Nghiên cứu ứng dụng chỉ thị phân tử phát hiện nguồn QTLs/gen chịu hạn trong tập đoàn các giống lúa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO
TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI




LÊ THỊ THANH





NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CHỈ THỊ PHÂN TỬ PHÁT HIỆN
NGUỒN QTLs/GEN CHỊU HẠN TRONG TẬP ðOÀN
CÁC GIỐNG LÚA




LUẬN VĂN THẠC SĨ NÔNG NGHIỆP



Chuyên ngành: Công nghệ sinh học
Mã số: 60.42.80


Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS PHAN HỮU TÔN

HÀ NỘI - 2013
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ………………………


i

LỜI CAM ðOAN


- Tôi xin cam ñoan rằng, số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn là
hoàn toàn trung thực và chưa ñược sử dụng ñể bảo vệ một học vị nào.
- Tôi xin cam ñoan rằng, mọi sự giúp ñỡ cho việc thực hiện luận văn ñã ñược cảm
ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn ñều ñược chỉ rõ nguồn gốc.


Tác giả luận văn




Lê Thị Thanh

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ………………………


ii

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và chân thành ñến PGS.TS. Phan Hữu
Tôn, Bộ môn Công nghệ sinh học, trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội ñã tận tình
giúp ñỡ, hướng dẫn tôi trong việc ñịnh hướng ñề tài cũng như trong suốt quá trình
thực hiện và hoàn thành luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám ñốc và tập thể cán bộ công nhân
viên trong Bộ môn Công nghệ sinh học, các thành viên trong nhóm lúa hạn
thuộc bộ môn Chọn giống lúa cho vùng khó khăn, trung tâm nghiên cứu và phát
triển lúa thuần, Viện Cây lương thực và Cây thực phẩm, Liên Hồng, Gia Lộc,
Hải Dương ñã giúp ñỡ, tạo moi ñiều kiện về vật chất và thời gian ñể tôi hoàn

thành ñề tài và khóa học.
Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Hoàng Bá Tiến chủ nhiệm ñề tài “Nghiên cứu
chọn tạo giống lúa chịu hạn bằng chỉ thị phân tử cho các tỉnh phía Bắc” và PGS.TS
Nguyễn ðức Thành, Bộ môn di truyền thực vật, Viện Công nghệ sinh học ñã tạo
mọi ñiều kiện giúp ñỡ tôi hoàn thành nội dung nghiên cứu.
Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể các thầy cô giáo trong Viện sau ñại học,
Bộ môn Công nghệ sinh học – Khoa Công nghệ sinh học – Trường ðại học Nông
nghiệp Hà Nội ñã tạo mọi ñiều kiện thuận lợi, giúp ñỡ tôi trong suốt thời gian học
tập và thực hiện ñề tài.
Qua ñây, tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia ñình, người thân,
bạn bè, là những người luôn ủng hộ tôi trong suốt quá trình học tập và thực tập tốt
nghiệp.
Tác giả luận văn


Lê Thị Thanh
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ………………………


i

MỤC LỤC


Lời cam ñoan i
Lời cảm ơn ii
Mục lục i
Danh mục các chữ viết tắt iv
Danh mục bảng v
Danh mục hình vi

I MỞ ðẦU 1
1.1 ðặt vấn ñề 1
1.2 Mục ñích 2
1.3 Yêu cầu 2
1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của ñề tài 2
1.4.1 Ý nghĩa khoa học của ñề tài 2
1.4.2. Ý nghĩa thực tiễn của ñề tài 2
2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3
2.1 ðại cương về cây lúa 3
2.2 Tính chịu hạn 4
2.2.1 Tác hại của hạn 4
2.2.2 Cơ chế chịu hạn 5
2.3 Một số phương pháp chọn tạo giống thực vật ñược sử dụng 21
2.3.1 Chọn giống theo phương pháp truyền thống 21
2.3.2 Chọn giống bằng Công nghệ sinh học 22
2.3.3 Những phương pháp tiến hành MAS 32
2.3.4 Những thành tựu và triển vọng MAS 34
2.4 Những kết luận rút ra từ nghiên cứu tổng quan 44
3 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 45
3.1 Vật liệu nghiên cứu 45
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ………………………


ii

3.1.1 Vật liệu nghiên cứu 45
3.1.2 ðịa ñiểm nghiên cứu 45
3.1.3 Thời gian nghiên cứu 45
3.2 Nội dung và phương pháp nghiên cứu 45
3.2.1 Nội dung nghiên cứu 45

3.2.2 Phương pháp nghiên cứu 46
3.2.3 Phương pháp phân tích và xử lý số liệu 53
3.2.4 ðiều kiện môi trường tiến hành thí nghiệm 53
4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 54
4.1 Kết quả ñánh giá khả năng chịu hạn nhân tạo 54
4.1.2 ðánh giá khả năng chống chịu hạn trong ñiều kiện ñồng ruộng (nhờ
nước trời)
58
4.2 Kết quả ñánh giá ñặc trưng bộ rễ các dòng, giống lúa tham gia thí
nghiệm 61
4.3 ðánh giá một số ñặc trưng nông học của các dòng, giống lúa thí
nghiệm
64
4.3.1 ðánh giá một số ñặc ñiểm hình thái của các dòng, giống 64
4.3.2 Chiều cao cây lúa và khả năng ñẻ nhánh của các dòng, giống tham gia
thí nghiệm ở hai ñiều kiện môi trường 68
4.3.3 ðặc ñiểm lá ñòng của các dòng, giống lúa tham gia thí nghiệm 70
4.3.4 ðặc ñiểm bông và hạt của các dòng, giống tham gia thí nghiệm ở cả
hai ñiều kiện môi trường
72
4.3.5 Ảnh hưởng của ñiều kiện môi trường ñến thời gian sinh trưởng của
các dòng, giống lúa tham gia thí nghiệm
74
4.4 Khả năng chống chịu sâu bệnh và chống ñổ của các dòng, giống thí
nghiệm
77
4.5 Các yếu tố cấu thành năng suất và năng suất 79
4.6 Xác ñịnh một số dòng/giống có khả năng chịu hạn bằng chỉ thị SSR
liên kết với QTLs/gen kiểm soát tính trạng hình thái rễ có lợi cho khả
năng chịu hạn.

83
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ………………………


iii

4.6.1 Kiểm tra ñộ nguyên vẹn và tinh sạch DNA của các dòng, giống lúa
nghiên cứu
83
4.6.2 Tính chịu hạn của các dòng, giống ñược phát hiện với các chỉ thị
RM250, RM270, RM221 và RM167
84
5 KẾT LUẬN VÀ ðỀ NGHỊ 88
5.1 Kết luận 88
5.2 ðề nghị 88
TÀI LIỆU THAM KHẢO 90
PHỤ LỤC 98






Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ………………………


iv

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CH : Chịu hạn
TGST : Thời gian sinh trưởng
SSR : Sequence single repeat (trình tự lặp lại ñơn giản)
S.E.S : Hệ thống ñánh giá tiêu chuẩn trên cây lúa
IRRI : Viện nghiên cứu lúa quốc tế
STT : Số thứ tự


Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ………………………


v

DANH MỤC BẢNG

STT Tên bảng Trang

3.1 Số liệu khí tượng vùng tiến hành thí nghiệm vụ mùa 2012 53
4.1 Giá trị chọn lọc về khả năng chịu hạn ở giai ñoạn nảy mầm và giai
ñoạn 3 lá
55
4.2 Chỉ số chọn lọc của 21 giống phù hợp nhất với hướng chọn lọc 57
4.3 Khả năng chịu hạn của các dòng, giống lúa ở một số giai ñoạn gặp hạn
trong ñiều kiện nước trời tại Gia Lộc, Hải Dương, vụ mùa 2012
59
4.4 Chiều dài bộ rễ, số lượng rễ chính và khối lượng bộ rễ trong thí
nghiệm hộp rễ (60 ngày sau mọc)
63
4.5 Một số ñặc ñiểm hình thái của các dòng, giống lúa tham gia thí
nghiệm tại Gia Lộc – Hải Dương, vụ mùa 2012 66

4.6 Chiều cao cây cuối cùng và khả năng ñẻ nhánh của các dòng, giống
lúa ở hai ñiều kiện môi trường
68
4.7 ðặc ñiểm lá ñòng của các dòng, giống lúa thí nghiệm ở hai ñiều kiện
môi trường
71
4.8 Chiều dài bông, chiều dài cổ bông và khối lượng 1000 hạt ở hai ñiều
kiện môi trường 74
4.9 Thời gian sinh trưởng của các dòng, giống lúa tham gia thí nghiệm ở
cả hai môi trường
76
4.10 Khả năng chống chịu sâu bệnh hại chính và ñiều kiện bất thuận của
các dòng, giống lúa tại Gia Lộc, Hải Dương, vụ mùa 2012 78
4.11 Các yếu tố cấu thành năng suất và năng suất của các dòng, giống lúa
thí nghiệm ở hai ñiều kiện môi trường tại Gia Lộc, Hải Dương, vụ
mùa 2012
82
4.12 ðộ tinh sạch DNA chiết tách 83
4.13 Bảng Score kiểu hình và kiểu gen về tính chịu hạn của 21 giống
nghiên cứu
86
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ………………………


vi

DANH MỤC HÌNH

STT Tên hình Trang

Hình 1. Ảnh ñiện di kiểm tra ñộ nguyên vẹn DNA chiết tách 83
Hình 2. Sản phẩm PCR với mồi RM 221 vơi 21 giống lúa thí nghiệm trên gel
polyacrylamide: 1-21: giống G1-G21; M. Marker
85
Hình 3. Sản phẩm PCR với mồi RM 242 với 21 giống lúa thí nghiệm trên gel
polyacrylamide: 1-21: giống G1-G21 85
Hình 4. Sản phẩm PCR với mồi RM 167 với 21 giống lúa thí nghiệm trên gel
polyacrylamide: 1-21: giống G1-G21
85
Hình 5. Biểu ñồ quan hệ di truyền giữa các dòng và giống lúa nghiên cứu. 87




Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ………………………


1

I. MỞ ðẦU

1.1. ðặt vấn ñề
Tình hình thời tiết diễn biến phức tạp do sự phá hủy môi trường sống nhất là
trong những năm gần ñây ñã gây nên tình trạng lũ lụt gây ngập úng, hoặc hạn hán
kéo dài ở nhiều nơi ñã ảnh hưởng rất lớn ñến năng suất cây trồng, gây nhiều khó
khăn cho sản xuất nông nghiệp. Thêm vào ñó, hàng năm trên thế giới diện tích ñất
trồng trọt bị hạn ngày một gia tăng. Hạn là một yếu tố ảnh hưởng rất lớn ñến năng
suất cây trồng và an ninh lương thực, ñặc biệt là ảnh hưởng ñến kinh tế - xã hội ở
các nước ñang phát triển. Hạn ñược xếp vào yếu tố chính gây thiệt hại ñến năng suất
lúa so với các yếu tố môi trường bất lợi khác, kể cả sâu bệnh hại. Vì thế việc chọn

tạo các giống lúa chịu hạn có khả năng sử dụng nước hiệu quả, sinh trưởng tốt trong
ñiều kiện khắc nghiệt và cho năng suất ổn ñịnh là vấn ñề cần thiết Mặt khác, tạo ra
những giống lúa mang gen chịu hạn cũng là việc làm cần thiết cho cả những vùng
trồng lúa có ñủ ñiều kiện thủy lợi bởi vì tình trạng thiếu nước có thể xảy ra ở hầu
hết các vùng trồng lúa, theo thống kê có tới 90% diện tích trồng lúa trên thế giới
chịu ảnh hưởng của khô hạn trong vài giai ñoạn sinh trưởng.
Cùng với việc phát triển của công nghệ sinh học, chọn giống nhờ chỉ thị
phân tử (MAS- Marker Assisted Selection) là phương pháp chọn giống ñang ñược
áp dụng nhiều và là một hướng nghiên cứu ñầy triển vọng hiện nay. Trong chọn lọc
nhờ chỉ thị phân tử, các gen ñích ñược phát hiện dựa vào chỉ thị chứ không phải dựa
vào sự biểu hiện kiểu hình của gen ñó. Do ñó, việc chọn lọc dựa vào các chỉ thị liên
kết chặt chẽ với nhóm gen sẽ giúp cho nhà chọn giống thu ñược những kết quả
chính xác về dự ñoán tiềm năng sản lượng cũng như sức sống của thế hệ con cháu.
Những thành công trong việc xác ñịnh các QTL liên quan ñến tính chịu hạn là bước
ñầu quan trọng cho việc ứng dụng chỉ thị phân tử vào chọn giống cây trồng chịu hạn.
[49][68]
Nhờ những nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật bản ñồ gen, nhiều nhà khoa học ñã
xác ñịnh ñược vị trí và vai trò của một số vùng gen liên quan ñến khả năng chịu hạn.
Các ñặc tính như bộ rễ khoẻ, ăn sâu, khả năng ñiều chỉnh áp suất thẩm thấu, khả
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ………………………


2

năng duy trì thế nước ở lá trong ñiều kiện khô hạn… ñều quyết ñịnh ñến khả năng
chịu hạn của cây trồng.
Do ñó ñể tạo nguồn vật liệu ban ñầu cho chương trình chọn tạo giống lúa
chịu hạn chúng tôi tiến hành thực hiện ñề tài: “Nghiên cứu ứng dụng chỉ thị phân
tử phát hiện nguồn QTLs/gen chịu hạn trong tập ñoàn các giống lúa.”
1.2 Mục ñích

Xác ñịnh ñược một số dòng/giống lúa năng suất cao, chất lượng tốt có mang
QTLs/gen kiểm soát tính chịu hạn phục vụ cho chọn tạo giống lúa chịu hạn.
1.3. Yêu cầu
- ðánh giá một số ñặc ñiểm nông, sinh học của tập ñoàn nguồn vật liệu.
- Kiểm soát kiểu hình về các tính trạng liên quan ñến khả năng chịu hạn của
tập ñoàn vật liệu.
- Sử dụng chỉ thị phân tử SSR xác ñịnh các QTLs/gen kiểm soát các tính
trạng rễ lúa liên quan ñến khả năng chịu hạn.
1.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của ñề tài
1.4.1. Ý nghĩa khoa học của ñề tài
- ðánh giá ñược những ñặc ñiểm cơ bản của dòng, giống lúa chịu hạn
- Xác ñịnh ñược các giống lúa mang QTLs/gen kiểm soát các tính trạng liên
quan ñến khả năng chịu hạn.
1.4.2. Ý nghĩa thực tiễn của ñề tài
- ðánh giá nhanh ñược nguồn vật liệu chọn giống trên cơ sở xác ñịnh khả
năng chịu hạn nhân tạo và chỉ thị phân tử.
- Chọn lọc ñược những dòng, giống lúa có khả năng chịu hạn tốt, mang
QTLs/gen kiểm soát các tính trạng chịu hạn ñể vận dụng trong các tổ hợp lai nhằm
khai thác trong các chương trình lai tạo giống lúa chịu hạn thích hợp cho những
vùng nhờ nước trời và bấp bênh nước.




Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ………………………


3

2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU

2.1. ðại cương về cây lúa
Chi lúa Oryza thuộc họ Graminae, họ phụ Oryzoideae và tộc Oryzae. Chi
Oryza gồm có 28 loài và loài phụ, phân bố chủ yếu ở vùng xích ñạo. Nó bao gồm cả
hai loại hình: lâu năm và hàng năm, cao từ 0,3 ñến 2,0 m. Trên cơ sở phân tích sự
tiến hóa của loài về hình dạng cây lúa, có thể chia thành ba nhóm loài khác nhau:
Padia (nguyên thủy): Cây có thân rạ nhỏ, mọc ở ñất dễ thoát nước trong các rừng
ẩm nhiệt ñới ðông Nam Á, thích nghi trong bóng mát; Angustifolia (hơi tiến hóa):
Cây có kích thước nhỏ, thích nghi với ñất ngập nước, phát triển ở vùng nhiệt ñới
Châu Phi và Euoryza (tiến hóa): Cây có thân rạ trung bình hoặc to, ưa sáng và thích
nghi với ñiều kiện ngập nước. [6].
Hiện nay, trên thế giới có hai loài lúa trồng chủ yếu. Loài lúa trồng Oryza
Sativa ñược thuần hóa ở Châu Á, nên ñược gọi là lúa trồng Châu Á. Loài lúa trồng
Oryza Glaberrima ñược thuần hóa ở Châu Phi, nên ñược gọi là lúa trồng Châu Phi.
Chúng có ñặc tính chung là có bộ nhiễm sắc thể lưỡng bội (2n = 24), thủy sinh, ưa
sáng.[2] Tuy nhiên, hai loài lúa trồng này có những ñặc ñiểm khác nhau về hình thái.
Lúa trồng Châu phi có mặt lá và vỏ trấu không ráp, không có lông tơ, lá láng trơn,
thìa lìa lá rất ngắn, hình ñỉnh tròn hoặc tháp cụt. Trong khi ñó lúa trồng Châu Á có
mặt lá và vỏ trấu ráp, có lông tơ. Lá còn có lông tơ cứng, ở hai rìa hai bên. Thìa lìa
của lá dài, ngọn thìa lìa chẻ ñôi và hai ñầu chẻ ñều nhọn.
Loài lúa trồng Châu Á O.Sativa là cây thân thảo sinh sống hàng năm, có thời
gian sinh trưởng thay ñổi tùy theo giống lúa, vụ trồng, nơi trồng, các ñiều kiện sinh
thái, từ 75 ñến 120 ngày. Cây mọc thẳng ñứng hay mọc nghiêng rồi bò dài (lúa nổi),
sống ở cạn, ñất cao hay nước ngập chân hoặc một phần thân hay trong nước sâu tới
2 - 4m. Thân cao 70-150 cm, một số giống lúa nổi có thân cao 2 - 3 m, hay 5 - 6 m
(lúa nổi ở Bawngladesd). ðốt thân nhẵn và cách nhau bởi những lóng dài, ngắn
khác nhau. Phiến lá thẳng ñều, ñầu lá nhọn, bề mặt phiến lá và mép lá ñều ráp. Hoa
lúa là hoa lưỡng tính, cây lúa trồng là cây tự thụ phấn. Hoa có 6 nhị ñực, mảnh, bao
phấn dài. Bầu hoa có vòm, nhị ngắn và hai ñầu nhị có lông tơ. Loài O.Sativa L.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ………………………

4

ñược trồng phổ biến ở khắp các nước trồng lúa trên thế giới, phần lớn tập trung ở
Châu Á và ñược chia làm 3 loài phụ: Loài phụ Indica ñược hình thành sớm nhất, bắt
nguồn trực tiếp từ lúa dại thuộc dãy Himalaya ở phía Bắc Ấn ðộ. Sau ñó indica di
chuyển lên phía Bắc dọc theo triền sông và bờ biển lưu vực sông Dương Tử, xâm
nhập vào lục ñịa Triều Tiên hình thành các biến dị và loài phụ Japonica ñược trồng
ở các nước nhiệt ñới và cận nhiệt ñới; loài phụ Javanica có hình thái trung gian, chủ
yếu là các giống lúa cạn cao cây, có hạt to dài, ñược hình thành ở Indonesia. [6]
Lúa trồng Châu Á là một cây bán thủy sinh và nói chung ñược trồng ở ñiều
kiện ngập nước. Tuy nhiên, khoảng một nửa diện tích trồng lúa trên thế giới không
ñược cung cấp ñủ nước ñể duy trì ñiều kiện ngập và năng suất bị giảm kéo dài bởi
hạn hán ảnh hưởng lên sự sinh trưởng của cây.[46]
Ngày nay, diện tích trồng trọt ñang bị suy giảm nhanh do sự mở rộng các
vùng dân cư, các khu công nghiệp làm thu hẹp diện tích canh tác thuận lợi của cây
trồng. Thêm vào ñó là sự biến ñổi khí hậu trái ñất ñang diễn ra phức tạp. Các hiện
tượng thiên tai xảy ra bất thường và nổi lên trong ñó là vấn nạn về hạn hán. Hạn hán
ñã gây ra sự hoang mạc hóa ở nhiều nơi trên trái ñất. Khoảng một nửa diện tích
trồng lúa trên thế giới không có ñủ nước ñể duy trì ñiều kiện ngập, dẫn ñến năng
suất bị giảm. Do ñó, một yêu cầu bức thiết ñặt ra là phải chọn tạo ra các giống lúa
chịu hạn, có khả năng sinh trưởng và sử dụng nước tốt, cho năng suất ổn ñịnh trong
những ñiều kiện khắc nghiệt.
2.2. Tính chịu hạn
2.2.1. Tác hại của hạn
ðối với cây lúa, hạn gây ảnh hưởng ñặc biệt nghiêm trọng vào thời kỳ bắt
ñầu hình thành các cơ quan sinh sản cho ñến lúc kết thúc quá trình thụ phấn. Hạn
hán gây hại nhất ở giai ñoạn lúc lúa phơi màu, có thể gây nên mất mùa nếu gặp phải
ñợt nhiệt ñộ cao và ñộ ẩm không khí thấp, làm cho hạt phấn không có khả năng nảy

mầm, quá trình thụ tinh không xảy ra và hạt bị lép. Nếu hạn muộn hơn vào giai
ñoạn cuối làm ảnh hưởng ñến sự tạo và vận chuyển dinh dưỡng về hạt cũng gây nên
hiện tượng hạt bị lép, ảnh hưởng ñến năng suất và sản lượng.
Có thể nói trong các loại cây trồng thì cây lúa là loại cây kém chịu hạn nhất,
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ………………………


