🔙 Quay lại trang tải sách pdf ebook Giáo trình sinh lý thực vật - tập 1 : Phần lý thuyết Ebooks Nhóm Zalo TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP TS. KHƯƠNG THỊ THU HƯƠNG, TS. LÊ THỊ VÂN ANH TS. TRẦN KHÁNH VÂN GIÁO TRÌNH SINH LÝ THỰC VẬT Tập 1: PHẦN LÝ THUYẾT NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT TS. Khương Thị Thu Hương (chủ biên) TS. Lê Thị Vân Anh, TS. Trần Khánh Vân GIÁO TRÌNH SINH LÝ THỰC VẬT TẬP 1 PHẦN LÝ THUYẾT NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT 2 LỜI NÓI ĐẦU Môn Sinh lý thực vật cung cấp kiến thức cơ sở cho nhiều ngành đào tạo liên quan đến thực vật như Sinh học, Công nghệ sinh học, Khoa học cây trồng, Quản lý tài nguyên rừng và môi trường, Lâm học, Quản lý tài nguyên thiên nhiên, Nông nghiệp công nghệ cao, Bảo vệ thực vật... Nhằm đa dạng nguồn tài liệu học tập cho sinh viên, cũng như cập nhật thành tựu mới của khoa học công nghệ trong lĩnh vực nghiên cứu sinh lý thực vật, được sự hỗ trợ của Trường Đại học Lâm nghiệp, TS. Khương Thị Thu Hương cùng tập thể tác giả biên soạn cuốn Giáo trình Sinh lý thực vật, tập I. Phần lý thuyết. Nội dung cuốn sách gồm 7 chương, trong đó TS. Khương Thị Thu Hương (Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội) làm chủ biên và biên soạn chính toàn bộ cuốn sách, với sự tham gia của TS. Trần Khánh Vân (Trường Đại học Sư phạm Hà Nội) trong chương 5 và TS. Lê Thị Vân Anh (Trường Đại học Khoa học Công nghệ Hà Nội) trong chương 6. Cuốn sách được biên soạn theo hướng tiếp cận các chức năng sinh lý dựa trên đặc điểm cấu tạo giải phẫu - hình thái, làm rõ bản chất của các quá trình sinh lý trong cây và các liên hệ ứng dụng trong thực tiễn. Đặc biệt ở chương 3 mô tả khá chi tiết cấu trúc của bộ máy quang hợp, phần mà các giáo trình trước đây còn chưa đề cập đến. Trong quá trình biên soạn, các tác giả đã kế thừa các kiến thức kinh điển trong các nguồn tài liệu có độ tin cậy cao, đồng thời cập nhật các kết quả nghiên cứu mới trong các tạp chí khoa học quốc tế có uy tín. Nhóm tác giả chân thành cảm ơn GS.TS. Vũ Văn Vụ (Trường Đại học Khoa học Tự nhiên), PGS. TS. Nguyễn Văn Mã (Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2) đã góp ý chỉnh sửa bản thảo cuốn sách. Dù đã rất cố gắng, tuy nhiên chắc cuốn sách không tránh khỏi những thiếu sót. Các tác giả rất mong nhận được sự chia sẻ và ý kiến đóng góp của bạn đọc để cuốn sách được chỉnh sửa, hoàn thiện trong lần tái bản. Trân trọng cảm ơn! Chủ biên TS. Khƣơng Thị Thu Hƣơng 3 4 GIỚI THIỆU MÔN SINH LÝ THỰC VẬT Sinh lý thực vật là một chuyên ngành khoa học nghiên cứu các quá trình sinh lý diễn ra trong cơ thể thực vật và sự tương tác của các quá trình đó với các yếu tố môi trường sống. Môn học Sinh lý thực vật dựa trên kiến thức nền tảng của các môn học khoa học sinh học khác như Hóa sinh, Lý sinh, Sinh học phân tử, Sinh học tế bào, Hình thái và giải phẫu thực vật, Sinh thái học... Ngược lại, Sinh lý thực vật lại hỗ trợ việc tiếp thu kiến thức các môn học đó. Hiểu biết các quá trình sinh lý trong cơ thể thực vật là cơ sở cho các môn khoa học liên quan đến thực vật như Công nghệ tế bào thực vật, Công nghệ gen thực vật, Các hợp chất thứ cấp ở thực vật, Cây rừng, Thực vật học, Hệ sinh thái rừng, Trồng rừng, Khoa học cây trồng... Hơn thế nữa, những kiến thức của môn Sinh lý thực vật làm cơ sở cho các biện pháp tác động, điều chỉnh cây trồng theo hướng có lợi cho con người. Nội dung cuốn giáo trình được chia làm 7 chương, mỗi chương tương ứng một quá trình sinh lý riêng biệt ở mức độ tế bào hoặc mức độ cơ thể. Nội dung cơ bản của các chương này được tóm tắt như sau: Chương 1. Sinh lý tế bào thực vật Cấu trúc của tế bào thực vật, các đặc tính lý hóa của chất nguyên sinh và các hoạt động sinh lý diễn ra ở mức độ tế bào như trao đổi nước, trao đổi chất tan, những kiến thức này sẽ làm nền tảng cho các hoạt động sinh lý diễn ra ở mức độ cơ thể. Chương 2. Trao đổi nước ở thực vật Tìm hiểu về quá trình hút nước ở rễ, vận chuyển nước trong cây và sự thoát hơi nước ở lá. Chương 3. Quang hợp ở thực vật Sự chuyển hóa năng lượng ánh sáng mặt trời thành năng lượng dự trữ trong các hợp chất hữu cơ và quá trình vận chuyển chúng trong cây, tạo nguồn dự trữ năng lượng sống cho thực vật cũng như các sinh vật khác trên Trái đất. Chương 4. Hô hấp ở thực vật Sự phân giải oxy hóa các chất hữu cơ được tổng hợp từ quá trình quang hợp thành năng lượng sinh học cung cấp cho mọi hoạt động sống của cây. 5 6 Chương 5. Dinh dưỡng khoáng - nitơ ở thực vật Quá trình hấp thu, vận chuyển và đồng hóa các chất khoáng, nitơ trong cơ thể thực vật. Chương 6. Sinh trưởng và phát triển ở thực vật Kết quả hoạt động của các quá trình sinh lý trên đây là làm cho cây lớn lên, ra hoa, kết quả, già rồi kết thúc chu trình sống của mình bằng một cái chết sinh học đã được lập trình sẵn đó chính là sự sinh trưởng và phát triển của thực vật. Chương 7. Tính chống chịu các nhân tố phi sinh học bất lợi ở thực vật Trong quá trình sống cây thường xuyên phải đối mặt với các tác nhân phi sinh học bất lợi như hạn, mặn, lạnh, nhiệt độ cao, ngập úng... Dưới những tác hại của các nhân tố này, cây cần phải có các phản ứng để chống chọi lại đảm bảo duy trì ổn định các hoạt động sinh lý, nhằm giúp cây có thể sinh trưởng và phát triển bình thường trong điều kiện tự nhiên. Kiến thức của các chương này luôn có mối liên hệ logic với nhau, cũng như mối liên hệ khăng khít của chúng trong cơ thể thực vật. Chủ động tìm hiểu được bản chất của từng quá trình đó sẽ giúp cho việc học môn sinh lý thực vật không bị nhàm chán, đơn điệu như kiểu học gạo, học thuộc lòng, mà nhiều người vẫn thường gán ghép cho nó. MỤC LỤC Lời nói đầu ............................................................................................................................. 3 Giới thiệu môn sinh lý thực vật ............................................................................................. 5 Mục lục .................................................................................................................................. 7 Chƣơng 1. SINH LÝ TẾ BÀO THỰC VẬT .................................................................... 15 1.1. Khái quát về cấu trúc và chức năng sinh lý của tế bào thực vật ................................... 15 1.1.1. Thành tế bào (plant cell wall) ........................................................................... 15 1.1.2. Màng sinh chất (cell membrane/plasma membrane) ........................................ 24 1.1.3. Nhân (nucleus) .................................................................................................. 25 1.1.4. Chất nguyên sinh (cytoplasm) ........................................................................... 26 1.2. Các đặc tính lý hóa của chất nguyên sinh ..................................................................... 32 1.2.1. Đặc tính hóa keo ................................................................................................ 32 1.2.2. Đặc tính vật lý của chất nguyên sinh ................................................................ 34 1.3. Hoạt động trao đổi nước của tế bào thực vật ................................................................ 35 1.3.1. Trao đổi nước theo phương thức thẩm thấu ...................................................... 35 1.4. Hoạt động trao đổi chất tan của tế bào thực vật ............................................................ 40 1.4.1. Sự hấp thu chất tan vào tế bào theo cơ chế thụ động ........................................ 41 1.4.2. Sự trao đổi chất tan vào tế bào thực vật theo cơ chế chủ động ......................... 42 1.4.3. Quan điểm hiện đại về sự trao đổi chất khoáng vào tế bào thực vật ................. 44 1.5. Nuôi cấy tế bào - mô thực vật ....................................................................................... 46 1.5.1. Giới thiệu chung ................................................................................................ 46 1.5.2. Các bước thực hiện nuôi cấy tế bào - mô thực vật ............................................ 49 1.5.3. Các phương thức nuôi cấy tế bào - mô thực vật ............................................... 50 1.5.4. Các hướng nghiên cứu và ứng dụng của nuôi cấy tế bào - mô thực vật ........... 52 Câu hỏi ôn tập .................................................................................................................... 56 Chƣơng 2. SỰ TRAO ĐỔI NƢỚC CỦA THỰC VẬT ................................................... 57 2.1. Nước trong cây và vai trò của nước đối với đời sống của thực vật .............................. 57 2.1.1. Nước trong cơ thể thực vật ................................................................................ 57 2.1.2. Vai trò của nước đối với cây ............................................................................. 58 2.1.3. Các nhóm cây sinh thái khác nhau về chế độ nước........................................... 59 2.1.4. Đặc tính của nước ............................................................................................. 60 2.2. Sự hút nước của rễ cây từ đất ....................................................................................... 61 2.2.1. Các dạng nước trong đất ................................................................................... 61 2.2.2. Rễ là cơ quan hút nước chính của cây ............................................................... 62 2.2.3. Sự vận chuyển của nước từ đất vào rễ .............................................................. 63 2.2.4. Ảnh hưởng của các nhân tố ngoại cảnh lên quá trình hút nước ở rễ ................. 64 7 8 2.3. Sự vận chuyển nước trong cây ...................................................................................... 66 2.3.1. Các cơ chế vận chuyển nước trong cây ............................................................. 67 2.3.2. Các con đường vận chuyển nước trong rễ cây .................................................. 69 2.3.3. Sự vận chuyển nước trong thân cây .................................................................. 71 2.3.4. Sự vận chuyển nước trong lá cây ...................................................................... 74 2.4. Sự thoát hơi nước của cây ............................................................................................. 75 2.4.1. Ý nghĩa của sự thoát hơi nước đối với đời sống của cây .................................. 75 2.4.2. Sự thoát hơi nước qua cutin .............................................................................. 76 2.4.3. Sự thoát hơi nước qua khí khổng ...................................................................... 77 2.4.4. Ảnh hưởng của nhân tố ngoại cảnh đến sự thoát hơi nước ............................... 86 2.4.5. Một số thông số đánh giá quá trình thoát hơi nước ........................................... 87 2.5. Sự cân bằng nước trong cây .......................................................................................... 89 2.5.1. Khái niệm về cân bằng nước ............................................................................. 89 2.5.2. Cân bằng nước dương ....................................................................................... 89 2.5.3. Cân bằng nước âm ............................................................................................. 89 2.6. Cơ sở sinh lý của việc tưới nước hợp lý cho cây trồng................................................. 90 2.6.1. Xác định lượng nước tưới thích hợp ................................................................. 90 2.6.2. Xác định thời điểm tưới nước thích hợp ........................................................... 90 2.6.3. Xác định phương pháp tưới thích hợp ............................................................... 91 Câu hỏi ôn tập .................................................................................................................... 93 Chƣơng 3. QUANG HỢP Ở THỰC VẬT ........................................................................ 94 3.1. Khái niệm về quang hợp ở thực vật .............................................................................. 94 3.1.1. Định nghĩa và bản chất của quá trình quang hợp .............................................. 94 3.1.2. Các hình thức quang hợp ở sinh vật .................................................................. 94 3.1.3. Ý nghĩa của quang hợp đối với tự nhiên và con người ..................................... 96 3.2. Cơ quan và bào quan quang hợp ................................................................................... 97 3.2.1. Lá cây ................................................................................................................ 97 3.2.2. Lục lạp - bào quan quang hợp ......................................................................... 100 3.2.3. Bộ máy quang hợp .......................................................................................... 104 3.2.4. Sắc tố quang hợp ............................................................................................. 109 3.3. Cơ chế quang hợp ....................................................................................................... 117 3.3.1. Phản ứng sáng (light reactions) ....................................................................... 117 3.3.2. Phản ứng tối (dark reactions) .... .................................................................... 126 3.4. Ảnh hưởng của các nhân tố ngoại cảnh đến quang hợp ............................................. 140 3.4.1. Ảnh hưởng của ánh sáng ................................................................................. 140 3.4.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ .................................................................................. 146 3.4.3. Ảnh hưởng của nước ....................................................................................... 148 3.4.4. Ảnh hưởng của CO2 ........................................................................................ 149 3.4.5. Ảnh hưởng của chất khoáng ............................................................................ 151 3.5. Quang hợp và năng suất cây trồng .............................................................................. 153 3.5.1. Quan hệ giữa quang hợp và năng suất ............................................................ 153 3.5.2. Biện pháp điều chỉnh quang hợp để nâng cao năng suất cây trồng ................ 155 3.6. Quá trình vận chuyển sản phẩm đồng hóa trong cây .................................................. 159 3.6.1. Cấu tạo phloem ............................................................................................... 159 3.6.2. Quá trình vận chuyển chất hữu cơ trong phloem ............................................ 160 Câu hỏi ôn tập .................................................................................................................. 163 Chƣơng 4. HÔ HẤP Ở THỰC VẬT .............................................................................. 165 4.1. Khái quát chung .......................................................................................................... 165 4.1.1. Định nghĩa ....................................................................................................... 165 4.1.2. Vai trò của hô hấp đối với thực vật ................................................................. 165 4.1.3. Nguyên liệu ..................................................................................................... 166 4.2. Bộ máy hô hấp ............................................................................................................ 167 4.2.1. Cấu tạo của ty thể ............................................................................................ 167 4.2.2. Chức năng của ty thể ....................................................................................... 168 4.3. Cơ chế hô hấp ............................................................................................................. 169 4.3.1. Hô hấp hiếu khí ............................................................................................... 169 4.3.2. Hô hấp yếm khí ............................................................................................... 177 4.3.3. Sự vận chuyển điện tử và phosphoril hóa trong hô hấp .................................. 179 4.4. Cường độ và hệ số hô hấp ........................................................................................... 183 4.4.1. Cường độ hô hấp ............................................................................................. 183 4.4.2. Hệ số hô hấp (RQ – Respiration quotient) ...................................................... 184 4.5. Hô hấp và các hoạt động sinh lý quan trọng trong cây ............................................... 185 4.5.1. Hô hấp và quang hợp ...................................................................................... 185 4.5.2. Hô hấp và hút nước, hút khoáng ..................................................................... 186 4.5.3. Hô hấp và tính chống chịu của thực vật .......................................................... 186 4.6. Ảnh hưởng của các nhân tố môi trường đến quá trình hô hấp .................................... 187 4.6.1. Nhiệt độ ........................................................................................................... 187 4.6.2. Hàm lượng nước trong mô .............................................................................. 188 4.6.3. Thành phần khí CO2 và O2 trong không khí ................................................... 188 4.6.4. Dinh dưỡng khoáng ......................................................................................... 188 4.7. Hô hấp và vấn đề bảo quản nông sản .......................................................................... 189 4.7.1. Mối quan hệ giữa hô hấp và bảo quản ............................................................ 189 4.7.2. Các biện pháp điều chỉnh hô hấp trong bảo quản nông sản ............................ 190 Câu hỏi ôn tập .................................................................................................................. 192 9 10 Chƣơng 5. DINH DƢỠNG KHOÁNG - NITƠ ............................................................. 193 A. Dinh dƣỡng khoáng .................................................................................................... 193 5.1. Khái niệm về chất khoáng và nguyên tố thiết yếu ...................................................... 193 5.1.1. Nguyên tố khoáng ........................................................................................... 193 5.1.2. Nguyên tố thiết yếu ......................................................................................... 193 5.1.3. Phân loại các nguyên tố khoáng ...................................................................... 195 5.2. Vai trò các nguyên tố khoáng ..................................................................................... 197 5.2.1. Vai trò chung ................................................................................................... 197 5.2.2. Vai trò sinh lý của một số nguyên tố khoáng thiết yếu và triệu chứng thừa - thiếu của chúng trong cây ............................................. 198 5.3. Sự hấp thụ các chất khoáng ở thực vật ....................................................................... 209 5.3.1. Cấu tạo cơ quan hút khoáng ............................................................................ 209 5.3.2. Cơ chế hút khoáng ở thực vật .......................................................................... 209 5.4. Tác động của ngoại cảnh đến quá trình hút khoáng .................................................... 214 5.4.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự hút khoáng .................................................... 214 5.4.2. Ảnh hưởng của độ thoáng khí đến quá trình hút khoáng ................................ 214 5.4.3. Ảnh hưởng của độ pH đến quá trình hút khoáng ............................................ 215 5.4.4. Ảnh hưởng của ánh sáng đến quá trình hút khoáng ........................................ 215 5.4.5. Ảnh hưởng của độ ẩm đất đến quá trình hút khoáng ...................................... 215 5.5. Sự vận chuyển chất khoáng trong cây ........................................................................ 216 5.5.1. Vận chuyển từ đất vào xylem .......................................................................... 216 5.5.2. Vận chuyển trong phloem (mạch rây) ............................................................. 216 B. Dinh dƣỡng nitơ .......................................................................................................... 217 5.6. Vai trò của nitơ (N) đối với thực vật ........................................................................... 