Tìm hiểu về các nhóm thực vật C3, C4, CAM

Thực vật C3, C4 hay thực vật CAm là những khái niệm mà chúng ta đã được làm quen trong chương trình Sinh học THPT. Bài viết dưới đây sẽ khái quát toàn bộ những thông tin liên quan đến các dạng thực vật này, cùng nghiên cứu nhé!

Thực vật C3 là gì?

Thực vật C3 bao gồm các loại thực vật chỉ tồn tại duy nhất theo kiểu cố định cacbon C3 (chu trình canvin). Đây là những thực vật mà sản phẩm ban đầu là các 3-photphoglycerat với 3 nguyên tử cacbon thông qua phản ứng:

6 CO2 + 6 RuBP → 12 3-photphoglyxerat

* Thực vật c3 sống ở đâu? Thực vật C3 hay còn được gọi là cây ôn đới, có xu hướng phát triển tốt trong những khu vực có cường độ ánh sáng mặt trời vừa phải, hàm lượng dioxide cacbon khoảng 200 ppm hoặc cao hơn, cùng mạch nước ngầm đầy đủ. Chu trình đồng hóa carbon được thực hiện theo hình thức quang hợp C3, khử thành khí cacbonic trực tiếp trong lục lạp, có đặc điểm là hiệu quả đồng hóa thấp khi nhiệt độ cao và ánh sáng mạnh.

Sở dĩ thực vật C3 phải sinh sống tại những vùng có nồng độ dioxide cacbon cao là do RuBisCO thông thường sẽ kết hợp với các phân tử oxy vào RuBP thay vì phân tử dioxide cacbon. Điều này gây phá vỡ RuBP thành phân tử đường 3-cacbon cùng 2 phân tử glycolat. 2 phân tử này bị oxy hóa thành dioxide cacbon làm lãng phí năng lượng tế bào. Nồng độ dioxide cacbon cao sẽ giúp hạn chế phản ứng RuBisCO kết hợp với phân tử oxy.

* Thực vật c3 gồm những gậy nào? Thực vật C3 có nguồn gốc từ đại Trung Sinh và đại Cổ Sinh. Chúng xuất hiện trước thực vật C4 và đến nay, thực vật C3 vẫn chiếm đa số trong hệ thống sinh khối thực vật của Trái Đất (khoảng 95%), bao gồm các loại rêu đến các cây thân gỗ lớn.

Thực vật C4 là gì?

Tương tự như thực vật C3, thực vật C4 là một nhóm thực vật cố định dioxide cacbon, tuy nhiên tạo nên đường 4 cacbon để đi vào chu trình C3 (hay còn được gọi là chu trình Canvin).

Thực vật C4 bao gồm một số cây trồng nhiệt đới và cận nhiệt đới như ngô, mía, sắn, khoai, cao lương,… Chúng có thể sống ở những nơi có điều kiện khí hậu nóng ẩm kéo dài, ánh sáng và nhiệt độ cao quanh năm mà không ảnh hưởng tới quá trình sinh trưởng. Chính vì vậy mà chúng có khả năng thích ứng tốt với nhiệt độ và cường độ quang hợp cao, nhu cầu nước thấp (khả năng chịu hạn tốt).

Xét về đặc điểm bên ngoài, thực vật C4 có lá nhỏ và mảnh, chứa rất ít nước, hạn chế tình trạng héo úa và mất nước khi có nhiệt độ cao. Thậm chí ngay cả khi bị cắt lìa khỏi thân, lá vẫn có thể xanh tươi trong thời gian dài tùy vào từng giống cây.

Thực vật CAM là gì?

Thực vật CAM (viết tắt của quá trình chuyển hóa axit Crassulacean) là nhóm thực vật cố định carbon dioxide bằng con đường chuyển hóa axit Crassulacean. Đây là cơ chế phổ biến được tìm thấy ở những loài thực vật sống trong điều kiện khí hậu nóng, khô cằn (như xương rồng hoặc dứa).

Tên Crassulaceae được lấy từ họ thực vật mà cơ chế này được phát hiện đầu tiên, bao gồm các cây mọng nước như cây thuốc, cây cảnh,…

Quang hợp ở thực vật C3 C4 CAM

Quang hợp ở nhóm thực vật C3

Quá trình quang hợp ở nhóm thực vật này sẽ bao gồm:

• Pha sáng

Pha sáng là pha chuyển hóa năng lượng ánh sáng đã được diệp lục hấp thụ thành năng lượng liên kết hóa học có trong ATP và NADPH. Pha sáng diễn ra tại tilacoit, với nguyên liệu chính là ánh sáng mặt trời và oxy được giải phóng qua quang phân ly nước. Sản phẩm thu được là ATP, NADPH và O2.

• Pha tối

Pha tối diễn ra trong chất nền (stroma) của lục lạp, sử dụng CO2 và các sản phẩm của pha sáng để hoạt động. Pha tối của thực vật C3 chỉ có chu trình Canvin, gồm 3 giai đoạn:

– Giai đoạn cố định CO2:

Chất nhận CO2 đầu tiên và duy nhất là 5C (Ribulozo- 1,5- diphotphat (RIDP)), sản phẩm đầu tiên là 3C (Axit photphoglixeric – APG).

