Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.2. VI THỦY CANH
1.2.1. Sơ lược về phương pháp vi thủy canh
Phương pháp vi nhân giống (nhân giống in vitro) ra đời tạo nên một cuộc cách mạng trong lĩnh vực nhân giống thực vật, giúp cung cấp nhanh với số lượng lớn các giống cây quý theo yêu cầu mà vẫn giữ được đặc tính di truyền của thực vật. Tuy nhiên, những giới hạn của điều kiện vi nhân giống làm giảm sức sống của cây nuôi cấy mô. Trong môi trường nuôi cấy in vitro truyền thống, độ ẩm tương đối cao, nhiệt độ khơng đổi, cường độ dịng photon quang hợp thấp, nồng độ CO2 dao động lớn, sự hiện diện của đường, muối và chất điều hoà tăng trưởng ở nồng độ cao trong mơi trường, sự tích lũy khí ethylen và những chất độc khác, vi sinh vật không hiện diện trong môi trường [60]. Những điều kiện trên ngăn cản sự thoát hơi nước, làm giảm quang hợp, giảm hấp thu nước, chất khống và CO2 và thúc đẩy hơ hấp trong tối. Điều này dẫn đến tỷ lệ cây chết khá cao khi chuyển ra vườn ươm.
Trong những năm gần đây, đã có nhiều nghiên cứu cải tiến để tìm ra một hệ thống vi nhân giống mới, trong đó mơi trường ni cấy có thể được kiểm sốt một
cách thuận lợi. Hệ thống nuôi cấy in vitro quang tự dưỡng cũng đã ra đời với mục đích khắc phục một số nhược điểm của phương pháp truyền thống. Chẳng hạn như việc hạn chế được sự lây nhiễm nhờ không sử dụng đường trong mơi trường ni cấy. Thay vào đó, phương pháp quang tự dưỡng chú trọng điều khiển điều kiện vật lý của môi trường như hàm lượng CO2, chất lượng ánh sáng, quang kỳ, nước. Tuy nhiên, phương pháp này vẫn còn nhiều hạn chế do tiêu tốn nhiều chi phí cho hệ thống kiểm sốt tự động các điều kiện mơi trường và cơng lao động cấy chuyền.
Vi thủy canh (microponic) là một phương pháp sản xuất cây giống kết hợp vi nhân giống (micropropagation) và thủy canh (hydroponic). Trong đó, mơ thực vật được cung cấp chất dinh dưỡng ở quy mô nhỏ. Phương pháp này bước đầu đã thể hiện những đặc tính ưu việt và có thể khắc phục nhiều nhược điểm của các hệ thống vi nhân giống in vitro truyền thống [45].
Trong các nghiên cứu trước đây của Nhut và cs (2005b) hệ thống vi thủy canh (Hình 1.1) [87] đã áp dụng thành công trên các đối tượng cúc. Trong nghiên cứu này, hệ thống vi thủy canh được thực hiện với giá thể film nylon ống và vật chứa là các hộp nhựa trịn Đại Đồng Tiến. Các chồi cây có thể tiền xử lý với auxin.
Hình 1.1. Hệ thống vi thủy canh (microponic). 1.2.2. Ưu điểm của phương pháp vi thủy canh
Vi thủy canh lấy ý tưởng từ phương pháp thủy canh để ứng dụng cho giai đoạn cuối của quá trình nhân giống. Đặc điểm của phương pháp này là điều kiện nuôi cấy khơng cần vơ trùng, có thể khắc phục một số thiệt hại do nhiễm nấm, khuẩn. Vì thế,
có thể giảm đáng kể chi phí đầu tư vào hộp vơ trùng, các cơ sở hạ tầng khác và việc điều khiển môi trường nuôi cấy cũng đơn giản hơn phương pháp quang tự dưỡng [87].