217 5.6.1. Vai trò của nitơ trong cây ................................................................................ 217 5.6.2. Triệu chứng thừa và thiếu nitơ trong cây ........................................................ 217 5.7. Các nguồn nitơ cung cấp cho thực vật ........................................................................ 218 5.7.1. Phân bón vô cơ ................................................................................................ 218 5.7.1. Phân bón hữu cơ .............................................................................................. 218 5.7.3. Nitơ khí quyển ................................................................................................. 218 5.8. Sinh học cố định nitơ tự do ......................................................................................... 218 5.8.1. Các con đường cố định nitơ tự do ................................................................... 218 5.8.2. Ý nghĩa của quá trình cố định nitơ tự do trong tự nhiên ................................. 219 5.8.3. Các nhóm vi sinh vật cố định đạm .................................................................. 220 5.8.4. Sự cộng sinh giữa vi khuẩn cố định đạm và rễ cây họ đậu ............................. 222 5.8.5. Cơ chế của quá trình cố định nitơ phân tử theo con đường sinh học .............. 224 5.9. Quá trình đồng hóa và biến đổi nitơ trong thực vật .................................................... 226 5.9.1. Quá trình khử nitrate ....................................................................................... 226 5.9.2. Đồng hóa amon và tổng hợp acid amin ........................................................... 228 5.10. Sinh học nấm rễ ........................................................................................................ 229 5.10.1. Khái niệm và phân loại ................................................................................. 229 5.10.2. Phân loại nấm rễ ............................................................................................ 230 5.10.3. Vai trò của nấm rễ ......................................................................................... 231 5.11. Bón phân hợp lý cho cây trồng ................................................................................. 232 5.11.1. Hàm lượng phân bón thích hợp ..................................................................... 233 5.11.2. Loại phân bón thích hợp ................................................................................ 235 5.11.3. Xác định tỷ lệ phân bón và thời điểm bón phân thích hợp ........................... 235 5.11.4. Phương pháp bón phân thích hợp .................................................................. 236 5.12. Kỹ thuật trồng cây không cần đất ............................................................................. 237 5.12.1. Trồng cây trong nước - thủy canh (hydroponics systems) ............................ 237 5.12.2. Trồng cây theo khí canh (aeroponics systems) ............................................. 239 Câu hỏi ôn tập .................................................................................................................. 240 Chƣơng 6. SINH TRƢỞNG - PHÁT TRIỂN Ở THỰC VẬT ..................................... 241 6.1. Khái quát chung .......................................................................................................... 241 6.1.1. Khái niệm sinh trưởng và phát triển ................................................................ 241 6.1.2. Mối quan hệ giữa quá trình sinh trưởng và phát triển ở thực vật .................... 241 6.1.3. Đặc điểm sinh trưởng phát triển ở thực vật ..................................................... 242 6.1.4. Chu trình phát triển của thực vật có hoa ......................................................... 244 6.2. Các chất điều hòa sinh trưởng và phát triển của thực vật ........................................... 245 6.2.1. Khái niệm ........................................................................................................ 245 6.2.2. Nhóm chất kích thích sinh trưởng ................................................................... 246 6.2.3. Nhóm chất ức chế sinh trưởng ........................................................................ 261 6.2.4. Các nhóm chất điều hòa sinh trưởng khác trong cây ...................................... 267 6.2.5. Nguyên tắc sử dụng chất điều tiết sinh trưởng ................................................ 267 6.3. Sự nảy mầm của hạt .................................................................................................... 268 6.3.1. Biến đổi hóa sinh ............................................................................................. 269 6.3.2. Biến đổi sinh lý ............................................................................................... 269 6.3.3. Tác động của ngoại cảnh đến sự nảy mầm của hạt và ứng dụng .................... 269 6.4. Sự tương quan sinh trưởng giữa các bộ phận trong cây ............................................. 270 6.4.1. Hiện tượng ưu thế ngọn................................................................................... 270 6.4.2. Tương quan giữa hệ thống rễ, thân, lá ............................................................ 270 6.4.3. Tương quan giữa cơ quan dinh dưỡng và cơ quan sinh sản ............................ 270 6.5. Sự hình thành hoa ....................................................................................................... 271 6.5.1. Sự cảm ứng hình thành hoa bởi nhiệt độ thấp (sự xuân hoá) .......................... 271 6.5.2. Sự cảm ứng ra hoa bởi ánh sáng (quang chu kỳ) ............................................ 272 11 12 6.6. Sự hình thành quả và sự chín của quả ......................................................................... 276 6.6.1. Sự hình thành quả ............................................................................................ 276 6.6.2. Sự chín của quả ............................................................................................... 278 6.7. Sự vận động của thực vật ............................................................................................ 279 6.7.1. Khái niệm chung ............................................................................................. 279 6.7.2. Vận động định hướng (hướng động) ............................................................... 279 6.7.3. Sự vận động cảm ứng ...................................................................................... 283 6.8. Sinh lý sự hóa già, sự ngủ nghỉ và sự chết của thực vật ............................................. 283 6.8.1. Sự hóa già và chết ở thực vật .......................................................................... 283 6.8.2. Sự rụng của các cơ quan ở thực vật (abscission) ............................................ 285 6.8.3. Sự ngủ nghỉ của thực vật ................................................................................. 286 Câu hỏi ôn tập ......................................................................................................... 290 Chƣơng 7. TÍNH CHỐNG CHỊU CÁC NHÂN TỐ PHI SINH HỌC BẤT LỢI Ở THỰC VẬT .............................................................................. 291 7.1. Nguyên lý chung ......................................................................................................... 291 7.2. Tính chống chịu hạn của cây ...................................................................................... 293 7.2.1. Khái niệm về hạn............................................................................................. 293 7.2.2. Tác hại của hạn đối với cây ............................................................................. 294 7.2.3. Cơ chế chống chịu hạn của cây ....................................................................... 298 7.2.4. Một số biện pháp tăng tính chống chịu hạn cho cây ....................................... 305 7.3. Tính chống chịu mặn của cây ..................................................................................... 308 7.3.1. Khái niệm về mặn ........................................................................................... 308 7.3.2. Tác hại của nồng độ muối cao đối với cây ...................................................... 309 7.3.3. Cơ chế chống chịu mặn của cây ...................................................................... 313 7.3.4. Một số giải pháp tăng tính chịu mặn ............................................................... 318 7.4. Tính chống chịu nhiệt độ cao bất lợi của cây ............................................................. 321 7.4.1. Khái niệm về nhiệt độ cao bất lợi ở thực vật .................................................. 321 7.4.2. Tác hại của nhiệt độ cao đối với cây ............................................................... 322 7.4.3. Phản ứng và sự thích nghi của cây đối với nhiệt độ cao ................................. 326 7.4.4. Các giải pháp tăng khả năng chống chịu nóng ở cây trồng ............................. 328 7.5. Tính chống chịu nhiệt độ thấp của cây ....................................................................... 330 7.5.1. Nhiệt độ thấp bất lợi ở thực vật ....................................................................... 330 7.5.2. Tác hại của nhiệt độ thấp đối với thực vật ...................................................... 331 7.5.3. Cơ chế chống chịu và thích nghi của cây đối với nhiệt độ thấp ...................... 333 7.5.4. Một số giải pháp tăng tính chống chịu lạnh cho cây ....................................... 336 7.6. Tính chống chịu úng của cây ...................................................................................... 338 7.6.1. Khái niệm ........................................................................................................ 338 7.6.2. Tác hại của ngập úng đối với cây trồng .......................................................... 338 7.6.3. Các đặc điểm thích nghi của thực vật ngập úng .............................................. 339 7.6.4. Các giải pháp nâng cao tính chống chịu ngập úng cho cây trồng ................... 341 Câu hỏi ôn tập .................................................................................................................. 342 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................... 344 13 14 Chương 1 SINH LÝ TẾ BÀO THỰC VẬT 1.1. Khái quát về cấu trúc và chức năng sinh lý của tế bào thực vật Như các sinh vật khác, tế bào thực vật vừa là đơn vị cấu tạo và vừa là đơn vị chức năng của cơ thể thực vật. Theo logic đó, các quá trình sinh lý ở mức độ cơ thể đều dựa trên cơ sở các hoạt động sinh lý ở mức độ tế bào. Tế bào thực vật bao gồm đầy đủ các thành phần cơ bản cấu tạo nên tế bào như các nhóm sinh vật khác: màng nguyên sinh chất, nhân, các bào quan (Hình 1.1). Tuy nhiên, so sánh với tế bào động vật, tế bào thực vật có một số điểm khác biệt, từ đó tạo nên những đặc điểm riêng biệt của giới thực vật. Điển hình nhất trong sự khác nhau này chính là sự xuất hiện thành tế bào, tạo nên bộ khung nâng đỡ của tế bào và của cơ thể thực vật. Sự có mặt của lục lạp, một dạng lạp thể có chứa sắc tố diệp lục để giúp cho cây quang hợp, chính là cơ sở cho hình thức dinh dưỡng tự dưỡng ở thực vật. Nếu ở tế bào động vật, không bào nằm rải rác trong tế bào thì ở thực vật các không bào được tập hợp lại thành một không bào lớn nằm ở trung tâm, chiếm một thể tích đáng kể trong tế bào. Không bào ở thực vật đóng vai trò rất quan trọng trong sự trao đổi chất của tế bào. Ngoài ra ở tế bào thực vật còn có sự xuất hiện các hạt (plastids) làm nhiệm vụ dự trữ các chất cho cây. 1.1.1. Thành tế bào (plant cell wall) 1.1.1.1. Cấu trúc thành tế bào Thành (vách) tế bào là phần ngoài cùng bao bọc tế bào thực vật. Bên ngoài thành tiếp giáp với bản ngăn giữa các tế bào, bên trong tiếp giáp với màng nguyên sinh chất (Hình 1.2) nên thành tế bào chiếm một vị trí đặc biệt quan trọng trong sự trao đổi chất và tương tác giữa các tế bào. Thành tế bào được mô tả lần đầu tiên năm 1665 bởi Robert Hooke Hình 1.1. Cấu trúc tế bào thực vật 15 (Hooke, 1665). Thành tế bào dày hơn màng sinh chất nên có thể dễ dàng quan sát được bằng kính hiển vi quang học. Cấu tạo chung của thành tế bào bao gồm các thành phần chủ yếu: nhóm polychacarid như cellulose, hemicellulose, pectin; lignin; glucoprotein; protein... ngoài ra thành tế bào còn có mặt một số nguyên tố khoáng như Bo, Ca...; trong quá trình sống thành của các tế bào vỏ ngoài cơ quan có thể thấm thêm suberin, sáp, cutin... để đảm bảo chức năng của chúng. Tỷ lệ các thành phần này trong tế bào thường thay đổi theo loại tế bào, loài cây và điều kiện sống của chúng. Theo nghiên cứu của Sjostrom, 1993, ở cây thân gỗ điển hình, cellulose chiếm 45%; hemicellulose chiếm 25%; lignin chiếm 25%; pectin và các thành phần khác 5% (Sjostrom, 1993). Hình 1.2. Sơ đồ mô tả các lớp cấu trúc thành tế bào thực vật (http://bioenergy.ccrc.uga.edu) Thành tế bào được tạo bởi 3 lớp (Hình 1.2) được hình thành từ các thời điểm khác nhau trong quá trình phân bào và với thành phần cấu trúc khác nhau: a) Bản giữa (middle lamella) Là lớp hình thành đầu tiên trong quá trình phân bào, tạo nên thành ngăn cách giữa các tế bào cạnh nhau. Cấu tạo chủ yếu từ các hợp chất pectic và protein. b) Thành sơ cấp (primary wall) Thành sơ cấp được hình thành sau lớp bản giữa, được cấu tạo (Hình 1.3) bởi sự đan xen các thành phần khác nhau chủ yếu là cellulose (25%), hemicellulose (25%), pectin (35%), một lượng nhỏ protein (1-8%) và một số chất khác (Taiz và Zeiger, 2010). Tuy nhiên tỷ lệ này được tìm thấy có sự dao động theo loài và giữa các loại tế bào khác nhau trong cây. Trong đó cellulose chiếm tỷ lệ lớn là 1,4-linked β-D-glucose; Hemicellulose chủ yếu là xyloglucan, glucuronoxylan, arabinoxylan, glucomannan, và galactomannan và họ polysaccharide pectin mà tất cả đều có chứa 1,4α-D-galacturonic acid, điển hình như các dạng đã được phân lập: Homogalacturonans, rhamnogalacturonans, và substituted galacturonans. 16 Các chất khoáng như Ca, Bo được tìm thấy trên thành tạo các liên kết đồng hóa trị có vai trò kết dính các thành phần tạo cấu trúc vững chắc cho thành tế bào. Các phân tử protein, glucoprotein trong thành tham gia điều chỉnh sự sinh trưởng, phân chia tế bào và tạo nên sự tương tác với các tác nhân sinh học xâm nhập vào tế bào và có vai trò trong khả năng chống chịu các nhân tố vô sinh bất lợi như hạn, mặn, lạnh, úng... Hình 1.3. Cấu trúc thành sơ cấp (theo Sticklen, 2008) Trong cây, thành sơ cấp thường rất phát triển ở các tế bào cấu tạo cơ quan còn non và tồn tại suốt đời sống của cây thân thảo thuộc nhóm các loài cây chỉ có một kiểu cấu tạo sơ cấp. Ở các loài có hai kiểu cấu tạo sơ cấp và thứ cấp như cây thân gỗ, thành sơ cấp thường dày và chiếm tỷ lệ chủ yếu ở các tế bào cơ quan còn non có cấu tạo sơ cấp như lá, thân và rễ non. Trong khi ở các phần cây có cấu tạo thứ cấp như thân, rễ già hơn rất phát triển thành thứ cấp. Hình 1.4. Cấu tạo thành thứ cấp c) Thành thứ cấp (secondary wall) Thành thứ cấp thường dày và cứng hơn thành sơ cấp, tạo nên khả năng chống chịu các tác động cơ học cho cây. Tuy nhiên, nó vẫn chứa các thành phần protein, enzyme tạo nên sự mềm dẻo cho phép tế bào sinh trưởng và phân chia. 17 18 Thành thứ cấp được chia làm ba lớp S1, S2, S3 (Hình 1.2), cấu tạo chủ yếu từ các hợp chất carbohydrate, thành phần cơ bản tạo nên sinh khối của cây. Ngoài các thành phần cấu trúc như thành sơ cấp, thành thứ cấp được gia cố thêm một lượng lớn lignin. Trong cấu trúc này các sợi cellulose được nhấn chìm trong mạng lưới của hemicellulose (xylan, glucuronoxylan, arabinoxylan, hay glucomannan) và lignin (Hình 1.4). Sự đan xen chặt chẽ của các mạng lưới này tạo nên tính kỵ nước của thành thứ cấp dẫn đến hạn chế hoạt động của các enzyme ưa nước, đây là đặc điểm đặc trưng của thành thứ cấp. Ở cây gỗ, các tế bào nằm ở giữa trục của thân và rễ, thành tế bào chứa tỷ lệ lignin đặc biệt lớn làm cho các tế bào không hút được nước để sinh trưởng phát triển nên bị chết gọi là sự hóa gỗ tạo nên các mạch gỗ (mạch xylem) rỗng không thấm nước rất thuận lợi cho sự vận chuyển nước và các chất khoáng từ rễ qua thân lên lá và ngoài ra còn làm nhiệm vụ chống đỡ chủ yếu cho cây. Ngược lại các tế bào làm nhiệm vụ dẫn truyền nằm trong lớp vỏ của phần thân và rễ cây gọi là libe (phloem) chứa tỷ lệ lớn hơn là cellulose cùng với nhiều loại protein khác nhau nên thành thường mềm hơn và chúng không phải đảm nhiệm chức năng nâng đỡ mà làm nhiệm vụ dẫn truyền các chất hữu cơ từ lá qua thân xuống rễ. Ngoài ra trong thành thứ cấp còn rất phát triển ở những loại tế bào làm nhiệm vụ nâng đỡ trong cây như tế bào mô sợi gỗ, tế bào đá. * Lignin Lignin là dạng polimer được trùng hợp từ rất nhiều monomer là các hợp chất phenol thuộc 3 loại: p-coumaryl alcohol, coniferyl alcohol và sinapyl alcohol, tỷ lệ từng loại thay đổi theo loài. Tỷ lệ lignin trong thành tế bào thay đổi theo loại tế bào và loài cây, ở thân gỗ điển hình lignin chiếm khoảng 25%. Lignin có đặc tính kỵ nước lại rất cứng rắn, tập trung nhiều trong mạch gỗ tạo nên con đường vận chuyển nước và các chất vô cơ rất hiệu quả trong cây. Ngoài ra lignin còn có vai trò chống lại sự tấn công của sâu bệnh (được chỉ ra bởi các nghiên cứu Bhuiyan và cs., 2009; Moura và cs., 2010) hoặc có ý nghĩa trong chống chịu với các nhân tố vô sinh bất lợi (Moura và cs., 2010). Chức năng chống đỡ các tác động cơ học trong cây chủ yếu là nhờ lignin, do vậy mà hợp chất này có mặt rất nhiều ở các mô làm nhiệm vụ nâng đỡ. Ở những loài thực vật được sử dụng trong công nghiệp sản xuất bột giấy và nhiên liệu sinh học thì lignin lại được coi là thành phần không có lợi, bởi vì nó làm giảm hiệu suất phân tách, thủy phân cellulose và hemicellulose. Ngược lại, lignin lại là thành phần làm nên độ cứng rắn trong chất lượng gỗ xây dựng nhà cửa, nội thất đồ mỹ nghệ hay ván ép nhân tạo. Vì vậy, có rất nhiều nghiên cứu điều chỉnh hàm lượng lignin trong thành tế bào được phân tích kỹ trong bài viết của tác giả Baucher, 2003 trên tạp chí Hóa sinh và Sinh học phân tử (Baucher và cs., 2003). Công việc này được tiến hành nhờ vào những hiểu biết về quá trình sinh tổng hợp lignin (đã được mô tả khá chi tiết bởi Boerjan và cs., 2003). Đây là một quá trình sinh lý hóa diễn ra rất phức tạp đòi hỏi sự tham gia của rất nhiều enzyme khác nhau (Hình 1.5). Dựa trên những hiểu biết về quá trình tổng hợp lignin các nhà khoa học đã nghiên cứu để điều chỉnh hàm lượng lignin trong cây theo hai hướng: - Hướng điều khiển làm tăng hàm lượng lignin để nâng cao độ cứng rắn cho thành tế bào từ đó có thể nâng cao chất lượng gỗ. Một giải pháp theo hướng sử dụng công nghệ gen là điều khiển làm tăng biểu hiện của gen tổng hợp protein enzyme xúc tác cho một phản ứng nào đó trong quá trình tổng hợp lignin. Korth và cs, năm 2001 đã điều chỉnh làm tăng hoạt tính enzyme phenylalanine ammonia-lyase(PAL) lên 150 lần, kết quả là làm tăng hàm lượng lignin ở cây thuốc lá (Korth và cs., 2001). Khi tăng cường biểu hiện gen mã hóa ở cây thuốc lá và bạch dương (Franke và cs., 2000). - Một hướng khác được nghiên cứu khá phổ biến là làm giảm hàm lượng lignin trong tế bào để làm tăng hiệu suất sản xuất bột giấy và nhiên liệu sinh học. Theo hướng này có Hình 1.5. Sơ đồ tóm tắt quá trình sinh tổng hợp lignin ở tế bào thực vật (Boerjan và cs., 2003) Trong hình: PAL (phenylalanine ammonia-lyase); TAL (Tyrosine Ammonia Lyase); C4H (cinnamate 4-hydroxylase); 4CL (4-coumarate: CoA ligase); C3H (p-coumarate 3-hydroxylase); COMT (caffeic acid O- methyltransferase); F5H (ferulate 5-hydroxylase); CCoAOMT (caffeoyl- CoA O-methyltransferase); CCR (cinnamoyl-CoA reductase); CAD (cinnamyl alcohol dehydrogenase); HCT (p-hydroxycinnamoyl-CoA: quinate shikimate p hydroxycinnamoyltransferase); guaiacyl (G), syringyl (S), and p-hydroxyphenyl (H) là các monolignol (đơn phân cấu tạo lignin). Trong đó, dạng S và G có ở thực vật hạt kín, H và G có ở thực vật hạt trần. 19 thể tiến hành bất hoạt gen bằng công nghệ RNAi hoặc chuyển đoạn gen tương đồng mã hóa tổng hợp protein enzyme xúc tác cho một phản ứng nào đó của quá trình tổng hợp lignin. Ví dụ, như bất hoạt gen tổng hợp Cinnamic Acid 4-Hydroxylase (C4H) ở thuốc lá (Sewalt và cs., 1997) hay ở lúa (Gengshou, 2013) hoặc 4-hydroxycinnamate CoA ligase (4CL) ở lúa (Gengshou, 2013), ở cà chua (Millar và cs., 2007), giảm biểu hiện gen tổng hợp caffeoyl-CoA O-methyltransferase (CCoAOMT) ở ngô (Li và cs., 2013), hoặc giảm hoạt tính enzyme caffeic acid O-methyltransferase ở bạch dương (Zhong và cs., 2000). * Cellulose Cellulose là hợp chất cao phân tử được cấu tạo từ các đơn phân là 1.4 β-D-glucose, có công thức cấu tạo là (C6H10O5)n, trong đó n có thể nằm trong khoảng 5000-14000, là thành phần chủ yếu cấu tạo nên thành tế bào thực vật. Trong thành tế bào nhiều phân tử cellulose kết hợp với nhau thành bó sợi nhỏ, các bó sợi nhỏ lại tập hợp lại thành bó sợi lớn hơn liên kết với các phân tử hemicellulose và pectin để tạo nên cấu trúc thành tế bào (Hình 1.6). Hình 1.6. Cấu trúc cellulose trong thành tế bào thực vật Tỷ lệ cellulose trong thành tế bào phụ thuộc nhiều vào loại tế bào và loài cây. Ví dụ ở bông cellulose chiếm trên 90%; trong khi ở cây thân gỗ tỷ lệ này là 40-50% (Albersheim và cs., 2011). Trong cấu trúc giải phẫu của cây, cellulose có mặt nhiều trong thành các tế bào mô mềm, mô dày và libe với đặc tính chung là thành thường mềm. Sinh khối của cây chủ yếu được tạo thành từ các polysaccharides cấu trúc thành thứ cấp như cellulose, hemicellulose, pectin cung cấp nguồn nguyên liệu để sản xuất nhiên liệu sinh học (Margeot và cs., 2009; Galbe và Zacchi, 2007) hoặc tạo nguồn nguyên liệu để sản xuất bột giấy hay vải, sợi (Ververis và cs., 2004). 