Chương 1 - TỔNG QUAN 1. Tổng quan về các chất tăng trưởng thực vật 1. Khái quát về một số chất tăng trưởng thực vật Chất kích thích tăng trưởng là một trong hai nhóm chất điều hòa tăng trưởng thực vật. Các chất kích thích tăng trưởng thực vật bao gồm 3 nhóm: Auxins, Cytokinins và Gibberellins.
Chúng hoạt động làm thay đổi các quá trình sinh trưởng của cây (kích thích rễ, kéo dài thân, ngọn, làm nhanh sự hình thành lá, hoa và quả). Hiện nay, các nhóm chất kích thích tăng trưởng thực vật đang được sử dụng ở dạng tự nhiên và tổng hợp. Nhóm Auxin Auxins là nhóm chất kích thích tăng trưởng được phát hiện đầu tiên. Ngay từ những năm 1920, vai trò của Auxins đối với sự phát triển của thực vật đã được nghiên cứu và trình bày bởi nhà sinh học người Hà Lan Frits Warmolt Went.
Auxins trong tiếng Hy Lạp có nghĩa là sinh trưởng. Về cấu trúc, Auxins là các hợp chất dẫn xuất của tryptophan, có cấu trúc nhân indol. Ngày nay, Auxins được biết đến là chất kích thích tăng trưởng thực vật có ảnh hưởng lớn đến các quá trình sinh trưởng và phát triển của tế bào. Vì vậy, Auxins được sử dụng rộng rãi trong nông nghiệp với các chức năng: kích thích dãn tế bào (kéo dài, phình to); điều chỉnh tính hướng của cây (hướng quang, hướng địa, hướng hoá, hướng thuỷ); điều chỉnh hiện tượng ưu thế ngọn (ngăn chặn sự phát triển của chồi bên); điều chỉnh sự hình thành rễ (nồng độ thấp kích thích sinh trưởng rễ, nồng độ cao ức chế sinh trưởng rễ); tạo quả không hạt; kìm hãm hoặc thúc đẩy sự rụng lá, hoa và quả; tăng tỷ lệ đậu quả và kéo dài thời gian chín của quả.
Sự vận chuyển của Auxins trong cây có tính chất phân cực rất nghiêm ngặt theo hướng gốc. Chính vì vậy càng xa đỉnh ngọn, hàm lượng auxin càng giảm dần. Ngoài đỉnh ngọn, Auxins còn được tổng hợp ở các cơ quan còn non khác như lá non, quả non, phôi hạt đang sinh trưởng, mô phân sinh tầng phát sinh. Quá trình tổng hợp Auxins xảy ra thường xuyên và mạnh mẽ ở trong cây dưới xúc tác của các enzyme đặc hiệu.
Auxins tự nhiên 3 Trong tự nhiên, Auxins được tổng hợp ở tất cả các thực vật bậc cao, tảo, nấm và vi khuẩn. Một số Auxins tự nhiên được sử dụng phổ biến bao gồm: Indole-3-acetic acid (IAA), Indole-3-butyric acid (IBA), 4-chloro-indole-3-acetic acid (4-Cl-IAA), Phenyl acetic acid (PAA)… Auxins tổng hợp Auxins được tổng hợp thường không ở dạng tự do, mà liên kết với một acid amin (acid aspartic ở Pisum, acid glutamic ở cây cà chua), hay glucid (AIA-glucoz, AIA-thioglucosid, AIA-inositol). Các dạng liên kết này không có hoạt tính Auxins nhưng dễ dàng phóng thích Auxins theo con đường enzym (bởi sự thuỷ phân trong môi trường), là các dạng dự trữ và vận chuyển của Auxins. Chúng không bị phá huỷ bởi AIA-oxidase.
Một số Auxin tổng hợp và vai trò của chúng đối với sự sinh trưởng của thực vật được đưa ra tại Bảng 1.1: Công thức cấu tạo, công dụng của một số Auxin tổng hợp Các loại Công thức thực vật STT Chất Công dụng cấu tạo thường sử dụng - Làm tăng sự hình thành bó sợi cellulose ở thực vật (sử dụng kết hợp với gibberellic Táo, oliu, 1-Naphthaleneacetic acid). 1 cam, khoai acid (1-NAA) - Kích thích sự hình tây,… thành rễ. - Chống rụng trái sớm và thưa trái. 4 Các loại Công thức thực vật STT Chất Công dụng cấu tạo thường sử dụng β-Naphthyloxyacetic Kích thích sự phát 2 Các loại cây acid (2-NOA) triển tế bào Ức chế nảy mầm, kéo Các loại củ Methyl dài thời gian ngủ (khoai tây, 3 khoai lang, 1-naphthaleneacetate cà rốt.) 2,4,5- Cảm ứng tạo mô sẹo 4 Trichlorophenoxyac và sự phát sinh của cây Các loại cây etic acid (2,4,5-T) một lá mầm Cảm ứng tạo mô sẹo 2,4- và huyền phù tế bào 5 Dichlorophenoxyace Các loại cây (kết hợp với tic acid (2,4-D) cytokinins) 4-Amino-3,5,6- Cảm ứng và duy trì mô Các cây lá 6 trichloropicolinic sẹo hoặc huyền phù tế rộng acid (Picloram) bào.
