Trong chu kỳ đời sống ở thực vật hột kín, kết thúc một chu kỳ là sự hình thành hột, trong đó có chứa một thế hệ bào tử thực vật mới. Bắt đầu cho một chu kỳ đời sống mới là khi hột nẩy mầm và hình thành cây con.
SỰ PHÁT TRIỂN CỦA THỰC VẬT
Nhiều hột phải trải qua một thời gian miên trạng dài trước khi nẩy mầm. Các yếu tố của môi trường như nước, nhiệt độ và oxy… cũng ảnh hưởng trên sự nẩy mầm của hột.
1. Sự nẩy mầm của hột và sự phát triển của cây con
Sự nẩy mầm của hột
Sự nẩy mầm của hột bắt đầu khi hột hấp thu rất nhiều nước và tăng thể tích lên một cách đáng kể, có khi đến 200%. Kết quả của sự hấp thu nước này làm cho phôi giải phóng gibberellin, và đây là yếu tố cảm ứng để tổng hợp một số các enzim thủy giải trong đó có cả amylaz. Những enzim này thủy phân những chất dự trử trong phôi nhũ, cung cấp năng lượng cho sự tăng trưởng của phôi. Sự biến dưỡng của phôi tăng, sự gia tăng này làm cho tế bào bắt đầu phân cắt, tổng hợp thêm tế bào chất mới, và tế bào gia tăng kích thước nhờ sự hấp thu nước. Phôi tăng trưởng làm bung vỏ hột ra và nhanh chóng hình thành một cây con, có rễ và thân phân biệt. Khi hột nẩy mầm, trục hạ diệp được mọc ra trước tiên. Trục hạ diệp mọc xuống theo chiều trọng lực, dù hột nằm theo hướng nào. Cùng lúc đó trục thượng diệp bắt đầu phát triển nhanh chóng, rễ mầm ở phần cuối của trục hạ diệp, tạo ra một hệ thống rễ con để gắn vào trong đất và hấp thu nước và muối khoáng. Ở một số cây song tử diệp, phần trên của trục hạ diệp mọc dài ra thành dạng hình vòm, mọc ngược lên và chui ra khỏi mặt đất (Hình 1A). Khi trục hạ diệp lộ ra ngoài không khí, nó mọc thẳng lên, tử diệp và trục thượng diệp được đưa ra khỏi mặt đất. Sau đó trục thượng diệp bắt đầu mọc dài ra. Ðây là kiểu nẩy mầm thượng địa.
Những cây Song tử diệp khác, thí dụ như đậu Hà lan, Nhản có một kiểu nẩy mầm hơi khác, ở những cây này, trục hạ diệp không mọc thành hình vòm và tử diệp không được đưa lên khỏi mặt đất. Thay vào đó là trục thượng diệp bắt đầu mọc dài ra ngay sau khi hệ thống rễ con bắt đầu được hình thành; nó luôn luôn mọc thẳng đứng va ìchẳng bao lâu nhô ra khỏi mặt đất. Kiểu nẩy mầm này tương tự như ở hột Lúa, Bắp… thuộc các cây đơn tử diệp, chỉ có một tử diệp, nhưng giàu phôi nhũ (Hình 1B). Ðây là kiểu nẩy mầm hạ địa. Ở Bắp trục thượng diệp bắt đầu dài ra ngay sau khi hệ thống rễ được thành lập. Thân non được diệp tiêu (lá đầu tiên hình ống) bao bọc.
Sự phát triển của cây con
Ðầu tiên cây con tăng trưởng hơi chậm, nhưng sau đó tăng trưởng với một tốc độ nhanh hơn trong một thời gian dài hơn và cuối cùng chậm lại và có thể dừng tăng trưởng khi cây sắp trưởng thành. Ở những cây đa niên, sự tăng trưởng tiếp tục xảy ra trong suốt đời sống của cây, trong khi ở những cây nhất niên như các cây Ðậu, cây Củ cải… tăng trưởng ngừng lại khi cây trưởng thành và cây chết đi sau một mùa sinh trưởng. Sự tăng trưởng của rễ và thân của cây con có được là nhờ sự phân cắt và sự tăng dài của tế bào. Hai hoạt động này chịu ảnh hưởng của nhiều hormon sinh trưởng khác nhau, đặc biệt là auxin, gibberellin và cytokinin. Ở những cây chỉ có mô sơ cấp thì sự phân cắt tế bào và sự tăng dài của tế bào tùy thuộc vào sự hoạt động của hai mô phân sinh ngọn rễ và ngọn thân.
2. Sự tăng trưởng của rễ và thân
a. Sự tăng trưởng của rễ
Sự hoạt động của mô phân sinh ngọn rễ làm cho rễ tăng trưởng. Mô phân sinh rễ được bảo vệ bởi một chóp rễ hình nón, gồm một khối tế bào không phân cắt được. Khi rễ mọc dài ra và đầu rễ mọc sâu vào trong đất thì một số tế bào ở mặt ngoài của chóp rễ có thể bị tổn thương và sau đó được thay thế bằng những tế bào mới do sự phân cắt tế bào của mô phân sinh ngọn. Ngay sau của chóp rễ là vùng mô phân sinh ngọn rễ, vùng này ngắn và gồm những tế bào nhỏ có khả năng phân chia tích cực. Phần lớn các tế bào mới được tạo ra nằm xa chóp rễ. Mô phân sinh tiếp tục phân cắt cho tế bào mới và đầu rễ tiếp tục mọc sâu vào trong đất. Chính các tế bào được tạo ra từ mô phân sinh này sẽ thành lập mô sơ cấp cho rễ (Hình 2).
