Trao đổi nước và khoáng ở thực vật: Cơ chế và vai trò

Trao đổi nước và khoáng ở thực vật là quá trình sinh lí quan trọng của cây. Là quá trình cần thiết để cung cấp nước và chất dinh dưỡng, tạo nên sự phát triển và sinh tồn của cây xanh. Cơ chế này diễn ra như thế nào? Mời các em học sinh cùng VOH Giáo dục tìm hiểu chi tiết qua bài viết sau đây:

1. Sự hấp thụ nước và ion khoáng ở rễ

Rễ cây trên cạn hấp thụ nước và ion khoáng chủ yếu qua miền lông hút.

1.1. Sự hấp thụ nước và ion khoáng từ đất vào tế bào lông hút

1.1.1. Hấp thụ nước:

Nước đi từ đất vào tế bào lông hút theo cơ chế thụ động (thẩm thấu): từ môi trường nhược trương (thế nước cao) trong đất vào tế bào lông hút nơi có dịch bào ưu trương (thế nước thấp).

Dịch của tế bào lông hút ưu trương so với dung dịch đất do 2 nguyên nhân:

• Quá trình thoát hơi nước ở lá ( đóng vai trò như cái bơm hút) hút nước lên phía trên làm giảm lượng nước trong tế bào lông hút.
• Nồng độ các chất tan ở rễ cao.

1.1.2. Hấp thụ ion khoáng

Ion khoáng xâm nhập vào tế bào lông hút theo 2 cơ chế:

• Cơ chế thụ động: Ion khoáng đi từ đất (nồng độ ion cao) vào tế bào lông hút (nồng độ ion thấp hơn).
• Cơ chế chủ động: 
  • Một số ion khoáng mà cây có nhu cầu cao xâm nhập vào rễ theo cơ chế chủ động.
  • Di chuyển ngược chiều gradien nồng độ (nơi có nồng độ ion khoáng thấp đến nơi có nồng đô ion khoáng cao). 
  • Đòi hỏi phải tiêu tốn năng lượng ATP từ hô hấp.

1.2. Dòng nước và ion khoáng đi từ đất vào mạch gỗ của rễ

Dòng nước và ion khoáng đi vào mạch gỗ của rễ qua 2 con đường:

• Con đường tế bào chất: Đi xuyên qua tế bào chất của các tế bào để vào mạch gỗ.
• Con đường gian bào: Đi theo khoảng không gian giữa các tế bào và khoảng không gian giữa các bó sợi xenlulôzơ trong thành tế bào, đến nội bì thì bị đai Caspari chặn lại nên chuyển sang con đường tế bào chất để đi vào mạch gỗ.

2. Vận chuyển các chất trong cây

2.1. Dòng mạch gỗ

Là dòng vận chuyển nước và ion khoáng từ đất vào đến mạch gỗ của rễ rồi tiếp tục đi lên theo mạch gỗ trong thân đến lá.
Cấu tạo: 

• Gồm các tế bào chết là quản bào và mạch ống.
• Các tế bào cùng loại nối với nhau tạo thành các ống dài từ rễ lên lá.

Dịch mạch gỗ chủ yếu là nước, các ion khoáng và các chất hữu cơ được tổng hợp từ rễ.

Động lực dòng mạch gỗ: 

• Lực đẩy (áp suất rễ).
• Lực hút do thoát hơi nước ở lá.
• Lực liên kết giữa các phân tử nước với nhau và với thành mạch gỗ.

→ Nhờ vậy mà nước và các ion khoáng từ trong đất có thể đưa lên đến ngọn cây cao hàng chục mét dễ dàng.

2.2. Dòng mạch rây

Là dòng vận chuyển chất hữu cơ và các ion khoáng từ các tế bào quang hợp đến nơi cần sử dụng hoặc dự trữ.

Cấu tạo:

• Gồm các tế bào sống là ống rây (tế bào hình rây) và tế bào kèm.
• Các ống rây nối với nhau qua bản rây thành những ống dài từ lá xuống rễ.

Dịch mạch rây: chủ yếu là saccarôzơ, axit amin, vitamin, hoocmôn thực vật, ion khoáng và chất hữu cơ khác.

Động lực của dòng mạch rây: Là sự chênh lệch áp suất thẩm thấu giữa cơ quan nguồn(lá) nơi có áp suất thẩm thấu cao đến cơ quan chứa (củ, rễ, quả…) có áp suất thẩm thấu thấp. 

