Các triệu chứng thiếu dinh dưỡng có thể quan sát được là phương tiện rất hữu ích cho chẩn đoán và đánh giá trạng thái dinh dưỡng của cây trồng. Tuy nhiên chỉ một triệu chứng đơn lẻ  biểu hiện thì chưa đủ cơ sở để kết luận về trạng thái dinh dưỡng của cây. Rất nhiều các triệu chứng thông thường như cháy đầu lá, vàng úa hay hoại tử được quy cho thiếu nhiều hơn một loại nguyên tố đồng thời bị ảnh hưởng bởi các stress khác nhưng chưa được xác định một cách chuyên biệt. Mặc dù vậy thì việc chẩn đoán các triệu chứng thiếu dinh dưỡng vẫn rất hữu dụng trong việc đánh giá tình trạng dinh dưỡng của cây trồng.

Ngoài các quan sát thực tế trên hình thái cũng như các dạng triệu chứng thiếu dinh dưỡng thì sự hiểu biết về vị trí và thời gian biểu hiện các triệu chứng cũng đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá tình trạng dinh dưỡng của cây. Thực vật không thể phát triển trong môi trường bị cô lập, chúng là một phần thực thể của môi trường chúng sinh sống cũng như cách mà thực vật đáp ứng với các thay đổi do môi trường tạo ra ví dụ như trạng thái các chất dinh dưỡng mà cây có thể sử dụng. Tương tự như môi trường tác động lên thực vật, bản thân chúng của ảnh hưởng đến môi trường sống của chúng như tham gia vào quá trình làm thay đổi môi trường xung quanh, điều này lại tác động ngược lại là có thể ảnh hưởng đến tình trạng dinh dưỡng của cây.

Nguồn gốc của các triệu chứng

Các yếu tố stress như nhiễm mặn, mầm bệnh hay sự ô nhiễm không khí làm thay đổi các đặc tính của cây và chúng biểu hiện ra bên ngoài như các triệu chứng có thể nhìn thấy được. Thông thường thì những triệu chứng này rất giống với triệu chứng thiếu dinh dưỡng.Các tác nhân gây bệnh thường tạo ra một triệu chứng vàng gân lá, ô nhiễm không khí hay nhiễm mặn gây cháy đầu lá. Mặc dù các triệu chứng sơ khởi này có thể nhìn tương tự với các triệu chứng thiếu dinh dưỡng nhưng chúng khác nhau khi xem xét chi tiết khi theo dõi triệu chứng tiến triển.

Các triệu chứng bệnh cây có thể phân biệt với các triệu chứng liên quan đến dinh dưỡng qua sự phân bố của triệu chứng trên một quần thể cây bị ảnh hưởng. Nếu cây trồng bị các stress về dinh dưỡng thì hầu hết các cây trong cùng môi trường sẽ biểu hiện triệu chứng giống nhau tại cùng thời điểm
Tuy nhiên nếu cây bị stress do các tác nhân gây bệnh thì sự phát triển của các triệu chứng sẽ có khuynh hướng khác nhau giữa các cây ở giai đoạn khởi bệnh, sau đó sẽ lan qua các cây khỏe khác.

Các ảnh hưởng của môi trường

Thực vật lấy khỏi môi trường đất một lượng nhất định các chất dinh dưỡng trong suốt quá trình sinh trưởng và phát triển. Nhiều thay đổi đối với môi trường trong một thời gian dài cũng do các hoạt động phát triển của cây. Nếu quá trình này diễn ra liên tục và đất không được hoàn trả dinh dưỡng sẽ trở nên cằn cỗi. Sự cân bằng điện tích cần phải được duy trì giữa cây và đất trong suốt quá trình cây hấp thu chất dinh dưỡng. Sự cân bằng điện tích được diễn ra thông qua quá trình cây tiết ra các ion proton H+ hay các nhóm hydroxyl để thay thế các ion dinh dưỡng khoáng (ion dương thay bởi H+ và ion âm thay bởi nhóm OH-) mà cây đã hấp thu.

Ví dụ khi cây trồng được bón phân đạm, cây sẽ hấp thu phần lớn lượng đạm ở dạng ion ammonium NH4+ chứ không phải ở dạng ion NO3-. Do gốc nitrate là ion âm duy nhất được cây trồng sử dụng với lượng rất lớn nên cây sẽ tiết ra nhiều ion H+ để cân bằng với lượng NH4+ bị lấy đi.
Trong trường hợp cây tăng trưởng mạnh mẽ thì lượng proton H+ tiết ra có thể đủ để làm giảm pH của đất. Sự thay đổi pH của đất có thể ảnh hưởng đến cấu trúc của đất, trạng thái dinh dưỡng và cũng như có hiện tượng dinh dưỡng bị mất đi. Các ảnh hưởng trung gian lên đất có thể có lợi cho vài loại cây, đặc biệt là các cây ưa acid. Tuy nhiên nếu pH của đất được giữ thấp (acid) trong thời gian dài có thể hủy diệt thực vật và do đó sự hiện hữu của chất dinh dưỡng trong đất cũng sẽ thay đổi.

Đất có pH thấp sẽ làm mất đi nhanh chóng các nguyên tố vi lượng trong đất, thậm chí tạo ra thiếu hụt vi chất cho thực vật như thiếu đồng Cu và Kẽm Zn. Thêm nữa khi pH của đất giảm xuống dưới 5 (pH<5) thì sự hòa tan của các nguyên tố như Al hay Mn gia tăng, các nguyên tố này nhiều sẽ trở thành độc tố cản trở sự phát triển của hầu hết các loại cây.