Khi các tế bào được mới được đẩy ra khỏi vùng mô phân sinh ngọn, do số lượng tế bào tăng lên sự phân cắt chậm lại thì sự gia tăng kích thước tế bào là quá trình chính. Phần lớn sự tăng kích thước làm rễ tăng trưởng chiều dài nhiều hơn là chiều rộng. Sự tăng dài của tế bào chịu tác động của các hormon mà đặc biệt là auxin và gibberellin. Vùng tế bào tăng dài nhiều nhất là vùng ngay sau vùng mô phân sinh và thường dài chỉ vài milimet. Kế tiếp là vùng tế bào trưởng thành, nơi đây tế bào bắt đầu trưởng thành và có hình thành dạng đặc trưng. Vùng này dễ nhận biết nhờ các lông hút được mọc dài ra từ những tế bào biểu bì.
Sự tăng trưởng của thân
Sự phân cắt tế bào ở mô phân sinh ngọn thân tạo ra mô sơ cấp của thân và khối sơ khởi của lá (Hình 3). Các tế bào mới được tạo ra từ mô phân sinh ngọn thân gần đỉnh ngọn, mọc dài đẩy ngọn thân thẳng đứng lên. Sự tăng trưởng của thân khác với sự tăng trưởng của rễ là có sự tạo ra lá ở phía bên của đỉnh ngọn thân. Cách khoảng đều đặn mô phân sinh ngọn thân tạo ra những khối sơ khởi của lá (leaf primordia), sau này sẽ tạo ra những lá mới. Nơi lá mọc ra từ thân gọi là mắt (node) và khoảng giữa hai mắt là lóng (internode). Phần lớn thân dài ra là do sự tăng dài của tế bào ở những lóng còn non.
Ở đỉnh của thân là một chuỗi những lóng chưa được mọc dài ra. Những khối sơ khởi của lá rất nhỏ ngăn cách các lóng uốn cong; các khối sơ khởi già hơn, to hơn của lá bao lấy các khối sơ khởi trẻ hơn, nhỏ hơn ở bên trong. Cấu trúc gồm mô phân sinh ngọn và các lóng chưa được tăng dài được bao bọc trong các khối sơ khởi của lá được gọi là chồi (bud). Ở những cây tăng trưởng theo mùa thì chồi được bảo vệ bởi những vảy, là những lá biến đổi mọc từ dưới đáy của chồi. Vào mùa xuân, khi các chồi ngũ này nở ra, thì các vảy che chở rụng đi và những lóng chứa bên trong các chồi bắt đầu tăng dài một cách nhanh chóng. Do đó các lóng sẽ dần dần được tách xa nhau ra, sự phân cắt tế bào xảy ra ở khối sơ khởi của lá và tạo ra lá non. Trước khi lá được hình thành một cách hoàn chỉnh, một u nhỏ của mô phân sinh thường mọc ra ở giữa đáy lá và lóng. Mỗi một vùng mô phân sinh mới này sẽ tạo ra một chồi bên (lateral, axillary bud) có đặc điểm tương tự như chồi ngọn (Hình 4). Sự tăng dài của các lóng của chồi bên trong mùa sinh trưởng kế tiếp sẽ tạo ra nhánh.
* Sự chuyên hóa của tế bào
Tất cả những tế bào mới được sinh ra từ mô phân sinh thì cơ bản giống nhau, chúng sẽ trở thành các loại mô khác nhau. Quá trình tế bào thay đổi từ những hình dạng chưa trưởng thành đến trưởng thành gọi là sự chuyên hóa (differentiation).
Trong sự tăng trưởng của rễ và thân, tế bào bắt đầu chuyên hóa thành các loại mô khác nhau khi chúng vẫn còn ở trong vùng mô phân sinh (Hình 2). Sau khi sự phân cắt tế bào và sự tăng dài của tế bào đã hoàn tất, tế bào bắt đầu trưởng thành có hình dạng nhất định. Ở lát cắt ngang có thể phân biệt được ba vùng đồng tâm ngay sau mô phân sinh của rễ đó là lớp tiền bì (protoderm), kế tiếp là một vùng mô căn bản dày nằm ngay dưới tiền bì và trong cùng là mô tiền dẫn truyền (provascular tissue) gồm những tế bào dài (Hình 5A).
Ngay trong phôi, tiền bì ngoài trở thành biểu bì, mô căn bản trở thành vỏ và nội bì, phần trong cùng tạo ra mô dẫn truyền sơ cấp, chu luân và tượng tầng libe gỗ (Hình 5B và C). Sự chuyên hóa trong thân đang tăng trưởng cũng theo cách tương tự ngoại trừ có hai vùng mô căn bản, một vùng nằm giữa tiền bì và trụ tiền dẫn truyền sẽ tạo ra vỏ và nội bì, và một vùng thứ hai nằm trong trụ tiền dẫn truyền sẽ trở thành lỏi. Sự tăng trưởng theo đường kính của rễ và thân tùy thuộc vào sự thành lập mô thứ cấp do sự hoạt động của những mô phân sinh bên, đặc biệt là tượng tầng libe gỗ. Dưới ảnh hưởng của auxin, những tế bào mới được tạo ra ở phía ngoài của tượng tầng sẽ chuyên hóa thành mô libe thứ cấp, trong khi đó những tế bào mới được tạo ra ở phía trong của tượng tầng sẽ tạo nên mô gỗ thứ cấp (Hình 5D và E).
3. Tính hướng động của thực vật (tropism)
Thực vật có xu hướng mọc về hướng có ánh sáng. Ðặt một chậu cây trong phòng, cây sẽ mọc cong hướng về phía cửa sổ, nếu xoay cây hướng vào trong, sau một thời gian ngắn cây lại mọc hướng về phía cửa sổ (Hình 6). Hiện tượng cây đáp ứng lại với ánh sáng bởi sự xoay này được gọi là quang hướng động (phototropism) của thực vật. Thực vật còn có các tính hướng động khác như địa hướng động (gravitropism) là đáp ứng của cây hướng theo chiều của trọng lực, thủy hướng động (hydrotropism) đáp ứng với nước.
