Tiến Sĩ So sánh đặc điểm sinh lý, hoá sinh liên quan đến khả năng chịu mất nước của một số giống lúa cạn trồ

Luận án tiến sĩ năm 2011
Đề tài: So sánh đặc điểm sinh lý, hoá sinh liên quan đến khả năng chịu mất nước của một số giống lúa cạn trồng tại tỉnh Thái Nguyên dưới tác động của KCl xử lý hạt trước khi gieo


MỤC LỤC
Trang
Mở đầu 1
Chương 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 6
1.1. Giới thiệu cây lúa cạn 6
1.2. Tính chống chịu hạn của cây lúa 19
1.3. Kali clorua và vai trò của kali đối với cây lúa 26
1.4. Kỹ thuật sinh học phân tử trong nghiên cứu tính đa dạng di
truyền và nghiên cứu gen liên quan đến tính chịu hạn của cây
trồng
31
Chương 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 38
2.1. Vật liệu nghiên cứu 38
2.2. Phương pháp nghiên cứu 40
2.2.1. Phương pháp phân tích các chỉtiêu sinh lý 41
2.2.2. Phương pháp xác định các chỉtiêu hóa sinh 43
2.2.3. Phương pháp nghiên cứu chỉtiêu nông học 44
2.2.4. Các phương pháp sinh học phân tử 45
2.2.5. Phương pháp xửlý kết quảvà tính toán sốliệu 50
Chương 3. KẾT QUẢVÀ THẢO LUẬN 51
3.1. Khảnăng chịu mất nước ởgiai đoạn mạcủa các giống lúa cạn
nghiên cứu 51
3.2. Xác định quan hệdi truyền của 25 giống lúa cạn và so sánh trình
tựgen LTP liên quan đến khảnăng chịu mất nước của cây lúa
cạn
70
3.2.1. Kết quảxác định quan hệdi truyền của 25 giống lúa cạn nghiên
cứu bằng kỹthuật RAPD
70
3.2.2. Kết quảso sánh trình tựgen LTP liên quan đến khảnăng chịu
mất nước của cây lúa cạn
77
3.3. Ảnh hưởng KCl đến đặc điểm sinh lý, hóa sinh liên quan đến khả
năng chịu mất nước của lúa cạn
84
3.3.1 Hàm lượng kali trong hạt và trong cây mạsau khi xửlý KCl 86
3.3.2. Ảnh hưởng của KCl đến các chất có hoạt tính thẩm thấu và áp
suất thẩm thấu của cây mạ
87
3.3.3. Ảnh hưởng của KCl đến hoạt độcủa một sốenzym trong cây mạ 95
3.3.4. Ảnh hưởng của KCl đến huỳnh quang diệp lục 98
3.3.5. Ảnh hưởng của KCl đến các yếu tốcấu thành năng suất và năng
suất của các giống lúa cạn
103
3.3.6. Đánh giá chất lượng hạt dựa trên một sốchỉtiêu sinh hóa 108
Kết luận và đềnghị
Danh mục công trình đã công bốliên quan đến đềtài
113
115
Tài liệu tham khảo 116


MỞ ĐẦU
1.1. Lí do chọn đềtài
Lúa là nguồn lương thực chính của hơn một nửa dân sốthếgiới, được
trồng khắp nơi, đặc biệt ởkhu vực nhiệt đới, cận nhiệt đới ởchâu Á, châu Phi,
Bắc Mỹvà Nam Mỹ. Việt Nam là một trong những nước nằm ởtrung tâm lúa
thếgiới. Sản xuất lúa gắn liền với sựphát triển nông nghiệp nước ta. So với
các nước trên thếgiới, nhu cầu tiêu thụlúa gạo của Việt Nam được xếp vào
hàng thứ5 (sau các nước Trung Quốc, Indonesia, Ấn Độ, Bangladesh). Nhờ
áp dụng các tiến bộ khoa học kỹ thuật, nghề trồng lúa ở Việt Nam không
ngừng được phát triển. Diện tích lúa hầu nhưkhông tăng nhưng sản lượng lúa
không ngừng tăng. Cụthể, năm 1995 đạt 25 triệu tấn đến năm 2008 đã đạt tới
38,7 triệu tấn. Từ năm 1996 đến nay, Việt Nam đã trở thành m ột trong ba
nước xuất khẩu gạo lớn nhất trên thếgiới [5], [11], [12], [13], [15], [73], [94].