Hơn nữa, do điều kiện môi trường của hệ thống vi thủy canh là gần với điều kiện tự nhiên nên việc thuần hố cây con ngồi vườn ươm thuận lợi hơn rất nhiều. Trong hệ thống vi thuỷ canh, các chồi cây in vitro được thuần hoá dần trong điều kiện gần điều kiện tự nhiên, cụ thể là môi trường khơng vơ trùng, độ thống khí cao,... giúp cho cây có thể tự quang hợp để lấy nguồn carbon từ CO2, thay vì từ đường như hệ thống vi nhân giống truyền thống. Vì vậy, khi đến giai đoạn ra vườn ươm, cây hồn tồn có thể thích ứng kịp thời với mơi trường mới.
Phương pháp này đơn giản hơn phương pháp nhân giống in vitro. Nó có thể rút ngắn bớt giai đoạn trong quy trình nhân giống bằng việc kết hợp giai đoạn ra rễ với giai đoạn thuần dưỡng ex vitro thành giai đoạn ra rễ in vitro. Do đó, sẽ rút ngắn được thời gian nhân giống, tiết kiệm được chi phí sản xuất cũng như chi phí về điện năng, tiền cơng nhân viên và các chi phí phát sinh khác [45 – 47].
Phương pháp này không sử dụng đường, agar mà đây là một trong các nguyên nhân chính làm gia tăng giá thành sản phẩm nên phương pháp này sẽ làm giảm được chi phí sản xuất. Hơn nữa, do khơng sử dụng đường trong q trình ni cấy nên sẽ khơng cần vơ trùng và giảm được chi phí cho việc hấp vô trùng môi trường và công lao động cho việc cấy chuyền, cũng như giảm được tỷ lệ nhiễm.
1.2.3. Tình hình nghiên cứu về phương pháp thủy canh in vitro và vi thủy canh
1.2.3.1. Phương pháp thủy canh in vitro
Năm 2004, Nhut và cs đã nghiên cứu về hình thành củ bi trực tiếp của cây khoai sọ (Colocasia esculenta spp.) cũng như cảm ứng tăng trưởng của cây con ở giai đoạn vườn ươm trong hai hệ thống (1) nuôi trồng trong đất (2) và nuôi trồng trong hệ thống thủy canh hộp xốp sau 15 hoặc 30 ngày [93]. Kết quả nghiên cứu cho thấy, tỷ lệ sống sót, chiều cao cây và số lá của cây trồng trong hệ thống thủy canh cao hơn trong nuôi cấy đất. Các cây giống khoai sọ được nuôi cấy trong hệ
thống thủy canh cũng có hiệu quả cao hơn đối với những cây trồng trong đất khi chúng được chuyển đến đồng ruộng.
Nguyen và cs (2005) đã sử dụng hệ thống thủy canh in vitro trong sản xuất PLB của cây địa lan (Cymbidium spp.). Đây là lồi cây ưa ẩm và có khả năng chịu ẩm tốt nên rất phù hợp với hệ thống mới. Trong cùng thể tích mơi trường, hệ thống thủy canh in vitro với giá đỡ ở độ cao 1 cm (nghĩa là gần mặt dịch lỏng hơn) cho PLB có khối lượng tươi cao hơn so với hệ thống có giá đỡ cách 2 cm. Hơn nữa, khi so sánh ảnh hưởng của các thể tích mơi trường lên sự hình thành PLB trong hệ thống có giá đỡ ở độ cao 1 cm thì nhận thấy rằng mơi trường có thể tích 70 ml cho trọng lượng PLB tươi cao nhất. Qua những kết quả ban đầu, hệ thống thủy canh in
vitro mới tỏ ra rất thích hợp với mục tiêu này. Đây là hệ thống “thủy canh trong ống
nghiệm” được thiết lập lần đầu tiên và được cơng bố trên các tạp chí quốc tế [85]. Dương Tấn Nhựt và cs (2005) đã nghiên cứu phương pháp thủy canh in vitro trong việc nâng cao chất lượng cây hoa African violet phục vụ người trồng hoa [8]. Sau 30 ngày nuôi cấy, các cây trong hệ thống thủy canh trực tiếp bắt đầu trổ hoa, hoa có màu sắc đẹp và bền (từ 2 đến 3 tháng). So với nghiệm thức trồng cây trong đất, sau 30 ngày vẫn chưa ra hoa, hoa của các cây trồng trong đất có tuổi thọ ngắn hơn. Riêng về bộ lá, các cây African violet trong hệ thống thủy canh trực tiếp có bộ lá dày, rậm, xanh tốt, khơng bị các biểu hiện thường gặp như thối nhũn ở phương pháp trồng và chăm sóc thơng thường. Tuy nhiên, do khơng có giá thể, lá cây African violet trong hệ thống thủy canh có xu hướng mọc ngả xuống (theo hướng trọng trường), không thể xoè rộng như trong trường hợp trồng trong đất. Các cây thí nghiệm bắt đầu có nụ, tỷ lệ nụ của các cây trong hệ thống thủy canh trực tiếp cao hơn so với các cây trồng ngoài đất sau 30 ngày. Phương pháp thủy canh in vitro trong sản xuất của khoai tây bi cũng được nghiên cứu bởi Nhut và cs (2006) [88].
