Sự biến động huỳnh quang diệp lục và hàm lượng prolin của lá đậu tương trong quá trình gây hạn (LV00292)

1

Bộ GIáO DụC Và ĐàO TạO
TRƯờNG đại học sư phạm hà nội 2
---- ----

Bùi bá đạt

sự biến động huỳnh quang diệp lục và
hàm lượng prolin của lá đậu tương
trong quá trình gây hạn

luận văn thạc sĩ sinh học

Hà Nội, 2009


2

Bộ GIáO DụC Và ĐàO TạO
TRƯờNG đại học sư phạm hà nội 2
---- ----

Bùi bá đạt

sự biến động huỳnh quang diệp lục và
hàm lượng prolin của lá đậu tương
trong quá trình gây hạn
Chuyên ngành : Sinh học thực nghiệm
Mã số : 60.42.30

luận văn thạc sĩ sinh học
Người hướng dẫn khoa học

PGS.TS. Nguyễn Văn Mã

Hà Nội, 2009


3

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành bản luận văn này, em xin bầy tỏ lòng kính trọng và
biết ơn sâu sắc tới thầy giáo PGS.TS. Nguyễn Văn Mã đã tận tình hướng
dẫn và giúp đỡ em trong suốt thời gian thực hiện đề tài.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô giáo trong khoa Sinh KTNN, khoa Hóa học và Trung tâm Hỗ trợ nghiên cứu khoa học và chuyển giao
công nghệ trường Đại học sư phạm Hà Nội 2 đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện
về trang thiết bị để thực hiện tốt đề tài này.
Tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp đã động viên khích lệ
và giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn này.

Hà Nội, Tháng 9 năm 2009
Tác giả

Bùi Bá Đạt


4

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Những số liệu
và kết quả nêu trong luận văn là hoàn toàn trung thực. Đề tài chưa từng
được công bố trong bất kì công trình khoa học nào khác. Nếu sai tôi xin
hoàn toàn chịu trách nhiệm.

Học viên
Bùi Bá Đạt


5

PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài
Đậu tương (Glycine max (L) Merrill) là loại cây lương thực quan trọng
của thế giới, bởi chúng có những đặc tính ưu việt về hàm lượng prôtêin, lipit:
prôtêin chiếm đến 40%, lipit chiếm trên 20% khối lượng khô của hạt. Thâm
canh đậu tương là một trong những hướng giải quyết nạn đói prôtêin tốt nhất
hiện nay ở các nước đang phát triển.
Ở Việt Nam, đậu tương được trồng từ rất sớm, sản phẩm từ đậu tương
đã đi vào những bữa cơm truyền thống của người Việt như: đậu phụ, tương,
dầu ăn…Cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp chế biến, bột đậu
tương là thành phần quan trọng trong thức ăn gia súc góp phần tăng trưởng
cho ngành chăn nuôi.
Đậu tương là cây dễ trồng, khả năng thích nghi rộng với các loại đất, nhờ
hoạt động cố định đạm của nhóm vi khuẩn sống cộng sinh trong rễ nên cây đậu
tương không chỉ có ý nghĩa về mặt kinh tế, dinh dưỡng mà còn có tác dụng cao
trong việc cải tạo đất, góp phần luân canh cây trồng một cách có hiệu quả.
Cây đậu tương giữ vai trò quan trọng trong các cây lấy dầu trên thế giới, tiếp
sau là bông, lạc, hướng dương. Sản xuất đậu tương được thúc đẩy do nhu cầu về
dầu ăn và chất dinh dưỡng bổ sung prôtêin. Từ năm 1970, việc sản xuất đậu tương

đã tăng gấp 2 lần so với bất cứ cây lấy dầu nào khác [3], [5]. Sản xuất đậu tương
phát triển mạnh nhất ở Mỹ, Braxin, Achentina, Trung Quốc, Ấn Độ. Năm 2008 sản
lượng đậu tương trên thế giới đạt 220,9 triệu tấn, năng suất bình quân đạt 2,15
tấn/ha. Sản xuất đậu tương của châu Á chỉ chiếm 11,7% thế giới và phát triển mạnh
ở Trung Quốc và Ấn Độ. Ở Việt Nam, diện tích trồng đậu tương đạt 210 000 ha với
sản lượng 300 000 tấn, năng suất đạt 1,5 tấn/ ha [10].


6

Vấn đề cơ bản hạn chế năng suất đậu tương của Việt Nam là điều kiện khí
hậu, đặc biệt là hạn hán [3], [5], [15]. Do nước ta có địa hình da dạng, diễn biến khí
hậu phức tạp, lượng mưa phân bố không đều giữa các vùng và các thời kì trong
năm nên hạn hán có thể xảy ra ở nhiều mùa khác nhau.
Các nghiên cứu tìm hiểu bản chất khả năng chịu hạn của cây trồng nói chung
và đậu tương nói riêng ngày càng được mở rộng. Với sự tiến bộ của khoa học kĩ
thuật hiện đại, các nhà khoa học có điều kiện đi sâu tìm hiểu cơ chế sinh lý liên
quan đến tính chịu hạn của thực vật như: ảnh hưởng của thiếu nước đến sự phát
triển của hạt [49], [56], đến quá trình hô hấp [50] và quang hợp [52], [53]. Một số
cơ chế hóa sinh và sinh học phân tử cũng đã được nghiên cứu như: xác định vị trí
của gen liên quan đến điều chỉnh áp suất thẩm thấu [14], gen tổng hợp một số chất
hình thành và tích lũy nhiều khi hạn hán: prolin, nhóm amin bậc 4, một số đường
… [2], [23], [29], [31], [32], [35], [37], [39], [41], [42], [43], [45], [48], [56].
Tuy nhiên, việc đi sâu tìm hiểu sự biến động của các chỉ tiêu sinh lý,
sinh hoá của cây đậu tương trong quá trình gây hạn nhằm làm rõ hơn bản chất
phản ứng của đậu tương trong quá trình bị hạn, để từ đó đánh giá khả năng
chịu hạn và tìm kiếm các giải pháp nâng cao khả năng chịu hạn của đậu tương
là vấn đề quan trọng đang cần được nghiên cứu. Theo hướng này chúng tôi
tiến hành nghiên cứu sự biến động của huỳnh quang diệp lục và hàm lượng
prolin của lá đậu tương trong quá trình gây hạn.

