Sự tương quan giữa hàm lượng prolin và glycin betain ở lá đậu tương vào giai đoạn ra hoa trong điều kiện nhiệt độ thấp, mặn và hạn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA SINH - KTNN
*************




NGÔ THỊ ANH


SỰ TƯƠNG QUAN GIỮA HÀM LƯỢNG PROLIN
VÀ GLYCIN BETAIN Ở LÁ ĐẬU TƯƠNG VÀO
GIAI ĐOẠN RA HOA TRONG ĐIỀU KIỆN
NHIỆT ĐỘ THẤP, MẶN VÀ HẠN


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Sinh lý học thực vật








HÀ NỘI – 2014

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA SINH - KTNN
*************



NGÔ THỊ ANH


SỰ TƯƠNG QUAN GIỮA HÀM LƯỢNG PROLIN
VÀ GLYCIN BETAIN Ở LÁ ĐẬU TƯƠNG VÀO
GIAI ĐOẠN RA HOA TRONG ĐIỀU KIỆN
NHIỆT ĐỘ THẤP, MẶN VÀ HẠN


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Sinh lý học thực vật


Người hướng dẫn khoa học:
THS. LA VIỆT HỒNG




HÀ NỘI – 2014

LỜI CẢM ƠN
Khóa luận tốt nghiệp với đề tài “Sự tương quan giữa hàm lượng prolin và
glycin betain ở lá đậu tương vào giai đoạn ra hoa trong điều kiện nhiệt độ thấp,

mặn và hạn” đã được hoàn thành với sự nỗ lực của bản thân và sự giúp đỡ tận tình
của Th.S La Việt Hồng.
Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành đến thầy giáo La Việt Hồng, người
trực tiếp hướng dẫn về chuyên môn trong quá trình thực hiện đề tài.
Xin chân thành cảm ơn tập thể cán bộ Trung tâm Hỗ trợ và Chuyển giao
Công nghệ - Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 đã nhiệt tình giúp đỡ, truyền đạt
những kinh nghiệm quý báu cho tôi trong suốt thời gian thực hiện đề tài tốt nghiệp.
Tôi cũng xin cảm ơn các thầy cô trong khoa Sinh - KTNN trường Đại học Sư
phạm Hà Nội 2 đã trang bị cho tôi những kiến thức cơ bản.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS.TS Nguyễn Văn Mã, TS.
Nguyễn Văn Đính – trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2, Th.S Bùi Thị Thu Hương –
trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội đã giúp đỡ tôi trong quá trình hoàn thiện khóa
luận.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè đã không ngừng giúp
đỡ và chia sẻ, động viên trong suốt quá trình thực tập cũng như thực hiện đề tài này.
Trong quá trình nghiên cứu vì thời gian có hạn và bước đầu làm quen với
phương pháp nghiên cứu khoa học nên đề tài không tránh khỏi những thiếu sót. Vì
vậy, tôi rất mong nhận được sự đóng góp của các quý thầy cô và các bạn để đề tài
này được hoàn thiện hơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, tháng 05 năm 2014
Sinh viên thực hiện


Ngô Thị Anh



LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài của riêng tôi, do chính tôi thực hiện dưới
sự hướng dẫn của thầy giáo La Việt Hồng cũng như trên cơ sở nghiên cứu các
tài liệu tham khảo. Nó không trùng với kết quả của bất kì tác giả nào từng
công bố.

Hà Nội, tháng 05 năm 2014
Sinh viên thực hiện


Ngô Thị Anh



















MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1
1. Lý do chọn đề tài 1
2. Mục tiêu nghiên cứu 2
3. Nội dung nghiên cứu 2
4. Ý nghĩa lý luận và thực tiễn 2
NỘI DUNG 3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3
1.1. Cây đậu tương 3
1.1.1. Đặc điểm sinh học của cây đậu tương 3
1.1.2. Vai trò của đậu tương 4
1.1.3. Tình hình sản xuất đậu tương trên thế giới và Việt Nam 5
1.2. Ảnh hưởng của môi trường bất lợi đến thực vật 7
1.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ thấp đến thực vật 7
1.2.2. Ảnh hưởng của điều kiện mặn đến thực vật 8
1.2.3. Ảnh hưởng của hạn hán đến thực vật 10
1.3. Prolin và vai trò của prolin trong các điều kiện bất lợi của môi trường 11
1.3.1. Vai trò của prolin với thực vật trong điều kiện nhiệt độ thấp 13
1.3.2. Vai trò của prolin với thực vật ở điều kiện mặn 14
1.3.3. Vai trò của prolin với thực vật ở điều kiện hạn 15
1.4. Glycin betain và vai trò của glycin betain trong các điều kiện bất lợi của
môi trường 15
1.4.1. Vai trò của glycin betain với thực vật trong điều kiện nhiệt độ thấp 17

1.4.2. Vai trò của glycin betain với thực vật trong điều kiện mặn 17
1.4.3. Vai trò của glycin betain với thực vật trong điều kiện hạn 18
CHƯƠNG 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 19
2.1. Vật liệu nghiên cứu 19
2.2. Phương pháp nghiên cứu 19
2.2.1. Phương pháp bố trí thí nghiệm 19

2.2.2. Phương pháp xác định chỉ tiêu nghiên cứu 20
2.2.2.1. Xác định hàm lượng prolin trong mô thực vật 20
2.2.2.2. Xác định hàm lượng glycin betain 23
2.2.3. Phương pháp xử lý số liệu 24
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 26
3.1. Sự biến động hàm lượng prolin và glycin betain trong các điều kiện nhiệt
độ thấp mặn và hạn 26
3.1.1. Sự biến động của hàm lượng prolin trong các điều kiện nhiệt độ thấp,
mặn và hạn 26
3.1.2. Sự biến động của hàm lượng glycin betain trong các điều kiện nhiệt độ
thấp, mặn và hạn 29
3.2. Sự tương quan giữa hàm lượng prolin và glycin betain ở lá đậu tương
trong các điều kiện nhiệt độ thấp, mặn và hạn 32
3.2.1. Sự tương quan giữa hàm lượng prolin và glycin betain ở lá đậu tương
khi xử lý nhiệt độ thấp 32
3.2.2. Sự tương quan giữa hàm lượng prolin và glycin betain ở lá đậu tương
khi xử lý mặn 34
3.2.3. Sự tương quan giữa hàm lượng prolin và glycin betain ở lá đậu tương
khi xử lý hạn 35
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 36
TÀI LIỆU THAM KHẢO 37







DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1. Tình hình sản xuất đậu tương trên thế giới 6
Bảng 2.1. Nồng độ prolin và giá trị OD 23
Bảng 3.1. Hàm lượng prolin trong lá đậu tương DT 51 trong các điều kiện
nhiệt độ thấp, mặn và hạn 27
Bảng 3.2. Hàm lượng glycin betain trong lá đậu tương DT 51 trong các điều
kiện nhiệt độ thấp, mặn và hạn 31
Bảng 3.3. Hàm lượng prolin và glycin betain trong lá đậu tương khi xử lý
nhiệt độ thấp 34
Bảng 3.4. Hàm lượng prolin và glycin betain trong lá đậu tương khi xử lý
mặn 35
Bảng 3.5. Hàm lượng prolin và glycin betain trong lá đậu tương khi xử lý
hạn 36
















DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1. Công thức cấu tạo 12
Hình 1.2. Cấu hình không gian 12
Hình 1.3. Công thức cấu tạo 16
Hình 1.4. Cấu hình không gian 16
Hình 2.1. Các bước chính của quá trình định lượng prolin tự do bằng phương
pháp so màu 22
Hình 2.2. Biểu đồ biểu diễn đường chuẩn prolin 24
Hình 3.1. Sự biến động hàm lượng prolin trong lá đậu tương DT 51 trong điều
kiện nhiệt độ thấp, mặn và hạn 28
Hình 3.2. Sự biến động của hàm lượng glycin betain trong lá đậu tương trong
điều kiện nhiệt độ thấp, mặn và hạn 31
Hình 3.3. Sự tương quan giữa hàm lượng prolin và glycin betain trong lá đậu
tương khi xử lý nhiệt độ thấp 34
Hình 3.4. Sự tương quan giữa hàm lượng prolin và glycin betain trong lá đậu
tương khi xử lý mặn 35
Hình 3.5. Sự tương quan giữa hàm lượng prolin và glycin betain trong lá đậu
tương khi xử lý hạn 36









1

MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài
Đậu tương (Glycine max (L.) Merill) là cây thực phẩm quan trọng. Hạt
đậu tương giàu hàm lượng protein, tới 35,5 - 40% [4], được sử dụng làm thức
ăn cho người và gia súc, nguyên liệu cho các ngành công nghiệp. Đậu tương
còn có tác dụng cải tạo đất, tăng năng suất cây trồng khác do hoạt động cố
định nitơ của vi khuẩn Rhizobium cộng sinh trên rễ cây.
Việt Nam có khí hậu nhiệt đới, gió mùa nóng ẩm thích hợp cho việc
trồng đậu tương. Tuy nhiên, đậu tương lại khá nhạy cảm với các điều kiện bất
lợi của môi trường đặc biệt là giai đoạn ra hoa kết quả, nếu cây đang sinh
trưởng bị gặp điều kiện bất lợi của môi trường ở giai đoạn này sẽ ảnh hưởng
lớn đến năng suất của cây đậu tương.
Thực vật khi gặp các điều kiện bất lợi của môi trường sẽ có các đáp ứng
về mặt hình thái, sinh lý, sinh hóa để thích nghi như thay đổi một số đặc điểm
hình thái giải phẫu phù hợp hoặc gia tăng một số chất có khả năng bảo vệ và
điều hòa áp suất thẩm thấu, trong đó quan trọng nhất là prolin và glycin
betain. Nghiên cứu của Ashraf M. và Foolad M.R. (2007) [11] đã chỉ ra vai
trò của glycin betain và prolin, mối quan hệ của chúng trong việc bảo vệ cây
trồng cũng như các ứng dụng xử lý ngoại sinh hai chất này để tăng khả năng
chịu stress của cây trồng, đặc biệt là để đáp ứng với hạn, mặn và stress nhiệt
độ. Nghiên cứu trên ở đậu tằm (Gadallah MAA., 1999) [15] và cà chua
(Heuer B., 2003) [17] cho thấy sự gia tăng tích lũy của prolin và glycin betain
đã làm tăng khả năng chống chịu với điều kiện bất lợi của môi trường sống.
Nghiên cứu mối tương quan giữa hàm lượng prolin và glycin betain ở lá
đậu tương trong các điều kiện bất lợi khác nhau cho biết vai trò, tác động qua
lại của chúng trong cơ chế bảo vệ thực vật.

