để cấu trúc nên tế bào, mô và cung cấp năng lượng cho các hoạt động sống của chúng, thì còn có các chất có hoạt tính sinh lý như vitamin, enzyme và các hormone, trong đó các hormone có m
Trang 1PHẦN I: MỞ ĐẦU
Trong đời sống thực vật, ngoài các chất hữu cơ như gluxit, protêin, lipit, axit nucleic để cấu trúc nên tế bào, mô và cung cấp năng lượng cho các hoạt động sống của chúng, thì còn có các chất có hoạt tính sinh lý như vitamin, enzyme và các hormone, trong đó các hormone có một vai trò rất quan trọng trong việc điều hòa quá trình sinh trưởng phát triển và các hoạt động sinh lý của thực vật
Các hormone thực vật (phytohormone) là những chất hữu cơ có bản chất hóa học rất khác nhau được tổng hợp với một lượng rất nhỏ ở các cơ quan, bộ phận nhất định của cây và từ đó vận chuyển đến tất cả các cơ quan, các bộ phận khác của cây để điều tiết các hoạt động sinh lý, các quá trình sinh trưởng, phát triển của cây và để đảm bảo mối quan hệ hài hòa giữa các cơ quan, bộ phận trong cơ thể
Hooc mon thực vật có hai nhóm:
- Nhóm chất kích thích sinh trưởng: Auxin, gibêrelin có tác động đến sự kéo dài, lớn lên của tế bào; cytokinin có vai trò trong phân chia tế bào…
- Nhóm các chất ức chế sinh trưởng: Axit abxixic tác động đến sự rụng lá; etilen tác động đến sự chín của quả; chất làm chậm sinh trưởng và chất diệt cỏ
Ngày nay bằng con đường hoá học con người đã tổng hợp nên hàng loạt các chất khác nhau nhưng có hoạt tính sinh lý tương tự với các chất điều hòa sinh trưởng tự nhiên để điều chỉnh quá trình sinh trưởng, phát triển của cây trồng, nhằm tăng năng suất và phẩm chất của cây trồng Các chất điều hoà sinh trưởng nhân tạo ngày càng phong phú và được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất nông nghiệp
Trong nhóm chất kích thích sinh trưởng, cytokinin được phát hiện thứ 3 sau auxin và giberelin Cytokinin có tác dụng mạnh mẽ trong phân chia tế bào Sự kết hợp
tỉ lệ auxin/cytokinin có ý nghĩa thực tiễn rất lớn trong ngành khoa học nuôi cấy mô và các ngành khoa học khác cũng như trong thực tiễn cuộc sống Để tìm hiểu về cytokinin và khả năng ứng dụng của hoocmon này trong thực tế sản xuất, đồng thời góp phần tìm ra phương pháp sử dụng hiệu quả loại hoocmon này nhằm nâng cao
năng suất, chất lượng cây trồng tôi thực hiện chuyên đề “ Vai trò sinh lý và ứng dụng của Cytokinin trong nghiên cứu và sản xuất ”
Trang 2PHẦN II: NỘI DUNG
1 LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT HIỆN CYTOKININ
- Từ 1913, Haberlandt đã chứng minh rằng: Các mô thương tổn có khả năng sinh ra một chất kích thích sinh trưởng và khuyếch tán vào mô không thương tổn kích thích sự phân chia của nó
- Năm 1941, Overbeek đã chứng minh là ở nước dừa có khả năng tồn tại một chất kích thích sự phân chia và phân hóa tế bào
Việc phát hiện ra cytokinin gắn liền với kỹ thuật nuôi cây mô tế bào thực vật Năm 1955 Miller và Skoog phát hiện và chiết xuất từ tinh dịch cá thu một hợp chất có khả năng kích thích sự phân chia tế bào rất mạnh mẽ trong nuôi cấy mô gọi là kinetin (6- furfuryl -aminopurin - C10H9N5O)
