Đánh giá đa hình di truyền nguồn gen chịu hạn phục vụ công tác lập bản đồ QTL ở một số giống lúa địa phương việt nam
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.64 MB, 115 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
*********
PHẠM THỊ HOA
ĐÁNH GIÁ ĐA HÌNH DI TRUYỀN NGUỒN GEN CHỊU
HẠN PHỤC VỤ CÔNG TÁC LẬP BẢN ĐỒ QTL Ở MỘT
SỐ GIỐNG LÚA ĐỊA PHƯƠNG VIỆT NAM
CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ SINH HỌC
LUẬN VĂN THẠC SỸ CÔNG NGHỆ SINH HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. NGUYỄN THỊ THANH THỦY
HÀ NỘI - 2011
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đã trực tiếp thực hiện các nghiên cứu trong luận văn này.
Mọi kết quả thu được nguyên bản, không chỉnh sửa hoặc sao chép từ các nghiên
cứu khác. Các số liệu, sơ đồ kết quả của luận văn này chưa từng được công bố.
Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với những lời cam đoan trên!
Học viên
Phạm Thị Hoa
i
LỜI CẢM ƠN
Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới TS. Nguyễn Thị
Thanh Thủy, người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và chỉ bảo và hỗ trợ tôi trong
suốt quá trình công tác cũng như trong thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thành
luận văn này.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới các thầy cô và cán bộ công tác tại Viện Công
nghệ Sinh học thực phẩm, Viện Đào tạo Sau Đại học- Trường Đại học Bách khoa
Hà Nội đã giảng dạy và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập
tại trường.
Tôi xin chân thành cảm ơn các cán bộ, anh chị em trong Bộ môn Sinh học
phân tử- Viện Di truyền Nông nghiệp đã giúp đỡ và động viên tôi trong quá trình
công tác và thực hiện luận văn.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới gia đình, bạn bè và
người thân đã động viên, khuyến khích giúp tôi vượt qua những khó khăn trong suốt
quá trình nghiên cứu.
Luận văn này được thực hiện với nguồn kinh phí từ Quỹ phát triển Khoa học
và Công nghệ Quốc gia.
Học viên
PHẠM THỊ HOA
`
ii
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU .................................................................4
1.1. Giới thiệu chung về cây lúa ..............................................................................4
1.1.1. Nguồn gốc, sự phân bố của cây lúa .............................................................4
1.1.2 . Phân loại lúa.................................................................................................5
1.2. Nguồn tài nguyên lúa Việt Nam........................................................................7
1.2.1. Tài nguyên lúa hoang dại ..............................................................................7
- Oryza granulata : Ở các tỉnh vùng Tây Bắc..........................................................8
1.2.2. Tài nguyên lúa trồng Việt Nam.....................................................................8
1.3. Hạn hán và cơ chế tính chống chịu hạn của thực vật .....................................9
1.3.1. Khái niệm và phân loại hạn hán....................................................................9
1.3.2. Phân loại hạn hán đối với cây trồng.............................................................9
1.3.3. Tác hại của hạn hán đối với cây lúa............................................................10
1.3.4. Cơ sở sinh lý và hóa sinh của tính chống chịu hạn của cây lúa..................11
1.4. Các phương pháp nghiên cứu đa dạng di truyền..........................................16
1.4.1. Chỉ thị hình thái...........................................................................................17
1.4.2. Chỉ thị sinh hóa ...........................................................................................18
1.4.3. Chỉ thị phân tử ADN ...................................................................................18
1.5. Bản đồ QTL ......................................................................................................24
1.5.1. Giới thiệu chung về bản đồ QTL ................................................................24
1.5.2. Một số nghiên cứu về QTL kiểm soát tính trạng chịu hạn ở lúa ................25
1.6. Nghiên cứu đánh giá đa dạng di truyền cây lúa............................................26
1.6.1. Nghiên cứu đánh giá đa dạng di truyền cây lúa trên thế giới .....................26
1.6.2. Nghiên cứu đánh giá đa dạng di truyền cây lúa trong nước .......................28
CHƯƠNG 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .......................31
2.1. Vật liệu nghiên cứu ..........................................................................................31
2.1.1. Các giống lúa nghiên cứu............................................................................31
2.1.2. Hóa chất và thiết bị thí nghiệm ...................................................................32
iii
2.2. Phương pháp nghiên cứu.................................................................................32
2.2.1. Phương pháp đánh giá khả năng chịu hạn của 41 giống lúa nghiên cứu....32
2.2.2. Phương pháp tách chiết ADN tổng số.........................................................33
2.2.3. Kỹ thuật SSR...............................................................................................35
2.2.4. Phương pháp tạo quần thể lập bản đồ .........................................................36
2.2.5. Phân tích số liệu .........................................................................................36
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN.............................39
3.1. Kết quả đánh giá khả năng chịu hạn của 41 giống lúa.................................39
3.2. Kết quả đánh giá đa hình di truyền của các giống lúa nghiên cứu .............43
3.2.1. Kết quả tách chiết ADN tổng số của các giống lúa nghiên cứu..................44
3.2.2. Kết quả phân tích đa hình ADN bằng các chỉ thị phân tử SSR ..................46
3.2.3. Kết quả phân tích mối quan hệ di truyền của các giống lúa nghiên cứu ....55
3.3. Kết quả lai tạo quần thể và xác định chỉ thị cho đa hình giữa hai giống bố
mẹ phục vụ công tác lập bản đồ QTL ...................................................................61
3.3.1. Kết quả chọn cặp lai tiềm năng và lai tạo quần thể lập bản đồ..................61
3.3.2. Đánh giá đa hình giữa hai giống bố mẹ phục vụ lập bản đồ QTL.............64
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.........................................................69
4.1. Kết luận .............................................................................................................69
4.2. Kiến nghị ...........................................................................................................69
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................70
iv
CHỮ VIẾT TẮT
ABA
: Abcisis acid
AFLPs (Amplified Fragment Length : Đa hình chiều dài các đoạn được nhân
bản chọn lọc
Polymorphism)
ADN
: Acid Deoxyribonucleic
bp (Base pair)
: Cặp bazơ nitơ
cs.
