Mở đầu: 04 trang (trang 1 – 4) - Tổng quan tài liệu: 21 trang (trang 5 – 25). - Đối tượng, nội dung và phương pháp: 9 trang (trang 26 – 34). - Kết quả nghiên cứu và thảo luận: 73 trang (trang 35 – 107). - Kết luận và kiến nghị: 02 trang (trang 108 – 109).
TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU SINH HỌC SINH SẢN HỮU TÍNH Ở THỰC VẬT VÀ Ở NHÃN 1. Tình hình nghiên cứu sinh học sinh sản hữu tính ở thực vật 1. Trên thế giới Pha sinh sản trong vòng đời của thực vật rất có ý nghĩa và đặc biệt quan trọng cho đa dạng và tiến hoá của thực vật, từ dạng sống và cấu trúc đơn giản cho đến phức tạp [89]. Mặc dù thực vật sinh sản cả hữu tính và vô tính nhưng sinh sản hữu tính tạo ra sự tái tổ hợp cho phép các loài thích nghi với sự thay đổi môi trường sống.
Từ cuối thế kỷ (TK) 17 những công trình sơ khai như của Grew vào năm 1682 và Camerarius vào năm 1694 đã phát hiện ra rằng hoa chính là cơ quan sinh sản hữu tính của thực vật hạt kín [61, 167]. Tuy nhiên, những nghiên cứu được cho là tiên phong trong lĩnh vực này phải kể đến công trình của Kölreuter và của Sprengel vào cuối TK 18 [164, 166]. Những công trình này đã cung cấp các thông tin khá chi tiết về quá trình sinh sản của thực vật mà quan trọng là thụ tinh thông qua thụ phấn. Sprengel đã mô tả sự thích nghi của hoa ở rất nhiều loài thực vật và kết luận rằng đó là những đặc điểm nhằm thu hút côn trùng thụ phấn.
Goethe năm 1790 cũng phát hiện ra vai trò quan trọng của hoa trong quá trình sinh sản nhưng với quan điểm "all is leaf" của mình, tác giả cho rằng hoa chỉ là một loại lá đặc biệt [163]. Cho đến đầu TK 19 các nhà tự nhiên học đã tiến thêm bước phát triển nữa mang tính đột phá trong lĩnh vực nghiên cứu này khi phát hiện ra ống phấn và khả năng có thể thụ tinh cho trứng của ống phấn [30, 159]. Cùng với những phát hiện ở thực vật có hoa, sinh sản hữu tính cũng được biết đến rất sớm ở Vi tảo bởi phát hiện của nhà tự nhiên học Vaucher trên một loại Vi tảo Spirogyra vào năm 1803 [162]. Rõ ràng đây là một công trình nghiên cứu rất có ý nghĩa khoa học bởi vì Vi tảo bao gồm những loài có 6 kích thước rất nhỏ.
Khác với những loài thực vật có hoa có kích thước lớn có thể quan sát dễ dàng bằng mắt thường thì Vi tảo chỉ có thể quan sát dưới kính hiển vi. Vì vậy việc phát hiện ra khả năng sinh sản hữu tính ở Vi tảo bởi Vaucher đã đánh dấu một mốc quan trọng trong lịch sử nghiên cứu sinh học sinh sản ở thực vật. Đó cũng là cơ sở khoa học tạo điều kiện thuận lợi cho những nghiên cứu sau này phát triển mạnh. Mặt khác, ngành Hạt trần bao gồm chủ yếu là những loài cây gỗ lớn nhưng việc phát hiện ra sinh sản hữu tính ở nhóm này lại muộn hơn so với ở Vi tảo đến hàng trăm năm.
