Sinh học phát triển cá thể thực vật (tt)

Những tiến bộ gần đây trong sinh học tế bào, di truyền và sinh học phân tử đã giúp cho chúng ta hiểu rõ hơn các cơ chế phức tạp trong quá trình phát triển, bắt đầu từ hợp tử chỉ có cấu t

Mục lục Chương I: Mở đầu

1.1 Khái niệm về phát sinh cá thể 2

Chương II: Sinh học phát triển tế bào

2.2 Những điểm kiểm tra của chu kỳ tế bào 15-16

2.3 Cơ chế điều hoà chu kỳ tế bào 16-18

Chương III: Sinh học phát triển cá thể thực vật

3.1.2 Chu trình xen kẻ 2 thế hệ 36-38

3.1.3 Chu trình xen kẻ 3 thế hệ 38-42

3.2.1 Chu trình sống giảm phân hợp tử 42-45

3.2.2 Chu trình sống giảm phân giao tử 45-47

3.2.3 Chu trình sống giảm phân bào tử 47-54

Chương IV: ứng dụng sinh học phát triển cá thể thực vật

4.1.1 Kỹ thuật nhân giống cây bằng phương pháp nuôi cấy mô 56-58

4.1.2 Kỹ thuật tách chiết các hợp chất thứ sinh của thực vật 58

4.5 Sử dụng hormone thực vật đối với cây trồng 59

4.5.2 Sự cân bằng hormone trong cây 64

4.5.3 Nguyên tắc sử dụng chất điều hoà sinh trưởng 64-65

Demo Version - Select.Pdf SDK

4.5.4 Sử dụng chất điều hoà sinh trưởng trong sản xuất 65-66

Chương I

Mở đầu

Sinh học phát triển (Developmental Biology) là một trong những lĩnh vực cơ bản của sinh học hiện đại, nó giải quyết những cơ chế phức tạp của quá trình sinh trưởng và phát triển của sinh vật Xuất phát từ ngành "Phôi sinh học" (Embryology), sinh học phát triển hiện đại nghiên cứu sự sinh trưởng (growth), biệt hoá (differentiation) và phát sinh hình thái (morphogenesis) dưới sự điều khiển của gene

Những tiến bộ gần đây trong sinh học tế bào, di truyền và sinh học phân tử đã giúp cho chúng ta hiểu rõ hơn các cơ chế phức tạp trong quá trình phát triển, bắt đầu từ hợp tử chỉ có cấu tạo một tế bào, trải qua một thời gian phát triển thành một cơ thể đa bào phức tạp, trưởng thành, già và kết thúc bằng cái chết tự nhiên

1.1 Khái niệm về phát sinh cá thể (Ontogeny)

Phát sinh cá thể được xem như là nội dung nghiên cứu trong lĩnh vực Sinh học phát triển Cùng với sự phát triển của khoa học hiện đại, những hiểu biết về sinh học phát triển cũng thay đổi theo thời gian Có nhiều quan điểm về phát sinh cá thể:

Năm 1866, Ernst Haeckel đưa ra định lụât Phát sinh sinh vật (biogenetic law) hay

lý thuyết Lặp lại pha (Theory of recapitulation) đề cập đến sự phát sinh cá thể (Ontogeny) và phát sinh chủng loại (Phylogeny) Ông nhận xét: Phát sinh cá thể là sự phát triển phôi của một loài cụ thể; còn phát sinh chủng loại là lịch sử tiến hoá của loài

Lý thuyết này cho rằng sự phát triển phôi của mỗi loài lặp lại sự phát triển tiến hoá của

loài đó hay nói cách khác: "Phát sinh cá thể lặp lại pha của phát sinh chủng loại"

(Ontogeny recapitulates phylogeny) Haeckel nghĩ rằng các giai đoạn phát triển phôi của một loài lập lại những giai đoạn trưởng thành của tổ tiên

Hiện nay, lý thuyết của Haeckel không được thừa nhận vì những bằng chứng thực

tế cho thấy quan điểm trên không phù hợp, ví dụ như phôi người không lặp lại các giai đoạn trưởng thành của cá, bò sát, động vật có vú

Theo Maturana & Varela (1980) trong Encyclopedia Autopoietica: Phát sinh cá thể là lịch sử biến đổi về cấu trúc của một cá thể