Người ta thường cho rằng thực vật là sinh vật thụ động trong mối liên hệ với môi trường sống do không có khả năng di chuyển như động vật. Tuy nhiên điều này không hẳn đúng vì có nhiều loại thực vật tham gia vào quá trình làm thay đổi môi trường xung quanh chúng qua khía cạnh chúng hướng bộ rễ tới những nơi có nhiều chất dinh dưỡng hơn. Ví dụ như khi nguyên tố sắt Fe là vi chất dinh dưỡng cho các loại cây nông nghiệp nhưng khi vượt ngưỡng khoảng 3% thì trở nên dư thừa và độc hại.

Vài loại cây chủ động tiết ra proton H+ làm giảm pH qua đó gián tiếp làm gia tăng sự hòa tan của nguyên tố sắt trong môi trường sống của chúng. Một số loại thực vật khác tiết ra phytosiderophores giúp hình thành các phức hợp chelate sắt (Fe-chelate) và như vậy nguyên tố sắt ở dạng dễ hấp thu cho cây hơn.

Quá trình phát triển các triệu chứng

Với cái nhìn đầu tiên thì việc phân biệt các triệu chứng thiếu các yếu tố dinh dưỡng thiết yếu khá đơn giản. Nhưng thường thì các giả định như vậy không được chính xác. Thực sự thì các triệu chứng thiếu dinh dưỡng khá phức tạp do mỗi yếu tố dinh dưỡng phục vụ các chức năng sinh học khác nhau và mỗi chức năng lại có thể có các tương tác độc lập nhau với một chuỗi các sự kiện diễn ra trong môi trường sống.

Sự biểu hiện các triệu chứng này cũng khác nhau tùy thuộc vào tình huống thiếu dinh dưỡng kiểu nào: cấp tính hay mạn tính. Sự thiếu dinh dưỡng cấp tính xuất hiện khi một chất dinh dưỡng không còn hiện diện đủ cho cây đang phát triển nhanh hấp thu. Thiếu dinh dưỡng mạn tính xuất hiện khi nguồn cung cấp dinh dưỡng bị giới hạn nhưng vẫn còn cung cấp liên tục cho cây nhưng ở tỉ lệ rất thấp không đáp ứng đủ yêu cầu phát triển của cây. 

Hầu hết các triệu chứng thiếu hụt dinh dưỡng được mô tả trong các giáo trình là các triệu chứng thiếu dinh dưỡng dạng cấp tính. Triệu chứng phổ biến nhất của sự thiếu dinh dưỡng mạn tính với chất lượng tăng trưởng kém như lá có màu xanh đậm hơn, cây trở nên còi cọc và phát triển chậm.

Các mô tả triệu chứng điển hình là các triệu chứng thiếu dinh dưỡng được thí nghiệm trong điều kiện nhà lưới khi cây được trồng thủy canh hoặc trồng trên các môi trường đầy đủ dinh dưỡng. Trong các điều kiện này thì các chất dinh dưỡng luôn sắn sàng cho cây hấp thu nhưng khi một chất dinh dưỡng bị cạn kiệt thì cây sẽ đối mặt với sự thiếu hụt dinh dưỡng cấp tính. Do vậy mà các nghiên cứu dùng hệ thống thủy canh thích hợp để mô tả các triệu chứng thiếu dinh dưỡng cấp tính.
Các thí nghiệm được thiết lập để nghiên cứu các triệu chứng của sự thiếu vi lượng thông qua việc loại bỏ các chất vi lượng ra khỏi dung dịch dinh dưỡng. Chất vi lượng thường hiện diện trong hạt hay hiện diện như chất tạp nhiễm trong môi trường do vậy thực vật phát triển với kích thước hoàn chỉnh sẽ hấp thu cạn kiệt các nguyên tố vi lượng này làm phát sinh các triệu chứng thiếu dinh dưỡng cấp tính.

Khi nghiên cứu các triệu chứng thiếu dinh dưỡng đa lượng thì các nguyên tố đa lượng sẽ được loại bỏ đột ngột khỏi môi trường của cây đang tăng trưởng nhanh nhằm đánh giá hiệu ứng của sự thiếu hụt. Ngoài ra thì thực vật được cung cấp các chất dinh dưỡng đa lượng trong một lần đủ cho cây phát triển trong một khoảng thời gian nhất định. Do các nguyên tố đa lượng luôn được cây sử dụng liên tục với một lượng lớn nên các nguyên tố này sẽ nhanh chóng cạn kiện dẫn đến sự thiếu dinh dưỡng cấp tính.

Trong tự nhiên thì thực vật đối mặt với rất nhiều loại cũng như mức độ các loại stress. Điều này tạo ra các loại triệu chứng khác nhau trong suốt quá trình phát triển của cây. Có lẽ sự thiếu hụt dinh dưỡng phổ biến nhất trong môi trường tự nhiên là nguồn cung cấp dinh dưỡng bị hạn chế và thay mới liên tục nhưng ở tốc độ chậm chạp qua quá trình phong hóa đất do thời tiết. Trong các trường hợp này thì kết quả là tạo ra các triệu chứng thiếu dinh dưỡng mạn tính.

Ảnh hưởng của sự biến động các yếu tố dinh dưỡng lên sự phát triển các triệu chứng

Sự tương tác giữa tính di động của các nguyên tố dinh dưỡng ở thực vật và tỉ lệ tăng trưởng thực vật có thể là những nhân tố ảnh hưởng đến vị trí và loại triệu chứng thiếu dinh dưỡng. Đối với các yếu tố dinh dưỡng có tính di động cai như đạm (N) và Kali (K) thì các triệu chứng thiếu dinh dưỡng sẽ biểu hiện trước ở các lá trưởng thành và lá già.