Cùng với cây lúa nước, lúa cạn đã đóng góp vào tổng sản lượng lúa
một cách đáng kể(từ20 - 40% ởnhững vùng sản xuất lương thực khó khăn).
Diện tích trồng lúa cạn chiếm 7,5% diện tích trồng lúa trong cảnước, phân bố
ởcác tỉnh miền núi phía Bắc (Tây Bắc, Đông Bắc), vùng Duyên Hải Trung
Bộ, Tây Nguyên . Lúa cạn có nhiều đặc tính quý nhưkhảnăng chịu hạn tốt,
cứng cây, không lốp đổ, có thểgieo trồng ởnhững nơi thiếu nước. Các giống
lúa cạn có chất lượng gạo tốt, hàm lượng protein trong hạt gạo cao, cơm dẻo
và thơm phù hợp với thịhiếu người tiêu dùng. Tuy nhiên, hiện nay các giống
lúa cạn địa phương đang bịmất đi nhanh chóng do ảnh hưởng của sựbiến đổi
khí hậu, tập quán canh tác và nhiều nguyên nhân khác. Vì thếviệc sưu tập,
bảo tồn và đánh giá nguồn gen cây lúa cạn địa phương là một công việc cần
thiết, góp phần nâng cao hiệu quảsửdụng nguồn gen cây lúa [11], [41], [42],
[47].
Một trong những hậu quảcủa sựbiến đổi của khí hậu là tình trạng hạn
2
hán gia tăng ở nhiều nơi trên thế giới trong đó có Việt Nam. Đây cũng là
nguyên nhân chính thúc đẩy các dựán, các nghiên cứu phát triển các loại cây
trồng có khảnăng chống chịu mất nước tốt mà vẫn đảm bảo được năng suất
nhằm đáp ứng với nhu cầu ngày càng gia tăng của con người trong khi nguồn
nước cung cấp cho sản xuất nông nghiệp đang hạn hẹp dần [98], [111], [156],
[181].
Đất canh tác của khu vực miền núi phía Bắc Việt Nam nghèo dinh
dưỡng và thường xuyên bịhạn hán đe dọa. Do đó, việc tìm ra biện pháp tăng
khảnăng giữnước của mô cây lúa cạn ở điều kiện khô hạn và nhiệt độbất lợi
nhằm tăng khảnăng phục hồi sinh trưởng nhanh sau khi hết tác động bất lợi là
một vấn đềquan trọng. Trong các biện pháp đó, ngoài yếu tốgiống thì các
nguyên tốdinh dưỡng khoáng có một vai trò nhất định; kali là một nguyên tố
khoáng có tác dụng tăng khảnăng giữnước, tăng tính chống chịu của cây với
điều kiện ngoại cảnh bất lợi (nhiệt độthấp, khô hạn và bệnh).
Các nghiên cứu vềkhảnăng chịu mất nước của thực vật nói chung và
của cây lúa nói riêng chủyếu tiếp cận theo ba hướng sau: Thứnhất, nghiên
cứu vềcác chất có hoạt tính thẩm thẩu như: đường, prolin, axit hữu cơ . và
khảnăng điều tiết áp suất thẩm thấu giúp cây bảo vệmô không bịtổn hại do
mất nước [7], [28], [39], [43], [59], [98], [123], [130]. Thứhai, khảnăng kiểm
soát sự m ất nước ởbên ngoài của lá trên cơ sở củng cố độvững chắc của
thành tếbào nhằm tăng cường tính giữnước của tếbào [4], [50], [85], [127],
[166]. Thứba là khảnăng ăn sâu của rễxuống tầng đất phía dưới [4], [146].
Bên cạnh đó, việc đánh giá, tuyển chọn giống lúa cạn có chất lượng và
khảnăng chống chịu dựa trên các chỉtiêu vềhình thái, sinh lý, hoá sinh đã
được một sốtác giảbắt đầu quan tâm nghiên cứu [9], [19], [24], [32], [45],
[47] . Tuy nhiên chưa có nghiên cứu so sánh một cách có hệthống các chỉ
tiêu sinh lý, sinh hóa của các giống lúa cạn ởmột sốtỉnh miền núi phía Bắc
3
Việt Nam đối với điều kiện ngoại cảnh bất lợi (hạn, nhiệt độcao .) gây nên
sựmất nước của cây.
