Thẩm thấu là một quá trình tự sinh về mặt năng lượng. Nước di chuyển xuống một khuynh độ thế hóa học của nước hay thế nước và năng lượng tự do được phóng thích.
Trạng thái nước của tế bào không ngừng thay đổi do các thay đổi về thế nước của môi trường hay tế bào. Thế nước của tế bào thay đổi do sự di chuyển hoạt động của các ion khoáng qua màng hay sự biến dưỡng tế bào. Trong cơ thể thực vật, thông thường nước di chuyển từ mạch mộc tới các tế bào ở xa mạch mộc theo khuynh độ thế nước. Sự hấp thu nước xảy ra đồng thời với sự hô hấp. Khi đặt tế bào trong một dung dịch nhược trương, tế bào ở trạng thái trương nước. Còn khi đặt trong môi trường ưu trương, tế bào ở trạng thái co nguyên sinh. Các hiện tượng trương nước hay co nguyên sinh làm thể tích tế bào tăng hay giảm tạm thời (không phải là hiện tượng tăng trưởng) (Bùi Trang Việt, 2000).
Trong quá trình tăng rộng tế bào, nước gia nhập vào tế bào thực vật do khuếch tán theo gradient thẩm thấu hiện hữu giữa không bào và dung dịch bên ngoài. Không bào chứa các muối hữu cơ, muối vô cơ và các khí. Sự di chuyển của nước xảy ra qua màng tế bào và không bào. Ngoài ra, tế bào thực vật còn phải hoạt động chọn chất tan để dồn vào không bào. Hiện tượng này cần năng lượng (Mai Trần Ngọc Tiếng, 2001).
Nếu vách tế bào co dãn được thì nó tăng rộng, như vậy không bào cũng tăng theo diện tích tế bào và tế bào chất cũng tăng theo nhờ tổng hợp protein.
Trong quá trình tạo vách thì vách sơ cấp có một mạng lưới vi sợi còn co giãn và phải có sự tổng hợp phân chia tế bào ở mức cơ thể. Nước giúp sự di chuyển các chất dung dịch, hormon thực vật và loại trừ cặn bã (Bùi Trang Việt, 2000).
1.5.4. Bộ máy dẫn truyền ở cây đơn tử diệp
Bó mạch của cây đơn tử diệp chỉ gồm những thành phần sơ lập. Libe sơ lập gồm ống sàng, tế bào kèm, nhu mô, đôi khi có sợi hóa cương mô. Mộc sơ lập gồm tiền mộc, sợi mạch, hậu mộc. Nhu mô có thể không hóa mộc (nhất là trong vùng tiền mộc) hay hóa mộc quanh mộc xuất hiện sau cùng (hậu mộc), cũng có khi có vài tế bào sợi hóa mộc và thường trong có mô hậu lập. Bao sợi gồm những tế bào sợi, xoang rất hẹp, quanh các bó mạch. Bao sợi đầy đủ gồm 2 phần: một cung phát triển nhiều hơn phủ bên ngoài, một cung nhỏ hơn hay mỏng hơn bọc quanh mô mộc. Hai cung của bao sợi có thể nối liền nhau nhưng không hoàn chỉnh ở một mức độ nào đó trong thân cây, tạo nên sự lưu chuyển giữa các bó mạch. Đây là cấu hình mô nâng đỡ có tính năng cơ học tốt phù hợp với giải phẫu học của mô dẫn truyền ở cây cây đơn tử diệp (Esau, 1967).
1.5.5. Sự tăng trưởng cây mầm lúa
Lúa là cây đơn tử diệp. Khi hạt nảy mầm thì thì rễ mầm mọc ra trước, rồi mới đến thân mầm. Thân mầm được bao bọc bởi một lá mầm dài khoảng 1 cm. Kế đó, lá đầu tiên xuất hiện, có cấu tạo như một lá bình thường nhưng chưa có phiến lá, gọi là lá thứ nhất. Sau đó, đến lá thứ hai, lá này có đầy đủ phiến lá và bẹ lá nhưng phiến lá nhỏ và có hình mũi viết rất đặc thù, dài khoảng 2 - 3 cm. Tiếp tục lá thứ ba, tư, năm, sáu... Các lá mọc đối nhau, lá ra sau mọc về phía đối diện với lá trước (Vũ Văn Vụ và cs, 2000, Nguyễn Ngọc Đệ, 2009).
