Xemtailieu Tải về Ảnh hưởng nhiệt đọ và độ ẩm đến quang hợp, thoát hơi nước và huỳnh quang diệp lục của cây địa liề
1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2 --------------------------------- NGUYỄN ANH SƠN ẢNH HƯỞNG NHIỆT ĐỘ VÀ ĐỘ ẨM ĐẾN QUANG HỢP, THOÁT HƠI NƯỚC VÀ HUỲNH QUANG DIỆP LỤC CỦA CÂY ĐỊA LIỀN (KAEMPFERIA GALANGA L.) Chuyên ngành Mã số : Sinh học thực nghiệm : 60 42 30 LUẬN VĂN THẠC SĨ SINH HỌC Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS NGUYỄN VĂN MÃ HÀ NỘI, 2009 2 PHẦN MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Cây Địa Liền (Kaempferia galanga Linn) thuộc chi Kaempferia họ Gừng (Zingiberaceae) là một loại cây thuốc đã được ghi vào Dược điển Việt Nam (1983), và dược điển Trung Quốc (1963), (1997) với các thành phần hoá học có tinh dầu thơm, trong đó thành phần chủ yếu là bormeol, metyl p.coumaric, acid etyl este, cin-namic acid etyl, cineol, cinnamic aldehyd có giá trị rất lớn trong việc chế tạo dược phẩm [1], [12], [19]. Ở Việt Nam, Địa liền được nhân dân ta trồng và sử dụng từ rất sớm. Nó thường được dùng làm thuốc trợ giúp tiêu hóa, giúp ăn ngon miệng, chóng tiêu và còn dùng làm thuốc xông, ngâm rượu dùng xoa bóp chữa tê phù, tê thấp, nhức đầu, đau nhức… Ngoài ra nó còn có tác dụng ôn trung tán hàn, trừ thấp, tránh uế, chữa ngực bụng lạnh đau, đau răng [12]. Cây Địa liền dễ trồng , có khả năng thích nghi tương đối rộng với các loại đất trồng và nhiều vùng khí hậu khác nhau. Hiện nay, Địa liền được trồng đại trà ở một số tỉnh trong nước như Phú Thọ, Yên Bái, Tuyên Quang, Thái Bình, Hà Nam, Bắc Giang… và được thu mua bán sang Trung Quốc, Ma-laixia, Ấn Độ… Do vậy, Địa liền có thể là một trong những mặt hàng nông phẩm đáp ứng được nhu cầu kinh tế của người nông dân [5]. Vấn đề cơ bản hạn chế việc phổ biến đại trà cây Địa liền ở Việt Nam là điều kiện khí hậu. Do nước ta có địa hình đa dạng, diễn biến khí hậu phức tạp nên khó có thể đưa ra trồng đại trà khi chưa nghiên cứu mức ảnh hưởng của các yếu tố sinh thái lên khả năng sinh trưởng, phát triển và khả năng chống chịu của cây trồng. Các nghiên cứu tìm hiểu mối liên hệ giữa các yếu tố sinh thái với các quá trình sinh lý trong cơ thể thực vật trên thế giới nói chung và Việt Nam nói 3 riêng ngày càng được mở rộng. Với sự tiến bộ của kĩ thuật hiện đại, các nhà khoa học có điều kiện đi sâu tìm hiểu bản chất của các mối liên hệ giữa các yếu tố môi trường với cơ thể thực vật như: ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm không khí, ánh sáng, lượng nước… đến khả năng quang hợp, sự phát triển của hạt, chất lượng nông phẩm, hô hấp… [32], [33], [53]. Một số cơ chế hóa sinh và sinh học phân tử cũng đã được nghiên cứu như: xác định bản chất protein trong cấu trúc bộ máy quang hợp [10], xác định vị trí của gen liên quan đến quá trình chịu nhiệt, quá trình điều chỉnh áp suất… [46]. Tuy nhiên, việc nghiên cứu một cách hệ thống và sâu sắc về các biến đổi sinh lý, hóa sinh của cây dưới tác động của các yếu tố môi trường và bản chất của các mối liên hệ đó còn chưa đầy đủ. Với tinh thần đó, chúng tôi xác định nhiệm vụ nghiên cứu một số chỉ tiêu sinh lý như quá trình thoát hơi nước, quá trình quang hợp, huỳnh quang diệp lục dưới ảnh hưởng của yếu tố nhiệt độ và độ ẩm không khí. 2. Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện nhiệt độ, độ ẩm tới các quá trình thoát hơi nước, quang hợp và huỳnh quang diệp lục của cây Địa liền. 3. Nhiệm vụ nghiên cứu Xác định sự biến đổi cường độ thoát hơi nước, cường độ quang hợp và khả năng huỳnh quang của Địa liền dưới tác động của hai yếu tố nhiệt độ và độ ẩm không khí. 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: cây Địa liền, tên khoa học là Kaempferia galanga L. thuộc chi Kaempferia họ Gừng (Zingiberaceae). - Phạm vi nghiên cứu: Có nhiều yếu tố môi trường ảnh hưởng đến các quá trình sinh lý của cây nhưng trong phạm vi đề tài này tôi chỉ nghiên cứu sự ảnh hưởng của yếu tố 4 nhiệt độ và độ ẩm không khí. Tuy nhiên mỗi yếu tố này lại ảnh hưởng tới nhiều quá trình sinh lý của cây, ở đây tôi tập trung nghiên cứu ảnh hưởng tới ba quá trình: thoát hơi nước, quang hợp và huỳnh quang diệp lục của cây Địa liền. 5. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 6. Giả thuyết khoa học Sự biến đổi của các quá trình thoát hơi nước, quang hợp và huỳnh quang diệp lục có mối liên hệ chặt chẽ với sự biến đổi của các yếu tố môi trường nhiệt độ và độ ẩm không khí. 7. Ý nghĩa lý luận và thực tiễn của đề tài Tìm hiểu về mối liên hệ giữa các quá trình sinh lý của cây với các nhân tố sinh thái. Kết quả nghiên cứu có thể làm cơ sở khoa học cho việc đưa Địa liền trồng vào vùng sinh thái phù hợp. 5 NỘI DUNG CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Đặc điểm sinh trưởng phát triển, yêu cầu sinh thái và giá trị của cây Địa liền Cây Địa liền còn gọi là Sơn nại, Tam nại, Thiền liền, Sa khương. Tên khoa học là Kaempferia galanga L. thuộc chi Kaempferia họ Gừng (Zingiberaceae). Địa liền được trồng phổ biến tại một số nước như Ấn Độ, Malaysia, Trung Quốc, Lào, Campuchia…Vùng đồi núi ta có nhiều địa liền mọc hoang (Phú Thọ, Yên Bái, Tuyên Quang...) và được trồng nhiều ở Thái Bình, Hà Nam, Bắc Giang… Sở dĩ có tên Địa liền vì lá mọc sát đất. Địa liền là một loại cỏ nhỏ, sống lâu năm, thân rễ hình củ nhỏ bám vào nhau, hình trứng, chứa nhiều chất dự trữ chủ yếu là các loại tinh dầu trong đó thành phần chủ yếu là bormeol, metyl p.coumaric, acid etyl este, cin-namic acid etyl, cineol, cinnamic aldehyd [1], [19]. Lá khá rộng, hai hoặc ba lá mọc sát đất, hình trứng, phía cuống hẹp lại thành một cuống dài độ 1 – 2cm, mặt trên xanh lục và nhẵn, mặt dưới có lông mịn, cả hai mặt đều có những điểm nhỏ, dài rộng gần bằng nhau, chừng 8 – 15cm. Lá cũng gồm có bẹ dài ôm lấy nhau làm thành thân giả, cuống ngắn và phiến lớn, giữa cuống và bẹ lá cũng có phần phụ gọi là lưỡi nhỏ. Thân lá có mùi thơm. Cụm hoa mọc ở giữa, không cuống, gồm 8 – 10 hoa màu trắng với những điểm tím ở giữa. Hoa không đều, đài hình ống, màu lục, tràng