Cơ chế tác dụng của sắt trong vi nhân giống
Trong vi nhân giống thực vật, sắt (Fe) là chất dinh dưỡng cần thiết cho sự tăng trưởng mô, tế bào thực vật; hoạt động như một cofactor của các enzyme và tham gia vào các quá trình quan trọng như quang hợp, sao chép DNA và hô hấp [55]. Để đáp ứng được nhu cầu sử dụng muối sắt của thực vật in vitro, FeSO4.7H2O thường được dùng kết hợp với EDTA (Ethylenediamine Tetra Acetate) tạo phức hợp Fe-EDTA, nhằm ổn định các muối sắt trong môi trường, tăng cường khả năng hấp thu đối với thực vật và bảo vệ chúng khỏi quá trình oxy hóa. Đây là dạng chelate không bị kết tủa và được giải phóng dần tùy theo nhu cầu của thực vật. Tuy nhiên, Fe-EDTA thường ổn định ở mức pH dưới 6,0; nếu pH trên 6,5 thì khoảng 50% sắt không hiệu quả. Cây trồng có 2 cơ chế để hấp thu sắt trong điều kiện hiếu khí được mô tả bởi Romheld và cộng sự (1986) (Hình 1.3) [130].
Cơ chế 1 được thể hiện rõ trong trường hợp thiếu hụt sắt, bằng cách giải phóng các proton, được thực hiện thông qua 3 con đường: (1) khử Fe3+ thành Fe2+ ở bề mặt rễ; (2) đẩy H+ thúc đẩy khử Fe3+ thành Fe2+; (3) giải phóng các chất khử và/hoặc chelate bởi rễ [75]. Các con đường này nhằm kích hoạt enzyme khử nằm trên màng sinh chất trong thành tế bào của vùng chóp rễ. Do đó, trong môi trường có pH bình
thường cây trồng có thể hấp thu sắt theo con đường thứ nhất. Ở cây dưa (Cucumis
sativus L.) bị thiếu hụt sắt khi được cung cấp Fe3+ chelate thì tỷ lệ hấp thu sắt cao gấp 100 lần so với đối chứng được cung cấp đầy đủ sắt trong quá trình nuôi cấy; ngược lại, ở cây lúa mạch (Hordeum vulgare L.) không có enzyme khử thì tỷ lệ hấp thu sắt không cao khi được cung cấp sắt ở nghiệm thức tương tự [130]. Khi môi trường có độ pH cao hoặc thấp sẽ ức chế enzyme khử và quá trình tự oxy hoá Fe2+ diễn ra, dẫn đến sự khử Fe3+ giảm mạnh. Khi môi trường có độ pH cao cây trồng có thể hấp thu sắt theo con đường thứ hai là tác động đến enzyme xúc tác (H+-transporting ATPase (EC3.6.1.35)) làm giảm độ pH trong vùng trống và vùng rễ [131]. Trong nhiều trường hợp quá trình đẩy H+ do thiếu sắt có liên quan chặt chẽ đến những thay đổi trong cấu trúc tế bào rễ [129]. Quá trình đẩy proton và kích hoạt enzyme khử đồng thời ở chóp rễ đã cho thấy một hệ thống phản hồi phức tạp. Giảm độ pH từ 8 xuống 6 đã gia tăng sự khử Fe3+ thành Fe2+ trong rễ cây đậu phộng khoảng 20 lần [130]. Nhưng đối với môi trường có độ pH thấp thì khả năng đẩy proton không thể tạo pH cao để kích thích enzyme khử. Hiệu quả của cơ chế 1 phụ thuộc vào việc cung cấp sắt hoà tan (chủ yếu là chelates sắt) vào hệ thống enzyme khử theo con đường thứ 3 [130]. Trong một số điều kiện nhất định Fe3+ chelates được tạo ra bởi các vi sinh vật rhizosphere có thể thay thế các chất tiết ra ở rễ tạo thành chelates sắt hoà tan [80]. Tóm lại, cơ chế 1 là phức tạp và dựa vào nồng độ của sắt chelates hoà tan trong rễ. Tỷ lệ hấp thụ sắt bằng cơ chế 1 giảm khi cây trồng được trồng trên đất có độ pH quá cao hoặc quá thấp.
