Công nghệ Sinh học - Xử lý ra hoa

Nội dung text: Công nghệ Sinh học - Xử lý ra hoa

1. TRẦN VĂN HẬU XỬ LÝ RA HOA Ebook.moet.gov.vn
2. Chương 1 SINH HỌC VÀ SỰ PHÁT TRIỂN HOA 1.1 Mục tiêu của môn học ¾ Thảo luận sự thay đổi về sinh hóa, sinh lý và hình thái trong quá trình sinh sản. ¾ Giải thích những yếu tố nội sinh và ngoại sinh ảnh hưởng lên sự sinh sản và sự liên hệ lẫn nhau giữa hai yếu tố nầy. ¾ Xác định được những đòi hỏi khác nhau cho sự sinh sản của các loại cây trồng (horticulture crops) ¾ Giải thích và chỉ ra những kỹ thuật thích hợp ảnh hưởng đến quá trình ra hoa cho một vài loại cây có giá trị kinh tế. 1.2 Một số khái niệm về sinh học sự phát triển 1.2.1 Đủ khả năng ra hoa (Competence) Đủ khả năng ra hoa được biểu lộ nếu một tế bào, mô hay một cơ quan biểu lộ một dấu hiệu và sự đáp ứng của nó trong một cách được mong muốn. Điều nầy được minh họa ở các mô hay cơ quan còn tơ (juvenile). Cây trong thời kỳ còn tơ sẽ không đủ khả năng đáp ứng với sự kích thích ra hoa. Chúng phải đạt được sự sẵn sàng hay sự thành thục cần thiết để ra hoa. Tình trạng đủ khả năng ra hoa trên cây xoài được Protacio (2000) định nghĩa là khi đạt được tình trạng mà hàm lượng gibberellin trong lá xuống dưới một ngưỡng nào đó. Có nhiều bằng chứng để chứng minh cho luận điểm nầy. Ở Thái Lan, mức độ GA giảm đều đặn và cây ra hoa ở thời điểm có hàm lượng GA thấp nhất. Tongumpai và csv. (1991) cho rằng chất giống như GA giảm trong chồi của cây xoài ở giai đoạn 6 tuần trước khi ra hoa không thể phát hiện được. Ngoài ra, việc áp dụng GA ngoại sinh ở các nồng độ từ 10-1 đến 10-2 M trước khi phân hóa mầm hoa có tác dụng ngăn cản sự ra hoa từ 95-75 % (Kachru và csv., 1971). Bằng chứng khác là việc làm ức chế sinh tổng hợp của GA có tác dụng thúc đẩy sự ra hoa (Rath và Das, 1979; Salomon và Reuveni, 1994 và Villanueva, 1997). Hoặc hạn chế sự tổng hợp GA bằng biện pháp vật lý như việc cắt rễ cũng cho thấy làm tăng sự ra hoa (Bugante và csv., 1994). Những bằng chứng trên cho thấy rằng sự hiện diện của GA biểu hiện sự ngăn cản sự đủ khả năng ra hoa trên cây xoài. Trên cây còn rất tơ (7 tháng tuổi) nhưng nếu được tháp lên nó chồi đã được xử lý ra hoa bằng paclobutrazol cũng có đủ khả năng ra hoa (Villanueva, 1997).
3. Giáo trình môn học Xử Lý Ra Hoa - Trần Văn Hâu - 2005 1.2.2 Cảm ứng (Induction) Sự cảm ứng xuất hiện khi một dấu hiệu đem lại một sự đáp ứng tiến triển duy nhất từ những mô đủ khả năng ra hoa. Sự cảm ứng có thể được hiểu như là như là một sự chuyển đổi đột ngột một sự kiện phát triển một cách đặc biệt. Trên cây xoài, khi có đủ khả năng ra hoa trong lá và mầm thì một dấu hiệu cảm ứng cần thiết xảy ra đồng thời với sự phân hóa mầm hoa. Dấu hiệu nầy là những đợt lạnh của mùa đông ở vùng Á Nhiệt đới, trong khi ở vùng nhiệt đới thì thiếu dấu hiệu nầy. Sự khô hạn có thể thay thế phần nào yếu tố nhiệt độ lạnh nhưng ở vùng nhiệt đới với lượng mưa phân bố tương đối đều trong năm làm sự ra hoa không đều nên năng suất thấp. Qua việc tìm thấy được tác động kích thích ra hoa của Nitrate kali trên cây xoài, khái niệm cảm ứng ra hoa được định nghĩa bởi McDaniel (1984) như sau: Nitrate kali không phải là một chất điều hòa sinh trưởng hoặc thúc đẩy sự ra hoa mà gây ra sự chuyển đổi từ tình trạng sinh trưởng sang tình trạng sinh sản nhưng từ một chương trình ra hoa đã có sẵn. Do đó có thể khẳng định rằng tác động của Nitrate kali có thể chỉ là một sự phá miên trạng mầm hoa, thúc đẩy sự phát triển mầm hoa đã hình thành trước đó. 1.2.3 Sự quyết định (Determination) Sự quyết định được chỉ ra nếu một tế bào, hay một nhóm tế bào biểu hiện sự phát triển giống nhau hoặc là trong sự cô lập, ở một nơi mới hoặc là trên một cơ quan nào đó. Trên cây xoài, Protacio (2000) cho rằng sự quyết định sự ra hoa cũng có thể là một tình trạng mà một sự cân bằng các chất điều hòa sinh trưởng khác nhau có thể cần thiết và duy trì cho sự ra hoa tiếp theo. Cụ thể là khi nồng độ GA giảm xuống mức dưới ngưỡng để chồi đủ khả năng ra hoa thì một sự cân bằng giữa Cytokinin và Auxin có thể đạt được và sự khởi phát hoa phát triển. 1.3 Sự chuyển từ giai đoạn sinh trưởng sang sinh sản 1.3.1 Sự thay đổi về hình thái giải phẩu của chồi ngọn Đo lường thời gian chính xác của sự thay đổi về hình thái giải phẩu ở đỉnh chồi trong thời kỳ chuyển sang giai đoạn ra hoa cho thấy rằng sự hình thành hoa thường đi cùng hoặc đi trước bởi nhiều thay đổi mà thường được ghi nhận là triệu chứng ra hoa. Những dấu hiệu chung và sớm nhất bao gồm: • Sự kéo dài lóng • Sự tượng của mầm chồi bên • Sự sinh trưởng của lá giảm • Sự thay đổi hình dạng của lá • Sự tăng tỉ lệ của sự khởi của mô phân sinh lá • Sự thay đổi hình dạng và kích thước mô phân sinh Mô phân sinh sinh trưởng thường phẳng hoặc hơi cong 2
4. Giáo trình môn học Xử Lý Ra Hoa - Trần Văn Hâu - 2005 Khi có sự tượng của mầm hoa, ta thường thấy mô phân sinh ngọn nhô lên (tăng kích thước chiều rộng và chiều cao) Tăng kích thước mô phân sinh bởi sự gia tăng kích thước tế bào. 1.3.2 Sự thay đổi về kiểu sắp xếp lá (Change in Phyllotaxis) Cùng với sự tạo thành của những triệu chứng nầy có thể gọi là “hội chứng ra hoa” (flowering syndrome). Nhịp độ sinh trưởng ở ngọn tăng nhanh một cách khác thường, điều nầy làm cho Thomas đề nghị rằng điều kiện cảm ứng sự khởi phát hoa lấy đi sự ức chế sự sinh trưởng nói chung không những bên trong mô phân sinh mà còn xuyên qua cả đỉnh chồi. Những triệu chứng nầy có cần thiết cho sự ra hoa không? Thật ra, nhiều triệu chứng trong số nầy thường khác nhau trong những loài khác nhau trong đặc tính sinh trưởng, yêu cầu quang kỳ, có thể được dùng để trả lời một cách khẳng định. Tuy nhiên, sự hình thành hoa có thể đôi khi thiếu một hoặc nhiều trong số những triệu chứng trên mà ở một số loài, ít nhất chỉ có một phần của những sự thay đổi nầy là cần thiết. Bằng sự kiểm tra cẩn thận mô hình sinh trưởng ở đỉnh trong nhiều chu kỳ cảm ứng khác nhau, người ta hy vọng rằng sẽ xác định được những thay đổi cần thiết trong những loài được cho. Sự khởi phát hoa sớm của mầm chồi nách, sự tăng tỉ lệ sự hình thành lá và những phần phụ khác và có lẽ kiểu sắp xếp lá thay đổi xuất hiện như là một dấu hiệu chung nhất cho sự khởi phát hoa và như vậy có thể được ghi nhận như là một lời dự báo tốt cho sự cần thiết và giá trị của những nghiên cứu nầy. Mặc dù những sự thay đổi nầy rõ ràng không thể tách rời ra từ sự gợi phát hoa, sự ra hoa có thể xuất hiện riêng lẽ trong điều kiện cảm ứng không đủ để gây ra sự hình thành hoa được gọi là sự cảm ứng từng phần (partial evocation). Sự thay đổi từng phần nầy chỉ ra rằng: (1) Những dấu hiệu thay đổi trong mỗi bước theo sau để hình thành hoa hoặc hoàn tất sự gợi phát hoa và (2) sự gợi phát hoa không cần thiết phải qua đủ các giai đoạn khi đã có dấu hiệu khởi phát hoa. Không có lý do gì để có một sự ưu tiên loại trừ những xác suất mà yếu tố gây ra sự gợi phát hoa từng phần không giữ một vai trò quan trọng trong mô phân sinh và có lẽ trong một vài cách tổng hợp gây ra sự gợi phát hoa cho chính nó. Như vậy, chúng ta chú ý sự kiện gợi phát hoa từng phần như là một đầu mối cho bản chất của những nhân tố nội sinh mà nó kiểm soát sự luân phiên sự phát triển sinh dục. 1.3.3 Sự thay đổi về mặt sinh hóa của mô phân sinh * Sự tăng nhanh tế bào Nhiều nghiên cứu từ sự xác định sự phân bào một cách đơn giản đến sự đo lường tinh vi quá trình nhân đôi tế bào, tất cả cho thấy rằng sự gợi phát hoa được đặc trưng bởi sự thúc đẩy quá trình phân chia tế bào ở cả phía ngoài và ở giữa của mô phân sinh chồi. Những hoạt động nầy rõ ràng là một yếu tố cần thiết của sự gợi phát hoa ở nhiều loài. Ở loài Silene, sự tăng tỉ lệ phân chia được qui cho sự thu ngắn lại thời gian của một chu kỳ phân bào. Trong khi, ở loài Sinapis, ít nhất một phần có thể do sự tăng tỉ lệ của chu kỳ tế bào. 3
5. Giáo trình môn học Xử Lý Ra Hoa - Trần Văn Hâu - 2005 Trong thời kỳ chuyển tiếp ra hoa, một số tế bào ở mô phân sinh trở nên đồng thời một cách nhanh chóng. Hiện tượng đáng chú ý nầy được phát hiện trong tất cả các loài được nghiên cứu và tin rằng nó là cần thiết nhưng không đủ cho quá trình gợi phát hoa. Ở loài Sinapis, có hai đợt phân bào trong thời gian chuyển tiếp: (1) Đợt đầu tiên rõ ràng liên kết đồng thời với nhau, (2) trong lúc lần thứ hai xuất hiện rõ ràng với sự bắt đầu của sự khởi phát hoa được liên quan với sự tăng tỉ lệ phân chia tế bào. * Sự thay đổi phân tử Sự thay đổi mức độ phân tử của sự gợi của quá trình ra hoa hiện vẫn còn biết rất ít. Kết quả đến nay cho biết sự gợi phát hoa làm tăng cơ chất hô hấp và tỉ lệ hô hấp đồng thời trong ARN, sự tổng hợp và hàm lượng protein. Sự thay đổi chất lượng trong những loại protein được tổng hợp được tìm thấy trong những đỉnh chuyển hóa. Ở loài Sinapis, một sự thay đổi trong nhóm bổ sung protein được ghi nhận ở mô phân sinh vào khoảng 24 giờ trước khi bắt đầu sự khởi phát hoa. Những sự quan sát nầy khẳng định quan điểm ít nhất có một sự thay đổi trong biểu hiện gene. Tuy nhiên, nó còn chứng minh rằng sự thay đổi trong thành phần protein của mô phân sinh là cần thiết cho sự chuyển tiếp sang giai đoạn ra hoa. Kiểm soát những sự thay đổi nầy ở mức độ hoặc sao chép lại, giải mã hay vượt quá mức độ nầy thì chưa được biết. Sự gợi phát hoa còn làm tăng sự hoạt động của nhiều enzyme thủy phân và sự mở rộng một cách hợp lý của ADN nào đó tiếp theo và sự thay đổi tính chất của màng tế bào. − Sự sử dụng chất ức chế sự trao đổi chất − Năng lượng sự trao đổi chất − Thành phần và hàm lượng ADN − Sự thể hiện của thông tin di truyền • Hàm lượng protein và ARN • Sự tổng hợp protein và ARN • Nhóm bổ khuyết ARN • Nhóm bổ khuyết protein • Kiểm soát sự thể hiện về mặt di truyền − Enzyme thủy phân − Chức năng và cấu trúc màng tế bào * Bản chất của sự gợi phát hoa Mặc dù có rất nhiều yếu tố môi trường ảnh hưởng lên sự ra hoa và các hình thức sinh sản, nhưng đặc trưng của sự chuyển tiếp sự ra hoa dường như chung nhất giữa các loài. Từ kết luận nầy cho thấy rằng những sự kiện yêu cầu cho sự bắt đầu của sự khởi phát hoa thì giống nhau ở tất cả các loại cây, ngay cả những sự kiện khác có thể thay đổi đáng kể. Có vô số sự kiện thay đổi xảy ra ở mô phân sinh khi có sự gợi phát hoa, tuy nhiên, điều khó xác định là sự thay đổi nào quyết định sự gợi của sự ra hoa còn sự thay đổi nào xảy ra kèm theo mang tính ngẫu nhiên hay tình cờ. Điều nầy rất khó xác định bởi vì có sự liên hệ lẫn nhau trong các quá trình sinh học mà không thể 4
6. Giáo trình môn học Xử Lý Ra Hoa - Trần Văn Hâu - 2005 tách rời hay ức chế một quá trình nào. Tạm thời có thể liệt kê một số thay đổi của sự khởi phát hoa như liệt kê dưới đây: (a) Cấu tạo dưới mức tế bào • Gia tăng cơ chất (substrate) hô hấp và tỉ lệ hô hấp • Gia tăng sự tổng hợp protein và ARN • Gia tăng sự hoạt động của nhiều enzyme • Thay đổi trong phần bổ sung protein (b) Cấu tạo tế bào • Sự đồng thời hóa tế bào • Gia tăng tỉ lệ phân chia tế bào (c) Cấu tạo mô • Sự sắp xếp lại mô phân sinh: Sự biến mất của sự phân tầng, sự tạo không bào của mô phân sinh lỏi gân chính của lá. (d) Hình thái bên ngoài • Sự khởi phát hoa của mô phân sinh chồi bên • Gia tăng tỉ lệ hình thành các phần phụ • Sự thay đổi kiểu sắp xếp lá Sự gợi ra hoa được quan niệm một cách kinh điển như là kết quả sinh ra từ một chất điều hòa sinh trưởng đặc biệt nào đó mà thúc đẩy sự ra hoa. Chất điều hoà sinh trưởng nầy khi đạt đến mô phân sinh tiếp nhận sẽ gây ra hàng loạt sự thay đổi phức tạp tiếp theo xảy ra một cách đồng thời dẫn đến sự hình thành mầm hoa. * Sự liên tục của sự gợi ra hoa Thornley và Cockshull () đã đưa ra mô hình toán học về sự gợi ra hoa liên tục bởi những nguyên nhân độc lập nhau ở những phần khác nhau của cây (Hình 1.1). Nhiều thí dụ về sự gợi ra hoa từng phần cho thấy rõ rằng sự gợi ra hoa không cần thiết phải hoàn tất khi mà một phần của nó được khởi đầu và đề nghị rằng không có một sự khởi đầu riêng lẻ mà có thể cả hệ thống chuyển động trong tất cả những sự kiện liên tục. Thí dụ: Những cấu thành sự liên tục được ghi nhận trên cây Sinapis * Sự liên tục của những sự thay đổi liên quan đến sự trao đổi năng lượng mà có thể được sản xuất bởi cây chịu đựng trong một chu kỳ ngày ngắn ở bức xạ cao. * Sự liên tục bao gồm sự phóng thích sớm vào sự phân bào của tế bào G2 và sự đồng nhất hóa tế bào tiếp theo mà có thể được sản xuất bởi cây được đưa ra cảm ứng điều kiện ngày dài dưới mức tối thiểu 11 hoặc 12 giờ. Những sự liên tục khác nhau có thể độc lập ở lúc khởi đầu nhưng chúng có thể tương tác với nhau ở một vài bước tiếp theo của quá trình ra hoa. Nếu chấp nhận quan điểm nầy có nghĩa là không có một sự kiện nào là một sự gợi hoàn toàn mà nó chỉ là một phần của sự gợi ra hoa. Do đó, khó mà dự đoán có bao nhiêu sự khởi đầu 5