5 Các loại Công thức thực vật STT Chất Công dụng cấu tạo thường sử dụng 2-Methyl-4-chloro Kiểm soát sự phát triển Các cây lá 7 henoxyacetic acid của cỏ dại lá rộng. rộng (MCPA) - Giảm tỷ lệ rụng trái Các loại non, tăng đậu quả. cây ăn trái 4- - Tăng năng suất cây (dưa hấu, cà trồng. chua, cà tím, 8 Chlorophenoxyaceti ớt, bơ, quả c acid (4-CPA) - Tăng trổ bông (lúa).
có múi, nho, - Đồng đều quả (nho). Nhóm Cytokinins Cytokinins là nhóm kích thích tăng trưởng có chức năng kích thích sự phân chia tế bào của thực vật. Hiện nay, Cytokinins gồm hai loại là tự nhiên và nhân tạo [11, 59]. Về cấu trúc hóa học, Cytokinins gồm hai nhóm chất có công thức cấu tạo khác nhau.
Nhóm purine là những dẫn chất thế của adenine tại vị trí N6 (Kinetin, 6-BA…). Nhóm phenylurea được tìm ra sau này gồm có 1,3-diphenylurea, Forchlofenuron (CPP), Thidiazuron (TDZ)… Ở mức độ phân tử, Cytokinins ảnh hưởng lên hoạt động của tế bào thông qua việc thúc đẩy sự tổng hợp một số RNA qua đó tác động lên quá trình tổng hợp protein, hoạt hóa enzym. Ở mức độ tế bào, Cytokinins kích thích sự lớn lên và phân chia của tế bào, hoạt hóa hoặc ức chế một số giai đoạn quan trọng trong chu kì tế bào làm cho Cytokinins có những tác dụng lên mô cơ quan thực vật như: kích thích phát sinh chồi, ra hoa, phá bỏ trạng thái ngủ của hạt, kích thích mọc mầm, tăng kích thước quả, ức chế hình thành và phát triển rễ, làm chậm quá trình già hóa của lá và quả,…. Vì vậy, sử dụng Cytokinins, đặc biệt là loại tổng hợp để kích thích cây ra lá, hoa, tăng sản lượng 6 quả thu hoạch, ngâm bảo quản rau quả cho tác dụng rất mạnh.
Đặc biệt trong việc trồng giá đỗ, với mục đích làm giảm thời gian ngâm hạt và ủ mầm, tăng kích thước tạo ra cọng giá trắng, mập cọng, giảm thiểu ra rễ. Qúa trình hấp thu Cytokinins diễn ra rất nhanh ở hầu hết các loại mô thực vật, trong đó có hạt đậu xanh dùng làm giá đỗ, tốc độ và mức độ hấp thu cao nhất trong vòng 30 phút đến 1 giờ sau khi được sử dụng. Tốc độ chuyển hóa Cytokinins phụ thuộc vào enzym chuyển hóa trong tế bào mô và dạng tồn tại có hoạt tính của Cytokinins. Đối với các tế bào mô thuộc họ đậu, enzym chuyển hóa Cytokinins là cytokinine oxidase.
Chúng chuyển hóa các Cytokinins tự nhiên thành adenine, còn Cytokinins tổng hợp không phải là cơ chất của enzym này nên không chịu tác động trên [4]. Cytokinins tự nhiên Các chất Cytokinin tự nhiên có ở trong tất cả các loại thực vật khác nhau và là một nhóm phytohormone quan trọng ở trong cây. Một số Cytokinin phổ biến bao gồm: Kinetin (KIN), Zeatin (ZEA), 1,3-diphenylurea (DPU), 6-(3-methyl-2-butenyl) aminopurine (2-iP), Adenine (ADE), 3-Benzyladenine (3-BA), Dihydrozeatin Riboside,. Cytokinin tổng hợp Một số hợp chất tổng hợp thuộc nhóm Cytokinin thường được sử dụng trong công tác nuôi cấy là: - Kinetin: 6-furfurylaminopurine hoặc N-(2-furanylmethyl)-1H-purine-6- amine - BAP (BA): 6-benzylaminopurine hoặc benzyladenine.