2

Từ thực tế đó, chúng tôi thực hiện đề tài “Sự tương quan giữa hàm
lượng prolin và glycin betain ở lá đậu tương vào giai đoạn ra hoa trong

điều kiện nhiệt độ thấp, mặn và hạn”.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu sự tương quan giữa prolin và glycin betain ở giống đậu
tương trong các điều kiện nhiệt độ thấp, mặn và hạn vào giai đoạn ra hoa.
3. Nội dung nghiên cứu
- Sự tương quan giữa hàm lượng prolin và glycin betain ở lá đậu tương
giai đoạn ra hoa khi xử lý nhiệt độ thấp.
- Sự tương quan giữa hàm lượng prolin và glycin betain ở lá đậu tương
giai đoạn ra hoa khi xử lý mặn.
- Sự tương quan giữa hàm lượng prolin và glycin betain ở lá đậu tương
giai đoạn ra hoa khi xử lý hạn.
4. Ý nghĩa lý luận và thực tiễn
- Nghiên cứu góp phần bổ sung vào nguồn tài liệu về tính chống chịu của
đậu tương, đặc biệt là giống đậu tương DT 51 dưới tác động của các điều kiện
bất lợi của môi trường (nhiệt độ thấp, mặn và hạn).
- Kết quả nghiên cứu là cơ sở khoa học để đánh giá khả năng chống chịu
các điều kiện bất lợi của môi trường (nhiệt độ thấp, mặn và hạn) ở cây đậu
tương và cây trồng khác, từ đó định hướng trồng chúng ở những vùng sinh thái
phù hợp, có biện pháp chăm sóc hợp lý để cây cho năng suất phẩm chất tốt.
- Sử dụng chỉ thị về sự tích lũy prolin và glycin betain để đánh giá khả
năng chịu điều kiện nhiệt độ thấp, mặn và hạn của thực vật.




3

NỘI DUNG
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1. Cây đậu tương
1.1.1. Đặc điểm sinh học của cây đậu tương
Đậu tương hay đỗ tương, đậu nành (Glycine max (L.) Merill) thuộc thân
thảo, họ Đậu (Fabaceae), họ phụ Cánh bướm (Papilionoidea). Theo từ điển
thực phẩm, cây đậu tương được biết có nguồn gốc xa xưa từ Trung Quốc và
được coi là cây thực phẩm cho đời sống con người từ hơn 4000 năm trước,
sau đó được nhân rộng sang Nhật Bản vào khoảng thế kỷ thứ 8, vào nhiều thế
kỷ sau có mặt ở các nước Châu Á như Thái lan, Malaysia, Hàn Quốc và Việt
Nam. Cây đậu tương có mặt ở Châu Âu vào đầu thế kỷ 17 và ở Hoa Kỳ vào
thế kỷ 18. Ngày nay, Hoa Kỳ là quốc gia đứng đầu sản xuất đậu tương chiếm
50% sản lượng trên toàn thế giới.
Về hình thái, cây đậu tương có các bộ phận chính là rễ, thân, lá, hoa và
quả. Rễ đậu tương là cây hai lá mầm có rễ cọc, tập trung ở tầng đất mặt 30 -
40 cm, độ ăn lan khoảng 20 - 40 cm. Trên rễ có các nốt sần cố định đạm do vi
khuẩn cộng sinh Rhizobium. Chúng có khả năng cố định nitơ từ không khí
cung cấp đạm cho cây, có vai trò cải tạo đất. Thân đậu tương có màu xanh
hoặc tím ít phân cành, có từ 14 -15 lóng, chiều cao cây trung bình từ 0,5 - 1,2
m. Lá gồm có các dạng lá theo từng thời kỳ sinh trưởng, phát triển của cây: lá
mầm, lá đơn và lá kép có 3 lá chét.
Hoa đậu tương thuộc hoa cánh bướm, mọc thành chùm trung bình mỗi
chùm có từ 7 - 8 hoa, hoa có màu tím hoặc trắng. Quả thuộc loại quả nang
tự khai, mỗi trái trung bình có từ 2 - 3 hạt, có khi có 4 hạt. Hạt có hình
tròn, bầu dục, tròn dẹp; màu vàng, vàng xanh, nâu đen. Trọng lượng hạt
P100 hạt 7 - 25g.

4

1.1.2. Vai trò của đậu tương
Đậu tương là cây trồng có giá trị kinh tế cao, là cây công nghiệp, cây
thực phẩm và vừa là cây cải tạo đất. Với ưu thế ngắn ngày, trồng được nhiều

vụ trong năm, có thể trồng xen canh gối vụ, trồng được ở nhiều vùng sinh thái
khác nhau, vì thế đậu tương cũng là một loài cây có vai trò quan trọng trong
nền nông nghiệp nước ta.
Về mặt dinh dưỡng, hạt đậu tương có hàm lượng protein trung bình
khoảng 35,5 - 40% (trong khi đó hàm lượng protein trong gạo chỉ 6,2 -
12,0%, thịt bò là 21%). Lipid từ 15 - 20%, hydrat cacbon từ 15 - 16% và
nhiều loại vitamin và muối khoáng quan trọng cho sự sống. Hàm lượng của
các axit amin có chứa lưu huỳnh như cistein, methionin… của đỗ tương rất
gần với hàm lượng này có trong trứng. Vì thế mà khi nói về giá trị về hàm
lượng protein trong hạt đậu tương là nói đến hàm lượng protein cao và sự cân
đối của các loại axit amin cần thiết. Ngày nay, người ta mới biết thêm hạt đậu
tương có chứa lexithin, có tác dụng làm cho cơ thể trẻ lâu, tăng thêm trí nhớ,
tái tạo mô, làm cứng xương và tăng sức đề kháng của cơ thể. Dùng đậu tương
thay mỡ động vật có thể tránh xơ vữa động mạch. Đậu tương là thức ăn tốt
cho những người bị bệnh đái tháo đường, thấp khớp, thần kinh suy nhược và
suy dinh dưỡng [4].
Về mặt giá trị công nghiệp, sản phẩm từ đậu tương được sử dụng rất đa
dạng như dùng trực tiếp hạt khô hoặc chế biến thành đậu phụ, ép thành dầu
đậu tương, làm bánh kẹo, sữa đậu nành… Đậu tương là nguyên liệu của nhiều
ngành công nghiệp khác nhau như: chế biến cao su nhân tạo, sơn, mực in, xà
phòng, chất dẻo, tơ nhân tạo… [4].
Về mặt giá trị nông nghiệp, đậu tương là nguồn thức ăn tốt cho gia súc
1kg hạt đậu tương tương đương với 1,38 đơn vị thức ăn chăn nuôi. Toàn cây
đậu tương có hàm lượng đạm khá cao cho nên các sản phẩm phụ như thân lá

