Sinh sản vô tính

Sinh sản vô tính (hay còn gọi là nhân bản vô tính) là hình thức sinh sản ở thực vật, trong đó một cây mới được hình thành từ các cơ quan sinh dưỡng của cây mẹ hoặc từ các cấu trúc sinh sản đặc biệt được gọi là chồi mầm sinh dưỡng (vegetative propagules).

Nhiều loại thực vật tự nhiên sinh sản theo cách này, nhưng phương pháp này cũng có thể được thực hiện một cách nhân tạo. Những người trồng cây đã phát triển nhiều kỹ thuật nhân giống vô tính sử dụng các chồi sinh dưỡng để tạo ra cây trồng mới. Tỷ lệ thành công và độ khó của việc nhân giống có sự khác biệt lớn. Cây một lá mầm thường thiếu hệ thống mạch, làm cho việc nhân giống trở nên khó khăn hơn.

Các đặc điểm

Sinh sản ở thực vật có thể là hữu tính hoặc vô tính. Trong phương pháp vô tính, sinh sản có thể xảy ra qua các bộ phận sinh dưỡng như lá, thân và rễ để tạo ra cây mới, hoặc thông qua sự phát triển từ các cấu trúc sinh dưỡng đặc biệt của cây.

Mặc dù nhiều loài thực vật có khả năng sinh sản vô tính, nhưng chúng thường không chỉ dựa vào một phương pháp để sinh sản. Sinh sản vô tính không có lợi thế tiến hóa vì làm giảm sự đa dạng di truyền và có thể dẫn đến sự tích tụ các đột biến có hại. Tuy nhiên, sinh sản vô tính có ưu điểm là cho phép thực vật tạo ra nhiều con cái hơn trên cùng một lượng tài nguyên so với sinh sản hữu tính. Thường thì cây non dễ nhân giống vô tính hơn.

Dù phần lớn các loài thực vật thường sinh sản hữu tính, nhiều loài có khả năng sinh sản vô tính hoặc có thể được kích thích để làm như vậy thông qua các phương pháp điều chỉnh hormone. Điều này dựa trên mô phân sinh có khả năng phân hóa tế bào trong nhiều loại mô thực vật.

Sinh sản sinh dưỡng thường được xem là hình thức nhân bản vô tính. Tuy nhiên, cành giâm của cây mâm xôi không gai (Rubus fruticosus) có thể mọc gai trở lại vì các chồi bất định phát triển từ tế bào có tính di truyền của gai. Mâm xôi đen không gai là một loài hợp thể khảm hay chimera, với các lớp biểu bì không gai về mặt di truyền nhưng các mô bên dưới lại có gai về mặt di truyền.

Ghép cành không hoàn toàn là phương pháp nhân bản vô tính vì cần sử dụng gốc ghép từ cây khác. Trong trường hợp này, chỉ có phần ngọn của cành ghép là nhân bản vô tính. Ở một số loại cây, đặc biệt là táo, gốc ghép cũng được nhân giống vô tính, do đó toàn bộ cây ghép có thể là dòng vô tính nếu cả cành ghép và gốc ghép đều là dòng vô tính. Sinh sản vô giao (apomixis), bao gồm cả sinh sản không bào tử (apospory) và sinh sản bằng bào tử lưỡng bội (diplospory), là hình thức sinh sản không cần thụ tinh. Ở thực vật có hoa, hạt không thụ tinh hoặc cây con sẽ phát triển thay cho hoa. Các chi như Hieracium, chi Địa đinh Taraxacum, một số cây trong chi Cam chanh Citrus, và nhiều loại cỏ như cỏ xanh Kentucky Poa pratensis đều sử dụng phương pháp sinh sản vô tính này. Thân hành đôi khi cũng được dùng để tạo ra cây mới thay vì phát triển hoa ở loài tỏi.

Nguyên lý

Mô phân sinh là nền tảng của quá trình sinh sản vô tính. Nó thường xuất hiện trong thân cây, đặc biệt là ở chồi, lá và rễ, và bao gồm các tế bào chưa biệt hóa có khả năng phân chia liên tục, cho phép thực vật phát triển và tạo ra các hệ thống mô. Khả năng phân chia không ngừng của mô phân sinh tạo điều kiện cho quá trình sinh sản sinh dưỡng.

Một khả năng quan trọng khác hỗ trợ sinh sản sinh dưỡng là khả năng phát triển rễ bất định từ các bộ phận sinh dưỡng khác của cây như thân hoặc lá. Những rễ này giúp cây mới hình thành từ các bộ phận khác của cây.

