển thành năng lượng hoá học tích luỹ trong NADPH và ATP. Giống nhau ở tất cả các nhóm thực vật C3, C4, CAM.
– Phương trình quang phân ly nước: 2H2O ⭢ 4H+ + 4e + O2
2. Pha tối (cố định hay đồng hóa CO2)
– Diễn ra ở chất nền lục lạp (stroma)
– Sử dụng năng lượng từ ATP và NADPH ở pha sáng để cố định CO2 tạo thành các hợp chất hữu cơ.
– Tùy theo nhóm thực vật (C3, C4, CAM) mà quá trình cố định CO2 sẽ khác nhau.
♦ Con đường cố định CO2 ở thực vật C3:
– Thực vật C3 phân bố rộng nhưng chủ yếu ở vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới như: lúa, khoai, sắn, các loại rau, đậu, ….
– Thực vật C3 cố định CO2 theo chu trình Calvin: RuBP nhận CO2 → 3PG (hợp chất 3 C) → ATP và NADPH khử 3PG → thành G3P. Một phần G3P rời chu trình để tạo thành glucose và các hợp chất hữu cơ khác, phần còn lại để tái tạo RuBP.
♦ Con đường cố định CO2 ở thực vật C4:
– Thực vật C4 sống ở vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới như: mía, rau dền, ngô, kê, cao lương, ….
– Trong tế bào mô giậu , PEP nhận CO2 → OAA (hợp chất 4C) → MA (hợp chất 4C) đi qua cầu sinh chất tới tế bào bao bó mạch → phân giải thành pyruvate và CO2. CO2 tham gia vào chu trình Calvin.
♦ Con đường cố định CO2 ở thực vật CAM:
– Thực vật CAM sống ở sa mạc (thiếu nước) gồm: dứa, xương rồng, thuốc bỏng, ….
– Để hạn chế sự thoát hơi nước khí khổng đóng vào ban ngày và mở vào ban đêm để CO2 khuếch tán vào trong tế bào thịt lá.
KHÁI QUÁT HAI PHA QUANG HỢP
| Nội dung | Pha sáng | Pha tối |
| Khái niệm | Pha sáng là quá trình chlorophyll hấp thụ năng lượng ánh sáng, vận chuyển năng lượng đó vào trung tâm phản ứng, tiếp tục biến đổi thành năng lượng hóa học chứa trong các liên kết cao năng của phân tử ATP. | Là sự cố định CO2 nhờ sản phẩm được tạo thành ở pha sáng. |
| Vị trí | Xảy ra ở màng thylakoid. | Xảy ra trong chất nền của lục lạp. |
| Nguyên liệu | Năng lượng ánh sáng, H2O, ADP, NADP+ | ATP, NADPH, CO2 |
| Sản phẩm | ATP, NADPH, O2. | Tinh bột, sản phẩm hữu cơ khác. |
SO SÁNH QUANG HỢP Ở THỰC VẬT C3, C4 VÀ CAM
| C3 | C4 | CAM | |
| Đặc điểm sống | |||
| Phân bố | Khắp nơi, chủ yếu ôn đới và cận nhiệt đới,.. | Nhiệt đới, cận nhiệt đới | Sa mạc, hoang mạc,.. |
| Điều kiện sống | Khí hậu ôn hòa | Khô, nóng | Khô hạn kéo dài |
| Đại diện | Lúa, khoai, sắn, đậu,… | Mía, ngô, kê, rau dền, … | Xương rồng, dứa, thanh long,… |
| Đặc điểm pha tối | |||
| Chu trình/con đường | Chu trình Calvin (C3) | C4 (chu trình sơ bộ, có chu trình Calvin) | CAM (chu trình sơ bộ, có chu trình Calvin) |
| Chất nhận CO2 đầu | RuBP | PEP | PEP |
| Sản phẩm đầu | PGA (3C) | OAA (4C) | OAA → MA (4C) |
| Không gian/tế bào cố định | TB thịt lá (nhu mô) | TB thịt lá, TB bao bó mạch | TB thịt lá |
| Thời gian | Ngày | Đêm | Đêm, ngày |
| Năng suất sinh học | Trung bình | cao | Thấp |
3. Sự thích nghi của thực vật C4 & CAM trong điều kiện môi trường bất lợi
– Có thêm chu trình cố định sơ bộ CO2 ở tế bào thịt lá (nhu mô) để tích lũy và dự trữ CO2.