Lyon vào năm 1904 đã giới thiệu về quá trình phát triển của phôi ở Bạch quả ở mức độ cơ bản nhưng có thể được coi là nghiên cứu đầu tiên về sinh sản hữu tính ở Hạt trần [106]. Một thời gian dài sau đó những nghiên cứu chuyên sâu hơn về quá trình thụ phấn và thụ tinh ở Bạch quả cũng như một số loài khác trong ngành này mới thực sự mô tả rõ nét các đặc điểm sinh học sinh sản của chúng. So với những phát hiện khá sớm về sinh sản hữu tính ở các nhóm ngành thực vật có hoa, Vi tảo và Hạt trần kể trên thì sự phát hiện này lại khá muộn ở Dương xỉ, Vi khuNn và Rêu. Đa phần những nghiên cứu này tập trung vào cuối TK 20, đây là thời kỳ khoa học công nghệ phát triển mạnh.
Trong đó đặc biệt chú ý đến những phát hiện về quá trình sinh sản hữu tính ở Dương xỉ bởi Bell và cộng sự vào năm 1971 [34]. Mặc dù Rêu có sự đa dạng rất cao về thành phần loài và dạng sống cũng như trong lĩnh vực sinh sản. Những thông tin rất giá trị về vòng đời của chúng cũng đã được đưa ra từ những năm cuối TK 19 bởi Gayat [160]. Nhưng phải đến gần đây, tận cuối TK 20 vấn đề sinh sản của rêu mới thu hút được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu và từ đó nhiều công trình khoa học mới được công bố.
Trong số đó, đáng chú ý là nghiên cứu về sinh sản hữu tính ở Rêu của Allen và Magill vào năm 1987 [29]. 7 Với sự hỗ trợ của công nghệ hiện đại ngày nay, nghiên cứu về sinh học sinh sản thực vật đã dễ dàng tiếp cận hơn rất nhiều. Đây là lĩnh vực yêu cầu những thiết bị có khả năng quan sát được những vật siêu nhỏ như kính hiển vi huỳnh quang, kính hiển vi điện tử quét, máy siêu vi phẫu. Với những lợi thế đó, số lượng những công bố khoa học về sinh sản thực vật tăng cao trong các năm gần đây đặc biệt là ở những loài thực vật có hoa.
Những nghiên cứu đó bao gồm các so sánh giữa các họ thực vật khác nhau đã chứng minh sự tương đồng của phôi trong thực vật hạt kín và sự tồn tại của cơ chế bảo tồn trong quá trình tiến hóa như trong trường hợp của pha tiền thụ tinh mà vẫn không thay đổi so với nguồn gốc của thực vật hạt kín [57, 96, 107, 150]. Mô tả tóm tắt quá trình sinh sản hữu tính ở thực vật có hoa được minh hoạ ở Hình 1.1 và phần diễn giải dưới đây sẽ chọn lọc những tài liệu quan trọng liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu này. Sinh sản hữu tính cần thiết có sự kết hợp và tương tác thành công giữa hai cơ quan sinh sản của hoa đó là phấn và nhuỵ hoa. Quá trình cơ bản của sinh sản hữu tính đó là sự kết hợp phân bào giảm nhiễm và nguyên nhiễm.
Các kết quả ban đầu được tạo ra là sự sắp xếp lại các gen và giảm số lượng các nhiễm sắc thể và sau đó là sự trả lại số lượng nhiễm sắc thể lưỡng bội gốc. Trong giai đoạn phân bào giảm nhiễm những gen kết hợp mới có thể được tạo hình và những giao tử kết hợp của nhiễm sắc thể có thể được thiết lập [43]. Cả phấn và nhuỵ hoa đều có những đặc điểm cấu trúc đặc trưng và cách phát triển riêng biệt. Ở cơ quan sinh sản đực, mỗi bao phấn thường có bốn túi phấn, trong đó có nhiều tế bào mẹ.
Mỗi tế bào mẹ trải qua sự phân bào giảm nhiễm sinh ra bốn tiểu bào tử đơn bội. Mỗi tiểu bào tử phân chia một hoặc hai lần tạo ra hai nhân đơn bội gồm một nhân sinh dưỡng và một nhân sinh dục [44]. Những tế bào này phát triển thành những hạt phấn. Minh hoạ sinh sản hữu tính ở thực vật có hoa Ở cơ quan sinh sản cái nhuỵ hoa gồm bầu, vòi và đầu nhuỵ.
