Sản xuất hạt giống và công nghệ hạt giống - Chương 4

Trường ðại học Nông nghiệp 1 - Giáo trình Sản xuất giống và công nghệ hạt giống----------------------- 73


CHƯƠNG 4
TRẠNG THÁI NGỦ NGHỈ CỦA HẠT

Khả năng trì hoãn sự nảy mầm của hạt một thời gian là ñúng với cơ chế của sự sống.
ở thực vật trạng thái ngủ của hạt là một phức hợp và là thách thức ñối với các nhà
nghiên cứu phân tích hạt. Nó là một phản ứng thích nghi của cây trồng với môi
trường. Cây trồng ñã ñược thuần hoá lâu biểu hiện trạng thái ngủ ít hơn cây hoang
dại hoặc loài mới thuần hoá. Cây trồng khi ñã thuần hoá nó vẫn còn biểu hiện ngủ
nghỉ là một khó khăn lớn cho người sản xuất giống và các nhà nghiên cứu hạt giống.
Mặc dù vậy mức ñộ ngủ nghỉ trong một số trường hợp lại là mong muốn của nông
dân và nhà sản xuất hạt giống ñể ngăn cản nảy mầm trước khi thu hoạch hoặc trong
thời gian bảo quản hạt giống. Thực chất khi hạt ngủ nghỉ mang lại những lợi thế cơ
bản sau:
- Bảo tồn giống
- Tạo thành ngân hàng hạt giống
- ðồng bộ hoá sự nảy mầm - bảo ñảm một lượng lớn cây trồng ở cùng một
thời ñiểm cho phát triển
- Phát tán hạt giống - hạt ñược phát tán nhờ các loài ñộng vật di cư thuận
lợi hơn khi có ngủ nghỉ
Môt sự hiểu biết chung sự ngủ nghỉ ñó chỉ là trạng thái nghỉ của hạt khi chưa có ñiều
kiện thuận lợi cho sự nảy mầm. Trạng thái này ñược gọi là trạng thái tạm dừng hoạt
ñộng trao ñổi chất. Mặc dù vậy trạng thái ngủ ñược xác ñịnh khi một tình trạng ngăn
cản nảy mầm ngay cả trong ñiều kiện môi trường thuận lợi. Một số cơ chế vật lý và
sinh lý của trạng thái ngủ của hạt, dựa trên trạng thái , mức ñộ và nguyên nhân gây
các nhà khoa học chia ngủ nghỉ thành 2 loại chính là ngủ sơ cấp (primary

dormancy) và ngủ thứ cấp (second dormancy )
Thực chất khi hạt ngủ nghỉ mang lại những lợi thế cơ bản sau:
1. Bảo tồn giống
2. Tạo thành ngân hàng hạt giống
3. ðồng bộ hoá sự nảy mầm - bảo ñảm một lợng lớn cây trồng ở cùng một
thời ñiểm cho phát triển lai xa
4. Phát tán hạt giống - hạt ñợc phát tán nhờ các loài ñộng vật di c

4.1 Khái niệm
Ngủ nghỉ của hạt (seed dormancy) với nghĩa chung nhất là trạng thái ngừng hoạt
ñộng sinh trưởng bởi các nguyên nhân bên ngoài hay bên trong, hạt ngủ nghỉ là
hạt không có khả năng nảy mầm ngay cả khi ñiều kiện môi trường thuận lợi cho
sự nảy mầm của hạt ñó.
Trong tự nhiên ngủ nghỉ là một cơ chế giúp nhiều loài thực vật tồn tại và sống sót
trong những mmôi trường ñặc biệt. ðiều khiển thời gian nảy mầm khi môi trường
thuận lợi nhất ñảm bảo cho sự sống sót của cây con và cây non tuổi. Ngủ sơ cấp của



Trường ðại học Nông nghiệp 1 - Giáo trình Sản xuất giống và công nghệ hạt giống----------------------- 74


hạt là hạt không có khả năng nảy mầm ngay cả trong ñiều kiện môi trường thuận lợi
do yếu tố bên ngoài hay yếu tố nội tại trong hạt và thường xảy ra ở giai ñoạn khi hạt
còn trên cây hoặc thời gian ñầu sau khi thu hoạch. Ngủ thứ cấp là có những yếu tố
ngăn cản sự này mầm của hạt khi ñã thu hoạch và ở trong ñiều kiện môi trường phù
hợp cho nảy mầm.
4.2 Các hình thức ngủ nghỉ
Theo Larry O Copeland, 1995 ngủ nghỉ của hạt ñược phân thành hai nhóm là ngủ
sơ cấp và ngủ thức cấp, trong ngủ sơ cấp lại ñược phân làm hai hình thức ngủ ngoại

