Ringkasan Mudah Faham (Nota Pertanian Tingkatan 5 Bab 1: Sains Tumbuhan)

Panduan ini merangkumi konsep asas sains tumbuhan, daripada klasifikasi dan struktur kepada proses fisiologi yang kompleks yang membolehkan tumbuhan hidup dan membesar.

1. Pengenalan Sains Tumbuhan

Sains tumbuhan adalah kajian tentang tumbuhan serta hubungannya dengan manusia dan haiwan. Tumbuhan ialah organisma multisel yang mempunyai klorofil untuk menjalankan fotosintesis bagi menghasilkan karbohidrat.

Keperluan Asas Tumbuhan:

• Air: Membantu dalam fotosintesis, melarutkan garam mineral, menyejukkan tumbuhan melalui transpirasi, dan mengekalkan kesegahan sel.

• Udara: Terutamanya karbon dioksida (CO2) yang diperlukan untuk proses fotosintesis.

• Cahaya Matahari: Sumber tenaga utama untuk fotosintesis.

Hubungan Simbiotik: Tumbuhan membekalkan oksigen (O2) yang diperlukan oleh manusia dan haiwan untuk respirasi. Sebaliknya, manusia dan haiwan membebaskan karbon dioksida (CO2) yang digunakan oleh tumbuhan untuk fotosintesis.

2. Klasifikasi Tumbuhan

Tumbuhan secara amnya terbahagi kepada dua kumpulan utama: tumbuhan berbunga dan tidak berbunga.

Tumbuhan Berbunga (Angiosperma)

Tumbuhan ini mempunyai bunga sebagai organ pembiakan untuk menghasilkan buah dan biji benih. Ia diklasifikasikan kepada dua jenis:

• Monokotiledon: Tumbuhan dengan satu kotiledon (sumber makanan dalam biji benih).

    ◦ Famili Rumput (Poaceae): Akar serabut, daun linear, batang berongga. Contoh: Jagung, Padi, Tebu.

    ◦ Famili Palma (Palmae): Batang tinggi tidak bercabang, akar serabut. Contoh: Kelapa, Kelapa Sawit.

    ◦ Famili Pisang (Musaceae): Batang palsu (umbisi), daun pelepah. Contoh: Pisang Emas, Heliconia.

    ◦ Famili Orkid (Orchidaceae): Tumbuhan hiasan dengan akar serabut. Contoh: Orkid Moth.

    ◦ Famili Herba (Zingiberaceae): Batang lembut tidak berkayu, bernilai perubatan. Contoh: Kunyit, Halia.

• Dikotiledon: Tumbuhan dengan dua kotiledon.

    ◦ Famili Tumbuhan Bergetah (Euphorbiaceae): Mengeluarkan getah. Contoh: Pokok Getah, Ubi Kayu.

    ◦ Famili Kekacang (Leguminosae): Bunga berbentuk kupu-kupu. Contoh: Kacang Soya, Kacang Tanah.

    ◦ Famili Terung (Solanaceae): Buah terletak di dasar bunga. Contoh: Terung, Cili, Tomato.

    ◦ Famili Jambu (Myrtaceae): Daun tunggal, batang berkayu, akar tunjang. Contoh: Jambu Air, Jambu Batu.

    ◦ Famili Bunga Bertangkai (Asteraceae): Bunga yang tumbuh pada tangkai. Contoh: Bunga Matahari, Bunga Daisy.

Tumbuhan Tidak Berbunga (Gymnosperma)

Tumbuhan ini membiak melalui spora dan tidak mempunyai bunga, buah, atau biji benih.

• Alga: Hidup di darat dan laut, mempunyai klorofil tetapi tiada akar, batang, atau daun sebenar.

• Kulat: Hidup di kawasan lembap, tidak berklorofil dan tidak boleh berfotosintesis.

• Lumut: Hidup di tempat lembap, mempunyai daun berklorofil dan rizoid (akar rambut).

• Paku Pakis: Hidup di kawasan lembap, mempunyai batang tidak berkayu, daun berklorofil, dan akar serabut.

3. Struktur Tumbuhan

Struktur tumbuhan dibahagikan kepada struktur luaran (morfologi) dan struktur dalaman (anatomi).

