6. Đóng góp mới của đề tài
1.8.1. Các nguyên tố vi lượng với quá trình hô hấp, quang hợp
*. Cường độ hô hấp và tốc độ của quá trình ôxy hoá khử thường tăng dưới ảnh hưởng của các nguyên tố vi lượng Bo, Mn, Zn, Cu,Mo… Các nguyên tố vi lượng đặc biệt tham gia tích cực trong chặng đường phân, cũng như chặng phân huỷ hiếu khí (chu trình Krép) của các nguyên liệu hữu cơ. ở đây các nguyên tố vi lượng kích thích sự hoạt động của các enzim, ví dụ các enzim ôxy hoá khử chứa
Fe, Cu (Xytôcrôm, Pôly phenoloxyđaza, Ascobiaoxyđaza) cũng như các enzim Flavin có chứa các loại khác. Các nguyên tố vi lượng không những có ảnh hưởng đến quá trình ôxy hoá mà còn ảnh hưởng đến cả hiệu quả năng lượng (phốtphorin hoá trong hô hấp), hàm lượng ATP trong cây lúc thiếu Bo thường giảm sút rõ rệt (theo Skolnik; Malepxkaia 1962; Boisenkô, Pazoriteleva 1962…), điều đó có liên quan đến sự tăng hoạt tính của enzim ATP –aza (là enzim xúc tác sự phân cắt các gốc phôtphát từ phân tử ATP) lúc thiếu Bo.
Các nhà nghiên cứu đã thu được nhiều sự kiện rất lý thú về vai trò của Zn và Mn trong trao đổi phôtpho: ví dụ sự tham gia của Mn trong thành phần của enzim phôtphoraza xúc tác sự chuyển các gốc ađenozintriphotphat. Nhìn chung các nguyên tố vi lượng ảnh hưởng tích cực đến quá trình hô hấp của thực vật. Chúng ảnh hưởng gián tiếp thông qua hệ thống enzim ôxy hoá khử làm tăng quá trình tổng hợp và vận chuyển các chất.
*. Vào những năm 50 của thế kỷ XX nhiều công trình nghiên cứu của các nhà khoa học trong và ngoài nước đã cho thấy rằng các nguyên tố vi lượng có ảnh hưởng mạnh mẽ đến quá trình quang hợp,khi sử lý Zn, Mn, Cu, Bo, Co,Mo… cho lúa, ngô, đậu, đỗ làm tăng lượng diệp lục tổng số cũng như mối liên kết giữa diệp lục và prôtêin [9]. Watley,Ordin, Arnon (1951) và Romamoorthy (1955) đã kết luận rằng: muốn tổng hợp diệp lục tố không những cây cần có Fe, Mg, mà còn cần tập trung trong lục lạp cả Mn và Zn [2], [4].
Naxue và Klimovixkaia (1958) đã cho thấy ảnh hưởng tích cực của Mn,Mo,Cu,Bo, Co đến quá trình tạo thành sắc tố của cây cũng như sự phân huỷ diệp lục trong tối giảm đi nhờ xử lý Mn, Mo và đặc biệt là Bo và Cu. Các nguyên tố vi lượng có tác dụng tăng cường sự tích luỹ carôtenôit theo Ratnes, Burkin, Takhvolerasvit (1961); Payve, Kroyia (1961). Dưới ảnh hưởng của các nguyên tố vi lượng, sắc tố và kích thước của lục lạp được tăng lên theo Lipskaia, Tsekravina
(1959), ngoài ra còn làm tăng độ bền vững của diệp lục (Duleva 1959). Các nhà nghiên cứu đã thấy ảnh hưởng rõ rệt của các nguyên tố vi lượng đến cường độ và hiệu suất quang hợp. Chẳng hạn Cu, Zn, Co, Mo có khả năng làm giảm sự ức chế ban trưa của quang hợp. Trong pha sáng của quang hợp, Cu, Fe có vai trò khá rõ: Cu là vi lượng tham gia cấu tạo Prôtêin-Cu (Plastoxianin); Fe trong xitocrom b, f, feredoxin…các enzin này có vai trò quan trọng trong chuỗi truyền điện tử giai đoạn quang hoá (Katoks 1960; Thái Duy Ninh 1972).
