I. Khái niệm, vai trò và đặc điểm của cảm ứng ở thực vật

1. Khái niệm

Cảm ứng ở thực vật được hiểu là khả năng tiếp nhận các tín hiệu từ môi trường bên ngoài và đưa ra phản ứng phù hợp. Phản ứng này thể hiện thông qua sự vận động của các cơ quan hoặc bộ phận trên cơ thể cây, khi chúng nhận được kích thích đến từ một phía nhất định hoặc kích thích lan tỏa không theo hướng nào cụ thể.

Một số biểu hiện dễ quan sát trong đời sống: tua cuốn quấn quanh giàn leo, ngọn cây hay thân non uốn cong về phía ánh sáng, cánh hoa mở ra hoặc khép lại, lá cây trinh nữ cụp xuống khi bị chạm vào…

2. Vai trò

Nhờ có cảm ứng, thực vật có thể:

• Khai thác tối đa các nguồn tài nguyên cần thiết cho sự sống như nước, ánh sáng, chất khoáng
• Phòng vệ trước những tác động bất lợi từ bên ngoài
• Thích nghi linh hoạt với sự thay đổi liên tục của điều kiện môi trường
• Duy trì được quá trình sinh trưởng, phát triển một cách bình thường

3. Đặc điểm

Các yếu tố từ môi trường có khả năng gây ra cảm ứng ở thực vật bao gồm: ánh sáng, nhiệt độ, nước, các hợp chất hóa học, lực hấp dẫn của Trái Đất (trọng lực)…

Phần lớn các phản ứng cảm ứng ở thực vật diễn ra với tốc độ chậm, rất khó quan sát bằng mắt thường trong khoảng thời gian ngắn. Tuy nhiên, cũng tồn tại một số trường hợp ngoại lệ phản ứng rất nhanh, điển hình như hiện tượng cụp lá tức thì ở cây trinh nữ khi bị va chạm hay phản ứng bắt mồi của cây gọng vó.

Một đặc điểm quan trọng khác: cảm ứng ở thực vật có thể gắn liền với quá trình sinh trưởng (như ngọn cây uốn cong dần về phía ánh sáng) hoặc hoàn toàn không liên quan đến sinh trưởng (như cụp lá ở cây trinh nữ do thay đổi sức trương nước).

II. Các hình thức cảm ứng và cơ chế cảm ứng ở thực vật

1. Các hình thức cảm ứng

Dựa vào đặc điểm của tác nhân kích thích, cảm ứng ở thực vật được chia thành hai nhóm lớn: hướng động (vận động định hướng) và ứng động (vận động cảm ứng).

a) Hướng động (vận động định hướng)

Hướng động là kiểu phản ứng mà cây thực hiện trước một tác nhân kích thích đến từ một phía cụ thể. Phản ứng của cây phụ thuộc trực tiếp vào hướng mà tác nhân tác động.

Nếu cơ quan thực vật vận động tiến về phía tác nhân kích thích, đó là hướng động dương. Ngược lại, nếu cơ quan vận động rời xa tác nhân, đó là hướng động âm.

Có năm hình thức hướng động chính:

Hướng sáng

Hướng sáng là kiểu phản ứng sinh trưởng của cây trước tác nhân ánh sáng chiếu từ một phía. Dễ nhận thấy nhất là hiện tượng ngọn cây hoặc thân non uốn cong về phía có nguồn sáng ở những cây mọc bên cửa sổ hay cạnh tường cao. Ngọn cây biểu hiện hướng sáng dương (hướng về ánh sáng), trong khi rễ cây lại có xu hướng hướng sáng âm (tránh xa ánh sáng).

Hướng hóa

Hướng hóa là kiểu phản ứng sinh trưởng của cơ quan thực vật trước các hợp chất hóa học có trong môi trường, bao gồm chất khoáng, chất hữu cơ, hormone hay chất độc. Rễ cây sinh trưởng hướng về vùng đất giàu dinh dưỡng là biểu hiện của hướng hóa dương. Ống phấn kéo dài về phía noãn trong quá trình thụ tinh cũng là một ví dụ điển hình. Ngược lại, rễ cây sinh trưởng tránh xa vùng đất chứa kim loại nặng hay chất độc là hướng hóa âm.

Hướng nước

Hướng nước thực chất là một dạng đặc biệt của hướng hóa. Khi nguồn nước phân bố không đồng đều trong đất, rễ cây sẽ sinh trưởng hướng về phía có nước (hướng nước dương). Đặc tính này đảm bảo cho hệ rễ luôn tìm kiếm được nguồn nước để cung cấp cho cây. Ví dụ thực tế: khi trồng cây bên bờ ao (trong môi trường không có chất độc), sau một thời gian rễ cây sẽ phát triển về phía bờ ao.

Hướng trọng lực

Hướng trọng lực là kiểu phản ứng sinh trưởng của cây trước tác động của lực hấp dẫn Trái Đất. Các cơ quan khác nhau trên cùng một cây phản ứng theo những hướng khác nhau: đỉnh rễ sinh trưởng cùng chiều trọng lực (hướng trọng lực dương), trong khi chồi đỉnh sinh trưởng ngược chiều trọng lực (hướng trọng lực âm).