Struktur Luaran (Morfologi)

• Akar: Berfungsi menyerap air dan garam mineral serta menguatkan tumbuhan.

    ◦ Jenis: Akar Tunjang (satu akar utama besar) dan Akar Serabut (banyak akar kecil dari pangkal batang).

    ◦ Bahagian: Pangkal akar, batang akar, cabang akar, rambut akar, serabut akar, hujung akar, dan tudung akar (melindungi hujung akar).

• Batang: Menyokong daun, bunga, dan buah, serta mengangkut air, mineral, dan makanan.

    ◦ Jenis: Batang Berkayu (mempunyai lentisel untuk pertukaran gas) dan Batang Tidak Berkayu.

• Daun: Tapak utama untuk fotosintesis, respirasi, dan transpirasi.

    ◦ Bentuk: Lanseolat (seperti tulang ikan), Kordat (garis melengkung), Obovat (seperti jari), Linear (memanjang).

    ◦ Struktur: Daun Tunggal (satu helai daun pada satu tangkai) dan Daun Majmuk (beberapa anak daun pada satu tangkai).

• Bunga: Organ pembiakan tumbuhan berbunga.

    ◦ Bahagian Jantan (Stamen): Terdiri daripada anter (menghasilkan debunga) dan filamen.

    ◦ Bahagian Betina (Pistil): Terdiri daripada stigma, stil, dan ovari (menghasilkan ovul).

    ◦ Bahagian Lain: Sepal (melindungi kudup) dan ranggi.

Struktur Dalaman (Anatomi)

• Epidermis: Lapisan sel luar yang melindungi tisu daripada kekeringan dan kecederaan.

• Stomata: Liang pada epidermis daun, dikawal oleh sel pengawal, untuk pertukaran gas (CO2 & O2) dan air.

• Tisu Xilem: Mengangkut air dan garam mineral dari akar ke daun. Mempunyai dinding keras yang juga menguatkan batang.

• Tisu Floem: Mengangkut bahan makanan (glukosa) dari daun ke seluruh bahagian tumbuhan.

• Kambium: Terdapat antara xilem dan floem pada tumbuhan dikotiledon. Bertanggungjawab untuk pertumbuhan sekunder (pembesaran diameter batang).

4. Perbezaan Monokotiledon dan Dikotiledon

5. Proses Fisiologi Tumbuhan

Ini adalah proses-proses utama yang berlaku dalam tumbuhan untuk hidup dan membesar.

• Pertumbuhan:

    ◦ Primer: Pemanjangan pada hujung pucuk dan akar.

    ◦ Sekunder: Pertambahan diameter batang dan akar (berlaku pada tumbuhan dikotiledon disebabkan oleh kambium).

• Fotosintesis: Proses menghasilkan makanan (glukosa) dan oksigen daripada karbon dioksida, air, dan tenaga cahaya.

    ◦ Formula: 6CO2 (Karbon Dioksida) + 6H2O (Air) –(Cahaya & Klorofil)–> C6H12O6 (Glukosa) + 6O2 (Oksigen)

    ◦ Peringkat:

        1. Tindak Balas Cahaya: Berlaku di granum kloroplas. Tenaga cahaya memecahkan air (fotolisis) untuk menghasilkan oksigen, ATP, dan NADPH2.

        2. Tindak Balas Gelap: Berlaku di stroma kloroplas. Menggunakan ATP dan NADPH2 untuk menukar CO2 menjadi glukosa (Kitaran Calvin).

• Respirasi: Proses penguraian glukosa untuk menghasilkan tenaga (ATP) untuk aktiviti sel.

    ◦ Aerob: Menggunakan oksigen, membebaskan banyak tenaga. Berlaku sepanjang hari.

    ◦ Anaerob: Tanpa oksigen, membebaskan sedikit tenaga. Berlaku dalam tempoh singkat.

• Penyerapan: Proses resapan air dan garam mineral dari tanah oleh akar melalui osmosis.

• Translokasi: Proses pengangkutan hasil fotosintesis (glukosa) melalui floem dari daun ke bahagian lain tumbuhan.

