Sinh học phát triển cá thể thực vật hệ đào tạo ĐHSP sinh học

Đối tượng của môn sinh học phát triển - Nghiên cứu các qui luật phát triển cá thể, qui luật phát sinh hình thái và cơ chế kiểm tra nó ở các mức độ khác nhau phân tử, tế bào, mô, cơ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢNG BÌNH KHOA NÔNG – LÂM – NGƯ

BÀI GIẢNG

SINH HỌC PHÁT TRIỂN CÁ THỂ THỰC VẬT

(Hệ đào tạo: Đại học Sư phạm Sinh học)

Năm 2016 (Lưu hành nội bộ)

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Khái niệm chung về Sinh học phát triển cá thể thực vật 1

2 Cơ sở phân tử của sinh học phát triển 3

3 Quá trình truyền tín hiệu trong sinh học phát triển 10

CHƯƠNG I : SỰ KIỂM TRA QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN 18

1 Khái niệm chung 18

2 Hormone thực vật 18

3 Phitocrom 20

CHƯƠNG II: CHU TRÌNH SỐNG CỦA TẾ BÀO 25

1 Khái niệm chung 25

2 Đặc trưng điều tiết chu kì tế bào 26

3 Sự phân hóa của tế bào trong quá trình phát triển 27

CHƯƠNG III: CÁC TRẠNG THÁI PHÁT TRIỂN CỦA THỰC VẬT 31

1 Cuộc sống tiểm ẩn 31

2 Trạng thái hoạt động 33

CHƯƠNG IV: SỰ PHÁT TRIỂN CỦA CÁC CƠ QUAN SINH DƯỠNG 39

1 Sự chuyên hóa của các tế bào thực vật 39

2 Mô phân sinh và sự sinh trưởng của thực vật 40

3 Giai đoạn già và chết của cơ thể thực vật 42

CHƯƠNG V: SINH SẢN CỦA THỰC VẬT 45

1 Khái niệm chung về sinh sản ở thực vật 45

2 Sinh sản hữu tính ở thực vật có hoa 48

CHƯƠNG VI: ĐIỀU TIẾT RA HOA 51

1 Khái niệm chung về sự điều tiết ra hoa 51

2 Điều tiết theo tuổi 51

3 Điều tiết cảm ứng 54

* Tài liệu tham khảo

MỞ ĐẦU

I Khái niệm chung

1 Lược sử nghiên cứu sinh học phát triển

- Khoảng 600 năm trước công nguyên, trên bờ biển Eđi thuộc xứ Ioni nước Hy lạp đã xuất hiện một số trường phái triết học về quan niệm sự sống

- Theo truyền thuyết của Anclemeon thế kỉ thứ XI trước Công nguyên là người

đầu tiên đã giải phẫu động vật để miêu tả và quan sát sự phát triển của phôi gà Do vậy ông được coi là người đầu tiên đặt nền móng cho phôi sinh học, một bộ môn nghiên cứu sự phát triển cá thể

- Thế kỉ thứ XVII với thuyết “Tự sinh” cho rằng các sinh vật sống được hình thành từ các vật không sống qua việc quan sát sự xuất hiện các con dòi (ấu trùng của ruồi) trong thịt thối rữa Với thuyết này đã gây ra sự tranh luận gay gắt và rộng rãi ở thế kỉ XVII và XVIII giữa những người theo thuyết sinh lực luận và duy tâm

- Cùng với sự phát hiện ra kình hiển vi bởi một thương gia người Hà Lan là Antonivan Lovenhuc (1632 – 1723) Các nhà khoa học đã đi sâu nghiên cứu mô và phôi của động vật

- Nhà sinh lí học người Nga là Caxpa Fridik Volf (1733 – 1794) là người mở đầu chống lại thuyết “tiến thành luận” trong Luận án tiến sĩ của mình ông mô tả sự phát triển của hoa và lá thực vật Theo ông chồi mầm “đỉnh sinh trưởng” do những cấu trúc chưa phân hoá và đồng nhất tạo thành Trong quá trình sinh trưởng một số phân hoá thành hoa, một số thành lá Trong phôi gà, các mô chưa phân hoá dần dần thành các cơ quan nội tạng sau này Vì vậy, thuyết của Volf gọi là thuyết biểu sinh Nhà động vật học người Pháp là Etien Jofrua Saintiner (1772 – 1844) đã bổ sung bằng chứng cho thuyết biểu sinh bằng cách tạo sự phát triển không bình thường cho phôi gà đã thu được những phôi quái hình

- Người đặt nền móng cho sự nghiên cứu về mô là một thầy thuốc người Pháp Mari Frangxoa Xavie Bisa (1771- 1802) ông đã phát hiện ra rằng các cơ quan khác nhau được cấu tạo từ các hợp phần khác nhau về hình dạng Ông gọi các yếu tố hợp phần đó là mô

- Năm 1805 -1855 nhà sinh lí học người Đức là Huygo Fonbon gọi các yếu tố hợp thành trong các mô là những tế bào

- Nhà sinh lí học người Nga là Karl Makximovits Ber (1791 – 1871) đã nghiên cứu và trả lời các câu hỏi “Bằng cách nào từ trứng lại biến đổi thành cơ thể độc lập?” Qua 10 năm nghiên cứu, ông đã cho xuất bản tác phẩm đầu tiên bàn về vấn đề này Chính ông là người phát triển và đặt nền móng cho bộ môn phôi sinh học và sinh học phát triển Trong công trình của mình ông đã chứng minh rằng: trứng đang phát triển tạo thành các lớp mô chưa phân hoá, mỗi lớp khởi sinh hình thành các cơ quan khác nhau của cơ thể

- Nhà sinh lí học người Đức, Robe Remac (1815 – 1865) khi nghiên cứu sự phát triển phôi của động vật, đã phát hiện phôi gồm 3 lá khác nhau là ngoại bì, trung bì và

nội bì Như vậy, có thể thấy sự phát triển của phôi động vật đa bào bắt đầu từ trứng được thụ tinh, những trứng này về cơ bản giữa các loài không có sự khác nhau lớn Chỉ khi phôi phát triển dần dần mới có sự sai khác

- Ngày nay, đã có rất nhiều các công trình nghiên cứu nhằm giải thích cơ sở quá trình phát triển của các nhóm sinh vật khác nhau, đặc biệt các nghiên cứu đi sâu vào bản chất quá trình điều khiển quá trình phát triển của sinh vật Vì vậy, nhiều quá trình phát triển đã được sáng tỏ ở cấp độ tế bào và phân tử Tuy nhiên, vấn đề phát triển của sinh vật vẫn còn nhiều bí ẩn cần có nhiều các công trình nghiên cứu ở cấp độ sâu hơn

1.2 Đối tượng của môn sinh học phát triển

- Nghiên cứu các qui luật phát triển cá thể, qui luật phát sinh hình thái và cơ chế kiểm tra nó ở các mức độ khác nhau (phân tử, tế bào, mô, cơ quan và cơ thể)

- Nghiên cứu các yếu tố điều khiển quá trình phát triển của sinh vật đa bào

- Nghiên cứu qui luật chuyển tiếp của sinh giới từ bậc thấp đến bậc cao, từ đơn bào đến đa bào v.v

