Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Sinh lý học: Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố đến quá trình ra hoa của cây hoa Mõm chó (Torenia fournieri L.) nuôi cấy in vitro

Mục tiêu nghiên cứu của Luận án nhằm xác định được vai trò của một số yếu tố như ánh sáng, loại và nồng độ đường, chất điều hòa sinh trưởng thực vật, môi trường khoáng, acid amin và polyamine đối với sự ra hoa của cây T. fournieri in vitro. Mời các bạn cùng tham khảo!

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC

VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

-

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU

TỐ ĐẾN QUÁ TRÌNH RA HOA CỦA CÂY

HOA MÕM CHÓ (Torenia fournieri L.)

NUÔI CẤY IN VITRO

Chuyên ngành: Sinh lý học thực vật

Mã số: 9 42 01 12

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ SINH HỌC

TP HCM – 2020

Công trình được hoàn thành tại: Viện Sinh học Nhiệt đới và Viện Nghiên cứu Khoa học Tây Nguyên, Viện Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Người hướng dẫn khoa học: GS TS Dương Tấn Nhựt

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ

- Thư viện Quốc gia Việt Nam

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Torenia fournieri được sự quan tâm của các nhà khoa học bằng vẻ

đẹp giản dị, dễ dàng chăm sóc và có thể được trồng với nhiều mục đích khác nhau như trồng trong chậu, ven đường đi, trong nhà, ngoài trời,

trồng ở nơi có khí hậu nóng, ôn hoà hay lạnh Ngoài giá trị trang trí, T

fournieri với vòng đời ngắn, đáp ứng nhanh với sự thay đổi của môi

trường nuôi cấy, là một loại cây mô hình thí nghiệm hữu ích cho các nhà nghiên cứu, đặc biệt thích hợp cho việc nghiên cứu các hiện tượng sinh

lý cơ bản T fournieri cũng được sử dụng làm nguồn vật liệu cho các nghiên cứu in vitro như chuyển gene, tạo biến dị dòng soma, nhân giống

vô tính, tạo hoa in vitro… Mặc dù, đã có một số nghiên cứu về sự ra hoa

in vitro của cây T fournieri, việc làm sáng tỏ thêm mối quan hệ giữa sự

ra hoa và các tác động của chất điều hòa sinh trưởng thực vật, nguồn carbon, môi trường dinh dưỡng khoáng và một số yếu tố khác như polyamine, acid amin vẫn là cần thiết để làm sáng tỏ các cơ chế phức tạp của quá trình ra hoa ở loài cây này

Kỹ thuật nuôi cấy mô tế bào cùng với kỹ thuật sinh học phân tử đã góp phần cung cấp thêm những kiến thức về quá trình ra hoa ở thực vật

Cho đến nay, bên cạnh cây A thaliana, một loại cây mô hình đã được sử dụng nhiều cho việc nghiên cứu ra hoa, cây T fournieri cũng đã được sử dụng làm nguồn vật liệu để nghiên cứu về quá trình ra hoa in vitro Trong nghiên cứu về sự ra hoa ở thực vật, điều kiện nuôi cấy in vitro là

điều kiện lý tưởng để thực hiện những nghiên cứu sâu hơn về quá trình

này Trong điều kiện in vitro, các nhà khoa học có thể chủ động điều

chỉnh một số yếu tố như cường độ ánh sáng, quang kỳ, nhiệt độ, đường, chất khoáng, chất điều hòa sinh trưởng thực vật tùy theo từng mục đích nghiên cứu Những thay đổi trong thành phần môi trường, chất điều

hòa sinh trưởng thực vật hoặc thay đổi cụ thể trong từng điều kiện nuôi cấy có thể đẩy nhanh tốc độ sinh trưởng, rút ngắn giai đoạn sinh trưởng

và dẫn đến sự ra hoa sớm Với kỹ thuật này, các nhà khoa học đang hướng tới việc nghiên cứu sâu hơn các hiện tượng sinh lý của quá trình

ra hoa Đây chính là bước tiến quan trọng trên con đường chinh phục thiên nhiên của con người

