so sánh trình tự gen lipid transfer protein (ltp) của giống lúa cạn thuộc nhóm chịu hạn tốt với giống lúa cạn thuộc nhóm chịu hạn kém

ĐẠI HỌC THÁI
NGUYÊN
TRƢỜNG
ĐẠI HỌC
SƢ
PHẠM
NGUYỄN TRÀ MY
SO SÁNH TRÌNH TỰ GEN LIPID TRANSFER
PROTEIN (LTP) CỦA GIỐNG LÚA CẠN THUỘC
NHÓM CHỊU HẠN TỐT VỚI GIỐNG LÚA CẠN
THUỘC NHÓM CHỊU HẠN KÉM
LUẬN VĂN THẠC SĨ SINH HỌC
Thái Nguyên -
2011
``
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên htt p ://www.lr c -t n u .

e du. v n
ĐẠI HỌC THÁI
NGUYÊN
TRƢỜNG
ĐẠI HỌC
SƢ
PHẠM
NGUYỄN TRÀ MY
SO SÁNH TRÌNH TỰ GEN LIPID TRANSFER
PROTEIN (LTP) CỦA GIỐNG LÚA CẠN THUỘC
NHÓM CHỊU HẠN TỐT VỚI GIỐNG LÚA CẠN
THUỘC NHÓM CHỊU HẠN KÉM
Chuyên ngành: Di truyền
học

Mã số:
60.42.70
LUẬN VĂN THẠC SĨ SINH HỌC
Ngƣời hƣớng
dẫn khoa học: PGS.TS. Chu Hoàng
Mậu
Thái Nguyên -
2011
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên htt p ://www.lr c -t n u .

e du. v n
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số
liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực và
chƣa đƣợc
ai công bố.
Tác
giả
Nguyễn Trà
My
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên htt p ://www.lr c -t n u .

e du. v n
LỜ I CẢ M Ơ
N
Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Chu Hoàng Mậu đã tận tình hƣớng
dẫn, chỉ bảo và tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành công trình nghiên
cứu này.
Tôi xin cảm ơn ThS Nguyễn Thị Ngọc Lan và các thầy cô giáo, cán bộ
Bộ môn Di truyền & Sinh học hiện đại, khoa Sinh – KTNN,

Trƣờng
Đại học
Sƣ phạm - Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong suốt
quá trình học tập và hoàn thành luận văn.
Tôi xin cảm ơn TS Nguyễn Vũ Thanh Thanh và các cán bộ Bộ môn
Sinh học phân tử & Công nghệ gen, Viện khoa học sự sống - Đại học Thái
Nguyên đã giúp đỡ tôi thực hiện các thí nghiệm của đề tài luận văn.
Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu trƣờng THPT ATK Tân Trào - Tỉnh
Tuyên Quang đã tạo điều kiện cho tôi để hoàn thành khoá học cao học này.
Tôi xin cảm ơn sự động viên, khích lệ của gia đình, bạn bè và đồng
nghiệp trong suốt thời gian làm luận văn.
Công trình
đƣợc
thực hiện với sự tài trợ kinh phí của dự án
TRIG.
Tác giả luận văn
Nguyễn Trà My
MỤC LỤC
Trang bìa phụ
Lờ cam đoan
Lời cảm ơn
Trang
Mục
lục
i
Danh mục các chữ viết
tắt


iii

Danh mục các
bảng
iv
Danh mục các
hình


v
MỞ ĐẦU

1
Chƣơng
1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU

4
1.1. CÂY LÚA
CẠN
4
1.1.1. Nguồn gốc và phân loại

4
1.1.2. Đặc điểm sinh
học
6
1.1.3. Tình hình sản xuất lúa cạn trên thế giới và ở Việt
Nam


8
1.2. ĐẶC TÍNH CHỊU HẠN CỦA CÂY LÚA CẠN

12
1.2.1. Hạn và tác động của hạn đối với cây lúa

12
1.2.2. Cơ sở sinh lý, hóa sinh và phân tử của tính chịu hạn ở cây
lúa
15
1.2.3. Một số nghiên cứu về đặc tính chịu hạn của cây lúa cạn

20
1.3. PROTEIN VẬN CHUYỂN LIPID (LTP) VÀ GEN LTP
(LIPID TRANSFER PROTEIN)

21
Chƣơng
2. NGUYÊN LIỆU VÀ
PHƢƠNG
PHÁP


25
2.1. VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU

25
2.1.1. Vật
liệu


25

2.1.2. Hóa chất và thiết bị

26
2.2. ĐỊA ĐIỂM NGHIÊN CỨU

26
2.3.
PHƢƠNG
PHÁP NGHIÊN CỨU

27
2.3.1.
Phƣơng
pháp sinh lí, hóa
sinh


27
2.3.2.
Ph
ƣ
ơng
pháp sinh học phân
tử
30
i
Chƣơng
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
39
3.1. KẾT QUẢ ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU HẠN CỦA CÁC

GIỐNG
LÚA CẠN NGHIÊN
CỨU 39
3.1.1. Tác động của hạn đến cây lúa cạn ở giai đoạn mạ

39
3.1.2. Hàm
lƣợng
prolin của các giống lúa cạn ở giai đoạn mạ

48
3.2. ĐẶC ĐIỂM CỦA GEN LTP PHÂN LẬP TỪ HỆ GEN
CỦA
CÂY LÚA
CẠN 50
3.2.1. Kết quả tách chiết DNA tổng số