Hiện tượng này dễ quan sát qua thí nghiệm: đặt một chậu cây ở vị trí nằm ngang, sau một thời gian, rễ sẽ cong xuống dưới còn thân sẽ uốn cong lên trên. Trong tự nhiên, có thể thấy biểu hiện này khi cây bị đổ nghiêng.

Hướng tiếp xúc

Hướng tiếp xúc là kiểu phản ứng sinh trưởng của cây trước tác động cơ học (sự tiếp xúc vật lý) đến từ một phía. Kiểu hướng động này phổ biến ở các loài cây thân leo, thân bò. Biểu hiện dễ nhận thấy nhất là hiện tượng thân cây, tua cuốn quấn quanh cọc rào, bờ tường hoặc giàn leo.

Tổng hợp kiểu hướng động của thân và rễ:

Lưu ý: Rễ cây còn có tính hướng nước dương, do đó trong thực tế rễ thường có hình lượn sóng — vừa hướng xuống đất (hướng trọng lực dương) vừa uốn về phía có nguồn nước (hướng nước dương).

b) Ứng động (vận động cảm ứng)

Khác với hướng động, ứng động là kiểu phản ứng của cây trước các tác nhân kích thích không đến từ một hướng cụ thể nào (không định hướng), chẳng hạn như sự thay đổi nhiệt độ, chu kì sáng tối trong ngày, chu kì mùa…

Căn cứ vào mối liên hệ với quá trình sinh trưởng, ứng động được phân thành hai loại:

Ứng động không sinh trưởng

Đây là những vận động có tính thuận nghịch (có thể xảy ra rồi hồi phục), xảy ra do sự biến đổi sức trương nước ở các cơ quan, bộ phận chịu tác động, hoặc do sự lan truyền kích thích trong các tế bào và mô chuyên hóa. Tác nhân gây ra thường là yếu tố cơ học hoặc hóa học.

Những ví dụ tiêu biểu:

• Cụp lá ở cây trinh nữ (Mimosa pudica): Khi bị va chạm, ion K⁺ nhanh chóng rời khỏi không bào của các tế bào thể gối (chỗ phình) ở cuống lá và gốc lá chét, kéo theo nước thoát ra → sức trương nước giảm đột ngột ở phía dưới thể gối → lá cụp xuống. Sau một thời gian, sức trương nước hồi phục và lá xòe ra bình thường.
• Bắt mồi ở cây bắt ruồi (Dionaea muscipula) và cây gọng vó (Drosera burmannii): Khi côn trùng đậu lên lá, các lông cảm giác (đóng vai trò như hóa thụ quan) nhận biết con mồi → sức trương nước thay đổi → các gai, tua, lông cụp lại hoặc nắp đậy lại → giữ chặt con mồi. Đây là kết quả của sự kết hợp giữa ứng động tiếp xúc và hóa ứng động.

Các loài cây ăn thịt này thường sống ở vùng đầm lầy hoặc đất cát nghèo khoáng, đặc biệt thiếu đạm (nitrogen). Chúng bắt côn trùng chủ yếu để lấy nitrogen chứ không phải để lấy protein hay năng lượng.

Ứng động sinh trưởng

Đây là kiểu vận động phát sinh do tốc độ sinh trưởng và phân chia tế bào không đồng đều giữa các phía của cơ quan chịu tác động, dưới ảnh hưởng của các kích thích không định hướng từ môi trường. Tùy vào tác nhân, có thể phân thành: quang ứng động (do ánh sáng), nhiệt ứng động (do nhiệt độ)…

Một số ví dụ điển hình:

• Vận động nở hoa ở cây bồ công anh: Hoa nở khi có ánh sáng (mặt trên cụm hoa sinh trưởng nhanh hơn mặt dưới → hoa mở ra) và cụp lại lúc chạng vạng tối (mặt dưới sinh trưởng nhanh hơn mặt trên → hoa đóng lại).
• Vận động nở hoa ở cây nghệ tây: Hoa có khả năng nở và cụp theo sự thay đổi của nhiệt độ — đây là dạng nhiệt ứng động.
• Vận động ngủ/thức của chồi cây theo mùa (cây bàng, cây phượng): Mùa đông — nhiệt độ thấp, ánh sáng yếu, ngày ngắn → chồi cây ngừng sinh trưởng (ngủ). Mùa xuân — nhiệt độ tăng, ánh sáng mạnh hơn, ngày dài hơn → chồi cây bật mầm sinh trưởng. Đây là kiểu vận động theo chu kì mùa, liên quan đến đồng hồ sinh học.
• Cụp lá ở cây họ Đậu vào buổi tối: Khi mặt trời lặn, lá cụp lại; sáng hôm sau lá xòe ra. Đây cũng là vận động theo đồng hồ sinh học do cảm ứng với sự thay đổi có tính chu kì của ánh sáng và nhiệt độ.