7. Giáo trình môn học Xử Lý Ra Hoa - Trần Văn Hâu - 2005 độc lập trong quá trình ra hoa và như vậy sự khởi phát hoa tùy thuộc vào một hệ thống của nhiều yếu tố chi phối. * Tính đặc trưng của sự gợi ra hoa Tính đặc trưng của sự gợi ra hoa được đặt ra bởi Evans () và nhiều nhà nghiên cứu khác trên cơ sở hầu hết những sự kiện được phát hiện trong sự gợi ra hoa thì không đặc trưng cho sự ra hoa. Những thay đổi tương tự được tin rằng xuất hiện trong quá trình tạo thành các cơ quan mới khác như rễ hoặc sự tượng mầm chồi và ngay cả sự phóng thích của mầm chồi nách từ sự miên trạng. Theo quan điểm nầy thì sự gợi ra hoa được nhìn nhận như là một sự hoạt động không đặc trưng của toàn thể đỉnh mà cho phép thành lập một mô hình mới của sự sinh trưởng và sự hình thành một cơ quan. Sự thay đổi đặc biệt như là sự giải phóng của một gene khỏi bị cản trở được tin là chỉ xuất hiện ở thời kỳ sau của sự chuyển đổi. Trong khi chưa có thể bác bỏ giả thuyết khiêu khích nầy thì nhiều bằng chứng được cho thấy rằng sự gợi ra hoa là một hỗn hợp của những sự kiện đặc trưng và không đặc trưng. Những sự kiện đặc trưng như là sự thay đổi sự sắp xếp của lá, sự tạo không bào và sự biến mất của mô phân sinh lỏi gân chính của lá, sự đồng nhất hóa tế bào, sự thay đổi chất lượng trong thành phần của protein, Hơn nữa, sự đặc trưng của sự gợi ra hoa có thể không chỉ tồn tại trong những đặc trưng của những thành phần riêng biệt của nó mà còn trong sự tương tác liên tục xuất hiện trong cả không gian và thời gian. * Sự ức chế sự sinh trưởng có phải là một thành phần sớm và cần thiết của sự gợi ra hoa? Sự ức chế sự sinh trưởng như là một bằng chứng thứ hai xuất hiện ở thời kỳ chuyển tiếp giai đoạn ra hoa. Kết quả ngoài đồng ruộng trên cây ăn trái và cây hoa kiểng thân gổ qua việc khoanh cành, tỉa cành, hạn chế bón phân đạm hoặc áp dụng những biện pháp ức chế sự tăng trưởng thúc đẩy sự ra hoa cho thấy rằng có một sự đối lập giữa sự sinh trưởng dinh dưỡng và sinh sản. Sự khô hạn hay lạnh thúc đẩy sự hình thành mầm hoa cũng được xem như là kết quả quả của việc xử lý làm giảm sự sinh trưởng. Kết quả đạt được trên cây ngày ngắn Chenopodium rubrum của Seidlova được dùng để chứng minh cho quan điểm nầy. Người ta dùng cây con 3-6 ngày tuổi đem xử lý 3 chu kỳ đêm dài (16 giờ) liên tục và nhận thấy rằng quá trình sinh tổng hợp và hàm lượng ARN trong tất cả các vùng của mô phân sinh giảm ngay lập tức. Sự hoạt động của mô phân sinh trong 2 chu kỳ kích thích đầu tiên giữ ở mức thấp và sau đó tăng nhanh ở tất cả các vùng khi đạt được giá trị trên sự kiểm sóat sinh trưởng giữ trong ánh sáng liên tục. Hơn nữa việc xử lý ức chế sự trao đổi chất mô phân sinh bằng chất ức chế tăng trưởng actinomycin D, 6-azauridine, 5- fluordeoxyuridine hoặc bằng sự khô hạn đã làm giảm sự sinh trưởng, chủ yếu trên sự hình thành và sự mở của lá đã dẫn đến sự hình thành hoa. Sự ức chế quá trình đồng hóa bằng hóa chất thúc đẩy quá trình hình thành hoa trên một số cây trồng khác cũng được ghi nhận như: − Chloramphenicol và 5-fluorodeoxyuridine trên họ cam quýt − 6-azauracil và 8-azaguanine trên mô thân cây thuốc lá 6
8. Giáo trình môn học Xử Lý Ra Hoa - Trần Văn Hâu - 2005 Từ những kết quả nầy, Krekule và Seidlova () xem sự ức chế tăng trưởng như là một sự cần thiết cho quá trình gợi ra hoa. Tuy vậy, người ta cũng không biết rõ bằng cách nào hoặc ở đâu những hóa chất tác động lên chức năng của cây để gây ra việc ức chế sự đồng hóa làm sự thúc đẩy quá trình hình thành mầm hoa. Như trường hợp của chất cycloheximide được xem là chất có tác dụng ngăn cản quá trình sinh tổng hợp protein nhưng nó cũng ngăn cản quá trình quang tổng hợp trên lá và chuyển các chất đồng hóa. * Sự bắt đầu của sự gợi ra hoa Điể m không Bắt đầu khởi Đảo ngược phát hoa E1 E2 E3 En E1' E2' E3' En' E1" E2" E3" En" E1"' E2"' En"' Thời gian từ lúc bắt đầu sự gợ ra hoa Hình 1.1 Mô hình giả thuyết của sự gợi ra hoa bao gồm sự tương tác liên tục của nhiều sự kiện. Sự kiện liên tục trong mỗi chuổi là những số E1, E2, E3, Sự bắt đầu của những chuổi sự kiện khác nhau được đánh dấu bằng E1,, ’ ’’ ’’’ E1 , E1 , E1 . Sự bắt đầu của sự khởi phát hoa được định nghĩa như là sự bắt đầu của một chuổi sự kiện liên tiếp theo sau. Xác định những sự kiện khởi đầu nầy rất quan trọng vì nó sẽ giúp chúng ta hiểu được bản chất của những yếu tố kiểm soát sự gợi ra hoa. Tuy nhiên điều nầy rất khó xác định vì nó liên quan tới một chuỗi quá trình biến đổi của một hệ thống chức năng phát triển hình thái của cây. Trong nhiều cây có chu kỳ đơn, sự thay đổi đầu tiên được xác định rất sớm ở đỉnh ở thời kỳ tới hạn của đêm hay ngày đạt được hoặc sớm hơn như trên cây Sinapis sự gia tăng quá trình tổng hợp ARN được quan sát 10 giờ sau khi có chu kỳ ngày dài và tăng hoạt động men Envertase sau 2 giờ. Khi tạo điều kiện ngày dài cảm ứng ra hoa cho cây Sinapsis alba, người ta nhận thấy quá trình chuyển tiếp ra hoa bao gồm bốn giai đoạn: − Sự nhận cảm ứng ngày dài của lá trưởng thành − Sự thủy giải tinh bột trong lá và thân và sự chuyển sucrose trong libe tới rễ và mô phân sinh chồi ngọn − Sự vận chuyển ZR (Zeatine riboside) và iPR (isopentyl adenine Riboside) trong mạch mộc từ rễ tới lá trưởng thành 7
9. Giáo trình môn học Xử Lý Ra Hoa - Trần Văn Hâu - 2005 − Sự vận chuyễn iP (isopentyl adenine) trong libe từ lá tới mô phân sinh ngọn Như vậy dưới sự cảm ứng của ngày dài, sự ra hoa của Sinapsis alba liên quan tới các dấu hiệu sacarose và cytokinine, mỗi dấu hiệu gây một số biến đổi chuyên biệt trong mô phân sinh ngọn, dẫn tới sự ra hoa (Bùi Trang Việt, 2000) Tuy vậy, vì sự biến đổi của hoa có thể bắt đầu trong nhiều cây trước khi được đưa vào điều kiện kích thích, ngay cả những sự thay đổi sớm nhất được phát hiện trên cây được kích thích có thể cũng không phải là sự kiện khởi đầu của sự gợi cho chuỗi liên tục tiếp theo. Do đó, có thể nói rằng hầu như không thể tìm được một sự kiện duy nhất mà có thể nói chắc chắn rằng đó là sự kiện khởi đầu của sự gợi ra hoa. * Kết thúc của sự gợi ra hoa hoặc sự quy định không thể đảo ngược đối với sự khởi phát hoa Sự xác định thời kỳ mà sự hình thành hoa đã hoàn toàn và không thể đảo ngược lại (trở lại quá trình sinh trưởng) cũng rất quan trọng vì khi mô phân sinh phân hóa hình thành hoa hoàn toàn được xem là kết quả của quá trình gợi ra hoa trước đó và thực hiện thời kỳ tiếp theo. Ở nhiều loài đòi hỏi xử lý lâu nên thời kỳ kết thúc sự ra hoa chỉ ước lượng một cách đại khái bằng cách dựa vào sự phát triển của mô phân sinh. * Sự đảo ngược của đỉnh sinh sản đối với sự sinh trưởng dinh dưỡng Thông thường một cây chuyển qua giai đoạn sinh sản thường bị chi phối bởi yếu tố môi trường mà thường là yếu tố quang kỳ hoặc nhiệt độ thấp. Khi cây được kích thích trong điều kiện tối hảo thì ít khi sản xuất ra loại hoa có cấu trúc hỗn hợp, tức là vừa ra hoa vừa ra lá. Sự xuất hiện nhiều cấp độ khác nhau giữa sinh trưởng và sinh sản cho thấy rằng chồi ngọn ít nhiều có thể biến đổi trở lại tình trạng sinh trưởng. Như vậy mặc dù điều kiện hình thái chắc chắc đã xảy ra, hoa được sản xuất khi sự gợi ra hoa đã hoàn thành thì tình trạng sinh sản không nhất thiết ổn định vô hạn định. Trong một số loài và dưới những tình huống riêng biệt tình trạng sinh sản có thể bị mất một cách rõ ràng và chồi dường như trở lại tình trạng sinh trưởng dinh dưỡng như trước. Có nhiều hình thức biến đổi khác nhau như: − Cành sớm ra hoa và lá có hình hoa thị: Cành 'sớm ra hoa' hay còn được gọi là bông lá (vegetative inflorescence). Nguyên nhân gây ra tình trạng nầy là do sự kích thích dưới mức tối hảo hoặc áp dụng GA3. Sự xuất hiện của tình trạng nầy có thể gây ra sự nhầm lẫn là mô phân sinh chưa thực sự chuyển sang giai đoạn ra hoa. − Lá bất bình thường hoặc lá bắc có bộ phận như lá: Trong điều kiện cây chỉ được kích thích ở bên ngoài (marginal induction) làm cho lá trở lại tình trạng sinh trưởng hoặc lá bắc có hình dạng hoặc kích thước bất bình thường. Những lá bất bình thường nầy cho thấy rằng khi cây được kích thích thì kích thích sự sinh trưởng của lá, nhưng nếu điều kiện kích thích kéo dài thì nó sẽ ức chế sự sinh trưởng của lá. − Sự đảo ngược phát hoa: Nghĩa là phát hoa đã hình thành đầy đủ các bộ phận của hoa hoặc tất cả những đặc tính của một chồi sinh trưởng dinh dưỡng. Hiện tượng nầy xuất hiện một cách tự phát trên một số loài như trên cây khóm. Sự biến 8
10. Giáo trình môn học Xử Lý Ra Hoa - Trần Văn Hâu - 2005 đổi phát hoa do (1) sự phát triển của lá bắc có những bộ phận như lá, trong lúc đó ở những phát hoa bình thường thì không có lá bắc (2) Sự phát triển chệch hướng của mầm hoa, mầm hoa biến thành chồi nách thay vì một hoa bình thường. Những chồi nầy thường phát triển chậm cần đưa trở lại điều kiện sinh trưởng bình thường cho cây phục hồi. Trên cây xoài, chôm chôm hay cây nhãn khi mầm hoa hình thành và phát triển mầm hoa không thể đảo ngược nhưng nếu điều kiện thích hợp cho sự phát triển dinh dưỡng thì mầm lá sẽ phát triển mạnh ức chế sự phát triển mầm hoa làm cho hoa không phát triển được (bông lá). Do đó, khi điều khiển ra hoa phải kiểm soát yếu tố môi trường, duy trì điều kiện kích thích cho đến khi phát hoa phát triển hoàn toàn mới chấm dứt quá trình kích thích ra hoa. Trên cây chôm chôm hay sầu riêng khi 'xiết nước' và đậy nylon để kích thích ra hoa, nếu hoa phát triển chưa hoàn toàn mà dở nylon hoặc cho nước vào cây sẽ chuyển qua sinh trưởng. − Hoa có màu lục và phát triển nhanh: Hoa có màu lục và phát triển nhanh có thể thấy trong tự nhiên hay qua thực nghiệm. Một cách căn bản thì những hoa bất thường nầy phản ảnh sự bất bình thường của sự phát triển và sự tượng mầm hoa. 1.4 Sinh học của sự ra hoa Theo Bùi Trang Việt (2000) hoa thành lập từ chồi ngọn hay chồi nách qua 3 giai đoạn: (1) sự chuyển tiếp ra hoa: Mô phân sinh dinh dưỡng thành mô phân sinh tiền hoa- Đánh thức mô phân sinh chờ; (2) sự tượng hoa: Sự sinh cơ quan hoa (quan sát được dưới kính hiên vi), sự phát triển của sơ khởi hoa làm chồi phồng lên thành nụ hoa và (3) sự tăng trưởng và nở hoa: Mầm hoa vừa hình thành có thể tiếp tục tăng trưởng và nở hoa hoặc vào đi vào trạng thái ngủ. Sự tăng trưởng và nở hoa ít được chú ý vì giống với sự phát triển dinh dưỡng trong khi sự tượng hoa rất được quan tâm vì chuyên biệt cho sự ra hoa. Thời gian chuyển tiếp ra hoa tùy thuộc từng loài và sực tác động của yếu tố môi trường. Điều tra biện pháp xử lý ra hoa trên cây chôm chôm tại Chợ lách (Bến Tre) và Long Hồ (Vĩnh Long) Trần Văn Hâu và csv. (2005) nhận thấy thời gian xiết nước cần thiết cho quá trình chuyển tiếp ra hoa từ 40-60 ngày, tỉ lệ ra hoa có tỉ lệ thuận với thời gian xiết nước. Kết quả xử lý paclobutrazol ở nồng độ 600 ppm tác giả nhận thấy thời gian chuyển tiếp ra hoa sớm hơn từ 10-15 ngày. Khi quan sát quá trình hình thành mầm hoa trên kính hiển vi sau khi xử lý paclobutrazol trên cây xoài Kiew savoey, Tongumpai và csv. (2001) nhận thấy có 30% mầm hoa hình thành sau 92 ngày và 100% mầm hoa hình thành sau 112 ngày. Xử lý ra hoa mùa nghịch trên cây sầu riêng Khổ Qua Xanh, Trần Văn Hâu (2000) nhận thấy mầm hoa xuất hiện 18-20 ngày sau khi xử lý paclobutrazol ở nồng độ 1.000 ppm kết hợp với xiết nước trong mương vườn và đậy mặt liếp bằng nylon. Tuy nhiên, trên cây sầu riêng Sữa Hột Lép mầm hoa thường xuất hiện sau khi xử lý hóa chất từ 25-30 ngày và thời gian xuất hiện mầm hoa sẽ kéo dài đến tháng 11-12, khi có điều khi có nhiệt độ thấp và khô hạn. 9
11. Giáo trình môn học Xử Lý Ra Hoa - Trần Văn Hâu - 2005 1.4.1 Sự khởi phát hoa (initiation) Khi mà một hay những tế bào bắt đầu phân cắt để cho ra tế bào làm ra hoa sau nầy ta có sự khởi phát hoa. Sự khởi của phát hoa được bộc lộ bằng: (1) Sự ngưng hoạt động của vòng phân sinh của Plantefol và Buvat. (2) Sự hoạt động của phân sinh mô sinh dục. (*) Tế bào phân sinh mô nầy, lúc xưa hơi chuyên hóa (thấu nguyên sinh chất của màng acid, thủy thể to) nay trở lại tế bào phôi (Buvat, 1956). (*) ADN trong phân sinh mô gia tăng. (*) Tế bào chất chứa nhiều histon. (*) Chỉ số phân cắt tăng trở lại. Cây chuyển từ giai đoạn sinh trưởng dinh dưỡng sang giai đoạn sinh dục khi có điều kiện như chu kỳ ánh sáng thích hợp thì “sự phát triển của cây đã biến đổi”. 1.4.2 Sự phát triển của khối nguyên thủy thành nụ - Các khối nguyên thể bắt đầu nhô lên, ta có các phát thể. - Sự hình thể sinh của hoa khác với sự hình thể sinh của thân ở các điểm sau: (*). Trên thân, các lá tuần tự thì phát sinh trong khi các phần của hoa thì xuất hiện từng loạt (loạt cánh, một hay nhiều loạt tiểu nhụy). (*). Plantefol và Bauvat cho rằng sự hoạt động cuối cùng của 2 vòng phân sinh sẽ cho các lá non và các lá đài. (*). Phân sinh mô sinh dục tạo ra hoa bắt đầu từ các cành hoa vào trong. 1.4.3 Sự nở hoa Phát thể của hoa khi đã hoàn thành, có thể trở vào trong trạng thái nghỉ trong một thời gian. Thí dụ: Hoa cà phê sau khi hình thành phải có một lượng mưa tối thiểu 3-10 mm hoặc ẩm độ trong đất tăng thì hoa sẽ nở sau 7 ngày. Giai đoạn nghỉ nầy do nhiều nguyên nhân gây ra như sau: - Trời khô hạn - Nhiệt độ thấp Sự nở hoa gồm có hai giai đoạn: sự tăng trưởng và sự nở hoa thật sự. * Sự tăng trưởng (elongation) Khi phát hoa tới giai đoạn nghỉ nói trên thì nó gia tăng bề dài của nó rất mau. Phát hoa trồi ra khỏi thân, cọng hoa dài ra. Thí dụ:- Đòng đòng hoa trở thành phát hoa - Bắp chuối ló ra ngoài Sự gia tăng nầy do GA và người ta có thể làm cho cây dài ra bằng chất nầy. * Sự nở hoa thật sự (anthesis) 10
