Giáo trình môn Sinh lý học thực vật (Phần 2)

93 trang ngocly 70 Free

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình môn Sinh lý học thực vật (Phần 2)", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_mon_sinh_ly_hoc_thuc_vat_phan_2.pdf

Nội dung text: Giáo trình môn Sinh lý học thực vật (Phần 2)

1 Chương 5 HÔ HẤP CỦA THỰC VẬT 5.1. Khái niệm hô hấp. 5.1.1. Khái niệm chung về hô hấp. Hô hấp là quá trình phân giải các chất hữu cơ trong tế bào, giải phóng năng lượng cung cấp cho các hoạt động sống của cơ thể. Hô hấp được đặc trưng phương trình tổng quát sau: C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O (Q(calo) = - 674 Kcalo/M) Qua phương trình tổng quát trên chưa nêu được tính chất phức tạp của quá trình hô hấp. Quá trình hô hấp diễn ra qua 2 giai đoạn với nhiều phản ứng phức tạp. - Trước hết chất hữu cơ, đặc trưng là glucose (C6H12O6) bị phân giải tạo các hợp chất trung gian có thế khử cao sẽ tham gia chuỗi hô hấp ở giai đoạn 2. - Từ các chất dạng khử thực hiện chuỗi hô hấp. Qua chuỗi hô hấp năng lượng e thải ra được dùng để thực hiện quá trình tổng hợp ATP – quá trình photphoryl hoá. Như vậy về thực chất hô hấp là hệ thống oxi hoá - khử tách H2 từ nguyên liệu hô hấp chuyển đến cho O2 tạo nước. Năng lượng giải phóng từ các phản ứng oxi hoá - khử đó được cố định lại trong liên kết giàu năng lượng của ATP. Có thể nói chức năng cơ bản của hô hấp là giải phóng năng lượng của nguyên liệu hô hấp, chuyển năng lượng khó sử dụng đó sang dạng năng lượng dễ sử dụng cho cơ thể là ATP. 5.1.2. Vai trò hô hấp. Hô hấp là đặc trưng của mọi cơ thể sống, là biểu hiện của sự sống. Cơ thể chỉ tồn tại khi còn hô hấp. Tuy nhiên ở thực vật bên cạnh mặt có lợi của hô hấp cũng tồn tại những tác hại nhất định của hô hấp. Trước hết là hô hấp cung cấp năng lượng dạng ATP cho mọi hoạt động sống trong cơ thể. Mọi hoạt động sống của cơ thể đều cần năng lượng nhưng không thể sử dụng trực tiếp năng lượng hoá học của các HCHC mà chỉ sử dụng năng lượng dạng liên kết cao năng của ATP do hô hấp tạo ra. Tuy nhiên, ý nghĩa hô hấp không chỉ về mặt năng lượng. Trong hô hấp còn tạo ra nhiều sản phẩm trung gian có vai trò quan trọng trong hoạt
2 động sống của cơ thể. Qua hô hấp các con đường trao đổi chấtnối liền với nhau tạo nên thể thống nhất trong cơ thể. Bên cạnh mặt tích cực là chủ yếu, hô hấp cũng thể hiện những mặt tiêu cực, có hại nhất định. Trước hết hô hấp làm giảm cường độ quang hợp. Hô hấp càng cao thì quang hợp biểu kiến càng thấp. Đặc biệt hô hấp sáng làm giảm mạnh quang hợp do phân huỷ nguyên liệu quang hợp, cạnh tranh ánh sáng với quang hợp (xem phần quang hợp). 5.2. Các con đường biến đổi cơ chất hô hấp. Trong quá trình hô hấp nhiều cơ chất như gluxit, protein, lipid được dùng làm nguyên liệu khởi đầu. Các cơ chất bằng các con đường riêng biến đổi thành các sản phẩm trung gian, từ đó tham gia vào con đường của hô hấp tế bào. Cơ chất chủ yếu của hô hấp tế bào là gucose. Sự biến đổi glucose xảy ra bằng nhiều con đường khác nhau. Tuỳ đIều kiện mà hô hấp tiến hành theo 2 hình thức: hô hấp hiếu khí (gọi tắt là hô hấp ) và hô hấp kỵ khí – lên men (thường gọi là lên men). 5.2.1. Hô hấp hiếu khí. Hô hấp hiếu khí là quá trình hô hấp có sự tham gia của O2, là quá trình hô hấp xảy ra trong môi trường hiếu khí – môi trường có O2. Hô hấp hiéu khí xảy ra trong thực vật với nhiều con đường khác nhau: Đường phân – Chu trình Crebs Chu trình pentozo photphat. Chu trình glyoxilic. 5.2.1.1. Hô hấp hiếu khí theo đường phân – chu trình Crebs. Hô hấp hiếu khí qua đường phân và chu trình Crebs là con đường chính của hô hấp tế bào, xảy ra phổ biến ở mọi sinh vật và mọi tế bào. Hô hấp theo con đường này xảy ra qua 3 giai đoạn: - Đường phân tiến hành trong tế bào chất. - Chu trình Crebs tiến hành trong cơ chất ty thể. - Sự vận chuyển điện tử xảy ra trong màng ty thể. * Đường phân: là giai đoạn phân huỷ phân tử glucose tạo ra axit pyruvic và NADH2. Điểm đặc biệt của quá trình đường phân là không phảI phân tử đường tự do phân giải mà phân tử đường đã được hoạt hoá nhờ quá trình photphoryl hoá tạo dạng đường – photphat. ở dạng đường photphat phân tử trở nên hoạt động hơn dễ bị biến đổi hơn.
3 Đường phân được chia làm 2 giai đoạn, mỗi giai đoạn xảy ra nhiều phản ứng phức tạp: - Giai đoạn đầu tiên là phân cắt đường glucose thành 2 phân tử đường 3C: AlPG và PDA. - Giai đoạn hai là biến đổi các đường 3C thành Axit pyruvic. Kết quả của đường phân có thể tóm tắt như sau: C6H12O6 + 2 NAD + 2ADP + 2H3PO4 → 2CH3COCOOH + 2NADH2 + 2ATP Các phản ứng của đường phân được trình bày theo sơ đồ sau. Hình 1. Sơ đồ quá trình đường phân Trong hô hấp hiếu khí Axit pyruvic phân huỷ tiếp qua chu trình Crebs còn 2NADH2 thực hiện chuỗi hô hấp để tạo 2H2O.
4 2NADH2 + O2 → 2NAD + 2H2O. Vậy kết quả của chu trình đường phân trong hô hấp hiếu khí sẽ là: C6H12O6 + O2 → 2CH3COCOOH + 2H2O * Chu trình Crebs: Sau khi đường phân phân huỷ glucose tạo ra Axit pyruvic, trong điều kiện hiếu khí Axit pyruvic tiếp tục bị phân huỷ hoàn toàn. Sự phân huỷ này xảy ra theo chu trình được H.Crebs và SZ. gyogy&& khám phá từ năm 1937. Đó là chu trình Crebs. Quá trình phân huỷ axit pyruvic qua chu trình Crebs xảy ra trong cơ chất ty thể nhờ sự xúc tác nhiều hệ enzime. Bản chất của các phản ứng xảy ra trong chu trình Crebs chủ yếu là decacboxyl hoá và dehydro hoá axit pyruvic. Chu trình gồm 2 phần: - Phân huỷ axit pyruvic tạo CO2 và các coenzime khử. - Các coenzime khử thực hiện chuỗi hô hấp để tạo H2O và tổng hợp ATP. Cơ chế chu trình được trình bày theo sơ đồ sau: Hình 2. Chu trình Crebs
5 Kết quả chu trình là 2CH3COCOOH + 6 H2O → 6CO2 + 10H2 (phần 1) 10H2 + 5 O2 → 10H2O (Phần 2) Kết quả chung là 2CH3COCOOH + 5O2 → 6CO2 + 4H2O Nếu kết hợp với giai đoạn đường phân C6H12O6 + O2 → 2CH3COCOOH + H2O được phương trình tổng quát của hô hấp hiếu khí C6H12O6 + O2 → 6CO2 + 6H2O Chu trình Crebs tạo 4NADH2, 1FADH2 và 1 ATP. Các coenzime khử NADH2 và FADH2 thực hiện chuỗi hô hấp sẽ tổng hợp ATP: 4ADNH2 × 3 = 12 ATP 1 FADH2 × 2 = 2 ATP 1ATP = 1ATP 15ATP Như vậy cứ 1 Axit pyruvic phân huỷ qua chu trình tạo ra được 15 ATP, nên từ 2 A.pyruvic sẽ tạo được 30 ATP. Trong chặng đường phân tạo ra được 2ATP + 2NADH2 → 8ATP. Vậy hô hấp hiếu khí cung cấp cho tế bào 38 ATP khi phân huỷ một phân tử glucose. 5.2.1.2. Hô hấp hiếu khí qua chu trình glyoxilic. Từ cơ chất là chất béo bị oxy hoá tạo Acetyl-CoA. Acetyl-CoA này được biến đổi theo chu trình glyoxilic xảy ra trong glyoxyxom. Chu trình này được Conbec và Krebs phát hiện vào năm 1957 ở nhiều đối tượng như vi khuẩn, nấm mốc và nhất là ở thực vật có dầu. Ở thực vật có dầu khi các axit béo bị oxy hoá sẽ tạo ra Acetyl-CoA. Nhờ các enzime có trong glyoxixom như izoxitrataza mà Acetyl-CoA không biến đổi theo chu trình Crebs mà biến đổi theo chu trình glyoxilic. Khác với chu trình Crebs, ở chu trình glyoxilic, axit izoxitric dưới tác dụng của enzime izoxitrattase phân giải thành axit sucxinic và axit glyoxilic ngưng kết với Acetyl-CoA thứ hai nhờ malatsintetase để tạo thành axit malic. Từ axit malic chu trình tiếp tục biến đổi như chu trình Crebs.
6 Sơ đồ chu trình được trình bày như sau: Hình 3. Chu trình glyoxilic Chu trình glioxinic có ý nghĩa quan trọng trong cơ thể thực vật, đặc biệt ở cây chứa nhiều dầu. - Chu trình glioxilic là cầu nối giữa các quá trình trao đổi gluxit với quá trình trao đổi lipid và ngược lại. Hạt giàu lipid khi nảy mầm chu trình glioxilic hoạt động để chuyển lipid thành gluxit là cơ chất cho quá trình nay mầm. - Chu trình glioxilic là biến dạng của chu trình Crebs nên 2 chu trình có thể hỗ trợ lẫn nhau trong quá trình hô hấp ở cây có dầu. - Sản phẩm trung gian của chu trình tham gia chuỗi hô hấp phụ trong tế bào NAD A.glicolic O2 catalase NADH2 a.glioxilic H2O H2O + O2 - Các sản phẩm trung gian của chu trình glioxilic tham gia vào quang hô hấp.
7 - Sản phẩm trung gian của chu trình glioxilic còn tham gia nhiều con đường trao đổi chấtkhác, làm nguyên liệu tổng hợp nên nhiều chất quan trọng trong cơ thể thực vật như chlorophyl 5.2.1.3. Hô hấp hiếu khí theo chu trình pentozo-P. Phân huỷ glucose qua đường phân không phải là con đường duy nhất mà còn có các con đường khác trong đó phổ biến nhất là con đường pentozo-P. Con đường pentozo-P được phát hiện đầu tiên ở nấm men, sau có ở động vật và cuối cùng ở thực vật cũng thấy có sự hiện diện của con đường này (Warbung, Cristian, 1930, Grise, 1953, Dileen, 1936 ). Khác với đường phân, con đường pentozo-P không phân giải glucose thành hai trioes mà glucoes bị oxi hoá và decacboxyl hoá để tạo ra các pentozo-P. Từ các pentozo-P tái tạo lại glucozo-P. Con đường pentozo-P xảy ra trong tế bào chất cùng với đường phân. Vậy yếu tố nào quyết định glucose biến đối theo đường phân hay theo pentozo-P ? Từ glucozo.6P nếu được enzime glucozo.6P. Izomerase xúc tác sẽ biến glucozo 6P thành fuructozo 6P và đường phân sẽ xảy ra. Còn nếu enzime glucozo 6P. dehydrogenase hoạt động sẽ oxi hoá glucozo 6P thành axit – 6P - gluconic và con đường pentozo-P xảy ra. Chu trình pentozo-P xảy ra qua 2 phần: - Phân huỷ glucose thành CO2 và NADPH2. - NADPH2 thực hiện chuỗi hô hấp tạo H2O và ATP. Sơ đồ tổng quát của chu trình như sau:
8 Hình 4. Chu trình pentozo-P Kết quả của chu trình pentozo-P là: C6H12O6 + 6 H2O → 6CO2 + 12H2 (phần 1) 12H2 + 6 O2 → 12H2O (Phần 2) Kết quả chung là C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 4H2O Về mặt năng lượng chu trình pentozo-P tạo ra 12 NADPH2. Qua chuỗi hô hấp tạo ra 36 ATP chu trình sử dụng 1 ATP để hoạt hoá glucose thành glucozo 6P. Như vậy khi phân huỷ 1 glucose qua chu trình pentozo- P tạo ra cho cơ thể 35 ATP. Chu trình pentozo-P có ý nghĩa nhất định đối với thực vật: - Đây là quá trình phân huỷ triệt để C6H12O6 thay cho con đường đường phân – chu trình Crebs. - Năng lượng do chu trình cung cấp tương đương con đường đường phân – chu trình Crebs nên góp phần quan trọng trong việc tạo năng lượng cho cơ thể hoạt động. - Chu trìnhh pentozo-P tạo ra nhiều sản phẩm trung gian quan trọng, đó là các đường photphat (C3, C4, C5, C6, C7). Những sản phẩm trung gian này làm cơ chất cho nhiều quá trình trao đổi chấtkhác của cơ thể thực vật, đặc biệt là chu trình Calvin trong Quang hợp. Chu trình Calvin và chu trình pentozo-P có nhiều cơ chất giống nhau nên sản phẩm trung gian của
9 con đường này có thể lôi kéo sang làm cơ chất cho con đường kia. Ngoài ra các sản phẩm trung gian của pentozo-P còn tham gia tổng hợp các hợp chất thứ cấp (Từ C4 tổng hợp cumarin, lisulin, axit benzoic, plavônic ), một số axit amin (Tyrozin ). Ở thực vật chu trình pentozo-P được tiến hành chủ yếu ở các mô già, mô trưởng thành đã phân hoá, ở các vùng bị bệnh, bị tổn thương có hô hấp vết thương xảy ra. Còn ở các mô non, cac mô bình thường glucose được phân huỷ chủ yếu theo con đường đường phân – chu trình Crebs. 5.2.2. Hô hấp kỵ khí – lên men. Hô hấp kỵ khí là quá trình phân huỷ glucose trong đIều kiện không có O2 tham gia. Giai đoạn đầu của hô hấp kỵ khí là đường phân. Tuy nhiên trong hô hấp kỵ khí đường phân chỉ xảy ra giai đoạn phân huỷ glucose thành Axit pyruvic và NADH2 còn giai đoạn NADH2 thực hiện chuỗi hô hấp không xảy ra do không có O2. Bởi vậy kết quả đường phân trong hô hấp kỵ khí là: C6H12O6 → 2CH3COCOOH + 2NADH2 Giai đoạn hai của hô hấp kỵ khí là biến đổi axit pyruvic thành các sản phẩm như etanol, axit lactic, Đây là quá trình lên men. Tuỳ theo sản phẩm của quá trình mà có các quá trình lên men khác nhau như lên men rượu, lên men lactic 5.2.2.1. Lên men rượu. Sự lên men rượu xảy ra qua 3 giai đoạn chính: - Thuỷ phân tinh bột thành glucose (nếu cơ chất là tinh bột). - Đường phân glucose thành axit pyruvic và NADH2. - Lên men rượu thật sự. Giai đoạn lên men rượu xảy ra 2 phản ứng: 2CH3COCOOH → CH3CHO + CO2 CH3CHO + NADH2 → CH3CH2OH + NAD. Như vậy kết quả chung của toàn bộ quá trình lên men rượu là C6H12O6 + 2NAD → 2CH3COCOOH + 2NADH2 2CH3COCOOH → 2CH3CHO + 2CO2 2CH3CHO + 2NADH2 → 2CH3CH2OH + 2NAD. C6H12O6 → 2CH3COCOOH + 2CO2 Về mặt năng lượng lên men rượu chỉ tạo ra được 2ATP trong giai đoạn đường phân nên hiệu quả năng lượng rất thấp. Từ 1 glucose chuyển