Xuất phát từ những vấn đề trên, đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của

một số yếu tố đến quá trình ra hoa của cây hoa Mõm chó (Torenia

fournieri L.) nuôi cấy in vitro” đã được tiến hành thực hiện

2 Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu của đề tài là xác định được vai trò của một số yếu tố như ánh sáng, loại và nồng độ đường, chất điều hòa sinh trưởng thực vật,

môi trường khoáng, acid amin và polyamine đối với sự ra hoa của cây T

fournieri in vitro

3 Nội dung nghiên cứu

Nội dung 1 Nghiên cứu vai trò của một số yếu tố đến sự ra hoa của

cây T fournieri in vitro

Nội dung 2: Quan sát hình thái, cấu trúc mô phân sinh và hoạt động

biến dưỡng của cây T fournieri in vitro trong quá trình ra hoa

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 Giới thiệu về cây Torenia fournieri (T fournieri)

v Họ: Scrophulariaceae (Huyền sâm hay Mõm chó)

v Chi: Torenia

v Loài: Torenia fournieri L

Hình dạng ngoài của T fournieri được mô tả như sau:

v Thân: màu xanh, cao từ 15-35 cm, thường mọc thẳng, một số loài mới có dạng thân bò

v Lá: màu xanh bóng, có thể dài đến 5 cm, có dạng đơn giản, hình

trứng (trái xoan), bờ lá có răng cưa, sắp xếp theo kiểu đối xứng vòng

v Hoa: rất đa dạng về màu sắc và hình dạng Các màu truyền thống gồm: tía, tím, xanh; các màu mới có thể kể là: trắng, đỏ, hồng, màu kép, vàng Hoa thường có cấu tạo bốn cánh (đôi khi có nhiều hơn) với hai môi Môi trên: lớn nhất trong các cánh, bị che khuất một phần, thường có dạng xoăn hoặc gấp nếp Môi dưới: nhỏ hơn, thùy tròn, thường có một chấm vàng đặc trưng Tuy nhiên, ở một vài loài mới, chấm này có thể bị mất đi, toàn bộ bông hoa chỉ có một màu

Torenia fournieri thuộc nhóm thực vật 2 lá mầm, thân thảo lâu năm

nhưng hầu hết được trồng như cây một năm T fournieri là cây lưỡng

bội (n = 9) Cây tứ bội thể (n = 18) có thể được tạo ra bằng cách xử lý colchicine của cây con và có hoa tương đối lớn mang lại tiềm năng phát triển các giống thương mại Tuy nhiên, các cây tứ bội này, khả năng sống sót của phấn hoa giảm đáng kể, sự hình thành hạt và sự phân bố nhiễm sắc thể không đồng đều ở giai đoạn phân chia tế bào (anaphase) khi so sánh với các cây bố mẹ lưỡng bộ

T fournieri là loài hoa được ưa thích vì màu sắc đa dạng, dễ chăm

sóc và thích hợp cho nhiều mục đích như trồng trong chậu, làm cảnh, làm hàng rào hay đơn giản trồng để che phủ mặt đất Ngoài giá trị trang

trí, T fournieri còn là một loại cây mô hình thí nghiệm hữu ích cho các

nhà tế bào học nghiên cứu lai tạo vì dễ thực hiện do tính chất nhô ra của

túi phôi T fournieri cũng được sử dụng để nghiên cứu vị trí và sự di

chuyển của nhiễm sắc thể và tâm động ở giai đoạn đầu của quá trình tạo phôi trong các cây lai

