Quá trình nảy mầm

Quá trình nảy mầm là giai đoạn mà một cây mọc lên từ một hạt giống. Ví dụ điển hình nhất về quá trình nảy mầm là một hạt mầm của cây con nảy lên từ hạt giống của cây hoa hay cây lúa. Tuy nhiên, sự phát triển của một bào tử từ một bào tử, chẳng hạn như việc một sợi nấm phát triển từ một bào tử nấm cũng có thể được coi là quá trình nảy mầm. Vì thế, quá trình nảy mầm có thể hiểu là quá trình một thực thể nhỏ trở thành lớn hơn hay một phần cơ thể sống, là một phương pháp thường được áp dụng trong nhiều dự án phát triển hạt giống.

Quá trình nảy mầm của hạt giống

Nảy mầm là quá trình phát triển của cây từ bên trong hạt giống, khiến cho cây con hình thành. Hạt giống của cây thường được bao bọc bởi một lớp vỏ hình nón sau khi tế bào phôi đực và cái kết hợp lại. Tất cả các hạt giống phát triển đều chứa một phôi, với hầu hết các loài cây kèm theo một lượng dự trữ thức ăn, bọc trong lớp áo hạt. Một số loài cây sinh ra hạt không có phôi, được gọi là hạt lép và không thể nảy mầm. Hạt giống tiềm sinh là những hạt đã chín nhưng không nảy mầm do yếu tố môi trường ngăn cản quá trình phát triển tế bào. Trong điều kiện thích hợp, hạt giống sẽ nảy mầm và phát triển thành cây con.

Việc nảy mầm của hạt giống phụ thuộc vào cả yếu tố nội và ngoại sinh. Nhiệt độ, nước, oxy và ánh sáng (hoặc bóng tối) là những yếu tố quan trọng nhất bên ngoài ảnh hưởng đến quá trình này. Mỗi loài cây đều cần các điều kiện khác nhau để nảy mầm hiệu quả, phụ thuộc vào sự đa dạng của hạt giống và điều kiện sống tự nhiên. Với một số loại hạt giống, quá trình nảy mầm có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường trong quá trình hình thành hạt giống, thường là các dạng tiềm sinh.

Nước là yếu tố cần thiết cho quá trình nảy mầm. Hạt giống trưởng thành thường rất khô và cần hấp thu nước để có thể phục hồi quá trình chuyển hóa và phát triển tế bào. Hầu hết các loài cây cần một lượng nước đủ để làm ẩm hạt giống mà không làm ngập nước. Quá trình hấp thu nước gọi là sự hút ẩm, làm cho lớp vỏ hạt nở ra và vỡ. Khi hạt giống phát triển, hầu hết các cây trữ một lượng dự trữ thức ăn như tinh bột, protein và dầu. Nguồn dự trữ này cung cấp dinh dưỡng cho phôi phát triển. Khi hạt giống hấp thu nước, các enzym thủy phân được kích hoạt và chuyển nguồn dự trữ này thành các chất hữu ích. Khi cây con mọc rễ và lá xuất hiện từ lớp vỏ hạt, nguồn dự trữ thường cạn kiệt và sự quang hợp cung cấp năng lượng cho sự phát triển tiếp theo.

Oxy là yếu tố thiết yếu trong quá trình nảy mầm, cung cấp năng lượng cho hô hấp của cây con cho đến khi cây mọc lá. Oxy là một loại khí trong không khí, tồn tại trong khoảng trống giữa các hạt giống trồng. Nếu hạt giống bị chôn quá sâu dưới đất hoặc đất bị ngập nước, hạt giống có thể thiếu oxy. Một số loại hạt giống có lớp vỏ không thẩm thấu, không cho phép oxy xâm nhập, dẫn đến tiềm sinh vật lý mà sẽ mất khi lớp vỏ hạt bị mòn để hạt trao đổi khí và hấp thu nước từ môi trường.

Ánh sáng và bóng tối có thể là yếu tố kích hoạt quan trọng trong môi trường nảy mầm và là một dạng tiềm sinh sinh lý. Đa số hạt giống không bị ảnh hưởng bởi ánh sáng hay bóng tối, nhưng nhiều loại hạt, đặc biệt là ở môi trường rừng, không thể nảy mầm cho đến khi có một khoảng trống ở tầng tán chính để cung cấp đủ ánh sáng cho hạt phát triển thành cây con.

