Sự khác biệt chính - thực vật C3 và C4

Thực vật C3 và C4 là hai loại thực vật sử dụng chu trình C3 và C4 trong quá trình phản ứng tối của quang hợp. Khoảng 95% thực vật trên trái đất là thực vật C3. Mía, cao lương, ngô và cỏ là thực vật C4. Lá của thực vật C4 thể hiện giải phẫu Kranz. Thực vật C4 có khả năng quang hợp ngay cả trong môi trường có nồng độ khí cacbonic thấp cũng như trong điều kiện khô nóng. Do đó, hiệu suất của quang hợp ở thực vật C4 cao hơn hiệu suất của nó ở thực vật C3. Các Sự khác biệt chính giữa thực vật C3 và C4 là sự cố định một lần của carbon dioxide được quan sát thấy ở thực vật C3 và sự cố định kép của carbon dioxide được quan sát thấy ở thực vật C4.

Bài viết này khám phá,

1. Thực vật C3 là gì - Định nghĩa, Đặc điểm, Tính năng, Ví dụ 2. Thực vật C4 là gì - Định nghĩa, Đặc điểm, Tính năng, Ví dụ 3. Sự khác nhau giữa Thực vật C3 và C4

Thực vật C3 là gì

Thực vật C3 sử dụng chu trình Calvin làm cơ chế phản ứng tối trong quang hợp. Hợp chất ổn định đầu tiên được tạo ra trong chu trình Calvin là 3-phosphoglycerate. Vì 3-phosphoglycerate là một hợp chất ba carbon, chu trình Calvin được gọi là chu trình C3. Thực vật C3 cố định trực tiếp cacbon điôxít nhờ enzim, ribulôzơ bisphotphat cacboxylase (rubisco). Sự cố định này xảy ra trong lục lạp của tế bào trung mô. Chu trình C3 xảy ra theo ba bước. Trong bước đầu tiên, carbon dioxide được cố định thành năm đường carbon, ribulose 1, 5-bisphosphate, được thủy phân theo cách khác thành 3-phosphoglycerate. Một số 3-phosphoglycerate được khử thành các phốt phát hexose như glucose 6-phosphate, glucose 1-phosphate và fructose 6-phosphate trong bước thứ hai. 3-phosphoglycerate còn lại được tái chế, tạo thành ribulose 1, 5-phosphate.

Phạm vi nhiệt độ tối ưu của thực vật C3 là 65-75 độ F. Khi nhiệt độ đất đạt 40-45 độ F, cây C3 bắt đầu phát triển. Do đó, thực vật C3 được gọi là cây mùa mát. Hiệu quả của quá trình quang hợp trở nên thấp khi nhiệt độ ngày càng tăng. Trong suốt mùa xuân và mùa thu, thực vật C3 trở nên năng suất do độ ẩm của đất cao, chu kỳ quang ngắn hơn và nhiệt độ mát mẻ. Trong mùa hè, thực vật C3 kém năng suất hơn do nhiệt độ cao và độ ẩm của đất ít hơn. Thực vật C3 có thể là cây hàng năm như lúa mì, yến mạch và lúa mạch đen hoặc cây lâu năm như fescues và vườn cây ăn quả. Mặt cắt ngang của lá cây Arabidopsis thaliana, là cây C3 được thể hiện trong hình 1. Tế bào bẹ bó có màu hồng.