2. Mục đích nghiên cứu
Tìm hiểu sự biến động huỳnh quang diệp lục và hàm lượng prolin ở lá
của giống đậu tương ĐT22 trong quá trình gây hạn.
3. Nhiệm vụ nghiên cứu
Xác định sự biến động huỳnh quang diệp lục của lá đậu tương trong quá trình
gây hạn và phục hồi khi tưới nước trở lại ở thời kì cây non, ra hoa, quả non, quả chắc.


7

Xác định sự biến động hàm lượng prolin của lá đậu tương trong quá trình gây
hạn và phục hồi khi tưới nước trở lại ở thời kì cây non, ra hoa, quả non, quả chắc.
Xác định một số chỉ tiêu cấu thành năng suất và hàm lượng nitơ tổng số.
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng: Giống đậu tương ĐT22
Phạm vi nghiên cứu: Hàm lượng prolin và huỳnh quang của giống đậu tương
ĐT22.
5. Phương pháp nghiên cứu
Thực nghiệm
6. Giả thuyết khoa học
Trong quá trình gây hạn hàm lượng prolin sẽ tăng và giảm dần trong quá
trình phục hồi khi tưới nước trở lại.
Hạn làm huỳnh quang diệp lục sẽ biến đổi: huỳnh quang ổn định (Fo) tăng
sau đó giảm dần ở quá trình phục hồi khi tưới nước trở lại, huỳnh quang cực đại
(Fm), hiệu suất huỳnh quang biến đổi (Fvm) giảm dần và tăng trở lại trong quá trình
phục hồi khi tưới nước trở lại.
7. Ý nghĩa lý luận và thực tiễn
Tìm hiểu sâu về huỳnh quang diệp lục và hàm lượng prolin góp phần
bổ sung nguồn tài liệu nghiên cứu về huỳnh quang diệp lục và prolin của lá
đậu tương trong quá trình gây hạn.

Kết quả nghiên cứu giúp đánh giá rõ hơn phản ứng của đậu tương trong quá
trình bị hạn, làm cơ sở khoa học cho việc đánh giá và chọn các giống chịu hạn.


8

NỘI DUNG
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Đặc điểm sinh trưởng, nhu cầu về nước của đậu tương
1.1.1. Cây đậu tương và tình hình gieo trồng đậu tương
Cây đậu tương thuộc họ Đậu (Fabaceae), năm 1948 Ricker và Morse đã
khẳng định tên thực vật đúng của đậu tương là Glycine max (L) Merrill. Chi phụ
soja có hai loài Glycine max (L) Merrill và Glycine soja sieb et Zucc. Glycine max
(L) Merrill là cây trồng hàng năm, không phát hiện thấy loài hoang dại. Thân cây
đậu tương thẳng, ít phân nhánh, dạng bụi, lá xẻ chét hình lông chim. Phiến lá hình
ô van. Chùm hoa có cuống ngắn, hoa tím hoặc hoa trắng. Quả thẳng hoặc cong,
thường có nhiều lông, mỗi quả thường có từ 1 tới 3 hạt hình tròn hoặc hình cầu.
Vỏ hạt có mầu sắc khác nhau vàng, nâu, đen, xanh. Khối lượng hạt dao động từ
10g đến 20g [3], [5].
Những nghiên cứu về nguồn gốc cây đậu tương chứng tỏ cây đậu tương bắt
nguồn từ Trung Quốc, những kết quả nghiên cứu về tế bào học, hình thái học,
protein trong hạt và ADN của ty thể chứng tỏ rằng G. soja là tổ tiên hoang dại của
cây đậu tương trồng [3].
Tình hình gieo trồng đậu tương
Cây đậu tương là cây có ý nghĩa về mặt kinh tế và môi trường, diện tích
đậu tương ngày càng được mở rộng trên toàn thế giới. Hiện nay, đậu tương có mặt
ở khắp các châu lục, tập trung nhiều nhất ở châu Mỹ, tiếp đến là châu Á và một số
nơi khác trên thế giới.
Đậu tương được trồng ở Việt Nam sớm nhưng do tập quán canh tác nên
đậu tương chưa phát triển về diện tích và năng suất. So với bình quân chung của

9

thế giới, năng suất đậu tương của Việt Nam chỉ đạt 57%. Cả nước hình thành 6
vùng sản xuất đậu tương: vùng Đông Nam Bộ có diện tích lớn nhất chiếm 26,2%
diện tích đậu tương cả nước, miền núi Bắc Bộ 24,7%; Đồng bằng sông Hồng
17,5%; Đồng bằng sông Cửu Long 12,4%; còn lại là vùng đồng bằng ven biển
miền Trung và Tây Nguyên chiếm 33,4%. Về sản lượng: 3 vùng Đồng bằng sông
Hồng, Đông Nam Bộ, Đồng bằng sông Cửu Long chiếm 63% sản lượng đậu
tương cả nước. Đặc biệt vùng Đồng bằng sông Cửu Long với 12,4% diện tích
nhưng lại chiếm 20,9% sản lượng đậu tương cả nước, năng suất bình quân đạt 16
tạ/ha [3].
1.1.2. Các giai đoạn sinh trưởng và nhu cầu về nước của cây đậu tương
* Giai đoạn nẩy mầm và cây non
Sau khi gieo 5 - 7 ngày, thân rễ vươn dài và đưa 2 lá mầm ra khỏi mặt đất,
hai lá mầm mở ra, thân mầm phát triển thành thân chính. Lúc này, cây non sống
chủ yếu nhờ vào thức ăn dự trữ trong lá mầm, khi bộ rễ phát triển hút chất dinh
dưỡng từ đất nuôi cây là lúc lá mầm chuyển sang mầu vàng và rụng xuống [12].
Nhu cầu về nước giai đoạn này khá lớn, để đảm bảo hạt nẩy mầm hàm lượng
nước trong hạt phải đạt 50% so với khối lượng hạt [3]. Thiếu nước ở thời kì cây
con làm giảm quá trình tăng trưởng nhưng ít ảnh hưởng nghiêm trọng đến năng
suất nếu hạn không làm ảnh hưởng đến sự khép tán hoàn toàn [5].
* Giai đoạn sinh trưởng sinh dưỡng
Thân lá phát triển nhanh từ khi mọc cho đến khi ra hoa. Có hai kiểu sinh
trưởng của thân và ra hoa chính ở cây đậu tương: các giống sinh trưởng hữu hạn
gần như đạt chiều cao tối đa khi ra hoa và ngừng sinh trưởng ở thời kì này, các
giống sinh trưởng vô hạn chỉ đạt nửa chiều cao tối đa thì ra hoa và cây tiếp tục
sinh trưởng sinh dưỡng. Ở giai đoạn này, bộ rễ phát triển nhanh về chiều rộng và
chiều sâu. Nốt sần hình thành nhiều và bắt đầu hoạt động cố định đạm cung cấp