Trong quá trình quang hợp sự khử CO2 được tiến hành nhờ phức hợp enzim dehyđrogenaza chứa Fe và Mn ở trong lục lạp. Theo nghiên cứu của Boisenkô và các cộng tác viên thì các Metallofbavoprotêin có khả năng khử CO2 đồng thời tạo thành peroxyt đó là một enzim chứa cả Fe và Mn. Ngoài sáng lúc phân ly nước, flavin khử Fe và với sự tham gia của Mn tạo thành peroxytlipit. Chất này có thể là tiền chất của ôxít tự do thoát ra trong quang hợp. Tiếp đó Fe khử CO2 thành sản phẩm đầu tiên từ đó về sau tạo thành các chất gluxít. Xaenkô 1964 đã đề ra sơ đồ về sự tham gia của Fe và Mn trong quá trình khử CO2 như sau:
ánh sáng H2O CO2 Phức hệ Mn2+ ROOH Enzim FAD Fe3+ FAD Fe3+ Fe2+ Mn2+ Mn3+ O2 Gluxit Mn2+ Mn3+ Fe3+ Fe2+
Hình 1: Sơ đồ về sự tham gia của Mn và Fe trong quá trình khử CO2. Phốtphatit
Trong pha tối của quang hợp các nguyên tố vi lượng cũng có vai trò tích cực. Mn, Zn, Cu, Mo, Co, Bo giúp cho quá trình vận chuyển sản phẩm từ lá xuống cơ quan dự trữ cũng như hạn chế cường độ quang hợp lúc gặp điều kiện bất lợi (ban trưa lúc nhiệt độ cao)[3].
Trong những năm gần đây các nhà nghiên cứu như Nguyễn Duy Minh, Thái Duy Ninh, Hoàng Hà, Nguyễn Như Khanh, Nguyễn Văn Mã…đã khẳng định vai trò của các nguyên tố vi lượng đến việc tổng hợp sắc tố của trên các đối tượng như Đậu tương, Lúa, Bèo dâu, Ngô, Đỗ xanh…[2].
Tóm lại, các nguyên tố vi lượng có ảnh hưởng sâu sắc và nhiều mặt đến quang hợp. Vì quang hợp có liên quan hữu cơ tới năng suất cho nên vi lượng ảnh hưởng tới thu hoạch. Theo tài liệu tổng kết của Pâyve (1960) thì các nguyên tố vi lượng ảnh hưởng tới lượng chứa các chất hữu cơ trong cây, có nghĩa là nó ảnh hưởng tới quá trình tổng hợp và biến đổi mọi nhóm chất hữu cơ trong cây [4].
1.8.2. Nguyên tố vi lượng với chế độ nước và tính chống chịu của cây
Các nguyên tố vi lượng ảnh hưởng tích cực đến chế độ nước trong cây và tính chống chịu của cây với các điều kiện môi trường bất lợi: hạn hán, nhiệt độ thấp, nồng độ cao của dịch đất và mầm bệnh…
Nhiều nghiên cứu cho thấy: hàm lượng nước liên kết được nâng cao (khi cấp nước không đầy đủ) dưới ảnh của Bo, Mn, Zn, Cu (Skolnik 1950; Tagizađe 1957; Skolnik và Makarôva 1958; Guxoinov 1958; Abutalưbov và Xameđôva 1959). phân tích cho thấy sự tăng nước liên kết keo, còn hàm lượng nước liên kết thẩm thấu dưới tác động của chúng lại hạ thấp (Xtartxeva, Vaxileva 1958). Điều đó theo ý kiến tác giả, có liên quan với sự xúc tiến việc rút các chất có hoạt tính thẩm thấu (đường). Bo, Mn, Zn, Cu làm tăng độ nhớt của chất nguyên sinh (Nataxin 1952; Skolnik, Makarova 1958). Tính chịu nóng của các cây mọng nước có liên quan với độ nhớt cao của tế bào, cũng như hàm lượng nước liên kết cao của chúng (Genhel, Margolina 1948). Hàm lượng các tiểu phần phôtfatít và
nuclêôprôtêit trong thời gian hạn hán tăng lên dưới tác động của các nguyên tố vi lượng (Xtareva 1963). Phôtfatít là chất trung gian trong quá trình tổng hợp các axít béo. Bởi vậy việc tăng hàm lượng của chúng tất phải có ảnh hưởng đến hàm lượng Lipít và Lipoit trong tế bào, mà sự tổng hợp các chất đó lại tác động đến sự điều tiết tính thấm của chất nguyên sinh và do đó ảnh hưởng đến tính chịu hạn của cây [5].