50
3.2.2. Đặc điểm của trình tự gen LTP của hai giống lúa NA3 và NA6

51
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ
NGHỊ

61
NHỮNG CÔNG TRÌNH
ĐÃ
CÔNG
BỐ LIÊN
QUAN

ĐẾN LUẬN VĂN

63
TÀI LIỆU THAM
KHẢO 64
ii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
STT
1.
Chữ viết tắt
ABA
Chữ viết đầy
đủ
Axit abscisic
2. AFLP Amplified Fragment Length Polymorphism
3. ASTT Áp suất thẩm thấu
4. ATPase
Adenosin triphosphatase (Enzym phân giải ATP giải
phóng năng lƣợng)
5. bp base pair = cặp bazơ nitơ
6. cs Cộng sự
7. DNA Deoxyribose Nucleic Axit
8. EDTA Axit Ethylene Diamin Tetraaxetic
9. FAO Food Agriculture Orgnization (Tổ chức nông lƣơng
thế giới)
10. HSP Heat shock protein (Protein sốc nhiệt)
11. IPTG
Isopropyl- β -D-thiogalactopyranoside
12. IRRI International Rice Research Institute (Viện nghiên cứu
lúa quốc tế)

13. kb Kilobase
14. LEA Late Embryogenesis Abundant protein
15. LTP Lipid transfer protein
16. MGPT Môi giới phân tử
17. PCR Polymerase Chain Reaction (Phản ứng chuỗi
polymerase)
18. RFLP Restriction Fragment Length Polymorphism (Phân
tích chiều dài các phân đoạn DNA cắt hạn chế)
19. RNase Ribonuclease
20. Sn Chỉ số chịu hạn
tƣơng
đối
21. SSR Simple Sequence Repeats (trình tự lặp lại đơn giản)
22. TAE Tris - Acetate – EDTA
23. Tris Trioxymetylaminometan
7
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Tình hình sản xuất và xuất khẩu lúa gạo của Việt Nam Giai
Trang
đoạn 1990 -
2009
9
Bả ng 2.1. Các giống lúa cạn sử dụng làm vật liệu nghiên cứu

25
Bảng 2.2. Danh mụ c cá c thiế t bị
sƣ̉
dụ ng

26

Bảng 2.3. Mồ i nhân gen LTP ở
lúa


32
Bảng 2.4. Thành phần phản ứng nhân gen
LTP
33
Bảng 3.1. Tỷ lệ thiệt hại ở giai đoạn cây mạ trong điều kiện gây hạn
nhân tạo

40
Bảng 3.2. Khả năng giữ
nƣớc
của các giống lúa trong điều kiện gây hạn
nhân tạo

43
Bảng 3.3. Chiều dài rễ tại các thời điểm gây hạn của các giống lúa ở giai
đoạn
mạ
44
Bảng 3.4. Chỉ số chịu hạn
tƣơng
đối của các giống lúa ở giai đoạn
mạ


46
Bảng 3.5. Hàm

lƣợng
prolin của các giống lúa ở giai đoạn mạ

49
Bảng 3.6. Thống kê các nucleootit sai khác giữa giống NA3 với NA6 và
Yukihikari-Nhật Bản

56
DANH MỤC CÁC HÌNH
Trang
Hình 1.1. Sơ đồ mô tả quá trình hình thành cây lúa

6
Hình 2.1. Hạt của 9 giống lúa cạn nghiên
cứu


25
Hình 2.2. Mô hình khái quát quá trình nghiên cứu đề tài

27
Hình 2.3. Cấu trúc của vector pTZ57R/T

34
Hình 3.1. Ảnh các giống lúa ở giai đoạn mạ ở thời điểm
trƣớc
và sau khi
xử lý bởi hạn

40

Hình 3.2. Biểu đồ biểu diễn tỷ lệ thiệt hại do hạn gây ra sau 3, 5, 7 ngày
hạn
41
Hình 3.3. Chiều dài rễ của các giống lúa cạn nghiên cứu ở thời điểm sau
7 ngày
hạn


45
Hình 3.4. Đồ thị biểu diễn khả năng chịu hạn của các giống lúa cạn ở
giai đoạn
mạ
47
Hình 3.5. Sự biến động hàm
lƣợng
prolin của các giống lúa ở giai đoạn
mạ
49
Hình 3.6. Kết quả điện di DNA tổng số của giống lúa cạn NA3 và NA6

50
Hình 3.7. Kết quả điện di đoạn gen LTP
đƣợc
nhân lên bằng kỹ thuật PCR

51
Hình 3.8: Kết quả điện di DNA thu
đƣợc
từ kỹ thuật thôi gel

52
Hình 3.9. Kết quả điện di sản phẩm colony-PCR

53
Hình 3.10. Kết quả điện di plasmid tinh sạch chứa đoạn gen LTP

54
Hình 3.11. Kết quả điện di sản phẩm cắt plasmid tái tổ hợp bằng
enzym
EcoRI

55
Hình 3.12. Trình tự gen LTP của giống NA3, NA6 và giống Yukihikari
- Nhật
Bản


58
Hình 3.13. So sánh trình tự amino acid trong protein của gen LTP
ở
giống
lúa cạn NA3, NA6 và Yukihikari - Nhật Bản

59
MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Lúa (Oryza sativa L.) là một trong những cây lƣơng thực quan trọng
nhất của con
ngƣời.
Năm 2004 đã