chất dinh dưỡng cho cây [3], [12]. Giai đoạn này sẽ bị kìm hãm khi cây bị thiếu


10

nước, cây sớm chuyển từ giai đoạn sinh dưỡng sang ra hoa, vì vậy nhu cầu về
nước cho cây phải tăng hơn so với giai đoạn cây con.
* Giai đoạn ra hoa
Thời gian ra hoa đầu tiên đến ra hoa cuối cùng kéo dài từ 3 đến 4 tuần, tùy
thuộc vào giống chín sớm hay chín muộn. Ở những giống sinh trưởng hữu hạn, có
chùm hoa ở cả ngọn và nách lá, quả hình thành phân bố đều dọc theo thân và phía
ngọn có phần nhiều hơn. Cây đậu tương ra nhiều hoa nhưng tỷ lệ hoa không đậu
quả khoảng 20 - 80% [3], [5], [12]. Hoa rụng do nhiều nguyên nhân nhưng chủ
yếu do ảnh hưởng bất lợi từ môi trường, đặc biệt là hạn hán. Các nghiên cứu về
nhu cầu nước của cây đậu tương cho thấy cây cần rất nhiều nước ở giai đoạn này.
Thiếu nước dẫn đến giảm số chùm hoa, rụng hoa và giảm số quả [34].
* Giai đoạn hình thành quả và hạt
Quả đầu tiên hình thành trong phạm vi 7 - 8 ngày sau khi hoa đầu tiên nở.
Trong điều kiện bình thường, quả sẽ phát triển đầy đủ sau khoảng 20 ngày, các
chất dinh dưỡng trong cây được vận chuyển vào hạt, quả mẩy dần [12]. Nhu cầu
về nước ở giai đoạn này của cây tăng cao, thiếu nước làm rụng quả, giảm kích
thước hạt, ảnh hưởng nghiêm trọng đến năng suất và phẩm chất của hạt [34].
* Giai đoạn quả chín
Hạt phình to, kín khoang hạt, quả mẩy đều, cây ngừng sinh trưởng, độ ẩm
trong hạt giảm dần cho đến khi chỉ còn 13 - 15%. Lá đậu chuyển sang mầu vàng
và rụng xuống đất [12]. Nhu cầu về nước của cây đậu tương ở giai đoạn này giảm
hơn so với các giai đoạn trước. Khi quả chín, để duy trì chất dinh dưỡng, tránh bị
nhiễm bệnh và nẩy mầm sớm cần phải để độ ẩm của đất giảm dần.
Tính mẫn cảm của cây đậu tương đối với sự thiếu hụt nước ở các giai đoạn
sinh trưởng là khác nhau. Giá trị của tính mẫn cảm ở mỗi giai đoạn được cho là

phần năng suất bị giảm do thiếu nước nghiêm trọng ở giai đoạn đó. Kết quả cho
thấy giá trị mẫn cảm của đậu tương ở giai đoạn sinh dưỡng là 0,12; ở thời kì ra


11

hoa là 0,24; cuối ra hoa hình thành quả là 0,35 và giai đoạn quả chín là 0,13 [3].
Sử dụng giá trị này để có kế hoạch tưới tiêu hợp lý cho từng giai đoạn sinh trưởng
của cây đậu tương. Theo đó cần tưới nước khi sự suy kiệt nước trong đất đạt tới
80% ở giai đoạn sinh trưởng sinh dưỡng, 45% ở giai đoạn ra hoa, 30% ở giai đoạn
cuối ra hoa, làm quả và 80% ở giai đoạn quả chín. Như vậy, không nên để cây
thiếu nước ở giai đoạn cây ra hoa, tạo quả mà tưới nước là rất cần thiết ở giai đoạn
này.
1.2. Vai trò của prolin và huỳnh quang diệp lục trong việc đánh giá khả
năng chịu hạn
1.2.1. Prolin và vai trò của prolin

Công thức cấu tạo

Cấu trúc không gian

Prolin hay  - pirolidin cacboxylic là một  - iminoaxit ưa nước có công
thức phân tử C5H9NO2, có mạch bên là hidrocacbua khác với các axit amin khác
ở chỗ nhóm amin bậc 1 ở Cα liên kết với cacbon của mạch bên tạo thành vòng
pirolidin.
Prolin được tổng hợp từ L-glutamat bởi enzim chìa khoá  -pyrrolincacboxilat-synthetaza (P5CS), emzim này được điều hoà bởi prolin thông qua cơ
chế ức chế ngược. Thực vật chịu stress nước, sự điều hoà ngược này đã biến mất