Khi thiếu nước, sự vận chuyển các sản phẩm đồng hoá diễn ra khó khăn hơn (Jokcevít 1954) nhưng Bo, Zn, Co, Cu, Mo, Al có ảnh hưởng tích cực đến sự tổng hợp, chuyển hoá và vận chuyển Gluxít từ lá đến các cơ quan sinh sản- nâng cao tính chịu hạn và chịu nóng của cây. Các nguyên tố vi lượng có vai trò trong quá trình ôxi hoá khử, có khả năng duy trì hàm lượng vitamin C ở nhiệt độ cao (nếu không dễ bị phân huỷ ở điều kiện đó. Các nguyên tố Bo, Al, Zn, Cu, Co kìm hãm sự giảm hàm lượng ATP lúc cây bị đốt nóng (Boisenko,Skolnik, Momot 1963) để đảm bảo năng lượng cho mọi quá trình sinh tổng hợp, trong đó có sinh tổng hợp Prôtêin, Axít nuclêic và làm tăng khả năng chịu hạn, chịu nóng của cây. Ngoài ra vấn đề ảnh hưởng của các nguyên tố vi lượng đến các quá trình sinh lý chi phối tính chịu mặn của cây còn ít được nghiên cứu. Chỉ biết rằng dưới tác động của Bo, Zn, Al, Cu, Mo tính thấm của chất nguyên sinh đối với ion clo giảm sút, nó làm thay đổi tỷ lệ giữa dạng clo tự do và liên kết theo hướng tăng tốc độ xâm nhập phốtpho, kali, canxi và sự tích luỹ các chất có tác dụng bảo vệ như: Globulin, Abumin (Matuklin, Merdjanian 1959; L.H. Xlonôv 1964). Việc bón Bo, Mn, Zn, Al, Cu, Co vào đất và phun qua lá đã làm tăng độ nhớt và hàm lượng các keo ưa nước trong lá cây trong điều kiện đất mặn, làm tăng lượng nước liên kết và khả năng giữ nước của lá. Các nguyên tố Bo, Al, Cu, Co, Mn làm tăng lượng tinh bột và gluxít trong lá cây lên đáng kể (Skolnik, Makarova, Xfekova 1949) do đó sẽ đảm bảo cung cấp nước cho tế bào tốt hơn và làm ổn định các hệ keo của chất nguyên sinh. ảnh hưởng của các nguyên tố vi lượng đến tính chịu
mặn của cây theo Boisenko, Rarorilieleva 1962 thể hiện chúng tác động trực tiếp hoặc gián tiếp làm biến đổi các hệ enzim ôxi hoá khử có vai trò quyết định trong việc hoạt động hấp thụ của hệ rễ.
Dưới ảnh hưởng của các nguyên tố vi lượng khả năng chống nấm bệnh của cây cũng được nâng lên đáng kể. Chẳng hạn, bằng cách sử dụng Mn và Cu ta có thể tái sinh các cơ chế làm việc cho các nấm ký sinh không thể phát triển và bi tan rã (Shichia, Uriđari 1956) [2], [3], [5].
Nhìn chung các nguyên tố vi lượng có ảnh hưởng tích cực đến khả năng chống chịu với các điều kiện môI trường bất lợi, đảm bảo cho cây sinh trưởng và phát triển bình thường.
1.9. ảnh hưởng của các nguyên tố vi lượng đến quá trình trao đổi các chất ở thực vật (Gluxít, Prôtêin, Axít nuclêic và các phốtpho hữu cơ) chất ở thực vật (Gluxít, Prôtêin, Axít nuclêic và các phốtpho hữu cơ)
1.9.1. Trao đổi Gluxít.
Đã có nhiều dẫn liệu về ảnh hưởng của các nguyên tố vi lượng đến sự tăng hàm lượng Gluxít (Vlaxyuk, Skolnik, Xteklova, Iakovleva 1950; Tagizade 1957; Novifxkaia 1958; Dagritxeko 1960; kibalenko, Vidorsina 1963).
Ví dụ: Các nguyên tố Zn và Co làm tăng hàm lượng Xaccarôza trong quả nho đồng thời làm giảm độ chua của chúng (Đobrolyubxki 1955; Xtavro 1955), Cu làm giảm hoạt tính thuỷ phân của enzim amylaza lúa mì (Okunoxov, Rodinna 1956). Sự kiện này phù hợp với dẫn liệu của các nhà nghiên cứu Nhật Bản cho biết rằng Cu là tác nhân ức chế enzim amylaza. Nghiên cứu của Tsin Shanni 1943 cho thấy rằng Mn thúc đẩy nhanh, mạnh mẽ hơn sự thuỷ phân tinh bột lúc hạt lúa mì nảy mầm so với axít inđol axêtíc [5].
