CHƯƠNG 6 : SINH TRƯỞNG VÀ PHÁT TRIỂN CỦA THỰC VẬT
2.2.Các chất điều hòa sinh trưởng
2. Các yếu tố ảnh hưởng:
2.2.Các chất điều hòa sinh trưởng
Chất điều hòa sinh trưởng thực vật là những chất có hoạt tính sinh học rất mạnh, được tạo ra 1 lượng rất nhỏ trong cây để điều hịa các q trình sinh trưởng và phát triển của thực vật.
Dựa trên hoạt tính của các chất này trong tự nhiên, người ta chia ra làm 2 nhóm chất: nhóm kích thích và nhóm ức chế.
A. AUXIN
Việc phát hiện ra auxin đã được Darwin (1880) khảo sát trên hiện tượng quang hướng động. Ông thấy ngọn điệp tiêu hướng về phía có ánh sáng và cho rằng ánh sáng đã kích thích ngọn điệp tiêu hướng về phía đó. Bằng nhiều thí nghiệm đơn giản dùng một nắp che đỉnh điệp tiêu thì diệp tiêu khơng cịn hướng về ánh sáng nữa. Sau đó, Paal (1914 - 1919) đã khảo sát ảnh hưởng tương quan giữa đỉnh điệp tiêu và phần bên dưới. Thí nghiệm được thực hiện trong tối để tránh tác động của ánh sáng. Nếu cắt ngọn điệp tiêu thì diệp tiêu khơng dài ra. Nếu gần chóp bị cắt lại thì diệp tiêu dài trở lại, và nếu để chóp ấy nghiêng một bên thì điệp tiêu sẽ cong về phía khơng có chóp.
Cùng lúc này Boysen-Jensen (1910 - 1913) đã làm thí nghiệm bằng cách cắt chóp điệp tiêu, diệp tiêu bị cắt bằng miếng mica hoặc kim thì diệp tiêu cũng khơng dài ra. Nếu ta thay miếng mica hoặc kim bằng một miếng agar mỏng thì diệp tiêu sẽ dài ra và nếu lấy miếng agar có gắn chóp diệp tiêu đặt lên trên một diệp tiêu khác đã bị cắt chóp thì diệp tiêu sau này cũng dài ra. Trên cơ sở các thí
87
nghiệm này, Went (1928) đã làm thí nghiệm bằng cách cắt các chóp diệp tiêu đặt lên khối agar đặt trong tối, sau một thời gian, lấy các khối agar này đặt lên các thần diệp tiêu bị cắt chóp, các điệp tiêu này trở nên sinh trưởng nhanh Kết quả thí nghiệm này chứng tỏ, có một chất hóa học nào đã khuếch tán vào khối agar. Ơng ta đặt tên cho chất đó là auxin. Vài năm sau đó. F. Kogl (1934) đã xác định được cơng thức hóa học của quin và đặt tên là Indole Acetic Acid (IAA). Auxin hiện diện trong các tế bào thực vật dưới nhiều hình thức khác nhau auxin tự do, tiền auxin và auxin liên kết. Các phương pháp ly trích thơng thường là đạt được auxin tổng số (cả ba loại trên). Các hình thức trích auxin theo kiểu khuếch tán đạt được là auxin tự do và auxin liên kết thường kết chặt với protein.
Hình 6.1: Tóm tắt lại nghiên cứu đầu tiên về Auxin
Sự tổng hợp Auxin
+ IAA được tổng hợp ở các vị trí trên cây: + Nhiều ở mơ phân sinh chồi hơn là ở rễ. + Nhiều ở lá non hơn là lá trưởng thành.
+ nguyên liệu để tổng hợp auxin là acid có tên tryptophan. + Đạt cao nhất vào ban ngày.
+ Khi IAA được tổng hợp sẽ phóng thích và vận chuyển đến vị trí tác động. Tuy nhiên sự vận chuyển cũng phụ thuộc nhiều vào lượng đường, lượng CO2, lượng O2 trong mô cây.