Các vết rạn mô phỏng các quá trình tự nhiên sẽ làm yếu đi lớp vỏ hạt trước khi hạt có thể nảy mầm. Trong tự nhiên, một số loại hạt giống yêu cầu điều kiện đặc biệt để nảy mầm, như nhiệt độ từ một đám cháy (như nhiều loài thực vật bản địa ở Úc), hoặc phải nằm trong một khối nước rất lâu. Những hạt khác cần phải trải qua tiêu hóa trong hệ tiêu hóa của động vật để làm mềm lớp vỏ hạt, đủ để cây con phát triển.

Sự tiềm sinh

Một số loại hạt thuộc dạng tiềm sinh và cần nhiều thời gian hơn, và/hoặc phải chịu một số điều kiện môi trường đặc biệt trước khi chúng có thể nảy mầm. Sự tiềm sinh của hạt có thể bắt nguồn từ nhiều phần khác nhau, như bên trong phôi; trong những trường hợp khác là từ lớp vỏ hạt. Việc phá vỡ sự tiềm sinh thường liên quan đến các thay đổi ở các lớp màng, bắt đầu từ các dấu hiệu đặc biệt. Điều này thường xảy ra trong những hạt chứa nước. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự tiềm sinh của hạt bao gồm sự hiện diện của các hormone thực vật nhất định, như axit abscisic (ngăn cản sự nảy mầm) và gibberellin (kết thúc sự tiềm sinh). Trong quá trình ủ rượu, hạt lúa mạch được xử lý với gibberellin để đảm bảo sự nảy mầm đồng đều để sản xuất lúa mạch.

Quá trình hình thành của cây con

Theo một số định nghĩa, sự xuất hiện của rễ mầm đánh dấu sự kết thúc của quá trình nảy mầm và bắt đầu 'quá trình hình thành', một giai đoạn mà sẽ kết thúc khi cây con đã sử dụng hết nguồn dự trữ bên trong hạt. Sự nảy mầm và quá trình hình thành cây là những giai đoạn rất quan trọng vì lúc này chúng rất dễ bị tổn thương, bệnh tật và thiếu nước. Thông số so sánh sự nảy mầm có thể được sử dụng làm chỉ thị cho độ tổn hại thực vật trong đất trồng. Tỷ lệ chết giữa quá trình phân tán hạt và quá trình hoàn thành việc hình thành cây có thể rất cao, do đó nhiều loài đã thích nghi bằng cách sản sinh ra một lượng lớn hạt giống.

Tỷ lệ nảy mầm và hiệu suất nảy mầm

Trong nông nghiệp và làm vườn, tỷ lệ nảy mầm (germination rate) cho biết có bao nhiêu hạt của một loài cụ thể có khả năng nảy mầm trong một khoảng thời gian nhất định. Đây là thước đo thời gian nảy mầm và thường được biểu thị dưới dạng phần trăm. Ví dụ: tỷ lệ nảy mầm là 85%, có nghĩa là khoảng 85 trong 100 hạt sẽ có khả năng nảy mầm trong điều kiện thích hợp trong khoảng thời gian cho trước. Tỷ lệ nảy mầm rất hữu ích trong việc tính toán lượng hạt cần thiết cho diện tích trồng sẵn hay số lượng cây mong muốn. Với các nhà sinh lý học và các nhà nghiên cứu về hạt, tỷ lệ nảy mầm là sự nghịch của thời gian cần thiết cho quá trình nảy mầm từ khi gieo hạt. Ngược lại, số lượng hạt có thể hoàn thành quá trình nảy mầm trong một tập hợp được xem là hiệu suất nảy mầm (germination capacity)

Quá trình nảy mầm của cây hạt hai lá

Bộ phận của cây đầu tiên nảy ra từ hạt giống là rễ phôi, được gọi là 'rễ mầm' hay rễ chính. Nó cho phép cây con có thể thâm xuống đất và bắt đầu hấp thụ nước. Sau khi rễ hấp thụ nước, chồi mầm sẽ nảy ra từ hạt. Chồi bao gồm ba bộ phận chính: lá mầm, thân dưới lá mầm (hypocotyl), và thân trên lá mầm (epicotyl). Cách mà chồi mầm nảy ra khác nhau giữa các loài cây.

Nảy mầm trên mặt đất

Khi nảy mầm trên mặt đất, thân dưới lá mầm sẽ kéo dài và tạo thành một cái móc, kéo lá mầm và mô phân sinh của cây non lên mặt đất. Khi đã lên mặt đất, nó sẽ thẳng lên và kéo lá mầm với ngọn chồi của cây non lên cao. Các loại đậu, me, và đu đủ là những ví dụ cho kiểu nảy mầm này.

