I. KHÁI QUÁT VỀ QUANG HỢP Ở THỰC VẬT

1. Khái niệm

• Quang hợp ở thực vật là quá trình lục lạp hấp thụ và sử dụng năng lượng ánh sáng tổng hợp chất hữu cơ ($C_{6}H_{12}O_{6}$) từ $CO_2$ và nước đồng thời giải phóng $O_2$.
• Phương trình tổng quát của quang hợp: 

$CO_2 + H_2O$ ánh sáng, lục lạp→ $C_{6}H_{12}O_{6} +   O_2 + H_2O$  

• Nguyên liệu: 
• Pha sáng: H2O từ môi trường. ADP và $NaADP^{+}$ (từ pha tối).
• Pha tối: $CO_2$ (từ môi trường), ATP và NaDPH (từ pha sáng).

• Sản phẩm:

• Pha sáng: $O_2$, ATP và NADPH.

•  

  Pha tối: Chất hữu, ADP và $NADP^{+}$.

2. Vai trò của quang hợp ở thực vật

Sự sống của con người và các loài sinh vật trên Trái Đất đều phụ thuộc vào quá trình quang hợp vì quá trình và sản phẩm của quang hợp có vai trò quan trọng đối với cơ thể thực vật, các sinh vật khác và sinh giới, cụ thể: 

• Đối với thực vật: 

• 50% hợp chất hữu cơ được tạo ra để cung cấp năng lượng cho các hoạt động sống thông qua quá trình hô hấp tế bào.
  Phần hợp chất hữu cơ còn lại dùng làm nguyên liệu tổng hợp chất cấu tạo nên tế bào, nguồn carbon , năng lượng dự trữ.

• Đối với sinh vật: 
• Cung cấp nguồn $O_2$ và chất hữu cơ cho nhiều loài sinh vật khác. 
• Sản phẩm của quang hợp cung cấp nguyên liệu cho công nghiệp, xây dựng, sản xuất dược liệu.

• Đối với sinh quyển: Đảm bảo hàm lượng khí $O_2$ và $CO_2$ ổn định (21% và 0,03%), góp phần chặn hiệu ứng nhà kính.

Tạo 150 tỉ tấn carbohydrate mỗi năm để duy trì các hoạt động sống của sinh giới

2. HỆ SẮC TỐ QUANG HỢP

Hệ sắc tố gồm 2 nhóm:

• Chlorophyll (chlorophyll a và chlorophyll b) có chức năng hấp thụ ánh sáng chủ yếu vùng xanh tím và đỏ, chuyển năng lượng ánh sáng hấp thu được cho các phản ứng quang hóa để hình thành ATP và NaDPH.
• Carotenoid có vai trò hấp thụ ánh sáng chủ yếu vùng xanh tím, sau đó truyền năng lượng ánh sáng đã hấp thụ được cho chlorophyll.

• Các sắc tố quang hợp hấp thụ và truyền năng lượng ánh sáng theo sơ đồ: Carotenoid → Chlorophyll b chlorophyll a chlorophyll a ở trung tâm phản ứng.

Kết luận: 

• Hệ sắc tố quang hợp nằm trên màng thylakoid gồm chlorophyll và carotenoid. 
• Các sắc tố quang hợp hấp thụ và truyền năng lượng ánh sáng cho chlorophyll a ở trung tâm phản ứng.

3. CÁC GIAI ĐOẠN CỦA QUÁ TRÌNH QUANG HỢP

1. Pha sáng

Pha sáng của quang hợp là pha chuyển hoá năng lượng ánh sáng được chlorophyll hấp thụ thành năng lượng hoá học trong ATP và NaDPH

• Các phản ứng trong pha sáng:
• Các phân tử sắc tố quang hợp hấp thụ năng lượng ánh sáng và truyền tải  năng lượng đã hấp thụ cho chlorophyll ở trung tâm phản ứng.
• Các phân tử chlorophyll a trung tâm phản ứng truyền electron cho chuỗi chuyền electron quang hợp nằm trên màng thylakoid.
• Phản ứng quang phân li nước:
• $H_2O$ Ánh sáng, chlorophyll→ $4H^{+}+ 4e^{-} + O_2$
• Tổng hợp ATP và khử NADP+ trong chuỗi truyền electron quang hợp 
• Sau khi phản ứng kết thúc, các sản phẩm được tạo thành gồm ATP, NADPH, $O_2$.

2. Pha tối

Pha tối là pha đồng hóa $CO_2$ diễn ra ở chất nền lục lạp, nhờ năng lượng từ ATP và NaDPH được cung cấp từ pha sáng để hình thành các hợp chất hữu cơ.

a) Con đường đồng hóa $CO_2$ ở thực vật $C_3$.

• Thực vật $C_3$: rêu, cây gỗ lớn, lúa, khoai, sắn, đậu,…; thích nghi với điều kiện khí hậu ôn hoà: cường độ ánh sáng, nhiệt độ, nồng độ $O_2$ và $CO_2$ bình thường.

• Đồng hóa $CO_2$ ở thực vật $C_3$ gồm ba giai đoạn:
• Cố định $CO_2$: $RuBP + CO_2PGA$
• Khử: PGA khử thành G3P
• Tái tạo: B3P được dùng làm nguyên liệu để tái tạo RuBP.

b) Con đường đồng hóa $CO_2$ ở thực vật $C_4$.