1.2 Các con đường ra hoa ở thực vật

Các cơ chế tiến hoá ở thực vật diễn ra một cách chặt chẽ để đảm bảo sự ra hoa phải xảy ra vào thời điểm tối ưu giúp cho quá trình sinh sản thành công Sự phối hợp của những cơ chế điều hoà này cần sự thống nhất của rất nhiều yếu tố từ môi trường cùng với những yếu tố nội sinh để quá trình chuyển tiếp ra hoa diễn ra vào đúng thời điểm Trên thực tế, có ít nhất 4 con đường ra hoa ở thực vật bao gồm quang kỳ, con đường năng lượng, chất điều hòa sinh trưởng và con đường tự chủ ra

hoa được nghiên cứu từ cây mô hình cây A thaliana Tuy nhiên, không

phải tất cả thực vật có hoa đều ra hoa theo đúng bốn con đường cơ bản này Tuỳ theo từng loài, từng điều kiện sống nhất định thực vật sẽ có những yếu tố kích thích khác nhau phù hợp cho quá trình sinh sản

1.3 Những thành tựu nghiên cứu trong và ngoài nước về ra hoa in vitro và cây Torenia

1.3.1 Một số nghiên cứu trong nước

Chất điều hoà sinh trưởng thực vật vẫn luôn giữ vai trò quan trọng đối với thực vật và sự điều khiển ra hoa bởi các chất điều hòa sinh trưởng này được nghiên cứu khá rộng rãi Lê Hồng Thuỷ Tiên (2006)

nghiên cứu về sự ra hoa in vitro của cây dừa cạn (Catharanthus roseus)

và cây dã yên thảo (Petunia hybrida), sự ra hoa thành công khi môi

trường MS bổ sung 0,05 mg/l TDZ và 0,1 mg/l NAA Tổ hợp cytokinin

và auxin đã được sử dụng nhiều nhất để cảm ứng ra hoa là BA và NAA

(có thể là IAA, IBA) ở các cây tím phi (Saintpaulia ionantha Wendl), cây mào gà (Celosia cristala), hoa hồng mini (Rosa hybrida) Bên cạnh

đó, GA3 cũng đã được sử dụng và cảm ứng ra hoa in vitro thành công ở

cây lan sò (Dischidia pectinoides Pearson) Ngoài tác động cảm ứng ra

hoa, các chất điều hòa sinh trưởng thực vật còn đóng vai trò hỗ trợ cho

sự phát triển hoa hoàn chỉnh hoặc rút ngắn thời gian ra hoa Ở cây mào

gà (Celosia cristala), PBZ ở nồng độ 2,0 mg/l làm tăng tỷ lệ ra hoa và

cảm ứng sự ra hoa sớm, thời gian là 30 ngày thay vì 50 ngày sau nuôi cấy Kinetin với nồng độ 1,0 mg/l thúc đẩy hình thành thêm các phác hoa nhỏ, trong khi nồng độ thấp hơn xuất hiện nhiều lá bắc, làm ảnh hưởng đến sự tăng trưởng của các hoa này Đối với hoa hướng dương

(Helianthus annuus), môi trường bổ sung 50 g/l sucrose kết hợp 1,0

mg/l IBA giúp các bộ phận hoa phát triển hoàn chỉnh

1.3.2 Một số nghiên cứu ngoài nước

Hiện nay, đã có nhiều nghiên cứu về sự ra hoa in vitro trên các loài lan thuộc chi Dendrobium như ở loài D madame, D chao-praya-smile

và D candididum Ở các loài lan khác như C goeringii và C hybridium,

sự ra hoa trong ống nghiệm cũng đã được ghi nhận trong nghiên cứu của

Li-Ming và Ji-Liang (2006) Cảm ứng ra hoa in vitro bằng cách sử dụng cytokinin và gibberellin đã được nghiên cứu ở cây Pharbitis nil, cây

Passiflora suberosa và cây Lilium longiflorum Một số nỗ lực thành

công trong việc tạo ra hoa hồng in vitro đã được báo cáo Năm 2013, Zeng và đồng tác giả đã nghiên cứu thành công sự ra hoa in vitro ở cây hoa hồng mini (Rosa hybrida cv Fairy Dance)