88
Cơng nghiệp hóa chất để tổng hợp được các chất hóa học có tác dụng giống IAA. Các chất này được gọi là auxin tổng hợp. Mặc dù cấu trúc hóa học khác nhau nhưng chúng được cấu tạo bởi các nhân: Napthalene, phenoxy, indole. Các chất thường sử dụng trong nông nghiệp là Napthatelene acetic aicd (NAA), 2,4- Dichlo-rophenoxy acetic aicd (2,4 –D), Indole butyric aicd (IBA),Napth Oxy acetic acid (NOA). Trong đó, hoạt tính của 2,4 –D rất mạnh, là thuốc diệt cỏ. NAA, IBA thường dùng để giâm cành, kích thích ra hoa, đậu trái.
Chức năng của Auxin
+ Dãn dài tế bào
Auxin có vai trị trong pha dẫn dài tế bào. Người ta thấy rằng sự dãn dài tế bào xảy ra khi có sự hiện diện của auxin và nồng độ thích hợp cho sự dãn dài thay đổi theo các mơ khác nhau. Nồng độ q cao có thể ức chế cho sự sinh trưởng. Sự kích thích và sự ức chế sinh trưởng cũng thay đổi tùy cơ quan. Ở rễ nồng độ kích thích và ức chế thấp hơn ở thân và ở chồi.
+ Thành lập rễ
Nghiên cứu trong nhiều năm, người ta thấy rằng các cành giâm có chồi hoặc lá non dễ thành lập rễ bên dưới, nếu các cành này được đặt trong các điều kiện thích hợp. Các quan sát trên cũng lý giải là các chồi và lá non là nơi tổng hợp auxin của cành giâm và di chuyển xuống đáy cành để kích thích sự thành lập rễ. Năm 1953, Went và Thimann chứng minh rằng IAA kích thích sự tạo rễ. Nhiều thí nghiệm về sự kích thích của các auxin tổng hợp trên sự thành lập rễ ở các loại cây trồng cho kết quả tương tự. Trong thương mại, các auxin tổng hợp như IAA, IBA cũng được sử dụng để tạo rễ cành giâm các loại cây ăn trái và hoa kiểng phục vụ cho công tác nhân giống.
+ Ức chế chối ngọn và phát triển chồi bên
Sự ức chế các chối bên của thân cây song tử diệp đã được chúng mình là do auxin ở trên chồ ngọn. Khi chồi ngọn được lấy đi thì các chồi bên phát triển. Nhưng nếu chồi ngọn được lấy đi và thế vào đó một miếng agar có auxin thì chồi bên khơng phát triển.
+ Kích thích sự sinh trưởng của quả và tạo trái khơng hạt
Phơi được hình thành là do kết hợp của giao tử đực và cái. Phôi là nơi tổng hợp auxin nội sinh. Chúng sẽ khuếch tán vào bầu nỗn và kích thích bầu nỗn phát triển thành trái. Nếu khơng có sự thụ tinh thì nhân khơng hình thành và hoa sẽ rụng sớm. Xử lý auxin ngoại sinh lên hoa có thể thay thế nguồn auxin nội sinh được tổng hợp trong phơi. Do đó, khơng cần đến q trình thụ phấn, thụ tinh nhưng bầu noãn vẫn lớn và phát triển thành trái không hạt. Tuy nhiên, việc ứng
89
dụng tạo quả không hạt cịn nhiều hạn chế do nhiều ngun như hình dạng trái, chất lượng trái.
+ Sự rụng lá và trái
Các lá non nếu cắt bỏ phiến lá chỉ cịn cuống lá dính thân khơng lâu cuống lá đó sẽ rụng. Nhưng nếu cuống lá ấy được cung cấp IAA cuống lá sẽ không rụng. Sự rụng lá là do giữa cuống và thân lá thành lập 1 tầng rời và việc thành lập tầng rời này do ảnh hưởng của auxin.