Lợi ích và hạn chế

Lợi ích

Điểm mạnh chính của sinh sản sinh dưỡng là con cái được tạo ra hoàn toàn giống với cây mẹ, giữ lại những đặc điểm có lợi. Nếu cây mẹ có những đặc tính tốt, con cái sẽ tiếp tục kế thừa những lợi thế di truyền đó. Phương pháp này có thể mang lại lợi ích kinh tế cho nông dân bằng cách đảm bảo chất lượng nông sản đồng nhất trong suốt vụ mùa. Ngoài ra, sinh sản sinh dưỡng giúp cây tránh việc hình thành các cơ quan sinh sản hữu tính như hoa, quả và hạt, điều này giúp tiết kiệm năng lượng. Khi nông dân phát triển các giống cây trồng ưu tú, họ có thể sử dụng kỹ thuật ghép cành và nảy chồi để duy trì tính nhất quán của giống mới và đảm bảo thành công trong sản xuất thương mại. Tuy nhiên, ở một số loài thực vật biến đổi khảm (variegation), cành giâm có thể phản ánh các thuộc tính của chỉ một hoặc một số dòng tế bào gốc, không nhất thiết luôn đúng như mong đợi. Sinh sản sinh dưỡng cũng giúp cây nhanh chóng vượt qua giai đoạn cây con để trưởng thành hơn, điều này làm tăng cơ hội thành công trong tự nhiên và tiết kiệm thời gian và chi phí cho nông dân.

Sinh sản sinh dưỡng cũng có giá trị nghiên cứu trong một số lĩnh vực sinh học và ứng dụng thực tiễn trong trồng rừng. Các nhà di truyền học lâm nghiệp và nhân giống cây thường sử dụng sinh sản sinh dưỡng để chuyển gen từ các cây chọn lọc vào các vị trí thuận lợi như ngân hàng gen, vườn nhân giống hoặc vườn ươm hạt, nơi hệ gen có thể được duy trì và phát triển thành giống thuần chủng.

Một số nghiên cứu cho thấy sinh sản sinh dưỡng có thể là yếu tố khiến thực vật có khả năng xâm lấn. Do sinh sản sinh dưỡng diễn ra nhanh hơn sinh sản hữu tính, nó có thể 'tăng nhanh số lượng cá thể và khả năng phục hồi', chẳng hạn như sau các sự kiện thiên tai như hỏa hoạn và lũ lụt.

Những hạn chế

Hạn chế chính của sinh sản sinh dưỡng là giảm tính đa dạng di truyền, điều này có thể làm giảm năng suất và sức khỏe của loài. Các cá thể được sinh ra từ phương pháp này đều giống hệt nhau về mặt di truyền, khiến chúng dễ bị tấn công bởi virus, vi khuẩn và nấm gây bệnh hàng loạt.

Các phương pháp sinh sản sinh dưỡng

Quá trình sinh sản sinh dưỡng tự nhiên

Sinh sản sinh dưỡng tự nhiên là hiện tượng được quan sát ở cả cây thân thảo và cây thân gỗ lâu năm, thường liên quan đến sự biến đổi của cấu trúc thân. Tuy nhiên, bất kỳ cơ quan sinh dưỡng nào của cây như thân, lá hay rễ đều có thể tham gia vào sinh sản sinh dưỡng. Các loài thực vật thường sống sót và phát triển nhờ sinh sản sinh dưỡng chủ yếu là cây lâu năm, vì các cơ quan sinh sản chuyên biệt như hạt của cây hàng năm chỉ giúp cây tồn tại qua mùa khắc nghiệt. Khi một loài thực vật duy trì sự sống tại một địa điểm thông qua sinh sản sinh dưỡng trong thời gian dài, nó sẽ hình thành một tập đoàn vô tính (clonal colony).

Một cách nhìn khác cho thấy sinh sản sinh dưỡng không phải là quá trình sinh sản mà là cách mà cá thể mở rộng và duy trì sinh khối. Khi một sinh vật tăng cường sinh khối qua nguyên phân và vẫn duy trì là một cá thể đơn lẻ, điều này được gọi là 'tăng trưởng sinh dưỡng.' Tuy nhiên, trong sinh sản sinh dưỡng, cá thể mới sẽ có những đặc điểm khác biệt về mọi mặt trừ di truyền. Điều quan trọng là, dù cá thể mới có hệ gen giống cây mẹ, sinh sản sinh dưỡng có thể giúp 'đặt lại' quá trình lão hóa thực vật ở cây con.

Như đã đề cập trước đây, thực vật có thể sinh sản sinh dưỡng cả một cách tự nhiên lẫn nhân tạo. Các phương pháp sinh sản sinh dưỡng tự nhiên phổ biến nhất thường phát triển cây mới từ các cấu trúc đặc biệt của cây trưởng thành. Ngoài rễ bất định, các cấu trúc thực vật khác như thân hoặc lá cũng có thể tham gia vào quá trình này. Những loại cấu trúc như thân, lá và rễ biến dạng đóng vai trò quan trọng trong khả năng nhân giống tự nhiên của thực vật.

Thân bồ (runners, stolons) là những phần thân đã biến đổi, khác biệt so với thân rễ. Chúng mọc từ thân cây hiện tại ngay dưới mặt đất. Khi phát triển, các chồi trên thân bồ sẽ tạo ra rễ và cây con mới nhưng vẫn kết nối với cây mẹ. Các chồi này thường tách biệt hơn so với các chồi trên thân rễ.

Các loại cây sử dụng thân bồ bao gồm dâu tây và Chi Lý chua.

