Xuân Tân Mão
TẠI SAO ĐA SỐ HOA Ở MIỀN NAM NỞ VÀO MÙA XUÂN?
Trần-Đăng Hồng, PhD
Trong thực tế mùa nào cũng có hoa. Có như vậy các loài ong và chim hút mật sống nhờ hoa mới có thể tồn tại. Nhờ hoa nở quanh năm nên phong cảnh thiên nhiên có đầy màu sắc suốt bốn mùa. Mỗi loài thực vật nở hoa vào những thời điểm khác nhau. Hoa có thứ đẹp, có thứ không, có thứ mùi thơm, cũng có thứ mùi khó ngửi. Khi nói đến hoa, mọi người thường chỉ nói đến hoa đẹp, có màu sặc sở. Vì vậy, vào mùa Xuân người ta thường nói đến hoa lan, hoa đào, hoa mai, các loại hoa chưng ngày tết như cúc, vạn thọ, v.v. Để nhớ kỹ niệm thời học trò, ai cũng nghĩ đến hoa phượng đỏ sân trường trong dịp hè. Hè cũng là mùa của hoa ô môi đỏ rực dọc bờ sông, hoa sim nở tím đồi núi, sen nở hồng trong các ao hồ. Trong dịp Trung Thu, các bạn già ngồi nhìn trăng, vừa nhẩm trà vừa thưởng thức bánh, hứng thú lại ngâm thơ để đón chờ hoa quỳnh nở. Mùa Thu cũng là mùa hoa cúc.
"Sen tàn cúc lại nở hoa" (Truyện Kiều).
Hoa nào tiêu biểu của mùa Đông ở Việt Nam? Thú thật tôi không biết. Ở các nước có khí hậu thật lạnh trong mùa Đông, thì chỉ có một vài loại cây thân mộc có hoa nở đẹp trong mùa này, tiêu biểu như hoa trà Camellia sasanqua của Nhật; hay Daphne bholua, Daphne odoratum có hoa nở thơm phức đúng vào dịp Giáng sinh trong vườn nhà tôi ở Reading. Còn ở Việt Nam, vì mùa Đông không lạnh, vô số giống cây cùng một loài (species) có hoa nở trải dài từ mùa Thu, qua Đông đến Xuân hay Hè. Cũng có loại cây trong năm hoa nở rộ hai lần cách xa. Vì vậy thật sự khó phân biệt hoa nào tiêu biểu cho mỗi mùa ở Việt Nam, nhất là ở Miền Nam. Việt Nam có khoảng 12 ngàn loài cây có hoa, đa số là giống hoang dại, có hoa từ tháng 11 đến tháng 5 dl. Tại sao vậy?
Thích ứng để sinh tồn (Adaptation for survival).
Đây là một định luật của thiên nhiên áp dụng cho mọi sinh vật: Không thích ứng được với môi trường mới thì sinh vật đó bị diệt vong. Thực vật xuất hiện trên địa cầu cách đây khoảng 2,7 tỷ năm. Kể từ đó đến nay, trái đất đã trải qua không biết bao nhiêu “cuộc bể dâu”, đất liền hóa biển, biển sâu nổi lên thành núi, rồi trải qua các thời đại băng hà, qua bao chu kỳ “hâm nóng toàn cầu” tiếp theo “thời kỳ đông giá”. Lượng CO2 trong khí quyển có thời gia tăng gấp 100 lần hiện nay, có thời chỉ bằng phân nửa hiện nay. Cứ mỗi lần biến đổi như vậy, một số sinh vật bị tuyệt chủng. Số sinh vật sống sót phải “tự diển biến” để sinh tồn, hoặc bộc phát qua “ngẫu biến di truyền” (mutation) hoặc từ từ diễn biến qua cơ cấu di truyền tiến hóa để các thế hệ sau thích ứng hơn. Qua bao triệu năm, thực vật đã biến hóa không ngừng, biến thành đa chủng, đa loài, làm phong phú đa dạng sinh vật (bio-diversity) thích hợp cho mỗi vùng địa lý lớn, và từng vùng địa lý nhỏ với khí hậu đặc thù để tạo thành các loài bản-địa của từng vùng. Trung bình cứ khoảng 10 ngàn năm một loài thực-vật-thân-mộc-sống-lâu-năm mới (như cây rừng) xuất hiện, còn loại thực-vật-chu-kỳ-ngắn vài ba tháng (như cải Arabidopsis) thì chỉ cần 1-5 năm là có một dòng mới trong thiên nhiên do ngẩu biến tạo nên. Hiện tại cả thế giới có khoảng 250 ngàn loài thực vật có hoa, Việt Nam có khoảng 12 ngàn loài.