5

tươi có thể làm thức ăn cho gia súc hoặc nghiền nhỏ làm thức ăn tổng hợp.
Đậu tương có tác dụng cải tạo đất, tăng năng suất cây trồng khác. Điều này là
do hoạt động cố định nitơ của vi khuẩn Rhizobium cộng sinh trên rễ cây. Do

đó có lợi cho các cây trồng khác và sau khi thu hoạch toàn bộ rễ, thân, lá phủ
lại bề mặt đất có tác dụng che phủ chống xói mòn, vừa là nguồn hữu cơ giàu
đạm cải tạo đất [4].
1.1.3. Tình hình sản xuất đậu tương trên thế giới và Việt Nam
Đậu tương là một trong những cây có dầu quan trọng bậc nhất trên thế
giới và là cây trồng đứng vị trí thứ tư trong các cây làm lương thực, thực phẩm
sau lúa mỳ, lúa nước và ngô. Vì vậy, sản xuất đậu tương trên thế giới tăng rất
nhanh cả về diện tích, năng suất và sản lượng được thể hiện qua bảng 1.1.
Về diện tích: năm 1960, thế giới trồng được 21,0 triệu ha thì đến năm
2000 (sau 40 năm) diện tích trồng đã đạt 74,34 triệu ha tăng 3,5 lần. Năm
2005, diện tích trồng đậu tương là 91,39 triệu ha. Năm 2008, cả thế giới trồng
được 96,87 triệu ha tăng 4,61 lần so với năm 1960. Năm 2012, diện tích trồng
đậu tương là 102,10 triệu ha tăng 4,86 lần so với năm 1960.
Về năng suất: năm 1960, năng suất đậu tương thế giới chỉ đạt 12,0 tạ/ha
đến năm 1990 là 19,17 tạ/ha tăng 59,75%. Năm 2008, năng suất đậu tương
thế giới đạt 23,84 tạ/ha tăng 98,67% so với năm 1960. Đến năm 2012, năng
suất đậu tương thế giới đạt 23,2 tạ/ha, thấp hơn năng suất đậu tương năm
2008.
Về sản lượng: cùng với sự tăng lên về diện tích và năng suất, sản lượng
đậu tương của thế giới cũng được tăng lên nhanh chóng. Năm 1960, sản
lượng đậu tương thế giới đạt 25,20 triệu tấn thì đến năm 1990 tăng lên đạt
104,19 triệu tấn, tăng gấp gần 4 lần. Năm 2008, sản lượng đậu tương thế giới
đạt tới 230,95 triệu tấn, tăng gấp 8,85 lần so với năm 1960. Đến năm 2012,

6

sản lượng đậu tương thế giới đạt 237,09 triệu tấn, tăng 9,4 lần sản lượng năm
1960.
Bảng 1.1. Tình hình sản xuất đậu tương trên thế giới
Năm

Diện tích (triệu ha)
Năng suất (tạ/ha)
Sản lượng
(triệu tấn)
1960
21,00
12,00
25,20
1990
54,34
19,17
104,19
2000
74,34
21,70
151,41
2005
91,39
23,00
209,53
2006
92,99
23,82
221,50
2007
94,90
22,78
216,18
2008
96,87

23,84
230,95
2012
102,10
23,20
237,95
(Nguồn: FAO Statistic Database, 2012 [35])

Hiện nay, Mỹ vẫn là quốc gia sản xuất đậu tương đứng đầu thế giới với
45% diện tích và 55% sản lượng. Braxin là nước đứng thứ 2 ở châu Mỹ và
cũng đứng thứ 2 trên thế giới về diện tích và sản lượng đậu tương. Năm 2000,
Braxin sản xuất đậu tương chiếm 18,5% về diện tích và 20,1% về sản lượng
trên thế giới. Năm 2009 sản lượng đậu tương của Braxin đạt 50,195 triệu tấn
[3].
Ở Việt Nam, sản lượng đậu tương năm 2012 giảm 34,3% so với cùng kỳ
năm trước, xuống còn 175,2 nghìn tấn do thời tiết lạnh khắc nghiệt vào cuối
năm 2011 và đầu năm 2012 khiến cho năng suất và diện tích gieo trồng giảm
mạnh. Quy mô sản xuất vẫn còn tương đối nhỏ và tiếp tục không đáp ứng
được nhu cầu tiêu thụ trong nước. Theo USDA dự báo diện tích trồng đậu
tương năm 2013 nước ta tăng khoảng 180 nghìn ha so với năm 2011 và sản
lượng đạt ở mức 270.000 tấn. Theo số liệu thống kê chính thức, đậu tương

7

đang được trồng tại 25 trong số 63 tỉnh thành cả nước, với khoảng 65% tại
các khu vực phía Bắc và 35% tại các khu vực phía Nam [36].
1.2. Ảnh hưởng của môi trường bất lợi đến thực vật
1.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ thấp đến thực vật
Nhiệt độ thấp làm cho lá cây bị héo mặc dù môi trường vẫn đủ nước do
nhiệt độ thấp ức chế sự hút nước của hệ rễ và sự vận chuyển nước của hệ