5

ñặc biệt là vào các giai ñoạn phân hóa ñòng, ôm ñòng, trỗ và phơi màu. Nhiều
nghiên cứu cho thấy, khi tỷ lệ nước trong ñất chỉ bằng 50% lượng nước tối ña vào
giai ñoạn ñẻ nhánh thì có thể làm giảm 1/5 năng suất, vào giai ñoạn phân hóa ñòng
và trỗ có thể làm giảm 1/3 năng suất và vào giai ñoạn cây lúa phơi màu có thể làm
giảm 2/3 năng suất, thậm chí làm mất mùa hoàn toàn. Như vậy hạn hán làm ảnh
hưởng mạnh mẽ lên sự sinh trưởng của cây lúa, là nguyên nhân chính gây nên sự
mất tính ổng ñịnh năng suất.
Theo thống kê sơ bộ của Bộ Nông nghiệp và phát triển nông thôn, hiện nay
trên thế giới có khoảng 45% diện tích ñất trồng bị hạn hán. Tại Việt Nam, trong 7,3
- 7,5 triệu ha ñất trồng thì có tới 1,5 - 1,8 triệu ha thiếu nước, năm 1988 - 1990 sản
lượng lúa của vùng ñồng bằng sông Hồng bị giảm 20 - 28% so với mức trung bình
chủ yếu do hạn hán. Ngoài diện tích này ra, hạn hán do thời tiết xảy ra hàng năm
cũng làm giảm ñáng kể năng suất lúa. ðiển hình cho hạn hán cho hạn hán ở nước ta
phải kể ñến hai năm 1993 và 1998. Trong năm 1993, hạn gay gắt xảy ra ở Trung Bộ
và Nam Bộ làm giảm năng suất xuống còn 1/2. Hạn hán xảy ra vào giai ñoạn lúa ôm
ñòng trong hai năm 1998 và 1999 làm giảm 4/5 năng suất lúa ở các tỉnh khu Bốn
[26]. Năm 2002 diện tích gieo trồng lúa hàng năm ở nước ta biến thiên từ 7,3 – 7,5
triệu ha trong ñó 1,5 -1,8 ñang bị thiếu nước và 1,5 – 2,0 triệu ha cần phải ñầu tư ñể
chống úng khi gặp mưa to và mưa tập trung. Năm 2004, hạn hán ñã làm 167 000 ha
ñất canh tác của các tỉnh khu vực Nam Trung Bộ và Tây Nguyên bị thiếu nước,
trong ñó khoảng 100.000 ha lúa, hoa màu và cây công nghiệp bị mất trắng, thiệt hại

ước tính lên ñến 581 tỷ ñồng.
2.2.2. Cơ chế chịu hạn
Những thực vật chịu hạn trên môi trường thiếu nước làm cho chúng bị mất
cân bằng về thẩm thấu, ñể chống lại những ñiều kiện khắc nghiệt ñó ñòi hỏi cây
trồng phải có những cơ chế ñặc biệt
2.2.2.1. Cơ chế sinh lý
Có 3 cơ chế tồn tại ở những cây chịu hạn là cơ chế trốn chạy hạn, cơ chế
tránh hạn và cơ chế chịu hạn. Tuy nhiên cây trồng sử dụng nhiều hơn một cơ chế ở
cùng một thời ñiểm ñể chống chịu hạn.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ………………………


6

a/ Cơ chế trốn chạy hạn (drought escape)
Trốn chạy hạn là khả năng của cây có thể hoàn thành chu kì sống của chúng
trước khi sự thiếu nước nghiêm trọng trong ñất và trong cây xảy ra.
Cơ chế trốn chạy hạn là phát triển nhanh về mặt hình thái, phát triển tính
mềm dẻo và thúc ñẩy quá trình nở hoa, hình thành hạt. Cơ chế này ñược thể hiện ở
việc trưởng thành và ra hoa sớm, thay ñổi thời gian sinh trưởng cho phù hợp với
thời gian thiếu nước.
Nhóm cây trốn hạn thường là những loài có thời gian sinh trưởng ngắn,
thường sống ở vùng sa mạc. Chúng nhanh chóng hoàn thành vòng ñời, ra hoa, và
kết hạt trước khi mùa khô hạn tới. Cây mọng nước chịu ñựng hạn hán bằng cách dự
trữ nước trong mô nhờ cô lập một cách có hiệu quả nước ở xung quanh, hoặc nhờ
sự ñóng khí khổng, sự hình thành một lớp sáp không thấm nước vào môi trường và
sự hóa bần của rễ chống mất nước vào ñất. Như vậy khác với cây chịu hạn, trốn
chạy hạn chỉ là cách chúng tồn tại và sống sót qua thời kỳ khô hạn.
b/ Cơ chế tránh hạn (drought avoidance)
Tránh hạn là khả năng của cây duy trì tiềm năng nước cao tương ñối trong

mô trong ñiều kiện thiếu nước.
Cơ chế tránh hạn là một hình thức cải thiện sự thu hút nước, dự trữ nước
trong tế bào thực vật và làm giảm lượng nước mất ñi, kết quả là ñưa ñến việc tránh
ñược hạn. Cơ chế này thể hiện ở việc duy trì sức trương thông qua việc làm tăng
lượng rễ sâu, hệ thống rễ tốt, tăng sự dẫn nước và giảm sự mất nước qua biểu bì
(ñóng khí khổng), giảm hấp thụ bức xạ bằng cách nghiêng hoặc tạo cuốn ở lá, làm
giảm bay hơi nước trên bề mặt. Sự tăng cường cung cấp nước nhờ bộ rễ ăn sâu, rễ
to khỏe, số lượng nhiều và mạch dẫn có kích thước lớn. Thực vật sống sót sau hạn
bởi việc cân bằng giữa việc duy trì sức trương và giảm sự mất nước.
Rễ sâu là ñặc ñiểm mấu chốt cho việc cải thiện khả năng chịu hạn ở lúa trong
môi trường khô hạn vì chúng góp phần thu hút nước từ những tầng ñất sâu trong
suốt quá trình hạn. ðể duy trì lượng nước hút lên cần có hệ thống rễ phát triển sâu
hơn khi mật ñộ rễ thấp chiếm ưu thế hoặc nhờ tăng mật ñỗ rễ. Trong số những ảnh
hưởng của môi trường, ảnh hưởng của chế ñộ nước lên sự phát triển rễ sâu của lúa
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ………………………


7

sinh trưởng trong ống ñất ñã ñược hiểu rất rõ. ðặc ñiểm của các loài chịu hạn là
chúng có tỷ lệ rễ trên tổng sinh khối của thân lớn và có rễ phát triển sâu. Nhiều kết
quả nghiên cứu ñã khẳng ñịnh cây có bộ rễ phát triển là khả năng ñặc biệt ñể chống
lại sự mất nước. Trong ñó, số lượng rễ, ñộ sâu, ñộ dài… là những ñặc ñiểm quan
trọng trong sự duy trì thế nước của lá trong ñiều kiện khó khăn về. Hình thái rễ và
kiểu rễ ảnh hưởng trực tiếp ñến lượng nước cung cấp cho cây. ðối với các loại ngũ
cốc như lúa, lúa miến và ngô thì tăng ñộ rộng, ñộ sâu và sự phân nhánh của hệ rễ ñã
làm giảm sự tác ñộng của sự thiếu nước lên cây. Sự phát triển rễ sâu ảnh hưởng rất
lớn bởi ñiều kiện ñất. Sự khác nhau về kiểu gen cũng ñược quan sát không những
cho sự phát triển hệ thống rễ dưới ñiều kiện ñủ nước (ñặc ñiểm rễ cơ bản) mà còn
cho sự sinh trưởng của rễ chịu trách nhiệm trong các chế ñộ nước khác nhau (ñặc