12. Giáo trình môn học Xử Lý Ra Hoa - Trần Văn Hâu - 2005 Đây là giai đoạn chót. Đài và cánh xòe ra, các chỉ của tiểu nhụy dày hay ngay ra. Nguyên nhân do áp suất trương của các tế bào của đài và vành tăng lên vì hoa bỗng hấp thu nước mau lẹ. − Ở gié hoa hòa bản, dĩnh và trấu không nở được, song nhờ tiểu dĩnh (lodicule) phù to ra, nông trấu và dĩnh nên gié hoa mở ra. − Khi hoa nở, thực vật phung phí năng lực. Sự biến dưỡng đường bột và hô hấp tăng nhiều làm nhiệt độ của hoa tăng hơn môi trường, có khi nhiều độ. − Thời gian hoa nở tùy loài: + Sáng sớm (nhãn, xoài) + Sầu riêng (17 - 21 giờ ) + Thanh long (11 - 22 giờ) + Quỳnh hoa (Phyllocactus) giữa đêm. Ở vùng nhiệt đới, hầu hết các cây đều mang lá khi trổ hoa (ngoại trừ một số ít cây ra hoa nhưng chưa ra lá như cây phượng). Trong khi ở vùng ôn đới, cây đơm hoa trước vào mùa xuân, lá xuất hiện sau. Cây ra hoa một lần rồi chết gọi là cây đơn kỳ hoa như cây lúa, cây vạn thọ. Nhiều cây đơn kỳ hoa thường cần nhiều năm mới đến tuổi phát hoa. Nhưng khi cây đơm hoa rồi thì cây chết. Cây có khả năng ra hoa nhiều lần gọi là cây đa kỳ hoa như xoài, nhãn. 1.5 Yêu cầu dinh dưỡng của sự ra hoa 1.5.1 Yêu cầu về lượng Do sự cạnh tranh giữa hai quá trình tăng trưởng và phát triển cơ quan sinh sản, có hai giới hạn: − Giới hạn dưới, mà dưới đó, thực phẩm không đủ cho sự ra hoa − Giới hạn trên, mà trên đó sự phát triển dinh dưỡng chiếm ưu thế 1.5.2 Yêu cầu về chất Thông thường sự dinh dưỡng giàu đạm kích thích sự phát triển dinh dưỡng trong khi sự dinh dưỡng giàu carbon kích thích sự ra hoa. Do đó, cần một tỉ lệ C/N thích hợp cho sự ra hoa: − Quá cao: sự phát triển dinh dưỡng sẽ yếu (N là yếu tố giới hạn) − Cao: Sự ra hoa được kích thích − Thấp: Phát triển dinh dưỡng mạnh − Quá thấp: Phát triển dinh dưỡng yếu (Carbon là yếu tố giới hạn) 1.6 Các kiểu ra hoa Vị trí ra hoa trên cây có liên quan đến sự sinh trưởng và có ảnh hưởng rất lớn đến biện pháp canh tác của cây. Đối với ra hoa ở chồi tận cùng như cây xòai, nhãn, vải, cây sẽ không sản xuất chồi sinh trưởng khi đang ra hoa hay mang trái. Bảng 1.1 Vị trí ra hoa trên một số lọai cây (Cull, 1991) 11
13. Giáo trình môn học Xử Lý Ra Hoa - Trần Văn Hâu - 2005 Cây không phân nhánh Cây phân nhánh 1. Ra hoa ở chồi tận cùng 1. Ra hoa ở chồi tận cùng − Chuối − Bơ, xòai − Khóm − Nhãn, vải, chôm chôm 2. Ra hoa ở nách lá 2. Ra hoa ở nách lá Đu đủ Trên cành đang phát triển: Cây có múi, ổi Dừa Trên cành 1 năm tuổi: cà phê Trên cành 1, 2 năm tuổi hay cành già: Khế 3. Ra hoa trên thân: Ca cao, mít, sầu riêng 1.7 Phương pháp nghiên cứu 1.7.1 Chọn đối tượng nghiên cứu Rõ ràng không có một loại vật liệu lý tưởng cho việc nghiên cứu sự ra hoa bởi vì yêu cầu của thí nghiệm nầy thường mâu thuẩn với yêu cầu của các thí nghiệm khác. Tuy vậy những vật liệu đặc biệt thì chắc chắn thích hợp cho những nghiên cứu chuyên sâu. Sự chọn lựa vật liệu nghiên cứu thích hợp cho nhà nghiên cứu thường được quyết định sau khi có những phân tích cẩn thận tất cả các khía cạnh của vấn đề đặt ra. Đây là bước đầu tiên của công tác nghiên cứu, nó phải được đánh giá đúng mức. Loài cây ra hoa hay phát hoa ở tận cùng rất thích hợp để nghiên cứu sự gợi ra hoa vì sự chuyển đổi hoàn toàn của cây nầy có thể phát hiện ra trong cây và trong cùng mô phân sinh. Cây có lá xếp thành hình chữ thập hoặc thành hai dãy sẽ thích hợp cho việc nghiên cứu đòi hỏi sự định hướng chính xác dưới kính hiển vi. Cây Sinapis có dấu hiệu gợi phát hoa 6 giờ sau khi được cảm ứng quang kỳ trong 18 giờ. Như vậy, loại cây nầy có chu kỳ cảm ứng ngắn, mau cho kết quả thí nghiệm. 1.7.2 Cách thu thập số liệu Mỗi thứ (variety) có một phương pháp dùng để đo lường sự khởi phát hoa. Một phương pháp lý tưởng phải đánh giá được cả chỉ tiêu định tính và định lượng của quá trình phát triển nhưng mục tiêu nầy thường rất khó đạt được. Do đó, khi nào có thể được thì nên dùng nhiều phương pháp để nghiên cứu cho một loài. Kỹ thuật đo lường thích hợp nhất được chọn tùy thuộc vào mục đích của nghiên cứu, độ chính xác, số cây sẵn có, Bất cứ phương pháp nào được chọn phải loại trừ khả năng có những sai số. Nhiều kỹ thuật được sử dụng kể cả hệ thống thời kỳ ra hoa dựa trên sự đo lường của tỉ lệ ra hoa hay sự sinh trưởng và sự phát triển của phát hoa. Nhằm mục đích giảm ảnh hưởng tiếp theo của quá trình khởi phát hoa nên quan sát dưới kính hiển vi trong khoãng thời gian ngắn nhất. Khi xác định đốt ra hoa đầu tiên, nên giới hạn những phương pháp ảnh hưởng đến tỉ lệ sinh trưởng. Một nguy hiểm khác cũng thường gặp phải là phương pháp đo lường đặc điểm hình 12
14. Giáo trình môn học Xử Lý Ra Hoa - Trần Văn Hâu - 2005 thái như độ phồng của mô phân sinh (meristem swell), là những bộ phận tổng hợp của quá trình khởi phát hoa nhưng có thể cũng xuất hiện trong sự vắng mặt hoàn toàn của sự sản xuất hoa. Bởi vì kỹ thuật đo lường được dựa trên sự hình thành của mầm hoa nên phải nhấn mạnh rằng chúng ta không có một trắc nghiệm độc lập của sự kích thích lá. 13
15. Giáo trình môn học Xử Lý Ra Hoa - Trần Văn Hâu - 2005 MỞ ĐẦU Error! Bookmark not defined. 1.1 Mục tiêu của môn học 1 1.2 Một số khái niệm về sinh học sự phát triển 1 1.2.1 Đủ khả năng ra hoa (Competence) 1 1.2.2 Cảm ứng (Induction) 2 1.2.3 Sự quyết định (Determination) 2 1.3 Sự chuyển từ giai đoạn sinh trưởng sang sinh sản 2 1.3.1 Sự thay đổi về hình thái giải phẩu của chồi ngọn 2 1.3.2 Sự thay đổi về kiểu sắp xếp lá (Change in Phyllotaxis) 3 1.3.3 Sự thay đổi về mặt sinh hóa của mô phân sinh 3 1.4 Sinh học của sự ra hoa 9 1.4.1 Sự khởi phát hoa (initiation) 10 1.4.2 Sự phát triển của khối nguyên thủy thành nụ 10 1.4.3 Sự nở hoa 10 1.5 Yêu cầu dinh dưỡng của sự ra hoa 11 1.5.1 Yêu cầu về lượng 11 1.5.2 Yêu cầu về chất 11 1.6 Các kiểu ra hoa 11 1.7 Phương pháp nghiên cứu 12 1.7.1 Chọn đối tượng nghiên cứu 12 1.7.2 Cách thu thập số liệu 12 14
16. CHƯƠNG 2 NHỮNG KHÁI NIỆM VỀ SỰ KÍCH THÍCH VÀ ỨC CHẾ SỰ RA HOA 2.1 Lý thuyết kinh điển về sự kích thích sự ra hoa Khi xem xét sự đáp ứng đa dạng của cây trồng đối với quang kỳ, nhiệt độ thấp và những thông số môi trường khác, Lang (1952) cho rằng có hai sự khác biệt rất cơ bản có thể nhận thấy được ở cây bị ảnh hưởng bởi quang kỳ và cây đòi hỏi nhiệt độ thấp là: (1) Điều kiện kích thích đã thúc đẩy sự khởi phát hoa (2) Điều kiện không kích thích đã ngản cản nó. Ở sự lựa chọn thứ nhất cho thấy rằng cây không thể khởi phát hoa trừ khi chúng được kích thích, trong khi ở sự lựa chọn thứ hai thì bản thân cây có khả năng để ra hoa nhưng nó bị ức chế bởi điều kiện không kích thích của môi trường. Sự lựa chọn thứ nhất đã phát triển thành khái niệm florigen mà nó đã trở nên lý thuyết thống trị trong lĩnh vực nầy. Sau hơn 40 năm nghiên cứu, người ta vẫn chưa có cơ sở của sự tách ra hormon ra hoa hoặc florigen. Sự thất bại nầy không những do thiếu những sinh trắc nghiệm mà còn có lẽ do kỹ thuật ly trích không thích hợp. Rõ ràng là một chất kích thích ra hoa có thể dẫn truyền hiện diện trong nhiều loại cây trồng như được chứng minh trong thí nghiệm tháp nhưng hoặc là vật liệu nầy đơn giản hoặc phức tạp; đặc biệt hoặc là không đặc biệt thì không trả lời được trong những thí nghiệm nầy. Xem lại những thất bại và sự bất bình thường bắt gặp trong sự cố gắng để chuyển sự kích thích ra hoa xuyên qua một cây tháp, nó cho thấy rằng kết quả có thể làm sáng tỏ rất tốt dưới dạng toàn thể các chất kích thích ra hoa, sự truyền của nó biểu hiện không đều hoặc là dưới dạng nhiều hormon kích thích ra hoa khác nhau mà mỗi chất chỉ tác động lên một loài nhất định. Bằng chứng thí nghiệm cho thấy rằng, mặc dù không phải là tất cả nhưng sự kích thích ra hoa phát ra trong lá được kích thích của một loài cây quang cảm thường được chuyển tới mô phân sinh tiếp nhận trong mô libe song song với sự đồng hóa. Sự làm rụng lá liên tục trong một cây đơn chu kỳ cho thấy rằng sự kích thích nầy di chuyển ra khỏi lá ngay sau khi nó được hình thành và được di chuyển rất nhanh sau khi kích thích. 2.2 Thuyết Florigen bổ sung của Chailakhyan Dựa trên khám phá của Lang (1956) về hiệu quả của GA3 có thể kích thích ra hoa cho một số cây ngày dài và cây ngày ngắn-dài (LSDP) trồng trong điều kiện ngày ngắn, Chailakhyan (1958) đã đưa ra thuyết Florigen bổ sung cho rằng gibberelin xuất hiện như là chất thay thế cho yêu cầu ngày dài của các cây nầy. Ông cho rằng chất kích thích ra hoa sinh ra trong lá bao gồm hai thành phần, trong đó
17. một là cùng một họ với gibberellin, phần còn lại là một chất “anthesins” – là hợp chất chưa được khám phá. Gibberellin là yếu tố giới hạn sự ra hoa của các cây bị ảnh hưởng bởi quang kỳ trồng trong điều kiện ngày ngắn và anthesins là yếu tố giới hạn trong điều kiện ngày dài. Giả thuyết nầy chưa bao giờ đuợc chấp nhận một cách rộng rãi vì trong một số trường hợp kết quả ngược với giả thuyết nầy như sự kết hợp tháp giữa cây ngày ngắn sinh trưởng dinh dưỡng trồng trong điều kiện ngày dài (LD) và như vậy có thể dự đoán là giàu gibberellins với cây ngày dài sinh trưởng dinh dưỡng trồng trong điều kiện ngày ngắn sẽ dự đoán là giàu anthesins và kết quả là không ra hoa. Mặc dù vậy giả thuyết về anthesin cũng được ghi nhận là đã đưa ra khái niệm quan trọng là (1) ngụ ý một hormon ra hoa phức tạp và (2) đề nghị những yếu tố giới hạn khác nhau có thể tồn tại trong những nhóm khác nhau của cây trồng. Mặc dù có những điều trở ngại nêu trên nhưng khái niệm về florigen về sự khởi phát hoa vẫn chiếm ưu thế từ năm 1937. Sự hấp dẫn của khái niệm nầy bởi nó đơn giản và ảnh hưởng bởi sự khám phá hormon giới tính trên động vật. Tuy nhiên, hormon được hình thành ở những cơ quan đặc biệt chưa nhận biết trên thực vật thượng đẳng. Người ta gọi ‘plant hormones’ thường là để phân biệt với hormon động vật. 2.3 Lý thuyết về sự ức chế sự ra hoa Lý thuyết chống lại thuyết hormon ra hoa cho rằng cây trồng trong điều kiện không thích hợp cho sự ra hoa sẽ sản xuất ra một hay nhiều chất ngăn cản sự ra hoa và sự tượng hoa xuất hiện trong điều kiện ngăn cản sự sản xuất những chất ức chế nầy. Như vậy, sự kích thích làm giảm nồng độ chất ức chế dưới một ngưỡng nào đó. Khái niệm ức chế bắt đầu từ những quan sát đầu tiên như sau: (1) Sự hình thành hoa có thể đạt được trên cây ngày dài Hyoscyamus và cây ngày ngắn Chenopodium amaranticolor, giữ trong điều kiện quang kỳ hoàn toàn không kích thích ra hoa, ngắt lá liên tục kết hợp với phun đường trên cây Chenopodium và (2) đánh dấu những lá không được kích thích để chúng không thể can thiệp vào sự vận chuyển chất kích thích ra hoa đã có hiệu quả ức chế trên cây Spinach. 2.3.1 Những thí nghiệm chứng minh sự ức chế ra hoa * Thí nghiệm tháp Thực hiện thí nghiệm tháp kết hợp giữa giống đậu ra hoa sớm (Massey) và giống ra hoa trễ (Telephone), Paton và Barber (1955) nhận thấy rằng giống đậu Massey (M) khi tháp lên cây Telephone (T) hoặc tháp lên chính gốc của nó nhưng còn tử diệp sẽ ra hoa trễ so với khi tháp lên gốc của chính nó nhưng không có tử diệp. Như vậy tử diệp và hệ thống rễ của giống trễ Telephone đã tổng hợp ra những chất làm chậm sự đáp ứng thúc đẩy sự ra hoa của tế bào mô phân sinh của mắt ghép của giống sớm Massey. Kết quả tương tự khi tháp giống Telephon lên gốc giống Massey và giống Telephone có mang tử diệp, cây sẽ ra hoa sớm hơn cây Telephon tháp lên chính nó. Từ những kết quả nầy tác giả cho thấy sự ra hoa sớm trên cây đậu được kiểm soát bởi sự cân bằng giữa chất cản và chất kích thích ra hoa. Cả hai chất nầy được sản xuất trong lá mầm (cotyledon) và có lẽ cũng ở trong lá (Hình ). 14
