1.1 Đặc điểm giống thực vật Drosera
1.1.1 Đặc điểm phân loại
Theo hệ thống phân loại thực vật của Takhtajan, Drosera thuộc: [9]
Giới: Plantae (Thực vật)
Ngành: Magnoliophyta (Ngọc Lan) Lớp: Magnoliopsida (Ngọc Lan) Phân lớp: Rosidae (Hoa Hồng)
Bộ: Caryophyllales Họ: Droseraceae Giống: Drosera
Tên tiếng Anh: Sundew, Sondou, Doublom
Drosera là giống thực vật chiếm số lượng loài nhiều nhất trong nhóm thực vật ăn thịt, với hơn 188 loài [77]. Năm 1994, Seine và Barthlott đã chia các loài thuộc giống Drosera vào 11 nhóm (section) thuộc 3 phân giống (subgenus) (hình 1.1)
− Phân giống Drosera: là phân giống lớn nhất, các loài thuộc phân giống này được chia thành 7 section gồm Drosera, Ptycnostigma, Thelocalyx, Phycopsis, Bryastrum, Lasiocephala, Coelophylla
− Phân giống Ergaleium: các loài thuộc phân giống này được chia thành 3 section gồm Stoloniferae, Erythrorhizae, Ergaleium
− Phân giống Regiae: chỉ gồm 1 loài duy nhất là D. regiae thuộc section Regiae
Luận án Tiến sĩ Sinh học Trang 4 Hình 1.1. Cây phát sinh loài trong các phân giống thuộc giống Drosera dựa trên trình
tự DNA chloroplast rbcL và DNA nhân 18S ribosome [122]
Lu 1.
1.
C cá hi V C
1.
Th D ch th Tr B B
uận án Tiế Hình .1.2 Đặc đ .1.2.1 Trên Các loài Dro ác loài Dro iện ở Úc), Venezuela ( Châu Âu (Ph
.1.2.2 Tro heo sách P D. indica L
hỉ tìm thấy huốc dân g rung Bộ (T ình Châu-P ình, Bình T
ến sĩ Sinh h h 1.2. Sự ph
điểm phân n thế giới osera phân osera có n
Châu Phi (17 loài), C
háp, New Z
ng nước Phạm Hoàn
, D. peltat y và sử dụn ian [5]. Ha Thái Nguy
Phước Bửu Thuận.
học
hân bố Dro n bố
n bố rộng r nhiều ở Úc
i (28 loài), Châu Á (ch
Zealand...)
ng Hộ, ngư ta, D. burm ng 2 trong s
ai loài Dro yên, Thanh
u thuộc tỉn
osera trên t rãi khắp nơ (trong hơn , Brazil và hủ yếu ở Đ ) có khoảng
ười ta đã từn manii Vahl
số 3 loài nà osera này x Hóa, Ngh nh Bà Rịa
thế giới (vù ơi trên thế g n 188 loài à một số nư Đông Nam
g 2-3 loài [
ng tìm thấy l [4]. Tuy n ày (D. indi xuất hiện n hệ An, Hà Vũng Tàu
ùng có màu giới (hình
thì có hơn ước khác
Á) phát h [31].
y 3 loài Dr nhiên, cho ica, D. bur nhiều ở các
Tĩnh), khu u và khu d
u xanh lá) 1.2). Trong n 115 loài
ở Bắc Mỹ hiện khoản
rosera ở V o đến nay, rmanii) như
c tỉnh miền u bảo tồn th du lịch sinh
Trang 5 [121]
g đó, đa số được phát ỹ (17 loài), g 3-4 loài,
Việt Nam là người dân ư những vị n Bắc, Bắc hiên nhiên h thái Bắc
5 ố t , ,
à n ị c n c
Luận án Tiến sĩ Sinh học Trang 6 1.1.3 Đặc điểm hình thái
1.1.3.1 Thân
Hầu hết các loài Drosera đều là thân thảo, mềm, mảnh, hình dạng nhỏ. Tuy nhiên, hình thái của chúng rất đa dạng tùy vào kết cấu của thân:
− Thân trên mặt đất, phân nhánh hay không phân nhánh, thân có thể ngắn hay dài (chiều cao có thể từ 1cm đến 2-3m tùy loài), thẳng hay ở dạng xoắn (hình 1.3a)
− Thân tiêu biến, chỉ có lá kết cụm từ một điểm tạo thành dạng hoa hồng úp xuống hay ngược lên trên mặt đất (hình 1.3b)
− Thân rễ hay thân củ ở dưới đất, lá và cuống lá tủa ra từ thân tạo thành các phiến mỏng xòe rộng ra từ một điểm (hình 1.3c)
Hình 1.3. Các dạng cấu trúc thân của Drosera
Lu 1.