mạch. Đồng thời nhiệt độ thấp cũng gây ức chế quang hợp của lá, làm giảm
hô hấp, ức chế các quá trình tổng hợp nhất là tổng hợp protein do các enzim
hoạt động yếu. Ở nhiệt độ thấp, màng nguyên sinh chất bị tổn hại làm tăng
tính ngoại thấm nên thất thoát chất dinh dưỡng của tế bào. Nhiệt độ thấp ảnh
hưởng đến cấu trúc và chức năng bộ rễ. Sự hút nước và chất khoáng bị giảm
mạnh làm cho cây thiếu nước và chất dinh dưỡng [10].
Nhiệt độ thấp làm tổn hại đến màng tế bào, màng các bào quan như lục
lạp, ty thể từ đó ảnh hưởng sâu sắc đến các quá trình sinh lý của cây như
quang hợp, hô hấp. Ở các cây không chịu lạnh các lipid của màng có tỷ lệ
chuỗi axit béo bão hoà cao hơn cây chịu lạnh, do đó gặp lạnh màng có khuynh
hướng đổi thành trạng thái bán tinh thể. Khi tính lỏng của màng kém, các
protein của màng không hoạt động bình thường dẫn đến hậu quả xấu cho sự
vận chuyển các chất, sự biến đổi năng lượng và hoạt động enzim [10].
Những cây chịu nhiệt độ thấp có độ nhớt giảm, trao đổi chất mạnh, các
quá trình tổng hợp nhất là tổng hợp protein xảy ra mạnh hơn cây không chịu
nhiệt độ thấp. Cùng một số cây nhưng sống ở các vùng địa lý khác nhau có
khả năng chịu nhiệt độ thấp khác nhau. Các cơ quan trong cùng một cây cũng
có khả năng chịu nhiệt độ thấp khác nhau. Thực vật phản ứng khác nhau đối
với nhiệt độ thấp. Các thực vật phương Bắc thường sống trong điều kiện thấp
từ -5
o
C đến 30
o
C như các loại thảo mộc, cây rừng phương Bắc thông, tùng,
bách… Cây rau rừng ôn đới như bắp cải cũng có thể chịu được nhiệt độ đến
-15
o
C. Tùy vào loại cây khác nhau mà khả năng chịu lạnh cũng khác nhau.

8

Arabidopsis là cây có khả năng chịu lạnh, có thể sống 5 ngày ở nhiệt độ thấp
từ 1
o
C đến 5
o
C và tồn tại ở -8
o
C đến -12
o
C trong khoảng thời gian ngắn. Vì
vậy, đây chính là mô hình lí tưởng để nghiên cứu tính chịu lạnh giá. Các cây
trồng vùng nhiệt đới thường bị ảnh hưởng nặng nề khi nhiệt độ xuống khoảng
0
o
C đến 12
o
C. Đặc biệt là các cây trồng như lúa nước, đậu tương, bông, ngô
và các cây ăn quả nhiệt đới khác [6].
Nhiệt độ thấp làm thay đổi quá trình sinh lý, sinh hóa trong tế bào làm
hạt nảy mầm kém và chậm phát triển, mô tế bào lá trở nên vàng úa và héo lụi.
Nếu tác động kéo dài có thể gây hoại tử vùng mô tế bào này.
Nhiệt độ thấp gây ảnh hưởng đến năng suất cây trồng, theo con số thống
kê của Cục Khuyến nông Bộ Nông nghiệp phát triển nông thôn, tính đến 15
tháng 3 năm 1996 các đợt lạnh trong vụ xuân năm 1996 làm chết 5000 ha mạ
và 50000 ha lúa mới cấy. Tổng thiệt hại là 10000 tấn giống x 4 triệu đồng/tấn
tương đồng khoảng 400.000 triệu đồng tức 40 tỉ đồng Việt Nam… [1].
1.2.2. Ảnh hưởng của điều kiện mặn đến thực vật
Đất mặn là loại đất chứa hàm lượng muối cao (>0,2%) có nhiều ion độc.
Do nồng độ muối cao nên áp suất thẩm thấu của dung dịch đất ở đây rất cao,

có thể đạt 200-300 atm hay còn có thể cao hơn [10].
Do đất mặn có áp suất thẩm thấu cao cho nên cây không thể hút được
nước nếu không có cơ chế thích nghi, do đó gây nên hiện tượng hạn sinh lý.
Cây bình thường không thể sống trong môi trường có áp suất thẩm thấu trên
40 atm.
Độ mặn cao sẽ làm ức chế sự hấp thụ nước, thay đổi khả năng đóng mở
khí khổng… gây tổn thương mô thực vật. Những thay đổi trong trao đổi chất
thường dẫn đến sự gia tăng một số chất liên quan đến điều chỉnh áp suất thẩm
thấu trong tế bào như glycin betain, prolin, ectoine… Tuy nhiên thông
thường, sự điều chỉnh này chỉ đòi hỏi tăng cường của một trong những enzym

9

trong con đường tổng hợp hoặc chuyển hóa các chất đó. Sự điều tiết các ion
cũng cần một số lượng nhỏ các gen. Khoảng 21000 gen ở Arabidopsis thực
hiện chức năng chủ yếu trong quá trình phát triển cá thể của thực vật, hình
thành hoa, phát triển quả và hạt nhưng chỉ có một lượng nhỏ các gen phản
ứng với điều kiện mặn [6].
Một tác hại khác của đất mặn là trong dung dịch đất chứa nhiều ion độc.
Một số ion ở nồng độ thấp không độc nhưng ở nồng độ cao lại gây độc. Các
ion này lại cạnh tranh với chất dinh dưỡng trong quá trình hút của rễ làm cho
rễ khó hút chất dinh dưỡng. Thành phần các muối trong đất mặn phổ biến là
NaCl, Na
2
SO
2
, Na
2
SO
4