Còn trong International Encyclopedia of Systems and Cybernetics thì: phát sinh cá thể là quá trình tự tổ chức của một hệ thống sinh học (biological system) bắt đầu từ cấu trúc khởi đầu

Tóm lại, nghiên cứu phát sinh cá thể thực vật nhằm làm sáng tỏ quá trình phát triển của cơ thể thực vật từ lúc thụ tinh thành hợp tử đến khi trưởng thành, già và chết tự nhiên, phân bịêt với phát sinh chủng loại là quá trình hình thành loài

Demo Version - Select.Pdf SDK

Hình 1: Arabidopsis thaliana (Raven &Johnson, 1996)

1.2 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sự phát triển cá thể thực vật là một bộ phận của bộ môn Hình thái học thực vật Vì vậy, khi muốn nghiên cứu sự phát sinh, phát triển của các cơ quan, người ta phải sử dụng phương pháp thực nghiệm, nghiên cứu các dạng trong điều kiện tương ứng Các số liệu quan sát trong tự nhiên cùng với số liệu quan sát trong thực nghiệm được tích lũy và so sánh, từ đó có thể khái quát thành lý luận

Trong chu trình sống của cá thể thực vật, quá trình phát sinh hình thái là kết quả của sự biểu hiện kiểu gen dưới tác động của các tín hiệu bên trong giúp cây phản ứng trước các tín hiệu môi trường Vì vậy, người ta phải dựa vào nhiều phương pháp nghiên cứu hỗ trợ khác như tế bào học, di truyền học, sinh lý học, phôi sinh học thực vật Những tiến bộ gần đây của kỹ thuật hiện đại về di truyền phân tử như kỹ thuật gen, nuôi cấy tế bào

đã giúp cho các nhà khoa học hiểu được cơ chế điều khiển sự hình thành và biệt hoá tế bào trong quá trình phát triển cá thể

1.3 Đối tượng nghiên cứu

Các đối tượng được sử dụng trong nghiên cứu sinh học phát triển phải có những đặc điểm thuận lợi như vòng đời ngắn, hệ gene nhỏ, dễ dàng nuôi cấy trong phòng thí nghiệm

- Những mẫu động vật thường được sử dụng như: giun tròn (Caenorhaditis elegan), ruồi giấm (Drosophila melanogaster), nhím biển (Lytechinus variegatus , L pictus), ếch (Xenopus laevis)

- ở thực vật, mẫu dùng trong nghiên cứu như hoa

mõm chó (Antirrhinum), Fucus, nhưng cải xoong tai chuột (Arabidopsis thaliana) là đối tượng được quan

tâm nhiều nhất

Arabidopsis thaliana là một loài cỏ dại, lớp 2

lá mầm, cao khoảng 15 - 20cm, phân bố tự nhiên ở châu Âu, châu á, Bắc Mỹ và Bắc Phi Cây thuộc họ Cải (Brassicacae), có hoa lưỡng tính, dài 2mm, tự thụ phấn nhưng cũng có thể thụ phấn chéo bằng phương pháp nhân tạo Chu trình sống của cây có sự xen kẻ giữa thế hệ lưỡng bội và thế hệ đơn bội Trước đây loài này ít được biết đến, nhưng những năm gần đây nó trở thành đối tượng hấp dẫn của các nhà khoa học Sở dĩ như vậy vì chu trình sống của chúng rất ngắn, từ lúc hạt nẩy mầm cho đến khi hạt đầu tiên chín chỉ trong vòng 6 tuần Cây trưởng thành ra hoa, kết quả và một cây thường cho vài trăm quả với hơn 5000 hạt Cây sinh trưởng tốt trong phòng thí nghiệm với yêu cầu nhiệt độ trung bình từ 22-260C, ít ánh sáng

Demo Version - Select.Pdf SDK

Hệ gen của Arabidopsis thaliana gồm khoảng 100Mb (megabasepaires), đó là hệ

gen bé nhất trong nhóm thực vật hạt kín Số lượng nhiễm sắc thể: 2n=10, bao gồm 100

triệu nucleotit Ngoài ra, cấu trúc và tổ chức của hệ gen Arabidopsis thaliana chứa ít

đoạn ADN lặp lại (khoảng 20%) Nếu so với hệ gen của cây thuốc lá có thể có cùng số gen, nhưng số lượng các nucleotit ở cây thuốc lá lớn gấp 15 lần Đây là một ưu điểm nổi

bật nhất của Arabidopsis thaliana trong nghiên cứu phát triển vì có ít đoạn ADN lặp lại

không mã hoá, nên giúp cho các nhà nghiên cứu dễ dàng phát hiện ra sự biểu hiện gen mà

không mất công sức và kinh phí (H.Đ Cự, 2002)

