Nghiên cứu hiệu lực của Mn, Cu đến quang hợp và tích lũy chất khô của cây đậu tương (glycine soja var. nigra) trồng trong dung dịch dinh dưỡng

JOURNAL OF SCIENCE OF HNUE Natural Sci., 2012, Vol. 57, No. 3, pp. 128-134 NGHIÊN CỨU HIỆU LỰC CỦA Mn, Cu ĐẾN QUANG HỢP VÀ TÍCH LŨY CHẤT KHÔ CỦA CÂY ĐẬU TƯƠNG (Glycine soja var. nigra) TRỒNG TRONG DUNG DỊCH DINH DƯỠNG Nguyễn Duy Minh Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Tóm tắt. Mn và Cu là các vi lượng có vai trò quan trọng trong quá trình chuyển hóa electron và photon ở phản ứng sáng quang hợp và tạo thành chất khô. Bài báo nghiên cứu hiệu lực của Mn, Cu đến quang hợp và tích lũy chất khô của cây đậu tương (Glycine soja var. nigra). Kết quả nghiên cứu cho thấy ở nồng độ Cu2+ từ 0,1 - 0,5 mg/l và Mn2+ là 5 mg/l đã làm hoạt động quang hợp tăng lên 150% khi sử dụng riêng lẻ hay phối hợp. Từ khóa:Quang hợp, tích lũy chất khô, đậu tương (Glycine soja var. nigra), Mn, Cu. 1. Mở đầu Đã có nhiều tài liệu nghiên cứu về vai trò của các nguyên tố vi lượng với nồng độ thích hợp ảnh hưởng mạnh mẽ tới sự tạo thành cơ quan dinh dưỡng, quá trình quang hợp và tạo thành chất khô ở hàng loạt cây trồng. Trong quá trình trao đổi chất phức tạp ở thực vật, quá trình quang hợp tiếp nhận trực tiếp ánh sáng với tác dụng của hệ sắc tố (diệp lục a, b, tỉ lệ diệp lục a/b) được chú ý trong quá trình photphorin hóa quang hợp, sự vận chuyển các chất hữu cơ được vận chuyển và tích lũy trong sinh khối thu hoạch, quyết định được năng suất sinh học và năng suất kinh tế. Các nguyên tố vi lượng có số lượng thấp trong cây nhưng có vai trò quan trọng trong cấu trúc các enzim. Hoạt động cố định CO2 trong quang hợp thực chất là hoạt động của các enzim trong pha enzim (pha tối quang hợp). Chính trong pha enzim này các enzim và năng lượng của pha sáng quang hợp đã tham gia vào sự chuyển hóa vật chất. Pha sáng quang hợp thực hiện vai trò khởi đầu của quang hợp có sự tham gia trực tiếp của ánh sáng và hệ sắc tố. Trong quá trình photphorin hóa quang hợp không vòng có sự tham dự của các nguyên tố vi lượng Mn, Fe và Cu. Mn và Cl là tác nhân thúc đẩy quá trình quang phân li H2O tạo nên các sản phẩm oxi, proton và electron: oxi được giải phóng ra ngoài môi trường dung trong quá trình hô hấp của thực vật và động vật, còn proton và electron tham gia vào sự tạo thành lực đồng hóa (ATP và NADPH) tham gia vào pha enzim khử CO2 128 Nghiên cứu hiệu lực của Mn, Cu đến quang hợp và tích lũy chất khô của cây đậu tương... thành gluxit. Cu có mặt trong thành phần plastoxianin, Fe có mặt trong xytocrom là thành phần quan trọng trong quá trình photphorin hóa quang hợp không vòng. Mn và Cu tham gia thúc đẩy hoạt động pha sáng quang hợp tạo sản phẩm hữu cơ, sản phẩm chủ yếu của cây trồng. Nồng độ vi lượng Mn và Cu tham gia vào hoạt động quang hợp của cây đậu tương và các cây họ Đậu có ý nghĩa quan trọng. Trồng cây trong dung dịch dinh dưỡng là một trong các phương pháp xác định nồng độ thích hợp ở mức độ dùng riêng rẽ và phối hợp hai nguyên tố [1-5]. 