1.2.3.2. Phương pháp vi thủy canh
Thuật ngữ vi thủy canh (microponic) lần đầu tiên được mô tả bởi Hahn và cs (1996) trên đối tượng cây hoa cúc để xem liệu nó có thể đơn giản hóa các giai đoạn
tăng trưởng thực vật, ra rễ, thích nghi với mơi trường và nhân giống với kết quả tốt hơn so với hệ thống in vitro thông thường. Kết quả cho thấy rằng, sự tăng trưởng của cây hoa cúc trong hệ thống vi thủy canh cao hơn nhiều so với cây cúc trong hệ thống in vitro [45]. Trong hệ thống này, cây có thể tăng trưởng nhanh hơn và khỏe mạnh hơn mà khơng có sự thối hóa, cũng khơng địi hỏi phải tiến hành những bước nuôi cấy phức tạp như trong ni cấy in vitro. Ngồi ra, nó cịn tiết kiệm thời gian và cơng lao động, vì các giai đoạn nuôi cấy sơ cấp, nhân số lượng, ra chồi và ra rễ được tiến hành liên tiếp [45].
Hệ thống này cũng được nghiên cứu trên đối tượng là cây hoa cúc (Chrysanthemum grandiflorum ‘Bongwhang’) nhằm mục đích làm giảm một số khó khăn trong ni cấy in vitro như hiện tượng thủy tinh thể, giúp đơn giản hóa q trình ni cấy và đã thu được một số kết quả khả quan. Hahn và cs (1998, 2000) đã báo cáo rằng, cây hoa cúc trong hệ thống vi thủy canh sinh trưởng mạnh hơn so với cây cúc trong hệ thống in vitro với thời gian ngắn hơn, thể hiện ở cả khối lượng tươi, khối lượng khơ, kích thước lá, số lượng lá, mật độ khí khẩu và tốc độ quang hợp [46 – 47].
Ra rễ thường là giai đoạn cuối của quá trình vi nhân giống trước khi đưa cây ra vườn ươm. Thơng thường việc ra rễ vẫn cịn được thực hiện trên môi trường vô trùng. Nhưng gần đây đã có những nghiên cứu mới thực hiện việc ra rễ trong điều kiện khơng cịn vơ trùng đã thu được một số kết quả khả quan trên đối tượng cây hoa cúc, đây là một bước tiến xa của việc ứng dụng kỹ thuật thủy canh vào lĩnh vực nuôi cấy mô. Nhut và cs (2005b) đã chứng minh hiệu quả của phương pháp vi thủy canh so với phương pháp vi nhân giống trong sản xuất cây hoa cúc. Trong nghiên cứu này, các chồi cúc (3 cm) được tiền xử lý với NAA (α-Naphtaleneacetic acid) ở các nồng độ khác nhau (100, 500 và 1000 ppm) trong khoảng thời gian 10 – 30 phút. Kết quả thực nghiệm cho thấy có sự khác biệt rõ ràng giữa những chồi được tiền xử lý với NAA (500 ppm) trong thời gian 20 phút và những chồi cúc ở các nồng độ khác và không được tiền xử lý [87].