Từnhững nhận thức trên, chúng tôi chọn đềtài: “So sánh đặc điểm sinh lý,
hoá sinh liên quan đến khả n ăng chịu mất nước của một số gi ống lúa cạn
trồng ởThái Nguyên dưới tác động của KCl xửlý hạt trước khi gieo”.
1.2. Mục tiêu nghiên cứu
- Xác định được sựsai khác trong các chỉtiêu sinh lý, hoá sinh giữa các
giống lúa cạn có khảnăng chịu mất nước khác nhau và đềxuất giống chịu
mất nước tốt nhất trong 25 giống được nghiên cứu trong luận án.
- Đềxuất biện pháp xửlý ngâm hạt trước khi gieo bằng KCl, làm cơsở
cho việc chọn lọc giống và xây dựng biện pháp tăng cường khảnăng chống
chịu mất nước của cây lúa cạn.
1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
ã Đối tượng nghiên cứu của đềtài luận án là các giống lúa cạn địa phương
và biện pháp tăng cường khảnăng chịu mất nước cho cây lúa cạn.
ã Phạm vi nghiên cứu:
- Đánh giá khảnăng chịu mất nước của mô của cây lúa cạn địa phương ở
một sốtỉnh miền núi phía Bắc Việt Nam ởthời kì mạdựa trên các chỉtiêu
sinh lý, hóa sinh nhằm tìm ra những đặc trưng sinh lý, hóa sinh khác biệt ở
giống chống chịu tốt và kém.
- Xác định quan hệdi truyền giữa các giống lúa cạn thí nghiệm bằng kỹ
thuật PCR- RAPD.
- Phân lập và giải trình tựgen liên quan đến tính chịu mất nước - gen LTP
(gen mã hóa protein vận chuyển lipit), phân tích sựkhác nhau vềtrình tựgen
và trình tựaxit amin của protein ởgiống lúa cạn chịu mất nước tốt và kém.
- Tuyển chọn đại diện của nhóm giống lúa cạn có tính chịu mất nước cao
4
do hạn và nhóm chống chịu kém để nghiên cứu ảnh hưởng của kali clorua
(KCl) đến một sốchỉtiêu sinh lí, hóa sinh liên quan đến tính chịu mất nước
giữa hai nhóm giống đó.
- Khảo sát đặc điểm nông học và phẩm chất của hạt ởmột sốgiống đại
diện hai nhóm giống có tính chống chịu khác nhau. Phân tích một sốnguyên
tốdinh dưỡng khoáng chủyếu trong môi trường thí nghiệm (đất, phân bón).
1.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đềtài nghiên cứu
1.4.1. Ý nghĩa khoa học
ã Kết quảnghiên cứu của đềtài luận án sẽcung cấp dẫn liệu khoa học vềsự
khác biệt trong phản ứng sinh lý, hóa sinh của các giống lúa cạn có khả
năng khác nhau vềchống chịu mất nước, cũng như đánh giá phản ứng của
các giống lúa cạn có khảnăng chống chịu mất nước khác nhau dưới tác
động của KCl xửlý ngâm hạt trước khi gieo.
ã Xác định quan hệdi truyền của các giống lúa cạn được nghiên cứu trong
đềtài và nghiên cứu gen liên quan đến khảnăng chịu mất nước ởcây lúa
cạn góp phần vào dẫn liệu về đặc điểm di truyền của các giống lúa cạn ở
Việt Nam.
1.4.1. Ý nghĩa thực tiễn
ã Kết quảcủa luận án vềsựkhác biệt trong phản ứng sinh lý, hóa sinh và
sinh học phân tửcủa các giống lúa cạn có khảnăng chịu mất nước khác
nhau cho các nhà chọn giống lúa tham khảo để ứng dụng vào việc khảo
nghiệm, tuyển chọn bước đầu các giống lúa chịu hạn nhằm giảm thiểu qui
mô sốlượng giống và giảm chi phí, thời gian trong tuyển chọn giống lúa
chống chịu.
ã Xửlý KCl với nồng độ17,45 mM (0,13%) cho hạt lúa trước khi gieo để
làm tăng khả năng hút và giữ nước, tăng tính chịu mất nước, tăng sinh
5
trưởng phát triển của cây lúa ở điều kiện bất lợi gây ra sựthiếu nước.
