Bài giảng Các chất điều hoà sinh trưởng

T­ liÖu tham kh¶o Các chất điều hoà sinh trưởng Nội dung Giới thiệu chung Các chất kích thích sinh trưởng Auxin Gibberellin Xitokinin Các chất ức chế sinh trưởng Axit absxixic Etilen Ứng dụng thực tiễn của các chất sinh trưởng thực vật Giới thiệu chung Chất điều hoà sinh trưởng gồm có các phytohormone và các chất điều chỉnh sinh trưởng tổng hợp nhân tạo. Phytohormone là các chất hoá học được thực vật tổng hợp với một lượng rất nhỏ ở các bộ phận, cơ quan nhất định và được vận chuyển đến các cơ quan, bộ phận khác để điều hoà các quá trình sinh lý trong cây, đảm bảo mối quan hệ hài hoà giữa các cơ quan, bộ phận. Auxin Auxin - hormone kích thích thực vật sinh trưởng Auxin được định nghĩa là chất có hoạt tính sinh học giống với IAA: kích thích kéo dài các tế bào lá bao mầm và lát cắt thân cây tách rời. cùng với cytokinin kích thích sự phân chia của các tế bào mô sẹo (callus culture). kích thích hình thành rễ từ lá và thân cây tách rời. kích thích một số hiện tượng sinh trưởng và phát triển khác tượng tự như hoạt tính của IAA. Đặc tính chung về cấu tạo hoá học của auxin: khoảng cách từ phần tích điện (+) trên vòng thơm đến phần tích điện (-) của nhóm cacboxyl vào khoảng 0.5nm. IAA – indole 3-acetic acid là loại phytohormone được xác định đầu tiên. là loại auxin phổ biến nhất, được tổng hợp ở hầu hết các mô thực vật, và có hoạt tính mạnh; thêm vào đó, IAA có cấu trúc đơn giản nên nhanh chóng dùng làm khuôn để tổng hợp và ứng dụng rộng rãi (trong đó có các loại thuốc diệt cỏ). auxin tự nhiên - IAA auxin tổng hợp Sinh tổng hợp và vận chuyển Trong thực vật, auxin được tổng hợp từ mô phân sinh ngọn và vận chuyển không phụ thuộc trọng lực xuống gốc qua cơ chế khuếch tán trong tế bào. Lá non, quả non, phôi hạt đang sinh trưởng cũng tổng hợp auxin. Auxin còn được vận chuyển nhờ phloem. Tác dụng sinh lý và cơ chế tác dụng Cơ chế sinh trưởng axit: auxin hoạt hoá bơm H+ trên màng tế bào làm thành tb trở nên axit, hoạt hoá một số enzyme phụ thuộc pH phá vỡ liên kết trong các phân tử xellulo  các phân tử trượt lên nhau làm tăng kích thước tế bào. hoạt hoá gen: tổng hợp các loại protein, enzyme cần cho sự sinh trưởng của tế bào nói riêng và mô, cây nói chung. Năm 2005, loại protein TIR1 đã được chứng minh là thụ thể của auxin, sau khi gắn với auxin, các proteasome sẽ phân huỷ các nhân tố ức chế phiên mã một số gene nhất định. calci – calmodulin: liên quan đến tính thấm của màng tế bào với một số chất. Tác dụng sinh lý của auxin 1.Tính hướng động của cây: hướng quang, hướng địa tương tự, auxin được vận chuyển xuống phần ở thấp hơn và kích thích sinh trưởng vùng này. Một số thí nghiệm cho thấy cây có thể nhận biết được trọng lực để phân bố auxin auxin được vận chuyển đến bên không được chiếu sáng, kích thích sự kéo dài tế bào, phần được chiếu sáng sinh trưởng chậm hơn  cây hướng về phía có ánh sáng 2. Kìm hãm sự rụng lá, hoa, quả auxin kích thích tổng hợp etilen và chính chất này đã ức chế sự sinh trưởng của chồi bên 3. Gây hiện tượng ưu thế ngọn 4. Kích thích sự hình thành rễ 6. Trong phản xạ với thương tổn auxin có vai trò trong hình thành và tổ chức xylem và phloem. Khi bị thương, nó sẽ kích thích sự biệt hoá tế bào và tái sinh mô mạch 5. Sinh trưởng quả Chính auxin trong hạt đã kích thích bầu phát triển thành quả Gibberellin Từ lâu, nông dân châu Á đã biết đến bệnh lúa von (foolish seedling hay bakanae): thân sinh trưởng dài nhưng sản lượng thấp. Các nhà khoa học Nhật Bản sau đó đã phát hiện bệnh này thực chất do một loại chất hoá học có trong nấm bệnh kí sinh trên lúa gibberella fujikuroi gây ra. Chất này được đặt tên gibberellin (GA) theo tên loài nấm đó. Gibberellin - chất điều hoà phân chia tế bào thực vật Hiện đã xác định được 136 GA, chúng có cấu trúc hoá học khác nhau song có đều có bộ khung gibberellane GA được đặt tên theo thứ tự phát hiện: GA1, GA2,..., GAn, trong đó GA3 là loại được phân tích cấu trúc đầu tiên, đây cũng là loại GA có hoạt tính mạnh và được ứng dụng rộng rãi. Trao đổi gibberellin Tổng hợp : Các GA bản chất là các acid diterpene được tổng hợp bằng con đường terpenoid trong lạp bào, sau đó được biến đổi hoá học trong lưới nội chất và tế bào chất cho tới khi hoàn thiện cấu trúc để trở thành dạng hoạt động GA được tổng hợp Trong phôi đang sinh trưởng, lá non, rễ non, quả non; Chủ yếu trong lục lạp Vận chuyển không phân cực trong xylem và phloem hay giữa các tế bào cạnh nhau Có thể liên kết với đường (thường là glucose) trở thành dạng không hoạt động GA khá bền vững trong cây, ít bị phân huỷ Cơ chế Sự sinh trưởng kéo dài của thân: GA kích thích sự kéo dài của tế bào (không bằng cơ chế sinh trưởng acid như auxin), tuy nhiên trong thực tế GA luôn xuất hiện cùng auxin  có thể tác dụng kéo dài của GA phụ thuộc vào auxin. GA kích thích sự phân chia tế bào bằng cách khởi động một số gene CDK (cyclin-dependent protein kinase) có vai trò trong điều hoà chu trình tế bào (chuyển tế bào từ pha G1 sang pha S). GA kích thích sự tổng hợp amilase GA gắn vào thụ thể trên màng tế bào sau đó tương tác với phức hệ G-protein, khởi động 2 con đường truyền tín hiệu. con đường hoạt hoá gene sẽ tổng hợp amylase, còn con đường calci-calmodulin sẽ làm thay đổi tính thấm của tế bào, giải phóng amylase. Cơ chế Hiệu quả sinh lý Kích thích sự sinh trưởng kéo dài của thân (được xác định do vai trò của GA1) Sinh trưởng các đột biến lùn (thiếu gene chịu trách nhiệm tổng hợp enzyme trong con đường tổng hợp GA) Hiệu quả sinh lý Kích thích sự nảy mầm của hạt, củ Kích thích sự vươn dài của các gióng cây họ lúa Kích thích sự ra hoa Ức chế phát triển hoa cái, kích thích phát triển hoa đực Hiệu quả sinh lý Cytokinin Cytokinin - chất điều hoà phân chia tế bào thực vật Cytokinin được định nghĩa là những chất hoá học có hoạt tính giống với trans-zeatin kích thích phân chia tế bào mô sẹo kích thích hình thành rễ/chồi trong mô sẹo làm chậm quá trình già hóa của lá kích thích phát triển của lá mầm Về cấu trúc, đa số cytokinin có dạng purine được thay thế N tại vị trí C6 Zeatin cytokinin là những dẫn xuất từ tARN thực vật, chúng được tổng hợp trong hệ rễ, rồi được vận chuyển không phân cực trong xylem lên ngọn. Ngoài ra chúng còn được tổng hợp ở chồi, lá non, quả non, tầng phát sinh… cytokinin trong thực vật có thể ở dạng tự do hoặc liên kết, chúng nhanh chóng bị chuyển hoá nhờ các enzyme oxidase thành adenine rồi theo con đường chuyển hóa adenin để tái sử dụng trong cơ thể hoặc phân giải thành sản phẩm cuối cùng là urea. Cytokinin và các nốt sần ở rễ Vi khuẩn Agrobacterium tumefaciens có mang Ti-plasmid sẽ gắn T-ADN của nó vào NST của thực vật. T-ADN này có chứa phyto-oncogene tham gia sinh tổng hợp cytokinin và gene mã hoá enzyme chuyển tryptophan thành IAA  tạo nốt sần Tác dụng sinh lý Điều hoà phân chia tế bào Bên trái: cây thuốc lá biình thường Bên phải: 2 cây thuốc lá đột biến, biểu hiện quá mức enzyme cytokinin oxidase  tế bào không phân chia Điều hoà sự phân hóa cơ quan auxin/cytokinin cao  kích thích ra rễ auxin/cytokinin thấp  kích thích nảy chồi Kìm hãm sự già hoá của cây Bên trái: cây được xử lí với cytokinin Bên phải: cây đối chứng Ảnh hưởng đến sự nảy mầm của hạt và củ Ảnh hưởng tới ưu thế ngọn (phối hợp với auxin) Ảnh hưởng đến quá trình trao đổi chất, thúc đẩy sự phát triển của lục lạp và