I. Khái niệm chung 1. Sinh trưởng và phát triển Hoạt động sinh lí ở cây như hút nước, hút khoáng, quang hợp, hô hấp… xảy ra đồng thời và luôn luôn quan hệ khăng khít với nhau. Kết quả hoạt động đó làm cây lớn lên, ra hoa, kết quả, già đi và chết. Ta gọi đó là sự sinh trưởng và phát triển của cây. - Sinh trưởng là sự tăng lên không thuận nghịch về số lượng, kích thước, trọng lượng của các yếu tố cấu trúc của cơ thể (cơ quan, mô, tế bào, trọng lượng tươi, trọng lượng khô, các đại phân tử protein, axit nucleic…) - Phát triển là quá trình biến đổi về chất lượng các cấu trúc của cơ thể (từ tế bào sinh sản như bào tử, hợp tử hay cơ thể cho tới khi tạo thành một hay nhiều lần các tế bào sinh sản mới trong sinh sản vô tính, sinh dưỡng và hữu tính). - Sinh trưởng và phát triển không đồng nhất nhưng có mối liên quan rất chặt chẽ. Nếu không có quá trình hình thành mới các yếu tố cấu trúc thì không thể có sự sinh trưởng. Sự vận động trong quá trình sinh trưởng ở đây không phải chỉ là các quá trình tương hợp đơn thuần mà là những quá trình hình thành nên các cấu trúc hiển vi. Có thể nói sinh trưởng và phát triển là những quá trình thực hiện chương trình cho đời sau. Ở cây có hạt thì sự phát triển là con đường của những biến đổi sinh lí tất yếu trong tế bào và của các quá trình hình thành các cơ quan của cây từ hạt đến lúc nó sinh hạt mới. 2. Các điều kiện ảnh hưởng đến sinh trưởng ở thực vật - Các điều kiện bên trong như: + Axit nucleic + Các chất có hoạt tính sinh học cao: Chất kích thích sinh trưởng, chất ức chế sinh trưởng, etylen,… - Các nhân tố bên ngoài ảnh hưởng đến sinh trưởng: ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm, khí O 2 và CO 2 , muối khoáng,… 1 II. Vai trò của các chất kích thích sinh trưởng Sự sinh trưởng của thực vật được thực hiện không chỉ proteid, gluxit, lipit, axit nucleic, năng lượng… mà còn có sự tham dự của các chất có hoạt tính sinh học cao như các vitamin, các enzym và các hormon. Trong đó các hormon đóng vai trò điều chỉnh các hoạt động sinh lí, quá trình sinh trưởng và phát triển của thực vật. Các chất điều chỉnh sinh trưởng, hoạt tính sinh học có trong cơ thể thực vật gọi là phytohormon. Phytohormon là các chất hữu cơ bản chất khác nhau có mặt trong các cơ quan với một lượng rất nhỏ, vận chuyển đến các cơ quan khác nhau góp phần điều tiết các hoạt động sinh lí và các hoạt động sinh trưởng, đảm bảo sự hài hòa giữa các cơ quan, bộ phận của cây. Các phytohormon điều chỉnh sự sinh trưởng phân thành hai nhóm: - Nhóm các chất kích thích: Auxin, giberalin có tác động kéo dài tế bào; xytokinin có vai trò trong phân chia tế bào. - Nhóm các chất kìm hãm: Axit abxixic có tác dụng tới sự rụng lá; etylen là hormon dạng khá; chất làm chậm sinh trưởng và chất diệt cỏ. 1. Auxin Có 3 dạng auxin chính: - Auxin a: bền với axit, nhiệt, ánh sáng, nhạy cảm với kiềm. - Auxin b (C 18 H 30 O 4 ) – axit auxenolonic, công thức chỉ khác chuỗi tận cùng –CO-CH 2 -COOH, PM310, điểm sôi 18 o C, bền với nhiệt và ánh sáng, nóng chảy với axit và kiềm. Các este của auxin a và auxin b không có tác động. - Heteroauxin (axit indol axetic - AIA): dạng auxin chủ yếu, có vai trò quan trọng trong tất cả các thực vật, được sinh trưởng từ tryptophan. 