2. Nội dung nghiên cứu 2.1. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: cây đậu tương (Glycine soja var. nigra). - Phương pháp nghiên cứu: + Sử dụng môi trường dinh dưỡng nhân tạo Van der Crone. Trong 1 lít dung dịch gồm: 100 g KNO3, 0,25 g Ca3(PO4)2, 0,5 g Cu(SO4).12 H2O, 0,5 g MgSO4. 7H2O và hỗn hợp FeCl3 + chelaton (1 ml), pH: 6,2 - 5,37. + Thí nghiệm được đặt trong phòng trồng cây nhân tạo, các công thức thí nghiệm được lặp lại 4 lần. Dùng nồng độ Mn2+ (trong MnSO4) và Cu2+ (trong CuSO4) từ thấp đến cao (1 mg/l, 5 mg/l, 10 mg/l, 25 mg/l), sử dụng riêng rẽ và phối hợp. + Xác định diện tích lá, hàm lượng diệp lục, cường độ quang hợp trong giai đoạn 5 và 7 lá (bằng phương pháp cân và máy so màu Spekol). + Chất khô tích lũy xác định bằng phương pháp cân. 2.2. Kết quả và thảo luận 2.2.1. Ảnh hưởng của nguyên tố Mn đến hoạt động quang hợp ở cây đậu tương * Nồng độ Mn2+ thấp: Kết quả thu được ở các thời kì 5 lá (Bảng 1). Bảng 1. Cường độ quang hợp ở lá đậu tương thời kì 5 lá tính theo khối lượng chất khô (mg/dm2/giờ) Ngày đo Cường độquang hợp Công thức thí nghiệm (đối chứng) Công thức thí nghiệm (nồng độ Mn2+) 1 mg/l 5 mg/l 10 mg/l 25 mg/l Đo lần 1 mg/dm2/giờ 3,7 ± 0,255 4,5 ± 0,361 4,6 ± 0,300 2,9 ± 0,255 2,7 ± 0,173 % 100 122 124 75 73 Đo sau 7 ngày (lần 2) mg/dm 2/giờ 5,2 ± 0,495 5,6 ± 0,515 6,8 ± 0,495 4,2 ± 0,200 3,5 ± 0,406 % 100 108 131 81 67 Đo sau 14 ngày (lần 3) mg/dm 2/giờ 3,3 ± 0,265 4,7 ± 548 4,5 ± 0,300 1,7 ± 0,324 0,9 ± 0,185 % 100 142 135 52 27 129 Nguyễn Duy Minh Ở nồng độ thấp (1 - 5 mg/l), Mn2+ có tác động tới quá trình quang hợp, chất khô tăng so với đối chứng từ 20% - 30%. * Nồng độ Mn2+ cao: Cường độ quang hợp thấy ở các nồng độ Mn2+ cao (50 - 500 mg/l), điều đó cho thấy nguyên tố vi lượng này không tiếp nhận vào pha sáng, chất hữu cơ ở cơ quan dinh dưỡng giảm sút 20%, có đợt giảm 50% tùy thuộc vào giai đoạn sinh trưởng (Bảng 1, Bảng 2). Bảng 2. Ảnh hưởng của nồng độ cao đến sự tích lũy chất tươi và chất khô (g) ở cây đậu tương Ở các nồng độ cao của Mn2+ sự hấp thu và đồng hóa Mn gây tác dụng kìm hãm rõ rệt, giảm sút trên 50% so với đối chứng Nồng độ Mn2+ từ 10 mg/l đến 500 mg/l khối lượng tươi và khối lượng khô theo chiều hướng giảm dần. Theo dõi khối lượng tươi bộ rễ là cơ quan tiếp nhận trực tiếp chất khoáng đã không thể thu được các nguyên tố Mn. Cơ quan trên mặt đất gồm thân, lá có sự giảm sút khối lượng chậm hơn. Sự 130 Nghiên cứu hiệu lực của Mn, Cu đến quang hợp và tích lũy chất khô của cây đậu tương... quang phân ly nước với tác động của Mn và Cl diễn ra chậm hơn. Khối lượng khô thu được giảm đi 1/3 so với đối chứng, trong khi đó sự hao hụt khối lượng tươi mất đi tới 4/5 so với đối chứng. 