12

và đây có thể là nguyên nhân làm tăng sự tích luỹ prolin dưới các điều kiện
stress.
Theo Delauney AJ, Verma DPS (1993) [33] con đường tổng hợp prolin
trong thực vật như sau:

P5CS:  -pyrrolin-5-cacboxilat synthetaza
P5CR:  -pyrrolin-5-cacboxilat reductaza
Prolin thuộc nhóm các chất điều hòa thẩm thấu, chúng có khối lượng
phân tử nhỏ, các hợp chất này có chung tính chất không tích điện ở pH trung
tính (như các ion vô cơ) và có khả năng hòa tan tốt trong nước, không độc khi
tập trung với nồng độ cao và làm ổn định cấu trúc của các phân tử prôtêin,
giúp thành tế bào chống lại ảnh hưởng làm biến tính của sự tập trung muối
cao và các chất tan khác có hại cho tế bào [54]. Prolin tự do trong khi stress
có hiệu ứng sinh học đa năng, không chỉ trong chức năng điều chỉnh áp suất
thẩm thấu mà còn có tác động bảo vệ hàng loạt enzim trong điều kiện biến
tính (nhiệt độ cao, nồng độ muối cao…), bên cạnh đó nó còn thể hiện khả
năng bảo vệ gián tiếp prôtêin và màng khỏi tổn thương. Prolin còn được xem
như một dạng dự trữ nitơ khi gặp stress, nó dễ được sử dụng ở giai đoạn khử
như thành phần của hệ thống giữ gìn pH của tế bào và điều chỉnh thế khử của
tế bào, prolin còn là nguồn cung cấp năng lượng và đương lượng khử [27].


13

Phân tử prolin có cấu trúc vòng (pirolidin), cấu trúc này tạo 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
prôtêin, dự trữ nitơ và năng lượng.

Sự tích lũy prolin là một phản ứng chuyển hóa thông thường ở thực vật
trong điều kiện thiếu hụt nước và stress muối, đây là chủ đề được các nhà khoa
học nghiên cứu hơn 20 năm qua (Stewart and Larher, Thompson, Stewart,
Hanson and Hizt, Rhodes, Delauney and Verma, Samaras, Taylor, Rhodes) [54].
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 (Rhodes and Handa, 1989) [55].
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. 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 (Binzel et al, 1987) [30]. Tương tự như
vậy, sự tích lũy prolin nội bào ở các tế bào Distichlis spicata trong điều kiện
stress muối (xử lí ở nồng độ 200 mM NaCl) ước tính trên 230 mM (Ketchum
et al, 1991) [46]. Cũng trên đối tượng cây thuốc lá, Kishor P.B.K và cộng sự
(1995) [47] 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 tăng khoảng từ 10 - 18 lần so với đối chứng. Thực vật
được chuyển gen (gen P5CS) cũng được nghiên cứu trên đối tượng là cây
đậu tương (J.A.de Ronde; R.N. Laurie; T.Caetano; M.M. Greyling; I.Kerepesi


14

2004) [43]. Các tác giả tiến hành so sánh giữa dòng đậu tương chuyển gen
P5CS và dòng đậu tương không chuyển gen cho thấy dòng chuyển gen có khả
năng chịu đựng hạn tốt hơn. Ngoài ra, còn có nghiên cứu trên nhiều đối
tượng: dưa hấu [32], cà chua [35], lúa mì [37], khoai tây [39], củ cải đường

[42], ... cho kết quả tương tự.
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 Nguyễn Hữu Cường (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. Tác giả Đinh
Thị Phòng (2001) [23] khi xử lí hạn hàm lượng prolin đều tăng lên, mức độ
tăng lên ở các giống khác nhau là khác nhau, những giống chịu hạn tốt tăng 9
lần sau khi xử lí hạn 8 ngày.
Như vậy, prolin có ảnh hưởng lớn tới tính chịu hạn ở thực vật và cây
trồng nói riêng, sự tổng hợp axit amin prolin ở thực vật hay cây trồng diễn ra
khi chúng sống trong điều kiện thiếu nước, stress muối. Những nghiên cứu về
prolin trên đối tượng lúa, đậu xanh, cà chua, cây thuốc lá… cho thấy sự tương
quan thuận giữa gia tăng hàm lượng proline với tính chống chịu sự thiếu
nước, stress muối của chúng [2], [33], [42]... Do đó có thể xem axit amin này
như một chất chỉ thị về khả năng chịu hạn của thực vật, hay sự tích lũy prolin
là biểu hiện của phản ứng thích nghi của thực vật với điều kiện cung cấp nước
khó khăn.
1.2.2. Huỳnh quang diệp lục và vai trò của huỳnh quang diệp lục
Huỳnh quang diệp lục là sự bức xạ được diệp lục phát ra với bước sóng
dài hơn bước sóng hấp thụ và đồng thời với thời gian chiếu sáng.
Khi phân tử diệp lục nhận năng lượng kích thích, nó chuyển tới một trạng
thái năng lượng cao hơn là trạng thái kích thích, trạng thái không bền và sự quay


15

trở lại trạng thái cơ bản diễn ra rất nhanh bằng các cách giải phóng năng lượng
hấp thụ theo những con đường sau:
- Một là nó có thể chuyển năng lượng tới một phân tử nhận năng lượng

khác và cuối cùng khởi động các phản ứng quang hoá, gây ra sự truyền điện tử
quang hợp.
- Hai là năng lượng được giải phóng ra dưới dạng nhiệt.
- Ba là năng lượng được giải phóng ra dưới dạng sóng điện từ. Có nghĩa là
có thể phát lại dưới dạng một photon có năng lượng nhỏ hơn (tức là có bước
sóng dài hơn). Hiện tượng này được gọi là huỳnh quang diệp lục.
Các quá trình truyền năng lượng nêu trên cạnh tranh nhau, những thay đổi
của hiệu suất quang hợp hoặc của sự hao phí dưới dạng nhiệt sẽ gây ra thay đổi
bổ sung của bức xạ huỳnh quang (trong cùng điều kiện sự hao phí dưới dạng
nhiệt là không đổi, chủ yếu là sự cạnh tranh giữa phản ứng quang hoá và huỳnh
quang diệp lục).
Ta có thể mô tả quá trình trên bằng sơ đồ:
K K K

f
d
ph
P * 
P

P và P* là trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích của phân tử diệp lục.
Kf, Kd, Kph là các hằng số tốc độ làm mất đi trạng thái kích thích bằng bức xạ
(huỳnh quang), không bức xạ (mất đi dưới dạng nhiệt) và quang hoá (sự phân
chia đầu tiên của các điện tích trong tâm phản ứng).
Hiệu suất lượng tử của phản ứng quang hoá và huỳnh quang sẽ tương ứng
bằng:

