Hạt giống bảo quản 100 năm vẫn có khả năng nảy mầm là do có đặc tính gì?

Sự nảy mầm là sự phát triển của cây nằm bên trong một hạt giống; kết quả là sự hình thành cây con. Hạt giống của cây có mạch là một gói nhỏ được tạo thành bên trong quả hay quả hình nón sau khi tế bào mầm phôi đực và cái đã kết hợp. Tất cả những hạt giống đã phát triển hoàn toàn đều có chứa một phôi, và hầu hết ở các chủng loài cây thì đều kèm thêm nguồn “thức ăn” dự trữ; tất cả đều được bao trong một lớp áo hạt. Vài loài cây sinh ra một lượng hạt giống mà không có phôi; chúng được gọi là hạt lép ^[1] và không bao giờ nảy mầm. Những hạt giống tiềm sinh là hạt đã chín nhưng lại không nảy mầm bởi vì chúng phụ thuộc vào các điều kiện môi trường bên ngoài mà ngăn cản sự khởi đầu quá trình chuyển hóa và phát triển tế bào. Ở những điều kiện thích hợp, hạt giống bắt đầu nảy mầm và mô phôi phát triển, trở thành một cây con.

Sự nảy mầm hạt giống phụ thuộc vào cả điều kiện bên trong lẫn bên ngoài. Những nhân tố bên ngoài quan trọng nhất bao gồm nhiệt độ, nước, ôxy, và đôi khi là ánh sáng hay bóng tối.^[2] Nhiều loài cây cần những điều kiện khác nhau để có thể nảy mầm hiệu quả. Điều này thường phụ thuộc vào sự đa dạng của hạt giống và có liên kết chặt chẽ với các điều kiện sinh thái tại nơi sống tự nhiên của cây. Với một số hạt giống, phản ứng của sự nảy mầm tương lai bị ảnh hưởng bởi những điều kiện môi trương trong suốt quá trình hình thành hạt giống; hầu hết những phản ứng này là những hình thức tiềm sinh.