• Transpirasi: Proses kehilangan air dalam bentuk wap air dari permukaan daun melalui stomata. Ini membantu menyejukkan tumbuhan dan menarik air dari akar.

6. Faktor yang Mempengaruhi Pertumbuhan dan Fotosintesis

• Faktor Luaran:

    ◦ Keamatan Cahaya: Semakin tinggi keamatan, semakin tinggi kadar fotosintesis sehingga mencapai tahap maksimum.

    ◦ Kepekatan Karbon Dioksida: Peningkatan CO2 meningkatkan kadar fotosintesis sehingga faktor lain menjadi pengehad.

    ◦ Suhu: Kadar fotosintesis meningkat dengan suhu sehingga mencapai suhu optimum (biasanya 25°C-30°C). Suhu terlalu tinggi merosakkan enzim.

• Faktor Dalaman:

    ◦ Jumlah Klorofil: Lebih banyak klorofil meningkatkan penyerapan cahaya.

    ◦ Struktur Daun: Daun yang nipis dan lebar dapat menyerap lebih banyak cahaya.

    ◦ Pertumbuhan: Tumbuhan muda mempunyai kadar fotosintesis yang lebih tinggi.

• Kesan Kekurangan:

    ◦ Cahaya: Menyebabkan etiolasi (batang tumbuh cepat tetapi lemah, daun kecil dan pucat).

    ◦ Air: Tumbuhan layu, sel mengecut (plasmolisis), dan kadar fotosintesis menurun.

    ◦ Karbon Dioksida: Pertumbuhan lambat, daun rosak dan kecil.

    ◦ Klorofil: Tumbuhan tidak dapat menghasilkan makanan yang cukup dan akhirnya mati.

Soalan dan Jawapan KBAT (Kemahiran Berfikir Aras Tinggi)

Soalan 1: Sebuah syarikat pertanian ingin membangunkan tanaman baharu di kawasan yang mempunyai tempoh musim panas yang singkat tetapi keamatan cahayanya tinggi. Mereka perlu memilih sama ada untuk menanam jagung (monokotiledon) atau pokok mangga (dikotiledon). Berdasarkan pemahaman anda tentang struktur dan proses fisiologi, tumbuhan manakah yang lebih sesuai dan mengapa? Kaitkan jawapan anda dengan perbezaan struktur luaran, jenis pertumbuhan, dan kadar fotosintesis.

Jawapan: Jagung (monokotiledon) adalah pilihan yang lebih sesuai untuk syarikat pertanian tersebut. Alasannya adalah seperti berikut:

1. Jangka Hayat dan Pertumbuhan: Kebanyakan tumbuhan monokotiledon, terutamanya jenis makanan seperti jagung, ditanam dalam jangka masa yang singkat, iaitu kurang daripada 12 bulan untuk penuaian hasil. Ini sangat sesuai untuk kawasan yang mempunyai musim panas yang singkat. Sebaliknya, pokok mangga (dikotiledon) adalah tumbuhan berkayu yang memerlukan masa bertahun-tahun untuk matang dan menghasilkan buah.

2. Struktur dan Keperluan Ruang: Jagung mempunyai akar serabut dan batang tidak berkayu, membolehkannya ditanam dengan ketumpatan tinggi dalam satu kawasan. Pokok mangga pula mempunyai akar tunjang dan batang berkayu yang besar hasil daripada pertumbuhan sekunder, memerlukan lebih banyak ruang dan sumber untuk setiap pokok.

3. Kadar Fotosintesis: Walaupun kedua-dua tumbuhan melakukan fotosintesis, struktur daun jagung yang berbentuk linear dan nipis membolehkan penyerapan cahaya yang cekap. Dengan keamatan cahaya yang tinggi, jagung dapat memaksimumkan kadar fotosintesis dalam tempoh yang singkat untuk pertumbuhan pantas dan penghasilan buah (tongkol jagung).

Soalan 2: Kambium sering dirujuk sebagai komponen penting yang membezakan pertumbuhan antara tumbuhan monokotiledon dan dikotiledon. Huraikan bagaimana ketiadaan kambium pada tumbuhan monokotiledon seperti kelapa sawit mempengaruhi struktur batang dan sistem pengangkutan nutriennya berbanding dengan pokok getah (dikotiledon).

