TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG

KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC

BÀI TIỂU LUẬN: SINH HỌC CHỨC NĂNG THỰC VẬT

SỰ CỐ ĐỊNH ĐẠM

SINH HỌC

GVHD: T.s Trần Thị Dung

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Minh Cẩm Tiên (61103194)

Trần Mỹ Thanh (61103171)

Nguyễn Hà Lê Uyên (61103)

MỤC LỤC

I. Khái quát về cố định đạm sinh học

Cố định đạm sinh học là quá trình khử N2 thành NH3 dưới sự xúc tác của enzyme

nitrogenase. Sau đó, NH3 có thể kết hợp với các acid hữu cơ để tạo thành các acid

amin và protein. Vi khuẩn cố định đạm có thể cộng sinh hoặc sống tự do nhưng cũng

có thể nội sinh.

Đạm là gì?

Chất đạm (còn gọi là protein) là một chất hữu cơ giàu dinh dưỡng, có trong động vật,

thực vật. Đạm là chất căn bản của sự sống mọi tế bào. Đạm là chất dinh dưỡng có vai

trò quan trọng hàng đầu đối với cây trồng. Hàm lượng của chúng trong đất rất ít. Vì

vậy cây trồng thường thiếu đạm. Một trong những phương pháp tăng cường lượng

đạm cho đất được nhiều người quan tâm là sử dụng các loại vi sinh vật cố định nitơ từ

không khí.

Nitơ là nguyên tố dinh dưỡng quan trọng không chỉ với cây trồng mà ngay cả đối với

vi sinh vật. Nguồn dự trữ nito trong tự nhiên rất lớn, chỉ tính riêng trong không khí

nitơ chiếm khoảng 78,16% thể tích. Người ta ước tính trong bầu không khí bao trùm

lên một ha đất đai chứa khoảng 8 triệu tấn nitơ, lượng nitơ này có thể cung cấp chất

dinh dưỡng cho cây trồng hàng chục triệu năm nếu như cây trồng đồng hóa được

Hình: Chu trình cố định N trong tự nhiên

chúng. Trong cơ thể các loại sinh vật chứa khảong 4,1015 tỷ tấn nitơ. Nhưng tất cả

nguồn nitơ trên cây trồng đều không tự đồng hóa được mà phải nhờ VSV. Thông qua

hoạt động của các loài vi sinh vật, nitơ nằm trong các dạng khác nhau được chuyển

hóa thành dễ tiêu cho cây trồng sử dụng. Các vi sinh vật có khả năng biến N2 trong

khí quyển thành NH3 cung cấp đạm cho cây, chúng được gọi là các vi sinhvật cố định

đạm

II. Vi sinh vật cố định đạm

1. Vi sinh vật cố định đạm là gì?

Vi sinh vật cố định đạm là nhóm vi sinh vật có vai trò quan trọng nhất trong việc cố

định N2 trong đất và trong cây trồng. Đặc biệt là nhóm vi sinh vật sống cộng sinh.

Hiện nay, người ta đã phát hiện được hơn 600 loài cây có vi sinh vật sống cộng sinh

có khả năng đồng hóa N2 thuộc nhiều họ khác nhau.

2. Vai trò của vi sinh vật cố định đạm:

Cố định đạm là khả năng đồng hóa nitơ phân tử của một số sinh vật và dùng nitơ này

để cấu tạo nên tất cả các hợp chất chứa nitrogen của tế bào. Khả năng này có ở nhiều

vi sinh vật sống tự do trong đất và trong nước.

Trong môi trường đất, vi sinh vật tham gia chuyển hóa các chất hữu cơ, cố định nitơ

làm giàu đạm cho đất, tích lũy vào đất các auxin kích thích sự phát triển của cây trồng,

tổng hợp các vitamin thyamin, nicotinic và biotin… Vi sinh vật cố định đạm góp phần

vào cân bằng sinh thái trong đất.