Cơ chế 2: Fe3+ sẽ chuyển thành dung dịch Fe2+ do phytosiderophores ở rễ cây tiết ra. Kết quả là ở các loài có thành phần này có khả năng hấp thu Fe3+ vô cơ ít hoà tan. Các phytosiderophores đã được xác định là axit iminocarboxylic thay thế các hydroxy và các amino (mugineic hoặc avenic acid). Các hợp chất này có liên quan về mặt hoá học với nicotianamine – một loại amino acid xuất hiện nhiều trong thực vật bậc cao. Sự giải phóng phytosiderophores khi cây bị thiếu sắt. Tỷ lệ hấp thu sắt có liên quan đến loại phytosiderophores [153]. Các nghiên cứu gần đây cũng cho thấy trạng thái dinh dưỡng của cây cũng liên quan đến hệ thống hấp thu này. Tuy nhiên, cách hấp thu sắt này có thể điều chỉnh được tốc độ giải phóng phytosiderophores và
hấp thu Fe3+ phytosiderophores chỉ bị suy giảm nhẹ bởi pH, điều này có thể giải thích cho tính kháng cao hơn của các loài này đối với môi trường có độ pH quá cao hoặc quá thấp [130].
Hình 1.3. Cơ chế hấp thu sắt trong thực vật
Ứng dụng FeNPs trong vi nhân giống thực vật
Tương tự như AgNPs, FeNPs có tính ổn định và tính tan cao nên chúng có thể là nguồn vật liệu tiềm năng trong vi nhân giống. Đối với thực vật, các bằng chứng về các tác động tích cực của FeNPs lên thực vật đã được một số nhà khoa học chứng minh khi sử dụng ở nồng độ thấp. Các hạt FeNPs cho thấy khả năng thúc đẩy tăng trưởng và kéo dài rễ, tăng khả năng chống chịu với các stress sinh học và phi sinh học của thực vật [86], [99].
Almeelbi và Bezbaruah (2012) đã nghiên cứu cho thấy sự tăng cường đáng kể về sinh trưởng, phát triển và sinh khối thực vật của rau chân vịt (Spinacia oleracea) bằng FeNPs trong dung dịch thủy canh. Đáng lưu ý là hàm lượng sắt trong lá thân và rễ đã tăng gấp đôi khi sử dụng nano [25]. Amuamuha và cộng sự (2012) cũng đã
tư (Calendula officinalis) ở ba giai đoạn phát triển đó là kéo dài thân, ra hoa, sau thu hoạch. Kết quả cho thấy sản lượng hoa và tinh dầu cao nhất đạt được khi sử dụng 1 g/L FeNPs ở giai đoạn kéo dài thân [26]. Khi ghi nhận các thông số sinh trưởng, phát triển trên cây hương bồ (Typha latifolia) nuôi cấy thủy canh trong nhà kính, Ma và cộng sự (2010) đã nhận thấy các cây được bổ sung FeNPs với nồng độ thấp hơn 50 mg/L cho cây tăng trưởng mạnh về kích thước cây, rễ, lá, sinh khối so với đối chứng không sử dụng nano [99]. Khi bổ sung nano bằng phương pháp phun FeNPs lên lá cho thấy tác động tích cực lên sự ra rễ, sinh trưởng cây, tăng cường hàm lượng chlorophyll, sinh khối, năng suất hạt, hàm lượng protein trong hạt lúa mì (Triticum spp.) [111].
Ngược lại, khi nồng độ sử dụng cao, độc tính của FeNPs cho thấy tác động làm giảm tỷ lệ nảy mầm, giảm hàm lượng chlorophyll và sinh trưởng nhiều cây trồng trên đồng ruộng như cây hắc mạch (Lolium perenne), đại mạch (Hordeum vulgare), lanh (Linum usitatissimum), hương bồ (Typha latifolia), dương lai (Populous deltoids ×
Populous nigra),…) [99], [166], [54], [104]. Các tác động tiêu cực của FeNPs được
cho là do sự lắng đọng và tích tụ các hạt sắt trên bề mặt rễ ngăn chặn sự hấp thu nước và các chất dinh dưỡng lên cây. Trong khi đó, sự nảy mầm của hạt của nhiều đối tượng cây trồng như cải xoong (Lepidium sativum), dâu tằm (Sinapis alba), cao lương (Sorghum saccharatum) và lúa (Oryza sativa) đã được chứng minh không chịu tác động bởi các hạt FeNPs cũng như nồng độ của chúng [96], [166]. Tuy nhiên, thông tin về độc tính của FeNPs đối với sự sinh trưởng, phát triển thực vật vẫn còn rất ít và không rõ ràng [104].