18. Murfet (1977), Murfet và Reid (1973) chỉ ra rằng có một gene đặc biệt, gene Sn, trong giống ra hoa trễ sản xuất ra chất ức chế sự ra hoa mà truyền qua sự tháp ở trong lá mầm và chồi. Hoạt động của gene nầy rất mạnh trong điều kiện ngày ngắn nhưng giảm trong điều kiện ngày dài và nhiệt độ thấp. Lang (1977) nhận thấy mắt ghép không được kích thích của cây thuốc lá ngày dài (Nicotiana sylvestris) bị ức chế ra hoa hoàn toàn khi tháp trên gốc ghép là cây thuốc lá trung tính Trapezond. Kết quả cũng ghi nhận đặc tính sinh trưởng của gốc ghép Trapezond trở nên lùn hơn. Kết quả nầy cho thấy rằng cây thuốc lá (Nicotiana sylvestris) không được kích thích sản xuất ra chất có thể chuyển qua vết ghép để điều khiển sự sinh trưởng và ức chế sự ra hoa. * Sự vận chuyển chất ức chế sự ra hoa Khảo sát sự vận chuyển của các chất ức chế ra hoa, Guttridge (1956) sử dụng cây dâu tây ngày ngắn với những cặp thân bò, trong đó ông cho một cặp được trồng trong điều kiện ngày ngắn, một phần khác chiếu sáng liên tục và một phần trong điều kiện ngày ngắn nhưng pha tối bị gián đoạn. Kết quả thí nghiệm cho thấy sự hình thành hoa trên đoạn thân trong điều kiện ngày ngắn bị kéo dài do ảnh hưởng của những đọan thân trong điều kiện ngày dài. Tuy nhiên, sự sinh trưởng dinh dưỡng (chiều dài cuống lá, diện tích lá và sự tạo thân mới) ở những đoạn thân khác thì được thúc đẩy. Kết quả nầy tỉ lệ với số lá còn giữ lại trên thân trong điều kiện ngày dài. Những cố gắng chỉ ra sự chuyển chất kích thích ra hoa từ phần thân trong điều kiện ngày ngắn sang phần thân trong điều kiện ngày dài đều cho kết quả ngược lại, ngay cả trong điều kiện rất thích hợp cho sự chuyển ảnh hưởng từ điều kiện ngày ngắn sang điều kiện ngày dài. Những kết quả nầy được giải thích tốt nhất bởi cho rằng sự tượng hoa được kiểm soát không hiệu quả trong cây nầy đó là hiệu quả kích thích của ngày ngắn là sự ngăn chặn một cách cần thiết sự sản xuất ra chất ức chế sự ra hoa và chất điều hòa sinh trưởng điều khiển sự sinh trưởng. Bổ sung cho sự giải thích nầy là những cây bị ngắt lá ra hoa trong điều kiện ngày dài trong khi cây không ngắt lá thì không ra hoa. Sự ngăn cản sự ra hoa cũng được phát hiện bởi Evans (1960) trên cây Lolium temulentum. Sự đáp ứng ra hoa của cây ngày dài đơn chu kỳ phụ thuộc vào sự cân bằng giữa diện tích lá ngày ngắn và lá ngày dài. Mười cm2 của lá mẫn cảm ngày dài thì đủ để tượng mầm hoa nếu không có lá ngày ngắn nhưng số lượng nầy không đủ nếu có 5 cm2 lá ngày ngắn. Những lá không được kích thích nằm phía dưới lá được kích thích và bằng phương pháp đánh dấu phân tử CO2, cho thấy rằng lá không kích thích bên dưới không có chứa sản phẩm đồng hóa từ các phần được kích thích ở trên mà cũng không giảm sự vận chuyển từ các lá ngày dài ở phần trên lên chồi ngọn. Điều nầy cho phép kết luận rằng trên cây Lolium, chất ức chế ra hoa được sản suất ra từ lá không được kích thích. Ngắt lá không kích thích (lá trong điều kiện ngày ngắn) trong những nhóm khác nhau của cây Lolium ở những thời điểm xen kẻ sau khi bắt đầu đưa phần lá ở phía trên vào điều kiện ngày dài cho thấy giữ lá không kích thích càng lâu trên cây thì tỉ lệ tượng hoa càng thấp. Sự tượng hoa hầu như bị ức chế hoàn toàn nếu lá không kích thích được giữ lại trên cây cho đến 32 giờ (một chu kỳ cảm ứng) sau khi bắt đầu ngày dài. Tuy vậy, bản chất hóa học của những chất cản thì hoàn toàn chưa được biết. 15
19. Tóm lại, chất cản được sản xuất ở những lá mà được đặt trong điều kiện không thích hợp cho sự ra hoa và có lẽ tác động ở mô phân sinh chồi. Những chất cản nầy dường như không tích lũy trong cây mà được chứa đựng trong những điều kiện không kích thích. Kulkarni (1993 và 1995) đã thí nghiệm chứng minh có sự ảnh hưởng qua lại của gốc ghép và mắt ghép lên sự ra hoa. Ông đã thành công trong việc kích thích ra hoa trong mùa nghịch bằng cách ghép chồi (đã cắt lá) của hai giống Alphonso và Dashehari (không ra hoa trong mùa nghịch) lên giống Royal Special là giống có thể ra hoa trong mùa nghịch-như là nguồn cung cấp chất kích thích ra hoa được tổng hợp từ lá. Ông cho rằng qua việc tháp các chất kích thích ra hoa được tổng hợp ở lá của gốc ghép sẽ chuyển lên cành ghép qua mạch libe sẽ kích thích cành ghép có thể ra hoa trong mùa nghịch. Tuy nhiên ông cũng nhận kết quả ngược lại là lá cũng có thể là yếu tố ức chế sự ra hoa được chuyển qua gốc ghép. Qua kết quả của những thí nghiệm nầy ông cho rằng thuyết ra hoa bởi việc hình thành Florigen trên cây bị ảnh hưởng quang kỳ có thể áp dụng trên cây ăn trái mà tiêu biểu là cây xoài. Kết quả nầy mở ra triển vọng cải thiện đặc tính ra hoa của một số giống xoài khó ra hoa thông qua phương pháp tháp đổi giống và đây có lẽ cũng là một tiêu chuẩn để chọn lựa gốc ghép cho cây xoài. Ở Thái Lan, giống xoài Choke Anan là giống xoài ra hoa quanh năm trong khi giống Kiew-Savoey được xem là giống khó ra hoa nhưng Pojanagaroon (2000) tìm thấy khi tháp lên gốc xoài Choke Anan, xoài Kiew-Savoey và xoài Nam Dok Mai có tỉ lệ ra hoa, tổng số phát hoa và trái nhiều hơn. 2.3.2 Sự cân bằng giữa chất cản và chất kích thích của sự tượng hoa Nhiều tác giả cho rằng sự gợi ra hoa ở mô phân sinh được kiểm soát bởi sự cân bằng giữa hai chất cản và kích thích sự ra hoa. Có ý kiến cho rằng sự khởi phát hoa được kiểm soát bởi một sự thay đổi trong tỉ lệ của hai hay nhiều chất thúc đẩy và ức chế sự ra hoa. Trên căn bản, rất khó thấy được tỉ lệ như vậy: (1) Sự di chuyển rất xa từ lá lên mô phân sinh mà không thay đổi. (2) Được duy trì trong mô phân sinh bởi một lá được kích thích riêng lẻ trong sự hiện diện của nhiều lá không được kích thích mà có lẽ tạo ra một tỉ lệ không thích hợp. (3) Tồn tại một thời kỳ của những điều kiện không kích thích mà kết quả trong một tỉ lệ không thích hợp. Những khó khăn nầy có thể gặp bởi cho rằng tỉ lệ thích hợp phải được sản xuất chỉ ở mô phân sinh và chỉ trong một khoảng thời gian giới hạn. Như vậy, tỉ lệ thích hợp nhất giữa những chất từ những lá được kích thích và không được kích thích có lẽ thay đổi khi sự gợi ra hoa tiếp diễn. 2.4 Gene kiểm soát sự ra hoa Có hơn 80 loci liên quan đến sự ra hoa được giải mã trong bộ gene của cây Arabidopsis thông qua đột biến. Nhiều gene trong số nầy đã được xác định chức năng (Bảng 2.1). Tùy thuộc vào thời kỳ hoạt động khác nhau trong sự kiểm soát sự 16
20. ra hoa, các gene nầy có thể chia thành hai nhóm là nhóm gene định dạng mô phân sinh hoa và gene định dạng cơ quan. Genes kiểm soát sự chuyển từ mô phân sinh chồi ngọn sang mô phân sinh hoa được gọi là genes kiểm soát sự ra hoa như LEAFY (LFY), APETALA 1 (AP1), AP2, CALIFLOWER (CAL), UNASUAL FLORAL ORGANS (UFO), (Levy và Dean, 1998). Sự biểu hiện của những gene nầy kiểm soát thời điểm ra hoa của cây. Hai gene LFY và AP1 giữ vai trò đầu tiên trong sự khởi phát hoa của của chương trình ra hoa. Chức năng của gene được xác định bằng phương pháp chuyển gene. Trong cây chuyển gene của cây Arabidopsis chứa 35S::LFY, phát hoa thứ hai của lóng ở phía dưới được thay thế bằng một hoa đơn. Số lá dạng hoa hồng không giảm nhưng ít mầm trong chồi nách của dạng hoa hồng phát triển thành hoa và phát hoa trở thành hoa tận cùng. Trong trường hợp cực trọng, hoa tận cùng được tạo ra ngay sau khi lá dạng hoa hồng xuất hiện. Điều nầy cho thấy rằng sự biểu hiện quá mạnh của gene LFY có thể thúc đẩy sự tạo ra hoa tận cùng. Sự sinh trưởng dinh dưỡng và sự ra hoa là hai mặt trái ngược trong cây được cân bằng bởi nhiều yếu tố. Một số gene thúc đẩy sự sinh trưởng dinh dưỡng và ức chế sự ra hoa và một số gene có tác động ngược lại. Do đó, có hai con đường kiểm soát sự ra hoa là ức chế và thúc đẩy. Bảng 2.1 Những gene kiểm sóat sự ra hoa trên cây arabidopsis Kiểu hình của sự đột biến Genes Tác giả hoặc chức năng 1. Ra hoa tự lập Ra hoa sớm, ra hoa mà Sung và ctv., 1992 EMF không cần sự sinh trưởng dinh dưỡng TFL Ra hoa sớm, phát hoa xác Bradley va ctv., 1997 định Sự biến đổi từng phần của Weigel và ctv., 1992 LFY hoa thành phát hoa Lá đài trở thành lá bắc, cánh Irish và Sussex, AP1 hoa bất bình thường 1990; Mandel và ctv., 1992 Nhị hoa trở thành cánh hoa, Mizukami và Ma, AG lá noãn thành hoa 1997 Đài hoa thành lá noãn, Cánh Jofuku, và ctv., 1994 AP2 hoa thành nhị CAL Thúc đẩy kiểu hình của AP1 Bowan, và ctv., 1992 Đột biến ra hoa trễ và đáp Koornneef và ctv., FCA ứng rất mạnh với sự thụ hàn 1991 Đột biến ra hoa trễ và đáp Pineiro và Coupland, LD ứng với sự thụ hàn 1998 Đột biến ra hoa trễ và đáp Martinez-Zapater và FPA, FVA, FY ứng với sự thụ hàn ctv., 1994 17
21. Mô phân sinh lớn, Nhiều bộ Fletcher và ctv., 1999 CLV phận hoa 2. Ảnh hưởng quang kỳ CO Đột biến ra hoa trễ Putterill và ctv., 1995 FHA Đột biến ra hoa trễ Gou và ctv., 1998 HY4 Đột biến ra hoa trễ Koornneef và ctv., 1980 Pineiro và Coupland, FD, FE, FT, FWA, GI, Đột biến ra hoa trễ 1998 Đột biến ra hoa trễ và biến Wang và Tobing, LHY, CCAI mất theo chu kỳ một ngày/lần 1998 3. Ảnh hưởng nhiệt độ thấp VRN1, VRN2, VRN3, Đột biến ra hoa trễ kết hợp Chandler và ctv., VRN4 với sự đáp ứng với sự thụ hàn 1996 2.4.1 Con đường ức chế sự ra hoa Kiểu hình của sự ra hoa được thúc giục trong sự đột biến mất chức năng (loss-of-function mutants) cho thấy rằng một số gene giữ vai trò ức chế sự ra hoa ở cây hoang dại. Gene EMF1 (EMBRYONIC FLOWER) được xem là có vai trò chính trong sự ức chế sự ra hoa vì sự đột biến emf1 ra hoa mà trước đó không qua giai đoạn sinh trưởng dinh dưỡng. Trong sự đột biến emf1 cấu trúc các cơ quan sinh sản như núm nhụy và cấu trúc như bầu noãn xuất hiện trên tử diệp và chồi sản xuất lá không có dạng hoa hồng (Sung và ctv., 1992; Castle và Sung, 1995). Gene EMF được xem là giữ vai trò chính trong việc ức chế sự ra hoa và chức năng nầy giảm cùng với sự phát triển của cây. Khi mà mức độ EMF giảm đến một mức độ nào đó, mô phân sinh chồi ngọn phân hóa thành mô phân sinh hoa và quá trình khởi phát hoa. Trong một số trường hợp đột biến kép (như emf/co và emf/gi) kiểu hình của đột biến emf không thể phục hồi lại. Điều nầy cho thấy rằng chức năng của những gene nầy là ngăn cản sự hoạt động của emf trong trường hợp bình thường. Thời gian ra hoa kéo dài trong sự đột biến co và gi do kết quả từ sự thúc đẩy của gene EMF (Martinez-Zapater và ctv., 1994; Weigel và Nilsson, 1995). Phân tích sự đột biến EMF cho thấy sự sinh trưởng sinh sản là tình trạng căn bản trong sự phát triển của cây và sự phát triển sau đó là một quá trình làm giảm sự ức chế. TFL1 (TERMINAL FLOWER) là một gene ức chế sinh trưởng khác được tạo dòng. Đột biến tfl1 ra hoa sớm hơn và ảnh hưởng không giới hạn thông thường kết thúc với một hoa. Chức năng của TFL1 là ức chế sự hình thành hoa ở mô phân sinh chồi ngọn. Trong cây chuyển gene với 35S::TFL1, vị trí của hoa được thay thế bởi một giai đoạn tăng trưởng phát hoa mới trên cây Arabidopsis. Điều nầy cho thấy rằng gene TFL1 được sao chép ở mức độ thấp trong các vị trí nầy. Sự thể hiện quá mức của gene TFL1 ức chế sự phân hóa đến mức cây tiếp tục sinh trưởng dinh dưỡng. Nghiên cứu sự đột biến kép cho thấy gene TFL1 gây ra sự chậm trễ trong sự ra hoa bằng cách ức chế chức năng của một số gene họat động theo cơ chế tự lập như FCA, FVE và FPA. Gene TFL1 được thể hiện trong nhiều lớp tế bào bên dưới 18
22. mô phân sinh chồi ngọn của cây arabidopsis nên TFL1 được bao gồm trong sự truyền tính trạng của những tín hiệu tạo ra bởi chất ức chế chương trình ra hoa ở mô phân sinh ngọn (Pidkowich và ctv., 1999). Trong hai sự đột biến ra hoa sớm khác, gene clf và wlc, sự biểu hiện của AG và AP3 được thúc đẩy và phát hiện không chỉ trên lá mà còn trên cuống phát hoa và hoa (Goodrich và ctv., 1997). Trên cây hoang dại, AP3 và AG chỉ được biểu hiện trên mô phân sinh phát hoa (Mizukami và Ma, 1997). Điều nầy cho thấy rằng chức năng của hai gene nầy ức chế sự thể hiện của gene định dạng mô phân sinh hoa trong tế bào sinh trưởng. Người ta cũng tìm thấy rằng sự metyl hóa và sự khử metyl của gene nầy giữ vai trò quan trọng trong sự phát triển của cây. Sự đột biến wlc cho thấy siêu metyl hóa (hypomethylation) trong sự lặp đi lặp lại liên tiếp làm sát lại đọan trung tâm. Như vậy, sự metyl hóa giảm có thể trực tiếp làm giảm bớt sự ức chế sự biểu hiện của gene AG và AP3 trong lá (Bird, 1992; Martienssen và Richards, 1995; Finnegan và ctv. 1998). Siêu metyl hóa được kích thích bởi sự biểu hiện chủ yếu của một gene đối nghĩa (antisense) methyltransferase mà kết quả là sự biểu hiện vuợt mức của gene AG và AP3 và dẫn đến sự ra hoa sớm (Levy, 1998). 2.4.2 Con đường thúc đẩy sự ra hoa Có hơn 29 đột biến ra hoa trễ trên cây Arabidopsis tuy nhiên trong tất cả những đột biến nầy không có đột biến nào không ra hoa tuyệt đối. Điều nầy cho thấy rằng sự mất chức năng trong những đột biến có thể được bổ sung bằng những genes khác. Những genes đột biến ra hoa trễ nầy được chia thành hai nhóm là đáp ứng với sự thụ hàn hoặc quang kỳ (Pineiro và Coupland, 1998). Trong đó, một nhóm đột biến bao gồm fca, fpa, ld, fve và fy ra hoa trễ trong cả điều kiện ngày ngắn và ngày dài nhưng đáp ứng rất mạnh với nhiệt độ thấp (Koornneef và ctv., 1980; Martinez-Zapater và Somervill, 1990). Những genes nầy được xem như tác động lên con đường ra hoa tự lập, độc lập với điều kiện môi trường thúc đẩy sự ra hoa. Genes LD và FCA đã được phân lập. Protein LD được dự đoán chứa 935 nhóm và chứa những tín hiệu bên trong hai nhân sinh đôi. Gene FCA mã hóa một protein chứa 2 ARN liên kết và một sự tương tác protein WW. Bản sao của gene FCA có thể được nối luân phiên với nhau và bằng cách nầy nó đã tạo ra bốn sản phẩm với sự biến động rất đa dạng (α, β, γ, δ). Bản sao γ có chức năng ra hoa trực tiếp (Macknight và ctv.,1997). Sự ra hoa trong sự đột biến kép tfl1/fca bị cản trở (Macknight và ctv.,1997). Đìều nầy cho thấy rằng mất sự hoạt động của gene TFL1 trong sự đột biến tfl1 sẽ gây ra sự ra hoa sớm do giảm sự ức chế của gen FCA. Sự tương tác tương tự cũng tìm thấy trong đột biến kép tfl1/fpa và tfl1/fve. Đột biến efm1 ra hoa sớm cũng bị ảnh hưởng do thiếu ảnh hưởng của FCA. Tuy nhiên, ngược với sự quan sát sự che lấp tính trạng của đột biến kép emf/tfl, đặc tính ra hoa sớm của emf1 hiện diện nhưng cấu trúc giống như lá sản xuất hơn nhiều trước khi cấu trúc giống hoa xuất hiện trong đột biến emf/tfl. Điều nầy cho thấy rằng, chức năng của gen FCA đòi hỏi chuyển sớm từ giai đọan sinh trưởng sang giai đọan sinh sản trong sự đột biến emf và gen FCA họat động trong một con đường độc lập của EMF (Page và ctv. 1999). Gene LD và FCA mã hóa một protein điều khiển theo thứ tư. Gen LD là một yếu tố sao chép và FCA là một protein liên kết với ARN. Tuy vậy, làm cách nào các gen nầy thể hiện chức năng thúc đẩy sự ra hoa vẫn chưa được rõ. 19