10 thành 2 etanol năng lượng tự do giảm 256 Kcalo chỉ tạo ra được 2ATP (tương đương 14,6 Kcalo trong đIều kiện chuẩn). Hiệu suất năng lượng chỉ đạt 26%. So với hô hấp hiếu khí chỉ bằng 5%. (2ATP của lên men so với 38 ATP của hô hấp hiếu khí). Sở dĩ như vậy vì sản phẩm lên men rượu còn chứa năng lượng khá lớn, phần năng lượng giải phóng ra từ glucose để tạo etanol chỉ là một phần nhỏ (14 Kcalo/674 Kcalo). Như vậy để có năng lượng cho cơ thể hoạt động như hô hấp hiếu khí cung cấp thì lên men rượu phải sử dụng lượng cơ chất nhiều gấp 40-50 lần. Do vậy nên hô hấp kỵ khí (len men) kéo dài sẽ làm cho cây bi đói, mô bị suất các chất tích luỹ bởi các quá trình khác (Quang hợp, Hô hấp hiếu khí). 5.2.2.2. Lên men lactic. Cũng như lên men rượu, lên men lac tic là quá trình hô hấp kỵ khí khá phổ biến ở thực vật. Quá trình lên men lac tic xảy ra theo 2 con đường khác nhau: - Trong giai đoạn đường phân sau khi tạo AlPG, AlPG không bị oxy hoá thành A13PG mà biến đổi trực tiếp thành axit lac tic: CHO COOH CHOH + H2O CHOH + H3PO4 CH2O P CH3 Như vậy theo con đường này từ glucose tạo ra 2 axit lac tic và tiêu tốn mất 2 ATP trong giai đoạn đầu của đường phân. - Đường phân tạo ra CH3COCOOH và NADH2, NADH2 khử axit pyruvic thành axit lac tic. C6H12O6 + 2NAD → 2CH3COCOOH + 2NADH2 2CH3COCOOH + 2NADH2 → 2CH3CHOHCOOH + 2NAD C6H12O6 → 2CH3CHOHCOOH Về năng lượng con đường này tạo ra được 2 ATP như trong lên men rượu. 5.2.3. Hô hấp sáng. 5.2.3.1. Đặc điểm. Decker (1955), Zelittch (1969) đã phát hiện ra hiện tượng thải CO2 sau một thời gian chiếu sáng ở một số cây. Như vậy ở những cây này các sản phẩm sơ cấp của quang hợp đã bị phân huỷ thành CO2 ngoài sáng. Sự
11 hấp thụ O2 cùng với sự thảI CO2 xảy ra phụ thuộc vào ánh sáng nên được gọi là hô hấp sáng (quang hô hấp). Những cây này hô hấp đồng hành với quang hợp. Có thể phân biệt hô hấp sáng với hô hấp tối nhờ tính nhạy cảm của quang hô hấp với các yếu tố môi trường. - Hô hấp luôn đồng biến với cường độ ánh sáng, còn hô hấp tối không chịu ảnh hưởng của ánh sáng. ánh sáng với λ = 590-700nm có hiệu quả cao với hô hấp sáng. - Hô hấp giảm khi tỷ lệ oxy thấp (< 2%) khi hàm lượng O2 càng cao hô hấp sáng càng mạnh. Khi tăng hàm lượng O2 từ 21% đến 100% hô hấp sáng tăng gấp 2-3 lần. - Tăng hàm lượng CO2 sẽ hạn chế hô hấp sáng, khi hàm lượng CO2 cao hơn 0,1% hô hấp sáng giảm mạnh và có thể ngừng khi hàm lượng CO2 đạt 1-2%. Còn hàm lượng CO2 cao ít ảnh hưởng đến hô hấp tối. - Hô hấp sáng nhạy với nhiệt độ hơn so với hô hấp tối. Các nhóm thực vật khác nhau có mức độ hô hấp sáng không giống nhau: - Cây C3 có hô hấp sáng mạnh. Ví dụ ở lúa, đậu, cải đường, hướng 2 dương, thuốc lá có hô hấp tối khoảng 1-3mg CO2/dm /h. Còn hô hấp sáng mạnh gấp 2-3 lần hấp tối đó. - Cây C4 như: ngô, mía, cao lương không có hô hấp sáng hoặc xảy ra yếu không thể xác định được. Do vậy nhóm cây này có năng suất cao hơn cây C3. - Cây CAM có quang hô hấp yếu và thay đối nên khó xác định. Người ta cho rằng nguyên nhân làm cho quá trình hô hấp sáng ở nhóm thực vật C4 yếu hay không có là do hoạt tính của oxigenase ở nhóm cây này yếu do tỷ lệ CO2/O2 trong tế bào bao bó mạch cao điều đó giúp cho hoạt tính cacboxyl hoá mạnh hơn hoạt tính oxy hoá. Mặt khác khi thải CO2 từ tế bào bó mạch lập tức được ATP từ tế bào thịt lá tiếp nhận, do đó làm giảm hô hấp sáng. 5.2.3.2. Cơ chế. Quang hô hấp xảy ra tại 3 bào quan khác nhau: lục lạp, peroxixom và ty thể. Tế bào chất là môi trường để các chất đi qua từ bào quan này sang bào quan khác. * Lục lạp: Tại lục lạp diễn ra quá trình oxy hoá Ribulozo 1,5 diP do Ribulozo 1,5 diP-oxydase xúc tác tạo nên axit glyceric và axit glycolic. Đồng thời axit glyoxilic từ ty thể đưa sang cũng được khử thành axit
12 glycolic. A.glicolic chuyển sang peroxixom để tiếp tục biến đổi theo hô hấp sáng. * Peroxixom: đây là bào quan biến đổi H2O2 nên được gọi là peroxixom. Tại đây A.glycolic bị oxi hoá thành A.glyoxilic nhờ glycolat- oxydaza. H2O2 được tạo ra do oxi hoá axit glicolic sẽ bị phân huỷ bởi catalaza thành H2O và O2. Tiếp theo là các phản ứng chuyển amin để tạo glycin. Glycin quay vào ty thể để biến đổi tiếp. * Ty thể: Tại ty thể serin được tạo ra từ 2 glyxin nhờ hệ enzime kép. Glycin dicacboxylase và serin hydroxymethyltransgenase. Serin biến đổi trở lại thành A.glycolic. Cơ chế hô hấp sáng được trình bày theo sơ đồ sau: Hình 5. H ô hấp sáng 5.2.3.3. Vai trò hô hấp sáng. Hô hấp sáng là một quá trình có hại cho quang hợp, nó làm giảm quang hợp 20-30%, trường hợp đặc biệt có thể giảm quang hợp đến 100%. Sở dĩ như vậy vì hô hấp sang phân huỷ nguyên liệu của quang hợp (Ri 1,5 diP), cạnh tranh ánh sáng với quang hợp, tạo chất độc với quang hợp (H2O2).
13 Hiện nay chưa có chứng minh nào về mặt có lợi của hô hấp sáng. Vậy tại sao một quá trình có hại mà được tồn tại trong suốt hàng triệu năm được sàng lọc bởi CLTN ? ĐIều đó chưa giải thích được một cách thoả đáng. Tuy nhiên có tác giả cho rằng có một số lý do mà hô hấp sáng vẫn tồn tại cho đến bây giờ. - Có lẽ Thời kỳ đầu của sự tiến hoá, tỷ lệ CO2/O2 trong không khí cao hơn so với hiện nay nên quang hô hấp là quá trình cần để hạ thấp tỷ lệ này. - Quang hô hấp cũng có thể tham gia duy trì tỷ lệ O2 nội sinh của lục lạp dưới ngưỡng tới hạn. - Cũng có thể quang hô hấp giúp cho cây tồn tại trong đIều kiện cường độ ánh sáng quá mạnh mà nồng độ CO2 lại thấp để tiêu thụ bớt ATP và NADPH2tạo ra dư thừa trong phản ứng sáng qua đó tránh được ảnh hưởng có hại đến bộ máy quang hợp. Những lý do trên chủ yếu mới là những giả thiết cần được khoa học làm sáng tỏ thêm. Do hô hấp sáng có hại nên trong thực tiễn trồng trọt cần hạn chế hay triệt tiêu hô hấp sáng nhằm tăng khả năng quang hợp qua đó tăng NS cây trồng. Có nhiều biện pháp để ngăn ngừa tác động xấu của hô hấp sáng như làm giảm lượng O2 xuống 5%, chọn giống thực vật không có hô hấp sáng hay hô hấp sáng yếu, lai tạo cây có hô hấp sáng mạnh với cây không có hô hấp sáng tạo cây có hô hấp sáng yếu hơn, xử lý các chất gây ức chế hô hấp sáng Na2S2O3, NaF 5.3. Trao đổi năng lượng trong hô hấp. Hô hấp là nguồn cung cấp năng lượng cho các hoạt động sống của cơ thể. Qua hô hấp năng lượng được chuyển từ dạng năng lượng hoá học tích trữ trong các HCHC khó sử dụng sang dạng năng lượng chứa đựng trong phân tử ATP dễ sử dụng. 5.3.1. Đặc điểm trao đổi năng lượng của cơ thể sống. Trong quá trình hô hấp sự phân huỷ glucose đã giải phóng năng lượng 674Kcalo/M. Năng lượng này cũng tương đương năng lượng giải phóng ra khi đốt cháy glucose. Tuy nhiên giữa 2 quá trình hô hấp và đốt cháy có nhiều điểm khác nhau: Trước hết trong quá trình hô hấp chỉ một phần năng lượng hoá học mất đi ở dạng nhiệt còn phần lớn được tích luỹ lại trong dạng liên kết cao năng của ATP để cơ thể sử dụng dần. Hiệu quả năng lượng của hô hấp đạt khoảng 50%. Điểm khác biệt thứ hai là năng lựng giảI phóng ra trong quá trình phân huỷ cơ chất hô hấp (glucose) không ồ ạt, cùng một lúc như phản ứng
14 đốt cháy mà thải ra từ từ qua nhiều chặng, mỗi chặng năng lượng thải ra một ít gúp cơ thể kịp thời tích lại ở dạng ATP để dự trữ dùng dần khi cần thiết. Thứ ba, quá trình hô hấp được thực hiện một cách chặt chẽ có hiệu quả nhờ sự tham gia hệ enzime phân huỷ cơ chất hô hấp và hệ enzime thực hiện việc tích năng lượng thải ra trong phản ứng phân huỷ cơ chất thành năng lượng của ATP. Thứ tư của sự khác nhau giữa đốt cháy với hô hấp là hô hấp được thực hiện trong tế bào có cấu trúc chặt chẽ, hợp lý nên hiệu quả năng lượng rất cao. Đặc biệt các thành phần tham gia phân huỷ cơ chất và các thành phần tham gia tích năng lượng vào ATP (enzime tổng hợp ATP – photphoryl hoá) được sắp xếp theo một cấu trúc hoàn hảo để thực hiện chức năng của nó. Trao đổi năng lượng trong hô hấp xảy ra dựa trên hoạt động của hệ thống oxi hoá - khử của tế bào. 5.3.2. Oxi hoá khử sinh học. 5.3.2.1. Các hình thức. Oxi hoá khử là quá trình có ý nghĩa quyết định đến trao đổi năng lượng của tế bào. Trong tế bào có nhiều hình thức oxi hoá - khử khác nhau, liên quan chặt chẽ với nhau tạo nên chuỗi hô hấp tế bào. - Khử H2 của cơ chất do hệ enzime dehydrogenase xúc tác. Đây là giai đoạn đầu của chuỗi hô hấp. - Trao đổi điện tử giữa các hệ oxi hoá khử. Đây là giai đoạn giữa của chuỗi hô hấp, giai đoạn này có sự tham gia của hệ enzime oxidase. - Kết hợp với O2 nhờ oxidase xúc tác là hình thức oxi hoá khử thứ ba có ở vị trí cuỗi chuỗi hô hấp. 5.3.2.2. Năng lượng phản ứng oxi hoá khử. Phản ứng oxi hoá khử bao giờ cũng kèm theo trao đổi năng lượng. Biến đổi năng lượng tự do trong các phản ứng oxi hoá - khử được thể hiện bằng phương trình ΔG' = - nF . ΔEo Trong đó: ΔG’: mức biến đổi năng lượng của phản ứng oxi hoá - khử (Kcalo/M) - Nếu ΔG’ > 0: phản ứng thu năng lượng. - Nếu ΔG’ < 0: phản ứng thải năng lượng. - Nêu ΔG’ = o: không xảy ra phản ứng
15 n: Số è tham gia trao đổi trong phản ứng ΔEo: chênh lệch đIện thế oxi hoá khử giữa 2 hệ tham gia phản ứng. F: số Fara 5.3.3. Chuỗi hô hấp. Chuỗi vận chuyển è hô hấp hay chuỗi hô hấp là hệ thống vận chuyển è xảy ra trên màng ty thể. Thành phần của chuỗi hô hấp gồm 4 tổ hợp: * Tổ hợp I; các è từ cơ chất khử trước hết được oxi hoá bởi tổ hợp I. Tổ hợp I chứa NADH-dehydrogese xúc tác sự chuyển 1 cặp è giữa NADH và ubiquinon (UQ) NDAH + H+ NAD+ + 2H+ + 2è Eo = - 0,32V + 2H + 2è + UQ UQH2 Eo = +0,04V + + Kết quả chung: NADH + H + UQ NAD + UQH2 ΔEo = + 0,36V * Tổ hợp II: Tổ hợp II chứa sucxinat-dehydrogenase xúc tác sự chuyển 1 cặp è giữa axit xucxinic và UQ. A.xucxinic là thành phần của chu trình Crebs. A.xucxinic A.Fumaric + 2H+ + 2è Eo = + 0,03V + 2H + 2è + UQ UQH2 Eo = +0,04V Kết quả chung: A.sucxinic + UQ A.Fumaric + UQH2 ΔEo = +0,01V * Tổ hợp III: Tổ hợp gồm các xytocrom b,c và phức hợp enzime xytocrom C-oxidoreductase. Chức năng của tổ hợp II oxi hoá UQH2 rồi chuyển è đến xytoctrom C + UQH2 UQ + 2H + 2è 2è + 2Fe+3 → 2Fe+2 Eo = + 0,25V +3 +2 + Kết quả chung: UQH2 + 2Fe UQ + 2Fe + 2H ΔEo = + 0,21V * Tổ hợp IV. Tổ hợp IV hoạt động như cytocrom-oxidase. Thành phần có xytocrom a và a3, phức hợp Cu-Fe-protein, cytorom a3-oxidase.
16 Tổ hợp IV làm nhiệm vụ cuối cùng của chuỗi hô hấp, xúc tác sự chuyển 1 cặp è từ xytocrom C đến O2 +2 +3 2Fe -e 2Fe -e + 2è Eo = + 0,25 V + 2è + 2H + 1/2 O2 → H2O Eo = + 0,82V +2 + +3 Kết quả chung: 2Fe -e + H +1/2O2 → 2Fe + H2O ΔEo = + 0,57 V Các tổ hợp được gắn trên màng ty thể theo những vị trí xác định tạo nên chuỗi vận chuyển è ty thể – hay là chuỗi hô hấp +2 +3 +2 +3 NAD FADH2 UQ Fe Fe Fe Fe AH2 H2O X xytb xyta xytc xyta 3 +3 +2 +3 +2 + O A NADH+H FAD UQH2 Fe Fe Fe Fe 2 Sự vận chuyển è qua chuỗi hô hấp diễn ra như sau: Điện tử được tách ra từ cơ chất khử như AlPG, A.pyruvic, A.I.zoxitric đi vào mạch theo 2 nhánh: - Một nhánh từ AlPG, A.Izotric, A. α cetoglutaric, A.malic, A.pyruvic được chuyển đến NAD sau đó đến xytcrom b, xytocrom C, xytocrom a và cuối cùng đến xytocrom a3 đến khử O2. - Một nhánh từ axit sucxinic, các axit béo điện tử chuyển đến cho FAD sau đó sang xytocrom b như nhánh 1. Sự chuyển è (H+) trong chuỗi là nhờ sự oxy hoá khử thuận nghịch của các thành phần trong chuỗi, hệ trước với chức năng khử sẽ khử hệ sau, hệ sau bị khử nó trở thành hệ khử để khử tiếp hệ sau đó. Quá trình cứ tiếp diễn các phản ứng oxi hoá khử thuận nghịch như vậy làm cho è tách ra từ cơ chất được chuyển đến để khử O2 tạo H2O. Các phản ứng trong chuỗi đều là phản ứng thải năng lượng. Tuỳ mức chênh lệch điện thế oxi hoá khử giữa các thành phần (ΔEo) mà năng lượng thải ra ở các phản ứng (ΔG’) tương ứng. Năng lượng thải ra có thể ở dạng nhiệt nhưng cũng có thể được dùng để tổng hợp ATP trong quá trình photphoryl hoá nếu hội tụ đủ đIều kiện của photphorryl hoá. 5.3.4. Photphoryl hoá. 4.3.4.1. Liên kết giàu năng lượng và ATP.