hình ống, phía trên chia 3 thùy, thùy giữa lớn hơn hai thùy bên. Chỉ có một nhị sinh sản (ở vòng trong) với hai bao 6 phấn lớn nứt phía trong. Một cánh môi hình bản lớn, thường có điểm tím do ba nhị dính với nhau và biến đổi thành, nằm đối diện với nhị sinh sản. Hai nhị còn lại biến thành hai nhị lép nhỏ nằm ở hai bên bao phấn. Quả là loại quả nang, hạt có nội nhũ và ngoại nhũ [5], [11]. Trong nhân dân, thường trồng Địa liền vào tháng hai hoặc tháng ba. Mùa hoa vào tháng 8 tháng 9. Địa liền có thể mọc hoang ở nhiều nơi nên yêu cầu của Địa liền với điều kiện sinh thái cũng không quá khó khăn. Khả năng chịu lạnh của cây trưởng thành tới 60C, chịu nhiệt lên tới 380C. Nếu nhiệt độ cao quá 380C kéo dài có thể gây phản ứng xấu về sinh lý. Nhiệt độ sinh trưởng tốt nhất là 20 – 250C. Địa liền có thể phát triển tốt ở nhiều loại đất nhưng thường đòi hỏi đất giàu hữu cơ, đất không bị bí chặt, độ pH thích hợp từ 5,0 – 5,5. Do đó, khi trồng Địa liền người ta thường bón rất nhiều phân chuồng. Về chế độ gió và chế độ mưa, Địa liền không đòi hỏi khắt khe [5]. Địa liền đã được ghi vào Dược điển Việt Nam (1983), và dược điển Trung Quốc (1963), (1997) với các thành phần hoá học có tinh dầu thơm, trong đó thành phần chủ yếu là bormeol, metyl p.coumaric, acid etyl este, cinnamic acid etyl, cineol, cinnamic aldehyd… có giá trị rất lớn trong việc chế tạo dược phẩm và trong công nghiệp chất thơm [19]. Ở nước ta, Địa liền được trồng đại trà, thường được thu mua và bán sang các nước như Trung Quốc, Ma-lai-xia... Từ tháng 12 đến tháng 3 năm sau, người ta đào củ về, chọn những cây đã trên hai năm, rửa sạch đất cát, thái thành miếng mỏng, xông diêm sinh một ngày rồi phơi khô. Có nơi chỉ đào củ về , rửa sạch phơi khô. Địa liền mùi thơm mát, đặc biệt dễ chịu, vị cay tê. Loại địa liền khô, mùi thơm dịu, vị cay tê, da vàng ngà, thịt trắng, nhiều bột, sạch rễ con, không vụn nát, không mốc mọt, không lẫn tạp chất, củ to đường kính trên 1cm là tốt. Địa liền rất dễ bảo quản, hầu như không bị mốc, mọt dù điều kiện bảo quản cũng như các vị thuốc khác. Người ta cũng thu mua Địa liền tươi [12]. 7 Địa liền đã được nhân dân ta sử dụng từ rất sớm. Theo Đông y, Địa liền vị cay, tính ôn, vào hai kinh tỳ và vị, có tác dụng ôn trung tán hàn, trừ thấp, tránh uế, chữa ngực bụng lạnh đau, đau răng. Nó thường được dùng làm thuốc trợ giúp tiêu hóa, giúp ăn ngon miệng, chóng tiêu và còn dùng làm thuốc xông. Ngâm rượu dùng xoa bóp chữa tê phù, tê thấp, nhức đầu, đau nhức… Ngoài ra chúng còn có tác dụng ức chế tế bào ung thư [1], [5]. 