: Cộng sự
CTAB
: Cetyltrimethyl Amonium Bromide
dNTPs
: Deoxynucleotide triphosphate
EDTA
: Ethylenediaminetetra Acetic Acid
EtBr
: Ethidium bromide
EST
: Expressed sequence tag
GD (Genetic dictance)
: Khoảng cách di truyền
HG (Heterogeneity)
: Tỷ lệ dị hợp tử
ISSR
: Inter-simple sequence repeat
Kb
: Kilo base
M (missing)
: Tỉ lệ khuyết số liệu
NaCl
: Sodium chloride
OD (optical density)
: Mật độ quang
PCR (Polymerase Chain Reaction)
: Phản ứng chuỗi trùng hợp
PIC (Polymorphism Information
: Chỉ số thông tin đa hình của mồi
Content)
QTL (quantity trait loci)
: Locus kiểm soát tính trạng số lượng
RNAse
: Ribonuclease
RAPD (Random Amplification of
: Đa hình ADN được nhân bản ngẫu
Polymorphic DNA)
RFLP (Restriction Fragment Length
Polymorphism)
nhiên
: Đa hình chiều dài đoạn phân cắt giới
hạn
v
SDS
: Sodium Dodecyl Sulphate
SSR (Simple Sequence repeat)
: Sự lặp lại của trình tự đơn giản
STS (Sequennce Tagged Site)
: Điểm trình tự được đánh dấu
TBE
: Tris-Boric Acid-EDTA
TT
: Thứ tự
TE
: Tris-EDTA
UV
: Ultraviolet
vi
DANH MỤC BẢNG
TT
Bảng
Trang
1
Bảng 1.1. Phân loại chi Oryza
6
2
Bảng 1.2. Vai trò của một số chất xuất hiện khi thực vật bị thiếu nước
12
3
Bảng 2.1. Danh sách các giống lúa sử dụng trong nghiên cứu
30-31
4
Bảng 2.2. Thời điểm đánh giá các chỉ tiêu khả năng chịu hạn
32
5
Bảng 2.2. Thang điểm đánh giá khả năng chịu hạn (SES- IRRI)
32
6
Bảng 2.3. Thành phần phản ứng PCR
34
7
Bảng 2.4. Chu trình nhiệt của phản ứng PCR
34
8
Bảng 3.1. Kết quả đánh giá khả năng chịu hạn của 41 giống lúa
40-41
9
Bảng 3.2. Danh sách các giống lúa có khả năng chịu hạn tốt và các
giống lúa rất mẫn cảm với điều kiện khô hạn
Bảng 3.3. Độ tinh sạch và nồng độ ADN của các giống lúa nghiên cứu
42
Bảng 3.4. Tỷ lệ khuyết số liệu và dị hợp tử của các giống lúa nghiên cứu
Bảng 3.5. Chỉ tiêu số alen và chỉ số đa dạng di truyền PIC của các chỉ thị
nghiên cứu
Bảng 3.6. Chỉ tiêu về tần số alen phổ biến nhất, alen đặc trưng và tỷ lệ dị
hợp tử của các chỉ thị nghiên cứu
Bảng 3.7. Các chỉ thị SSR cho alen đặc trưng của 18 giống lúa
47-48
50
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
44
51-52
53
Bảng 3.8. Một số kết quả phân tích đa dạng di truyền SSR trên cây lúa đã 54
được công bố
Bảng 3.9. Mối quan hệ di truyền giữa 41 giống lúa nghiên cứu
57-58
Bảng 3.10. Khoảng cách di truyền của các cặp lai dựa trên khả năng chống 61
chịu tốt/ rất mẫn cảm với điều kiện khô hạn
62
Bảng 3.11. Danh sách những cặp lai tiềm năng
Bảng 3.12. Danh sách quần thể F2 có số cây đạt yêu cầu sử dụng lập bản
đồ QTL
Bảng 3.13. Kết quả phân tích đa hình của các cặp lai
Bảng 3.14. Số lượng chỉ thị cho đa hình/ trên các nhiễm sắc thể của cặp
bố mẹ Q5 và Bieò hồng súi.
vii
62
64
66
DANH MỤC HÌNH
TT
Hình
Trang
1
Hình 1.1. Sơ đồ tiến hóa hai loài lúa trồng
5
2
Hình 3.1. Hình ảnh các giống lúa trước khi ngừng tưới
38
3
Hình 3.2. Hình ảnh các giống lúa sau 21 ngày ngừng tưới
39
4
Hình 3.3.Tỷ lệ các giống lúa có khả năng chịu hạn khác nhau với
điều kiện khô hạn
39
5
Hình 3.4. ADN tổng số được tách chiết từ mẫu lá của 41 giống lúa
theo phương pháp CTAB cải tiến trên gel agarose 0,8%
43
6
Hình 3.5. Hình ảnh điện di sản phẩm PCR của 41 giống lúa với chỉ thị
RM1364
45
7
Hình 3.6. Hình ảnh điện di sản phẩm PCR của 41 giống lúa với chỉ
thị RM3288
45
8
Hình 3.7. Hình ảnh điện di sản phẩm PCR của 41 giống lúa với chỉ
thị RM3467
46
9
Hình 3.8. Hình ảnh điện di sản phẩm PCR của 41 giống lúa với chỉ thị
RM3468
46
10 Hình 3.9. Hình ảnh điện di sản phẩm PCR của 41 giống lúa với chỉ thị
RM259
46
11 Hình 3.10. Sơ đồ hình cây biểu diễn mối quan hệ di truyền giữa 41
giống lúa nghiên cứu
59
12 Hình 3.11. Điện di sản phẩm PCR của hai giống lúa Q5 và Bieò
hồng súi với 15 chỉ thị SSR trên gel agarose SFR3,5%
63
13 Hình 3.12. Điện di sản phẩm PCR của hai giống lúa Khang dân và
Ble ch- cấu với 15 chỉ thị SSR trên gel agarose SFR 3,5%
63
14
65
Hình 3.13. Hình ảnh điện di của một số chỉ thị SSR với cặp bố mẹ
Q5 và Bieò hồng súi
viii
Luận văn thạc sỹ khoa học
Công nghệ Sinh Học
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Cây lúa là cây lương thực chủ yếu nuôi sống hơn một nửa dân số thế giới,
phần lớn thuộc các nước đang phát triển. Cây lúa được gieo trồng tại 114 quốc gia,
tập trung chủ yếu ở châu Á, Phi, Mỹ Latinh. Đây là những nước có tỷ lệ dân số tăng
cao do vậy nhu cầu về lúa gạo ngày càng nhiều. Tuy nhiên ở các nước này, đặc biệt
là các nước châu Á, diện tích trồng lúa đang giảm mạnh do sự mở rộng các vùng
dân cư, các khu công nghiệp và giao thông. Thêm vào đó, các điều kiện bất lợi của
môi trường như lũ lụt, hạn hán, xâm nhập mặn… cũng là nguyên nhân chính làm
cho sản lượng lúa giảm [2],[81].
