Chuyên đề: Vai trò sinh lý và ứng dụng của Cytokinin

Chuyên đề: Vai trò sinh lý và ứng dụng của Cytokinin GVHD: TS. Phan Văn Tân PHẦN 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 ” HVTH: Phạm Huy Quang Trang 1 Chuyên đề: Vai trò sinh lý và ứng dụng của Cytokinin GVHD: TS. Phan Văn Tân PHẦN 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 - C 10 H 9 N 5 O). - 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. HVTH: Phạm Huy Quang Trang 2 Chuyên đề: Vai trò sinh lý và ứng dụng của Cytokinin GVHD: TS. Phan Văn Tân - Về cấu trúc, đa số cytokinin có dạng purine được thay thế N tại vị trí C 6 . - 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). HVTH: Phạm Huy Quang Trang 3 Zeatin Chuyên đề: Vai trò sinh lý và ứng dụng của Cytokinin GVHD: TS. Phan Văn Tân Các dạng cytokinin trong tự nhiên Trong cây các dạng cytokinin có thể chuyển hóa qua lại lẫn nhau Cytokinin bị phân giải HVTH: Phạm Huy Quang Trang 4 Chuyên đề: Vai trò sinh lý và ứng dụng của Cytokinin GVHD: TS. Phan Văn Tân 2.2. 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): N 6 -(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) HVTH: Phạm Huy Quang Trang 5 Chuyên đề: Vai trò sinh lý và ứng dụng của Cytokinin GVHD: TS. Phan Văn Tân - Trọng lượng phân tử của một số cytokinin: Tên chất Viết tắt Trọng lượng Dung môi Nhiệt độ bảo quản Dạng bột Dạng lỏng Adenine ADE 135.1 1.0 HCI - 2-8 o C 6-Benzylaminopurine BAP 225.3 1N NaOH - 2-8 o C Zeatin ZEA 219.2 1N NaOH 0 o C 0 o C 6-(3-methyl-2- butenylamino)purine 2-iP 203.2 1N NaOH 0 o C 0 o C Kinetin KIN 215.2 1N NaOH 0 o C 0 o C 1-phenyl-3(1,2,3 thiadiazol-5-yl) TDZ 220.2 DMSO - 2-8 o C 1,3-Diphenylurea DPU 212.3 DMSO - 2-8 o C 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. HVTH: Phạm Huy Quang Trang 6 Chuyên đề: Vai trò sinh lý và ứng dụng của Cytokinin GVHD: TS. Phan Văn Tân - 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 HVTH: Phạm Huy Quang Trang 7 Chuyên đề: Vai trò sinh lý và ứng dụng của Cytokinin GVHD: TS. Phan Văn Tân - 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 HVTH: Phạm Huy Quang Trang 8 Chuyên đề: Vai trò sinh lý và ứng dụng của Cytokinin GVHD: TS. Phan Văn Tân - 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. HVTH: Phạm Huy Quang Trang 9 Chuyên đề: Vai trò sinh lý và ứng dụng của Cytokinin GVHD: TS. Phan Văn Tân Hiệu 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 HVTH: Phạm Huy Quang Trang 10 [...]... chồi và cấy vào môi trường ra rễ trong đó hàm lượng auxin được tăng lên Sơ đồ tóm tắt ảnh hưởng sinh lý của Cytokinin HVTH: Phạm Huy Quang Trang 15 Chuyên đề: Vai trò sinh lý và ứng dụng của Cytokinin GVHD: TS Phan Văn Tân PHẦN III: KẾT LUẬN Qua những thông tin tìm hiểu về cytokinin ở trên, chúng ta có thể thấy được citokinin có vai trò rất quan trọng đối với thực vật trong quá trình sinh trưởng và. .. Huy Quang Trang 16 Chuyên đề: Vai trò sinh lý và ứng dụng của Cytokinin GVHD: TS Phan Văn Tân TÀI LIỆU THAM KHẢO 1 Phan Văn Tân, Giáo trình Hoocmon thực vật và ứng dụng, Đại học Tây nguyên, 2011 2 Nguyễn Bá Lộc và cộng sự, Sinh lý học thực vật, Nxb Đại Học Huế, 2008 3 Nguyễn Minh Chơn, Giáo trình chất điều hòa sinh trưởng ở thực vật, Đại học Cần thơ, 2004 4 Bùi Trang Việt, Sinh lý thực vật đại cương (phần... 