QZ 

k ph

k f  kd  k ph

QF0 

kf
k f  kd  k ph

Trong điều kiện tối ưu, khi các trung tâm phản ứng hoạt động (các tâm
phản ứng “mở”) hằng số Kph lớn hơn đáng kể so với các hằng số còn lại và do


16

đó năng lượng kích thích được sử dụng trong phản ứng quang hợp với hiệu
suất lượng tử QZ gần bằng đơn vị (1), có một phần rất nhỏ năng lượng kích
thích bị mất đi dưới dạng huỳnh quang trong quá trình vận chuyển năng lượng
về tâm phản ứng. Như vậy, khi tâm phản ứng “mở” xảy ra quá trình oxi hoá
hoàn toàn chất nhận điện tử đầu tiên quinon (QA), còn khi các tâm phản ứng
“đóng” xảy ra sự khử chất nhận điện tử đầu tiên quinon (QA) và khi đó hiệu
suất huỳnh quang đạt giá trị cực đại. Khi tâm phản ứng “đóng” thì hằng số tốc
độ mất trạng thái kích thích bằng quang hoá sẽ bằng không, còn huỳnh quang
tăng lên và đạt giá trị cực đại (Fm):
(QZ) = 0

QFm 

;

kf
k f  kd  k ph

Hiệu số giữa cường độ huỳnh quang khi tâm phản ứng “đóng” và “mở”
(Fvm = Fm – F0) được gọi là huỳnh quang biến đổi của diệp lục. Nó tương ứng
với phần năng lượng ánh sáng được các tâm phản ứng “mở” sử dụng trong
phản ứng quang hoá. Một cách dễ dàng có thể chỉ ra rằng tỉ lệ giữa huỳnh
quang biến đổi và huỳnh quang cực đại bằng hiệu suất lượng tử của phản ứng
quang hoá đầu tiên phân chia các điện tích ở các tâm phản ứng quang hợp:

QFm  QF0
QFm



k ph
k f  kd  k ph

 QZ

Như vậy, đo cường độ huỳnh quang ổn định (F0) và cường độ huỳnh
quang cực đại (Fm) trong một thời gian tương đối cho phép nhận được giá trị
tuyệt đối về hiệu quả sử dụng năng lượng ánh sáng trong các phản ứng quang
hoá:

QZ 

Fv Fm  F0

Fm
Fm

17

Hiệu quả phân chia điện tích trong các tâm phản ứng bị giảm khá nhiều
khi điều kiện sinh trưởng gặp bất lợi (ánh sáng dư thừa, nhiệt độ thấp, hạn
hán, thiếu dinh dưỡng…). Hiệu suất huỳnh quang biến đổi đặc trưng cho hiệu
quả khử quinon A trong hệ quang hoá II và có thể được sử dụng để đánh giá
trạng thái sinh lí của thực vật.
Huỳnh quang diệp lục là một thông số phản ánh trạng thái sinh lý của
bộ máy quang hợp trong điều kiện môi trường bất lợi [59]. Phương pháp phân
tích huỳnh quang diệp lục có ưu điểm là cho phép xác định nhanh tính chống
chịu của thực vật dưới tác động của điều kiện bất lợi ở trạng thái in vivo mà
không gây tổn thương cho cây trồng trong quá trình nghiên cứu [24], [40]. Áp
dụng những kĩ thuật hiện đại giúp người ta thu được những kết quả quan
trọng cho phép giải thích nguồn gốc và hiểu một cách sâu sắc về cơ chế của
hiện tượng huỳnh quang. Nghiên cứu về huỳnh quang diệp lục của thực vật
trong điều kiện strees nước khẳng định: thiếu nước trầm trọng có ảnh hưởng
tiêu cực đến hàm lượng diệp lục, làm hư hại các protein của của quang hệ II
và trực tiếp làm biến đổi tham số huỳnh quang diệp lục [59]. Theo Đinh Thị
Phòng và cộng sự: hạn ảnh hưởng đến hệ thống quang hợp, làm cho số lượng
trung tâm phản ứng ở trạng thái mở giảm, năng lượng dùng cho quang hóa
giảm dẫn đến cường độ huỳnh quang ổn định tăng đồng nghĩa với khả năng
chịu hạn kém khi so sánh các giống các dòng với nhau, kết quả nhận được
cũng tương tự như kết quả nghiên cứu tính chống chịu mặn ở các loại tảo, dưa
chuột chịu lạnh [24]. Theo Đặng Diễm Hồng và cộng sự: khẳng định Fm
giảm ở nhiệt độ cao trên 45 0C có liên quan đến sự phá hủy bằng nhiệt độ của
một số protein của PSII [9].
Ở Việt Nam, trong khoảng 10 năm trở lại đây bắt đầu xuất hiện một số
công trình nghiên cứu về huỳnh quang diệp lục trong điều kiện môi trường bất
lợi ở một số loài như: tảo [9], cà chua [11], lạc [20], lúa [24], [26], nhãn [25].