- Letham và Miller (1963) lần đầu tiên đã tách được cytokinin tự nhiên ở dạng kết tinh từ hạt ngô gọi là zeatin và có hoạt tính tương tự kinetin Sau đó người ta đã phát hiện cytokinin có ở trong tất cả các loại thực vật khác nhau và là một nhóm phytohormone quan trọng ở trong cây Trong các loại cytokinin thì 3 loại sau đây là phổ biến nhất: Kinetin (6- furfuryl- aminopurin), 6-benzin- aminopurin và zeatin tự nhiên
- Nước dừa (phôi nhũ lỏng) từ lâu được dùng trong nuôi cấy (Van Overbeek et al., 1941) Môi trường chứa auxin và 10-20% nước dừa giúp sự phân chia của tế bào thân đã phân hoá (sự tạo mô sẹo) Người ta tìm cách xác định bản chất hoá học của chất có trong nước dừa, nhưng phải sau sự khám phá cytokinin vài năm, nước dừa mới được chứng minh chứa zeatin (Letham, 1974)
Sau zeatin, hơn 30 cytokinin khác nhau được cô lập Ngày nay, người ta gọi cytokinin để chỉ một nhóm chất thiên nhiên hay nhân tạo, có đặc tính sinh lý giống nước dừa hay kinetin
2 CẤU TRÚC VÀ PHÂN LOẠI
2.1 Cấu trúc
- Cytokinin là dẫn xuất của Adenin, được định nghĩa là những chất hoá học có
hoạt tính giống với trans-zeatin.
Trang 3- Về cấu trúc, đa số cytokinin có dạng purine được thay thế N tại vị trí C6
- Zeatin tự do ở dạng trans trong phần lớn thực vật, mặc dù cả 2 dạng cis và trans đều có hoạt tính của cytokinin Nhiều chất tổng hợp có hoạt tính cytokini, chúng đều là các aminopurin được thay thế ở vị trí 6, thí dụ benzylaminopurin (benzyl adenin, viết tắt BAP hay BA) là chất được dùng trong nông nghiệp Ngoại lệ, vài dẫn xuất diphenilurê có hoạt tính cytokinin nhưng yếu
- Chuỗi ngang của các cytokinin thiên nhiên có liên hệ về mặt hoá học với cao
su, carotenoid, gibberelin, axit abcisic, và vài hợp chất bảo vệ thực vật gọi là
phytoalexin Tất cả các hợp chất này, ít ra là một phần, được thành lập bởi các đơn vị
isopren có nguồn gốc từ tiền chất acid mevalonic Ở thực vật, cytokinin synthaz là enzym xúc tác sự liên kết giữa chuỗi bên và adenosin monophosphat (AMP)
Zeatin
Trang 4Các dạng cytokinin trong tự nhiên
Trong cây các dạng cytokinin có thể chuyển hóa qua lại lẫn nhau
Cytokinin bị phân giải
Trang 52.2 Phân loại.
- Các loại cytokinin tự nhiên: Ngày nay, người ta cho rằng kinetin không phải
là chất tự nhiên mà nó được tạo thành do sự tái sắp xếp lại cấu trúc của một chất khác (Hecht, 1980), có ít nhất hai loại cytokinin tự nhiên có cấu trúc tương tự như cấu trúc của kinetin đã được xác định, đó là những hợp chất tự do hay những hợp chất có gắn với nhóm glucoside hoặc riboside (Entsch và cộng sự, 1980) Hai loại cytokinin thường được sử dụng trong nuôi cấy mô là:
* Zeatin: 4-hydroxy-3-methyl-trans-2-butenylaminopurine, hoặc 6-(4-hydro-3-methylbut-2-enyl)-aminopurine hoặc 2-methyl-4(-1H-purine-6-ylamino)-2-buten-1-ol)
* 2-iP (IPA): N6-(2-isopentyl)adenine hoặc 6-(3-methyl-2-butenylamino)purine Dihydrozeatin: 6-(-hydroxy=3=methyl-trans-2-butenyl)aminopurine
