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

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành công trình nghiên cứu này, tôi đã nhận được sự giúp đỡ

nhiệt tình của các thầy cô giáo và bạn bè. Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết

ơn sâu sắc tới GS.TS Nguyễn Như Khanh, bộ môn Sinh lý thực vật, Khoa

Sinh - KTNN, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội đã tận tình hướng dẫn tôi

hoàn thành đề tài này.

Tôi xin trân trọng cảm ơn tới các thầy cô khoa Sinh - KTNN, trường

Đại học Sư phạm Thái Nguyên; khoa Sinh - KTNN, trường Đại học Sư phạm

Hà Nội luôn tạo mọi điều kiện cho tôi trong suốt thời gian nghiên cứu.

Tôi xin chân thành cảm ơn các cán bộ ở phòng Hoá sinh - protein, Viện

Công nghệ sinh học; phòng Kỹ thuật, sở Nông nghiệp và phát triển nông thôn

tỉnh Thái Nguyên; Công ty Vật tư nông lâm nghiệp thuỷ lợi Thái Nguyên;

Viện Khoa học Kỹ thuật Nông nghiệp Việt Nam.

Tác giả

NGUYỄN THỊ NGỌC LAN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI

-----------------------------

NGUYỄN THỊ NGỌC LAN

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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ SINH HỌC

HÀ NỘI - NĂM 2011

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI

-----------------------------

NGUYỄN THỊ NGỌC LAN

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

Chuyên ngành: SINH LÝ HỌC THỰC VẬT

Mã số: 62.42.30.05

LUẬN ÁN TIẾN SĨ SINH HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1. GS.TS. Nguyễn Như Khanh

2. PGS.TS. Chu Hoàng Mậu

HÀ NỘI - NĂM 2011

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS.TS Nguyễn Như Khanh và

PGS.TS. Chu Hoàng Mậu đã tận tình hướng dẫn tôi hoàn thành luận án.

Tôi xin chân thành cảm ơn tới PGS.TS. Vũ Văn Hiển, TS. Nguyễn Văn

Đính, TS. Lê Văn Sơn, TS.Nguyễn Vũ Thanh Thanh, các cán bộ khoa Sinh -

KTNN, trường Đại học Sư phạm - ĐH Thái Nguyên, các cán bộ phòng Công

nghệ Tế bào Thực vật, Viện Công nghệ Sinh học, các cán bộ tổ Sinh lý Thực

vật và ứng dụng, khoa Sinh học, trường ĐH Sư phạm Hà Nội, các cán bộ

khoa Khoa học Sự sống, trường ĐH Khoa học, các cán bộ Trung tâm Thực

hành thực nghiệm, trường ĐH Nông lâm và các cán bộ phòng Phân tích kiểm

tra chất lượng nông sản và vật tư nông nghiệp, Viện Khoa học sự sống, ĐH

Thái Nguyên đã giúp đỡ tôi trong suốt thời gian nghiên cứu.

Tôi xin chân thành cảm ơn các cán bộ Trung tâm Tài nguyên Di truyền

Thực vật, Viện Khoa học Kỹ thuật Nông nghiệp Việt Nam đã cung cấp các

giống lúa cạn và các tài liệu liên quan phục vụ công tác nghiên cứu.

Tôi xin trân trọng cảm ơn tới Ban giám hiệu, Phòng Quản lý Khoa học

- QHQT, Phòng Hành chính- tài vụ, Ban chủ nhiệm khoa Sinh - KTNN,

trường Đại học Sư phạm – ĐH Thái Nguyên và Ban giám hiệu, Phòng Sau

đại học, Ban chủ nhiệm khoa Sinh học, trường Đại học Sư phạm Hà Nội luôn

tạo mọi điều kiện cho tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu.

Tôi xin chân thành cảm ơn sự động viên và giúp đỡ của gia đình, bạn

bè và đồng nghiệp trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận án.