đƣợc
tổ chức Nông
Lƣơng
Liên Hợp Quốc
(FAO) chọn là năm quốc tế về lúa gạo, với khẩu hiệu “Lúa là cuộc sống” đã
thêm khẳng định về vai trò của lúa gạo trong cuộc sống của con
ngƣời.
Ở Việt
Nam, lúa là cây nông nghiệp có vị trí quan trọng trong nền kinh tế quốc dân.
Nghề trồng lúa ở Việt Nam có từ cổ xƣa, hiện nay hơn 60% dân số nƣớc ta
sống bằng nghề trồng lúa, nên lúa không chỉ có ý nghĩa về mặt an ninh lƣơng
thực và còn có giá trị kinh tế.
Lúa là loài cây trồng rất mẫn cảm với các điều kiện ngoại cảnh và là
cây chịu hạn kém [15]. Những yếu tố sinh thái bất lợi tác động lên quá trình
sinh trƣởng và phát triển của cây lúa
nhƣ
lƣợng mƣa, nhiệt độ, ánh sáng…,
trong đó khô hạn là yếu tố quan trọng nhất ảnh
hƣởng
đến năng suất và nó có
thể làm giảm tới 70% năng suất của lúa. Trong những năm gần đây, có nhiều
nghiên cứu ứng dụng các biện pháp kỹ thuật nhằm nâng cao năng suất, chất
lƣợng
và khả năng chống chịu của cây trồng, trong đó các nghiên cứu về tính
chịu mất
nƣớc
ở mức độ phân tử đã
đƣợc
các nhà khoa học đặc biệt quan tâm.
Nghiên cứu tạo nguồn vật liệu khởi đầu cho chọn dòng chịu hạn bằng công

nghệ tế bào thực vật của Nguyễn Thị Tâm (2006) [16]; đánh giá khả năng
chịu hạn thông qua hàm
lƣợng đƣờng,
protein, enzyme trong hạt của của các
giống lúa chịu hạn khác nhau của Chu Hoàng Mậu (2005) [10]. Nhiều nhóm
gen liên quan đến khả năng chịu mất
nƣớc
của tế bào đã
đƣợc
xác định trình
tự và công bố bởi một số tác giả [6], [14], [8].
Gen mã hóa lipid transfer proteins (LTP) thuộc họ gene pathogenesis –
relate, có khả năng tổng hợp protein thúc đẩy quá trình vận chuyển phospho
10
lilid tới màng. LTP còn hỗ trợ việc tạo ra lớp sáp hoặc lớp biểu bì giúp thực
vật bảo vệ, phản ứng và đáp ứng lại những thay đổi của môi trƣờng (Kader,
1996) [29]. Ở thực vật chúng không chỉ tham gia vào việc hình thành cutin –
có vai trò quan trọng trong việc bảo vệ mô thực vật tránh khỏi sự mất
nƣớc
và
quá trình phát sinh phôi, chúng còn tham gia các phản ứng chống lại các tác
nhân gây bệnh ở thực vật và quá trình thích nghi của cây đối với các điều kiện
khác nhau của môi trƣờng sống [29], [44]. Khi gặp các điều kiện bất lợi của
môi trƣờng các nhân tố
nhƣ
hormone, các quá trình trao đổi ion, các con
đƣờng
truyền tín hiệu sẽ điều khiển gen LTP hoạt động tổng hợp protein và
tăng
cƣờng

vận chuyển phospholipid tới màng, tăng tính bền vững của thành
tế bào và khả năng giữ
nƣớc
của màng nhằm giúp cho cây chống lại điều kiện
khô hạn của môi trƣờng.
Xuất phát từ những lý do trên, tôi đã lựa chọn đề tài cho luận văn thạc
sĩ là: "So sánh trình tự gen lipid transfer protein (LTP) của giống lúa cạn
thuộc nhóm chịu hạn tốt với giống lúa cạn thuộc nhóm chịu hạn kém"
2. Mục tiêu nghiên cứu
Xác định
đƣợc
sự sai khác về trình tự gen LTP và trình tự amino acid
của LTP của giống lúa thuộc nhóm chịu hạn tốt và giống lúa thuộc nhóm chịu
hạn kém.
3. Nội dung nghiên cứu
3.1. Đánh giá khả năng chịu hạn của những giống lúa nghiên cứu ở giai đoạn
mạ trong điều kiện hạn nhân tạo.
3.2. So sánh hàm
lƣợng
prolin ở giai đoạn mạ giữa thời điểm
trƣớc
và sau khi
xử lí bởi hạn. Thiết lập mối
tƣơng
quan giữa khả năng chịu hạn và hàm lƣợng
prolin.
3.3. Phân lập, tách dòng và xác định trình tự gen LTP liên quan đến khả năng
chịu hạn của cây lúa cạn.
3.4. So sánh trình tự gen LTP và trình tự amino acid của LTP của giống lúa
chịu hạn tốt với giống lúa chịu hạn kém.