L dạ er hồ ha nh nh tu bà m
uận án Tiế .1.3.2 Lá á có chiều ạng khác rythrorhiza ồng hay m ay kém ph hiều lông hiều tuyến ua cuốn đư ào tuyến x mút tua cuốn
Hình
ến sĩ Sinh h u dài lá từ 0
nhau tùy a) hay hình mọc luân ph
hát triển, đô tơ có tuyế
tiết này đư ược tạo bởi xuyên qua l n giúp cây
h 1.4. Các h
học
0,5cm (D.
từng loài h kim (D.
hiên đối vớ ôi khi tiêu ến bao phủ ược tạo bởi i 2 lớp tế b
lớp biểu b bắt dính v
hình dạng
pygmaea) i (hình 1.4
binata). L ới loài có th
biến tùy từ ủ khắp bề
i một cuốn bào tuyến ì tạo thành và tiêu hóa
khác nhau
đến 60cm 4), chủ yế Lá mọc cụ
hân trên kh ừng loài. Đ mặt phiến ng dài, nhỏ
tiết. Chất k h những gi
con mồi.
u của lá và l
m (D. binat ếu ở 2 dạ
m về một hông. Lá k Đặc trưng n lá của ch
, có cấu trú keo dính đ iọt keo (dạ
lông tuyến
ta). Lá có n ạng: hình
điểm như kèm có thể của lá Dro húng. Lông úc đa bào v được tiết ra ạng dịch nh
n Drosera [
Trang 7 nhiều hình ovale (D.
ư dạng hoa ể phát triển osera là có g tơ mang và đầu mút a từ các tế hầy) ở đầu
[127]
7 h
a n ó g t ế u
Luận án Tiến sĩ Sinh học Trang 8 1.1.3.3 Rễ
Hệ thống rễ của hầu hết các loài Drosera tương đối đơn giản: rễ chùm nhưng chỉ có một vài nhánh. Ở một số loài, rễ của chúng được gọi là rễ giả vì chủ yếu chỉ giữ chức năng như 1 cơ quan hút nước, cung cấp nước cho cây và giúp cho cây bám được vào đất, hoàn toàn không có vai trò trong hấp thu dinh dưỡng cho cây.
Drosera ở Nam Phi sử dụng rễ của chúng chỉ để trữ nước và chất dinh dưỡng do cây chuyển hóa. Một số loài có hệ thống rễ thô và rắn chắc có thể sống sót qua mùa đông lạnh cho dù thân cây của chúng đã chết. Một số loài khác như D. adelae và D.
hamiltonii sử dụng rễ của chúng cho mục tiêu nhân giống vô tính thông qua sự nẩy chồi bất định dọc trên rễ. Còn Drosera ở Úc có thể tạo thành những dạng thân hành dưới đất giúp cây sống sót qua mùa hè khô hạn. Rễ của loài Drosera có sắc tố thường phát triển dài hơn nhiều so với chiều cao thân cây, một cây cao 1cm có thể có rễ dài đến 15cm bám sâu dưới lòng đất. D. lasiantha và D. scorpioides cũng có khả năng hình thành rễ bất định. D. intermedia và D. rotundifolia từng được công bố có thể hình thành dạng cộng sinh với nấm Arbuscular mycorrhizas (AMs), giúp cây dễ dàng hấp thu dinh dưỡng từ đất [77].