• Nước rất cần thiết cho sự nảy mầm. Những hạt giống trưởng thành thường rất là khô và cần phải hấp thu một lượng nước đáng kể, tương đương với trọng lượng khô của hạt, trước khi sự chuyển hóa và phát triển tế bào có thể được phục hồi. Hầu hết hạt giống cần đủ lượng nước để làm ẩm chúng nhưng không làm đẫm nước. Sự hấp thu nước bởi hạt giống được gọi là sự hút hơi ẩm (imbibition), mà sẽ làm cho lớp áo hạt nở ra và vỡ đi. Khi hạt giống được hình thành, hầu hết các cây đều trữ một lượng “thức ăn” dự trữ với hạt giống, chẳng hạn như tinh bột, protein, hay dầu. Nguồn dự trữ này cung cấp đủ dưỡng chất để phôi phát triển. Khi hạt giống hấp thu hơi nước, các enzyme thủy phân được kích hoạt và sẽ chuyển nguồn dự trữ này thành các chất hữu ích.^[2] Sau khi cây con xuất hiện từ lớp áo hạt và bắt đầu mọc rễ với lá, nguồn dự trữ thường sẽ cạn đi; và lúc này sự quang hợp sẽ cung cấp năng lượng cần thiết để cây con tiếp tục phát triển. Lúc này cây con sẽ cần một nguồn nước, dưỡng chất, và ánh sáng liên tục.
• Ôxy rất cần thiết trong sự nảy mầm để cho sự chuyển hóa (trao đổi chất).^[3] Ôxy được sử dụng trong hô hấp hiếu khí, là nguồn năng lượng chính của cây con cho đến khi nó mọc lá.[2] Ôxy là một loại khí trong bầu khí quyển, được tìm thấy trong các khoảng hở của đất trồng; nếu hạt bị chôn quá sâu dưới đất hay đất bị úng nước, hạt giống có thể bị thiếu ôxy. Một số hạt giống có các lớp áo hạt không thẩm thấu được nên ôxy không thể xâm nhập, gây nên sự tiềm sinh vật lý mà sẽ mất đi khi lớp áo hạt bị mòn đủ để hạt trao đổi khí và hấp thu nước từ môi trường.
• Nhiệt độ ảnh hưởng đến tốc độ chuyển hóa và phát triển tế bào. Hạt giống của các chủng loài khác nhau và kể cả từ cùng một cây sẽ nảy mầm ở nhiều nhiệt độ khác nhau. Hạt giống thường có một ngưỡng nhiệt độ mà chúng sẽ nảy mầm, và sẽ không nếu chúng nằm ở trên hay dưới ngưỡng đó. Nhiều hạt giống nảy mầm ở nhiệt độ cao hơn 60 – 75 độ F (16 – 24 độ C) một chút, trong khi những hạt khác nảy mầm ở nhiệt độ chỉ trên nhiệt độ đóng băng, và một số hạt chỉ nảy mầm khi phản ứng lại sự chuyển đổi trong nhiệt độ, giữa ấm và lạnh. Một số hạt giống nảy mầm khi đất lạnh (28-40 độ F – 2-4 độ C), và một số nảy mầm khi đất ấm (76-90 độ F – 24-32 độ C). Một số hạt thì cần tiếp xúc với nhiệt độ thấp (sự xuân hóa – vernalization) để phá vỡ trạng thái tiềm sinh. Một số hạt giống khi ở trong trạng thái tiềm sinh sẽ không nảy mầm kể cả khi các điều kiện đều thuận lợi. Hạt giống mà phụ thuộc vào nhiệt độ để kết thúc sự tiềm sinh thường là dạng tiềm sinh sinh lý. Ví dụ, hạt giống cần sự lạnh giá của mùa đông thì không thể nảy mầm cho đến khi chúng hấp thu nước vào mùa thu và trải qua nhiệt độ lạnh hơn. Bốn độ C là đủ lạnh để kết thúc sự tiềm sinh cho hầu hết các hạt giống tiềm sinh lạnh, nhưng ở một số nhóm cây, đặc biệt là trong họ Mao lương và các loài khác, chúng cần nhiệt độ thấp hơn âm 5 độ C. Một số hạt giống sẽ chỉ nảy mầm sau khi trải qua nhiệt độ cao trong suốt một trận cháy rừng mà sẽ làm nứt lớp áo hạt của chúng; dạng này là tiềm sinh vật lý.

Hầu hết các loại rau quả hàng năm thường gặp đều có nhiệt độ nảy mầm tối ưu giữa 75 – 90 độ F (24 – 32 độ C), dù nhiều loài (như cải củ hay rau chân vịt) có thể nảy mầm ở nhiệt độ thấp hơn đáng kể, ở 40 độ F (4 độ C), do đó cho phép chúng phát triển từ hạt ở những vùng khí hậu lạnh. Nhiệt độ cận tối ưu dẫn đến tỉ lệ này mầm thấp hơn và khoảng thời gian nảy mầm dài hơn.

• Ánh sáng hay bóng tối có thể là một sự kích hoạt của môi trường cho sự nảy mầm và nó là một dạng tiềm sinh sinh lý. Hầu hết hạt giống không bị ảnh hưởng bởi ánh sáng hay bóng tối, nhưng nhiều loại hạt, bao gồm của những loài mà được tìm thấy ở trong môi trường rừng, sẽ không nảy mầm cho đến khi một khoảng hở ở tầng tán chính xuất hiện cho phép một lượng ánh sáng vừa đủ để hạt phát triển thành cây con.^[2]

Những vết rạch mô phỏng các quá trình tự nhiên sẽ làm yếu đi lớp áo hạt trước khi hạt có thể nảy mầm. Trong tự nhiên, một số hạt giống cần những điều kiện đặc thù để nảy mầm, chẳng hạt như nhiệt độ của một đám cháy (như nhiều loại thực vật bản địa ở Úc), hay nằm trong một khối nước rất lâu. Những hạt khác cần phải đi qua hệ tiêu hóa của động vật để làm mềm đi lớp áo hạt, đủ để cây con có thể phát triển.^[2]