– Sử dụng enzyme PEP-carboxylase có ái lực cao với CO2 để lấy CO2 ở nồng độ thấp.
– Riêng ở thực vật CAM, đóng khí khổng vào ban ngày và mở vào ban đêm để tránh mất nước.
III. ẢNH HƯỞNG CỦA NGOẠI CẢNH ĐẾN QUANG HỢP
1. Cường độ & thành phần ánh sáng
– Ảnh hưởng đến sự đóng mở khí khổng, sự quang phân nước, sự kích thích của diệp lục.
– Cường độ quang hợp (IQH) tỉ lệ thuận với cường độ ánh sáng (IAS) cho đến điểm bão hòa ánh sáng.
– Điểm bù ánh sáng: cường độ ánh sáng mà IQH = IHH.
– Điểm bão hòa ánh sáng: cường độ ánh sáng mà tại đó IQH đạt cực đại.
– Thực vật ưa bóng có điểm bù và điểm bảo hòa ánh sáng thấp hơn thực vật ưa sáng.
– Quang hợp chủ yếu diễn ra ở miền ánh sáng đỏ & xanh tím: tia đỏ xúc tác tổng hợp carbohydrate; tia xanh tím xúc tác tổng hợp amino acid, protein.
2. Nồng độ CO2
– Nồng độ CO2 tối thiểu mà cây cần (0,008 – 0,01%), nồng độ thích hợp (0,03%), gây ngộ độc (0,2%).
– Nồng độ CO2 tỉ lệ thuận với cường độ quang hợp cho điếm điểm bão hòa CO2.
– Điểm bù CO2: nồng độ CO2 mà tại đó IQH = IHH. Điểm bù CO2 của cây C4, CAM thấp hơn cây C3.
– Điểm bão hòa CO2: nồng độ CO2 tại đó IQH đạt cực đại.
3. Nhiệt độ
– Ảnh hưởng đến hệ thống enzyme quang hợp.
– Nhiệt độ tỉ lệ thuận với cường độ quang hợp cho đến ngưỡng nhiệt độ tối ưu. Vượt qua nhiệt độ tối ưu, cường độ quang hợp giảm.
– Thực vật C3 có ngưỡng nhiệt độ tối ưu thấp hơn thực vật C4 và CAM. Ngoài ra các yếu tố: nước, dinh dưỡng khoáng cũng ảnh hưởng đến quá trình quang hợp.
IV. QUANG HỢP & NĂNG SUẤT CÂY TRỒNG
– Quang hợp quyết định 90 – 95% năng suất cây trồng, các nguyên tố khoáng quyết định 5 – 10%.
– Muốn nâng cao năng suất cây trồng cần nâng cao hiệu quả quang hợp bằng việc tìm cách tăng diện tích lá, tăng cường độ và hiệu quả quang hợp bằng việc:
1. Các biện pháp kĩ thuật nông học
– Bón phân hợp lí → thúc đẩy quá trình vận chuyển sản phẩm đồng hóa về cơ quan dự trữ. Ngoài ra, bón phân giúp cây phát triển bộ rễ.
– Cung cấp đủ nước cho cây trồng vì nước vừa là nguyên liệu cho quang hợp, vừa giúp vận chuyển các chất trong cây về cơ quan dự trữ.
– Gieo trồng đúng thời vụ, tạo điều kiện thuận lợi về thời tiết.
– Chọn và tạo các giống cây trồng có tổng diện tích lá lớn, cường độ quang hợp và năng suất cao, kết hợp với phòng trừ sâu hại.
2. Công nghệ nâng cao năng suất cây trồng
– Sử dụng ánh đèn LED thay thế ánh sáng mặt trời → chủ động cường độ và thành phần quang phổ của ánh sáng. Ứng dụng: trồng rau xanh và các cây trồng nhân giống bằng nuôi cấy mô.
– Trồng rau trong phòng hoặc trong nhà kính, sử dụng đèn LED là mô hình canh tác mới → đem lại năng suất và hiệu quả kinh tế cao, với nhiều ưu điểm: Ít tốn không gian; rút nắng thời gian sinh trưởng của cây; khắc phục những điểu kiện bất lợi của môi trường.
V. LÝ THUYẾT THỰC HÀNH QUANG HỢP Ở THỰC VẬT
1. Quan sát được lục lạp trong tế bào thực vật
❖ Cơ sở lí thuyết: Lục lạp là bào quan lớn của tế bào thực vật nên có thể quan sát trược tiếp dưới kính hiển vi.