Phần lớn VSV (vi sinh vật) sống trong đất là những sinh vật có ích sống theo kiểu

cộng sinh, chỉ một số rất ít là có hại, gây bệnh cho cây trồng sống theo kiểu vừa ký

sinh (gây bệnh cho thực vật) vừa hoại sinh (sống trong đất). Số lượng quần thể VSV

có ích trong đất chiếm ưu thế hơn rất nhiều lần so với VSV gây bệnh hại. Phần lớn các

VSV có ích tham gia vào quá trình phân giải xác thực vật thành thức ăn có nguồn gốc

hữu cơ cho cây trồng và VSV khác, chúng có vai trò rất quan trọng trong quá trình

khoáng hóa và cố định đạm. VSV còn tạo ra rất nhiều loại enzym, acid amin, vitamin,

kháng sinh…là thức ăn và vũ khí tự vệ quan trọng cho cây trồng. Ngoài ra khi các

VSV đất chết đi sẽ để lại một lượng thức ăn khổng lồ và có chất lượng rất tốt cho cây

trồng…

VSV có ích giữ vai trò quan trọng cải tạo đất, làm cho đất tăng độ mùn, tơi xốp,

thoáng khí, có độ pH trung tính; làm cho khả năng giữ nước, giữ phân của đất được

tăng cường… Nhờ có hoạt động của VSV làm cho đời sống của đất được tăng lên.

VSV có ích đã giúp cho cây trồng hấp thụ dinh dưỡng được tốt hơn. VSV đã góp phần

bảo vệ cây trồng làm giảm tác hại của ký sinh gây bệnh cây. Trong tập đoàn VSV có

ích có một số lượng rất lớn VSV đối kháng ngăn chặn sự phát triển các VSV gây bệnh

hại cho cây trồng rất hữu hiệu…

3. Phân loại

3.1. Vi khuẩn nốt sần:

Vai trò cố định N2 quan trọng nhất thuộc về nhóm vi sinh vật cộng sinh. Ở một số cây

gỗ hoặc cây bụi nhiệt đới thuộc họ Rabiaceae, các nốt sần chứa vi khuẩn cố định N2

không phải ở rễ mà ở trên lá.

Vi khuẩn nốt sần thuộc loại hiếu khí không tạo bào tử có thể đồng hóa nhiều nguồn

cacbon khác nhau. pH thích hợp: 6,5 – 9,2; nhiệt độ phát triển thích hợp: 24 – 260C.

Phân loại vi khuẩn nốt sần có nhiều ý kiến chưa thống nhất:

- Theo Todorovic chia vi khuẩn nốt sần ra 2 loài: Rhizibiomonas

leguminosarum và Rhizobacterum leguminosrum.

- Theo Bergli thì giống Rhizobiumbao gồm 6 loài vi khuẩn nốt sần:

Rh.leguminosarum, Rh.phaseoli, Rh.Trifolii, Rh.lupini, Rh.sapnicum,

Rh.meliloti.

Hình: Sinorhizobium và nốt sần trên rễ

3.2.Vi khuẩn cộng sinh với cây không thuộc họ Đậu

Có khoảng vài trăm loài thực vật, không thuộc họ Đậu có nốt cố định đạm, nhưng sự

cộng sinh ít khi được thực hiện với các Rhizobium, mà hường nhất là với các

Actinomycetes (xạ khuẩn) thuộc giống Frankia. Cây chủ là Alnus, Casuarine,

Hippophae, Elaeagnus, Myrica…

Những nghiên cứu gần đây cố gắng tạo sự hợp tác giữa lúa với Spirillum. Trong

trường hợp này, vi khuẩn cố định không vào rễ, chỉ ở gần rễ, và phóng thích một

lượng đạm quan trọng cho thực vật (NH4+, aminoacid).

Hình: Rhizobium và nốt sần trên rễ

Hình: Bradyrhizobium và nốt sần trên rễ

Hình: Xạ khuẩn (Actinomycetes)

Hình: Loài alnus glutinosa Hình:Casuarine

3.3.Vi khuẩn cố định đạm sống tự do

Vi khuẩn cố định đạm sống tự do ở vùng rễ lúa và những cây thuộc họ hòa bản đã

giúp cây trồng phát triển tốt cũng như hạn chế đến mức thấp nhất lượng đạm hóa

học trong nền sản xuất nông nghiệp.