17 Trong tế bào các hợp chất hữu cơ đều chứa đựng năng lượng. Năng lượng của các phân tử được cố định trên các liên kết. Các liên kết thường có năng lượng khoảng 0,3-3,0 Kcalo/M. Ngoài các liên kết bình thường, một số phân tử còn chứa các liên kết giàu năng lượng – gọi là liên kết cao năng. Những liên kết có năng lượng ≥ 6 Kcalo/M thuộc dạng liên kết cao năng, được ký hiệu (∼). Có 3 dạng liên kết cao năng phổ biến trong các hợp chất hữu cơ: - Liên kết O ∼ P: đây là dạng liên kết phổ biến và có vai trò quan trọng nhất trong tế bào. Liên kết cao năng dạng này có trong các nucleotide, Tri.P, một số dạng đường – P (Al3PG, APEP ) cacbamyl-P - Liên kết C ∼ P: là dạng liên kết cao năng có trong Acyl ∼ CoA (như acetyl CoA, sucxinyl – CoA ) - Liên kết N ∼ P: là liên kết cao năng có trong Creatin – P. Trong các phân tử chứa liên kết cao năng thì ATP là phân tử có vai trò quan trọng nhất trong tế bào, nó là pin năng lượng của tế bào. NH2 N N O- O O HO - P ∼ O – P ∼ O- P– O CH2 O N NH OH OH OH Liên kết Hìnhcao n 6.ăng Cấ trongu tạo ATP có năng lượng tự do 7,3 Kcalo/M trong điều kiện chuẩn. Năng lượng này thay đổi theo sự thay đổi các điều kiện môi trường như pH, nồng độ ATP, áp suất khí quyển. Biến động của năng lượng của liên kết cao năng của ATP trong khoảng 8-12 Kcalo/M. ATP là một chất linh động nên năng lượng chứa đựng đó dễ được huy động cho cơ thể hoạt động ATP + H2O ADP + H3PO4 ΔG’ = - 7,3 Kcalo/M ADP + H2O AMP + H3PO4
18 ΔG’ = -9,6 Kcalo/M ATP + H2O AMP + PP ΔG’ = - 9,6 Kcalo/M ATP + 2H2O AMP + 2H3PO4 ΔG’ = - 16,9 Kcalo/M 5.3.4.2. Photphoryl hoá oxy hoá. Photphoryl hoá oxi hoá là hình thức tổng hợp ATP nhờ năng lượng thải ra của phản ứng oxi hoá. Loại photphoryl hoá này có hai hình thức: - Photphoryl hoá mức cơ chất. - Photphoryl hoá mức coenzime-chuỗi hô hấp. 5.3.4.3. Phptphoryl hoá mức cơ chất. Photphoryl hoá mức cơ chất là quá trình tổng hợp ATP nhờ năng lượng thải ra của phản ứng oxi hoá trực tiếp cơ chất. Trên toàn bộ con đường biến đổi oxi hoá phân tử glucose theo đường phân và chu trình crebs có hai phản ứng oxi hoá liên kết với photphoryl hoá ở mức cơ chất. - Trong giai đoạn đường phân: ++ HH33POPO4 4 AlPG A1,3PG A3PG NAD+ NADH ADP ATP Vậy phản ứng tổng hợp ATP: ADP + H3PO4 → ATP xảy ra nhờ năng lượng của phản ứng oxi hoá AlPG bởi NAD. - Trong chu trình Crebs: CoA CO2 H2O CoA A. α cetoglutaric sucxinyl-CoA A.sucxic + NAD NADH ADP + H3PO4 ATP Như vậy phản ứng tổng hợp ATP ở đây xảy ra nhờ năng lượng thải ra trong phản ứng oxi hoá cơ chất A. αcetoglutaric cung cấp. Quá trình photphoryl hoá ở mức độ cơ chất tích luỹ không quá 10% toàn bộ năng lượng của tế bào sống nên ý nghĩa không lớn lắm. 90% năng lượng còn lại được tích luỹ qua quá trình photphoryl hoá mức enzime hay qua chuỗi hô hấp.
19 5.3.4.4. Photphoryl hoá qua chuỗi hô hấp. Khi vận chuyển H2 từ cơ chất khử đến O2 chuỗi hô hấp thực hiện nhiều phản ứng oxi hoá khử. Các phản ứng đó làm năng lượng giải phóng dần dần. Nếu giai đoạn nào của chuỗi có đủ điều kiện về năng lượng và có enzime xúc tác thì quá trình tổng hợp ATP được thực hiện. Đó là photphoryl hoá qua chuỗi hô hấp. Về cơ chế của quá trình photphoryl hoá qua chuỗi hô hấp đã được nhiều tác giả nghiên cứu trong thời gian dài. Thuyết do Mit.chell đưa ra năm 1962, gọi là thuyết hoá thẩm đã giải thích cơ chế photphoryl hoá một cách hợp lý và được quan tâm nhiều hơn cả. Thuyết hoá thẩm nếu lên cơ sở cho sự liên kết dòng điện tử trong chuỗi hô hấp với sự photphoryl hoá ở ty thể là sự chênh lệch về đIện tích và H+ giữa 2 mặt của màng ty thể. Sự chênh lệch này được tạo ra do sự vận chuyển è vàm proton qua màng làm cho sự tích luỹ è và H+ ở 2 phía của màng chênh lệch nhau tạo nên thế năng điện hoá. Thế năng đIện hoá này được giải phóng sẽ cung cấp năng lượng cho phản ứng tổng hợp ATP. Trong quá trình hô hấp các è tách ra từ cơ chất được chuyển theo chuỗi vận chuyển è hô hấp trên màng ty thể. Các è được chuyển vào mặt trong của màng trong ty thể, tức là vào cơ chất ty thể làm cho mặt trong màng ty thể tích điện âm. Ngược lại H+ được vận chuyển qua chuỗi hô hấp để đẩy ra mặt ngoài của màng trong ty thể, tức là vào khoảng không gian giữa màng trong và màng ngoài ty thể làm cho phía này tích điện dương. Kết quả sự vận chuyển đòng thời è và H+ tạo nên sự chêng lệch điện thế giữa 2 mặt của màng trong ty thể – đó là thế điện hoá - còn gọi là “thế năng màng” hay “gradient điện thế”. Sự chênh lệch về nồng độ H+ hình thành “gradient proton” các grdient điện hoá và gradient proton tạo nên động lực proton. Giá trị thế năng proton này được coi như năng lượng tự do của proton tương đương 7,3 Kcalo đủ để thực hiện phản ứng tổng hợp ATP. Việc chuyển thế năng proton thành năng lượng để tổng hợp ATP thực hiện nhờ các bơm proton – ATP – sintetase,. Bơm proton làm nhiệm vụ bơm proton (H+) từ lớp đệm giữa 2 màng ty thể, qua màng trong để vào cơ chất ty thể tức là làm cho proton đi ngược chiều vận chuyển của ATP sintetase đã giải phóng năng lượng hoá thẩm và năng lượng hoá thẩm đó được dùng để tổng hợp ATP. Cấu tạo ATP sintetase (Bơm proton) rất phức tạp gồm nhiều thành phần khác nhau. Hai thành phần quan trọng nhất của ATP-sintetase là phức hợp Fo và F1.
20 Fo được xem là kênh dẫn truyền proton đi qua màng trong ty thể, từ mặt ngoài vào cơ chất ty thể. Fo có cấu trúc hình trụ của lipid nằm xen vào lớp lipid vắt qua màng để nối mặt tiếp xúc với lỏng đệm và mặt trong tiếp xúc với cơ chất ty thể. F1 là phần xúc tác quá trình tổng hợp ATP khi Fo bơm proton đi qua. F1 có cấu trúc hình cầu, ưa nước nằm nhô ra phía cơ chất ty thể như 1 cái + nấm. H được bơm qua kênh. Fo dưới tác động của lực dẫn proton sẽ hoạt hoá F1 và tiêu phí lực dẫn này. F1 được hoạt hoá sẽ xúc tác sự tổng hợp ATP. Từ H2 của cơ chất, 2è được chuỗi hô hấp vận chuyển đến O2, với năng lượng tổng số thải ra là: AH2 + 1/O2 → A + H2O ΔEo = + 1,23 V (+0,01 – (-0,22) = 1,23V) ΔG’ = -2.23,06.1.23 = 57,2 Kcalo/M Năng lượng thải ra này có thể tổng hợp được 5 ATP. Nhưng trong thực tế qua chuỗi hô hấp chỉ tạo ra được 3ATP. Sở dĩ như vậy vì từ cơ chất + è (H ) chuyển đến O2 qua nhiều phản ứng. Mỗi phản ứng thải ra một ít năng lượng. Nếu phản ứng nào đủ đIều kiện về năng lượng (ΔG’ = 7,3 Kcalo/M) và có bơm proton (ATP suntetase) định vị tại vị trí đó của chuỗi hô hấp gắn trên màng ty thể thì phản ứng tổng hợp ATP mới xảy ra. Đó là 3 vị trí NAD → FAD; xyt b → xyt C và xyt a → xyt a3 5.3.5. Hiệu quả năng lượng trong hô hấp. Tế bào là một nhà máy biến đổi năng lượng rất tinh vi với hiệu quả năng lượng rất cao. Đó là nhờ tế bào có thành phần và cấu tạo rất phù hợp với cơ chế biến đổi năng lượng nhất. Ty thể là một nhà máy trao đổi năng lượng rất hoàn hảo. Sự trao đổi năng lượng còn được xúc tác bởi hệ enzime đặc hiệu, hệ vận chuyển è đặc trưng nên hiệu quả năng lượng rất cao. Năng lượng giải phóng trong quá trình phân huỷ cơ chất phần lớn được tích vào ATP cho cơ thể dùng dần. Hiệu quả trao đổi năng lượng phụ thuộc vào con đường biến đổi cơ chất. Nếu biến đổi cơ chất theo con đường hiếu khí thì hiệu quả năng lượng cao hơn biến đổi theo con đường kỵ khí. Trong hô hấp kỵ khí hiệu quả năng lượng chỉ đạt khoảng 2%. Phân huỷ 1 glucose chỉ tạo ra 2 ATP 2.7,3 674 .100≈ 2%
21 Trong hô hấp hiếu khí theo đường phân- chu trình Crebs hiệu quả năng lượng rất cao. Phân huỷ 1 glucose theo con đường này tạo ra được 38 ATP với hiệu suất năng lượng: 38.7,3 674 .100≈ 41% Trong hô hấp hiếu khí theo con đường pentozo P, hiệu quả năng lượng là: 35.7,3 674 .100≈ 38% Như vậy so với các máy móc vật lý, hệ trao đổi năng lượng của cơ thể sống có hiệu quả cao hơn nhiều. 5.3.6. Sử dụng ATP. Mọi hoạt động sống của cơ thể đều cần năng lượng. Nguồn cung cấp năng lượng chủ yếu cho hoạt động sống của cơ thể là ATP. Bởi vì ATP có dự trữ năng lượng đủ lớn thoả mãn nhu cầu cho các hoạt động sống đồng thời ATP dễ được phân huỷ để giải phóng năng lượng nên sử dụng ATP rất thuận lợi cho cơ thể. Như vậy ATP chính là pin năng lượng của cơ thể. Ngoài ATP, một số dạng liên kết cao năng khác cũng được cơ thể sử dụng cho một số hoạt động sống: - UTP cung cấp năng lượng cho quá trình sinh tổng hợp disacharit, polysacharit. - XTP cung cấp năng lượng cho quá trình tổng hợp lipid phức tạp. - GTP tham gia trong quá trình tổng hợp protein ở riboxom. 5.4. Ảnh hưởng của các điều kiện bên ngoài đến hô hấp. 5.4.1. Ảnh hưởng điều kiện bên trong đến hô hấp. 5.4.1.1. Thành phần loài. Các loài khác nhau có quá trình hô hấp không giống nhau: cường độ, con đường, hệ số hô hấp. - Trước hết các loài khác nhau có cường độ hô hấp khác nhau Bảng: Cường độ hô hấp của một số loài thực vật (mg/CO2/1g chất khô /24h) Nhóm cây Ihô hấp Nhóm cây IHH Lá lúa mì 136,70 Quả chanh 12,40 Củ khoai tây 2,45 Hạt hướng dương 43,70 Rễ củ cải đường 6,70 Asperillus Niger (2 ngày tuổi) 343,20
22 - Tính chất hệ oxy hoá khử, con đường biến đổi cơ chất cũng mang tính đặc trưng cho loài. Như ở một số nhóm cây trong họ cải, họ bầu bí chứa nhiều enzime ascobin oxylase và peroxydase nên con đường hô hấp nhóm cây này có nhiều hướng khác các nhóm cây khác về cơ chất hô hấp về chuỗi hô hấp. Hay nhóm cây chứa nhiều lipid thì trong tế bào chứa nhiều hệ enzime lipase và hệ enzime chuyển hoá axit béo. - Hệ số hô hấp ở các loài khác nhau cũng khác nhau do sử dụng cơ chất chủ yếu không giống nhau. Cây nào sử dụng nguyên liệu hô hấp chủ yếu là gluxit thì HSHH = 1, cây nào sử dụng cơ chất hô hấp là axit hữu cơ thì HSHH > 1, còn cây nào chứa nhiều protein, dùng protein làm cơ chất thì HSHH < 1. Bảng: Hệ số hô hấp (CO2/O2) ở một số cây Nhóm cây HSHH Nhóm cây HSHH Hạt lúa mì mọc mầm 1,0 Hạt lạc nảy mầm 0,70 Quả táo chín 1,0 Hạt gai dầu nảy mầm 1,22 Hạt lanh nảy mầm 0,65 Quả chanh chín 2,09 5.4.1.2. Tuổi cây. Hô hấp còn chịu ảnh hưởng của quá trình phát triển cá thể của cây. Thường càng về già cường độ hô hấp càng giảm, con đường biến đổi cơ chất chuyển từ đường phân – chu trình Crebs sang pentozo P. Cây càng già hiệu quả năng lượng càng giảm. Ngoài ảnh hưởng của thành phần loài, tuổi cây đến hô hấp, các cơ quan khác trên cây cũng có quá trình hô hấp khác nhau do đặc trưng sống, chức năng sinh lý của chúng khác nhau. 5.4.1.3. Chất điều hoà sinh trưởng. Các chất đIều hoà sinh trưởng có vai trò quan trọng trong toàn bộ đời sống của thực vật trong đó có hô hấp. Đối với quá trình hô hấp, chất điều hoà sinh trưởng có tác dụng nhiều mặt. - Chất ĐHST làm tăng cường độ hô hấp vào giai đoạn nẩy mầm và giai đoạn sinh trưởng mạnh của cây. Đó là do chất ĐHST đã kích thích hoạt tính nhiều hệ enzime trong hô hấp. - Chất ĐHST còn có tác dụng đIều chỉnh các con đường hô hấp trong cây. Như theo Seb, Damhorecki, Oaks (1958) cho rằng Auxin làm giảm tỷ lệ C6/C1 điều đó chứng tỏ Auxin làm giảm con đường pentozo P
23 mà làm tăng sự biến đổi cơ chất theo con đường Đường phân – chu trình Crebs. - Chất ĐHST thúc đẩy quá trình trao đổi năng lượng trong hô hấp, tăng hiệu quả năng lượng trong hô hấp. Như theo Benner, Wildmann cho rằng Auxin ảnh hưởng đến sự hình thành các liên kết cao năng, đến quá trình photphoryl hoá theo chiều hướng có lợi cho hô hấp. 5.4.2. Ảnh hưởng các điều kiện bên ngoài đến hô hấp. 5.4.2.1. Ánh sáng. Trước đây người ta cho rằng hoạt động của hô hấp không chịu ảnh hưởng của ánh sáng. Nhưng nhờ những phương pháp nghiên cứu mới như sử dụng đồng vị phóng xạ các nhà khoa học đã xác định được ánh sáng có ảnh hưởng đến hô hấp. Trước hết ánh sáng ảnh hưởng đến quang hợp mà quang hợp là quá trình cung cấp nguyên liệu cho hô hấp. Ánh sáng cũng ảnh hưởng trực tiếp đến hô hấp. ở nhiều loại cây ánh sáng kích thích hô hấp. Câu ưa bóng hô hấp nhạy cảm với ánh sáng hơn cây ưa sáng. Ánh sáng bước sóng ngắn ảnh hướng đến hô hấp mạnh hơn ánh sáng bước sóng dài. Đặc biệt quan trọng là sánh sáng là yếu tố trực tiếp của hô hấp sáng. Hô hấp sáng luôn đồng biến với cường độ ánh sáng. 5.4.2.2. Hàm lượng nước. Trong hô hấp nước vừa là sản phẩm vừa là nguyên liệu trực tiếp tham gia vào cơ chế hô hấp. Nước còn là dung môi hoà tan các chất để tiến hành các phản ứng trong hô hấp. Cường độ hô hấp liên quan chặt chẽ đến hàm lượng nước trong tế bào. Ở hạt khô, hàm lượng nước thấp (≤ 15%) hô hấp xảy ra rất yếu ớt. Hô hấp tăng cùng với sự tăng hàm lượng nước trong mô và đạt cực đại hô hấp khi hàm lượng nước trong mô đạt 80-90%. Khi hàm lượng nước trong mô bị giảm đột ngột (hạn hán, nhiệt độ cao) hô hấp lại tăng mạnh nhưng hiệu quả năng lượng lại thấp. Năng lượng thải ra không tích lại ở dạng ATP mà phần lớn thải ra ở dạng nhiệt làm cho nhiệt độ cơ thể tăng lên có thể dẫn đến hiện tượng chết khô của cây. 5.4.2.3. Nhiệt độ. Hô hấp là một chuỗi các phản ứng hoá sinh xảy ra do sự xúc tác của các enzime. Hoạt tính enzime lại phụ thuộc vào nhiệt độ nên nhiệt độ có ảnh hưởng đến hô hấp. Trong giới hạn nhiệt độ sinh lý, nhiệt độ càng cao
