Đặt vấn đề Hiện nay, các nhà khoa học đã nghiên cứu được rất nhiều cách để kích thích hạt nảy mầm nhanh như sử dụng từ trường [1], xử lý siêu âm [2] và sử dụng ô-zôn, tia UV hay plasma nguội hay nước hoạt hóa plasma (Plasma activated water – PAW) [3]. Ở mỗi phương pháp đều có các ưu, nhược điểm khác nhau. Tuy nhiên, nước hoạt hóa plasma (PAW) có nhiều ưu điểm hơn như thân thiện với môi trường, thời gian xử lí ngắn, tiết kiệm năng lượng, không gây hại cho hạt, thực vật cũng như sức khỏe con người. Chính vì thế mà trong những năm gần đây việc áp dụng PAW trong nông nghiệp, cụ thể là kích thích nảy mầm vầ tăng trưởng đang trở thành xu hướng nghiên cứu mới của các nhà khoa học trên thể giới.
Mặt khác, hiệu quả kích thích nảy mầm và tăng trưởng thực vật của PAW phụ thuộc vào thành phần và nồng độ các chất có trong PAW, vì thế việc nghiên cứu chế tạo PAW để ứng dụng trong tăng trưởng thực vật là một hướng nghiên cứu theo kịp xu hướng thế giới. Xà lách xoăn (Lactuca capitata) được chọn đối tượng nghiên cứu vì đây là loại thực vật có: độ nhạy của hạt giống cao, tốc độ mầm nhanh, sự tăng trưởng tuyến tính, không nhạy cảm với sự khác biệt pH trong phạm vi rộng [4]. Ngoài ra, xà lách xoăn còn là một loại rau ăn sống có giá trị kinh tế cao. Chính vì những luận điểm trên mà đề tài “Nghiên cứu tạo nước hoạt hoá plasma và ứng dụng nâng cao tỷ lệ nảy mầm hạt và tăng trưởng của xà lách xoăn (Lactuca capitata)” hứa hẹn sẽ có hiệu quả kinh tế mà vẫn đảm bảo an toàn cho cây trồng, con người, vật nuôi, môi trường và có thể áp dụng vào thực tiễn với quy mô lớn.
Mục tiêu đề tài Tối ưu hóa điều kiện chế tạo nước hoạt hóa plasma và đánh giá hoạt tính của nước hoạt hóa plasma đối với sự nâng cao tỷ lệ nảy mầm hạt và tăng trưởng trong giai đoạn sớm của xà lách xoăn (Lactuca capitata). Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Nước hoạt hóa plasma 2 Phạm vi nghiên cứu: Các mẫu nước plasma chế tạo bằng phương pháp plasma nguội tại phòng thí nghiệm về Plasma nông nghiệp thuộc phòng Kỹ thuật Vật lý - Viện Khoa học Vật liệu Ứng dụng 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài Ý nghĩa khoa học: Xác định được vai trò của nước hoạt hóa plasma đối với sự nảy mầm và tăng trưởng xà lách xoăn (Lactuca capitata). Ý nghĩa thực tiễn: Tìm ra một kỹ thuật mới để ứng dụng kích thích nảy mầm và tăng trưởng các giống thực vật có hạt khó nảy mầm.
TỔNG QUAN VỀ XÀ LÁCH XOĂN VÀ SỰ NẢY MẦM VÀ TĂNG TRƯỞNG HẠT 1. Xà lách xoăn Xà lách xoăn (Lactuca savita var capitata L.) thuộc họ hoa cúc, loài Lactuca, có loài mang 8 hoặc 9 cặp nhiễm sắc thể, có loài mang 17 cặp nhiễm sắc thể, tên khoa học là Lactuca sativa, thực vật bậc cao, lớp 2 lá mầm, có loài là cây 1 năm, có loài là cây 2 năm. Xà lách là thực vật thượng đẳng có đơn vị phân loại như sau: Ngành hạt kín : Angiospermatophyta Lớp hai lá mầm : Dicotyledoneae Bộ cúc : Alerales Họ cúc : Compositae Chi : Lactuca Giống xà lách : Lactuca sativa L Đặc điểm thực vật Rễ: rễ xà lách thuộc loại rễ chùm, phân bố chủ yếu ở tầng đất 0 – 20cm. Tuy nhiên bộ rễ có thể nhìn rõ thấy 2 phần: rễ chính là rễ thẳng phát triển làm nhiệm vụ giữ cây, bám vào đất chắc hơn, ngoài ra còn làm nhiệm vụ hút nước và dinh dưỡng cho cây.