20 Hình 1.7. Tóm tắt quá trình sinh tổng hợp cellulose Trong hình: CS (cellulose synthase) FBP (fructose-1,6 biphosphate) FK (glucokinase) G6PDH (glucose-6-phosphate dehydrogenase) 1PFK (fructose-1-phosphate kinase) PGI (phosphoglucoisomerase) PGM (phosphoglucomutase) PTS (system of phosphotransferases) UGP (pyrophosphorylase UDPGIc) Fru-bi-P (fructose-1,6-bi- phosphate) Fru-6-P (fructose-6-phosphate) Glc-6-P (glucose-6-phosphate) PGA (phosphogluconic acid), UDPGIc (uridine diphosphoglucose). Quá trình sinh tổng hợp cellulose diễn ra trong cây rất phức tạp, được tóm tắt thành sơ đồ trong hình 1.7 dưới đây. Việc nghiên cứu quá trình sinh tổng hợp cellulose ngoài việc làm thỏa mãn về mặt tri thức, còn có thể giúp các nhà khoa học nghiên cứu điều khiển làm tăng hàm lượng cellulose phục vụ cho ngành công nghiệp nhiên liệu sinh học, công nghiệp bột giấy hay công nghiệp dệt may... trong thực tiễn cellulose còn được dùng làm tá dược để sản suất thuốc. Từ sơ đồ trong hình 1.7 cho thấy cellulose được tạo thành từ quá trình chuyển hóa glucose, sản phẩm sơ cấp của quá trình quang hợp. Do đó, việc điều chỉnh tăng hiệu suất quá trình quang hợp có thể tăng được hàm lượng cellulose trong cây nói riêng và sinh khối của cây nói chung. Hoặc có thể điều khiển biểu hiện gen theo hướng làm tăng hàm lượng cellulose như đã được tiến hành ở cây Jute (Corchorus capsularis L.) thuộc chi đay bằng cách tăng cường biểu hiện gen UDP-glucose pyrophosphorylase gen (Jianmin Qi và cs., 2013), trên lúa (Sumiyoshi và cs., 2013) và một số loài cây khác. 1.1.1.2. Những biến đổi có thể xảy ra trong quá trình phát triển của tế bào a) Hóa gỗ Hóa gỗ thực chất là quá trình lignin hóa trong đó lignin được tổng hợp nhiều và lấp đầy vào các khoảng trống của cellulose làm cho thành tế bào rất rắn chắc, giòn, mất tính 21 22 đàn hồi. Quá trình này xảy ra rất mạnh ở thành thứ cấp của các tế bào mô nâng đỡ và mô gỗ. Loài cây nào có tỷ lệ tế bào hóa gỗ càng lớn thì chất lượng gỗ càng tốt (lim, nghiến...). b) Hóa suberin (hóa bần) Sự hóa suberin thành tế bào xảy ra chủ yếu ở các tế bào mô bì thứ cấp hoặc tế bào nội bì của rễ cây (Hình 1.8b) hay ở lớp vỏ củ bị ngấm suberin làm cho tế bào ngăn cản quá trình trao đổi nước, không khí và các vi sinh vật. Suberin thực chất là este của acid suberic và glycerin, có đặc điểm không cho nước và không khí đi qua. Sự hóa bần giúp bảo vệ cây tránh mất nước và sự xâm nhập của các tác nhân sinh học hoặc có thể gây nên trạng thái ngủ nghỉ sâu của củ, hạt. Hóa bần xảy ra ở tế bào nội bì của rễ có vai trò tạo nên áp suất rễ - một động lực bên dưới của quá trình dẫn truyền các chất vô cơ trong cây. c) Thấm cutin và sáp Thành của các tế bào biểu bì bao phủ lá, quả, thân, rễ non của cây thường thấm thêm cutin (Hình 1.8a) và sáp để bảo vệ, hạn chế thoát hơi nước và ngăn cản sự xâm nhập của vi sinh vật. Hình 1.8. Một số sự biến đổi của thành tế bào Cutin ở những tế bào của cơ quan còn non thường mỏng hơn ở các tế bào trưởng thành và già. Lớp này được gia cố dày lên khi cây sống trong điều kiện môi trường khô hạn và mỏng đi thậm chí không có khi cây sống trong môi trường thủy sinh. Đây cũng chính là đặc điểm để giúp cây dễ dàng thích nghi với điều kiện môi trường sống của chúng. Ở một số loài biểu bì còn có sự tích tụ các chất khoáng như Si, CaCO3 tạo thành gai (Hình 1.8c) hoặc sần sùi thô giáp trên bề mặt lá như ở tre, lúa và một số loài cỏ một lá mầm. 1.1.1.3. Chức năng của thành tế bào Do thành nằm ngoài cùng của tế bào nên giữ nhiều chức năng quan trọng trong sự trao đổi chất của bản thân tế bào cũng như sự tương tác với tế bào khác và với môi trường bên ngoài. Trong quá trình trao đổi chất, thành tế bào cho phép trao đổi ion và vận chuyển các chất đi qua. Trên thành có các kẽ hở do các yếu tố cấu trúc thành sắp xếp không khít nhau tạo nên, nhờ đó các chất có thể dễ dàng được vận chuyển qua để đi vào hoặc đi ra khỏi tế bào. Sự liên kết các khoảng trống này giữa các tế bào với nhau tạo nên hệ thống vận chuyển vật chất giữa các tế bào gọi là con đường vận chuyển apoplast. Tỷ lệ và thành phần của các yếu tố cấu trúc thành tạo nên sự khác biệt nhờ đó có thể phân biệt các loại tế bào khác nhau. Thành tế bào có vai trò như khung giữ hình dạng ổn định cho tế bào rồi cho mô, cơ quan đặc biệt là cấu trúc màng thứ cấp nhờ đặc điểm cứng chắc tạo bởi lignin. Tạo sự tương tác giữa các tế bào cạnh nhau và sự liên lạc giữa các tế bào với nhau thông qua các protein xuyên thành và hệ thống các sợi liên bào. Các phân tử protein trên thành tế bào có thể tiếp nhận thông tin từ môi trường để từ đó truyền vào trong nhân giúp cây có thể phản ứng lại kịp thời với sự thay đổi liên tục của điều kiện môi trường. Bảo vệ tế bào chống lại các tác nhân gây bệnh và côn trùng nhờ các protein liên kết chéo trên thành tế bào (Showalter, 1993); (Greenberg, 1997) hay sự este hóa gốc methyl của phân tử pectin (Lionetti và cs., 2012) và tăng tính chống chịu với nhân tố vô sinh bất lợi của môi trường như úng và hạn (Komatsu và Yanagawa, 2013). Điều tiết chế độ nước và nhiệt của cây nhờ các lớp chất liên kết như cutin (ở lớp tế bào biểu bì của thân, lá...), sáp (ở tế bào biểu bì của lá, thân, quả), suberin (bần) (ở lớp tế bào bần của thân, rễ). Việc nghiên cứu tìm hiểu thành phần cầu tạo thành tế bào ngoài việc giúp chúng ta hiểu rõ thành tế bào được hình thành và phát triển như thế nào còn cho phép ứng dụng phục vụ nhiều mục đích của con người như trong thực phẩm, nông nghiệp, lấy gỗ, lấy sợi, công nghiệp các hợp chất sinh học (biocomposites) hay nhiên liệu sinh học (biofuels)... Vì vậy, trên thế giới, nhiều phương pháp xác định các thành phần cấu trúc thành tế bào được nghiên cứu đề xuất, đặc biệt với các thành phần có khả năng ứng dụng cao như xác định các polysaccharides bằng phương pháp sắc ký khí kết hợp khối phổ (gas chromatography– mass spectrometry (GC-MS) (Pettolino và cs., 2012) hay sử dụng kỹ thuật kính hiển vi laser cùng tiêu điểm (Gierlinger và cs., 2012). Dựa vào thành phần cấu trúc thành tế bào, các nhà khoa học đã sử dụng các enzyme phân giải thành phần chính cấu trúc thành tế bào để thu được tế bào trần, ứng dụng trong nuôi cấy tế bào trần hoặc dung hợp tế bào trần tạo con lai soma mang các đặc tính mong muốn hoặc các nghiên cứu khoa học khác. Phương pháp tách tế bào trần này được gọi là 23 24 phương pháp enzyme. Cooking, 1960 là người đầu tiên trên thế giới thành công khi sử dụng phương pháp này để thu được và tái sinh thành công tế bào trần từ tế bào đỉnh rễ cây cà chua con sinh ra từ hạt (Cocking, 1960). Năm 2009, Zhai và cs đã sử dụng hỗn hợp 1% cellulase, 1% macerozyme để tách thành công tế bào trần của cây mầm Arabidopsis thaliana 14 ngày tuổi (Zhai và cs., 2009). Gần đây nhất, năm 2016, Kuzminsky và cs cũng đã sử dụng 2% cellulase và 1% macerozyme để tách thành công thành tế bào mô giậu của một số loài cây thân gỗ vùng Địa Trung Hải để nghiên cứu tính chống chịu các nhân tố vô sinh bất lợi của môi trường (Kuzminsky và cs., 2016). 1.1.2. Màng sinh chất (cell membrane/plasma membrane) 1.1.2.1. Cấu trúc Màng sinh chất hay còn gọi là màng tế bào là lớp ngoài cùng của chất nguyên sinh tiếp giáp với thành tế bào. Lớp này có cấu trúc của màng cơ sở (Hình 1.9) gồm lớp kép phospholipid, protein xuyên màng tạo nên các kênh vận chuyển trên màng, protein tạo lưới giá đỡ, protein ngoại vi, glucoprotein, glucolipid... Hình 1.9. Cấu trúc màng sinh chất Nhờ cấu trúc rất tinh vi và linh động kể trên mà màng sinh chất có tính chất điển hình của màng sinh học: có tính thấm chọn lọc, nghĩa là chỉ cho các chất có lợi cho tế bào như các chất dinh dưỡng đi vào trong và các chất không có lợi cho tế bào như các chất thải đi ra ngoài để loại khỏi tế bào. 1.1.2.2. Chức năng Do vị trí nằm ngoài tế bào chất trong thành tế bào nên màng sinh chất đảm nhiệm nhiều chức năng quan trọng của tế bào như cho phép vận chuyển vật chất qua màng để thực hiện sự trao đổi chất của tế bào, tạo nên con đường vận chuyển qua tế bào chất hay gọi là con đường vận chuyển symplast. Trong quá trình hình thành và phát triển tế bào, màng sinh chất còn làm nhiệm vụ điều hòa tổng hợp và lắp ráp các sợi cellulose cấu tạo thành tế bào. Tiếp nhận và vận chuyển các tín hiệu từ môi trường ngoài vào tế bào để điều tiết sự sinh trưởng, phân hóa tế bào và phản ứng lại các tác động của môi trường đến tế bào. 1.1.3. Nhân (nucleus) 1.1.3.1. Cấu tạo Nhân tế bào (Hình 1.10) thường có hình cầu hoặc ovan kéo dài, đường kính khoảng 10 μm. Cấu tạo gồm hai lớp màng sinh học (màng cơ sở) bao bọc cơ chất bên trong gọi là chất nhân. Trên màng có các lỗ nhỏ đường kính 400 Å, sự trao đổi chất giữa nhân và tế bào chất được thực hiện qua các lỗ này. Chất nhân chứa chủ yếu là protein chiếm 50-80% chất khô, bao gồm loại không phải histon như các enzyme tham gia vào quá trình tổng hợp ADN, ARN và các quá trình trao đổi chất khác và loại histon có khả năng liên kết với ADN để cấu trúc nên nhiễm sắc thể; ADN chiếm 5-10%; ARN 0.5-3.3% chất khô, còn lại là lipid và các chất khác. Hình 1.10. Cấu tạo nhân tế bào (http://micro.magnet.fsu.edu/cells/plants/nucleus) Hạch nhân (nucleolus) Hạch nhân hay còn được gọi là nhân con có chứa chất nhiễm sắc cuộn lại nằm ở trung tâm của nhân, bắt màu sẫm khi nhuộm nhân. Đây là nơi tổng hợp ribosom của tế bào. 1.1.3.2. Chức năng Như tất cả các loại tế bào của cơ thể sống khác, nhân tế bào thực vật là trung tâm điều khiển và điều hòa mọi hoạt động của tế bào thông qua quá trình sinh tổng hợp protein. Nhân có vai trò quyết định trong quá trình tổng hợp protein và cũng là nơi tái bản ADN và sao mã ARN, cũng như trao đổi nucleic acid. Đây là nơi lưu giữ thông tin di truyền của tế bào và truyền thông tin di truyền qua các thế hệ nhờ cơ chế tái bản ADN. Giữa nhân và tế bào chất thường xuyên có sự trao đổi vật chất và tín hiệu để điều khiển, điều hòa biểu hiện của gen, đảm bảo hoạt động sống bình thường của tế bào cũng như để phản ứng lại các tác động của môi trường lên cơ thể thực vật. 25 26 1.1.4. Chất nguyên sinh (cytoplasm) Là phần nằm trong màng sinh chất bao gồm chất tế bào (cytosol) và các bào quan (cell organelles), ngoại trừ nhân tế bào. 1.1.4.1. Chất tế bào (cytosol) a) Cấu tạo Chất tế bào (chất nguyên sinh, tế bào chất) là phần cơ chất bên trong màng tế bào, ngoài nhân và các bào quan. Chất tế bào chiếm khoảng 40-50% thể tích tế bào, có chứa hàng nghìn phân tử khác nhau liên quan đến quá trình sinh tổng hợp của tế bào. Thành phần hóa học của chất tế bào rất đa dạng và thường xuyên biến động trong quá trình phát triển của tế bào và thực vật. Ở tế bào điển hình, chất tế bào thường gồm 80-90% là nước, 10-20% chất khô. Trong chất khô: 75% là protein, 15-20% là lipid, còn lại là các chất khác. Do tế bào chất chứa lượng lớn nước nên sự thay đổi hàm lượng nước trong tế bào có ảnh hưởng rất lớn đến tính chất lý hóa của chất nguyên sinh, từ đó ảnh hưởng đến các hoạt động sinh lý của tế bào và của toàn bộ cơ thể thực vật. b) Chức năng sinh lý Về chức năng, chất tế bào là nơi diễn ra các phản ứng hóa học, các quá trình chuyển hóa năng lượng cho sự sinh trưởng, sửa chữa và sinh sản của tế bào. Cơ chất tế bào là nơi trung chuyển vật chất giữa các bào quan và với nhân tế bào, đồng thời là nơi thu nhận các sản phẩm trao đổi chất của tế bào để đưa đến nơi dự trữ, sử dụng chúng hoặc để loại ra khỏi tế bào. Nhờ sự chuyển động ổn định của cơ chất tế bào mà vật chất sống trong tế bào được di chuyển liên tục, cung cấp các dưỡng chất sống đến các bào quan, nơi cần thiết với chức năng của chúng. Chất tế bào cũng là nơi loại đi các sản phẩm không cần thiết trong quá trình trao đổi chất diễn ra trong nhân và các bào quan. Tế bào chất giữ vai trò chìa khóa trong quá trình sinh tổng hợp, vận chuyển và loại thải protein của tế bào. Hầu như tất cả protein trong tế bào đều được tổng hợp bởi ribosom nằm trong tế bào chất. Cơ chất tế bào cung cấp môi trường phù hợp cho sự vận chuyển ARNm đến các ribosom để tiến hành quá trình sinh tổng hợp protein. Sự vận chuyển vật chất từ tế bào này đến tế bào khác có thể được thực hiện qua cơ chất của tế bào, qua cầu sinh chất tạo nên con đường vận chuyển symplast trong cây. Đây Hình 1.11. Không bào ở tế bào thực vật (http://wsccbiology) chính là con đường vận chuyển khó khăn hơn rất nhiều so với con đường apoplast và chịu sự kiểm soát chặt chẽ của tế bào. 1.1.4.2. Không bào (vacuole) a) Cấu tạo Khác với tế bào động vật ở tế bào thực vật không bào được hình thành từ sự tập hợp các bọt nhỏ trong tế bào mô phân sinh để tạo thành một không bào lớn nằm ở giữa tế bào gọi là không bào trung tâm (Hình 1.11). Không bào là một túi màng đơn, chứa dịch tế bào bên trong. Thành phần của dịch bào bao gồm các acid hữu cơ, đường, acid amin, protein, các sắc tố, các chất dự trữ, các chất vô cơ và các chất có hoạt tính sinh lý khác. b) Chức năng sinh lý Trong cơ thể thực vật, không bào có nhiều vai trò sinh lý rất quan trọng của tế bào như: Điều tiết áp suất thẩm thấu của tế bào; kiểm soát thể tích và sức trương của tế bào; điều tiết quá trình trao đổi nước và các chất vô cơ, hữu cơ trong tế bào; phân giải các hợp chất cao phân tử thành các phân tử thấp; ở một số loại tế bào không bào còn làm nhiệm vụ dự trữ các chất cho tế bào. 1.1.4.3. Lục lạp (chloroplast) Là bào quan có chứa nhiều diệp lục để thực hiện chức năng quang hợp tổng hợp chất hữu cơ cho cây. a) Cấu tạo Ở thực vật bậc cao, lục lạp có mặt nhiều nhất ở tế bào mô đồng hóa của lá và các cơ quan còn non có màu xanh lục của cây như thân non, quả non, đài hoa, cuống lá. Hình 1.12. Cấu tạo lục lạp Lục lạp thường có dạng hình trứng và có xu hướng quay mặt có tiết diện lớn về phía ánh sáng để đón nhận ánh sáng mặt trời. Số lượng lục lạp có thể là 40-50 lục lạp/tb và thay đổi nhiều theo loài cây và điều kiện chiếu sáng. Cấu trúc lục lạp (Hình 1.12) gồm 2 lớp 27 28 màng có cấu trúc màng cơ sở bao bên ngoài, bên trong chứa chồng hạt grana được cấu tạo từ màng thylakoid, nơi chứa nhiều sắc tố quang hợp và các chất vận chuyển điện tử để thực hiện pha sáng của quang hợp. Chồng hạt grana này nằm trong khối cơ chất còn gọi là stroma, nơi chứa nhiều enzyme để thực hiện pha tối của quang hợp. Ngoài ra, trong cơ chất lục lạp còn chứa ADN dạng vòng giúp lục lạp có thể tự tổng hợp được một số protein cho mình. b) Chức năng Nhờ đặc điểm cấu trúc như trên mà lục lạp có thể thực hiện quá trình quang hợp tổng hợp chất hữu cơ cho tế bào. Đặc biệt quang hợp chính là quá trình sinh lý giữ vai trò trọng yếu để cấu thành năng suất cây trồng. Ngoài ra, lục lạp cùng với ty thể còn thực hiện quá trình di truyền ngoài nhân hay còn gọi là di truyền qua tế bào chất. Chi tiết về bào quan lục lạp sẽ được đề cập đến trong Chương 3 của cuốn sách này. 1.1.4.4. Ty thể (mitochrondrion) a) Cấu tạo Ty thể được cấu tạo gồm hai lớp màng, màng ngoài bao bọc ty thể và màng trong gấp nếp tạo thành gờ răng lược ăn sâu vào phần cơ chất bên trong (Hình 1.13). Hình 1.13. Cấu trúc ty thể Trên lớp màng trong chứa 4 phức hợp tham gia vào chuỗi truyền điện tử và tổng hợp năng lượng ATP trong quá trình hô hấp (xem chi tiết trong Chương 4). Trong phần chất nền tập trung nhiều enzyme hô hấp để thực hiện các phản ứng sinh hóa của chu trình Krebs của quá trình hô hấp hiếu khí. Ngoài ra trong cơ chất của ty thể còn chứa các phân tử ADN vòng, lipid và các chất khác. b) Chức năng Nhiệm vụ của ty thể trong tế bào là thực hiện quá trình hô hấp để cung cấp năng lượng cho mọi hoạt động sống của cây. Ngoài ra, cùng với lục lạp, ty thể còn thực hiện quá trình di truyền một số tính trạng qua tế bào chất. Chi tiết về cấu tạo và chức năng của ty thể sẽ được trình bày chi tiết trong Chương 4 của giáo trình này. 1.1.4.5. Bộ máy Golgi (Golgi apparatus) a) Cấu tạo Bộ máy Golgi gồm các thể lưới, túi, bóng xếp liền nhau thành bó (Hình 1.14). Số lượng và sự phân bố các bó này phụ thuộc vào từng loại tế bào. Ở tế bào chóp rễ ngô chứa từ 300-600 bó/tế bào (Mollenhauer và Morré, 1994) nhưng số lượng này lại chỉ là 25 ở cây Epilobium hirsutum thuộc họ rau dừa nước (Staehelin và Moore, 1995). b) Chức năng Bộ máy Golgi là chế biến protein được vận chuyển từ lưới nội chất đến, biến đổi glucoprotein và gluco hóa các nhóm của các gốc xerin, methionin, thirozin. Bộ máy Golgi có vai trò quan trọng trong sự hình thành thành tế bào (Dupree và Sherrier, 1998). Hai loại polychacarid là pectin và hemicellulose chiếm đến 50-80% sinh khối khô của thành tế bào (Brett và Waldron, 1996) được tổng hợp tại bộ máy Golgi (Dupree và Sherrier, 1998); Sản xuất enzyme tiêu hóa nội bào; Vận chuyển và bảo quản lipid; Hình thành lysosome (Hình 1.14). Hình 1.14. Cấu trúc bộ máy Golgi và sự hình thành lysosom 1.1.4.6. Lysosome Trong tế bào lysosome chứa các enzyme thực hiện tiêu hóa nội bào; dung giải các tế bào chết, các hợp chất không cần thiết trong tế bào. Với chức năng như vậy nên trong cây lisosom có mặt rất nhiều ở cơ quan bài tiết. Lysosom được hình thành trong bộ máy Golgi từ quá trình dung hợp (Hình 1.14) 1.1.4.7. Lưới nội chất (rough endoplasmic reticulum) a) Cấu tạo Lưới nội chất gồm hệ thống các ống, xoang, túi có màng dày 5-6 nm, có thể có các riboxom đính vào gọi là lưới nội chất hạt, hoặc không có gọi là lưới nội chất trơn. b) Chức năng Lưới nội chất trơn hình thành gluxit, lipid, tecpenoit. Lưới nội chất hạt tổng hợp protein cấu tạo nên màng, cấu trúc vi lưới nội chất - con đường vận chuyển các chất nội bào, tương tác giữa các tế bào qua sợi liên bào, các enzyme tổng hợp polysacarit. 29 30 1.1.4.8. Ribosome a) Cấu tạo Có dạng như các hạt hình tròn, đường kính 20-30 nm, có mặt ở tất cả các tế bào sống. Ở tế bào thực vật, ribosome được tìm thấy nhiều trong tế bào chất, trên bề mặt lưới nội chất hạt, trong ti thể và lạp thể, ở hai dạng tự do và dạng liên kết. Dạng ribosome liên kết gắn với lưới nội chất hạt, đây là điểm tổng hợp protein trong tế bào. Tổng hợp protein cũng diễn ra ở cả các ribosome tự do. Ribosome gồm protein và ARN ribosome. Hình 1.16. Ribosome tham gia vào quá trình sinh tổng hợp protein Về cấu trúc, ribosome gồm hai tiểu phần (Hình 1.16), là tiểu phần nhỏ: 40S và tiểu phần lớn 60S. Khi tế bào chuẩn bị tổng hợp protein, ARN thông tin (ARNm) được tạo thành trong nhân sau đó được vận chuyển đến ribosome trong tế bào chất. Khi đó hai tiểu phần sẽ cùng tiến đến và kết hợp với ARNm để bắt đầu quá trình tổng hợp protein. b) Chức năng Ribosome là trung tâm tổng hợp protein trong tế bào. Trong quá trình tổng hợp protein, ribosome làm nhiệm vụ sắp xếp các phân tử amino acid để cấu tạo nên chuỗi polypeptide dựa trên trình tự các nucleotit của phân tử ARN thông tin. 1.1.4.9. Vi thể Là các thể có hình cầu d = 0,2 - 1,5 μm, được cấu tạo bởi màng đơn sinh học bao bọc cơ chất dạng hạt bên trong. Trong tế bào thực vật có hai kiểu vi thể là peroxisome và glyoxysome. Peroxisome tham gia vào quá trình quang hô hấp chủ yếu xảy ra ở thực vật C3. Glyoxysome chứa các enzyme cần thiết cho sự chuyển hóa lipid thành đường và thường xuất hiện khi hạt chứa dầu nảy mầm. Hình 1.15. Mạng lưới nội chất hạt 1.1.4.10. Oleosome Hình 1.17. Oleosome và peroxisome trong tế bào thực vật Là bào quan được bao bọc bởi lớp màng đơn phospholipid (Hình 1.17), làm nhiệm vụ dự trữ lipid. Lipid này sẽ được chuyển hóa thành đường khi hạt nảy mầm nhờ sự tham gia của glyoxysome. 1.1.4.11. Vi ống, vi sợi và các sợi trung gian Các vi sợi, vi ống và sợi trung gian trong tế bào chất tạo thành bộ khung của tế bào (Hình 1.18). Đây là cơ sở để hình thành thoi tơ vô sắc trong phân bào và của hoạt tính vận động của tế bào. a) Vi sợi Cấu tạo từ các sợi protein actin, có vai trò nâng đỡ, cố định màng nguyên sinh chất; tham gia vào quá trình vận động chất nguyên sinh; tạo mối liên hệ giữa các tế bào cạnh nhau nhờ sự hình thành các liên kết và cầu nối tế bào. Hình 1.18. Vi ống, vi sợi và các sợi trung gian b) Vi ống Cấu tạo từ các tubulin là cơ sở để hình thành thoi tơ vô sắc trong phân bào. Vi ống và vi sợi đều có khả năng trùng hợp và giải trùng hợp các đơn phân cấu tạo nên chúng, từ đó giúp tế bào chất có sự chuyển đổi từ trạng thái gel sang trang thái sol và ngược lại để thực hiện các chức năng sinh lý và thích ứng với sự thay đổi của điều kiện môi trường. 