1.4 Lược sử phát triển bộ môn

Nghiên cứu sự phát triển cá thể thực vật là một nội dung của bộ môn Hình thái học

đã có từ cuối thế kỷ XVII, bắt đầu từ khi Camerius cho rằng nhị đực của hoa như là cơ quan sinh sản đực

Phát triển cá thể luôn gắn liền với sự sinh sản Vì vậy, khi nhà bác học người Anh

R Brawn (1833) mô tả cấu tạo nhân tế bào với ý nghĩa chung (mặc dù nhân được phát hiện vào thế kỷ XVII) cũng như khi hạch nhân ở tế bào thực vật (1838) và động vật (1871) được phát hiện, thì có nhiều nhà khoa học nghiên cứu sự phân chia nhân, thụ tinh và các quá trình phát triển phôi

Tuy nhiên, mãi đến năm 1841 Rudoft Albert Koelliker phát hiện ra tinh trùng và Karl Gegenbauer (1875) phát hiện ra trứng chỉ là một tế bào, thì một số quan niệm trước đây về tế bào bị bác bỏ Koelliker cho rằng tinh trùng là tế bào đặc biệt có nguồn gốc từ tinh hoàn, chứ không phải là động vật ký sinh trong tinh dịch như các nhà khoa học trước đây suy nghĩ Vài năm sau đó, Oskar Hertwig phát hiện ra trong trứng cầu gai hay còn gọi là nhím biển có 2 nhân, trong đó một nhân có nguồn gốc từ tinh trùng và nhân còn lại

có nguồn gốc từ trứng

Còn ở thực vật, Hoffmeister (1851) phát hiện ra sự sinh sản hữu tính ở Rêu và Dương xỉ Thành tựu này giúp cho các nhà khoa học hiểu rõ hơn về sự sinh sản của thực vật cũng như sự xen kẻ thế hệ Cùng với những kết quả nghiên cứu về tảo và nấm, nhiều nghiên cứu thực vật bậc cao có ý nghĩa rất lớn trong việc giải thích sự tiến hoá của giới thực vật Tuy nhiên, sự phân chia giảm nhiễm mãi đến năm 1894 mới được Strasburger phát hiện ở Dương xỉ

Trong lý thuyết Tính liên tục của tế bào (Cellular continuity) của Rudolf Virchow (1858) đã thể hiện sự hiểu biết sâu sắc về tế bào với câu phát biểu nổi tiếng:"Omnis cellula e cellula" có nghĩa là: Tất cả tế bào phát sinh từ các tế bào Một lần nữa, Virchow khẳng định lại lý thuyết tế bào của nhà thực vật người Đức Mathias Jakob Schleiden (1838): Tất cả thực vật và động vật được cấu tạo từ tế bào

Những phát hiện về cấu trúc tế bào giúp cho các nhà khoa học giải quyết những vấn đề

di truyền Trước đây, Hippocrates đưa ra "lý thuyết mầm" (panagenensis) để giải thích sự

di truyền giữa bố mẹ và con cháu Theo lý thuyết này, mỗi phần cơ thể tạo ra một "tinh dịch" (semen) hay hạt (seed) mà bằng cách nào đó di chuyển đến những cơ quan sinh sản Tuy nhiên, lý thuyết này đã bị Aristotle phê phán Ông cho rằng sự mất cánh tay hay chân

Demo Version - Select.Pdf SDK

của bố hoặc mẹ không tạo ra sự dị dạng ở thế hệ con Hơn nữa, ông còn thấy có những đặc điểm xuất hiện ở thời kỳ trẻ như râu mày rậm hay hói có lẽ là được di truyền cho thế

hệ sau Mặc dù lý thuyết trên bị phê phán, nhưng nó vẫn tồn tại nhiều năm

Năm 1883, Eduard van Beneden quan sát thấy nhân của giao tử kết hợp đóng góp

số lượng nhiễm sắc thể bằng nhau ở thời điểm thụ tinh Khám phá của Beneden đã làm

cơ sở cho định luật Mendel và những nghiên cứu về di truyền sau này

Một trong những vấn đề khó hiểu nhất của sinh học phát triển là làm thế nào mà từ một tế bào hợp tử phát triển thành một cơ thể đa bào, với nhiều loại tế bào có hình thái khác nhau đảm nhận những chức năng khác nhau trong vòng đời của nó ? Đây chính là quá trình biệt hoá tế bào (differentiation) và phát sinh hình thái (morphogenesis) trong chu kỳ sống của cá thể