+ Kích thích bộ phận đực trên hoa lưỡng tính phát triển.
Hoa lưỡng tính của chơm chơm, khi xử lý auxin vào hoa thì bộ phận đực của hoa phát triển mạnh. Ngược lại bộ phận cái không phát triển.
B. GIBBERELLIN Lịch sử phát triển
Kurosawa (1926), nghiên cứu về bệnh lúa von do nấm Gibberellin fujikuroi gây ra; người ta nhận thấy các cây lúa bị nhiễm nấm này có chiều cao cây cao hơn cây lúa bình thường. Ơng cho rằng cây lúa này đã tạo ra 1 chất có tác tác dụng kích thích sự sinh trưởng của cây lúa, ly trích chất này và tiêm vào cây lúa khác thì nó cũng tăng trưởng nhanh hơn bình thường.
Yabuta và Hayashi (1935-1938) đã kết tinh được chất này và đặt tên là gibberellic acid (GA). Đến năm 1998, người ta đã tìm được 121 GA và đặt tên là GA1 đến GA121., trong đó 109 loại được tìm thấy ở thực vật. Sáu chất có hoạt tính sinh học cao là GA1, GA3, GA4, GA7, GA9 và GA32. Tuy nhiên GA3 có hoạt tính sinh học cao đầu tiên và thông dụng thương mãi từ lâu. Nơi tổng hợp GA là rễ, lá và hột non.
Sự vận chuyển của gibberellin
Sự di chuyển của GA trong cơ thể thực vật khơng có tính phân cực. Vận tốc vận chuyển qua nhu mô 5 – 20 nm/h. Về mặt cấu trúc, tất cả GA là những dẫn xuất của sườn ent-gibberrellin. GA dễ tan trong rượu, tan ít trong nước.
Chức năng
+ Kích thích sự tăng dài của tế bào.
+ Gây nên sự hình thành mầm hoa của cây ngày dài trồng trong điều kiện ngày ngắn.
+ Tác dụng lên aleuron của phơi nhũ kích thích sự tạo ra enzyme amylase cần thiết cho sự nẩy mầm của hạt.
90
+ Tương tác với các chất điều hòa khác ảnh hưởng đến giới tính của hoa và của cây.
Sự tổng hợp GA tổng hợp
+ Tổng hợp trong phôi, hạt nẩy mầm, rễ.
+ Ngồi ra, người ta cịn nghĩ rằng GA được tổng hợp ở mô phân sinh và lá non.
+ Hàm lượng GA tăng lên trong tối vì lượng đường khơng được tạo ra và GA giảm xuống ở ngồi sáng.
+ Vận chuyển khơng phân cực (theo cả hai chiều).
+ GA được tổng hợp từ acetyl CoA là chất có nhiều trong tế bào (chương hơ hấp) thành mevalonic acid và trải qua nhiều bước thành GA.
Cơ chế tác động của Gibberellin lên thực vật
Cơ chế gây ra sự vươn dài thân, lóng dưới tác động của GA đã được giải thích bởi Metraux (1987). Tuy nhiên, sự giải thích này cho đến nay vẫn chưa được thỏa mãn. Ngày này, người ta thấy rằng sự kéo dài thân, lóng của cây gắn liền với hoạt động của enzym xyloglucan endotransglycosylase (XET), enzyme này được tìm thấy trong nhiều loại mơ cây. Enzyme XET thủy hóa phân tử xyloglucan từ ở bên trong và chuyển sang chất nhận khác. XET có khả năng gây ra sự sắp xếp lại các phần tử trong caasutrucs của vách tế bào, từ đó làm giãn dài vách tế bào. Auxin cũng có khả năng gây giãn dài vách tế bào, tuy nhiên sự giãn dài do auxin gây ra thì khơng có liên quan gì đến hoạt động enzyme XET.
