CHƯƠNG 1. Tổng quan về bèo tấm 1. Giới thiệu phân họ bèo Bèo tấm là nhóm thực vật một lá mầm thủy sinh có phổ phân bố rất rộng cùng với tốc độ sinh trưởng nhanh, có tiềm năng kinh tế cao và được quan tâm trong các nghiên cứu cơ bản. Bèo tấm thuộc Giới (regnum): Plantae, Angiospermae, Monocots.
Bộ (ordo): Alismatales Họ (familia): Araceae Phân họ (subfamilia): Lemnoideae Hiện nay, phân họ bèo tấm (Lemnoideae) có 37 loài thuộc 5 chi: Spirodela, Landoltia, Lemna, Wolffiella và Wolffia1 và chi Wolffia chứa các loài thực vật có hoa nhỏ nhất trên trái đất. Mặc dù một bài báo vào năm 2002 từ nhóm Don Les đã liệt kê có 38 loài, nhưng sau Hình 1. Một vài loài bèo tấm một cuộc hội thảo gần đây với Klaus Appenroth thì điều đó được xác nhận là 37 loài vì Lemna ecuadoriensis được kết hợp với Lemna obscura bởi Elias Landolt 2. Các nghiên cứu cho thấy kích thước bộ gen của các loài rất khác biệt (từ khoảng 150 Mbp ở Spirodela polyrhiza đến 1881 Mbp ở Wolffia arrhiza ).
Bèo tấm có cấu trúc cơ 4 thể vô cùng đơn giản gồm lá, thân có độ phân hóa thấp và rễ (Spirodela, Landoltia, Lemna) hoặc không có rễ (Wolffiella và Wolffia). Bên cạnh sự khác nhau về kích thước hệ gen, số lượng bộ nhiễm sắc thể NST của các loài bèo tấm cũng rất thay đổi, đa số các loài có bộ NST 2n = 40 (số lượng NST của các loài dao động trong khoảng 20 – 126 34. Các loài đại diện của 5 chi bèo tấm với kích thước hệ gen tương ứng1 Cùng với tốc độ tăng sinh khối cao, sinh khối từ bèo tấm có chứa hàm lượng protein cao là nguồn thức ăn quan trọng cho vật nuôi. Đặc biệt, bèo tấm được nuôi trồng trên ao hồ trở thành một thành phần trong mô hình vườn - ao - chuồng mà không làm ảnh hưởng đến diện tích đất trồng cây lương thực truyền thống.
Ngoài ra, bèo tấm là thực vật thủy sinh ưa thích được sử dụng để làm sạch các nguồn nước thải. Chính vì những đặc điểm khác biệt so với các đối tượng thực vật khác mà bèo tấm ngày càng nhận được sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học ở nhiều quốc gia trên thế giới. Các nghiên cứu không chỉ tập trung vào việc giải mã bộ gen mà còn giải quyết rất nhiều các vấn đề khác như nghiên cứu bản chất của quá trình hình thành chồi ngủ (turion), khả năng đáp ứng với điều kiện bất lợi và quan trọng hơn là vai trò của chúng trong sản xuất nhiên liệu sinh học, làm thực phẩm cho con người, thức ăn cho chăn nuôi, xử lý nước thải… “Quái vật của Darwin” (Darwinian Demon) là thuật ngữ được dùng để nói đến những sinh vật có khả nắng sinh sản gần như là ngay lập tức sau khi được sinh ra, có trạng thái sinh lý khỏe mạnh nhất và được xem như là trường sinh. Sử dụng các phương pháp phân tích định lượng để nghiên cứu trên S.
polyrhiza, các nhà khoa học đã chứng 5 minh rằng bèo tấm là loại thực vật hạt kín có tốc độ sinh trưởng nhanh nhất so với tỷ lệ cơ thể. Vì vậy, bèo tấm được dùng để minh họa cho khái niệm “Quái vật của Darwin”5. Bèo tấm là một trong số các cây trồng có sự phát triển nhanh nhất bởi chúng có khả năng sinh sản rất mạnh. Nó được xem là loài cây nhỏ nhất, hoa hiếm khi được nhìn thầy do kích thước nhỏ và nở chậm.