Tác giả luận án

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu,

kết quả nêu trong luận án là trung thực. Một số kết quả đã được công bố đồng

tác giả, phần còn lại chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Hà Nội, ngày ..... tháng .... năm 2011

Tác giả luận án

Nguyễn Thị Ngọc Lan

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 chỉ tiêu sinh lý 41

2.2.2. Phương pháp xác định các chỉ tiêu hóa sinh 43

2.2.3. Phương pháp nghiên cứu chỉ tiêu nông học 44

2.2.4. Các phương pháp sinh học phân tử 45

2.2.5. Phương pháp xử lý kết quả và tính toán số liệu 50

Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 51

3.1. Khả năng chịu mất nước ở giai đoạn mạ của các giống lúa cạn

nghiên cứu 51

3.2. Xác định quan hệ di truyền của 25 giống lúa cạn và so sánh trình

tự gen LTP liên quan đến khả năng chịu mất nước của cây lúa

cạn

70

3.2.1. Kết quả xác định quan hệ di truyền của 25 giống lúa cạn nghiên

cứu bằng kỹ thuật RAPD

70

3.2.2. Kết quả so sánh trình tự gen LTP liên quan đến khả năng 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 mạ sau khi xử lý 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 độ của một số enzym 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 tố cấu thành năng suất và năng