31 32 c) Các sợi trung gian Được cấu tạo từ các protein khác nhau, nằm trong chất nguyên sinh có vai trò tạo nên tính vững chắc cho chất nguyên sinh. 1.2. Các đặc tính lý hóa của chất nguyên sinh Tế bào chất là nơi diễn ra mọi hoạt động sống của tế bào (không kể trong màng nhân và các bào quan). Vì vậy, các đặc tính lý hóa của chất nguyên sinh có ảnh hưởng trực tiếp đến các chức năng của tế bào như sự gấp nếp tạo cấu trúc không gian của phân tử protein, sự phân giải của các enzyme, sự truyền các tín hiệu nội bào, và vận chuyển vật chất nội bào, sự định vị của các phân tử và bào quan trong tế bào... 1.2.1. Đặc tính hóa keo a) Chất nguyên sinh là một hệ keo Trong chất nguyên sinh có chứa các đại phân tử như protein, acid nucleic, lipoprotein, đường... chúng đều có kích thước lớn (1-200 nm) nên khi hòa tan trong nước sẽ tạo thành một dung dịch keo. Khác với các dung dịch keo khác, dung dịch keo của chất nguyên sinh có đặc tính rất phức tạp, bởi thành phần của nó chứa nhiều các loại hợp chất khác nhau, có mức độ phân tán khác nhau và hoạt tính cũng khác nhau. Hơn thế nữa, hệ keo chất nguyên sinh còn thường xuyên thay đổi và phụ thuộc chặt chẽ vào yếu tố môi trường bên ngoài, đặc biệt là lượng nước. Hệ keo chất nguyên sinh rất ưa nước do có chứa các đại phân tử ưa nước như protein, acid nucleic, đường... Từ đó làm tế bào luôn háo nước, tạo động lực cho quá trình hút nước ở tế bào, nhất là khi không bào chưa trưởng thành. Keo nguyên sinh chất có thể tồn tại ở trạng thái sol, coaxecva, gel. Hình 1.19. Các trạng thái của keo nguyên sinh chất (Hoàng Minh Tấn và cs., 2006) Sol: Là trạng thái chất nguyên sinh có nhiều nước, các hạt keo phân tán đồng đều và liên tục trong nước. Ở trạng thái này chất nguyên sinh rất linh động, quá trình trao đổi chất diễn ra rất thuận lợi. Khi cây hoạt động sinh trưởng mạnh như ở giai đoạn cây còn non, ra hoa, thì chất nguyên sinh ở trạng thái sol (Hình 1.19a). Trạng thái coaxecva: Là trạng thái chất nguyên sinh mà trong nó các hạt keo có màng nước mỏng đi nhưng đồng đều. Hạt keo không dính nhau thành khối mà tồn tại độc lập, chỉ rút ngắn khoảng cách xích lại gần nhau. Những hạt keo gần nhau còn có chung một màng nước mỏng nữa tạo nên các thể coaxecva. Ở trạng thái coaxecva, chất nguyên sinh có lượng nước giảm đi nên các hoạt động trao đổi chất cũng bị giảm đi so với trạng thái gel, nhưng không bị cản trở mạnh như trạng thái gel. Đây là trạng thái của chất nguyên sinh khi tế bào cơ quan trong giai đoạn già, có các hoạt động sống giảm (Hình 1.19b). Gel: Là trạng thái chất nguyên sinh bị mất nước nhiều, khác với ở trạng thái coaxecva, các hạt keo có màng nước mỏng đi không đồng đều, chúng dính kết với nhau tạo thành cấu trúc võng lập thể (Hình 1.19c). Lúc này keo chất nguyên sinh ở trạng thái rắn. Quá trình trao đổi chất và các hoạt động sinh lý bị cản trở, giảm đến mức tối thiểu. Đây là trạng thái tương ứng với tế bào, cây ở đang tiềm sinh, hay ngủ nghỉ. b) Khả năng chuyển đổi giữa các trạng thái khác nhau của keo nguyên sinh chất tạo nên đặc tính hóa keo của chất nguyên sinh giúp cây thích ứng với điều kiện môi trường. Đặc tính hóa keo là khả năng chất nguyên sinh chuyển từ trạng thái sol (lỏng) sang trạng thái gel (rắn) hoặc ngược lại, khi điều kiện môi trường thay đổi. Chiều biến đổi từ sol → gel phản ánh hoạt động sống của tế bào, cơ quan thực vật. Lúc điều kiện môi trường thuận lợi tế bào, cơ quan hoạt động mạnh thì gel → sol, và ngược lại khi cây gặp điều kiện bất lợi, thì sol → gel làm cơ quan, cơ thể thực vật rơi vào trạng thái ngủ nghỉ. Tính chất này phụ thuộc chặt chẽ vào sự thay đổi về nhiệt độ, nồng độ ion hydro, chất điện phân hay các tác động cơ học khác gây nên. Ý nghĩa sinh lý: Đặc tính hóa keo giúp cho cây có khả năng dễ dàng thích ứng với điều kiện ngoại cảnh, thể hiện ở chỗ khi cây gặp điều kiện ngoại cảnh bất lợi, thì tế bào chất chuyển từ sol → gel làm tế bào rơi vào trạng thái ngủ nghỉ để bảo vệ tế bào và cơ thể thực vật. c) Sự ngưng kết Các phân tử vật chất trong hệ keo nguyên sinh chất đều tích điện, nếu các phân tử keo mang điện tích cùng dấu thì đẩy nhau, trái dấu thì hút nhau. Nếu sức đẩy lớn thì hệ keo bền, ngược lại nếu sức hút lớn thì các phân tử keo có xu thế xích lại gần nhau tạo thành khối, khối này lớn dần và lắng xuống gọi là hiện tượng ngưng kết. Hiện tượng ngưng kết phụ thuộc vào sự ra tăng nồng độ các chất điện phân tác nhân làm triệt tiêu mất điện tích của các phân tử keo và phụ thuộc vào nồng độ các phân tử keo - yếu tố làm tăng lực hút của các phân tử keo. 33 34 1.2.2. Đặc tính vật lý của chất nguyên sinh 1.2.2.1. Độ nhớt chất nguyên sinh Độ nhớt là ma sát, lực cản xuất hiện khi các lớp vật chất trượt lên nhau. Độ nhớt của tế bào phụ thuộc vào hàm lượng nước trong chất nguyên sinh, lực liên kết giữa các phân tử protein riêng biệt và cấu tạo của phân tử protein, nhiệt độ môi trường. Ý nghĩa sinh lý của độ nhớt: Độ nhớt liên quan đến mức độ trao đổi chất của tế bào. Độ nhớt giảm sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình trao đổi chất. Ngược lại khi độ nhớt tăng, sự di chuyển của vật chất trong tế bào sẽ khó khăn hơn, lượng nước giảm xuống, nên gây kìm hãm quá trình trao đổi chất. Do đó, tế bào của các cơ quan còn non đang tăng trưởng có độ nhớt giảm, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình trao đổi chất. Tế bào cơ quan trưởng thành, già có độ nhớt cao hơn, nhất là khi tế bào ở trạng thái ngủ nghỉ, độ nhớt đặc biệt cao, làm kìm hãm quá trình trao đổi chất. Khi độ nhớt tăng lên, quá trình trao đổi chất giảm xuống, tương ứng với tính chống chịu của cơ quan thực vật với điều kiện môi trường bất lợi. Khi cây gặp điều kiện bất lợi với môi trường, mà độ nhớt cao (trong ngưỡng) thì chất nguyên sinh giữ được độ bền vững, các hoạt động sống sẽ giảm, nhờ đó cây có khả năng chống chịu tốt. Độ nhớt tăng khi cây gặp nhiệt độ thấp và ngược lại. Khi nhiệt độ quá thấp độ nhớt tăng lên quá cao làm cản trở hoàn toàn hoạt động sống của cây, kèm theo các tổn thương màng dễ làm cây bị chết. Các ion trong môi trường có hóa trị 1 như K+, Na+, NH4+... có khả năng làm giảm độ nhớt, tăng hoạt động sinh lý; các ion hóa trị cao như Ca2+, Al3+, Mg2+ thì ngược lại. Do đó, khi cây gặp rét, nếu bổ sung các ion hóa trị nhỏ như có thể làm giảm độ nhớt và tăng khả năng chống chịu cho cây trồng. Trong thực tiễn, dân gian thường dùng tro bếp để chống rét cho mạ xuân, cơ sở khoa học của kỹ thuật này chính là trong tro bếp chứa nhiều K+ tác động làm giảm độ nhớt tăng tính chống chịu nhiệt độ thấp cho tế bào. Khi cây gặp hạn, lượng nước trong tế bào giảm xuống, làm tăng độ nhớt của chất nguyên sinh, gây ức chế sự trao đổi chất trong tế bào. Lúc này các phản ứng giữ nước cho tế bào bằng cách tăng cường các hợp chất có hoạt tính thẩm thấu như đường, prolin, glycin betain... hay phản ứng đóng khí khổng để hạn chế thoát hơi nước... có thể kìm hãm sự tăng quá cao của độ nhớt chất nguyên sinh, bảo vệ tế bào không bị chết. 1.2.2.2. Tính vận động của chất nguyên sinh Chất nguyên sinh có khả năng vận động. Khả năng này phụ thuộc vào nhiệt độ, hàm lượng oxy do cần sử dụng năng lượng ATP từ quá trình hô hấp. Nhờ sự vận động này mà vật chất trong tế bào có điều kiện lưu thông, để thực hiện trao đổi chất thuận lợi. 1.2.2.3. Tính đàn hồi của chất nguyên sinh Tính đàn hồi là khả năng quay về trạng thái ban đầu sau khi bị lực tác dụng làm biến dạng của chất nguyên sinh. Tính đàn hồi tỷ lệ thuận với tính chống chịu của cây, tỷ lệ nghịch với cường độ trao đổi chất. Tính đàn hồi cho phép tách được các tế bào trần và dung hợp chúng để tạo con lai soma trong công nghệ lai tế bào trần. 1.3. Hoạt động trao đổi nƣớc của tế bào thực vật 1.3.1. Trao đổi nước theo phương thức thẩm thấu 1.3.1.1. Hiện tượng khuếch tán và thẩm thấu Khuếch tán là sự vận chuyển của phân tử vật chất từ nơi có nồng độ cao (thế năng hóa học cao) đến nơi có nồng độ thấp (thế năng hóa học thấp) cho đến khi cân bằng nồng độ trong toàn hệ thống. Ví dụ như sự di chuyển của phân tử tinh dầu trong lọ dầu gió trong phòng hay khi hòa tan đường vào nước (xem thêm trong Mục 2.1 Chương 2). Thẩm thấu là một hiện tượng đặc biệt của khuếch tán, ở đó chất tham gia khuếch tán là nước và nước phải đi qua một màng bán thấm. Màng bán thấm là màng chỉ cho nước và dung môi đi qua mà không cho các chất tan đi qua. Như vậy hiện tượng thẩm thấu là sự khuếch tán của các phân tử nước qua màng bán thấm. Nước nguyên chất là nước có nồng độ cao nhất, trong một dung dịch dung môi là nước thì nếu nồng độ chất tan càng lớn thì nồng độ nước càng nhỏ. Nếu hai dung dịch được ngăn cách nhau bằng một lớp màng bán thấm thì nước sẽ di chuyển từ nơi có nồng độ chất tan thấp/dung dịch loãng hơn (có lượng nước nhiều hơn) đến nơi có nồng độ chất tan cao/dung dịch đậm đặc hơn (có lượng nước ít hơn). Quá trình di chuyển đó của nước gọi là quá trình thẩm thấu. Sự di chuyển của nước qua màng bán thấm từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp gọi là qui luật thẩm thấu. Lực gây ra sự chuyển động của nước qua màng gọi là áp suất thẩm thấu. 1.3.1.2. Áp suất thẩm thấu Một túi được tạo từ một lớp màng bán thấm (feroxyanua đồng), bên trong có chứa dung dịch đường và được gắn với một ống thủy tinh, tạo thành một thẩm thấu kế (Hình 1.20), dựa trên mô tả của Pfeffer, 1877 (Hoàng Minh Tấn và cs., 2006). Khi nhúng túi này vào một cốc nước nguyên chất, thì nước sẽ di chuyển theo qui luật thẩm thấu đi từ ngoài vào trong màng nhanh hơn nước đi từ trong ra ngoài, làm nước trong túi tăng lên, dẫn đến tăng áp suất thủy tĩnh trong túi. Khi áp suất thủy tĩnh trong túi tăng thì nước đi ra ngoài cũng tăng lên, đến một thời điểm nước đi ra và đi vào túi ngang bằng 35 36 nhau thì một cân bằng động được thiết lập. Áp suất thủy tĩnh tương ứng với trạng thái cân bằng động đó được gọi là áp suất thẩm thấu của dung dịch đường trong túi. Mọi dung dịch có chứa chất tan đều tồn tại trong nó một áp suất thẩm thấu (mặc dù không phải qua màng). Dung dịch có áp suất thẩm thấu càng cao, thì khả năng hút nước càng mạnh. Áp suất thẩm thấu của dung dịch được tính theo công thức Vant Hoff (Hoàng Minh Tấn và cs., 2006): п = RTCi (1.1) Trong đó: п: Áp suất thẩm thấu (atm = atmosphere) R: Hằng số khí = 0.0821 T: Nhiệt độ (K) = toC + 273 C: Nồng độ dung dịch tính theo M/l i : Hệ số Vant Hoff biểu thị theo mức độ ion hóa i = 1 + α(n – 1) α = Hệ số điện li n: Số ion mà phân tử phân li, ví dụ với NaCl có n = 2 Với những chất không điện li thì i = 1. Như vậy theo phương trình (1.1) trên đây thì áp suất thẩm thấu phụ thuộc vào nồng độ chất tan trong dung dịch, nhiệt độ dung dịch, sự điện li của dung dịch, theo thời gian và nhịp điệu trong ngày. a) Áp suất thẩm thấu của tế bào thực vật Trong tế bào thực vật trưởng thành có không bào lớn chiếm phần lớn thể tích của tế bào, trong không bào có chứa dịch bào. Do đó, áp suất thẩm thấu của tế bào chính là áp suất thẩm thấu của dịch bào. Nồng độ dịch bào thay đổi theo loại tế bào, loài cây, hoạt động trao đổi chất của tế bào nên áp suất thẩm thấu của tế bào cũng thay đổi theo. Áp suất thẩm thấu của tế bào là động lực qui định sự vận chuyển nước qua lớp màng sinh chất. b) Hệ thống thẩm thấu Tế bào thực vật là một hệ thống thẩm thấu sinh học. Nếu có hai dung dịch hay một dung dịch và nước nguyên chất ngăn cách nhau bằng một lớp màng thì tạo thành một hệ thống thẩm thấu. Hệ thống thẩm thấu ngoài cơ thể thì gọi là hệ thống thẩm thấu vật lý. Ví dụ thẩm thấu kế như mô tả trong trên đây. c) Tế bào thực vật là một hệ thống thẩm thấu sinh học Hình 1.20. Thẩm thấu kế (a) và tế bào thực vật (b) (Hoàng Minh Tấn và cs., 2006) Tế bào thực vật chứa không bào lớn, trong không bào có chứa dịch bào. Bao quanh không bào là lớp chất nguyên sinh mỏng được bọc trong màng tế bào. Dựa theo mô hình thẩm thấu kế (Hình 1.20a), thì dịch bào tương đương dung dịch đường, lớp màng sinh chất bao bọc quanh không bào tương đương lớp màng bán thấm; dung dịch ngâm tế bào tương đương với cốc đựng bọc dung dịch đường trong thẩm thấu kế (Hình 1.20b). Tuy nhiên tế bào thực vật là một phần của cơ thể sống, sự vận chuyển vật chất qua màng sinh chất tuân theo qui luật sinh học. Do đó tế bào thực vật được gọi là một hệ thống thẩm thấu sinh học. d) Sự khác biệt giữa hệ thẩm thấu sinh học ở tế bào thực vật và thẩm thấu vật lý Thành phần của dịch bào rất linh động phụ thuộc vào các hoạt động sống của tế bào nên thay đổi theo loài cây, giai đoạn sinh trưởng phát triển của cây và chịu ảnh hưởng của điều kiện môi trường. Trong khi đó nồng độ dung dịch trong hệ thẩm thấu vật lý là cố định. Điểm khác biệt rất quan trọng của lớp màng sinh chất là nó mang bản chất sinh học nên là một màng bán thấm sinh học. Nghĩa là nó không phải chỉ cho nước mà cho cả chất tan đi qua một cách có chọn lọc. Chỉ những chất có lợi cần thiết cho tế bào mới được đi qua. Đặc tính này bị mất đi khi tế bào bị chết và lúc đó nó sẽ giống như một hệ thẩm thấu vật lý. Hệ thẩm thấu trong tế bào thực vật là hệ thống kín chứ không mở như hệ thẩm thấu vật lý. Nước sau khi được hút vào tế bào sẽ được vận chuyển vào không bào, làm tăng thể tích của tế bào gây nên một áp lực lên thành tế bào làm cản trở sự vận chuyển nước vào tế bào. Như vậy, so với hệ thống thẩm thấu vật lý thì sự trao đổi nước theo qui luật thẩm thấu của tế bào thực vật phức tạp hơn nhiều. 37 38 1.3.1.3. Sự trao đổi nước của tế bào thực vật theo qui luật thẩm thấu Khi đặt tế bào mô thực vật tách rời vào một dung dịch, sự vận chuyển của nước sẽ theo chiều của gradient nồng độ của nước, nghĩa là ngược chiều gradient nồng độ chất tan có trong dịch bào. Khi đó, nếu dung dịch có nồng độ nhỏ hơn nồng độ dịch bào gọi là dung dịch nhược trương; ngược lại gọi là dung dịch ưu trương; còn nếu nồng độ dung dịch và dịch bào bằng nhau gọi là dung dịch đẳng trương. Nếu so sánh áp suất thẩm thấu giữa dịch bào và dung dịch, thì áp suất thẩm thấu của dung dịch nhược trương nhỏ hơn của dịch bào; của dung dịch ưu trương lớn hơn dịch bào và của dung dịch đẳng trương bằng của dịch bào. Nếu ngâm tế bào thực vật vào nước hoặc một dung dịch nhược trương Khi đó tế bào sẽ hút nước vào không bào làm thể tích của không bào tăng, ép ngược trở lại chất nguyên sinh và thành tế bào một lực để chống lại, lực này gọi là sức căng trương nước (T). Nếu áp suất thẩm thấu của dịch bào (п) càng tăng, nước được vận chuyển vào không bào càng lớn thì giá trị T càng tăng, càng làm cản trở quá trình di chuyển của nước vào tế bào. Đến một thời điểm áp suất thẩm thấu dịch bào (п) phát triển hết sức trương nước thì sức căng trương nước T đạt cực đại và sự vận chuyển nước vào tế bào bị ngừng lại. Lúc này tế bào ở trạng thái bão hòa (no) nước và đạt kích thước cực đại. Ta có п = T. Hình 1.21. Minh họa sự trao đổi nước của tế bào thực vật trong dung dịch Khi tế bào ở trạng thái thiếu nước thì п > T và п – T = S, S được gọi là sức hút nước của tế bào. Nếu S = 0, nghĩa là P = T thì tế bào đã bão hòa nước. Do đó, giá trị S luôn luôn lớn hơn hoặc bằng 0. Nếu S càng lớn thì nhu cầu nước của tế bào càng cao. Như vậy, áp suất thẩm thấu đã tạo ra sức hút nước của tế bào. Dựa vào áp suất thẩm thấu hay sức hút nước của tế bào có thể xác định được thời điểm cần cung cấp nước cho cây. Việc này cần thiết để xây dựng một chế độ tưới nước hợp lý cho cây trồng. Trường hợp này tương ứng với trạng thái cây trồng được cung cấp đủ nước, luôn tươi tắn, sinh trưởng phát triển tốt (Hình 1.21a). Nếu ngâm tế bào vào dung dịch đẳng trương Khi đó sự di chuyển của nước vào và ra khỏi tế bào là bằng nhau nên kích thước tế bào không thay đổi (Hình 1.21b). Nếu ngâm tế bào thực vật vào một dung dịch ưu trương Khi đó theo qui luật thẩm thấu, nước từ trong tế bào sẽ vận chuyển ra ngoài làm cho chất nguyên sinh co lại tách ra khỏi thành tế bào gây nên hiện tượng co nguyên sinh (Hình 1.21c). Có ba trạng thái co nguyên sinh (Hình 1.22): Co nguyên sinh góc là chất nguyên sinh tách ra khỏi thành ở các góc tế bào làm màng ở vị trí này hơi lõm xuống. Đây là trạng thái quan sát được lúc bắt đầu co nguyên sinh, nghĩa là tế bào vừa được đặt vào dung dịch. Nếu nước tiếp tục ra ngoài, làm tế bào bị mất nước nhiều hơn, chất nguyên sinh lõm sâu xuống, gọi là co nguyên sinh lõm. Tế bào tiếp tục bị mất nước, tế bào chất tách hoàn toàn khỏi thành tế bào gây nên hiện tượng co nguyên sinh lồi. Như vậy có thể thấy, việc tế bào chất co nguyên sinh nhiều hay ít, ở trạng thái co nguyên sinh nào phụ thuộc vào độ chênh nồng độ giữa dung dịch ưu trương và dịch bào. Nếu đem tế bào thả vào dung dịch nhược trương thì tế bào lại trở về trạng thái ban đầu gọi là hiện tượng phản co nguyên sinh. Co nguyên sinh và phản co nguyên sinh chỉ xảy ra ở các tế bào sống. Khi tế bào chết cả hai hiện tượng này đều không còn. Hình 1.22. Các trạng thái co nguyên sinh chất của chất nguyên sinh 39 40 Trong cơ thể thực vật, sự trao đổi nước giữa tế bào rễ cây và dung dịch keo đất cũng tuân theo qui luật vận chuyển nước của tế bào mô thực vật tách rời đặt trong dung dịch, như mô tả trên đây. Tuy nhiên do quá trình thoát hơi nước ở lá diễn ra rất mạnh nên sự di chuyển của nước từ dung dịch đất vào dịch bào có một số điểm khác làm cho dung dịch của dịch bào thường xuyên lớn hơn dung dịch đất. Do đó, nước luôn có xu thế vận chuyển vào trong tế bào rễ. Trong trường hợp bị hạn, quá trình hút nước của cây giảm làm tế bào xẹp lại, lá, thân non rủ xuống đó là trạng thái cây bị héo. 1.3.1.4. Trao đổi nước theo phương thức hút trương Khái niệm: Hút trương là sự hút nước của các cao phân tử ưa nước hay của các mao quản chưa đạt trạng thái bão hòa đến khi no nước. Tế bào chất được cấu tạo từ các cao phân tử ưa nước như protein, acid nucleic, đường, nucleoprotein... Khi những hợp chất này chưa bão hòa nước thì chúng luôn có xu thế hút nước đến khi bão hòa, tạo thành các hạt keo nguyên sinh chất. Đây là một động lực thường xuyên đưa nước vào tế bào. Theo cấu trúc thành tế bào như đã được mô tả trong Mục 1.1.1 của chương này, trên thành luôn tồn tại hệ thống các mao quản (kẽ hở nhỏ), chúng hút nước bằng lực mao quản. Khi mao quản và các hạt keo nguyên sinh chất chưa bão hòa nước thì chúng hút nước vào đến khi bão hòa. Sau đó, do hoạt động trao đổi chất của tế bào và sự vận chuyển nước sang các tế bào khác (do tế bào bị mất nước từ quá trình thoát hơi nước ở lá cây) chúng lại thiếu bão hòa, và lại hút nước vào để đạt bão hòa. Cứ như vậy, trạng thái bão hòa và chưa bão hòa luôn tồn tại trong tế bào thực vật. Nhờ đó quá trình trao đổi nước thường xuyên được diễn ra trong tế bào và cơ thể thực vật. Cả hai hiện tượng hút nước của các hạt keo nguyên sinh chất và mao quản trên thành tế bào gọi là sự trao đổi theo phương thức hút trương. Ở các tế bào còn non chưa xuất hiện không bào nên chưa thể hút nước theo phương thức thẩm thấu thì sự trao đổi nước chủ yếu diễn ra theo phương thức hút trương. Tương tự như ở các bào quan sự trao đổi nước cũng diễn ra theo cơ chế hút trương, tuy nhiên do không có mao quản nên chỉ nhờ các hạt keo. Ngoài ra, ở thực vật còn có hiện tượng xitoriz. Đây là hiện tượng tế bào mất nước do bay hơi trong môi trường không khí khô. Lúc đó tế bào mất nước rất nhanh, nhăn nheo lại. Trong hiện tượng này T < 0 => S = п + T. 1.4. Hoạt động trao đổi chất tan của tế bào thực vật Sự hấp thụ và loại thải các chất tan vào và ra khỏi tế bào là tính thấm của tế bào. Màng tế bào có tính thấm chọn lọc, nghĩa là chỉ cho chất tan có lợi cho tế bào đi vào và loại đi các chất có hại - sản phẩm của quá trình trao đổi chất ra khỏi tế bào. 1.4.1. Sự hấp thu chất tan vào tế bào theo cơ chế thụ động Trong tế bào thực vật sự hấp thu thụ động các chất tan có thể theo gradient thế năng hóa học (thế hóa) hoặc hiệu điện thế (thế điện). Nồng độ các chất tan càng cao thì có thế năng hóa học càng cao. Hiệu điện thế xuất hiện do sự phân bố không đồng đều của các điện tích giữa trong và ngoài màng. Hiệu điện thế là động lực cho sự xâm nhập của các ion tích điện trái dấu qua màng tế bào. Các chất vận chuyển từ nơi có thế năng hóa học/hiệu điện thế cao đến nơi có thế năng hóa học và hiệu điện thế thấp hơn. Về bản chất, đây là cơ chế khuếch tán của chất tan qua màng sinh chất (Hình 1.23). Hình 1.23. Sự vận chuyển chất tan qua màng tế bào Sự trao đổi chuyển chất tan theo phương thức khuếch tán bị động qua màng tế bào có các đặc điểm đặc trưng sau: Không cần năng lượng ATP của tế bào, do đó không phụ thuộc vào quá trình trao đổi chất của tế bào; Phụ thuộc chặt chẽ vào gradient nồng độ chất tan, và chiều vận chuyển theo chiều gradient chất tan. Chỉ vận chuyển các ion có tính thấm qua màng sinh học. Do trong tế bào hệ thống màng sinh học được cấu tạo bởi chủ yếu là phospholipid nên các ion chất tan phải hòa tan trong lipid mới được vận chuyển qua màng. Tốc độ vận chuyển ở cơ chế này phụ thuộc vào các yếu tố sau đây: - Gradient nồng độ chất tan: nếu sự chênh lệch nồng độ chất tan càng lớn thì các chất tan xâm nhập qua màng càng nhanh; 41 42 - Kích thước phân tử chất tan: nếu kích thước phân tử chất