Đây là kết quả của việc các chất dinh dưỡng được ưu tiên huy động cho các lá non từ lá già trong suốt quá trình cây bị thiếu dinh dưỡng. thêm nữa các chất dinh dưỡng được hấp thu bởi rễ sẽ được ưu tiên chuyển vị đến các lá non mới ra và các vùng mô đang tăng trưởng mạnh. Do vậy mà các lá trưởng thành và lá già sẽ bị cạn kiệt các chất dinh dưỡng có tính di động cao trong suốt quá trình stress trong khi các lá non vẫn được duy trì lượng chất dinh dưỡng cần thiết cho quá trình phát triển.

Có sự đối nghịch trong việc huy động các chất dinh dưỡng ít di động so với các chất dinh dưỡng có tính di dộng cao như N, K. Các chất dinh dưỡng ít di động như Ca, Bo hay Fe khi thiếu thì triệu chứng sẽ thể hiện ở những khu vực đang tăng trưởng mạnh và các lá mới trong khi các lá già vẫn ở tình trạng bình thường (giả định này có thể là do những cây này ban đầu đủ chất dinh dưỡng nhưng sau đó cây bị thiếu hụt do quá trình phát triển).

Ở những cây trồng tăng trưởng rất chậm nhưng không phải do vấn đề dinh dưỡng (mà do các yếu tố khác như ánh sáng hay nhiệt độ chẳng hạn) thì với một nguồn cung cấp hạn chế chất dinh dưỡng cũng đủ cho cây phát triển nhưng với tốc độ chậm và thậm chí cây không biểu hiện triệu chứng ra bên ngoài. Loại phát triển này có thể xảy ra trong trường hợp của các chất dinh dưỡng ít di động do các chất dinh dưỡng dư thừa ở các lá già sau cùng sẽ được chuyển đến cho các mô đang phát triển.

Ngược lại trường hợp trên, một cấy với một nguồn cung chất dinh dưỡng hạn chế tương tự nhưng đang phát triển nhanh chóng sẽ dẫn đến sự thiếu hụt trầm trọng chất dinh dưỡng ở những mô đang tăng trưởng mạnh như lá non hoặc các phần đang tăng trưởng của cây. Ví dụ kinh điển cho trường hợp này là thiếu Ca ở rau cải xà lách, khi thiếu Ca thì xuất hiện triệu chứng như rìa lá và đầu lá bị khô. Triệu chứng cũng xuất hiện ở khu vực đang tăng trưởng gần các mô chồi. Tỉ lệ tăng trưởng tối đa của rau xà lách thường bị giới hạn bởi khả năng chuyển vị Ca trong thân cây đến các mô đang tăng trưởng chứ không phải nguyên nhân từ sự hấp thu các nguồn dinh dưỡng bị hạn chế trong đất.
Khi các chất dinh dưỡng có tính di động trung bình như lưu huỳnh (S) và Magnesium (Mg) bị thiếu hụt thì các triệu chứng thường được quan sát ở toàn bộ thân cây. 

Tuy nhiên thì tỉ lệ tăng trưởng của cây và tỉ lệ chất dinh dưỡng sẵn sàn cho hấp thu có thể tạo ra sự khác biệt đáng kể về các vị trí xuất hiện triệu chứng. Tuy nhiên nếu nguồn cung cấp chất dinh dưỡng không đáp ứng được yêu cầu tốc độ tăng trưởng thì các triệu chứng sẽ xuất hiện trên các mô già trước. Nếu nguồn cung chất dinh dưỡng rất chậm so với tốc độ tăng trưởng hoặc chất dinh dưỡng bị cạn kiệt hoàn toàn thì các triệu chứng sẽ xuất hiện trên các mô non trước tiên.

Sự canh tranh dinh dưỡng và các thiếu hụt xảy ra do cảm ứng

Khi quan sát thấy các triệu chứng là các kết quả trực tiếp của sự thiếu một chất dinh dưỡng nào đó thì hành động cần thiết để điều chỉnh sự thiếu hụt này có thể được tiến hành như cung cấp thêm dưỡn chất giúp cây hồi phục. Tuy nhiên các triệu chứng xuất hiện thường là do các tương tác giữa các yếu tố nội sinh và ngoại sinh từ môi trường làm hạn chế sự hiện hữu của các chất dinh dưỡng cần thiết. Ví dụ điển hình cho trường hợp này là sự thếu sắt Fe đươc cảm ứng bởi có nhiều kim loại nặng trong môi trường đất.

Các kim loại chuyển tiếp như Cu, Zn, Cr và Ni cạnh tranh lẫn nhau và cạnh tranh với Fe khi thực vật hấp thu các kim loại này. Sự cạnh tranh trong hấp thu các khoáng chất dinh dưỡng không chuyên biệt đối với sắt cũng như các kim loại nặng. Trong khi đó thì các nguyên tố khoáng khác có cơ chế hấp thu chuyên biệt, cơ chế này áp dụng cho các chất dinh dưỡng có cùng tính chất hóa học cũng như cơ chế hấp thu.

Ví dụ như sự hiện diện của Cu và Zn thường ít hơn Fe, các nguyên tố như Ni và Cr thì có nồng độ hiện diện cao hơn Fe sẽ tạo ra sự thiếu hụt một trong những nguyên tố trên thay vì thiếu Fe. Trong trường hợp các nguyên tố đa lượng thì khi dư thừa Mg sẽ cạnh tranh với K khi cây hấp thu dẫn đến cây bị thiếu K.

