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
- 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).
• Sự phối hợp cytokinin và auxin trong phát sinh cơ quan
Auxin phối hợp với cytokinin giúp sự tăng trưởng chồi non và khởi phát sự tạo mới mô phân sinh ngọn chồi từ nhu mô. Tuy nhiên, ở nồng độ cao, auxin cản sự phát triển của phát thể chồi vừa thành lập hay của chồi nách, các chồi bây giờ vào trạng thái tiềm sinh. Như ở cây cỏ ba lá trắng White clover sự cảm ứng tạo chồi và tăng nhanh về số lượng được thúc đẩy do sử dụng cytokinin riêng rẽ. Nhưng khi thêm auxin vào môi trường nuôi cấy sẽ làm chồi của cây này khó hình thành rễ hoặc tạo những mô sẹo không mong muốn. Ở Brassica alboglabra, số lượng chồi hình thành trên môi trường có kinetin sẽ giảm mạnh nếu AIA được thêm vào môi trường (Edwin, 1996).
Cytokinin hỗ trợ auxin trong sự tăng trưởng nhưng cũng có sự đối kháng giữa cytokinin (giúp sự tạo chồi) và auxin (giúp sự tạo rễ). Vì vậy, trong cả hai con đường phát sinh cơ quan trực tiếp và gián tiếp thông qua mô sẹo, việc phối hợp cytokinin và auxin sẽ quyết định chiều hướng phát sinh hình thái. Miller và Skoog (1965) đã chứng minh mô sẹo thuốc lá tạo rễ hay chồi tùy theo tỷ lệ auxin/cytokinin trong môi trường nuôi cấy. Tỷ lệ auxin/cytokinin cao giúp sự tạo rễ; auxin/cytokinin thấp giúp sự tạo chồi (Bùi Trang Việt, 2000).
Một tỉ lệ cân bằng giữa hai chất điều hòa trên chỉ tạo khối mô sẹo không phân hóa. Để tăng hệ số nhân giống, người ta tăng nồng độ cytokinin trong
môi trường nuôi cấy ở giai đoạn tạo chồi in vitro. Nồng độ cytokinin cao cản sự tăng trưởng của rễ và cản hiệu quả kích thích tạo rễ của auxin, nên trong nuôi cấy mô, cytokinin được coi như chất ức chế sự hình thành rễ (Võ Thị Bạch Mai, 2004).
•Làm chậm lão hóa
Cytokinin làm chậm sự lão hóa ở chỗ là làm tăng sự kích thích hoạt động tổng hợp của protein và làm chậm sự thoái biến cytokinin (Võ Thị Bạch Mai 2004). Mặc dù không cản hoàn toàn, nhưng cytokinin làm chậm rõ rệt sự lão suy lá (lá còn giữ màu lục) khi được phun trên cây hay xử lí trực tiếp trên lá tách rời (Bùi Trang Việt, 2000). Hiệu quả kìm hãm sự hóa già, kéo dài tuổi thọ của cơ quan có thể chứng minh là cành giâm ra rễ, thì rễ tổng hợp cytokinin nội sinh và kéo dài thời gian sống của lá lâu hơn. Trên cây nguyên vẹn, khi hệ thống rễ phát triển mạnh sẽ là lúc cây trẻ và sinh trưởng mạnh. Nếu hệ thống rễ bị tổn thương thì cơ quan trên mặt đất chóng già (Vũ Văn Vụ và cs, 2008). Trong nuôi cấy, nồng độ cytokinin được sử dụng khoảng từ 0,1 -
10 ppm, thường dùng nhất là 1 - 2 ppm. Thường dùng phối hợp với auxin, khi dùng ở nồng độ cao thì mẫu cấy có thể cho ra nhiều chồi con nhưng sự tăng trưởng của từng chồi sẽ bị hạn chế (Võ Thị Bạch Mai, 2004).
Cytokinin có thể cảm ứng sự biểu hiện các gen điều hòa bởi ánh sáng và các cây mầm bị hoàng hóa nếu được tăng trưởng trong điều kiện có mặt cytokinin sẽ có kiểu hình như cây mầm tăng trưởng dưới ánh sáng (Chory và
cs, 1994).
1.5.6.4. Vai trò của acid abcisic (ABA)
Acid abcisic (ABA) trong cơ quan đang ngủ có hàm lượng tăng gấp 10 lần so với thời kì dinh dưỡng. Sự ngủ kéo dài cho đến khi nào hàm lượng ABA trong chúng giảm đến mức tối thiểu (thường là giảm 70% đối với hạt), đồng thời hàm lượng GA trong chúng cũng tăng lên đáng kể. Do vậy từ trạng
thái ngủ chuyển sang trạng thái nảy mầm có sự biến đổi tỉ lệ ABA/GA (Dương Công Kiên, 2002).
ABA được tổng hợp ở hầu hết các bộ phận của cây như rễ, lá, hoa, quả, hạt, củ và tích lũy nhiều ở các cơ quan già, các cơ quan đang ngủ nghỉ, cơ quan sắp rụng. Nó được vận chuyển trong cây không phân cực theo phloem hoặc xylem. ABA là một chất ức chế sự sinh trưởng rất mạnh nhưng nó không gây hiệu quả độc khi ở nồng độ cao. Khi cây bị thiếu nước, hàm lượng ABA tăng nhanh trong lá, làm khí khổng nhanh chóng đóng lại và giảm ngay sự thoát hơi nước (Bùi Trang Việt, 2000).
ABA đóng một vai trò quan trọng trong sự ngủ của hạt giống, phát triển phôi và thích ứng với môi trường stress (Bo Hu và cs, 2010).
ABA được xem là một nhân tố kìm hãm quá trình sinh lý, đặc biệt là sự tăng trưởng của thực vật. Tuy nhiên, cũng như những hormon khác, tác động kích thích hay kìm hãm quá trình sinh lý của ABA còn tùy thuộc vào nồng độ xử lý, và sự tương tác của ABA với những hormon khác. ABA kích thích sự rụng, nhưng không phải là chất chủ yếu (so với etylen và auxin). ABA kích thích sự xuất hiện và nhanh chóng hình thành tầng rời ở cuống lá (Vũ Văn Vụ và cs, 2009).
1.5.6.5. Vai trò của Etylen
Khi hạt nảy mầm có sự gia tăng của quá trình hô hấp và trao đổi chất dẫn đến sự gia tăng quá trình tổng hợp etylen đồng thời giảm sự vận chuyển của auxin và cytokinin.