Nhiều tài liệu đã chứng minh được rằng sự tham gia của các nguyên tố vi lượng trong các enzim trao đổi Gluxít như:
+ Mn: Cacboxylaza, Endolaza, Photphoenol transphenylaza, glyxerôphôtfatdaza. + Zn: Cacbonhyđraza, cacboxylaza, photfataza.
+ Mo: Alđehyđroxyđaza.
+ Cu: làm giảm tính thuỷ phân của amylaza.
Điều này giải thích được cơ chế tác dụng của các nguyên tố vi lượng tham gia vào sự trao đổi Gluxít một cách tích cực nhất. Nhìn chung việc xử lý phân vi lượng làm tăng chiều hướng tổng hợp Gluxít ở các mô dự trữ và thúc đẩy quá trình thuỷ phân các chất đó ở mô lá và lúc hạt nảy mầm (Budove 1951; Ckin 1957; Adimop 1958). Dưới ảnh hưởng của Bo, toàn bộ hoạt tính và đặc biệt hoạt tính thuỷ phân của invetaza ở lá và hoạt động tổng hợp của enzim đó ở củ khoai tây được xúc tiến mạnh mẽ, kết quả là trong lá luôn chứa lượng Gluxít hoà tan nhiều hơn trong củ, tinh bột lại giàu hơn (Budove 1951) [2], [5].
Như vậy các nguyên tố vi lượng đóng vai trò to lớn trong sự trao đổi gluxít của cây. Nó không chỉ tham gia trực tiếp vào thành phần của enzim xúc tác các quá trình tổng hợp gluxít mà còn ảnh hưởng gián tiếp đến trạng thái tích luỹ gluxít, sự phân giải gluxít trong mọi khía cạnh của quá trình này [2], [3], [5].
1.9.2. Trao đổi Prôtêin, Axít nuclêic, các phốt pho hữu cơ và trao đổi các chất có hoạt tính sinh học cao.
*. Các nguyên tố vi lượng đã tham gia vào thành phần của các enzim thuộc hệ enzim trao đổi Prôtêin như: glyxindipeptídaza, glyxil -1-lơxinđipeptidaza, prolidaza, lơxinpeptidaza, cacboxinaza, cacboxypeptidaza. Một số nguyên tố vi lượng như: Mn, Fe, Co và Ni có khả năng làm tăng hoạt tính của acginaza, lơxitinaza, aminopeptidaza, dipeptidaza, polypeptidaza. Thực nghiệm cho biết Mn, Fe, Co có ảnh hưởng tốt đến hoạt tính của acginaza và hàm lượng Prôtêin (Vaidynatham, Giri 1956). Còn Oxtrovxkaia và Gellev năm 1955 cũng đã làm thí nghiệm dùng các loại muối chứa nitơ nặng (N14) đánh dấu để bón thúc cho cây cũng đã khẳng định được ý nghĩa to lớn của Cu trong tổng hợp Prôtêin [2], [5].
Cơ chế tham gia của các nguyên tố vi lượng trong quá trình này hiện tại còn biết rất ít, rất có thể vi lượng có liên quan đến trao đổi năng lượng, trao đổi axít nuclêic. Theo Skolnik 1903 ảnh hưởng tích cực của Bo đến quá trình tổng hợp prôtêin có liên quan với ảnh hưởng tích cực của nó đến sinh tổng hợp axít nuclêic không loại trừ khả năng ảnh hưởng tích cực đến sinh tổng hợp xitrulin và etacolamin giảm xuống. Sự tăng hàm lượng của các axít amin tự do lúc thiếu Zn có thể là kết quả của sự ức chế sinh tổng hợp hoặc sự tăng cường phân giải prôtêin. Ngoài ảnh hưởng tới các enzim, các nguyên tố vi lượng còn có khả năng tham gia cấu thành cấu trúc không gian ổn định bậc 3, 4 của phân tử prôtêin [2], [3], [4], [5], [16].