Từ rễ chính mọc ra rất nhiều rễ phụ để hỗ trợ cây bám đất, hút nước và khoáng chất [5]. Thân: thuộc loại thân thảo, mềm, rất ngắn, không phân nhánh, phát sinh các lá mọc sít nhau. Thân là nơi kết nối bộ rễ và lá, vận chuyển chất khoáng, chất hữu cơ do bộ rễ hút lên đến lá tổng hợp nuôi cây [5]. Lá: lá cây mọc dày lên trên trục thân với số lượng lá rất lớn, lá sắp xếp theo hình xoắn ốc, lúc đầu mật độ lá rất dày, giai đoạn sau thưa dần.
Lá ngoài có màu xanh đậm, xanh hoặc xanh nhạt; Lá trong có màu xanh nhạt, xanh trắng 4 hoặc trắng ngà. Các lá phía trong mềm, chứa nhiều chất dinh dưỡng hơn các lá phía ngoài. Bề mặt lá lồi lõm, gấp khúc [5]. Hoa: Chùm hoa dạng đầu, chứa số lượng lớn các hoa nhỏ kết chặt với nhau trên một đế hoa.
Hoa có 5 đài, 5 nhị cái và 2 lá noãn, hoa tự thụ, hạt phấn và lá noãn có độ hữu thụ cao. Hoa nở từ lúc có ánh sáng mặt trời đến trưa, thụ phấn tốt nhất lúc 9- 10 giờ sáng [5]. Quả: Loại quả bế, hạt không có nội nhũ [5]. Hình ảnh minh họa hình dáng rễ (s), thân (b), lá (c) và hoa (d) của xà lách xoăn Thành phần hóa học: Thành phần hóa học của xà lách xoăn (Lactuca capitata): trong 100 gam (g) lá của cây bao gồm 96% nước, 1,4 g protein, 2,9 g carbohydrate, 1,3 g chất xơ, 0,2 g chất béo và 1,2 g tro.
Xà lách xoăn chứa hầu hết các loại vitamin và đặc biệt giàu vitamin A, C, K, niacin và folate và nhiều khoáng chất như canxi, sắt, phốt pho, natri và kali (Cơ sở dữ liệu dinh dưỡng USDA, 2016). Số liệu về thành phần hóa học của xà lách xoăn được thể hiện trong bảng 2. 5 Bảng 1: Giá trị dinh dưỡng trong 100g xà lách xoăn Thành phần Lượng Đơn vị Thành phần Lượng Đơn vị Calo(kcal) 14 K.405 IU Cholesterol 0 mg Canxi 36 mg Natri 28 mg Vitamin D 0 IU Kali 194 mg Vitamin C 0 mg Cacbohydrat 2.1 mg Đường thực phẩm 0.8 g Magie 13 mg Nguồn: Từ USDA (U.S Department of Agriculture) Dược tính Chống oxy hóa: Hoạt tính chống oxy hóa của xà lách xoăn đã được kiểm chứng trong cả điều kiện in vitro và in vivo. Trong điều kiện in vitro cho thấy hoạt tính chống lại gốc tự do DPPH với tỷ lệ phần trăm ức chế 40–80% ở nồng độ dịch chiết xà lách xoăn khác nhau [6,7]; hoạt động chống oxy hóa của chiết xuất của cây chống lại quá trình peroxy hóa axit linoleic [8] và ức chế tổn thương oxy hóa do bức xạ UV gây ra ở Salmonella typhi [18].
Với in vivo trên mô hình chuột thì chiết xuất methanol của lá làm tăng mức độ biểu hiện hai enzym chống oxy hóa, catalase và superoxide dismutase (SOD) trong máu và não của chuột bạch tạng đực và làm giảm sự hình thành malondialdehyde (MDA) trong máu và não của chuột [9]. Kháng khuẩn, kháng nấm, kháng vi-rút: Chiết xuất methanol của xà lách xoăn có khả năng kháng các loại khuẩn như S. aureus, Streptococcus pyogenes, B. Các hợp chất xà lách xoăn có hoạt tính làm thay đổi thành phần tế bào chất của nấm men, và gây tổn thương đến thành tế bào của chúng.