Theo đánh giá của các nhà chuyên môn, khô hạn sẽ là yếu tố chính gây ảnh
hưởng đến an ninh lương thực thế giới, nó có thể làm giảm tới 70% năng suất cây
trồng nói chung [19]. Trong đó cây lúa không phải là một ngoại lệ. Hàng năm 46
nghìn ha đất trồng lúa ở châu Á canh tác nhờ nước mưa tự nhiên. Vì vậy, hạn hán là
yếu tố gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sản lượng lúa và đời sống người dân ở các
vùng này, nơi mà lúa gạo là nguồn lương thực chính [55]. Thêm vào đó, việc khan
hiếm nước tưới phục vụ cho sản xuất lúa xảy ra thường xuyên ở những vùng có hệ
thống tưới tiêu khiến cho năng suất lúa giảm đáng kể, ảnh hưởng rất nhiều đến cuộc
sống của nông dân.
Ngành sản xuất lúa không chỉ đối mặt với hạn hán mà hiện tượng nước biển
dâng sẽ làm diện tích trồng lúa giảm mạnh. Trong đó Việt Nam là một trong những
nước bị thiệt hại nhiều nhất, đặc biệt là vùng Đồng bằng sông Cửu Long, nơi sản
xuất lúa gạo chính phục vụ xuất khẩu [81]. Trong bối cảnh đó, để đảm bảo an ninh
lương thực và phát triển bền vững, cây lúa sẽ phải canh tác ở cả những vùng đất
trung du và miền núi, nơi chỉ dựa vào nguồn nước tưới tự nhiên.
Tuy chỉ chiếm một diện tích không nhiều và năng suất thấp nhưng lúa địa
phương đóng một vai trò quan trọng trong việc cung cấp lương thực tại chỗ cho
những vùng khó khăn. Mặt khác các giống lúa địa phương còn có nguồn gen phong
1
Phạm Thị Hoa
Đại học Bách Khoa
Luận văn thạc sỹ khoa học
Công nghệ Sinh Học
phú về khả năng chống chịu các yếu tố bất lợi của môi trường: hạn, ngập, mặn,
phèn…Đây là nguồn gen quý giá giúp cho việc chọn tạo giống lúa có khả năng chịu
hạn, có thể sinh trưởng và phát triển trên những vùng đất nghèo và thiếu nguồn
nước tưới [7]. Chính vì vậy, việc khai thác, đánh giá nguồn gen chịu hạn từ các
giống lúa địa phương phục vụ lập bản đồ QTL, tạo tiền đề cho công tác chọn tạo
giống lúa có năng suất cao và khả năng chịu hạn là vô cùng cấp thiết và mang tính
chiến lược.
Xuất phát từ những lý do trên chúng tôi đã thực hiện đề tài: “ Đánh giá đa
hình di truyền nguồn gen chịu hạn phục vụ công tác lập bản đồ QTL ở một số
giống lúa địa phương Việt Nam”
2. Mục đích của đề tài
Kết hợp phân tích đa dạng di truyền các giống lúa sử dụng chỉ thị SSR và
khả năng chịu hạn của một số giống lúa qua một số chỉ tiêu sinh lý, từ đó tiến hành
lai tạo quần thể F2 và tìm các chỉ thị cho đa hình giữa hai giống bố mẹ phục vụ lập
bản đồ QTL kiểm soát tính chịu hạn ở lúa.
3. Nội dung nghiên cứu của đề tài
- Chọn lọc một số giống lúa địa phương mang tính chống chịu hạn cao và
một số giống lúa thuần thông qua đánh giá kiểu hình.
- Sử dụng chỉ thị phân tử SSR để phân tích mối quan hệ di truyền phân tử
giữa các giống lúa.
- Xác định một số cặp giống lúa bố mẹ dựa trên mối quan hệ di truyền và khả
năng chống chịu/mẫn cảm với điều kiện khô hạn
- Tạo lập quần thể lập bản đồ
- Khảo sát, chọn lọc những chỉ thị SSR cho đa hình giữa hai giống lúa bố mẹ
phục vụ việc lập bản đồ QTL kiểm soát tính chịu hạn.
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
- Đối tượng nghiên cứu: Trong nghiên cứu này chúng tôi tiến hành đánh giá
41 giống lúa bao gồm 33 giống lúa địa phương Việt Nam được cung cấp bởi Trung
2
Phạm Thị Hoa
Đại học Bách Khoa
Luận văn thạc sỹ khoa học
Công nghệ Sinh Học
tâm Tài nguyên Di truyền Thực vật và 8 giống lúa thuần và giống triển vọng được
cung cấp bởi Viện Di truyền Nông nghiệp.