sinh và ngủ nội sinh
4.2.1 Trạng thái ngủ sơ cấp
Ngủ sơ cấp là hình thức ngủ phổ biến nhất và ñược chia làm hai hình thức là ngủ
nội sinh và ngủ ngoại sinh.
(1) Trạng thái ngủ ngoại sinh
Ngủ ngoại sinh là do các ñiều kiện cần thiết cho sự nảy mầm của môi trường
bên ngoài không phù hợp như ánh sáng, nhiệt ñộ, không khí... hoặc do cấu trúc
của vỏ hạt không thấm nước và không khí dẫn ñến trạng thái ngủ nghỉ của hạt,
nói cách khác hình thức ngủ này liên quan ñến ñặc tính của vỏ hạt.
(2) Ngủ nội sinh
Ngủ nội sinh là dạng ngủ phổ biến nhất của hạt, là ñặc tính di truyền của hạt do
các yếu tố bên trong hạt như ñộ chín của phôi, các chất ñiều tiết sinh trưởng, quá
trình trao ñổi chất chưa hoàn thành hoặc không phù hợp cho sự nảy mầm. Ví dụ
hạt ngủ nghỉ do ảnh hưởng mạnh bởi quá nhiều chất ức chế phải loại bỏ hoặc
giảm ñi trước khi nảy mầm. Hình thức ngủ nội sinh không giống ngủ ngoại sinh
yêu cầu sự biến ñổi của vỏ hạt mà yêu cầu phải có những biến ñổi sinh lý trong
hạt . ðể thay ñổi sinh lý trong hạt người ta có thể sử dụng chất ñiều tiết sinh
trưởng, thay ñổi nhiệt ñộ, phơi nắng sẽ giảm bớt ngủ nội sinh của hạt.
4.2.2 Ngủ thứ cấp
Ngủ thứ cấp do sự cưỡng bức quá mức của ñiểm tới hạn trong chuỗi trao ñổi chất
hướng ñến sự nảy mầm hoặc có thể do cân bằng chất kích thích và ưc chế sinh
trưởng không phù hợp
4.2.3 Hệ thống phân loại khác về ngủ nghỉ
Một hệ thống phân loại ngủ nghỉ của hạt “ quan sát toàn bộ hạt” của Marianna G.
Nikolaeva phân loại ñược xác ñịnh bằng hình thái và sinh lý của hạt trên cơ sở này
C. Baskin and J. Baskin (1998; 2004) ñề nghị một hệ thống phân loại ngủ nghỉ hoàn
chỉnh bao gồm 5 loại ngủ nghỉ của hạt.
1) Ngủ sinh lý (Physiological dormancy-PD), PD là hình thức phổ biến ở các
loại hạt của cây hạt trần và cây hạt kín. Ngủ sinh lý có thể chia làm ba mức
nhỏ: Ngủ sâu (PD deep), trung gian(PD intermediate) và ngủ không sâu (PD

non-deep). PD sâu: Tách phôi ñể cho nảy mầm loại hạt này cũng không sinh
trưởng và tạo ra cây con bình thường, xử lý GA
3
không phá ngủ ñược loại
ngủ này nó cần một vài tháng ủ lớp lạnh hoặc ấm ñể nảy mầm. Chủ yếu của
các cây trồng là ở dạng ngủ không sâu, loại này khi tách phôi nuôi tạo ra cây
con bình thường và xử lý GA
3
có thể phá ngủ ñược.



Trường ðại học Nông nghiệp 1 - Giáo trình Sản xuất giống và công nghệ hạt giống----------------------- 75


2) Ngủ hình thái (Morphological dormancy -MD), MD rõ ràng trong các hạt với
quá trình phát triển của phôi, nhưng khác nhau (lá mầm và trụ rễ mầm).
Những phôi này không ngủ nghỉ nhưng cần có thời gian ñể phát triển và nảy
mầm.
3) Ngủ hình thái- sinh lý (Morphophysiological dormancy-MPD), MPD cũng
chứng minh dưới quá trình phát triển của phôi nhưng có phối hợp với ngủ
sinh lý. Loại hạt này yêu cầu xử lý phá ngủ như ủ lớp hoặc GA
3