suất của các giống lúa cạn

103

3.3.6. Đánh giá chất lượng hạt dựa trên một số chỉ tiêu sinh hóa 108

Kết luận và đề nghị

Danh mục công trình đã công bố liên quan đến đề tài

113

115

Tài liệu tham khảo 116

NHỮNG CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN ÁN

ADN Axit Deoxyribo Nucleic

AFLP Amplified Fragment Length Polymorphism

bp Base pair

CT Công thức

CTTN Công thức thí nghiệm

DL Diệp lục

ĐC Đối chứng

đtg Đồng tác giả

ĐVHĐ Đơn vị hoạt độ

FAO Food Agriculture Organization

HL Hàm lượng

IRRI International Rice Research Institute

Kb Kilobase

KN Khả năng

LT Lý thuyết

LTP Lipid transfer proteins

Nxb Nhà xuất bản

O. sativa Oryza sativa

O. glaberrina Oryza glaberrina

O. perennis Oryza perennis

P5CS Pyrrline-5-casboxylate synthase

PCR Polymerase Chain Reaction

PS I Photosystem I

PS II Photosystem II

QLT Quantitative trait loci

RAPD Randomly Amlified Polymorphic DNA

RFLP Restriction Fragment Length Polymorphism

sHSP small heat-shock protein

SNP Single Nucleotide Polymorphism

STS Sequence Tagged Site

SSR Simple Sequence Repeat

STT Số thứ tự

THN Thoát hơi nước

TN Thí nghiệm

TT Thực thu

DANH MỤC CÁC BẢNG

STT Số bảng Tên bảng Trang

1 Bảng 1.1 Diện tích và sản lượng lúa cả năm của Việt Nam 11

2 Bảng 1.2 Diện tích, năng suất và sản lượng lúa cạn trên thế giới 12

3 Bảng 2.1 Danh sách các giống lúa cạn nghiên cứu 38

4 Bảng 2.2

Kí hiệu và trình tự các nucleotit của 20 mồi RAPD

sử dụng trong nghiên cứu

46

5 Bảng 2.3 Thành phần phản ứng RAPD 47

6 Bảng 2.4 Thành phần phản ứng nhân gen LTP 48

7 Bảng 3.1

Chỉ số chịu hạn tương đối của các giống lúa cạn

nghiên cứu

52

8 Bảng 3.2 Hàm lượng diệp lục tổng số 54

9 Bảng 3.3 Hàm lượng diệp lục liên kết 56

10 Bảng 3.4 Sức hút nước của hạt lúa 59

11 Bảng 3.5 Tham số thống kê về lượng nước mất đi của mô lá 62

12 Bảng 3.6 Hàm lượng nước trong mô lá của cây mạ 64

13 Bảng 3.7 Cường độ thoát hơi nước của cây mạ 66

14 Bảng 3.8

Tổng hợp xếp hạng của 25 giống lúa cạn theo các chỉ

tiêu sinh lý liên quan đến khả năng chịu mất nước

69

15 Bảng 3.9

Tổng số phân đoạn ADN và tỷ lệ số phân đoạn ADN

đa hình của 20 mồi RAPD

72

16 Bảng 3.10

Các phân đoạn ADN đặc trưng của các giống lúa cạn

với các mồi ngẫu nhiên

76

17 Bảng 3.11 Hàm lượng kali tổng số 86

18 Bảng 3.12 Hàm lượng đường khử 88

19 Bảng 3.13 Hàm lượng prolin của cây mạ 90

20 Bảng 3.14 Hàm lượng axít hữu cơ 92

21 Bảng 3.15 Áp suất thẩm thấu của cây mạ 94

22 Bảng 3.16 Hoạt độ enzyme catalase của cây mạ 96

23 Bảng 3.17 Hoạt độ enzyme peroxydase của cây mạ 97

24 Bảng 3.18 Huỳnh quang diệp lục của lá ở thời kỳ cây mạ 100

25 Bảng 3.19 Huỳnh quang diệp lục của lá ở thời kỳ đẻ nhánh 101

26 Bảng 3.20 Huỳnh quang diệp lục của lá ở thời kỳ làm đòng 102

27 Bảng 3.21 Các yếu tố cấu thành năng suất của vụ xuân 2010 103

28 Bảng 3.22

Năng suất lý thuyết và năng suất thực thu của vụ

xuân 2010

104

29 Bảng 3.23 Các yếu tố cấu thành năng suất của vụ mùa 2010 106

30 Bảng 3.24

Năng suất lý thuyết và năng suất thực thu của vụ

mùa 2010

107

31 Bảng 3.25

Hàm lượng các axit amin trong hạt gạo của một số

giống lúa cạn nghiên cứu

111

DANH MỤC CÁC HÌNH

STT Số hình Tên hình Trang

1 Hình 2.1 Sơ đồ thí nghiệm tổng quát 40

2 Hình 2.2 Sơ đồ bố trí thí nghiệm đồng ruộng 44

3 Hình 3.1 Khả năng giữ nước của mô lá 62

4 Hình 3.2 Hình ảnh điện di sản phẩm RAPD với mồi M7 71

5 Hình 3.3 Hình ảnh điện di sản phẩm RAPD với mồi M20 71

6 Hình 3.4

Sơ đồ hình cây mô tả mối quan hệ di truyền của 25

giống lúa cạn

74

7 Hình 3.5

Ảnh điện di sản phẩm PCR với cặp mồi LTPrF –

LTPrR (a) và cặp mồi pUC18 (b)

78

8 Hình 3.6 Ảnh điện di plasmid tái tổ hợp mang gen LTP 79

9 Hình 3.7

Trình tự gen LTP của giống Blao cô cả, Giằng bau,

Khẩu lẩy khao và giống Yukihikari

82

10 Hình 3.8

So sánh trình tự axit amin suy diễn trong protein do

gen LTP mã hoá

83

11 Hình 3.9

Hàm lượng protein và lipit trong hạt của các giống

lúa cạn nghiên cứu

109

1

MỞ ĐẦU

1.1. Lí do chọn đề tài

Lúa là nguồn lương thực chính của hơn một nửa dân số thế giới, được

trồng khắp nơi, đặc biệt ở khu vực nhiệt đới, cận nhiệt đới ở châu Á, châu Phi,

Bắc Mỹ và Nam Mỹ. Việt Nam là một trong những nước nằm ở trung tâm lúa

thế giới. Sản xuất lúa gắn liền với sự phát triển nông nghiệp nước ta. So với

các nước trên thế giới, nhu cầu tiêu thụ lúa gạo của Việt Nam được xếp vào

hàng thứ 5 (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 như không tăng nhưng sản lượng lúa

không ngừng tăng. Cụ thể, 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 một trong ba

nước xuất khẩu gạo lớn nhất trên thế giới [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 (từ 20 - 40% ở những vùng sản xuất lương thực khó khăn).

Diện tích trồng lúa cạn chiếm 7,5% diện tích trồng lúa trong cả nước, phân bố

ở các tỉnh miền núi phía Bắc (Tây Bắc, Đông Bắc), vùng Duyên Hải Trung

Bộ, Tây Nguyên... Lúa cạn có nhiều đặc tính quý như khả năng chịu hạn tốt,

cứng cây, không lốp đổ, có thể gieo trồng ở những 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 thị hiếu người tiêu dùng. Tuy nhiên, hiện nay các giống

lúa cạn địa phương đang bị mất đi nhanh chóng do ảnh hưởng của sự biến đổi

khí hậu, tập quán canh tác và nhiều nguyên nhân khác. Vì thế việc 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 quả sử dụng nguồn gen cây lúa [11], [41], [42],

[47].