1.1.3.4 Hoa (hình 1.6)
Lưỡng tính, nhỏ, có dạng tỏa tia, mỗi phát hoa có 3-20 hoa [127]. Cũng như hoa của các loài thực vật ăn thịt khác, hoa Drosera thường được giữ ở vị trí cao hơn nhiều so với lá của chúng nhờ cuống hoa hay thân. Sự sắp đặt tự nhiên này ban đầu được cho là sự thích nghi của cây để tránh bắt nhầm những tác nhân gây thụ phấn tiềm năng. Nhưng gần đây, nhiều nghiên cứu đã cho thấy rằng Drosera cuốn hút côn trùng làm tác nhân thụ phấn và bẫy con mồi làm thức ăn với hai kiểu khác nhau [82]. Do đó, có thể nói rằng sự sắp đặt tự nhiên của vị trí hoa Drosera (cuống hoa dài) nhằm giúp nâng hoa lên một vị trí mà ở đó có thể nhận diện được tác nhân thụ phấn cho chúng một cách an toàn. Hoa nở chỉ khi chúng đáp ứng với sự nhạy cảm ánh sáng trực tiếp và toàn bộ hoa tự cũng có tính hướng quang, thường di chuyển đến vị trí có ánh sáng mặt trời [27].
Luận án Tiến sĩ Sinh học Trang 9 Hình 1.5. Màu sắc đa dạng của hoa
Drosera [130]
Hình 1.6. Mặt cắt ngang của hoa Drosera (D. peltata, D. spathulata) [124], [126]
Cánh hoa: 5 cánh rời, hình nêm hay hình trứng, kích thước 5-10 x 3-4mm. Nói chung, hoa thường có màu trắng, hồng hay hoa cà, có vân. Các loài Drosera ở Úc có dãy màu hoa rộng hơn, bao gồm cam (D. callistos), đỏ (D. adelae), vàng (D.
zigzagia), tím (D. microphylla) (hình 1.5). Hầu hết đều có cánh nhỏ (< 1.5cm), ngoại trừ 1 số loài đặc biệt như D. regia và D. cistiflora có cánh rộng (>4cm) [27].
Đài hoa: 5 cánh, màu xanh ngả vàng, mọc từ đế, hình ngọn giáo ở đỉnh rồi thuôn hẹp dần, kích thước 3-5 x 1-2mm, mép liền, có tuyến tiết [127].
Bộ phận sinh dục đực: 5 chỉ nhị hình sợi, dài 3-5mm [127]. Hạt phấn thường kết lại với nhau thành từng đơn vị bộ bốn nhờ sự kết dính giữa các vách, đây là một cấu trúc duy nhất có ở thực vật hạt kín. Bộ bốn hạt phấn này hoạt động như một đơn vị riêng biệt và một lượng nhiều hơn số hạt phấn này được xem như để tăng cường khả năng tự thụ phấn, vì mỗi hoa trong cụm hoa Drosera nở ra chỉ trong vài giờ vào buổi sáng. Hầu hết hoa tự thụ phấn nhờ côn trùng. Nếu sự thụ phấn không diễn ra, hạt phấn và nhụy sẽ tự thụ phấn khi hoa khép cánh [99]
Bộ phận sinh dục cái: bầu nhụy dạng ống, trứng hay dạng cầu méo, có 3 thai tòa, 3 vòi nhụy dính nhau ở đế, thường uốn cong, hướng vào trong, đầu nhụy đơn giản [127]. Bầu noãn thượng và chia ngăn, đính noãn ở vách. Noãn được xác định nhờ sự kéo dài của phôi tâm và những tế bào biểu bì mở rộng [99].
Luận án Tiến sĩ Sinh học Trang 10 1.1.3.5 Quả nang và hạt
Quả nang: đường kính 2-6mm (hình 1.7), chứa nhiều hạt [127].
Hạt: hình ellip, hẹp như một đường thẳng hay hình cánh quạt. Drosera có vỏ hạt ít phức tạp hơn so với Drosophyllum hay Dionaea. Hạt có vẩy hình mắc lưới, cấu tạo gồm 3 phần: 1 lớp vỏ hạt có nhiều lignin, 1 lớp nội nhũ có nhiều tinh bột, và 1 phôi nhỏ [99], [128] (hình 1.8). Hạt thu được sau một tuần từ khi hoa nở.