ñiểm rễ thích nghi) bằng các thí nghiệm trong ống ñất.
Có hai cơ chế của cây trồng ñể làm giảm lượng nước mất ñi, ñó là sự thay
ñổi ñộ mở khí khổng và làm giảm lượng bức xạ hấp thụ. Khi cây gặp hạn, khí
khổng ñóng lại ngăn chặn sự thoát hơi nước ra ngoài. Quá trình ñóng mở khí khổng
là rất phức tạp, liên quan ñến hàng loạt các quá trình như quang hợp, hô hấp, trao
ñổi ion, hút dinh dưỡng. Khí khổng ñược ñặt trong một biểu bì không thấm nước và
hoạt ñộng như van ñiều chỉnh giữa ñộ ẩm của lá và ñộ khô của không khí, tạo ra cơ
chế chính kiểm soát tốc ñộ mất nước. Khi mất nước nhiều, khí khổng không còn
khả năng ñóng, nước ồ ạt thoát ra ngoài dẫn ñến tình trạng cây héo và chết. ðể duy
trì cân bằng nước nội bộ cây có hiệu quả, khí khổng phải ñóng chặt và sự mất nước
qua tầng cutin phải nhỏ. Song trong một số trường hợp thế nước trong lá tiếp tục
giảm vì khí khổng không ñóng hoàn toàn hoặc mất nước qua cutin. Cơ chế thứ hai
làm giảm lượng nước mất ñi là làm giảm lượng bức xạ hấp thụ. ðiều này ñạt ñược
nhờ hoạt ñộng của lá hoặc sự thay ñổi ñặc ñiểm phản xạ lại của lá. Sự cuộn lá là
chuyển ñộng thụ ñộng, nó cũng có tác ñộng làm giảm sự bức xạ tới và khi ñóng khí
khổng có thể chống lại nhiệt ñộ cao quá mức của lá khi hiệu quả sử dụng nước thấp.
Cây trồng thay ñổi giảm diện tích bề mặt thoát hơi nước ñể làm giảm lượng nước
mất ñi. Các cây trồng chịu hạn thường có số nhánh và số lá ít, diện tích lá cũng
giảm, lá mảnh hơn. Trong ñiều kiện khô hạn có thể thúc ñẩy nhanh sự già hóa của lá,
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ………………………


8

làm lá rụng ñi cũng góp phần làm giảm diện tích lá. Sự giảm sinh trưởng của lá khi
thiếu nước là cơ chế chủ yếu làm giảm nhu cầu nước. Việc làm giảm diện tích lá
ñược coi là một yếu tố quan trọng trong khả năng chịu hạn của cây trồng.
c/ Cơ chế chịu hạn (drought tolerance)
Chịu hạn là khả năng của thực vật chịu ñựng sự thiếu nước trong ñiều kiện
tiềm năng nước thấp trong mô.

Cơ chế chịu hạn là phản ứng của cây ñối với sự thiếu nước trong mô thông
qua việc duy trì sức trương bằng ñiều chỉnh áp suất thẩm thấu (bằng việc tạo ra các
chất tan trong tế bào), tăng ñộ mềm dẻo và giảm kích thước tế bào.
Qua ñiều chỉnh áp suất thẩm thấu cây trồng có thể duy trì áp suất trương
(một quá trình làm tăng sự tích lũy chất tan trong tế bào). Trong ñó, duy trì sức
trương khi thế nước của cây giảm là quan trọng ñối với tế bào sống, ñối với sự sinh
trưởng và nhiều quá trình sinh lý, sinh hóa liên quan. Tốc ñộ thoát hơi nước là yếu
tố quan trọng ñối với sự tích lũy chất tan và duy trì áp suất trương ở thế nước trong
lá trung bình. Song nhiều nghiên cứu về sự phản ứng của cây trồng ñã ñánh giá thấp
khả năng suy trì sức căng qua việc tích lũy chất tan vì tốc ñộ tác ñộng của sự thiếu
hụt nước lớn hơn nhiều quá trình tích lũy chất tan có thể ñiều tiết. Tuy nhiên, vấn ñề
ñặt ra ñối với quá trình tích lũy chất tan là vai trò thực sự của ñọ dài thời gian khôi
phục lại cũng như sự khắc nghiệt cảu sự thiếu nước. Phản ứng của cây ñối với sự
thiếu nước trong mô quyết ñịnh mức ñộ kháng hạn của nó.
Tính mềm dẻo của mô ở cây kháng hạn có ñược là khi thế nước và lượng
nước trong mô giảm có khả năng làm tăng tính co giãn của tế bào và làm giảm kích
thước tế bào, tăng ñộ nhớt của chất nguyên sinh tế bào làm cho nguyên sinh chất
chịu ñược sự mất nước cao.
d/ Các chất ñiều chỉnh áp suất thẩm thấu
Có thể nói, những nghiên cứu về việc ñiều chỉnh áp suất thẩm thấu ở lúa
còn nhiều hạn chế. Nhiều tác giả nhận thấy rằng ñiều chỉnh áp suất thẩm thấu ở
lúa diễn ra ở mức trung bình so với những loài ngũ cốc khác như lúa miến, lúa
mỳ, lúa mạch. ðiều chỉnh thẩm thấu có ảnh hưởng lên sự cuộn lá lúa, có thể làm
chậm lại sự cuộn lá và sự chết của lá. Những giống có khả năng ñiều chỉnh áp
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ………………………


9

suất thẩm thấu cao có thể duy trì sự trương khi thế nước trong lá thấp. Quá trình

này ở lúa tỏ ra rất nhanh so với lúa miến và ngô có thể là do sự thiếu nước tăng
nhanh. Quá trình thẩm thấu diễn ra nhanh và ở mức lớn nhất ñược duy trì trong
suốt thời kỳ khô hạn nên có thể chống lại ảnh hưởng có hại của sự thiếu nước ở
mức ñộ nhẹ. Ở một vài ñiều kiện khác, việc ñiều chỉnh thẩm thấu có thể không
gây ảnh hưởng tích cực lên sự sinh trưởng của cây và năng suất hạt. Tuy nhiên,
có sự khác biệt rất lớn về khả năng ñiều chỉnh thẩm thấu giữa lúa cạn và lúa
nước ở ñiều kiện thiếu nước, một số dạng thiếu hẳn sự ñiều chỉnh thẩm thấu. Các
giống lúa cạn cổ truyền nói chung có xu hướng phát triển hệ rễ và khả năng chiết
rút nước từ ñất trội hơn và thiếu ñi khả năng ñiều chỉnh thẩm thấu. Các giống
này thường bị mất nước nghiêm trọng qua lá và có phản ứng cuộn lá ngay khi ñộ
ẩm trong ñất cạn kiệt. Khi thiếu nước chúng duy trì thế nước trong lá bằng cách
ñóng lỗ khí khổng. Trong khi các giống lúa nước ñược cải tiến thiếu ñi một hệ
thống rễ sâu nhưng lại trội hơn về khả năng ñiều chỉnh thẩm thấu.
Khả năng ñiều chỉnh áp suất thẩm thấu là một ñặc tính rất quan trọng của tế
bào khi bị mất nước do lạnh, muối hoặc nóng hạn. Những thực vật tồn tại trên môi
trường mất cân bằng về áp suất thẩm thấu ñòi hỏi phải có khả năng chống lại ñược
ñiều kiện khắc nghiệt ñó. Tồn tại hai cơ chế khắc phục sự bất lợi này ñó là khi cây
mất áp suất trương sẽ dẫn ñến mất cân bằng về thẩm thấu và sự mất cân bằng về
thẩm thấu gây ra do hạn hán, muối hoặc nhiệt ñộ.
Khả năng ñiều chỉnh áp suất thẩm thấu của tế bào thực vật, ñặc biệt là tế bào
có mối liên quan trực tiếp ñến khả năng cạnh tranh nước của tế bào rễ cây ñối với
ñất. Trong ñiều kiện hạn, áp suất thẩm thấu ñược ñiều chỉnh tăng lên giúp cho tế
bào rễ thu nhận ñược những phân tử nước ít ỏi có trong ñất. Bằng cơ chế như vậy,
thực vật có thể vượt qua ñược tình trạng hạn cục bộ. ðối với những giống lúa nước,
tính chịu hạn cục bộ có một ý nghĩa quan trọng cho những vùng chưa chủ ñộng
ñược tưới tiêu.
Các kênh vận chuyển protein và các chất mang ion cũng ñóng một vai trò
quan trọng trong việc tránh sự mất nước hoặc ñiều hòa thẩm thấu. Các protein màng
(aquaporin) vận chuyển nước và tham gia vào quá trình ñiều chỉnh trạng thái nước
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ………………………