Hình. Một số nguồn nitơ cung cấp cho cây

Vi khuẩn hiếu khí sống tự do thuộc giống Azotobacter và Beiferinckia:

Azotobacter: Chi vi khuẩn cố định nitơ hiếu khí, sống tự do trong đất và nước. Tế bào

hình bầu dục, hình cầu, được bọc trong lớp vỏ nhày, kích thước khoảng 2 × 5 µm, di

động hoặc không, gram âm, không sinh bào tử. Khi dùng 1 g đường, thường cố định

được 2 mg N. Ngoài ra, còn có khả năng tổng hợp vitamin, chất sinh trưởng (loại

auxin) và một số chất chống nấm. Loại chế phẩm được dùng trong nông nghiệp có

nhiều tên thương phẩm khác nhau (azotobacterin, vv.). Các loài Azotobacter thuộc loại

các VSV cố định nitơ họat động nhất, chúng có khả năng đồng hóa manit, tinh bột, sử

dụng nhiều loại hợp chất hữu cơ khác nhau để phát triển và cố định nitơ, làm giàu nitơ

cho đất. Azotobacter chủ yếu có 4 loài:

- Azotobacter chroocuccum: Kích thước 3,1x2,0µ; khi còn non có khả năng di động,

khi già có sắc tố màu nâu đến màu đỏ, không khuyếch tán vào môi trường.

- Azotobacter beijerincki: kích thước 3,1x2,0µ; không di động, khi già có sắc tố màu

vàng đến màu nâu sáng, không khuyếch tán vào môi trường.

- Azotobacter Vinelandi: Kích thước 3,4x1,5µ; có khả năng di động, sắc tố màu vàng

lục đến huỳnh quang, khuyếch tán vào môi trường.

- Azotobacter agilis: Kích thước 3,3x2,8µ; có khả năng di động, sắc tố màu lục, huỳnh

quang, khuyếch tán vào môi trường.

Azotobacter làm tăng cường nguồn thức ăn cung cấp cho cây trồng, kích thích khả

năng tăng trưởng, nâng cao tỷ lệ nảy mầm và độ phát triển của mầm (vì nó tiết ra môi

trường thiamin, a.nicotinic, a.pantotenic, piridoxin, biotin,..) và có khả năng tiết ra một

số chất chống nấm.

Chế phẩm Azotobacterin là dịch Azotobacter cho hấp thụ trong than bùn (hoặc các loại

đất giàu hữu cơ đã trung hòa và bổ sung photpho, kali).

Beiferinckia: Là loài hiếu khí, cố định nitơ giống Azotobacter nhưng có khả năng

chịu chua cao hơn. Gồm có 3 nhóm:

- B.Indica: Kích thước tế bào 0,5-1,5 x 1,7-3,0µ; có khả năng di động hoặc không di

động, khi già có sắc tố màu đỏ đến màu nâu, có tốc độ cố định nitơ nhanh.

- B.fluminensis: Kích thước tế bào 1,1-1,5 x 3,0-3,5µ; có khả năng di động, sắc tố

màu nâu tối, tốc độ cố định nitơ chậm.

- B.derxii: Kích thước tế bào 1,5-2,0 x 3,5-4,5µ; không di động, sắc tố màu lục huỳnh

quang.

Vi khuẩn kỵ khí sống tự do thuộc Clostridium:

Loài được nghiên cứu nhiều nhất là Clostridium pasteriaum, ngoài ra còn có các loài

Clostridium khác như Cl.butylicum, Cl. Bacterinkin, Cl. Aceticum,..

Kích thước tế bào 2,5-7,5 x 0,7-1,3µ có thể riêng rẽ hoặc xếp đôi hoặc thành chuỗi

ngắn. Có khả năng di động khi còn non, có khả năng tạo bào tử, bào tử có kích thước

lớn hơn tế bào và có thể nằm ở đầu hoặc ở giữa tế bào. Ít mẫn cảm với môi trường,

nhất là môi trường thừa P, K, Ca và có tính ổn định với pH, nó có thể phát triển ở pH

4,5 – 9; độ ẩm 60-80%, nhiệt độ 25-300C.