24 hô hấp càng mạnh. Sự ảnh hưởng của nhiệt độ phụ thuộc nhóm sinh thái: cây chịu nóng có nhu cầu nhiệt độ đối với hô hấp cao hơn nhóm cây chịu rét. Bảng: Ngưỡng nhiệt độ của mộ số cây Nhiệt độ Cây hàn đới Cây ôn đới Cây nhiệt đới Tối thiểu - 40 → - 30 -25 → -10 1 → 10 Tối ưu -5 → + 10 10 → 15 25 → 30 Tối đa +15 → + 25 30 → 35 40 → 45 Nhiệt độ không chỉ ảnh hưởng đến cường độ hô hấp mà còn ảnh hưởng đến hiệu quả trao đổi năng lượng trong hô hấp. Nhiệt độ cao làm cho hiệu quả năng lượng giảm. 5.4.2.4. Chất khoáng. Các nguyên tố khoáng, đặc biệt là các nguyên tố vi lượng có ảnh hưởng nhiều mặt đến hô hấp. Vai trò quan trọng nhất của chất khoáng đối với hô hấp là ảnh hưởng đến hoạt tính hệ enzime hô hấp. Phần lớn các chất khoáng có tác dụng kích thích hoạt tính các enzime nên làm tăng hô hấp. Bên cạnh đó cũng có nhiều chất khoáng có tác dụng ức chế hoạt tính enzime nên giảm hô hấp. Bởi vậy việc điều hoà tỷ lệ chất khoáng hợp lý có ý nghĩa quan trọng trong việc điều chỉnh hô hấp. 5.4.2.5. Chất khí trong môi trường. Thành phần và tỷ lệ các chất khí trong môi trường ảnh hưởng rõ rệt đến hô hấp đặc biệt là thay đổi con đường hô hấp. Hàm lượng O2 cao kích thích hô hấp hiếu khí, làm tăng quá trình hô hấp. Ngược lại, hàm lượng O2 giảm hô hấp giảm và chuyển sang dạng hô hấp kỵ khí. Thường nếu hàm lượng O2 thấp hơn 5% hô hấp xảy ra theo con đường yếm khí là chủ yếu. Hàm lượng O2 tối ưu cho hô hấp là 20%. Đối với hàm lượng CO2 của môi trường lại có tác động ngược lại với O2. Hô hấp không chỉ phụ thuộc hàm lượng CO2và O2 trong môi trường mà còn phụ thuộc vào thành phần khí trong gian bào. Thành phần khí trong gian bào rất khác thành phần khí trong môi trường. Trong gian bào hàm lượng O2 thấp hơn môi trường (7-18%) còn hàm lượng CO2 cao hơn trong môi trường (0,9-7,5%). Hàm lượng này thay đổi tuỳ loài cây, tuỳ loại mô, Các mô càng nằm sâu trong cơ thể thì hàm lượng khí càng thấp
25 nhát là O2. Ở những mô này hàm lượng khí trong gian bào ảnh hưởng đến hô hấp mạnh hơn hàm lượng khí trong môi trường. Ngoài những yếu tố trên còn nhiều yếu tố khác như các yếu tố vật lý, hoá học, sinh học trong môi trường cũng có ảnh hưởng nhất định đến hô hấp. 5.5. Vai trò hô hấp. Hô hấp là quá trình sinh lý trung tâm có vai trò rất quan trọng đối với thực vật nói riêng và sinh vật nói chung. Có thể xem hô hấp là bạn đồng hành với sự tồn tại của sự sống. 5.5.1. Hô hấp là trung tâm các quá trình trao đổi chất. Qua quá trình hô hấp, cơ chất biến đối thành các sản phẩm trung gian. Từ các sản phẩm trung gian làm nguyên liệu cho các quá trình tổng hợp tạo nên các chất hữu cơ khác nhau trong tế bào. Qua hô hấp các chất có thể chuyển đổi lẫn nhau như gluxit có thể chuyển đổi thành lipid và ngược lại. Hô hấp đã tạo nên cơ sở vật chất cho các hoạt động sinh lý khác như dinh dưỡng khoáng, trao đổi nước trên cơ sở đó ảnh hưởng đến sinh trưởng và phát triển của cây. 5.5.2. Hô hấp là trung tâm trao đổi năng lượng. Quang hợp chuyển năng lượng ánh sáng thành năng lượng hoá học chứa đựng trong các HCHC. Cơ thể không thể sử dụng trực tiếp năng lượng hoá học mà phải nhờ hô hấp chuyển đỏi năng lượng hoá học thành năng lượng của ATP mới sử dụng được. Năng lượng của ATP do hô hấp tạo nên được sử dụng cho mọi hoạt động sống của cơ thể. Không có ATP các hoạt động sống không thực hiện được nên sự sống cũng không thể tồn tại. 5.5.3. Hô hấp với các hoạt động sinh lý khác. Do hô hấp là quá trình tạo cơ sở vật chất và năng lượng của cơ thể cho nên có vai trò quan trọng đối với các hoạt động sinh lý khác. 5.5.3.1. Hô hấp với dinh dưỡng khoáng, trao đổi nước. Trước hết hô hấp có vai trò quan trọng đối với chức năng hút nước và chất khoáng của rễ. Hô hấp tạo ra các sản phẩm tham gia trực tiếp vào cơ chế hút khoáng, nước và vận chuyển các chất đó qua màng tế bào rễ. Hô hấp tạo các chất ưa nước giúp cho quá trình hút nước chủ động của rễ thuận lợi, tạo các chất mang, chất nhận giúp quá trình hút chất khoáng chủ động của rễ. Hô hấp còn cung cấp năng lượng cho quá trình hút các chất khoáng, nước theo cơ chế chủ động.
26 5.5.3.2. Hô hấp với quang hợp. Hô hấp và quang hợp là hai quá trình sinh lý trung tâm của thực vật. Mối quan hệ giữa hô hấp với quang hợp khá phức tạp. Đó là quan hệ vừa cạnh tranh vừa hỗ trợ lần nhau. Hô hấp vừa có lợi vừa có hại cho quang hợp. Trước hết hô hấp cung cấp bổ sung thêm nguồn năng lượng ATP cho quang hợp, đặc biệt trong trường hợp quá trình photphoryl hoá quang hoá bị ức chế. Hô hấp còn cung cấp các sản phẩm trung gian làm nguyên liệu cho quang hợp. Các sản phẩm trung gian trong chu trình pentozo P đều có thể lôi cuốn và làm nguyên liệu cho chu trình C3. Bên cạnh những tác dụng tích cực của hô hấp đén quang hợp. Hô hấp cũng gây cản trở đáng kể cho quang hợp. Hô hấp phân huỷ sản phẩm quang hợp làm cho quang hợp biểu kiến giảm mặc dầu quang hợp thực không giảm. Hô hấp còn cạnh tranh nguồn năng lượng ánh sáng với quang hợp (hô hấp sáng) do đó làm giảm bớt nguồn năng lượng của quang hợp. Mối quan hệ giữa quang hợp và hô hấp có ý nghĩa quyết định quá trình sinh trưởng và phát triển của cây. Việc điều hoà hợp lý mối quan hệ này có ý nghĩa quan trọng trong việc điều khiển sinh trưởng, phát triển của cây. Hạn chế mặt có hại, kích thích mặt có lợi của hô hấp có tác dụng tốt đến sinh trưởng phát triển của cây. 5.5.4. Ý nghĩa thực tiến của hô hấp. 5.5.4.1. Hô hấp với trồng trọt. Do vai trò quan trọng của hô hấp đối với thực vật nên trong trồng trọt cần có những biện pháp thích hợp tạo điều kiện thuận lợi cho hô hấp tiến hành hợp lý. Với hô hấp sáng có hại cho năng suất cần có biện pháp hạn chế hay triệt tiêu. 5.5.4.2. Hô hấp với vấn đề bảo quản. Bảo quản lương thực, thực phẩm là khoa học liên quan đến nhiều lĩnh vực, trong đó quan trọng nhất là hô hấp. Hô hấp là quá trình sinh lý liên quan trực tiếp đến việc bảo quản. Hiểu được mối liên quan giữa hô hấp với các điều kiện ngoại cảnh có thể điều khiển các đối tượng bảo quản giữ được khối lượng và chất lượng theo mục đích của mình. Do hô hấp là điều kiện tồn tại của sự sống cho nên trong công tác bảo quản các đối tượng sống cần tạo ra các điều kiện bảo đảm cho hô hấp xảy ra bình thường ở cường độ thấp để duy trì sự sống. Như vậy để cho nguyên liệu bảo quản vừa không bị giảm về khối lượng và chất lượng do hô hấp, vừa không bị chết do không có hô hấp cần phải duy trì hô hấp ở mức thấp thích hợp.
27 Để duy trì hô hấp ở mức độ thấp cho nguyên liệu bảo quản cần tác động vào nguyên liệu bảo quản các nhân tó sinh thái thích hợp. Tuỳ đối tượng bảo quản, thời gian cần bảo quản, mục đích bảo quản mà có các phương pháp bảo quản thích hợp. - Bảo quản ở độ ẩm thấp. - Bảo quản ở nhiệt độ thấp. - Bảo quản bàng khí CO2. - Bảo quản bẳng hoá chất ức chế hô hấp. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Nguyễn Bá Lộc, Hô hấp thực vật, NXB GD, Hà Nội 1999. 2. Phạm Đình Thái, Nguyễn Duy Minh, Nguyễn Lương Hùng, Sinh lý học thực vật, NXB GD, Hà Nội, 1987. 3. Vũ Văn Vụ, Vũ Thanh Tâm, Hoàng Minh Tấn, Sinh lý học thực vật, NXB GD, Hà Nội, 1999. 4. Mohr, H., Schopter, P. 1995. Plant physiology. Springer-Verlag Berlin Heidelberg-New York.
1 Chương 6 SINH TRƯỞNG VÀ PHÁT TRIỂN CỦA THỰC VẬT 6.1. Khái niệm về sinh trưởng và phát triển. Chúng ta đã nghiên cứu các hoạt động sinh lý của thực vật, được xem như những chức năng sinh lý riêng biệt như: sự trao đổi nước, quang hợp, hô hấp, dinh dưỡng khoáng và nitơ, sự biến đổi và vận chuyển các chất hữu cơ ở trong cây. Các chức năng sinh lý này xảy ra một cách đồng thời và luôn luôn có mối quan hệ khăng khít ràng buộc với nhau. Kết quả hoạt động tổng hợp của các chức năng sinh lý đó đã làm cho cây lớn lên, ra hoa kết quả rồi già đi và chết, hay nói một cách khác đã làm cho cây sinh trưởng và phát triển. Như vậy sinh trưởng và phát triển là một quá trình sinh lý tổng hợp của cây, là kết quả của toàn bộ các chức năng và quá trình sinh lý của cây. 6.1.1. Khái niệm về sinh trưởng. Theo D.A. Xabinin: Sinh trưởng là quá trình tạo mới các yếu tố cấu trúc của cây một cách không thuận nghịch (các thành phần mới của tế bào, tế bào mới, cơ quan mới ) thường dẫn đến tăng về số lượng, kích thước, thể tích, sinh khối của chúng. Tuy nhiên không nên quan niệm sự sinh trưởng chỉ biểu hiện sự biến đổi về lượng một cách đơn thuần, vì không phải bao giờ sự sinh trưởng cũng dẫn đến sự biến đổi về kích thước và khối lượng. Chẳng hạn, lúc tạo yếu tố cấu trúc mới của nhân, tế bào tạm ngừng lớn lên, khi hạt trương nước thì trọng lượng chất khô không tăng, lúc ra hoa cây ngừng sinh trưởng về kích thước Nói chung sự sinh trưởng của cây được biểu hiện ở những đặc điểm sau: - Sự tăng về khối lượng và kích thước của cơ thể hoặc của từng cơ quan (sự tăng trưởng chiều cao của thân cây, chiều dài của cành, tăng diện tích của lá, tăng khối lượng quả, hạt ). - Sự tăng thêm số lượng cơ quan, số lượng tế bào (cây mọc thêm cành, cành ra thêm lá, số lượng tế bào ở mô phân sinh tăng lên ). - Tăng thể tích của tế bào, đặc biệt là tăng khối lượng chất nguyên sinh ( tế bào sau khi phân chia xong thì tiến hành quá trình
2 giãn tế bào để tăng kích thước của tế bào và tăng khối lượng chất nguyên sinh của tế bào). - Tăng các yếu tố cấu trúc của tế bào (hình thành các bào quan bên trong tế bào). - Tăng trọng lượng chất khô của cây. Chẳng hạn ở thời kỳ chín hạt cây ngừng tăng về kích thước của các cơ quan, nhưng cây vẫn tích lũy thêm các chất hữu cơ về hạt. 6.1.2. Khái niệm về phát triển. Sự phát triển là sự biến đổi chất lượng về sinh lý và hình thái thể hiện trong suốt chu kỳ sống của thực vật từ sự tạo thành hợp tử trên cây mẹ đến sự diệt vong của chúng khi già. Qua đó một lần nữa thấy rằng sự sinh trưởng cũng như sự phát triển không phải là một chức năng sinh lý riêng biệt mà là quá trình tổng hợp của các chức năng sinh lý và hoạt động sống, mà kết quả của quá trình đó đã dẫn đến sự biến đổi vật chất bên trong và ra hoa kết quả. Theo Ghenken (1960): Sự phát triển là quá trình biến đổi về chất cần thiết xảy ra trong tế bào và quá trình hình thành cơ quan mới mà cây phải trải qua kể từ khi tế bào trứng được thụ tinh cho đến khi hình thành tế bào sinh sản mới. Theo D.A.Xabinin (1963): Sự phát triển là sự biến đổi chất trong quá trình tạo ra các cấu trúc mới của cơ thể, do đó nó có thể thực hiện được chu kỳ sống của mình. Theo Bonnơ (Bonner 1968): Sự phát triển là quá trình biến đổi sâu sắc trong tế bào trứng đã được thụ tinh nhờ sự phân chia liên tục của nó mà có được các kiểu tế bào riêng biệt (phân hóa tế bào) đặc trưng cho cơ thể trưởng thành. Theo quan điểm của di truyền học hiện đại thì sự phát triển cá thể là quá trình thực hiện dần các chương trình di truyền đã được mã hóa trong phân tử ADN trong quá trình phát triển cá thể. Chính vì vậy không nên coi sự phát triển chỉ là quá trình dẫn đến ra hoa kết quả đơn thuần, mà đó chỉ là một biểu hiện rõ nhất về sinh lý và hình thái của cây mà thôi. Cho nên sự ra hoa, ra qủa đó là một biểu hiện rõ nhất của sự phát triển hay còn gọi là biểu hiện đặc trưng của sự phát triển. 6.1.3. Mối quan hệ giữa sinh trưởng và phát triển. Sự sinh trưởng và phát triển là biểu hiện về sự biến đổi về lượng và về chất của cơ thể thực vật trong chu kỳ sống của chúng. Trên quan điểm duy vật biện chứng thì sự biến đổi về lượng là cơ
3 sở của sự biến đổi về chất, cũng như sự sinh trưởng về kích thước, trọng khối và hình thành các yếu tố cấu tạo mới là tiền đề cho sự phát triển và ngược lại sự phát triển là quá trình biến đổi về chất bên trong dẫn đến sự ra hoa kết quả lại thúc đẩy sự sinh trưởng. Như vậy giữa sinh trưởng và phát triển có mối quan hệ rất mật thiết với nhau. Ðây là hai mặt của một quá trình biến đổi sinh lý, sinh hóa và hình thái của cây có tác dụng thúc đẩy lẫn nhau và không thể tách rời ra được. Tuy nhiên hai quá trình đó không phải lúc nào cũng đồng nhất. Sinh trưởng và phát triển yêu cầu các yếu tố ngoại cảnh không giống nhau, vì vậy hai quá trình này có thể xảy ra không đồng nhất, sự không đồng bộ ấy có thể ghép vào ba trường hợp sau đây: - Sinh trưởng tốt, phát triển chậm (chậm ra hoa kết qủa). - Sinh trưởng xấu, phát triển sớm (sớm ra hoa kết quả). - Sinh trưởng và phát triển cân đối. Trong trồng trọt cũng thường thấy trên nhiều thửa ruộng bón nhiều phân, nhất là phân đạm hoặc đất quá tốt và tưới nhiều nước cho cây, cây trồng sinh trưởng thân lá rất mạnh, màu lá xanh biếc, nhưng ra hoa muộn và thường cho năng suất thấp. Hoặc trong trường hợp không bón đạm hoặc đất nghèo dinh dưỡng và không tưới nước cho cây dẫn đến cây sinh trưởng còi cọc, nhưng ra hoa sớm. Trong thực tế sản xuất chúng ta cần điều khiển ruộng cây trồng sinh trưởng và phát triển cân đối, đó là tác động các biện pháp kỹ thuật như thời vụ gieo trồng, bón phân, tưới nước hợp lý nhằm làm cho cây trồng ra hoa đúng thời vụ và đạt năng suất cao. 6.2. Cơ quan tiến hành sinh trưởng của cây. 6.2.1. Các mô phân sinh. Quá trình sinh trưởng của cây được tiến hành ở các mô phân sinh do mô thường xuyên tăng số lượng tế bào. Trong cây có 3 loại mô phân sinh. * Mô phân sinh đỉnh (sinh trưởng dọc) Sinh trưởng đỉnh do mô phân sinh đỉnh đảm nhận. Mô phân sinh đỉnh có ở đầu ngọn, đầu cành và rễ, ở đó luôn có quá trình phân chia tế bào. Số lượng tế bào ở mô phân sinh đỉnh thường