10

của tế bào trong phản ứng với sự thiếu nước. Sự phosphoryl hóa các protein màng
ñã làm tăng khả năng vận chuyển nước của kênh dẫn truyền, do ñó làm giảm mức
ñộ phosphoryl hóa khi thiếu nước sẽ làm chậm sự mất nước từ tế bào.
Khả năng chịu mất nước dựa trên sự thay ñổi tinh vi trong sinh hóa tế bào
dẫn ñến sự xuất hiện và tích lũy các chất hòa tan, protein, amino acid ñặc hiệu. Hiện
tượng này thường diễn ra rất nhanh khi bị mất nước. Sự tích lũy các chất này không
làm ảnh hưởng ñến chức năng các hệ enzyme trong tế bào. Các chất ñó bao gồm
một số nhóm sau: ion K
+
, protein (LEA, Osmotine), amino acid (Proline, Estoine),
các chất ñường (sucrose fructant, manitol, pinitol), các enzyme phân hủy gốc tự do.
Ngoài ra còn có các chất như: glucine betaine và β-alaninen betaine. Các chất này
thường có hai chức năng, lượng chứa của chúng trong tế bào sẽ ñiều chỉnh áp suất
thẩm thấu bằng tác ñộng tổng thể mà chúng có khả năng giữ và lấy nước vào tế bào
hoặc ngăn chặn sự xâm nhập của ion Na
+
. Ngoài ra chúng có thể thay thế vị trí nước
nơi xảy ra các phản ứng sinh hóa, tương tác với lipid hoặc protein trong màng, ngăn
chặn sự phá hủy của màng và các phức protein. Các chất tan thích hợp cũng có thể
thay thế trong liên kết với lipid hoặc protein, do ñó chống lại sự phân hủy màng, sự
phân ly của phức hợp protein hoặc sự bất hoạt của enzyme. Nhiều chất tan trong
ñiều chỉnh thẩm thấu của tế bào trong ñiều kiện bất lợi cũng có tác dụng trong quá
trình phục hồi của cây. Sucrose tăng lên một lượng lớn trong tế bào khi gặp yếu tố
cực ñoan. Chúng tương tác với màng tế bào, hình thành cầu nối hydroxyl của
sucrose với nhóm phospholipid. Bằng cách này chúng thay thế vị trí nước trong
màng tế bào. Sự có mặt của chúng trong nguyên sinh chất còn có khả năng bảo vệ

các phức enzyme khác. Chức năng chính của chúng là ngăn chặn sự thay ñổi và
tăng cường áp suất thẩm thấu, ổn ñịnh pH cho tế bào.
Fructant là phân tử polyfructose có ở trong nhiều loại thực vật, như nguồn
carbon dự trữ. Chúng ñược tổng hợp từ sucrse, và trữ trong các không bào dự trữ
cũng như ở dạng hòa tan tự do. Mức ñộ polymer hóa của fructant từ 10-200 lần.
Những giống có tích lũy fructant cao ñều có khả năng ñiều chỉnh áp suất thẩm thấu
khi gặp ñiều kiện cực ñoan như hạn và lạnh. ðó chính là khả năng chuyển hóa một
cách nhanh chóng các fructant thành các sản phẩm có ñộ polimer hóa thấp hơn.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ………………………


11

Mức ñộ polimer hóa trung bình của fructant suy yếu dần với sự mất nước và giảm
nhiệt ñộ.
2.2.2.2. Cơ sở di truyền và phân tử
Về cơ cơ chế di truyền và phân tử của tính chịu hạn gồm các hướng chính ñó là
di truyền các tính trạng liên quan ñến tính chịu hạn, các nhóm gen liên quan ñến tính
chịu hạn như: gen LEA (late embryogenesis abundant protein), các gen ñiều khiển tính
chịu hạn hoạt hóa sự biểu hiện của hàng loạt gen chức năng làm tăng cường tính chịu
hạn ở cây trồng, nhóm protein liên quan ñến tổng hợp proline, ABA (absisic acid),
protein sốc nhiệt (heat shock protein – HPS), chất môi giới phân tử (molecular
chaperone) và QTL chịu hạn.
a/ Nhóm các gen liên quan ñến tính chịu hạn
Gen LEA: Nhiều protein có trọng lượng phân tử thấp ñược cảm ứng tổng hợp
bởi các ñiều kiện bất lợi của môi trường như nhiệt ñộ thấp, khô hạn. Trong ñó các
LEA protein thường ñược tạo ra hạng loạt trong giai ñoạn muộn của quá trình hình
thành phôi ñược quan tâm nhiều nhất. Mức ñộ phiên mã của LEA ñược ñiều khiển
bởi ABA và ñộ mất nước, áp suất thẩm thấu trong tế bào. LEA protein cũng ñược
tìm thấy ở nhiều loại tế bào và ở các nồng ñộ khác nhau. LEA protein ñược coi là có

mối liên quan với khả năng chịu stress thiếu nước [45].
Một số kết quả cho thấy có mối liên quan giữa sự biểu hiện của gen LEA
ñóng vai trò quan trọng không chỉ trong sự chịu khô hạn của hạt mà còn trong
các mô tăng trưởng khi cây chịu stress thiếu nước hay mặn. Một clone cDNA có
ñộ dài phân tử ñầy ñủ chứa gen OsLEA3-1 ñã thể hiện tính chống chịu khô hạn
trong ñiều kiện ñồng ruộng, nhờ promoter kiến trúc CaMV35S. ðặc ñiểm chung
của các protein này là chúng có các chuỗi peptid thích nước cao nên một số
LEA protein thích hợp với vai trò mang nước, những protein này có thể giúp duy
trì nhu cầu nước trong tế bào. Trong quá trình loại nước, sự mất nước dẫn ñến sự
tinh thể hóa các thành phần của tế bào, kết quả là phá hủy cấu trúc tế bào, ñiều
này có thể làm mất tác dụng nhờ LEA protein. Một số LEA protein có thể ñược
xem như các chất tan thích hợp ñóng vai trò như các ñường duy trì cấu trúc của
không bào khi thiếu nước.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ………………………


12

Nhóm gen RAB (responsive to absicis acid): Liên quan ñến tác ñộng ức
chế sinh trưởng tế bào của ABA khi thực vật gặp ñiều kiện bất lợi. Các gen RAB
phản ứng với ABA ngoại sinh và nội sinh cho ra những protein có chức năng ức
chế và bảo vệ. Các kết quả phân tích sự biểu hiện của gen trong quá trình phát
sinh phôi và nảy mầm ở lúa và bông ñã cho thấy việc tiền xử lý ABA ñã cảm
ứng quá trình thể hiện của gen RAB. Biểu hiện chức năng của ABA tạo ra bởi
khả năng kháng hạn ñã ñược phân tích chính xác ở mức ñộ phân tử [67]. Các gen
biểu hiện trong ñiều kiện thời tiết bất thuận xác ñịnh bằng kỹ thuật Microarray,
ñược kiểm tra lại bằng kỹ thuật phân tích ARN gel-blot cho thấy 100% gen biểu
hiện trong ñiều kiện ABA ñược phát hiện cũng biểu hiện trong ñiều kiện hạn.
Các kết quả này càng làm tăng ñộ tin cậy rằng có ñộ tương ñồng cao về cơ chế
chống chịu hạn, mặn và ABA ở thực vật.