Ðáp ứng này là do sự sinh trưởng chuyên hóa; một phía của thân cây hay rễ mọc nhanh hơn phía bên kia, làm cho cây cong đi. Thân có quang hướng động dương, xoay về hướng có ánh sáng; rễ thì ngược lại, có quang hướng động âm, xoay tránh ánh sáng. Ý nghĩa thích nghi của quang hướng động ở thân là xoay thân để lá nhận được ánh sáng tối đa cần thiết cho sự quang hợp.
Một trong các thí nghiệm đầu tiên tìm hiểu quang hướng động của cây của Charles Darwin với con trai là Francis khoảng 1880. Ðối tượng thí nghiệm của ông là diệp tiêu (coleoptile) của cỏ, diệp tiêu tăng trưởng chủ yếu do tế bào tăng dài và có tính quang hướng động thuận (+) (Hình 7A). Ông cho thấy rằng nếu ngọn diệp tiêu được đậy lại bằng một chụp đen thì ngọn không mọc cong hướng về nơi có ánh sáng (Hình 7B và C), trong khi những cây kiểm chứng với ngọn diệp tiêu trần hay bao lại bằng một cái chụp trong suốt cho ánh sáng đi qua thì diệp tiêu sẽ mọc cong hướng về nơi có ánh sáng (Hình 7D). Họ cũng nhận thấy thân của diệp tiêu được bọc lại bằng một ống đen chừa ra phần ngọn, thì diệp tiêu cũng mọc cong (Hình 7E). Như vậy có lẻ ngọn diệp tiêu có vai trò then chốt trong sự quang hướng động của cây. Ðiều này được khẳng định bởi thí nghiệm diệp tiêu bị cắt ngọn (B) thì không thể mọc cong được. Diệp tiêu đối chứng (A) với ngọn nguyên vẹn mọc cong bình thường. Darwin kết luận rằng ánh sáng có tác động trên phần đỉnh ngọn của diệp tiêu và có chất gì đó được vận chuyển từ trên xuống làm phần dưới ngọn diệp tiêu mọc cong đi.
CÁC HORMON TĂNG TRƯỞNG CỦA THỰC VẬT
Thực vật phản ứng lại với những kích thích bên ngoài như ánh sáng, nhiệt độ, trọng lực, độ dài của ngày… nhưng vì chúng không có hệ thần kinh và không di chuyển như động vật do đó những phản ứng của chúng chậm và không rõ ràng. Thực vật thường phản ứng lại với những kích thích bằng sự tăng trưởng. Thí dụ, thân và lá mọc hướng về ánh sáng, rễ mọc hướng theo chiều của trọng lực, thân mọc ngược chiều với chiều của trọng lực. Nhiều phản ứng có thể xảy ra nhanh, thí dụ sau một vài phút cây bị mất nước, cây bắt đầu héo, khí khẩu đóng lại, và một số gen bắt đầu hoạt động, phiên mã, giải mã nhanh chóng để tạo ra protein giúp cho cây chống chịu ảnh hưởng của khô hạn.
Cây trao đổi thông tin giữa các tế bào chủ yếu là nhờ các hóa chất. Khi cây nhận một kích thích, hormon, một hóa chất kiểm soát đặc biệt được tạo ra. Hormon có thể hoạt động tại chỗ, hay có thể được vận chuyển đến một tế bào điểm ở một phần khác của cây, ảnh hưởng quá trình sinh lý nơi đó. Hormon hoạt động như người đưa tin giữa các tế bào và có hiệu qủa với một nồng độ rất thấp. Mỗi hormon chỉ ảnh hưởng đến một quá trình sinh lý chuyên biệt.
Hiện nay đã biết 5 nhóm hormon: auxin, gibberellin, cytokinin, acid abscisic và ethylen.
1. Auxin
Vai trò của auxin trong sự tăng dài của tế bào
Auxin có vai trò quan trọng trong sự kiểm soát sự tăng dài của tế bào. Vì tế bào thực vật có vách bao bọc, nên tế bào chỉ có thể tăng trưởng được khi vách có thể được kéo dài ra. Vách được cấu tạo bởi phần lớn là đường đa mà thành phần chính là celluloz. Ở vách sơ cấp, celluloz hiện diện dưới dạng những sợi dài liên kết với các đường đa khác để tạo ra một mạng lưới (Hình 8). Khi tăng trưởng các liên kết có thể bị đứt tạm thời, do đó vách tế bào trở nên đàn hồi (nới rộng) hơn và những vật liệu mới được chen vào. Auxin có vai trò chính trong cả hai quá trình trên.
Aính hưởng của auxin trên sự đàn hồi hóa của vách xảy ra nhanh chóng (khoảng 10 phút). Theo giả thuyết về sự tăng trưởng acid, auxin có ảnh hưởng gián tiếp bằng cách acid hóa vách tế bào. Auxin điều tiết pH của vách tế bào bằng cảm ứng sự vận chuyển tích cực ion H+ từ tế bào chất vào vách tế bào. pH acid hoạt hóa enzim trong vách, bẻ gảy các liên kết chéo giữa các sợi celluloz. Các sợi lỏng lẻo làm tế bào trở nên đàn hồi hơn.
Môi trường trong tế bào ưu trương hơn so với dịch lỏng bên ngoài tế bào, và nước đi vào trong tế bào bởi sự thẩm thấu, tạo ra một áp suất trương bên trong tế bào. Khi vách trở nên đàn hồi hơn chúng dễ dàng được kéo căng ra. Nước tiếp tục đi vào tế bào bằng sự thẩm thấu, làm gia tăng thể tích tế bào (Hình 9), nhưng sự gia tăng kích thước này không có sự tổng hợp ra tế bào chất mới.