1.2. Huỳnh quang diệp lục ở thực vật Huỳnh quang diệp lục là sự bức xạ được diệp lục phát ra với bước sóng dài hơn bước sóng hấp thụ và đồng thời với thời gian chiếu sáng. Khi hấp thụ năng lượng của lượng tử ánh sáng thì phân tử diệp lục chuyển sang trạng thái kích thích điện tử. Thực chất là khi nhận ánh sáng đỏ hay xanh tím thì một điện tử rất linh động trong phân tử diệp lục sẽ vượt ra ngoài quỹ đạo cơ bản của mình để đến một quỹ đạo xa hơn, tức là đã nâng mức năng lượng của nó cao hơn trạng thái cũ. Có thể nói rằng năng lượng ánh sáng đã chuyển thành năng lượng của điện tử được kích thích của phân tử diệp lục. Năng lượng của lượng tử hấp thu càng lớn thì điện tử nhảy lên quỹ đạo càng xa hơn và mức năng lượng kích thích cũng lớn hơn. Có hai trạng thái kích thích điện tử của phân tử diệp lục: Trạng thái kích thích sơ cấp còn gọi là Singlet hay trạng thái không bền, nếu như khi chuyển điện tử lên mức năng lượng cao hơn không kèm theo sự đổi dấu của spin điện tử. Thời gian tồn tại của trạng thái này là khoảng 10-12 đến 10-9 giây. Trạng thái kích thích thứ cấp được gọi là Triplet hay trạng thái bền ổn định hoặc trạng thái bền thứ cấp, nếu như sự chuyển điện tử lên mức năng lượng cao hơn có kèm theo sự đổi dấu spin điện tử. Thời gian tồn tại của trạng thái này lâu hơn, khoảng 10-3 giây. 8 Điện tử ở trạng thái kích thích sẽ nhanh chóng chuyển về trạng thái cơ bản bằng cách giải phóng năng lượng hấp thụ theo những con đường sau: Một là, nó có thể chuyển năng lượng tới một phân tử nhận năng lượng khác và cuối cùng là khởi động các phản ứng quang hóa, gây ra sự truyền điện tử quang hợp. Hai là, năng lượng được giải phóng ra dưới dạng nhiệt. Ba là, năng lượng được giải phóng ra dưới dạng sóng điện từ. Có nghĩa là nó có thể phát lại dưới dạng một photon có năng lượng nhỏ hơn (tức là có bước sóng dài hơn). Hiện tượng này được gọi là huỳnh quang. Hiện tượng huỳnh quang xảy ra khi chuyển điện tử từ trạng thái kích thích Singlet về trạng thái cơ sở, năng lượng phát ra dưới dạng sóng điện từ. Các quá trình truyền năng lượng nêu trên cạnh tranh nhau, chủ yếu là sự cạnh tranh giữa phản ứng quang hóa và huỳnh quang diệp lục. Ta có thể mô tả quá trình trên bằng sơ đồ: Kf + Kd + Kph P* P P và P* là trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích của phân tử diệp lục. Kf, Kd, Kph là các hệ số tốc độ làm mất đi trạng thái kích thích bằng bức xạ (huỳnh quang), không bức xạ (mất đi dưới dạng nhiệt) và quang hóa (sự phân chia đầu tiên của các điệc tích trong tâm phản ứng). Hiệu suất lượng tử của phản ứng quang hóa và huỳnh quang sẽ tương ứng bằng: Qz = k ph k f k d +k ph Q F0 kf k f k d k ph Trong điều kiện tối ưu, khi các tâm phản ứng hoạt động (các tâm phản ứng “mở”) hằng số Kph lớn hơn đáng kể so với các hắng số còn lại và do đó năng lượng kích thích được sử dụng trong phản ứng quang hóa với hiệu suất lượng tử QZ gần bằng đơn vị (=1) và chỉ có một phần rất nhỏ năng lượng kích 9 thích bị mất dưới dạng huỳnh quang trong quá trình vận chuyển năng lượng kích thích về tâm phản ứng. Như vậy, khi tâm phản ứng “mở” xảy ra quá trình oxi hóa hoàn toàn chất nhận điện tử đầu tiên Quinon (QA), còn khi các tâm phản ứng “đóng” xảy ra khử chất nhận điện tử đầu tiên Quinon (QA) và khi đó huỳnh quang diệp lục đạt giá trị cựu đại. Khi tâm phản ứng “đóng” thì hằng số tốc độ mất trạng thái kích thích bằng quang hóa sẽ bằng 0, còn huỳnh quang tăng lên và đạt giá trị cựu đại (Fm) [10] (QZ) = 