Sự cằn cỗi của đất là do các quá trình cạnh tranh như vậy, khi Mg hiện diện ở hàm lượng cao trong đất thì sẽ gây ra hiện tượng thiếu Ca. Độc tính của đất có pH thấp cũng là một trường hợp khác của sự thiếu dinh dưỡng. Độ pH thấp có ảnh hưởng kép trên các thành phần dinh dưỡng của đất. Thứ nhất là nó tăng cường sự rửa trôi các ion dương (cation) và do đó làm giảm sự hiện diện của các ion này trong đất. Trong khi đó thì pH thấp ứng với lượng proton nhiều sẽ cạnh tranh với Ca và các ion dương khác trong quá trình cây hấp thu các chất dinh dưỡng. Như vậy sự thiếu hụt các chất dinh dưỡng có thể được gây ra bởi rất nhiều cơ chế khác nhau mà các cơ chế này hoạt động tương tác lẫn nhau như một dàn nhạc giao hưởng, quá trình này làm giới hạn lượng chất dinh dưỡng mà cây cần hấp thu.

Nhu cầu dinh dưỡng và hiệu quả sử dụng

Mặc dù các cây cùng loài có cơ chế đáp ứng tương tự khi gặp tình trạng stress dinh dưỡng (dư hoặc thiếu) nhưng chúng cũng thường biểu hiện các thông số khác nhau trong khía cạnh hiệu quả sử dụng các chất dinh dưỡng. Đây là kết quả của sự khác nhau trong tỉ lệ tăng trưởng, sự phân bố rễ, giai đoạn phát triển và hiệu năng hấp thu và sử dụng chất dinh dưỡng. Hiểu rộng ra là với một nơi bất kỳ nào đó thì các cây cùng loài có thể biểu hiện sự thiếu hụt dinh dưỡng trong khi những cây từ loài khác cũng tăng trưởng trong cùng điều kiện môi trường có thể khôn biểu hiện bất kỳ triệu chứng thiếu dinh dưỡng nào.
Tốc độ tăng trưởng cũng ảnh hưởng đến tình trạng dinh dưỡng của cây. Khi nguồn cung dinh dưỡng không đầy đủ cho sự tăng trưởng thì các cây sẽ điều chỉnh sự tăng trưởng của chúng cho phù hợp với sự hiện diện của các chất dinh dưỡng sẵn có, sự điều chỉnh này sẽ không biểu hiện các triệu chứng thiếu hụt dinh dưỡng như thường thấy.

Các hệ thống nông nghiệp khác với thiên nhiên ở chỗ cây trồng đã được chọn giống thích hợp cho sự tăng trưởng và phát triển nhanh chóng dưới điều kiện ít stress. Tốc độ tăng trưởng nhanh đòi hỏi tiêu thụ một lượng lớn phân bón và do đó dễ gây ra sự thiếu hụt dinh dưỡng ở mức cao. Vì vậy hệ thống nông nghiệp đòi hỏi nguồn cung cấp phân bón dồi dào để cho cây trồng phát triển.
Thực sự thì rất khó để tìm thấy các triệu chứng thiếu dinh dưỡng nghiêm trọng trong các hệ thống canh tác nông nghiệp khi các loại thực vật sinh trưởng tự nhiên trên cùng diện tích cho thấy rất ít hoặc không có triệu chứng liên quan đến dinh dưỡng. Trong các hệ thống nông nghiệp thì sự thiếu dinh dưỡng mạn tính thường xảy ra ở các cây trồng được bón phân rất ít. Sự thiếu dinh dưỡng cấp tính thường xảy ra khi một loại cây trồng mới với đặc tính yêu cầu sử dụng nhiều phân bón được người nông dân canh tác. Trường hợp khác là đất nghèo dinh dưỡng do vụ trước trồng loại cây có tốc độ sinh trưởng cao gây ra sự thiếu hụt các chất dinh dưỡng cho vụ kế tiếp.

Tính đồng nhất về tình trạng dinh dưỡng của cây trồng

Không phải tất cả các mô trên cơ thể cây trồng đều có tình trạng dinh dưỡng giống nhau khi gặp điều kiện stress. Các lá trên cùng một cây sẽ chịu sự tác động khác nhau từ các tác nhân bên ngoài môi trường hoặc sự khác nhau do tuổi lá quy định. Các chất dinh dưỡng khoáng hầu hết được hấp thu bởi rễ và sau đó được phân phối cho toàn bộ cơ thể thực vật. Khoảng cách của các mô hay cơ quan so với rễ sẽ ảnh hưởng đến khả năng cung cấp và vận chuyển các chất khoáng này đặc biệt là các chất dinh dưỡng khoáng có tính ít di động và do vậy khó điều tiết đến mô ở xa hơn mô ở gần.

Ở các cây đang hồi phục sau quá trình bị thiếu hụt dinh dưỡng thì rễ và các mô dẫn truyền hồi phục trước. Ví dụ như trường hợp cây hồi phục sau khi bị thiếu Fe, thông thường chúng ta sẽ thấy gân lá xanh trở lại trong khi các mô giữa gân lá vẫn còn bị vàng và thiếu Fe. Để duy trì sự tăng trưởng nhanh và tối hảo, các mô của cây phải có một trạng thái dinh dưỡng thích hợp. Mặc dù thực vật có thể bị giới hạn nguồn cung một số chất dinh dưỡng ở điều kiện nhất định, một số chất dinh dưỡng quan trọng chỉ cần thiếu nó sẽ ảnh hưởng toàn bộ sự tăng trưởng của cây và các chất dinh dưỡng này gọi là yếu tố dinh dưỡng tới hạn. Tuy nhiên, nếu nguồn cung các chất dinh dưỡng có hàm lượng hiện diện ít tăng dần theo thời gian sẽ giúp gia tăng sự tăng trưởng của cây và điều này cũng làm tăng nhu cầu các chất dinh dưỡng khác để giúp cho quá trình tăng trưởng và phát triển của cây.

Các phương pháp chẩn đoán tình trạng thiếu dinh dưỡng

Mặc dù các triệu chứng biểu hiện ra bên ngoài rất hữu ích cho việc đánh giá nhanh tình trạng dinh dưỡng của cây trồng nhưng chúng chỉ là một trong các biện pháp để áp dụng. Các biện pháp chính trong đánh giá toàn diện tình trạng dinh dưỡng của cây như sử dụng kính hiển phi phân tích tình trạng mô, phân tích quang phổ, phân tích mô học và tính chất của đất. Các phương pháp này khác nhau về độ chuẩn xác, thời gian áp dụng và cho ra kết quả, khả năng dự đoán tình trạng dinh dưỡng sau đó. Do có sự tương tác rất gần gũi giữa cây và môi trường xung quanh nên các dự đoán về tình trạng dinh dưỡng của cây cho các giai đoạn phát triển sau đó phải dựa vào các thông số về môi trường trong cùng khung thời gian.

Ưu điểm chính của các phương pháp chẩn đoán triệu chứng nhìn thấy được là nhanh chóng nhận biết được tác nhân và qua đó đánh giá được tình trạng dinh dưỡng của cây. Hạn chế chủ yếu là các triệu chứng nhìn thấy được không phát triển thậm chí sau khi đã ảnh hưởng đến năng suất, sự tăng trưởng và phát triển của cây. Phân tích mô là phương pháp phân tích chuyên biệt cho từng loại dinh dưỡng nhưng phương pháp này khá chậm. Mô phải được chuẩn bị và xử lý, phân tích trước khi trạng thái dinh dưỡng của cây được xác định. Phân tích thành phần dinh dưỡng khoáng của mô thực vật được lựa chọn khi cần so sánh với các giá trị tới hạn của trình trạng dinh dưỡng. Phương pháp này được dùng để đánh giá tình trạng dinh dưỡng của cây tại thời điểm lấy mẫu phân tích và cho kết quả tương đối chắc chắn. Kết quả phân tích này có thể dùng để ngoại suy về trạng thái dinh dưỡng của cây tại thời điểm thu hoạch.

Phân tích đất cũng tương tự như phân tích mô thực vật nhưng phương pháp phân tích đất đánh giá khả năng cung cấp chất dinh dưỡng của đất thay vì biết được tình trạng dinh dưỡng của cây. Phân tích trên cơ thể cây trồng sẽ cho biết thông tin về chất dinh dưỡng mà cây cần đến trong khi phân tích đất giúp cung cấp thông tin về khả năng của nguồn cung cấp dinh dưỡng cho cây.
Phân tích quang phổ về tình trạng dinh dưỡng của cây vẫn còn ở giai đoạn thử nghiệm và hiện tại được dùng trong việc đánh giá các nguồn tài nguyên tổng thể cũng như trong các nghiên cứu chuyên biệt. Phương pháp phân tích dùng kính hiển vi có giá trị trong việc đánh giá các khía cạnh sinh lý học của các tình trạng stress dinh dưỡng chứ không có giá trị nhiều trong việc xác định trạng thái dinh dưỡng của cây hay nói cách khác phương pháp này mang giá trị định tính hơn là định lượng.

Mô tả triệu chứng

Thông thường ta sẽ không thể thấy được bất kỳ một lá hay thậm chí toàn bộ cơ thể thực vật biểu hiện toàn bộ các triệu chứng của sự thiếu dinh dưỡng. Do đó nhận biết các triệu chứng đơn lẻ sẽ tốt hơn để đánh giá các khả năng của sự kết hợp các triệu chứng mà chúng biểu hiện trên một cá thể cây trồng.
Hầu hết các thuật ngữ được sử dụng bên dưới đây để miêu tả các triệu chứng có tính hợp lý hiển nhiên dựa vào các biểu hiện của triệu chứng. Tuy nhiên một vài thuật ngữ có sự khác biệt trong phạm vi về các triệu chứng thiếu hụt dinh dưỡng. Ví dụ như thuật ngữ vàng lá thường để chỉ hiện tượng lá mất đi diệp lục tố chỉ còn lại carotenoid có màu vàng nhưng không thể được sử dụng để định loại triệu chứng nếu thiếu kiểm chứng. Điều này là do hiện tượng vàng là có nhiều nguyên nhân gây ra như thiếu đạm, vàng lá gân xanh khi thiếu sắt hoặc vàng bìa lá do thiếu canxi.  

Thuật ngữ khác được sử dụng thường xuyên để mô tả các triệu chứng thiếu dinh dưỡng là “hoại tử”. Đây là thuật ngử dùng chung để miêu tả triệu chứng màu nâu, các mô bị chết. Triệu chứng này có thể xuất hiện ở rất nhiều dạng, ví dụ như trường hợp triệu chứng bệnh vàng lá. Các triệu chứng thiếu dinh dưỡng xuất hiện ở các cây thì tương tự nhau nhưng vì có sự đa dạng giữa các cây và môi trường sống xung quanh nên sự biểu hiện triệu chứng có sự khác nhau. Ở cây một lá mầm có gân lá song song thì sự biểu hiện bệnh vàng lá là các dãi vàng chứ không phải ở dạng mạng lưới như ở cây hai lá mầm có gân lá hình mạng lưới. Sự khác biệt chủ yếu nữa là hiện tượng hoại tử bìa lá biểu hiện ở cây hai lá mầm sẽ khác với cây một lá mầm, ở cây một lá mầm biểu hiện dưới dạng cháy đầu lá.  