Aính hưởng của auxin trên sự căng vách, thêm vào các vật liệu mới vào thì chậm hơn vì vách này tùy thuộc vào sự kích động của một số gen, sự tổng hợp những mARN chuyên biệt, để tổng hợp các enzim xúc tác tạo thêm những đơn vị đường đa vào vách tế bào. Khi tế bào được cung cấp auxin, nó hoạt hóa bơm ion H+ trên màng sinh chất (Hình 9A). Ion H+ được vận chuyển tích cực từ tế bào chất vào trong vách. Sự gia tăng ion H+ hoạt hóa enzim bẻ gảy một số liên kết chéo giữa các đường đa cấu tạo vách và vách trở nên mềm dẻo hơn (Hình 9B). Vì nước vào không bào càng lúc càng nhiều vách sẽ bị căng ra, nhưng chỉ theo một hướng. Hầu như không có sự tổng hợp tế bào chất mới trong suốt thời gian tăng trưởng theo kiểu này. Sự gia tăng thể tích tế bào là do sự phát triển của không bào (Hình 9C). Các không bào nhỏ hòa vào nhau thành một không bào to duy nhất; ở tế bào trưởng thành dãy tế bào chất ở ngoại biên chỉ chiếm 10% thể tích tế bào (Hình 9D).
Vai trò trung gian của auxin trong quang hướng động của cây
Năm 1926 Frits Went (người Hà lan), làm thí nghiệm cắt ngọn của diệp tiêu và đặt ngọn này lên một khối agar trong chừng một giờ (Hình 10) và được chiếu sáng. Sau đó đặt khối agar không có diệp tiêu này lên phần diệp tiêu còn lại. Phần diệp tiêu này tiếp tục tăng trưởng mọc cong về phía chiếu sáng và nếu đặt khối agar lệch trục diệp tiêu thì diệp tiêu cũng mọc cong ngay cả trong tối. Khối agar kiểm chứng không gây một hiệu qủa nào. Rõ ràng rằng có một chất kích thích sinh trưởng đã khuếch tán từ phần ngọn diệp tiêu vào khối agar và khi đặt khối agar này lên phần diệp tiêu còn lại thì chất này được di chuyển xuống và kích thích sự tăng dài. Went gọi chất này là auxin (tiếng Hy lạp có nghĩa là tăng trưởng).
Acid indoleacetic (AIA) Tryptophan (Trp)
Hình 11. AIA và Tryptophan
Có nhiều hóa chất, một số được tìm thấy trong cây, một số tổng hợp trong phòng thí nghiệm, có tác dụng như thí nghiệm của Went và được gọi chung là auxin. Một chất được nghiên cứu nhiều nhất là acid indolacetic (IAA), đã được phân lập từ nhiều nguồn thiên nhiên. Acid indolacetic là chất hóa học tương tự tryptophan và được tổng hợp từ nó (Hình 11).
Các thí nghiệm trên cho thấy ngọn diệp tiêu phóng thích auxin, chất này di chuyển xuống và kích thích sự tăng dài của tế bào trong diệp tiêu. Tuy nhiên, cơ chế phản ứng của quang hướng động vẫn chưa biết rõ. Biết rằng khi ánh sáng tác động từ một phía ngọn cây, nó làm giảm sự cung cấp auxin cho cây ở phía đó và tăng ở phía ở trong tối. Ðồng thời chứng tỏ rằng có sự vận chuyển tích cực của auxin trong ngọn từ phần được chiếu sáng sang phần tối. Kết quả là bên phía được chiếu sáng cây tăng trưởng chậm hơn phía bên tối, và sự tăng trưởng bất xứng này làm cho cây mọc cong về phía sáng.
Các nhà sinh lý thực vật vẫn chưa khẳng định được bằng cách nào ngọn cảm nhận được ánh sáng hay có các thụ thể nào tham gia. Rõ ràng là ánh sáng gây ra sự phân phối lại auxin ở ngọn, tích tụ ở phía thân không có ánh sáng. Không giống hầu hết những hormon thực vật, auxin không được vận chuyển theo mô dẫn truyền mà đi xuống từ tế bào này sang tế bào khác, sự di chuyển một chiều và có lẻ do sự vận chuyển tích cực và đòi hỏi năng lượng. Ở thân, auxin di chuyển từ đỉnh ngọn thân xuống phần gốc, trong khi ở rễ, sự di chuyển hướng từ ngọn rễ đến thân.
Vai trò trung gian của auxin trong địa hướng động của cây
Nếu đặt một chậu cây nằm ngang trong vài giờ, sau đó thấy thân bắt đầu mọc cong lên (Hình 12). Ðó là địa hướng động âm (nghịch) thân mọc ngược lại hướng của trọng lực. Trong khi đó thì rễ mọc hướng xuống theo chiều trọng lực. Thực vật cũng như nhiều sinh vật đa bào, có những tế bào có thể cảm nhận được sự thay đổi vị trí và đáp ứng với trọng lực. Ở thân, những thể tiếp nhận trọng lực này ở trong mô phân sinh ngọn của thân, và ở rễ, chúng là những tế bào nằm ở phần trung tâm của chóp rễ.
Herman Dolk (người Hà lan) khám phá ra rằng nồng độ auxin ở phía dưới của thân nằm ngang tăng, trong khi ở phía trên lại giảm. Sự phân bố không đều của auxin này kích thích tế bào ở phía dưới tăng trưởng nhanh hơn những tế bào ở phía trên và vì thế thân mọc cong lên. Rễ thì ngược lại, mọc hướng theo chiều trọng lực. Khi đặt rễ nằm ngang phần các tế bào ở phía trên mọc nhanh hơn những tế bào ở phía dưới, do đó rễ mọc hướng xuống (Hình 13).