1.3 Nội dung môn sinh học phát triển

Môn sinh học bao gồm các nội dung cơ bản

- Phần cơ sở của sự phát triển sẽ đề cập đến các vấn đề cơ sở phân tử, tế bào của

sự phát triển, đồng thời khái quát các hình thức sinh sản của sinh vật, một quá trình có liên quan mật thiết đến sự phát triển của sinh vật

- Nghiên cứu sự phát triển của sinh vật bậc thấp (virut, vi khuẩn, tảo và nấm)

- Nghiên cứu quá trình phát triển và các yếu tố điều khiển quá trình phát triển của thực vật và động vật bậc cao

1.4 Một số khái niệm có liên quan

1.4.1 Sinh trưởng

Sinh trưởng của sinh vật là quá trình tăng không thuận nghịch kích thước (chiều dài, bề mặt, thể tích) và khối lượng kèm theo sự tạo mới các thành phần cấu trúc (tế bào, mô, cơ quan) của cơ thể

1.4.4 Di truyền

Là khả năng thế hệ sau lặp lại thế hệ trước dựa trên cơ sở bố mẹ truyền cho con cái các phân tử AND Đồng thời nhờ sinh sản mà các yếu tố di truyền được tổ hợp lại

1.4.5 Phát triển

Phát triển là những biến đổi về chất trong cấu trúc, hoạt tính chức năng của toàn bộ cơ thể và các bộ phận cấu thành nó (tế bào, mô, cơ quan) trong tiến trình phát triển

cá thể

1.4.6 Phát sinh cá thể (ontogenesis) hay chu trình sống

Phát sinh cá thể (ontogenesis) hay chu trình sống là tổng thể những biến đổi chức năng và hình thái do di truyền gây nên trong cơ thể từ khi cơ thể hình thành hay mầm sinh dưỡng đến cái chết tự nhiên trong điều kiện bình thường của ngoại cảnh

1.5 Quan hệ giữa sinh trưởng và phát triển

- Sinh trưởng tạo điều kiện cho phát triển hay nói cách khác không có sinh trưởng thì không có phát triển

Thí dụ: phôi cần có sự sinh trưởng về kích thước và số lượng tế bào mới chuyển sang nảy mầm hình thành cơ thể non trẻ Một số loài cây (cà chua) cơ thể phải có một số lượng lá nhất định mới chuyển sang trạng thái sinh trưởng sinh sản

- Phát triển lại tạo cho sinh trưởng diễn ra với tốc độ và hình thức khác nhau Có thể nói sinh trưởng và pháp triển là qui luật triết học về lượng và chất

Thí dụ: Ở cây Một lá mầm, giai đoạn non trẻ cơ quan sinh dưỡng sinh trưởng mạnh, sang giai đoạn ra hoa, tạo quả cơ quan sinh dưỡng ngừng sinh trưởng Các cây sống lâu năm, ra hoa kết quả nhiều lần trong vòng đời cũng có hiện tượng tương tự Khi hình thành hoa, quả cơ quan sinh dưỡng sinh trưởng chậm

II CƠ SƠ CỦA SỰ PHÁT TRIỂN

1 Cở sở phân tử của sự phát triển

Quá trình phát triển của cơ thể đa bào bắt đầu từ trứng thụ tinh cho đến khi cơ thể chết tự nhiên Không có bất cứ một tế bào trứng hay tinh trùng có sãn các tính trạng Trong trứng và tinh trùng chỉ chứa sãn chương trình phát triển cá thể dưới dạng

hệ thống các gen Chương trình này mang tính đặc thù cho loài, cá thể về số lượng gen, trình tự về thời gian hoạt động và cơ chế tác động của gen

1.1 Kích thước, tổ chức và tính phức tạp của bộ gen

+ Không có bất kì một trứng hay một tinh trùng nào đã có sãn các tính trạng của

cơ thể mà trong nó chỉ chứa hệ thống các gen qui định sự phát triển của cơ thể Tuy nhiên, mỗi loài bộ gen lại có sự khác nhau Chính vì vậy sự phát triển của mỗi loài lại mang tính đặc trưng

+ Kích thước của bộ gen có mối qua hệ đến sự phức tạp của cơ thể

Thí dụ: E.coli bộ gen có 0,47 108 cặp bazo (cb); ruồi giấm có 2.108 cb; người có 30.108 cb

+ Tổ chức gen của sinh vật nhân sơ (Procaruota)

- ADN không liên kết với protein histon

- Đa số các gen mã hóa các phân tử protein

- Gen của Procaruota không phân mảng

+ Tổ chức gen của sinh vật nhân chuẩn (Eukaryota)

- ADN liên kết với protein histon vì vậy sự mở mã di truyền của mỗi gen vào mỗi giai đoạn lại khác nhau

- Trong hệ gen có nhiều gen lặp: ở người ADN dài 1,2 m, nhưng thực chất ở người chỉ có 30000 – 40000 gen còn lại là các gen lặp

- Đa số gen phân mảng, chỉ có một số ít không phân mảng

- Ngoài gen trong nhân, chúng còn có gen ngoài nhân

1.2 Sự biểu hiện gen và sinh học phát triển

1.2.1 Sự biểu gen của sinh vật tiền nhân (Procaruota)

- Trong cơ thể vi khuẩn các gen được xếp thành các Operon Một operon gồm các gen cấu trúc và các gen điều tiết Sự sao mã và tổng hợp các phân tử protein của các gen cấu trúc do các gen điều tiết điều khiển

a Cấu trúc và cơ chế hoạt động của Lac – operon

Lac – operon của vi khuẩn E.coli do Francois Jacob và Jacques Monod ở viện Pasteus Paris mô tả vào năm 1961

+ Trong sinh vật Procaruota các gen được cấu trúc thành các operon, sự hoạt động của các operon có liên quan đến sinh trưởng và phát triển của cơ thể

+ Cấu trúc một operon (hình 1)

- Trong một operon gồm các vùng: vùng khởi động (P); vùng chỉ huy (O) và các gen cấu trúc Điều hòa operon có gen điều hòa R (gen R không nằm trong operon) + Cấu trúc Lac- opreon theo F Jacop vµ J Mono (1961)

Hình 1 Mô hình cấu trúc operon (theo N.A Camplell và CS 1977)

A Lac – operon đóng; B Lac- operon mở khi môi trường có lactozo

- Vùng khởi động (P) khởi động quá trình sao mã các gen cấu trúc

- Vùng điều hành (O) điều hành các gen cấu trúc

- Gen cấu trúc gồm 3 gen: gen1: tổng hợp -galactosidaza; gen 2: tổng hợp permeaza; gen 3: tổng hợp enzim transacetylaza

+ Operon đóng: bình thường gen R sao mã tổng hợp protein điều hòa, protein này gắn vào vùng O làm cho các gen cấu trúc không sao mã, tổng hợp các enzim + Operon mở: khi môi trường có lactozo đóng vai trò là chất cảm ứng liên kết với protein điều hòa Vì vậy, vùng O được giải phóng Enzim ARN-polimeaza xác tác quá trình sao mã các gen cấu trúc 1, 2, 3 để tổng hợp các enzim -galactosidaza; polimeaza; transacetylaza tham gia vào phân hủy đường lactozo

b Cấu trúc và cơ chế hoạt động của Trp – operon

Hình 2 Cấu trúc và cơ chế hoạt động của Trp - operon

Hệ thống tryptophan cũng có cấu trúc tương tự hệ thống lactozo gồm gen điều ḥa

R và operon tryptophan (promoter, operator và 5 gen cấu trúc) các gen cấu trúc xác