Sự ra hoa trong ống nghiệm cũng đã được nghiên cứu khi nuôi cấy

phôi soma ở một số cây như cây B vulgaris và cây D giganteus John

và Nadgauda (1997) đã tạo được hoa in vitro ở cây Bambusa vulgaris var vittata và cây B arundinacea Một số loài tre khác đã được dùng làm nguồn vật liệu để nghiên cứu ra hoa như cây B edulis, cây D

hookeri và cây D latiflorus

Những nỗ lực nghiên cứu sự ra hoa in vitro thành công đã được

thực hiện trên một số cây dược liệu Seidlova và đồng tác giả (1981) nghiên cứu ảnh hưởng của ABA đối với sự ra hoa trong cây ngày ngắn

Chenopodium rubrum Ở cây nhân sâm (Panax ginseng), Tang (2000)

đã nghiên cứu ra sự ra hoa trong ống nghiệm từ nuôi cấy phôi Những thay đổi của hàm lượng chất điều hòa sinh trưởng nội sinh trong quá trình phân biệt chồi hoa và chồi sinh dưỡng trong nuôi cấy lớp mỏng tế

bào của cây Cichorium intybus đã được nghiên cứu bởi Ying-zhang và

Bi-wen (1996) Sự ra hoa trong ống nghiệm đã được nghiên cứu ở các

cây thuốc có giá trị như cây Solanum nigrum, cây Centaurium

pulchellum và cây Chamomilla recutita, Vadawale và đồng tác giả

(2006) đã nghiên cứu thành công sự ra hoa ở cây ngũ chảo (Vitex

trùng sơ bộ bề mặt với xà phòng loãng và đặt dưới vòi nước chảy trong

30 phút Chuyển mẫu vào trong tủ cấy, lắc mẫu bằng dung dịch HgCl2

0,1% với 1-2 giọt tween 20 trong thời gian 5 phút Sau đó, mẫu được rửa lại bằng nước cất đã khử trùng 3 lần rồi cấy vào môi trường Murashige và Skoog (MS) bổ sung 30 g/l sucrose, 8 g/l agar và 0,5 mg/l

BA để tái sinh chồi Sau đó, các mẫu chồi này được cấy chuyền sang môi trường MS để tạo mẫu chồi khỏe mạnh và đồng nhất, những chồi đạt chiều cao 2,0 cm được sử dụng làm nguồn nguyên liệu cho các thí

nghiệm

2.2 Phương pháp bố trí thí nghiệm

2.2.1 Nội dung 1: Nghiên cứu vai trò của một số yếu tố đến sự ra hoa của cây T fournieri in vitro

2.2.1.1 Thí nghiệm 1.1: Nghiên cứu vai trò của ánh sáng đến sự ra hoa

của cây T fournieri in vitro

2.2.1.2 Thí nghiệm 1.2: Nghiên cứu vai trò của đường đến sự ra hoa của

cây T fournieri in vitro

2.2.1.3 Thí nghiệm 1.3: Nghiên cứu vai trò của chất điều hoà sinh

trưởng thực vật ngoại sinh đến sự ra hoa của cây T fournieri in vitro

2.2.1.4 Thí nghiệm 1.4: Nghiên cứu vai trò của môi trường khoáng đến

sự ra hoa của cây T fournieri in vitro

2.2.1.5 Thí nghiệm 1.5: Nghiên cứu vai trò của acid amin (L-tyrosine,

arginine và proline) đến sự ra hoa của cây T fournieri in vitro

2.2.1.6 Thí nghiệm 1.6: Nghiên cứu vai trò của polyamine (spermidine,

spermine, putrescine) đến sự ra hoa của cây T fournieri in vitro

2.2.2 Nội dung 2: Quan sát hình thái, cấu trúc mô phân sinh và hoạt động biến dưỡng của cây T fournieri in vitro trong quá trình ra hoa