18

Trên đối tượng đậu tương cũng đã có công trình nghiên cứu về huỳnh
quang diệp lục. Nghiên cứu của Nguyễn Văn Mã và cộng sự chỉ ra rằng giá trị
hiệu suất huỳnh quang biến đổi Fvm ở những giống đậu tương có khả năng
chịu hạn khá cao hơn những giống có khả năng chịu hạn kém hơn, trong điều
kiện gây hạn giá trị cường độ huỳnh quang ổn định của lá đậu tương tăng, giá
trị huỳnh quang cực đại có xu hướng giảm, hiệu suất huỳnh quang biến đổi
giảm rõ rệt [18].
1.3. Tính chịu hạn và tình hình nghiên cứu tính chịu hạn của cây đậu
tương
1.3.1. Hạn và nguyên nhân gây hạn
Bất cứ loại cây trồng nào đều cần một lượng nước nhất định để duy trì
sự sống. Lượng nước cần thiết cho từng giai đoạn, từng loại thực vật là khác
nhau. Hạn đối với thực vật là sự thiếu nước của cây do môi trường gây nên
trong suốt quá trình hay trong từng giai đoạn làm ảnh hưởng đến sinh trưởng
phát triển. Khô hạn có thể gây ra nhiều mức độ tổn thương khác nhau cho
cây trồng như: chết, chậm phát triển hay phát triển không bình thường.
Những cây trồng có khả năng duy trì sự phát triển và cho năng suất khá ổn
định trong điều kiện khô hạn được gọi là cây chịu hạn và khả năng thực vật
có thể giảm mức độ tổn thương do thiếu hụt nước gây ra gọi là tính chịu hạn.
Quá trình sinh trưởng phát triển của cây đậu tương cần rất nhiều nước,
trong cả vụ nhu cầu nước đối với cây đậu tương dao động từ 330 - 766mm.
Nhu cầu về nước của cây đậu tương phụ thuộc vào độ dài của thời gian sinh
trưởng, tốc độ phát triển của cây trước khi phủ kín đất và lượng nước có sẵn
trong đất [3]. Khả năng chịu hạn của các giống đậu tương là khác nhau do
chúng có các kiểu gen khác nhau. Khả năng này của các giống liên quan đến
sự phát triển nhanh của bộ rễ, với tính chín sớm cũng như bản chất di truyền

19

về khả năng sử dụng nước một cách tiết kiệm trong quá trình sinh trưởng
phát triển của cây.
Hạn hán thường xảy ra ở các dạng sau
* Hạn không khí
Hạn không khí thường xảy ra ở những vùng gió nóng, nhiệt độ cao như
gió Lào ở miền Trung nước ta, thường lan rất nhanh, gây ra khô hạn ở diện
rộng, làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến một số cây trồng như phong lan, cam,
chanh, đậu tương.
Hạn không khí tác động chủ yếu đến các bộ phận trên mặt đất, không
khí nóng và gió làm giảm đáng kể độ ẩm không khí, dẫn đến thoát hơi nước
nhanh, làm mất cân bằng nước trong cây. Hiện tượng héo tạm thời gây nên do
lượng nước của rễ cung cấp không đủ bù đắp lượng nước mất đi. Mức độ
phản ứng đối với sự mất nước của cây tùy thuộc vào giai đoạn phát triển. Ở
cây đậu tương hạn ảnh hưởng nghiêm trọng vào thời kì bắt đầu ra hoa cho đến
khi tạo quả và hình thành hạt [34].
* Hạn đất
Hạn đất thường xảy ra ở những vùng có điều kiện khí hậu địa hình, địa
chất và thổ nhưỡng đặc thù. Các yếu tố này chi phối mạnh mẽ mức nước
ngầm và khả năng giữ nước của đất. Mức độ khô hạn của đất tùy thuộc vào sự
bốc hơi nước trên bề mặt và khả năng giữ nước của đất. Hạn đất làm cho áp
suất thẩm thấu của đất tăng lên đến mức cây không cạnh tranh được nước của
đất để lấy nước vào cơ thể qua rễ. Chính vì vậy, hạn đất thường gây ra hiện
tượng héo lâu dài.
Sự tác động của hạn đất mạnh lên bộ rễ của cây được thể hiện qua sự
điều tiết hoocmôn giúp cây chống chịu với điều kiện cực đoan. Trong trường
hợp này, axit abxixic là hoocmôn đầu tiên xuất hiện ở thực vật [41].

* Hạn toàn diện


20

Thực tế, hạn không khí thường kết hợp với hạn đất xảy ra cùng lúc.
Trong trường hợp này, cây không chỉ mất nước do thoát hơi nước ở lá tăng
nhanh mà sự hút nước ở rễ không thể diễn ra do lượng nước trong đất cạn
kiệt. Hạn toàn diện thường dẫn đến sự héo vĩnh viễn, cây không có khả năng
phục hồi.
1.3.2. Cơ chế sinh lí, sinh hóa của tính chịu hạn ở cây đậu tương
Tính chịu hạn là khả năng chống chịu được với sự thiếu nước của cây,
hiện tượng mất nước ở cây có thể do tác động sơ cấp do thiếu nước ở đất hoặc
có thể do sự tác động thứ cấp được gây nên bởi nhiệt độ cao hay thấp, tác
động của muối và nhiều yếu tố khác…
Cũng như các loại cây trồng khác, những giống đậu tương chịu hạn tốt
chống lại hoặc hạn chế sự mất nước bằng những biến đổi về hình thái hay
những phản ứng sinh hóa phù hợp.
* Ở cấp độ cơ thể
Biến đổi hình thái ghi nhận nhiều là biến đổi của bộ rễ, bộ rễ khỏe là
điều kiện tăng tính chịu hạn của cây, các rễ phụ với bề mặt hút phát triển
mạnh có khả năng giữ ẩm cho cây lâu hơn [28], [38]. Diện tích lá của đậu
tương giảm khi gặp hạn, phản ứng nhằm làm giảm thiểu sự thoát hơi nước ở
lá [36], [44].
* Ở cấp độ phân tử, tế bào
Đậu tương phản ứng đầu tiên khi gặp hạn là khí khổng đóng lại để
ngăn chặn sự thoát hơi nước ra ngoài [3], [5]. Sự đóng mở khí khổng liên
quan đến rất nhiều quá trình như quang hợp, hô hấp .Do vậy cũng như ở nhiều
cây trồng khác, ở đậu tương cùng với những thay đổi về hình thái, các phản
ứng sinh lí về hô hấp, cường độ quang hợp, cường độ thoát hơi nước của lá

cây đậu tương cũng biến đổi phù hợp với sự giảm stress nước trong lá khi cây
gặp hạn [36], [52].