Các hoạt động kháng vi-rút của chiết xuất L. capitata cũng chứng minh trên vi-rút cytomegalovirus ở người [10]. 6 Chống ung thư: chiết xuất xà lách xoăn ức chế sự phát triển của tế bào bệnh bạch cầu HL-60 và tế bào ung thư vú MCF-7 bằng cách kích hoạt kinase điểm kiểm tra 2, tạo ra chất ức chế khối u p21 và điều hòa giảm proto-oncogene cyclin D1; ức chế sự chết của tế bào HL-60 bằng cách acetyl hóa alpha-tubulin [11]. Xà lách xoăn còn có một số hoạt tính sinh học khác như: giảm đau và chống viêm của L.
sativa [12,13]; Chống đông máu mạnh ngang với aspirin [12]; Chống độc của chúng [14],… Ngoài ra, xà lách xoăn còn là loại rau sạch có thể ăn sống quan trọng và phổ biến. Xà lách xoăn thường thường được sử dụng trong các món ăn như salat, bánh mì kẹp, hăm-bơ-gơ,… 1. Sự nảy mầm hạt 1. Nguyên lý của sự nảy mầm hạt Hạt là sản phẩm hình thành sau sự thụ tinh kép, gồm các thành phần: Phôi; Chất dinh dưỡng dự trữ; Vỏ hạt: phát triển từ vỏ của noãn Sự nảy mầm của hạt có thể xem là bắt đầu của quá trình sinh trưởng, phát triển của cây.
Từ hạt đang ngủ nghỉ chuyển sang trạng thái nảy mầm là cả một quá trình biến đổi sâu sắc và nhanh chóng về hoá sinh và sinh lí xảy ra trong hạt. Sự biến đổi hóa sinh Đặc trưng nhất của các biến đổi hóa sinh trong khi nảy mầm là sự tăng đột ngột hoạt động thủy phân xảy ra trong hạt. Các hợp chất dự trữ dưới dạng các polymer như tinh bột, protein, lipit… bị phân giải thành các chất monomer như các đường đơn, axit amin, axit béo,… phục vụ cho sự nảy mầm. Chính vì vậy mà các enzym thủy phân được hoạt hóa rất nhanh.
Mức độ hoạt hóa của các enzym thủy phân trong hạt phụ thuộc vào tính chất đặc trưng và thành phần hóa học của hạt. Với các loại hạt dự trữ chủ yếu là tinh bột, hoạt tính của enzym α-amylase được tăng lên nhanh khi hạt phát động sinh trưởng. Lúc này tinh bột bị thủy 7 phân thành đường làm nguyên liệu cho hô hấp và tăng áp suất thẩm thấu trong hạt. Các hạt có thành phần dữ trữ chủ yếu là protein như hạt đậu đỗ thì hoạt tính của enzym protease tăng lên mạnh mẽ hơn các enzym khác.
Protein sẽ bị phân hủy thành các axit amin, rồi các axit amin này được sử dụng để tổng hợp các protein thứ cấp cấu tạo nên chất nguyên sinh của mầm non đang sinh trưởng. Với các hạt nảy mầm trong tối thì axit amin có thể kết hợp với NH3 để tạo nên các amit (asparagine, glutamin). Với các hạt chứa nhiều lipit như hạt lạc, vừng, hướng dương, cọ dầu …thì có hoạt tính của lipase là ưu thế. Lipit được phân hủy thành các axit béo phục vụ cho việc khai thác năng lượng và xây dựng tế bào của cây con.
Sự tăng hoạt tính của các enzym thủy phân có lẽ chủ yếu do các enzym này được tổng hợp mới trong lớp tế bào aleuron của hạt và cũng có thể hoạt hóa các enzym đã có sẵn. Sau giai đoạn nảy mầm, cây cối xuất hiện thì hoạt động tổng hợp các chất mới cấu tạo nên tế bào mới xảy ra mạnh mẽ. Đó là sự tổng hợp protein, axit nucleic, phospholipid, pectin, xenlulose… Sự biến đổi sinh lý Hô hấp: Biến đổi sinh lý là đặc trưng nhất trong quá trình nảy mầm hô hấp. Ngay sau khi hạt hút nước thì hoạt tính của enzym hố hấp tăng lên mạnh, làm cường độ hô hấp của hạt tăng lên rất nhanh [15].
Hô hấp đã giúp các cây có đủ năng lượng và các nguyên liệu cần thiết cho sự nảy mầm.