Lưu ý: vị trí của 2 loại mạch ở thực vật  

• Mạch gỗ ở phần gỗ và nằm bên trong.
• Mạch rây ở phần vỏ và nằm bên ngoài.

3. Thoát hơi nước

3.1. Vai trò của thoát hơi nước

Vai trò của quá trình thoát hơi nước của cây: Là động lực đầu trên của dòng mạch gỗ có vai trò giúp vận chuyển nước và ion khoáng từ rễ đến mọi cơ quan, tạo môi trường liên kết, tạo độ cứng cho thực vật thân thảo.

Làm khí khổng mở, CO2 khuếch tán vào lá cho quá trình quang hợp.

Giúp hạ nhiệt độ của lá cây vào những ngày nắng nóng đảm bảo cho quá trình sinh lí xảy ra bình thường.

3.2. Thoát hơi nước qua lá

Lá là cơ quan thoát hơi nước chủ yếu.

Lá thoát hơi nước qua 2 con đường:

• Thoát hơi nước qua khí khổng: là con đường thoát hơi nước chủ yếu, có thể điều tiết lượng nước thoát ra thông qua độ đóng mở của khí khổng.
  • Khi tế bào khí khổng (tế bào hạt đậu) no nước → thành mỏng căng ra làm cho thành dày cong theo → khí khổng mở ra → thoát hơi nước tăng.
  • Khi tế bào khí khổng mất nước → thành mỏng hết căng và thành dày duỗi thẳng → khí khổng khép lại → thoát hơi nước giảm.

•  Thoát hơi nước qua cutin: là con đường thoát hơi nước phụ, phụ thuộc vào độ dày lớp cutin, không thể điều tiết lượng nước thoát ra.

3.3. Các tác nhân ảnh hưởng đến quá trình thoát hơi nước

Nước: Điều kiện cung cấp nước và độ ẩm không khí ảnh hưởng đến thoát hơi nước thông qua điều tiết đóng mở khí khổng.

Ánh sáng: Khí khổng mở khi cây được chiếu sáng. Độ mở của khí khổng tăng từ sáng trưa và nhỏ nhất lúc chiều tối.

Nhiệt độ, gió, một số ion khoáng...cũng ảnh hưởng đến sự thoát hơi nước. 

3.4. Cân bằng nước và tưới tiêu hợp lí cho cây

Cân bằng nước được tính bằng sự tương quan giữa lượng nước do rễ hút vào và lượng nước thoát ra.

Để đảm bảo cho cây sinh trưởng và phát triển bình thường cần tưới tiêu hợp lí.

4. Bài tập trắc nghiệm về sự trao đổi nước và khoáng ở thực vật

Câu 1: Nước có vai trò nào sau đây đối với đời sống thực vật?

(1). Quyết định sự phân bố thực vật trên trái đất.

(2). Là dung môi hòa tan muối khoáng và các hợp chất hữu cơ.

(3). Điều hòa nhiệt độ cơ thể.

(4). Đảm bảo sự thụ tinh kép xảy ra.

Chọn 1 đáp án đúng nhất

1. 1, 2, 3
2. 1,2, 4
3. 1, 3, 4
4. 2, 3, 4

Câu 2: Bộ phận hút nước chủ yếu của cây ở trên cạn là 

1. Lá, thân, rễ.
2. Lá, thân.
3. Rễ, thân.
4. Hệ thống lông hút.

Câu 3: Sự hút khoáng thụ động của tế bào lông hút phụ thuộc vào

1. Hoạt động trao đổi chất.
2. Chênh lệch nồng độ ion.
3. Cung cấp năng lượng.
4. Hoạt động thẩm thấu.

Câu 4: Phát biểu nào sau đây là đúng khi nói về sự thẩm thấu của nước từ đất vào tế bào rễ?

1. Xảy ra từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp.
2. Xảy ra từ môi trường nhược trương đến môi trường ưu trương.
3. Xảy ra độc lập với quá trình hấp thụ các loại ion khoáng.
4. Cần tiêu tốn nhiều năng lượng ATP.

Câu 5: Sự xâm nhập chất khoáng vào rễ cây theo phương thức chủ động phụ thuộc vào

1. Građien nồng độ chất tan.
2. Hiệu điện thế màng.
3. Trao đổi chất của tế bào.
4. Sự cung cấp năng lượng.

Câu 6: Nước xâm nhập vào rễ theo cơ chế nào?