- Địa điểm thực hiện nghiên cứu: Đề tài nghiên cứu của chúng tôi được thực
hiện tại Viện Di truyền Nông nghiệp
Đề tài nghiên cứu này nằm trong đề tài nghiên cứu cơ bản “Nghiên cứu xác
định các locus gen kiểm soát tính chịu hạn ở giống lúa địa phương Việt Nam bằng
công nghệ chỉ thị phân tử” do Quỹ Phát triển Khoa học và Công nghệ Quốc gia tài
trợ.
3
Phạm Thị Hoa
Đại học Bách Khoa
Luận văn thạc sỹ khoa học
Công nghệ Sinh Học
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Giới thiệu chung về cây lúa
1.1.1. Nguồn gốc, sự phân bố của cây lúa
Tổ tiên của cây lúa đã tồn tại từ đầu kỷ Phấn trắng. Vào giữa thế kỷ này, xuất
hiện một loại nguyên thủy nhất thuộc tộc Oryzae, đó là loại Streptochasta Schard.
Đến cuối kỷ Phấn trắng xuất hiện loài tre (Bambusta) và loài lúa Oryza. Một số loài
khác xuất hiện muộn hơn vào kỷ thứ 3, thời kỳ phát triển mạnh nhất của họ hòa thảo
(Grmineae). Các loài lúa Oryza spp có cùng tổ tiên chung vào thời kỳ địa cầu
Gondwanaland, sau khi trái đất tách rời thành năm lục địa [5].
Tác giả Chang (1985) cho rằng lúa trồng Oryza sativa được tiến hóa từ cây
lúa dại Oryza nivara. Do thích ứng với khí hậu, đặc biệt là điều kiện nhiệt độ lúa
Oryza sativa lại tiếp tục chia thành ba nhóm: Indica thích hợp với khí hậu nhiệt đới,
Japonica thích hợp với khí hậu lạnh, Javanica có đặc tính trung gian [24].
Cheng (2003) khi nghiên cứu di truyền tiến hóa của 101 giống lúa, bao gồm
cả lúa trồng và lúa dại cho thấy loài lúa trồng Oryza sativa chia thành hai nhóm
tương ứng với loài phụ là Indica và Japonica. Trong khi đó Oryza rufipogon chia
thành bốn nhóm là Oryza rufipogoni hàng niên và ba nhóm Oryza rufipogon đa
niên. Kết quả cho thấy các giống lúa Japonica có quan hệ gần gũi với một nhóm
Oryza rufipogon đa niên, còn các giống còn lại có quan hệ với nhóm lúa Oryza
rufipogon hàng niên [26].
Nhiều chuyên gia lúa gạo đồng ý rằng lúa Glaberrima và lúa Sativa có cùng
chung nguồn thủy tổ vào thủy tổ vào thời kỳ lục địa nguyên thủy, nhưng sau khi các
lục địa tách rời nhau, lúa Sativa và Glaberrima tiến hóa từ các loài lúa dại bản địa ở
hai châu lục là châu Á và châu Phi [37].
4
Phạm Thị Hoa
Đại học Bách Khoa
Luận văn thạc sỹ khoa học
Công nghệ Sinh Học
Tổ tiên chung
Nam và Đông Nam Á
Lúa dại đa niên
Lúa dại hàng niên
Tây châu Phi
O. rufipogon
O. longistamina
O. nivara
O. breviligutala
O. sativa indica
O. sativa japonica
O. glaberrima
Hình 1.1. Sơ đồ tiến hóa hai loài lúa trồng
1.1.2 . Phân loại lúa
Cây lúa thuộc họ Poaceae, trước đây gọi là họ Hòa thảo (Gramineae), họ
phụ Pryzoidea, tộc Oryzae, chi Oryza, loài Oryza sativa và Oryza glaberrima.
Morinaga là người đầu tiên đã sử dụng kỹ thuật phân tích genome để định danh các
loài lúa dại. Công trình nghiên cứu dựa trên cơ sở khoa học này đã giúp phân tích
các loài lúa chính xác hơn [4].
Hội nghị di truyền lúa Quốc tế họp tại Viện Nghiên cứu lúa Quốc tế năm
1963 chia chi Oryza thành 19 loài. Căn cứ trên các phát kiến mới về tế bào học và
di truyền cây lúa, năm 1967 Hội nghị Di truyền lúa Quốc tế khẳng định chi Oryza
có 22 loài trong đó có 20 loài lúa dại và hai loài lúa trồng [25]. Danh sách loài, số
lượng nhiễm sắc thể, bộ gen của từng loài được trình bày ở bảng 1.1.
Sau này Vaughan (1994) phát hiện thêm một loài lúa dại mới ở Papua New
Ginea là loài Oryza rhizomatis, đưa số loài của chi Oryza lên thành 23 loài và chia
thành 6 nhóm genome [69].
Ngày nay, các nhà phân loại học đều nhất trí là chi Oryza có 23 loài trong đó
21 loài hoang dại và hai loài lúa trồng là Oryza sativa và Oryza glaberrima thuộc
5
Phạm Thị Hoa
Đại học Bách Khoa
Luận văn thạc sỹ khoa học
Công nghệ Sinh Học
loài nhị bội 2n = 24 có bộ gen AA. Loài Oryza glaberrima phân bố chủ yếu ở Tây
và Trung Phi còn loài Oryza sativa được gieo trồng khắp thế giới và phân chia
thành hai loài phụ là Japonica và Indica [4].