định 5 enzim được xếp theo thứ tự tương ứng chức năng xúc tác theo tŕnh tự các phản ứng của chuỗi biến dưỡng tryptophan (hình 2) Sự khác nhau căn bản với hệ thống Lac-operon là ở gen điều ḥa Gen điều ḥa của tryptophan tổng hợp thường xuyên

protein aporepressor, là chất ḱm hăm mà riêng nó không có hoạt tính Khi tryptophan

dư thừa nó trở thành chất động ḱm hăm (holorepressor) có hoạt tính Phức hợp này gắn vào operator của trp – operon làm dừng phiên mă các gen cấu trúc Khi nồng độ

triptophan thấp, nó tách khỏi phức kĩm hăm và protein aporepressor mất hoạt tính

Lúc này các operator lại được mở và ARN polymerase dịch mă 5 gen cấu trúc để dịch

mă 5 enzim tổng hợp tryptophan (h́ình 2) Sự điều ḥa kiểu này gọi là điều hóa ngược

(retro-inhibition) do sản phẩm cuối cùng có môi quan hệ nghịch (feed – back)

Hình 3 Sự kiểm soát âm đối với operon tryptophan của E.coli Như vậy, hoạt động của hệ thống Trp – operon ngược lại với hệ thống Lac- operon: khi có tryptophan thì operon đóng, thiếu tryptophan thì operon mở

+ ý nghĩa: Nhờ có khả năng điều hòa mà cơ thể có thể tổng hợp được trp khi nguồn dinh dưỡng thiếu, đồng thời dừng quá trình này khi môi trường có đã đủ trp Như vậy, cơ thể có thể tiết kiệm được vật chất và năng lượng, giúp sự sinh trưởng- phát triển bình thường

1.2.2 Sự biểu hiện gen của sinh vật nhân chuẩn (Eucaryota)

- Khác với sinh vật nhân sơ, sinh vật nhân chuẩn có màng nhân, màng này có vai trò ngăn cách bộ máy phiên mã (sao mã) và bộ máy dịch mã (giải mã) Vì vậy, quá trình phiên mã và dịch mã diễn ra không đồng thời

- ADN của sinh vật nhân chuẩn liên kết với histon để hình thành các cấu trúc lớn hơn là nucleoxom, sợi nhiễm sắc và nhiễm sắc thể (NST) Chính sự đóng gói này đã giúp quá trình điều khiển sự phát triển của cá thể Ở mỗi mô, cơ quan do tương tác bộ gen với môi trường bên trong và môi trường bên ngoài mà các gen được hoạt động sao

mã hay không sao mã

Thí dụ 1: Các thí nghiệm quan sát NST trong tế bào ở các mô khác nhau thấy hình dạng NST ở trạng thái tháo xoắn khác nhau (hình chổi rửa ống nghiệm), điều đó

các gen trong các mô sao mã khác nhau (hình 2.4)

- Tổ chức gen trong sinh vật nhân chuẩn cũng có sự khác với sinh vật sơ Sinh vật nhân chuẩn có hai loại gen là

+ Gen phân đoạn: trong cấu trúc có đoạn không mã hoa (intron) và đoạn mã hóa thông tin cấu trúc các axit amin (exon)

+ Gen không phân đoạn không chứa các đoạn intron

Thí dụ: gen Histon ở cầu gai và gen sốc nhiệt của ruồi giấm (Drosophila)

- Sự điều tiết gen trong sinh học phát triển của sinh vật nhân chuẩn có nhiều mức độ

+ Điều hòa đóng và tháo xoắn NST dựa vào bằng chứng về sự tháo xoắn NST của các mô khác nhau (xem phần trên)

+ Điều hòa ở mức cấu trúc gen: gen phân đoan và không phân đoạn

+ Điều hòa ở mức phiên mã: kết quả nghiên cứu vấn đề này chủ yếu trên đối

tượng ruồi giấm, còn ở thực vật đã có một số kết quả nghiên cứu trên cây Arabidopsis

thaliana (cải soong) Tuy mỗi tế bào đều chứa bộ gen như nhau, nhưng sự mở mã của

gen nào để sao mã còn tùy thuộc tín hiệu hóa học (thường là phytohoocmon và vitamin) Sự điều hòa phiên mã còn phụ thuộc vào các enzim ARN- polimeaza định cư

ở các vị trí khác nhau trong tế bào

* ARN polimeaza I định cư trong nhân con tổng hợp rARN

* ARN polimeaza II định cư trong cơ chất tổng hợp pro-ARN

* ARN polimeaza III định cư trong cơ chất tổng hợp tARN

Hình 4 Quá trình cắt – nối các intron và enxon hình thành các mARN khác nhau (theo Nei A Campbell và CS 1977)

Chú ý: nếu một gen có m exon thì có thể tạo ra m! Các loại mARN khác nhau Chức năng của đoạn intron? Hiện nay chưa có câu trả lời đầy đủ về vai trò của intron Nhưng theo các nhà sinh học thì intron có vai trò điều tiết hoạt động của gen, điều tiết dòng mARN ra khỏi màng nhân vào tế bào chất, tạo nhiều loại mARN từ 1 pre-ARN, ngoài ra intron còn làm tăng khả năng trao đổi chéo của các gen trên NST

+ Điều tiết sau phiên mã: Sau khi phiên mã từ các gen phân đoạn được tiền ARN (pre – ARN) còn gọi là ARN không đồng nhất (ARNhn- hetorogenous nuclear ARN) Tiếp đến pre – ARN sẽ được cắt bỏ bớt đoạn intron và nối các đoạn exon (cắt – nối- processing) để hình thành các phân tử mARN chỉ chứa các đoạn exon Vì vậy, pre – ARN thường dài hơn mARN từ 10 – 100 lần Chính sự cắt- nối này mà từ một gen có thể hình thành nhiều loại mARN khác nhau Nhờ quá trình dịch mã mà hình thành

nhiều loại protein ở các mô khác nhau Sơ đồ cắt – nối pre- ARN được thể hiện ở (hình 7)

Để mARN có thể tham gia quá trình dịch mã chúng cầm gắn thêm mũ metyl guanilat vào đầu 5’, đầu mũ này có vai trò bảo vệ mARN không bị phân hủy bởi ARN-aza Đầu 3’ được gắn thêm đuôi poli A (gồm 100 – 200 gốc Adenilic) Đuôi poli A cũng giúp cho mARN không bị phân giải và đi được qua màng nhân ra ngoài tế bào chất Cả mũ và đuôi còn tăng hiệu quả dịch mã ở riboxom (hinh 7)

+ Điều tiết sự biểu hiện của gen ở mức trong và sau dịch mã thể hiện:

- Thời gian tồn tại của mARN phụ thuộc vào mô, trạng thái sinh lí của tế bào Thí dụ: Peter và Silverthorne (1995) khi nghiên cứu trên cây đâu (Vicia faba) bị nhiễm nấm cho thấy mARN bị phân giải nhanh, tế bào tổng hợp nhiều prolin ở vách tế bào

- Điều tiết sự biểu hiện của gen sau dịch mã là protein sản phẩn có thể trực tiếp tham gia chức năng sinh lí hay bị bất hoạt (hình 7)

Hình 5 Các bước điều tiết quá trình biểu hiện gen trong tế bào nhân chuẩn (Eucaryota)