Jawapan: Ketiadaan kambium pada tumbuhan monokotiledon seperti kelapa sawit membawa perbezaan yang ketara berbanding tumbuhan dikotiledon seperti pokok getah:

1. Pertumbuhan Sekunder: Pokok getah mempunyai kambium yang terletak di antara xilem dan floem. Kambium ini aktif membahagi untuk menghasilkan xilem sekunder dan floem sekunder, menyebabkan diameter batang bertambah besar dari semasa ke semasa. Proses ini dikenali sebagai pertumbuhan sekunder. Sebaliknya, kelapa sawit tidak mempunyai kambium, jadi ia tidak mengalami pertumbuhan sekunder yang signifikan. Batangnya tidak membesar secara diameter tetapi hanya mengalami pertumbuhan primer (pemanjangan).

2. Struktur Batang: Batang pokok getah yang berkayu menjadi lebih tebal dan kuat kerana penambahan xilem sekunder (kayu), membolehkannya menyokong struktur dahan yang besar dan mencapai ketinggian yang lebih tinggi. Batang kelapa sawit pula tidak berkayu dan mempunyai struktur dalaman di mana berkas vaskular (xilem dan floem) tersebar di seluruh empulur tanpa susunan yang teratur. Kekuatannya bergantung pada tisu parenkima yang padat.

3. Sistem Pengangkutan: Dalam pokok getah, xilem dan floem yang baharu sentiasa dihasilkan oleh kambium, memastikan sistem pengangkutan air, mineral, dan makanan sentiasa efisien untuk menyokong saiz tumbuhan yang semakin besar. Pada kelapa sawit, berkas vaskular yang terbentuk semasa pertumbuhan primer perlu berfungsi sepanjang hayatnya tanpa penambahan baharu, mengehadkan kecekapan pengangkutan seiring dengan peningkatan usia.

Soalan 3: Proses transpirasi sering dianggap sebagai satu proses kehilangan air yang tidak dapat dielakkan oleh tumbuhan. Namun, jelaskan bagaimana proses ini sebenarnya saling berkaitan dan memberi manfaat kepada proses fotosintesis dan penyerapan nutrien dari tanah.

Jawapan: Walaupun transpirasi adalah proses kehilangan air, ia mempunyai perkaitan penting dan memberi manfaat kepada proses fisiologi lain:

1. Hubungan dengan Penyerapan: Transpirasi mewujudkan daya tarikan atau tegangan pada salur xilem, yang dikenali sebagai tarikan transpirasi. Apabila air tersejat dari permukaan daun melalui stomata, ia menarik molekul air dari bawah (akar) ke atas melalui xilem. Daya tarikan ini adalah mekanisme utama yang membolehkan tumbuhan menyerap air dan garam mineral terlarut dari dalam tanah. Tanpa transpirasi, proses penyerapan akan menjadi sangat perlahan dan tidak mencukupi.

2. Hubungan dengan Fotosintesis: Proses transpirasi berlaku melalui stomata. Pembukaan stomata untuk membebaskan wap air juga merupakan laluan utama untuk gas karbon dioksida (CO₂) dari atmosfera masuk ke dalam daun. CO₂ adalah bahan mentah utama untuk fotosintesis. Oleh itu, kadar transpirasi yang tinggi (menandakan stomata terbuka luas) secara langsung membolehkan kadar penyerapan CO₂ yang tinggi, yang seterusnya meningkatkan kadar fotosintesis, dengan syarat faktor lain seperti cahaya dan air mencukupi.

3. Kesan Penyejukan: Penyejatan air semasa transpirasi juga membantu menyejukkan permukaan daun. Ini penting kerana suhu yang terlalu tinggi (melebihi 30°C-40°C) boleh merosakkan enzim yang terlibat dalam fotosintesis dan menyebabkan sel tumbuhan mati.

Soalan 4: Seorang pelajar mendapati bahawa tumbuhan yang diletakkan di dalam bilik yang kurang cahaya cenderung untuk tumbuh lebih tinggi dan kurus dengan daun yang pucat berbanding tumbuhan yang diletakkan di luar. Terangkan fenomena ini dengan menghubungkaitkan faktor cahaya kepada proses fotosintesis, penghasilan klorofil, dan pertumbuhan tumbuhan.