2 1.1. Sinh tổng hợp AIA Auxin được tổng hợp trước hết ở tế bào mô phân sinh, ở lá và ở mầm. Mô phân sinh ở rễ tổng hợp rất ít auxin. Mô dự trữ của hạt và hạt phấn có rất nhiều auxin. Đặc biệt auxin có rất nhiều ở bao lá mầm của cây hòa thảo. Sơ đồ sinh tổng hợp Auxin: AIA được tổng hợp chủ yếu ở đỉnh chồi ngọn và từ đó mới vận chuyển xuống dưới. Sự vận chuyển có tính phân cực nghiêm ngặt, tức là vận chuyển hướng gốc. Chính vì vậy mà càng xa ngọn, hàm lượng auxin càng giảm dần tạo nên một gradien nồng độ giảm dần từ đỉnh ngọn xuống gốc cây. Các lá non, phôi hạt, tượng tầng cũng có tính chất tương tự. Sự vận chuyển đòi hỏi năng lượng. Sinh tổng hợp auxin diễn ra thường xuyên và mạnh mẽ. Quá trình này được xúc tác bằng hàng loạt enzym. Chất tiền thân là tryptophan. 1.2. Sự phân giải auxin Sự phân giải auxin cũng là quá trình quan trọng để điều chỉnh lượng auxin có trong cây. Sau khi tác động vào sự sinh trưởng, auxin có thể bị phân giải thành dạng không hoạt tính, hay trong trường hợp dư thừa hàm lượng auxin cao có thể phân giải (do AIAoxydaza) biến đổi thành metylen-oxyindol không có hoạt tính. Quá trình này diễn ra rất mạnh, đặc biệt ở rễ. Auxin còn mất hoạt tính do quá trình quang oxi hóa, nhưng kém sự phân giải enzym. 1.3. Sự biến đổi thuận nghịch của auxin tự do và auxin liên kết Dạng AIA tự do là dạng có hoạt tính sinh lí, nhưng nó chiếm một hàm lượng thấp (ước độ 5%) so với AIA liên kết là dạng không hay có rất ít hoạt tính. AIA liên kết trong cây chủ yếu với gluxit (tạo nên indolaxetyl inositol) hoặc liên kết với axit amin (AIA-cospartat, AIA-glyxin,…). Vai trò của AIA liên 3 kết là dự trữ để làm giàu lượng AIA trong cây, tránh tác dụng của AIA- oxydaza, tham gia một phần vào dạng vận chuyển. Chính nhờ có các quá trình sinh tổng hợp auxin tự do, cùng sự liên kết và phân giải mà lượng auxin luôn ở trạng thái ổn định, đảm bảo sự hài hòa trong quá trình sinh lí. 1.4. Cơ chế tác động của auxin Auxin có tác dụng 2 mặt, phụ thuộc vào nồng độ. Nếu nồng độ quá ngưỡng thì nó có tác dụng ức chế sinh trưởng. Giải thích hiện tượng này là sự liên kết auxin với một hệ thống enzym (hay một chất nhận nào đó), nhiều phân tử auxin liên kết lên một chất nhận, có sự cạnh tranh với các điểm tiếp nhận. Do đó, các phân tử auxin tự ức chế tác động kích thích của nhau. Trường hợp auxin có tác dụng kích thích khi nồng độ tối thích hay dưới ngưỡng tối thích, các điểm tiếp xúc (1 ở vòng thơm, 1 ở gốc axit) của auxin được tiếp nhận vào chất nhận dễ dàng, do đó mà tác dụng được phát huy. Cơ chế tác dụng của auxin rất phức tạp: Auxin có ảnh hưởng to lớn đến các tính chất vật lí như ngưỡng nhiệt ngưng tụ, độ nhớt của proteid, thúc đẩy sự hút nước và chất khoáng. Auxin có tác động rõ rệt đối với quá trình hô hấp và trao đổi năng lượng. Auxin có ảnh hưởng đến trao đổi axit nucleic. Auxin có