Trong khi sự hoạt động của auxin liên quan đến enzyme H+-ATPases. Enzyme này kích hoạt bơm proton H+ trên màng tế bào và bơm H+ từ trong tế bào chất ra ngồi vách. Từ đó, pH ngồi vách giảm xuống và làm ảnh hưởng đến tính chất hoạt động của protein trên vách tế bào gây đứt những liên kết polysaccharide bị yếu đi và vách dễ bị giãn dài và rộng. Trong chuyên ngành, gọi là expansins (những protein nằm trên vách tế bào gây đứt những liên kết polysaccharide trên vách tế bào, làm mất vách tế bào, protein này có tính năng này khi ở pH thấp). Theo cách lý giải này, GA và auxin kết hợp với nhau có thể tác động lên vách tế bào làm cho vách mất vách tế bào (cell wall loosening). Auxins tác động đến bơm proton H+, trong khi GA kích thích sự hoạt động của enzyme XET làm cho những protein expansins có điều kiện đi vào vách tế bào. Như vậy, sự tác động của GA
91
C. CYTOKININ
Lịch sử phát triển
Gottlied Haberlandt (1913) phát triển có một hợp chất chưa biết tên hiện diện trong mơ mạch của thực vật kích thích sự phân chia tế bào; nó gây ra sự thành lập callus làm lành vết thương trên các củ khoai tây bị cắt gọi là cytokinins
Vào thập niên 1940s, Johannes van Overbeek đã tìm thấy nội nhũ của trái dừa non cũng chứa nhiều hợp chất làm thúc đẩy sự phận chia tế bào nhưng chưa được biết tên.
Vào năm 1954, khám phá của Carlos Miller thấy rằng sản phẩm phân hủy một mẫu DNA của con cá Trích sau khi hấp thanh trùng (120oC) đã kích thích mạnh mẽ hoạt động gián phân và sự phân chia tế bào và hình thành mơ sẹo của mẫu thân cây thuốc lá. Sản phẩm này đã được gọi là kinetin. Kể từ đó, kinetin là một thành phần thiết yếu của môi trường nơi cấy mơ. Một vài sản phẩm khác có quan hệ họ hàng với adenine, ví dụ như 6-benzeyladenin (BA), có hiệu quả sinh lý rất giống như kitenin.
Zeatin có tính chất giống nhuw CYT có trong nội nhũ của hạt bắp, trong nước dừa non cũng có chứa zeatin.
Sự vận chuyển cytokinin: theo cả 2 chiềuh ướng lên và xuống. Sự tổng hợp cytokinin
Nhiều nghiên cứu khẳng định cytokin được tổng hợp chủ yếu ở hệ thống rễ và một ít trên ngọn của cây. Sau đó, chuyển đến các bộ phận khác bằng gỗ và mơ libe. Ngồi ra trong các mơ có hoạt động phân sinh mạnh, như tượng tầng mô gỗ, đỉnh sinh trưởng dinh dưỡng và lá non. Sinh tổng hợp CYT trong cây bắt đầu từ izoprene (-C(CH3)= CH – CH3) liên kết với nhau mà thành.
Người ta nghĩ là là enzyme cytokinin oxydase có nhiệm vụ trong việc phân giải CYT, phân cắt phân tử này thành adenine và nhánh phụ N6. Enzyme này không tấn công CYT tổng hợp (kitenin và bezyladenine), điều này giải thích cho đời sống dài của các hợp chất CYT tổng hợp trong nuôi cấy tế bào và trong thực tế sản xuất.
Cơ chế tác dụng của Cytokinin
Chức năng chính của cytokinin là kích thích sự phân bào. Ngồi ra, cyt cịn kích thích pha giãn dài lẫn pha chun hóa. Khi có tác dụng của auxin ở các mức khác nhau, đối với các tế bào tách rời sự cân đối giữa auxin và cyt sẽ kích thích sự thành lập callus, rễ, chồi.