, Na
2
CO
3
, MgCl
2
, MgSO
4
các muối đó ở nồng độ
cao đều gây độc cho cây.
Đặc biệt khi cây hút các ion độc vào trong tế bào sẽ gây rối loạn trao đổi
chất của tế bào. Các ion độc sẽ ức chế hoạt động các enzim, các chất kích
thích sinh trưởng cho nên làm rối loạn hoạt động trao đổi chất - năng lượng,
các hoạt động sinh lý bình thường của tế bào. Các chất độc còn ảnh hưởng
theo chiều hướng bất lợi đến nguyên sinh chất như làm giảm mạnh độ nhớt,
tính thấm của nguyên sinh chất tăng mạnh nhất là tăng mạnh ngoại thẩm làm
cho tế bào mất chất dinh dưỡng. Các hoạt động sinh lý của tế bào cũng bị ảnh
hưởng: quá trình quang hợp giảm mạnh do lá kém phát triển, sắc tố ít do các
chất độc ức chế quá trình tổng hợp sắc tố, các quá trình xảy ra trong quang
hợp bị giảm sút do ảnh hưởng của chất độc và thiếu nước. Quá trình hô hấp
tăng mạnh, các cơ chất bị phân huỷ mạnh, nhưng hiệu quả năng lượng thấp,
phần lớn năng lượng của các quá trình phân huỷ đều thải ra dưới dạng nhiệt
làm cho tế bào thiếu ATP để hoạt động. Phân huỷ mạnh, tổng hợp lại yếu nên
không bù đủ lượng vật chất do hô hấp phân huỷ, chất dự trữ dần dần bị hao
hụt, cây không sinh trưởng được, do vậy cây còi cọc, năng suất thấp. Nếu cây
bị mặn nặng hay mặn kéo dài sẽ bị chết [10].

10

Tác động của stress muối tới hấp thu dinh dưỡng: làm giảm tăng trưởng

thực vật do ảnh hưởng đến sự vận chuyển chất và phân vùng các chất dinh
dưỡng. Tuy nhiên, độ mặn theo kiểu khác nhau có thể ảnh hưởng khác nhau
đến dinh dưỡng khoáng của cây trồng. Độ mặn có thể gây thiếu dinh dưỡng
hoặc mất cân bằng dinh dưỡng, do sự cạnh tranh của Na
+
và Cl
-
với các chất
dinh dưỡng như K
+
, Ca
2+
, NO
3
-
. Trong điều kiện mặn, tốc độ tăng trưởng thực
vật giảm do độc tính ion (ví dụ như Na
+
và Cl
-
)

sự mất cân bằng tác động lên
các thành phần tự nhiên hoặc trao đổi chất của thực vật [10].
1.2.3. Ảnh hưởng của hạn hán đến thực vật
Hạn là một trong những yếu tố cực đoan phi sinh học được quan tâm đến
nhiều nhất trên thế giới. Hạn là hiện tượng thường xuyên xảy ra trong thiên
nhiên và liên quan trực tiếp đến vấn đề nước trong thực vật. Hạn là một trong
những nguyên nhân chính gây mất mùa trên diện rộng, làm giảm 50% năng
suất hoặc có thể hơn. Hạn là phức hệ các điều kiện khí tượng bất lợi gây ra sự

thiếu nước, mất nước ở thực vật, bao gồm hạn trong đất và hạn không khí.
Khi hạn hán cây bị stress nước dẫn đến nhiều hậu quả nghiêm trọng:
Gây nên hiện tượng co nguyên sinh và làm cho cây bị héo: sự co nguyên
sinh các tế bào diễn ra khi nồng độ nước trong môi trường quá cao hay do
stress nước làm cho nước trong tế bào thất thoát ra ngoài nên khối nguyên
sinh chất của tế bào co lại, thể tích không bào thu hẹp. Khi môi trường thiếu
nước kéo dài, tế bào mất nước không bào co lại, mô trở nên mềm yếu và sự
héo xảy ra. Sự héo tạm thời nhưng cũng có thể vĩnh viễn nếu sự thiếu nước
nghiêm trọng và kéo dài [10].
Hạn hán cản trở sự vận chuyển nước trong mạch gỗ: khi thiếu nước do
hạn hán sự cung cấp nước cho rễ không đủ trong đêm để thủy hoá các mô đã
bị thiếu nước ban ngày, các lông hút bị tổn thương đã làm giảm áp suất rễ
để đẩy cột nước lên trong mạch gỗ. Đặc biệt khi thiếu nước sẽ hình thành

11

nhiều bọt khí trong mạch gỗ phá vỡ tính liên tục của cột nước nên cột nước
trong mạch gỗ không được đẩy lên liên tục [10].
Hạn hán làm dày lớp cutin trên bề mặt lá làm giảm sự thoát hơi nước qua
biểu bì.
Hạn hán làm giảm mạnh quang hợp: sự thiếu nước làm giảm cường độ
quang hợp. Những thay đổi diễn ra trong cây trồng dưới điều kiện hạn chủ
yếu liên quan đến việc thay đổi chức năng trao đổi chất và một trong những
chức năng đó là suy giảm các sắc tố quang hợp. Sự suy giảm sắc tố dẫn đến
giảm hấp thu ánh sáng và không hình thành được năng lượng khử, mà đây là
nguồn năng lượng cho các phản ứng của pha tối trong quang hợp. Khi hàm
lượng nước trong lá còn khoảng 40-50% quang hợp của lá bị đình trệ [10].
Hạn hán cản trở sự sinh trưởng của cây: do thiếu nước ảnh hưởng đến
các hoạt động sinh lý nhất là quang hợp, nên làm giảm sinh trưởng, cây chậm
lớn, năng suất giảm sút [10].

1.3. Prolin và vai trò của prolin trong các điều kiện bất lợi của môi
trường
Prolin (viết tắt là Pro hay P) là một α- amino acid ưa nước, có công thức
phân tử C
5
H
9
NO
2
.

