Bài học

Dòng mạch rây và vận chuyển chất hữu cơ

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em giải thích được cơ chế dòng chảy áp suất trong mạch rây, xác định được nguồn và chứa trong một tình huống cụ thể, và so sánh được mạch gỗ với mạch rây theo loại tế bào, nội dung vận chuyển, chiều di chuyển, và động lực.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước em đã học mạch gỗ vận chuyển nước và khoáng một chiều từ rễ lên lá, nhờ lực hút do thoát hơi nước phối hợp với lực liên kết-bám dính (same-grade bridge). Cây còn một dòng vận chuyển thứ hai, mang một loại vật chất hoàn toàn khác — bài này theo dòng đó.

Khởi động

Một cây xoài đang ra quả, những trái xoài trên cành ngày càng ngọt và to dần lên. Đường tạo nên vị ngọt đó không tự sinh ra trong quả — nó phải đến từ một nơi khác trên cây. Đường đó đến từ đâu, và đi theo con đường nào để tới được quả?

Kiến thức trọng tâm

Mạch rây (phloem) khác hẳn mạch gỗ ngay từ cấu tạo: gồm các tế bào sống, chủ yếu là tế bào ống rây (mất phần lớn bào quan nhưng vẫn sống) đi kèm tế bào kèm (còn đầy đủ bào quan, đảm nhiệm các hoạt động trao đổi chất cho cả hai). Vật chất chủ yếu di chuyển trong mạch rây là sucrose (đường mía) hoà tan cùng một số amino acid và chất hữu cơ khác — gọi chung là dòng chất đồng hoá, hay nhựa luyện.

Cơ chế vận chuyển gọi là dòng chảy áp suất (pressure flow). Tại lá nguồn — nơi quang hợp đang tạo ra lượng đường dư — tế bào kèm chủ động bơm đường vào ống rây, một quá trình cần ATP. Đường tích tụ làm nồng độ chất tan trong ống rây tại đó tăng cao, kéo theo nước từ mạch gỗ lân cận đi vào ống rây theo thẩm thấu, tạo ra áp suất thẩm thấu lớn ở đầu nguồn. Áp suất cao đó đẩy toàn bộ dòng dịch trong ống rây di chuyển về phía có áp suất thấp hơn — tức là về phía cơ quan chứa, nơi đường được dỡ ra khỏi ống rây để sử dụng hoặc dự trữ, khiến nồng độ chất tan ở đó giảm, nước lại thẩm thấu trở ra mạch gỗ.

Điểm khác biệt lớn nhất so với mạch gỗ là nguồn và chứa không cố định ở một vị trí. Lá trưởng thành gần như luôn là nguồn, vì quang hợp liên tục tạo dư đường. Nhưng quả đang lớn, hạt đang phát triển, hay một củ dự trữ dưới đất luôn là chứa trong giai đoạn sinh trưởng — còn chính củ dự trữ đó, khi cây bắt đầu nảy mầm, lại trở thành nguồn, huy động đường dự trữ để nuôi chồi non chưa có lá quang hợp. Vì nguồn và chứa có thể đổi vai trò theo giai đoạn sống của cây, dòng mạch rây có thể chảy theo cả hai chiều — lên trên hoặc xuống dưới — khác hẳn dòng mạch gỗ vốn chỉ đi một chiều duy nhất từ rễ lên lá.

Chênh lệch áp suất thẩm thấu giữa nguồn và chứa là động lực duy nhất của dòng chảy này — khác hẳn ba động lực của mạch gỗ.

So sánh hai hệ mạch giúp thấy rõ vì sao cây cần cả hai:

Tiêu chí	Mạch gỗ	Mạch rây
Loại tế bào	Tế bào chết, thành hoá gỗ	Tế bào sống (ống rây, tế bào kèm)
Vận chuyển chủ yếu	Nước và ion khoáng	Đường (sucrose), amino acid
Chiều di chuyển	Một chiều, từ rễ lên lá	Từ nguồn đến chứa, có thể đổi chiều
Động lực chính	Lực hút do thoát hơi nước, cùng lực liên kết-bám dính và lực đẩy của rễ	Chênh lệch áp suất thẩm thấu giữa nguồn và chứa

Mạch gỗ đưa nguyên liệu thô lên; mạch rây phân phối sản phẩm quang hợp đi khắp cây — hai dòng chảy song song, phục vụ hai mục đích khác nhau.