- Các loại cytokinin tổng hợp: các loại cytokinie tự nhiên như 2-iP và zeatin ít
được sử dụng trong các thí nghiệm vì giá thành cao Một số hợp chất tổng hợp thuộc nhóm cytokinin thường được sử dụng trong công tác nuôi cấy là:
+ Kinetin: 6-furfurylaminopurine hoặc N-(2-furanylmethyl)-1H-purine-6-amine + BAP (BA): 6-benzylaminopurine hoặc benzyladenine
+ TDZ: 1-phenyl-3(1,2,3 thiadiazol-5-yl)
Trang 6- Trọng lượng phân tử của một số cytokinin:
tắt
Trọng lượng
Dung môi
Nhiệt độ bảo quản Dạng
bột
Dạng lỏng
6-Benzylaminopurine
oC Zeatin
oC 0oC
1N
oC 0oC Kinetin
oC 0oC 1-phenyl-3(1,2,3 thiadiazol-5-yl) TDZ 220.2 DMSO - 2-8oC
3 SINH TỔNG HỢP
- Cytokinin là những dẫn xuất từ tARN thực vật, chúng được tổng hợp trong hệ
rễ, rồi được vận chuyển không phân cực trong xylem lên ngọn Ngoài ra chúng còn được tổng hợp ở chồi, lá non, quả non, tầng phát sinh…
- Mô phân sinh ngọn rễ là nơi tổng hợp chủ yếu các cytokinin tự do cho cả cơ thể thực vật Từ rễ, cytokinin di chuyển trong mạch mộc để tới chồi Tuy nhiên, các chồi ( cà chua) và phôi cũng là nơi tổng hợp cytokinin
Khác với mô phân sinh ngọn chồi, phôi bị tách khỏi cây vẫn tiếp tục tăng trưởng
và phát triển bình thường trên môi trường thiếu hormon Người ta không biết chính xác khi nào phôi tự lập về cytokinin, tuy nhiên, có lẽ phôi quá non ( không có khả năng tổng hợp cytokinin) dùng cytokinin hiện diện ở hàm lượng cao trong phôi nhũ Phân tử tRNA (tham gia trong sự tổng hợp protein trong cytosol hay trong diệp lạp) không chỉ chứa 4 nucleotid tạo nên mọi RNA, mà còn vài nucleotid không bình thường với các bazo bị biến đổi Vài bazo này hoạt động như cytokinin khi tRNA bị thuỷ giải (theo con đường enzym troong tế bào) Như vậy, tRNA của thực vật (và hầu như của mọi sinh vật từ vi khuẩn đến con người) chứa zeatin, mặc dù ở dạng đồng phân cis thay vì trans như các cytokinin tự do
Trang 7- Sự sinh tổng hợp cytokinin liên quan đến các bước khởi đầu của chu trình mevalonic acid đến isopentenyl phosphate (hình) Bước tiếp theo isopentenyl sẽ kết hợp với AMP để tạo thành isopentenyl AMP Chất này sau đó được biến đổi thành isopentenyl adenosine theo sau một loạt phản ứng khác để tạo thành cytokinin
Sơ đồ sinh tổng hợp Gibberellin, Cytokinin và Abscisic acid từ mevalonic acid
- Cytokinin trong thực vật có thể ở dạng tự do hoặc liên kết, chúng nhanh chóng bị chuyển hoá nhờ các enzyme oxidase thành adenine rồi theo con đường chuyển hóa adenin để tái sử dụng trong cơ thể hoặc phân giải thành sản phẩm cuối cùng là urea
4 CƠ CHẾ TÁC DỤNG CỦA CYTOKININ
Trang 8- Cơ chế tác động Cytokinin điều chỉnh sinh trưởng theo nhiều cách kích thích
sự phân chia tế bào và phân hoá mầm, kích thích sự phát triển chồi bên Hiện nay các nhà khoa học đã xác định được Cytokinin tác động lên cả ba pha của quá trình sinh trưởng tế bào (phân chia, lớn lên và phân hoá) Do Cytokinin có khả năng làm cho chất dinh dưỡng trong cây tập trung về vùng nó tác động đồng thời làm tăng hàm lượng protein và axit nucleic ở vùng này Do khi có Cytokinin quá trình vận chuyển các chất trong là diễn ra mạnh mẽ hơn