Chƣơng
1
TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. CÂY LÚA CẠN
Theo Garirity D.P (1984) lúa cạn
đƣợc
coi là lúa trồng trên đất cao, đất
thoát nƣớc tự nhiên, trên những chân ruộng đƣợc đắp bờ hoặc không bờ,
không có lƣợng nƣớc dự trữ thƣờng xuyên trên bề mặt. Huke R.E (1982)
dùng thuật ngữ “Lúa khô” (Dryland rice) thay cho lúa cạn (Uplan rice) và
cho rằng : “Lúa cạn
đƣợc
trồng trong những thửa ruộng
đƣợc
chuẩn bị đất và
gieo dƣới điều kiện khô, cây lúa sống phụ thuộc hoàn toàn bằng nƣớc trời”.
Lúa cạn
đƣợc
chia làm hai dạng: Lúa nƣơng (rẫy) là loại trồng trên các triền
dốc của đồi núi không có bờ ngăn
nƣớc,
sống nhờ
nƣớc
trời; Lúa cạn không
hoàn toàn hay lúa
nƣớc
trời là loại
đƣợc
trồng ở triền thấp không có hệ thống
tƣới tiêu tự động. Ở Việt Nam từ “Upland rice” có nghĩa là lúa rẫy ở Miền

Nam, lúa cạn ở Trung Bộ và lúa
nƣơng
ở Miền Bắc.
1.1.1. Nguồn gốc và phân loại
1.1.1.1. Nguồn gốc
Cây lúa (Oryza sativa L) còn
đƣợc
gọi là lúa châu Á vì nó
đƣợc
thuần
hoá từ lúa dại ở ba trung tâm đầu tiên vùng Đông Nam Á : Assam (Ấn
Độ
),
biên giới Thái Lan – Myanmarr, Trung
du
, Tây Bắc Việt Nam . Theo tài liệu
của Trung Quốc thì khoảng năm 2800 – 2700 TCN, ở Trung Quốc đã có nghề
trồng lúa. Markey và De Candolle, Roievich cho rằng nguồn gốc cây lúa
trồng là ở Miền Nam Việt Nam và Campuchia . Có giả thuyết lại cho rằng tổ
tiên của lúa Oryza là một cây hoang dại trên siêu lục địa Gondwana cách đây
ít nhất 130 triệu năm và phát tán khắp các châu lục trong quá trình trôi dạt lục
địa [34]. Gutschin cho rằng cái nôi của nghề trồng lúa là ở chân dãy Himalaya
đổ xuống các vùng đồng bằng Bengale , Assam, Thái Lan vì ở vùng này có
nhiều loại lúa hoang dại và các giống lúa trồng phong phú.
Tuy có nhiều các tài liệu khác nhau
nhƣng
đa số tài liệu cho rằng
n
guồn gốc của cây lúa ở Đông Nam Á. Tổ tiên các loài lúa trồng hiện nay
là các dạng lúa dại (Oryza fatura, Oryza off Cinalis, Oryza minuta) do quá

trình chọn lọc tự nhiên và chọn lọc nhân tạo lâu dài tạo nên.
1.1.1.2. Phân loại
Lúa thuộc ngành thực vật có hoa (Angios permes), lớp một lá mầm
(Mono Cotyledones), bộ hòa thảo có hoa (Poales), họ hòa thảo (Proaceae,
trƣớc đây gọi là họ Graminae). Lúa trồng thuộc chi Oryza, chi Oryza có 28
loài phân bố rộng khắp thế giới, trong đó có 2 loài lúa trồng là Oryza – sativa
và Oryza – glaberrima. Loài O. Sativa
đƣợc
trồng phổ biến ở khắp các nƣớc
trồng lúa trên thế giới và phần lớn tập trung ở châu Á. Loài O. Glaberrima
đƣợc
trồng chủ yếu ở một số
nƣớc
miền tây châu Phi. Hầu hết các giống lúa
trồng hiện nay đều xuất phát Oryza – sativa. Quá trình hình thành lúa trồng có
thể
đƣợc
biểu diễn theo sơ đồ hình 1.1.
Loài Oryza sativa L.
đƣợc
chia làm 3 loài phụ :
- Loài phụ Japonica phân bố ở những nơi có vĩ độ cao (Bắc Trung
Quốc, Nhật Bản, Triều Tiên), có những đặc điểm
nhƣ
chịu rét cao, nhƣng ít
chịu sâu bệnh.
- Loài phụ Indica
đƣợc
trồng ở các
nƣớc

nhiệt đới và cận nhiệt đới (Ấn
Độ, Miến Điện, Philippin, Việt Nam). Loài phụ Indica có đặc điểm: hạt dài,
thân cao, mềm, dễ đổ, chịu sâu bệnh khá, năng suất thấp, mẫn cảm với chu kì
ánh sáng.
- Loài phụ Javanica có hình thái trung gian: hạt dài
nhƣng
dày và rộng
hơn hạt của Indica. Loài phụ Javanica chỉ đƣợc trồng ở một vài nơi thuộc
Indonesia [25].
Theo nghiên cứu của nhiều tác giả [14], [4], [18] thì lúa cạn có nguồn
gốc từ lúa nƣớc, giữa lúa cạn và lúa nƣớc vẫn mang những vết tích giống
nhau, giải phẫu thân, bẹ lá của cây lúa cạn thấy có nhiều tổ chức thông khí
(giống lúa nƣớc) nhƣng không phát triển. Những giống lúa cạn (trồng ở đất
cạn) vẫn sinh
trƣởng
bình
th
ƣ
ờng
trên ruộng có
nƣớc,
đây là đặc tính nông học
đặc biệt của cây lúa cạn, khác với các cây trồng khác giúp lúa cạn
đƣợc
phân
bố rộng hơn. Qua nhiều nghiên cứu về lúa cạn cho thấy lúa cạn đƣợc hình
thành từ lúa Indica, phát triển theo
hƣớng
chín sớm, có khả năng chống chịu
tốt với hạn nhất là hạn cuối mùa vụ, chống chịu sâu bệnh và chịu đất nghèo

