Lịch sử nghiên cứu, vai trò sinh lý và tầm quan trọng kinh tế của các hoocmon thực vật auxin, cytokinin, gibberellin,

Mở ĐầUở thực vật, ngoài các chất hữu cơ protein, gluxit, lipid, Acid nucleic… có vai trò cấu trúc lên tế bào, mô, cơ quan và cung cấp cho hoạt động sống của cây thì cây còn cần các chất

Phần I Mở ĐầU

ở thực vật, ngoài các chất hữu cơ (protein, gluxit, lipid, Acid nucleic…) có vai trò cấu trúc lên tế bào, mô, cơ quan và cung cấp cho hoạt động sống của cây thì cây còn cần các chất có hoạt tính sinh học cao nh: vitamin, enzyme và các hoocmon, trong đó các hoocmon có vai trò rất quan trọng trong việc điều chỉnh các quá trình sinh trởng phát triển và các hoạt động sinh lý của thực vật

Các chất điều hoà sinh trởng và phát triển của thực vật gồm có hai loại là Phytohoocmon và các chất điều hoà sinh tr-ởng đợc tổng hợp nhân tạo Đây là những chất có tác dụng

điều tiết các quá trình sinh trởng và phát triển của cây trong suốt quá trình sống từ lúc sinh ra đến khi chết

Trong cây, có năm nhóm hoocmon chủ yếu là Auxin, Cytokinin, Gibberellin, Acid Abxixic và Etylen

Trong nền nông nghiệp thâm canh cao hiện nay thì các chất điều hoà sinh trởng nh Auxin, Cytokinin và Gibberellin ngày càng có vai trò tích cực hơn trong việc điều chỉnh quá trình sinh trởng và phát triển của cây một cách hợp lý nhất làm tăng năng suất và phẩm chất thu hoạch mang lại giá trị kinh

tế cao

Ngoài các chất điều hòa sinh trởng thì các chất ức chế sinh trởng nh: Acid Abxixic và Etylen cũng là những chất quan trọng đang đợc nghiên cứu và ứng dụng

Từ những phân tích trên mà việc nghiên cứu, tìm hiểu

về lịch sử nghiên cứu, vai trò sinh lý của các hoocmon thực vật

là rất cần thiết Xuất phát từ những lý do trên em tiến hành

thùc hiÖn tiÓu luËn vÒ: “LÞch sö nghiªn cøu, vai trß sinh lý

vµ tÇm quan träng kinh tÕ cña c¸c hoocmon thùc vËt: Auxin, Cytokinin, Gibberellin, Acid Abxixic vµ Etylen”.

Phần II Nội dung

I Khái niệm HOOCMON thực vật

Hoocmon thực vật (Phytohoocmon) là các chất hữu cơ do cơ thể thực vật tiết ra có tác dụng điều tiết quá trình sinh tr-ởng, phát triển của cây từ khi tế bào trứng phát triển thành phôi cho đến khi cây hình thành cơ quan sinh sản, cơ quan

dự trữ và kết thúc chu kỳ sống của cây

Hoocmon thực vật có những đặc điểm chung sau:

- Đợc tạo ra ở một nơi nhng gây phản ứng ở một nơi khác trong cây Trong cây, hoocmon đợc vận chuyển theo mạch gỗ

2 Theo hoạt tính sinh lý

Hoocmon thực vật có thể chia là hai nhóm có tác dụng đối kháng nhau về hiệu quả sinh lý Đó là các chất kích thích sinh trởng và các chất ức chế sinh trởng

Các chất kích thích sinh trởng luôn gây hiệu quả kích thích lên quá trình sinh trởng của cây khi có nồng độ tác

dụng sinh lý Các chất kích thích sinh trởng trong cây gồm ba nhóm: Auxin, Gibberellin và Cytokinin.