4) Ngủ lý học (Physical dormancy -PY), PY do nguyên nhân lớp tế bào không
thấm nước trong vỏ hạt hoặc vỏ quả. Phá ngủ trạng thái này bằng cơ học hay
hóa học
5) Ngủ phối hợp (Combinational dormancy - PY+PD), PY+PD là tổ hợp của
ngủ sinh lý và cơ lý
4.3 Di truyền ngủ nghỉ của hạt

4.3.1 Những ảnh hưởng của Gen
Ngủ nghỉ của hạt là một tổ hợp các tính trạng trước hết là một tổ hợp các cấu trúc di
truyền của hạt. Hạt bao gồm ba phần chính có di truyền khác nhau là phối, nội nhữ
và vỏ hạt, cả ba phần chính này của hạt ñều có ñóng góp vào khả năng nảy mầm hay
ngủ nghỉ của hạt. Nghiên cứu di truyền ngủ nghỉ trên lúa mỳ và lúa mạch các nhà
khoa học ñã xác ñịnh di truyền ñến ngủ nghỉ của hạt nằm trên nhiễm sắc thể số 7,
một gen cạnh maker PSR128 ảnh hưởng mạnh nhất ñến ngủ nghỉ. Ảnh hưởng ít hơn
là AGG 390. Hai vùng genome không ảnh hưởng ñến ngủ nghỉ của hạt chỉ trên môi
trường ñặc thù một nằm trên nhiễm sắc thể số 4, xung quanh marker BCD 402B nếu
hạt tạo ra trong ñiều kiện khô. Gen Amy2 trên nhiễm sắc thể số 1 cũng gây ra ngủ
nghỉ khi hạt hình thành trong một số ñiều kiện khô. Nghiên cứu này là bằng chứng
cho thấy ngủ nghỉ có thể ñược ñiều khiển bởi ña gen và rất khác nhau giữa các loài
cây trồng. Ngủ nghỉ còn do tương tác lấn át gen do Burrass and Skinnes, 1984
nghiên cứu ảnh hưởng của các allel trên 4 loci Amy2, BCD402, PSR128 và
ABG390 thấy xuất hiện có tương tác ñiều khiển ngủ nghỉ.
4.3.2 Ảnh hưởng của môi trường
Ngủ nghỉ của hạt ảnh hưởng bởi rất nhiều yếu tố môi trường như ánh sáng, nhiệt ñộ
trong quá trình phát triển của hạt trên cây mẹ, trong quá trình dự trữ hạt giống hoặc
trong quá trình nảy mầm. Ngủ nghỉ của hạt có thể mất ñi hoặc xảy ra trong thời gan
dự trữ dưới ñiều kiện ẩm ñộ thấp, thời gian cần thiết cho quá trình chín của hạt tiếp
tục sau thu hoạch. Những ñặc ñiểm này tạo ra ngủ nghỉ của hạt rất khó xác ñịnh bởi
vì ngay cả hạt khác nhau của cùng một kiểu gen cũng có thể mất ñi ngủ nghỉ tại các
thời gian khác nhau. ðể xác ñịnh ngủ nghỉ của hạt tốt nhất là ñánh gía một số lớn hạt
sau chín và ñánh giá nảy mầm ở những thời ñiểm khác nhau sau chín, phương pháp
4.4 Nguyên nhân và phương pháp phá ngủ sơ cấp
4.4.1 Nguyên nhân ngủ ngoại sinh và biện pháp phá ngủ
4.4.1.1 Các yếu tố tác ñộng ñến ngủ ngoại sinh
Có 3 yếu tố chính ảnh huởng ñến ngủ ngoại sinh là:
+ Nước
+ Các chất khí

Trường ðại học Nông nghiệp 1 - Giáo trình Sản xuất giống và công nghệ hạt giống----------------------- 76