So sánh hai hệ mạch giúp thấy rõ vì sao cây cần cả hai: | Tiêu chí | Mạch gỗ | Mạch rây | |---|---|---| | Loại tế bào | Tế bào chết, thành hoá gỗ | Tế bào sống (ống rây, tế bào kèm) | | Vận chuyển chủ yếu | Nước và ion khoáng | Đường (sucrose), amino acid | | Chiều di chuyển | Một chiều, từ rễ lên lá | Từ nguồn đến chứa, có thể đổi chiều | | Động lực chính | Lực hút do thoát hơi nước, cùng lực liên kết-bám dính và lực đẩy của rễ | Chênh lệch áp suất thẩm thấu giữa nguồn và chứa | Mạch gỗ đưa nguyên liệu thô lên; mạch rây phân phối sản phẩm quang hợp đi khắp cây — hai dòng chảy song song, phục vụ hai mục đích khác nhau.

Ví dụ

Xác định nguồn và chứa khi lá nuôi quả

1
Trên một cây xoài đang ra quả, hãy xác định nguồn và chứa của dòng đường, và chiều di chuyển của dòng mạch rây trong tình huống này.
2
Ta có lá trưởng thành trên cây đang quang hợp mạnh, tạo ra lượng đường nhiều hơn nhu cầu của chính bản thân lá — đúng định nghĩa của nguồn.
3
Quả xoài đang lớn không tự quang hợp đủ để nuôi mình (lớp vỏ ngoài quang hợp rất ít so với nhu cầu tích luỹ đường), nên phải nhận đường từ nơi khác — đúng định nghĩa của chứa.
4
Áp suất thẩm thấu trong ống rây tại lá cao hơn tại quả (do lá liên tục nạp thêm đường), nên dòng dịch chảy từ lá về phía quả.
5
Vậy trong tình huống này, lá là nguồn, quả xoài là chứa, và dòng mạch rây chảy từ lá xuống (hoặc ngang, tuỳ vị trí quả trên cây) tới quả.

Ví dụ

Nguồn và chứa đổi vai trò khi củ nảy mầm (dạng đề kiểm tra)

1
Một củ khoai lang giống được trồng xuống đất và bắt đầu nảy mầm, trong khi chồi non chưa có lá nào để quang hợp. Vài tuần sau, cây đã có lá trưởng thành đầu tiên. Hãy xác định nguồn và chứa ở hai thời điểm này.
2
Lúc chồi non chưa có lá, nó không tự tạo được đường mà phải tiêu thụ đường; củ khoai lang là nơi đường được dự trữ từ vụ trước. Ta có: củ là nguồn, chồi non đang lớn là chứa. (1)
3
Khi cây đã có lá trưởng thành quang hợp đủ mạnh, lá trở thành nguồn mới. Củ khoai lang lúc này không còn cung cấp đường nữa mà có thể bắt đầu tích luỹ đường trở lại để làm củ dự trữ mới, tức là trở thành chứa. (2)
4
Kết hợp (1) và (2): cùng một cơ quan — củ khoai lang — đổi vai trò từ nguồn sang chứa khi điều kiện quang hợp của cây thay đổi.
5
Vậy nguồn và chứa không cố định ở một vị trí giải phẫu mà phụ thuộc vào giai đoạn sống của cây; đây chính là lý do dòng mạch rây có thể đổi chiều, khác hẳn dòng mạch gỗ chỉ đi một chiều cố định.

Sai lầm thường gặp

Một nhầm lẫn thường gặp là nghĩ mạch rây luôn chảy xuống dưới, vì 'đường nặng nên chìm'. Thực ra chiều dòng chảy không phụ thuộc trọng lực mà phụ thuộc hoàn toàn vào vị trí tương đối của nguồn và chứa — dòng có thể chảy lên (từ củ dự trữ dưới đất lên nuôi chồi non phía trên) hoặc xuống (từ lá xuống rễ dự trữ), miễn là đúng chiều chênh lệch áp suất thẩm thấu.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Mạch rây là tế bào sống, vận chuyển đường theo cơ chế dòng chảy áp suất: nạp đường ở nguồn (cần ATP) tạo áp suất cao, dỡ đường ở chứa tạo áp suất thấp, dịch chảy từ nguồn đến chứa. Vì vị trí nguồn và chứa có thể đổi vai trò, mạch rây có thể chảy theo cả hai chiều — khác hẳn mạch gỗ chỉ đi một chiều từ rễ lên lá.

Cả hai dòng mạch gỗ và mạch rây đều phụ thuộc vào một quá trình diễn ra ở lá: thoát hơi nước qua khí khổng. Bài sau sẽ đi sâu vào chính quá trình đó — lợi ích, cái giá phải trả, và cách cây điều tiết nó.