Các chất ức chế sinh trởng luôn luôn ảnh hởng ức chế lên quá trình sinh trởng của cây, gồm có: Acid Abxixic, Etylen

III LịCH Sử NGHIÊN CứU Và VAI TRò SINH Lý CủA CáC LOạI HOOCMON thực vật

1 Hoocmon Auxin

a Lịch sử nghiên cứu

Năm 1881, Charles Darwin cùng con trai Francis với công trình nghiên cứu mang tên “Lực vận động trong cây” đã chứng minh rằng cây thảo non thờng uốn cong mạnh về phía nguồn sáng, nếu ánh sáng chiếu từ một phía và gọi hiện tợng này là tính hớng quang Nếu bao chóp sinh trởng của cây bằng chụp kim loại không cho ánh sáng lọt qua thì chồi không uốn cong Bao đỉnh chồi bằng mũ gelatin trong suốt cho ánh sáng

đi qua thì chồi vẫn uốn cong nh khi không có bao

Hình 1.1 Thí nghiệm của Darwin và Boysen - Jensen

Hơn 30 năm sau, các thí nghiệm của Peter Boysen - Jensen và Arpad Paal đã chứng minh rằng chất làm chồi cây uốn cong là một chất hóa học

Năm 1926, Frits Went tiếp tục thí nghiệm của Paal Ông chiếu sáng, rồi cắt đỉnh cây thảo non và đặt chúng lên một khối thạch Cắt bỏ đỉnh cây sinh trởng tối, đặt khối thạch có

đỉnh cây sinh trởng sáng lên một phía còn lại của cây sống trong tối Mặc dù cây non này không đợc chiếu sáng nhng chồi vẫn uốn cong khỏi phía mà trên đó đã đặt khối thạch Đặt khối thạch tinh khiết lên cây non đã sinh trởng trong bóng tối

và đã bị cắt bỏ đỉnh chồi thì không thấy chồi uốn cong khỏi phía đặt khối thạch

Hình 1.2 Thí nghiệm của Frits Went

Cuối cùng, Wents kết luận: chất đợc mệnh danh là Auxin

đã kích thích sự kéo dài tế bào và nó đợc tích lũy trên phía cây thảo non cách xa ánh sáng (phía không đợc chiếu sáng) Wents là ngời đặt tên chất hóa học có tác dụng “làm tăng” sự kéo dài tế bào là Auxin Ông cho rằng Auxin làm mô trên phía cách xa ánh sáng sinh trởng mạnh hơn so với phía đối diện (phía đợc chiếu sáng) do đó chồi non hớng về phía có ánh sáng Auxin có tác dụng tạo ra dạng cây thích hợp với môi trờng sống, nhờ đó cây có khả năng phản ứng với môi trờng

Năm 1954, hội đồng các nhà sinh lý học thực vật đã đợc thành lập để định danh cho các nhóm Auxin (IAA) Thuật ngữ này xuất phát từ tiếng Hy Lạp, có nghĩa là “tăng trởng”.

b Vai trò sinh lý của hoocmon Auxin

Auxin có tác dụng sinh lý rất nhiều mặt lên các quá trình sinh trởng của tế bào, hoạt động của tầng phát sinh, sự hình thành rễ, hiện tợng u thế ngọn, tính hớng của thực vật, sự sinh trởng của quả và tạo quả không hạt… Trong đó, tác dụng sinh lý

đặc trng nhất của Auxin là kích thích sự ra rễ

Vai trò của Auxin cho sự phân hoá rễ thể hiện rất rõ trong nuôi cấy mô Trong môi trờng chỉ có Auxin thì mô nuôi cấy chỉ xuất hiện rễ mà thôi Vì vậy, trong kỹ thuật nhân giống vô tính thì việc sử dụng Auxin để kích thích sự ra rễ

là cực kỳ quan trọng và bắt buộc

Cơ chế tác dụng của Auxin lên sự sinh trởng của cây

Auxin có tác dụng mạnh nhất lên sự sinh trởng giãn của tế bào Sự giãn của tế bào thực vật xảy ra do hai hiệu ứng: Sự giãn thành tế bào và sự tăng thể tích, khối lợng chất nguyên sinh Ngời ta đã phát hiện ra hiện tợng “sinh trởng axit”, tức là trong

điều kiện pH thấp (pH = 5) thì sự sinh trởng của tế bào và mô đợc kích thích Các ion H+ trong màng té bào dã hoạt hóa enzyme phân giải các cầu nối ngang polisaccarit giữa các sợi cenlulose với nhau làm cho các sợi tách rời nhau và rất dễ dàng trợt lên nhau Dới ảnh hởng của sức trơng tế bào do không bào hút nớc vào mà các sợi cenlulose đã mất liên kết, lỏng lẻo rất dễ trợt lên nhau làm cho thành tế bào giãn ra