Có lẽ những tư tưởng đầu tiên về biệt hoá tế bào thực vật được nhà sinh lý học Nga Capxa Fridrikh Volf (1758) quan tâm Ông mô tả tỉ mỉ sự phát triển của hoa, lá cây

và cho rằng chồi mầm (đỉnh sinh trưởng) do những cấu trúc chưa phân hoá hợp thành

Trong suốt thế kỷ 20, có nhiều nhà khoa học cố gắng giải thích quá trình biệt hoá của tế bào như August Weismann đưa ra lý thuyết "chất mầm" (germ plasm) Theo lý thuyết này, trong suốt giai đoạn phôi và sự phát triển của nó, trứng thụ tinh tạo ra 2 dòng

tế bào: dòng tế bào mầm (germ lines) và dòng tế bào thể (soma lines), nhưng chỉ có những tế bào mầm (germ cells) tham gia trong việc tạo thành trứng và tinh trùng Chỉ có những thông tin di truyền trong "chất mầm" của giao tử (tế bào mầm) chuyển đến cho con cháu, còn những tế bào thể (somatic cells) không liên quan gì

Một trong những công trình nghiên cứu nổi tiếng về sự biệt hoá tế bào thực vật là nhà thực vật người Đức Gottlieb Haberlandt (1902) Ông đưa ra giả thuyết về tính toàn

năng (totipotent) của thực vật Theo ông: Tất cả tế bào sống chứa toàn bộ tiềm năng di truyền của cơ thể và từ tế bào đó có thể tạo ra cây bình thường Trong sự phân hoá của

mô, chỉ có một phần tiềm năng này được biểu hiện trong bất cứ mô đã phân hoá nào

Giả thuyết của Haberlandt không được ủng hộ ngay vào thời điểm đó, mà phải đến

50 năm sau giả thuyết này mới được chấp nhận, nhất là khi Signoret (1964) phát hiện trong quá trình biệt hoá tế bào có sự tham gia của các gen, đặc biệt là các gen gây hoạt hoá Công trình của Signoret và những nghiên cứu khác sau này bổ sung thêm những bằng chứng cho quan điểm của Haberlandt trước đây

Ngoài vai trò của gen, Weiss và Tyler (1947) nhận thấy bề mặt tế bào cũng tham gia trong quá trình biệt hoá đối với một số loài nấm

Cũng vào thời gian này, những thành tựu nghiên cứu về các chất kích thích sinh trưởng như kinetin được Miller và Skoog phát hiện vào năm 1955 hoặc Letham và Miller (1963) nhận biết một loại cytokinin tự nhiên trong hạt ngô có tên là zeantin, góp phần không nhỏ trong lĩnh vực sinh học tế bào, làm sáng tỏ sự huyền bí của chu kỳ tế bào và

sự biệt hoá

Tuy nhiên, những khám phá trên vẫn chưa giải thích hết những kỳ diệu về hoạt động sống của tế bào Làm thế nào mà tế bào hoạt động một cách đều đặn và có tính chu

kỳ ? Công trình nghiên cứu của 3 nhà khoa học là R Timothy Hunht, Paul M Nurse và Leland H Hartwell đã đem lại vinh quang cho họ với giải Nobel năm 2001 Hunht, Nurse và Hartwell đã giải mã được chu trình tế bào, hiểu biết cơ chế phân tử điều khiển

Demo Version - Select.Pdf SDK

chu trình tế bào ở các sinh vật có nhân thật từ nấm men (Sacharomyces cerevisiae) cho

đến con người (N.H An, 2002) Phát hiện trên đã giúp cho chúng ta hiểu rõ cơ chế hình thành các tế bào bướu, từ đó mở ra những triển vọng trong việc điều trị bệnh ung thư bằng liệu pháp gen (therapy)

Những hiểu biết đầy đủ về sinh học tế bào góp phần không nhỏ trong lĩnh vực nghiên cứu sinh học phát triển cá thể, vì tất cả cơ thể sống đều có cấu tạo từ tế bào