Nảy mầm dưới mặt đất

Sự nảy mầm cũng có thể xảy ra dưới mặt đất, khi mà thân trên lá mầm kéo dài ra và hình thành một móc. Trong kiểu nảy mầm này, lá mầm vẫn ở dưới mặt đất và sau đó sẽ phân hủy. Các loại hạt đậu Hà Lan, đậu lăng và xoài thường nảy mầm theo cách này.

Sự nảy mầm của cây một lá mầm

Ở hạt giống của cây một lá mầm, rễ mầm của phôi và lá mầm được bọc trong bao rễ mầm và bao lá mầm tương ứng. Bao rễ mầm là bộ phận đầu tiên nhú ra từ hạt, theo sau là rễ mầm. Bao lá mầm sau đó được đẩy lên mặt đất. Khi đạt mặt đất, nó không kéo dài nữa và chiếc lá đầu tiên xuất hiện.

Quá trình nảy mầm sớm

Nếu hạt giống nảy mầm mà không trải qua tất cả bốn giai đoạn của quá trình nảy mầm như hình cầu, hình tim, hình ống và giai đoạn tạo lá mầm, thì được gọi là nảy mầm sớm.

Sự nảy mầm của hạt phấn

Một hiện tượng nảy mầm khác trong vòng đời của thực vật hạt trần và thực vật có hoa là sự nảy mầm của hạt phấn sau khi thụ phấn. Giống như hạt giống, hạt phấn cũng mất nước để tiện lợi khi được phát tán từ cây này sang cây khác. Chúng có một lớp 'vỏ' bảo vệ cho một số tế bào (8 trong thực vật hạt trần, 2-3 trong thực vật có hoa). Một trong những tế bào này là tế bào ống. Khi hạt phấn rơi lên đầu nhụy của hoa (hoặc quả hình nón ở thực vật hạt trần), nó hút nước và bắt đầu nảy mầm. Sự nảy mầm của hạt phấn được thúc đẩy nhanh bởi nước trên đầu nhụy và bởi cấu trúc sinh lý của đầu nhụy và vòi nhụy. Hạt phấn cũng có thể nảy mầm trong ống nghiệm (hoặc đĩa Petri).

Trong quá trình nảy mầm, tế bào ống kéo dài và đi vào ống phấn. Trên bông hoa, ống phấn mọc về phía noãn, nơi mà nó giải phóng tinh trùng bên trong hạt phấn để thụ phấn. Hạt phấn khi đã nảy mầm với hai tinh trùng của nó trở thành thể giao tử đực của cây này.

Hiện tượng tự phụ

Do hầu hết các cây đều có cả cơ quan sinh sản đực và cái trong hoa của chúng, tồn tại rủi ro cao của tự phụ và do đó xảy ra hiện tượng 'đồng huyết'. Một số cây sử dụng khả năng kiểm soát sự nảy mầm của hạt phấn để ngăn cản tự thụ phấn. Sự nảy mầm và phát triển của ống phấn liên quan đến các tín hiệu phân tử giữa đầu nhụy và hạt phấn. Trong hiện tượng tự phụ của thực vật, đầu nhụy của một số cây có thể nhận diện được hạt phấn từ cùng một cây và ngăn không cho nó nảy mầm.

Sự nảy mầm bào tử

Sự nảy mầm có thể ám chỉ đến sự hình thành của các tế bào từ bào tử bất động và sự phát triển của sợi nấm từ bào tử con hoặc tản từ các bào tử trong nấm, tảo và một số loài thực vật khác.

Các bào tử hạt đính là những bào tử sinh sản vô tính của các loài nấm, có khả năng nảy mầm trong các điều kiện đặc biệt. Nhiều loại tế bào có thể hình thành từ các bào tử hạt đính khi nảy mầm, ví dụ như các ống mầm phát triển thành sợi nấm. Một loại tế bào khác là ống nối hạt đính, mỏng và ngắn hơn ống mầm, thường mọc hướng về phía nhau. Mỗi tế bào có dạng hình ống, nhưng ống nối hạt đính hình thành một cầu nối giữa các tế bào hạt đính.

Dương xỉ và rêu

Ở các thực vật như rêu, dương xỉ và một số loài khác, bào tử nảy mầm thành thể giao tử độc lập. Ở các loài rêu, bào tử nảy mầm thành sợi mềm tương tự như sợi nấm, từ đó phát triển thành thể giao tử. Ở dương xỉ, thể giao tử là prothalli nhỏ hình trái tim, thường được tìm thấy bên dưới thân cây phát tán bào tử trưởng thành.