Hình 1: Lá Arabidopsis thaliana

Thực vật C4 là gì

Thực vật C4 sử dụng chu trình Hatch-Stack làm cơ chế phản ứng của chúng trong phản ứng tối của quang hợp. Hợp chất ổn định đầu tiên được tạo ra trong chu trình Hatch-Stack là oxaloacetate. Vì oxaloacetate là một hợp chất bốn carbon, chu trình Hatch-Stack được gọi là chu trình C4. Thực vật C4 cố định carbon dioxide hai lần, trong tế bào trung bì và sau đó trong tế bào vỏ bó, bằng các enzym lần lượt là phosphoenol pyruvate carboxylase và ribulose bisphosphate carboxylase (rubisco). Phosphoenol pyruvate trong tế bào trung bì được ngưng tụ với carbon dioxide, tạo thành oxaloacetate. Oxaloacetate này trở thành malate để chuyển vào các tế bào vỏ bọc. Bên trong các tế bào có vỏ bọc, malate được khử cacboxyl, tạo ra carbon dioxide sẵn có cho chu trình Calvin trong các tế bào này. Sau đó, carbon dioxide được cố định lần thứ hai bên trong các tế bào vỏ bó.

Nhiệt độ tối ưu của thực vật C4 là 90-95 độ F. Thực vật C4 bắt đầu phát triển ở 60-65 độ F. Vì vậy, thực vật C4 được gọi là thực vật nhiệt đới hay thực vật mùa ấm. Thực vật C4 có hiệu quả hơn trong việc thu thập carbon dioxide và nước từ đất. Các lỗ khí khổng trao đổi khí được giữ kín hầu hết các giờ trong ngày để giảm sự mất ẩm quá mức trong điều kiện khô và nóng. Thực vật C4 hàng năm là ngô, ngọc trai và sudangrass. Thực vật C4 lâu năm là bermudagrass, cỏ Ấn Độ và cỏ switchgrass. Lá của thực vật C4 thể hiện giải phẫu Kranz. Tế bào bẹ bó quang hợp bao bọc các mô mạch của lá. Các tế bào vỏ bó này được bao bọc bởi các tế bào trung bì. Mặt cắt ngang của một chiếc lá ngô, thể hiện giải phẫu Kranz được thể hiện trong hình 2.

Hình 2: Lá ngô

Sự khác biệt giữa thực vật C3 và C4

Tên khác

Thực vật C3: Thực vật C3 được gọi là thực vật mùa mát.

Thực vật C4: Thực vật C4 được gọi là thực vật mùa ấm.

Giải phẫu Kranz

Thực vật C3: Lá của thực vật C3 không có cấu trúc giải phẫu Kranz.

Thực vật C4: Lá của thực vật C4 có cấu tạo giải phẫu Kranz.

Tế bào

Thực vật C3: Ở thực vật C3, phản ứng tối do tế bào trung mô thực hiện. Tế bào bẹ bó thiếu lục lạp.

Thực vật C4: Ở thực vật C4, phản ứng tối do cả tế bào trung bì và tế bào bẹ bó thực hiện.

Lục lạp

Thực vật C3: Lục lạp của thực vật C3 là đơn bội. Thực vật C3 chỉ chứa lục lạp dạng hạt.

Thực vật C4: Lục lạp của thực vật C4 là lưỡng hình. Thực vật C4 chứa cả lục lạp dạng hạt và dạng không hạt.

Lưới ngoại vi

Thực vật C3: Lục lạp của thực vật C3 thiếu lưới ngoại vi.

Thực vật C4: Lục lạp của thực vật C4 chứa một lưới ngoại vi.

Hệ thống ảnh II

Thực vật C3: Lục lạp của thực vật C3 bao gồm PS II.

Thực vật C4: Lục lạp của thực vật C4 không bao gồm PS II.

Khí khổng

Thực vật C3: Quá trình quang hợp bị ức chế khi khí khổng đóng lại.

Thực vật C4: Quá trình quang hợp xảy ra ngay cả khi khí khổng đóng.

Cố định Carbon Dioxide

Thực vật C3: Một sự cố định cacbon đioxit duy nhất xảy ra ở thực vật C3.

Thực vật C4: Sự cố định cacbon đioxit kép xảy ra ở thực vật C4.

Hiệu quả trong quá trình cố định carbon Dioxide

Thực vật C3: Quá trình cố định carbon dioxide kém hiệu quả và chậm ở thực vật C3.

Thực vật C4: Quá trình cố định cacbon đioxit diễn ra nhanh và hiệu quả hơn ở thực vật C4.