tan càng nhỏ thì tốc độ xuyên qua màng càng nhanh, và ngược lại. Nếu phân tử chất tan có kích thước lớn thì cần có sự hỗ trợ khác mới xuyên được qua màng, và có thể không vận chuyển được nếu kích thước quá lớn; - Tính tan của ion chất tan trong lipid càng cao thì tốc độ vận chuyển càng lớn; Các yếu tố này cũng chính là điều kiện để các chất tan được vận chuyển qua màng tế bào. Sự khuếch tán có xúc tác trong tế bào Trong tế bào sự vận chuyển chất tan qua màng theo cơ chế khuếch tán bị động mặc dù vẫn đảm bảo các điều kiện như mô tả trên đây, nhưng vẫn có thể cần đến sự hỗ trợ khác để thúc đẩy quá trình vận chuyển diễn ra nhanh hơn. Đó là sự khuếch tán có xúc tác (Hình 1.23). Quá trình vận chuyển này không cần sự tham gia của năng lượng ATP nên vẫn là cơ chế vận chuyển bị động. Ionophor: Là các chất hữu cơ trên màng có thể dễ dàng liên kết với một hoặc một số ion để vận chuyển qua màng mà không cần năng lượng, những chất này còn được gọi là chất mang (Hình 1.23). Sự liên kết này mang tính đặc hiệu cao. Khi các chất mang này tác động lên màng làm tính thấm của màng tăng lên, tạo điều kiện cho các chất tan dễ dàng vận chuyển qua màng. Kênh ion: Trên màng sinh học còn tồn tại các lỗ xuyên màng có kích thước khác nhau tạo nên các kênh vận chuyển ion qua màng (Hình 1.23). Kênh này vận chuyển có chọn lọc theo kích thước, nghĩa là chỉ những ion có kích thước nhỏ hơn đường kính của kênh mới được xuyên qua và mang tính đặc hiệu. Mỗi kênh có một cơ chế hoạt động riêng. Sự đóng mở kênh có thể đòi hỏi các điều kiện cụ thể khác nhau và có thể bị chi phối bởi điều kiện môi trường. Thế xuyên màng: Sự vận chuyển của các ion qua màng, tạo nên sự chênh lệch ion giữa trong và ngoài màng. Sự chênh lệch này hình thành một hiệu điện thế xuyên màng. Hiệu điện thế xuyên màng thường âm phía bên trong tế bào và có giá trị giao động từ 50 đến 200 mV (Hoàng Minh Tấn và cs., 2006). Nhờ hiệu điện thế xuyên màng mà các cation được vận chuyển xuôi chiều gradient điện trường từ ngoài vào trong, còn anion kết hợp với ion H+ để tạo thành cation rồi vận chuyển vào trong tế bào. 1.4.2. Sự trao đổi chất tan vào tế bào thực vật theo cơ chế chủ động Sự trao đổi chất tan vào tế bào thực vật theo cơ chế chủ động là sự di chuyển chất tan qua màng cần có sự tham gia của năng lượng ATP (Hình 1.23). Khác hẳn sự vận chuyển khuếch tán bị động, sự vận chuyển chủ động này có thể ngược chiều gradien nồng độ và phụ thuộc chặt chẽ vào sự trao đổi chất của tế bào do bắt buộc phải có sự tham gia của năng lượng ATP (Hình 1.23). Ngoài ra quá trình này còn có tính đặc hiệu cho từng loại tế bào và từng ion chất tan, các chất tan được vận chuyển có thể tan hoặc không tan trong lipid. Ví dụ như sự vận chuyển của các chất khoáng khi ta bón phân cho cây, hay sự hấp thụ chất khoáng của các cây ngập mặn. Trong quá trình vận chuyển chủ động năng lượng ATP dùng để hoạt hóa chất mang làm cho chất mang có thể liên kết được với ion để tạo phức ion - chất mang; hoạt hóa kênh protein trên màng làm mở kênh để ion xuyên qua màng. Năng lượng ATP cho quá trình vận chuyển này được lấy từ quá trình hô hấp nên nó sẽ bị kìm hãm hoặc ức chế hoàn toàn khi hoạt động hô hấp bị giảm hoặc ngừng trong trường hợp cây thiếu oxy. Hiện tượng này thường gặp khi cây gặp úng, môi trường đất bị yếm khí, hô hấp của rễ bị ức chế nên cơ chế hấp thụ chất tan chủ động cũng bị ức chế. Do đó, trong thực tiễn khi bón phân cho cây trồng để tăng cường hiệu quả hấp thụ các ion khoáng, cần đảm bảo bảo môi trường đất tơi xốp thoáng khí bằng các kỹ thuật như xới xáo, làm cỏ xục bùn...; hay phá váng nước sau mưa để giảm thiểu tác hại của ngập úng đến cây trồng (xem thêm trong Mục 7.6, Chương 7). Vận chuyển chủ động theo quan điểm chất mang Quan điểm chất mang là quan điểm được thừa nhận rộng rãi nhất từ trước đến nay. Theo quan điểm này, trên màng tế bào tồn tại các chất đặc biệt làm nhiệm vụ vận chuyển chất tan qua màng, gọi là chất mang. Chất mang có bản chất là protein, thường kết hợp với ion ở bên ngoài màng và ly giải ra ở bên trong màng (Hình 1.24). Hình 1.24. Quá trình vận chuyển chất tan theo cơ chế chủ động nhờ chất mang có hai điểm kết hợp Trong hình: (a). Phân tử chất mang là protein xuyên màng có hai vị trí kết hợp; (b). Ion kết hợp với chất mang ở một vị trí kết hợp; (c). Chất mang được hoạt hóa bằng năng lượng ATP để tạo phức chất mang − ATP - ion 2; (d). Phức chất mang − ATP - ion giải phóng ion vào tế bào; (e). Chất mang kết hợp ion khác ở vị trí kết hợp thứ hai; (f). Tạo phức chất mang – ATP - ion 2; (g). Chất mang giải phóng năng lượng đồng thời giải phóng ion 2 ra ngoài tế bào. 43 44 Quá trình này được tóm tắt thành các giai đoạn sau: Hoạt hóa chất mang: Chất mang + ATP Chất mang* + ADP Tạo phức ion – chất mang: Chất mang* + ion Chất mang* - ion Giải phóng ion: Photphatase Chất mang* - ion Chất mang + ion (được giải phóng vào tế bào) Trong quá trình vận chuyển trên năng lượng ATP dùng để hoạt hóa chất mang làm cho chúng có thể kết hợp được với ion để tạo thành một phức chất ion - chất mang (Hình 1.24c). Sự kết hợp giữa ion và chất mang tương tự như sự kết hợp giữa enzyme và cơ chất, nó cũng mang tính đặc hiệu và hiệu ứng bão hòa. Tính đặc hiệu là một vị trí kết hợp trên chất mang chỉ có thể kết hợp được với với 1 ion mà nó vận chuyển thôi. Có những chất mang có hai vị trí kết hợp thì nó có thể vận chuyển được 2 ion có điểm kết hợp phù hợp (Hình 1.24). Hiệu ứng bão hòa là nếu ion được vận chuyển vào tế bào quá nhiều đến một nồng độ nhất định nó sẽ đạt trạng thái bão hòa, khi đó nó sẽ không được vận chuyển nữa cho đến khi nồng độ của nó bị giảm đi trong tế bào. 1.4.3. Quan điểm hiện đại về sự trao đổi chất khoáng vào tế bào thực vật Quan điểm hiện đại cho rằng trao đổi các chất tan là một quá trình sinh lý rất phức tạp, nó liên quan đến toàn bộ hoạt động sống của tế bào, đặc biệt là hô hấp do có liên quan đến cung cấp năng lượng ATP cho quá trình vận chuyển chủ động. Trong quá trình vận chuyển, kể cả vận chuyển theo phương thức khuếch tán bị động, đều có sự tham gia của các protein nằm trên trên màng tế bào (Hình 1.25). Do vậy các protein vận chuyển xuyên màng giữ vai trò quan trọng trong quá trình trao đổi chất của tế bào. Trong tế bào một số lượng gen đáng kể của bộ gen chịu trách nhiệm mã hóa protein vận chuyển. Chẳng hạn, ở sinh vật prokaryote, Haemophilus influenzae, dạng sống đầu tiên được giải trình tự toàn bộ hệ gen, chỉ có 1734 gen thì trên 10% trong số này mã hóa protein có liên quan đến chất vận chuyển qua màng (Taiz và Zeiger, 2010). Ở Arabidopsis, loài cây mô hình phổ biến nhất trong nghiên cứu sinh học thực vật có 849 gen chiếm 4.8% tổng số gen trong tế bào mã hóa chất vận chuyển qua màng (Taiz và Zeiger, 2010). Các protein vận chuyển trên màng tế bào được chia làm 3 loại: protein chất mang, protein kênh xuyên màng, protein bơm xuyên màng (Hình 1.25). Trong đó protein chất mang và protein kênh xuyên màng tham gia vào quá trình vận chuyển bị động, còn protein bơm xuyên màng tham gia vào quá trình vận chuyển chủ động. Hình 1.25. Các loại protein vận chuyển trên màng tế bào Các protein kênh vận chuyển xuyên màng tế bào Protein kênh vận chuyển xuyên màng (Hình 1.25) thực chất là các protein xuyên màng có cấu tạo đặc biệt tạo thành một lỗ trên màng tham gia vận chuyển chọn lọc chất tan qua màng. Kích thước của lỗ và mật độ điện tích bề mặt bên trong của màng quyết định tính đặc hiệu của chất tan/ion mà nó vận chuyển. Vận chuyển qua protein kênh xuyên màng nhanh hơn rất nhiều so với vận chuyển qua protein chất mang. Chẳng hạn vận chuyển qua chất mang điển hình có tốc độ 100- 1000 ion/phân tử chất mang/1 giây. Tốc độ này chậm hơn 106 lần so với vận chuyển qua kênh protein xuyên màng (Taiz và Zeiger, 2010). Một kênh protein xuyên màng vận chuyển được 108 ion/giây(Taiz và Zeiger, 2010). Sự mở và đóng kênh vận chuyển xuyên màng đòi hỏi tín hiệu chuyên biệt. Chẳng hạn khi cây bị căng thẳng về nước, abscisic acid (ABA) được tổng hợp nhiều hơn trong cây và đóng vai trò hoạt hóa kênh vận chuyển K+, làm K+ vận chuyển ra khỏi tế bào khí khổng, kéo theo nước ra ngoài, làm khí khổng đóng để giảm thoát hơi nước, giữ nước bảo vệ cây (Osakabe và cs., 2013). Ngoài ra nhiều tác giả khác cho rằng ABA còn kích hoạt cả kênh vận chuyển Ca2+, và anion tham gia vào quá trình làm giảm sức trương nước của tế bào khí khổng gây đóng khí khổng (Murata và cs., 2001; Vishwakarma và cs., 2017). Các protein chất mang Khác với protein kênh xuyên màng protein chất mang không tạo thành kênh. Trong quá trình vận chuyển nhờ chất mang, mỗi chất vận chuyển ion chất tan kết hợp với một điểm trên protein chất mang. Do vậy, protein chất mang có tính đặc hiệu cao với cơ chất (ion hoặc chất tan) mà nó vận chuyển. Tuy nhiên, protein vận chuyển cũng có thể vận chuyển một vài ion/chất tan thuộc cùng họ hàng. Ví dụ, ở thực vật, protein chất mang vận chuyển ion K+ trên màng sinh chất có thể vận chuyển cả Rb+ và Na+ thêm cùng K+, nhưng K+ thường được ưu tiên hơn. 45 46 Ngược lại protein này lại không thể vận chuyển anion như Cl- hay chất tan không mang điện tích như đường sucrose. Khi ion kết hợp với chất mang làm thay đổi cấu tạo của protein chất mang, nhờ sự thay đổi này mà ion được vận chuyển sang bên kia của màng. Protein bơm xuyên màng Protein bơm xuyên màng (Hình 2.25) là những phân tử protein nằm trên màng tham gia vận chuyển tích cực chất tan qua màng, trong đó nó sử dụng trực tiếp năng lượng ATP để bơm chất tan ngược chiều gradient thế năng điện hóa hay nồng độ chất tan. Nhìn chung quá trình vận chuyển chất tan như các chất khoáng ở rễ diễn ra rất phức tạp. Hiện nay, cơ chế của các quá trình vận chuyển đó đang dần dần được làm sáng tỏ. Thậm chí các protein vận chuyển kể trên được mã hóa bởi gen nào, tín hiệu kích hoạt nó là gì, chúng hoạt động ra sao cũng đã được nhiều nghiên cứu thực hiện. Trong giới hạn chương trình không cho phép chúng tôi đi nghiên cứu quá sâu về các quá trình đó. Bạn đọc quan tâm có thể tìm đọc các bài báo bằng tiếng Anh trên các tạp chí quốc tế uy tín. 1.5. Nuôi cấy tế bào - mô thực vật 1.5.1. Giới thiệu chung 1.5.1.1. Khái niệm Nuôi cấy tế bào - mô thực vật là phương thức nuôi cấy in vitro tế bào, mô, cơ quan hoặc toàn bộ cơ thể thực vật trong môi trường dinh dưỡng và điều kiện vô trùng có kiểm soát. Khởi đầu bằng công bố thí nghiệm nuôi cấy tế bào đơn và đề suất Giả thuyết về tính toàn năng của tế bào của nhà khoa học người Đức - Haberland, G, 1902, Viện Hàn lâm Khoa học Đức. Tuy thí nghiệm của ông không thành công, nhưng các nhà khoa học sau đó đã chứng minh được bằng thực nghiệm, và ông được coi như là “cha đẻ” của nuôi cấy tế bào - mô thực vật. Trải qua một thời gian dài nghiên cứu cho đến những thập kỷ cuối của thế kỷ XX, nuôi cấy tế bào - mô thực vật đã được ứng dụng rất rộng rãi như một lĩnh vực quan trọng của công nghệ sinh học thực vật. 1.5.1.2. Cơ sở sinh học của nuôi cấy tế bào - mô thực vật Trước đây khi đề cập đến cơ sở khoa học của nuôi cấy tế bào - mô thực vật, người ta thường nhắc đến tính toàn năng của tế bào hoặc sự trẻ hóa tế bào. Mặc dù thừa nhận nền tảng của nuôi cấy mô, tế bào thực vật là tính toàn năng của tế bào tuy nhiên về mặt sinh học để nuôi cấy thành công một tế bào hay mô, cơ quan thực vật thì phải dựa vào nhiều hơn thế các quá trình sinh học. Sự trẻ hóa tế bào thực chất là kết quả của quá trình phản phân hóa tế bào. Thực tế cho thấy, ngoài những quá trình sinh học để tái sinh in vivo một cơ thể như phân chia, kéo giãn tế bào để đưa đến sự sinh trưởng cùng với sự phân hóa tế bào để tạo nên sự phát triển thì trong nuôi cấy tế bào - mô thực vật cần có sự phản phân hóa và tái phân hóa lại tế bào thực vật. Đó là toàn bộ cơ sở sinh học để nuôi cấy thành công tế bào, mô thực vật trong môi trường in vitro được cung cấp đầy đủ các điều kiện cần thiết khác, tóm tắt trong Hình 1.26. Tính toàn năng của tế bào được hiểu rằng tất cả các tế bào cấu tạo cơ thể thực vật đều chứa toàn bộ thông tin di truyền đủ để mã hóa hình thành một cơ thể hoàn chỉnh. Ở các mô chức năng trong cơ thể thực vật chỉ một phần tiềm năng di truyền đó được biểu hiện qui định một chức năng nhất định. Theo đó, mỗi tế bào khi tách ra khỏi cơ thể nếu được nuôi cấy trong điều kiện thích hợp thì có thể phát triển thành một cơ thể hoàn chỉnh có khả năng sinh sản. Hình 1.26. Cơ sở sinh học của nuôi cấy mô, tế bào thực vật Được nghiên cứu rất nhiều nhưng giả thiết tính toàn năng của tế bào thực vật chỉ được chứng minh hoàn chỉnh nhất bởi nghiên cứu của Vasil và cs., 1965 khi thu được cây thuốc lá có thể ra hoa bình thường từ nuôi cấy tế bào đơn trong điều kiện in vitro (Vasil và Hildebrandt, 1965). Sự sinh trưởng (phân chia và kéo giãn tế bào) và sự phát triển (phân hóa) của tế bào, mô nuôi cấy in vitro tương tự như ở tế bào, mô in vivo (xem phần 6.1, Chương 6). Sự phân hóa, phản phân hóa và tái phân hóa Phân hóa (differenciation) là quá trình biến đổi từ một tế bào mới được sinh ra từ mô phân sinh, chưa thực thiện được chức năng thành tế bào có thể thực hiện được chức năng ở một mô nào đó. Phản phân hóa (dedifferenciation) là quá trình chuyển một tế bào mô chức năng thành tế bào chỉ có khả năng phân chia (tế bào mô phân sinh). Ví dụ như tế bào mô đồng hóa ở lá trưởng thành không có khả năng phân chia được nuôi cấy trong môi trường có tổ hợp hormone phù hợp sẽ chuyển hóa thành tế bào mô phân sinh (mô sẹo), phân chia liên tục. Sau khi phân chia để tăng số lượng tế bào, tế bào mô sẹo lại được phân hóa để hình thành phôi vô tính, chồi hay rễ, quá trình này gọi là quá trình tái phân hóa (redifferenciation). Trong điều kiện in vitro quá trình sự phân hóa, phản phân hóa và tái phân hóa phụ thuộc chặt chẽ vào thành phần phytohormone bổ sung vào môi trường nuôi cấy. 1.5.1.3. Các điều kiện cần thiết để thực hiện nuôi cấy tế bào - mô thực vật Để thực hiện nuôi cấy tế bào - mô thực vật cần có các điều kiện sau: 47 48 Người thực hiện cần có hiểu biết cơ bản về nuôi cấy tế bào - mô thực vật, thành thạo các kỹ thuật nuôi cấy tế bào - mô thực vật. (a) (b) Hình 1.27. Box cấy vô trùng (a) và phòng nuôi cây (b) Trang thiết bị, phòng thí nghiệm: Cần đảm bảo đầy đủ cơ sở vật chất để thực hiện nuôi cấy tế bào - mô thực vật như: hệ thống phòng thí nghiệm đạt tiêu chuẩn: phòng cấy mẫu với box cấy vô trùng (Hình 1.27 a); phòng nuôi cây (Hình 1.27 b) với hệ thống điều chỉnh nhiệt độ (điều hòa), ánh sáng, giàn đặt mẫu cách ly để vô trùng; phòng chuẩn bị môi trường với các tủ đựng hóa chất, máy chỉnh độ pH, nồi hấp khử trùng môi trường, tủ sấy dụng cụ...; khu vực rửa dụng cụ cách ly để đảm bảo vệ sinh...; khu vực luyện cây, vườn ươm. Hóa chất: Gồm thành phần môi trường nuôi cấy in vitro và các loại hóa chất để khử trùng mẫu: môi trường nuôi cấy gồm giá thể (agar, phytagel...); đường; các khoáng đa lượng, khoáng vi lượng; các vitamin và không thể thiếu các chất điều hòa sinh trưởng như auxin (Indole-3-acetic acid (IAA), Indole-3-butyric acid (IBA), α-naphthaleneacetic acid (NAA), 2,4-dichlorophenoxyacetic acid (2,4-D)...), cytokinin (Benzin amino purin (BAP), adenine purin (AP), zeatin (Z), kinetin (Ki), Thidiazuron (TDZ)...). Tùy theo từng loại cây và cơ quan nuôi cấy mà người ta có thể sử dụng các loại môi trường riêng. Trong đó môi trường cơ bản MS (Murashige Skoog) (Bảng 1.1) được dùng rất phổ biến cho nhiều đối tượng cây trồng, môi trường WPM (woody plant medium) thường dùng để nuôi cấy cây thân gỗ... Hóa chất khử trùng mẫu gồm các chất tẩy rửa như: xà phòng, javen; cồn (cồn khử trùng và cồn đốt); H2O2, NaClO, HgCl2... và các hóa chất khác đệm pH, NaOH, HCl... Dụng cụ: Gồm dụng cụ cấy mẫu: banh cấy, dao cắt mẫu, lưỡi dao, khay inox; đèn cồn; bình đựng mẫu, các chai lọ đựng hóa chất, đũa thủy tinh khuấy môi trường... Bảng 1.1. Thành phần các chất trong môi trường MS STT Tên hợp chất Đơn vị (mg/l) STT Tên hợp chất Đơn vị (mg/l) Khoáng đa lượng Khoáng vi lượng 1 CaCl2 332.02 10 KI 0.83 2 KH2PO4 170.00 11 MnSO4.H2O 16.90 3 KNO3 1900.000 12 Na2MoO4.H2O 0.25 STT Tên hợp chất Đơn vị (mg/l) STT Tên hợp chất Đơn vị (mg/l) 4 MgSO4 180.54 13 ZnSO4.7H2O 8.60 5 NH4NO3 1650.000 Vitamin Khoáng vi lượng 14 Glycine 2.00 6 CoCl2.6H2O 0.025 15 Myo-Inositol 100.00 7 CuSO4.5H2O 0.025 16 Nicotinic acid 0.50 8 FeNaEDTA 36.70 17 Pyridoxine HCl 0.50 9 H3.BO3 6.20 18 Thiamine HCl 0.10 (Theo Murashige Skoog, 1962) 1.5.2. Các bước thực hiện nuôi cấy tế bào - mô thực vật Để tiến hành nuôi cấy tế bào - mô thực vật cần thực hiện các bước cơ bản như mô tả trong Hình 1.28. Hình 1.28. Các bước nuôi cấy tế bào - mô thực vật Chọn lọc cây mẹ: Để sản phẩm nuôi cấy có giá trị cao thì mẫu cấy cần có nguồn gốc rõ ràng và từ cây trội có nhiều đặc tính quí. Chọn loại vật liệu khởi đầu: Tùy theo loài và mục đích nuôi cấy để chọn các bộ phận vào mẫu thích hợp, có thể là hạt, chồi bánh tẻ, mảnh lá hoặc rễ... Chuẩn bị môi trường nuôi cấy: Môi trường nuôi cấy bao gồm giá thể (agar) chứa đường cung cấp nguồn carbon cho mẫu cấy; các nguyên tố khoáng đa lượng, vi lượng, các vitamin và các chất điều hòa sinh trưởng. Tùy theo loài, loại mẫu và mục đích nuôi cấy để 49 lựa chọn thành phần môi trường và nhất là loại và nồng độ chất điều hòa sinh trưởng phù hợp. Sau khi điều chỉnh pH phù hợp (thường là 5.8), môi trường được hấp khử trùng ở 121oC trong 20 phút. Khử trùng mẫu nuôi cấy (vào mẫu): Đây là bước làm sạch mẫu trước khi đưa vào môi trường in vitro: loại đi các bụi bẩn, tác nhân vi sinh vật (nấm, vi khuẩn...) bằng cách xử lý với các loại hóa chất ở nồng độ và thời gian phù hợp. Cấy mẫu vào môi trường phù hợp: Tùy theo mục đích nuôi cấy, mẫu có thể được chuyển sang môi trường cảm ứng tạo chồi (trẻ hóa mẫu) hoặc tạo đa chồi, cảm ứng tạo mô sẹo, hay cảm ứng tạo phôi vô tính. Mẫu sau khi tạo mô sẹo có thể được chuyển tiếp sang môi trường tạo phôi vô tính, sau đó tạo chồi hoặc tái sinh chồi trực tiếp từ mô sẹo. Chồi sau khi thu được sẽ được chuyển sang giai đoạn nhân nhanh nếu là mục đích vi nhân giống. Hoặc được chuyển ngay sang môi trường tạo rễ, để tạo cây hoàn chỉnh. Tạo cây hoàn chỉnh (tạo rễ): Các chồi đạt chiều cao khoảng 2-3 cm, khỏe mập được chuyển sang môi trường tạo rễ. Môi trường tạo rễ thường chứa auxin, tuy nhiên cũng có những loài dễ tính có thể ra rễ ngay trên môi trường không chứa chất điều hòa sinh trưởng. Mỗi chồi sau khi ra rễ sẽ tạo thành cây hoàn chỉnh. Luyện cây: Đây là một bước khá quan trọng có ý nghĩa quyết định tỷ lệ sống của cây con. Vì cây con vừa được tạo ra vốn đang sống trong điều kiện in vitro, trong phòng thí nghiệm khá lý tưởng về nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng và sạch... Do vậy, để chúng thích nghi với điều kiện tự nhiên cần có bước cho chúng làm quen (thích nghi dần) với môi trường mới. Tùy theo loài, điều kiện thí nghiệm giai đoạn này có thể được thực hiện bằng cách mở nắp bình cây trong phòng nuôi cấy, đưa chúng ra môi trường ngoài phòng thí nghiệm tiếp xúc với ánh sáng yếu, nhiệt độ vừa phải gần với điều kiện phòng cây trước khi chuyển ra đất. Trồng cây ra đất: Cây con được nhẹ nhàng lấy ra khỏi bình sau đó trồng trên giá thể là đất mùn trộn với các phế phẩm hữu cơ như vụn xơ dừa, chấu hun, hoặc dớn (với các loài lan)... Ở các phòng thí nghiệm trang bị tốt, có thể thêm một phòng đệm (buồng sinh trưởng) để nuôi cây trong giá thể đất mùn (được khử trùng), để đảm bảo cây thích ứng sinh trưởng tốt trong điều kiện ex vitro trước khi chuyển chúng ra ngoài tự nhiên. Hoặc chuyển ngay cây con đã thích nghi ra nhà kính có điều chỉnh ánh sáng, độ ẩm thích hợp. 1.5.3. Các phương thức nuôi cấy tế bào - mô thực vật Về nguyên tắc, mọi tế bào, mô thực vật đều có thể được nuôi cấy để tạo cây hoàn chỉnh. Tuy nhiên, tìm được điều kiện môi trường thích hợp để tái sinh thành công là vấn đề căn bản. Trong thực tiễn nghiên cứu và ứng dụng, các phương thức nuôi cấy tế bào - mô thực vật (Hình 1.29) gồm có nuôi cấy mô phân sinh đỉnh chồi (Hình 1.30) hoặc đỉnh rễ, nuôi cấy hạt (nuôi cấy phôi hữu tính), nuôi cấy tạo phôi vô tính (Hình 1.31), nuôi cấy mô sẹo, nuôi cấy bao phấn, nuôi tế bào trần, nuôi cấy hạt phấn, nuôi cấy cơ quan gồm nuôi cấy thân, rễ, lá, nội nhũ, ống phấn, bao phấn...). 50 Hình 1.31. Nuôi cấy tạo phôi soma cây cà chua microtom (Khuong và cs., 2013) a. Phôi hình cầu; b. phôi hình tim; c. phôi hình cá đuối; d. phôi hình thành lá mầm non; e. phôi trưởng thành với mô phân sinh chồi (e1) và hai lá mầm (e2); f. chồi non thu được từ phôi vô tính; g. Cây con có nguồn gốc từ phôi vô tính được trồng trong đất. Hình 1.29. Các phương thức nuôi cấy tế bào - mô thực vật (NCTBM TV) Hình 1.30. Phương thức nuôi cấy mô phân sinh 51 52 Tùy theo mục đích nuôi cấy mà người ta lựa chọn phương thức phù hợp. Thông thường để nhân giống vô tính hay chọn nuôi cấy mô phân sinh chồi (chồi mắt, chồi ngủ) vì khả năng tái sinh của mô mạnh nên dễ thành công và ít bị các biến đổi di truyền trong quá trình nuôi cấy, hơn nữa có thể dễ dàng lựa chọn được cây mẹ tốt so với nuôi cấy từ hạt. 1.5.4. Các hướng nghiên cứu và ứng dụng của nuôi cấy tế bào - mô thực vật Hiện nay, nuôi cấy tế bào - mô thực vật đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi, mang lại những thành tựu to lớn ở cả Việt Nam và trên thế giới. Trong đó các hướng nghiên cứu ứng dụng chính được tóm tắt trong Bảng 1.2. 