tác dụng nhiều mặt lên quá trình sinh trưởng của tế bào, hoạt động của tầng phát sinh, sự hình thành rễ, hiện tượng ưu thế ngọn, tính hướng của cơ quan, sự ra hoa, tạo quả và hình thành quả không hạt. Đặc biệt quan sát được tác dụng đối ngược giữa thân và rễ, sự khác nhau giữa pha kéo dài và sự phát triển của rễ, giữa rễ và chồi. a. Tác dụng sinh lí của auxin: Auxin kích thích sự trương giãn của tế bào, đặc biệt theo chiều ngang, làm tế bào lớn lên. AIA gây ra sự giảm độ pH trong thành tế bào, hoạt hóa enzym phân giải các polyxacarit, làm cho liên kết giữa các sợi xenluloza lỏng lẻo, làm cho thành tế bào giãn ra dưới tác dụng của áp suất thẩm thấu của không bào trung tâm. Các phân tử xenluloza trượt lên nhau. Ngoài ra, auxin cũng kích thích sự tổng hợp các hợp phần cấu trúc màng tế bào (xenluloza, pectin,…), các cầu nối ngang được hình thành mới cố định thành tế bào ở vị trí mới. Các nguyên liệu được tổng hợp nên thành tế bào mới một cách hoàn chỉnh. Sự giãn, kéo dài tế bào thực vật xảy ra do hai hiệu ứng: sự giãn của thành tế bào và sự tăng thể tích, khối lượng chất nguyên sinh. Thành tế bào thực vật cứng rắn (khác thành tế bào động vật), để tế bào giãn và tăng thể tích, chỉ có thể thực hiện bằng thay đổi trạng thái cấu tạo (không thay hay loại bỏ như động vật). 4 Sinh trưởng của tế bào và mô được kích thích trong điều kiện pH thấp (pH = 5), ta gọi đó là hiện tượng “sinh trưởng axit”. Chính ion H + đã hoạt hóa enzym phân giải các cầu nối ngang polysaccarit giữa các sợi xenluloza với nhau, làm cho các sợi xenluloza tách rời nhau và dễ trượt lên nhau. Dưới ảnh hưởng của sức trương tế bào do không bào hút nước vào mà các sợi xenluloza mất liên kết, trượt lên nhau và làm thành tế bào giãn ra. Vai trò auxin là gây nên sự giảm pH của thành tế bào bằng cách hoạt hóa bơm proton H + nằm trên màng sinh chất ra ngoài. Khi có AIA, bơm proton chuyển H + vào thành tế bào (độ pH từ 6 – 7 giảm xuống 4) cắt đứt cầu nối ngang. Enzym tham gia vào quá trình này là pectin metylesteraza khi hoạt động sẽ metyl hóa các nhóm cacboxyl và ngăn chặn sự hình thành cầu nối giữa nhóm cacboxyl và canxi, tạo pectat canxi, do đó mà sợi xenluloza tách rời nhau. Liên kết ion thông qua nhóm cacboxyl của pectin (COO - Ca ++ OOC - ). Enzym metylesteraza sẽ metyl hóa các nhóm cacboxyl cản trở hình thành cầu nối ion với canxi. Để tế bào sinh trưởng được thì song song với giãn thành tế bào còn xảy ra sự tổng hợp mới các cấu trúc tế bào khiến auxin có vai trò hoạt hóa tổng hợp nên các enzym cần thiết nên các enzym cần thiết cho sự tổng hợp nên các hợp phần đó. b. Auxin có tác động đến tính hướng động (hướng quang và hướng đất) AIA được phân bố nhiều hơn ở phần khuất ánh sáng cũng như phần dưới cơ quan nằm ngang, gây nên sự sinh trưởng không đều ở hai phía của cơ quan. 5 Auxin được vận chuyển đến bên không được chiếu sáng, kích thích sự kéo dài tế bào, phần được chiếu sáng sinh trưởng chậm hơn à cây hướng về phía có ánh sáng Tương tự, auxin được vận chuyển xuống phần ở thấp hơn và kích thích