Hình 1.1. Công thức cấu tạo

Hình 1.2. Cấu hình không gian
Prolin là một axit amino có khả năng hòa tan mạnh trong nước, giữ nước
và lấy nước cho tế bào. Prolin được tích lũy ở lá cây của nhiều loài thực vật,
mô lá, mô phân sinh chóp rễ của thực vật, tích lũy trong hạt phấn bị làm khô,

12

tích lũy ở vùng chóp rễ đang sinh trưởng và những tế bào thực vật nuôi cấy
trong môi trường huyền phù đã thích nghi với điều kiện stress nước. Prolin
bảo vệ màng tế bào chống lại ảnh hưởng bất lợi của sự tập trung cao các ion
vô cơ và nhiệt độ. Prolin được tích lũy trong cây khi gặp các điều kiện bất lợi
như mặn, hạn, nhiệt độ thấp hoặc cao, kim loại nặng, bị nhiễm bệnh, thiếu
dinh dưỡng, ô nhiễm môi trường và tia UV [6].
Prolin như tín hiệu phản ứng của cây trồng đối với các yếu tố cực đoan
của môi trường. Ở thực vật, tồn tại những bằng chứng về nhiều cách tổng hợp
prolin.
Quá trình tổng hợp prolin nằm ở trung tâm của sự chuyển hóa cacbon và

đồng hóa nitơ. Bất kỳ sự thay đổi về nồng độ prolin (có thể là liên quan stress
hoặc không) sẽ đi kèm với những thay đổi trong quá trình chuyển hóa tổng
hợp nitơ, cũng ảnh hưởng đến sự chuyển hóa các phân tử khác, như protein và
polyamine.
Phân tử prolin có cấu trúc vòng (pirolidin), cấu trúc này tạo nên cho
prolin một hình dáng vững chắc hơn so với các axit amin khác. Như vậy, vai
trò của prolin trong chống chịu stress nước ở thực vật thể hiện: prolin tham
gia điều chỉnh áp suất thẩm thấu của nội bào, tham gia vào cấu trúc bảo vệ
màng và protein, chống oxy hóa, điều hòa pH tế bào chất, lưu trữ cacbon và
nitơ, bảo vệ trao đổi chất chống lại điều kiện stress.
Đã có nhiều công trình ở nước ngoài nghiên cứu trên các đối tượng
thực vật và cây trồng khác nhau, để tìm hiểu về cơ chế tổng hợp, chuyển hoá
prolin… liên quan đến vai trò của prolin đối với tính chịu hạn của thực vật.
Trong dòng tế bào thuốc lá được nuôi cấy thích nghi với nồng độ 428 mM
NaCl, prolin chiếm trên 80% axit amin tự do [25]. Người ta thừa nhận rằng có
sự phân bố đồng đều prolin trong toàn bộ thể tích nước của nội bào, kết quả
xác định axit amin tại thời điểm này vượt quá 129 mM.

13

Tuy nhiên, nếu chỉ hạn chế trong nội bào thì sự tích lũy prolin có thể vượt
quá nồng độ 200 mM trong các tế bào này vì thế nó góp phần căn bản vào việc
điều chỉnh thẩm thấu nội bào. Cũng trên đối tượng cây thuốc lá, tác giả Kishor
và CS (1995) [22] nghiên cứu cây thuốc lá được chuyển gen (gen liên quan đến
sinh tổng hợp prolin - P5CS) trong điều kiện hạn nước, hạn muối, kết quả cho
thấy hàm lượng prolin gấp khoảng từ 10-18 lần so với đối chứng
Ở Việt Nam, đã có một số tác giả nghiên cứu về vai trò của prolin đối
với khả năng chịu hạn của nhiều loại cây trồng cũng cho kết quả khả quan.
Tác giả Đinh Thị Phòng (2003) [2] bằng việc xử lí lạnh, mặn, hạn trên các
giống lúa đã cho thấy có mối tương quan thuận giữa tính chống chịu của cây

với hàm lượng prolin gia tăng của các giống lúa nghiên cứu. Trên các đối
tượng cà chua, đậu xanh [5], [9] khi nghiên cứu cũng cho thấy có sự tích lũy
prolin trong cây sống trong điều kiện thiếu nước hay stress muối.
1.3.1. Vai trò của prolin với thực vật trong điều kiện nhiệt độ thấp
Sự thích nghi nhiệt độ thấp liên quan đến sự kích hoạt của nhiều cơ chế
khả năng chịu lạnh. Đó là những thay đổi trong nhiều chất chuyển hóa như
tổng lượng protein, prolin và hàm lượng MDA thường được quan sát thấy xảy
ra trong thực vật trong thời gian thích nghi nhiệt độ thấp. Có bằng chứng chỉ
ra rằng sự xuất hiện của prolin (Carpenter và Crowe, 1988) [14] góp phần làm
tăng cường khả năng chịu lạnh.
Prolin tích lũy trong thực vật bậc cao để đáp ứng với các stress hữu sinh
và vô sinh chẳng hạn như hạn hán, độ mặn và stress nhiệt độ thấp [16];
Samaras và cộng sự, 1995 [26]; Taylor, 1996 [29]; Rhodes và cộng sự, 1993
[25], prolin đóng vai trò quan trọng trong chống oxy hóa. Ở nhiệt độ thấp,
prolin tích lũy trong thực vật (Van Swaaij và cộng sự) [30]. Cũng theo báo
cáo này, hàm lượng prolin tăng trong lá khoai tây lai khi các cây phải chịu
điều kiện lạnh [30]. Trong thực vật thích nghi điều kiện lạnh hàm lượng

14

prolin cao hơn so với các loài thực vật không thích nghi điều kiện lạnh và các
thực vật thích nghi lạnh phục hồi nhanh hơn so với những thực vật không
thích nghi với điều kiện lạnh. Trong mẫu lá, rễ hàm lượng prolin tăng trong
các thực vật giai đoạn thích nghi lạnh, nhưng nó giảm trong giai đoạn làm
lạnh và một lần nữa tăng lên trong giai đoạn phục hồi [24]. Vì vậy, prolin có
vai trò bảo vệ thực vật trong điều kiện stress nhiệt độ thấp.
1.3.2. Vai trò của prolin với thực vật ở điều kiện mặn
Mặn là một yếu tố stress phi sinh học hạn chế phát triển thực vật và nó
đang trở thành một vấn đề nghiêm trọng trong nông nghiệp, đặc biệt là ở các
vùng đất nằm trong khu vực bán khô cằn nơi 20 - 30% diện tích đất bị hư