dinh d
ƣ
ỡng,
thích nghi cao với điều kiện sinh thái khó khăn. Đây là nguồn gen
quý
trong lai tạo và chọn giống lúa.
Indica (lúa tiên)
Asian
Perennis
Sativa
Spontanea
Japonica (lúa cánh)
Japonica (trung gian)
African perennis
Tổ tiên
chung
(Oryza)
Amincan perennis
Breviteguiata
Glaberrima
Hình 1.1. Sơ đồ mô tả quá trình hình thành cây lúa
1.1.2. Đặc điểm sinh học
1.1.2.1. Đặc điểm sinh học
Chi Oryza có bộ nhiễm sắc thể là 12. Trong số 23 loài lúa dại có 8 loài
mang bộ nhiễm sắc thể tứ bội, còn lại đa số các loài lúa dại và lúa trồng hiện
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên htt p ://www.lr c -t n u .

e du. v n
nay có bộ nhiễm sắc thể
lƣỡng

bội (2n = 24).
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên htt p ://www.lr c -t n u .

e du. v n
Thời gian sinh trƣởng và phát triển của cây lúa từ khi tra hạt đến khi thu
hoạch gồm 3 thời kỳ : (1) thời kì sinh trƣởng sinh dƣỡng: (2) thời kỳ sinh
trƣởng
sinh thực; (3) thời kỳ hình thành hạt và chín.
Cây lúa gồm các bộ phận chính: rễ, thân lá, bông, hạt. Hệ rễ lúa thuộc
loại rễ chùm, gồm 3 loại chính (rễ mầm, rễ phụ, rễ bất định). Rễ mầm hình
thành từ rễ phôi, tồn tại từ 5 đến 7 ngày sau đó rụng đi. Rễ phụ hình thành từ
các đốt trên thân lúa, có sau rễ mầm phát triển nhanh thành bộ rễ chùm, làm
nhiệm vụ chính trong việc hút dinh
dƣỡng
phục vụ cho đời sống của cây lúa.
Rễ bất định và loại rễ phụ hình thành từ các đốt phía trên cao của thân (trong
trƣờng
hợp ngập
nƣớc
sâu hoặc bị đổ), có vai trò không lớn lắm. Số
lƣợng
rễ, số
lông rễ, độ lớn của rễ phụ thuộc vào từng giống. Những giống lúa cạn có số
lƣợng
rễ, độ lớn, độ dài và đặc biệt có độ dày của vỏ rễ lớn hơn nhiều so với rễ
lúa
nƣớc.
Điều đó giúp cho lúa cạn ăn sâu và phát triển tốt trong điều kiện khô
hạn. Khả năng thu nhận
nƣớc

và cung cấp đủ
nƣớc
thông qua rễ tới các bộ
phận của cây trong điều kiện khó khăn về
n
ƣ
ớc
đƣợc
coi là chỉ tiêu quan trọng
để đánh giá tính chịu hạn.
Thân lúa phát triển từ thân mầm, có hình ống tròn,
đƣợc
cấu tạo bởi
nhiều gióng rỗng và đốt đặc,
đƣợc
bẹ lá bao bọc cho đến lúa trổ bông. Lá lúa
hoàn chỉnh bao gồm các phần: bẹ, bản lá, tai lá và thìa lìa lá. Cây lúa có hai
loại lá, đó là lá không hoàn toàn (lá bao) và lá hoàn toàn (lá thật). Lá lúa có
màu sắc khác nhau tùy giống. Đa số lá có màu xanh và ở các mức độ khác
nhau. Trên thân lúa, lá ra kế tục nhau và xếp so le. Giống có thời gian sinh
trƣởng
càng dài thì số lá càng nhiều. Chỉ có diện tích lá của lúa cạn
thƣờng
cao
nhƣng
tổng số lá trên cây lại ít hơn so với lúa
nƣớc.
Lúa cạn có bộ lá dày hơn,
tuy hô hấp nhiều
nhƣng

giữ
n
ƣ
ớc
tốt. Đặc biệt các giống lúa cạn khi độ ẩm đất
giảm thì lá cuộn lại khí khổng đóng lại để giảm sự mất
nƣớc
[4], [8]. Hoa lúa
là hoa
lƣỡng
tính có khả năng tự thụ phấn
tƣơng
đối nghiêm ngặt, ít có khả
năng thụ phấn chéo.
Trong đời sống cây luá, mỗi yếu tố cấu thành năng suất
đƣợc
xác định ở
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên htt p ://www.lr c -t n u .

e du. v n
mỗi gian đoạn sinh
trƣởng
nhất định. Các điều kiện thời tiết, chăm sóc, phân
bón có ảnh
hƣởng
đến từng yếu tố năng suất.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên htt p ://www.lr c -t n u .