sinh trưởng vùng này. Một số thí nghiệm cho thấy cây có thể nhận biết được trọng lực để phân bố auxin . Có hai nguyên nhân: - Khi bị kích thích, vận chuyển phân cực của auxin bị ức chế. - Có sự tồn tại của một điện thế trong cơ quan đó: auxin trong cây thường bị ion hóa (AIA - ), do đó sự phân bố điện dương nhiều hơn. c. Auxin gây hiện tượng ưu thế ngọn Khi chồi ngọn và rễ chính sinh trưởng sẽ ức chế sinh trưởng của chồi bên và rễ phụ và ngược lại. Đó là một mối tương quan trong sinh trưởng. Đó là do + - + - 6 lượng AIA được hình thành trên ngọn cao hơn và được vận chuyển xuống dưới. Trên con đường đi xuống nó đã ức chế sinh trưởng của chồi bên. Nếu cắt đỉnh ngọn, tức là làm giảm lượng auxin nội sinh thì sẽ kích thích chồi bên sinh trưởng. Tác dụng xytokinin ngược lại, làm yếu ưu thế ngọn, kích thích chồi bên sinh trưởng. Do đó mức độ của ưu thế ngọn phụ thuộc vào tỉ lệ giữa auxin/xytokinin. Càng gần chồi ngọn tỉ lệ này càng cao và ưu thế chồi ngọn càng mạnh mẽ. d. Auxin kích thích sự ra rễ Sự hình thành rễ, đặc biệt là rễ phụ hiệu quả của auxin càng đặc trưng (giâm cành, chiết cành). Thường gồm 3 giai đoạn: - Phân hóa tế bào ở vùng tầng phát sinh - Xuất hiện mầm rễ - Mầm rễ phát triển thành rễ phụ, xuyên qua vỏ ra ngoài rễ. Có auxin Không có auxin 7 e. Auxin kích thích sự hình thành quả và ra quả không hạt Phôi hạt phát triển từ hợp tử, là nơi tổng hợp auxin sẽ khuếch tán vào bầu nhụy và kích thích bầu nhụy lớn lên thành quả. Quả chỉ được hình thành khi có sự thụ tinh. Bổ sung thêm auxin cho hoa làm tăng hoặc thay thế lượng auxin nội sinh trong phôi, do đó có thể không cần qua quá trình thụ phấn, thụ tinh mà bầu vẫn lớn lên và tạo thành quả. g. Auxin kích thích sự chuyển động của chất nguyên sinh Auxin làm tăng sự di chuyển chất nguyên sinh trong trao đổi chất, kích thích quá trình sinh tổng hợp và ức chế sinh phân giải hợp chất cacbon sẽ thúc đẩy các quá trình sinh lý (quang hợp, hô hấp, hấp thụ và vận chuyển nước, muối khoáng và chất hữu cơ trong cây). h. Auxin kìm hãm sự rụng lá, hoa, quả Auxin ức chế sự hình thành tầng rời ở cuống lá, hoa, quả là nơi khá nhạy với các chất ức chế sinh trưởng. Phun auxin lên lá, hoa, quả sẽ tránh được sự rụng sớm lá, hoa, quả non, tạo cho năng suất được ổn định và nâng cao. 8 2. Giberelin (GA) Giberelin là nhóm phytohormon được phát hiện sau auxin khi nghiên cứu bệnh lúa von. Ngày nay đã phát hiện được 52 loại giberelin. Tất cả giberelin đều có một vòng gibban, sự khác biệt giữa các giberelin là vị trí nhóm OH trong phân tử. Có hai nhóm chính là: nhóm 19 cacbon và nhóm 20 cacbon. GA được tổng hợp trong phôi đang sinh trưởng, trong các cơ quan đang sinh trưởng (lá non, rễ non, quả non). 