hỏng nghiêm trọng do muối. Nồng độ muối cao trong đất làm giảm đáng kể
sản lượng của thực vật trên toàn thế giới. Sự tích tụ các chất hòa tan như
glycin betain và prolin có liên quan đến trạng thái thiếu nước, độ mặn và một
số yếu tố stress khác, cho thấy vai trò quan trọng của các chất này. Dưới tác
động stress muối prolin được tích lũy trong cả lá và mô rễ (Aziz và cộng sự,
1999) [12] và được coi như là bảo vệ, điều chỉnh áp suất thẩm thấu do muối
tạo ra. Nhiều nghiên cứu đã chứng minh sự tích lũy prolin do stress mặn
(Aziz và cộng sự, 1999) [12].
Marin J.A. và cộng sự đã xác định nồng độ prolin trong dịch triết của
gốc rễ, gốc cây cây ăn quả bị stress muối bằng cách định lượng prolin trong
các dịch triết rễ của rễ nuôi cấy gốc ghép Prunus. Rễ từ vi nhân giống gốc
ghép Prunus được nuôi cấy trong ống nghiệm theo sự tăng nồng độ NaCl (0,
20, 60, 180 mM) để phát hiện khả năng chịu đựng ban đầu của cây chống lại
stress muối. Sau ba tuần nuôi cấy, nồng độ prolin mô rễ và các dịch triết đã
được xác định. Nồng độ prolin trong các mô rễ và các dịch triết rễ từ tất cả
các rễ ghép tăng khi nồng độ muối trong môi trường tăng. Điều này cho thấy
vai trò của prolin trong phản ứng của thực vật với stress muối. Ngoài ra, các

15

dịch triết prolin có thể hữu ích cho việc phát hiện sớm khả năng chịu mặn, với
điều kiện là mối quan hệ giữa khả năng chống chịu stress muối và prolin có
thể được tìm thấy [12].
1.3.3. Vai trò của prolin với thực vật ở điều kiện hạn
Prolin là một axit amin có vai trò quan trọng trong sự điều hòa áp suất
thẩm thấu trong tế bào, đồng thời là một axit amin ưa nước có khả năng giữ
nước, lấy nước cho tế bào đồng thời ngăn chặn sự xâm nhập cửa ion Na
+

tương tác với protein màng, ngăn chặn sự phá hủy của màng và các phức

protein khác. Các kết quả nghiên cứu cho thấy khi cây trồng gặp hạn thì cây
giảm tổng hợp protein và tăng tổng hợp prolin. Nồng độ prolin khác nhau ở
các loài và khi gặp hạn có thể tăng gấp 100 lần so với mức bình thường.
Soulages và cs (2003) [28] đã chứng minh ngoài vai trò tăng cường khả
năng chịu hạn thì chuỗi axit amin L-prolin nhóm II còn có khả năng chống lại
các tác động bất lợi của nhiệt độ với cây đậu tương. Theo Đinh Thị Phòng
(2001), ở lúa khi gây hạn sinh lý bằng dung dịch sorbitol 5% hàm lượng
prolin của các dòng chọn lọc tăng lên vượt xa so với đối chứng, sự tăng hàm
lượng prolin liên quan đến khả năng chịu hạn. Khảo sát chất lượng hạt và khả
năng chịu hạn của một số giống lúa cạn địa phương ở vùng núi phía Bắc, Chu
Hoàng Mậu và cs (2005) [8] đã nhận xét, khả năng chịu hạn của các giống lúa
cạn có liên quan đến hàm lượng protein và hàm lượng prolin. Khi gặp hạn,
cây lúa cạn giảm hàm lượng protein và tăng hàm lượng prolin…
1.4. Glycin betain và vai trò của glycin betain trong các điều kiện bất lợi
của môi trường
Glycin betain là một sản phẩm quá trình oxy hóa của choline trong một
quá trình tổng hợp methionine, glycin betain có công thức phân tử C
5
H
11
NO
2
.

16


Hình 1.3. Công thức cấu tạo

Hình 1.4. Cấu hình không gian

Thực vật bậc cao tổng hợp glycin betain trong lục lạp thông qua con
đường: Choline → betaine aldehyde → Glycin betain (Rhodes và Hanson
1993) [25]. Bước đầu tiên được xúc tác bởi choline monooxygenase [13] và
bước thứ hai xúc tác bởi betaine aldehyde dehydrogenase (BADH).
Sự tích tụ của glycin betain (N, N, N - trimethyl glycine) trong cây dưới
tác động stress nước và muối được đề xuất đóng một vai trò quan trọng trong
điều chỉnh áp suất thẩm thấu, được nhiều nhà khoa học xem là một phản ứng
thích nghi để chống lại stress về nước và độ mặn [16], [34]. Có vẻ như chức
năng của glycin betain như một chất tương thích giúp cây thích nghi với các
điều kiện bất lợi hoặc bảo vệ trong tế bào chất và lục lạp (Incharbensakdi và
cộng sự, 1986) [18].
Glycin betain và khả năng chịu stress phi sinh học: thực vật tích lũy
nhiều phân tử trọng lượng thấp như một cơ chế thích nghi để giúp chúng chịu
đựng áp lực khác nhau. Nhiều sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân chuẩn, bao
gồm cả thực vật bậc cao, tích lũy phân tử trọng lượng thấp chất hoà tan hữu
cơ như glycin betain (N, N, N trimethyl glycine), sorbitol hoặc prolin, để đáp
ứng với áp lực môi trường (Kemble và Mc Pherson năm 1954) [20].
Các chất hoà tan tương thích đã được chứng minh là để bảo vệ tính toàn
vẹn của các enzym và màng và để bảo vệ chống lại các gốc tự do [27]. Các
tác dụng có lợi của sự tích lũy các chất hòa tan hữu cơ đã được chứng minh