Bảng 1.1. Phân loại chi Oryza
Phức hệ
Tên khác
NST
Hệ gen
24
AA
I. Phức hệ O. sativa
1. O. sativa L
2. O. nivara Shama et Shastry
O. rufipogon
24
AA
3. O. rufipogon Griff
24
AA
4. O. glaberrima Steud
O. perennis
fi
5. O. barthii A.Chev
O. breviligutala
24
AA
6. O. longistaminata Chev. Et Roehr
O. barthii
24
AA
AA
7. O. meridionalis
AA
II. Phức hệ O. officinalis Ng
O. latifola
8. O. officinalis Wall ex Watt
O .minuta
24
CC
9. O.minuta Presl et Presl
48
BBCC
10. O.rhizomatis Vaughan
24
CC
11. O. eichigeni Peter
24
CC
12. O. panctata Kotschy ex Steud
24, 48
BB, BBCC
13. O. latifolia Desv
48
CCDD
14. O. alta Swallen
48
CCDD
15.O. grandilumis Prod
48
CCDD
16. O. australiensis Domin
24
EE
17. O. brachyantha Chev.et Roehr
24
FF
18. O.schlechteri Pilger
48
Chưa rõ
19. O.ridleyi Hook.f
48
Chưa rõ
20. O.longilumis Jansen
48
Chưa rõ
IV Phức hệ O.meyeriana
21. O. meyeriana Baill
22. O. granulata Nees et Am.ex
Watt.
24
Chưa rõ
III. Phức hệ O.ridleyi
6
Phạm Thị Hoa
Đại học Bách Khoa
Luận văn thạc sỹ khoa học
Công nghệ Sinh Học
1.2. Nguồn tài nguyên lúa Việt Nam
Lãnh thổ Việt Nam không lớn nhưng trải dài trên 15 vĩ độ từ 8-230 vĩ Bắc
nên địa hình và khí hậu đều phức tạp. Địa hình của Việt Nam rất đa dạng, có núi
cao ở phía Bắc, vùng đất cao rộng lớn ở nam Trung Bộ, hai đồng bằng lớn là đồng
bằng sông Hồng và đồng bằng sông Cửu Long.
Việt Nam có 54 dân tộc, mỗi dân tộc có tập quán canh tác và sở thích về
phẩm chất lúa gạo khác nhau. Nước ta có nền văn minh nông nghiệp lâu đời. Trong
quá trình hình thành và phát triển nền văn minh nông nghiệp, nhân dân ta đã thuần
hóa các dạng lúa trồng từ dạng này sang dạng khác và có thể đã thuần hóa từ lúa
hoang dại sang lúa trồng ngày nay. Nhiều nhà khoa học trên thế giới đã cho rằng
Việt Nam là một trong những trung tâm khởi nguyên của cây lúa trong vùng Đông
Nam Á, Ấn Độ [4].
Có thể nói rằng, sự phong phú về điều kiện tự nhiên, sự đa dạng về thành
phần dân tộc, sự phân bố cư trú ở độ cao khác nhau với những tập quán canh tác
khác nhau và thị hiếu sử dụng lúa gạo khác nhau của từng vùng, từng dân tộc là
nguyên nhân tạo nên sự phong phú đa dạng nguồn gen cây lúa của nước ta [4],[5].
1.2.1. Tài nguyên lúa hoang dại
Lúa hoang dại hiện được các nhà khoa học chú ý đặc biệt vì chúng cung cấp
một số gen quý giúp cho việc tạo ra giống mới sử dụng trong công nghệ sinh học
Lúa hoang dại tồn tại rải rác trên lãnh thổ Việt Nam, phổ biến ở đồng bằng Bắc Bộ
và duyên hải miền Trung, sau đó do quá trình thâm canh tăng vụ nên lúa dại mới bị
mất dần, hiện nay không còn tìm thấy ở đồng bằng sông Hồng nữa. Trước đây, ở
đồng bằng sông Cửu Long lúa dại là nguồn lương thực quan trọng của nhân dân địa
phương. Cho đến thập kỷ 70 của thế kỷ 20, nông dân Nam Bộ vẫn còn nghề lượm
lúa dại để lấy gạo ăn. Ở Việt Nam có 4 loài lúa hoang dại [4],[69].
- Oryza rufipogon: có ở Điện Biên Phủ, Thừa Thiên Huế, đồng bằng sông
Cửu Long. Theo viện nghiên cứu lúa IRRI thì loài này có nguồn gen chịu chua phèn
cao nhất thế giới.
7
Phạm Thị Hoa
Đại học Bách Khoa
Luận văn thạc sỹ khoa học
Công nghệ Sinh Học
- Oryza nivaza: Ở tỉnh Đăklăk và dọc biên giới Việt Nam –Campuchia, là
nguồn gen kháng rầy nâu và rầy lưng trắng.
- Oryza officinalis: Có nhiều ở đồng bằng sông Cửu Long.
- Oryza granulata : Ở các tỉnh vùng Tây Bắc.
1.2.2. Tài nguyên lúa trồng Việt Nam
Trải qua thời gian gieo trồng và thuần hóa cây lúa hàng nghìn năm cùng với
sự đa dạng và phong phú về địa lý sinh thái trên toàn lãnh thổ, nhân dân ta đã tạo
nên nguồn tài nguyên lúa trồng đa dạng và phong phú. Việt Nam tồn tại 3 nhóm lúa
địa phương có đặc tính di truyền khác nhau:
- Nhóm lúa Việt –Thái ở vùng núi phía Bắc, chủ yếu là lúa nương. Đây là
cây lương thực chính nuôi sống các dân tộc ít người, và là một trong những nhóm
lúa có sự đa dạng di truyền cao nhất thế giới.
- Nhóm giống lúa mang đặc tính thâm canh ở vùng đồng bằng sông Hồng:
+ Lúa Chiêm: có những nguồn gen quý hiếm nổi tiếng thế giới như kháng
đạo ôn, chịu chua phèn, chịu đất nghèo lân, chịu rét trong thời kỳ mạ và thời kỳ lúa
trỗ. Lúa Chiêm tồn tại rất ít trong sản xuất nhưng giá trị của nguồn gen lúa Chiêm là
độc nhất vô nhị.
+ Lúa thơm: cùng với lúa Basmati của Ấn Độ và lúa Khaodak Mali của Thái
Lan là 3 nhóm giống lúa thơm chính trên thế giới.