0 QFm kf k f k d k ph Hiệu số giữa cường độ huỳnh quang khi tâm phản ứng “đóng” và “mở” (Fv = Fm – F0) được gọi là huỳnh quang biến đổi diệp lục. Nó tương ứng với phần năng lượng ánh sáng được các tâm phản ứng “mở” sử dụng trong phản ứng quang hóa. Một cách dễ dàng có thể chỉ ra rằng tỉ lệ huỳnh quang biến đổi và huỳnh quang cực đại (Fv/Fm) bằng hiệu suất lượng tử (hiệu suất huỳnh quang biến đổi) của phản ứng quang hóa đầu tiên phân chia các điện tích ở các tâm phản ứng quang hợp [37]. QFm Q F0 QFm kf QZ k f k d k ph Như vậy, đo cường độ huỳnh quang ổn định – F0 và cường độ huỳnh quang cực đại – Fm trong một thời gian tương đối cho phép nhận được giá trị tuyệt đối về hiệu quả sử dụng năng lượng ánh sáng trong các phản ứng quang hóa. QZ FV Fm F0 Fm Fm Hiệu quả phân chia điện tích trong các tâm phản ứng bị giảm đi nhiều khi điều kiện sinh trưởng gặp bất lợi (ánh sáng dư thừa, nhiệt độ thấp, hạn 10 hán, không đủ dinh dưỡng…). Hiệu suất huỳnh quang biến đổi đặc trưng cho hiệu quả khử Quinon (QA) trong hệ quang hóa II và có thể được sử dụng để đánh giá trạng thái sinh lý của thực vật [10]. Tỷ lệ FV/Fm là phản ánh dòng điện tử trong phản ứng quang hợp đi qua chất nhận điện tử thứ hai là QB. Tỷ lệ này giảm đi khá nhiều khi điều kiện sinh trưởng gặp bất lợi và có thể sử dụng để đánh giá trạng thái sinh lý của thực vật. 1.3. Quá trình quang hợp ở cây xanh Quang hợp là quá trình biến đổi vật chất vô cơ đơn giản thành các hợp chất hữu cơ phức tạp có hoạt tính sinh học cao trong cơ thể thực vật dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời với sự tham gia của hệ sắc tố trong cây. Bản chất của quá trình quang hợp là sự khử CO2 thành hydrocacbon với sự tham gia của năng lượng ánh sáng mặt trời do sắc tố thực vật hấp thụ. Phản ứng tổng quát của quá trình quang hợp dạng chung nhất có thể được biểu diễn như sau hv CO 2 + 2H 2 O [CH 2 O] + H 2 O + 2O Cơ quan làm nhiệm vụ quang hợp là lục lạp, tập trung chủ yếu ở lá và các phần khác như thân, quả non, bông lúc còn xanh, bẹ lá… Về hình dáng, lá có dạng bản mỏng nên dễ hấp thụ năng lượng ánh sáng, có thể di chuyển vuông góc với tia sáng tới. Về cấu trúc, lá có các lỗ khí cho O2, CO2, H2O đi qua, có chứa diệp lục và các hệ sắc tố, có hệ thống mạng lưới dẫn dày đặc cung cấp nước, muối khoáng, và vận chuyển chất hữu cơ sản phẩm của quang hợp. Lục lạp (Chloroplast) là bào quan thực hiện chức năng quang hợp. Lục lạp có chứa hệ sắc tố trong đó quan trọng nhất là nhóm sắc tố chlorophyll (diệp lục). Nhóm sắc tố này có khả năng hấp thụ năng lượng ánh sáng mặt trời và biến năng lượng hấp thụ ấy thành dạng năng lượng hóa học, trong khi 11 đó các nhóm sắc tố khác không làm được chức năng đầy đủ và trực tiếp như vậy. Có nhiều loại chlorophyll khác nhau về một số chi tiết cấu tạo và cực đại hấp thụ ánh sáng. Về cấu tạo chung của chlorophyll đều gồm 4 nhân pyron liên kết với nhau bằng các cầu nối metyl (–CH=) để tạo nên vòng porphyrin với nguyên tử Mg ở giữa; có liên kết thật và giả