23. Nhóm thứ hai, đột biến ra hoa trễ bao gồm các gen co, fd, fe, fha, ft, fwa và gi ít hoặc không đáp ứng với nhiệt độ thấp và kiểu hình ra hoa dưới điều kiện ngày dài giống như dưới điều kiện ngày ngắn. Điều nầy cho thấy rằng nhóm nầy tác động theo con đường ngày dài mà thúc đẩy sự ra hoa. Gene co mã hóa một protein có chứa một zinc finger domain (Puterill và ctv., 1995). Sự thể hiện chủ yếu của co dẫn đến sự ra hoa sớm và những bản sao của co có tương quan thuận với thời điểm ra hoa. Điều nầy cho thấy rằng gen co có vai trò thúc đẩy sự ra hoa và sự hoạt động của nó là một yếu tố giới hạn điều chỉnh thời điểm ra hoa. Ở miền Bắc, sự biểu hiện của gene CO phong phú trong cây dưới điều kiện ngày dài hơn là cây trồng trong điều kiện ngày ngắn. Sau khi chuyển gene CO thành một protein hợp nhất CO với Glucocorticoid receptor (GR), protein hợp nhất chỉ hoạt động khi có sự hiện diện của chất điều hòa sinh trưởng. Người ta cũng tìm thấy rằng sự biểu hiện của gene LFY tăng khi sự biểu hiện của gene CO tăng hoặc là dưới điều kiện ngày dài hoặc là dưới điều kiện ngày ngắn. Sự ra hoa sớm thúc đẩy bởi 35S::LFY trong sự đột biến CO cho thấy sự biểu hiện của gene CO tác động theo hướng ngược với gene LFY và AP1 và sự biểu hiện của chúng được kích thích bởi gene CO (Putterill và ctv., 1995). Nhưng sự biểu hiện của AP1 đòi hỏi những yếu tố khác sản xuất ra trong điều kiện ngày dài (Putterill và ctv., 1995). Sự biểu hiện của TFL1 cũng được kích thích bởi CO trong cây chuyển gene CO-GA. Sự đột biến fca chuyển gene của 35S::CO ra hoa sớm hơn đột biến nguyên thủy nhưng trễ hơn dạng chuyển gene hoang dại 35S::CO. Điều nầy cho thấy rằng hai con đường tương tác trong sự thúc đẩy sự ra hoa và sự ra hoa trễ do mất chức năng thúc đẩy ra hoa của con đường tự lập được bổ sung bằng sự biểu hiện quá mức của gene CO không hoàn chỉnh. Chức năng của gene FHA là đáp ứng với ánh sáng. Gene FHA mã hóa một bộ phận tiếp nhận ánh sáng xanh. Gene FT mã hóa một protein tương tự như protein liên kết phosphatidylethanolamine. Kết quả trên cây chuyển gene và cây đột biến kép cho thấy rằng vai trò của FWA, FT, và FE trong việc thúc đẩy sự ra hoa khác với gene CO. Kiểu hình của sự đột biến kép fwa/lfy và ft/fy ra hoa trễ. Trên sự đột biến chuyển gene ft, fwa và fe của 35::LFY, sự đột biến không ra hoa sớm. Điều nầy cho thấy rằng vai trò của FWA, FT và FE trong việc thúc đẩy sự ra hoa có thể không liên quan trực tiếp gene LFY (Simon và ctv., 1996). Tóm lại, có bốn sự kiện chính về bản chất của việc điều khiển sự ra hoa là: (1) Quang kỳ kích thích lên lá và di chuyển chất kích thích nầy (bằng chứng qua thí nghiệm ghép cây) (2) Không có sự di chuyển chất kích thích ở mô phân sinh qua sự thụ hàn (3) Khả năng thúc đẩy hoặc kềm hãm sự ra hoa của các chất điều hòa sinh trưởng có thể kiểm soát sự ra hoa-ít nhất trong một vài chất xuyên qua sự tương tác của những chất điều hòa sinh trưởng thiên nhiên. (4) Sự đáp ứng của sự ra hoa đòi hỏi phải có sự tổng hợp acid nhân ở mô phân sinh 20
24. CHƯƠNG 2 NHỮNG KHÁI NIỆM VỀ SỰ KÍCH THÍCH VÀ ỨC CHẾ SỰ RA HOA . 13 2.1 Lý thuyết kinh điển về sự kích thích sự ra hoa 13 2.2 Thuyết Florigen bổ sung của Chailakhyan 13 2.3 Lý thuyết về sự ức chế sự ra hoa 14 2.3.1 Những thí nghiệm chứng minh sự ức chế ra hoa 14 2.3.2 Sự cân bằng giữa chất cản và chất kích thích của sự tượng hoa 16 2.4 Gene kiểm soát sự ra hoa 16 2.4.1 Con đường ức chế sự ra hoa 18 2.4.2 Con đường thúc đẩy sự ra hoa 19 21
25. Bài giảng môn Sinh Lý Sự Ra Hoa- Trần Văn Hâu Chương 3: CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG LÊN SỰ RA HOA 3.1 Ánh sáng Hiện tượng quang chu kỳ ánh sáng được khám phá bởi Tournois năm 1914. Garner và Allard mở rộng sự quan sát trên nhiều loại cây trong vườn, cây kiểng trong giai đoạn từ 1920-1940. Về căn bản, sự đáp ứng của cây trồng với quang chu kỳ sáng được chia thành 3 loại: Cây ngày ngắn, cây ngày dài và cây trung tính. Sau đó 4 loại cây được thêm vào là cây ngày dài-ngắn, cây ngày ngắn-dài, cây trung gian và cây không thể hiện rõ quang chu kỳ (ambiphotoperiod). Trong những cây đáp ứng với quang chu kỳ thì có cây đòi hỏi sự đáp ứng tuyệt đối và cây đòi hỏi không bắt buộc. Những cây đòi hỏi bắt buộc như cây ngày ngắn hay ngày dài thường có trị số tới hạn rất hẹp. Trong khi cây đòi hỏi chu kỳ sáng không bắt buộc thì có thể có hoặc không độ dài sáng tới hạn. Khái niệm độ dài sáng tới hạn không khó nhưng độ dài sáng tới hạn có thể bổ sung bởi những yếu tố môi trường khác nhau như dinh dưỡng, nhiệt độ, sự thay đổi liên tục của ánh sáng và tuổi cây. Một yếu tố ảnh hưởng đến độ dài sáng tới hạn là số chu kỳ thích hợp được cho. Thí dụ như trường hợp cây ngày dài Lolium và Sinapis, độ dài sáng tới hạn cho cây được trồng liên tục dưới điều kiệu độ dài sáng thay đổi nhiều thì ngắn hơn nhiều giờ so với cây chỉ có một chu kỳ ngày dài. Tương tự, trên cây ngày ngắn Xanthium, độ dài sáng tới hạn thì dài hơn 1 giờ cho cây tiếp nhận 5 chu kỳ ngày ngắn liên tiếp hơn là cây chỉ nhận 1 chu kỳ như vậy. 3.1.1 Cảm ứng quang chu kỳ: Bản chất số lượng của nó Những quan sát thông thường cho thấy rằng một chế độ quang chu kỳ thích hợp đủ để gây ra một sự khởi phát hoa dù là cây được đưa trở lại từ điều kiện quang chu kỳ không thích hợp. Cây chỉ đòi hỏi một chu kỳ cảm ứng thì không bao giờ hình thành mầm hoa trong chu kỳ nầy nhưng chỉ một vài ngày sau khi đưa về điều kiện không cảm ứng ra hoa. Ở nhiều cây ngày ngắn và ngày dài, sự khởi phát hoa bắt đầu cùng lúc dù cây có nhận một sự cảm ứng tối thiểu hay tối hảo. Sự cảm ứng (induction) rõ ràng là một quá trình tiến lên với một bản chất số lượng rõ ràng. Trường hợp cây ngày dài Silence areria, cây nầy có thể được kích thích cho ra hoa trong ngày dài, nhưng cũng trong ngày ngắn mà nhiệt độ tăng từ 20-32 oC. Bốn chu kỳ ngày ngắn ấm như vậy thì dưới ngưỡng cảm ứng nhưng khi chúng được đưa vào 2 ngày dài tiếp theo sự ra hoa xuất hiện trên phần lớn cây. Như vậy hiệu quả của việc xử lý với 2 ngưỡng thì được thêm vào và kết quả cuối cùng tùy thuộc rõ ràng vào mức độ đạt được của mỗi biện pháp xử lý. Nói cách khác, mức độ thay đổi của sự cảm ứng có thể nhận ra ngay cả trước khi một ngưỡng cho phép sự ra hoa tối thiểu đạt được. Hiên tượng nầy gọi là sự cảm ứng gián đoạn (fractional induction). Một sự đáp ứng về số lượng tương tự thường được quan sát khi số chu kỳ cảm ứng được cho vượt quá yêu cầu tối thiểu để gây ra một sự hình thành hoa. Như vậy hoàn toàn 1
26. Bài giảng môn Sinh Lý Sự Ra Hoa- Trần Văn Hâu có thể phát hiện và đo mức độ của sự cảm ứng quang kỳ mà dưới hoặc trên ngưỡng cần thiết cho sự bắt đầu của sự khởi phát hoa. 3.1.2 Quan trọng của cả quang kỳ và dạ kỳ Cây Xanthium, cây ngày ngắn chỉ ra hoa khi dạ kỳ vượt quá 8,5 giờ. Người ta tìm thấy rằng cây không ra hoa khi đặt trong chu kỳ sáng/tối là 4/8 nhưng ra hoa trong chu kỳ 16/32. Như vậy cây chỉ ra hoa khi dạ kỳ vượt qua một giá trị tới hạn nào đó (8,5 giờ). Những nhà nghiên cứu khác cũng tìm thấy rằng sự gián đoạn dạ kỳ bằng sự chiếu sáng trong 1 phút thì hiệu quả của đêm dài bị vô hiệu. Nhưng trái lại làm gián đoạn quang kỳ bằng bóng tối trong một phút thì không có hiệu quả. Hiệu quả cao nhất của việc chiếu sáng làm gián đoạn đêm dài còn tùy thuộc vào thời gian áp dụng sự gián đoạn. Trong chu kỳ 24 giờ thì sự chiếu sáng làm gián đoạn đêm dài mẫn cảm nhất vào giữa của đêm dài. Tuy nhiên hiệu quả nầy còn tùy thuộc vào từng loài. Qua những thí nghiệm cho thấy giai đoạn dạ kỳ rất quan trọng đối với sự ra hoa của cả cây ngày dài và cây ngày ngắn. Để xác định vai trò của quang kỳ đối với sự ra hoa, Hamner (1940) dùng cây đậu nành Biloxi với dạ kỳ không đổi. Kết quả cho thấy rằng sự tượng hoa tăng khi quang kỳ tăng từ 4-11 giờ và giảm khi quang kỳ dài hơn. Quang kỳ dài hơn 20 giờ thì hoàn toàn ngăn cản sự ra hoa. Kết quả nầy cho thấy rằng sự hình thành hoa ở cây ngày ngắn thì thích hợp bởi sự luân phiên của quang kỳ và dạ kỳ. Nhưng trái lại, cây ngày dài thì ra hoa dễ dàng trong điều kiện quang kỳ liên tục và không đòi hỏi dạ kỳ. Hiệu quả ngăn cản sự ra hoa của đêm dài hoàn toàn có thể vượt qua bằng một thời gian chiếu sáng dài hơn một giá trị nào đó. 3.1.3 Sự khởi phát hoa trong tối hoàn toàn Một số nhà nghiên cứu rất hài lòng khi trồng cây trong hộp tối và kết quả rất ngạc nhiên khi tìm thấy có nhiều cây đáp ứng với nhiều kiểu quang kỳ khác nhau hoàn toàn có khả năng tượng hoa trong điều kiện tối hoàn toàn. Như cây ngày ngắn Pharbitis và cây ngày dài sinapis. Như cây củ cải đường và cây lúa mì mùa đông đòi hỏi nhiệt độ lạnh và ngày dài cũng có thể ra hoa trong điều kiện không có ánh sáng sau khi được thụ hàn. Ngoại trừ khi hột giống hoặc củ như trên cây củ cải thì giàu các chất biến đổi, sự hiện diện của đường trong môi trường nuôi cấy là yêu cầu đòi hỏi cho sự ra hoa trong điều kiện tối. Một cách rõ ràng như cây củ cải đường là cây ngày dài mà ra hoa trong điều kiện tối hoàn toàn nhanh hơn trong điều kiện ngày dài. Tóm lại, chúng ta có cảm giác rằng ánh sáng như là một qui luật ức chế ra hoa trên hầu hết các kiểu của cây và sự ngăn cản nầy chỉ có thể vượt qua trong điều kiện tự nhiên bởi chu kỳ sáng/tối thích hợp. Tuy nhiên, giữa những cây có khả năng ra hoa trong điều kiện thiếu ánh sáng hoàn toàn, như cây ngày dài thì cũng có thể ra hoa trong điều kiện chiếu sáng liên tục. 3.1.4 Sự tiếp nhận của độ dài ngày Như là một qui luật chung, độ dài ngày được tiếp nhận hiệu quả bởi lá. Knott (1934) là người chỉ ra điều nầy đầu tiên trên cây ngày dài spinacia và sau đó mở rộng ra trên nhiều cây đáp ứng với quang kỳ khác. Như vậy chỉ xử lý cảm ứng quang kỳ ở đỉnh chồi sẽ không có hiệu quả mà xử lý ra hoa đạt được kết quả chỉ khi lá tiếp nhận được quang kỳ thích hợp. 2
27. Bài giảng môn Sinh Lý Sự Ra Hoa- Trần Văn Hâu Sự mẫn cảm của sự cảm ứng quang kỳ tùy thuộc vào nhiều yếu tố. Sự mẫn cảm thay đổi với tuổi sinh lý của lá. Sự mẫn cảm đạt hiệu quả cao nhất khi lá đạt đến kích thước hoàn toàn. Lá quá non ít hiệu quả hơn lá đã mở ra, lá già cũng giảm hiệu quả. Như trường hợp cây Anagallis và Xanthium và có thể giữ sự mẫn cảm đối với quang kỳ trong thời gian rất lâu như trên cây Perilla và cây Lolium. Khả năng mẫn cảm của lá còn tùy thuộc vào vị trí của chúng trên thân. Lá là nơi đầu tiên tiếp nhận yếu tố quang kỳ do đó với một diện tích tối thiểu cũng cần thiết cho sự cảm ứng như trên cây Xanthium và cây Lolium chỉ cần 1 cm2 lá cảm ứng hay một tử diệp của cây bắp cải cũng đủ kích thích ra hoa. Trong một số trường hợp, cường độ tượng hoa có liên quan đến diện tích lá. Có một số loài có thể diện tích lá không liên quan đến sự ra hoa nhưng phải cung cấp đủ lượng cần thiết chất đồng hóa cho mô phân sinh ngọn. Trên một số cây khi lá rụng hoàn toàn thì các bộ phận khác của cây như thân và đỉnh chồi có thể tiếp nhận quang kỳ. Tuy nhiên, trong hầu hết các trường hợp thì lá là bộ phận chính tiếp nhận quang kỳ. 3.1.5 Sự cảm ứng quang chu kỳ gián đoạn Đối với cây đòi hỏi nhiều hơn một chu kỳ cảm ứng, những chu kỳ nầy không cần phải luôn luôn liên tục. Như vậy, sự xen vào những chu kỳ cảm ứng không kích thích giữa những chu kỳ kích thích không đủ gây ra sự chuyển tiếp ra hoa. Đây là hiện tựong cảm ứng gián đoạn được tìm thấy khác nhau trên cây ngày ngắn và ngày dài. Trên cây củ cải hàng niên, đòi hỏi 15-20 chu kỳ cảm ứng ngày dài. Sự tượng hoa không xuất hiện khi có sự lặp lại hoặc là một chu kỳ ngày dài theo sau là một chu kỳ ngày ngắn hoặc là ba chu kỳ ngày dài theo sau bởi ba chu kỳ ngày ngắn (Naylor, 1941). Nhưng hai nhóm của 10 chu kỳ ngày dài liên tục bị xen kẻ bởi 16 chu kỳ ngày ngắn thì đạt kết quả (Hammer, 1940). Tuy vậy, không có giải thích được đưa ra nhằm giải thích sự ổn định của hiệu quả ngày dài ở phần sau hoặc sự không ổn định của nó ở phần đầu. Schwabe (1959) cũng mô tả một kết quả tương tự trên cây ngày ngắn. Cây Perilla ra hoa 100% khi có 9 chu kỳ ngày ngắn liên tục nhưng cây sẽ giữ nguyên tình trạng sinh trưởng nếu được chiếu sáng 12 chu kỳ ngày ngắn mà trong đó mỗi chu kỳ ngày dài xen vào giữa chu kỳ ngày ngắn. Hai chu kỳ ngày dài xen vào giữa 12 chu kỳ ngày ngắn không ngăn cản sự hình thành hoa nhưng ba chu kỳ ngày dài thì có tác dụng ngăn cản sự ra hoa. Trên cây Perilla cũng như các cây ngày ngắn khác, hiệu quả gián đoạn của ngày dài phụ thuộc rõ rệt vào vị trí của nó trong chuỗi chu kỳ ngày ngắn. Trên cây Salvia occidentalis, hai ngày chiếu sáng liên tục hầu như có hiệu quả ngăn cản sự hình thành hoa sau chu kỳ ngày ngắn thứ 10, truớc khi đạt đến chu kỳ tối thiểu kích thích ra hoa. Trước và sau ngày thứ 10, sự gián đoạn của hai ngày chiếu sáng liên tục không có hiệu quả. Hơn nữa, sự ngăn cản gây ra bởi sự gián đoạn phụ thuộc vào nhiệt độ và hiệu quả gián đọan không xuất hiện ở điều kiện nhiệt độ thấp. Tình trạng trên cây ngày ngắn Rottboellia rất phức tạp (Evans, 1962). Một chu kỳ ngày dài gián đoạn trong chuỗi 6 chu kỳ ngày ngắn thúc đẩy sự tượng hoa khi cho hai chu kỳ ngày ngắn đầu tiên và ngăn cản mạnh mẽ khi gián đoạn ở các chu kỳ sau trong chuỗi cảm ứng. 3