21

Các thay đổi sinh hóa thường liên quan đến cơ chế chịu mất nước nhằm
sinh tổng hợp ra các chất bảo vệ hoặc nhanh bù lại sự thiếu hụt nước. Điều
chỉnh áp suất thẩm thấu nội bào thông qua tích lũy các chất hòa tan, các axit
amin và prôtêin ví dụ: Prolin, manitol, fructan, glicine, betaine, ion K+, các
enzim thủy phân… là cơ chế giúp tế bào duy trì lượng nước tối thiểu [29].
Tác dụng bảo vệ tế bào trong điều kiện mất nước của các phản ứng hóa sinh
nhằm đảm bảo sự khử độc các sản phẩm được tạo nên trong quá trình phân
giải các hợp chất cao phân tử hoặc xúc tiến sự phục hồi các cấu trúc sinh học
hư hại. Sau khi hạn ngừng tác động, các quá trình phục hồi diễn ra nhanh nên
bộ gen được bảo tồn khỏi bị hư hại trong thời gian khô hạn.
Cơ chế phân tử của khả năng chịu hạn của đậu tương có liên quan đến
các chất và các gen tương ứng, chúng có vai trò bảo vệ các enzim, các cấu
trúc trong tế bào, đồng thời đào thải các chất bị biến tính có khả năng gây độc
khi tế bào gặp yếu tố cực đoan [48]. Những nhóm chất đặc biệt quan tâm là
prôtêin sốc nhiệt (HSP - heat shock protein), trong đó các chất môi giới phân
tử (molecular chaperone), ubiquitin, prôtêaza, nhóm môi giới phân tử có vai
trò rất quan trọng, chúng tham gia vào việc tạo cấu trúc đúng cho prôtêin mới
tổng hợp, sửa chữa và tạo cấu trúc đúng có prôtêin bị biến tính do tác động
của điều kiện cực đoan [51]. LEA (late embryogenesis abundant protein),
prôtêin được tổng hợp với số lượng lớn ở giai đoạn cuối của quá trình hình
thành phôi, tham gia vào bảo vệ màng tế bào, cô lập ion, ổn định pH tế bào.
Sự tăng hoạt động của các enzim superoxide dismutase – SOD, catalaze…có chức
năng loại bỏ gốc tự do phát sinh trong tế bào khi gặp điều kiện cực đoan [56].
Như vậy đậu tương có hai cơ chế khắc phục ảnh hưởng bất lợi của điều

kiện thiếu nước:
- Khả năng thích nghi đặc biệt của cấu trúc và hình thái của rễ và lá để
tránh mất nước cho tế bào.


22

- Khả năng chịu mất nước dựa trên sự thay đổi tinh vi trong quá trình
chuyển hóa của tế bào dẫn đến sự xuất hiện và tích lũy các chất hòa tan, axit
amin, prôtêin đặc hiệu. Sự tích lũy các chất này không làm ảnh hưởng đến
chức năng các hệ enzim trong tế bào. Chúng có vai trò điều chỉnh áp suất
thẩm thấu bằng tác động tổng thể nhờ khả năng giữ và lấy nước vào tế bào
hoặc ngăn chặn sự xâm nhập của ion Na+ hoặc thay thế vị trí nước nơi xảy ra
phản ứng sinh hóa, tương tác với lipit hoặc prôtêin trong màng, ngăn chặn sự
phá hủy màng và các phức prôtêin khi gặp hạn.
1.3.3. Tình hình nghiên cứu tính chịu hạn của cây đậu tương
* Nghiên cứu tính chịu hạn đậu tương trên thế giới
Nghiên cứu nhu cầu sử dụng nước cho thấy cây đậu tương là cây trồng
có nhu cầu về nước cao, để tổng hợp 1 kg chất khô, đậu tương cần 500 – 530
kg nước. Để nẩy mầm, hạt đậu tương phải có khả năng đạt lượng ẩm cần thiết
khoảng 50% [5].
Tính chịu hạn của cây đậu tương mang tính đa gen thể hiện ở nhiều
khía cạnh khác nhau như sự phát triển nhanh của bộ rễ, tính chín sớm tương
đối, cũng như bản chất di truyền của từng giống, có khả năng sử dụng nước
một cách tiết kiệm trong quá trình sinh trưởng phát triển của cây. Dựa vào đặc
điểm trên, cây đậu tương được chia thành hai nhóm:
- Nhóm chịu được thiếu nước trong tất cả các giai đoạn phát triển của cây.
- Nhóm chịu được sự mất nước trong từng giai đoạn phát triển.
Với sự tiến bộ của ngành khoa học cơ bản, sinh học cũng có bước tiến
dài trong nghiên cứu bản chất tính chịu hạn. Các gen liên quan đến tính chịu

hạn đã được nghiên cứu và phân lập. Bản chất tính chịu hạn ở cây đậu tương
dần được chứng tỏ: cADN của dehydrin từ lá đậu tương bị mất nước được
phân lập, dehydrin là một trong những LEA với chức năng bảo vệ tế bào khi
bị mất nước [49], [51]. Whitsitt và cộng sự, 1997 [58] nhận thấy rằng khi đậu