e du. v n
1.1.2.2. Đặc tính sinh thái

Các nhân tố sinh thái (nhiệt độ, ánh sáng,
nƣớc,
đất…)
th
ƣ
ờng
xuyên
ảnh
hƣởng
đến sinh
trƣởng
và phát triển của cây lúa. Nhiệt độ là một trong
những nhân tố ảnh
hƣởng
lên hầu hết các giai đoạn sinh
trƣởng
và phát triển
của cây lúa
. Ở mỗi giai đoạn sinh
tr
ƣ
ởng,
cây lúa yêu cầu nhiệt độ khác nhau, nhiệt độ
thích hợp nhất là 28
0
C - 32
0
C, ngừng sinh
trƣởng
khi nhiệt độ

dƣới
13
0
C. Nhiệt
độ tối thích cho nảy mầm là 20
0
C - 25
0
C, ra rễ 25
0
C - 28
0
C,
vƣơn
lá là 31
0
C.
Ánh sáng tác động tới cây lúa ở hai mặt: cƣờng độ chiếu sáng và thời
gian chiếu sáng. Quang hợp của lúa nƣớc tiến hành thuận lợi ở 250- 400
cal/cm
2
/ngày.
Cƣờng
độ ánh sáng trong ngày ảnh
hƣởng
đến quá trình ra hoa,
kết hạt ở lúa. Lúa yêu cầu nhiều nƣớc hơn các cây trồng khác, để tạo ra 1g
chất khô cây lúa cần 628g
nƣớc. Lƣợng nƣớc
cần thiết cho cây lúa trung bình

6 - 7 mm
3
/ngày trong mùa
mƣa,
8 - 9 mm
3
/ngày trong mùa khô. Đất trồng lúa
tốt nhất là đất thịt, trung tính đến sét, có hàm
lƣợng
N, P, K tổng số cao, pH =
4,5 - 7, độ mặn nhỏ hơn 0,5% tổng số muối tan.
1.1.3. Tình hình sản xuất lúa cạn trên thế giới và ở Việt Nam
1.1.3.1. Tình hình sản xuất lúa gạo trên thế giới
Tổng diện tích lúa cạn trên thế giới chiếm tỷ lệ không lớn so với diện
tích lúa trồng. Năm 1974 là 22,7 triệu ha, hiện nay là 25 triệu ha, chiếm 1/6
diện tích trồng lúa. Lúa cạn
đƣợc
trồng chủ yếu ở châu Á, châu Phi, châu Mĩ
La Tinh.
Ở châu Á cũng
nhƣ
vùng Nam Á và Đông Nam Á, lúa cạn chiếm 10%
diện tích lúa. Tuy nhiên ở một số quốc gia trồng lúa, diện tích lúa cạn chiếm tỉ
lệ khá cao
nhƣ
Togo (96%), Parama (95%), Bangladet 23%, Indonesia 21%,
Ấn Độ 15%, Philippin 11%.
Cây lúa là cây
lƣơng
thực

đƣợc
trồng phổ biến trên thế giới đặc biệt là ở
các
nƣớc
Ấn Độ, Trung Quốc, Thái Lan, Indonesia, Nhật Bản, Việt Nam…
Theo thống kê của Faostat:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên htt p ://www.lr c -t n u .

e du. v n
Năm 2004, ba quốc gia sản xuất lúa gạo hàng đầu là Trung Quốc (31%
sản
lƣợng
thế giới), Ấn Độ (20%) và Indonesia (9%).
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên htt p ://www.lr c -t n u .

e du. v n
Năm 2006 có 114
nƣớc
trồng lúa. Diện tích trồng lúa biến động và đạt
khoảng 152.000 triệu ha, năng suất bình quân đạt xấp xỉ 4,0 tấn/ha. Châu Á có
diện tích trồng lúa lớn nhất thế giới (chiếm 90%), Châu Phi 3,6%, Nam Mỹ
3,1%, Trung Mỹ và Bắc Mỹ 1,3%
Năm 2009, sản
lƣợng
lúa gạo của Trung Quốc đạt 196,68 triệu tấn, Ấn
Độ 133,7 triệu tấn, Indonesia 64,39 triệu tấn, Bangladet 47,72 triệu tấn, Việt
Nam 38,89 triệu tấn, Myanma đạt 32,68 triệu tấn và Thái Lan 31,46 triệu tấn.
1.1.3.2. Tình hình sản xuất lúa gạo ở Việt Nam
Việt Nam là
nƣớc

có lịch sử trồng lúa lâu đời, là một trong 10
nƣớc
sản
xuất lúa gạo lớn nhất trên thế giới. Năm 1980 diện tích trồng lúa chỉ có 5,6
triệu ha, sản
lƣợng
đạt 23,5 triệu tấn, đến năm 2009 diện tích trồng lúa là 7,44
triệu ha, năng suất đạt 38,896 triệu tấn.
Ở giai đoạn những năm 1990 – 2009 diện tích trồng lúa hầu
nhƣ
không
tăng
nhƣng
sản
lƣợng
gạo và
lƣợng
gạo xuất khẩu vẫn tăng (bảng 1.1).
Bảng 1.1. Tình hình sản xuất và xuất khẩu lúa gạo của Việt
Nam
Giai đoạn 1990 -
2009
Năm
Diện tích
(triệu ha)
Năng suất
(tấn/ha)
Sản lƣợng
(triệu tấn)
Xuất khẩu