So sánh hướng động và ứng động:

So sánh hai loại ứng động:

2. Cơ chế cảm ứng

a) Cơ chế hướng động

Khi tác nhân kích thích (ánh sáng, nước, chất khoáng, trọng lực…) tác động theo một hướng nhất định, thông tin được các thụ thể ở bộ phận tiếp nhận ghi nhận, sau đó truyền tới bộ phận đáp ứng. Tại đây, hàm lượng hormone auxin được phân bố lại — tập trung nhiều hơn ở một phía so với phía đối diện (tính theo hướng kích thích). Sự chênh lệch nồng độ auxin này dẫn đến tốc độ dãn dài tế bào không đồng đều giữa hai phía, kết quả là cơ quan bị uốn cong.

Điểm mấu chốt cần nhớ về auxin:

Tế bào ở rễ có độ nhạy cảm với auxin cao hơn nhiều so với tế bào ở thân. Vì vậy:

• Ở thân: Nồng độ auxin cao → kích thích tế bào dãn dài mạnh hơn
• Ở rễ: Cùng nồng độ auxin cao đó lại → ức chế sự dãn dài của tế bào

Hệ quả: cùng chịu tác động của một tác nhân, thân và rễ sẽ uốn cong theo hai hướng ngược nhau.

Ví dụ minh họa — cơ chế hướng sáng:

Khi ánh sáng chiếu từ một phía, auxin di chuyển tập trung về phía tối (phía đối diện nguồn sáng) của ngọn cây. Phía tối có nhiều auxin hơn → tế bào phía tối dãn dài nhanh hơn phía sáng → ngọn cây uốn cong về phía nguồn sáng (hướng sáng dương).

b) Cơ chế ứng động

Cơ chế ứng động không sinh trưởng:

Tác nhân cơ học hoặc hóa học tác động lên các thụ thể nằm trên màng tế bào của bộ phận tiếp nhận. Kích thích sau đó được truyền đến tế bào của bộ phận đáp ứng, tại đây các bơm ion (K⁺, Cl⁻…) được hoạt hóa, làm thay đổi nồng độ ion trong tế bào → thay đổi áp suất thẩm thấu → thay đổi sức trương nước → dẫn đến phản ứng vận động (cụp lá ở cây trinh nữ, đóng mở khí khổng…).

Ngoài cơ chế trên, bộ phận đáp ứng cũng có thể vận động nhờ kích thích được lan truyền dưới dạng sóng — điều này giải thích cho phản ứng đóng nắp rất nhanh ở cây bắt ruồi hay chuyển động cuốn lại của các lông tuyến ở cây gọng vó.

Cơ chế ứng động sinh trưởng:

Các tác nhân mang tính chu kì như nhiệt độ và ánh sáng (theo ngày đêm, theo mùa) tác động lên chồi cây hoặc hoa, làm thay đổi tương quan hàm lượng giữa các loại hormone. Sự mất cân bằng hormone này có thể gây kích thích hoặc ức chế sinh trưởng chồi, hoặc làm cho mặt trên và mặt dưới của hoa sinh trưởng với tốc độ khác nhau → hoa nở ra hoặc khép lại.

III. Ứng dụng cảm ứng ở thực vật

Dựa trên hiểu biết về hướng động và ứng động, con người có thể chủ động điều chỉnh các yếu tố ngoại cảnh thông qua biện pháp canh tác phù hợp, nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho cây sinh trưởng, phát triển và nâng cao năng suất.

1. Ứng dụng của hướng động

Tăng kích thước hệ rễ: Làm đất tơi xốp, thoáng khí, bón phân và tưới nước rải đều xung quanh gốc cây. Nhờ tính hướng hóa dương và hướng nước dương, rễ sẽ phát triển theo cả chiều rộng lẫn chiều sâu, giúp hấp thụ đầy đủ nước và khoáng.

Thúc đẩy cây mầm vươn cao: Hạn chế chiếu sáng trong giai đoạn đầu khi hạt mới nảy mầm, gieo trồng với mật độ cao khi cây còn non (lợi dụng hướng sáng dương — cây vươn lên tìm ánh sáng), sau đó tỉa thưa để đảm bảo đủ ánh sáng khi cây đã lớn.

Thúc đẩy cây thân leo phát triển: Làm giàn và mở rộng giàn để kích thích thân cây leo vươn dài nhờ tính hướng tiếp xúc.

2. Ứng dụng của ứng động

Kéo dài thời gian ngủ nghỉ của hạt giống, củ giống bằng cách giảm nhiệt độ, giảm độ ẩm trong môi trường bảo quản (kho lạnh, phơi khô hạt), hạn chế tiếp xúc ánh sáng hoặc sử dụng các chất ức chế nảy mầm.

Kích thích nảy mầm, đánh thức chồi ngủ bằng cách cung cấp thêm nước, tăng nhiệt độ, sử dụng các chất kích thích sinh trưởng.

Tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình ra hoa, nở hoa bằng cách bố trí vùng trồng hợp lí, đảm bảo các yêu cầu về ánh sáng, nhiệt độ phù hợp với từng loài cây trồng.

Cô Nguyễn Ngọc Châu

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Sinh Học THPT

Trình độ: Cử nhân Sư phạm Sinh học, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ AT sinh học, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 9+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Trần Phú