ADN

Pre-ARN

mARN

1 Điều tiết phiên mã

2 Điều tiết sau phiên mã

3 Điều tiết vân chuyển mARN

mARN

Protein

Protein bất hoạt

mARN bất hoạt

5 Điều tiết phân giải 4.Điều tiết tổng hợp

6.Điều tiết hoạt tinh Pr

1.2.3 Một số kết quả nghiên cứu điều hòa hoạt tính của gen ở Eucaryota

Các cơ chế điều hòa hoạt động của gen ở Eucaryota theo 5-6 bước đã được mô

tả ở hình 7 Trong phần này chỉ nhấn mạnh thêm một số đặc điểm của điều hòa hoạt động gen của Eucaryota

- Ở các operon của Procaryota, các gen điều hòa và các promotor thường nằm gần nhau, nhưng ở Eucaryota các gen điều hòa ít khi nằm gần các promoter do chúng kiểm soát

- Các enhancer là những trình tự cùng nằm trên một phân tử với các promoter có thể có hàng trăm cặp base ở phía trước hoặc phía sau promoter mà chúng kích thích

- Trình tự điều hòa 5’ ở phía trước promoter ở Eucaryota thường rất dài, có tới hàng chục Kb

- Có nhiều kiểu điều hòa ở dạng các nhân tố có tác dụng trans là các protein

- Sự phiên mã có thể được kích thích bởi các tín hiệu khác nhau Sự điều hòa gen ở Procaryota phần lớn đáp lại các tín hiệu bên ngoài (exogenous signal) Phần lớn

sự điều hòa ở Eucaryota là đáp lại các tín hiệu bên trong

a Các promoter

Tương tự ở vi khuẩn, các promoter của Eucaryota cũng nằm phía trước điểm

xuất phát của mARN và có trình tự được bảo tồn trong tiến hóa Hộp TATA, định

hướng cho ARN polymerase bắt đầu phiên mã, năm khoảng dưới 30 bp ở động vật có

vú và từ 60 – 120 ở nấm men Hộp TATA hoạt động có hiệu quả cùng với 2 trình tự tương ứng phía trước khoảng 40 bp là CCAAT và 110 bp là trình tự giàu GC (hình 2.8)

GGGCGGG- - -CCAAT- - - -TATA - -mARN

Enhancer (trình tự tăng cường) là các trình tự có tác động cis (cùng phía) chúng

có tác động tăng tốc độ phiên mã của các promoter cùng nằm trên ADN Xét một mặt nào đó enhancer tương tự promoter Cụ thể, chúng được tổ chức gồm một dãy các

trình tự có tác động cis để nhận biết các nhân tố tác động trans

c Các protein là nhân tố có tác động trans

Một vài protein, nhận biết hộp CCAAT, đã được xác định ở tế bào động vật có

vú chúng có tác động trans Các nhân tố tác động trans có đặc điểm chung là gồm 2

vùng cấu trúc và chức năng chính

- Vùng gắn nhân tố trans và ADN

- Vùng tác động lên sự phiên mã

Như vậy, các gen của Eucaryota được hoạt hóa bởi hai trình tự ADN có tác

động cis là promoter và enhancer, chúng được nhận biết protein có tác dụng trans Các nhân tố trans này cho phép ARN polymerase khởi động sự phiên mã và đạt tốc độ

phiên mã tối đa

d Hoocmon

Các hoocmon được tổng hợp trong các cơ quan và vận chuyển đến các vùng của cơ thể nhưng chỉ tác động đến các tế bào có thụ thể (receptor) tưng ứng Sự tương tác giữa hoocmon và thụ thể gây ra tín hiệu tác động đến các vùng đặc hiệu của ADN, làm hoạt hóa gen hoặc nhóm gen tương ứng

Các hoocmon có thể kích thích phiên mã bởi một trong các cơ chế sau:

- Hoocmon có thể làm cho ADN tách khỏi histone và tạo điều kiện cho ARN polymerase bắt đầu phiên mã

- Có thể làm chất cảm ứng (inducer) gây bất hoạt phân tử thụ thể (receptor)

- Có thể gắn trực tiếp với đoạn ADN đặc hiệu tạo thuận lợi cho sự gắn ARN polymerase hoặc protein là nhân tố phiên mã (protein transcription factor)

- Có thể hoạt hóa effector protein (protein cảm ứng) làm thành phức hợp gắn lên ADN và kích thích sự gắn ARN polymerase

Thí dụ: Tác động của hoomon cái estrogen là một tín hiệu hoocmon ở ống dẫn trứng của gà có tác dụng làm tăng phiên mã protein ovalbulin Phân tử estrogen hoạt hóa phiên mã gen tổng hợp ovalbulin bằng cách gắn vào ADN ở điểm enhancer và protein thụ thể để vận chuyển vào trong nhân kích thích phiên mã

e Sự kiểm soát các chất thường gặp trong nhân

- Sự lặp lại của một số gen lớn trong tế bào ở Eucaryota Thí dụ ở loài lưỡng cư

Xenopus ở vùng tổ chức hạnh nhân có 450 bản sao của ADN mã hóa cho rARN 18 S

và 28 S Trong nhân có 20.000 bản sao các gen mã hóa cho rARN 5 S Các gen mã hóa histone có nhiều bản sao được lặp lại hàng trăm lần Sự lặp lại các gen này đảm bảo đủ số lượng cần thiết cho dịch mã khi cơ thể cần tổng hợp phân tử protein

- Sự khuếch đại gen: một thí dụ điểm hình về sự khuếch đại gen nhân là chỗ phình (puff) ở nhiễm sắc thể khổng lồ ở ruồi giấm, ở chỗ phình này ADN được khuếch

đại hàng nghìn lần Trong nhân tế bào trứng của loài ếch Xenopus, có hàng trăm nhân

con với kích thước khác nhau Mỗi nhân con chưa các ADN vòng (rADN) có kích thước khác nhau (đến nay chưa rõ vai trò) các rADN này sản sinh nhiều rARN tham gia vào cấu trúc các ribosome

III TRUYỀN TÍN HIỆU Ở SINH VẬT

1 Tổng quan về tín hiêu và truyền tín hiêu

- Tín hiệu bao gồm tất cả các kích thích bên ngoài (ánh sáng, nhiệt độ v.v) và bên

trong (hormon, các chất phân tử lượng nhỏ như: NO, Ca+2 v.v) gây ra phản ứng trả lời

của tế bào gọi chung là Phối tử (Ligand)

- Chất nhận hay cơ quan nhận – thụ quan (Receptor – protein): là những phân tử

protein đặc biệt, có thể định cư trên màng (gọi là chất nhận ngoại bào) hoặc nằm trong tế bào chất (gọi là chất nhận nội bào) Phân tử chất nhận thường đặc trưng với phối tử

- Truyền tín hiệu? Mối tương tác giữa phối tử + chất nhận để giúp tế bào phản ứng trả lời (nhân đôi; phân hóa; tăng biểu hiện gen; tăng trao đổi chất v.v)

- 3 bước liên tiếp liên tiếp nhau trong truyền tín hiệu (Hình 3.1):

Hình 6 Ba bước liên tiếp trong truyền tín hiệu ở sinh vật

- Khái quát các con đường truyền tín hiệu tế bào (theo Mason at et, 2010) gồm 4 con

đường cơ bản (Hình 3.2)