Gen ñiều khiển tính trạng chịu hạn DREB (Dehydration responsive
element/C repeat): Trật tự DNA ñặc hiệu DREB có trình tự lõi là ACGTGGC lần
ñầu tiên ñược phát hiện nằm trên ñoạn ñiều khiển gen Em ở lúa mỳ. Hai nhóm
protein ñiều khiển quá trình phiên mã DREB/ABF bám vào trật tự DNA ñặc hiệu
DREB trên các ñoạn DNA ñiều khiển và hoạt hóa sự biểu hiện các gen liên quan
ñến tính chịu hạn và kết quả là tăng cường tính chịu hạn của các cây chuyển gen và
ñược ñặt tên là DREB1/CBF và DREB2. Các gen này ñược phân lập từ các cây
trồng khác nhau như: ñậu tương, súp lơ, cà chua, lúa, lúa mỳ Biểu hiện của gen
DREB1/CBF3, DREB1/CBF1, DREB1/CBF2 dẫn ñến cây chuyển gen tăng cường
tính chịu hạn, mặn và lạnh [48]. Biểu hiện của gen DREB2ACA trong cây chuyển
gen hoạt hóa sự biểu hiện của rất nhiều gen chức năng tham gia vào tính chịu hạn ở
thực vật.
Ở lúa mỳ, gen DREB2 ñược phân lập và phát hiện biểu hiện mạnh trong ñiều
kiện lạnh, mặn và hạn; Ở lúa mạch, gen DREB2 có tên là HvDRF1 cũng ñược công
bố là tích lũy trong ñiều kiện mặn, hạn và tham gia trực tiếp vào ñiều hòa ABA.
Gen ALDH (Aldehyde dehydrogenases): Ảnh hưởng của ñộc tố trong stress thấm
lọc thường do nguyên nhân sự tích lũy của các phân tử phản ứng lại stress như
aldehyde. Các phân tử này có thể là nguyên nhân phân giải lipid, làm biến ñổi các
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ………………………


13

protein và nucleic acids. Aldehydes có thể ñã bị biến ñổi thành carboxylic acid
không ñộc bởi các aldehyde dehydrogenase. ALDH xuất hiện trong tất cả các cơ thể
sinh vật cho thấy sự quan trọng của nó trong các chức năng sinh học nói chung.
Aldehyde không chỉ xuất hiện trong các phân tử ñộc mà còn xuất hiện tức thời với
sự tổng hợp thẩm thấu ñược cho là phân tử bảo vệ trong stress thẩm thấu. Vì thế sự
cân bằng về aldehyde là rất cần thiết. Có bằng chứng nổi bật cho thấy enzyme
ALDH bao gồm cả sự duy trì cân bằng này và nghiên cứu vai trò sinh lý của ALDH

thực vật bắt ñầu ñược chú ý. Làm thế nào ñể thu nhận ñược nhiều hơn sức chống
chịu với stress (hạn, mặn ) của cây bằng sự biểu hiện của ALDH. ALDH ñược thu
nhận bằng hai con ñường: thu nhận khi sự tích lũy tăng lên của sự thẩm thấu hoặc là
thu từ aldehyde giải ñộc. Gen BADH (betaine aldehyde dehydrogenase) cũng ñóng
vai trò quan trọng trong sự chống chịu của thực vật với hạn và muối. Một gen mới
trong nhóm này là JcBD1 ñã ñược biểu hiện ở E.Coli và sau khi ñánh giá cho thấy
khả năng chịu stress muối cao hơn ñối chứng [69]. Gen BADH cũng ñã ñược
chuyển vào ngô. Ngoài ra còn có rất nhiều công bố về một số gen ñiều khiển và
hoạt hóa sự biểu hiện của rất nhiều gen liên quan ñến tính chịu hạn ở thực vật. Gen
NAC khi ñược chuyển vào cây không chỉ biểu hiện tính chống chịu lại cùng lúc với
nhiều ñiều kiện bất lợi (hạn, mặn, lạnh) mà còn ảnh hưởng tích cực ñến sự phát
triển và năng suất cây trồng. Gen TERF1 ñiều khiển tổng hợp ethylene responvive
factor (ERF) protein ñã ñược chuyển vào lúa cho thấy biểu hiện chịu hạn của cây và
sống sót trong môi trường muối cao. Ngoài ra gen TERF1 cũng ñã ñược phân lập và
chuyển gen giúp cây thuốc lá tăng cường khả năng chống chịu trong ñiều kiện hạn
và ABA. Cây táo chuyển gen Osmyb4 ñã cải thiện khả năng ñáp ứng thích nghi với
stress hạn và lạnh [60]. Một số gen khác ñã ñược phân lập và biểu hiện có mối quan
hệ với tính chịu hạn là trehalose 6-phosphate-synthase ñược phân lập từ cây bông,
gen CaAMP1 từ cây tiêu, gen TaAIDFFa từ lúa mỳ, gen codA (Choline oxidase) từ
cây khoai tây, gen SpFBA từ cây S.Portulacastrum.
b/ Các gen tổng hợp proline và protein sốc nhiệt
Có khá nhiều nghiên cứu tập trung tìm hiểu cơ chế của tính chịu hạn,
trong ñó không ít nghiên cứu ñề cập ñến vai trò của proline ñối với khả năng
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ………………………


14

chịu hạn của thực vật nói chung và cây trồng nói riêng. Trong các chất tan,
proline ñược xem là ñóng vai trò chính ñiều chỉnh thẩm thấu ở các cây chịu khô

hạn hoặc ñất nhiễm mặn. Sự tích lũy proline khi thiếu nước có thể có chức năng
khác như bảo vệ enzyme và giữ ổn ñịnh các màng sinh học, sự phân giải proline
có thể tăng năng lượng tế bào phục hồi sau khi thiếu nước. Ngoài chức năng ñiều
khiển áp suất thẩm thấu, proline còn là nguồn năng lượng, là chất khử gốc tự do
và bảo vệ phức protein khỏi bị biến tính.
Hầu hết các amino acid tăng lên khi cảm ứng với ñiều kiện bất lợi của môi
trường nhưng proline tăng lên rõ rệt hơn cả. Khi tế bào bị mất nước nghiêm trọng
proline tăng lên 48 lần so với ñối chứng. Khi xử lý với muối, cây tích lũy proline
một cách từ từ và tăng gấp 7 lần so với ñối chứng sau 72 giờ xử lý. Proline ñược
tổng hợp từ L-Glutamic acid qua ∆
1
-pyrroline-5-carbonxylate (P5C). Phản ứng
ñược xúc tác bằng 2 enzyme: P5C synthetase (P5CS) và P5C reductase (P5CR). Ở
Arabidopsis quá trình tổng hợp và trao ñổi chất của proline ñược ñiều khiển bằng sự
mất nước. Nhưng chỉ P5CS là chịu sự ñiều khiển do hạn, do muối, ABA; còn P5CR
thì không bị tác ñộng. Ngoài ra sự chuyển vị trí từ proline về P5C do proline
dehyrogenease xúc tác. Enzyme này cũng do sự mất nước ñiều khiển.
Protein sốc nhiệt (HSP) chiếm khoảng 1 % protein tổng số trong lá, rất ña
dạng và có ở hầu hết các loài thực vật. HSP không những xuất hiện trong quá
trình sinh trưởng bình thường, các giai ñoạn biệt hóa mô, thời kỳ sinh sản, mà
còn ñược tổng hợp ra trong ñiều kiện cực ñoan của môi trường như hạn, nhiệt ñộ
cao, hàm lượng muối cao. Trong ñó có ubiquitin ñóng vai trò quan trọng trong
việc tự sửa chữa của tế bào khi gặp yếu tố cực ñoan nhất là khi nhiệt ñộ cao.
Ubiquitin có hoạt tính protease và thực hiện chức năng phân hủy các protein
không có hoạt tính enzyme, ngăn chặn các protein này không gây ñộc cho tế bào.
Bên cạnh ñó các sản phẩm có trình tự tương tự với các protein sốc nhiệt cũng ñã
ñược phân lập. Các protein này có chức năng sửa chữa, giúp các protein khác
phục hồi lại cấu tạo tự nhiên sau khi bị biến tính hoặc làm tháo xoắn khi có hạn.
Ở ngũ cốc, biểu hiện và chức năng của HSP như một hệ thống trải qua stress hạn,
trong quá trình ñó làm giảm thể tích tế bào, làm chặt hơn các chất cấu thành tế