ã Giới thiệu giống lúa cạn Gb chịu mất nước tốt cho sản xuất ởcác vùng có
điều kiện tương tựnhưThái Nguyên.
ã Kết quả của luận án sẽ có thể là tài liệu tham khảo cho nghiên cứu và
giảng dạy vềsinh lý chống chịu của thực vật.
1.5. Bốcục của luận án
Luận án được trình bày trong 137 trang. Ngoài phần mở đầu (5 trang),
phần kết luận và đềnghị(2 trang) và danh mục các tài liệu tham khảo , luận
án gồm 3 chương nhưsau: Chương 1. Tổng quan tài liệu (32 trang); Chương
2. Vật liệu và phương pháp nghiên cứu (13 trang); Chương 3. Kết quảvà thảo
luận (62 trang). Trong luận án có 25 bảng, 9 hình và 182 tài liệu tham khảo
trong đó có 49 tài liệu tiếng Việt, 133 tài liệu tiếng nước ngoài.
Phần phụlục của luận án gồm 4 phụlục cụthể: Phụlục I. Nhiệt độ, số
giờnắng, lượng mưa, độ ẩm tương đối trung bình năm tại Thái Nguyên. Phụ
lục II. Đặc điểm đất Thái Nguyên và khu vực thí nghiệm. Phụlục III trình bày
vềthí nghiệm thăm dò tác động của một sốnồng độcủa ba nguyên tốkhoáng
và ảnh hưởng của canxi, đồng và kali đến sinh khối và tỷsốchịu hạn của cây
lúa cạn. Phụlục IV. Một sốhình ảnh thí nghiệm của luận án.
6
Chương 1
TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. GIỚI THIỆU CÂY LÚA CẠN
Lúa cạn là một thuật ngữ được đềcập đến trong nhiều công trình nghiên
cứu và các tài liệu chuyên khảo vềcây lúa ởtrong và ngoài nước. Trên thế
giới, Chang và Bardenas (1965) [63] hay Surajit (1975)[159] đều cho rằng:
“Lúa cạn là loại lúa được gieo hạt trên các loại đất khô, có thểlà đất dốc hoặc
đất bằng nhưng đều không có bờ, sống phụthuộc hoàn toàn vào nước mưa
cung cấp”.
Theo Huke (1982), lúa cạn (upland rice) còn được dùng bằng thuật ngữ
lúa khô (dryland rice) và được định nghĩa là lúa cạn được trồng trong những
thửa ruộng được chuẩn bị đất và gieo hạt dưới điều kiện khô, cây lúa sống
phụthuộc hoàn toàn vào nước trời [90].
Theo Garrity (1984), lúa cạn được coi là lúa trồng trong mùa mưa trên
đất cao, đất thoát nước tự nhiên, trên những chân ruộng được đắp bờhoặc
không có bờvà không có lượng nước dựtrữthường xuyên trên bềmặt [83].
Trong cuốn sách “Upland rice A Global Perspective” (tạm dịch là “Lúa
cạn - Một nhận thức toàn cầu”), Gupta và O'toole (1986) cũng có chung định
nghĩa vềlúa cạn trong Hội thảo vềlúa cạn tại Bờbiển Ngà năm 1982: “lúa
cạn được trồng trên đất thoát nước, không có sựtích trữnước trên bềmặt,
không được cung cấp nước và không đắp bờchỉ được tưới nhờnước mưa tự
nhiên” [85]. Các nhà nghiên cứu Embrapa (1984) và Ahmadi (2004) trong
báo cáo vềlúa cạn tại Hội thảo vềlúa gạo tại Italia cũng cùng chung quan
điểm này [51], [70].
Theo Viện nghiên cứu lúa quốc tế(IRRI - International Rice Research
Institute), lúa cạn là loại cây trồng mà hạt giống được gieo trực tiếp trên các


TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1. Akihamat, Beachellh. M, Chabrolink, Xawanok, Murata. Y, Nguyễn Xuân
Hiển, Nguyễn Bích Nga (1976), Nghiên cứu vềlúa ởnước ngoài, tập 3 –
Chọn giống lúa, Nxb Khoa học kỹthuật Hà Nội.