Cây cũng “biết trời” “biết ta” để sinh tồn
Cây truyền chủng qua hạt (hột). Để con cháu sinh tồn, cây phải biết ra hoa, kết trái, rụng hạt lúc nào để hạt mọc thành cây con, và cây con có khả năng sống sót qua nghịch cảnh của môi trường. Hai yếu tố quan trọng nhất để thực vật sống và tăng trưởng là nước và nhiệt độ.
Ở vùng Ôn đới, mưa phân phối quanh năm, nên yếu tố nước không quan trọng. Chính nhiệt độ giữ vai trò chính yếu cho sinh tồn. Hạt không nẩy mầm được khi lạnh, và cây con có thể bị chết vào mùa băng giá, nên cây vùng ôn đới biết lúc nào cho hột chín và rụng, để cây con không bị chết vì lạnh. Ngoài việc tránh “giết con” vì thời tiết, cây vùng ôn đới còn biết cách “che chở” hạt sống qua mùa đông giá buốt lâu dài, hoặc bằng cách dạy hạt biết “ngủ” (hưu miên, dormancy), ngủ bao lâu, và biết lợi dụng giá buốt để kích động cây con nẩy mầm và ra hoa khi tới tuổi trưởng thành, qua hiện tượng đông-hàn hay xuân-hóa (vernalisation).
Ở vùng nhiệt đới, vì trời ấm hay nóng quanh năm, nhiệt độ trở thành không quan trọng. Ngược lại, nước mới quan trọng, vì mưa theo mùa. Chẳng hạn ở Miền Nam Việt Nam, có 2 mùa nắng mưa rõ rệt, mùa nắng từ tháng 11 đến tháng 4, và mùa mưa từ tháng 5 đến tháng 10 DL. Vì vậy, mỗi loài cây phải tự “kế hoạch” cho mình, để thế nào hạt nẩy mầm được khi có nước trong mùa mưa, và cây con có đủ hệ thống rễ khả dĩ sống được trong mùa khô hạn kéo dài, chờ đợi mùa mưa năm tới.
Muốn vậy, mỗi loài cây phải “biết thời tiết” để tự “kế hoạch sinh sản”, vì nếu ra hoa trật mùa, hột sẽ chết vì không nẫy mầm, hay nẫy mầm nhưng cây con sẽ chết yểu vào mùa khô hạn.
Mỗi loài cây cũng phải tự “biết mình” là từ ngày ra hoa đến ngày hạt chín rụng là bao nhiêu ngày, nó cũng phải biết là hạt có thể sống bao lâu trong đất trước khi gặp nước để nẩy mầm, và nẩy mầm vào thời điểm nào để cây con đủ sức có khả năng sống sót trong mùa hạn.
Chẳng hạn, cây Dầu (Dipterocarpus spp.), cây Sao (Hopea odorata) tự nó biết rằng hạt của nó không sống quá 7 ngày sau khi rụng, và cây con phải có đủ 4-5 tháng tăng trưởng mới không chết trong mùa nắng hạn (từ tháng 12 đến tháng 4), vì vậy trái phải rụng vào đầu tháng 5, khi mùa mưa bắt đầu. Nó cũng biết rằng, từ ngày phát động khối-sơ-khởi-tạo-hoa đến ngày trái chín rụng là 100 ngày. Vì vậy, hể tới khoảng ngày 20/1, các loại cây này tự phát động khối-sơ-khởi để đến khoảng 20/3 hoa nở và trái chín rụng vào 1/5 dl.