92
Cyt cịn có tác dụng làm lá trẻ lâu. Lá tách rời sau 1 thời gian sẽ bị vàng úa. Nếu các lá này được tẩm cyt thì màu xanh của lá giữ được lâu. Cyt làm chậm q trình phn hủy diệp lục.
Kích thích sự vận chuyển dinh dưỡng: CYT có thể làm dãn rộng tế bào cây
2 lá mầm đặt trong tối và đồng thời ức chế sự phát triển thân rễ.
D.ABSCIC ACID
Vai trò của ABA trong cây: được xem như là 1 chất ức chế sinh trưởng cây trồng.
+ Đóng khẩu lại khi cây thiếu nước + Gây ra sự rụng lá, trái
+ Gây miên trạng chồi, hạt
Sự vận chuyển của ABA trong cây: ABA được vận chuyển theo mô libe và gỗ (không phân cực).
Sinh tổng hợp ABA
ABA được tổng hợp ở tất cả các bộ phận của cây như lá, hoa, trái và tích lịch ở nhiều bộ phận già.Trong lá ABA được tổng hợp nhiều ở trong lục lạp từ mevalonicacic giống như con đương tổng hợp của GA nhưng theo nhánh khác.
Sự tương tác của các chất điều hòa sinh trưởng đến giới tính của hoa
Giới tính của hoa thường được điều khiển bởi gen. Đối với 1 số lồi cây đơn tính biệt chu là thực vật có cây cái cây đực riêng biệt. Cây cái có cặp NST XX, cây đực có cặp NST XY và là cặp dị hợp tử. Giới tính của cây này được hình thành và xác định vào lúc thụ tinh. Tuy nhiện, giới tính của cây có thể bị thay đổi trong thời gian này dưới tác động của điều kiện ngoại cảnh ảnh hưởng đến chất điều hòa sinh trưởng trong cây. Do vậy, áp dụng chất ĐHST có thể làm thay đổi giới tính của hoa trên 1 vài lồi cây thuộc nhóm này.
Đối với lồi cây đơn tính biệt chu, sự phân hóa ngay đỉnh chồi và chúng có khả năng hình thành hoặc hoa đực hoặc hoa cái, quá trình này xảy ra rất sớm. Các thí nghiệm trong ống nghiệm cho thấy kết quả rất thú vị. Nếu cấy phôi vào môi trường chứa hàm lượng gibberellin thì phơi phát triển thành cây đực. Ngược lại, phôi cấy vào môi trường chứa hàm lượng cytokinin thì phơi đó phát triển thành cây cái.
Đối với cây đơn tính đồng chu là cây có hoa đực và hoa cái trên cùng 1 cây. Ngoài các yếu tố môi trường như ánh sáng, quang kỳ, nhiệt độ, tình trạng dinh dưỡng của cây ảnh hưởng đến giới tính của hoa. Chất điều hịa sinh trưởng thực vật cũng có khả năng làm thay đổi giới tính hoa trên lồi cây này. Auxins, ethylens
93
và cytokinin có khuynh hướng kích thích hình thành hoa cái trên cây. Ngược lại, áp dụng gibberrellin thì tao jra nhiều hoa đực nhưng gibberellin thì có thể bị absicic aicd lấn át. Trong các nghiên cứu trước đây cho thấy đối với cây đơn tính biệt chu sự tạo ra hoa cái là do ảnh hưởng của rễ (rễ tổng hợp cytokinin); ngược lại lá (tổng hợp GA và ABA) có tính kích thích thể hiện tính đực.
Đối với loài cây 2 lá mầm như dưa bầu bí, spinach, hemp thì tác động của GA đến giới tính của hoa. Các lồi này khử xử lý GA nó kích thích hình thành hoa đực, nếu như ức chế sinh tổng hợp GA thì nó kích thích hình thành hoa cái. Chính GA có tác động hổ tương với các chất điều hòa sinh trưởng khác trong cây để xác định giới tính của hoa trogn giai đoạn hình thành hoa. Có nhiều chất ngăn