Hình : Azotobacter Vinelandi

Hình: Vi khuẩn Clostridium pasteriaum

Tảo lam sống tự do và tảo lam cộng sinh trong bèo hoa dâu:

Là thành phần cố định N quan trọng trong thiên nhiên. Có trong các ao, mặt nước

ruộng lúa…Cần độ ẩm cao, ánh sáng, điều kiện nhiệt độ khoảng 30oC, pH tối hảo là từ

7-8.5.Ở ruộng chua, sự tăng trưởng của tảo lam bị hạn chế, trường hợp này bón vôi

giúp tăng thêm lượng tảo và lượng N cố định được.

Hiện nay đã phát hiện nhiều loài tảo lam sống tự do trong đất và trong nước có khả

năng cố định nitơ. Có một số sống cộng sinh với thực vật, trong đó đáng chú ý nhất là

tảo cộng sinh trong bèo hoa dâu (tảo này có tên là Asiabaena azollae). Đa số các loài

tảo phát triển tốt trong môi trường trung tính hoặc kiềm, hiếu khí, thích hợp ở nhiệt độ

28-30oC, cần khí CO2.

3.4. Vi khuẩn cố định nitơ sống hội sinh

Hình: Asiabaena azollae

Vi sinh vật được sử dụng trong sản xuất phân bón nhiều nhất hiện nay

là Azospirillum – sống hội sinh trong rễ cây hoà thảo, cây họ đậu, bông và rau. Hai

giống được biết đến nay là Azospirillum lipoferum và Azospirillum brasilense.

Hình: Azospirillum lipoferu Hình:Azospirillum brasilense

III. Sự cố định đạm sinh học

1. Cơ chế cố định đạm

1.1. Enzyme nitrogenase

Quá trình cố định đạm xảy ra trong tế bào vi khuẩn và vi khuẩn lam đều giống nhau là

nhở chúng có hệ thống gen nif (ni là chữ viết tắt của nitrogen- nitơ và f là fixing –cố

định.) điều khiển quá trình tổng hợp Enzyme nitrogenase.

Nitrogenase là một đa enzyme (phức hệ enzyme) xúc tác cho phản ứng cố định N2,

khử N2 thành NH3.

Như vậy, hệ thống gen nif được xem là hệ thống gen điều khiển cho quá trình cố định

đạm sinh học.

1.2. Bộ gen (genome) của Pseudomonas và sự điều khiển tổng hợp nitrogenase

Genome và hệ thống gen nif của Pseudomonas

Thông tin di truyền chuyên biệt về sự cố định đạm đã được xác định trong bộ genome

của Pseudomonas stutzeri A1501. Đó là “vùng cố định đạm” (nitrogen fixation

region) có kích thước 49kb, gồm 59 gen có liên quan.

Thứ tự của các gen nif trong cấu trúc của “vùng cố định đạm” ở Pseudomonas

stutzeri A1501 được khởi đầu là vùng PST1301, vùng giữa lần lượt bao gồm các gen

nifQ – nifB – nifA – nifL - nifY2 – nifHDKTY – nifENX – nifUSV – nifWZM – nifF

và vùng PST1360 ở đầu còn lại.

Sự điều khiển tổng hợp enzyme nitrogenase

Theo nghiên cứu của Yan et al. (2008), hệ thống của gen nif ở Pseudomonas stutzeri

A1501 là một hệ thống hoàn chỉnh gồm các loại gen nif quy định tổng hợp các thành

phần cấu tạo nên phức nitrogenase.

Hình 3.1. “Vùng cố định đạm” (nitrogen fixation region) của Pseudomonas stutzeri

A1501 (Yan et al., 2008)

1.3. Cơ chế cố định đạm

Trong thành phần cấu tạo nitrogenase, số nguyên tử Fe và nguyên tử S có thể không

ổn định với acid. Phân tử protein nhỏ hơn có chức năng vận chuyển e–, trong đó e– của

ferredoxin hoặc flavodoxin vận chuyển lên phức hệ Mo-Fe.

Hầu hết các vi sinh vật không thể sử dụng N2 nên chúng phải cố định nguồn N2 tự

nhiên để dễ dàng sử dụng.

