Thực vật C3, C4, CAM là những cây nào? So sánh và ví dụ?

1. Thực vật C3:

1.1. Định nghĩa:

Cố định cacbon C3 là một quá trình trao đổi chất cực kỳ quan trọng trong quá trình quang hợp của thực vật. Theo quá trình này, các phân tử dioxide cacbon và ribulose bisphosphate (RuBP) – một loại đường chứa 5-cacbon, sẽ chuyển hóa thành 3-photphoglyxerat thông qua phản ứng: 6 CO2 + 6 RuBP → 12 3-photphoglyxerat. Quá trình này diễn ra ở mọi loài thực vật và là bước đầu tiên trong chu trình Calvin – một quá trình quan trọng giúp cố định carbon trong thực vật.

Tuy nhiên, ở thực vật C4, dioxide cacbon được tạo ra từ axit malic và sau đó mới tham gia vào phản ứng này, chứ không cần phải lấy trực tiếp từ không khí. Điều này giúp thực vật C4 tiết kiệm năng lượng và có hiệu quả đồng hóa cao hơn so với thực vật C3.

Các loài thực vật chỉ tồn tại duy nhất theo kiểu cố định cacbon C3 được gọi là thực vật C3. Chu trình đồng hóa cacbon theo hình thức quang hợp C3 có đặc điểm là hiệu quả đồng hóa thấp khi nhiệt độ cao và ánh sáng mạnh. Tuy nhiên, thực vật C3 xuất hiện từ đại Trung Sinh, và đại Cổ Sinh trước khi thực vật C4 xuất hiện. Hiện nay, chúng vẫn chiếm khoảng 95% sinh khối thực vật trên Trái Đất.

Ngoài ra, còn rất nhiều loài thực vật khác nhau được biết đến với các phương thức đồng hóa khác nhau, chẳng hạn như thực vật CAM (Crassulacean Acid Metabolism), thực vật C4, và thực vật chuyển tiếp. Mỗi loài thực vật đều có những đặc điểm riêng về cách thức cố định carbon và tăng cường quang hợp.

Tóm lại, cố định cacbon C3 là một quá trình quan trọng giúp cung cấp năng lượng và đáp ứng nhu cầu dinh dưỡng của thực vật. Sự hiểu biết về cơ chế này cũng giúp chúng ta hiểu rõ hơn về sự phát triển và sinh trưởng của thực vật.

1.2. Thực vật C3 sống ở đâu?

Thực vật C3 sống khắp mọi nơi, bao gồm cả rêu và cây thân gỗ trong rừng. Quá trình quang hợp ở thực vật C3 diễn ra trong hai pha:

Pha sáng: ánh sáng được chuyển hóa thành năng lượng hóa học trong ATP và NADPH. Pha sáng diễn ra ở tilacôit khi có ánh sáng. Năng lượng ánh sáng được sử dụng để thực hiện quá trình quang phân li nước, giải phóng O2.

Pha tối: tổng hợp các hợp chất hữu cơ bằng ATP và NADPH từ pha sáng. Pha tối diễn ra bên trong chất nền của lục lạp và bao gồm ba giai đoạn:

Cố định CO2.

Tổng hợp C6H12O6, tinh bột, axit amin…

Tái sinh chất nhận từ ban đầu là Rib – 1,5 điP.

2. Thực vật C4:

2.1. Định nghĩa:

Cố định cacbon C4 là một trong ba phương pháp cố định dioxide cacbon (liên kết các phân tử CO2 dạng khí thành các hợp chất hoà tan trong thực vật) cùng với cố định cacbon C3 và quang hợp CAM. Các loài thực vật sử dụng cơ chế cố định cacbon C4 được gọi chung là nhóm thực vật C4.

Cơ chế cố định cacbon C4 là một quá trình giúp các loài thực vật có thể tối ưu hóa quá trình quang hợp của mình dưới những điều kiện khác nhau của môi trường sống. Thực vật C4 sử dụng một loạt các phản ứng hóa học để chuyển đổi cacbon dioxide thành các hợp chất hữu cơ và lưu trữ chúng trong các bộ phận khác nhau của thực vật.

Các loài thực vật sử dụng cơ chế cố định cacbon C4 được phân loại vào một nhóm riêng biệt vì cơ chế này khác với cơ chế cố định cacbon C3 thông thường. Cơ chế cố định cacbon C4 là một trong ba phương pháp cố định dioxide cacbon (liên kết các phân tử CO2 dạng khí thành các hợp chất hoà tan trong thực vật) cùng với cố định cacbon C3 và quang hợp CAM.

Thực vật C4 được phân bố rộng rãi trên toàn cầu, đặc biệt là ở các vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới. Cơ chế cố định cacbon C4 giúp tăng cường hiệu suất quang hợp của thực vật, đặc biệt là trong điều kiện nhiệt độ cao và độ ẩm thấp.