Những tế bào ở vùng giữa của chóp rễ được cho rằng cảm nhận được kích thích của trọng lực. Các tế bào này có chứa nhiều bột lạp. Bột lạp và những bào quan khác đáp ứng với trọng lực nên xếp ở đáy của tế bào, và trong một vài giờ, rễ bắt đầu mọc cong xuống. Nhiều nhà thực vật tin rằng bột lạp hoạt động như một thể cảm nhận trọng lực, nhưng những người khác như Randy Wayne (ở Ðại học Cornel) thì không tin như thế. Theo Wayne thì phải có những thụ thể đặc biệt nằm ở đáy của những tế bào cảm nhận được trọng lượng toàn tế bào làm co mặt dưới tế bào và dãn mặt trên. Tất nhiên tất cả những cơ chế trên còn chưa hiểu rõ.
Auxin ngăn cản sự tăng trưởng của chồi bên
Auxin cũng có ảnh hưởng ngăn cản sự tăng trưởng của chồi bên ở nhiều cây làm cho chúng mọc chậm hay không mọc được. Auxin được tạo ra từ chồi ngọn đi xuống thân, ngăn cản sự phát triển của chồi bên, cùng lúc kích thích sự tăng dài của thân chính. Như thế chồi ngọn có ưu thế ngọn (apical dominance) so với các chồi bên và dồn năng lượng để thân chính mọc cao so với các nhánh . Các cành ở xa ngọn có thể tăng trưởng được vì hiêu quả ngăn cản của auxin không còn. Nếu chồi ngọn được cắt bỏ đi, một số chồi bên phía trên sẽ tăng trưởng tạo ra nhánh và khi đó chồi ngọn của nhánh lại ức chế các chồi bên dưới nhánhï. Người trồng cây cảnh và hoa thường cắt bỏ chồi ngọn và lá non để cây có nhiều nhánh và nhiều hoa hơn.
Các ứng dụng trong thương mại của auxin
Auxin ngăn cản trái và lá rụng, do đó, nếu phun auxin lên trái sẽ giữ được trái trên cây đến lúc muốn thu hoạch. Phun các chất chống auxin (auxin antagonist), thường có tác dụng ngược lại. Thí dụ, trước khi thu hoạch bông vải người ta phun các anti-auxin này để cảm ứng sự thành lập lớp tế bào gây rụng đáy lá, làm lá rụng sớm, nhờ thế thu hoạch trái bằng cơ giới sẽ dễ dàng hơn.
2,4-D là một hóa chất gần giống auxin, được tổng hợp và được sử dụng rộng rải để diệt cỏ có lá rộng trong các đồng cỏ. Cây song tử diệp thường nhạy cảm với chất này hơn những cây đơn tử diệp, do đó với một nồng độ thấp của 2,4-D có thể diệt cỏ dại song tử diệp mà không ảnh hưởng đến cây đơn tử diệp.
Chất độc màu da cam, cũng là một auxin tổng hợp được quân đội Mỹ khai quang rừng trong chiến tranh ở Việt Nam gây ảnh hưởng lâu dài lên sức khỏe con người và đặc biệt có lẻ là nguyên nhân làm gia tăng của bệnh ung thư.
2. Gibberellin
Người Nhật từ lâu rất quen thuộc với một thứ bệnh trên cây Lúa, cây cao một cách bất thường, nhưng lại không sống được đến khi cây trưởng thành. Năm 1926 E.Kurosawa (người Nhật) tìm thấy những cây này có nhiễm một loài nấm mốc tên Gibberella fugikuroi. Ông chứng minh rằng khi nấm nhiễm vào cây con, chúng cũng tăng trưởng vơi những triệu chứng tương tự như trên. Ông cũng nhận thấy những triệu chứng tương tự khi cho cây nhiễm chất trích từ nấm mốc này và ngay cả chất trích từ môi trường đã nuôi cấy nấm mốc này trên đó. Năm 1930 người ta đã phân lập và kết tinh một chất từ Gibberella nay được gọi là gibberellin. Trong vòng 30 năm trở lại đây có hơn 70 chất khác nhau được phân lập từ nấm mốc và nhiều thực vật có hoa cũng được xếp vào gibberellin (GAs). Gibberellin thường được sử dụng trong các thí nghiệm là GA3 hay acid gibberellic, những dạng hoạt động có lẻ là GA1.
Tác động của gibberellin
GA1 gây ra sự tăng dài nhanh chóng của thân bằng cách kích thích sự phân cắt tế bào và sự tăng dài của tế bào (Hình 14). Cơ chế tác động chưa được hiểu rõ, nhưng tác động khác auxin ở chỗ là không có sự tham dự của chất có tính acid gây sự tăng trưởng.
Dù auxin và gibberellin đều kích thích sự tăng dài của thân nhưng ảnh hưởng của chúng trên cây khá khác biệt. Vì gibberellin được vận chuyển qua mô gỗ và mô libe, trong khi auxin được di chuyển từ tế bào này sang tế bào khác một chiều. Gibberellin có ảnh hưởng trên toàn bộ của cây chứ không phải trên từng vùng như ở auxin.
Gibberellin được tạo ra trong những mô còn non của thân và trong hột đang phát triển. Có nhiều loại gibberellin nhưng tất cả đều có cùng một lộ trình sinh tổng hợp như những hormon steroid của động vật có xương sống như estrogen và testosterol, và cũng giống như chúng gibberellin hòa tan trong lipid. Do đó chúng dễ dàng đi xuyên qua màng tế bào và có lẻ làm cho gen đặc biệt nào đó hoạt động hay ngưng hoạt động.
Bên cạnh kích thích sự phân cắt và tăng dài của tế bào, chúng có thể cảm ứng sự nẩy mầm ở một số hột, cảm ứng phôi ở một số hột sinh ra amylaz để thủy phân tinh bột dự trử, cảm ứng nhiều cây tăng trưởng nhanh chóng và trổ hoa và kích thích sự phát triển của trái ở một số loài.