Một trong những hậu quả của sự biến 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 dự án, các nghiên cứu phát triển các loại cây

trồng có khả năng 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 bị hạn hán đe dọa. Do đó, việc tìm ra biện pháp tăng

khả năng giữ nước của mô cây lúa cạn ở điều kiện khô hạn và nhiệt độ bất lợi

nhằm tăng khả năng phục hồi sinh trưởng nhanh sau khi hết tác động bất lợi là

một vấn đề quan trọng. Trong các biện pháp đó, ngoài yếu tố giống thì các

nguyên tố dinh dưỡng khoáng có một vai trò nhất định; kali là một nguyên tố

khoáng có tác dụng tăng khả năng giữ nước, tăng tính chống chịu của cây với

điều kiện ngoại cảnh bất lợi (nhiệt độ thấp, khô hạn và bệnh).

Các nghiên cứu về khả năng chịu mất nước của thực vật nói chung và

của cây lúa nói riêng chủ yếu tiếp cận theo ba hướng sau: Thứ nhất, nghiên

cứu về các chất có hoạt tính thẩm thẩu như: đường, prolin, axit hữu cơ... và

khả năng điều tiết áp suất thẩm thấu giúp cây bảo vệ mô không bị tổn hại do

mất nước [7], [28], [39], [43], [59], [98], [123], [130]. Thứ hai, khả năng kiểm

soát sự mất nước ở bên ngoài của lá trên cơ sở củng cố độ vững chắc của

thành tế bào nhằm tăng cường tính giữ nước của tế bào [4], [50], [85], [127],

[166]. Thứ ba là khả năng ăn sâu của rễ xuống tầng đất phía dưới [4], [146].

Bên cạnh đó, việc đánh giá, tuyển chọn giống lúa cạn có chất lượng và

khả năng chống chịu dựa trên các chỉ tiêu về hình thái, sinh lý, hoá sinh đã

được một số tác giả bắt đầu quan tâm nghiên cứu [9], [19], [24], [32], [45],

[47] . . . Tuy nhiên chưa có nghiên cứu so sánh một cách có hệ thống các chỉ

tiêu sinh lý, sinh hóa của các giống lúa cạn ở một số tỉnh miền núi phía Bắc

3

Việt Nam đối với điều kiện ngoại cảnh bất lợi (hạn, nhiệt độ cao...) gây nên

sự mất nước của cây.

Từ những nhận thức trên, chúng tôi chọn 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 ở Thái Nguyên dưới tác động của KCl xử lý hạt trước khi gieo”.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu

- Xác định được sự sai khác trong các chỉ tiêu sinh lý, hoá sinh giữa các

giống lúa cạn có khả năng chịu mất nước khác nhau và đề xuất giống chịu

mất nước tốt nhất trong 25 giống được nghiên cứu trong luận án.

- Đề xuất biện pháp xử lý ngâm hạt trước khi gieo bằng KCl, làm cơ sở

cho việc chọn lọc giống và xây dựng biện pháp tăng cường khả năng chống

chịu mất nước của cây lúa cạn.

1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

• Đối tượng nghiên cứu của đề tài luận án là các giống lúa cạn địa phương

và biện pháp tăng cường khả năng chịu mất nước cho cây lúa cạn.

• Phạm vi nghiên cứu:

- Đánh giá khả năng chịu mất nước của mô của cây lúa cạn địa phương ở

một số tỉnh miền núi phía Bắc Việt Nam ở thời kì mạ dựa trên các chỉ tiêu

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 hệ di truyền giữa các giống lúa cạn thí nghiệm bằng kỹ

thuật PCR- RAPD.

- Phân lập và giải trình tự gen liên quan đến tính chịu mất nước - gen LTP

(gen mã hóa protein vận chuyển lipit), phân tích sự khác nhau về trình tự gen

và trình tự axit amin của protein ở giống lúa cạn chịu mất nước tốt và kém.

- Tuyển chọn đại diện của nhóm giống lúa cạn có tính chịu mất nước cao