Aristotle (384-322BC) - người đầu tiên quan sát sự phát triển của gà và một số động vật khác mà phôi của chúng khá lớn có thể thấy được bằng mắt thường Dựa vào

nhận thức đó, ông đưa ra Nguyên lý Biểu sinh (The principle of Epigenesis) Lý thuyết này cho rằng những cấu trúc mới xuất hiện do sự phát triển thông qua một số giai đoạn khác nhau Ban đầu Aristotle được nhiều người ủng hộ, nhưng gần cuối thế kỷ thứ 17 lý thuyết của Aristotle bị phản đối bới những người theo thuyết Tiên thành luận (The theory

of Preformation) Theo lý thuyết này: mỗi cá thể được tạo thành một cách đầy đủ trong tế bào mầm và chúng chỉ gia tăng kích thước trong quá trình phát triển Họ cho rằng phôi

người nhỏ được cất giấu trong đầu của mỗi tinh trùng Vì thế, lý thuyết Tiên thành luận

còn được gọi là lý thuyết Hình dạng người (Homunculus)

Tuy nhiên, từ việc nhận biết sự khác nhau giữa các giai đoạn phôi, con non và trưởng thành ở gà, nhà giải phẩu và sinh lý học người Đức Kaspar Friedrich Wolff

(1733-1794) đưa ra ý tưởng là: Những tế bào đầu tiên không biệt hoá, về sau phân hoá thành những cơ quan và hệ cơ quan riêng biệt của cơ thể thực vật hay động vật Tư tưởng của Wolff đã đẩy lùi lý thuyết Tiên thành lụân dần vào quên lãng trong suốt thế kỷ thứ 18 và ông được xem như là người sáng lập ra Phôi sinh học hiện đại (Modern Embryology)

Đến năm 1866, E Haeckel đưa ra định luật Phát sinh sinh vật (Biogenetic law)

hay lý thuyết Lặp lại pha (Theory of recapitulation) như đã trình bày ở trên Cho đến nay,

lý thuyết của Haeckel không được chấp nhận hoàn toàn Thật ra, quá trình phát sinh cá thể có thể lặp lại những đặc tính của các giai đoạn phát triển tương ứng của tổ tiên, chứ không phải lặp lại đúng trình tự các giai đoạn trong lịch sử phát triển chủng loại một cách

cứng nhắc

Nghiên cứu quá trình phát triển cá thể thực vật giúp cho chúng ta hiểu được sự phát sinh chủng loại, đồng thời ứng dụng những kiến thức về sinh học phát triển trong sản xuất nông nghiệp như nuôi cấy mô để nhân giống hoặc điều chỉnh các giai đoạn phát triển cá thể theo ý muốn của con người

Tóm tắt nội dung

1 Phát sinh cá thể (Ontogenesis) thực vật là quá trình phát triển của cá thể thực vật từ lúc

trứng thụ tinh thành hợp tử đến khi trưởng thành, già và chết tự nhiên

2 Phát sinh chủng loại (Phytogenesis) là quá trình hình thành loài

3 Để nghiên cứu các quá trình phức tạp diễn ra trong sự phát sinh cá thể, người ta sử

dụng nhiều phương pháp nghiên cứu khác nhau như phôi sinh học, di truyền học, tế bào học, sinh lý thực vật, hình thái giải phẩu thực vật v.v

4 Các đối tượng được sử dụng trong nghiên cứu sinh học phát triển phải có những đặc

điểm thuận lợi như vòng đời ngắn, hệ gene nhỏ, dễ dàng nuôi cấy trong phòng thí

Demo Version - Select.Pdf SDK

nghiệm Đối với thực vật, người ta thường chọn cây cải xoong tai chuột (Arabidopsis thaliana), hoa mõm chó (Antirrhinum), tảo Fucus

Câu hỏi hướng dẫn

1/ Thế nào là sự phát sinh cá thể và phát sinh chủng loại?

2/ Đối tượng được dùng trong nghiên cứu phát triển cá thể nói chung và thực vật nói riêng cần phải có những đặc điểm gì ?

3/ Samuel Butler cho rằng: “Con gà mái chỉ là cách thức tạo ra trứng từ một cái trứng” Các anh (chị) nghĩ như thế nào về câu nói trên?

4/ Những điểm giống và khác nhau của Phôi sinh học và Sinh học phát triển cá thể

Demo Version - Select.Pdf SDK