- Nhóm giống lúa Việt –Kh’mer mang đặc tính quảng canh ở vùng đồng
bằng sông Cửu Long. Đây là nguồn gen về lúa nổi, lúa chịu phèn, mặn, hạt gạo thon
dài thích hợp cho việc xuất khẩu.
Các giống lúa địa phương thường có khả năng thích nghi cao với điều kiện
khí hậu, có khả năng chống chịu tốt, năng suất không cao nhưng ổn định. Thông
thường những giống lúa được gieo trồng trên các vùng đất cao như đất nương
thường có khả năng chịu hạn rất tốt. Ngược lại, các giống lúa được gieo trồng ở
vùng đất thấp, luôn có lớp nước trên bề mặt ruộng lúa, không có điều kiện rút nước
8
Phạm Thị Hoa
Đại học Bách Khoa
Luận văn thạc sỹ khoa học
Công nghệ Sinh Học
khi mưa lớn, hoặc rút nước chậm trong một thời gian dài thường có khả năng chịu
úng ngập. Bên cạnh đó, có những giống lúa địa phương còn có khả năng chịu mặn,
chịu phèn, kháng sâu bệnh... Đó là những nguồn gen quý giá cần được đánh giá và
khai thác nhằm phục vụ cho công tác bảo tồn nguồn gen và tạo nguồn vật liệu cho
công tác chọn tạo giống vừa có khả năng chống chịu với những điều kiện môi
trường bất lợi và có năng suất cao [7].
1.3. Hạn hán và cơ chế tính chống chịu hạn của thực vật
1.3.1. Khái niệm và phân loại hạn hán
Bất kỳ loại cây trồng nào cũng cần nước để duy trì sự sống. Mức độ cần
nhiều hay ít tùy thuộc vào từng loại cây trồng và từng giai đoạn phát triển của
chúng. Hạn đối với thực vật là khái niệm dùng để chỉ sự thiếu nước của thực vật do
môi trường gây ra trong suốt quá trình hay trong từng giai đoạn làm ảnh hưởng đến
sinh trưởng và phát triển. Mức độ tổn thương của cây trồng do khô hạn gây ra có
nhiều mức độ khác nhau: chết, chậm phát triển hay phát triển tương đối bình
thường. Những cây trồng duy trì được sự phát triển và cho năng suất tương đối ổn
định trong điều kiện khô hạn được gọi là cây chịu hạn và khả năng của thực vật có
thể giảm thiểu mức độ tổn thương do thiếu hụt nước gọi là tính chịu hạn [64].
Tuy nhiên khó có thể xác định được thế nào là một trạng thái hạn đặc trưng
vì mức độ khô hạn do môi trường gây nên khác nhau theo từng mùa, từng năm và
từng vùng địa lý và rất khó có thể dự đoán trước. Mức độ khô hạn của môi trường
gây nên ảnh hưởng trực tiếp tới sự phát triển của cây, nhẹ thì giảm năng suất, nặng
thì dẫn hủy hoại cây cối và mùa màng [64].
1.3.2. Phân loại hạn hán đối với cây trồng
Hạn không khí
Hạn không khí có đặc trưng là nhiệt độ cao (39 – 420C) và độ ẩm nhỏ hơn
65%. Hiện tượng này thường gặp ở những tỉnh miền Trung nước ta với những đợt
gió Lào và vùng Bắc Bộ vào cuối thu [83].
Hạn không khí ảnh hưởng trực tiếp lên các bộ phận của cây trên mặt đất như
9
Phạm Thị Hoa
Đại học Bách Khoa
Luận văn thạc sỹ khoa học
Công nghệ Sinh Học
hoa, lá, chồi non. Đối với thực vật nói chung và cây lúa nói riêng thì hạn không khí
thường gây ra héo tạm thời vì nhiệt độ cao và độ ẩm thấp làm cho tốc độ thoát hơi
nước nhanh và vượt quá mức bình thường, lúc đó rễ hút nước không đủ để bù đắp
lượng nước mất, cây rơi vào trạng thái mất cân bằng về nước. Mức độ phản ứng của
cây đối với sự mất nước sẽ tùy thuộc vào giai đoạn phát triển của chúng. Riêng đối
với cây lúa thì hạn gây ảnh hưởng nghiêm trọng 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
nhất ở giai đoạn phơi màu và thậm chí gây nên mất mùa nếu gặp nhiệt độ cao và độ
ẩm không khí thấp (mặc dù nước trong đất không thiếu) làm cho hạt phấn không có
khả năng nảy mầm, quá trình thụ tinh không xảy ra và hạt bị lép [12].
Hạn đất
Mức độ hạn của đất tùy thuộc vào sự bốc hơi nước trên bề mặt và khả năng
giữ nước của đất. Hạn đất sẽ làm cho áp suất thẩm thấu của đất tăng đến mức cây
không thể cạnh tranh được với nước của đất, làm cho cây không thể lấy nước vào tế
bào qua rễ. Chính vì thế hạn đất thường gây nên hiện tượng cây héo lâu dài. Hạn đất
có thể xảy ra ở bất kỳ vùng đất nào. Hạn đất ảnh hưởng trực tiếp đến bộ phận rễ và
ảnh hưởng rất lớn tới quá trình sinh trưởng và phát triển [12].
Hạn toàn diện
Là hiện tượng khi xuất hiện đồng thời hạn đất và hạn không khí. Trong
trường hợp này cùng với sự mất nước do không khí làm cho hiện tượng nước trong
lá giảm nhanh dẫn đến nồng độ dịch bào tăng nhanh, mặc dù sức hút nước từ rễ của
cây cũng tăng nhưng lượng nước trong đất đã cạn kiệt không đủ cung cấp cho cây.
Hạn toàn diện thường dẫn đến hiện tượng héo vĩnh viễn và cây cũng không có khả
năng phục hồi [12].
