Dương xỉ là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu về dương xỉ

Dương xỉ (tiếng Anh: fern), nhóm thực vật sống không hạt có mạch (vascular, seedless), là thực vật bậc cao không có hoa, sinh sản bằng bào tử, không tạo hạt hoặc quả. Mạch dẫn trong thân giúp vận chuyển nước và dinh dưỡng, phân biệt với rêu và cây không có mạch. Dương xỉ có lịch sử tiến hóa lâu dài, xuất hiện trong hóa thạch từ kỷ Carboniferous, đã thích nghi với nhiều môi trường từ rừng nhiệt đới đến vùng núi cao và vùng ôn đới.

Số loài dương xỉ hiện nay ước tính khoảng 10.500‑13.000 loài tùy cách phân loại, phân bố khắp nơi trên thế giới, đặc biệt phong phú ở vùng nhiệt đới nơi độ ẩm cao và ánh sáng khuếch tán. Một số loài thủy sinh hoặc sống nơi bóng râm sâu, trong khi loài khác chịu được điều kiện khô hơn hoặc vùng núi. Vai trò môi trường quan trọng bao gồm bảo vệ đất, điều hòa vi khí hậu, duy trì độ ẩm và đóng góp vào chu trình dinh dưỡng.

Nguồn thông tin đáng tin cậy bao gồm Britannica – Fern: Description, Features, Evolution, & Taxonomy và American Fern Society – About Ferns.

Phân loại và hệ thống học

Ngành Polypodiophyta (hoặc Polypodiopsida), thường gọi chung là dương xỉ, được phân chia thành nhiều bộ và họ dựa vào phân tích hình thái, cấu trúc bào tử, dữ liệu phân tử. Phân loại mới theo Pteridophyte Phylogeny Group (PPG I, 2016) chia dương xỉ thành các nhóm chính như leptosporangiate và eusporangiate. Bộ Polypodiales chiếm số lượng loài lớn nhất, hơn 80% loài dương xỉ hiện đại.

Bộ Salviniales bao gồm các loài dương xỉ thủy sinh như Azolla, Salvinia; Marattiales là các dương xỉ cổ, lớn, có cấu trúc khác biệt; ngoài ra có các nhóm nhỏ hơn. Cách xếp này dựa trên cả dữ liệu di truyền và đặc điểm phôi bào tử, cấu trúc nón bào tử (sorus) và indusium (màng che bào tử).

Một số nguồn phân loại và dữ liệu số loài: World Plants – Ferns and Lycophytes list cho biết khoảng 13.199 loài dương xỉ được công nhận; ScienceLearn – Classifying and Identifying Ferns thảo luận cách phân biệt các loài dựa vào thân, lá và cấu trúc sporangia.

Đặc điểm hình thái

Dương xỉ có thân ngầm (rhizome) hoặc bò ngang dưới lớp mùn đất, thường mọc ngang hoặc hình dạng đứng; rễ phát triển từ thân ngầm, có rễ phụ và sợi rễ nhỏ. Lá gọi là fronds – khi chưa mở cuộn lại hình quai vĩ (fiddlehead), sau đó mở ra thành lá hoàn chỉnh. Lá có thể đơn hoặc phân thùy (pinnate, bipinnate…), đôi khi nhiều lần phân thùy, với cấu trúc rõ nét của gân lá.

Mặt dưới của lá thường mang ổ bào tử (sori), nhiều loài có màng che (indusium) bảo vệ sori; vị trí sori (mép lá, mặt dưới phiến, theo gân) và hình dạng là đặc điểm quan trọng để phân biệt loài. Lá thường mang lông, vảy hoặc các cấu trúc bảo vệ khác nhằm hạn chế thoát hơi nước và bảo vệ khỏi mầm bệnh hoặc tác nhân môi trường.