Rễ mầm là rễ mọc ra đầu tiên khi hạt lúa nảy mầm. Thường mỗi hạt lúa chỉ có một rễ mầm. Rễ mầm không ăn sâu, ít phân nhánh, chỉ có lông ngắn, thường dài khoảng 10 - 15 cm. Rễ mầm có nhiệm vụ hút nước cung cấp cho phôi phát triển và chết sau 10 - 15 ngày, lúc cây mạ được 3 - 4 lá (Vũ Văn Vụ và cs, 2000, Nguyễn Ngọc Đệ, 2009).
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tăng trưởng của cây mầm lúa
Nước thiết yếu cho sự nảy mầm và tăng trưởng cây mầm, nên cần ở lượng đủ và ở trạng thái sẵn sàng (được giữ bởi các nối yếu) để hạt có thể hấp thu (Nguyễn Văn Hoan, 2006).
Oxy cần thiết cho sự nảy mầm và tăng trưởng của cây mầm. Trong thời gian này nếu hàm lượng oxycao sẽ tăng cường độ hô hấp. Ở cây lúa thì có thể nảy mầm trong điều kiện không có oxy, tuy nhiên cây mầm yếu và phát triển không bình thường. Khi CO2 cao hơn 0,03% làm chậm sự nảy mầm nhưng lại tốt cho quang hợp của cây mầm (Bùi Trang Việt, 2000).
Quang hợp có thể xảy ra dưới tác động của ánh sáng yếu tuy nhiên nếu ánh sáng quá thấp thì quang hợp xảy ra rất yếu không bù lại được chất hữu cơ bị tiêu phí trong hô hấp (Vũ Văn Vụ và cs,2000, Nguyễn Ngọc Đệ, 2009).
Nhiệt độảnh hưởng đến sự tăng trưởng của cây mầm lúa. Nhiệt độ ảnh hưởng đến tốc độ các phản ứng hoá sinh diễn ra trong quá trình nảy mầm của hạt, từ đó tăng cường độ hô hấp. Khi mầm xuất hiện thì nhiệt độ ảnh hưởng đến sinh trưởng của cây mầm. Khi nảy mầm, nếu gặp nhiệt độ thấp, là điều kiện cho cây trải qua giai đoạn xuân hoá, ảnh hưởng tốt cho quá trình sinh trưởng, phát triển của cây mầm sau này (Nguyễn Ngọc Đệ, 2009, Vũ Văn Vụ và cs, 2000).
1.5.6. Các chất điều hòa tăng trưởng thực vật
Chất điều hòa tăng trưởng thực vật là thuật ngữ được dùng để chỉ tổng quát cho những hợp chất hữu cơ có tác động làm biến đổi một quá trình sinh
lý nào đó của thực vật ở nồng độ rất thấp. Chúng không phải là chất dinh dưỡng hay là nguyên tố khoáng cần thiết cho sự tăng trưởng của thực vật (Hopkins, 1995, Bùi Trang Việt, 2000).
1.5.6.1. Vai trò của auxin
Auxin có nguồn gốc thiên nhiên đầu tiên được xác định là IAA (indole- 3-acetic acid). Sau đó tìm ra một vài auxin khác như IBA, 2,4D. Hầu hết các mô thực vật đều có khả năng tổng hợp auxin ở nồng độ thấp; ở mô phân sinh ngọn chồi, lá non, trái và hạt là những nơi tổng hợp auxin (nơi mà có sự phân chia tế bào nhanh), sau đó di chuyển tới rễ và được tích tụ trong rễ (Bùi Trang Việt, 2000, Ljung và cs, 2001).