Cây vên-vên (Anisoptera costata), bà con với cây Dầu, biết rằng hạt của nó có thể sống 2-3 tuần sau khi rụng, nên nó phát động ra hoa sớm hơn để trái rụng từ giữa tháng 4 cho tới đầu tháng 5 dl.
Cây bằng-lăng có hoa màu tím đẹp nở hoa vào tháng 4 và 5, hay rãi rác tới tháng 7. Một trái có tới ngàn hạt nhỏ, hạt sống lâu lại dễ nẩy mầm, cây con cũng không sợ chết vì thiếu nước, vì nó tập trung ở những nơi ẩm ướt ven sông, suối trong rừng.
Cây ăn trái bản địa như xoài, mít, nhản, chôm chôm, v.v. mà hột không sống lâu được đều trổ hoa trong mùa Xuân để trái chin vào đầu tới giữa mùa mưa.
Như vậy, hầu hết cây bản địa của Miền Nam đều nở hoa trong dịp Xuân hay đầu hè, vì lý do sinh tồn của giống nòi.
Cây cũng biết “Hy sinh đời bố, củng cố đời con”
Loài tre (bamboo) mọc thành bụi, ít khi thấy ra hoa, mà một khi ra hoa thì cả bụi cây chết sau đó. “Tre già măng mọc”, nhiều thế hệ vẫn “cắm dùi” tại một chỗ, nên con người lợi dụng đặc tính không di động này của tre để trồng thành hàng rào, làm ranh giới làng mạc hay vườn nhà. Vì qua nhiều thế hệ, có thể vài chục năm, đất trở nên già cổi, không còn thích hợp để sinh tồn, khóm tre quyết định ra hoa, kết trái thật nhiều rồi nguyên cả bụi tre hay rừng tre đồng loạt chết cùng lúc. Hạt tre theo gió, nước mưa, phát tán đến nơi khác có đất màu mở hơn, và tái tạo rừng tre mới. Nơi rừng tre cũ, cây chết và cháy rừng, đất tái tạo lại phì nhiêu hơn nhờ tro cháy của chính thân xác mình. Tre con mọc lại từ hạt hay từ căn hành tái tạo lại rừng tre mới. Làm sao rừng tre biết lúc nào cần phải “hy sinh đời bố”?
Cây có biết đọc lịch không?
Như vậy, cây biết đọc lịch để tới ngày tháng nào đó nó tự phát động tạo khối-sơ-khởi, rồi tạo nụ hoa, nở ra hoa, kết trái, già chín và hạt rụng theo đúng “kế hoạch” của chủng loại nó. Làm sao cây biết lịch, làm sao nó biết hể tới tháng 5 dl là có mưa, và mưa suốt 5-6 tháng trời? Mà mùa mưa thì có thể đến sớm hơn hay trễ hơn, tùy năm.
Trước nhất, cây cối là các nhà toán học, rành về xác-xuất (probability), cây biết cho hoa nở không cùng một lúc, có cái trước, có cái sau, trải dài một vài tuần, có nhiều loài kéo dài vài tháng, hay có loài hoa nở thành 2-3 mùa hoa một năm, để bảo đảm khi hạt chín thế nào cũng có một số hạt trúng vào mùa mưa nhiều, nếu mùa mưa đến trể hay sớm.