Ở nước ta hạn toàn diện thường xảy ra ở các tỉnh miền Trung như Nghệ An
và Quảng Trị gây nên thiệt hại đáng kể về năng suất vào các tháng cuối mùa hè.
1.3.3. Tác hại của hạn hán đối với cây lúa
Nước vừa là sản phẩm khởi đầu, trung gian và cuối cùng là các quá trình
10
Phạm Thị Hoa
Đại học Bách Khoa
Luận văn thạc sỹ khoa học
Công nghệ Sinh Học
chuyển hóa hóa sinh, vừa là môi trường để các phản ứng trao đổi được xảy ra. Vì
vậy việc cung cấp nước cho cây là biện pháp canh tác và hướng nghiên cứu tăng
cường tính chịu hạn của cây trồng là mục tiêu tạo ra giống luôn được quan tâm.
Mức độ thiếu hụt nước càng lớn thì ảnh hưởng càng xấu đến quá trình sinh trưởng
và phát triển của cây. Thiếu nước nhẹ thì giảm tốc độ sinh trưởng, thiếu nước
nghiêm trọng sẽ dẫn đến biến đổi hệ keo nguyên sinh chất làm tăng quá trình già
hóa tế bào. Khi bị khô kiệt nước, nguyên sinh chất bị đứt vỡ cơ học dẫn đến tế bào
và mô bị tổn thương và chết [68].
Đối với cây lúa, đặc biệt là lúa nước thì Paleg (1981) [54] cho rằng nếu
lượng nước trong đất chỉ còn 50% lượng nước cần thiết thì mức độ ảnh hưởng năng
suất phụ thuộc vào giai đoạn phát triển:
- Giảm 1/5 năng suất khi hạn hán xuất hiện vào giai đoạn đẻ nhánh;
- Giảm 1/3 năng suất khi cây lúa đang trong giai đoạn phân hóa làm đòng và
trỗ bông;
- Giảm 2/3 năng suất hay thậm chí là mất mùa hoàn toàn vào giai đoạn cây
lúa đang trỗ bông và thụ phấn;
Trong những năm 1998, 1999 ở Nghệ An, Hà Tĩnh và Quảng Trị năng suất
đã giảm 4/5 ở những diện tích bị hạn trong giai đoạn lúa làm đòng. Thậm chí có
những địa phương phải hủy bỏ lúa đang trong thời kỳ đẻ nhánh để cấy lúa lại.
Trong năm 1998, diện tích lúa bị hạn tại miền Trung là 750.000 ha, trong đó
120.000 mất trắng. Gần đây nhất tháng 6/2010, các tỉnh miền Trung đã bị hạn nặng
với diện tích gần 200.000 ha lúa [83], [84].
1.3.4. Cơ sở sinh lý và hóa sinh của tính chống chịu hạn của cây lúa
Tính chịu hạn
Tác động của môi trường xung quanh đủ để gây nên sự mất nước ở thực vật.
Hiện tượng mất nước của cây có thể là tác động sơ cấp do sự thiếu nước ở đất hoặc
tác động thứ cấp gây nên bởi nhiệt độ thấp hoặc cao, tác động của NaCl và nhiều
11
Phạm Thị Hoa
Đại học Bách Khoa
Luận văn thạc sỹ khoa học
Công nghệ Sinh Học
yếu tố môi trường khác. Cây chống chịu hạn bằng cách giữ không để mất nước
thông qua những biến đổi về hình thái hoặc chịu khô hạn. Theo Turner (1980) có
hai cơ chế bảo vệ thực vật trên môi trường thiếu nước. Đó là cơ chế tránh mất nước
và cơ chế chịu mất nước. Cơ chế tránh mất nước phụ thuộc vào khả năng thích nghi
đặc biệt về cấu trúc và hình thái của rễ và chồi nhằm giảm thiểu tối đa sự mất nước
hoặc điều chỉnh áp suất thẩm thấu nội bào thông qua tích lũy các chất hòa tan,
protein, axit amin như proline, manitol, frutan… [18], [46], [68].
Theo Evans (1989) [28] thì nhằm duy trì lượng nước tối thiểu trong tế bào.
Cơ chế chịu mất nước liên quan đến những thay đổi hóa sinh trong tế bào nhằm sinh
ra các chất bảo vệ hoặc nhanh chóng bù lại sự thiếu hụt nước. Bảng 1.2 trình bày
vai trò và chức năng của các chất xuất hiện khi thực vật bị thiếu hụt nước.
Bảng 1.2. Vai trò của một số chất xuất hiện khi thực vật bị thiếu nước
Nhóm
Tên chất
+
Vai trò
Ion
K
Điều chỉnh áp suất thẩm thấu
Loại bỏ và thu nhận Na+ và điều tiết các chất
dinh dưỡng
Protein
LEA/dehydrin
Điều chỉnh áp suất thẩm thấu
Axit amin
Prolin
Điều chỉnh áp suất thẩm thấu
Đường
Saccharose
Ectoine
Điều chỉnh áp suất thẩm thấu
Bảo vệ các chất thẩm thấu, dự trữ cacbon
Polyol
Acyclic (manitol)
Cyclic (piritol)
Dữ trữ cacbon, điều chỉnh áp suất thẩm thấu
Loại bỏ gốc tự do
Polyamin
Spermin,
Spermidin
Cân bằng ion, bảo vệ chất nhiễm sắc
Sắc tố và Carotenoid,
Carotenoid betalaines
Chống lại quang ức chế.