Đối với cây hoa chuông Nhựt và cs (2005) cũng đã chỉ ra rằng các cây trong hệ thống vi thủy canh có chiều cao, khối lượng tươi cao hơn và số lá nhiều hơn so với hệ thống bình thủy tinh sau 6 tuần ni cấy [9]. Ngoài ra, các cây vi thủy canh có bộ lá xanh tốt hơn, thân lớn hơn so với các cây trong hệ thống bình thủy tinh. Khả năng tạo rễ ở các cây vi thủy canh mạnh hơn, cụ thể ở tuần thứ 2 đã có sự xuất hiện rễ, sau 3 tuần bộ rễ phát triển mạnh so với cây trong hệ thống đối chứng phải sau 3 tuần mới bắt đầu xuất hiện rễ. Tất cả các cây được chuyển ra vườn ươm có tỷ lệ sống sót cao (khoảng 80% cây từ hệ thống bình thuỷ tinh, và 98% cây từ hệ thống vi thuỷ canh).
Như những bằng chứng rõ ràng trong thí nghiệm này, hệ thống vi thủy canh có nhiều ưu điểm so với vi nhân giống truyền thống ở nhiều khía cạnh khác nhau. Khơng giống với vi nhân giống, quá trình tăng trưởng chồi, ra rễ in vitro trong hệ thống vi thủy canh có thể xảy ra khi điều kiện mơi trường tối ưu. Hầu hết, cây vi thủy canh không cần thời gian nhất định để ra rễ và thích nghi (q trình này được xem là quan trọng nhưng phức tạp và tốn thời gian trong hệ thống vi nhân giống truyền thống). Một khi chồi cúc in vitro được chuyển sang hệ thống vi thủy canh, quá trình tăng trưởng chồi, ra rễ và thích nghi xảy ra cùng lúc, khơng có sự biến dạng và biến đổi chức năng.
1.2.4. Những hạn chế của nghiên cứu trước đây
Những nghiên cứu trước đây của Hahn và cs (1996, 1998, 2000) thực hiện trên đối tượng cây hoa cúc đã chỉ ra rằng cây hoa cúc trong hệ thống vi thủy canh tăng trưởng mạnh hơn so với hệ thống nuôi cấy in vitro [45 – 47]. Trong nghiên cứu này, các tác giả đã sử dụng kỹ thuật lớp mỏng dinh dưỡng cho hệ thống vi thủy canh trên giá thể trơ là rockwool, dung dịch dinh dưỡng được hoàn lưu nhờ vào một máy bơm nhỏ. Điều kiện môi trường (nhiệt độ, nồng độ CO2 và độ ẩm của khơng khí, pH, EC và nhiệt độ mơi trường) được kiểm sốt. Chính vì vậy, sự tăng trưởng của cây vẫn cần yếu tố vô trùng và điều khiển tự động của máy bơm.
Trong nghiên cứu của Nhut và cs (2005b) đưa ra mơ hình vi thủy canh với giá thể film nylon cho thấy, cây tăng trưởng tốt hơn so với hệ thống nhân giống in vitro [83]. Việc tiền xử lý ra rễ với NAA trong thời gian 20 phút cho số rễ cũng như các chỉ tiêu tăng trưởng khác tối ưu hơn so với các auxin khác [87]. Tuy nhiên, những nghiên cứu này chỉ đưa ra mơ hình ở phịng thí nghiệm chưa được ứng dụng vào thực tiễn, đơn giản hóa quy trình nhân giống phục vụ sản xuất với số lượng cây giống lớn cụ thể, dễ thực hiện bởi người dân và dễ dàng vận chuyển.