4 xuyên tăng lên kèm theo sự tăng kích thước tế bào. Dẫn đến làm tăng chiều cao của cây, chiều dài của cành và rễ. * Mô phân sinh lóng, đốt Các loại cây có cấu tạo dạng lóng, đốt như mía, tre, nứa thì ở phần gốc của lóng, đốt có mô phân sinh lóng. Mô phân sinh lóng thường xuyên phân chia tế bào, làm tăng số lượng và kích thước tế bào, dẫn đến tăng chiều dài của các lóng, đốt và chiều cao cây, chiều dài cành. * Mô phân sinh tượng tầng (sinh trưởng ngang) Sinh trưởng ngang do mô phân sinh tượng tầng đảm nhận. Ðây là loại mô đặc trưng cho các loại thân gỗ. Mô này nằm giữa phần libe và gỗ ở trong bao bó mạch của cây. Mô phân sinh tượng tầng làm tăng số lượng tế bào. Tạo ra bên ngoài là libe và bên trong là phần gỗ, giúp cây to về bề ngang. 6.2.2. Sự sinh trưởng và sự phân hóa của tế bào. Sự sinh trưởng và phát triển của cơ thể thực vật cũng như của các mô, cơ quan gắn liền với sự sinh trưởng và phát triển của mỗi tế bào. Tế bào thực vật được hình thành bằng con đường phân chia trong các mô chuyên hóa gọi là mô phân sinh. Sau đó các tế bào tăng kích thước và thể tích nhanh chóng trong các vùng giãn và cuối cùng được phân hóa thành các mô chức năng đảm nhiệm các chức năng sinh lý riêng biệt gắn liền với sự thay đổi về cấu trúc đặc trưng cho các mô. Rõ ràng, mỗi tế bào thực vật cũng được sinh ra, lớn lên, hóa già và cuối cùng cũng chết phù hợp với chu kỳ phát triển của cây. Sự sinh trưởng của tế bào trải qua 3 pha: pha phân chia, pha lớn lên và pha phân hóa. 6.2.2.1. Pha phân chia tế bào. Sự sinh trưởng của tế bào bắt đầu bằng sự phân chia tế bào trong các mô chuyên hóa gọi là mô phân sinh. Sự phân chia tế bào xảy ra qua hai bước kế tiếp: Sự phân chia nhân (mitoz) trong đó có sự phân chia nhân thành hai nhân và sự phân bào (xytokinez) là sự phân chia tế bào hai nhân thành hai tế bào một nhân. Trước khi xảy ra phân chia nhân thì đòi hỏi nhân đôi lượng ADN của tế bào mẹ, tức là nhân đôi tất cả lượng thông tin di truyền mà tế bào mẹ vốn có. Chính vì vậy mà sự tổng hợp ADN xảy ra rất
5 mạnh mẽ trong tế bào phôi sinh. Sau đó nhân được phân chia thành hai nhân. Giai đoạn tiếp theo là sự phân bào: Một màng mỏng polisaccarit xuất hiện ở giữa tế bào. Nguồn gốc của lớp màng tế bào này là từ bộ máy Golgyl và Lưới nội chất. Lớp màng này nhanh chóng tăng trưởng để đạt đến thành tế bào chia đôi tế bào mẹ hai nhân thành hai tế bào con một nhân. Ðặc trưng chung của tế bào trong pha phân chia là tế bào bé, đồng nhất, có kích thước như nhau, thành tế bào mỏng, toàn bộ thể tích tế bào chứa chất nguyên sinh và nhân to, chưa xuất hiện không bào. Số lượng tế bào được tăng lên nhanh chóng, nhưng kích thước tế bào chỉ tăng gấp đôi, vì kích thước tế bào đạt như tế bào mẹ thì sự phân chia tế bào lại xảy ra. Ðể cho quá trình phân chia tế bào thuận lợi thì trước hết phải có phytohormone hoạt hóa sự phân chia tế bào, đó là cytokinine, ngoài ra các chất như auxin, giberellin cũng có vai trò kích thích nhất định sự phân chia tế bào. Mặt khác điều kiện ngoại cảnh cũng ảnh hưởng tới sự phân chia tế bào, đặc biệt các yếu tố như nước, nhiệt độ, các chất dinh dưỡng 6.2.2.2. Pha lớn lên của tế bào. Ðây là giai đoạn tế bào tăng nhanh về kích thước và khối lượng. Ðặc trưng của pha này là bắt đầu xuất hiện không bào. Ban đầu không bào có kích thước nhỏ và số lượng nhiều. Sau đó các không bào nhỏ liên kết lại với nhau thành không bào to hơn và các không bào to hơn tập hợp thành một không bào trung tâm duy nhất. Không bào trung tâm lớn nhanh và đẩy chất nguyên sinh và nhân ra sát thành tế bào. Kích thước của tế bào tăng lên rất nhanh chóng. Sự giãn nhanh chóng của tế bào là kết quả của hai hiệu ứng: Sự giãn thành tế bào và sự tăng thể tích không bào và chất nguyên sinh gắn liền với quá trình sinh tổng hợp các vật liệu cần thiết cho xây dựng thành tế bào và chất nguyên sinh. Chẳng hạn tăng cường tổng hợp cellulose, hemicellulose, pectin để tạo nên các lớp vỏ tế bào mới và giãn thành tế bào cũ; Tăng cường sinh tổng hợp protein để tăng khối lượng chất nguyên sinh và các bào quan Ngoài ra, sự hấp thu nước thẩm thấu của không bào có ý nghĩa quan trọng, tạo nên lực đẩy lên thành tế bào làm cho các vi sợi cenlulose vốn bị cắt đứt lực liên kết với nhau có điều kiện trượt lên nhau mà giãn ra.
6 Ðiều kiện quan trọng nhất cho tế bào giãn được là sự có mặt của các phytohormone kích thích sự giãn của tế bào. Chất quan trọng nhất là auxin và giberellin. Sự sinh trưởng của tế bào có thể tăng lên 6-8 lần khi có mặt của auxin. Vai trò của auxin hoạt hóa bơm H+ ở màng ngoài, bơm H+ vào thành tế bào. Sự giảm pH thành tế bào (pH= 4-5) sẽ hoạt hóa các enzyme phân hủy các cầu nối ngang giữa các bó vi sợi cenlulose và làm cho chúng tách rời nhau. Dưới tác động của sức trương do hấp thu nước thẩm thấu vào không bào mà các vi sợi cenlulose đó có thể vận động trượt theo các hướng khác nhau và kết quả thành tế bào giãn ra. Song song với quá trình giãn này thì có quá trình sinh tổng hợp các vật liệu mới xây dựng thành tế bào ở vị trí đã giãn (cenlulose, hemicenlulose, protopectin ). Giberellin với sự giãn của tế bào ngoài cơ chế bơm proton như auxin, nó còn kích thích các enzyme thủy phân liên quan đến cơ chế hấp thu nước thẩm thấu của tế bào và tăng cường hàm lượng auxin nhờ tăng hàm lượng triptophan. Ðiều kiện ngoại cảnh cực kỳ quan trọng cho sự giãn của tế bào là nước. Vì sự hấp thu nước thẩm thấu vào không bào có ý nghĩa quyết định cho sự giãn của tế bào. Các nguyên tố dinh dưỡng cũng có ý nghĩa quan trọng lên sự giãn tế bào như nitơ, phôtpho vì chúng là thành phần của prôtêin, phôtphatit là những hợp chất quan trọng cấu trúc nên chất nguyên sinh và tăng sinh khối. 6.2.2.3. Pha phân hóa của tế bào. Các tế bào sau khi hoàn thành pha giãn bằng các con đường khác nhau mà chúng phân hóa thành các tế bào của các loại mô thực hiện các chức năng sinh lý riêng biệt, cho nên về hình thái và cấu trúc của tế bào đã thay đổi nhiều. Sự phân hoá này nhờ một số gen ở bên trong tế bào quy định. Chẳng hạn một số tế bào mất hết chất nguyên sinh và hóa gỗ như tế bào của mô dẫn; Một số tế bào theo hướng giảm nhân và ty thể (tế bào rây); Một số tế bào theo hướng hình thành lục lạp (mô dậu) hoặc cutin hóa, suberin hóa (mô bì) Trong cây có khoảng 15 loại tế bào chuyên hóa của các mô chức năng, nhưng suy cho cùng thì chúng đều được phân hóa từ một tế bào khởi nguyên là hợp tử. Sở dĩ có sự phân hóa theo các đường hướng khác nhau để hình thành nên nhiều loại tế bào hoàn toàn khác nhau là do sự hoạt hóa phân hóa các gen vốn có trong mỗi tế bào, tức là quá trình mà một gen trước đây không hoạt động nay được hoạt hóa và đồng
7 thời một số gen đang hoạt động thì bị ức chế và ngừng hoạt động. Do đó sự phân hóa tế bào chỉ là sự hoạt hóa phân hóa gen mà không làm cho tế bào có thêm hoặc mất đi vốn gen của chúng. 6.3. Sinh trưởng của các cơ quan, cơ thể. 6.3.1. Sinh trưởng của rễ. Rễ được tạo thành từ miền sinh trưởng rễ. Trong rễ đang sinh trưởng có 4 miền khác nhau. Chóp rễ là miền phôi thai, tiếp theo là miền kéo dài, miền lông hút và cuối cùng là miền phân nhánh của rễ. Các miền riêng biệt có quá trình sinh trưởng đặc trưng riêng, có hoạt động sinh lý, trao đổi chấtphù hợp chức năng miền đó đảm nhận. Phần đầu tiên của rễ là chóp rễ xảy ra sự phân bào mạnh mẽ mà không tăng kích thước của tế bào, phần này dài khoảng 1,5 mm. Tiếp theo vùng chóp rễ là vùng mà các tế bào lớn lên về thể tích, vùng này có chiều dài khoảng 2,5 mm. Trong 4 mm của vùng sinh trưởng này tiến hành các quá trình phân chia và lớn lên của tế bào. Miền tiếp theo là miền các tế bào phân hóa mà không lớn lên nữa. Trong rễ đang sinh trưởng, ở vùng đầu tiên của bao rễ người ta tìm thấy một nhóm tế bào đặc biệt có hàm lượng axit nucleic thấp, không có khả năng tổng hợp ADN, do vậy các tế bào này không phân chia, những tế bào này làm nhiệm vụ bảo vệ cho chóp rễ. Thành phần hóa học ở các miền sinh trưởng khác nhau của rễ rất khác nhau. Lượng nước trong tế bào tăng theo sự sinh trưởng, lượng đường cũng tăng dần theo sự sinh trưởng từ chóp rễ vào đến thân rễ. Hàm lượng protein tăng từ chóp rễ đến miền kéo dài, từ đó lại giảm dần đến thân rễ. Hàm lượng cellulose tăng theo quá trình sinh trưởng. Cường độ hô hấp có thay đổi, tăng lên ở miền kéo dài và sau đó lại giảm. Quá trình sinh trưởng của rễ chịu sự chi phối của nhiều yếu tố bên trong và bên ngoài. Các điều kiện nhiệt độ, độ ẩm, thoáng khí có ý nghĩa quan trọng đến quá trình sinh trưởng của rễ. Nhiệt độ thích hợp cho sự sinh trưởng của rễ thấp hơn nhiệt độ thích hợp cho sự sinh trưởng của thân và phụ thuộc vào nhóm sinh thái. Trong điều kiện đất đủ ẩm rễ sinh trưởng tốt, khi đất khô đến mức gây héo thì rễ ngừng sinh trưởng. Khi đất đủ nước (có tưới
8 nước) thì rễ sinh trưởng tập trung ở vùng đất mặt, khi đất thiếu nước thì rễ lại ăn sâu và lan rộng để tìm nguồn nước. Nồng độ O2 trong đất có liên quan đến sự sinh trưởng của rễ. Khi nồng độ O2 giảm dến 10% thì sự sinh trưởng của rễ bắt đầu giảm và rễ ngừng sinh trưởng khi nồng độ O2 < 5%. Các chất điều hòa sinh trưởng có tác dụng kích thích quá trình sinh trưởng của rễ. Auxin với nồng độ thấp có tác dụng kích thích (10-10 M), ở nồng độ cao hơn (10-8 M) lại có tác dụng ức chế sinh trưởng của rễ. 6.3.2. Sinh trưởng của thân. Sự sinh trưởng của thân được thực hiện bởi hai loại mô khác nhau. Sự tăng chiều cao của thân do sự sinh trưởng của mô phân sinh ngọn, còn sự tăng chiều ngang của thân là do sự sinh trưởng của mô phân sinh tượng tầng. Do kết quả của sự phân chia tế bào phân sinh làm xuất hiện các tế bào không phân chia để hình thành các mô riêng biệt. Ở các mô phân sinh ngọn nguyên bì sẽ phát triển thành biểu bì, tiền tượng tầng tạo mô dẫn và mô phân sinh chính sẽ tạo nên nhu mô. Thân cây lớn lên nhờ chóp ngọn. Các cành phát triển ra từ chồi thì các đốt cơ bản được hình thành từ trong chồi. Sự kéo dài của lóng được hình thành ngay trong phôi hay trong mầm của cành. Sự sinh trưởng về bề ngang của thân và cành nhờ sinh trưởng của tượng tầng là nhóm mô phân sinh nằm giữa libe (phloem) và gỗ (xylem). Các tế bào kéo dài của tượng tầng phân chia theo trục dọc. Tượng tầng chỉ hoạt động phân chia trong thời kỳ phát triển cơ quan sinh dưỡng. Quá trình sinh trưởng của thân chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố bên trong và bên ngoài. Các chất điều hòa sinh trưởng có vai trò rất quan trọng rong thời kỳ sinh trưởng của thân, trong đó auxin và giberellin có ý nghĩa hơn cả. Auxin kích thích mạnh quá trình sinh trưởng của thân chính, nhưng lại có tác dụng ức chế sin trưởng của cành bên tạo ra hiện tượng ưu thế ngọn. Giberellin có tác dụng thúc đẩy sự kéo dài các lóng và làm xuất hiện các lóng mới nên làm cho chiều cao của thân tăng lên.
9 Các yếu tố bên ngoài như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, các chất khoáng cũng có vai trò quan trọng đối với sự sinh trưởng của thân. Nhiệt độ không khí có vai trò quan trọng đến sự tăng trưởng chiều dài của thân, nhiệt độ quá thấp hay quá cao đều kìm hãm sự sinh trưởng của nó. Sự chênh lệch nhiệt độ ngày đêm cũng là yếu tố kích thích sinh trưởng của thân. Biên độ thay đổi nhiệt càng lớn càng kích thích sinh trưởng của thân. Sự chênh lệch nhiệt độ không khí và nhiệt độ đất cũng ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của thân, nhiệt độ đất phải thấp hơn nhiệt độ không khí thì mới thuận lợi cho sự sinh trưởng của nó. Ánh sáng cũng là một yếu tố quan trọng đến sự sinh trưởng của thân, cây thiếu ánh sáng thường mọc vống, cây yếu dễ đổ do trung trụ và mô cơ phát triển kém, do sắc tố tổng hợp ít nên cây bị bạc trắng. Nước là yếu tố ảnh hưởng đến sinh trưởng của thân, thiếu nước cây sinh trưởng chậm, nhưng trong môi trường bão hòa nước cũng ức chế sự sinh trưởng của thân. Các chất khoáng và đạm cũng đóng vai trò quan trọng đối với sự sinh trưởng của thân, đặc biệt là đạm. Nếu thiếu đạm thì sẽ dẫn đến thiếu protein và axit nucleic thì quá trình sinh trưởng bị ngưng trệ. Nếu thiếu P, K sẽ ức chế sinh trưởng của thân mặc dù các nguyên tố này không trực tiếp kích thích sinh trưởng như đạm. 6.3.3. Sinh trưởng của lá. Lá được hình thành từ nón sinh trưởng của chồi, mầm lá là một nhóm tế bào phân sinh tạo thành. Sự hình thành phiến lá trong chồi có thể được bắt đầu từ dưới lên trên hoặc ngược lại từ trên xuống dưới hoặc hình thành đồng đều trên toàn bộ phiến lá. Trên phiến lá có nhiều điểm sinh trưởng, từ các điểm sinh trưởng đó tạo thành các thùy lá, răng lá. Sư sinh trưởng của lá cũng chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố bên trong và bên ngoài môi trường. Auxin có tác dụng kích thích sự sinh trưởng và quá trình tạo hình của lá. Auxin cũng là chất ức chế sự rụng lá của cây. Các điều kiện bên ngoài như nhiệt độ, ánh sáng, chất khoáng, nước cũng ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của lá.