Hình 7 Bốn kiểu truyền tín hiệu tế bào

Con đường 1 (Hình 3.2a): 2 tế bào gần nhau gửi trực tiếp tín hiệu cho nhau qua vùng kết nối giữa các tế bào nhờ các phân tử (glicoprotein, glicolipit) (liên quan đến phản ứng của tế bào cùng loại) Con đường 2 (Hình 3.2b): Truyền tín hiệu cận tiết: Dịch tiết của tế bào tiết chỉ ảnh hưởng đến các tế bào lân cận trong một khoảng không gian nào đó (liên quan đến phản ứng miễn dịch) Con đường 3 (Hình 3.2c): Truyền tín hiệu nội tiết (hormon) được vận chuyển trong cơ thể đến tế bào đích (động vật nhờ hệ tuần hoàn/thực vật nhờ dòng nước vận chuyển trong cơ thể).Con đường 4 (Hình 3.2d): Truyền tín hiệu qua xynap (điện – hóa – điện)

2 Truyền tín hiệu ở sinh vật nhân chuẩn

2.1 Phosphorin hóa là chìa khóa trong điều hòa chức năng của protein

- Protein đóng vai trò quan trọng trong việc truyền tín hiệu Để đảm bảo chức năng đó thì protein phải thực hiện phosphorin hóa và dephosphorin hóa (gắn thêm 1 hoặc loại bỏ 1 nhóm Pi) Quá trình phosphorin hóa protein nhờ hệ thống enzym

protein kinase vào vị trí đặc hiệu Dephosphorin hóa nhờ hệ thống enzym phosphatase

Bước 1

Phối tử kết hợp với

chất nhân

Bước 2 Khuếch đại và truyền tín hiệu vào nơi nhân

Bước 3 Tế bào biến đổi hoạt tính trong phản ứng trả lời

- Vị trí gắn nhóm Pi vào protein thường ở các axit amin có chứa nhóm (OH) như: serin (ser); threonin (thr) hoặc tyrosin (tyr)

Hình 8 Phosphorin hóa protein

Nhiều protein được điều phối bởi trạng thái phosphorin hóa (nhờ enzym

protein kinase) và Dephosphorin hóa nhờ hệ thống enzym phosphatase Các enzym

này tạo nên hai lớp phụ thuộc vào axit amin trên phân tử protein được gắn thêm hay loại nhóm Pi đó là serin/threonin kinase hoặc tysosin kinase

2.2 Các kiểu chất nhận

- Bản chất của các phân tử chất nhận tín hiệu của tế bào phụ thuộc vào vị trí của chúng

và phối tử mà chúng liên kết Chất nhận tín hiệu tế bào gồm hai nhóm tương ứng với các tín hiệu

Hình 9 Khái quát về tín hiệu và chất nhân + Các chất nhận nội bào liên kết với các phối tử ghét nước hoặc các phân tử lượng bé không phân cực, không tích điện, vốn dễ dàng xuyên qua màng, vào bên trong màng

+ Ngược lại trên bề mặt tế bào hoặc màng tế bào có chưa các chất nhận (chất nhận

màng) liên kết với các phối tử ưa nước, vốn không dễ xuyên qua màng

Bảng 1 Các chất nhận liên quan đến tín hiệu tế bào

Các chất nhận nội

bào

Không có vị trí gắn tín hiệu ngoại bào

Nhận các phối tử hòa tan trong lipit hoặc phân tử lượng bé không phân cực, không tích điện

Thí dụ: NO, hormon steroit (cortisol; estrogen; progesteron;

testosteron), vitamin D và hormon thyroid

Các chất nhận màng

Các kênh ion cổng

các phối tử

Protein nhiều lần xuyên màng tạo lỗ trung tâm trên màng

Các “cổng” phân tử kích hoạt sự đóng hoặc mở

Liên kết tín hiệu ngoại bào, xúc tác phản ứng nội bào

sự liên kết GTP vào G-protein; với GTP được gắn vào hoặc

gỡ ra có thể truyền tín hiệu

Các hormon peptit, các nơron hình que trong mắt

2.3 Các chất nhận màng có thể tạo ra tín hiệu thứ hai (second messengers)

Một số chất nhận là protein và hầu hết các chất nhận liên kết với G-protein sử dụng các hợp chất khác để chuyển tiếp tín hiệu đến nơi nhận và trả lời là nhận Về cơ bản, kết quả cuối cùng của các con đường truyền tín hiệu là để điều hòa các nhân tố phiên mã, qua đó điều hòa sự biểu hiện của gen Các con đường truyền tín hiệu này thường có các chất truyền tin thứ hai (second messenger), các tín hiệu thứ hai ở bên trong tế bào nhanh chóng được khuếch đại so với tín hiệu nguồn Ví dụ, phân tử hormone đơn giản có thể khởi đầu cho việc hoạt hóa một enzym mà sau đó là tạo ra hàng trăm phân tử của chất truyền tin thứ hai Trong số các chất truyền tin thứ hai, phổ biến nhất là: 3′,5′- AMP vòng (cyclic AMP - cAMP); 3′,5′- GMP vòng (cyclic GMP - cGMP); nitric oxide (NO); ADP-ribose vòng (cyclic ADP-ribose - cADPR); 1,2-diacylglycerol (DAG); inositol 1,4,5-trisphosphate (IP3); và Ca2+ (hình 3.8)

Hình 10 Cấu trúc bảy chất truyền tin thứ hai ở sinh vật nhân chuẩn

2.4.Khái quát các phương thức truyền tín hiệu bằng chất nhận màng

Khoa học ngày nay cho thấy truyền tín hiệu bằng chất nhận màng rất phức tạp Theo Raven et al., thì có 3 nhóm chất nhân màng: (1) chất nhận màng liên kết với các kênh; (2) chất nhận màng qua kinase; (3) truyền tín hiệu qua các chất nhận kết đôi G – protein

Hình 11 Các chất nhận bề mặt tế bào

a) Các kênh cổng hóa chất tạo nên lỗ trên màng sinh chất vốn có thể mở hoặc đóng bởi các tín hiệu hóa học Chúng thường chọn lọc, chi cho một kiểu các ion đi qua; b) Các chất nhận là enzym gắn vào các phối tử trên bề mặt ngoài tế bào, xúc tác trong tế bào chất Tuyền tín hiệu qua màng bởi hoạt động như một enzym trong tế bào chất; c) Các chất nhận liên kết G protein (GPCR) gắn vào các phối tử bên ngoài tế bào và với G

protein bên trong tế bào Sau đó G protein hoạt hóa enzym hoặc kênh truyền tín hiệu

từ bề mặt bế bào vào bên trong của nó (Theo Raven et al., 2010)

* Các chất nhân màng liên kết với kênh

Các kênh ion cổng phối tử là các protein chất nhận vốn cho các ion đi qua (thường gắn với truyền tín hiệu thân kinh của các nơron) Khi nhận tín hiệu các kênh này được kích hoạt có thể đóng hoặc mở để ngăn hoặc cho các ion đi qua

* Các chất nhận màng liên kết với enzym (protein kinase)

Nhiều chất nhận trên bề mặt tế bào hoặc tác động như các enzym hoặc liên kết trực tiếp vào các enzym Khi phân tử tín hiệu gắn vào chất nhận chúng hoạt hóa

enzym Trong hầu hết các trường hợp, các enzym này là các protein kinase

Thí dụ: chất nhân RTKs (Recepter tyrosin kinase)