Vi thủy canh là một phương pháp chưa có nhiều nghiên cứu trên nhiều đối tượng với các hệ thống khác nhau. Theo xu hướng hiện nay, hệ thống này được nghiên cứu cải tiến theo hai xu hướng: một là hiện đại hóa với các thiết bị nhằm tối ưu hóa được mơi trường và đưa ra điều kiện tối ưu cho sự phát triển của cây; hai là các nghiên cứu nhằm đơn giản hóa cách thực hiện với các thiết bị, vật liệu đơn giản, rẻ tiền nhưng vẫn đảm bảo được sự phát triển tốt của cây và nâng cao chất lượng cây giống, dễ dàng áp dụng trên quy mơ lớn.
Vì vậy, để đơn giản quy trình sản xuất cũng như dễ ứng dụng nên xu hướng thứ hai được chúng tôi tiến hành nghiên cứu. Luận án này được thực hiện nhằm khảo sát tác động của một số yếu tố lên sự tăng trưởng của cây hoa cúc trong hệ thống vi thủy canh và qua đó đưa ra mơ hình sản xuất cây giống với số lượng lớn, sạch bệnh và có chất lượng tốt phục vụ sản xuất, giúp người dân dễ thực hiện, đơn giản trong q trình đóng gói, vận chuyển hướng tới phân phối cây giống đến người dân và xa hơn là xuất khẩu.
1.3. SƠ LƯỢC VỀ CÂY HOA CÚC
Cây hoa cúc (Chrysanthemum morifolium) thuộc chi Chrysanthemum, họ Asteraceae, là một trong những loại cây trồng làm cảnh lâu đời và quan trọng trên thế giới, có nguồn gốc từ Trung Quốc, Nhật Bản,.... Nó là loại hoa thương phẩm rất được ưa chuộng ở phương Đơng và phương Tây, khơng chỉ vì sự đa dạng về màu sắc và hình dáng mà cịn vì dễ nhân giống, dễ điều khiển sự ra hoa theo ý muốn và giữ được tươi lâu. Chính vì vậy, cây cúc trở thành loại hoa cắt cành thương phẩm
phổ biến trên thế giới, đứng thứ hai sau cây hoa hồng [125]. Giá trị thương mại của cây hoa cúc vào khoảng 145 triệu USD tại Mỹ năm 2009 [130]. Cúc là cây có giá trị kinh tế cao, do đó nó được trồng hầu hết ở các vùng trên thế giới.
1.3.1. Phân loạiGiới: Plantae Giới: Plantae Ngành: Angiospermatophyta Lớp: Dicotyledoneae Bộ: Asterales Họ: Asteraceae Chi: Chrysanthemum
Loài: Chrysanthemum morifolium
1.3.2. Giá trị kinh tế
Với sự đa dạng, phong phú về màu sắc và hình dạng hoa, cúc rất thích hợp và thực sự đang được ưa chuộng như một loại cây cảnh có giá trị về vật chất lẫn tinh thần.
Cúc khơng cần phải chăm sóc nhiều, thậm chí có thể chịu được một vài điều kiện khắc nghiệt và mang đến cảnh quan đẹp mắt, dễ chịu. Cúc có thể được trồng trong chậu nhỏ, to hay được trồng thành cụm lớn ngồi vườn rồi lấy hoa để trang trí. Do vậy, ngày càng nhiều những thí nghiệm nhằm cải tiến chất lượng của cây hoa cúc được tiến hành, làm cho nó ngày một đa dạng về màu sắc và hình dạng, cũng như tăng khả năng chống chịu nấm bệnh và thích nghi tốt với mơi trường.
Có thể nói, cúc đã và đang mang lại nguồn lợi rất lớn cho các nhà kinh doanh. Ngồi giá trị như một cây cảnh, cúc cịn là một loại dược liệu rất tốt. Ở Việt Nam, từ xa xưa, người dân đã biết dùng cánh hoa cúc tươi hoặc phơi khô để pha trà hay đơn giản là nấu nước uống. Một số bài thuốc đơng y cịn sử dụng cúc như một vị thuốc