Bài giảng Sản xuất giống và công nghệ hạt giống - Chương 4: Trạng thái ngủ nghỉ của hạt

7/7/2015 1 1 Chương 4 Trạng thái ngủ nghỉ của hạt 2  Khả năng trì hoãn sự nảy mầm của hạt trong một thời gian là đúng với cơ chế của sự sống.  ở thực vật trạng thái ngủ của hạt là một thách thức đối với các nhà nghiên cứu về giống.  Nó là một phản ứng thích nghi của cây trồng với môi trường.  Cây trồng đã được thuần hoá lâu biểu hiện trạng thái ngủ ít hơn cây hoang dại hoặc loài mới thuần hoá.  Cây trồng khi đã thuần hoá mà biểu hiện ngủ nghỉ là một khó khăn lớn cho người sản xuất giống và các nhà nghiên cứu hạt giống. 1. Khái niệm 3  Mặc dù vậy mức độ ngủ nghỉ là một mong muốn để ngăn cản nó nảy mầm trước khi thu hoạch.  Trạng thái nghỉ của hạt khi chưa có điều kiện thuận lợi cho sự nảy mầm được gọi là trạng thái tạm dừng hoạt động.  Trạng thái ngủ được xác định khi một yếu tố ngăn cản nảy mầm ngay cả trong điều kiện môi trường thuận lợi. Như vậy trạng tháI ngủ nghỉ của hạt là trạng tháI hạt không có khả năng nảy mầm sau khi đã thành thục và chín sinh lý. 4 5 6 2. Phân loại trạng tháI ngủ nghỉ 2.1. Phân loại theo Larry O. Copeland (1995) a) Trạng thái ngủ sơ cấp • Ngủ ngoại sinh: Liên quan đến đặc tính của vỏ hạt và các điều kiện cần thiết cho nảy mầm như: ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm. • Ngủ nội sinh: Liên quan đến đặc tính di truyền và các yếu tố bên trong hạt: độ chín của phôi, chất điều tiết sinh trưởng, quá trình trao đổi chất. b) Trạng thái ngủ thứ cấp: do sự cưỡng bức quá mức của điểm tới hạn trong chuỗi trao đổi chất hướng đến sự nảy mầm hoặc có thể do cân bằng chất kích thích và ức chế sinh trưởng không phù hơp. Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nụng Học ) - Học Viện Nụng NGhiệp Việt Nam https://sites.google.com/site/lophocphank57vnua/ 7/7/2015 2 7 2.2. Phân loại theo C. Baskin và J. Baskin (1998; 2004) Chia thành 5 loại ngủ nghỉ của hạt: a) Ngủ sinh lý (Physiological dormancy - PD) • Chia làm 3 mức: Ngủ sâu (PD deep); Ngủ trung gian (PD intermediate) và ngủ không sâu (PD non-deep) • Ngủ sâu: Tách phôi hoặc xử lý GA3 không nảy mầm mà cần xử lý lạnh hoặc ấm trong vòng vài tháng để nảy mầm. • Tuy nhiên phần lớn cây trồng đều ở dạng ngủ không sâu nên khi tách phôI hoặc xử lý GA3 có thể phá ngủ được. b) Ngủ hình tháI (Morphological dormancy - MD): có quá trình phát triển của phôI nhưng cần có thời gian để nảy mầm. 8 c) Ngủ hình tháI sinh lý (Morphophysiological dormancy- MPD): có quá trình phát triển của phôi nhưng có liên quan đến ngủ sinh lý. Loại hạt này yêu cầu xử lý phá ngủ bằng ủ lớp hoặc GA3. d) Ngủ lý học (Physical dormancy - PY): do vỏ hạt có lớp tế bào không thấm nớc. e) Ngủ phối hợp (Combinational dormancy - PY+PD): là tổ hợp của ngủ sinh lý và cơ lý. 9 3. Di truyền ngủ nghỉ của hạt • Hạt được cấu tạo gồm 3 nhân tố: Vỏ hạt, phôi và nội nhũ. • Cả 3 nhân tố trên đều ảnh hưởng đến nảy mầm và ngủ nghỉ của hạt. Do vậy tính ngủ nghỉ của hạt có thể do gen ở vỏ hạt, phôI và nội nhũ điều khiển. Ví dụ: - Lúa mỳ có gen Amy2 nằm trên nhiễm sắc thể số 1 điều khiển. - Lúa nước tìm thấy có 6 gen qSdn-1, qSdnj-3, qSdn-5, qSdn-7 và qSdn-11 nằm trên nhiễm sắc thể 1, 3, 5, 7 và 11 điều khiển tính ngủ nghỉ của hạt. 10 Gen qui định ngủ nghỉ ở lỳa 11 4.1. Nguyên nhân ngủ ngoại sinh và biện pháp phá ngủ * Nguyên nhân: 3 yếu tố ảnh hưởng đến ngủ ngoại sinh - Nước - Các chất khí - Cấu tạo của vỏ hạt 4. Nguyên nhân và phương pháp phá ngủ sơ cấp 12 a) Nước:  Khả năng thẩm thấu nước của vỏ hạt quyết định tính ngủ nghỉ của hạt. Gloyer (1932) cho thấy 80% giống đậu vỏ hạt có khả năng thẩm thấu với phạm vi từ 1-79%.  