Ứng dụng thương mại của gibberellin
Một trong những ứng dụng quan trọng là dùng để tăng sản lượng mạch nha từ lúa mạch dùng làm rượu bia. GAs được sử dụng để làm nẩy mầm hột lúa mạch gia tăng tạo ra enzim thủy giải những chất dự trử trong hột thành acid amin và đường để thành mạch nha. Có nhiều ứng dụng thực tiển của gibberellin trong trồng trọt. GAs cũng được sử dụng để làm tăng kích thước và chất lượng của nho không hột và cũng được dùng để kích thích sự tăng trưởng của một số trái. Một ứng dụng khác làm cho Cam Chanh chậm chín. Sử dụng GAs trong tháng 11 và 12 nhằm kéo dài ngày thu hoạch, các tháng hè là lúc mà nhu cầu rất cao trong khi lượng cung cấp thường là không đủ.
3. Cytokinin
TOP
Ngoài gibberellin, cytokinin cũng có vai trò chính trong sự phân cắt tế bào. Cytokinin được tạo ra trong ngọn rễ và trong hột đang phát triển và cytokinin được vận chuyển qua mô gỗ từ rễ lên thân. Tác động của cytokinin lên sự tăng trưởng của tế bào trong môi trường nuôi cấy mô lệ thuộc vào sự hiện diện đồng thời của auxin. Thật vậy, tỉ lệ giữa cytokinin và auxin có ý nghĩa quan trọng trong việc xác định sự chuyên hóa của tế bào mới. Khi trong môi trường nuôi cấy cytokinin nhiều hơn auxin thì thân và lá được tạo ra trong khi auxin nhiều hơn thì sự tăng trưởng của rễ bắt đầu. Sự cân đối giữa hai loại hormon này xác định loại mô sẽ phát triển; do đó chúng kiểm soát hình thái của cây.
Trong một cây phát triển bình thường, cytokinin và auxin có hoạt động phối hợp trong một số trường hợp, nhưng trong một số trường hợp khác lại có tác động đối nghịch nhau. Thí dụ, chúng có tác động hổ trợ nhau trong sự thúc đẩy tế bào phân cắt nhưng lại có tác động đối nghịch về ảnh hưởng sự tăng trưởng của chồi bên. Cả hai hormon đều ảnh hưởng lên sự tăng trưởng của tế bào nhưng auxin chỉ kích thích sự tăng dài trong khi cytokinin thúc đẩy sự phân cắt tế bào.
Ngoài ra, cytokinin còn kích thích sự biến đổi của những lạp còn non thành lục lạp; giúp chồi bên tránh bớt được sự ức chế của chồi ngọn, làm chậm sự lão hóa, đặc biệt là đối với lá.
4. Acid abscisic
TOP
Hormon acid abscisic đầu tiên được xem là kiểm soát sự rụng lá ở nhiều cây như tên của nó (abscission: tách ra). Nó cũng được xem là chất cảm ứng miên trạng của chồi và hột vào mùa thu để đợi đến mùa xuân. Ngày nay, người ta biết vai trò kiểm soát sự rụng lá là không quan trọng, mà dường như có vai trò trong miên trạng của hột, ít nhất là ở một số loài.
Mặc dù từ lâu ta acid abscisic được xem là yếu tố ngăn cản sự tăng trưởng, nhưng trong nhiều trường hợp nó thật sự cảm ứng tăng trưởng và phát triển. Thí dụ chúng thúc đẩy sự vận chuyển những sản phẩm quang hợp cho phôi phát triển trong hột và cảm ứng sự tổng hợp protein để dự trử trong hột. Ngoài ra, chúng còn giúp các khí khẩu đóng lại khi trời khô. Chỉ vài phút sau khi cây bắt đầu héo, nồng độ acid abscisic trong lá tăng lên 10 lần. Hormon này thật sự gây ra một số đáp ứng, bao gồm sự đóng các khí khẩu giúp cây chịu đựng khô hạn. Acid abscisic được tạo ra từ lá trưởng thành và được vận chuyển qua mô libe.
5. Ethylen
TOP
Một trái bị thối, thì nhiều trái sẽ thối theo. Ngày nay, người ta biết rằng trái đó ảnh hưởng lên các trái khác là do trái thối sinh ra khí ethylen (C2 H4). Ethylen giữ một số vai trò trong chu kỳ đời sống của cây, bao gồm sự tăng trưởng, phát triển và sự lão hóa hay sự chín của trái. Ethylen là một chất khí nên thoát ra trong không khí. Ethylen được tổng hợp trong các mô đang xảy ra sự lão hóa hay sắp chín như ở trái.
Một trong những nghiên cứu về ảnh hưởng của ethylen là kích thích sự chín của trái. Một trái khi đạt được một kích thước tối đa, nó trở nên nhạy cảm với ethylen, và đây là một hóa chất gây ra sự chín. Quá trình chín bắt đầu khi có sự bộc phát về các hoạt động biến dưỡng do nồng độ ethylen tăng lên khoảng 100 lần. Ngăn cản sự tạo ethylen hay loại bỏ được ethylen ngay khi chúng được sinh ra thì ngăn chận được sự chín.
Trái được thu hoạch và vận chuyển lúc còn xanh và cứng để tránh dập, sau đó trái được xử lý với ethylen cho chín trước khi đem đi bán.
Ethylen cũng thúc đẩy sự rụng của lá, hoa và trái và góp phần vào những biến đổi tiêu biểu sự lão hóa trong cây hoặc một phần của cây. Hơn nữa, ethylen còn có thể giúp phá vỡ sự miên trạng của chồi và hột của một số loài và gây trổ hoa ở một số loài thực vật khác như Khóm.