quá trình quang hợp Cơ chế Cytokinin kiểm tra sự dịch mã Có mặt trong ARN, điều chỉnh cho tARN trong quá trình tổng hợp protein, ngăn chặn sự nhận mặt sai của các codon trên anticodon; Hiệu quả ngăn chặn sự già hoá liên quan đến khả năng ngăn chặn sự phân huỷ protein, axit nucleic và clorophin. Absisic acid Absisic acid (ABA) – hormone của stress và sự nảy mầm của hạt ABA là một chất 15 cacbon, có cấu trúc hoá học giống với phần đầu của các chất nhóm carotenoid. ABA được tổng hợp trong lục lạp cũng như các lạp thể khác từ các dẫn xuất của carotenoid ABA được tổng hợp ở hầu hết các bộ phận của cây: rễ, lá, hoa, quả, hạt, củ… và nhiều nhất ở cơ quan già, đang ngủ nghỉ hay sắp rụng ABA được vận chuyển không phân cực trong cả xylem và phloem, chủ yếu là phloem Tên gọi abscisic acid xuất phát từ “abscission” (sự rụng lá). Ngày nay, ethylene được xác định có vai trò quan trọng hơn cả trong quá trình này, song ABA vẫn có thể đóng một vai trò nhất định. Tác dụng sinh lý Kiểm tra sự rụng lá: hình thành tầng rời; Điều chỉnh sự ngủ nghỉ (tỉ lệ ABA/GA quyết định trạng thái của cơ quan); Đóng mở khí khổng; Giúp cây biến đổi với điều kiện bất lợi; Hormon của sự hoá già. Cơ chế Làm biến đổi thế điện hoá qua màng và điều tiết sự tiết ion kali qua màng  cơ chế đóng mở khí khổng; Ức chế sự tổng hợp ARN từ ADN, Ethylene Ethylene – hormone thể khí Đa số thực vật và cả một số nấm, vi khuẩn đều có khả năng tổng hợp etilen. Một số nghiên cứu in vitro còn cho thấy etilen có thể là tín hiệu giữa các tế bào động vật Sự tổng hợp ethylene Áp lực từ môi trường (stress) kích thích sự tổng hợp ethylene, như hạn hán, úng lụt, tổn thương cơ học, giá lạnh, tiếp xúc ozone... Auxin có thể kích thích hoạt động của ACC synthase, qua đó kích thích tổng hợp ethylene. Con đường tổng hợp ethylene trong thực vật: Methionine  SAM  ACC  ethylene Vai trò sinh lý Trong sự chín quả Trong sự rụng lá, hoa, quả: hình thành tầng rời ở cuống lá Bên trái: cây được phun 50ppm ethylene trong 3 ngày Bên phải: cây đối chứng Kích thích sư ra hoa của một số thực vật (đặc biệt cây họ dứa) Kết hợp với auxin tác động đến nhiều quá trình trong thực vật như: kích thích xuất hiện rễ phụ ở cành giâm, ức chế phát triển chồi bên (hiện tượng ưu thế ngọn), tăng tính thấm của màng... Cơ chế tác động Đối với sự chín: Tăng tính thấm của màng trong các tế bào thịt quả  giải phóng enzim liên quan đến sự chín; Hoạt hoá sự tổng hợp enzim: enzim hô hấp, tanin, enzim thay đổi hàm lượng axit hữu cơ, gây mùi vị. Đối với sự rụng: kích thích tổng hợp cellulase cùng các enzyme khác phân huỷ thành tế bào Ứng dụng thực tiễn của các chất sinh trưởng thực vật Tăng kích thước quả và tạo quả không hạt: GA kích thích cuống nho sinh trưởng, tạo không gian cho quả phát triển Kích thích sự sinh trưởng của cây: phun GA Tăng sản lượng mía tăng sự đậu quả và tạo quả không hạt (phối hợp GA và auxin). auxin tổng hợp sẽ thay thế nguồn auxin nội sinh trong hạt và kích thích bầu phát triển thành hạt (Parthenocarpy) phá bỏ ưu thế ngọn  kích thích cành giâm ra rễ phụ; cây đâm cành sử dụng auxin kích thích sự hình thành etilen  kích thích cây ra hoa auxin ức chế sự rụng lá và hoa Kích thích sự ra rễ phụ của cành giâm, cành chiết (auxin). Điều chỉnh sự phát sinh hình thái trong nuôi cấy mô (tỉ lệ auxin/cytokinin). Điều khiển sự ngủ nghỉ của hạt, củ (GA). Điều khiển sự ra hoa của cây (auxinethylene, GA), điều chỉnh giới tính của hoa (GA)... Ngăn chặn sự rụng lá, nụ, quả (auxin) Trừ cỏ dại hại cây trồng... Xin chân thành cảm ơn! Phụ lục 1: cơ chế sinh trưởng acid Phụ lục 2: cơ chế tác dụng của cytokinin Phụ lục 3: Cơ chế tác động lên sự đóng mở khí khổng của ABA