Hình 1.3 Tác dụng của Auxin trong sự kéo dài tế bào

Vai trò của Auxin là gây nên sự giảm pH của thành tế bào bằng cách hoạt hóa bơm proton ( H+) nằm trên màng ngoại chất Khi có mặt của Auxin thì bơm proton hoạt động và bơm H+ vào thành tế bào làm giảm pH và hoạt hóa enzyme xúc tác cắt đứt các cầu nối ngang của các polysaccarit Enzyme tham gia vào quá trình này là pectinmetylesterase khi hoạt động sẽ metyl hóa các nhóm cacboxyl và ngăn chặn cầu nối ion giữa nhóm cacboxyl với canxi để tạo nên pectat canxi, do đó mà các sợi cenlulose tách rời nhau Ngoài sự giãn của thành tế bào còn xảy ra sự tổng hợp các hợp chất hữu cơ tạo nên thành tế bào và chất nguyên sinh nh cenlulose, pectin, hemicenlulose, protein Vì vậy Auxin đóng vai trò hoạt hóa gen để tổng hợp nên các enzyme cần thiết cho sự tổng hợp các vật chất đó

Ngoài IAA, còn có các dẫn xuất của nó là Naphtyl acetic acid (NAA) và 2,4-Diclophenoxy acetic acid (2,4-D) Các chất

này cũng đóng vai trò quan trọng trong sự phân chia của mô

và trong quá trình tạo rễ

NAA có tác dụng làm tăng hô hấp của tế bào và mô nuôi cấy, tăng hoạt tính enzyme và ảnh hởng mạnh đến trao đổi chất của nitơ, tăng khả năng tiếp nhận và sử dụng đờng trong môi trờng NAA là một Auxin nhân tạo có hoạt tính mạnh hơn Auxin tự nhiên IAA NAA có vai trò quan trọng đối với phân chia

tế bào và tạo rễ Kết quả nghiên cứu của Butenko (1964) cho thấy NAA có tác dụng tạo rễ mạnh hơn các Auxin khác Nhiều kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng NAA tác động ở mức độ phân tử trong tế bào theo 3 cơ chế:

+ NAA gắn với phân tử enzyme và kích thích enzyme hoạt động Sarkissian đã phát hiện tác dụng của Auxin lên citrat synthetase, còn Yamaki thì cho rằng Auxin kích thích hoạt tính của ATPase

+ Auxin tác dụng vào gen và các enzyme phân giải acid nucleic

+ Auxin tác động thông qua sự thay đổi tính thẩm thấu của màng

Dùng phơng pháp đánh dấu phân tử có thể thấy NAA dính kết vào màng tế bào làm cho màng hoạt động nh một bơm proton và bơm ra ngoài ion H+ làm màng tế bào mềm và kéo dài ra, do đó tế bào lớn lên và dẫn tới sinh trởng Trong tế bào, NAA còn có tác dụng lên sự tổng hợp acid nucleic

- Điều chỉnh sự hình thành, sự sinh trởng của quả và tạo quả không hạt: có ý nghĩa thơng phẩm quan trọng

+ Vai trò của Auxin trong sự hình thành quả: tế bào trứng sau khi thụ tinh xong sẽ phát triển thành phôi và sau đó là hạt

Bầu nhụy sẽ lớn lên thành quả Phôi hạt là nguồn tổng hợp Auxin quan trọng Auxin này sẽ khuếch tán vào bầu và kích thích bầu sinh trởng thành quả Vì vậy quả chỉ đợc hình thành sau khi thụ tinh vì nếu nh không có thụ tinh sẽ không có nguồn Auxin nội sinh cho sự sinh trởng của bầu thành quả và hoa sẽ rụng Thông thờng, trên một cây các quả có kích thớc và hình dạng rất khác nhau Điều đó hoàn toàn phụ thuộc vào hàm lợng Auxin

đợc tạo nên trong phôi hạt và cả sự phân bố khác nhau theo các hớng của quả

+ Tạo quả không hạt: việc xử lý Auxin ngoại sinh cho hoa trớc khi thụ phấn, thụ tinh sẽ thay thế đợc nguồn Auxin vốn đợc hình thành trong phôi mà không cần phải thụ phấn, thụ tinh Auxin xử lý sẽ khuếch tán vào bầu nhụy và kích thích bầu lớn lên thành quả không thụ tinh, có nghĩa là quả không có hạt Đó chính là cơ sở sinh lý của việc tạo quả không hạt thông qua xử

lý Auxin

- Điều chỉnh sự rụng của lá, hoa, quả:

Sự rụng của lá, hoa và quả là do sự hình thành tầng rời ở cuống cơ quan Auxin có hiệu quả rõ rệt trong việc ức chế sự hình thành tầng rời, do đó mà có thể kìm hãm sự rụng của lá, hoa và đặc biệt có ý nghĩa là kìm hãm sự rụng của quả

Việc xử lý Auxin để ngăn ngừa sự rụng là biện pháp kỹ thuật rất có ý nghĩa để chống rụng cho quả non, tăng tỷ lệ

đậu quả và góp phần tăng năng suất quả

- Điều chỉnh sự chín của quả:

Trong quá trình chín của quả, có sự kích thích của Etylen, nhng tác dụng đối kháng thuộc về Auxin, tức là cân bằng Auxin/Etylen quyết định trạng thái chín của quả Auxin

kìm hãm, làm chậm sự chín của quả Vì vậy, trong trờng hợp muốn quả chậm chín thì có thể xử lý Auxin cho quả xanh trên cây hoặc sau khi thu hoạch.

- Sản xuất thuốc diệt cỏ:

Dẫn xuất của Auxin là acid 2,4 - Dichlorophenoxiaxetic (2,4 - D) có tác dụng diệt cỏ dại trong bãi cỏ khá hiệu quả, đặc biệt loại bỏ có chọn lọc cỏ dại hai lá mầm có lá rộng Thuốc diệt

cỏ dại 2,4,5 - Trichlorophenoxiaxetic (2,4,5 - T) đợc sử dụng để diệt cây gỗ non và cỏ dại

2 Hoocmon Gibberellin

a Lịch sử nghiên cứu

Gibberellin là nhóm phytohoocmon thứ hai đợc phát hiện sau Auxin Đợc phát hiện lần đầu tiên bởi nhà nghiên cứu ngời Nhật Bản Kurosawa (1920) khi nghiên cứu bệnh ở mạ lúa do

nấm Gibberella fujikuroi gây ra

Năm 1939 đã tách chiết đợc Gibberellin từ dịch chiết nấm

G fujikuroi và đợc gọi là Gibberellin A.

Yabuta (1934-1938) đã tách đợc hai chất dới dạng tinh thể

từ nấm “lúa von” gọi là Gibberellin A và B nhng cha xác định

đợc bản chất hóa học của chúng

Năm 1955 hai nhóm nghiên cứu của Anh và Mỹ đã phát hiện ra axit gibberellic ở cây lúa bị bệnh lúa von và xác định

đợc công thức hóa học của nó là C19H22O6

Năm 1956, West, Phiney, Radley đã tách đợc Gibberellin từ các thực vật bậc cao và xác định rằng đây là phytohoocmon tồn tại trong các bộ phận của cây

Hiện nay ngời ta đã phát hiện ra trên 50 loại Gibberellin và

ký hiệu A1, A2, A3, A52 Trong đó Gibberellin A3 (GA3) là axit

gibberellic có tác dụng sinh lý mạnh nhất Ngời ta đã tìm đợc Gibberellin ở nhiều nguồn khác nhau nh ở các loại nấm, ở thực vật bậc thấp và thực vật bậc cao Gibberellin đợc tổng hợp trong phôi đang sinh trởng, trong các cơ quan đang sinh trởng khác nh lá non, rễ non, quả non và trong tế bào thì đợc tổng hợp mạnh ở trong lục lạp Gibberellin vận chuyển không phân cực, có thể hớng ngọn và hớng gốc tùy nơi sử dụng Gibberellin đợc vận chuyển trong hệ thống mạch dẫn với vận tốc từ 5- 25 mm trong 12 giờ Gibberellin ở trong cây cũng tồn tại ở dạng tự do và dạng liên kết nh Auxin, chúng có thể liên kết với glucose và protêin.

b Vai trò sinh lý của hoocmon Gibberellin

Tác dụng sinh lý rõ rệt nhất của Gibberellin là làm tăng sinh trởng ở cây

nguyên vẹn Gibberellin kích thích mạnh mẽ sự sinh trởng của

tế bào thực vật theo chiều dọc làm kéo dài thân, lóng cũng

nh chiều cao cây Vì vậy khi xử lý với các cây đột biến lùn thì các cây này có thể khôi phục lại bình thờng