9 Công thức cấu tạo của GA 2.1. Cơ chế tổng hợp và tác động của GA Theo M.Badley (1969) GA được tổng hợp vào ngày thứ hai của sự nảy mầm ở phôi hạt. GA được thoát ra từ phôi, khuếch tán qua nội nhũ tới lớp alơron để kích thích sự hình thành và giải phóng enzym thủy phân trong alơron. Sau đó enzym được khuếch tán vào nội nhũ thủy phân các chất đa phân tử thành đơn phân tử, kích thích sự nảy mầm của phôi. Các tế bào alơron là tế bào sống nhưng không phân chia, có chức năng đặc trưng là hình thành và giải phóng enzym tiêu hóa khối nội nhũ của hạt. GA cảm ứng các hoạt động α - amilaza và các enzym thủy phân khác, có vai trò giải thoát sự ức chế một số enzym trong hạt, tạo điều kiện để hệ thống enzym thủy phân hoạt động trong quá trình tổng hợp protein. Ngoài tác dụng mở gen, GA còn kích thích các enzym xâm nhập vào nội nhũ. Chính nhờ tác dụng mở gen mà GA có vai trò quan trọng trong sự phân chia tế bào, sự kéo dài tế bào, sự phân hóa hoa (chất florigen là hormon kích thích ra hoa là tập hợp GA và antezin). GA là tác nhân mở gen đã được mã hóa trong cấu trúc phân tử AND nhưng vẫn trong trạng thái ức chế, không hoạt động trở nên hoạt động để gen thực hiện chương trình đã định. GA làm tế bào kéo dài, lớn lên, liên quan đến cơ chế hoạt động của bơm proton (như auxin). 2.2. Hiệu quả sinh lí của giberelin Giberelin với nồng độ thích hợp (thường là 10 -6 M/l) có tác dụng sinh lí nhiều mặt. Kích thích sự phân chia và kéo dài tế bào, sự ra hoa, tạo quả. Đặc biệt làm cây cao vóng lên rõ rệt. Tuy nhiên GA và auxin có hoạt tính khác nhau. Chẳng hạn, GA không ảnh hưởng đến sự rụng lá, rụng quả, sự rũ của cành bên, nhưng lại kích thúch sự kéo dài thân và sự ra hoa. a. GA kích thích thân mọc cao, dài lá Hiệu quả sinh lý rõ rệt nhất, làm thân mọc cao, dài ra, các lóng (họ hòa thảo) vươn dài ra. Đó là do GA có tác động lên tế bào theo chiều dọc, làm 10 [...]... trong mối tác động tương hỗ với các phytohormon khác (giberelin và xytokinin) - Phối hợp giberelin với auxin: tăng sự đậu quả và tạo quả không hạt - Phối hợp với xytokinin: + Auxin / xytokinin cao: kích thích sự ra rễ + Auxin / xytokinin thấp: kích thích nảy chồi Tỉ lệ Auxin / xytokinin còn có sự cân bằng trong sự tái sinh chồi và rễ Nếu tỉ lệ nghiêng về auxin thì rễ sinh trưởng mạnh, nếu tỉ lệ nghiêng... không có Bổ sung lượng GA cần thiết làm cho cây phát triển có chiều cao bình thường Hiệu quả sinh lí này rất nhạy cảm, nên dùng xác định xem lượng GA có trong cây nhiều, ít hay không có 11 b GA kích thích sự nảy mầm của hạt, củ và thân ngầm GA phá vỡ trạng thái ngủ, nghỉ Trong những trường hợp này, GA đã kích thích sự tổng hợp và hoạt tính amylaza và enzym thủy phân như proteaza, photphataza,… GA đã... cành (dùng cho hạt đào, mận, mầm khoai tây) c GA kích thích ra hoa và tạo quả sớm, quả không hạt Thuyết hormon ra hoa (florigen) có mặt giberelin GA kích thích sự nhô hoa của cây ngày dài có thể ra hoa trong điều kiện ngày ngắn, làm tăng hiệu quả xuân hóa, biến cây hai năm thành cây một năm GA kết hợp với nhiệt độ thấp (4-10oC) phá sự ngủ, nghỉ, kích thích sự ra hoa sớm cho xà lách, su hào, cải lấy hoa... tác động đến cơ quan giới tính, ức chế sự phát triển hoa cái và kích thích sự phát triển hoa đực Trong sự sinh trưởng của quả, GA có vai trò như auxin, làm tăng kích thước quả, tạo quả không hạt Hiệu quả rõ rệt khi phối hợp GA với auxin