RTKs ảnh hưởng đến chu kì tế bào, biệt hóa tế bào, trao đổi chất tế bào và tăng trưởng tế bào Vì vậy RTKs có liên quan đến ung thư ở người và một số động vật

* AMP vòng (cAMP)

- Các phân tử cAMP đóng vai trò phân tử tín hiệu thứ hai quan trọng ở cả tế bào nhân

sơ và tế bào động vật, và nhiều bằng chứng ủng hộ rằng cAMP đóng vai trò tương tự trong tế bào thực vật

- Một ví dụ về enzym được phosphoryl hóa bởi PKA (là glycogen phosphorylase

kinase)

Hình 12 Con đường truyền tín hiệu cAMP

Tín hiệu hay phối tử găn vào GPCR, hoạt hóa G protein Sau đó G protein hoạt hóa protein chất tác động adenylyl xyclase vốn xúc tác chuyển ATP thành cAMP Sau đó cAMP này hoạt hóa protein kinase (PKA), chất này phosphorin hóa các protein đích gây nên phản ứng tế bào (Theo Raven et al., 2010)

Ngoài ra để kích hoạt PKA, cAMP có thể tương tác với các kênh cation cAMP đặc hiệu

Vì lượng cAMP trong mô thực vật được tách chiết rất thấp, nên vai trò của cAMP trong truyền tín hiệu ở thực vật còn gây nhiều tranh cãi Tuy nhiên, có nhiều bằng chứng khác nhau ủng hộ vai trò của cAMP trong thực vật

Ví dụ, các gen mã hóa CREB được tìm thấy ở thực vật Sự sinh trưởng của ống phấn hoa huệ tây được kích thích bởi nồng độ cAMP ở mức thấp bằng 10nM Li và cộng sự chỉ ra rằng cAMP kích hoạt các kênh K+ trong màng sinh chất của các tế bào

mô mềm ở đậu tằm (Vicia faba) Và Ichikawa và cộng sự gần đây đã xác định sự có mặt của gen mã hóa adenylyl cyclase trong cây thuốc lá và Arabidopsis Vì thế, qua

nhiều năm nghi ngờ nhưng cAMP có vai trò như là một tín hiệu ở cơ thể sống bao gồm

cả thực vật

* ion Ca 2+

- ion Ca 2+ đóng vai trò như một chất truyền tin thứ hai cho số lượng lớn các

quá trình truyền tín hiệu nội bào khác nhau Vai trò của ion Ca 2+ đã được chứng minh trong các tế bào động vật, và nhiều bằng chứng cho thấy vai trò của nó đối với thực

vật Nồng độ của ion Ca 2+ tự do trong tế bào chất thường ở mức rất thấp (1x10-7M) trong khi bên ngoài tế bào và trong lưới nội sinh chất (LNSC) nồng độ Ca2+ khá cao (khoảng 10-3M) LNSC có các protein chất nhân vốn tác động như các kệnh ion giải phóng Ca2+ Sự hoạt động của các bơm Ca2+ - ATPase trên LNSC có liên quan đến tín hiệu thứ hai là IP3 (inositol trisphosphate) được thể hiện ở hình 3.14

Hình 13 Con đường chuyển PI thành IP3 và DAG trong tế bào

+ Ở thực vật tín hiệu Ca2+ liên quan chặt chẽ đến nhiều quá trình phát triển:

- Ca2+ điều hòa sự phát triển bởi phytochrome;

- Ca2+ điều hòa các tế bào bảo vệ bởi acid abcisic

(Thực vật chứa nhiều loại protein kinase được điều hòa bởi Ca2+ gọi là CDPKs

(calcium-dependent protein kinases) CDPKs được hoạt hóa mạnh bởi Ca2+, nhưng không nhạy với calmodulin Các protein kinase được đặc trưng bởi hai vùng: vùng xúc

tác tương tự như các vùng khác ở CaM kinase động vật, và vùng còn lại giống calmodulin Sự có mặt của vùng giống calmodulin có thể giải thích tại sao enzym không cần calmodulin kích hoạt CDPKs có rất nhiều trong thực vật và được mã hóa

bởi các họ đa gen Một CDPK cũng được xác định ở Chara, tảo xanh thủy sinh khổng

lồ được cho là nguồn gốc của thực vật trên cạn Ở Chara, enzym liên kết với vi sợi

actin đó là đường nằm ngoài của tế bào chất dọc theo mặt trong bề mặt của màng sinh chất Chức năng của các vi sợi là giúp định hướng dòng tế bào chất quanh tế bào Tỷ lệ của dòng tế bào chất bị ức chế bởi sự tăng lên của canxi trong tế bào chất, và nó được cho là CDPKs là trung gian để dàn xếp các tác động của canxi bằng cách phosphoryl hóa chuỗi năng của myosin, một thành phần của các vi sợi CDPKs cũng có thể là trung gian dàn xếp các ảnh hưởng của canxi trong tế bào bảo vệ lỗ khí Acid abcisic gây đóng mở lỗ khí liên quan đến canxi như một chất truyền tin thứ hai Các nghiên cứu gần đây phân lập không bào từ cây đậu tằm đã cho rằng CDPKs có thể điều hòa các kênh anion trên màng không bào Vì vậy, CDPKs có thể là một thành phần trong con đường tín hiệu của acid abcisic)

CHƯƠNG I: SỰ KIỂM TRA QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN

1 Khái niệm chung

- Sinh trưởng là sự tạo mới các yếu tố cấu trúc một cách không thuận nghịch của tế bào, mô, toàn cây và kết quả dẫn đến sự tăng về số lượng, kích thước, thể tích, sinh khối của chúng Nói chung sinh trưởng là sự tăng trưởng về mặt lượng

Ví dụ: sự phân chia và sự dãn của tế bào, sự tăng kích thước của quả, lá, hoa…,

sự nảy lộc, đâm chồi, đẻ nhánh…các hiện tượng này không thể đảo ngược lại Còn sự tăng kích thước và khối lượng của hạt do hút nước vào không thể xem là sinh trưởng

vì đó là quá trình thuận nghịch nên khi ta phơi khô, hạt trở vê như cũ

- Phát triển: Là quá trình biến đổi về chất bên trong tế bào, mô và toàn cây để dẫn đến sự thay đổi về hình thái và chức năng của chúng Nói chung phát triển là phạm trù biến đổi về chất

Ví dụ: sự nảy mầm của hạt là quá trình phát triển vì từ hạt chuyển thành cây non là sự biến đổi rõ rệt về hình thái cũng như thay đổi cơ bản về chức năng, hoặc sự ra hoa là một bước ngoặt chuyển từ giai đoạn sinh trưởng của cơ quan dinh dưỡng sang giai đoạn hình thành cơ quan sinh sản tức là thay đổi rõ rệt về hình thái và chức năng

Hai quá trình sih trưởng và phát triển diễn ra song song trong đời sống của cây nên khó phân biệt được ranh giới giữa chúng Có thể xem đây là hai mặt của quá trình biến đổi chất và lượng

2 Hormone thực vật

Phytohoocmon là các chất hữu cơ có bản chất hóa học khác nhau, với liều lượng thấp gây ra hiệu ứng sinh học cao, được tổng hợp tại một cơ quan và gây ảnh hưởng điều tiết đến các quá trình sinh lý, trao đổi chất trong những cơ quan khác

Theo tác động đặc trưng của chúng, các phytohoocmon có thể chia thành 2 nhóm lớn: nhóm chất kích thích và nhóm các chất ức chế sinh trưởng