Hình 1.7. Các dạng nang chứa hạt của Drosera [125]
Hạt non và chín
Hình 1.8. Hình thái hạt Drosera[56]
Hình thái hạt D. indica (mắc lưới 6 canh thẳng) và D. burmanii (mắc lưới 4 cạnh không thẳng)
Luận án Tiến sĩ Sinh học Trang 11 1.1.4 Đặc tính sinh học
1.1.4.1 Điều kiện sống
Khí hậu: Drosera thích nghi với các vùng khí hậu khác nhau. Chủ yếu là những nơi ẩm ướt như những vùng đất thấp lầy, bờ ao, bờ sông hay những vùng đất cao, thoáng đãng nhưng có độ ẩm cao; thậm chí có thể chịu được úng ngập nhưng không thể chịu được khô hạn do hệ thống rễ của chúng cạn, khó ăn sâu vào trong đất tìm mạch nước ngầm [99], [123].
Đất đai: sống được ở hầu hết các điều kiện đất đầm lầy, sỏi, cát, đất acid. Đất trồng Drosera là một hỗn hợp gồm 3/4 đất mùn + 1/4 cát, cát sạch, cát trộn bột than gỗ.
pH: cây chịu được môi trường acid (pH3) đến môi trường trung tính (pH7), nhờ đó cây có thể sống được trên những vùng đất than bùn, có tốc độ phân giải của các hợp chất hữu cơ thấp [99].
Độ ẩm: 50 - 80%, độ ẩm thấp hơn sẽ làm mất giọt keo dính đầu lông tiết.
Nhiệt độ: chịu được nhiệt độ cao (>300C) vào mùa hè, và thấp (∼50C) vào mùa đông [99].
Ánh sáng: cây thích hợp với ánh sáng trực tiếp, tối thiểu từ 6 - 8 giờ chiếu sáng một ngày. Khi cây sống ở nơi có cường độ ánh sáng cao thì toàn bộ cây sẽ chuyển sang màu đỏ. Nếu cây không nhận đủ ánh sáng thì tua cuốn sẽ có màu xanh.
Nhu cầu dinh dưỡng: trong những điều kiện tự nhiên, Drosera mọc hầu hết trên các cơ chất acid, thường thiếu nitrogen và phosphor. Mặt khác, nồng độ muối cao sẽ ngăn cản sự tăng trưởng của cây, ảnh hưởng này biểu hiện rõ hơn sự thiếu hụt côn trùng trong môi trường [105]. Côn trùng là một nguồn bổ sung nitrogen có giá trị.
Cây sẽ tăng trưởng tối đa khi được cung cấp côn trùng; trong khi đó nếu bổ sung nitrogen vô cơ, cây sẽ tăng trưởng chậm hơn và sự trổ hoa thường sẽ bị ức chế.
Nhiều nghiên cứu cho thấy nitrogen là một nguồn dinh dưỡng rất quan trọng cho Drosera [60].
Luận án Tiến sĩ Sinh học Trang 12 1.1.4.2 Cơ chế bắt côn trùng
Phương tiện bẫy mồi: cái bẫy mồi của những loài cây này bao gồm rất nhiều những lông tơ mang tuyến tiết trên bề mặt lá và thân cây (hình 1.9A), những tuyến tiết này tiết ra nhiều giọt giống như keo (dew-drop) (hình 1.9B) thu hút côn trùng.
Giọt keo này không bị khô và mất đi dưới ánh nắng mặt trời, chính vì lý do này mà loài cây này được đặt tên “sundew” [32]. Tế bào tiết của những tuyến tiết sản sinh ra nhiều enzyme thủy phân protein, chẳng hạn như protease, acid phosphatase. Khi tuyến tiết được kích hoạt, các enzyme này sẽ được hoạt hóa và được tiết ra ngoại bào cùng với một dịch nhầy. Dịch nhầy được tiết ra bởi tuyến lông (không có những tuyến riêng biệt để tiết enzyme và chất nhầy), chính chất nhầy này sẽ giữ vai trò bẫy mồi cũng như tiêu hóa chúng [99].