Ví dụ như các loại cây ngũ cốc hầu hết mẫn cảm với khô hạn khi cây đang trong giai đoạn trổ bông. Phôi hạt sẽ dừng phát triển tạo ra các cây trồng kém năng xuất và thậm chí là mất trắng hoàn toàn. Như vậy thì giải quyết vấn đề tưới tiêu và sử dụng nước hiệu quả sẽ giúp các nhà nông học đạt được năng suất ổn định mà không phải trông chờ vào việc tiếu tiêu. 

Khoảng trống giữa màng tế bào và vách tế bào gia tăng làm cho màng tế bào cũng như tế bào chất dồn vào trung tâm của tế bào. Dải tế bào chất vẫn còn kết nối với vách tế bào nơi mà màng sinh chất và vách tế bào liên kết nhau tại các vị trí tương tác như các cầu liên bào. Các tế bào bị mất nước và nguyên sinh chất bị cô đặc sẽ chết đi trừ khi các tế bào này được chuyển ngay sang môi trường chứa nước.

Các tác nhân gây đột biến như các tia bức xạ hay hóa chất làm thay đổi trình tự gene một cách ngẫu nhiên ở bất kỳ vị trí nào trên bộ gene (genome). Có nhiều cách để lập bản đồ của một đột biến trên nhiễm sắc thể và sau đó thì có thể clone gene mục tiêu đã xác định được vị trí. Hình sau mô tả phương pháp gene cloning dựa bào bản đồ gene.

Phương pháp này có ưu điểm là khai thác tính ít khác biệt giữa trình tự DNA của hai giống có quan hệ gần gũi với nhau trong cùng một loài nhưng có vài đặc điểm khác nhau. Tính khác biệt này tạo ra các nòi sinh thái - ecotype, ví dụ như ở cây Arabidopsis thì có các ecotype như Col-0, Ler và WS. Sự khác nhau các vị trí di truyền giữa hai ecotype gọi là các trình tự đa hình. Các trình tự đa hình này có thể được dùng như những marker di truyền (genetic marker) để phân tích tính đa hình giữa các cá thể hay các ecotype.  

Nếu vị trí của các đa hình được biết trước khi vị trí đột biến được lập bản đồ thì hãy xác định sự liên kết di truyền chặt chẽ giữa gene đột biến và marker chuyên biệt. Điều này cho phép các nhà di truyền học xác định được vị trí của gene đột biến trên bản đồ di truyền. Một khi vị trí gene trên bản đồ đã được xác lập thì các vị trí xung quanh sẽ được xác định trình tự để so sánh với kiểu gene của genome kiểu hoang dại (wild type).




Chúng ta sẽ sử dụng hình trên như một ví dụ. Giả sử chúng ta có một đột biến làm chậm thời gian ra hoa. Trong ví dụ này thì hóa chất EMS (ethylmethane sulfonate) được sử dụng để tạo ra đột biến trên một cá thể cây Arabidopsis thaliana thuộc ecotype Columbia (Col).

Cây đột biến này sẽ được dùng để lai với cây hoang dại từ một ecotype khác là Ler (Landsberg erecta). Cả hai ecotype này giống nhau về di truyền đến 99% và có thể được lai tạo với nhau tạo ra các cá thể lai Col/Ler. Nếu đột biến làm chậm thời gian ra hoa là tính trạng lặn thì thế hệ F1 sẽ tạo ra 100% cây con có kiểu hình hoang dại.

Mặc dù sự khác biệt về kiểu hình ở F1 rất khó để nhận biết nhưng các cây F1 vẫn mang hai nửa bộ nhiễm sắc thể từ cả ecotype Col và Ler. Trong quá trình giảm phân của thế hệ F1, sự trao đổi chéo (crossing over) sẽ xảy ra và hòa trộn các đoạn nhiểm sắc thể từ các cây cha mẹ Col và Ler để tạo ra quần thể F2 có thể được dùng để lập bản đồ. Mỗi cá thể của quần thể F2 có sự tổ chức nhiễm sắc thể khác nhau.  

Một vài ví dụ được nêu ra ở đây để tham khảo. Do các đột biến là tính trạng lặn nên chỉ có 25% cây con F2 sẽ cho kiểu hình đột biến khác với kiểu hình cha mẹ. Những cây đột biến này chứa nhiều thông tin rất hữu ích và sẽ được giữ lại làm vật liệu cho các thí nghiệm phân tích di truyền. Các cây khác có thể được loại bỏ.

Bộ gene của cây Arabidopsis có 5 nhiễm sắc thể nên ban đầu người ta có thể sử dụng 10 marker đa hình. Trong số này thì mỗi một marker ứng với một nhánh nhiễm sắc thể, như vậy một nhiễm sẽ có hai nhánh với tâm động ở giữa và mỗi nhánh này ứng với một marker được sử dụng. Các marker này sẽ được phân tích xem chúng có phân ly cùng với kiểu hình đột biến hay không. Một yếu tố quan trọng trong phân tích di truyền của các marker này là allele đột biến chỉ có thể nằm trên đoạn nhiễm sắc thể thuộc về cây Col đã bị đột biến trước khi đem lai tạo.

Bước kế tiếp là xác định một gene làm marker có vị trí vật lý gần với gene bị đột biến và cùng phân ly với gene đột biến dưới dạng liên kết chặt. Marker gene này có thể nằm trên nhiễm sắc thể thuộc cây Col hay cũng có thể thuộc cây Ler.