6. Tác động điều hòa của các hormon thực vật
Ðể kết luận hormon trong cơ thể thực vật điều hòa các quá trình chính trong cơ thể như sau:
– Tác động trên sự phân cắt của tế bào, khâu đầu tiên của quá trình tăng trưởng được kích thích bởi gibberellin, cytokinin và auxin.
– Các hormon tác động lên sự tăng trưởng của tế bào, là giai đoạn thứ hai của quá trình tăng trưởng, có sự tham gia của các chất như auxin và gibberellin thúc đẩy tế bào dài ra.
– Các loại hormon hiện diện trong cây với tác động phối hợp và ảnh hưởng chuyên biệt của nó trên từng phần của cây, giúp điều phối sự phát triển về cả về hình thái và chức năng của cây là do tác động kết hợp của auxin và cytokinin.
– Qúa trình lão hóa dẫn đến sự chết, do sự tác động của những chất gây lão hóa khác nhau như acid abscisic, ethylen; trong đó ethylen là một trong những chất quan trọng nhất.
III. CÁC BẰNG CHỨNG VỀ TÍNH TOÀN NĂNG CỦA TẾ BÀO THỰC VẬT
Số phận của các tế bào sẽ được xác định trong suốt quá trình phát triển. Khi sự phát triển đã đạt được đến một số giai đoạn nào đó thì khi đó tế bào chỉ có thể tiến triển theo một lộ trình duy nhất mà thôi. Thí dụ, khối sơ khởi của lá thì chỉ có thể phát triển thành lá mà thôi.
Tuy vậy, ngược lại với tế bào động vật, tế bào thực vật có tính toàn năng (totipotency). Một tế bào đơn độc có thể phát triển đầy đủ và tạo ra một cơ thể hoàn chỉnh. Ðiều này đã được chứng minh từ 1958 bởi các thí nghiệm của F. C. Steward (Ðại học Cornell) trên các tế bào Cà rốt được nuôi cấy trong môi trường vô trùng. Với những lát cắt ngang của rễ Cà rốt, sau đó cắt ra những miếng thật nhỏ trong vùng mô libe thứ cấp. Các miếng này được nuôi cấy trong môi trường có chứa chất dinh dưỡng và chất khoáng trong một bình tam giác và được lắc, môi trường được thêm nước dừa tươi để kích thích sự tăng trưởng. Các tế bào tự do sẽ được tách ra từ miếng mô và phân cắt; tạo ra một cấu trúc tương tự như phôi. Các phôi này có thể được chuyển ra và nuôi trong môi trường đặc và dưới điều kiện có ánh sáng chúng tăng trưởng cho ra cây Cà rốt mới.
Các mảnh nhỏ có thể được cắt ra từ thân của cây Thuốc lá và được nuôi cấy trong ống nghiệm (in vitro). Trong vài tuần, một khối mô sẹo (callus) xuất hiện từ chỗ vết cắt. Những tế bào trong mô sẹo này có thể được nuôi cấy và lưu trử để làm nguồn cung cấp tế bào. Folke Skoog (Ðại học Wisconsin) đã bố trí thí nghiệm và chứng minh rằng những tế bào trong mô sẹo cũng có tính toàn năng, có thể chuyên hóa theo những lộ trình khác nhau trong những môi trường nuôi cấy khác nhau. Tỉ lệ giữa các hormon hiện diện trong môi trường nuôi cấy cũng như nồng độ của chúng là yếu tố quyết định (Hình 15). Khi nồng độ của các hormon quá thấp thì sự tăng trưởng và chuyên hóa không xảy ra. Tuy nhiên, khi nồng độ auxin cao, rễ xuất hiện trên khối tế bào của mô sẹo: chương trình rễ (root program). Khi nồng độ cytokinin cao và auxin thấp thân được tạo ra: chương trình thân (shoot program). Với nồng độ vừa phải, tương đương nhau của cả hai hormon thì mô sẹo tiếp tục tăng trưởng và không có sự chuyên hóa: chương trình mô sẹo (callus program).
Những lớp tế bào biểu bì được lột ra từ những thân của cây Thuốc lá có thể được nuôi cấy và tế bào có thể được đi vào các chương trình chuyên hóa(differentiating program) khác nhau. Thí dụ, có thể tạo ra chồi dinh dưỡng, rễ hay mô sẹo…
Từ các thí nghiệm trên, kết luận được rằng một tế bào thực vật đơn độc nếu được nuôi cấy trong môi trường dinh dưỡng và ánh sáng thích hợp có thể trải qua sự phân cắt tế bào và tăng trưởng để phát triển thành một cơ thể hoàn chỉnh.
1. Nuôi cấy tế bào và mô
Kỷ thuật nuôi cấy tế bào được sử dụng theo phương pháp nuôi cấy vi sinh vật, đặc biệt với các yếu tố thích hợp cho tế bào thực vật. Kỷ thuật nuôi cấy này là một giai đoạn chính trong kỷ thuật di truyền để chuyển gen. Trong công tác chọn giống, người ta có thể nuôi cấy tế bào đơn và tế bào trần (protoplast). Tế bào đơn là những tế bào riêng rẻ được tách ra từ các mô, các tế bào này có thể được nuôi trong môi trường dinh dưỡng và được lắc liên tục để các tế bào không thể liên kết lại với nhau, dung dịch lúc bấy giờ được gọi là dịch treo tế bào (cell suspension), khi cần thiết các tế bào này sẽ được đưa vào môi trường thích hợp để tiếp tục nuôi cấy. Tế bào trần là những tế bào không có vách celluloz do được xử lý bằng hổn hợp enzim cellulaz và macerozim. Các tế bào này dễ dàng tiếp nhận các phân tử ADN, plasmid và cả vi khuẩn. Hai tế bào trần có thể được dung hợp (fusion) với nhau để tạo ra một tế bào lai dinh dưỡng (somatic hybridization).