❖ Các bước tiến hành:
♦ Chuẩn bị:
– Dụng cụ: kính hiển vi, lam kính, thiết bị chụp ảnh.
– Hóa chất: nước.
– Mẫu vật: rong cúc (ngô công thảo, Egeria najas) hoặc rong đuôi chó (Ceratophyllum demersum).
♦ Tiến hành:
– Nhỏ một nước lên lam kính và dàn mỏng.
– Dùng panh lấy lá rong cho lên lam kính – chỗ giọt nước được dàn mỏng.
– Quan sát ở vật kính 10× sau đó chuyển sang vật kính 40× để quan sát lục lạp trong tế bào lá rong.
– Vẽ hình ảnh quan sát được vào vở hoặc chụp ảnh kết quả quan sát.
2. Nhận biết, tách chiết các sắc tố trong lá cây
❖ Cơ sở lí thuyết: Sắc tố quang hợp (chlorophyll, carotenoid) hòa tan trong dung môi hữu cơ, do đó có thể dùng dung môi hữu cơ để tách sắc tố quang hợp.
❖ Các bước tiến hành:
♦ Chuẩn bị:
– Dụng cụ: ống đong 20 mL, cốc đong 100 mL, cân, kéo, chày, cối, phễu và giấy lọc kích thước 1,5 × 10 cm, thiết bị chụp ảnh.
– Hóa chất: nước cất, cồn 90%.
– Mẫu vật: lá khoai lang, lá tía tô, lá rau dền, ….
♦ Tiến hành:
– Cân 1,5 g mẫu vật.
– Dùng kéo cắt nhỏ mẫu vật.
– Cho mẫu lá cắt nhỏ vào cối và nghiền nát bằng chày.
– Bổ sung 15 mL ethanol 90% vào mẫu thí nghiệm và 15 mL nước cất và mẫu đối chứng.
– Lọc qua phễu và thu dịch lọc bằng cốc đong.
– Cho miếng giấy lọc vào cốc đong đựng dịch chiết mẫu thí nghiệm và mẫu đối chứng. Để khoảng 15 phút, sau đó lấy miếng giấy ra và hong khô.
– Quan sát dịch lọc, miếng giấy lọc sau khi kết thúc thí nghiệm, chụp ảnh dịch lọc và miếng giấy lọc thu được.
3. Thí nghiệm tìm hiểu sự hình thành tinh bột trong quá trình quang hợp
❖ Cơ sở lí thuyết: Quá trinhg quang hợp hình thành carbohydrate và thường được tích lũy dưới dạng tinh bột. Hàm lượng tinh bột có thể được nhận biết thông qua phản ứng màu với dung dịch iodine 0,5%.
❖ Các bước tiến hành:
♦ Chuẩn bị:
– Dụng cụ: cốc đong loại 250 mL và loại 500 mL, đĩa petri, giấy màu (xanh, hồng, đen, …), kẹp ghim, đèn cồn, lưới chịu nhiệt, thiết bị chụp ảnh.
– Hóa chất: nước cất, dung dịch iodine, ethanol 90%.
– Mẫu vật: cây khoai lang trồng trong chậu.
♦ Tiến hành:
– Để chậu trồng cây khoai lang trong tối 2 ngày.
– Dùng giấy màu và kẹp ghim bọc kín một phần phiến lá khoai.
– Để chậu cây ngoài ánh sáng khoảng 4 – 5 giờ.
– Tháo bỏ giấy màu ở lá khoai lang.
– Cho lá cây (có bọc giấy màu và không bọc giấy màu) vào cốc đong loại 250 mL có chứa 100 mL ethanol 90%.
– Cho cốc đong 250 mL chứa 100 mL dung dịch ethanol và lá cây vào cốc 500 mL chứa 200 mL nước, đạt lên giá có lưới chịu nhiệt, đun cách thủy trên ngọn lửa đèn cồn và để sôi trong 5 phút.
– Lấy lá cây ra khỏi cốc và rửa lá cây trong dung dịch nước ấm.
– Cho lá cây và đĩa petri có chứa 20 mL dung dịch iodine 0,5%.
– Quan sát màu sắc của phiến lá, chụp ảnh kết quả thu được.