Để xác định các marker di truyền cùng phân ly với gene đột biến thì phải thực hiện việc tách chiết DNA từ cây đột biến và cây cha mẹ. Một cách dễ dàng để xác định sự đa hình giữa cây Col và cây Ler thì trước hết khuếch đại đoạn DNA bằng kỹ thuật PCR với một marker chuyên biệt, ví dụ marker A chẳng hạn. Sau đó sử dụng các enzyme RE (enzyme cắt hạn chế) để phân biệt sự khác biệt giữa cây Col và Ler tại vị trí marker A. Enzyme RE chỉ cắt một trong 2 sản phẩm khuếch đại PCR.

Kỹ thuật này gọi là kỹ thuật phân tích đa hình dựa vào sự phân cắt các sản phẩm khuếch đại – CAPS (Cleaved Amplified Polymorphic Sequence). Từ ví dụ trên thì kết quả phân cắt bởi emzyme RE tạo ra hai band hình nhỏ từ sản phẩm khuếch đại với DNA có nguồn gốc từ cây Col. Trong khi sản phẩm khuếch đại có nguồn gốc từ DNA cây Ler chỉ cho một band hình có kích thước lớn hơn. Kết quả này được giải thích là do enzyme RE chỉ nhận dạng và phân cắt được sản phẩm khuếch đại có nguồn gốc từ cây Col tại marker A chuyên biệt, vị trí marker A này không hiện diện trên cây Ler.

Nếu một cây F2 đồng hợp tử tại vị trí marker A thuộc cây Col thì sản phẩm phân cắt chỉ cho 2 band nhỏ nhơn. Tương tự như vậy thì cây đồng hợp tử thuộc cây Ler chỉ cho 1 band lớn hơn. Tuy nhiên, nếu cây con F2 là dị hợp tử, chúng ta có thể thấy sản phẩm phân cắt sẽ cho ra 3 band hình bởi vì cặp nhiễm sắc thể với một nhiễm sắc thể mang marker A trong khi nhiễm sắc thể còn lại thì không.

Ghi nhớ rằng gene mục tiêu quan tâm bị đột biến mang tính trạng lặn có nguồn gốc từ nhiễm sắc thể của cây Col do đó kiểu hình của cây chỉ được nhận dạng khi kiểu gene ở trạng thái đồng hợp tử. Do đó chúng ta có thể loại trừ các cây không cho đặc điểm đồng hợp tử cho gene đột biến và kiểu hình tương ứng.

Nếu có nhiều cây trong quần thể không mang gene đột biến ở dạng đồng hợp tử khi phân tích với marker A thì chúng ta có thể xem xét rằng gene bị đột biến không có vị trí gần với marker A do đó không tạo ra liên kết chặt chẽ cùng nhau. Chúng ta có thể sử dụng marker di truyền khác để phân tích.
Trên một vài phương diện thì chúng ta hy vọng có thể tìm thấy liên kết  giữa một marker di truyền và kiểu hình. Điều này có nghĩa là gene bị đột biến có nguồn gốc từ cây Col có vị trí rất gần với marker do đó chúng ta có thể xác định được gene bị đột biến nằm ở vị trí nào của nhiễm sắc thể số mấy trong bộ gene.

Để xác định vị trí của gene đột biến chính xác hơn trên nhiễm sắc thể thông qua kỹ thuật fine-mapping, chúng ta có thể lựa chọn các marker từ bản đồ có vị trí lân cận với marker liên kết với gene thông qua các phân tích đã đề cập bên trên.
Quá trình tương tự như kỹ thuật CAPS tiếp tục được sử dụng. Sử dụng quần thể F2 chúng ta có thể phân tích CAPS để tìm kiếm các cá thể chứa các vùng trình tự đồng hợp tử cho gene đột biến nguồn gốc từ cây Col ứng với kiểu hình đột biến.

Điều này cho thấy rằng trong quá trình trao đổi chéo chỉ một vùng nhỏ DNA thuộc cây Col được duy trì ở trạng thái đồng hợp tử tại vị trí gene đột biến. nếu may mắn thì chúng ta có thể tìm thấy một cá thể từ quần thể đem phân tích có chứa một đoạn nhỏ DNA ở dạng đồng hợp tử, đương nhiên thì đoạn DNA này có nguồn gốc từ cây Col và mang gene đột biến, các đoạn DNA xung quanh gene đột biến này có thể có nguồn gốc từ cây Ler.

Tuy nhiên nhiều khả năng chúng ta sẽ tìm thấy các cá thể đột biến mang dạng đồng hợp tử tại một số vị trí với DNA thuộc cây Col, sau đó là đồng hợp tử đoạn DNA thuộc cây Ler hoặc cũng có thể mang vùng nhiễm sắc thể dạng dị hợp tử. Nếu chúng ta có thể sử dụng thông tin từ cá thể này với thông tin từ một cá thể khác chứa DNA từ cây Col và cây này cũng chứa DNA từ cây Ler nhưng vẫn mang kiểu hình đột biến (kiêu gene đồng hợp tử tại vị trí đột biến) thì chúng ta có thể tổng hợp thông tin với nhau từ cả 2 cây này sau đó loại trừ thông tin từ các vùng nhiễm sắc thể của bất kỳ cây đột biến nào mang kiểu gene dị hợp hay đồng hợp có nguồn gốc từ cây Ler.

Khi chúng ta đã xác định được vùng fine-mapping, chúng ta có thể sử dụng phương pháp khác từ cơ sở dữ liệu cây Arabidopsis. Sử dụng trình tự toàn bộ genome tại trang www.arabidopsis.org chúng ta có thể kiểm tra trình tự của kiểu hình hoang dại của cây Col so với đoạn gene đột biến đã được xác định vị trí và trình tự như trên.