10 Nhiệt độ quá cao hay quá thấp đều ức chế sự tạo thành lá và sinh trưởng của lá. Khi gặp nhiệt độ thấp lá sinh trưởng chậm nhưng phiến lá dày hơn. Hàm lượng nước trong môi trường và trong lá cũng ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của lá. Lá mất nhiều nước, mất sức trương sẽ ngừng sinh trưởng. Ánh sáng cũng ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của lá. Các tia đỏ kích thích sự sinh trưởng của phiến lá. Sự chiếu sáng mạnh ức chế sự kéo dài tế bào nên lá trong tối thường to hơn lá ngoài sáng, nhưng phiến lá ngoài sáng lại dày hơn. Các nguyên tố khoáng và đạm cũng cần cho sự sinh trưởng của lá, thiếu dinh dưỡng lá chậm lớn. 6.4. Các chất điều hòa sinh trưởng của thực vật. Trong đời sống thực vật, ngoài các chất hữu cơ như gluxit, protêin, lipit, axit nucleic để cấu trúc nên tế bào, mô và cung cấp năng lượng cho các hoạt động sống của chúng, thì còn có các chất có hoạt tính sinh lý như vitamin, enzyme và các hormone, trong đó các hormone có một vai trò rất quan trọng trong việc điều hòa qúa trình sinh trưởng phát triển và các hoạt động sinh lý của thực vật. Các chất điều hòa sinh trưởng và phát triển của thực vật là những chất có bản chất hóa học khác nhau, nhưng đều có tác dụng điều tiết các quá trình sinh trưởng, phát triển của cây từ lúc tế bào trứng thụ tinh phát triển thành phôi cho đến khi cây ra hoa kết quả, hình thành cơ quan sinh sản, cơ quan dự trữ và kết thúc chu kỳ sống của mình. Các hormone thực vật (phytohormone) là những chất hữu cơ có bản chất hóa học rất khác nhau được tổng hợp với một lượng rất nhỏ ở các cơ quan, bộ phận nhất định của cây và từ đó vận chuyển đến tất cả các cơ quan, các bộ phận khác của cây để điều tiết các hoạt động sinh lý, các quá trình sinh trưởng, phát triển của cây và để đảm bảo mối quan hệ hài hòa giữa các cơ quan, bộ phận trong cơ thể. Bên cạnh các chất điều hòa sinh trưởng tự nhiên (được tổng hợp ở trong cơ thể thực vật) còn có các chất do con người tổng hợp nên (gọi là các chất điều hòa sinh trưởng nhân tạo). Ngày nay bằng con đường hóa học con người đã tổng hợp nên hàng loạt các chất khác nhau nhưng có hoạt tính sinh lý tương tự với các chất
11 điều hòa sinh trưởng tự nhiên (phytohormone) để điều chỉnh quá trình sinh trưởng, phát triển của cây trồng, nhằm tăng năng suất và phẩm chất của cây trồng. Các chất điều hoà sinh trưởng nhân tạo ngày càng phong phú và được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất nông nghiệp. Các chất điều hòa sinh trưởng, phát triển của thực vật được chia thành hai nhóm có tác dụng đối kháng về sinh lý: các chất kích thích sinh trưởng (stimulator) và các chất ức chế sinh trưởng (inhibitor). 6.4.1. Các chất kích thích sinh trưởng thực vật. Các chất kích thích sinh trưởng của thực vật là những chất ở nồng độ sinh lý có tác dụng kích thích các quá trình sinh trưởng của cây. Các chất kích thích sinh trưởng thực vật gồm có các nhóm chất: auxin, gibberellin, cytokinine. 6.4.1.1. Auxin. Năm 1880 Saclơ Ðacuyn (Darwin) đã phát hiện ra rằng ở bao lá mầm của cây họ hòa thảo rất nhạy cảm với ánh sáng. Nếu chiếu sáng một chiều thì gây quang hướng động, nhưng nếu che tối hoặc bỏ đỉnh ngọn thì hiện tượng trên không xảy ra. Ông cho rằng ngọn bao lá mầm là nơi tiếp nhận kích thích của ánh sáng. Năm 1934 giáo sư hóa học Hà Lan Koc (Kogl) đã tách ra một chất từ dịch chiết nấm men có hoạt tính tương tự chất sinh trưởng và năm 1935 Thiman cũng tách được chất này từ nấm Rhyzopus. Sau đó người ta chiết tách được auxin từ các loại thực vật khác nhau (Hagen Smith, 1941, 1942, 1946 ) và đã xác định bản chất hóa học của nó là Axit β-Indol Axetic (AIA). Người ta đã khẳng định rằng Axit β-Indol Axetic là dạng auxin chủ yếu, quan trọng nhất của tất cả các loai thực vật, kể cả thực vật bậc thấp và thực vật bậc cao. Wightman (1977) đã phát hiện ra một chất auxin khác có hoạt tính kém hơn nhiều so với Axit β -Indol Axetic là Axit Phenil Axetic (APA). * Sự trao đổi chấtcủa auxin - Sự tổng hợp AIA: Auxin được tổng hợp ở tất cả các thực vật bậc cao, tảo, nấm và cả ở vi khuẩn. Ở thực vật bậc cao AIA được tổng hợp chủ yếu ở đỉnh chồi ngọn và từ đó được vận chuyển xuống dưới với vận tốc 0,5 - 1,5cm/h. Sự vận chuyển của auxin trong cây có tính chất phân cực rất nghiêm ngặt, tức là chỉ vận
12 chuyển theo hướng gốc. Chính vì vậy mà càng xa đỉnh ngọn, hàm lượng auxin càng giảm dần tạo nên một gradien nồng độ giảm dần của auxin từ đỉnh ngọn xuống gốc của cây. Ngoài đỉnh ngọn ra auxin còn được tổng hợpở các cơ quan còn non khác như lá non, quả non, phôi hạt đang sinh trưởng, mô phân sinh tầng phát sinh. Quá trình tổng hợp auxin xảy ra thường xuyên và mạnh mẽ ở trong cây dưới xúc tác của các enzyme đặc hiệu. Axit β-Indol Axetic là loại auxin phổ biến trong cây, được tổng hợp từ tryptophan bằng con đường khử amin, cacboxyl và oxy hóa. Công thức tổng quát của Axit β-Indol Axetic là C10H9O2N. - Sự phân hủy auxin: Sự phân hủy auxin cũng là một quá trình quan trọng điều chỉnh hàm lượng auxin trong cây. Auxin sau khi tác dụng có thể bị phân hủy làm mất hoạt tính hoặc trong trường hợp hàm lượng cao và dư thừa auxin có thể bị phân hủy để giảm hàm lượng. Sự phân hủy auxin trong cây chủ yếu xảy ra bằng con đường enzyme AIA-oxidase. AIA-oxidase hoạt động rất mạnh trong cây, đặc biệt trong hệ thống rễ. Dưới tác dụng xúc tác của AIA- oxidase AIA bị ôxyhóa và chuyển thành dạng mất hoạt tính là metilen oxindol. Hình 1. Sơ đồ sinh tổng hợp AIA trong cây 1 CH 2 - CH - COOH + O CH2- CO - COOH 2 2 NH2 − NH3 N N H H Triptophan Axit β. I ndol pyr uvi c - CO2 - CO2 CH2- CH2 - NH2 1 CH2- CHO 1 CH - COOH + O 2 2 + O2 2 2 N − NH 3 N N H H H Tr i ptamin Al dehyt I ndol axeti c Axi t. β. I ndol axeti c (AIA) - Sự biến đổi thuận nghịch dạng tự do và dạng liên kết: AIA ở trong cây có thể tồn tại dưới hai dạng là dạng tự do và dạng liên
13 kết. AIA tự do là dạng gây ra hoạt tính sinh lý ở trong cây. Tuy nhiên trong tế bào AIA tự do chiếm một hàm lượng rất thấp so với dạng AIA liên kết. AIA liên kết ở trong cây là dạng chủ yếu, nhưng chúng không có hoạt tính sinh lý hoặc có hoạt tính sinh lý thấp. AIA liên kết chủ yếu với gluxit và với axit amin. Dạng liên kết của AIA có ý nghĩa rất lớn trong việc dự trữ AIA, làm giảm hàm lượng AIA tự do, tránh tác dụng của AIA-oxidase và cũng là dạng vận chuyển auxin trong cây. Nhờ ba quá trình trao đổi chấttiến hành đồng thời của auxin ở trong cây mà hàm lượng auxin trong cây tương đối ổn định bảo đảm sự sinh trưởng, phát triển của các cơ quan và cơ thể cây hài hòa, không bị rối loạn. Bằng con đường tổng hợp hóa học, hàng loạt hợp chất có bản chất tương tự auxin lần lượt ra đời và có ý nghĩa quan trọng trong việc điều chỉnh sinh trưởng của cây. Có nhiều chất quan trọng như: α-NAA; IAA; IBA; 2,4D; 2,4,5T * Vai trò sinh lý của auxin Auxin có tác dụng sinh lý đến quá trình sinh trưởng của tế bào, hoạt động của tầng phát sinh, sự hình thành rễ, hiện tượng ưu thế ngọn, tính hướng của thực vật, sự sinh trưởng của quả và tạo quả không hạt Auxin kích thích sự sinh trưởng giãn của tế bào, đặc biệt giãn theo chiều ngang của tế bào làm tế bào to về chiều ngang, vì vậy làm cho các bộ phận của cây to về chiều ngang. Auxin hoạt hoá bơm proton, bơm các ion H+ vào trong màng tế bào làm giảm pH của màng tế bào nên hoạt hóa enzyme phân hủy các polisaccarit liên kết giữa các sợi cenlulose làm cho chúng lỏng lẻo và tạc điều kiện cho thành tế bào giãn ra dưới tác dụng của áp suất thẩm thấu của không bào trung tâm. Ngoài ra auxin còn kích thích sự tổng hợp các hợp các cấu tử cấu trúc nên thành tế bào như các chất cenlulose, pectin, hemicenlulose Auxin còn ảnh hưởng đến sự phân chia tế bào, tuy nhiên ảnh hưởng của auxin lên sự giãn và sự phân chia tế bào trong mối tác động tương hỗ với các phytohormone khác. Auxin còn có tác dụng hoạt hóa quá trình sinh tổng hợp các chất như protêin, cenlulose, pectin và kìm hãm sự phân giải chúng, nhờ thế có thể kéo dài tuổi thọ của các cơ quan, đồng thời làm tăng quá trình vận chuyển vật chất (nước, muối khoáng, chất hữu cơ) ở
14 trong cây, đặc biệt về các cơ quan sinh sản và cơ quan dự trữ của cây. Nhiều công trình nghiên cứu đã chứng minh rằng auxin ảnh hưởng mạnh đến hô hấp và quá trình photphoryl hóa trong tế bào (Ðioding, 1955; Audus, 1959; Bonnet, 1957 ). Nồng độ auxin ở mức sinh lý thì tỷ lệ NADH2/NAD, ATP/ADP tăng lên và ngược lại khi nồng độ auxin cao thì tỷ lệ đó lại giảm. Auxin gây ra tính hướng động của cây (tính hướng quang và tính hướng địa). Bằng phương pháp sử dụng nguyên tử đánh dấu cho thấy AIA phóng xạ được phân bố nhiều hơn ở phần khuất sáng cũng như ở phần dưới của bộ phận nằm ngang và gây nên sự sinh trưởng không đều ở hai phía cơ quan nên gây tính hướng động của các cơ quan, bộ phận của cây. Auxin gây hiện tượng ưu thế ngọn: Hiện tượng ưu thế ngọn là một hiện tượng phổ biến ở trong cây. Khi chồi ngọn hoặc rễ chính sinh trưởng sẽ ức chế sinh trưởng của chồi bên và rễ bên. Ðây là một sự ức chế tương quan vì khi loại trừ ưu thế ngọn bằng cách cắt chồi ngọn và rễ chính thì cành bên và rễ bên được giải phóng khỏi ức chế và lập tức sinh trưởng. Hiện tượng này được giải thích rằng auxin được tổng hợp chủ yếu ở ngọn chính và vận chuyển xuống dưới làm cho các chồi bên tích luỹ nhiều auxin nên ức chế sinh trưởng. Khi cắt ngọn chính, lượng auxin tích luỹ trong chồi bên giảm sẽ kích thích chồi bên sinh trưởng. Auxin kích thích sự hình thành rễ của cây: Sự hình thành rễ phụ của các cành giâm, cành chiết có thể chia làm ba giai đoạn: Giai đoạn đầu là phản phân hóa tế bào trước tầng phát sinh, tiếp theo là xuất hiện mầm rễ và cuối cùng mầm rễ sinh trưởng thành rễ phụ chọc thủng vỏ và ra ngoài. Ðể khởi xướng sự phản phân hóa tế bào mạnh mẽ thì cần hàm lượng auxin khá cao. Các giai đoạn sinh trưởng của rễ cần ít auxin hơn và có khi còn gây ức chế. Nguồn auxin này có thể là nội sinh, có thể xử lý ngoại sinh. Vai trò của auxin cho sự phân hóa rễ thể hiện rất rõ trong nuôi cấy mô. Trong kỹ thuật nhân giống vô tính thì việc sử dụng auxin để kích thích sự ra rễ là cực kỳ quan trọng . Auxin kích thích sự hình thành, sự sinh trưởng của quả và tạo quả không hạt:Tế bào trứng sau khi thụ tinh tạo nên hợp tử và sau phát triển thành phôi. Phôi hạt là nguồn tổng hợp auxin nội sinh quan trọng, khuyếch tán vào bầu và kích thích sự sinh trưởng của bầu để hình thành quả. Vì vậy quả chỉ được hình thành khi có sự
15 thụ tinh. Nếu không có quá trình thụ tinh thì không hình thành phôi và hoa sẽ bị rụng. Việc xử lý auxin ngoại sinh cho hoa sẽ thay thế được nguồn auxin nội sinh vốn được hình thành trong phôi và do đó không cần quá trình thụ phấn thụ tinh nhưng bầu vẫn lớn lên thành quả nhờ auxin ngoại sinh. Trong trường hợp này quả không qua thụ tinh và do đó không có hạt. Auxin kìm hãm sự rụng lá, hoa, quả của cây, vì nó ức chế sự hình thành tầng rời ở cuống lá, hoa, quả vốn được cảm ứng bởi các chất ứ chế sinh trưởng. Vì vậy phun auxin ngoại sinh có thể giảm sự rụng lá, tăng sự đậu quả và hạn chế rụng nụ, quả non làm tăng năng suất. Cây tổng hợp đủ lượng auxin sẽ ức chế sự rụng hoa, quả, lá. * Cơ chế tác dụng của auxin lên sự sinh trưởng của cây Auxin có tác dụng mạnh nhất lên sự sinh trưởng giãn của tế bào. Sự giãn của tế bào thực vật xảy ra do hai hiệu ứng: Sự giãn thành tế bào và sự tăng thể tích, khối lượng chất nguyên sinh. Người ta đã phát hiện ra hiện tượng “sinh trưởng axit”, tức là trong điều kiện pH thấp (pH = 5) thì sự sinh trưởng của tế bào và mô được kích thích. Các ion H+ trong màng té bào dã hoạt hóa enzyme phân giải các cầu nối ngang polisaccarit giữa các sợi cenlulose với nhau làm cho các sợi tách rời nhau và rất dễ dàng trượt lên nhau. Dưới ảnh hưởng của sức trương tế bào do không bào hút nước vào mà các sợi cenlulose đã mất liên kết, lỏng lẻo rất dễ trượt lên nhau làm cho thành tế bào giãn ra. Vai trò của auxin là gây nên sự giảm pH của thành tế bào bằng cách hoạt hóa bơm proton ( H+) nằm trên màng ngoại chất. Khi có mặt của auxin thì bơm proton hoạt động và bơm H+ vào thành tế bào làm giảm pH và hoạt hóa enzyme xúc tác cắt đứt các cầu nối ngang của các polysaccarit. Enzyme tham gia vào quá trình này là pectinmetylesterase khi hoạt động sẽ metyl hóa các nhóm cacboxyl và ngăn chặn cầu nối ion giữa nhóm cacboxyl với canxi để tạo nên pectat canxi, do đó mà các sợi cenlulose tách rời nhau. Ngoài sự giãn của thành tế bào còn xảy ra sự tổng hợp các hợp chất hữu cơ tạo nên thành tế bào và chất nguyên sinh như cenlulose, pectin, hemicenlulose, protein Vì vậy auxin đóng vai trò hoạt hóa gen để tổng hợp nên các enzyme cần thiết cho sự tổng hợp các vật chất đó. 6.4.1.2. Gibberellin.
