Tại sao gọi là thực vật C3 C4?

Tên gọi “thực vật C3” và “thực vật C4” không phải là những cái tên được đặt một cách ngẫu nhiên hay hoa mỹ. Chúng phản ánh một sự khác biệt căn bản, sâu sắc trong cơ chế quang hợp, cụ thể là ở sản phẩm trung gian đầu tiên được tạo ra trong chu trình Calvin – quá trình cố định carbon dioxide (CO2) để tạo ra năng lượng cho cây. Sự khác biệt này, tuy nhỏ bé ở cấp độ phân tử, lại có những hệ quả to lớn đối với sinh lý, phân bố địa lý, và thậm chí cả khả năng thích nghi của thực vật trong môi trường.

Hãy bắt đầu với “thực vật C3”. Tên gọi này bắt nguồn từ 3-phosphoglycerate (3-PGA), một phân tử hữu cơ có ba nguyên tử carbon. Trong thực vật C3, CO2 được cố định trực tiếp vào phân tử ribulose-1,5-bisphosphate (RuBP) bởi enzyme RuBisCO, ngay trong tế bào mô giậu của lá. Sản phẩm ngay lập tức của phản ứng này chính là hai phân tử 3-PGA – mở đầu cho chu trình Calvin. Hầu hết các loại cây trồng quen thuộc, như lúa mì, lúa gạo, đậu tương, đều thuộc nhóm thực vật C3.

Ngược lại, thực vật C4 lại có một cơ chế cố định CO2 tinh vi hơn, một “màn dạo đầu” trước khi bước vào chu trình Calvin. Tên gọi “thực vật C4” xuất phát từ axit oxaloacetic (OAA), một hợp chất có bốn nguyên tử carbon, được tạo ra như sản phẩm đầu tiên trong quá trình cố định CO2. Trong thực vật C4, CO2 ban đầu được cố định trong tế bào mô giậu bằng enzyme phosphoenolpyruvate carboxylase (PEP carboxylase) với chất nhận là phosphoenolpyruvate (PEP), tạo thành OAA. OAA sau đó được chuyển hóa thành axit malic hoặc axit aspartic, vận chuyển vào tế bào bao bó mạch, nơi CO2 được giải phóng và tham gia vào chu trình Calvin như ở thực vật C3. Ngô, mía, và cỏ voi là những ví dụ điển hình cho thực vật C4.

Sự khác biệt trong sản phẩm trung gian ban đầu – 3-PGA (3 carbon) và OAA (4 carbon) – không chỉ là vấn đề đặt tên. Nó là một dấu ấn phản ánh sự thích nghi khác nhau với môi trường. Thực vật C4 có hiệu suất quang hợp cao hơn trong điều kiện ánh sáng mạnh và nhiệt độ cao, nhờ khả năng tập trung CO2 đến RuBisCO, giảm thiểu hiện tượng quang hô hấp – một quá trình lãng phí năng lượng xảy ra ở thực vật C3. Điều này giải thích tại sao thực vật C4 thường chiếm ưu thế ở các vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới.

Tóm lại, “C3” và “C4” không chỉ là những chữ cái khô khan, mà là những mã số sinh học, tiết lộ bí mật về những chiến lược sinh tồn đa dạng và tinh vi của thế giới thực vật. Chúng ta hiểu được sự khác biệt này không chỉ giúp chúng ta phân loại thực vật mà còn góp phần vào việc tối ưu hóa năng suất cây trồng và bảo tồn đa dạng sinh học.