28. Bài giảng môn Sinh Lý Sự Ra Hoa- Trần Văn Hâu Trên cây ra hoa ở nách lá như đậu nành Bilixi và Anagallis, sự cảm ứng gián đọan hầu như hoàn toàn không có thể thực hiện. Hai thời kỳ cảm ứng tác động độc lập trên những loài nầy và xử lý cảm ứng dưới ngưỡng rõ ràng không bao giờ đạt kết quả. 3.1.6 Sự duy trì của trạng thái cảm ứng quang kỳ Sự thích thú trong vấn đề nầy xuất phát từ sự quan sát sự tượng hoa của những cây bị ảnh hưởng quang kỳ, đó là hiệu quả kéo dài sau khi cây được chiếu sáng ở những chu kỳ sáng-tối thích hợp. Kết quả thí nghiệm về hiệu quả của kích thích gián đọan cũng là bằng chứng cho thấy sự kích thích nhiều cũng được giữ lại trong điều kiện không kích thích. Tuy nhiên, vấn đề chủ yếu của cây quang cảm là trong điều kiện kích thích dưới mức tối hảo, hiệu quả kích thích kéo dài rất ngắn và cây trở lại tình trạng sinh trưởng ngay khi hiệu quả kích thích kết thúc. Sau khi kích thích, những đỉnh sinh trưởng không chuyển qua điều kiện sinh sản đều phục hồi sự sinh trưởng dinh dưỡng. Đối với cây ra hoa một lần hoặc cây hàng niên được kích thích tối đa sẽ không phục hồi trở lại sự sinh trưởng dinh dưỡng bởi vì tất cả những đỉnh sinh trưởng nầy đều không có thể quay trở lại theo hướng ra hoa. Trạng thái kích thích hình như rất bền bỉ trong một số loài đáng chú ý và đây là những đặc tính mà loài nầy được ưu tiên nghiên cứu. Sau khi kích thích ở mức tối thiểu, quá trình phát triển của cây ngày ngắn Xanthium theo hướng ra hoa và đậu trái chậm nhưng liên tục trong nhiều tháng. Cuối cùng thì những cây nầy cũng biến đổi thành điều kiện sinh trưởng, nhưng sự biến đổi nầy chỉ xảy ra trên một số chồi 6 tháng sau khi kích thích. Sự đảo ngược nhanh hơn có thể đạt được bằng cách kích thích lại và tỉa chồi hơi mạnh thúc đẩy hình thành chồi mới liên tục. Tính ổn định của trạng thái kích thích trên cây Xanthium có lẽ liên quan đến đặc tính kỳ lạ của sự “kích thích gián tiếp” biểu hiện trên cây nầy, được Lona (1946) và phát hiện đầu tiên và sau đó được nghiên cứu bởi Zeevaart (1958). Nếu cây Xanthium ra hoa được tháp trên một cây sinh trưởng dinh dưỡng, cây sinh trưởng sẽ ra hoa. Nếu cây được kích thích gián tiếp nầy được tháp trên một cây sinh trưởng dinh dưỡng khác, cây nầy cũng sẽ ra hoa và có thể thành nguồn cung cấp nguồn kích thích cho các cây sinh trưởng dưỡng khác. Điều nầy cho thấy rằng trạng thái kích thích có thể được chuyển qua mắt tháp nhiều lần mà không suy giảm sự đáp ứng với sự ra hoa. Điều ấn tượng đạt được qua những thí nghiệm trên cây Xanthium là điều kiện ra hoa lây truyền giống như bệnh do virus gây ra (Bonner và Liverman, 1953). Do đó, sự thúc đẩy sự ra hoa hoặc là được tạo ra theo cơ chế tự lập hoặc là thúc đẩy sự tổng hợp bởi chính nó theo cơ chế phản hồi rõ ràng trong tế bào đang phát triển, hoặc là trong chồi hay trong lá (Zeevaart, 1976). Chỉ có ba loài khác là cây ngày ngắn-dài Bryophyllum daigremontianum (Zeevaart và Lang, 1962), cây ngày dài Silene armeria (97) và cây ngày ngắn lá xanh Perilla (Deronne và Blondon, 1977) có cùng đặc tính cảm ứng gián đoạn với cây Xanthium. Tuy nhiên, ngược với cây Xanthium, cây Bryophyllum và Perilla cảm ứng dưới mức tối hảo trở lại sự sinh trưởng đơn giản bởi vì điều kiện không thích hợp (Van de Pol, 1972 và Zee vaart, 1969). 4
29. Bài giảng môn Sinh Lý Sự Ra Hoa- Trần Văn Hâu Mặc dù sự đảo ngược trở lại tình trạng sinh trưởng cũng thường gặp trên những cá thể được kích thích dưới mức tối hảo trên cây Perilla lá đỏ, Zeevaart (1958) tìm thấy rằng một lá được kích thích của loài nầy có thể tháp liên tục trên nhiều gốc ghép, thậm chí tới bảy lần, cây gốc ghép được giữ trong điều kiện ngày dài và tất cả đều ra hoa. Ngay cả ở lần tháp cuối cùng, trước khi lá lão suy nhưng hiệu quả kích thích ra hoa cũng không giảm. Mặc khác, chồi ra hoa hoặc lá của những cây tiếp nhận (gốc ghép) không có chức năng như là một cây cho (donor) cho những thành phần sinh trưởng dinh dưỡng. Như vậy cây Perilla lá đỏ không biểu hiện hiện tượng cảm ứng gián tiếp (indirect induction). Trạng thái cảm ứng trong cây Perilla nầy rõ ràng bền bỉ như trên cây Xanthium nhưng nó được lưu trú trong lá mà nó được biểu hiện trực tiếp với chu kỳ sáng-tối cảm ứng. Giải thích như thế nào về sự đảo ngược tự nhiên của những cây được kích thích ra hoa dưới mức tối hảo trên cây Perilla lá đỏ ngay khi có sự hiện diện của những lá kích thích? Lona(1959) và Zeevaart (1969) cho rằng lá non phát triển ở ngọn thân sau khi trở lại điều kiện ngày dài thì không được kích thích và dần dần kiểm soát mô phân sinh ngọn. Tuy nhiên, bằng cách tỉa chồi trở lại như trên cây Xanthium, Lam và Leopold (1961) chứng minh rằng cây Perilla ra hoa khi chiếu sáng chỉ 10-20 chu kỳ ngày ngắn, đảo ngược từ phase sinh trưởng dinh dưỡng (Lam và Leopold,1961). Cây chiếu 27 chu kỳ hiếm khi đảo ngược và cây nhận 50 chu kỳ thì hầu như không đảo ngược. Sự đảo ngược trong những nghiên cứu nầy dường như liên quan đến việc giảm sự sản xuất chất kích thích ra hoa là một chức năng đảo ngược của số chu kỳ kích thích. Giải thích nầy được tranh luận bởi Zeevaart (1969) dựa trên kết quả nghiên cứu cho rằng lá được kích thích dưới mức tối hảo giữ trạng thái kích thích trong một thời gian tương đương với với những lá được kích thích tối đa. Tuy nhiên, Lam và Leopold (1961) khẳng định rằng tình trạng mất yếu tố cần thiết cho sự phân hóa mầm hoa hoặc morphogenesis có thể không hiếm thấy khi tế bào cây được thúc đẩy phân chia một cách nhanh chóng. Ngắt liên tục mầm hoa trên cây có mang hoa ở thân như cây Geum trong hơn một năm tạo ra sự nhân lên khác thường của mô phân sinh chồi ngọn, đạt tới 10.000 trên thân có mang hoa và làm mất sự lũy tiến của trạng thái thụ hàn (Tran Thanh Van và Le Kiem Ngoc, 1965). Một cách tương tự, cây cấy mô lấy từ cơ quan sinh sản có thể tái sinh chỉ cần mầm sinh trưởng. Trên cây trung tính của loài thuốc lá, Sinapis và Lunaria có thể tạo ra mầm hoa trong ống nghiệm từ một cọng hoa (Aghion, 1965; Nitsch và Harada, 1970; Pierik, 1967). Tuy nhiên trong những trường hợp nầy, Konstantinova và csv. (1969) cho thấy khả năng tạo hoa giảm khi lập lại qua ống nghiệm. Những kết quả nầy được giải thích đơn giản là một hoặc nhiều yếu tố cần thiết cho sự phân hóa hiện diện với số lượng có giới hạn đã bị phá hủy hoặc giảm bớt trong khi sự gia tăng nhanh tế bào và kết quả cuối cùng là trạng thái đáp ứng của sự phân hóa biến mất. 3.1.7 Sự tương tác giữa độ dài ngày và các yếu tố môi trường khác 3.1.7.1 Nhiệt độ Ảnh hưởng bổ sung của nhiệt độ lên sự ra hoa bởi quang kỳ được biết từ lâu. Sự thật thì những cây bị cảm ứng quang kỳ không ra hoa tự nhiên ở một thời điểm nhất định từ năm nầy sang năm khác. Lang và Melechers (1965) nhận thấy quang kỳ tới hạn trên cây dài ngày từ 8,5-11,5 giờ khi nhiệt độ ban đêm tăng từ 15,5-28,5oC. Như vậy, cây nầy ra hoa trong điều kiện ngày ngắn ở nhiệt độ thấp. Có một số trường hợp cây bị ảnh hưởng quang kỳ nhưng bị thay đổi hoàn toàn bởi yếu tố nhiệt độ. Người ta gọi đây là cây ngày ngắn tuyệt đối như cây thuốc lá Marylan Mammoth, giống dâu tây trồng, Perila, 5
30. Bài giảng môn Sinh Lý Sự Ra Hoa- Trần Văn Hâu pharbitis, chỉ yêu cầu ngày ngắn khi nhiệt độ trong khoảng từ 20-25oC và ngay cả ra hoa trong điều kiện ngày dài hoặc chiếu sáng liên tục trong điều kiện 15oC hoặc thấp hơn. Người ta tìm thấy nhiệt độ thấp ảnh hưởng pha tối trên cây thuốc lá, Perilla trong khi trên cây ngày ngắn Xanthium ra hoa trong diều kiện ngày dài ở 4oC trong nửa đầu chu kỳ cảm ứng quang kỳ. Cây ngày dài có thể hoàn toàn thay thế bằng cách xử lý nhiệt độ thấp như cây Silene, Bilitum, Melandrium và Sinapsis. Một điều đáng quan tâm là sự thay thế yêu cầu nhiệt độ thấp được tiếp nhận bởi lá trên cây ngày ngắn Perilla và Pharbitis và trên cây ngày dài Blitum. Cây ngày ngắn-dài (SLDL) như Campanula medium và Corcopsis grandiflora có thể vượt qua yêu cầu ngày ngắn bằng một thời gian xử lý nhiệt độ thấp (Chouard,1960). Việc xử lý nhiệt độ thấp một thời gian dài còn có thể ức chế đòi hỏi ngày dài trên cây Campanula. Nhiệt độ cao trên 30 oC có thể hoàn toàn ức chế yêu cầu ngày dài như cây Rudbeckia bicolor (Murneek, 1940). Trên cây Calamintha officinalis biểu hiện cây ngày dài khi nhiệt độ trung bình nhưng trung tính khi ở nhiệt độ cao (Ahmed và Jacques, 1975). Wellensick (1968) cho biết xử lý nhiệt độ cao được tiếp nhận ở rễ. 3.1.7.2 Cường độ sáng Thí nghiệm chiếu sáng 5-10 giờ ở cường độ sáng từ 500-8.000 lux trên cây đậu nành Biloxi (cây ngày ngắn), Hammer (1940) kết luận rằng cường độ sáng dưới 1.000 lux sự tượng hoa không xuất hiện. Sự thay đổi mật độ photon có thể có hiệu quả đáng chú ý trên cây ngày ngắn. Cường độ ánh sáng rất thấp cho phép hình thành hoa trên cây ngày dài hoặc ngay cả khi được chiếu sáng liên tục như trên cây Perilla, Salvia occidentalis (Meijer,1959), và cây Lemna pauciostata 6746 (Takimoto,1973). Mật độ photon cao cũng có thể gây ra sự ra hoa trong điều kiện chiếu sáng liên tục như trên cây “obligate”, cây ngày ngắn Pharbitis (Bảng 3.1 ). Thông thường, cây ngày dài được kích thích ra hoa bởi sự kéo dài ngày ngắn với ánh sáng cường độ cao bởi một thời kỳ ánh sáng bổ sung ở mức bức xạ thấp, có nghĩa là ánh sáng dưới điểm bù quang hợp. Tuy nhiên, nhiều cây ngày dài như Brassica không đáp ứng hoặc đáp ứng rất kém với ngày dài của loại ánh sáng nầy. Như sự dẫn chứng của Bodson, sự đáp ứng ra hoa của cây Sinapis với một chu kỳ ngày dài 16 giờ cũng bị ảnh hưởng bởi bức xạ. Trong nửa chu kỳ sau của ngày dài, bức xạ quá cao hoặc quá thấp (>96 hoặc <15 W/m2) đều ngăn cản sự tượng mầm hoa trong khi đó, bức xạ ở mức trung bình (25 W/m2) thì có tác dụng thúc đẩy sự ra hoa. Tuy vậy, bức xạ rất cao có hiệu quả thúc đẩy khi áp dụng trong khi có ngày ngắn đi trước hoặc theo sau ngày dài, ngay cả trong phần đầu của ngày dài. Mật độ photon cao trong khi một chế độ ngày ngắn điều khiển có thể xóa bỏ hoàn toàn nhu cầu ngày dài của cây Sinapis (Bodson và Bernier, 1977). 6
31. Bài giảng môn Sinh Lý Sự Ra Hoa- Trần Văn Hâu Bảng 3.1 Ảnh hưởng của cường độ sáng lên sự tượng hoa và chiều dài thân của cây Pharbitis nil (ngày ngắn) dưới sự chíếu sáng liên tục Cường độ sáng Tỉ lệ cây ra hoa Chiều dài thân Số mầm hoa/cây (lux) (%) (cm) 3.000 0 0 64,6 6.000 0 0 57,1 9.000 0 0 60,0 16.000 100 3,6 6,0 26.000 100 3,1 6,5 Nguồn: Shinozaki, 1972 3.1.7.3 Thành phần của khí quyển Thêm hay bớt khí CO2 có thể ảnh hưởng đến sự đáp ứng của quang chu kỳ. Chỉ cần nói rằng sự giảm nồng độ khí CO2 trong thời kỳ chiếu sáng làm giảm sự tượng hoa trong nhiều loại cây ngày ngắn và ngày dài. Trong cây ngày dài, CO2 không đòi hỏi trong giờ ánh sáng bổ sung nhưng chỉ trong thời kỳ đầu của ngày dài (Lang, 1965)(Hammer, 1940). Mặt khác nồng độ CO2 cao có thể ức chế sự hình thành hoa trong điều kiện kích thích ở cây ngày ngắn Lemna paucicostata (Posner, 1971), Xanthium và Pharbitis và trong cây ngày dài Lemna gibba (Kandeler và Rottenburg, 1975). Trên cây ngày dài Silence, nồng độ CO2 ở mức 1 và 1,5% thúc đẩy sự ra hoa trong điều kiện ngày ngắn. Nhiều cây ngày dài ra hoa trong điều kiện ngày ngắn khi được giữ trong khí quyển nitrogen trong phase tối đầu tiên trên cây Hyoscyamus, sau đó là cây Rudbeckia và Lolium. Ngược lại, trên nhiều cây ngày ngắn như Perilla và đậu nành, sự đáp ứng với ngày ngắn bị vô hiệu bởi khí quyển nitrogen trong đêm dài, đặc biệt nếu xử lý trong nửa sau của những đêm nầy (Chailakhyan và Konstantinova, 1962). 3.1.8 Xem xét lại sự phân loại của sự đáp ứng với quang chu kỳ 3.1.8.1 Nơi cảm ứng và truyền ảnh hưởng sự ra hoa Xảy ra ở lá khi đặt lá vào điều kiện quang kỳ thích hợp. Vậy lá là nơi cảm ứng quang kỳ. Thí dụ 1: Cây rau dền (Spinacia oleracea) là cây ngày dài (có quang kỳ tới hạn là 13 giờ) khi đặt lá trong điều kiện ngày dài cây sẽ ra hoa, ngược lại nếu đặt lá trong điều kiện ngày ngắn cây chỉ sinh trưởng dinh dưỡng. Thí dụ 2: Trên cây đậu nành Biloxi là cây ngày ngắn, nếu đem chiếu sáng trong điều kiện ngày dài, 17 giờ cây sẽ không ra hoa. Nhưng nếu lấy cây đậu nành đã được cảm ứng quang kỳ thích hợp tháp vào cây đậu nành Biloxi trên, cây đậu nành nầy sẽ ra hoa. Qua thí nghiệm nầy cho thấy sự cảm ứng quang kỳ từ lá đã được truyền sang cây đậu nành Biloxi. Từ thí nghiệm nầy có thể kết luận rằng lá là nơi cảm ứng với quang kỳ và sự cảm ứng nầy được truyền qua cây khác qua sự ghép. 3.1.8.2 Vai trò của quang kỳ và dạ kỳ đối với sự ra hoa Vai trò của quang kỳ và dạ kỳ lên sự ra hoa còn liên hệ đến hệ sắc tố thực vật (phytochrome) và độ dài sóng của tia sáng. Ánh sáng đỏ có bước sóng từ 600 - 680nm có tác dụng kích thích sự ra hoa cây ngày ngắn và kiềm hãm sự ra hoa của cây ngày dài. 7
