Giải thích tại sao thực vật C₄ có hiệu suất quang hợp cao hơn C₃ trong điều kiện nhiệt độ cao và cường độ ánh sáng mạnh.

Thực vật C₄ (ví dụ: ngô, mía, sorghum) có hiệu suất quang hợp cao hơn thực vật C₃ (lúa, lúa mì, đậu…) trong điều kiện nhiệt độ cao và ánh sáng mạnh chủ yếu vì chúng giảm thiểu được tổn thất do quá trình quang hợp nhầm (photorespiration) và có cơ chế “tập trung CO₂” hiệu quả hơn. Cụ thể: 1. Cơ chế phân bổ và cố định CO₂ khác nhau - Ở thực vật C₃, CO₂ được cố định ngay trong tế bào lá (tế bào mesophyll) thông qua enzyme rubisco, đồng thời rubisco cũng có ái lực với O₂. Khi nhiệt độ và cường độ ánh sáng cao, tỉ lệ O₂/CO₂ trong khí khổng tăng, rubisco dễ “nhầm” bắt O₂ hơn, dẫn đến photorespiration tốn năng lượng và giảm sản phẩm hữu cơ. - Ở thực vật C₄, CO₂ ban đầu được cố định vào hợp chất 4 C (oxaloacetate) bởi PEP carboxylase ở tế bào mesophyll. Enzyme này không bắt O₂, có ái lực rất cao với CO₂, ngay cả khi nồng độ CO₂ thấp. Oxaloacetate sau đó chuyển vào các tế bào vỏ bao mạch (bundle‐sheath), giải phóng CO₂ ở nồng độ cao xung quanh rubisco, giúp rubisco làm việc tối ưu với CO₂ mà không bị “xen” O₂ gây photorespiration. 2. Giảm thiểu photorespiration - Ở C₃, khi nhiệt độ tăng, tốc độ phản ứng oxy hóa của rubisco tăng mạnh, photorespiration có thể chiếm tới 25–50% lượng carbon cố định, làm giảm hiệu suất quang hợp. - Ở C₄, vì CO₂ được “cô đặc” trong tế bào vỏ bao mạch, tỉ lệ CO₂/O₂ cao, rubisco hầu như chỉ tham gia carboxyl hóa, photorespiration gần như không xảy ra. 3. Tối ưu nhiệt độ hoạt động - Thực vật C₄ có nhiệt độ tối ưu cho quang hợp cao hơn (thường 30–40 °C), trong khi C₃ chỉ đạt hiệu suất tối ưu ở khoảng 20–25 °C. - Ở nhiệt độ cao hơn, C₃ nhanh chóng mất cân bằng do tăng photorespiration và mất nước qua khí khổng phải mở rộng. 4. Khả năng sử dụng ánh sáng mạnh và tiết kiệm nước - C₄ có hệ enzyme và cấu trúc lá (anatomy Kranz) cho phép tăng lưu lượng khí CO₂ mà không cần mở khí khổng quá rộng, giúp giảm bốc hơi nước. Trong môi trường nắng nóng khô hạn, C₄ giữ được nước tốt hơn, nhờ đó tiếp tục quang hợp mạnh mẽ. - Ánh sáng mạnh kích thích tốc độ tái tổng hợp PEP và các bước chu trình C₄, duy trì lưu lượng carbon cố định cao. Tóm lại, nhờ cơ chế cố định và tập trung CO₂ bằng PEP carboxylase, giảm thiểu photorespiration và thích nghi tốt với nhiệt độ – ánh sáng cao, thực vật C₄ có hiệu suất quang hợp vượt trội so với C₃ trong các điều kiện khắc nghiệt.