(triệu tấn)
1990 6,042 3,18 19,225 1,62
1995 6,765 3,68 24,964 2,05
2000 7,666 4,24 32,530 3,39
2001 7,493 4,29 32,108 3,53
2002 7,504 4,59 34,447 3,25
2003 7,452 4,64 34,569 3,92
2004 7,445 4,86 36,149 4,06
2005 7,329 4,89 35,833 5,16
2006 7,325 4,89 35,850 5,18
2007 7,207 4,99 35,943 5,23
2008 7,400 5,22 38,730 4,74
2009 7,440 5,23 38,896 6,05
Ở Việt Nam diện tích trồng luá cạn chiếm 7,5% diện tích lúa trồng cả
nƣớc, đƣợc
phân bố chủ yếu ở các tỉnh miền núi phía Bắc (210.000ha), vùng
duyên hải Trung Bộ (77.000ha), vùng Cao Nguyên (128.000ha), vùng Đông
Nam Bộ (233.000ha), và một số tỉnh đồng bằng sông Cửu Long (2.000ha).
Với cây lúa cạn địa
phƣơng,
ngoài khả năng chịu hạn tốt còn có một số
ƣu
điểm khác rất đáng quan tâm đó là: chất
lƣợng
gạo dẻo, cơm ngon đặc biệt
khả năng kháng sâu bệnh tốt, cứng cây không lốp đổ. Lúa cạn có thể gieo
trồng trên nhiều chân đất khác nhau, không đòi hỏi khắt khe về đất. Tuy vậy,
việc sản xuất lúa cạn hiện nay ở
nƣớc
ta còn một số tồn tại cần giải quyết, đó

là: các giống lúa cạn có thời gian sinh
trƣởng
dài, lẫn tạp nhiều và thoái hoá.
Lúa cạn
đƣợc
trồng ở những nơi khó khăn, không có
nƣớc tƣới,
hoàn toàn dựa
vào
nƣớc
trời, nếu gặp hạn vào giai đoạn nảy mầm hoặc giai đoạn cây mạ sẽ
ảnh hƣởng đến sinh trƣởng của cây. Gặp hạn vào giai đoạn làm đòng, trổ
bông sẽ làm giảm năng suất và chất
lƣợng.
Do trình độ dân trí thấp nên ở một
số địa
ph
ƣ
ơng
miền núi sự phát triển của cây lúa cạn
thƣờng
gắn liền với việc
đốt phá rừng làm nƣơng rẫy, dẫn đến nhiều giống lúa cạn có chất lƣợng cao
đang bị mất dần.
1.1.4. Thành phần hóa sinh của hạt lúa
Trung bình hạt gạo có 11% - 13%
nƣớc;
1,55% - 2,85% chất béo ; 5,12%
- 9,89% đạm; 6,55% - 11,2% xelluloz; 60,92% - 66,99% tinh bột và 3,58% -
6,99% tro, vitamin. Các chất khoáng nhiều nhất là Si, P, K, Na, Mg…

Tinh bột
Tinh bột trong gạo nếp và gạo tẻ có sự khác nhau. Tinh bột gạo tẻ chủ
yếu có cấu tạo mạch thẳng (amyloz), còn ở gạo nếp có trên 80% tinh bột là
mạch nhánh (amylopeptin), do vậy gạo lúa nếp dẻo hơn và còn có mùi thơm
nhờ vào các aldehyde dễ bay hơi. Sự khác biệt về cấu tạo mạch tinh bột dẫn
tới quá trình sinh tổng hợp tích lũy protein khác nhau trong hai loại gạo. Tinh
bột gạo nếp có cấu tạo thuận lợi cho quá trình tổng hợp và tích lũy protein, do
đó hàm lƣợng protein trong gạo nếp
th
ƣ
ờng
cao hơn gạo tẻ. Trong chƣơng
trình chọn giống lúa có hàm lƣợng protein cao, ngƣời ta đã tiến hành lai tạo
giữa lúa tẻ và lúa nếp.
Protein
Protein gạo đƣợc chia thành 3 loại chính (protein hoạt tính chủ yếu là
các loại enzyme, protein cấu tạo, protein dự trữ). Trong đó protein dự trữ có
tỷ lệ cao nhất. Protein dự trữ trong gạo bao gồm : glutelin 80%, albumin và
globulin: 15%; prolamin: 5%.
Qua nhiều nghiên cứu cho thấy, glutelin là một loại protein quan trọng,
có trọng lƣợng phân tử cao. Glutelin gạo có thành phần amino acid cân đối
với gần 3% lizin. Glutelin chỉ tan trong dung dịch axit hoặc bazơ loãng.
Prolamin gạo là một trong những protein dễ tan, nó tan trong dung môi là
ethanol 70%. Globulin là thành phần chính của protein trong phôi hạt thóc,
mỗi thành phần của globulin đều có thể có chức năng sinh lý riêng. Albumin
trong gạo là loại protein không đồng nhất, gồm nhiều thành phần điện di và
phân li mạnh [7].
Về mặt dinh
dƣỡng,
protein gạo có phần lớn các amino acid chính và tất

cả các loại amino acid không thay thế. Chất
lƣợng
protein gạo thay đổi theo
thành phần amino acid, đặc biệt là amino acid giới hạn
nhƣ
lizin, treonin và
điều này hoàn toàn phụ thuộc vào giống. Những nghiên cứu về thành phần
amino acid trong gạo đều cho thấy, ở lúa gạo có đủ các amino acid không thay
thế, tuy tỷ lệ có khác nhau [7].
Lipid
So với các loại hoa màu khác (đỗ
tƣơng,
đỗ xanh, lạc…) thì lúa có hàm
lƣợng lipit rất thấp chỉ khoảng 1 – 3% khối
lƣợng
khô, tập trung chủ yếu ở
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên htt p ://www.lr c -t n u .