32. Bài giảng môn Sinh Lý Sự Ra Hoa- Trần Văn Hâu Tác dụng của tia đỏ sẽ bị mất đi nếu ta chiếu tia sáng có độ dài sóng 730 nm và ngược lại tác dụng của tia hồng ngoại bị mất đi nếu ta chiếu tia có bước sóng 660 nm. Tia đỏ có nhiều trong ánh sáng ban ngày trong khi vào ban đêm cò nhiều tia hồng ngoại (far-red). Tác dụng của ánh sáng lên sự ra hoa thể hiện qua hoạt động của phytochrome (P). P hấp thu tia đỏ (660 nm) tạo thành P660, và P hấp thu tia đỏ xa (730 nm) tạo thành P730, đây là chất có hoạt tính sinh lý mạnh. Vào ban ngày, P660 được chiếu tia 660 nm thì P660 từ từ biến thành P730 và vào ban đêm P730 được chiếu tia 730 nm thì P730 tự biến thành P660. Người ta cho rằng P730 là có hoạt tính kích thích sự ra hoa cây ngày dài và kiềm hãm sự ra hoa cây ngày ngắn, P660 là dạng yên lặng. Ban đêm dạng P730 sẽ chuyển thành P660. Nếu đêm dài, tất cả P730 sẽ được chuyển thành P660 thì cây ngày ngắn sẽ ra hoa, ngược lại nếu đêm ngắn, lượng P730 còn nhiều sẽ ức chế sự ra hoa của cây ngày ngắn. Do cơ chế nầy, đêm dài có ý nghĩa quyết định sự ra hoa trên cây ngày ngắn, ngược lại ngày dài tạo ra nhiều P730 sẽ kích thích cho cây ngày dài trổ bông. Tổng hợp AS đỏ (600-680 nm) P P Phân hủy r f AS đỏ xa (700-760 nm) Biến đổi trong tối Hình 3. 3.2 Nhiệt độ Sự quan trọng lớn nhất của nhiệt độ thấp là nhiệt độ dưới nhiệt độ tối hảo cho sự sinh trưởng. Sự thụ hàn chỉ được dùng để kích thích hoặc thúc đẩy sự ra hoa bởi việc xử lý nhiệt độ thấp. Như là một nguyên tắc, sự khởi phát hoa xuất hiện trong thời kỳ thụ hàn nhưng hoa chỉ xuất hiện ở điều kiện nhiệt độ thích hợp cho sự sinh trưởng. Nhiệt độ thấp ảnh hưởng trực tiếp hay cảm ứng lên sự ra hoa khó phân biệt được. Nói chung, cây hai năm hay cây đa niên đòi hỏi nhiệt độ lạnh là bắt buộc trong khi cây mùa đông hàng niên thường đòi hỏi không bắt buộc. Điều kiện nhiệt độ thấp làm giảm sự sinh trưởng của cây, mất sự hô hấp và thúc đẩy sự phân giải tinh bột và các chất dự trữ khác có thể cải thiện trực tiếp sự đồng hóa cung cấp cho đỉnh chồi và thúc đẩy quá trình theo hướng sinh sản. 3.2.1 Thời gian xử lý và hiệu quả của nhiệt độ Thời gian đòi hỏi nhiệt độ thấp cần cho sự ra hoa tùy thuộc vào từng loài (species) - thậm chí từng thứ (variety) và tuổi của cây. Thông thường, thời gian xử lý nhiệt độ thấp đạt hiệu quả từ 1- 3 tháng cho cây mùa đông hàng niên, cây hai năm và cây đa niên. Đối với cây đòi hỏi thời gian xử lý nhiệt độ thấp ngắn, chỉ cần một vài ngày hoặc 2 tuần là có 8
33. Bài giảng môn Sinh Lý Sự Ra Hoa- Trần Văn Hâu hiệu quả. Như cây Apium gravcolens (celery) và Anthriscus cerefolius (chervil) có hiệu quả thúc đẩy sự ra hoa sau 1-2 ngày trong điều kiện nhiệt độ thấp. Sự cảm ứng nhiệt rõ ràng là một quá trình số lượng, càng xử lý nhiệt độ thấp càng lâu thì hiệu quả càng nhiều (Hình 3.1). Nhiệt độ từ 1-7 oC thường có hiệu quả cảm ứng nhiệt tốt nhất. Nhiệt độ dưới 0 oC như ở -6 oC có hiệu quả trên cây ngũ cốc. Những cây ở xứ ấm như cây olive (Olea europaca) nhiệt độ lạnh thích hợp từ 10-13 oC. Nhiệt độ hiệu quả nhất còn tùy thuộc vào thời gian xử lý. Như là một qui luật chung, nhiệt độ tối hảo giảm khi thời gian xử lý tăng. Bảng 3.2 Nhiệt độ tối hảo (oC) cho sự thụ hàn trong sự liên quan với thời gian xử lý nhiệt độ thấp Loài Thời gian thụ hàn (tuần) 2 3 4 5 6 Petkus winetr rye +7 +5 +1 +1 +1 Biennial Hyoscyamus +10 +6 +6 đến +3 Arabidopsis race St +4 +2 Lactuaca sativa cv. Imperrial +2 +0,5 456 From Napp-Zim. K., Temperature and life, Precht. H. Chrristophersen, J. Hensel, H. and Larcher, W. Eds., SpringerVerlag. Berlin, 1973, 171. 3.2.2 Sự tiếp nhận của nhiệt độ thấp Curtis và Chang (1930) chỉ ra rằng trên cây rau cần tây (celery) nhiệt độ thấp được tiếp nhận ở đỉnh bởi mô phân sinh ngọn chồi hoặc xung quanh những lá non ở thời kỳ nghỉ của cây. Kết quả tương tự ở cây hai năm và cây đa niên. Từ nhiều quan sát cho thấy rằng những phần của cây như lá trưởng thành, nội nhũ và những cơ quan dự trữ khác mà bị lấy đi thì sẽ làm mất sự nhạy cảm đối với nhiệt độ thấp, những bộ phân nầy chỉ giữ một vai trò dinh dưỡng trong việc cung cấp những chất dinh dưỡng cho đỉnh chồi trong thời kỳ xử lý nhiệt độ thấp. Từ những thí nghiệm trên cây rau mùi (chervil), Wellensick kết luận rằng sự thụ hàn xảy ra khi tế bào đang phân chia hiện diện trong lúc xử lý nhiệt độ thấp. Điều nầy giải thích tại sao đỉnh chồi là nơi chính tiếp nhận sự tác động của nhiệt độ thấp. 3.2.3 Sự tương tác giữa sự thụ hàn và các yếu tố môi trường khác 3.2.3.1 Nhiệt độ cao Ít nhất có ba vấn đề được khám phá trong mối liên hệ giữa sự thụ hàn và xử lý nhiệt độ cao theo sau: - Nhiệt độ cao trong vài ngày có thể dưới một vài tình huống sẽ làm hủy bỏ hiệu quả của việc thụ hàn trước đó. - Chỉ có nhiệt độ cao thì không có hiệu quả việc loại bỏ sự thụ hàn, nhưng nếu liên kết với ánh sáng thấp thay đổi liên tục hoặc trong tối như trên cây đậu, Chrysanthenum. 9
34. Bài giảng môn Sinh Lý Sự Ra Hoa- Trần Văn Hâu - Chưa phát hiện sự loại bỏ hiệu quả của sự thụ hàn bởi nhiệt độ cao đối với những loài ít. Nhiệt độ cao có tác dụng loại bỏ hiệu quả của sự thụ hàn trong khoảng từ 25-40 oC. Nhiệt độ từ 18-25 oC cũng có thể có hiệu quả. Nhiệt độ thụ hàn và loại bỏ sự thụ hàn được tách riêng biệt và trong một vài loại cây khoảng cách rất nhỏ, như 13-15oC ở cây Petkus, 17-18oC ở cây củ cải đường. Phạm vi của sự thụ hàn tăng với thời gian xử lý nhiệt, ít nhất tới một giới hạn nào đó thí dụ như một vài ngày ở 30-35 oC đối với cây ngũ cốc mùa đông. Ngoài hiệu quả bất lợi, nhiệt độ cao có thể thúc đẩy sự ra hoa trên một vài loài cây đòi hỏi nhiệt độ thấp như trường hợp cây scrofularia alata được mô tả là ra hoa hoặc là sau 6 tuần trong điều kiện 3oC hoặc sau 3 tuần trong điều kiện 32/27oC. Nhưng ở 17oC thì cây vẫn giữ nguyên tình trạng sinh trưởng. Trong trường hợp nầy nhiệt độ cao có thể hoàn toàn thay thế cho sự thụ hàn. 3.2.3.2 Điều kiện ánh sáng Điều kiện ánh sáng phổ biến trước, trong hoặc sau thời kỳ thụ hàn có thể ảnh hưởng đến hiệu quả của sự thụ hàn. Những sự tương tác nầy rất phức tạp và thay đổi khác nhau. 9 Trước khi thụ hàn: Điều kiện ánh sáng tốt như cường độ ánh sáng cao và/hoặc ngày dài thuờng có ảnh hưởng thúc đẩy đáng kể trên cây hai năm và cây đa niên. Tình trạng dinh dưỡng tốt của cây là những điều kiện tốt cho sự thụ hàn 9 Thụ hàn trong điều kiện ngày ngắn: Trong một vài loại cây đòi hỏi nhiệt độ thấp cho sự ra hoa thì sự kết hợp của nhiệt độ thấp với ngày ngắn rõ ràng có hiệu quả thích hợp. Sự tương tác giữa nhiệt độ thấp và ngày ngắn thì rất khó và rất phức tạp. Thường sự tương tác nầy rơi vào 2 trường hợp: (1) Ngày ngắn có thể thay thế một phần hoặc hoàn toàn cho nhiệt độ thấp, (2) Đòi hỏi cả hai yếu tố ngày ngắn và nhiệt độ thấp. 3.2.3.3 Sau khi thụ hàn Đa số cây đòi hỏi nhiệt độ thấp cũng đòi hỏi quang kỳ dài sau giai đoạn thụ hàn. Yêu cầu quang chu kỳ của cây được thay đổi rõ rệt sau khi cảm ứng nhiệt. Ở một số cây, cảm ứng nhiệt có thể làm giảm yêu cầu ngày dài. Trường hợp cây hai năm cỏ ba lá ngọt- sweet clover (Melilotus offcinalis) là một thí dụ minh họa cụ thể cho trường hợp nầy. Sau khi thụ hàn ở 7oC trong 4 tuần, cây ra hoa trong điều kiện có số giờ chiếu sáng trong ngày là 13 giờ hay hơn nhưng trái lại cây không được thụ hàn chỉ ra hoa trong điều kiện có quang chu kỳ 20 giờ hay nhiều hơn. Trường hợp của cây Melilotus có lẽ không phải là ngoại lệ và nhiều cây ngày dài như vậy có thể trở thành cây trung tính khi thụ hàn. Bảng 3.3 Sự tương tác giữa sự thụ hàn và quang kỳ trên cây Melilotus offcinalis Ngày ra hoa Nhiệt độ thụ hàn* (oC) Chu kỳ sáng (giờ) 13 15 17 7 81 78 63 10 - - 75 15 - - 88 10
35. Bài giảng môn Sinh Lý Sự Ra Hoa- Trần Văn Hâu 20 - - - * Thụ hàn 4 tuần. Chu kỳ sáng ở 20 oC - Cây tiếp tục sinh trưởng ở cuối thí nghiệm Tình trạng cảm ứng nhiệt nếu thành lập hoàn toàn cũng ổn định cao trong một số loài khác nhau. Ở cây hai năm Hyoscyamus, với sự đòi hỏi nhiệt độ lạnh và ngày dài tuyệt đối, những cây được thụ hàn duy trì một cách liên tục trong ngày ngắn duy trì ít nhất 200 ngày thì khả năng ra hoa đáp ứng khi chuyển sang ngày dài. Điều nầy cho thấy sự cảm ứng nhiệt vẫn còn trong 7 tháng, nhưng giảm sau 300 ngày. Sự duy trì và chuyển điều kiện được thụ hàn xuyên qua sự sinh trưởng và phát triển của cây xuất hiện rõ trong quá trình phân chia tế bào của tế bào mô phân sinh trong điều kiện nhiệt độ thấp. Nhiều thí nghiệm cho thấy rằng sự cảm ứng nhiệt của đỉnh chồi đang phát triển có thể được chuyển rõ ràng đến mô phân sinh chồi bên mà nó được hình thành sau sự thụ hàn của mô phân sinh nguyên thủy. Sự bền vững của sự cảm ứng nhiệt tùy thuộc vào từng loài khác nhau. Reid tìm thấy trên cây đậu sự thụ hàn của đời cha mẹ có thể thúc đẩy có ý nghĩa lên sự ra hoa ở đời con. Hiệu quả của sự thụ hàn được chuyển qua sự phân bào giảm nhiễm và sự thúc đẩy nầy biến mất ở thế hệ tiếp theo. Ở chế độ nhiệt 15/10oC giữa ngày và đêm được báo cáo là ngăn cản hoàn toàn sự sinh trưởng của xoài Nam Dok Mai, thúc đẩy sự tích lũy các chất carbohydrate bên trong các bộ phận của cây và kích thích cây ra hoa (Whiley và csv. 1989). Như vậy sự tích lũy chất carbohydrate có liên quan với sự dừng của sự sinh trưởng dinh dưỡng. 3.3 Vai trò của các chất dinh dưỡng lên sự ra hoa 3.3.1 Lý thuyết về sự liên quan giữa carbohydrat và nitrogen (tỉ số C/N) Từ những quan sát thực tế cho thấy rằng nếu cây phát triển mạnh thì thường đối lập lại với sự ra hoa. Trong khi làm giảm sự sinh trưởng của cây bằng cách xiết nước, tỉa cành hay khấc cành thường thúc đẩy sự ra hoa. Do đó, sự bón nhiều phân đạm có thể làm giảm sự sinh sản trên nhiều loại cây. Mặc khác, Klebs cũng quan sát thấy rằng điều kiện thích hợp cho sự ra hoa cũng thích hợp cho sự quang hợp làm tăng các chất carbohydrat trong lá. Từ đó Klebs (1913) cho rằng sự ra hoa được kiểm soát bởi tình trạng dinh dưỡng của cây, đó là sự cân bằng chất dinh dưỡng mà cây đạt được từ không khí và đất. Một tỉ lệ C/N nội sinh cao được tin rằng cần thiết cho sự ra hoa. Tuy nhiên, những quan sát trong thời kỳ nầy thích hợp cho sự phát triển của thời kỳ phát triển của hoa và ngay cả đậu trái hơn là sự tượng hoa. Một khó khăn nữa là những cây trồng được quan sát là cây cà chua là loại cây không cần chịu một kiểm soát của môi trường lên sự ra hoa. Giả thuyết của Klebs không đúng trong trường hợp sự tượng hoa của cây đòi hỏi phải có yếu tố tuyệt đối của môi trường như trường hợp cây ngày ngắn như cây đậu nành Biloxi có tỉ lệ C/N luôn cao cho tới lúc trái chín nhưng sự tượng hoa trong lúc tỉ lệ nầy thấp hơn trong thời kỳ cây sinh trưởng. Tương tự đối với cây đòi hỏi nhiệt độ thấp, mức độ tác động của chất đạm vào rễ cho thấy rằng sự đòi hỏi kích thích không thay đổi bởi chất đạm và tác động của đạm lên cây rất đặc biệt. Đối với cây ra hoa bị tác động bởi yếu tố quang kỳ thì có khi đòi hỏi 11