Bầu chứa một hay nhiều noãn, mỗi noãn có chứa một tế bào mẹ. Tế bào này giảm phân tạo ra bốn đại bào tử đơn bội, chỉ có một bào tử phát triển thành giao tử cái. 9 Túi phôi trưởng thành thường bao gồm 7 tế bào: tế bào trứng, 2 tế bào hai bên gọi là 2 trợ bào, tế bào trung tâm và 3 tế bào đối cực [44]. Khi hạt phấn trưởng thành và bao phấn nứt ra, chúng được mang đến đầu nhuỵ, quá trình này gọi là thụ phấn.
Trong suốt quá trình này các sự kiện diễn ra liên tục như hạt phấn nảy mầm, ống phấn phát triển trong vòi nhuỵ và thâm nhập vào noãn [48, 73, 97, 111, 126, 150]. Đầu tiên khi những hạt phấn tiếp xúc với đầu nhuỵ chúng sẽ được cảm nhận bởi các tế bào ở đây [82]. Lúc này nếu đầu nhuỵ đã trưởng thành và sẵn sàng tiếp nhận thì chúng sẽ tiết ra dịch, tạo áp suất. Tiếp đó là quá trình hyđrat hoá diễn ra ở hạt phấn và chúng bắt đầu nảy mầm [102].
Cấu trúc nhuỵ tuỳ thuộc vào từng loài, nếu là nhuỵ rỗng thì đầu nhuỵ được phủ một lớp biểu bì, nếu nhuỵ đặc hoặc hơi cứng thì đầu nhuỵ sẽ được bao phủ bởi lớp nhú và tiết dịch dẫn truyền [51, 82]. Ống phấn sẽ đi xuyên qua các lớp này ở đầu nhuỵ để vào bên trong vòi nhuỵ thông qua tín hiệu là các enzym được tiết ra từ hạt phấn [60]. Hai nhân trong hạt phấn đi vào trong ống phấn: một nhân sinh dưỡng điều khiển sự mọc dài của ống phấn, nhân còn lại phân chia tạo ra hai giao tử đực [112]. Hai tinh tử này sẽ thực hiện quá trình thụ tinh kép sau đó.
Sự phân chia này đôi khi cũng diễn ra trước khi hạt phấn chuNn bị nảy mầm [36]. Trong quá trình ống phấn phát triển bên trong vòi nhuỵ thì chúng có kiểu hoạt động dị dưỡng bằng cách tiết ra enzym làm tiêu hóa các tế bào của vòi để cung cấp chất dinh dưỡng cần thiết cho hoạt động của mình [78]. Ở hầu hết các loài, đều có sự cạnh tranh giữa các ống phấn, thể hiện qua số lượng ống phấn và tốc độ sinh trưởng của chúng [83, 131]. Khi ống phấn đã tiếp cận được đến gốc của vòi nhuỵ, chúng phải trải qua một loạt các cấu trúc để đến được noãn.
Hầu hết ở các loài thì ống phấn thâm nhập vào noãn theo cách thông thường là qua lỗ noãn, nhưng cũng có nhiều loài như trong bộ Bồ hòn hoặc bộ Dẻ ống phấn lại đi qua hợp điểm [31, 33, 105, 108]. 10 Cả quá trình từ khi hạt phấn tiếp xúc đầu nhuỵ đến khi ống phấn thâm nhập vào trong noãn gọi là pha tiền thụ tinh [48, 97]. Giai đoạn này đã được chứng minh đóng vai trò chính trong việc hình thành quả ở hầu hết các loài cây ăn quả chẳng hạn như Mơ, Anh đào ngọt, Táo hoặc Na tây [69, 101, 103, 125]. Khi ống phấn đã vào trong noãn thì sau đó diễn ra quá trình thụ tinh kép và xảy ra sự tương tác mạnh mẽ giữa các giao tử đực và giao tử cái [81].
Đầu tiên phần đầu của ống phấn sẽ phóng thích hai tinh tử vào túi phôi. Tiếp theo một tinh tử sẽ thụ tinh với trứng tạo thành hợp tử lưỡng bội. Hợp tử này phân chia rất nhanh và phát triển thành phôi.