– Giai đoạn khử:

Trong giai đoạn khử, một phần AIPG tách ra khỏi chu trình và kết hợp với 1 phân tử triozo khác hình thành nên C6H1206, từ đó tạo ra tinh bột và các axit amin,…

– Giai đoạn tái sinh chất nhận ban đầu Rib – 1,5 diP (ribulozo- 1,5 diphosphat)

Phần lớn AIPG đều cần ATP để tái tạo nên RIDP, khép kín chu trình.

Chu trình quang hợp của nhóm thực vật C4

Ở nhóm thực vật C4, chu trình quang hợp diễn ra ở  loại tế bào: tế bào mô giậu và tế bào bao bó mạch.

– Tại tế bào mô giậu sẽ diễn ra giai đoạn cố định CO2 đầu tiên:

• Chất nhận CO2 đầu tiên là 3C (phosphoenl piruvic – PEP).
• Sản phẩm ổn định đầu tiên là 1 hợp chất 4C (axit oxaloaxetic – AOA), sau đó chuyển hóa thành 1 hợp chất 4C khác là axit malic (AM) trước khi di chuyển đến tế bào bao bó mạch.

– Tại tế bào bao bó mạch diễn ra giai đoạn cố định CO2 lần thứ 2:

• AM bị phân hủy giải phóng ra khí CO2 cung cấp cho chu trình Canvin, hình thành nên hợp chất 3C axit piruvic.
• Axit piruvic quay trở lại tế bào mô giậu để tái tạo lại PEP.
• Chu trình C3 diễn ra tương tự các thực vật C3.

Quá trình quang hợp ở thực vật C4 ưu việt hơn nhờ cường độ quang hợp cao, điểm bù CO2 thấp hơn, điểm bão hòa ánh sáng cao hơn, nhu cầu sử dụng nước cũng thấp nên năng suất cao hơn đáng kể.

Quang hợp ở thực vật CAM

Đối với các loài thực vật CAM, để tránh mất nước, khí khổng của các loài này thường sẽ đóng vào ban ngày và mở vào ban đêm.

– Ban đêm, nhiệt độ môi trường thấp, các tế bào khí khổng mở. CO2 được khuếch tán qua lá cây.

• Chất nhận CO2 đầu tiên là PEP, thu được sản phẩm đầu tiên là AOA.
• AOA sẽ chuyển hóa thành AM vận chuyển vào các tế bào dự trữ.

– Ban ngày, các tế bào khí khổng đóng, AM bị phân hủy giải phóng khí CO2 cung cấp cho chu trình Canvin và quá trình tái sinh chất nhận ban đầu PEP.

Nhìn chung, chu trình CAM diễn ra gần giống với chu trình C4, chỉ khác là chu trình C4 diễn ra vào ban ngày, còn chu trình CAM có giai đoạn đầu cố định CO2 được thực hiện vào ban đêm và giai đoạn tái cố định CO2 theo chu trình Canvin diễn ra vào ban ngày.

Chúng ta có thể tổng quát lại sự khác biệt qua bảng so sánh 3 nhóm thực vật C3 C4 CAM dưới đây:

		C3	C4	CAM
Giống nhau	– Quá trình quang hợp trong pha sáng có cơ chế tương tự nhau – Trong pha tối: Đều thực hiện chu trình C3 tạo ra AlPG sau đó hình thành nên C6H12O6 và tinh bột; Axit Amin, lipit, protein,… – Nguyên liệu cho pha tối là: CO2, ATP và NADPH
Khác nhau	Môi trường sống	Khí hậu ôn hòa, cường độ ánh sáng vừa phải	Sinh sống ở vùng nhiệt đới hoặc cận nhiệt đới, cường độ ánh sáng mạnh	Thực vật có thân mọng nước, sinh sống ở những vùng khô hạn.
	Loài cây đặc trưng	Rêu, rong, cây gỗ lớn,…	Lúa, mía, rau dền, ngô đồng,…	Dứa, xương rồng, thanh long…
	Chất nhận CO2	Nhận ribulozo – 1,5 – diphotphat	Nhận PEP (photphoenolpiruvat)	Nhận PEP (photphoenolpiruvat)
	Môi trường sống	APG	AOA hoặc axit malic	AOA hoặc axit malic
	Tiến trình	Có 1 giai đoạn (chu trình Canvin), diễn ra vào ban ngày	Có 2 giai đoạn đều diễn ra vào ban ngày. Giai đoạn 1 cố định CO2 dựa theo chu trình C4 và giai đoạn 2 tái cố định lại CO2 theo chu trình Canvin.	Có giai đoạn 1 thực hiện cố định CO2 theo chu trình C4 vào ban đêm và giai đoạn 2 tái cố định lại CO2 theo chu trình Canvin vào ban ngày.
	Về không gian diễn ra	Diễn ra ở tế bào mô giậu	Giai đoạn 1 diễn ra ở tế bào mô giậu, giai đoạn 2 ở tế bào bao bó mạch.	Cả 2 giai đoạn đều diễn ra ở tế bào mô giậu.

Trên đây là những phân tích chi tiết về các nhóm thực vật C3, C4 và CAM, mong rằng mang đến cho bạn đọc những thông tin hữu ích cho quá trình học tập và nghiên cứu.