4. Thí nghiệm tìm hiểu sự thải oxygen trong quá trình quang hợp
❖ Cơ sở lí thuyết: Quá trình quang hợp giải phóng oxygen. Ở những loài thực vật thủy sinh, khi được chiếu sáng, oxygen giải phóng từ quá trình quang hợp sẽ tạo thành bọt khí thoát ra khỏi dung dịch.
❖ Các bước tiến hành:
♦ Chuẩn bị:
– Dụng cụ: 2 ống nghiệm có nút bằng cao su, giá để ống nghiệm, 2 cốc đong 250 mL, một hộp tăm tre, bật lửa, thiết bị chụp ảnh.
– Hóa chất: 120 mL nước cất.
– Mẫu vật: rong cúc (ngô công thảo, E. najas) hoặc rong đuôi chó (C. demersum).
♦ Tiến hành:
– Cho 2 cành rong có kích thước tương đương nhau và 2 ống nghiệm khác nhau (Chú ý cho phần lớn cành rong vào trong ống nghiệm và để dư khoảng 1 cm bên ngoài).
– Đổ ngập nước đến miệng ống nghiệm.
– Dùng ngón tay cái bịt chặt miệng ống nghiệm rồi úp ngược 2 ống nghiệm đưa vào 2 cốc đong 250 mL có chứa 120 mL nước cất, thả tay ra, tránh tạo bọt khí trong ống nghiệm.
– Để 1 cốc đong trong tối (cốc đối chứng), một cốc đong ngoài ánh sáng (cốc thí nghiệm).
– Sau 5 giờ, quan sát hiện tượng xảy ra trong 2 ống nghiệm, chụp ảnh kết quả thí nghiệm.
– Lấy rong ra khỏi 2 ống nghiệm, dùng nút cao su bịt miệng ống nghiệm rồi lấy ra khỏi cốc nước. (Chú ý: Tất cả các thao tác đều làm trong cốc nước).
– Đốt que tăm, mở nút cau su và lập tức đưa que tăm đang cháy vào miệng ống nghiệm.
– Quan sát hiện tượng xảy ra đối với que tăm đang cháy ở 2 ống nghiệm.
V. MỘT SỐ LƯU Ý
– Ribulose 1,5-bisphosphate/RuBP/RibuBP: chất nhận CO2 đầu tiên của thực vật C3 (5C)
(tên cũ: Ribulôzơ-1,5-diP/Rib-1,5-điP)
– Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase (RuBisCO): thực vật C3, Rubisco thường xúc tác cho phản ứng cố định CO2 của Ribulose-1,5-biphosphate (RibuBP) trong quá trình quang hợp theo chu trình Calvin.
– 3-phosphoglycerate/3-Phosphoglyceric acid (3PG, 3-PGA, or PGA)
(tên cũ: axit photphoglixeric/APG)
– Glycerate 3-phosphate (GP or G3P)
– Glyceraldehyde 3-phosphate, còn được gọi là triose phosphate hoặc 3-phosphoglyceraldehyde và viết tắt là G3P, GA3P, GADP, GAP, TP, GALP hoặc PGAL
(tên cũ: Aldehit photphoglixeric – là một triôzơ-P/AlPG)
– Phosphoenolpyruvate (PEP): chất nhận CO2 đầu tiên của thực vật C4 (PEP là hợp chất 3C).
– enzyme Phosphoenolpyruvatecarboxylase (PEPC): xúc tác cho phản ứng cố định CO2 của C4.
– Oxaloacetate/Oxaloacetic acid (OAA): sản phẩm cố định CO2 của thực vật C4, OAA là hợp chất có 4C có công thức phân tử C4H4O5.
– Malate/Acid malic/Malic acid (AM/MA): do OAA chuyển hóa thành, là hợp chất có 4C có công thức phân tử C4H6O5
Tham khảo Lý thuyết và bài tập vận dụng TRAO ĐỔI CHẤT VÀ CHUYỂN HÓA NĂNG LƯỢNG Ở THỰC VẬT tại đây:
https://drive.google.com/file/d/1BJW_XqLWS6K39uTpIYCCyNw0UPsP2hn6/view?usp=sharing
Bài viết tổng hợp kiến thức trọng tâm về quang hợp ở thực vật, từ lý thuyết đến bài tập vận dụng. Hy vọng tài liệu này sẽ giúp các bạn học sinh nắm vững kiến thức ôn thi thpt môn Sinh, đạt điểm cao trong các bài kiểm tra và kỳ thi quan trọng. Chúc các bạn học tốt và thành công!