Kỷ thuật nuôi cấy mô là nuôi cấy trực tiếp từ một cấu trúc có tổ chức đầy đủ như mô phân sinh ngọn, mô phân sinh bên hay nhánh non. Kỷ thuật này được áp dụng trong vi nhân giống (micropropagation). Nuôi cấy mô phân sinh phải được khử trùng nhiệt để loại siêu khuẩn ra khỏi vùng mô này. Sự gia tăng nhiệt độ trong môi trường nuôi cấy kích thích tế bào phân cắt nhanh hơn là tốc độ phân cắt của siêu khuẩn, nhờ thế loại bỏ được siêu khuẩn ra khỏi mô. Quá trình này đã được sử dụng rộng rải để sản xuất Dâu tây và Khoai tây không có bệnh siêu khuẩn. Tuy nhiên, nuôi cấy mô từ tế bào mô sẹo thường dẫn đến kết qủa là có sự gia tăng số lượng nhiễm sắc thể hay làm thay đổi sự biểu hiện của gen hoặc gây ra đột biến. Cây được tạo ra từ nuôi cấy mô sẹo thường có cấu trúc và sinh lý không bình thường. Nên hiện nay phương pháp nhân giống từ mô sẹo thường được tránh và một kỷ thuật mới được sử dụng là nhân giống trực tiếp từ phôi soma (somatic embryo).
2. Nuôi cấy phôi
Cứu phôi
Sự lai giữa các loài thường tạo ra cây lai có ưu thế do sự tổ hợp di truyền, nhưng cây lai thường tạo ra hột không sống được lâu. Sự nuôi cấy in vitro để phát triển phôi từ noãn đã thụ tinh của cây lai được dùng theo phương pháp gọi là sự cứu phôi lai (hay nói tắt là cứu phôi). Thí dụ, lai giữa hai loài Cỏ ba lá Trifolium ambiguumvà Trifolium repens thuộc họ Ðậu (Fabaceae) đã được sử dụng để tạo ra một nguồn giống cỏ mới cho đồng cỏ ở New Zealand. Loài đậu cha mẹ là các cây tự thụ phấn; phôi bình thường phát triển từ hình cầu, hình tim đến hình trái ngư lôi khi trưởng thành. Tuy nhiên, phôi từ cây lai giữa hai loài trong hai ngày đầu sau khi thụ phấn chúng tăng trưởng nhanh, nhưng sau đó chậm lại và dừng lại ở giai đoạn hình tim khi phôi có khoảng 1.000 tế bào. Quá trình phát triển của phôi bị ngưng lại là do các gen gây hại hoạt động, chúng hoạt động như những cái khóa ngăn chận sự cung cấp chất dinh dưỡng đến để nuôi phôi.
Một số kỷ thuật cứu phôi đã sử dụng thành công. Ghép phôi lai vào phôi nhũ bình thường đã được lấy phôi ra. Phôi cũng có thể được cấy trực tiếp trên môi trường nhân tạo với các chất dinh dưỡng được cung cấp theo yêu cầu. Kỷ thuật cứu phôi này đã tạo được cây cỏ Ba lá lai mới (Hình 16).
Phôi soma
Phôi soma là phôi được phát triển từ những tế bào dinh dưỡng. Trong kỷ thuật nuôi cấy phôi soma như ở Cà rốt, thường các dung dịch treo tế bào có thể được lưu giữ một cách không chuyên biệt trong môi trường có chứa chất tăng trưởng thực vật acid 2,4-dichloro-phenoxy acetic (2,4-D). Nếu chất 2,4-D bị lấy đi sẽ cảm ứng sự tạo phôi; phôi ở đây là phôi soma, chúng được tạo ra từ những tế bào của cơ thể thực vật, nhưng chúng hành động như một hợp tử, trải qua một quá trình phát triển như một cấu trúc phôi. Phôi soma cũng có thể được sản sinh từ tế bào biểu bì của trục hạ diệp của hột khi nuôi cấy trong môi trường có hormon; đặc biệt là cytokinin.
Nuôi cấy túi phấn và hạt phấn
Trong các kỷ thuật nuôi cấy kể trên mô hay tế bào đem đi nuôi cấy đều là tế bào lưỡng bội do đó trong qúa trình phát triển phôi sẽ xảy ra các đột biến không mong muốn và khó có thể tạo ra các dòng thuần. Trong kỷ thuật nuôi cấy từ tế bào hạt phấn, là những tế bào đơn bội nên nếu muốn tạo ra các dòng đồng hợp tử về một tính trạng nào đó sẽ dễ dàng hơn. Từ những năm 20, người ta đã chứng minh rằng các dòng lưỡng bội đồng hợp tử có thể thu được bằng cách lưỡng bội hóa các thể đơn bội. Do không có tính trội lặn ở thể đơn bội nên kiểu hình của cây phản ánh khá trung thực kiểu gen.
Viện Sinh vật Việt Nam đã tạo thành công cây đơn bội từ túi phấn Thuốc lá và Lúa. Túi phấn nuôi cấy thường được chọn ở giai đoạn hạt phấn đơn nhân trước khi nhân hạt phấn phân chia để tạo ra hai nhân dinh dưỡng và nhân sinh dục. Trong môi trường nuôi cấy thích hợp tế bào hạt phấn đơn nhân phân chia lần đầu tạo ra hai nhân và sau đó tiếp tục phân chia để tạo ra tiền phôi.
Trong các kết quả nuôi cấy có thể thu được những cây đa bội tự nhiên bên cạnh các cây đơn bội. Nếu muốn lưỡng bội hóa các cây đơn bội có thể xử lý bằng colchicin, các cây con lưỡng bội này được gọi là cây đơn bội kép (dihaploid).