Như vậy, làm sao cây biết làm lịch thảo kế hoạch thực hiện cho mình? Thời tiết, và mùa mưa có thể thay đổi, không năm nào giống năm nào, nhưng có thể dựa vào xác-xuất để phân loại, chẳng hạn ở Miền Nam có thể phân chia một năm thành 2 mùa rõ rệt, mùa nắng từ tháng 11 đến tháng 4, và mùa mưa từ tháng 5 đến tháng 10 dl. Cây biết rằng mùa có thể thay đổi, đến sớm hay muộn, nhưng chu kỳ trục quay của trái đất không thay đổi. Trục trái đất khi nghiêng qua rồi nghiên lại, với góc 23° 48’ tạo ra ngày dài ngắn khác nhau theo mùa. Thời tiết nhiệt độ nắng mưa bảo tố v.v. đều có liên hệ với gốc độ của trục quay của địa cầu. Vào ngày Xuân phân (20/3) và Thu phân (22/9) là 2 ngày có thời gian ngày và đêm bằng nhau (12 giờ), ngày dài nhất trong năm là ngày Hạ Chí (21/6 ở Bắc Bán Cầu hay 21/12 ở Nam Bán Cầu), và ngày ngắn nhất là ngày Đông Chí (21/12 ở Bắc Bán Cầu và 21/6 ở Nam Bán Cầu).
Tại Sài Gòn (khoảng vĩ độ 10°N), cách biệt giữa ngày dài nhất (12g 35 phút vào ngày 21/6) và ngày ngắn nhất (11g24 phút vào ngày 21/12) là 1 giờ 11 phút. Mặt trời qua thiên đỉnh vùng Sài Gòn khoảng ngày 30/4 dl, tức là lúc ngày và đêm dài bằng nhau 12 giờ, cũng là lúc Sài Gòn nóng bức nhất, và cũng là thời điểm bắt đầu mùa mưa.
Lá cây nhạy cảm với thời gian của ngày, và dùng thời gian ban ngày, đúng hơn là thời gian ban đêm, làm lịch. Lá cây xử dụng một sắc tố protein-nhận-màu (photoreceptor protein) như sắc tố (phytochrome) Pr, Pfr, nhạy cảm với tia đỏ (Red viết tắt R, độ dài sóng 660 nm) và tia hồng-ngoại (Far-Red, viết tắt FR, độ dài sóng 730 nm) của ánh sáng. Ánh sáng mặt trời (ban ngày) chứa nhiều R hơn FR. Sắc tố Pr khi nhận R thì biến thành Pfr, vì vậy khi mặt trời lặn, lá cây mang sắc tố Pfr. Trong bóng tối (ban đêm), Pfr tự động biến thành Pr. Sắc tố Pr, được tạo nhiều nếu đêm dài hơn ngày, cần thiết để kích động bộ máy di-truyền - gene AP1 làm nhiệm vụ điều khiển việc tạo hoa.
Như vậy, đối với một loài cây, vào mùa có ngày ngắn dần (hay đêm dài dần) tới một thời điểm cây bắt đầu chứa nhiều sắc tố Pr để phát động ra hoa. Thời gian của ngày ngắn đó gọi là nhật-kỳ-tới-hạn (critical photoperiod). Nếu ngày dài hơn số giờ này, cây không ra hoa. Cây hoa mai có nhật-kỳ-tới-hạn khoảng 11g10 phút. Tại Sài Gòn, ngày 21/9 ngày dài 12 giờ, cây mai chưa phát động việc ra hoa. Sau ngày này, ngày ngắn dần, cho tới khoảng chừng 1/11 dl là lúc ngày chỉ dài 11g 10 phút – đạt nhật-kỳ-tới-hạn của loài Mai, cây bắt đầu phát động tạo hoa, để hoa mai nở trong mùa Xuân, dịp Tết.
Hoa Cúc hoang có nhật-kỳ-tới-hạn cao hơn, nên hoa nở sớm hơn, vào khoảng cuối thu (tháng 11). Con người qua hàng ngàn năm đã tuyển chọn loài có nhật-kỳ-tới-hạn ngắn hơn, và dùng kỹ thuật để ép hoa Cúc nở vào dịp đúng Tết.
Một cách tổng quát, các loại cây bản địa của vùng Sài Gòn có nhật-kỳ-tới-hạn khoảng 11 giờ đến 11g 30 phút để cây nở hoa trong dịp Xuân.