+ Hạn chế cơ giới
(a) Ảnh hưởng của nước
+ Khả năng hút nước của hạt liên quan ñến di truyền
Sự hút nước là ñiều kiện và quá trình ñầu tiên ñảm bảo cho sự nảy mầm của hạt. Sự
hút nước phụ thuộc vào nhiều yếu tố và ñầu tiên là cấu trúc của vỏ hạt, cấu trúc của
vỏ hạt ngăn cản khả năng hút nước của hạt ñã dẫn ñến trạng thái ngủ nghỉ của hạt.
Sự thấm nước của vỏ hạt là một tính trạng di truyền ñược chính minh là khả năng
hút nước khác nhau của các loài cây trồng và ngay cả trong cùng loài. Dexter, 1955
cho biết chỉ có sự sai khác nhỏ về sự thẩm thấu của vỏ hạt giữa các giống cỏ alfalfa
.Mặc dù vậy hầu hết các nghiên cứu tìm ra ñặc tính này có tính di truyền cao. Một
nghiên cứu khác cho kết quả có 80% giống ñậu trong 338 giống vỏ hạt có khả năng
thẩm thấu với phạm vi từ 1 - 79% (Gloyer, 1932). ðiều khiển di truyền của sự thẩm
thấu ñược minh hoạ bằng một nghiên cứu khác khi các dòng cỏ 3 lá ñã ñược chọn
lọc cho sự thẩm thấu nước . Các thành phần của hạt chín hoàn toàn thì có thể thẩm
thấu tăng lên từ 1-63% (Benelt, 1959). Kết quả của chương trình tạo giống và chọn
lọc giống cỏ này "Chief" với ñặc ñiểm khả năng thâm thấu nước rất có lợi ñể gieo
trồng.
+ Sự thấm thấu nước của hạt do cấu trúc vỏ hạt
Các hạt biểu hiện thẩm thấu nước khác nhau như là hạt rắn do có lớp tế bào biểu bì
hoặc mô dậu phát triển hoặc cả 2 lớp tế bào trên phát triển tạo ra vỏ hạt rắn chắc
khó thấm nước. Cấu trúc vỏ hạt có khả năng thấm nước khác nhau còn do các hợp
chất hữu cơ tổng hợp trong vỏ hạt như Sulerin, lignin hoặc cutin. Ví dụ vỏ của
nhiều hạt ñậu cũng như các loài vỏ cứng khác có các chất lignin và cutin lớn cũng có
ảnh hưởng ñến khả năng thẩm thấu nước của hạt. Sự thẩm thấu của nước cũng liên

quan ñến thành phần cấu trúc hạt như rốn, rãnh và vỏ hạt. Hạt một số loài cây trồng
nước vào và ra khỏi hạt ñi qua một chỗ mở nhỏ ở vỏ hạt gần rốn hạt gọi là mộng
(Strophiolar Plug). Mộng này bị lấp bởi chất suberin tạo thành tầng bần, do vậy
nước chỉ có thể ñi vào hạt nếu làm mất lớp tầng bần này gây ra trạng thái ngủ của
hạt. Biện pháp lắc mạnh gây xây xát là cơ chế cũng có thể làm mất hoặc thay ñổi lớp
bần và cho phép nước ñi vào hạt ñể phá ngủ ở các loàig hạt do nguyên nhân này gây
ngủ nghỉ. Biểu bì của vỏ ñậu có thể ảnh hưởng ñến hạn chế sự xâm nhập của nước,
hạt một số loài chỉ lỗ noãn cho thẩm thấu nước còn biểu bì vỏ không thấm nước. Ví
dụ ñậu lớn miền Bắc nước Mỹ bịt lỗ noãn thì hạt chỉ nhận ñược 0,25% khối lượng
của nó trong khi mở lỗ noãn hạt nhận ñược 79% (Kyla 1955). Rãnh hạt ñậu lớn góp
phần nhận ñược nhiều nước hơn lỗ noãn trong 24 giờ ñầu, vì vậy các bộ phận khác
nhau là có tầm quan trọng khác nhau ñể ñiều khiển nước vào hạt trong giai ñoạn ñầu
của sự thẩm thấu.
+ Sự thẩm thấu nước do ảnh hưởng của môi trường
Môi trường cũng ảnh hưởng ñến sự thẩm thấu của hạt tuy nhiên chưa có những
nghiên cứu cụ thể về ảnh hưởng của môi truờng ñến khả năng hút nước của hạt. Ví
dụ thời tiết ở giai ñoạn cuối cùng của hạt chín là ảnh hưởng ñặc biệt ñến khả năng
hút nước của hạt. Tác ñộng ñến khả năng hút nước của hạt ở giai ñoạn chín do một
số yếu tố môi trường tác ñộng chứ không phải là tác ñộng riêng của một yếu tố.