1.5.4.1. Nhân giống in vitro (nhân giống vô tính, vi nhân giống) Đây là lĩnh vực ứng dụng đầu tiên và hiệu quả nhất hiện nay. Ưu điểm của phương pháp này là trong một thời gian ngắn có thể tạo ra một lượng cây giống lớn đồng đều về hình thái và di truyền. Ngoài ra, nó không phụ thuộc nhiều vào điều kiện thời tiết, có thể tiến hành quanh năm. Phương pháp này càng trở nên ưu việt khi muốn nhân nhanh những giống cây trồng quý hiếm hoặc khó hay không thể nhân được bằng các phương pháp khác. Với các cây lâm nghiệp dòng trội sử dụng phương thức nhân giống in vitro cho hiệu quả rất cao và đang được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất như bạch đàn, keo lai, keo tai tượng, keo lá chàm... Bảng 1.2. Tóm tắt các hướng nghiên cứu và ứng dụng của NCMTB TV STT Hƣớng nghiên cứu Ứng dụng 1 Nhân giống in vitro Tạo cây con số lượng lớn tương đối đồng đều, sản xuất ở qui mô công nghiệp. 2 Tạo cây sạch bệnh Tạo cây con không bị nhiễm bệnh. 3 Tạo cây đơn bội Tạo cây con từ ống phấn. 4 Tạo thể lai soma Dung hợp tế bào trần. 5 Bảo tồn nguồn gen quí hiếm Bảo tồn in vivo và in vitro. 6 Cứu phôi có sức sống kém Cứu phôi lai xa, phôi non, phôi khó tái sinh. 7 Cải thiện giống cây trồng bằng chuyển gen Tạo cây chuyển gen mang đặc tính chống chịu, năng suất tốt hơn. 8 Cải thiện giống cây trồng bằng chọn dòng tế bào Tạo giống mới chống chịu điều kiện bất lợi tốt hơn. 9 Sản xuất chất chuyển hóa Tạo sản phẩm ứng dụng trong dược phẩm, mỹ phẩm. 1.5.4.2. Tạo cây trồng sạch bệnh để phục tráng giống Nuôi cấy tế bào - mô thực vật luôn được tiến hành trong điều kiện vô trùng, cây con tạo ra không nhiễm một loại nấm hay vi sinh vật nào nên là cây sạch bệnh. Đặc biệt nuôi cấy mô phân sinh có thể tạo ra cây con hoàn toàn sạch virút, một tác nhân sinh vật khó loại trừ nhất trong các phương pháp nhân giống truyền thống. Cơ sở của cơ chế này đến nay vẫn chưa được giải thích rõ ràng. Một số nguyên nhân được xét đến là do trong cây virút vận chuyển trong mạch dẫn, meristem không có hệ thống vận chuyển này; tại meristem có nồng độ auxin và cytokinin cao nên ức chế sự nhân lên của virút; mô phân sinh có cơ chế kháng virút hiệu quả hơn các loại tế bào khác, ngăn cản sự nhân lên của virút; mô phân sinh phân chia quá nhanh cản trở sự nhân lên của virút. Do đó, trong thực tiễn người ta thường sử dụng phương pháp này để phục tráng các giống cây trồng bị sâu bệnh, nhất là virút. Ở nước ta đã phục tráng thành công nhiều giống cây trồng như đu đủ, tỏi, hành, các cây họ cam quýt, khoai tây, thuốc lá, khoai môn, các loài hoa lan, loa kèn... 1.5.4.3. Tạo cây đơn bội Nuôi cấy tế bào - mô thực vật được sử dụng để nuôi cấy hạt phấn tách rời, tạo được cây con đơn bội (1n) dùng trong các nghiên cứu di truyền. Ở những loài sinh trưởng chậm, người ta cũng có thể dùng cây đơn bội làm nguyên liệu để lưỡng bội hay đa bội hóa, nhanh hơn rất nhiều so với các phương pháp lai tạo truyền thống. Nuôi cấy hạt phấn đã thành công trên nhiều đối tượng cây trồng như lúa, lúa mì, lúa mạch, ngô, hạt tiêu... 1.5.4.4. Tạo thể lai soma Các tế bào thực vật sau khi được loại bỏ vách tế bào sẽ tạo thành tế bào trần (protoplast). Dùng phương pháp lai (dung hợp) các tế bào trần từ các nguồn gốc khác nhau sẽ tạo được thể lai soma, rồi nuôi cấy tạo thành giống mới có nguồn gốc từ 2 loài hoặc hai dòng thực vật khác nhau. Ứng dụng thành công trên rất nhiều đối tượng cây trồng như thuốc lá, cải dầu, ngô, lúa, lúa mì, hoa cúc, hoa đồng tiền, thông, anh đào, cà phê, đậu tương... 1.5.4.5. Bảo tồn nguồn gen quý hiếm Bằng phương pháp nuôi cấy tế bào - mô thực vật có thể bảo tồn được nguồn gen quí hiếm. Các loài cây có nguy cơ tuyệt chủng, sinh trưởng chậm, khó sinh sản ngoài tự nhiên được đưa vào nhân nhanh trong điều kiện in vitro, sau đó được nuôi trồng, bảo vệ trong các khu vực bảo tồn có kiểm soát. Hoặc các mẫu nuôi cấy cũng có thể được bảo tồn in vitro. Với phương pháp này nước ta đã bảo tồn thành công nhiều loài đặc hữu có giá trị cao như thông đỏ, thông pà cò, thủy tùng, lim xanh, trà mi hoa đỏ, trà mi hoa vàng, các loài lan bản địa như lan kim tuyến, lan gấm... 1.5.4.6. Cứu phôi có sức sống kém Ở các loài thực vật khó sinh sản bằng hình thức hữu tính, phôi tạo thành sức sống kém nếu được nuôi cấy các phôi này trong điều kiện in vitro trên môi trường thích hợp có thể dễ dàng thu được cây con có khả năng sinh sản tốt. Nuôi cấy tế bào - mô thực vật cũng là phương pháp được sử dụng để cứu các phôi lai xa thường khó tái sinh trong điều kiện in vivo. 53 54 1.5.4.7. Cải thiện giống cây trồng bằng chuyển gen Chuyển gen ở thực vật là kỹ nghệ đưa một gen có nguồn gốc bất kỳ vào cơ thể thực vật để cải thiện hoặc tạo mới một tính trạng nào đó (Hình 1.32, 1.33). Trong phương pháp này, công nghệ nuôi cấy tế bào - mô thực vật là không thể thiếu để tái sinh các tế bào mang gen biến nạp thành cây chuyển gen. Đây được coi là bước đột phá của công nghệ sinh học thực vật nửa sau thế kỷ XX và phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây. Hình 1.32. Quá trình sàng lọc ở thế hệ T1/T2 cây cà chua microtom mang cấu trúc gen kháng thuốc diệt cỏ glufosinate/Basta (Khuong và cs., 2013) Trong hình: cây T1 sau 20 ngày trên môi trường in vitro bổ sung 15 mg/l glufosinate (a) và cây đối chứng (b); Cây T2 1 tuần tuổi (c) và cây đối chứng trồng trong đất sau khi phun basta 75 mg/l; mũi tên chỉ các cá thể cây không mang gen bar. Nghiên cứu tạo cây trồng chuyển gen mang những đặc tính hữu ích đã được triển khai phổ biến trên thế giới và đã thu được nhiều thành tựu đáng kể. Những thành tựu điển hình đã được ứng dụng trong thực tiễn như ngô, bông, đậu tương củ cải đường chuyển gen kháng côn trùng, kháng thuốc diệt cỏ; đủ đủ, khoai tây kháng virút; ngô, củ cải đường chống chịu hạn; lúa kháng côn trùng... Nhiều cây thân gỗ cũng đã được nghiên cứu chuyển gen thành công và đã được thương mại hóa như cây bạch dương chuyển gen kháng côn trùng ở Trung Quốc... Hình 1.33. Đủ đủ được lây nhiễm virút PRSV, cây chuyển gen (trái) và cây không chuyển gen (phải) (Gonsalves và cs., 2000) Mặc dù, vẫn còn có tranh cãi trong việc ứng dụng cây trồng biến đổi gen, tuy nhiên tính đến năm 2015 đã có 26 loại cây trồng biến đổi gen được cấp chứng nhận và thương mại hóa trên thế giới. Theo báo cáo của ISAAA, hiện đã có 36 quốc gia nhập khẩu sản phẩm biến đổi gen nhưng không trồng cây biến đổi gen, 28 nước và Việt Nam là quốc gia thứ 29 (năm 2015) cho phép trồng cây biến đổi gen. Báo cáo của ISAAA năm 2016 cho thấy có đến trên 86% tổng diện tích đất nông nghiệp của quốc gia này trồng cây chuyển gen, trong đó con số này là 92% với ngô, 93% với bông, 94% với đậu tương, cải dầu 90%, 100% với củ cải đường, 14% với Alfalfa... 1.5.4.8. Cải thiện giống cây trồng bằng chọn dòng tế bào Bằng phương pháp chọn dòng tế bào xử lý mô tế bào nuôi cấy in vitro ở các điều kiện phi sinh học bất lợi như hạn, mặn, lạnh... Sau khi chọn lọc tái sinh các tế bào chống chịu (sống sót) thành cây con rồi tiến hành phân tích, đánh giá, khảo nghiệm sự ổn định di truyền qua các thế hệ. Cuối cùng sẽ thu được giống cây trồng mới có khả năng chống chịu điều kiện bất lợi tốt hơn. Với hướng nghiên cứu này ở nước ta đã tạo thành công giống lúa chống chịu hạn bằng thổi khô mô sẹo. 1.5.4.9. Sản xuất chất chuyển hóa Thực vật có khả năng tổng hợp, chuyển hóa, tạo ra các hợp chất thứ cấp thuộc nhóm alkanoid, steroid... có tác dụng chữa bệnh hoặc dùng trong sản xuất mỹ phẩm. Tuy nhiên, trong tự nhiên quá trình này đòi hỏi thời gian rất dài để có được một hàm lượng nhất định trong cây. Bằng phương pháp nuôi cấy mô sẹo, hoặc mô cơ quan tách rời của các loài cây dược liệu trong môi trường in vitro thích hợp có thể nhanh chóng thu được mô bào sản xuất các sản phẩm trao đổi thứ cấp, chiết xuất chúng từ các mô nuôi cấy này sẽ thu được các chế phẩm ứng dụng sản xuất thuốc hoặc mỹ phẩm. Thách thức lớn nhất trong hướng nghiên cứu này là tìm được điều kiện môi trường thích hợp để tăng hàm lượng và chất lượng các sản phẩm trao đổi thứ cấp. Với hướng nghiên cứu ứng dụng này, ở Việt Nam đã tạo thành công cây con, nuôi cấy sinh khối tế bào bằng bioreactor và tạo rễ bất định bằng nuôi cấy mô tế bào cây sâm Ngọc Linh (Panax vietnamensis, Ha et Grushv.), một loại dược liệu quí, đặc hữu của nước ta. Hoặc thành công với nhân sinh khối mô sẹo cây hoàng liên để chiết xuất berberin, hay nuôi cấy tạo rễ tơ từ rễ cây tam thất (Panax notoginseng) để thu các hoạt chất quý và nhiều các cây trồng khác. 55 56 CÂU HỎI ÔN TẬP 1. Hãy phân tích các điểm khác biệt cơ bản nhất của tế bào thực vật so với thực vật động vật? 2. Thành tế bào thực vật có cấu tạo như thế nào? Chúng giữ chức năng gì trong cây? Các hướng nghiên cứu điều khiển cấu trúc thành tế bào thực vật phục vụ mục đích ứng dụng của con người? 3. Màng sinh chất có cấu tạo như thế nào? Phân tích các chức năng của màng sinh chất? 4. Phân tích các đặc điểm cấu tạo cơ bản và chức năng của các bào quan trong tế bào? 5. Trình bày đặc điểm cấu tạo và phân tích các chức năng của chất nguyên sinh trong cơ thể thực vật? 6. Mô tả các đặc tính lý hóa của chất nguyên sinh? Phân tích tác động của các nhân tố môi trường lên những đặc tính này? 7. Sự trao đổi nước trong tế bào thực vật diễn ra theo những phương thức nào? Phân tích những đặc điểm cơ bản của từng phương thức? 8. Sự trao đổi nước qua màng tế bào thực vật khác gì so với sự trao đổi nước trong một hệ thống thẩm thấu vật lý? 9. Hãy cho biết sự trao đổi nước của tế bào trong các kiểu dung dịch ưu trương, đẳng trương, nhược trương? Liên hệ với sự hút nước của rễ cây? 10. Sức hút nước của tế bào là gì? Sức hút nước của tế bào bị ảnh hưởng của các yếu tố nào? Ý nghĩa của việc xác định sức hút nước trong tế bào thực vật? 11. Co nguyên sinh là gì? Giải thích tại sao tế bào lại xảy ra hiện tượng co nguyên sinh? 12. Mô tả các phương thức trao đổi chất tan trong tế bào thực vật? 13. Nêu quan điểm hiện đại về trao đổi chất tan trong tế bào thực vật? 14. Nuôi cấy tế bào - mô thực vật là gì? Phân tích cơ sở sinh học của nuôi cấy tế bào - mô thực vật? 15. Trình bày những điều kiện cần thiết để ứng dụng công nghệ nuôi cấy tế bào - mô thực vật trong thực tiễn? 16. Hãy nêu các phương thức và hướng ứng dụng của nuôi cấy tế bào - mô thực vật? Chương 2 SỰ TRAO ĐỔI NƢỚC CỦA THỰC VẬT 2.1. Nƣớc trong cây và vai trò của nƣớc đối với đời sống của thực vật 2.1.1. Nước trong cơ thể thực vật 1.1.1. Lượng nước trong cây Nước là khởi nguồn của sự sống và có vai trò không thể thiếu đối với sự sống trên Trái đất nói chung và thực vật nói riêng. Để đảm bảo thực hiện được các hoạt động sống của mình, tế bào và cơ thể thực vật chứa một lượng lớn nước. Trong tế bào, không bào là bào quan chiếm đến trên 90% thể tích của tế bào được lấp đầy nước. Trong cơ thể thực vật, nước chiếm khoảng 70 - 90% khối lượng của cây. Lượng nước này phụ thuộc rất nhiều vào loài cây, loại mô, giai đoạn sinh trưởng phát triển và điều kiện môi trường. Thực vật thủy sinh như thủy tảo cơ thể chứa 90 - 98% là nước (Vũ Văn Vụ và cs., 2012). Ở các loài rau như xà lách, cà rốt, cà chua, dưa chuột, bắp cải... nước chiếm từ 87 - 95% trọng lượng tươi của cây (Vũ Văn Vụ và cs., 2012); ngược lại ở các loài cây thân gỗ, có cấu tạo chủ yếu là tế bào chết thì lượng nước trong cây ít hơn, từ 35 - 70% (Taiz và Zeiger, 2010), trong đó cơ quan chứa nhiều nước nhất là lá cây 70 - 82%, còn phần thân gỗ chứa ít nước hơn 40 - 50% (Vũ Văn Vụ và cs., 2012). Nhìn chung trong cơ thể thực vật, các cơ quan còn non đang phát triển chiếm lượng nước lớn hơn ở cơ quan già, cơ quan ngủ nghỉ. Hạt là phần chứa ít nước nhất của cây 5 - 15% (Taiz và Zeiger, 2010), tuy nhiên khi nảy mầm hạt sẽ hấp thụ một lượng rất lớn nước, nếu thiếu nước ở giai đoạn này hạt sẽ nảy mầm kém thậm chí không nảy mầm. 2.1.1.2. Các dạng nước trong cây Trong cây nước tồn tại ở hai dạng: nước tự do và nước liên kết. Nước tự do chiếm tỷ lệ chủ yếu trong cây và thường giữ nguyên được các đặc tính lý hóa của nó. Nước tự do giữ vai trò quan trọng đối với các hoạt động sinh hóa, sinh lý trong cây. Hầu như các vai trò quan trọng của nước như làm dung môi, tham gia phản ứng hóa học, vào quá trình quang hợp, hô hấp, vận chuyển vật chất trong cây (xem phần 1.2 dưới đây) đều thuộc về nước tự do. Trong cây nước tự do có thể được tìm thấy trong tế bào (tế bào chất, không bào – gọi là symplast), trong các khoảng gian bào (gọi là apoplast), và trong hệ mạch dẫn (xylem và phloem). Khi cây gặp lạnh nước trong apoplast thường bị đóng băng trước, do điểm đóng băng của nó thường cao hơn nước trong symplast, gây ảnh hưởng đến các hoạt động sống của tế bào thậm chí làm tế bào chết. 57 58 Nước tự do chiếm một tỷ lệ lớn trong cây ở giai đoạn còn non, đang sinh trưởng. Nhưng khi hạt chuyển sang trạng thái ngủ nghỉ thì nước tự do bị rút hết ra ngoài, làm hạn chế quá trình trao đổi chất, còn lại chỉ là một lượng nước liên kết có lực hút lớn với các phân tử chất keo trong nguyên sinh chất. Nước liên kết là lớp nước mỏng bao quanh các hợp chất có ái lực hóa học với nước. Nước liên kết phân bố trong nguyên sinh chất, liên kết với các thành phần chất keo của chất nguyên sinh bởi một lực đủ lớn để không bị lấy đi. Nước liên kết chiếm một tỷ lệ nhỏ trong cây, tuy nhiên lại có ý nghĩa lớn giúp cây chống chịu với điều kiện môi trường bất lợi. Do đó, ở những loài cây chống chịu hạn, chịu nóng tốt như xương rồng sa mạc có hàm lượng nước liên kết rất cao. 2.1.2. Vai trò của nước đối với cây Trong cơ thể thực vật nước giữ những vai trò vô cùng quan trọng, chi phối sự sống còn của tế bào và cả cơ thể. Cụ thể là các vai trò chính sau: - Nước giữ vai trò quyết định cấu trúc tế bào và các hoạt động sống của tế bào. Nước là thành phần quan trọng cấu trúc chất nguyên sinh, chiếm đến 90% khối lượng chất nguyên sinh. Nước có vai trò quyết định sự ổn định và các đặc tính lý hóa của chất nguyên sinh, cấu trúc tế bào đảm bảo hoạt động sống cho tế bào. Nếu thiếu nước chất nguyên sinh chuyển từ dạng lỏng (sol), linh động, thuận lợi cho các hoạt động trao đổi chất, sang dạng keo đặc (coaxecva, gel) làm cho sự vận chuyển của vật chất trở nên khó khăn, các phản ứng sinh hóa bị cản trở, dẫn đến giảm mức độ hoạt động sống của tế bào và của cây. Sức căng trương nước của tế bào được hình thành khi tế bào hấp thụ nước, có ý nghĩa quyết định hình dạng của tế bào, trạng thái và các hoạt động sinh lý của cơ thể thực vật. Khi tế bào mất nước sức căng trương nước giảm, tế bào bị co nguyên sinh, xẹp lại, làm cây bị héo rủ, ảnh hưởng đến các hoạt động sống của cây. Nếu lượng nước mất nhiều có thể làm tế bào và cơ thể thực vật bị chết. Duy trì áp suất thẩm thấu của tế bào có ý nghĩa sống còn trong chống chịu hạn, mặn, lạnh. - Nước tham gia trực tiếp vào nhiều phản ứng sinh hóa trong tế bào. Nước cung cấp điện tử để khử CO2 trong quang hợp thông qua quá trình quang phân li nước, tham gia oxy hóa nguyên liệu hô hấp, và các phản ứng thủy phân khác trong tế bào. - Nước là dung môi quan trọng nhất trong cây. Trong vai trò dung môi, nước làm môi trường cho các phản ứng sinh hóa diễn ra. Nước tham gia hòa tan các chất hữu cơ và vô cơ, làm môi trường vận chuyển vật chất nội bào và giữa các tế bào, cơ quan với nhau trong cơ thể thực vật. Trong cây sự vận chuyển chất khoáng và sản phẩm đồng hóa được diễn ra trong mạch dẫn chứa đầy nước. Các chất khoáng trong đất muốn được hấp thụ vào rễ thì phải hòa tan trong nước và được hấp thụ cùng với nước vào mạch xylem. Quá trình hấp thụ nước bị cản trở sẽ làm giảm hàm lượng các chất khoáng được hấp thu từ rễ. Các sản phẩm của quá trình quang hợp cũng được vận chuyển cùng với nước trong mạch phloem. Nếu thiếu nước quá trình này bị ứ chệ sẽ làm ức chế quá trình quang hợp. - Nước có vai trò điều chỉnh chế độ nhiệt trong cây thông qua quá trình thoát hơi nước Cây liên tục hấp thụ nước và mất nước, phần lớn lượng nước cây hút vào từ rễ bị mất qua quá trình thoát hơi nước ở lá. Sự thoát hơi nước ở lá kèm theo tỏa nhiệt từ bức xạ mặt trời đến lá. - Nước tham gia điều chỉnh quang hợp thông qua quá trình thoát hơi nước Quá trình thoát hơi nước qua khí khổng tạo điều kiện cho khí CO2 được khuếch tán vào lá để quá trình quang hợp được diễn ra. Do vậy, trong điều kiện bất lợi như hạn, mặn, khi cây bị mất cân bằng nước, khí khổng có xu thế đóng lại để giữ nước cho cây, phản ứng này đã gây cản trở sự xâm nhập CO2 vào lá dẫn đến giảm quá trình quang hợp trong cây. Ngoài ra, sự thoát hơi nước ở lá còn tạo nên động lực quan trọng nhất cho quá trình hấp thu và vận chuyển nước, chất khoáng trong cây. - Nước có vai trò bảo vệ cây chống lại các căng thẳng phi sinh học như hạn, mặn, nhiệt độ cao... Nước có ảnh hưởng rất lớn đến cấu trúc của protein, acid nucleic, polysaccharides và các hợp chất khác trong tế bào, và khả năng chống chịu của thực vật với các căng thẳng từ các yếu tố phi sinh học. Hàm lượng nước liên kết trong tế bào có vai trò bảo vệ các phân tử những hợp chất quan trọng này tránh sự các tác hại bởi điều kiện môi trường bất lợi. Vì thế, ở những cây trồng chống chịu tốt với các căng thẳng phi sinh học như hạn, nhiệt độ cao, thường có hàm lượng nước liên kết rất cao, và nước được giữ trữ trong cây rất nhiều, chẳng hạn như trường hợp cây xương rồng, loài cây có thích nghi với điều kiện khắc nghiệt ở sa mạc. Như vậy, nước vừa tham gia cấu trúc tế bào và cơ thể thực vật; lại vừa tham gia vào các phản ứng sinh hóa, các quá trình sinh lý trong cây, có ý nghĩa quyết định sự sinh trưởng và năng suất cây trồng. Khi thiếu nước tất cả các quá trình trao đổi chất, các hoạt động sinh lý bị xáo trộn; kìm hãm sinh trưởng phát triển, giảm quá trình hình thành cơ quan sinh sản, thụ phấn, thụ tinh; cuối cùng làm giảm năng suất cây trồng (xem thêm trong Chương 7, Mục 7.2 của cuốn sách này). Do vậy, trong trồng trọt cần cung cấp đủ nước cho cây trồng để thu được năng suất cao nhất. 2.1.3. Các nhóm cây sinh thái khác nhau về chế độ nước Nhu cầu nước của thực vật không giống nhau quyết định vùng sinh thái phân bố của chúng, theo đó thực vật được chia làm hai nhóm lớn là nhóm thực vật thủy sinh, và nhóm thực vật sống trên cạn. 59 60 a) Nhóm cây thủy sinh Bao gồm các loài thực vật sống trong môi trường nước như ao, hồ, sông, suối, biển, đồng ruộng... Ở nhóm này có những loài thích nghi sống hoàn toàn trong nước, với toàn bộ cơ thể chìm trong nước như các loài tảo, rong ở biển, rong ở nơi nước ngọt; có những loài chỉ phần rễ, thân trong nước, còn lá nổi trên mặt nước như sen, súng... b) Nhóm thực vật sống trên cạn Nhóm này chia làm thực vật ẩm sinh, nhóm cây trung sinh và nhóm cây hạn sinh. c) Nhóm cây ẩm sinh (hydrophyte) Bao gồm các loài thực vật sống trong môi trường ẩm ướt như có độ ẩm đất và độ ẩm không khí cao. d) Nhóm cây trung sinh (mesophyt) Bao gồm những cây sống ở vùng có độ ẩm vừa phải: Các cây họ lúa, cây ăn quả, rau, các loài cây lâm nghiệp, cây công nghiệp. Phần lớn các loài cây trồng của nước ta thuộc nhóm này. Nhóm cây trồng này không cần quá nhiều nước như các nhóm thực vật trên, song khả năng chống chịu với khô hạn lại không cao. e) Nhóm cây hạn sinh (xelophyt) Gồm các loài cây sống thích nghi tốt trong điều kiện khô hạn, lượng nước ít. Điển hình của nhóm này là các loài cây sống ở sa mạc, hay miền Trung, Tây Nguyên ở Việt Nam nơi thường xuyên bị khô hạn kéo dài. Những loài cây này có nhiều đặc điểm thích nghi giúp chúng có thể sinh trưởng phát triển bình thường trong điều kiện căng thẳng nước kéo dài. Những loài cây chống chịu mặn, lạnh cũng thuộc nhóm này do các điều kiện mặn, lạnh cũng gây nên căng thẳng nước cho cây (xem thêm trong Chương 7). 2.1.4. Đặc tính của nước 2.1.4.1. Tính phân cực Nước được cấu tạo từ một nguyên tử oxy và hai nguyên tử hydro. Phân tử nước có tính lưỡng cực: Nguyên tử oxy cực âm và hydro cực dương (Hình 2.1). 2.1.4.2. Lực cố kết Các phân tử nước có thể tương tác lẫn nhau qua liên kết hydro và tính phân cực. Cực âm - cực dương của nước hút nhau qua liên kết hydro, nhờ đó chúng tạo thành cột nước không bị đứt gãy trong lòng mạch xylem khi vận chuyển nước trong thân cây. Hình 2.1. Cấu tạo phân tử nước 2.1.4.3. Lực bám dính Phân tử nước có đặc tính bám dính. Nhờ đặc tính này chúng có xu hướng bám vào thành mạch gỗ trong quá trình vận chuyển nước trong cây, làm cho cột nước không bị đứt gẫy trong lòng mạch. Nhưng lực bám dính không lớn, nên dưới tác dụng của lực kéo rất mạnh từ quá trình thoát hơi nước, các phân tử nước dễ dàng bị lôi bật ra khỏi thành mạch để được vận chuyển đi lên trong thân. Những đặc tính này của nước cũng góp một phần nhỏ vào động lực vận chuyển nước trong thân cây (xem phần sau). 