16 Gibberellin là nhóm phytohormone thứ hai được phát hiện sau auxin. Từ những nghiên cứu bệnh lý “bệnh lúa von” do loài nấm ký sinh ở cây lúa Gibberella fujikuroi (nấm Fusarium moniliforme ở giai đoạn dinh dưỡng) gây nên. Năm 1926, nhà nghiên cứu bệnh lý thực vật Kurosawa (Nhật Bản) đã thành công trong thí nghiệm gây “bệnh von” nhân tạo cho lúa và ngô. Yabuta (1934-1938) đã tách được hai chất dưới dạng tinh thể từ nấm lúa von gọi là gibberellin A và B nhưng chưa xác định được bản chất hóa học của chúng. Năm 1955 hai nhóm nghiên cứu của Anh và Mỹ đã phát hiện ra axit gibberellic ở cây lúa bị bệnh lúa von và xác định được công thức hóa học của nó là C19H22O6. Năm 1956, West, Phiney, Radley đã tách được gibberellin từ các thực vật bậc cao và xác định rằng đây là phytohormone tồn tại trong các bộ phận của cây. Hiện nay người ta đã phát hiện ra trên 50 loại gibberellin và ký hiệu A1, A2, A3, A52. Trong đó gibberellin A3 (GA3) là axit gibberellic có tác dụng sinh lý mạnh nhất. Người ta đã tìm được gibberellin ở nhiều nguồn khác nhau như ở các loại nấm, ở thực vật bậc thấp và thực vật bậc cao. Gibberellin được tổng hợp trong phôi đang sinh trưởng, trong các cơ quan đang sinh trưởng khác như lá non, rễ non, quả non và trong tế bào thì được tổng hợp mạnh ở trong lục lạp. Gibberellin vận chuyển không phân cực, có thể hướng ngọn và hướng gốc tùy nơi sử dụng. Gibberellin được vận chuyển trong hệ thống mạch dẫn với vận tốc từ 5- 25 mm trong 12 giờ. Gibberellin ở trong cây cũng tồn tại ở dạng tự do và dạng liên kết như auxin, chúng có thể liên kết với glucose và protêin. O C=O HO - OH H = CH2 CH3 COOH Hình 2. Công thức của axit gibberelic (GA3) + Vai trò sinh lý của gibberellin:
17 Hiệu quả sinh lý rõ rệt nhất của gibberellin là kích thích mạnh mẽ sự sinh trưởng kéo dài của thân, sự vươn dài của lóng. Hiệu quả này có được là do của gibberellin kích thích mạnh lên pha giãn của tế bào theo chiều dọc. Vì vậy khi xử lý của gibberellin cho cây đã làm tăng nhanh sự sinh trưởng dinh dưỡng nên làm tăng sinh khối của cây. Dưới tác động của gibberellin làm cho thân cây tăng chiều cao rất mạnh (đậu xanh, đậu tương thành dây leo, cây đay cao gấp 2-3 lần). Nó không những kích thích sự sinh trưởng mà còn thúc đẩy sự phân chia tế bào. Gibberellin kích thích sự nảy mầm, nảy chồi của các mầm ngủ, của hạt và củ, do đó nó có tác dụng trong việc phá bỏ trạng thái ngủ nghỉ của chúng. Hàm lượng gibberellin thường tăng lên lúc chồi cây, củ, căn hành hết thời kỳ nghỉ, lúc hạt nảy mầm.Trong trường hợp này của gibberellin kích thích sự tổng hợp của các enzyme amilaza và các enzyme thuỷ phân khác như protease, photphatase và làm tăng hoạt tính của các enzyme này, vì vậy mà xúc tiến quá trình phân hủy tinh bột thành đường cũng như phân hủy các polime thành monome khác, tạo điều kiện về nguyên liệu và năng lượng cho quá trình nảy mầm. Trên cơ sở đó, nếu xử lý gibberellin ngoại sinh thì có thể phá bỏ trạng thái ngủ nghỉ của hạt, củ, căn hành kể cả trạng thái nghỉ sâu. Trong nhiều trường hợp của gibberellin kích thích sự ra hoa rõ rệt. Ảnh hưởng đặc trưng của sự ra hoa của gibberellin là kích thích sự sinh trưởng kéo dài và nhanh chóng của cụm hoa. Gibberellin kích thích cây ngày dài ra hoa trong điều kiện ngày ngắn (Lang, 1956). Gibberellin ảnh hưởng đến sự phân hóa giới tính của hoa, ức chế sự phát triển hoa cái và kích thích sự phát triển hoa đực. Gibberellin có tác dụng giống auxin là làm tăng kích thước của quả và tạo quả không hạt. Hiệu quả này càng rõ rệt khi phối hợp tác dụng với auxin. + Cơ chế tác dụng của gibberellin: Một trong những qúa trình có liên quan đến cơ chế tác động của gibberellin được nghiên cứu khá kỹ là hoạt động của enzyme thủy phân trong các hạt họ lúa nảy mầm. Gibberellin gây nên sự giải ức chế gen chịu trách nhiệm tổng hợp các enzyme này mà trong hạt đang ngủ nghỉ chúng hoàn toàn bị trấn áp bằng các protêin histon. Gibberellin đóng vai trò như là chất cảm ứng mở
18 gen để hệ thống tổng hợp protêin enzyme thủy phân hoạt động. Ngoài vai trò cảm ứng hình thành enzyme thì gibberellin còn có vai trò kích thích sự giải phóng các enzyme thủy phân vào nội nhũ xúc tiến quá trình thủy phân các polime thành các monome kích thích sự nảy mầm của các loại hạt. Gibberellin xúc tiến hoạt động của auxin, hạn chế sự phân giải auxin do chúng có tác dụng kìm hãm hoạt tính xúc tác của enzyme phân giải auxin (auxinoxydase, flavinoxydase), khử tác nhân kìm hãm hoạt động của auxin. Cơ chế kích thích giãn của tế bào bởi gibberellin cũng liên quan đến hoạt hóa bơm proton như auxin. Tuy nhiên các tế bào nhạy cảm với auxin và gibberellin khác nhau có những đặc trưng khác nhau. Ðiều đó liên quan đến sự có mặt các nhân tố tiếp nhận hormone khác nhau trong các kiểu tế bào khác nhau. 6.4.1.3. Cytokinin. Việc phát hiện ra xytokinin gắn liền với kỹ thuật nuôi cây mô tế bào thực vật. Năm 1955 Miller và Skoog phát hiện và chiết xuất từ tinh dịch cá thu một hợp chất có khả năng kích thích sự phân chia tế bào rất mạnh mẽ trong nuôi cấy mô gọi là kinetin (6- furfuryl - aminopurin - C10H 9N 5O).
19 Letham và Miller (1963) lần đầu tiên đã tách được xytokinin tự nhiên ở dạng kết tinh từ hạt ngô gọi là zeatin và có hoạt tính tương tự kinetin. Sau đó người ta đã phát hiện xytokinin có ở trong tất cả các loại thực vật khác nhau và là một nhóm phytohormone quan trọng ở trong cây. Trong các loại xytokinin thì 3 loại sau đây là phổ biến nhất: Kinetin (6- furfuryl- aminopurin), 6-benzin- aminopurin và CH 2 O N H 2 N H N N N N N N N N H H Adenin K inetin CH 3 CH 2 CH 2 - CH = C N H N H CH 2OH N N N N N N N N H H Benzyl Adenin Zeatin CH 3 CH 3 CH 2 - CH = C CH 2 - CH = C N H CH 2O H N H CH 3 N N N N N N N N H O CH 2 O H O CH 2 O O H O H O H O H Zeatin r ibozit Izopenfenil adenozin (IPA) zeatin tự nhiên. Hình 3. Một số đại diện của xytokinin. Hiện nay người ta đã phát hiện ra nhiều loại xytokinin trong các bộ phận đang sinh trưởng của cây. Nhiều nghiên cứu khẳng định rằng xytokinin được hình thành chủ yếu trong hệ thống rễ. Ngoài ra một số cơ quan còn non đang sinh trưởng mạnh cũng có
20 khả năng tổng hợp xytokinin như chồi, lá non, quả non, tầng phát sinh Người ta cũng đã phát hiện ra kinetin là loại xytokinin có nhiều ở trong nước dừa. Xytokinin được vận chuyển trong cây không phân cực như auxin, có thể vận chuyển theo hướng ngọn và hướng gốc. Xytokinin có thể ở dạng tự do và dạng liên kết tương tự như các phytohormone khác. Ở trong cây chúng bị phân giải dưới tác dụng của enzyme, tạo nên sản phẩm cuối cùng là urê. Các xytokinin tổng hợp được sử dụng trong kỹ thuật nuôi cấy mô là kinetin và benzyladenin. + Vai trò sinh lý của xytokinin: Vai trò đặc trưng của xytokinin là kích thích sự phân chia tế bào mạnh mẽ. Vì vậy người ta xem chúng như là các chất hoạt hóa sự phân chia tế bào, nguyên nhân là do xytokinin hoạt hóa mạnh mẽ quá trình tổng hợp axit nucleic và protein dẫn đến kích sự phân chia tế bào. Xytokinin ảnh hưởng rõ rệt lên sự hình thành và phân hóa cơ quan của thực vật, đặc biệt là sự phân hóa chồi. Người ta đã chứng minh rằng sự cân bằng giữa tỷ lệ auxin (phân hóa rễ) và xytokinin (phân hóa chồi) có ý nghĩa rất quyết định trong quá trình phát sinh hình thái của mô nuôi cấy in vitro cũng như trên cây nguyên vẹn. Nếu tỷ lệ auxin cao hơn xytokinin thì kích thích sự ra rễ, còn tỷ lệ xytokinin cao hơn auxin thì kích thích ra chồi. Ðể tăng hệ số nhân giống, người ta thường tăng nồng độ xytokinin trong môi trường nuôi cấy ở giai đoạn tạo chồi. Ở trong cây rễ là cơ quan tổng hợp xytokinin chủ yếu nên rễ phát triển mạnh thì hình thành nhiều xytokinin và kích thích chồi trên mặt đất cũng hình thành nhiều. Xytokinin kìm hãm quá trình già hóa của các cơ quan và của cây nguyên vẹn. Nếu như lá tách rời được xử lý xytokinin thì duy trì được hàm lượng protein và chlorophin trong thời gian lâu hơn và lá tồn tại màu xanh lâu hơn. Hiệu quả kìm hãm sự già hóa, kéo dài tuổi thọ của các cơ quan có thể chứng minh khi cành dâm ra rễ thì rễ tổng hợp xytokinin nội sinh và kéo dài thời gian sống của lá lâu hơn. Hàm lượng xytokinin nhiều làm cho lá xanh lâu do nó tăng quá trình vận chuyển chất dinh dưỡng về nuôi lá. Trên cây nguyên vẹn khi bộ rễ sinh trưởng tốt thì làm cho cây trẻ và sinh trưởng mạnh, nếu bộ rễ bị tổn thương thì cơ quan trên mặt đất chóng già.
21 Xytokinin trong một số trường hợp ảnh hưởng lên sự nảy mầm của hạt và của củ. Vì vậy nếu xử lý xytokinin có thể phá bỏ trạng thái ngủ nghỉ của hạt, củ và chồi ngủ. Ngoài ra xytokinin còn có mối quan hệ tương tác với auxin, xytokinin làm yếu hiện tượng ưu thế ngọn, làm phân cành nhiều. Xytokinin còn ảnh hưởng lên các quá trình trao đổi chấtnhư quá trình tổng hợp axit nucleic, protein, chlorophin và vì vậy ảnh hưởng đến các quá trình sinh lý của cây. + Cơ chế tác dụng của xytokinin: Tác dụng chủ yếu của xytokinin là kích thích sự tổng hợp ADN, ARN trong tế bào. Thông qua cơ chế di truyền xytokinin tác động lên quá trình sinh tổng hợp protein, từ đó ảnh hưởng đến sự tổng hợp protein enzyme cần thiết cho sự phân chia và sinh trưởng của tế bào. Hiệu quả của xytokinin trong việc ngăn chặn sự già hóa có liên quan nhiều đến khả năng ngăn chặn sự phân hủy protein, axit nucleic và chlorophin hơn là khả năng kích thích tổng hợp chúng. Có lẽ xytokinin ngăn chặn sự tổng hợp mARN điều khiển sự tổng hợp nên các enzyme thủy phân. 6.4.2. Các chất ức chế sinh trưởng thực vật. Quá trình sinh trưởng và phát triển của cây được đảm bảo bởi hai tác nhân có tác dụng sinh lý đối lập nhau là tác nhân kích thích và tác nhân ức chế. Sự cân bằng giữa các chất kích thích sinh trưởng và các chất ức chế sinh trưởng có ý nghĩa quan trọng trong việc điều hoà sự sinh trưởng, phát triển của cây. Lần đầu tiên Lucuyn (Luckwil, 1952) đã tách được auxin và chất ức chế sinh trưởng bằng phương pháp sắc ký trên giấy. Ngày nay người ta đã phát hiện ra nhiều chất ức chế sinh trưởng được hình thành trong cây và được gọi là các chất ức chế sinh trưởng tự nhiên. Các chất ức chế sinh trưởng tự nhiên phân bổ rộng rải trong các bộ phận của cây. Người ta phát hiện chúng không những ở trong các cơ quan dinh dưỡng như thân, lá, chồi, rễ mà còn trong các cơ quan sinh sản như hạt, củ, quả đặc biệt khi các cơ quan này ở trạng thái ngủ nghỉ. Ðặc tính chung của các chất ức chế sinh trưởng tự nhiên là tích lũy nhiều trong các mô, các cơ quan ở thời kỳ ngủ nghỉ. Ức chế sự lớn lên của tế bào, ức chế sự nẩy mầm của hạt, sự sinh trưởng của chồi. Kìm hãm sự hoạt động của các chất kích thích sinh trưởng.
22 Căn cứ vào bản chất hóa học và tác dụng sinh lý người ta chia các chất ức chế sinh trưởng tự nhiên thành ba nhóm: Nhóm các chất có bản chất tecpenôit mà đại diện là axit absxisic (AAB), etylen và nhóm các chất có bản chất phênol. 6.4.2.1. Axit absisic (ABA). Năm 1961, hai nhà khoa học người Mỹ Liu và Carn đã tách được một chất dưới dạng tinh thể từ quả bông già và khi xử lý cho cuống lá bông non đã gây ra hiện tượng rụng và gọi chất đó là Absisic I. Năm 1963, Chkuma và Eddicott đã tách được một chất từ lá già cây đậu ngựa và đặt tên là Absisic II. Vào thời gian này Wareing và các cộng sự cũng đã tách được một chất ức chế có trong các chồi đang ngủ và đặt tên là “Ðômin”. Năm 1966, dùng phương pháp quang phổ phân cực đã xác định được bản chất hoá học của chất ức chế này. Năm 1967, hội nghị khoa học quốc tế đã đặt tên cho chất ức chế sinh trưởng này là axit absisin (AAB) và có công thức hoá học là C15H20O4. H CH3 H3C CH3 C C OH C CH H COOH O CH 3 Hình 4. Công thức cấu tạo của axit absisic (AAB) Axit absisic được tổng hợp ở hầu hết tất cả các bộ phận của cơ thể như rễ, thân, lá, hoa, quả, hạt, củ và được tổng hợp nhiều trong các bộ phận già và các bộ phận đang ngủ nghỉ của cây. Nó được vận chuyển trong cây không phân cực (vận chuyển đi mọi hướng). Khi cây gặp điều kiện ngoại cảnh bất lợi như hạn, úng, đói dinh dưỡng, bị thương tổn, bị bệnh thì hàm lượng axit absisic ở trong cây tăng lên làm cho cây mau già. + Vai trò sinh lý của axit absisic: Axit absisic kich thích sự xuất hiện và nhanh chóng hình thành tầng rời ở phần cuống, điều chỉnh sự rụng của các cơ quan của cây, vì vậy ở các bộ phận già sắp rụng chứa nhiều axit absisic.