Cơ chế cố định đạm xảy ra theo phương trình:

N2 + 8H+ + 8e + 16ATP → 2NH3 + H2 + 16ADP + 16Pi

Cơ chế hóa sinh của quá trình cố định N cho đến nay vẫn chưa được sáng tỏ hoàn

toàn, nhưng đa số các nhà nghiên cứu đồng ý với giả thuyết cho rằng N là sản phẩm

đồng hóa sơ cấp của N2 và có thể nêu ra 2 giả thuyết về 2 con đường cố định N của vi

sinh vật sống tự do trong đất như sau:

Trong công nghiệp, nhờ các chất xúc tác nên năng lượng dùng cho phản ứng cố định N2 được giảm nhiều, chỉ vào khoảng 16-20 Kcalo/M, song lượng năng lượng vẫn còn lớn so với trong cơ thể sinh vật. Tốc độ phản ứng nhanh chóng trong tế bào vi sinh vật ở nhiệt độ thấp nhờ có hệ thống enzyme hydrogenase họat hóa H2 và enzyme nitrogenase hoạt hóa N2. Năm 1961-1962, người ta đã tách từ Clostridium pasteurrianum hai tiểu phần hoạt hóa H2 và N2. Sau này người ta tìm thấy ởAzotobacter cũng có các tiểu phần đó. Trong quá trình hoạt hóa này có sự tham gia của 2 nguyên tố khoáng Mo và Fe. Nguồn hydro để khử N2 có thể là hydro phân tử (H2). Trong trường hợp này thì dưới tác dụng của enzyme hydrogenase, điện tử được chuyền theo hệ thống:

Hình: Sơ đồ giả thuyết về các con đường của quá trình cố định N2

Nguồn cho điện tử và hydro là acid pyruvic. Đáng chú ý là trong quá trình chuyền điện tử có sự tham gia tích cực của feredocine (Fd). Fd là cầu nối giữa 2 hệ enzyme hydrogenase và nitrogenase để cố định N2.

CƠ CHẾ CỐ ĐỊNH NITƠ TRONG NỐT SẦN CỦA RỄ CÂY HỌ ĐẬU:

Sự cố định N2 của vi khuẩn nốt sần có thể xãy ra theo sơ đồ phức tạp hơn. Trong các

nốt sần có một chất có bản chất hem rất giống với hemoglobin trong máu gọi là

leghemoglobin. Nó dễ dàng liên kết với O2 để biến thành oxyhemoglobin.

Leghemoglobin chỉ được tạo nên khi vi khuẩn sống cộng sinh với cây bộ đậu, còn khi

nuôi cấy tinh khiết các Rhizobium sẽ không tạo leghemoglobin và không cố định

được N2.

Những nghiên cứu gần đây về quá trình cố định N2 cho thấy quá trình cố định này đòi

hỏi:

- Quá trình cố định nitơ được thực hiện bởi phức hệ nitrogenase. Thành phần chính

của phức hệ này là nitrogenase reductase và nitrogenase. Phức hệ này nằm trong tế

bào chất của thể vi khuẩn (bacteroid). Có thể coi đây là nhân tố chìa khóa cho quá

trình này. Enzyme này hoạt động trong điều kiện yếm khí (Nitrogenase đặc biệt nhạy

với oxy và bị bất hoạt khi có mặt oxy).

- Có lực khử mạnh với thế năng khử cao (NAD, NADP,...)

- Có năng lượng (ATP) đủ và có sự tham gia của nguyên tố vi lượng. Nhóm hoạt động

của enzyme nitrogenase có chứa Mo và Fe. Vì vậy sử dụng Mo và Fe cho cây họ đậu

thường có hiệu quả rất cao. Bacteroid cần năng lượng từ thực vật cung cấp để cố định

đạm.

- Tiến hành trong điều kiện yếm khí.

Các chất khử là NADH2 và Fd cùng với năng lượng do hô hấp, quang hợp của cây chủ

cung cấp. Sự cố định N2 cần rất nhiều năng lượng, cần 16 ATP để khử 1 N2.

NH3 tạo thành trong quá trình cố định N2 được sử dụng dễ dàng vào quá trình amine

hóa các cetoacid để tổng hợp một cách nhanh chóng các acid amine, từ đó tham gia

vào tổng hợp protein và nhiều quá trình trao đổi chất khác.

Quá trình cố định nitơ phân tử theo hai hướng cơ bản: Con đường khử và con đường

oxy hóa.