*. Đã có nhiều dẫn liệu quan trọng về sự tham gia của các nguyên tố vi lượng như Bo, Zn, Cu trong quá trình trao đổi Axít nuclêic- chẳng hạn theo Warrerơ, Wacker , Vallee (1959) trong 1gam chế phẩm ARN tinh khiết của tảo Euglera gracilis đã tìm thấy những liều lượng của các kim loại như sau (tính bằng micasgam): Cr-76, Mn- 73, Ni- 60, Ca- 920, Fe- 180, Cu- 190, Zn- 650, Mg- 400. Trong các chế phẩm ARN tinh khiết của các đối tượng động vật cũng tìm thấy liều lượng khá cao của Cu, Mg, Fe, Co, Zn và các kim loại khác. Theo Skolnik, Maepxcacia (1962) thì Bo có ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp ARN, thiếu Bo quá trình này bị kìm hãm chủ yếu do sự biến loạn quá trình trao đổi năng lượng (do hoạt tính ATPaza tăng mạnh và sự xúc tiến quá trình phân giải ARN do hoạt tính cao của Ribonuclêaza). Thí nghiệm trên cây hướng dương và đậu côve khi loại Bo ra khỏi dung dịch dinh dưỡng đã thấy lượng chứa axít Ribônuclêic giảm mạnh ở ngọn, thân và rễ (Skolnik và Maevskaia 1962). Bo có vai trò quan trọng trong quá trình trao đổi axít nuclêic trong cây. Các rối loạn trong quá trình trao đổi axít nuclêic là nguyên nhân dẫn đến sự chết của đỉnh sinh trưởng lúc cây đói Bo. Sự giảm hàm lượng ARN đi đôi với sự tăng cường hoạt tính của enzim
ribonuclêaza khi thiếu Bo (theo Kessler 1957). Bo còn ảnh hưởng lớn tới quá trình trao đổi năng lượng trong cây, theo nghiên cứu của Skolnik và Maevxkaia 1962 cho thấy lúc thiếu Bo hàm lượng ATP ở các đỉnh sinh trưởng như ngọn cây bị hạ thấp đột ngột hoặc sự tăng hàm lượng polyphốtphát tan trong axít dưới tác động của Bo (Timakov 1963) [2], [5].
Nhiều thí nghiệm của các nhà nghiên cứu cho thấy lúc thiếu Zn hàm lượng ARN và AND thường hạ thấp, điều đó xảy ra song song với sự kìm hãm sinh tổng hợp prôtêin (Kessler 1957; Naika và Asana 1961; Price 1962…). Hỗn hợp prôtêin của Cu là nguyên tố có vai trò quan trọng trong trao đổi axít nuclêic (O. Zolima 1963) [3], [4], [5].
*. Các công trình nghiên cứu gần đây đã chỉ rõ tác dụng mạnh mẽ của các nguyên tố vi lượng đến quá trình tổng hợp và chuyển hoá các chất có hoạt tính sinh học cao như: Vitamin, kích tố sinh trưởng, kháng sinh, từ đó ảnh hưởng đến sinh trưởng phát triển của thực vật. Thí nghiệm của Skoog 1940 lần đầu tiên đã phát hiện thấy lúc thiếu Zn trong các chồi cành và ngọn của cà chua và hướng dương, lượng Auxin chỉ có dạng vết hoặc hoàn toàn không có. Việc bón thêm Zn làm tăng hàm lượng Auxin một cách tương ứng. Giải thích kết quả trên bằng ảnh hưởng của Zn đến các quá trình ôxihoá khử. Khi không có Zn sự phân giải Auxin diễn ra mạnh hơn do sự tăng cường các quá trình ôxi hoá trong các tế bào.
Các tác giả (Hillman, Galston 1956) đã chứng minh Mn có tác động đặc biệt đến hoạt tính của Auxinoxyđaza, nó là nhân tố cần thiết cho sự phân giải heteroauxin nhờ enzim hoặc không nhờ enzim xúc tác. Hoạt tính của Auxinoxyđaza tăng càng mạnh nếu Mn có mặt trong môi trường phản ứng càng lâu (và không nguyên tố vi lượng nào khác có tác động như Mn). Co cũng kích thích kéo dài thân đậu hà lan lúc có mặt heteroauxin (Thiman 1956).
*. Từ những phân tích trên cho thấy các nguyên tố vi lượng cũng ảnh hưởng rất rõ rệt đến quá trình sinh trưởng của cây. Bằng nhiều công trình nghiên cứu các nhà khoa học đã chứng minh rằng việc xử lý các nguyên tố vi lượng một cách thích hợp có ảnh hưởng rõ rệt đến tốc độ sinh trưởng của thực vật, phù hợp với