Ngoài ra, sự giống nhau Cytokinin với adenin trong cấu trúc ADN, ARN cho
ta thấy là chúng có vai trò quan trọng trong trao đổi axit nucleic Ngoài ra còn tăng cường PPOX, tăng cường tạo protochorophyl (tăng tổng hợp grana và tylacoit) Tổng hợp ADN và phân chia tế bào đều được Cytokinin kích thích
- Hoạt hóa sự phân chia tế bào: khi thiếu cytokinin thì tế bào không phân chia mặc dù mRNA vẫn được hình thành bởi vì cytokinin tác động vào giai đoạn sau của quá trình phiên mã
Tác động của cytokinin ở giai đoạn dịch mã
- Có tác động đến quá trình tổng hợp protein
Trang 9- Cytokinin còn là hoocmon thực vật quan trọng điều chỉnh quá trình già
hoá nó tăng cường sự hình thành chồi, kéo dài tuổi thọ của cơ quan và của cây vì
nó kích thích sự tổng hợp diệp lục, axit nucleic và protein Khi xử lí cytokinin cho
cơ quan và toàn cây sẽ kéo dài thời gian sinh trưởng của chúng, làm chậm sự ra hoa Hệ rễ là cơ quan tổng hợp cytokinin Nếu rễ của cây phát triển mạnh thì cây sinh trưởng tốt, tốc độ già hoá chậm lại
5 VAI TRÒ SINH LÝ CỦA CYTOKININ
Tính chất đặc trưng của Cytokinin là kích thích sự phân chia tế bào mạnh mẽ
Vì vậy người ta xem chúng như là các chất hoạt hóa sự phân chia tế bào, nguyên nhân là do Cytokinin hoạt hóa mạnh mẽ quá trình tổng hợp axit nucleic và protein dẫn đến kích sự phân chia tế bào
Trang 10Hiệu quả kìm hãm sự già hóa, kéo dài tuổi thọ của các cơ quan có thể chứng minh khi cành dâm ra rễ thì rễ tổng hợp cytokinin nội sinh và kéo dài thời gian sống
Trang 11của lá lâu hơn Hàm lượng cytokinin nhiều làm cho lá xanh lâu do nó tăng quá trình vận chuyển chất dinh dưỡng về nuôi lá Trên cây nguyên vẹn khi bộ rễ sinh trưởng tốt thì làm cho cây trẻ và sinh trưởng mạnh, nếu bộ rễ bị tổn thương thì cơ quan trên mặt đất chóng già
- Cytokinin trong một số trường hợp ảnh hưởng lên sự nảy mầm của hạt và của
củ Vì vậy nếu xử lý cytokinin có thể phá bỏ trạng thái ngủ nghỉ của hạt, củ và chồi ngủ
- Ngoài ra cytokinin còn có mối quan hệ tương tác với auxin, cytokinin làm yếu hiện tượng ưu thế ngọn, làm phân cành nhiều Cytokinin còn ảnh hưởng lên các quá trình trao đổi chất như quá trình tổng hợp axit nucleic, protein, chlorophin và vì vậy ảnh hưởng đến các quá trình sinh lý của cây
6 NHỮNG ỨNG DỤNG CỦA CYTOKININ TRONG THỰC TIỄN SẢN XUẤT 6.1.Một số nguyên tắc khi sử dụng chất điều hoà tăng trưởng thực vật:
Hiện nay trong lĩnh vực hóa học nông nghiệp, việc sử dụng các chất điều hòa sinh trưởng trong trồng trọt đang phát triển mạnh mẽ với những mục đích khác nhau Các chất điều hòa sinh trưởng của thực vật ngày nay đã và đang được sử dụng rộng rãi trong trồng trọt như là một phương tiện điều chỉnh hóa học quan trọng đối với sự sinh trưởng, phát triển của cây nhằm tăng năng suất của cây trồng, nâng cao hiệu quả lao động, tiết kiệm công sức và thời gian canh tác
Khi sử dụng các chất điều hòa sinh trưởng trong trồng trọt cần lưu ý các nguyên tắc sau đây
6.1.1 Nồng độ sử dụng: Hiệu quả tác dụng của các chất điều hòa sinh trưởng phụ