Hình 1.9. Phương tiện và cơ chế bắt côn trùng của D. indica L.
A: Lông tơ trên bề mặt lá và thân cây [129], B: Giọt keo dew-drop [129], C:
Con mồi bị thu hút và đến gần lá cây [120], D: Giọt keo bắt dính con mồi [120], E: Lông tiết cúi gập, giữ chặt con mồi [120]
A B
C D E
Luận án Tiến sĩ Sinh học Trang 13 Cơ chế bẫy mồi: con mồi bị thu hút, đến gần lá cây, lập tức sẽ bị những giọt keo bắt
dính ở đó (hình 1.9C, D). Chất keo dính này không độc, không gây chết con mồi, chúng chỉ có vai trò bắt dính con mồi và tạo áp lực kéo các lông tiết cuộn gập xuống. Lông tiết phần do áp lực của các giọt keo, phần do nhạy cảm với protein sẽ cúi gập, giữ chặt con mồi (hình 1.9E). Tuyến tiết khi đó ngừng tiết dịch keo dính và tiết nhiều enzyme thủy phân tiêu hóa con mồi. Sản phẩm tiêu hóa mau chóng được lá hấp thụ, cung cấp chất dinh dưỡng từ con mồi cho cây [32].
Hình thức sinh sản: chủ yếu là loài cây một năm [127], với 2 hình thức sinh sản:
− Hữu tính (bằng hạt) [59]: cây có thể tự thụ phấn hay thụ phấn nhờ gió và côn trùng. Hạt được phóng thích khi trái chín rục. Bên trong hạt thường có không khí nên chúng có thể trôi nổi trong nước nhiều ngày, giúp giống Drosera được phát tán đến nhiều nơi theo dòng nước.
− Vô tính (bằng mầm) [99]: một số loài sundew ở Úc (như D. dichrosepala và D.
pygmaea) lại phát sinh mầm. Mầm đại diện cho những cơ quan đặc biệt trong sinh sản vô tính, có chức năng và thậm chí có cấu trúc tương tự như hạt. Mầm tượng trưng cho những đầu chồi mầm bị rụng mà chính những đầu chồi mầm này sẽ hoạt động sinh sản giống như hạt, chỉ khác là không có quá trình thụ tinh xảy ra. Kiểu sinh sản vô tính này trước đây đã được mô tả ngắn gọn bởi Slack (1980) [104] và Lowrie (1989) [72], họ cho rằng mầm bao gồm mô sinh dưỡng và những cấu trúc lá và rễ phát sinh phôi. Nhiều dữ liệu cho thấy ở Drosera kiểu sinh sản vô tính có hiệu quả hơn hữu tính: mất ít thời gian hơn (70-90 ngày), trong khi hạt phải mất 120-150 ngày, nẩy chồi có hiệu quả (80-100%) chỉ trong vòng 7-14 ngày [99].
1.1.5 Hiện trạng của Drosera trên thế giới [112]
Mỹ: tất cả đều đã được liệt trong danh sách thực vật có nguy cơ tuyệt chủng ở các tiểu bang [USDA, 2006]. May mắn là một số ít quần thể Drosera vẫn được duy trì bảo vệ tốt trong những khu sinh thái thiên nhiên được bảo tồn như Vườn Quốc gia, Khu bảo tồn sinh vật hoang dã.
Luận án Tiến sĩ Sinh học Trang 14 Châu Âu: nhiều loài Drosera đã được bảo vệ bằng luật pháp (Đức, Áo, Thụy Điển,
Cộng hòa Séc, Phần Lan, Hungary, Pháp, Bulgaria)
Ở Nam Phi và Úc: hai trong số ba trung tâm phát triển về sự đa dạng và sinh thái tự nhiên của giống cây này đã và đang phải chịu một áp lực lớn từ những hoạt động sống của con người. Hạn hán từng xảy ra ở nước Úc hơn 10 năm qua và cũng đã nâng cao đáng kể mối đe dọa tuyệt chủng cho một số loài Drosera ở đó.