e du. v n
lớp cám ngoài của hạt (lớp tế bào alơnron), trong nội nhũ ở đó lipit có thể kết
hợp với các tiểu đơn vị protein. Tuy hàm
lƣợng
lipit trong hạt gạo thấp
nh
ƣ
ng
nó lại là chỉ tiêu khá quan trọng để đánh giá phẩm chất hạt. Hạt gạo giàu lipit
thì cơm rất ngon và dẻo, hàm
lƣợng
lipit thấp thì cơm cứng hơn. Hàm lƣợng

lipit còn liên quan đến khả năng bảo quản hạt, hạt giàu lipit bảo quản không
tốt để lâu có mùi “khét” do các sản phẩm oxy hóa của lipit sinh ra. Vì vậy
nghiên cứu hàm lƣợng lipit trong hạt có vai trò quan trọng, để tìm ra biện
pháp bảo quản hạt tốt nhất đối với từng giống.
1.2. ĐẶC TÍNH CHỊU HẠN CỦA CÂY LÚA CẠN
1.2.1. Hạn và tác động của hạn đối với cây lúa
1.2.1.1. Khái niệm về hạn
Hạn là hiện tƣợng thƣờng xuyên xảy ra trong tự nhiên dẫn đến tình
trạng thiếu nƣớc, đặc biệt là đối với thực vật. Hạn đối với thực vật là khái
niệm dùng để chỉ sự sự thiếu
nƣớc
của thực vật do môi
trƣờng
gây nên trong
suốt quá trình hay trong từng giai đoạn làm ảnh
hƣởng
đến sinh
trƣởng
và
phát triển của cây. Những cây trồng có khả năng duy trì sự phát triển và cho
năng suất
tƣơng
đối ổn định trong điều kiện khô hạn
đƣợc
gọi là cây chịu hạn
và khả năng của thực vật có thể giảm thiểu mức độ tổn
th
ƣ
ơng
do thiếu hụt

nƣớc
gây ra gọi là tính chịu hạn.
Mức độ khô hạn do môi trƣờng gây nên ảnh hƣởng trực tiếp đến sự
phát triển của cây, nhẹ thì giảm năng suất; nặng thì đẫn đến tình trạng hủy
hoại cây cối và mùa màng.
Theo Robert và cs (1991) hạn đƣợc xem là nhân tố gây thiệt hại lớn
nhất đối với năng suất lúa. Trên thế giới, thiệt hại do khô hạn hàng năm gây ra
đối với sản xuất lúa khoảng 1,024 triệu đô la.
Có hai loại hạn cơ bản: Hạn thật (gồm hạn đất, hạn không khí, hạn toàn
diện) và hạn sinh lí.
* Hạn không khí
Hạn không khí
th
ƣ
ờng
có đặc
trƣng
là nhiệt độ cao (39°C - 42°C) và độ
ẩm thấp (<65%). Hiện
tƣợng
này
thƣờng
gặp ở những tỉnh Miền Trung nƣớc
ta vào những đợt gió Lào và ở vùng Bắc Bộ vào cuối thu, đầu đông. Hiện
tƣợng này cũng xuất hiện ở một số nƣớc trên thế giới
nhƣ
gió Chamsim ở
Israrel, gió Mistral ở miền nam
nƣớc
Pháp…làm ảnh

hƣởng
nghiêm trọng đến
một số loại cây trồng
nhƣ
phong lan, cam, chanh, đậu tƣơng…
Hạn không khí ảnh
hƣởng
trực tiếp lên các bộ phận của cây trên mặt
đất
nhƣ
hoa, lá, chồi non… Đối với thực vật, hạn không khí
th
ƣ
ờng
gây ra
hiện
tƣợng
héo tạm thời, vì nhiệt độ cao, ẩm độ thấp làm cho tốc độ thoát hơi
nƣớc
nhanh
vƣợt
quá mức bình
th
ƣ
ờng,
lúc đó rễ hút
nƣớc
không đủ để bù
đắp lại
lƣợng nƣớc

mất, cây lâm vào trạng thái mất cân bằng về
nƣớc.
Đối với
cây lúa, hạn gây ảnh
hƣởng
nghiêm trọng đặc biệt vào thời kỳ bắt đầu hình
thành các cơ quan sinh sản cho đến lúc kết thúc quá trình thụ phấn. Hạn
không khí gây hại nghiêm trọng nhất ở giai đoạn lúa phơi màu và thậm chí
gây nên mất mùa nếu gặp phải đợt nhiệt độ cao và độ 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.
* Hạn đất
Mức độ khô hạn của đất phụ thuộc vào sự bốc hơi
nƣớc
trên bề mặt và
khả năng giữ
nƣớc
của đất. Hạn đất sẽ làm cho áp suất thẩm thấu của đất tăng
cao đến mức cây không thể lấy
nƣớc
của đất vào tế bào qua rễ, chính vì vậy
hạn đất
th
ƣ
ờng
gây nên hiện
tƣợng
cây héo lâu dài. Đối với các loại cây trồng
cạn, hạn đất ảnh
hƣờng

nghiêm trọng đến giai đoạn gieo hạt và nảy mầm.