2.1 Nhóm chất kích thích sinh trưởng

a/ Auxin (axit 3- indol axetic AIA)

+ Auxin được tổng hợp ở đầu thân, nó được di chuyển và phân bố rộng rãi trong cơ thể thực vật ở thực vật bậc cao, AIA tập trung nhiều trong các chồi, lá đang sinh trưởng, trong tầng phát sinh, trong hạt đang lớn, trong phấn hoa

Tốc độ di chuyển AIA trong cây từ đỉnh xuống gốc 10 - 15 mm/giờ

+ AIA hoạt hóa sự phân bào, sinh trưởng kéo dài, cần cho sự tạo hệ mạch dẫn và ra rễ, tăng sinh trưởng của quả, kích thích sinh trưởng ống phấn và tạo sự ưu thế của chồi đỉnh đối với chồi nách

+ AIA có vai trò lớn trong hiện tượng hướng động và vận động cảm ứng, AIA ảnh hưởng sự sinh trưởng của vách tế bào, AIA hoạt hóa sinh tổng hợp ARN

Hình 14: Sinh trưởng kéo dài tế bào b: Địa hướng động của rễ và thân

dưới tác dụng của auxin

b/ Gibberellin (GA)

+ Gibberelin chủ yếu được tổng hợp ở trong lá, trong rễ và trong các cơ quan đang sinh trưởng như quả, hạt, chồi ánh sáng đã kích thích sự tổng hợp gibberelin Gibberelin di chuyển thụ động theo dòng mạch gỗ và dòng libe

+ Ngày nay người ta phát hiện ra trên 70 loại gibberelin khác nhau có bản chất axit và trung tính, ký hiệu GA Gibberelin có tính sinh học cao, được chiết rút từ dịch nuôi cấy nấm và có trong cơ thể thực vật bậc cao, phổ biến trên thị trường thế giới có ký hiệu là

GA3 hay A3

+ GA có tác động điển hình là kích thích sự kéo dài của thân cây nguyên vẹn và lá, kích thích sự sinh trưởng kéo dài của tế bào Kích thích sự sinh trưởng của mô phân sinh đỉnh và mô phân sinh lóng, kích thích sự ra rễ, sự nảy mầm của hạt, chồi ngủ (lúa von)

Hình 15: Ảnh hưởng của gibberellin lên thực vật

c/ Xytokinin

+ Xytokinin được tổng hợp chủ yếu là mô phân sinh đỉnh rễ, từ đó được vận chuyển thụ động theo mạch dẫn lên các cơ quan trên mặt đất

+ Xytokinin có ở vi sinh vật, tảo, đến thực vật bậc cao Có nhiều xytokinin trong hạt

và quả đang lớn, trong các mô phân sinh đang hoạt động

+ Xytokinin hoạt hóa sự phân bào, song tác động này chỉ thể hiện trong sự phối hợp với auxin

+ Xử lý xytokinin cho lá có tác dụng ngăn chặn sự phân giải diệp lục và cấu trúc nội bào của lá cắt rời Xytokinin gây ảnh hưởng đến quá trình sinh tổng hợp axit nucleic, protein…

2.2 Nhóm ức chế sinh trưởng

a/ Axit abxixic (ABA)

+ ABA được tổng hợp ở hầu hết các cơ quan rễ, lá, hoa, quả, củ… nhưng chủ yếu ở lá

và cơ quan sinh sản

+ Trong cây ABA di chuyển theo hướng xuống gốc và lên đỉnh theo dòng libe và dòng mạch gỗ

+ ABA là chất đối kháng của AIA, GA và xytokinin ABA ức chế mạnh sự nảy mầm, nảy chồi và tích lũy lại nhiều khi cây chuyển sang trạng thái ngủ, đặc biệt ABA tích lũy mạnh khi cây bị mất nước

b/ Ethylen (C2H4)

+ Ethylen là chất khí, nó được tổng hợp trong tất cả tế bào, mô nhưng nhiều nhất ở mô

lá già và quả đang chín Nó được vận chuyển theo hình thức khuếch tán, do đó phạm

vi vận chuyển không xa

+ Khí ethylen với nồng độ thấp (10,04 - 1,0 g/l) có tác động phát sinh hình thái mạnh đối với thực vật Ethylen ức chế sự sinh trưởng kéo dài của cây con, làm ngừng sinh trưởng của lá (đối với thực vật 2 lá mầm), kìm hãm quá trình nguyên phân

2.3 Mối tương quan giữa các phytohoocmon

+ Sự sinh trưởng và các quá trình phát sinh hình thái của cơ thể thực vật được tương quan của các phytohoocmon điều tiết

- Ví dụ: tương quan xác định giữa Auxin và xytokinin điều tiết sự phân hóa rễ và thân của mô callus (mô sẹo) trong nuôi cấy mô và tế bào thực vật cách ly Tỷ lệ AIA/xytokinin cao trong môi trường nuôi cấy xúc tiến sự phân hóa tạo rễ, còn ngược lại, tỷ lệ đó giảm thì có lợi cho sự hình thành cành từ mô sẹo

- Cặp hoocmon đối kháng nhau là GA và ABA đều có cùng tiền chất là axit meralomic tham gia điều tiết các quá trình sinh lý ngược nhau trong cơ thể: ngủ và thức tỉnh chồi, làm cho hạt nảy mầm

3 Phitocrom

Trong quá trình nảy mầm thực vật Hai lá mầm đã thích nghi với điều kiện chiếu

sáng Ánh sáng tác động như là một tín hiệu gây ra sự biến đổi hình dạng của cây non

từ dạng thuận lợi cho sự sinh trưởng dưới mặt đất (dạng móc câu đối với thực vật Hai

lá mầm) thành dạng thích nghi hơn với sự sinh trưởng trên mặt đất ở ngoài sáng Hiện

tượng đó là Quang phát sinh hình thái Trong các sắc tố có liên quan đến quang phát

sinh hình thái là sắc tố hấp thụ ánh sáng đỏ, đặc biệt là ánh sáng đỏ và đỏ xa Sắc tố đó

là Phitocrom

3.2 Cấu trúc hóa học

+ Phitocrom là một nhị phân gồm hai chuỗi polipeptit Đây là chất nhận ánh

sáng gồm protein và thể mang sắc Protein của phitocrom có khối lượng 125 kDa (2 tiểu phần khoảng 250 kDa), thể mang sắc của phitocrom là tetrapyrole thẳng gọi là

3.3 Sinh tổng hợp phitocrom

Năm 1989, Sharrock và Quail đã phát hiên ra 5 gen cấu trúc có liên quan đến

phitocrom của cây Arabidopsis được gọi là họ gen (PHI), các gen thành phần riêng của

PHI gồm PHIA, PHI B, PHI C, PHI D và PHI E

Các gen từ PHI B đến PHI E mã hóa tổng hợp Pr (dạng II), từ dạng này hình thành Pfr nhờ kích thích của ánh sáng đỏ bền hơn Pfr của PHI A theo sơ đồ hình 8.7

Hình 17 Điều tiết hoạt động của hệ PHI (theo Clough và Viestra, 1997)

Dạng Pfr được gen PHI A mã hóa gọi là Pfr A, dạng Pfr trong cơ thể không bền, đặc biệt ở cây yến mạch và các cây Một lá mầm khi ở ngoài sáng Đối với cây Hai lá mầm hàm lượng Pfr cũng bị giảm nhưng chậm hơn so với cây Một lá mầm Nguyên nhân hàm lượng Pfr do gen PHI A giảm có thể do mARN của chúng dễ bị phân giải hoặc sản phẩm Pfr của chúng bị phân giải theo con đường Ubiquinon (Ub)