Ngoài ra, cơ chế cố định cacbon C4 cũng có thể giúp thực vật tiết kiệm nước bởi vì chúng có thể đóng cửa khí hậu một cách hiệu quả hơn so với các loài thực vật khác. Tuy nhiên, việc sử dụng cơ chế cố định cacbon C4 cũng đòi hỏi một số chi phí năng lượng của thực vật, do đó, không phải tất cả các loài thực vật đều sử dụng cơ chế này.

Kết luận, thực vật C4 là một ví dụ cho cơ chế đa dạng hóa của thiên nhiên trong quá trình quang hợp. Cơ chế này giúp thực vật tối ưu hóa quá trình quang hợp của mình dưới những điều kiện khác nhau của môi trường sống và đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì sự sống trên Trái Đất.

2.2. Thực vật C4 sống ở đâu?

Thực vật C4 là một nhóm thực vật quan trọng, đặc biệt là trong nông nghiệp, vì chúng có khả năng quang hợp và sử dụng năng lượng mặt trời hiệu quả hơn so với nhóm thực vật C3 thông thường. Thực vật C4 gồm một số loài thực vật sống ở vùng nhiệt đới như mía, rau dền, ngô, kê… Nhóm thực vật này được tìm thấy chủ yếu ở các nước có khí hậu nóng ẩm, vì chúng có khả năng ổn định quang hợp trong điều kiện nhiệt độ cao và độ ẩm cao.

Chu trình quang hợp ở thực vật C4 gồm hai pha: cố định CO2 tạm thời (chu trình C4) và tái cố định CO2 theo chu trình Canvin. Cả hai chu trình đều diễn ra vào ban ngày, nhưng lại ở 2 loại tế bào khác nhau trên lá. Đây là một cơ chế phát triển tiên tiến giúp chúng tối ưu hóa quá trình quang hợp, giảm thiểu mất năng lượng và tăng hiệu suất quang hợp.

Giai đoạn cố định CO2 tạm thời được diễn ra ở tế bào mô giậu. Trong giai đoạn này, chất nhận CO2 đầu tiên là một hợp chất ba carbon (PEP), và sản phẩm ổn định đầu tiên là hợp chất bốn carbon (AOA). Sau đó, AOA được chuyển hóa thành một hợp chất bốn carbon khác gọi là axit malic (AM) trước khi được chuyển vào tế bào bao bó mạch.

Giai đoạn tái cố định CO2 được diễn ra ở tế bào bao bó mạch. Trong giai đoạn này, AM bị phân hủy để giải phóng CO2 cung cấp vào chu trình Canvin và hình thành nên hợp chất ba carbon là axit pyruvic. Axit pyruvic quay lại tế bào mô giậu, tái tạo chất nhận CO2 đầu tiên là PEP. Chu trình C3 cũng diễn ra như ở nhóm thực vật C3.

Thực vật C4 có nhiều ưu điểm hơn nhóm thực vật C3. Với cường độ quang hợp cao hơn, điểm bù CO2 thấp hơn, điểm bão hòa ánh sáng cao, và thoát hơi nước thấp hơn, chúng có năng suất cao hơn nhiều so với thực vật C3. Điều này giúp cho thực vật C4 trở thành một lựa chọn tốt để trồng trọt và sản xuất thực phẩm, đặc biệt là ở các vùng có khí hậu nóng ẩm.

3. Thực vật CAM:

3.1. Định nghĩa:

CAM là từ viết tắt của cụm từ Crassulacean acid metabolism (trao đổi chất axit Crassulaceae), là một kiểu cố định cacbon phức tạp trong một số loại thực vật quang hợp.

CAM là cơ chế thông thường được tìm thấy trong các thực vật sinh sống trong các điều kiện khô hạn, bao gồm các loài cây tìm thấy trong sa mạc (ví dụ như xương rồng hay dứa). CAM được đặt tên theo họ của nhóm thực vật mà cơ chế này lần đầu tiên được phát hiện, là họ Cảnh thiên (Crassulaceae, bao gồm các loài thực vật mọng nước như cây cảnh thiên, thuốc bỏng v.v).

CAM là một cơ chế sinh học đặc biệt giúp các loài thực vật có thể tồn tại và thích nghi với điều kiện khắc nghiệt của môi trường. Ngoài các loài cây xương rồng và dứa, CAM cũng được tìm thấy trong nhiều loại thực vật khác như lúa mì, hoa hồng, cam vàng, nho, quýt, chanh và nhiều loại cây ăn trái khác. Với CAM, các loài thực vật có thể tiết kiệm nước bằng cách hấp thụ khí CO2 trong đêm và giải phóng nó vào ban ngày để thực hiện quá trình quang hợp. Điều này giúp các loài thực vật CAM có thể sống sót trong môi trường khô hạn và thiếu nước.

Cơ chế CAM được phát hiện lần đầu tiên trên các loài cây thuộc họ Cảnh thiên và sau đó được tìm thấy trên nhiều loại thực vật khác. Nó là một cơ chế thích nghi đặc biệt giúp các loài thực vật tồn tại trong điều kiện khắc nghiệt. Mặc dù CAM không phải là cơ chế quang hợp chính của các loài thực vật, nó vẫn cực kỳ quan trọng trong việc giúp các loài thực vật sống sót và phát triển.