2.2. Sự hút nƣớc của rễ cây từ đất 2.2.1. Các dạng nước trong đất Hàm lượng nước tổng số trong đất, được tính bằng phần trăm so với khối lượng đất khô của đất gọi là độ ẩm của đất, ký hiệu là %. Tuy nhiên, không phải tất cả lượng nước trong đất đều có ý nghĩa với cây, mà còn phụ thuộc vào sự vận chuyển của nước trong đất và lực liên kết của nước với đất. Trong đất tồn tại ba dạng nước: nước trọng lực, nước mao quản, nước màng và nước ngậm. Các dạng nước này có đặc điểm khác nhau và không phải dạng nào cây cũng dễ dàng sử dụng được. 2.2.1.1. Nước trọng lực Là nước lấp đầy trong các khe hở của đất. Đặc điểm của dạng này là rất linh động, chảy từ cao xuống thấp do tác động của trọng lực. Nước trọng lực xuất hiện lúc trời mưa, chảy xuống lòng đất tạo thành mạch nước ngầm. Khi nước chảy chậm rễ cây có thể hấp thu được, tuy nhiên như vậy sẽ gây ngập úng ảnh hưởng không tốt cho cây trồng (xem chi tiết về tác hại của ngập úng lên cây trồng trong Mục 7.5, Chương 7 của cuốn sách này). 2.2.1.2. Nước mao quản Đất có kết cấu hạt tạo nên các mao quản đất. Lượng nước lấp đầy các mao quản của đất nhờ lực mao quản gọi là nước mao quản. Đây là dạng nước có ý nghĩa sinh học lớn nhất cho cây, cây có thể hấp thụ dễ dàng nhất, vì nó chảy rất chậm. 2.2.1.3. Nước màng và nước ngậm Nước màng là nước bao quanh các hạt đất tạo nên lớp màng nhờ khả năng thủy hóa của các hạt đất. Ở dạng này cây chỉ sử dụng được nước ở các lớp màng xa trung tâm mang điện, có lực liên kết nhỏ với hạt đất. Nước ngậm là nước còn lại trong đất khi phơi khô, đây là các phân tử nước nằm sát các hạt đất, có lực liên kết mạnh nên cây không thể hút được. 61 62 2.2.2. Rễ là cơ quan hút nước chính của cây Trong cơ thể thực vật rễ cây là cơ quan hấp thụ nước chính của cây. Rễ cây có đầy đủ các đặc điểm để thuận lợi cho việc thực hiện chức năng hút nước. Trong cấu trúc chiều dọc của rễ gồm 5 phần bao gồm: Chóp rễ làm nhiệm vụ bảo vệ mô phân sinh đầu rễ; Mô phân sinh đầu rễ chứa tế bào mô phân sinh chịu trách nhiệm cho quá trình sinh trưởng kéo dài rễ; Miền phân hóa (miền kéo dài) làm nhiệm vụ phân hóa chức năng các tế bào được sinh ra từ mô phân sinh đầu rễ; Miền hấp thụ (miền lông hút) làm nhiệm vụ hấp thụ nước và các chất khoáng hòa tan cho cây. Cả 4 miền này được mô tả trong hình 2.2; Miền trưởng thành (miền thành niên) với đặc điểm cấu tạo thứ cấp, có chứa mô phân sinh thứ cấp có thể làm tăng đường kính cho rễ các cây thân gỗ. Miền này có cấu tạo tương tự thân thứ cấp. Như vậy, nước chỉ được cây hút vào tại miền lông hút, phần rễ có cấu tạo sơ cấp với đặc điểm có nhiều lông hút. Ở miền thành niên không thể hút được nước bởi vì không có tế bào lông hút, hơn nữa lớp tế bào ngoài cùng không cho phép vận chuyển nước, do trong vách của chúng được thấm vật liệu kỵ nước phổ biến nhất là bần – suberin. Cấu tạo miền lông hút Lông hút thực chất là do tế bào biểu bì kéo dài ra tạo thành, mang đầy đủ các đặc điểm phù hợp với chức năng hút nước cho cây (Hình 2.3) như không có cutin bao phủ như các tế bào biểu bì khác; nhân và tế bào chất tập trung ở đầu tận cùng phía ngoài của lông hút nơi diễn ra hoạt động sinh lý mạnh nhất của quá trình hút nước; không bào trung tâm lớn làm nhiệm vụ dự trữ nước. Số lượng và chiều dài lông hút qui định diện tích bề mặt hấp thụ nước và lệ thuộc chặt chẽ vào Hình 2.2. Cấu trúc lát cắt dọc với 4 miền cấu trúc rễ Hình 2.3. Cấu tạo lông hút điều kiện môi trường. Khi cây gặp môi trường khô hạn, độ dài miền lông hút thường tăng lên, với số lượng lông hút nhiều hơn và dài hơn. Ở lúa mạch đen 4 tháng tuổi, lông hút được tìm thấy chiếm 60% diện tích bề mặt của rễ (Taiz và Zeiger, 2010). Ngược lại, ở những thực vật thủy sinh lông hút thường không phát triển, vì các phần khác nhau của rễ, hoặc cả cây đều có thể trao đổi nước. Ngoài ra, một số đặc điểm khác trong cấu tạo giải phẫu (Hình 2.4) của rễ cũng góp phần tạo thuận lợi cho rễ hút nước như: Tế bào ngoại bì và lớp mô mềm vỏ dày để làm nhiệm vụ lọc nước; kiểu bó dẫn phóng xạ (bó gỗ và libe nằm xen kẽ nhau) để tạo thuận lợi cho sự vận chuyển nước vào xylem; nội bì có vòng đai caspary để tạo một chiều duy nhất vận chuyển nước từ ngoài vào trong mạch xylem qua lớp tế bào nội bì (Hình 2.4), đây là đặc điểm có ý nghĩa quyết định sự hình thành áp suất rễ, một động lực bên dưới của quá trình Hình 2.4. Cấu tạo giải phẫu rễ cây một lá vận chuyển nước trong thân cây. mầm với vành đai caspary ở tế bào nội bì. Vành đai caspary thực chất là do vách tế bào nội bì thấm suberin (bần), một ester có đặc tính không thấm nước. Quá trình hóa bần không giống nhau ở rễ cây một lá mầm và hai lá mầm. Ở rễ cây một lá mầm, tế bào nội bì hóa bần 5 mặt, trong đó 4 mặt xuyên tâm và 1 mặt tiếp tuyến phía trong (Hình 2.4), trên lát cắt ngang tế bào này có dạng hình chữ U quay đáy vào trong tủy, nên tế bào này hoàn toàn không có khả năng dẫn truyền nước. Vì vậy, xen giữa các tế bào hóa bần có tế bào không hóa bần làm nhiệm vụ hút nước từ ngoài vào trong xylem, tế bào này gọi là tế bào hút (Hình 2.4). Ở rễ cây hai lá mầm, quá trình hóa bần chỉ xảy ra với 4 mặt xuyên tâm, nên tế bào nội bì vẫn có thể vận chuyển được nước qua hai vách tiếp tuyến (Hình 2.5b). Sự phát triển của bộ rễ thay đổi theo lượng nước trong môi trường của chúng. Rễ thực vật trên cạn luôn có xu hướng phát triển mạnh hơn, ăn sâu hơn để tìm kiếm nguồn nước ngầm đảm bảo hút đủ nước cho cây trong điều kiện khô hạn. Đặc tính này được gọi là tính hướng nước dương. Cơ chế chính xác của tính hướng nước chưa biết rõ, tuy nhiên nhiều tác giả cho rằng chóp rễ có thể là bộ phận cảm thụ độ ẩm của đất, từ đó tế bào điều khiển hoạt động của mô phân sinh đầu rễ làm rễ dài ra và ăn sâu vào trong đất. 2.2.3. Sự vận chuyển của nước từ đất vào rễ Sự di chuyển của nước từ đất vào rễ còn gọi là sự hấp thụ nước ở rễ, về thực chất đó là sự vận chuyển nước từ bên ngoài vào trong tế bào rễ. Nước được vận chuyển từ đất vào rễ ở lông hút theo gradient thế năng nước. Thế năng nước của dung dịch đất lớn hơn thế năng nước trong tế bào lông hút, nên nước vận 63 64 chuyển từ đất vào tế bào rễ. Đây là cơ chế vận chuyển bị động, không cần sự tham gia của năng lượng ATP của tế bào. Trong điều kiện bình thường, do hoạt động sống của cây và đặc biệt là quá trình thoát hơi nước, làm cho thế năng nước của tế bào rễ luôn nhỏ hơn thế năng nước của đất, duy trì động lực thường xuyên cho quá trình hút nước của rễ. Trong điều kiện khô hạn, đất rất khô, thế năng nước của đất có thể giảm xuống dưới hệ số héo (cây héo không có khả năng phục hồi). Lúc đó cây bị mất sức trương hoàn toàn, héo rủ, quá trình mất nước bởi thoát hơi nước bị ngừng, nên thế nước của tế bào rễ cũng bị giảm. Ngay cả lúc này thế năng nước của đất vẫn lớn hơn thế nước rễ. (Taiz và Zeiger, 2010). Điều đó có nghĩa là thế năng nước của đất luôn lớn hơn hoặc bằng thế năng nước của tế bào rễ. Trong trường hợp thế năng nước của tế bào rễ cân bằng dung dịch đất, nhưng rễ cây vẫn luôn có xu thế hút nước vào lông hút. Đây là cơ chế hấp thu chủ động và cần có sự tham gia của năng lượng ATP, gặp phổ biến khi cây sống trong điều kiện khô hạn. Năng lượng cung cấp cho quá trình này lấy từ quá trình hô hấp của rễ. Do vậy, khi gặp căng thẳng về nước cần tạo điều kiện cho đất thoáng khí để hô hấp diễn ra thuận lợi, đảm bảo đủ năng lượng cho cây hút nước. Như vậy, nước luôn được hút một chiều từ dung dịch đất vào trong tế bào lông hút, quá trình này có thể được thực hiện đơn giản theo cơ chế thẩm thấu bị động không cần năng lượng, hoặc vận chuyển chủ động với sự tham gia của năng lượng ATP. Trong quá trình hấp thụ nước của rễ, sự tiếp xúc khăng khít giữa rễ và các hạt đất có ý nghĩa rất quan trọng. Thực tế thấy rằng, khi chuyển cây từ chậu đất này sang chậu đất khác, đã phá vỡ mối quan hệ này nên trong chậu mới cây không thể hút nước ngay được, thường thì cây có biểu hiện bị héo, cho đến khi rễ mới được hình thành cắm vào đất, mối tương tác rễ - đất được thiết lập lại, cây mới có khả năng hút nước. Do đó, khi chuyển nơi sống của cây cần có biện pháp bảo vệ cây trong những ngày đầu để tránh cho cây bị căng thẳng hạn. Quá trình vận chuyển nước từ đất vào rễ phụ thuộc vào quá trình sinh lý bên trong cây như quá trình thoát hơi nước ở lá, sự trao đổi chất trong tế bào rễ là hai yếu tố cơ bản tạo nên áp suất âm ở tế bào lông hút so với dung dịch đất. Khi các quá trình này bị giảm bởi một nguyên nhân nào đó (hạn, mặn, lạnh, úng), làm giảm động lực, dẫn đến giảm sự hút nước của rễ cây. Đây là hậu quả gián tiếp của nhân tố ngoại cảnh bất lợi lên quá trình hấp thụ nước của rễ. 2.2.4. Ảnh hưởng của các nhân tố ngoại cảnh lên quá trình hút nước ở rễ 2.2.4.1. Nhiệt độ Nhiệt độ có ảnh hưởng đến các phản ứng sinh hóa, nên vừa có ảnh hưởng đến sự trao đổi nước, vừa ảnh hưởng đến các hoạt động sống khác của rễ. Nhiệt độ tối ưu cho hấp thụ nước ở rễ là 25-30oC, đây cũng là khoảng nhiệt độ thích hợp cho các hoạt động sinh lý của cây. Khi nhiệt độ tăng hoặc giảm ngoài khoảng nhiệt này đều ít nhiều có ảnh hưởng đến sự hấp thụ nước của rễ. Khi nhiệt độ giảm làm giảm sức hút nước của rễ, nếu nhiệt độ quá thấp sự hút nước ở rễ có thể bị ức chế hoàn toàn. Trong khi đó nước trong cây vẫn tiếp tục bị mất đi bởi quá trình thoát hơi nước, gây mất cân bằng nước cho cây, làm cây bị héo. Hiện tượng này gọi là hạn sinh lý gây ra khi cây gặp nhiệt độ thấp, dưới 10oC. Có nhiều nguyên nhân gây ức chế hấp thụ nước của rễ trong điều kiện nhiệt độ thấp. Trong đó có thể kể đến một số nguyên nhân sau: Do lạnh làm tăng độ nhớt, giảm tính thấm của nguyên sinh chất gây cản trở sự xâm nhập và vận chuyển nước vào rễ . Ví dụ, ở 0oC độ nhớt của chất nguyên sinh có thể tăng lên 3-4 lần so với ở 20oC (Hoàng Minh Tấn và cs., 2006). Sự giảm thoát hơi nước của lá khi gặp lạnh do đóng khí khổng (bởi sự gia tăng của abscisic acid (ABA), do sự phát triển của bộ lá giảm hoặc phản ứng rụng lá ở những loài thích nghi với lạnh, làm giảm động lực quan trọng của dòng vận chuyển nước trong cây, dẫn đến giảm sự hút nước của rễ. Hô hấp của rễ giảm nên làm giảm nguồn năng lượng cho sự vận chuyển tích cực của nước vào rễ. Ngoài ra khi cây gặp lạnh sự sinh trưởng của rễ bị giảm, thậm chí lông hút có thể bị chết và không phục hồi được trong điều kiện nhiệt độ quá thấp và kéo dài. Tuy nhiên, tùy theo mức độ giảm của nhiệt độ, khả năng chống chịu của cây trồng mà tác động của nhiệt độ đến cây trồng là khác nhau. Những loài cây mẫn cảm với nhiệt độ thấp như thực vật nhiệt đới: cà chua, dưa chuột, đậu đỗ... có thể ngừng hút nước khi nhiệt độ xung quanh 5oC. Trong khi đó các loài thực vật ôn đới có thể hút nước bình thường ở nhiệt độ dưới 0oC, là do chúng có các cơ chế để thích nghi với nhiệt độ thấp. Rụng lá mùa đông để giảm thoát hơi nước hay rơi vào trạng thái ngủ nghỉ cũng là các phản ứng thường thấy ở một nhóm thực vật chống chịu lạnh. Khi nhiệt độ tăng lên nhiệt độ giới hạn 30-40oC, sự hút nước cũng bị ức chế. Đây là một trong số các tác hại của nhiệt độ cao đến các quá trình sinh lý của cây trồng (xem chi tiết trong Mục 7.4, Chương 7). Nguyên nhân của hiện tượng này liên quan đến những hư hại của màng tế bào, sự phá hủy, biến tính của các hợp chất hữu cơ như protein, lipid, acid nucleic... gây xáo trộn trao đổi chất trong tế bào rễ. Thực tế cho thấy rễ cây nhất là lông hút rất mẫn cảm với nhiệt độ, có thể bị thối nhũn khi gặp nhiệt độ cao. Những giải pháp để giảm tác động của nhiệt độ bất lợi (nóng, lạnh) lên sự hút nước, tăng tính chống chịu lạnh được trình bày ở Mục 7.4 và 7.5, Chương 7 của cuốn sách này. 2.2.4.2. Oxy Oxy cần thiết để cho quá trình hô hấp của rễ, có ảnh hưởng gián tiếp lên sự hút nước của rễ. Nồng độ oxy trong không khí là 21%, tuy nhiên trong đất con số này thấp hơn nhiều và thay đổi theo từng loại đất. Đất càng chặt thì lượng oxy trong đất càng ít, nồng độ thích hợp nhất cho sự hút nước là 10-12%. 65 66 Sự hút nước của rễ bị ức chế khi oxy trong đất giảm dưới 10%, và ngừng hẳn khi oxy trong đất giảm dưới 5%. Lúc này rễ cây chuyển sang hô hấp yếm khí, gây hại cho cây trồng. Oxy trong đất giảm khi cây bị ngập úng tạm thời lúc trời mưa to, đất thoát nước không kịp hoặc ngập úng quanh năm ở những vùng đầm lầy ven biển. Lúc này cây trồng phát triển các cơ chế để chống chịu úng (xem trong Mục 7.6, Chương 7). Để đảm bảo lượng oxy tối ưu cho cây hút nước, trong trồng trọt cần chú ý các kỹ thuật như làm đất kỹ trước khi reo, xới xáo đất tơi xốp, làm cỏ sục bùn, phá váng sau mưa, sục khí trong trồng cây thủy canh... Hay chọn tạo giống cây trồng chống chịu ngập úng để trồng ở những nơi hay bị ngập úng. 2.2.4.3. Nồng độ dung dịch đất Bản chất sự vận chuyển từ đất vào tế bào lông hút nhờ cơ chế thẩm thấu. Động lực cho quá trình này là gradient thế năng nước, mà gradient thế năng nước lại có quan hệ tỷ lệ nghịch với nồng độ dung dịch đất. Do đó, có thể nói nồng độ dung dịch đất có tác động trực tiếp lên sự hấp thụ nước của rễ. Cụ thể, rễ cây hút nước khi thế năng nước cao hơn ở dung dịch đất và thấp hơn ở tế bào lông hút. Đồng nghĩa là nồng độ dung dịch đất nhỏ hơn nồng độ dịch bào. Khi nồng độ dung dịch đất cao hơn nồng độ dịch bào của lông hút, rễ cây không thể hút được nước gây nên hạn sinh lý. Trường hợp này gặp khi cây bị căng thẳng mặn (xem chi tiết trong Mục 7.3, Chương 7). 2.2.4.4. Sức giữ nước của đất Nước trong đất không phải nước nguyên chất mà tồn tại trong dung dịch keo đất, các phân tử nước bao quanh các hạt keo đất và bị đất giữ lại bởi lực liên kết giữa nước với các hạt keo đất. Cây chỉ hút được các phân tử nước này khi sức hút nước của rễ cây thắng lực giữ nước của đất. Phần nước còn lại có lực liên kết lớn với hạt keo đất, cây không thể hút được gọi là hệ số héo. 2.3. Sự vận chuyển nƣớc trong cây Sau khi xâm nhập vào cây từ rễ, nước được vận chuyển trong cây theo hai con đường là vận chuyển nước khoảng cách ngắn và vận chuyển nước khoảng cách dài. Vận chuyển nước khoảng cách ngắn Vận chuyển khoảng cách ngắn chỉ sự di chuyển của nước từ tế bào này sang tế bào khác theo chuỗi trong các lớp tế bào của mô thực vật, hay còn gọi là vận chuyển theo chiều ngang. Trong cây sự vận chuyển khoảng cách ngắn xảy ra ở rễ khi nước được vận chuyển từ tế bào lông hút vào mạch xylem; hay là con đường vận chuyển của nước từ ống mạch xylem ra các lớp tế bào của vỏ ở thân cây; hoặc sự di chuyển của nước từ gân lá sang các tế bào thịt lá, qua khí khổng để thoát ra ngoài ở lá cây. Ở đường đi này không có hệ thống dẫn chuyên hóa, nước phải đi qua tế bào sống nên gặp trở ngại từ lực cản của chất nguyên sinh, do đó thường khó khăn hơn. Động lực của con đường này là gradient sức hút nước, sức hút nước của tế bào nhận lớn hơn của tế bào cho. Theo đó, nước di chuyển từ ngoài lông hút qua các lớp tế bào của vỏ rễ vào mạch gỗ, từ gân lá đến khí khổng, và từ mạch gỗ ở thân ra các tế bào ở vỏ cây. Vận chuyển nước khoảng cách dài Ngược lại, sự sự vận chuyển của nước trong ống mạch xylem ở thân gọi là vận chuyển khoảng cách dài, hay còn gọi là vận chuyển theo chiều dọc. Độ dài của con đường vận chuyển này phụ thuộc vào chiều cao của cây. Ở con đường vận chuyển nước khoảng cách dài, nước được vận chuyển trong một hệ thống mạch dẫn chuyên hóa là mạch xylem. Nhờ động lực chủ yếu là lực kéo từ quá trình thoát hơi nước ở lá cây. 2.3.1. Các cơ chế vận chuyển nước trong cây Nước được vận chuyển trong cơ thể thực vật nhờ cơ chế khuếch tán, thẩm thấu và theo dòng khối. 2.3.1.1. Vận chuyển nước theo cơ chế khuếch tán Trong dung dịch phân tử nước tiếp tục vận chuyển, va chạm vào các phân tử khác và trao đổi động năng. Sự trà trộn phân tử trong dung dịch là kết quả của sự giao động nhiệt ngẫu nhiên. Sự di chuyển ngẫu nhiên này được gọi là khuếch tán. Nước vận chuyển theo cơ chế khuếch tán diễn ra nhanh ở con đường vận chuyển khoảng cách ngắn trong tế bào, nhưng rất chậm ở vận chuyển khoảng cách dài trong mạch xylem. 2.3.1.2. Vận chuyển nước theo dòng khối Cơ chế vận chuyển nước thứ hai là vận chuyển nước theo dòng khối (bulk flow/ mass flow), là sự vận chuyển có phối hợp của một nhóm phân tử trong một khối. Đây là sự vận chuyển thường gặp nhất trong phản ứng với gradient áp suất, ví dụ như sự vận chuyển nước trong các ống dẫn nước, ở dòng sông, dòng chảy của nước mưa. Vận chuyển theo dòng khối là cơ chế vận chuyển chủ yếu trong mạch xylem. Cơ chế vận chuyển này cũng được dùng để giải thích cho sự vận chuyển của nước xuyên qua đất và qua vách tế bào của mô thực vật. Ngược với vận chuyển bằng cơ chế khuếch tán, vận chuyển theo dòng khối không phụ thuộc vào gradient nồng độ chất tan, nhưng phụ thuộc vào gradient áp suất. 2.3.1.3. Vận chuyển nước theo cơ chế thẩm thấu Vận chuyển nước theo cơ chế thẩm thấu được điều khiển bởi gradient thế năng nước. Màng tế bào có tính thấm chọn lọc, nghĩa là nó cho phép vận chuyển nước và các phân tử chất tan nhỏ, không tích điện xuyên qua dễ dàng hơn các phân tử chất tan lớn và tích điện. 67 68 Tương tự, vận chuyển theo cơ chế khuếch tán và theo dòng khối, thẩm thấu diễn ra ngẫu nhiên trong phản ứng với lực điều khiển (động lực). Trong cơ chế khuếch tán đơn giản, vật chất vận chuyển xuôi chiều gradient nồng độ; vận chuyển theo dòng khối vật chất vận chuyển xuôi chiều gradient áp suất, thì vận chuyển trong cơ chế thẩm thấu, nước chịu ảnh hưởng của cả hai áp lực trên. Chiều hướng và tỷ lệ dòng nước được vận chuyển xuyên màng được xác định bởi tổng hai lực điều khiển gradient nồng độ và gradient áp suất thẩm, gọi là gradient năng lượng tự do của nước hay gradient thế năng của nước. Nghĩa là nước có xu hướng vận chuyển từ nơi có thế năng nước cao đến nơi có thế năng nước thấp hơn. Khái niệm thế năng nước là năng lượng tự do của nước trong một đơn vị thể tích nước (J/m3). Thế năng nước ký hiệu là ψ (psi), được tính theo công thức: Ψ = ψs + ψp + ψg (2.1) (Taiz và Zeiger, 2010) Trong đó: Ψs, Ψp, Ψg lần lượt chỉ tác động của chất tan, áp suất và trọng lực lên năng lượng tự do của nước; Ψs: thế năng chất tan hay thế năng thẩm thấu; chất tan làm giảm năng lượng tự do của nước bởi vì nó làm loãng nước. Nghĩa là dung dịch có nồng độ chất tan càng cao thì thế năng nước càng giảm. Nước nguyên chất có Ψs = 0, như vậy Ψs của một dung dịch có chất tan, luôn có giá trị < 0. Với những chất không điện ly như đường sucrose, thế năng thẩm thấu được tính theo phương trình Van’t Hoff: Ψs = - RTCs (2.2) (Taiz và Zeiger, 2010) Trong đó: R = 8.32 J mol–1 K–1: Hằng số khí; T = toC+ 273 (K): Nhiệt độ tuyệt đối; Cs: Nồng độ chất tan. Với những chất điện ly thì Cs phải được nhân với số hạt được phân ly để tính toán số hạt được phân rã, được tính theo phương trình (1.1) ở Chương 1. Ψp: Áp suất thủy tĩnh (hydrostatic pressure) của dung dịch, trong đó nếu Ψp dương làm tăng thế năng nước, ngược lại Ψp âm thì làm giảm thế năng nước. Đôi khi Ψp còn được gọi là thế năng áp suất. Áp suất thủy tĩnh dương trong tế bào là áp suất có liên quan đến áp suất trương (tugor pressure). Ψp cũng có thể có giá trị âm như trường hợp trong mạch xylem, trong vách giữa các tế bào. Áp suất âm bên ngoài tế bào có ý nghĩa quan trọng cho sự vận chuyển khoảng cách dài của nước trong cây. Ψg: Thông thường trọng lực làm cho nước được vận chuyển đi xuống, Ψg phụ thuộc vào độ cao của nước, mật độ của nước và gia tốc của nước. Thế năng nước trong tế bào Khi nhắc đến sự vận chuyển nước trong tế bào, giá trị Ψg thường bị bỏ qua, vì có giá trị không đáng kể so với Ψp và Ψs. Khi đó thế năng nước trong tế bào được tính: Ψw = ψs + ψp (2.3) Nước tinh khiết có Ψp = 0; áp suất tuyệt đối của nước = 0,1 MPa (mega pascal) = 1 atm (atmosphere). Nếu không có chất tan trong nước thì ψs = 0, khi đó Ψw = 0. Nước vận chuyển vào trong tế bào theo gradient thế nước. Do đó, nếu đặt tế bào trong dung dịch chất tan, nước có thể vận chuyển từ dung dịch vào trong tế bào nếu dung dịch có thế năng nước lớn hơn thế năng nước của dịch bào. Ngược lại nước cũng có thể ra khỏi tế bào nếu thế năng nước của dung dịch nhỏ hơn thế năng nước của dịch bào. Khái niệm thế năng nước có hai ý nghĩa, trước tiên thế năng nước điều khiển sự vận chuyển nước xuyên màng tế bào; sau đó thế năng nước thường được sử dụng để đánh giá trạng thái nước của cây. Do sự mất nước từ quá trình thoát hơi nước nên cây luôn trong tình trạng có thế năng nước không bão hòa, rất hiếm khi được trạng thái hydrat hóa hoàn toàn. Do vậy, tế bào luôn luôn có xu thế hút nước vào tế bào. Thế năng nước trong cây Sự sinh trưởng của tế bào, quá trình quang hợp, và năng suất cây trồng tất cả đều chịu ảnh hưởng rất lớn bởi thế năng nước. Các hoạt động sống của cây, sự hấp thụ nước từ rễ, cùng với quá trình thoát hơi nước ở lá làm cho trong cây luôn tồn tại một gradient thế nước theo chiều giảm dần từ rễ lên thân. Từ đó qui định chiều vận chuyển của nước là từ dưới lên trên, gọi là dòng đi lên. Theo Taiz và Zeiger, 2010, thế năng nước trong cây là một chỉ số phản ánh sức khỏe của cây, được ví như là nhiệt độ của cơ thể người (Taiz và Zeiger, 2010). 