Hình 18 Phitocromobilin được tổng hợp trong lạp thể, đi vào tế bào chất để liên

kết với apoprotein phitocrom để tạo thành Pr, nhờ ánh sáng chuyển thành Pfr (theo

Kendrick và CS 1997)

Trong tế bào apoprotein phitocrom được hệ PHI trong nhân tổng hợp còn phitocromobilim được tổng hợp trong lục lạp, sau đó hai thành phần này liên kết với nhau tạo Pr, nhờ sự hoạt hóa của ánh sáng đỏ để tạo thành Pfr có hoạt tính theo sơ đôg hình 8.8

Sự chuyển hóa thuận nghịch của 2 dạng Pr và Pfr do ánh sáng đỏ kích thích đã được Borthwick và CS dự đoán năm 1952, nhưng mãi đến năm 1959, Butler và CS đã chứng minh một cách đầy đủ tính thuận nghịch của 2 dạng Pr và Pfr, do vậy có thể

thấy tiên đoán của Borthwick là rất chính xác

3.4 Phitocrom và sự phát triển của thực vật

Phitocrom là sắc tố điều tiết quá trình quang phát sinh hình thái thực vật Ngày nay, khoa học đã khẳng định vai trò của phitocrom trong sự phát triển của thực vật được thể hiện ở bảng 2

Bảng 2 Các phản ứng quang thuận nghích do phitocrom phản ứng trong các loài thực vật bậc cao và bậc thấp (theo Lincoln Taiz và CS, 1998)

triển

Hiệu ứng của ánh sáng đỏ và đỏ

xa Hạt kín

(Angiosperms)

Lactuca (rau diếp)

Avena (yến mạch)

Cây mạ (úa vàng) Xúc tiến sự loại hiện tượng úa

vàng Sinapis

(cây cải)

Cây non Xúc tiến sự hình thành lá mầm,

phát triển các lá thật và tạo authocyanin

Pisum (cây đậu)

Cây trưởng thành Ức chế kéo dài của các lóng

Xanthium (cây kê)

Cây trưởng thành Ức chế ra hoa (phản ứng quang

chu kì) Hạt trần

(Gymnosperms)

Pinus (cây thông)

Cây non Tăng tốc độ tích lũy diệp lục

Quyết

(Pteridophites)

Oloclea (dương xỉ)

Thể giao từ non trẻ

Xúc tác sinh trưởng

Rêu

(Briophites)

Phinitrichum (cây rêu)

Chlorophites Mougeotia

(tảo)

Thể giao tử chín Xúc tiến sự định hướng của lục

lạp đối với ánh sáng trực tiếp

Câu hỏi học tập

Câu 1: Phân tích vai trò điều hòa sự phát triển của hormone thực vật

Câu 2: Phitocrom là gì? Tham gia vào điều hòa quá trình phát triển của thực vật như thế nào?

Chương II CHU KỲ TẾ BÀO THỰC VẬT

- Cơ thể đa bào sinh trưởng và phát triển là nhờ sự phân chia tế bào theo con đường nguyên phân, sau đó là sự phân hóa các tế bào thành mô, cơ quan theo một trương trình đã được mã hóa trong nhân

- Đối với các loài sinh sản hữu tính, để đảm bảo sự phát triển của loài qua các thế hệ cần phối hợp giữa các quá trình: nguyên nhiễm; giảm nhiễm hình thành giao tử (n), thụ tinh hình thành hợp tử (2n) và sự phân hóa

1 Khái niệm chung

- Chu kì sống của tế bào (ontogenessis) là thời gian tồn tại của tế bào, bắt đầu từ thời điểm nó được sinh ra từ tế bào mẹ đến lần phân chia của chính bản thân nó, hoặc chết tự nhiên

- Các loại tế bào khác nhau trong cơ thể và giai đoạn sinh trưởng, phát triển khác nhau thường có chu kì khác nhau Ở thực vật chỉ có mô phân sinh mới có khả năng phân chia và có chu kì tế bào

+ Tế bào phôi của động vật có vú có chu kì 15 – 20 phút

+ Tế bào ở các mô của cơ thể trưởng thành có chu kì trung bình 10 – 12 giờ

+ Tế bào vi khuẩn có chu kì trung bình từ 20 – 30 phút

- Ở sinh vật nhân chuẩn chu kì tế bào được chia thành các giai đoạn là giai đoạn chuẩn bị (gian kì) Gian kì lại được chia làm các pha G1; S; G2 Pha phân chia tế bào (M) được chia là 4 kì (trước; giữa; sau; cuối) Giữa pha phân chia M và gian kì có điểm kiểm soát R Các kết quả nghiên cứu cho thấy chỉ có các tế bào qua điểm R mới tiếp tục phân chia, nếu không chúng chuyển sang pha kéo dài và phân hóa

- Trong chu kì tế bào có chu kì NST (sự tái bản và phân chia NST) và chu kì phân chia của tế bào chất Sự biến đổi hàm lượng ADN trong chu kì tế bào được thể hiện ở hình 2.9

Hình 19 Sự biến đổi hàm lượng ADN, ARN và protein trong chu kì tế bào

ARN và protein

ADN Hàm lượng

Chu kì tế bào

2 Đặc trưng điều tiết chu kì tế bào

Hình 20 Chu kì tế bào và sự điều tiết chu kì tế bào Điều tiết chu kì tế bào có 3 vị trí: Kiểm soát G1/S; G2/M và kì sau của pha phân bào

M

* Điểu tiết pha G1 sang pha S:

- Khi nhận các tín hiệu phù hợp như hormon hoặc tín hiệu môi trường phức hệ kinese phụ thuộc cyclin (CDK) được photphoril hóa và kết hợp với G1-cyclin (CG1) để trở thành dạng có hoạt tính (kí hiệu CDK-CG1-P) dạng hoạt hóa này sẽ hoạt hóa nhiều protein khác tham gia vào quá trình sinh tổng hợp DNA (active CDK stimulates DNA systhesis)

- Khi kết thúc quá trình nhân đôi DNA ở pha S, nhóm P được loại bỏ, CG1 bị phân hủy giải phóng CDK

* Điều khiển pha G2 sang pha M:

- Đầu tiên CDK được hoạt hóa bởi 2P và kết hợp với Mitosis-cyclin (CM) để trở thành dạng chưa có hoạt tính (kí hiệu CDK-CM-2P), khi các tín hiệu môi trường bên trong và bên ngoài phù hợp CDK-CM-2P sẽ loại bỏ 1P để thành dạng có hoạt tính, dạng hoạt hóa này sẽ hoạt hóa nhiều protein khác tham gia vào quá trình phân chia tế bào (active CDK stimulates mitosis)

- Khi kết thúc quá trình phân chia, nhóm P được loại bỏ, CM bị phân hủy giải phóng CDK

* Kiểm tra thoi (kiểm tra kì sau của M) nhờ phức APC/C (Anapha – promoting –

complex)

+ APC/C khởi động hình thành protein Securin có vai trò ức chế các protein khác (thí

dụ Separase) và có vai trò loại bỏ liên kết giữa các NST chị em giúp các NST phân li

trong phân bào…