Giberelin có tác động làm cho tổng hợp auxin được tăng cường, hạn chế sự phân giải auxin GA kích thích sự phát triển của hoa đực 13 d GA tác dụng đến quá trình trao... hóa học, số lượng và kích thước quả, hạt (xử lí GA làm tăng lượng đường trong quả nho) GA thúc đẩy sự sinh trưởng cây gỗ non và tạo thành cành mới Cung cấp cho cây chất dinh dưỡng đầy đủ thì hiệu quả của GA được phát huy đến sinh trưởng và phát triển của cây 3 Xytokinin Xytokinin là hợp chất kích thích sự phân chia tế bào, được phát hiện ở hầu hết các mô và cơ quan thực vật Đầu chóp rễ chính và phụ... một số mầm (nho…) làm cho sự nảy mầm được dễ dàng 15 Xytokynin kích thích sự hình thành chồi - Xúc tiến sự phát triển của chùm hoa ở một số loài trong điều kiện quang chu kỳ không thuận lợi - Kích thích sự chuyển hóa các tiền lạp thể thành lục lạp, làm chậm sự phân hủy diệp lục, làm chậm sự hóa già của lá c Xytokinin tác động tới sự sinh trưởng tế bào - Xytokinin cần thiết cho sự phân chia của tất cả...tăng nhanh sự sinh trưởng sinh dưỡng, tăng sinh khối của cây Với nồng độ 20-50 ppm, tăng năng suất xơ và chất lượng sợi ở cây đay, cây lanh GA có tác dụng rõ rệt với các đột biến lùn Các đột biến lùn ở đậu, ngô,… có chiều cao chỉ... của tất cả tế bào thực vật - Xytokinin có thể làm tăng kích thước của tế bào, ở rễ và thân, các xytokinin kìm hãm sự kéo dài theo chiều dọc nhưng kích thích sự mở rộng kích thước theo chiều ngang và bề dày của các cơ quan các loại củ cải - Xytokinin kích thích sự tổng hợp protein, tham dự vào ARN, bảo đảm cho sự gắn các axit amin vào chuỗi polypeptit d Xytokinin tác động đến thành tạo cơ quan mới - Sự... tARN cũng cần lượng xytokinin tự do Xytokinin ngăn chặn sự hóa già có liên quan đến khả năng ngăn chặn sự phân hủy protein, axit nucleic và diệp lục 3.3 Hiệu quả sinh lí của xytokinin a Các chức năng khác nhau ở mức độ tế bào Xytokinin kích thích sự phân chia tế bào với sự hiện diện của auxin Nó thúc đẩy sự lớn lên của tế bào, nhưng khác auxin, nó thúc đẩy sự tổng hợp protein b Vai trò của xytokinin... quan thực vật Đầu chóp rễ chính và phụ là trung tâm tổng hợp xytokinin Từ đó nó được vận chuyển lên phía trên cùng mạch gỗ với dòng thoát hơi nước 3.1 Cấu trúc Phần lớn xytokinin là dẫn xuất của adenin Sinh tổng hợp xytokinin bắt đầu từ adenin và từ con đường mêvalonat để tổng hợp isoprenoid Chuỗi bên của xytokinin là một đơn vị isoprenoid và mêvalonat Công thức cấu tạo của xytokinin Xytokinin tự nhiên . chỉnh các hoạt động sinh lí, quá trình sinh trưởng và phát triển của thực vật. Các chất điều chỉnh sinh trưởng, hoạt tính sinh học có trong cơ thể thực vật gọi là phytohormon. Phytohormon là. quả. g. Auxin kích thích sự chuyển động của chất nguyên sinh Auxin làm tăng sự di chuyển chất nguyên sinh trong trao đổi chất, kích thích quá trình sinh tổng hợp và ức chế sinh phân giải hợp. cơ thể (từ tế bào sinh sản như bào tử, hợp tử hay cơ thể cho tới khi tạo thành một hay nhiều lần các tế bào sinh sản mới trong sinh sản vô tính, sinh dưỡng và hữu tính). - Sinh trưởng và phát