2.3.2. Các con đường vận chuyển nước trong rễ cây Nước sau khi được vận chuyển từ dung dịch đất vào tế bào lông hút, sẽ tiếp tục được vận chuyển qua nhiều lớp tế bào ở vỏ rễ để vào mạch xylem. Đây được gọi là con đường vận chuyển khoảng cách ngắn trong cây. Nước đi từ lông hút vào xylem theo ba con đường là màng sinh chất, symplast và apoplast. Ở con đường apoplast (con đường không bào) (Hình 2.5a): Nước đi qua vách và các khoảng gian bào. Apoplast là hệ thống liên tục của vách tế bào và các khoảng gian bào trong mô thực vật. Do vận chuyển ở con đường này không đi qua màng sinh chất, chất nguyên sinh mà chỉ đi trong các khoảng trống của tế bào nên nước được di chuyển khá dễ dàng. 69 70 Nước đi từ vách tế bào lông hút → vách ngoại bì → vách mô mềm vỏ → vách nội bì. Đến nội bì con đường này bị chặn lại bởi vành đai caspari (Hình 2.5b), do vách tế bào nội bì hóa bần tạo thành. Vành đai này không thấm nước, nên nước bắt buộc phải sáp nhập vào con đường symplast để vào được mạch xylem. Hình 2.5. Con đường vận chuyển nước ở rễ (a) và vành đai caspary ở rễ cây hai lá mầm (b) Con đường vận chuyển xuyên màng (Hình 2.5a): Nước đi từ tế bào này sang tế bào khác qua màng sinh chất. Theo đó nước vận chuyển xuyên qua màng vào tế bào ở mặt này và xuyên màng đi ra khỏi tế bào ở mặt khác, cứ như vậy nước đi từ tế bào này sang tế bào khác theo chuỗi. Như vậy ở con đường này nước xuyên qua hai vị trí trên màng sinh chất, vào và ra khỏi tế bào. Con đường symplast (con đường qua tế bào): Nước đi qua cầu sinh chất. Cụ thể đường đi của nước như sau: Nước đi từ Lông hút → ngoại bì → mô mềm vỏ → nội bì → trụ bì → mạch xylem. (Hình 2.5a) Vận chuyển nước ở con đường symplast và màng tế bào thường khó khăn hơn, tốc độ vận chuyển chậm hơn so với con đường apoplast do nước phải đi qua màng tế bào chất, chất nguyên sinh. Tuy nhiên, trong ba con đường này, hiện nay vẫn chưa thể xác định được con đường nào chiếm ưu thế hơn trong sự vận chuyển nước trong cây. Vận chuyển nước trong rễ có thể bị giảm khi rễ gặp nhiệt độ thấp, điều kiện yếm khí hoặc bị xử lý với chất ức chế hô hấp như cyanide. Do hô hấp rễ bị ức chế, sự vận chuyển nước cũng kém đi. 2.3.3. Sự vận chuyển nước trong thân cây 2.3.3.1. Vận chuyển nước khoảng cách ngắn Sau khi đi vào mạch xylem, nước được vận chuyển từ dưới lên trên theo chiều dọc của thân cây. Ngoài ra, ở thân cây nước còn được vận chuyển theo chiều ngang từ ống mạch xylem ra các lớp tế bào của vỏ thân cây, để đảm bảo các hoạt động sống cho các lớp tế bào sống bao bọc lõi gỗ của thân. Sự vận chuyển này cũng tương tự với đoạn rễ thành niên của cây, nơi có cấu tạo thứ cấp tương tự phần thân cây gỗ. Về cơ bản đường di chuyển của nước ở con đường này cũng tương tự như rễ, theo ba con đường là apoplast, xuyên màng sinh chất, và symplast. Tuy nhiên ở đây nước đi từ trong mạch xylem nằm ở trung tâm của thân cây ra ngoài, theo hướng ly tâm. Trong con đường apoplast ở thân (và cả ở tế bào lá), nước đều không bị ngăn cản bởi vành đai caspari như ở rễ. Ở thân cây gỗ nước chỉ vận chuyển đến lớp tế bào tầng sinh bần nằm trong lớp vỏ cây mà không vận chuyển ra các lớp tế bào ngoài cùng. Sở dĩ như vậy là vì các tế bào ở lớp ngoài cùng này đã bị hóa bần trong quá trình sinh trưởng của thân cây, nên không có khả năng thấm nước, chúng trở thành tế bào chết, sẽ bị bong ra khỏi cây, thay thế vào đó lớp tế bào mới được sinh ra từ tầng sinh bần. 2.3.3.2. Vận chuyển nước khoảng cách dài trong mạch xylem a) Cấu trúc mạch xylem Mạch xylem trong cây là một tổ chức được chuyên hóa rất cao đến mức hoàn hảo đảm bảo vận chuyển nước hiệu quả nhất (Hình 2.6). Mạch xylem gồm hai loại là mạch gỗ và quản bào. Trong đó quản bào là mạch dẫn nước duy nhất có mặt ở nhóm thực vật hạt trần kém tiến hóa hơn. Ở thực vật hạt kín ngoài quản bào, nước còn được vận chuyển bởi mạch gỗ. Cả mạch gỗ và quản bào đều là những tế bào chết, rỗng giữa, xếp chồng lên nhau làm thành hệ thống ống thông suốt Hình 2.6. Cấu trúc mạch gỗ và quản bào (a) và hình ảnh hiển vi điện tử mạch gỗ (420x) (b) (Taiz và Zeiger, 2010). 71 từ rễ qua thân lên gân lá. Trên vách ngăn ngang có các bản ngăn ngang, với các lỗ (hàng lỗ) kích thước lớn, nằm xiên hoặc nằm ngang, đảm bảo cho dòng nước được vận chuyển liên tục theo chiều dọc thân từ mạch này sang mạch khác. Trên vách ngăn dọc cũng có các lỗ nhưng nhỏ hơn, để nước có thể vận chuyển theo chiều ngang sang các mạch, quản bào khác hoặc ra các tế bào lớp ngoài ở vỏ thân. Tính chuyên hóa cao của xylem còn thể hiện ở chỗ vách tế bào đặc biệt là vách thứ cấp được lignin hóa rất mạnh, làm cho ống mạch dẫn không bị bẹp, tắc trong quá trình dẫn truyền. Hơn nữa đặc tính lignin hóa còn làm cho mạch không thấm nước, để hiệu quả dẫn truyền nước được cao nhất. So với quản bào thì mạch gỗ có kích thước lớn hơn, ngắn hơn, các bản lỗ nằm ngang, với các lỗ lớn hơn, là loại mạch tiến hóa hơn, đảm bảo vận chuyển nước hiệu quả hơn (Hình 2.6). Do vậy, mạch gỗ có mặt ở hầu hết các thực vật hạt kín, nhóm thực vật tiến hóa hơn, nhưng lại không có ở thực vật hạt trần. b) Các động lực cho quá trình vận chuyển nước trong mạch xylem Vận chuyển nước trong mạch xylem là con đường vận chuyển dài nhất, có thể lên đến hàng trăm mét ở những cây thân gỗ lớn. So với vận chuyển theo chiều ngang ở con đường vận chuyển khoảng cách ngắn, nước được vận chuyển trong mạch xylem mặc dù có dễ dàng hơn do mạch đã được chuyên hóa, song vẫn phải chịu một lực cản từ sức hút của lực trọng trường (trọng lực) để nâng được cột nước lên cao trong ống mạch. Hình 2.7. Quá trình vận chuyển nước trong cây Vậy làm thế để cột nước có thể dâng cao được lên đến lá cho quá trình thoát hơi nước diễn ra nhất là ở những cây gỗ lớn cao hàng trăm mét? Đó chính là nhờ ba loại động lực: 72 áp suất rễ, lực kéo từ quá trình thoát hơi nước, các lực trung gian (Hình 2.7). Tổng hợp các lực này phải thắng được trọng lực từ tâm trái đất thì nước mới được vận chuyển đi lên trong thân. * Lực đẩy của áp suất rễ Do sự vận chuyển nước tích cực qua các tế bào nội bì của rễ nhờ năng lượng từ quá trình hô hấp, sinh ra một lực đẩy cột nước lên cao, lực đó gọi là áp suất rễ. Áp suất rễ sẽ mất đi nếu cây gặp phải các tác nhân ức chế các hoạt động sống, đặc biệt là quá trình hô hấp của cây. Khi đó sự vận chuyển nước trong thân bị giảm, gây nên căng thẳng hạn cho cây. Áp suất rễ được quan sát rõ nhất qua hiện tượng chảy nhựa: cắt ngang thân cây bất kỳ như bạch đàn, xà cừ, sau một thời gian thấy trên bề mặt lát cắt, phía gốc cây có chất dịch chảy tràn ra và ứ giọt lại, đó chính là dòng nước được đẩy lên từ rễ nhờ áp suất rễ. Áp suất rễ thường có trị số nhỏ, chỉ 0.1 MPa (megapascal), nên thường chỉ có ý nghĩa với các cây bụi, nhỏ, với các cây gỗ cao thì áp suất rễ gần như không có ý nghĩa. Lúc này, để nước được vận chuyển trong thân cần một lực lớn hơn, khỏe hơn, đó chính là lực kéo từ quá trình thoát hơi nước. * Lực kéo từ sự thoát hơi nước Sự chênh lệch sức hút nước khá lớn giữa không khí (độ ẩm không khí <100%) và bề mặt lá làm cho quá trình thoát hơi nước xảy ra mạnh mẽ ở lá cây. Các tế bào lá thiếu bão hòa hơi nước, thế năng nước của chúng giảm, sức hút nước tăng lên so với các tế bào bên dưới, làm chúng luôn có xu thể hút nước trở vào từ các tế bào ở phía dưới. Cứ như vậy làm phát sinh một lực hút nước từ dưới lên bề mặt lá, nhờ quá trình thoát hơi nước (quá trình này được mô tả chỉ tiết ở Mục 4 dưới đây). Trong cây sự thoát hơi nước ở lá diễn ra rất mạnh và liên tục, nên sức kéo của thoát hơi nước trong xylem cũng liên tục. Hơn nữa lực kéo này có trị số rất lớn, trên 10 atm, phụ thuộc vào quá trình thoát hơi nước ở lá. Nên đây là động lực chính để nước được vận chuyển liên tục trong mạch xylem. Tác động của lực kéo từ quá trình thoát hơi nước không phải chỉ lên sự vận chuyển nước trong thân, mà nó còn góp phần quan trọng làm giảm thế năng nước của tế bào rễ, từ đó thúc đẩy quá trình hấp thụ nước của rễ cây. Trong điều kiện bất lợi, thoát hơi nước của lá giảm, cũng là một nguyên nhân làm giảm sự hấp thụ nước và cả các chất khoáng ở rễ. * Các lực trung gian Ngoài động lực chính là thoát hơi nước và áp suất rễ, dòng vận chuyển nước trong xylem còn có sự đóng góp của một số lực trung gian như lực cố kết, lực bám dính. Các lực này có được là do đặc tính của phân tử nước tạo nên trong mạch xylem (xem Mục 1.4). 73 74 Nhìn chung các lực trung gian này thường có ý nghĩa quan trọng đối với sự vận chuyển nước ở các cây thân bụi. Ở các cây gỗ cao hàng trăm mét, động lực chính để nước được vận chuyển trong thân, vẫn là gradient áp suất hay gradient thế năng nước giảm dần từ dưới lên trên nhờ quá trình thoát hơi nước ở lá (Hình 2.7). * Sự vận chuyển nước trong mạch xylem phải đối mặt với một số thách thức vật lý Theo Taiz và Zeiger, 2010, các thách thức này được sinh ra bởi sức căng lớn của nước trong mạch xylem của các cây thân gỗ và những loài cây khác. Đầu tiên là sức căng nước tạo một lực rất mạnh lên vách tế bào, có thể làm cho ống mạch bị bẹp nếu mạch yếu. Tuy nhiên, nhờ đặc điểm chuyên hóa cao, vách thứ cấp của xylem rất dày và được lignin hóa mạnh nên quản bào và mạch gỗ có thể thích nghi chống lại được áp lực này. Thứ hai là nước với sức căng lớn ở trạng thái siêu ổn định vật lý (physical metastable state), tuy nhiên khi sức căng của nước trong mạch tăng lên làm khuynh hướng đẩy khí vào ống mạch qua các lỗ nhỏ li ti trên vách tế bào mạch, tạo nên các hạt khí (air seeding) trong ống quản bào và mạch gỗ (Hình 2.8). Hoặc khi cây gặp nhiệt độ đóng băng, khả năng hòa tan của khí giảm làm phát sinh các bóng khí (cavitation) trong lòng mạch xylem (Hình 2.8). Cả hạt khí và bóng khí đều gây cản trở quá trình vận chuyển nước trong xylem. Sự cản trở của hạt/bọt khí trong quá trình dẫn truyền nước được hình dung như là vấn đề của các bọt khí trong dòng nhiên liệu của động cơ ôtô, hay bọt khí trong mạch máu. Để giảm thiểu tác hại của hạt/bọt khí, dòng nước khuynh hướng ngoặt rẽ ngang sang các ống mạch bên cạnh qua các lỗ nhỏ trên vách dọc của mạch (Hình 2.8). Vào ban đêm khi thoát hơi nước giảm, thế năng áp suất trong mạch xylem tăng lên làm cho hơi nước, bóng, bọt khí tự tan rã trong nước. Ở một vài cây có áp suất rễ lớn có thể làm bóng khí co lại và tan rã. 2.3.4. Sự vận chuyển nước trong lá cây Nước hút vào từ rễ được đẩy lên gân lá nhờ các động lực của quá trình dẫn truyền nước trong xylem. Từ gân chính nối liền thân qua cuống lá, nước được đưa đến các tế bào thịt lá qua mạng lưới các gân phụ trong phiến lá. Nước từ xylem của gân phụ được vận chuyển qua tế bào bao quanh bó mạch sang các tế bào mô đồng hóa bằng các con đường Hình 2.8. Hiện tượng tạo bọt khí cản trở dẫn truyền trong mạch xylem (Taiz và Zeiger, 2010) vận chuyển nước khoảng cách ngắn. Sự vận chuyển này tương tự như trường hợp vận chuyển nước trong rễ cây, từ lông hút vào xylem hay từ mạch xylem ra các lớp tế bào bên ngoài vỏ ở thân cây. Nghĩa là nước cũng theo các con đường xuyên màng tế bào, apoplast và symplast (Hình 2.5). Động lực quyết định tốc độ và chiều hướng di chuyển của nước ở lá là gradient thế năng nước. Thế năng nước giảm dần từ ống mạch xylem, tế bào bao quanh bó mạch, các tế bào mô đồng hóa gần gân đến các tế bào mô xốp gần khe khí khổng. Sự mất nước của các tế bào gần khí khổng ra ngoài qua quá trình thoát hơi nước tạo nên độ thiếu bão hòa nước, nên các tế bào này luôn có xu hướng hút nước, làm cho dòng vận chuyển nước từ mạch xylem ở gân qua tế bào bao quanh bó mạch, các tế bào mô đồng hóa, đến các tế bào mô xốp, gần khí khổng luôn được duy trì (Hình 2.7). Dưới áp suất âm tạo ra từ sự thoát hơi nước ở khí khổng, dòng nước được vận chuyển trong khoảng gian bào luôn có xu hướng tiến về phía khí khổng để thoát ra ngoài. 2.4. Sự thoát hơi nƣớc của cây 2.4.1. Ý nghĩa của sự thoát hơi nước đối với đời sống của cây Thoát hơi nước là sự mất nước ra khỏi cây ở dạng khí, chủ yếu qua khí khổng. Cơ thể thực vật hút nước vào ở rễ cây, cây chỉ sử dụng 1% lượng nước hút được cho các hoạt động trao đổi chất, còn lại 99% bị mất đi qua quá trình thoát hơi nước. Hút vào rồi để bị mất đi gần hết như vậy, nhưng cây vẫn cần mẫn làm, bởi vì thoát hơi nước có rất nhiều ý nghĩa sinh lý quan trọng đối với hoạt động sống của cây. Thoát hơi nước là động lực chủ yếu của quá trình hút và dẫn truyền nước cùng các chất khoáng trong cây. Thoát hơi nước ở lá làm sản sinh một áp suất âm trong mạch xylem. Chính áp suất này là động lực quan trọng nhất cho quá trình vận chuyển nước ở trong xylem. Nó đặc biệt có ý nghĩa với những cây gỗ lớn có chiều cao trên 10 m, vì ở những dạng thực vật này các động lực khác như áp suất rễ, các lực trung gian gần như không có ý nghĩa. Sự thoát hơi nước ở lá làm giảm thế năng nước ở tế bào rễ cây, tạo nên sự chênh lệch áp suất thẩm thấu giữa tế bào rễ và đất, động lực cho quá trình hấp thụ nước cho cây. Nhờ thoát hơi nước mà trong cây tồn tại một gradient thế năng nước giảm dần từ rễ lên lá, tạo động lực cho quá trình di chuyển đi lên của nước. Thoát hơi nước tạo động lực quan trọng cho quá trình trao đổi chất khoáng. Thoát hơi nước tạo độ thiếu bão hòa nước nhất định tạo điều kiện cho sự trao đổi chất thúc đẩy sự sinh trưởng phát triển của cây. Trong cây, các chất khoáng được hấp thu và vận chuyển cùng với nước ở rễ và trong mạch xylem, do đó thoát hơi nước không chỉ có ý nghĩa với quá trình trao đổi nước mà còn cả với quá trình trao đổi khoáng. 75 76 Vì vậy, trong điều kiện môi trường bất lợi như hạn, mặn, nhiệt độ thấp... cây rơi vào trạng thái căng thẳng mất cân bằng nước, khí khổng có xu thế đóng lại để giữ nước cho cây, khi đó cả quá trình hấp thụ và trao đổi nước và các chất khoáng trong cây đều bị giảm (xem Chương 7). Thoát hơi nước ở lá qua khí khổng tạo điều kiện cho sự trao đổi khí, sự xâm nhập của CO2 vào lá để thực hiện quá trình quang hợp. Khi khí khổng mở để thực hiện thoát hơi nước, đã tạo thuận lợi cho CO2 khuếch tán vào trong lá để cây quang hợp tổng hợp chất hữu cơ cho sự sinh trưởng phát triển và cấu thành năng suất. Khi cây gặp điều kiện bất lợi, khí khổng đóng làm hạn chế sự xâm nhập của CO2 vào lá, đây là một trong những nguyên nhân làm giảm quang hợp thực, giảm năng suất cây trồng. Thoát hơi nước làm giảm nhiệt độ bề mặt lá, bảo vệ cây tránh sự đốt nóng của ánh sáng mặt trời. Ánh sáng mặt trời cần thiết cho quá trình quang hợp. Tuy nhiên, dưới điều kiện ánh sáng cao, năng lượng ánh sáng được sắc tố diệp lục hấp thu vượt quá khả năng quang hợp của lá, phần dư thừa này sẽ được thải ra ngoài ở dạng nhiệt (xem cơ chế tại Chương 3), để bảo vệ bộ máy quang hợp khỏi ức chế quang. Khi nước rời khỏi lá ở dạng khí trong quá trình thoát hơi nước, đã mang theo năng lượng nhiệt ra ngoài, làm mát bề mặt lá. Đây là phản ứng bảo vệ quan trọng của cây trong những lúc ban trưa, của những ngày nắng nóng. Mặc dù thoát hơi nước là một quá trình sinh lý có ý nghĩa rất lớn đối với cơ thể thực vật, tuy nhiên nếu cây mất nước quá nhiều bởi thoát hơi nước, trong khi sự hút nước ở rễ lại diễn ra không thuận lợi sẽ gây hại cho cây. Do đó, trong trường hợp cây gặp khó khăn trong sự hút nước như bị hạn, mặn, lạnh, thì phản ứng đầu tiên của cây là đóng khí khổng để giữ nước cho cây. Phản ứng này có liên quan đến hormone thực vật là abscisic acid (xem Chương 7). Để thích nghi với các điều bất lợi đó, cây thường phát triển các đặc điểm để hạn chế thoát hơi nước như giảm số lượng khí khổng, giảm diện tích lá, lỗ khí được phủ lớp cutin dày, lớp cutin ở bề mặt lá dày lên, phản ứng cuộn lá, rụng lá mùa đông, lá biến thành gai như thực vật sa mạc (xương rồng), lá tiêu giảm thành hình kim như thực vật xứ lạnh (thông), hay cơ chế đóng khí khổng ban ngày mở ban đêm và các biến đổi trong quá trình đồng hóa CO2 ở thực vật CAM (crassulacean acid metabolism) (xem chi tiết trong Chương 3)... 2.4.2. Sự thoát hơi nước qua cutin Tế bào biểu bì bao bọc cơ quan thực vật đều được phủ một lớp cutin ở mặt bên ngoài để bảo vệ cây khỏi sự mất nước. Tuy nhiên, ở những giai đoạn cây, cơ quan còn non, hay cây trong bóng râm, nơi không khí ẩm ướt có lớp cutin mỏng, vẫn diễn ra sự thoát hơi nước qua bề mặt lớp tế bào biểu bì. Thoát hơi nước qua cutin thực chất là quá trình bay hơi nước khỏi bề mặt lá. Lớp tế bào biểu bì là điểm bay hơi nước quan trọng nhất trong lá ở điều kiện ánh sáng yếu và độ ẩm vừa phải (Buckley và cs., 2017). Khi cây ở giai đoạn còn non, thoát hơi nước qua cutin tương đương với thoát hơi nước qua khí khổng. Ở những cây có cơ quan trưởng thành, biểu bì với lớp cutin dày thì thoát hơi nước qua cutin rất yếu chỉ bằng 10-20%, còn lại là thoát hơi nước qua khí khổng. Do đó, ở những cây thích nghi với điều kiện khô hạn, lớp cutin thường dày để giữ nước nhằm hạn chế sự suy giảm các quá trình sinh lý, sinh hóa, sự sinh trưởng phát triển của cây. 2.4.3. Sự thoát hơi nước qua khí khổng Thoát hơi nước qua khí khổng là con đường thoát hơi nước chủ yếu của cây, xảy ra ở tất cả các thực vật, và phụ thuộc vào cấu tạo, số lượng, sự phân bố, hoạt động của khí khổng ở bề mặt lá, cũng như các điều kiện ngoại cảnh. 2.4.3.1. Diễn biến quá trình thoát hơi nước qua khí khổng Khí khổng (lỗ khí) là khe hở nhỏ trên bề mặt biểu bì trên và biểu bì dưới ở lá, thông giữa các khoảng gian bào của tế bào mô đồng hóa với không khí bên ngoài. Qua khe khí khổng, hơi nước từ bên trong lá được khuếch tán vào khí quyển và CO2 từ khí khổng đi vào lá (Hình 2.9), quá trình này được tóm tắt như sau: Nước từ các tế bào mô đồng hóa (mô dậu và mô xốp), hóa hơi → khoảng gian bào ở phần mô đồng hóa (chủ yếu là xốp) → qua lỗ khí ra ngoài khí quyển. Hình 2.9. Quá trình thoát hơi nước ở lá cây 77 78 Quá trình này cụ thể được chia làm các giai đoạn sau: Sự vận chuyển của nước từ tế bào mô đồng hóa vào khoảng gian bào. Ở giai đoạn này nước ở dạng lỏng được hóa hơi và đi qua vách tế bào ra khoảng gian bào ở thịt lá. Trên vách tế bào luôn có các mao quản nhỏ, là các kẽ hở giữa các phân tử cellulose, hemicelluose (xem phần vách tế bào trong chương 1) và luôn ẩm ướt. Nước kết dính các bó vi sợi fibril, và các thành phần ưa nước khác (Hình 2.10), tạo thành lớp màng mỏng nước trên bề mặt ngoài của vách. Nước được bay hơi từ lớp màng mỏng nước này ra ngoài khoảng gian bào của tế bào thịt lá (Hình 2.10). Sự mất nước theo cách này tạo nên một áp suất âm cho nước, nên nước được kéo vào phía vách để thoát ra ngoài. Tế bào mô đồng hóa trong thịt lá tiếp xúc với khí quyển trực tiếp thông qua các khoảng gian bào. Trong hai loại tế bào mô đồng hóa ở thịt lá thì mô khuyết (mô xốp) nằm sát biểu bì dưới có nhiều khoảng gian bào hơn ở lớp mô dậu nằm sát biểu bì trên (xem phần cấu tạo lá ở Chương 2). Với nhiều khoảng gian bào kích thước lớn như vậy làm cho tổng diện tích bề mặt gian bào của thịt lá rất lớn. Những khoảng gian bào này thông với khí khổng đã tạo thuận lợi cho quá trình thoát hơi nước ở lá. Nước được kéo từ mạch xylem vào vách tế bào để từ đó bay hơi vào khoảng gian bào ở thịt lá. Hình 2.10. Các giai đoạn của quá trình thoát hơi nước ở lá (Taiz và Zeiger, 2010) Sự khuếch tán của hơi nước từ khoảng gian bào ra ngoài qua khe khí khổng. Sau khi bay hơi vào các khoảng gian bào, nước được khuếch tán ra ngoài không khí theo hai cách, có thể qua lớp cutin, hoặc qua khí khổng. Lớp cutin hay sáp phủ trên bề mặt lá tạo nên một hàng rào ngăn cản quá trình mất nước ở lá. Taiz và Zeiger, 2010, ước tính cây chỉ mất 5% nước qua cutin, còn lại nước thoát ra ngoài qua khí khổng. Cơ chế của sự di chuyển nước từ khoảng gian bào ra ngoài tuân theo qui luật khuếch tán, do đó sự vận chuyển này được kiểm soát bởi gradient nồng độ hơi nước giữa khoảng gian bào và không khí bên ngoài. Nồng độ hơi nước lớn hơn ở khoảng gian bào và nhỏ hơn ở ngoài không khí trên bề mặt lá làm cho hơi nước bị khuếch tán ra ngoài (Bảng 2.1.). Hơi nước được khuếch tán rất nhanh trong không khí, nhanh hơn rất nhiều so với sự khuếch tán nước ở dạng lỏng trong tế bào, do sức cản của chất nguyên sinh. Nếu gọi thời gian trung bình cần thiết để một phân tử khuếch tán một khoảng cách L là T, thì T được tính như sau: T = L2/Ds (2.4) (Taiz và Zeiger, 2010) Trong đó: Ds là hệ số khuếch tán. Khoảng cách để phân tử nước khuếch tán từ điểm bay hơi trong lá ra không khí bên ngoài sấp xỉ 1 mm (10-3m). Hệ số khuếch tán của nước trong không khí là Ds = 2.4 × 10–5 m2 s–1 Khi đó thời gian trung bình để nước đến được khoảng không của lá là T = 0.042s. Vậy nên khuếch tán thỏa mãn để làm di chuyển hơi nước xuyên qua pha khí trong lá. Thật thỏa đáng khi thời gian này ngắn hơn 2.5 lần so với sự khuếch tán của đường glucose xuyên qua tế bào 50 μm (Taiz và Zeiger, 2010). Sự khuếch tán trong không khí nhanh hơn trong chất lỏng. Sự thoát hơi nước ở lá phụ thuộc hai nhân tố: Sự chênh lệch hơi nước giữa khoảng gian bào (Bảng 2.1) với không khí bên ngoài và điện trở khuếch tán. Trong khi thể tích của khoảng gian bào trong lá là nhỏ, thì diện tích bề mặt khoảng gian bào ở vách tế bào có lớp màng nước luôn ẩm ướt, nơi mà nước bốc hơi để ra ngoài lại tương đối lớn, và thay đổi theo loài. Ví dụ % thể tích khoảng gian bào lá so với tổng thể tích lá, chiếm khoảng 5% ở thông (cây lá kim), 10% ở ngô, 30% ở lúa mạch và 40% ở cây thuốc lá. Trong khi đó diện tích bề mặt bên trong, nơi mà nước bốc hơi có thể gấp 7-30 lần diện tích bên ngoài của lá (Taiz và Zeiger, 2010). Tỷ lệ cao hơn của diện tích bề mặt so với thể tích khoảng gian bào tạo khuynh hướng cân bằng hơi nước bên trong lá. 79