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... Vì vậy trong giai đoạn sinh trưởng đầu của quả cytokinin có vai trò rất quan trọng Việc sử dụng cytokinin cũng có thể làm tăng kích thước của quả như auxin và GA.Ví dụ: táo, chanh, cam nho… - Điều khiển sự già hóa bằng kỹ thuật trồng trọt và sử dụng citokinin Phân bón và nước là hai yếu tố quan trọng quyết định tốc độ già hoá của cơ quan và của cây Phân đạm và nước sẽ làm cây sinh trưởng mạnh, đâm chồi... lộc HVTH: Phạm Huy Quang Trang 13 Chuyên đề: Vai trò sinh lý và ứng dụng của Cytokinin GVHD: TS Phan Văn Tân nhiều và kéo dài thời gian sinh trưởng, ra hoa kết quả chậm lại Hạn và bón vôi sẽ làm cây chóng già, ra hoa kết quả sớm vì rút ngắn thời gian sinh trưởng Để điều khiển sự ra hoa của cây hoa, cây cảnh người ta thường tác động đến bộ rễ vì rễ là cơ quan tổng hợp cytokinin - hoocmon hoá trẻ Kỹ thuật.. .Chuyên đề: Vai trò sinh lý và ứng dụng của Cytokinin GVHD: TS Phan Văn Tân của 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... khác nhau HVTH: Phạm Huy Quang Trang 11 Chuyên đề: Vai trò sinh lý và ứng dụng của Cytokinin GVHD: TS Phan Văn Tân 6.1.2 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... hoạch quả Chất điều hoà sinh trưởng là phương tiện kéo dài sự chín của quả Ví dụ: cam, chanh, hồng… HVTH: Phạm Huy Quang Trang 14 Chuyên đề: Vai trò sinh lý và ứng dụng của Cytokinin GVHD: TS Phan Văn Tân - Kéo dài đời sống của hoa cắt: Hoa sau khi cắt khỏi cây sẽ rất chóng tàn Tốc độ hoá già tuỳ thuộc vào từng loại hoa cắt Việc ngăn chặn sự hoá già, kéo dài thời gian tồn tại của hoa cắt là một yêu... Vai trò sinh lý và ứng dụng của Cytokinin GVHD: TS Phan Văn Tân một lá mầm mà không độc với cây hai lá mầm Vì vậy để diệt cỏ hỗn hợp cần phải phối hợp hai loại thuốc nói trên 6.2 Một số ứng dụng thực tế của cytokinin trong sản xuất - Sử dụng dung dịch nước dừa ngâm hạt vừng trước khi gieo và phun lên lá của cây vừng (Sesamum indicum L.) đã làm cho quá trình sinh trưởng (tỷ lệ nảy mầm của hạt, diện... kích thước, thể tích của quả một cách nhanh chóng là đặc trưng sự sinh trưởng của quả Ví dụ một quả táo tây có thể tăng thể tích 6000 lần trong 20 tuần lễ sinh trưởng Sự sinh trưởng nhanh chóng như vậy là do được điều chỉnh bằng phytohoocmon xuất hiện trong phôi hạt Trong đó vai trò của cytokinin và sự sinh trưởng của quả là rất lớn.Trong quả non mới hình thành có chứa nhiều cytokinin Cytokinin kích thích . 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: *. cytokinin: Tên chất Viết tắt Trọng lượng Dung môi Nhiệt độ bảo quản Dạng bột Dạng lỏng Adenine ADE 135.1 1.0 HCI - 2-8 o C 6-Benzylaminopurine BAP 225.3 1N NaOH - 2-8 o C Zeatin ZEA 219.2 1N. 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