23 Trong các cơ quan đang ngủ nghỉ, hàm lượng axit absisic tăng gấp 10 lần so với thời kỳ sinh trưởng. Sự ngủ nghỉ kéo dài cho đến khi nào hàm lượng axit absixic trong cơ quan ngủ nghỉ giảm đến mức tối thiểu. Do vậy từ trạng thái ngủ nghỉ chuyển sang trạng thái nảy mầm có sự biến đổi tỷ lệ giữa axit absisic và gibberellin ở trong các cơ quan. Axit absisic có chức năng điều chỉnh sự đóng mở của khí khổng. Xử lý axit absisic ngoại sinh cho lá làm khí khổng đóng lại nhanh chóng, vì vậy mà làm giảm sự thoát hơi nước của lá. Chức năng điều khiển sự đóng mở khí khổng có liên quan đến sự vận động nhanh chóng của ion K+. Axit absisic gây cho tế bào đóng tạo nên “lỗ thủng” K+, mất sức trương và khí khổng đóng lại. Xử lý axit absixic ngoại sinh làm khí khổng đóng lại để hạn chế sự thoát hơi nước qua khí khổng, giảm sự mất nước của lá. Axit absisic được xem là một hormone của “Stress” vì khi gặp các điều kiện ngoại cảnh bất lợi thì hàm lượng của nó tăng lên và tăng tính chống chịu của cây. Ví dụ khi gặp hạn hàm lượng axit absixic trong lá tăng nhanh làm khí khổng đóng lại làm giảm sự thoát hơi nước của cây. Ðây là một hình thức thích nghi của cây trong điều kiện khô hạn. Axit absisic còn được xem như là một hormone của sự già hóa, mức độ già hóa của cơ quan gắn liền với sự tăng lượng axit absisic. Trong chu kỳ sống, ở thời kỳ cây bắt đầu ra hoa tạo quả, hạt, củ hàm lượng axit absisic tăng lên cho đến giai đoạn cuối. Vì vậy, sau khi cây ra hoa thì cây mau già và rút ngắn chu kỳ sống của mình. Axit absisic ức chế sự tổng hợp axit nucleic trong tế bào, ức chế quá trình tổng hợp protein, từ đó ảnh hưởng đến quá trình sinh trưởng phát triển của cây, làm cây mau già và rút ngắn chu kỳ sống. 6.4.2.2. Etylen (CH2 = CH2) Etylen là một chất khí đơn giản kích thích sự chín của quả. Năm 1917, khi nghiên cứu quá trình chín của quả thấy có xuất hiện etylen. Từ năm 1933-1937 nhiều nghiên cứu khẳng định nó được sản xuất trong một số nguyên liệu thực vật, đặc biệt là trong thịt quả. Năm 1935, Crocker và một số cộng sự người Mỹ cho rằng etylen là hormone của sự chín. Sau đó bằng các phương pháp phân tích cực nhạy đã được phát hiện ra etylen có trong tất cả các
24 mô của cây và là một sản phẩm tự nhiên của quá trình trao đổi chấtở trong cây. Etylen được tổng hợp từ metionin qua S- adenozin-metionin (SAM). Sauđó sản phẩm này phân hủy cho O 2 CO2+HCOOH+NH3 H NH CH ATP S - adenozi n - AXC 2 2 H C-S-CH -CH -C-COOH C CH = CH 3 2 2 metionin 2 2 synthetaza CH2 NH COOH etylen 2 (SAM) etylen, axit foocmic và CO2. Hình 5. Sự hình thành etylen trong cây + Vai trò sinh lý của Etylen: Etylen có tác dụng làm quả mau chín. Nhiều nghiên cứu đã chứng minh etylen gây nên hai hiệu quả sinh hóa trong quá trình chín của qủa: Gây nên sự biến đổi tính thấm của màng trong các tế bào thịt quả, dẫn đến sự giải phóng các enzyme vốn tách rời do màng ngăn cách, có điều kiện tiếp xúc dễ dàng và gây nên những phản ứng có liên quan đến quá trình chín như enzyme hô hấp, enzyme biến đổi độ chua, độ mềm của quả Mặt khác etylen có ảnh hưởng hoạt hóa lên sự tổng hợp các enzyme mới gây những biến đổi trong quá trình chín. Etylen là hormone xúc tiến sự chín quả, được sản sinh mạnh trong qúa trình chín và rút ngắn thời gian chín của quả. Etylen cùng tương tác với axit absixic gây sự rụng của lá, hoa, qủa. Etylen hoạt hóa sự hình thành tế bào tầng rời ở cuống của các bộ phận bằng cách kích thích sự tổng hợp các enzyme phân hủy thành tế bào (xenlulase) và kiểm tra sự giải phóng các cenlulose của thành tế bào. Etylen có tác dụng sinh lý đối kháng với auxin, vì vậy sự rụng của các cơ quan phụ thuộc vào tỷ lệ auxin/etylen. Nếu tỷ lệ này cao thì ngăn ngừa sự rụng, còn tỷ lệ này thấp thì ngược lại. Etylen kích thích sự ra hoa của một số thực vật, nếu xử lý etylen hoặc các chất có bản chất tương tự như etylen (axetylen) có tác dụng kích thích dứa, xoài ra hoa trái vụ, tăng thêm một vụ thu hoạch. Etylen có tác dụng đối kháng với auxin. Trong tế bào các bộ phận của cây, nếu tỷ lệ auxin/etylen cao sẽ làm cho các bộ phận
25 cây sinh trưởng tốt, cây lâu già và ngược lại. Etylen ảnh hưởng đến sự phân hóa rễ bất định của các cành giâm, cành chiết. Xử lý etylen kết hợp với auxin cho hiệu quả cao hơn việc xử lý auxin riêng rẽ. Etylen còn gây hiệu quả sinh lý lên nhiều quá trình sinh lý khác nhau như gây nên tính hướng của cây, ức chế sự sinh trưởng của chồi bên, xúc tiến sự vận chuyển của auxin, tăng tính thấm của màng. 6.4.2.3. Nhóm các chất có bản chất phenol. Các hợp chất có bản chất phenol trong cây là sản phẩm trao đổi chất, có tác dụng ức chế quá trình trao đổi chấtvà ức chế sự sinh trưởng của cây. Trong cây chúng thường ở dạng liên kết với gluxit tạo nên các glucozit làm mất tác dụng ức chế của nó. Khi ở trạng thái tự do chúng có tác dụng ức chế các quá trình trao đổi chấttrong cây. Nhóm các chất có bản chất phenol bao gồm rất nhiều chất khác nhau. Các đại diện của nhóm này gồm các chất như: Axit paraoxybenzoic, ugron, kumarin, axit salixilic, axit coric, axit paracumaric, esculetin O OH OH COOH COOH CH=CH-COOH HO O O OH O Axit paraoxybenzoic Ugron Kumarin Axit salixilic Axit coric Hình 6. Một số hợp chất có bản chất phenol ở trong cây Vai trò sinh lý chủ yếu của các hợp chất có bản chất phenol là hoạt hóa enzyme phân hủy auxin AIA-oxidase làm giảm hàm lượng auxin ở trong cây, do đó kìm hãm sự giãn của tế bào và ức chế sự sinh trưởng của các cơ quan bộ phận trong cây; Xúc tiến hình thành lignin làm tế bào hóa gỗ nhanh. Cùng với axit absixic các chất có bản chất phenol ảnh hưởng đến sự ngủ nghỉ của cây, ức chế sự nảy chồi của cây Tuy nhiên, vai trò kìm hãm của chúng đối với sự sinh trưởng của cây không có ý nghĩa quyết định. 6.4.2.4. Các chất ức chế sinh trưởng nhân tạo . Xuất phát từ nhu cầu thực tế sản xuất, bằng con đường công nghiệp người ta đã tổng hợp được nhiều chất có tác dụng ức chế
26 sự sinh trưởng của cây trồng một cách mạnh mẽ. Ðiều đó có ý nghĩa rất lớn trong việc điều khiển sự sinh trưởng, phát triển của cây trồng. Các hợp chất này đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất nông nghiệp nhằm tăng năng suất cây trồng. Căn cứ vào khả năng tác dụng ức chế sinh trưởng của chúng mà được sử dụng vào các mục đích khác nhau như làm chậm sự sinh trưởng của cây, ức chế sự tổng hợp và vận chuyển của auxin, xúc tiến sự ra hoa * CCC (CloColinClorít): CCC được xem là chất đối kháng với gibberellin vì nó kìm hãm sự tổng hợp gibberellin. Vì vậy CCC ức chế sự giãn của tế bào, ức chế sự sinh trưởng chiều cao của cây, làm cho cây lùn, có tác dụng chống đổ cho cây. CCC được ứng dụng trong sản xuất lúa mì. CCC làm tăng sự hình thành chlorophin, xúc tiến sự ra hoa kết quả sớm và không gây độc. Sử dụng CCC có thể phun lên cây hoặc bón vào đất, tốc độ thấm nhanh , chúng tồn tại trong cây một vài tuần rồi bị phân hủy mất hoạt tính. * MH (Malein - Hydrazyt): MH là chất kháng auxin vì nó kích thích hoạt tính của AIA- oxidaza. MH là một chất ức chế sinh trưởng mạnh, nó kìm hãm sự nảy mầm của chồi và hạt và kéo dài thời gian ngủ nghỉ của các bộ phận của cây. Chúng được sử dụng rộng rải trong việc bảo quản một số các loại củ. MH ức chế sự sinh trưởng không cần thiết của một số cây trồng, làm thui hoa và ức chế sự sinh trưởng của chồi bên nên được sử dụng hiệu quả trong nghề trồng thuốc lá để tránh ngắt hoa bằng tay. MH xúc tiến sự hóa già nhanh làm khô và rụng lá nên có thể sử dụng để thu hoạch cơ giới, chẳng hạn như thu hoạch cây bông. MH là chất ức chế quá trình tổng hợp axit nuclêic, do đó phá hủy sự tổng hợp ADN, ARN và kìm hãm sự phân chia tế bào. * TIBA (Tri - Iôt - Benzoic - Axit) TIBA là một chất ức chế sinh trưởng có tác dụng kháng auxin do tác dụng kìm hãm sự vận chuyển auxin trong cây, làm giảm ưu thế ngọn, làm chậm sinh trưởng của chồi ngọn và xúc tiến sự phân cành. Nó còn xúc tiến sự ra hoa và sự hình thành củ. * ACEP (Acid - Clo - Etyl - Photphoric) Các chế phẩm của ACEP có tên là Ethrel hay Ethephon. Ethrel được sử dụng hết sức rộng rãi để kích thích sự chín của các loại qủa, làm quả chín đồng loạt tạo điều kiện cho việc thu hoạch
27 cơ giới. ACEP ức chế sinh trưởng chiều cao của cây và tăng sự phân cành, kích thích sự chín của thuốc lá, màu sắc đẹp và phẩm chất thuốc lá tăng. Ethrel còn tăng sự tiết nhựa mủ cao su, tăng tỷ lệ hoa cái ở bầu bí. Ethrel khi phun lên cây nó xâm nhập vào tế bào bị phân hủy và giải phóng etylen. O Cl -CH2-CH2-P-OH + H2O CH2 = CH2 + H3PO4 + HCl OH Hình 7. Sự hình thành etylen từ ACEP (ethrel) * ADHS (A xit Dimetyl Hyđrazit Sucxinic) ADHS có hiệu quả rõ rệt lên sự ra hoa kết quả của cây, ức chế sự sinh trưởng và làm tăng khả năng chống lốp đổ của cây 6.4.3. Ứng dụng các chất điều hòa sinh trưởng trong trồng trọt. Hiện nay trong lĩnh vực hóa học nông nghiệp, việc sử dụng các chất điều hòa sinh trưởng trong trồng trọt đang phát triển mạnh mẽ với những mục đích khác nhau. Các chất điều hòa sinh trưởng của thực vật ngày nay đã và đang được sử dụng rộng rãi trong trồng trọt như là một phương tiện điều chỉnh hóa học quan trọng đối với sự sinh trưởng, phát triển của cây nhằm tăng năng suất của cây trồng, nâng cao hiệu quả lao động, tiết kiệm công sức và thời gian canh tác 6.4.3.1. Nguyên tắc sử dụng. Khi sử dụng các chất điều hòa sinh trưởng trong trồng trọt cần lưu ý các nguyên tắc sau đây. * Nồng độ sử dụng: Hiệu quả tác dụng của các chất điều hòa sinh trưởng phụ thuộc vào nồng độ. Nếu sử dụng để kích thích thì dùng nồng độ thấp, nếu dùng để ức chế sinh trưởng hoặc diệt trừ cỏ thì sử dụng nồng độ cao. Mặt khác các bộ phận khác nhau và tuổi của cây khác nhau cảm ứng với các chất điều hòa sinh trưởng không giống nhau, rễ và chồi có cảm ứng mạnh với auxin hơn thân cây. Cây non có cảm ứng mạnh hơn cây già. Vì vậy muốn sử dụng các chất điều hòa sinh trưởng có hiệu quả cần phải xác định từng loại cây trồng, thời kỳ sinh trưởng và các chất kích thích sinh trưởng tương ứng khác nhau. * Nguyên tắc phối hợp: Khi sử dụng các chất điều hòa sinh trưởng phải thỏa mãn được các điều kiện sinh thái và các yếu tố dinh dưỡng cho cây. Vì các chất điều hòa sinh trưởng làm tăng
28 cường các quá trình trao đổi chấtmà không tham gia trực tiếp vào trao đổi chất, nên không thể dùng các chất đó để thay thế chất dinh dưỡng. Vì vậy, muốn sử dụng chất điều hòa sinh trưởng có hiệu quả cao cần phải xác định thời vụ và vùng cây trồng thích hợp để có các điều kiện sinh thái phù hợp như yếu tố nhiệt độ, ánh sáng , độ ẩm Ðồng thời cần đáp ứng đầy đủ nước và phân bón cho cây trồng. Cũng xuất phát từ đó người ta sử dụng biện pháp phun hỗn hợp các chất điều hòa sinh trưởng và các nguyên tố khoáng đa lượng và vi lượng nhằm tăng năng suất một số loại cây trồng . Như vậy rõ ràng giữa các chất điều hòa sinh trưởng và phân bón có mối quan hệ khăng khít. Phân bón làm tăng cường hiệu quả kích thích của các chất điều hòa sinh trưởng. Ngược lại các chất kích thích làm tăng hiệu quả của phân bón. Vì vậy việc sử dụng phối hợp giữa phân bón và chất điều hòa sinh trưởng có ý nghĩa rất lớn và cũng là một hướng quan trọng trong nông nghiệp hiện nay. * Nguyên tắc đối kháng sinh lý giữa các chất điều hòa sinh trưởng nội sinh và ngoại sinh: Khi sử dụng chất điều hòa sinh trưởng cần chú ý nguyên tắc đối kháng giữa các nhóm chất sau: Chẳng hạn sự đối kháng sinh lý giữa auxin xử lý và etylen nội sinh trong việc ngăn ngừa sự rụng lá, hoa, quả; Sự đối kháng giữa gibberellin ngoại sinh và axit absisic nội sinh trong việc phá bỏ trạng thái ngủ nghỉ của cây; Sự đối kháng giữa auxin và xytokinin trong sự phân hóa rễ và chồi * Nguyên tắc chọn lọc: Nguyên tắc này thường áp dụng với các chất diệt trừ cỏ dại. Các chất diệt trừ cỏ có tính độc chọn lọc cao. Một chất diệt cỏ chỉ có tác dụng độc đối với một số loại cây nhất định mà ít hoặc không độc đối với những loại cây khác. Khả năng độc chọn lọc này có thể phụ thuộc vào đặc trưng giải phẫu có khả năng ngăn chặn sự xâm nhập của thuốc hay khả năng phân hủy nhanh trong cây nhờ có các enzyme đặc hiệu Do đó phải chọn loại thuốc diệt cỏ và không độc cho cây trồng, đồng thời phối hợp một số thuốc khác nhau để diệt hết các đối tượng cỏ vốn mẫn cảm với thuốc rất lớn. Chẳng hạn các dẫn xuất của axit phenoxyaxetic chỉ diệt cỏ hai lá mầm mà ít độc với cây một lá mầm nên được sử dụng diệt cỏ trong ruộng cây hòa thảo như lúa, ngô Ngược lại IPC (Izopropinphenyl cacbamat) độc đối với cây một lá mầm mà không độc với cây hai lá mầm. Vì vậy để diệt cỏ hỗn hợp cần phải phối hợp hai loại thuốc nói trên.
29 6.4.3.2. Ứng dụng các chất điều hòa sinh trưởng trong trồng trọt. Một số ứng dụng của các chất điều hòa sinh trưởng trong trồng trọt như sau. * Kích thích sinh trưởng của cây, tăng chiều cao, tăng sinh khối và tăng năng suất cây trồng. Trong sản xuất nông nghiệp mục đích cuối cùng là nâng cao sản lượng cơ quan thu hoạch. Khi sử dụng các chất điều hòa sinh trưởng với nồng độ thấp sẽ có tác dụng kích thích sự sinh trưởng, tăng lượng chất khô dự trữ , nên làm tăng thu hoạch. Trong lĩnh vực ứng dụng này có thể sử dụng các chất như gibberellin (GA), axit -∝ naphtin axêtic (∝-NAA). Ðặc biệt sử dụng GA đem lại hiệu quả cao đối với những cây lấy sợi, lấy thân lá vì nó có tác dụng lên toàn bộ cơ thể cây làm tăng chiều cao cây và chiều dài của các bộ phận của cây. Phun dung dịch GA nồng độ 20 - 50 ppm cho cây đay có thể làm tăng chiều cao gấp đôi mà chất lượng sợi đay không kém hơn. Ðối với các cây rau việc tăng sinh khối có ý nghĩa quan trọng, người ta thường phun GA cho bắp cải, rau cải các loại với nồng độ dao động trong khoảng 20 -100 ppm làm tăng năng suất rõ rệt. Xử lý GA cho cây chè có tác dụng có tác dụng làm tăng số lượng búp và số lá của chè, khi phun với nồng độ 0,01% có thể làm tăng năng suất chè lên 2 lần, trong một số trường hợp có thể tăng năng suất lên 5 lần. * Kích thích sự hình thành rễ của cành giâm, cành chiết. Phương pháp nhân giống vô tính đối với các loại cây trồng là một phương pháp nhân giống phổ biến trong trồng trọt. Trong giâm cành và chiết cành của các loại cây như cây ăn quả, cây công nghiệp, cây cảnh, cây thuốc thường sử dụng các chất kích thích sinh trưởng. Việc sử dụng một số các chất kích thích sinh trưởng đã nâng cao hiệu quả rõ rệt vì nó kích thích sự phân chia tế bào của mô phân sinh tượng tầng để hình thành mô sẹo (callus) rồi từ đó hình thành rễ mới. Ðể xử lý ra rễ người ta thường dùng các chất như:Axit β- indol axetic (IAA); Axit β-indol butiric (AIB); ∝-NAA; 2,4- D; 2,4,5-T Nồng độ sử dụng tùy thuộc vào phương pháp ứng dụng, đối tượng sử dụng và mùa vụ. Hiện nay có 2 phương pháp chính xử lý cho cành giâm và cành chiết.