2.3 Điều kiện nuôi cấy

Các thí nghiệm nuôi cấy được đặt trong điều kiện chiếu sáng với thời gian chiếu sáng là 10 giờ/ngày, cường độ ánh sáng là 45 ± 2 µmol

m-2 s-1, nhiệt độ: 25 ± 2°C, độ ẩm trung bình: 60 ± 5%

2.4 Phương pháp nghiên cứu

• Phương pháp nuôi cấy mô tế bào thực vật

• Phương pháp giải phẫu hình thái mô phân sinh

• Phương pháp đo hàm lượng chlorophyll ở thực vật

• Phương pháp đo hàm lượng đường tổng số ở thực vật

• Phương pháp đo cường độ quang hợp và hô hấp ở thực vật

• Phương pháp đo diện tích lá

• Phương pháp thu thập, thống kê và xử lý số liệu

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

3.1 Nội dung 1 Ảnh hưởng của một số yếu tố lên sự ra hoa của cây

T fournieri in vitro

3.1.1 Vai trò của ánh sáng đến sự ra hoa ở cây T fournieri in vitro

Một trong những con đường quan trọng trong sự cảm ứng ra hoa ở thực vật là con đường ánh sáng Chất lượng, cường độ và thời gian chiếu sáng của ánh sáng ảnh hưởng trực tiếp đến sự sinh trưởng và phát triển thực vật Nghiên cứu của Dương Tấn Nhựt và đồng tác giả (2013)

trên cây T fournieri cho thấy cây T fournieri khi được nuôi cấy trong

điều kiện chiếu sáng với cường độ là 45 µmol m-2 s-1 và thời gian chiếu sáng là 10 giờ/ngày, sau 60 ngày nuôi cấy, cây có thân to cứng cáp, lá xanh và tỷ lệ ra hoa cao (70,06%) Kế thừa những nghiên cứu trước đó, trong nghiên cứu này chất lượng hay bước sóng của ánh sáng được khảo sát nhằm xác định vai trò của bước sóng ánh sáng lên sự ra hoa của cây

T fournieri in vitro

Chất lượng ánh sáng khác nhau ảnh hưởng khác nhau đến sự ra hoa

của cây T fournieri in vitro Sau 40 ngày nuôi cấy, kết quả ở bảng 3.1

cho thấy có sự khác biệt có ý nghĩa thống kê giữa các nghiệm thức sử dụng đèn LED và nghiệm thức sử dụng đèn huỳnh quang Tỷ lệ ra hoa

của cây T fournieri in vitro cao nhất ở 50% LED đỏ kết hợp với 50%

LED xanh và tỷ lệ ra hoa là 19,59% với số nụ hoa/chồi là 0,33 Khi tăng

tỷ lệ ánh sáng LED đỏ lên 60% thì tỷ lệ ra hoa giảm còn 13,34% Khi tỷ

lệ ánh sáng LED đỏ vượt qua tỷ lệ này thì sự ra hoa bắt đầu giảm mạnh Điều này phù hợp với nghiên cứu của Dewir và đồng tác giả (2006) trên

cây Euphorbia millii, sự ra hoa trong ống nghiệm giảm khi tỷ lệ đèn

LED đỏ tăng

Bảng 3.1 Một số chỉ tiêu sinh trưởng và phát triển của cây T fournieri

in vitro ở các điều kiện chiếu sáng khác nhau sau 40 ngày nuôi cấy

Chiều cao chồi (cm)

đỏ + 50% LED xanh; HQ: Ánh sáng đèn huỳnh quang (Philip, 36W, 1,2 m)

Kết quả nghiên cứu của Heo và đồng tác giả (2006) cũng cho thấy

tỷ lệ ra hoa cùng với số lượng nụ hoa của cây nho nhiều hơn khi sử dụng đèn LED đỏ kết hợp với đèn LED xanh và cao hơn so với các điều kiện chiếu sáng chỉ sử dụng đèn LED ở một loại bước sóng đơn lẻ (xanh

hoặc đỏ) Kết quả của nghiên cứu trên cây T fournieri in vitro cũng

tương tự với nghiên cứu của Heo và đồng tác giả (2006) Các chồi được đặt dưới điều kiện chiếu sáng là 100% LED đỏ hay 100% LED xanh thì