2. Lê Trần Bình, HồHữu Nhị, Lê ThịMuội (1997), Công nghệsinh học thực
vật trong cải tiến giống cây trồng, Nxb Nông nghiệp, Hà Nội.
3. Lê Trần Bình, Lê ThịMuội (1998), Phân lập gen và chọn dòng chống chịu
ngoại cảnh bất lợi ởcây lúa, Nxb Đại học Quốc gia, Hà Nội.
4. Bùi Chí Bửu - Nguyễn ThịLang (2003), Cơsởdi truyền tính chống chịu
đối với thiệt hại do môi trường của cây lúa, Nxb Nông nghiệp TP HồChí
Minh.
5. Bùi Chí Bửu - Nguyễn Thị Lang (2009), Sản xuất lúa gạo Việt Nam –
Thành tựu và thách thức, Festival Lúa Gạo Việt Nam 2009, Hậu Giang.
Nxb Thông tấn: 17 - 31.
6. Phạm ThịTrân Châu và đtg (1997), Thực hành Hóa sinh học, Nxb Giáo
dục Hà Nội.
7. Nguyễn Hữu Cường, Nguyễn ThịKim Anh, Đinh ThịPhòng, Lê ThịMuội,
Lê Trần Bình (2003), “Mối tương quan giữa hàm lượng prolin và tính
chống chịu ởcây lúa”. Tạp chí Công nghệsinh học 1(1): 85 - 95.
8. Lê Quốc Doanh, Hà Đình Tuấn, Andre Chabanne (2006), Canh tác đất dốc
bền vững, Nxb Nông nghiệp.
9. ĐỗThịDương, Chu Hoàng Mậu, Nông ThịMan (2001), “Sưu tập và đánh
giá một sốgiống lúa cạn địa phương”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ-
Đại học Thái Nguyên, 1 (17).
10. HồHuỳnh Thùy Dương (2005), Sinh học phân tử, Nxb Giáo dục, HồChí
Minh.
117
11. Bùi Huy Đáp (1977), Lúa Việt Nam trong vùng lúa Nam và Đông nam
châu Á, Nxb Nông nghiệp.
12. Bùi Huy Đáp (1999), Một sốvấn đềvềcây lúa, Nxb Nông nghiệp.
13. Trần Văn Đạt (2005), Sản xuất lúa gạo thếgiới: Hiện trạng và khuynh
hướng phát triển trong thếkỷ21, Nxb Nông nghiệp.
14. Lê Xuân Đắc, Bùi Văn Thắng, Lê Trần Bình, Lê Duy Thành, Lê ThịMuội
(2003). “Đánh giá đa dạng di truyền của một số giống lúa Tám ở Việt
Nam”. Tạp chí Công nghệSinh học, 1(4): 493 - 501.
15. Nguyễn Ngọc Đệ(2008), Giáo trình cây lúa, Nxb Đại học Quốc gia TP
HồChí Minh.
16. Nguyễn Văn Đính (2008), Nghiên cứu một số chỉ tiêu sinh lý và ảnh
hưởng của KCl bổsung vào lá của một sốgiống khoai tây có năng suất
khác nhau trồng tại Vĩnh Phúc, Luận án tiến sĩSinh học.
17. Lê Xuân Đính (2008), Công nghệ nâng cao năng suất lúa,
http://www.phanbonmiennam.com.vn/.
18. Hoàng ThịHà (1996), Dinh dưỡng khoáng ởthực vật, Nxb Đại học quốc
gia Hà Nội.
19. Nguyễn ThịThu Hà, Chu Hoàng Mậu và đtg (2003), “Đa dạng sinh học
cây lúa cạn ởmiền núi phía Bắc Việt Nam”, Những vấn đềnghiên cứu cơ
bản trong khoa học sựsống, Huế: 86 - 98.
20. Vũ Văn Hiển, Nguyễn Văn Hoan (1999), Trồng trọt (tập 3), Nxb Giáo
dục.
21. Nguyễn Huy Hoàng, Đào Duy Phong, Nghiêm Ngọc Minh, Lê Trần
Bình, Nông Văn Hải (2000), “Phân lập và đọc trình tự gen mã hoá
protein bất hoạt ribosome từ cây mướp đắng (Momordica charantia)”,
Những vấn đềnghiên cứu cơbản trong sinh học:Báo cáo khoa học hội
nghịsinh học quốc gia: 84 - 88.