Hộp-MADS và mô hình phát triển hoa ABC
Làm sao cây chuyển từ giai đoạn tăng trưởng sang giai đoạn sinh dục để phát hoa?
Sinh vật truyền chủng qua hệ thống di truyền DNA trong nhiểm-sắc-thể (chromosome), trên đó có hàng triệu gen. Để tạo ra hoa, phải có trên vài ngàn gen lần lượt chi phối. Trước nhất, một số gen ra lệnh cây ngừng tăng trưởng để dành năng lượng vào bộ máy sinh dục tạo hoa. Sau đó, một số gen ra lệnh tạo khối-sơ-khởi (primordium), rồi một số gen khác ra lệnh tế bào khối-sơ-khởi sinh sản và phân liệt lần lượt ra đế hoa, tràng hoa, cánh hoa, ống nhị và phấn hoa, bầu noản, v.v. để thành một hoa đầy đủ bộ phận. Nếu bộ máy di truyền thiếu một số gen nào đó, hoa sẽ biến dị, sẽ thiếu một hay nhiều bộ phận nào đó.
MADS-box, viết tắt từ 4 chữ đầu của 4 nhóm protein, mà chuổi (sequence) nucleotides được xác định đầu tiên là MCM1 (chi phối nhảy nhánh của men Saccharomyces cerevisiae), AGAMOUS (AG chi phối cánh hoa ở cải Arabidopsis thaliana), DEFICIENS (chi phối sự phát triển hoa ở cây Antirrhinum majus),và SRF (của nhân hầu Homo sapiens, chi phối sự sinh sản và phân liệt (differentiation) của tế bào). Ở thực vật, hộp-MADS chi phối việc ra hoa, như các nhóm protein AGAMOUS và DEFICIENS, chỉ định gen nào có nhiệm vụ thành lập bộ phận nào của hoa, theo như mô hình phát triển ABC của hoa. Theo mô hình này, sự hiện diện hay vắng mặt một nhóm gen sẽ đưa đến việc thành hình với đầy đủ các bộ phận của hoa hay hoa dị biến thiếu sót một hay nhiều bộ phận.
Ở hoa cải Arabidopsis thaliana , nhóm A gồm protein APETALA2 (AP2), và APETALA1 (AP1); nhóm B gồm APETALA3 (AP3) và PISTILLATA (PI); và nhóm C gồm AGAMOUS (AG).
Ở hoa Antirrhinum majus, gen nhóm A gồm SQUAMOSA (SQUA), LIPLESS1 (LIP1) và LIPLESS2 (LIP2); nhóm B gồm DEFICIENS (DEF) và GLOBOSA (GLO); và nhóm C gồm PLENA (PLE) và FARINELLI (FAR).
Mô hình ABC
Nhóm A (màu lục) chi phối tràng hoa (sepal) và cánh hoa (petal), nhóm B (màu vàng) chi phối cánh hoa và ống nhị đực (stamens), và nhóm C (màu đỏ) chi phối ống nhị đực và bầu noản (carpels)
Về sau, khi khám phá thêm APETALA3 (AP3) nên còn gọi là mô hình ABCE, theo đó nhóm gen E chi phối việc phát triễn các bộ phận của hoa.
Ở hoa cải Arabidopsis, 3 nhóm gen chính cùng phối hộp chi phối việc phát hoa là LEAFY (LFY), APETALA1 (AP1) và CAULIFLOWER (CAL). Cây không có LFY tiếp tục tăng trưởng và sẽ không có hoa.