• Thực vật $C_4$ bao gồm các loại thực vật sống ở vùng nhiệt đới như mía, cỏ lồng vực, ngô, kê, cao lương,..; điều kiện sống nóng ẩm kéo dài: cường độ ánh sáng mạnh, nhiệt độ cao, nồng độ $CO_2$ thấp và nồng độ $O_2$ cao.

• Đồng hóa $CO_2$ ở thực vật $C_4$ gồm:
• Cố định $CO_2$: diễn ra trong tế bào nhu mô. PEP (2C) kết hợp với một phân tử CO2 hình thành OAA chuyển thành MA (4C).
• Chu trình calvin: diễn ra trong tế bào bó mạch. MA được tạo ra sẽ chuyển từ tế bào nhu mô sống sáng tế bào bó mao mạch thông qua cầu sinh chất. Bên trong chất tế bào bao bó mạch, MA sẽ tách thành $CO_2$ và pyruvic acid. $CO_2$ được dùng để tổng hợp chất hữu cơ trong chu trình Calvin, còn có pyruvic acid được dùng làm nguyên liệu tái tạo PEP.

c) Con đường đồng hóa $CO_2$ ở thực vật CAM

• Thực vật CAM gồm các loài mọng nước sống ở nơi có điều kiện khô hạn kéo dài như dứa, xương rồng, thuốc bỏng, thanh long,… Thực vật CAM thường mở khí khổng vào bạn đêm để tránh mất nước và lấy $CO_2$. Vì vậy thực vật CAM cố định $CO_2$ vào ban đêm và chu trình Calvin vào ban ngày.

• Thực vật $C_4$ sống ở trong điều kiện nóng ẩm kéo dài: cường độ ánh sáng mạnh, nhiệt độ cao, nồng độ $CO_2$ thấp và nồng độ $O_2$ cao. Do đó, thực vật $C_4$ cố định $CO_2$ theo con đường $C_4$ để tạo MA là hợp chất có vai trò dự trữ $CO_2$, nhằm duy trì nồng độ $CO_2$ cao trong tế bào.
• Thực vật CAM sống ở nơi có điều kiện khô hạn kéo dài nên chúng cố định $CO_2$ vào ban đêm, khi khí khổng mở để tránh mất nước.

Kết luận:

• Trong pha sáng, hệ sắc tố quang hợp thu nhận và chuyển hoá quang năng thành năng lượng dưới dạng ATP và NADPH. Các sản phẩm này có vai trò cung cấp năng lượng cho quá trình đồng hóa $CO_2$. 
• Tuỳ từng nhóm thực vật mà quá trình đồng hóa $CO_2$ diễn ra theo con đường $C_3$, $C_4$ hoặc CAM. Sản phẩm hữu cơ của quang hợp được dùng để chuyển hoá thành các chất cần thiết cho cơ thể như carbohydrate, protein, lipid.

4. CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUANG HỢP Ở THỰC VẬT

1. Ánh sáng

• Ánh sáng là nhân tố cơ bản ảnh hưởng đến quá trình quang hợp.
• Điểm bù ánh sáng: Cường độ ánh sáng mà tại đó cường độ quang hợp và cường độ hô hấp bằng nhau.
• Điểm bão hoà ánh sáng: Cường độ ánh sáng mà tại đó cường độ quang hợp đạt cực đại.

Mỗi loài thực vật thích nghi với cường độ ánh sáng có điểm bù ánh sáng và điểm bão hoà ánh sáng khác nhau.

2. Nồng độ $CO_2$

$CO_2$ trong không khí là nguồn nguyên liệu của quá trình quang hợp.

• Điểm bù $CO_2$: Nồng độ $CO_2$ mà tại đó cường độ quang hợp và cường độ hô hấp bằng nhau.
• Điểm bão hoà $CO_2$: Nồng độ $CO_2$ mà tại đó cường độ quang hợp cực đại. Nếu vượt quá trị số bão hoà, cường độ quang hợp cũng không tăng thêm.

3. Nhiệt độ

• Nhiệt độ ảnh hưởng đến quá trình quang hợp thông qua sự ảnh hưởng đến hoạt hoá của enzyme xúc tác các phản ứng trong pha sáng và pha tối.
• Ngoài ba yếu tố trên, hàm lượng nước và các nguyên tố khoáng cũng có sự ảnh hưởng đến quá trình quang hợp ở thực vật.

Kết luận: Quang hợp ở thực vật chịu ảnh hưởng của các yếu tố môi trường như ánh sáng, nồng độ $CO_2$ nhiệt độ, hàm lượng nước và các nguyên tố khoáng.

5. QUANG HỢP VÀ NĂNG SUẤT CÂY TRỒNG

Các biện pháp điều khiển quang hợp nhằm tăng năng suất cây trồng.

Kết luận: 

• Quang hợp quyết định đến 90 -95% năng suất cây trồng. 
• Một số biện pháp tăng năng suất cây trồng thông qua điều khiển quang hợp: tăng diện tích lá, tăng cường độ và hiệu suất quang hợp, áp dụng các công nghệ cao khi trồng trọt.