Jawapan: Fenomena ini dikenali sebagai etiolasi, dan ia berlaku disebabkan kekurangan cahaya yang mencukupi. Penerangannya adalah seperti berikut:

1. Kesan Terhadap Pertumbuhan Batang: Dalam keadaan kurang cahaya, tumbuhan akan memanjangkan batangnya dengan lebih cepat dalam usaha untuk mencari sumber cahaya. Namun, pertumbuhan ini menghasilkan batang yang lemah kerana tenaga ditumpukan untuk pemanjangan dan bukannya pengukuhan struktur.

2. Kesan Terhadap Fotosintesis dan Klorofil: Cahaya adalah sumber tenaga utama untuk fotosintesis. Apabila cahaya tidak mencukupi, kadar fotosintesis menurun dengan mendadak. Ini menyebabkan tumbuhan tidak dapat menghasilkan glukosa yang cukup untuk tumbesaran yang sihat. Selain itu, pembentukan klorofil (pigmen hijau yang memerangkap cahaya) juga memerlukan cahaya. Kekurangan cahaya menyebabkan daun menjadi kecil dan berwarna pucat atau kekuningan kerana kekurangan klorofil.

3. Kesan Keseluruhan: Akibatnya, tumbuhan itu kelihatan “sakit” – tinggi tetapi lemah, dengan daun kecil dan pucat. Ia mengorbankan pertumbuhan normal (daun lebar, batang kuat) untuk memaksimumkan peluang mencapai cahaya. Jika ia gagal mencapai cahaya yang mencukupi dalam tempoh tertentu, ia akhirnya akan mati kerana tidak dapat menghasilkan makanan yang cukup untuk terus hidup.

Soalan 5: Fotosintesis melibatkan tindak balas cahaya dan tindak balas gelap. Huraikan bagaimana kedua-dua tindak balas ini saling bergantung untuk menghasilkan glukosa, dan jelaskan mengapa proses fotosintesis akan terhenti sepenuhnya jika tumbuhan tidak menerima cahaya untuk tempoh yang lama, walaupun tindak balas gelap tidak memerlukan cahaya secara langsung.

Jawapan: Tindak balas cahaya dan tindak balas gelap adalah dua peringkat yang saling melengkapi dan bergantung antara satu sama lain:

1. Tindak Balas Cahaya: Peringkat ini berlaku di granum kloroplas dan memerlukan cahaya matahari secara langsung. Tenaga cahaya digunakan untuk memecahkan molekul air (fotolisis) kepada ion hidrogen (H⁺) dan oksigen (O₂). Paling penting, tenaga cahaya ini ditukar kepada tenaga kimia dalam bentuk molekul bertenaga tinggi iaitu ATP (Adenosin Trifosfat) dan NADPH₂. ATP dan NADPH₂ ini adalah “bahan api” yang akan digunakan dalam peringkat seterusnya.

2. Tindak Balas Gelap (Kitaran Calvin): Peringkat ini berlaku di stroma kloroplas dan tidak memerlukan cahaya secara langsung. Ia menggunakan produk dari tindak balas cahaya, iaitu ATP dan NADPH₂, sebagai sumber tenaga. Dalam kitaran ini, karbon dioksida (CO₂) dari udara diikat (fiksasi) dan digabungkan dengan ion hidrogen dari NADPH₂ untuk akhirnya menghasilkan karbohidrat atau glukosa.

3. Saling Bergantungan: Walaupun tindak balas gelap boleh berlaku tanpa cahaya, ia bergantung sepenuhnya kepada bekalan ATP dan NADPH₂ yang hanya boleh dihasilkan semasa tindak balas cahaya. Jika tumbuhan tidak menerima cahaya untuk tempoh yang lama, tindak balas cahaya akan terhenti. Akibatnya, tiada lagi ATP dan NADPH₂ yang dihasilkan. Tanpa “bahan api” ini, tindak balas gelap (Kitaran Calvin) juga akan terhenti, dan tiada lagi glukosa dapat disintesis. Oleh itu, keseluruhan proses fotosintesis akan berhenti.