AP1 chi phối trên 1000 gen, có 2 nhiệm vụ, (i) ra lệnh các phần tăng trưởng của cây ngừng hoạt động (như ngừng mọc thêm chồi, thêm lá), và (ii) chuyển hướng qua thành lập cơ quan sinh dục (như chồi hoa). Cây nào không có AP1 thì không có hoa, cây tiếp tục tăng trưởng. Nếu cả hai AP1 và CAL không hoạt động, hoa tiếp tục phát triển các bộ phận thành hình dạng của bông cải cauliflower hay broccoli. AP1 như là một nhạc trưởng của một ban nhạc, ra lệnh gen nào hoạt động trước, gen nào sau với nhiệm vụ gì theo một nhịp điệu có lang lớp để cuối cùng có một hoa bình thường thành hình vào một thời điểm đã hoạch định trước.
Bộ máy di truyền của Hộp-MADS chi phối việc ra hoa rất phức tạp, gồm hàng vài ngàn gen, nhóm gen này ảnh hưởng lên nhóm gen kia để quyết định sự thành lập hoa. Càng ngày các nhà khoa học khám phá thêm nhiều gen mới. Chẳng hạn, gen TERMINAL FLOWER1 (TFL1) ngăn cản hai gen LFY và AP1 tạo khối-sơ-khởi-phát-hoa, nên cây tiếp tục tăng trưởng. Cả hai gen CONSTANS (CO) và FKF1 cùng kiểm soát thời điểm ra hoa. Nếu bộ máy di truyền thiếu gen FKF1 thì hoa trổ muộn. Gen CO giúp hoa nở sớm
Hộp-MADS, viễn ảnh nghiên cứu và áp dụng
Cây cối vẫn còn nhiều bí ẩn. Hiện nay các nhà sinh-học đang đi sâu vào bộ máy di truyền để tìm hiểu nguyên cả bộ máy gen trong Hộp-MADS chi phối việc ra hoa, chúng hoạt động ra sao, chúng phối hợp với nhau, hay ngăn cản nhau như thế nào? Kết quả nghiên cứu cung cấp kiến thức hiện nay chỉ là mới khởi đầu, con đường nghiên cứu cả ngàn gen chi phối việc ra hoa còn rất dài. Các Đại học ở Hòa Lan và Ái-Nhĩ-Lan tập trung nghiên cứu bộ máy gen trên cải Arabidopsis thaliana, ở Hoa Kỳ và Tây Ban Nha trên hoa Antirrhinum majus và Arabidopsis thaliana, Đại học Reading và Oxford (UK) trên hoa Impatiens, còn Australia thì tập trung hệ thống gen ra hoa của lúa mì.
Ngày nay, các nhà sinh-học kỳ vọng rằng một khi hiểu biết sâu rộng và khám phá thêm nhiều gen cùng cách hoạt động của chúng, con người có thể biến đổi thế giới thực vật để đáp ứng nhu cầu của con người.
1- Tạo được các giống hoa nở rộ vào bất cứ thời điểm mong muốn nào, không còn tùy thuộc vào mùa. Màu sắc, hình dạng hoa cũng có thể tạo được qua các dị biến của gen.
2- Tạo cây ăn trái cho trái chín vào bất cứ tháng nào, chứ không tùy thuộc vào mùa như hiện nay.
3- Các loài rau ăn lá (như xà lách, rau dền, spinach, v.v.) một khi trổ hoa thì giá trị kém và sau khi có hột thì chết. Kỹ thuật mới làm các loại rau này không có hoa, cây chỉ toàn ra lá quanh năm và sống nhiều năm.
4- Giúp công tác lai tạo ra giống mới dễ dàng vì chu kỳ cây cha và mẹ từ gieo đến có hột có thể rút ngắn lại. Ngày nay, các phóng thí nghiệm ờ Tây Ban Nha đã thành công trong việc tạo được cây cam ra trái chiếng chỉ sau 1 năm trồng, thay vì 6 năm trong điều kiện khí hậu ở Tây Ban Nha. Như vậy với những loài cây chậm ra trái như Măng Cụt, và cây rừng, thông thường phải 10-15 năm mới có trái, kỹ thuật lai giống cổ điển phải mất 50-60 năm mới tạo được giống mới, nay có thể tút ngắn xuống còn 10 năm.