Vỏ hạt là do các hợp chất hữu cơ như Sulerin, lignin, cutin tạo lên do vậy hàm lượng các chất này khác nhau dẫn đến khả năng thẩm thấu nước của vỏ hạt cũng khác nhau.  Môi trường cũng ảnh hưởng đến khả năng thẩm thấu nước của vỏ hạt đặc biệt vào giai đoạn chín của hạt. Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nụng Học ) - Học Viện Nụng NGhiệp Việt Nam https://sites.google.com/site/lophocphank57vnua/ 7/7/2015 3 13 b) Các chất khí  Vỏ hạt có tính lựa chọn thẩm thấu khí: Lựa chọn cho nước đi qua mà không cho oxy đi qua: hạt dưa chuột, cà phê, táo  Nhiệt độ ảnh hưởng đến khả năng thẩm thấu ôxy của vỏ hạt: Hạt táo ở 200C hạn chế thẩm thấu nhưng khi ở 40C hạt tăng khả năng thẩm thấu.  Các loại hạt khác nhau khả năng thẩm thấu khí O2 và CO2 khác nhau: Hạt dưa chuột thẩm thấu CO2(15,5ml/cm 2/hr) hơn O2 (4,3 ml/cm 2/hr). 14 c) Cấu tạo vỏ hạt Ngủ nghỉ do tính chất vật lý của vỏ hạt, áp lực hút nước gây ra gãy vỏ và cho phép hạt nảy mầm. Vỏ hạt có thể can thiệp chắt lọc chất ức chế và hạn chế các dòng nước vào hạt.  Esashi và Leopold (1968) kết luận rằng những hạt kê (Xanthium): + Ngủ đông yêu cầu ánh sáng mạnh để làm vỡ vỏ hạt cao hơn hạt không ngủ đông. + Phôi của hạt không ngủ đông phát triển tự đâm ra để nảy mầm gấp 2 lần hạt ngủ đông. Vì thế vỏ hạt không là cơ chế chính bắt buộc ngủ nghỉ. 15 • Phương pháp phá ngủ ngoại sinh a) Phá vỡ hoặc làm suy thoái vỏ hạt cơ giới  Mài, cắt hoặc chà xát để làm vỡ vỏ hạt.  Sử dụng nhiệt độ nóng, lạnh đột ngột, nhúng nhanh hạt trong nước nóng.  Dùng kim châm thủng vỏ hạt.  Phơi hạt làm biến đổi vỏ hạt cho phép nước và khí xâm nhập vào vỏ hạt. 16 b) Phá vỡ vỏ hạt bằng hoá chất • Xử lý bằng hoá chất H2SO4 làm suy thoái vỏ hạt. c) Phá vỡ vỏ hạt bằng enzym • Sử dụng enzym chọn lọc phân huỷ vỏ hạt nh enzim celluluse, Pectinase.. • Dùng các hợp chất hữu cơ như alcohol, acetone để hoà tan và chuyển đổi những hợp chất không hoà tan nước làm hạn chế nước đi vào hạt để tăng khả năng thẩm thấu của vỏ hạt. 17 4.2. Nguyên nhân ngủ nội sinh và biện pháp phá ngủ * Nguyờn nhõn  Ngủ nội sinh là dạng ngủ phổ biến nhất của hạt, là do đặc tính di truyền của hạt.  Điều kiện môi trường trong quá trình phát triển và chín của hạt có thể ảnh hưởng đến ngủ nội sinh.  Mức độ ngủ của hạt phụ thuộc vào cung cấp nước và chất dinh dưỡng đặc biệt là đạm trong quá trình hình thành và phát triển của hạt. 18 a) Ngủ của phôi chưa thành thục  Hạt của một số loài rụng trước khi chín, hình thái đặc biệt này gây ra ngủ của hạt bởi vì phôi không chín nên không có khả năng nảy mầm.  Ví dụ ở cây mã đề (Plautago), cây thông (Pines)... sự chín phôi xảy ra tiếp tục sau khi hạt đã tách ra khỏ cây vài ngày hoặc vài tháng. Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nụng Học ) - Học Viện Nụng NGhiệp Việt Nam https://sites.google.com/site/lophocphank57vnua/ 7/7/2015 4 19 Hoa cây thông Hạt cây thông 20 b) Ngủ sinh lý Sự ngủ của hạt được điều khiển bằng các chất kích thích và ức chế sinh trưởng nội sinh. Vì thế sự ngủ này có thể xem như là một kết quả của sự có mặt chất ức chế sinh trưởng. Sự có mặt chất ức chế sinh trưởng hoặc tổ hợp cả 2 chất ức chế và chất kích thích sinh trưởng. 21  Mức độ của các hợp chất nội sinh này được điều khiển bởi kích thích của môi trường như ánh sáng, nhiệt độ.  Những nghiên cứu về chất kích thích và ức chế cho thấy có sự tham gia cuả 3 hormones điều khiển ngủ nghỉ của hạt là: Gibberellin, Cytokinin và chất ức chế. + Gibberellin có chức năng kích thích để phá trạng thái ngủ của một số hạt. + Cytokinin với vai trò chọn lọc, khi có mặt một mình ức chế nảy mầm nhưng khi có Gibberelline không hoạt động sinh lý. 22 23 c) Do trao đổi chất bị ức chế  Hợp chất cyanide ngăn cản quá trình hô hấp của hạt táo, đào.  Abscisic Axít (ABA) ức chế nảy mầm của hạt.  Gen tổng hợp ABA hoạt động mạnh cú thể tăng hàm lượng ABA và tăng ngủ nghỉ hoặc trỡ hoón nảy mầm của hạt.  ABA tổng hợp cả trong phôi và nội nhũ và chúng đều gây ra ngủ nghỉ của hạt.  Hàm lượng ABA cao ức chế thẩm thấu của hạt gõy ra ngủ sõu. 24 Ngủ nghỉ và điều khiển của các hoóc môn đến nảy mầm của hạt Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nụng Học ) - Học Viện Nụng NGhiệp Việt Nam https://sites.google.com/site/lophocphank57vnua/ 7/7/2015 5 25 d) Ngủ do ức chế thẩm thấu  Hợp chất như đường và muối với nồng độ đủ hoàn toàn có thể làm hạt không hút đủ nước và như thế nó ngăn cản quá trình nảy mầm.  Nhiều chất trong quả, vỏ quả và xung quanh hạt đã tạo ra áp lực bởi những chất vô cơ ức chế quá trình nảy mầm.  Có mặt của chất hữu cơ đặc thù hoặc chất ức chế thẩm thấu như ferulic và caffeic axit (Khoai tây, chanh, dâu tằm, mơ) có tác dụng ức chế nảy mầm. 26 * Phương pháp phá ngủ sinh lý a) Ngâm nước: Các loại hạt ngủ do ức chế thẩm thấu cần thay đổi và chuyển đổi nguồn ức chế như ngâm hạt trong nước để pha loãng hoặc hoà tan chất ức chế hoặc chuyển đổi thành chất trung gian xung quanh hạt. b) Phương pháp suy thoáI lớp vỏ hạt: • Bóc vỏ hạt để phá tính ngủ nghỉ của hạt. • Sử dụng axít H2SO4 bào mòn vỏ hạt. • Châm chích vỏ hạt. 27 c) Phá ngủ bằng nhiệt độ Các loại hạt có yêu cầu nhiệt độ đặc biệt cho sự nảy mầm, thay đổi cân bằng giữa chất ức chế và chất kích thích nó được biến đổi trong phôi hạt. d) Phá ngủ bằng ủ lớp (Stratification) • Cơ sở của hiện tượng ủ lớp này là tăng sự hút oxy cung cấp năng lượng cho phôi. • Tăng hoạt động của các enzim catalase, phosphatase, alkinine, lipase và pedoxilase. • Ngoài ra ủ lớp còn làm thay đổi cân bằng chất kích thích và chất ức chế do đó có thể phá vỡ trạng thái ngủ của hạt. 28 29 30 e. Dự trữ bảo quản sau khi chín để phá ngủ  Trạng thái ngủ bị loại bỏ nếu bảo quản ở phòng nhiệt độ đối với hầu hết các loài.  Các loại hạt ngũ cốc nếu bảo quản trong phòng nhiệt độ 15 - 20 oC từ 1 - 2 tháng là hoàn toàn có thể nảy mầm.  Hầu hết các loại hạt sau khi thu hoạch xử lý ủ lớp và bảo khô là có thể phá ngủ. Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nụng Học ) - Học Viện Nụng NGhiệp Việt Nam 7/7/2015 6 31 Bảo quản hạt giống trong kho lạnh 32 f) Phá ngủ bằng ánh sáng • Cường độ ánh sáng, độ dài bước sóng, quang chu kỳ có ảnh hưởng đến sự nảy mầm của hạt ngủ sinh lý. • Thời gian chiếu sáng cũng có ảnh hưởng đến sự nảy mầm của hạt loài ngắn ngày hoặc dài ngày. g) Phá ngủ bằng tách phôi * Tách phôi và cho sinh trưởng riêng rẽ nhưng có liên quan đến đột biến. 33 * Chu kỳ nội sinh Có những giai đoạn cây trồng độc lập với môi trường bên ngoài và tự điều chỉnh quá trình sinh trưởng và phát triển. Các giai đoạn như thế kế tiếp nhau theo một trật tự nhất định của sinh trưởng phát triển gọi là chu kỳ (circadian). Chu kỳ như trên cũng ảnh hưởng đến phương thức nảy mầm, chúng được phân loại là chu kỳ một năm và chu kỳ nhiều vòng trong năm. Ví dụ cây rau muối (Amaranthus retroflexus) theo dõi nảy mầm trong 72 tháng với điều kiện đủ độ ẩm và nhiệt độ là 20oC thấy có 2 cực đại nảy mầm xảy ra cực đại 1 là 8 - 10 tháng và cực đại 2 là 20 - 22 tháng. 34 * Tương tác giữa các cơ chế ngủ của độ ngủ sơ cấp • Các kiểu ngủ đã được mô tả ở trên nhiều khi không riêng rẽ chỉ có tác động của một trạng thái ngủ mà nó kết hợp của ngủ ngoại sinh và nội sinh. Ví dụ: ở hạt cỏ lồng vực ấn Độ (Oryzopsis hymennoides). • Khi phá ngủ phải dùng cả axit sulfuric để phá vỡ vỏ hạt (Phá ngủ ngoại sinh) nhưng đồng thời phải dùng GA3 để phá ngủ nội sinh (trong trường hợp này là ngủ sinh lý). 35 • Đôi khi hạt không ở trạng thái ngủ nhưng điều kiện bất lợi gây ra trạng thái ngủ của nó. Nguyên nhân này để phá ngủ có thể xử lý ở các điều kiện nảy mầm thuận lợi. • Một nghiên cứu với hạt lúa mì mùa xuân và lúa mạch mùa đông cho biết ngủ thứ cấp có thể tác động bởi: 1) Hạt lúa mạch khô xử lý nhiệt độ 50 – 900C 2) Hạt lúa mạch bảo quản 7 ngày dưới độ ẩm cao và 20oC 3) Hạt lúa mỳ xử lý trong thùng kín ẩm độ cao và nhiệt độ 50oC 4) Đặt hạt lúa mì trong tối 1 - 3 ngày và nhiệt độ 20oC. 5. Ngủ thứ cấp 36 Xử lý hạt khô ở nhiệt độ 50oC bắt buộc ngủ thứ cấp, 70oC yêu cầu 4 giờ và 90oC chỉ cần 1 giờ hạt đã ngủ thứ cấp.  Sự gây ngủ thứ cấp có thể xảy ra khi hạt chín sinh lý từ 15 ngày đến 1 tháng và có thể trạng thái ngủ kéo dài.  Để làm giảm giai đoạn ngủ dài này bằng xử lý Gibberellin 0.1%.  Ngoài nguyên nhân trên ngủ thứ cấp còn bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, quang chu kỳ, hàm lượng nước cao, nồng độ hoá chất... Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nụng Học ) - Học Viện Nụng NGhiệp Việt Nam 7/7/2015 7 37 Tổng hợp một số nguyên nhân và biện pháp phá ngủ của hạt Nguyên nhân Kiểu ngủ Biện pháp phá ngủ 1) Hạt khô Ngủ thụ động Gieo hạt trong môI trường ẩm 2) Do vỏ hạt hoặc hạt cứng Ngủ thụ động ủ lớp, suy thoáI vỏ hạt bằng hoá chất, cơ lý 3) Nghỉ của phôi: Chất KTST thấp, chất ƯCST cao Ngủ sinh lý ủ lớp-Lạnh (35-400F, ẩm từ 4-12 tuần 4) Ngủ kép: Vỏ hạt + PhôI Thụ động + Sinh lý ủ lớp sau đó lại ủ lớp 5) ức chế hoá học: Chất ức chế ở vỏ quả hoặc vỏ hạt ức chế tương quan Loại bỏ lớp thịt quả hoặc vỏ hạt 6) PhôI chưa thành thục Ngủ để tiếp tục phát triển + Bảo quản 4-6 tuần sau chín + ủ lớp ấm và ẩm + NuôI cây phôI, tách phôi 7) Yêu cầu ánh sáng Ngủ thứ cấp + Chiếu ánh sáng trắng + Chiếu ánh sáng đỏ + Gieo trồng nông hoặc trên bề mặt Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nụng Học ) - Học Viện Nụng NGhiệp Việt Nam https://sites.google.com/site/lophocphank57vnua/