Thân hành là phần thân cây dày lên, chứa chồi trung tâm của cây mới. Thân hành thường nằm dưới mặt đất và được bao quanh bởi nhiều lớp lá dày giúp cung cấp dinh dưỡng cho cây mới.

Thân hành thường gặp ở các cây như hành tím, loa kèn và tulip.

Củ phát triển từ thân hoặc rễ. Thân củ hình thành từ thân rễ hoặc từ sự phình ra của thân để dự trữ dinh dưỡng, trong khi rễ củ biến dạng để lưu trữ chất dinh dưỡng, đôi khi trở nên rất lớn và có thể tạo ra cây mới.

Thân củ có thể thấy ở khoai tây và su hào, trong khi rễ củ xuất hiện ở khoai lang và thược dược.

Giả thân hành là những phần thân ngầm to, chắc chắn, chứa dinh dưỡng trong các mô của chúng và được bao quanh bởi lớp lá mỏng. Khác với thân hành, giả thân hành có phần trung tâm là các mô đặc, trong khi thân hành có các lá biến dạng xếp chồng lên nhau.

Lay ơn và khoai môn là các ví dụ điển hình có giả thân hành.

Chồi gốc là những phần thân mới mọc ra từ gốc cây hoặc từ rễ của cây mẹ.

Các loài như táo tây, du và chuối thường phát triển chồi gốc.

Cây con là những cấu trúc nhỏ được sinh ra từ mô phân sinh ở mép lá, sau đó sẽ phát triển thành rễ và tách rời khỏi chiếc lá mà chúng phát sinh.

Chi Kalanchoe thường tạo cây con để sinh sản sinh dưỡng, điển hình là loài Kalanchoe daigremontiana.

Kie là những mầm con phát triển từ các mắt ngủ trên thân hoặc cuống hoa của một số loài lan, đặc biệt là các chi Dendrobium, Epidendrum và Phalaenopsis.

Sinh sản vô giao là quá trình sinh sản vô tính qua hạt, không qua giảm phân và thụ tinh, dẫn đến thế hệ con vô tính có nguồn gốc hoàn toàn từ mẹ.

Sinh sản sinh dưỡng nhân tạo

Sinh sản sinh dưỡng để tạo ra các giống cây có các đặc tính cụ thể là phương pháp phổ biến. Các nông dân và người trồng cây thường áp dụng kỹ thuật này để nhân giống các cây trồng có phẩm chất mong muốn như cây mẹ. Các phương pháp nhân giống sinh dưỡng nhân tạo phổ biến nhất bao gồm:

Giâm cành là kỹ thuật cắt một đoạn cây, thường là thân, rồi trồng xuống đất. Từ đoạn cành này, rễ bất định và chồi sẽ phát triển, hình thành một cây mới. Để kích thích sự phát triển, các đoạn cành thường được xử lý bằng hormone trước khi trồng.

Kỹ thuật giâm cành thường được áp dụng để trồng các loại cây như khoai mỳ, mía, tre,...

Ghép cành là phương pháp gắn một đoạn cành hoặc mắt ghép mong muốn vào thân của một cây khác, gọi là gốc ghép (gốc ghép vẫn sống bình thường trong đất). Hai hệ thống mô của cành ghép và gốc ghép sẽ kết nối với nhau và tạo thành một cây mới. Ghép cành giúp tạo ra cây có đặc tính kết hợp của cả cành ghép và gốc ghép.

Các loại cây ăn quả thường được ghép cành để duy trì các đặc tính tốt của cành ghép hoặc để tạo cây cảnh, ví dụ như xoài, bưởi, cam, phật thủ, hoa giấy,...

Chiết cành là kỹ thuật cạo bỏ lớp vỏ ngoài của cành mà không làm tổn thương tầng sinh mạch, sau đó uốn cong cành để phần vết cắt tiếp xúc với đất hoặc được bao phủ bằng đất (chiết cành không khí). Rễ bất định sẽ phát triển từ phần vỏ cây đã được bọc đất ẩm. Khi rễ đủ phát triển, cành chiết sẽ được tách ra khỏi cây mẹ và trồng riêng.

Chồi gốc phát triển từ gốc cây mẹ và tạo thành một lớp thực vật nhỏ dày đặc. Nếu số lượng chồi quá nhiều có thể làm giảm kích thước của cây mẹ, vì vậy những chồi dư thừa sẽ được cắt tỉa và các chồi trưởng thành sẽ được giâm vào nơi khác để phát triển thành cây mới. Sinh sản nhân tạo bằng chồi gốc thực chất là một dạng của giâm cành.

Trong quy trình nuôi cấy mô, các tế bào từ các phần khác nhau của cây, thường là từ chồi đỉnh, được đưa vào môi trường vô trùng. Các tế bào này sẽ hình thành mô sẹo, sau đó được nuôi dưỡng trong môi trường có chứa hormone với tỷ lệ thích hợp để phát triển thành cây con. Cây con sau đó được trồng để trưởng thành.

• Vi nhân giống