Bảng biểu so sánh các đặc điểm hình thái của dương xỉ từ các nhóm phổ biến:

Nhóm dương xỉ	Thân/ngầm	Hình dạng lá (fronds)	Sori/indusium
Leptosporangiate	Thân ngầm hoặc bò	Fronds phân thùy, thường mảnh, mở từ cuộn	Sori nhỏ, thường có indusium hoặc màng che
Eusporangiate (ví dụ Marattiales)	Thân dày hơn, lớn hơn	Fronds lớn, dày hơn, ít phân thùy sâu	Sori lớn, indusium phát triển khác

Chu trình sống và sinh sản

Chu trình dị thể hệ (alternation of generations) gồm hai pha độc lập: thể bào tử (sporophyte, 2n) có thân, lá, rễ phát triển rõ ràng và thể giao tử (gametophyte, n) nhỏ hơn, thường lá mỏng, có rhizoids; thể giao tử sản xuất cơ quan sinh dục đực (antheridia) và cái (archegonia). Có nước là cần thiết cho việc di chuyển tinh trùng tới noãn để thụ tinh.

Bào tử được sinh ra trong các sporangia, thường nhóm thành sori trên mặt dưới lá, khi chín khô thì phát tán nhờ gió hoặc nước. Khi bào tử rơi vào môi trường ẩm, nó nảy mầm thành thể giao tử hình trái tim (prothallus), nhỏ, mỏng, có khả năng tự dưỡng. Sau khi thụ tinh, hợp tử phát triển thành cây dương xỉ trưởng thành (thể bào tử).

Nguồn chi tiết về sinh sản và chu trình sống có thể xem tại Botanical Garden Berkeley – Fern Reproduction và ThoughtCo – Fern Life Cycle.

Sinh thái và phân bố

Dương xỉ phân bố toàn cầu, từ rừng mưa nhiệt đới, vùng ôn đới mát ẩm cho đến các vùng núi cao, thậm chí sa mạc bán khô hạn. Mặc dù phần lớn loài ưa ẩm và bóng râm, một số thích nghi với ánh sáng mạnh và đất nghèo dinh dưỡng. Chúng sinh trưởng tốt ở các tầng dưới tán cây, khe suối, trên đá, thân cây mục, hoặc sống nổi trên mặt nước.

Các hình thức sinh sống phổ biến của dương xỉ bao gồm:

• Terrestrial: sống trên đất (đa số các loài)
• Epiphytic: sống bám trên cây khác (như Platycerium, Asplenium)
• Saxicolous: sống trên đá (thường thấy ở khe núi, hang đá ẩm)
• Aquatic: sống trong hoặc trên mặt nước (ví dụ: Azolla, Salvinia)

Khả năng thích nghi sinh thái cao giúp dương xỉ tồn tại ở nhiều kiểu sinh cảnh khác nhau. Một số loài đóng vai trò thực vật tiên phong, phục hồi đất trống, kiểm soát xói mòn. Cấu trúc lá dày, phát triển theo xoắn ốc và thân rễ chắc chắn giúp chúng tồn tại trong điều kiện khắc nghiệt.

Vai trò sinh thái và kinh tế

Dương xỉ góp phần quan trọng trong hệ sinh thái tự nhiên: giữ ẩm đất, duy trì cấu trúc rừng, tạo điều kiện cho vi sinh vật phát triển, là nguồn thức ăn và nơi trú ẩn cho nhiều sinh vật nhỏ. Các loài dương xỉ thủy sinh như Azolla cộng sinh với vi khuẩn lam Anabaena azollae, có khả năng cố định nitơ từ khí quyển, được ứng dụng như phân xanh trong nông nghiệp hữu cơ, đặc biệt là trong canh tác lúa ở châu Á.