thuộc vào nồng độ Nếu sử dụng để kích thích thì dùng nồng độ thấp, nếu dùng để ức chế sinh trưởng hoặc diệt trừ cỏ thì sử dụng nồng độ cao Mặt khác các bộ phận khác nhau và tuổi của cây khác nhau cảm ứng với các chất điều hòa sinh trưởng không giống nhau, rễ và chồi có cảm ứng mạnh với auxin hơn thân cây Cây non có cảm ứng mạnh hơn cây già Vì vậy muốn sử dụng các chất điều hòa sinh trưởng có hiệu quả cần phải xác định từng loại cây trồng, thời kỳ sinh trưởng và các chất kích thích sinh trưởng tương ứng khác nhau
Trang 126.1.2 Nguyên tắc phối hợp: Khi sử dụng các chất điều hòa sinh trưởng phải thỏa
mãn được các điều kiện sinh thái và các yếu tố dinh dưỡng cho cây Vì các chất điều hòa sinh trưởng làm tăng cường các quá trình trao đổi chất mà không tham gia trực tiếp vào trao đổi chất, nên không thể dùng các chất đó để thay thế chất dinh dưỡng Vì vậy, muốn sử dụng chất điều hòa sinh trưởng có hiệu quả cao cần phải xác định thời
vụ và vùng cây trồng thích hợp để có các điều kiện sinh thái phù hợp như yếu tố nhiệt
độ, ánh sáng , độ ẩm Ðồng thời cần đáp ứng đầy đủ nước và phân bón cho cây trồng Cũng xuất phát từ đó người ta sử dụng biện pháp phun hỗn hợp các chất điều hòa sinh trưởng và các nguyên tố khoáng đa lượng và vi lượng nhằm tăng năng suất một số loại cây trồng Như vậy rõ ràng giữa các chất điều hòa sinh trưởng và phân bón có mối quan hệ khăng khít Phân bón làm tăng cường hiệu quả kích thích của các chất điều hòa sinh trưởng Ngược lại các chất kích thích làm tăng hiệu quả của phân bón Vì vậy việc sử dụng phối hợp giữa phân bón và chất điều hòa sinh trưởng có ý nghĩa rất lớn và cũng là một hướng quan trọng trong nông nghiệp hiện nay
6.1.3 Nguyên tắc đối kháng sinh lý giữa các chất điều hòa sinh trưởng nội sinh
và ngoại sinh: Khi sử dụng chất điều hòa sinh trưởng cần chú ý nguyên tắc đối kháng
giữa các nhóm chất sau: Chẳng hạn sự đối kháng sinh lý giữa auxin xử lý và etylen nội sinh trong việc ngăn ngừa sự rụng lá, hoa, quả; Sự đối kháng giữa gibberellin ngoại sinh và axit absisic nội sinh trong việc phá bỏ trạng thái ngủ nghỉ của cây; Sự đối kháng giữa auxin và cytokinin trong sự phân hóa rễ và chồi
6.1.4 Nguyên tắc chọn lọc: Nguyên tắc này thường áp dụng với các chất diệt trừ
cỏ dại Các chất diệt trừ cỏ có tính độc chọn lọc cao Một chất diệt cỏ chỉ có tác dụng độc đối với một số loại cây nhất định mà ít hoặc không độc đối với những loại cây khác Khả năng độc chọn lọc này có thể phụ thuộc vào đặc trưng giải phẫu có khả năng ngăn chặn sự xâm nhập của thuốc hay khả năng phân hủy nhanh trong cây nhờ
có các enzyme đặc hiệu Do đó phải chọn loại thuốc diệt cỏ và không độc cho cây trồng, đồng thời phối hợp một số thuốc khác nhau để diệt hết các đối tượng cỏ vốn mẫn cảm với thuốc rất lớn Chẳng hạn các dẫn xuất của axit phenoxyaxetic chỉ diệt cỏ hai lá mầm mà ít độc với cây một lá mầm nên được sử dụng diệt cỏ trong ruộng cây hòa thảo như lúa, ngô Ngược lại IPC (Izopropinphenyl cacbamat) độc đối với cây