hầu như không có sự cảm ứng ra hoa Sự cảm ứng ra hoa ở cây T

fournieri chỉ xảy ra khi nhận được tín hiệu thích hợp của ánh sáng LED

xanh kết hợp với ánh sáng LED đỏ Điều này có thể được giải thích rằng ánh sáng LED đỏ kích thích sự hoạt động của phytochrome, ánh sáng LED xanh kích thích cho sự hoạt động của cryptochrome; sự kết hợp ánh sáng LED xanh và ánh sáng LED đỏ tạo một tỷ lệ thích hợp để kích

thích sự biểu hiện của gene liên quan đến cảm ứng ra hoa như gene flc,

một trong những loại gene mã hóa protein MADs-box Từ đó, sự hoạt

động của flc sẽ thúc đẩy chuỗi hoạt động ra hoa sau này bao gồm kích thích sự hoạt động của tổ hợp gene xác định thời điểm ra hoa như ft,

soc1 và lfy và kích thích sự hoạt động của mô phân sinh phác thể hoa,

sau cùng là dẫn đến sự ra hoa

3.1.2 Vai trò của loại và nồng độ đường đến sự ra hoa của cây T fournieri in vitro

Khi so sánh kết quả tác động của các loại đường với nồng độ khác

nhau lên tỷ lệ ra hoa, kết quả cho thấy các cây T fournieri được nuôi

cấy trên môi trường MS bổ sung fructose với nồng độ 50 g/l cho tỷ lệ ra hoa tốt nhất (53,14%), kế tiếp là glucose ở nồng độ 50 g/l (tỷ lệ ra hoa là 51,48%) (Hình 3.1) Tuy nhiên, trong thí nghiệm sử dụng fructose, số lượng cây bị vàng, hóa nâu và chết, tỷ lệ mẫu cây chết tương đối cao hơn so với thí nghiệm ở các loại đường khác Vì vậy, glucose với nồng

độ 50 g/l phù hợp nhất cho sự sinh trưởng và phát triển, đặc biệt là cảm

ứng ra hoa ở cây T fournieri in vitro

Đối với cây T fournieri in vitro, 2 loại đường đơn như fructose và

glucose tác động lên sự ra hoa hiệu quả hơn 2 loại đường đôi như sucorse và maltose Kết quả của nghiên cứu này cũng tương đồng với nghiên cứu của Taylor và đồng tác giả (2007) Nghiên cứu của Taylor

và đồng tác giả (2007) cũng đã chứng minh tỷ lệ ra hoa của cây K

leucocephala tăng lên khi các chồi được nuôi trên môi trường bổ sung

các loại đường đơn, điều này được giải thích là do sự tác động của loại đường này đối với sự phân chia tế bào tại mô phân sinh chồi đỉnh, vấn

đề này rất quan trọng đối với sự cảm ứng ra hoa ở thực vật Glucose và fructose không phải lúc nào cũng kích thích sự cảm ứng hình thành hoa, nên hiệu ứng này có thể không phổ biến và có thể phụ thuộc vào loài

thực vật, bản chất của mẫu cấy và khả năng của mẫu cấy sử dụng các nguồn carbon khác nhau

Hình 3.1 Ảnh hưởng của loại và nồng độ đường lên sự ra hoa của cây

T fournieri in vitro sau 40 ngày nuôi cấy

Việc phân biệt giữa cảm ứng ra hoa và phát triển hoa liên quan đến hoạt động của đường là một vấn đề cần xem xét Trong khi một loại đường cụ thể nào đó có thể không kích thích cảm ứng hoa, nhưng có thể

có tác động tích cực đến sự phát triển của hoa như được ghi nhận ở cây

T fournieri Trong nghiên cứu này, mặc dù sucrose không ảnh hưởng

đáng kể đến sự cảm ứng hình thành hoa, nhưng trong nghiên cứu trước

đó trên cây T fournieri, khi bổ sung sucrose với nồng độ 60 g/l vào môi