36. Bài giảng môn Sinh Lý Sự Ra Hoa- Trần Văn Hâu mức độ đạm thấp nhưng cũng có cây đòi hỏi mức độ đạm cao. Như vậy, chất đạm không giữ vai trò quyết định đối với cây bị ảnh hưởng bởi quang kỳ và nhiệt độ thấp. Hiện nay, về mặt căn bản thì giả thuyết của Klebs về sự quan trọng của chất dinh dưỡng lên sự tượng hoa được loại bỏ, tuy nhiên giả thuyết nầy cũng có một vai trò quan trọng là nó nhấn mạnh sự quan trọng của hai yếu tố về dinh dưỡng khoáng và quang kỳ trong quá trình tượng hoa. Loại bỏ hoàn toàn giả thuyết nầy cũng có nhiều điểm không thích hợp vì chất khoáng cũng cần cho hoạt động cung cấp nguyên liệu thô, năng lượng, tạo sườn carbon cho cả quá trình phát triển bên trong cây. Do đó, sự liên hệ giữa quang kỳ và dinh dưỡng khoáng có mối liên hệ rất phức tạp. Giả thuyết về sự biến đổi chất dinh dưỡng (nutrient diversion) (Sachs và Hackett, 1983) là một trong ba giả thuyết nhằm cố gắng giải thích các chất đồng có vai trò kiểm soát quá trình chuyển đổi sang giai đoạn ra hoa của cây trồng. Theo giả thuyết nầy thì tác giả khẳng định rằng sự kích thích ra hoa do tác động của bất kỳ yếu tố nào bao gồm yếu tố môi trường là cách làm thay đổi sự liên hệ giữa Sink/Source bên trong cây. Với cách tác động nầy thì chồi ngọn sẽ nhận một sự cung cấp chất đồng hóa tốt hơn trong điều kiện không kích thích. Hàm lượng các chất carbohydrate dự trữ được coi như là yếu tố giới hạn sự ra hoa và phát triển trái của cây thân gỗ (Monselise và Goldshmidt, 1982 và Scholefield và csv., 1985). Tổng hợp yếu tố về sự ra hoa trên cây xoài, Chadha và Pal (1986) đã khẳng định rằng các chất carbohydrate dự trữ có một vai trò quan trọng trong sự tượng mầm hoa mặc dù nó không phải là yếu tố đầu tiên. Mối liên hệ giữa các chất carbohydrate và chất đạm hay tỉ số C/N được Kraus và Kraybill công bố năm 1918 với tựa đề “Sự sinh dưỡng và sự sinh sản với sự nghiên cứu đặc biệt trên cây cà chua”. Kết quả nghiên cứu nầy được xem như là một báo cáo kinh điển và là một khám phá có ý nghĩa quan trọng trong lĩnh vực khoa học cây trồng. Kết quả nầy sau đó được trích dẫn để chỉ sự khởi phát hoa và sự phát triển hay sự đậu trái và sự phát triển liên quan đến tỉ số C/N (Cameron và Dennis, 1986). Một phần quan trọng của báo cáo nầy, tác giả đã thảo luận bốn điều kiện chung nhất của sự liên quan của nitrate, carbohydrate và ẩm độ bên trong cây và sự đáp ứng của cây liên quan đến điều kiện nầy. Bốn điều kiện nầy là: 1. Cây không ra trái mặc dù có rất nhiều chất dinh dưỡng và ẩm độ phong phú, kể cả nitrate nhưng sự sinh trưởng dinh dưỡng bị yếu đi do không cung cấp đủ các chất carbohydrate hữu dụng. 2. Cây sinh trưởng rất mạnh nhưng không có khả năng sinh sản do có nhiều chất dinh dưỡng, nước và sự cung cấp các chất carbohydrate tăng gấp đôi. 3. Cây có khả năng sinh sản, cho nhiều trái, sự sinh trưởng dinh dưỡng giảm do có sự giảm hàm lượng nitrate cân đối với hàm lượng carbohydrate và làm cho có sự tích lũy các chất carbohydrate. 4. Sự sinh trưởng dinh dưỡng và khả năng cho trái của cây giảm do sự giảm của nitrate nhưng không có thể tăng hàm lượng các chất carbohydrate. Tuy vậy, Cameron và Dennis (1986) cho rằng sự liên hệ giữa các chất carbohydrate và mức độ đạm là kết luận từ những kết quả tham khảo được trên cây đa niên hơn là dựa vào những nghiên cứu trên cây cà chua. Tương tự, kết luận về hiệu quả của các biện pháp canh tác như quản lý nước, che phủ đất, khoanh/khấc cành trên sự liên hệ giữa tỉ lệ C/N và sự ra trái là những kỹ thuật mà tác giả tham khảo được chứ không được thực hiện bởi chính tác giả. Khi phân tích số liệu về sự tương quan giữa đạm và các chất carbohydrate trong thân và lá trong báo cáo của Kraus và Kraybill, Cameron và Dennis (1986) cho rằng thiếu những số liệu định lượng về sự ra hoa và đậu trái để khẳng 12
37. Bài giảng môn Sinh Lý Sự Ra Hoa- Trần Văn Hâu định mối tương quan của những yếu tố nầy và sự hiểu lầm xảy ra khi trích dẫn báo cáo nầy có lẽ do báo cáo quá dài, phức tạp nên ít ai đi sâu phân tích mà chỉ đọc phần tóm tắt của báo cáo. Để giải thích vai trò của chất đạm và chất carbohydrate biến đổi trên sự ra hoa xoài, Chadha và Pal (1986) khẳng định rằng trong nhiều trường hợp không có sự liên quan giữa sự phân hóa mầm hoa với chất đạm và carbohydrate trong chồi nhưng chất đạm và carbohydrate dự trữ giữ vai trò quan trọng trong sự phân hóa mầm hoa, mặc dù đây không phải là yếu tố đầu tiên. Phavaphutanon và csv. (2000) khảo sát sự biến đổi của các chất carbohydrate không cấu trúc (TNS-total non-structural carbohydrate) trên xoài Nam Dok Mai dưới ảnh hưởng của việc xử lý PBZ cho thấy rằng sự tích lũy của chất carbohydrate liên quan đến sự dừng của sự sinh trưởng dinh dưỡng. Khi cây xuất hiện 2- 3 đợt đọt đã gây ra sự biến động của TNC trong chồi tận cùng. Sự suy giảm của TNS dự trữ cho thấy rằng quá trình ra đọt và ra hoa đã đòi hỏi một lượng rất lớn các sản phẩm đồng hóa nhưng đã không được đáp ứng đầy đủ và các chất carbohydrate dự trữ trong lá là nguồn cung cấp dễ dàng hơn trong thân. Trong giai đoạn ra hoa, kết quả cho thấy rằng hàm lượng TNS giảm rất mạnh ở chồi vừa mới hình thành. Điều nầy cho thấy rằng chồi mới hình thành là nguồn cung cấp chất carbohydrate chính cho sự sinh trưởng và phát triển mà đặc biệt là sự ra hoa, do đó việc kích thích cho hình thành chồi mới mập, mạnh sau khi thu hoạch là rất cần thiết. Việc xử lý PBZ đã làm tích lũy sớm TNS trong chồi và kích thích ra hoa trong mùa nghịch. Gazit (1960, trích dẫn bởi Whiley, 1989) tìm thấy rằng chồi ra hoa có hàm lượng tinh bột cao hơn so với chồi không ra hoa trong lúc Suryanarayana (1978) cho biết hàm lượng tinh bột cao trong thân và lá có liên quan trực tiếp đến việc cải thiện.sự ra hoa và tăng khả năng sản suất của cây xoài. Tuy nhiên, qua kết quả thí nghiệm ảnh hưởng của các chế độ nhiệt độ lên sự tích lũy chất khô và tinh bột của 10 giống xoài, Whiley và csv. (1989) và Kulkarni (2002) cho rằng không có bằng chứng gì cho thấy rằng hàm lượng tinh bột cao thúc đẩy sự khởi phát hoa mà được kiểm soát bởi một yếu tố nội sinh khác bên trong cây xoài. Pathak và Pandey (1978) báo cáo rằng có sự tích lũy chất đạm trước khi ra hoa trên xoài Dashehari. Hơn nữa, cây mà mùa trước mang nhiều trái và hiện tại không có ra hoa nhưng có hàm lượng chất đạm thấp hơn so với cây sinh sản (Fierro và Ulloa, 1991). 3.3.2 Ảnh hưởng của các chất dinh dưỡng lên sự ra hoa 3.3.2.1 Chất đạm Ngoài hiệu quả điều chỉnh sự tượng hoa trong môi trường thích hợp cho sự ra hoa, dinh dưỡng khoáng còn có tác dụng biến đổi chất lượng căn bản những đòi hỏi căn bản sự ra hoa ở một số loài. Như trường hợp trên cây Geum, là một cây đòi hỏi có nhiệt lạnh cho sự ra hoa, thì ở một mức độ dinh dưỡng và bức xạ cao có thể thay thế được sự thọ hàn. Trên một số cây ngày dài (Sinapis), Deltour(1970) đã đạt được thành công 100% sự tượng hoa trên đỉnh bằng cách giảm lượng đạm trong sự hiện diện của một lượng đường tối hảo hoặc đối với cây ngày ngắn như Pharbitis tượng hoa trong điều kiện chiếu sáng liên tục trong tình trạng dinh dưỡng kém so với cây trong cùng điều kiện nhưng nếu bón phân đầy đủ sẽ không tượng hoa. Qua một số trường hợp trình bày trên cho thấy rằng sự tượng hoa, ít nhất trong một số trường hợp, gắn với chất dinh dưỡng mà trong đó, chất đạm dường như là yếu tố quan trọng. 13
38. Bài giảng môn Sinh Lý Sự Ra Hoa- Trần Văn Hâu Trên cây táo, dạng hoặc thời gian bón chất đạm có ảnh hưởng đến sự ra hoa nhiều hơn lượng phân bón. Dạng đạm ammonium có hiệu quả nhiều lên sự kích thích ra hoa hơn đạm dạng nitrate. Buban và csv. (1978) cho biết rằng ammmonium giúp cho sự vận chuyển của CYT từ rễ lên thân tốt hơn đạm dạng nitrat. Đạm ammonium làm gia tăng số mầm hoa trong khi đạm nitrat thúc đẩy sự kéo dài hoa. (Bảng 3.4). Trên cây cam Lovatt và csv. (1988) nhận thấy hàm lượng tinh bột và đạm dạng ammonium trong lá có liên quan đến cường độ ra hoa trong khi đường glucose, đạm tổng số và đạm dạng nitrate không có liên quan đến sự khởi phát hoa. Bảng 3.4 Ảnh hưởng của các dạng đạm lên sự ra hoa Tỉ lệ số CYT1 Chiều dài chồi Số chồi bên Dạng đạm mầm hoa (nmol/100g TL (cm) (spurs) xuất hiện (%) tươi) NO3-N 326 6,4 7,4 0,002 NH4- NO3 268 6,0 8,2 0,373 NH4- N 209 8,9 20,7 0,830 1 CYT: Cytokinin Nguồn: Guo và csv. (1992) 3.3.2.2 Chất lân Trên cây táo, hầu như số hoa trên cây có tương quan tuyến tính với hàm lượng chất lân trong lá (Bould và Parfitt, 1973). Menary và van Staden (1976) cho biết có sự tương quan thuận giữa sự bón phân lân và hàm lượng CYT vì CYT thúc đẩy hiệu quả của chất lân trong việc hình thành hoa (Horgan và Wareing, 1980). Quan tâm đến vai trò của chất lân trong quá trình phân hóa mầm hoa và phát triển trái xoài, Narwadkar và Pandey, (1988) cho biết bón phân lân sớm ở thời kỳ trước khi phát triển trái phát triển có thể kích thích cho sinh trưởng trong mùa xuân. Hàm lượng chất lân thấp không thúc đẩy sự ra hoa (Singh và Singh, 1973) nhưng hàm lượng chất lân trong chồi cao rất thích hợp cho sự khởi phát hoa ở giống xoài Dashehari (Chadha và Pal, 1986). 3.3.2.3 Chất kali Chất kali cũng cho kết quả tương tự như đối với chất lân. Mức độ kali trong lá thấp có liên quan với tỉ lệ hoa cái bất thụ và điều nầy có thể thay thế bằng việc phun CYT do ảnh hưởng của kali lên mức độ CYT trong cây. 3.3.2.4 Yếu tố vi lượng (trace elements) Nhiều kết quả thí nghiệm cho thấy nếu cung cấp một lượng nhỏ đồng nhị (Cu2+) trong môi trường tinh khiết thì loại trừ được yêu cầu ngày ngắn. So sánh hiệu quả của các loại khoáng vi lượng cho thấy thủy ngân (Hg) hiệu quả kém hơn đồng (Cu), trong khi Cd, Coban (Co), Crom (Cr), Mangan (Mn), Nicken (Ni), Chì (Pb) và kẽm (Zn) thì không có hiệu quả. Ngoài ra, khi thêm Cu2+ vào môi trường tinh khiết sẽ ngăn cản sự ra hoa trong ngày dài. Pieterse (1970,1977) và nhóm cộng tác viên tìm thấy rằng EDDHA có hiệu quả cho phép cây ngày dài L. gibba khởi phát hoa ngay cả trong điều kiện chiếu sáng 9 giờ (ngày ngắn). Lần nữa, cho thấy rằng Cu2+ bao gồm trong hiệu quả nầy vì tăng sự cung cấp đồng ngăn cản sự ra hoa trong sự chiếu sáng liên tục. Tuy nhiên nồng độ đồng quá 14
39. Bài giảng môn Sinh Lý Sự Ra Hoa- Trần Văn Hâu cao có thể làm rối loạn hiệu quả cảm ứng ra hoa trên cây bèo tấm (duckweeds). Trên cây Chrysanthenum morifolium Cu2+ rất cần thiết cho sự ra hoa tuy nhiên ở nồng độ thấp hơn 0,0015 ppm thì hầu như hoàn toàn ngăn cản sự ra hoa. Đồng (Cu2+) có vai trò trong sự cảm ứng quang kỳ hơn là ở các giai đoạn sau của sự khởi phát hoa của cây duck weeds. Hillman cho rằng Cu2+ tham gia vào hoạt động của hệ sắc tố có lẽ ảnh hưởng lên hệ thống màng tế bào mẫn cảm kim loại, vì: - Đồng là một chất ngăn cản cầu nối SH. - Những chất ngăn cản SH khác như: Thủy ngân, bạc, Tungstate và iode thúc đẩy sự ra hoa trên cây L. paucicostata 6747 trong ngày dài và ngăn cản nó trong cây L. gibba G3 - Hiệu quả của tất cả những chất nầy hoàn toàn vô hiệu bởi cysterin Tanaka và Takimoto (1974) cho rằng enzym-SH thì bao gồm trong sự mẫn cảm với quang kỳ. Ngoài ra, đồng còn điều chỉnh mức độ IAA trong cây xuyên qua sự tác động kết hợp của nó trên hoạt động khử phenol, mức độ IAA có thể trở lại kiểm soát sự khởi phát hoa. Sự thiếu chất đồng làm cho ngũ cốc không có hạt do việc thiếu chất đồng nghiêm trọng sẽ làm ngăn cản sự hình thành hạt phấn, số hạt phấn trên bao phấn được sản xuất ít hơn và khả năng sống của hạt phấn cũng kém đi làm giảm tỉ lệ đậu trái (Graham, 1975). Chất sắt: Dường như cần thiết cho sự cảm ứng quang kỳ và không cần thiết cho quá trình ra hoa tiếp theo như trong sự trao đổi chất thông thường. Sự thiếu sắt cũng ngăn cản hoặc làm xáo trộn lớn sự khởi phát hoa trên cây Xanthium trong lúc các yếu tố khác thì ít cần thiết hơn. Tuy nhiên, cách mà nguyên tố sắt can thiệp vào sự cảm ứng thì chưa được biết. Molybden cũng ảnh hưởng lên sự sản xuất và khả năng sống của hạt phấn. Bo cũng ảnh hưởng lên sự thụ tinh nhưng chất Bo cần thiết cho sự phát triển của ống phấn. 3.3.2.5 Sự khô hạn Sự khô hạn được xem là có vai trò chủ yếu trong sự ra hoa xoài ở vùng gần xích đạo vì ở vùng nầy nhiệt độ tối thiểu hàng năm cao không đủ kích thích cho sự ra hoa xoài so với các vùng Á nhiệt đới (Davenport, 1992). Cây xoài được xem là cây có khả năng chịu hạn và cơ chế chịu hạn của nó dựa trên khả năng duy trì tiềm thế nước trong lá hơn là khả năng chống lại sự thiệt hại của tế bào (Whiley, 1993). Trong điều kiện khô hạn, hàm lượng proline sẽ được tích lũy nhưng nó không tăng trong lá trong thời kỳ ra hoa (Rameshwar, 1988). Trên lá cây táo con, Wang và Steffens (1985) nhận thấy khi bị khô hạn hàm lượng các loại polyamin tự do như putrescine và spermidine tăng 34 và 85%. Trong điều kiện khô hạn tự nhiên từ tháng 11 đến tháng giêng năm sau ở Kamphaen Saen, Campus, Đại Học Kasetsart, Thái Lan, Pongsomboon và csv. (1997) cho biết tiềm thế nước trong lá (ΨL) tương đối cao ở giữa tháng 11 (-0,31 MPa) và thấp nhất vào cuối tháng 12 (-0,82 MPa). Khảo sát ảnh hưởng của sự khô hạn (water stress) lên sự ra hoa của cây xoài, bơ và vải, Chaikiattiyos và csv. (1994) cho biết sự khô hạn trong 2, 4, 8 tuần ngăn cản sự sinh trưởng dinh dưỡng và kéo dài sự ra hoa cho tới khi cây được tưới trở lại. Trên cây xoài Nam Dok Mai, Pongsomboon (1991) ghi nhận sự khô hạn trong 5 tuần tiềm thế nước của lá (ΨL) vào buổi sáng sớm giảm xuống -0,8MPa và cây ra hoa sau khi tưới lại 3 tuần. Tỉ lệ chồi ra hoa tương quan thuận với tiềm thế nước cao trong lá, tỉ lệ ra hoa đạt 90% khi tiềm nước của lá duy trì ở mức lớn hơn -0,75 MPa. 15