với các nguyên tử N của các nhân pyron, hai nguyên tử H ở nhân pyron thứ 4, vòng xiclopentan và gốc rượu phyton. Công thức tổng quát của chlorophyll a là C55H72O5N4Mg và chlorophyll b là C55H70O6N4Mg. Quang phổ hấp thụ của chlorophyll gồm hai vùng là xanh lam (430nm) và đỏ (662nm). Màu lục đặc trưng là kết quả hấp thụ ở vùng quang phổ xanh lam và đỏ và không hấp thụ ở vùng quang phổ xanh lục. Năng lượng của lượng tử ánh sáng được chlorophyll hấp thụ đã kích thích phân tử chlorophyll và các dạng của phân tử sắc tố đã truyền năng lượng cho nhau, tạo nên các hiện tượng lân quang và huỳnh quang. Cuối cùng các năng lượng tích lũy được bởi các phân tử chlorophyll đã được chuyển cho các phản ứng quang hóa và biến thành dạng năng lượng hóa học. Cùng với diệp lục, các nhóm sắc tố khác như nhóm sắc tố vàng carotenoid, nhóm sắc tố xanh ở thực vật bậc thấp phycobilin, các sắc tố dịch bào antoxyan cũng có chức năng hấp thụ năng lượng ánh sáng mặt trời bổ sung cho chlorophyll. Khi năng lượng ánh sáng mặt trời được hệ sắc tố hấp thụ, nó được vận chuyển giữa các thành phần trong bộ máy quang hợp nhờ hệ thống các thành phần truyền điện tử của bộ máy quang hợp. Đó là các quinon, các xitocrom, feredoxin và feredoxin-NADP-reductase, các plastoxyanin… Theo Emerson và Arnold, trong các điều kiện tối ưu, để cố định một phân tử CO2 cần phải có sự tham gia của 2500 phân tử chlorophyll cùng với các sắc tố khác, các enzim và các chất truyền điện tử [30]. 12 Từ đó đưa đến một khái niệm về đơn vị quang hợp là một đơn vị phức hệ sắc tố tổng hợp đồng thời ba nhiệm vụ: nhận một phân tử CO2 (hay giải phóng một phân tử O2), chuyển một điện tử, biến đổi năng lượng một quang tử thành dạng năng lượng hóa học [30]. Quá trình quang hợp tổng hợp tất cả các chất hữu cơ từ các chất vô cơ (CO2, H2O) nhờ sử dụng năng lượng ánh sáng mặt trời. Quá trình này bao gồm hai pha: pha sáng và pha tối. Pha sáng xảy ra trong hệ thống màng thylacoid của lục lạp, nơi chứa diệp lục và caroten. Pha sáng bao gồm các phản ứng quang hóa đầu tiên kể từ lúc sắc tố hấp thụ năng lượng ánh sáng, sau đó dự trữ nó trong cấu trúc phân tử sắc tố dưới dạng năng lượng điện tử kích thích và các quá trình khác, cuối cùng năng lượng được biến đổi thành thế năng hóa học. Pha sáng gồm hai giai đoạn kế tiếp nhau là giai đoạn quang vật lý và giai đoạn quang hóa học. Giai đoạn quang vật lý của quang hợp bao gồm quá trình hấp thụ năng lượng và sự di chú tạm thời năng lượng trong cấu trúc của phân tử chlorophyll. Giai đoạn này gồm hai phản ứng sáng xảy ra trên hai hệ thống ánh sáng PSI và PSII. Phản ứng sáng 1 xảy ra gắn liền với PSI. Năng lượng ánh sáng ở bước sóng dài (< 730nm) kích thích diệp lục a hấp thụ bước sóng dài (683,695) và P700. Năng lượng ánh sáng tập trung vào P700. Điện tử P700 giàu năng lượng được chuyển cho các chất vận chuyển trung gian (có thể là hợp chất Fd khử FRS, Fd, Fd2 rồi tới NADP để tạo NADPH). Phản ứng sáng 2 gắn liền với PS II. Năng lượng ánh sáng có bước sóng ngắn hơn (