Con đường khử theo chuỗi biến hóa: N2 HN=NH H2N-NH2 NH3 NH4OH

Con đường oxy hóa: N2 N2O HNO2 NH4OH

Qua 2 hướng đó, người ta thu được kết quả sau:

- Nếu nồng độ Oxy nhiều sẽ ức chế quá trình cố định nitơ phân tử.

- Hiệu suất cố định nitơ phân tử của những vi sinh vật kỵ khí thường cao hơn những vi

sinh vật hiếu khí.

- Tìm thấy hợp chất loại khử khi nuôi các vi sinh vật cố đinh nitơ phân tử.

N2 + 8H+ + 8e- → 2NH3 + H2.

16-24ADP + 16-24Pi 16-24ATP

Qua đó cho thấy con đường khử có nhiều khả năng xảy ra hơn.

1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cố định đạm

Sự tổng hợp enzyme nitrogenase được điều khiển bởi enzyme glutamate synthetase,

xúc tác cho tổng hợp glutamin từ NH3. Nếu trong hệ thống có ít NH3 thì glutamate

synthetase kích thích tổng hợp nitrogenase, nồng độ NH3 cao thì ức chế sự tổng hợp

nitrogenase.

Phức hệ enzyme nitrogenase không bền khi có mặt oxy. Vi khuẩn tự do cố định đạm

chỉ thể hiện hoạt tính ở điều kiện yếm khí nhờ sử dụng điện tử xuất hiện trong quá

trình tổng hợp ATP để ngăn ngừa oxy xâm nhập.

Các điều kiện ảnh hưởng đến quá trình cố định đạm:

• Ảnh hưởng của các điều kiện ngoại cảnh đối với quá trình cố định N cộng sinh.

• Ảnh hưởng của hàm lượng chất đường bột trong cây.

• Ảnh hưởng của P và K.

• Ảnh hưởng của pH của đất.

• Ảnh hưởng của chất Molybden (Mo).

• Ảnh hưởng của Phage (thực khuẩn thể).

2. Đạm khoáng trong đất

Trừ các cây họ đậu cộng sinh với vi khuẩn để lấy đạm từ không khí, thực vật lấy đạm

từ đất (mùn và đạm khoáng). Trong chu trình nitrogen, các dạng đạm hữu cơ trở lại

đất theo xác bã động vật và thực vật, được biến đổi thành ammonia (NH4+ và NH3),

nhờ các vi khuẩn và nấm trong đất. Trong vài tuần đầu, khỏang 70% chất hữu cơ ban

đầu (cellulose và protein) bị phân hủy. Giai đoạn kế tiếp xảy ra ở tốc độ chậm hơn

nhiều, chỉ khoảng 1-6% chất sau giai đoạn phân hủy nhanh được tiếp tục phân hủy

hàng năm, tạo nên chất mùn, hỗn hợp có màu nâu đen chứa acid humic (được tạo chủ

yếu bởi các phức hợp lignin- protein), acid fulvic (dẫn xuất của hemicellulose và sáp)

và humin (được tạo chủ yếu từ các mảnh vỡ cellulose).

Đạm khoáng có thể được tạo trong giai đoạn phân hủy các hợp chất hữu cơ ban đầu,

trong sự tạo mùn, hay trong sự khoáng hóa chất mùn, theo các bước:

- Tạo NH4+ từ các amid hay acid amin:

R-CONH2 + H2O + H+ RH + CO2 + NH4+

R-CHNH2-COOH + O2 + H+ RH + 2CO2 + NH4+

- Tạo NO2-:

NH4+ +3/2O2 + H+ NO2- + H2O + 2H+

- Tạo NO3-:

NO2- + 1/2O2 NO3

-

Sự oxid hóa NH4+ phóng thích năng lượng, năng lượng này có thể được vi khuẩn dùng

để khử CO2 và tổng hợp các hợp chất hữu cơ.

3. Sự dùng đạm khoáng bởi thực vật

3.1. Đặc tính

Sự dùng đạm khoáng ở thực vật có vài đặc tính đáng chú ý:

- Cây non thích NH4+ (cà chua, bắp, lúa; ngoại lệ: mía, bông vải).