Hiệu quả này có đợc là do của Gibberellin kích thích mạnh lên pha giãn của tế bào theo chiều dọc Vì vậy khi xử lý của Gibberellin cho cây đã làm tăng nhanh sự sinh trởng dinh dỡng nên làm tăng sinh khối của cây Dới tác động của Gibberellin làm cho thân cây tăng chiều cao rất mạnh (đậu xanh, đậu tơng thành dây leo, cây đay cao gấp 2-3 lần) Nó không những kích thích sự sinh trởng mà còn thúc đẩy sự phân chia tế bào Gibberellin kích thích sự nảy mầm, nảy chồi của các mầm ngủ, của hạt và củ, do đó nó có tác dụng

Gibberellin thờng tăng lên lúc chồi cây, củ, căn hành hết thời kỳ nghỉ, lúc hạt nảy mầm.Trong trờng hợp này của Gibberellin kích thích sự tổng hợp của các enzyme amilaza và các enzyme thuỷ phân khác nh protease,photphatase và làm tăng hoạt tính của các enzyme này, vì vậy mà xúc tiến quá trình phân hủy tinh bột thành đờng cũng nh phân hủy các polime thành monome khác, tạo điều kiện về nguyên liệu và năng lợng cho quá trình nảy mầm Trên cơ sở đó, nếu xử lý Gibberellin ngoại sinh thì có thể phá bỏ trạng thái ngủ nghỉ của hạt, củ, căn

hành kể cả trạng thái nghỉ sâu

Cơ chế tác dụng của Gibberellin:

Một trong những qúa trình có liên quan đến cơ chế tác

động của Gibberellin đợc nghiên cứu khá kỹ là hoạt động của enzyme thủy phân trong các hạt họ lúa nảy mầm Gibberellin gây nên sự giải ức chế gen chịu trách nhiệm tổng hợp các enzyme này mà trong hạt đang ngủ nghỉ chúng hoàn toàn bị trấn áp bằng các protêin histon Gibberellin đóng vai trò nh là chất cảm ứng mở gen để hệ thống tổng hợp protêin enzyme thủy phân hoạt động Ngoài vai trò cảm ứng hình thành enzyme thì Gibberellin còn có vai trò kích thích sự giải phóng các enzyme thủy phân vào nội nhũ xúc tiến quá trình thủy phân các polime thành các monome kích thích sự nảy mầm của các loại hạt

Gibberellin xúc tiến hoạt động của Auxin, hạn chế sự phân giải Auxin do chúng có tác dụng kìm hãm hoạt tính xúc tác của enzyme phân giải Auxin

(Auxinoxydase, flavinoxydase), khử tác nhân kìm hãm hoạt

động của Auxin

Cơ chế kích thích giãn của tế bào bởi Gibberellin cũng liên quan đến hoạt hóa bơm proton nh Auxin Tuy nhiên các tế bào nhạy cảm với Auxin và Gibberellin khác nhau có những đặc trng khác nhau Điều đó liên quan đến sự có mặt các nhân tố tiếp nhận hoocmon khác nhau trong các kiểu tế bào khác nhau.

Trong cây, Gibberellin đợc tổng hợp ở lá đang phát triển, quả và rễ sau đó đợc vận chuyển đi khắp nơi trong cây và

có nhiều trong phloem và xilem

Hoocmon Gibberellin có giá trị thơng phẩm ngày càng tăng và chắc chắn sẽ trở nên quan trọng trong tơng lai Đặc biệt quan trọng là việc làm tăng kích thớc quả, tăng sự đậu quả, tăng cỡ chùm nho, làm chậm sự chín quả cam, quít trên cây, đẩy nhanh sự nở hoa của cây dâu tây

ứng dụng thơng phẩm quan trọng nhất là kích thích sự phân giải từng phần tinh bột trong lúa đại mạch nẩy mầm trong quá trình ủ rợu bia

Trong nhiều trờng hợp của Gibberellin kích thích sự ra hoa

rõ rệt ảnh hởng đặc trng của sự ra hoa của Gibberellin là kích thích sự sinh trởng kéo dài và nhanh chóng của cụm hoa Gibberellin kích thích cây ngày dài ra hoa trong điều kiện ngày ngắn

Gibberellin ảnh hởng đến sự phân hóa giới tính của hoa,

ức chế sự phát triển hoa cái và kích thích sự phát triển hoa

đực Gibberellin có tác dụng giống Auxin là làm tăng kích thớc của quả và tạo quả không hạt Hiệu quả này càng rõ rệt khi phối hợp tác dụng với Auxin