Auxin ảnh hưởng trong sự kéo dài tế bào vì auxin kích thích mạnh sự kéo dài tế bào diệp tiêu và tế bào vùng kéo dài dưới ngọn của thân. Auxin giúp kéo dài tế bào là nhờ sự hấp thụ các chất khoáng hòa tan (Taiz và
cs,2010). Trong nuôi cấy mô tế bào, auxin ở nồng độ cao kích thích sự tạo sơ khởi rễ nhưng cản sự tăng trưởng của các sơ khởi rễ này. Điều này cho thấy, trong cùng một quá trình sinh lý, auxin có thể có những hiệu ứng khác nhau, thậm chí đối nghịch tùy theo nồng độ và cơ quan liên hệ (Bùi Trang Việt, 2000).
•Auxin trong sự phát triển rễ
Auxin đóng vai trò quan trọng trong quá trình phát sinh hình thái. Đặc tính di chuyển và hiệu ứng theo nồng độ của auxin quyết định chiều hướng và tính hữu cực trong sự phát sinh cơ quan (Sachs, 1993).
Từ khi auxin lần đầu được mô tả, các nhà nghiên cứu đã tìm thấy sự liên hệ chặt chẽ giữa các hormon này với sự phát triển rễ (Overvoorde, 2010). Auxin giúp sự kéo dài tế bào, sự phân chia, sự phát triển và duy trì mô phân sinh ngọn rễ (Mironova và cs, 2010).
bào đã được chứng thực từ năm 1934, đó là khả năng phát sinh rễ. Hiệu ứng đó tạo nên một trong các ứng dụng quan trọng của auxin hoặc các chất gần giống nó, là cơ sở của tất cả các sản phẩm thương mại (bột nhão hay dung dịch) nhằm xúc tiến sự giâm cành (Nguyễn Như Khanh, 2007).
Auxin ở nồng độ cao kích thích sự tạo sơ khởi rễ nhưng cản sự tăng trưởng của các sơ khởi rễ này (Mai Trần Ngọc Tiếng và cs, 1980). Auxin được vận chuyển hướng gốc, tích lũy ở phần gốc của khúc cắt trụ hạ diệp của cà chua và cảm ứng sự h́nh thành rễ bất định. Trong sự tạo rễ, auxin cần phối hợp với các vitamin (như thiamin mà rễ không tổng hợp được), acid amin (như arginin), và nhất là các hợp chất ortho–diphenolic (như acid cafeic, acid chlorogenic) (Bùi Trang Việt, 2000).
Vai trò của auxin cho sự phân hóa rễ thể hiện rất rõ trong nuôi cấy mô. Trong môi trường chỉ có auxin thì mô nuôi cấy chỉ xuất hiện rễ mà thôi. Vì vậy trong kĩ thuật nhân giống vô tính thì việc sử dụng auxin để kích thích sự ra rễ là cực kì quan trọng và bắt buộc (Vũ Văn Vụ, 1999).
Nhiều nghiên cứu chứng minh rằng auxin cảm ứng sự tượng rễ bất định ở các khúc thân in vitro với các nồng độ auxin khác nhau. Cùng với bản chất, nồng độ và khuynh độ của auxin (auxin gradient) giải thích được phần nào về sự tạo rễ bất định ở mức phân tử (Mironova vàcs, 2010) .
Điều đáng lưu ý là việc sử dụng auxin có hiệu quả ức chế ngay ở nồng độ thấp đối với hệ rễ. Đối với rễ, auxin có tác dụng kích thích ở nồng độ thấp khoảng 10-10
- 10-12 M, ở thân nồng độ cao hơn 10-6 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- 10-7 M (Võ Thị Bạch Mai, 2004).
•Auxin trong sự sinh trưởng, phân chia và phân hóa tế bào
Auxin rất cần thiết cho sự phân chia và tăng trưởng của tế bào nên nó có vai trò quan trọng trong sự phát sinh hình thái thực vật. Auxin được tổng hợp trong ngọn thân, trong mô phân sinh (ngọn và lóng) và lá non (tức là các nơi
có sự phân chia tế bào nhanh). Sau đó, auxin di chuyển tới rễ và tích tụ trong rễ (Taiz và cs, 2010).