2.2.2. Ảnh hưởng của nguyên tố Cu đến hoạt động quang hợp ở cây đậu tương Trong quá trình quang hợp plastoxianin chứa Cu nằm trong dãy vận chuyển điện tử từ sát trung tâm phản ứng P700 có vai trò quan trọng trong pha sáng quang hợp. Sử dụng Cu2+ ở các nồng độ khác nhau có ảnh hưởng tới quá trình quang hợp và sự sinh trưởng của cây. Kết quả thu được trình bày ở Bảng 3. Bảng 3. Ảnh hưởng của Cu2+ đến cường độ quang hợp tính theo sự hình thành chất khô trong cường độ quang hợp (mg/dm2/giờ) Cường độ Công thức TN Công thức TN (nồng độ Cu2+) quang hợp (đối chứng) 0,1mg/l 0,5 mg/l 1 mg/l 5 mg/l 10 mg/l Tích lũy chất khô (mg/dm2 /giờ) 2,9 ± 0,245 4,3 ±0,244 4,4 ± 0,324 2,2 ± 0,224 2,0 ± 0,173 1,0 ± 0,173 % so với đối chứng 100 148 152 76 68 43 Kết quả Bảng 3 cho thấy nồng độ Cu2+ thấp 0,1 - 0,5 (mg/l) có tác động cao đến quang hợp và khi nồng độ Cu2+ cao hơn: 1, 5, 10 (mg/l) sẽ làm giảm quang hợp. 2.2.3. Ảnh hưởng của nguyên tố Mn, Cu dùng riêng rẽ và phối hợp Mn, Cu đến hoạt động quang hợp và sự tích lũy chất khô ở các cơ quan khác nhau của cây đậu tương Hoạt động quang hợp với sự hiện diện của Mn, Cu dùng riêng rẽ hay phối hợp có tác động tới các nhân tố của quá trình photphorin hóa quang hợp không vòng. Kết quả nghiên cứu về tác động của Mn2+, Cu2+ dùng riêng rẽ và phối hợp tới diện tích lá, cường độ quang hợp được trình bày ở Bảng 4 và Bảng 5. Số liệu ở Bảng 4 cho thấy ở công thức xử lí Mn2+ 5 mg/l, Cu2+ 0,5 mg/l, và Mn2+ 5 mg/l + Cu2+ 0,5 mg/l, diện tích lá cao hơn so với đối chứng. Bảng 4. Diện tích lá 1 cây đậu tương ở công thức Mn2+, Cu2+ dùng riêng rẽ và phối hợp Mn2+, Cu2+ Công thức Diện tích lá 1 cây (dm2) Đo lần 1 Đo sau 10 ngày Đối chứng 0,879 2,412 Cu2+ 0,5 mg/l 0,929 2,546 Mn2+ 5 mg/l 0,989 2,558 Mn2+ 5 mg/l + Cu2+ 0,5 mg/l 1,001 2,672 131 Nguyễn Duy Minh So với đối chứng các nồng độ thích hợp Mn2+, Cu2+ và các nồng độ đó đều làm tăng diện tích lá, cơ quan tiếp nhận ánh sáng trong quang hợp. Hàm lượng sắc tố trong lá ở các công thức thí nghiệm tính theo diện tích lá và khối lượng lá cũng tăng hơn so với đối chứng. 2.2.4. Ảnh hưởng của Mn2+, Cu2+ và phối hợp Mn2+, Cu2+ đến sự tích lũy chất khô ở cây đậu tương Sử dụng riêng lẻ và phối hợp Mn2+, Cu2+ ở các nồng độ thích hợp cho kết quả tích cực làm tăng chất hữu cơ trong các cơ quan của cây (Bảng 5). Trường hợp sử dụng ở các nồng độ cao, sự tích lũy chất hữu cơ không có hiệu quả đến tích lũy chất hữu cơ (Bảng 6). Bảng 5. Sự tích lũy chất khô của các cơ quan cây đậu tương khi dùng riêng lẻ Mn2+, Cu2+ và phối hợp phối hợp Mn2+, Cu2+ 132 Nghiên cứu hiệu lực của Mn, Cu đến quang hợp và tích lũy chất khô của cây đậu tương... Dùng phối hợp Mn2+, Cu2+ với các nồng độ cao hơn trong dung dịch dinh dưỡng nhân tạo, kết quả thu được không làm tăng chất khô tích lũy ở các bộ phận của cây. Kết quả được trình bày ở Bảng 6. Bảng 6. Sự tích lũy chất khô ở các bộ phận cây đậu tương khi phối hợp Mn2+, Cu2+ ở các nồng độ cao hơn Công thức Rễ Thân Lá Toàn cây (g) (%) (g) (%) (g) (%) (g) (%) Đối chứng 0,088 ± 0,017 100 0,230 ± 0,005 100 0,279 ± 0,014 100 0,597 ± 0,042 100 Mn2+ 5 mg/l + Cu2+ 0,5 mg/l 0,015 ± 0,010 199 0,305 ± 0,010 133 0,355 ± 0,022 127 0,765 ± 0,015 128 Mn2+ 5 mg/l + Cu2+ 1 mg/l 0,082 ± 0,010 93 0,248 ± 0,023 108 0,263 ± 0,036 95 0,594 ± 0,066 100 Mn2+ 10 mg/l + Cu2+ 1 mg/l 0,084 ± 0,008 95 0,264 ± 0,021 115 0,248 ± 0,005 89 0,596 ± 0,036 100 Trong các công thức thí nghiệm sử dụng nồng độ Mn2+ hay Cu2+ cao hơn nồng độ thích hợp như đã thấy ở các thí nghiệm trên đều cho kết quả không bằng công thức Mn2+ 5 mg/l + Cu2+ 0,5 mg/l. 3. Kết luận - Nguyên tố Mn và Cu là các nguyên tố vi lượng có vai trò quan trọng trong việc vận chuyển electron và proton trong pha sáng quang hợp, thúc đẩy sự tạo thành chất hữu cơ. - Xử lí riêng rẽ Mn2+ ở nồng độ 5 mg/l có tác dụng làm tăng hoạt động quang hợp của lá 20% - 30% so với đối chứng. Nồng độ Mn2+ cao làm giảm sút sự tăng trưởng của cây. - Xử lí riêng rẽ Cu2+ ở nồng độ 0,1 - 0,5 mg/l có tác động tới hoạt động quang hợp của cây, làm tăng hiệu quả tới 150% so với đối chứng. Nồng độ cao hơn làm giảm quá trình tích lũy chất khô của cây. - Sử dụng phối hợp Mn2+ 5 mg/l và Cu2+ 0,5 mg/l có tác động tích cực tới quang hợp và tích lũy chất khô (tăng 20% so với đối chứng) của rễ, bộ phận trên mặt đất và toàn cây. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Duy Minh, 1981. Quang hợp. Nxb Giáo dục, Hà Nội. [2] Nguyễn Duy Minh và Nguyễn Như Khanh, 1982. Thực hành Sinh lí thực vật. Nxb Giáo dục, Hà Nội. [3] Phạm Đình Thái, Nguyễn Duy Minh và Nguyễn Lương Hùng, 1987. Sinh lí thực vật. Nxb Giáo dục, Hà Nội. [4] Innaculada Yruela, 2005. Copper in plants. The Microelementy, 6, p. 185. 133 Nguyễn Duy Minh [5] Gopal Rajeev, Giri Vivek, 2008. Excess cooper and manganese alters the growth and vigour of maize seedling in solution culture. The Microelementy, 6, p. 190. ABSTRACT A study on the effects of Mn and Cu on Photosynthesis and accumulation matter of Soybean (Glycine soja) var Nigra in culture solution Mn and Cu are two microelements that play an important role in transporting electrons and protons in the light reactions of photosynthesis and in the formation of organic matter. An application of Mn2+ at a concentration of 5 mg/l could help to increase the leaves’ photosynthetic activity while Mn2+ in high concentration might reduce photosynthetic activity. An application of Cu2+ at a concentration as low as of 0.1 - 0.5 mg/l could increase plants’ photosynthetic activity up to 150% compared to an untreated sample. A high concentration might reduce the accumulation of matter that plants store. An application of a combination of Mn2+ (5 mg/l) and Cu2+ (0.5 mg/l) could increase photosynthetic activity, and the accumulation of stored matter in the roots and the entire above ground plant. 134