Madagascar: một số loài Drosera là loài đặc hữu của nước này, nhưng hiện đang trên đà có nguy cơ tuyệt chủng do không được bảo vệ và liên tục bị thu hái phục vụ cho sản xuất dược liệu. Hằng năm, 100-200 triệu cây được thu hái làm dược liệu.
1.1.6 Thành phần hóa học 1.1.6.1 Naphthoquinone
Drosera thiên nhiên (bảng 1.1) cũng như in vitro (bảng 1.2) có thể sản sinh 2 loại naphthoquinone chính là: plumbagin và 7-methyljuglone [64]. Sự hiện diện và hàm lượng của chúng đã được sử dụng như những đặc trưng (marker) hóa học để phân loại thực vật ở các loài Drosera [26]. Crouch và cộng sự (1990) [25] đã công bố hàm lượng plumbagin trong D. natalensis và D. capensis thiên nhiên chiếm khoảng 0,0025%, và 0,0048%FW. Mặt khác, Repcák và Galambosi (1994) [95] cũng đã chứng minh trong D. rotundifolia và D. anglica ở Phần Lan sự hiện diện của 7- methyljuglone, hàm lượng hợp chất này trong cây thay đổi tùy thuộc vào sự phát triển và sinh lý của lá. Họ khảo sát thấy hàm lượng 7-methyljuglone cao nhất trong lá non (2,7%DW ở D. rotundifolia và 2,1%DW ở D. anglica) và hàm lượng này giảm trong lá trưởng thành (0,8-1,2%DW ở D. rotundifolia và 0,6-1,6%DW ở D.
anglica). Hơn nữa, ở những lá có nhiều sắc tố đỏ, hàm lượng các naphthoquinone này thấp (0,04-0,1%DW ở cả hai loài). Ngoài ra, Drosera còn tổng hợp được một số naphthoquinone vi lượng khác như droserone, hydroxydroserone và nhiều naphthoquinone glucoside (bảng 1.3) mà không tìm được ở các loài khác [99].
Luận án Tiến sĩ Sinh học Trang 15 Bảng 1.1. Các loài Drosera thiên nhiên chứa plumbagin và 7-methyljuglone [99]
plumbagin 7-methyljuglone D. andersoniana
D. auriculata D. binata D. bulbosa D. capensis D. capillaris D. cistiflora D. dichotoma D. erythrorhiza D. intermedia D. longifolia D. lunata D. macrophylla D. madagascariensis D. microphylla D. modesta D. natalensis
D. adelae D. aliciae
D. aliciae x capensis D. anglica
D. auriculata D. burkeana D. capensis D. cistiflora D. cuneifolia D. dielsiana D. filiformis D. hamiltonii D. hilaris D. intermedia D. longifolia
D. longifolia x rotundifolia D. madagascariensis
Bảng 1.2. Các loài Drosera in vitro chứa plumbagin và 7-methyljuglone [99]
plumbagin 7-methyljuglone D. capensis
D. intermedia D. natalensis
D. capensis D. intermedia D. rotundifolia D. spathulata
Bảng 1.3. Các naphthoquinone vi lượng được tách chiết từ Drosera [99]
Naphthoquinone Loài Kiểu nuôi cấy
Droserone
Hydroxydroserone Biramentaceonea
Droserone-5-O-glucoside Rossoliside
Hydroxydroserone-5-O-glucoside 2-Methylnaphtazarin-5-O-glucosideb
D. whittakeri D. rotundifolia D. whittakeri D. rotundifolia D. ramentaceae D. rotundifolia D. rotundifolia D.rotundifolia D.rotundifolia D.spatulata
In vivo In vivo In vivo In vivo In vivo In vivo In vivo In vivo In vitro In vitro a: Sản phẩm chuyển hóa sinh học thu được từ dịch chiết với dung môi hữu cơ.
b: Sản phẩm chuyển hóa sinh học thu được từ dịch chiết với dung môi methanol.