Bèo tấm chủ yếu được sinh sản vô tính bằng cách nảy chồi nơi mà mỗi cây gốc tạo ra cây mới. Những lá mới hình thành vẫn còn gắn với lá cây mẹ trong giai đoạn phát triển ban đầu và do đó các cây này dường như bao gồm nhiều lá. Mỗi một cá thể có thể sinh ra tới 20 cây con trong suốt cuộc đời, kéo dài trong 10 ngày đến vài tuần.Với chế độ sinh sản này có thể cho phép chúng bao phủ mặt hồ một cách nhanh chóng trong thời gian rất ngắn. Nhiều loài có thể tạo ra các hạt và chồi (hoặc búp) để vượt qua mùa đông; lá được tạo ra từ hạt.
Chồi là cấu trúc đã được thay đổi để bèo có thể chìm xuống đáy hồ, đó là nơi chúng sống qua mùa đông, cho đến khi nước ấm mới kích hoạt sự tăng trưởng bình thường, nhưng không phải tất cả các loại bèo đều có thể mọc chồi6. Đặc điểm sinh học Hầu hết các loài bèo được tìm thấy ở các vùng khí hậu nhiệt đới và ôn đới. Ở vùng sa mạc và vùng ẩm ướt, chúng rất hiếm. Ví dụ, Lemna spp.
rất hiếm ở những vùng có lượng mưa cao hoặc rất thấp và không tìm thấy ở đảo Greenland hay Aleutian. Mặc dù nhiều loài có thể sống sót ở nhiệt độ cao, chúng thường phát triển nhanh hơn trong điều kiện ấm và nắng. Hầu hết các loài cho thấy sự tăng trưởng mạnh ở vùng nhiệt đới. Các yếu tố khí hậu khác nhau như cường độ ánh sáng, độ muối, nhiệt độ khu vực khác nhau có thể ảnh hưởng đến sự phân bố của các loài Lemnaceae.
Chim và lũ lụt thường phân tán các loại bèo đến các khu vực địa lý khác nhau. Các loài bèo có thể được phân loại dựa trên: kích thước, số lượng và hình dạng lá, cấu trúc rễ (có hoặc thiếu rễ). Lá có thể chủ động hấp thu chất dinh dưỡng từ nguồn nước. Chức năng của rễ giúp chúng nằm thẳng, các chi Wolffia và Wolffiella thì thiếu rễ.
Loại bèo tấm lớn nhất có đường kính lên đến 2,5cm và thuộc về chi Spirodela. Thực vật trong chi này có cấu trúc phức tạp nhất, có hoa và nhiều rễ trên mỗi lá. Bèo tấm chi Landoltia tương tự với chi Spirodela, nhưng có kích thước nhỏ hơn (khoảng một phần ba), có ít rễ (từ một vài đến một lá) và khác với chi Landoltia, chi Spirodela có các chấm nhỏ đặc trưng trên bề mặt lá. Bèo tấm trong chi Lemna, có một hoặc một vài lá trong cấu trúc và chỉ có duy nhất một rễ, kích thước nhỏ hơn các thành viên của chi Landoltia.
Có kích thước nhỏ nhất và cấu trúc đơn giản nhất là chi Wolffia và chi 6 Wolffiella (không có rễ, hoa đơn giản), các chi này có thể được phân biệt bởi các đặc điểm như Wolffiella dài và cứng, Wolffia thì có hình oval. Mặc dù khá dễ dàng để phân biệt giữa các chi với nhau nhưng việc xác định các loài trong từng chi thì khá khó khăn, đặc biệt là chi Lemna. Các loài bèo tấm thường được tìm thấy ở những vùng nước giàu chất dinh dưỡng, và các quần thể chứa hàng chục nghìn cá thể có thể phát triển mạnh trong các ao hồ nhỏ hoặc rãnh nhỏ. Một số loài bèo tấm có thể sống ở nhiệt độ lạnh (nhưng không đóng băng) và tăng độ mặn có thể kích thích sự phát triển, mặc dù độ mặn quá mức có thể ức chế sự tăng trưởng hoặc giết chúng.