Ứng dụng trong đời sống và kinh tế bao gồm:

• Cảnh quan: trồng làm cây nội thất, sân vườn, tường xanh
• Dược liệu: một số loài như Dryopteris filix-mas được dùng trong y học cổ truyền (trị giun sán, lợi tiểu)
• Thực phẩm: chồi non của một số loài dương xỉ ăn được như Pteridium aquilinum (Bracken fern), tuy nhiên cần nấu kỹ do chứa độc tố

Ngoài ra, một số loài dương xỉ có khả năng hấp thụ kim loại nặng như arsenic hoặc cadmium từ đất ô nhiễm, tiềm năng ứng dụng trong kỹ thuật phytoremediation (sinh học xử lý môi trường).

Ứng dụng trong nghiên cứu sinh học

Dương xỉ là đối tượng lý tưởng trong nghiên cứu tiến hóa thực vật, sinh học phát triển, đa hình giới tính và sinh sản không thụ tinh (apogamy, parthenogenesis). Cây dương xỉ nước Ceratopteris richardii thường được sử dụng như mô hình nghiên cứu do chu kỳ sống ngắn (~3–5 tuần), dễ lai tạo và dễ thao tác gene.

Các nghiên cứu sinh học phân tử đã xác định được trình tự bộ gen của nhiều loài dương xỉ, đóng vai trò quan trọng trong giải mã tiến hóa từ thực vật không mạch đến có mạch, và từ sinh sản bằng bào tử đến sinh sản bằng hạt. Một số gen liên quan đến hình thành cấu trúc phôi, sự phát triển lá xoắn ốc hay cơ chế phân hóa giới tính đang được nghiên cứu.

Nguồn tham khảo chuyên sâu: NCBI – Ceratopteris as a Model Organism và Nature – Genomes of the fern Azolla and its symbiont.

Các loài phổ biến tại Việt Nam

Việt Nam có hệ sinh thái phong phú với hơn 600 loài dương xỉ đã được ghi nhận, chủ yếu thuộc các họ Polypodiaceae, Aspleniaceae, Pteridaceae, Thelypteridaceae. Một số loài phổ biến và có giá trị ứng dụng cao bao gồm:

• Asplenium nidus – dương xỉ tổ chim: lá lớn, mọc hình hoa thị, thường trồng làm cảnh
• Platycerium bifurcatum – dương xỉ sừng hươu: dạng lá phân nhánh, thường gắn trên bảng gỗ
• Nephrolepis exaltata – dương xỉ lá lược: dễ trồng, phổ biến trong trang trí nội thất
• Microsorum scolopendria – dương xỉ chân rết: có hương thơm nhẹ, mọc tốt ở nơi ẩm

Tại các khu rừng nguyên sinh như Cúc Phương, Bạch Mã, và Tây Nguyên, dương xỉ là thành phần quan trọng của tầng thảm mục dưới tán rừng. Một số loài đặc hữu có thể chưa được phân loại đầy đủ, là đối tượng nghiên cứu tiềm năng.

Nguy cơ và bảo tồn

Mặc dù có sức sống tốt, nhiều loài dương xỉ đang bị đe dọa do mất sinh cảnh, chặt phá rừng, đô thị hóa, khai thác quá mức (dương xỉ rừng dùng làm cảnh). Một số loài được liệt kê trong Sách đỏ IUCN như Cyathea contaminans, Adiantum reniforme, cần được bảo vệ khẩn cấp.

Các chiến lược bảo tồn gồm:

• Bảo tồn in situ: giữ loài trong sinh cảnh tự nhiên
• Bảo tồn ex situ: nhân giống tại vườn thực vật, lưu trữ bào tử
• Sử dụng công nghệ nuôi cấy mô để nhân giống đại trà

Một số tổ chức đang thực hiện dự án bảo tồn dương xỉ như PteridoPortal và các vườn thực vật lớn ở Singapore, Nhật Bản, Kew Gardens (Anh).

Tài liệu tham khảo

1. Britannica – Fern
2. American Fern Society – About Ferns
3. NCBI – Ceratopteris as a Model Organism
4. Nature – Azolla genome and nitrogen fixation
5. PteridoPortal – Fern Biodiversity
6. IUCN Red List – Threatened Ferns