- TDZ: 1-phenyl-3-(1,2,3 thiadiazol-5-yl) Một số Cytokinin tổng hợp và vai trò của chúng đối với sự sinh trưởng của thực vật được đưa ra tại Bảng 1.2: Công thức cấu tạo, công dụng của một số Cytokinin tổng hợp S Bộ phận/loại Chất Công thức cấu tạo Công dụng TT cây tìm thấy 6-Benzylaminopurine 1 1 (6-BAP) Kích thích phát sinh chồi, ra hoa, phá bỏ trạng thái ngủ của hạt, kích thích mọc mầm, Forchlorfenuron 2 tăng kích thước Các loại cây 2 (CPPU) quả, ức chế hình thành và phát triển rễ, làm chậm quá trình già hóa của lá và Thidiazuron 3 quả,… (TDZ) 3 1. Độc tính của một số chất tăng trưởng thực vật Hiện nay, việc sử dụng bừa bãi chất kích thích tăng trưởng đặc biệt là loại tổng hợp sẽ làm cho các sản phẩm nông nghiệp chứa dư lượng chất kích thích, gây ảnh hưởng xấu tới sức khỏe con người và các loài sinh vật. Nhóm Auxin Độc tố cấp tính Theo Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ, độc tính của 2,4-D phụ thuộc vào các dạng hóa học của nó, bao gồm muối, este và dạng acid. 2,4-D thường có độc tính thấp đối với con người, ngoại trừ một số acid và muối nhất định có thể gây kích ứng 8 mắt.
Kể từ năm 2005, liều gây chết trung bình hoặc LD50 được xác định ở chuột nhiễm độc cấp tính nghiên cứu là 639 mg/kg. Nguy cơ gây ung thư Trong một báo cáo trước năm 1987, Cơ quan Nghiên cứu Ung thư Thế giới (IARC) đã phân loại một số Auxin bao gồm 2,4-D, MCPA, 2,4,5-T là các tác nhân gây ung thứ nhóm 2B – “có khả thăng gây ung thư cho người”. Trong khi đó, Cơ quan Bảo vệ môi trường Hoa Kỳ (EPA) không xếp chúng vào nhóm này. Cho đến tháng 6 năm 2015, IARC một lần nữa xác nhận 2,4-D là một tác nhân có thể gây ung thư.
Tuy nhiên, tháng 8 năm 2007, EPA đã đưa ra phán quyết rằng những dữ liệu hiện có không phản ánh bất cứ mối liên hệ nào giữa ung thư ở người và sự phơi nhiễm 2,4-D. Chất gây ô nhiễm Tháng 7 năm 2013, một nghiên cứu trên tạp chí Four Corners chỉ rằng nồng độ dioxin tăng cao trong phiên bản chung của 2,4-D, một trong những loại thuốc diệt cỏ được sử dụng rộng rãi nhất ở Úc. Một nhà khoa học đã cho biết sản phẩm được thử nghiệm bởi Four Corners, được nhập khẩu từ Trung Quốc, có "một trong những chỉ số dioxin cao nhất đối với 2,4-D trong 10 đến 20 năm qua và có thể gây ra những rủi ro sức khỏe tiềm ẩn [11]. Nhóm Cytokinin Trong nông nghiệp, phơi nhiễm Cytokinins cũng gây độc cũng tương tự như hóa chất bảo vệ thực vật.
Các báo cáo của Cục Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (US EPA- United States Environmental Protection Agency) công bố về độc tính cấp của Cytokinins thường là gây ngộ độc khi nuốt phải, kích ứng da và mắt ở mức độ vừa, đặc biệt gây kích ứng hô hấp và tăng nguy cơ viêm phổi ở những người hay tiếp xúc với thuốc. Ngoài ra, nhiễm độc mãn tính gây ra bởi việc tiếp nhận hàng ngày thực phẩm có tồn dư Cytokinins cũng gia tăng các nguy cơ về sức khỏe. Nguy cơ vô sinh Các nghiên cứu thực hiện trên chuột đã chỉ ra phơi nhiễm lâu ngày (180 ngày) các loại Cytokinins như CPPU, TDZ gây teo tinh hoàn, biến dị ống dẫn mào tinh ở chuột đực, ức chế sự sống trên các tế bào tử cung, buồng trứng, gây rối loạn điều hòa sản xuất các hormon sinh dục nữ như progesteron, estradiol là bằng chứng cho thấy Cytokinins có thể gây ra nguy cơ vô sinh cho cả người và động vật [13].