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ………………………


15

bào chất và làm tăng khả năng tương tác phân tử mà có thể là nguyên nhân biến
tính protein và hợp nhất màng.
Các HSP có trọng lượng phân tử lớn như HSP70, HSP90, HSP101 ñã ñược
mô tả có trình tự tương ñồng cao trong giới thực vật. Nhiều gen kiểm soát bởi HSP
ñã ñược ñánh giá liên quan ñến khả năng chịu hạn của cây trồng, ñược sử dụng cho
chuyển gen như: sHSP17.7, gen OsWRKY11 do promoter HSP101 kiểm soát.
c/ Các tính trạng số lượng (QTL) chịu hạn.
Tính chịu hạn của cây trồng ñược hình thành trong quá trình tiến hóa tự
nhiên dưới tác ñộng của ñiều kiện ngoại cảnh trong ñó có hạn hán. Nghiên cứu tính
chịu hạn về mặt sinh lý, sinh hóa, cấu trúc tế bào người ta nhận thấy một loạt những
biến ñổi sâu sắc ở tất cả các mức ñộ khác nhau trong các giai ñoạn phát triển khác
nhau. ðiều ñó chứng tỏ tính chống chịu là một hệ ña gen, do rất nhiều gen quyết
ñịnh, biểu hiện trong các giai ñoạn phát triển khác nhau của cây. Phân tích biểu hiện
với một khối lượng lớn cho thấy có một số lượng lớn gen khác nhau ở thực vật chịu
trách nhiệm cho tính chịu hạn.
Hầu hết các nghiên cứu về chỉ thị phân tử cho tính chống chịu khô hạn ñều
quan tâm ñến những tính trạng chính là: Khả năng xuyên sâu của rễ, sự ñiều tiết áp
suất thẩm thấu, hiệu quả sử dụng nước, hiện tượng biến dưỡng ABA. [21].[53]. Các
dữ liệu chỉ thị trong 1678 QTL cấu thành các ñặc ñiểm về khả năng chịu hạn và các
ñặc ñiểm nông sinh học ở lúa từ 41 công bố trước ñây ñã ñược xây dựng. Các QTL
này liên kết với 40 ñặc ñiểm liên quan ñến tính chịu hạn như: các ñặc ñiểm hình thái
rễ, áp suất thẩm thấu, ñộ cuốn lá, ñộ khô lá, chín sớm, sản lượng và các yếu tố cấu
thành năng suất ñược xác ñịnh từ 29 quần thể với 39 dòng bố mẹ. Những chỉ thị này
ñã ñược hình thành trong hệ gen của lúa. Các QTL trải ñều trên mỗi nhiễm sắc thể
từ 1-12 và có khoảng cách trung bình là 9,3 cM.

Một loạt QTL liên quan ñến gen ñặc thù của hệ rễ và một số ñặc ñiểm liên
quan ñến sự phát triển của bộ rễ ñã ñược công bố: có 6 vùng QTL cho ñặc ñiểm ñộ
dày rễ cơ bản, 3 vùng QTL cho ñặc ñiểm khối lượng rễ khô. [38], 1 vùng QTL cho
ñặc ñiểm chiều dài rễ lớn nhất, 3 vùng QTL cho ñặc ñiểm số lượng rễ [72]. Ngoài ra
các QTL liên quan ñến những ñặc tính hình thái rễ khác cũng ñã ñược tìm thấy.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ………………………


16

Ở lúa, Lilley và CS (1996) ñã xác ñịnh ñược vị trí của gen liên quan ñến ñiều
chỉnh áp suất thẩm thấu nằm trên nhiễm sắc thể số 8. Có mối liên kết chặt giữa các
QTL về các ñặc ñiểm rễ và áp suất thẩm thấu với các alen tăng lên về áp suất thẩm
thấu và các ñặc ñiểm rễ bắt nguồn từ những bố mệ khác nhau. Một nghiên cứu khác
về các QTL quy ñịnh về áp suất thẩm thấu và các ñặc ñiểm rễ lại không tìm thấy
QTL về áp suất thẩm thấu trùng khớp với bất kỳ QTL nào về ñặc ñiểm rễ.
Hiệu quả sử dụng nước trong cây lúa ñã ñược nghiên cứu khá hệ thống với
sự thể hiện của gen HRD chuyển nạp từ Arabidopsis, sự tiêu thụ nước ít thể hiện ở
việc sinh khối rễ tăng lên khi có nước tưới trở lại. Gần ñây ñã tìm thấy một số lượng
lớn các QTL cho khả năng chịu hạn và tránh hạn, kết quả cũng cho thấy phần lớn
các QTL ñược cho là có mối quan hệ với khả năng chịu hạn không trùng khớp với
các QTL liên quan với khả năng tránh hạn.
Sự tương ứng cao về vị trí trong hệ gen giữa một số QTLs chịu hạn và các
gen biểu hiện khác nhau ở lúa chứng tỏ một vài QTL chịu hạn có thể xuất hiện
trong những ñoạn gen chức năng và gen ñiều hòa. Như vậy, phân tích biểu hiện gen
khác nhau bằng sử dụng các vật liệu di truyền khác nhau có thể cung cấp thêm
những hiểu biết về cơ sở phân tử của QTLs và bằng chứng hội tụ các gen tuyển
chọn trong thời gian ngắn cho các QTL chịu hạn.
2.2.2.3. Tăng cường tính chịu hạn bằng công nghệ sinh học.
Có một số hướng phục vụ cho nghiên cứu sử dụng công nghệ sinh học làm

tăng cường tính chịu hạn như: kỹ thuật chuyển gen, kỹ thuật chọn dòng tế bào, chọn
lọc nhờ chỉ thị phân tử, tăng cường ñiều chỉnh áp suất thẩm thấu, giảm mất nước
qua bề mặt, nghiên cứu các ñặc ñiểm rễ liên quan ñến tính chịu hạn, ñiều khiển sự
biểu hiện và hoạt tính của các hệ vận chuyển K
+
, khả năng tăng cường sự thoát ra
của các ion Na
+
của tế bào rễ, loại bỏ gốc tự do Sau ñây chúng tôi ñi sâu vào ba
hướng chính là chuyển gen, chọn dòng tế bào và chọn lọc nhờ chỉ thị phân tử.
a/ Chuyển gen
Nghiên cứu cơ chế chịu hạn cho thấy khả năng tăng cường tính chống chịu
của một số chất trong ñiều kiện môi trường cực ñoan. Cho ñến nay một số chất liên
quan ñến tính chịu hạn ñã ñược khẳng ñịnh (chẳng hạn sự tích lũy nhiều proline,