Bây giờ thì chúng ta phải xem xét liệu có bất cứ sự khác biệt nào giữa 2 đoạn trình tự DNA từ cây đột biến và trình tự từ cơ sở dữ liệu. Tìm xem liệu có mối quan hệ giữa kiểu hình đột biến với sự thay đổi trình tự của gene bị đột biến hay không. Nếu gene đột biến tạo kiểu hình tương ứng thì ta có thể sử dụng DNA kiểu hoang dại để phục hồi kiểu hình hoang dại từ cây cho kiểu hình đột biến. Để làm điều này thì chúng ta có thể chuyển gene với trình tự gene bình thường vào cây đột biến và quan sát kiểu hình trên các cây con thế hệ sau.

Nếu kiểu hình cây đột biến được khôi phục trở về kiểu hình hoang dại thì kết quả này là bằng chứng thuyết phục rằng kiểu hình đột biến tạo ra cây ra hoa chậm là do gene bị đột biến làm thay đổi trình tự làm thay đổi chức năng của gene.

Các kênh thoát trên ER và thể Golgi di chuyển như những đơn vị riêng lẻ

Cơ chế của quá trình vận chuyển từ ER đến thể Golgi vẫn chưa được hiểu biết thấu đáo nên vẫn còn nhiều tranh cãi do các chứng cứ vẫn còn rời rạc. Mô hình tổng quát của quá trình vận chuyển từ ER đến thể Golgi là các bóng màng hình thành trên ER sau đó thoát ra tại kênh thoát (ER exit site) và di chuyển đến cis-Golgi (Golgi dạng cis), tại đây các bóng màng sẽ dung hợp với các gờ của các cis-cisterna (các mồng Golgi dạng cis).

Nếu các thể Golgi di chuyển trong thực vật với vận tốc 1-2µm/s thì câu hỏi đặt ra là bằng cách nào các bóng màng có thể theo kịp và bám vào thể Golgi? Một mô hình được đưa ra để giải thích cho nghi vấn này là các bóng màng từ ER sau khi được hình thành và thoát ra từ các kênh thoát ERES sau đó sẽ bám vào các luồng di chuyển của các thể Golgi một cách ngẫu nhiên. Với mô hình này thì Golgi và các kênh thoát ERES sẽ không có mối liên hệ nào với nhau.

Một mô hình khác cũng được đưa là quá trình vận chuyển từ ER đến thể Golgi xảy ra khi thể Golgi ở trạng thái tĩnh (đứng yên). Rất nhiều thể Golgi thường ở trạng thái tĩnh ít di chuyển trong tế bào chất và bị bắt lấy ở vị trí gần với thể ống của hệ thống ER. Trong trường hợp này, kênh thoát ERES và thể Golgi có thể ở vị trí rất gần nhau thích hợp cho sự tương tác.


Mô hình thứ 3 được đưa ra là các kênh thoát ERES và thể Golgi được khóa chặt vào nhau dưới dạng một phức hợp. Các phức hợp này cũng bao gồm cả các protein nền của hệ thống Golgi. Với mô hình này thì khi thể Golgi di chuyển thì các kênh thoát ERES vẫn còn liên kết với thể Golgi nên do vậy chúng cũng cùng di chuyển theo.

Như được minh họa trong hình và video bên dưới thì mô hình thứ 2 và thứ 3 cho thấy tính đúng đắn. Các đánh dấu huỳnh quang thông qua protein GFP gắn trên phân tử ERD2-GFP ở thể Golgi và các hệ thống nội màng ER sẽ phát ánh sáng màu xanh lá cây. Các phân tử đánh dấu Sar1-YFP sẽ phát ra ánh sáng màu vàng thể hiện các kênh thoát ERES.







Khi ở trạng thái tĩnh, ER và thể Golgi sẽ cùng đứng yên với nhau. Ngược lại, khi di chuyển thì chúng cũng cùng di chuyển với nhau rất nhịp nhàng như một thể thống nhất. Các chứng cứ thực nghiệm đã chứng minh rằng sự vận chuyển từ ER đến thể Golgi cũng có thể xảy ra trong khi các thể Golgi di chuyển.
Các hoạt động của hệ thống ER mang ý nghĩa gì? Các khu vực hình thành bóng màng ER (ER budding region) sẽ di chuyển dọc theo mạng lưới nội chất ER. Hoạt động này có nghĩa là bản thân màng ER cũng di chuyển hay các màng này thực hiện vá các khiếm khuyết do các bóng màng để lại sau khi tách khỏi màng ER? Có chứng cứ ủng hộ cho cả hai giả thuyết trên.

Một câu hỏi khác đặt ra qua các kết quả thực nghiệm là tại sao liên quan đến các bóng màng? Nếu cả bộ phận hình thành bóng màng cùng di chuyển với nhau thì có thể hình thành các vùng ER liên kết với các thể ống tạo ra các nhóm phức hợp. Sau đó các nhóm phức hợp này sẽ biển đổi tạo thành các túi chứa dạng cis và các vật liệu được chứa bên trong có thể được chuyển đến thể Golgi mà không cần phương thức vận chuyện qua các bóng màng.


Trong nhiều năm các mô hình được đưa ra nhằm giải thích cho các hoạt động vận chuyển giữa các túi chứa đơn lẻ trên thể Golgi được tạo ra bới các bóng màng. Ngày nay các nhà khoa học thực vật vẫn còn thừa nhận rằng quá trình vận chuyển xảy ra khi một túi chứa vật liệu chuyên chở được hình thành và gia nhập vào khối màng. Ý nghĩ này mở ra khả năng là sự vận chuyển từ ER đến Golgi có thể không thông qua việc tạo các bóng màng cho việc vận chuyển các chất.