Auxin kích thích mạnh sự kéo dài tế bào diệp tiêu và tế bào vùng kéo dài dưới ngọn của thân. Sự kéo dài tế bào rễ cần nồng độ thấp hơn nhiều so với tế bào thân. Ở nồng độ cao auxin kích thích sự tạo mô sẹo từ các tế bào sống. Đặc tính này được áp dụng nuôi cấy tế bào sống (Bùi Trang Việt, 2000).
Auxin kích thích rất mạnh sự phân chia tế bào tượng tầng (tầng phát sinh libe - mộc) nhưng hầu như không tác động trên mô phân sinh sơ cấp. Như vậy auxin tác động trên sự tăng trưởng theo đường kính. Ở nồng độ cao, auxin kích thích sự tạo mô sẹo từ các tế bào sống, cảm ứng trực tiếp sự phân hóa tế bào nhu mô thành các tổ chức mô dẫn (Bùi Trang Việt, 2000).
1.5.6.2. Vai trò của giberelin
Giberelin (Gb) hoạt động trong sự kéo dài tế bào, kéo dài lóng và tăng trưởng lá. Gb có hoạt động bổ sung cho auxin, thông thường, Gb làm tăng hàm lượng auxin trong mô mà chúng kích thích. GA3 là Gb được sử dụng nhiều nhất trong các loại Gb phát hiện, có tác dụng kích thích sự tăng trưởng của tế bào ở nồng độ rất thấp (Bùi Trang Việt, 2000).
Gb kích thích sự kéo dài tế bào bởi cơ chế kiểm soát hướng đặt của các vi sợi. Nó cũng có tác dụng kéo dài lóng do sự phối hợp hoạt tính kéo dài và phân chia tế bào thân. Gb kích thích mạnh sự phân chia tế bào nhu mô vỏ và biểu bì. Gb cũng có tác động kích thích sự tăng trưởng chồi và gỡ sự ngủ của chồi. Tuy nhiên Gb có những ảnh hưởng khác nhau trên sự hình thành chồi trong nuôi cấy in vitro ở những loài thực vật khác nhau. Gb liều cao kích thích mạnh sự tăng trưởng lá. Trên lá yến mạch hay diệp tiêu lúa giberelin chỉ có vai trò làm tăng hiệu ứng auxin (Bùi Trang Việt, 2000).
Ở Begonia hiemali, Gb làm tăng số lượng và kéo dài chồi nhưng sự hiện diện của nó ở trong chồi khiến chúng khó ra rễ (Edwin, 1996). Giberelin có
ảnh hưởng mạnh đến số lượng chồi hình thành trong nuôi cấy in vitro
(Sankhla và cs,1993).
Gb ảnh hưởng rất rõ rệt lên sự sinh trưởng của các dạng đột biến lùn. Ảnh hưởng đặc trưng của Gb lên sự ra hoa là kích thích sự sinh trưởng kéo dài và nhanh chóng của cụm hoa. Trong sự biểu hiện phái tính của hoa, Gb ức chế phát triển hoa cái, kích thích sự tạo hoa đực (Vũ Văn Vụ và cs,2000).
Khi bổ sung Gb vào môi trường nuôi cấy mô thực vật thì sẽ làm giảm bớt hoặc ngăn cản sự tạo chồi, rễ bất định và sự phát sinh phôi soma. Trong sự tạo chồi ở mô sẹo thuốc lá Gb đặc biệt có tác dụng cản sự tạo chồi khi nó có mặt vào giai đoạn hình thành đỉnh sinh trưởng và nó có tác dụng cản mạnh hơn khi mẫu cấy được nuôi trong điều kiện tối hơn là ngoài sáng. Trong sự tạo rễ thông thường Gb có tác dụng cản sự ra rễ và khi xử lí cành giâm với Gb nồng độ cao (1 - 10 mg/l) ở ngay vị trí đáy cành giâm thì cành này sẽ không tạo được rễ. Ở một số loài thực vật khi xử lí Gb trước khi chuyển vào môi trường ra rễ thì sẽ làm tăng trưởng sự tạo rễ của cành giâm. Tác dụng làm tăng sự ra rễ xảy ra một cách mạnh mẽ khi xử lí Gb ngay khi vừa bắt đầu thấy có sự xuất hiện rễ nhưng chỉ sau một thời gian ngắn ngay sau đó thì nó lại có tác dụng cản (Nguyễn Đức Lượng và Lê Thị Thủy Tiên, 2002). Trong nuôi cấy mô, Gb không tác dụng thuận lợi cũng như ức chế sự thành lập rễ, hoạt tính trái ngược với auxin (Võ Thị Bạch Mai, 2004).