1. Hoạt tải từ đất vào rễ nhờ sự thoát hơi nước ở lá và hoạt động trao đổi chất của rễ.
2. Thẩm tách từ đất vào rễ nhờ sự thoát hơi nước ở lá và hoạt động trao đổi chất của rễ.
3. Thẩm thấu và thẩm tách từ đất vào rễ nhờ sự thoát hơi nước ở lá và hoạt động trao đổi chất của rễ.
4. Thẩm thấu từ đất vào rễ nhờ sự thoát hơi nước ở lá và hoạt động trao đổi chất của rễ.

Câu 7: Dịch tế bào biểu bì rễ ưu trương hơn so với dung dịch đất do

1. Quá trình thoát hơi nước ở lá và nồng độ chất tan trong lông hút thấp.
2. Nồng độ chất tan trong lông hút thấp hơn nồng độ các chất tan trong dịch đất.
3. Quá trình thoát hơi nước ở lá và nồng độ chất tan trong lông hút cao.
4. Nồng độ chất tan trong lông hút cao hơn nồng độ chất tan trong dịch đất.

Câu 8: Nước và các ion khoáng đi từ đất vào mạch gỗ của rễ theo các con đường

1. Tế bào chất và con đường gian bào.
2. Qua lông hút vào tế bào nhu mô vỏ, sau đó vào trung trụ.
3. Xuyên qua tế bào chất của của các tế bào vỏ rễ vào mạch gỗ.
4. Đi theo khoảng không gian giữa các tế bào vào mạch gỗ.

Câu 9: Nước đi vào mạch gỗ theo con đường gian bào đến nội bì thì chuyển sang con đường tế bào chất, vì sao?

1. Nội bì có đai caspari thấm nước nên nước có thể vận chuyển qua được.
2. Tế bào nội bì không thấm nước nên nước không vận chuyển qua được.
3. Nội bì có đai caspari không thấm nước nên nước không đi qua được.
4. Áp suất thẩm thấu của tế bào nội bì thấp nên nước phải di chuyển sang con đường khác.

Câu 10: Cấu tạo mạch gỗ gồm

1. Tế bào chết là quản bào và mạch ống.    
2. Tế bào sống là mạch ống và tế bào kèm.
3. Tế bào chết là mạch ống và tế bào kèm.    
4. Tế bào sống là quản bào và mạch ống.

Câu 11: Cấu tạo mạch rây gồm

1. Tế bào chết là quản bào và mạch ống.
2. Tế bào sống là tế bào ống và tế bào kèm.
3. Tế bào chết là mạch ống và tế bào kèm.    
4. Tế bào sống là quản bào và mạch ống.

Câu 12: Động lực đẩy dòng mạch rây từ lá đến rễ và các cơ quan khác là

1. Trọng lực của trái đất và áp suất của lá.           
2. Sự chênh lệch áp suất thẩm thấu giữa cơ quan rễ với cơ quan lá.
3. Sự chênh lệch áp suất thẩm thấu giữa cơ quan rễ với môi trường đất.
4. Sự chênh lệch áp suất thẩm thấu giữa cơ quan nguồn và cơ quan chứa.

Câu 13: Dòng mạch gỗ được vận chuyển nhờ những động lực nào sau đây?

1. Lực đẩy (áp suất rễ).                   

2. Lực hút do thoát hơi nước ở lá.

3. Lực liên kết giữa các phân tử nước với nhau và với thành mạch gỗ.

4. Sự chênh lệch áp suất thẩm thấu giữa cơ quan nguồn (lá) và cơ quan chứa (quả, củ…).

5. Sự chênh lệch áp suất thẩm thấu giữa môi trường rễ và môi trường đất.

Chọn 1 đáp án đúng nhất

1. 1-3-5.
2. 1-2-4.
3. 1-2-3.
4. 1-3-4

Câu 14: Dòng mạch rây vận chuyển sản phẩm đồng hóa ở lá chủ yếu là

1. Nước.
2. Ion khoáng.    
3. Nước và ion khoáng.
4. Saccarôza và axit amin.

Câu 15: Thành phần dịch mạch gỗ gồm

1. Nước, ion khoáng và chất hữu cơ.
2. Nước, ion khoáng và chất hữu cơ tổng hợp từ lá.
3. Nước, ion khoáng và chất hữu cơ dự trữ ở quả, củ.
4. Nước, ion khoáng và chất hữu cơ tổng hợp từ rễ.