Trường ðại học Nông nghiệp 1 - Giáo trình Sản xuất giống và công nghệ hạt giống----------------------- 77


(b ) Ảnh hưởng của các chất khí
+ Tính lựa chọn thẩm thấu của vỏ hạt:
Hạt nảy mầm cần có oxy tuy nhiên khả năng thấm oxy của hạt là rất khác nhau giữa
các loài. Sự thẩm thấu oxy phụ thuộc vào cấu trúc của hạt và các yếu tố môi trường.
Mặc dù nước và oxy ñều có phân tử nhỏ, nhưng vỏ hạt có thể lựa chọn cho nước ñi

qua mà không cho oxy ñi qua. Cơ chế ngăn cản các chất khí ñến phôi là rất khó xác
ñịnh bởi vì các chất khí không ổn ñịnh trong ñiều kiện tự nhiên. Màng phôi tâm của
hạt dưa chuột, vỏ quả trong của hạt cà phê ñã biết là những cơ quan hạn chế thấm
của oxy.
+ Chất ức chế thẩm thấu khí của vỏ hạt:
Cơ chế biết rõ hơn về vỏ hạt thẩm thấu oxy là cây kê (Xanthium), sự nảy mầm của
hạt kê ñược sử dụng ñể chỉ ra rằng có sự chọn lọc khí ñể thẩm thấu. Một nghiên cứu
mới ñây chỉ ra rằng hạt nhỏ và trên cao hơn của cây kê có lượng chất ức chế lớn
hơn là hạt to ở dưới thấp ñẫn ñến yêu cầu oxy khác nhau cho sự nảy mầm, hạt nhỏ
yêu cầu oxy cao hơn. Nó gợi ý rằng hạt nhỏ yêu cầu nhiều oxy hơn ñể oxy hoá và
không hoạt hoá chất ức chế trước khi nảy mầm 100% . Ví dụ của thẩm thấu oxy của
vỏ hạt cây kê ñang là một thách thức ñối với nghiên cứu. Hạt táo cung cấp cho một
ví dụ khác của sự hạn chế thẩm thấu oxy của vỏ hạt. Khi giữ ở 20
0
C chúng biểu hiện
hạn chế thẩm thấu oxy nhưng thẩm thấu tăng khi ở nhiệt ñộ 4
0
C (Come,1968) vì
vậy có thể nhiệt ñộ có tác ñộng ñến thẩm thấu oxy. Các loại hạt khác cũng có biểu
hiện rất khác nhau về thẩm thấu oxy và cacbon dioxide (CO
2
) màng tế bào của hạt
dưa chuột là một ví dụ, màng trong khả năng thẩm thấu CO
2
(15,5ml/cm
2
/hr) hơn
oxy (4,3ml/cm
2
/hr) (Brower, 1940).

(c) Cấu tạo vỏ hạt
Ngủ nghỉ cũng có khi ñóng góp bởi tính chất vật lý của vỏ hạt. Một giả sử áp lực sự
hút nước tăng và sinh trưởng không ngang bằng gây gãy vỏ hạt và cho phép nảy
mầm. Hiển nhiên ñể chứng minh cho ñiều này là cơ sở nhận biết sự thay ñổi vận
ñộng của vỏ hạt tạo ra sự nảy mầm. Ghi nhận của Koller1955 cho biết ñây là kiểu
ngủ trong hạt mã ñề, ñào, dâu tây. Mặc dù vậy, nó cũng ñược ghi nhận rằng vỏ hạt
hạn chế các chất ñi vào và cũng là ñào thải các chất ra khỏi của vỏ hạt. Ngoài ra vỏ
hạt thể can thiệp chắt lọc chất ức chế và hạn chế các dòng nước. Rất nhiều sự thay
ñổi xảy ra với sự bài thiết của vỏ hạt ñến nay chưa có thí nghiệm nào minh hoạ rõ
ràng hoạt ñộng của vỏ hạt như một sự cản trở cơ giới ñến phôi nảy mầm. Cần nghiên
cứu ñể xác ñịnh cơ chế cản trở của vỏ hạt cũng như cưỡng bức phôi nảy mầm. Môt
cố gắng nghiên cứu cung cấp những thông tin này của Esashi và Leopold, 1968, kết
luận rằng những hạt Xanthium ngủ ñông yêu cầu ánh sáng mạnh ñể làm vỡ vỏ hạt
cao hơn hạt không ngủ ñông. Họ ñã chứng minh rằng phôi của hạt không ngủ ñông
phát triển tự ñâm ra ñể nảy mầm gấp 2 lần hạt ngủ ñông, ñiều ñó chứng minh rằng
cản trở vật lý của vỏ hạt không là cơ chế chính bắt buộc ngủ nghỉ của những hạt này.
Những nghiên cứu tiếp theo ñể xác lập sự hạn chế của vỏ hạt là một nguyên nhân
như thế nào với trạng thái ngủ của hạt là cần thiết