CAM có thể được chia thành hai giai đoạn chính: giai đoạn tối và giai đoạn sáng. Trong giai đoạn tối, các loài thực vật CAM tiết kiệm nước bằng cách hấp thụ khí CO2 và lưu trữ nó như axit trong các tế bào lá. Trong giai đoạn sáng, các loài thực vật CAM sử dụng năng lượng mặt trời để phân hủy axit và giải phóng khí CO2 để thực hiện quá trình quang hợp. Cơ chế này cho phép các loài thực vật CAM giảm thiểu mất nước do hơi nước bay hơi vào ban ngày và tăng cường khả năng chống chịu với môi trường khô hạn.

Các loài thực vật CAM cũng có khả năng phát triển và sinh sản nhanh hơn so với các loài thực vật khác trong điều kiện khắc nghiệt. Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng CAM có thể là một cơ chế thích nghi đặc biệt giúp các loài thực vật tồn tại trong các vùng khô hạn và cực khắc nhất trên Trái đất.

Tóm lại, CAM là một cơ chế quan trọng giúp các loài thực vật có thể sống sót và phát triển trong điều kiện khắc nghiệt của môi trường. Nó đã được phát hiện trên nhiều loài thực vật khác nhau và được xem là một cơ chế thích nghi đặc biệt giúp các loài thực vật sống sót trong môi trường khô hạn và thiếu nước.

3.2. Thực vật CAM sống ở đâu?

Thực vật CAM là loài thực vật chịu hạn sống ở vùng nhiệt độ cao và ít CO2 như sa mạc hay núi đá. Chúng có khả năng giữ nước tốt và sử dụng nitơ hiệu quả. Tuy nhiên, chúng không hiệu quả trong việc hấp thụ CO2, phát triển chậm hơn so với các loài cây khác.

Cơ chế quang hợp của thực vật CAM đóng kín các khí khổng vào ban ngày để giữ nước. Các khí khổng sẽ được hấp thụ CO2 vào ban đêm để sử dụng trong quá trình chuyển hóa chất dinh dưỡng.

Pha tối ở thực vật CAM gần giống với pha tối ở thực vật C4, tuy nhiên thời gian diễn ra khác nhau. Ở thực vật C4, cả 2 chu trình của pha tối đều được diễn ra vào ban ngày. Trong khi đó, ở thực vật CAM, chu trình đầu cố định CO2 tạm thời diễn ra vào ban đêm khi khí khổng mở, và chu trình Canvin tái cố định CO2 diễn ra vào ban ngày khi khí khổng đóng.

4. Phân biệt thực vật C3 C4 CAM:

Sau khi đã biết thực vật C3, C4 và CAM gồm những đại diện nào, chúng ta hãy tiến hành so sánh, phân biệt thực vật C3 C4 và CAM nhé.

Các loại thực vật này có nhiều điểm tương đồng trong quá trình quang hợp. Chúng đều sử dụng ánh sáng mặt trời để hấp thụ năng lượng, sử dụng năng lượng này để phân li nước và hình thành nên ATP, NADPH trong quá trình quang hoá. Tuy nhiên, để phân biệt chúng, ta cần tìm hiểu về những điểm khác nhau.

Thực vật C3 là loại thực vật phổ biến nhất, chúng sinh sống ở vùng có độ ẩm cao và có tốc độ sinh trưởng nhanh. Thực vật C4 thích nghi tốt hơn với môi trường khô hạn và có khả năng chống lại stress nhiệt độ tốt hơn. Thực vật CAM thích nghi tốt hơn trong môi trường khắc nghiệt và có khả năng tiết kiệm nước tốt hơn.

Điểm khác biệt khác giữa các loại thực vật này là cách chúng sử dụng enzyme Rubisco để tiến hành quang hợp. Thực vật C3 sử dụng Rubisco để tiến hành quang hợp trên tất cả các điểm ảnh hưởng của ánh sáng, bao gồm cả các đường phân nhánh. Thực vật C4 sử dụng Rubisco để tiến hành quang hợp ở các tế bào mesophyll và bundle sheath cells, các tế bào này được phân chia rõ ràng trong thực vật C4. Thực vật CAM thì sử dụng Rubisco ở các tế bào mesophyll vào ban đêm và ở các tế bào bundle sheath cells vào ban ngày. Với cách sử dụng enzyme Rubisco khác nhau, các loại thực vật này có thể tối ưu hóa quá trình quang hợp trong các môi trường khác nhau.

Ngoài ra, các loại thực vật này cũng có sự khác biệt về cấu trúc lá. Thực vật C3 có lá mỏng và phẳng, thực vật C4 có lá dày hơn và có mô đốt, thực vật CAM thì có lá dày và thịt hơn để lưu trữ nước.

Tóm lại, phân biệt thực vật C3, C4 và CAM là rất quan trọng để hiểu sâu hơn về các loại cây và môi trường sống của chúng. Việc hiểu sâu hơn về cách thức hoạt động của các loại thực vật này sẽ giúp chúng ta tối ưu hóa việc trồng trọt và bảo vệ môi trường.