Câu 16: Quá trình thoát hơi nước ở lá diễn ra thông qua:

1. Khí khổng và lớp cutin.
2. Khí khổng và mạch gỗ.
3. Mạch gỗ và lớp cutin.
4. Toàn bộ tế bào của lá.

Câu 17: Những phát biểu nào sau đây đúng về vai trò của quá trình thoát hơi nước đối với hoạt động sinh lý của cây?

I. Là động lực của dòng mạch gỗ.

II. Là động lực của dòng mạch rây.

III. Tạo điều kiện để cây hấp thụ CO2 cho quá trình quang hợp.

IV. Điều hoà nhiệt độ của cây trong những ngày nắng nóng.

Chọn 1 đáp án đúng nhất

1. I, II, III.
2. I, III, IV.
3. I, II, IV.
4. I, II, III, IV.

Câu 18: Con đường thoát hơi nước qua cutin là con đường thoát hơi nước

1. Phụ, có thể điều tiết lượng nước thoát ra.    
2. Chính, có thể điều tiết lượng nước thoát ra.
3. Phụ, không thể điều tiết lượng nước thoát ra.    
4. Chính, không thể điều tiết lượng nước thoát ra.

Câu 19: Để cung cấp nước một cách hợp lí cho cây trồng, tưới nước cho cây nên căn cứ chủ yếu vào những yếu tố nào sau đây?

I. các chỉ tiêu sinh lí của cây.

II. Tính chất của đất.

III. độ ẩm của đất.

IV. Đặc điểm bên ngoài của cây.

Chọn 1 đáp án đúng nhất

1. I, II, III.
2. I, II, IV.
3. II, III, IV.
4. I, II, III, IV.

Câu 20: Yếu tố sau đây đóng vai trò quyết định đến quá trình thoát hơi nước ở lá?

1. Số lượng khí khổng.
2. Sự phân bố khí khổng trên mặt lá.
3. Hoạt động đóng mở khí khổng.
4. Kích thước của khí khổng.

Câu 21: Khi tế bào khí khổng mất nước, hiện tượng nào sau đây là đúng?

1. Thành mỏng hết căng làm cho thành dày duỗi thẳng, khí khổng khép lại.
2. Thành dày căng làm cho thành mỏng cong theo, khí khổng khép lại.
3. Thành dày căng làm cho thành mỏng co lại, khí khổng đóng lại.
4. Thành mỏng căng làm cho thành dày duỗi thẳng, khí khổng khép lại.

Câu 22: Khi tế bào khí khổng trương nước thì

1. Thành mỏng căng ra, thành dày co lại làm cho khí khổng mở ra.
2. Thành dày căng ra, làm cho thành mỏng cong theo nên khí khổng mở ra.
3. Thành dày căng ra làm cho thành mỏng co lại nên khí khổng mở ra.
4. Thành mỏng căng ra làm cho thành dày cong theo nên khí khổng mở ra.

Câu 23: Tại sao trong cùng một cây, tỷ lệ thoát hơi nước qua khí khổng và nước qua lớp cutin bao giờ cũng khác nhau giữa lá non và lá già?

1. Lá non ít khí khổng hơn lá già.    
2. Lá già ít khí khổng hơn lá non.
3. Lá non có lớp cutin mỏng hơn lá già.    
4. Lá già có lớp cutin mỏng hơn lá non.

Câu 24: Vì sao dưới bóng cây mát hơn dưới mái che vật liệu xây dựng?

1. Vật liệu xây dựng hấp thụ nhiệt còn lá cây thoát hơi nước.
2. Vật liệu xây dựng tỏa nhiệt làm cho môi trường xung quanh nóng hơn.
3. Cả hai đều có quá trình trao đổi chất nhưng ở cây quá trình trao đổi chất diễn ra nhanh hơn.
4. Cây thoát mạnh hơn vật liệu xây dựng.

Câu 25: Cây trong vườn và cây trên đồi, cây nào có cường độ thoát hơi nước qua lớp cutin mạnh hơn? Nguyên nhân vì sao?

1. Cây trên đồi ưa sáng hơn nên thoát hơi nước qua lớp cutin nhiều hơn.
2. Cây trong vườn thường ưa bóng nên thoát hơn nước qua lớp cutin nhiều hơn.
3. Cây trên đồi cũng như cây trong vườn thoát hơi nước qua lớp cutin như nhau.
4. Cây vườn được tưới nên thoát nước qua khí khổng và cutin đều nhiều.