23

tương bị mất trên 60% lượng nước thì không thể phục hồi được. Mất nước
kèm theo sự điều chỉnh áp suất thẩm thấu và tăng lượng ARN thông tin của
gen dehydrin Mat 1 [49]. Đây là trường hợp dehydrin đặc biệt vì gen này
không cảm ứng với ABA. Các gen phản ứng với ABA được gọi tên chung là
RAB (responsive to abscisic acid) hiện đang là nhóm gen được sự quan tâm
của các nhà khoa học trên thế giới. Nhiều nghiên cứu khẳng định có mối liên
quan giữa tích lũy ABA với sự tăng hàm lượng các chất điều chỉnh áp suất
thẩm thấu khi cây gặp hạn, các chất này (thường là prôtêin hoặc axit amin)
được tổng hợp bởi các gen RAB. Bên cạnh đó, một số chất có khả năng điều
chỉnh áp suất thẩm thấu, không liên quan đến sự tích lũy ABA, sự tăng hàm
lượng của chúng độc lập với sự tích lũy ABA.
Sheila A. Blackman và cộng sự, 1992 [57] đã nghiên cứu HSP trong
phôi mầm hạt đậu tương đang chín ở điều kiện bình thường và dưới áp suất
thẩm thấu cao. Kết quả nghiên cứu khẳng định rằng HSP tăng lên trong quá
trình hình thành hạt và sẽ giảm khi hạt nẩy mầm trong quá trình chín của hạt,
HSP được nghiên cứu đồng thời với sự tăng lên của hydrat cacbon dễ tan.
HSP hỗ trợ bảo vệ tế bào vào thời điểm oligosacarit chưa được tổng hợp đủ
lượng để thực hiện chức năng.
* Tình hình nghiên cứu tính chịu hạn của đậu tương ở Việt Nam
Những công trình nghiên cứu về tính chịu hạn của đậu tương ở Việt
Nam trong những năm qua chủ yếu đi sâu về phương diện hình thái, di truyền,
chọn giống, sinh học phân tử [6], [7], [14], [21], khả năng cộng sinh cố định

đạm của một số giống, dòng đậu tương [8], khả năng chịu hạn của đậu tương
khi sử lí phân vi lượng ở thời điểm khác nhau [16], tác động của phân vi
lượng và nitragin tới sự tạo nốt sần và cố định nitơ [17]. Kết quả nghiên cứu
đã được ứng dụng trong sản xuất và chọn tạo nhiều giống đậu tương mới có
năng suất cao, phẩm chất tốt, phù hợp với điều kiện khí hậu canh tác của Việt


24

Nam. Nhiều giống đã được khu vực hóa như DT 2001, DT 2002, TL 57…
được công nhận giống quốc gia như DT 84, DT 96, AK 02, VX 93…
Nghiên cứu về khả năng chịu hạn của cây trồng ở Việt Nam đã được
tiến hành từ lâu trên các đối tượng lúa, ngô, đậu tương… tại Trung tâm
Nghiên cứu và Thực nghiệm đậu đỗ, Viện khoa học Kỹ thuật Nông nghiệp
Việt Nam, hàng trăm mẫu giống đậu tương nhập nội và một số giống địa
phương đã được đánh giá khả năng chịu hạn. Phương pháp đánh giá gián tiếp
khả năng chịu hạn, chịu nóng bằng cách cho hạt nảy mầm trong dung dịch
sucrose hoặc nhiệt độ cao và phương pháp làm héo khô. Kết quả từ trên 1000
mẫu giống nhập nội, tác giả đã phân lập được 185 mẫu giống có khả năng
chịu hạn trồng vụ đông, 68 mẫu giống chịu hạn tổng hợp, 65 mẫu chịu nóng
khá, 14 mẫu vừa chịu nóng và chịu hạn tốt và có nhiều đặc tính kinh tế quan trọng
khác. Đặc biệt nguồn gốc xuất xứ có ý nghĩa quan trọng: các giống chịu hạn đều
có nguồn gốc từ Trung Quốc và vùng Trung Á thuộc Liên Xô cũ [6], [7].
Chất lượng hạt của các giống đậu tương cũng được các nhà khoa học
rất quan tâm. Hàm lượng prôtêin dao động khoảng 30,54 - 49,84%/khối lượng
khô, hàm lượng lipit từ 13,35 - 30,29%/ khối lượng khô [13]. Trong hạt đậu
tương có chứa đủ các loại axit amin, tuy nhiên hàm lượng các axit amin có
chứa nhóm SH thấp [13]. Kết quả các nghiên cứu cũng cho thấy: một số
giống đậu tương có chất lượng hạt tốt nhưng năng suất không cao (ví dụ như:
PeL 112, Ba Lan, Tiền Đài…), ngược lại một số giống đậu tương có năng

suất cao nhưng nhưng chất lượng hạt kém (ví dụ như: xanh Bắc Hà, Khâm
Đức). Một số giống đậu tương chọn bằng phương pháp đột biến có chất lượng
hạt tốt, năng suất cao, kích thước và mầu sắc hạt có giá trị thương phẩm cao
đã và đang được đưa vào sản xuất đại trà (ví dụ như: DT 84, DT 96…).
Những năm gần đây, nhờ sự trợ giúp của thiết bị hiện đại, nhiều nghiên
cứu sâu hơn về tính chịu hạn được tiến hành, các nghiên cứu về huỳnh quang


25

diệp lục, cường độ quang hợp cho phép đánh giá nhanh khả năng chịu hạn của
cây [9], [11], [20], [24]. Trong điều kiện bất lợi khả năng chịu hạn của các
giống thể hiện qua sự biến đổi của các tham số F0, Fm và tỷ lệ Fv/m khi đo
cường độ huỳnh quang diệp lục. Cường độ quang hợp của lá cũng biến đổi
khi gặp hạn [11], [19]. Dựa vào sự thay đổi của các chỉ tiêu, có thể đánh giá
được khả năng chịu hạn của cây trồng, khả năng chịu hạn ở cây đậu tương là
tính trạng rất phức tạp, mang tính đa gen. Mối quan hệ phụ thuộc giữa tính
chịu hạn và các chỉ tiêu sinh lí thể hiện rất rõ nhất là thời gian sinh trưởng,
chiều cao của cây, khối lượng hạt, số hạt trên quả, số quả trên cây.