Hiệu quả của quá trình quang hợp

Thực vật C3: Quang hợp kém hiệu quả hơn ở thực vật C3.

Thực vật C4: Quang hợp có hiệu quả ở thực vật C4.

Photorespiration

Thực vật C3: Quá trình quang phân tử xảy ra ở thực vật C3 khi nồng độ carbon dioxide thấp.

Thực vật C4: Không quan sát thấy hiện tượng phân ly quang ở nồng độ carbon dioxide thấp.

Nhiệt độ tối ưu

Thực vật C3: Phạm vi nhiệt độ tối ưu của thực vật C3 là 65-75 độ F.

Thực vật C4: Phạm vi nhiệt độ tối ưu của thực vật C4 là 90-95 độ F.

Enzyme carboxylase

Thực vật C3: Enzyme carboxylase là rubisco ở thực vật C3.

Thực vật C4: Enzyme carboxylase là PEP carboxylase và rubisco ở thực vật C4.

Hợp chất ổn định đầu tiên trong phản ứng tối

Thực vật C3: Hợp chất ổn định đầu tiên được tạo ra trong chu trình C3 là một hợp chất ba cacbon được gọi là axit 3-photphoglyceric.

Thực vật C4: Hợp chất ổn định đầu tiên được tạo ra trong chu trình C4 là một hợp chất bốn cacbon được gọi là axit oxaloacetic.

Hàm lượng protein của cây

Thực vật C3: Thực vật C3 chứa một hàm lượng protein cao.

Thực vật C4: Thực vật C4 chứa hàm lượng protein thấp so với thực vật C3.

Phần kết luận

Thực vật C3 và C4 sử dụng các phản ứng trao đổi chất riêng biệt trong quá trình phản ứng tối của quá trình quang hợp. Thực vật C3 sử dụng chu trình Calvin trong khi thực vật C4 sử dụng chu trình Hatch-Slack. Ở thực vật C3, phản ứng tối xảy ra trong tế bào trung bì bằng cách cố định cacbon đioxit trực tiếp thành ribulôzơ 1, 5-bisphotphat. Ở thực vật C4, carbon dioxide được cố định thành phosphoenol pyruvate, tạo thành malate để chuyển vào tế bào bẹ bó nơi diễn ra chu trình Calvin. Do đó, khí cacbonic được cố định hai lần trong thực vật C4. Để điều chỉnh thành cơ chế C4, lá của thực vật C4 có biểu hiện giải phẫu Kranz. Hiệu suất quang hợp ở thực vật C4 cao hơn so với thực vật C3. Thực vật C4 có khả năng thực hiện quang hợp ngay cả sau khi khí khổng đóng. Do đó, sự khác biệt chính giữa thực vật C3 và C4 là phản ứng trao đổi chất của chúng, hoạt động trong quá trình phản ứng tối của quá trình quang hợp.

Tham khảo: 1. Berg, Jeremy M. “Chu trình Calvin tổng hợp các hình lục giác từ Carbon Dioxide và Nước.” Hóa sinh. Phiên bản thứ 5. Thư viện Y khoa Quốc gia Hoa Kỳ, ngày 1 tháng 1 năm 1970. Web. 16 tháng 4 năm 2017. 2. Lodish, Harvey. "Sự trao đổi chất CO2 trong quá trình quang hợp." Sinh học tế bào phân tử. Phiên bản thứ 4. Thư viện Y khoa Quốc gia Hoa Kỳ, ngày 1 tháng 1 năm 1970. Web. Ngày 16 tháng 4 năm 2017.

Hình ảnh được phép: 1. “Mặt cắt của cây Arabidopsis thaliana, cây C3” của Ninghui Shi - Tác phẩm riêng (CC BY-SA 3.0) qua Commons Wikimedia 2. “Mặt cắt của cây ngô, cây C4” của Ninghui Shi - Tác phẩm riêng, (CC BY-SA 3.0) qua Commons Wikimedia