Trong nuôi cấy đỉnh sinh trưởng và lai tạo các dòng cây sạch bệnh, lợi ích của việc thêm kích thích tố Gb vào môi trường nuôi cấy đã gia tăng sự hồi phục của cây nuôi cấy lên đến 49% so với các cây đối chứng trong môi trường lỏng (Dương Công Kiên, 2002).
Nồng độ Gb được sử dụng trong môi trường nuôi cấy khoảng từ 0,1 -
1.5.6.3. Vai trò của cytokinin
•Kích thích phân chia tế bào
Cytokinin kích thích sự phân chia tế bào với điều kiện có auxin. Cytokinin tác động trên cả hai bước của sự phân chia tế bào: phân nhân và phân bào (Bùi Trang Việt, 2000). Có được hiệu quả này là do cytokinin hoạt hóa mạnh mẽ sự tổng hợp acid nuclêic và prôtêin (Vũ Văn Vụ và cs, 2008). Khi nuôi cấy mô nghèo cytokinin (mô lõi thuốc lá, vỏ rễ đậu), auxin kích thích sự nhân đôi nhiễm sắc thể, thậm chí tạo tế bào hai nhân, nhưng không có sự phân vách. Cytokinin cũng kích thích sự gia tăng kích thước tế bào lá trưởng thành (Bùi Trang Việt, 2000).
•Kích thích tạo cơ quan
Cytokinin ảnh hưởng rõ rệt và rất đặc trưng lên sự phân hóa cơ quan của thực vật, đặc biệt là sự phân hóa chồi (Vũ Văn Vụ và cs, 2008). Cytokinin kích thích sự tăng trưởng lá, sự phân hóa mầm… Cytokinin phá vỡ trạng thái ngủ của hạt, kích thích hạt nảy mầm và làm tăng sự nở hoa, tăng sự tượng hoa (Võ Thị Bạch Mai, 2004).
Mô phân sinh ngọn rễ là nơi tổng hợp chủ yếu các cytokinin tự do cho cả cơ thể thực vật. Ở rễ, cytokinin cản sự kéo dài nhưng kích thích tăng rộng tế bào (sự tăng trưởng củ). Cytokinin ngăn cản sự lão hóa, thúc đẩy sự trưởng thành của diệp lạp và là nhân tố chính điều khiển quá trình tái sinh mạch giúp cho sự tạo chồi (Taiz và cs 2010). Trong sự hình thành chồi, cytokinin có thể được xử lý riêng rẽ hay phối hợp với các chất điều hòa tăng trưởng thực vật khác để làm tăng khả năng hình thành chồi và chất lượng của chồi (Edwin, 1996).
Ở một số loài thực vật, mặc dù sự hình thành chồi được cảm ứng bởi cytokinin nhưng chồi không xuất hiện cho đến khi khúc cắt được chuyển sang môi trường giảm hoặc không có cytokinin. Cytokinin cần cho giai đoạn cảm
ứng tạo chồi nhưng kìm hãm sự kéo dài của chồi. Những vấn đề này có thể khắc phục bằng cách giảm nồng độ chất điều hòa sau một hoặc vài lần cấy chuyền để chồi được phát triển tốt nhất (Edwin, 1996).
Cytokinin làm yếu hiện tượng ưu thế ngọn, làm phân cành nhiều. Chính vì vậy mà từ rễ lên chồi ngọn thì hiện tượng ưu thế ngọn càng tăng dần tương ứng với sự tăng hàm lượng auxin và giảm hàm lượng cytokinin (Vũ Văn Vụ và cs, 2009).