Bèo tấm có thể cung cấp môi trường sống cho nhiều sinh vật dưới nước như côn trùng và ếch và là nguồn thực phẩm quan trọng cho động vật hoang dã, bao gồm cả cá và chim6. Theo R A Leng và cộng sự, thì bèo tấm có cấu trúc đơn giản hóa bởi chọn lọc tự nhiên. Lá của bèo tấm có dạng phẳng và hình trứng, rễ của một số loài bèo tấm có xu hướng dài ra khi nguồn dinh dưỡng hay khoáng chất đang cạn kiệt. Theo Trần Thị Kim Dung thì Lemna thuộc nhóm cây một lá mầm nhỏ nhất, phần lớn có cả lá, rễ, hoa, quả, những cây trưởng thành không có thân cây; lá (cánh bèo) có kích thước khác nhau phụ thuộc vào từng chi, từng loài7.
Kích thước và số lượng rễ trên một cánh bèo ở các loài bèo tấm không giống nhau và phụ thuộc vào từng loài. Đa số những loài thuộc họ Lemna chỉ có một rễ, S.polyrrhiza có từ 7-12 rễ hoặc nhiều hơn và có thể dài đến 10 mm, Landoltia có 2-3 rễ và có thể lên tới 5 rễ với chiều dài tối đa có thể đạt được 6 mm. Ngoại trừ điều kiện khắc nghiệt, trong điều kiện thiếu nitơ, phosphate hay các khoáng chất thì rễ sẽ dài hơn. Trong khi đó, trong môi trường dinh dưỡng thuận lợi, rễ ngắn hơn thậm chí có loài không hình thành rễ.
Cấu trúc rễ của bèo tấm cũng hết sức đơn giản, không có các rễ con và không phản ánh sự tăng trưởng cũng như sự tạo nhánh. Vì lẽ đó rễ của bèo tấm rất mảnh và nhỏ. Cũng giống như các loại rễ phổ biến khác, rễ bèo tấm có cấu tạo gồm 4 phần chính: đỉnh rễ, vùng mô phân sinh, vùng kéo dài và vùng các tế bào thuần thục 7. Hoa của các loài bèo tấm đã được nghiên cứu tương đối kĩ.
Chúng thường hình thành và tồn tại trong thời gian ngắn và hiếm khi quan sát thấy. Hoa các loại bèo có thể hình thành trong thời gian ngắn hay dài khác nhau tùy thuộc vào loài. Mỗi hoa thường có 2 nhị hoa và 1 vòi nhụy hoa duy nhất. Các nhụy hoa thường ngắn và khó quan sát hơn.
Hoa của chi Wolffia là nhỏ nhất trong thế giới các loài hoa, nó chỉ dài 0,3 mm. Quả của bèo đa phần là nhỏ, có lớp vỏ ngoài khô, một số trong đó có thể được quan sát thấy bằng mắt thường. Quả bèo thường có dạng như một túi có răng cưa, đôi khi có 7 dạng dọc hơi phẳng, và thường chứa từ 1-6 hạt. Quả có dạng túi nhỏ chứa không khí và hạt, nhằm mục đích giúp cây có thể nổi được trên mặt nước8.
Bèo tấm có hai phương thức sinh sản để duy trì nòi giống là sinh sản hữu tính và sinh sản vô tính. Sinh sản vô tính chiếm ưu thế hơn so với sinh sản hữu tính. Hình thức sinh sản hữu tính của bèo tấm chỉ xảy ra khi chúng gặp điều kiện bất lợi để bảo tồn nòi giống7. Bèo tấm sinh sản vô tính bằng hình thức nảy chồi từ vùng đỉnh phân sinh nằm trong xoang ở vùng gốc cánh.
Ở điều kiện tối ưu, tốc độ sinh sản vô tính của bèo tấm gần đạt mức tăng theo hàm số mũ. Lượng cánh bèo có thể tăng gấp đôi chỉ sau 24 giờ nuôi cấy ở các loài sinh trưởng nhanh như L. Với sinh sản vô tính thì thời gian một vòng đời của cánh bèo chỉ vài tuần. Điều kiện môi trường sống Bèo tấm cũng cần năng lượng mặt trời và một số chất khoáng để thực hiện quá trình sinh tổng hợp như các đối tượng thực vật khác.