- NH4+ đối kháng với K+, Ca2+ hay Mg2+. Do đó, sự dùng NH4

+ quá liều sẽ gây ra thiếu

K+, Ca2+ hay Mg2+ ( lúa mì). Sự bổ sung Ca2+ làm giảm tính độc của NH4+. Ngược lại,

NO3- giúp sự thấm cation. Nhất là K+, NH4

+ cản trở NO3-, nhưng giúp các ion photpho

và tế bào.

Sự hạ thấp pH kích thích sự hấp thu và đồng hóa nitrat, trong khi sự tăng pH kích

thích sự hấp thu và đồng hóa ammonium. Tuy nhiên khi pH bên ngoài cao, ammonia

(base yếu) khuếch tán nhanh vào tế bào chất (acid hơn). Do đó, ammonia, thiết yếu ở

pH trung tính, trở thành độc trong môi trường kiềm. Spirulina platensis là trường hợp

đặc biệt, có thể dùng ammonia ở nồng độ cao, như nguồn nitrogen duy nhất, ngay cả ở

pH 10 hay cao hơn, do khả năng duy trì pH cao trong tế bào. Sự thừa NH4+ thường rất

độc so với NO3- vì gây nhiều xáo trộn trong tính thấm của tế bào.

- Hàm lượng đường của rễ có vai trò quan trọng trong sự dinh dưỡng đạm, vì các acid

cetonic được tổng hợp từ đường giúp sự gia nhập N vào acid amin. Do đó, tính độc

của NH4+ sẽ rất mạnh nếu quang hợp yếu, khi ấy sự dùng NH4

+ hạ thấp hàm lượng

tinh bột.

3.2. Sự khử nitrat

Giai đoạn đầu tiên của sự cố định đạm khoáng là sự khử nitrat, nói chung xảy ra ở rễ,

trong tối. Tuy nhiên, ở nhiều loài, nhất là ở các cây dạng cỏ, sự khử được thực hiện

đồng thời trong lá, dưới ánh sáng (phân nửa trong rễ, phân nửa trong lá lúa mì; gần

như hoàn toàn trong lá cà chua).

Sự khử nitrat xảy ra theo hai giai đoạn: khử nitrat (NO3-) thành nitrit (NO2

-), và khử

nitrit thành ammonia:

NO3- + 2H+ + 2e- NO2

- + H2O

NO2- + 6H+ + 6e- NH3 +H2O + OH-

Nitrat được khử trong cytosol nhờ nitrat reductase, sau đó nitrit vào diệp lạp của lá

hay tiền lạp của rễ để được tiếp tục khử nhờ nitrit reductase. NH3 có thể ở dạng R-

NH2 hay ở dạng ion hóa NH4+ khi nhận 1 H+.

3.3.Sự tổng hợp acid amin

Các acid amin được tổng hợp từ sự cố định nhóm NH3 (được hấp thu dưới dạng NH4+

hay từ sự khử nitrat) trên các acid a-cetonic, theo 3 quá trình căn bản sau:

- Sự amin hóa khử

Phản ứng amin hóa khử được thực hiện trong ti thể từ các acid cetonic của chu trình

Krebs, và hầu như chỉ xảy ra ở các nấm, ít phổ biến ở thực vật.

R-CO-COOH + NADH + H+ +NH3 R-CH(NH2)-COOH + NAD+ + H2O

Ví dụ: Glutamat được tổng hợp từ a-cetoglutarat, nhờ glutamate dehydrogenase

(GDH).

Glutamat: HOOC-CH2-CH2-CH(NH2)-COOH

a-cetoglutarat: HOOC-CH2-CH2-CO-COOH

- Con đường Glutamin

Glutamin (amid của acid glutamic) là dạng đạm dự trữ quan trọng của hột và củ. Sự

tổng hợp Glutamin từ glutamate cần NH3, ATP và glutamine synthetase (GS):

NH3 + HOOC-CH2-CH2-CH(NH2)-COOH CO(NH2)-CH2-

CH2-CH(NH2)-COOH + H2O

- Sự chuyển amin

ATP ADP + Pi

Phản ứng này rất phổ biến, và cũng nhờ một acid cetonic, nhưng nhóm amin (-NH2)

có nguồn gốc từ một acid amin thay vì NH3:

R1-CH(NH2)-COOH + R2-CO-COOH R1-CO-COOH + R2-CH(NH2)-COOH

Các transaminase với nhóm hoạt động pyridoxal-phosphat (vitamin B6) xúc tác sự

trao đổi này. Glutamate thường là chất cho nhóm –NH2 trong sự chuyển amin, để tạo

nhiều acid amin khác: aspartat từ oxaloacetat, Glycin từ glyoxylat…

Ngoài ba quá trình căn bản, các phản ứng khác cũng tạo acid amin:

- Sự amin hóa một acid không bão hòa, ví dụ sự amin hóa rumarat cho aspertat:

HOOC-CH=CH-COOH + NH3 HOOC-CH2-CH(NH2)-COOH

-Sự khử Carboxyl hóa một diacid amin, ví dụ Sự khử Carboxyl aspartat cho B- alanin

(thành phần của coenzyme A):

HOOC-CH2-CH(NH2)-COOH HOOC-CH2-CH2(NH2) + CO2

- Sự vòng hóa glutamate ( qua nhiều giai đoạn) cho prolin, rồi hydroxyprolin:

Tóm lại, sự tổng hợp acid amin được thực hiện một phần ở các nơi khử nitrat (rễ hay

lá). Sau đó, sự biến đổi tiếp tục, qua sự chuyển amin, trong mọi loại mô thực vật, đặc

biệt trong ti thể và diệp lạp, các bào quan sẵn sàng cung cấp các acid cetonic, các chất

khử (NADH và NADPH), ATP.

4. Liên hệ giữa sự khử nitrat với hô hấp và quang hợp

Chất cho e- trong sự khử nitrat thành nitrit là NADH được cung cấp trực tiếp trong tối

nhờ hô hấp, và gián tiếp dưới ánh sáng nhờ quang hợp (NADPH diệp lạp chuyển

thành NADH tế bào chất).

Do đó có sự cạnh tranh giỡa nitrat với O2 và CO2: O2 của không khí nhận e- từ

NADH, nên khi có nitrat hệ số hô hấp CO2/O2 của rễ gia tăng; CO2 của không khí

nhận e- từ NADPH, do đó khi có nitrat sự đồng hóa CO2 ( quang hợp) giảm ở lá.

Glucid E0’

CO2

Glucid

Hình: liên quan giữa sự khử nitrat với hô hấp và quang hợp.

5. Ảnh hưởng của nguồn đạm trên sự tiết các chất từ rễ

Sự tiết (exudation) các chất đường (glucose, Fructose, và sacarose), các ion (anion và

cation) và acid amin từ rễ nguyên vẹn được nghiên cứu ở cỏ Leptochloa fusca, khi rễ

tăng trưởng trong môi trường thủy canh với ammonium hay nitrat.

Các cây được trồng với ammonium có hàm lượng đường tổng công hơi cao hơn so với

các cây được trồng với nitrat, nhưng sự tiết đường trong 2 giờ cao hơn 79 lần. Trong

12- 24 giờ sau khi chuyển cây từ môi trường ammonium sang môi trường nitrat, hàm

lượng đường của rễ và cấu trúc rễ không thay đổi, nhưng tốc độ tiết đường giảm 30

lần.

Sự tiết các ion và acid amin hoặc như nhau hoặc hơi cao hơn, khi cây trồng trong

ammonium, so với cây trồng trong nitrat.

Như vậy sự dinh dưỡng đạm với nitrat hay ammonium có ảnh hưởng mạnh tới sự tiết

đường bởi rễ. Tốc độ tiết đường mạnh như vậy, trong môi trường chứa ammonium

không liên quan tới nồng độ đường trong rễ. Sự tiết đường trong thiên nhiên giúp sự

cộng sinh giữa các vi sinh vật cố định đạm khí quyển với rễ cỏ.

6. Sự dùng đạm hữu cơ và cố định đạm khí quyển

6.1. Sự dùng đạm hữu cơ

Thực vật bậc cao nói chung dùng đạm khoáng (nitrat hay ammonium), mặc dù có thể

đồng hóa đạm hữu cơ có phân tử nhỏ, như acid amin (acid aspartic, acid glutamic),

asparagin, glutamine, urê, uric…

NADH

NO3-

O2 H2O H2O O2

NADPH

CO2

NO3-

APG