Axit
Điều khiển đóng mở khí khổng, gây nên hiện
tượng ngủ của hạt và khả năng nảy mầm. Điều
chỉnh áp suất thẩm thấu
ABA
(Abisiscic axit)
12
Phạm Thị Hoa
Đại học Bách Khoa
Luận văn thạc sỹ khoa học
Công nghệ Sinh Học
Ở cây lúa phản ứng đầu tiên khi gặp hạn là khí khổng đóng lại để ngăn chặn
sự thoát hơi nước ra ngoài. Quá trình đóng mở khí khổng giúp liên quan đến hàng
loạt quá trình như quang hợp, hô hấp, trao đổi ion, hấp thu dinh dưỡng… khi mất
nước nhiều khí khổng không còn khả năng đóng lại, hơi nước tự do thoát ra ngoài
dẫn đến tình trạng cây bị héo và chết. Phản ứng của các giống lúa khi bị thiếu nước
có thể phân chia thành ba nhóm khác biệt nhau [18]:
1. Duy trì sức trương của tế bào và dễ dàng vượt qua thời kỳ khô hạn. Đó là
nhóm giống lúa có khả năng chịu hạn
2. Cây bị héo và khô ngay, đó là những giống lúa không có khả năng chịu
hạn.
3. Cây có khả năng phục hồi khi có nước trở lại. Mức độ phục hồi của cây
lúa phụ thuộc vào tình trạng mất nước trước đó. Các giống lúa thuộc các loại phụ
khác nhau thì khả năng phục hồi khác nhau.
Về hiệu quả sử dụng nước thì cây lúa tiêu thụ một lượng nước rất lớn trong
quá trình sinh trưởng và phát triển. Nhìn chung trong các loại cây trồng thì lúa là
loài kém chịu hạn nhất. Khả năng chịu hạn của cây lúa được bộc lộ thông qua các
biểu hiện sau [51]:
- Giảm diện tích lá và rút ngắn thời gian sinh trưởng giúp cây sử dụng nước
một cách hợp lý trong điều kiện thiếu nước;
- Khả năng đâm sâu của rễ để tận dụng nguồn nước ở dưới tầng đất sâu đảm
bảo tương ứng cho nhu cầu thoát hơi nước của bộ lá;
- Duy trì sức trương của tế bào thông qua khả năng điều chỉnh áp suất thẩm
thấu để bảo vệ chồi non khỏi bị khô hạn trong điều kiện mất nước cực đoan;
- Kiểm soát mức độ thoát hơi nước trên bề mặt lá thông qua điều chỉnh sự
đóng mở của khí khổng;
Vai trò của bộ rễ
Khả năng thu nhận nước chủ yếu phụ thuộc vào chức năng của bộ rễ. Các kết
13
Phạm Thị Hoa
Đại học Bách Khoa
Luận văn thạc sỹ khoa học
Công nghệ Sinh Học
quả nghiên cứu vai trò của bộ rễ cho thấy những giống lúa có bộ rễ khỏe, dài và
mập sẽ giúp cho cây hút nước ở những tầng đất sâu và sẽ cho năng suất ổn định
trong điều kiện thiếu nước. Để chống lại sự thiếu hụt nước trong tế bào thì cây lúa
phải có cơ chế đặc biệt đáp ứng nhu cầu nước khi cây bị hạn. Khi hạn hán thì nước
thường được giữ ở tầng đất sâu như vậy cần những giống lúa có bộ rễ khỏe để lấy
nước. Theo tác giả Yambao (1992) thì chỉ cần một vài rễ dài là có thể đáp ứng nhu
cầu lấy nước của cây [31], [51], [76].
Nghiên cứu về hình thái bộ rễ lúa một số nhà khoa học nhận thấy hình thái của
rễ lúa rất đa dạng. Trong khi các giống lúa nương có bộ rễ to khỏe và có khả năng
xuyên sâu thì các giống lúa nước có bộ rễ lan rộng (nhiều rễ phụ và có nhiều mô
thông khí). Trong số các tính trạng rễ được nghiên cứu thì tính trạng tổng chiều dài
rễ có mối liên quan chặt chẽ tới khả năng chịu hạn ở lúa nương. Nhưng đối với
giống lúa nước thì khả năng chịu hạn của bộ rễ lại không phụ thuộc vào chiều dài rễ
mà phụ thuộc vào mật độ rễ [76].
Sự phát triển của các nhánh rễ phụ hoặc sự gia tăng chiều dài bộ rễ ảnh
hưởng đến khả năng đẻ nhánh của lúa trong điều kiện khô hạn. Khả năng thu nhận
nước thông qua rễ tới các bộ phận của cây trong điều kiện khó khăn về nước là chỉ
tiêu quan trọng [51].
Khả năng điều chỉnh áp suất thẩm thấu
Khả năng điều chỉnh áp suất thẩm thấu có mối liên quan trực tiếp đến khả
năng cạnh tranh nước của tế bảo rễ cây đối với đất. Trong điều kiện hạn, áp suất
thẩm thấu tăng lên giúp cho tế bào rễ thu nhận được những phân tử nước ít ỏi còn
trong đất. Bằng cơ chế như vậy thực vật có thể vượt qua được tình trạng hạn cục bộ.
Đối với những giống lúa nước của những vùng chưa chủ động được tưới tiêu thì
tính chịu hạn cục bộ có một ý nghĩa quan trọng [66].
Có khá nhiều nghiên cứu tập trung tìm hiểu cơ chế hóa sinh của tính chịu hạn
Trong đó không ít nghiên cứu đề cập đến ABA và proline. Nhìn chung khi tế bào bị
mất nước dần dần, các chất hòa tan sẽ được tích lũy trong tế bào nhằm chống lại
14
Phạm Thị Hoa
Đại học Bách Khoa
Luận văn thạc sỹ khoa học
Công nghệ Sinh Học
việc giảm tiềm năng nước và tăng khả năng giữ nước của nguyên sinh chất. Các
chất hòa tan liên quan bao gồm: các loại đường, các axit hữu cơ, các axit amin, rượu
đa chức hay các ion (K+). Hầu hết các loại chất tan hữu cơ có tác dụng điều chỉnh
áp suất thẩm thấu được sinh ra ngay trong quá trình đồng hóa và trao đổi chất. Quá
trình thủy phân cacbonhydrat dự trữ cũng là nguồn cung cấp chất hòa tan cho quá
trình điều chỉnh áp suất thẩm thấu. Những chất hòa tan dùng cho điều chỉnh áp suất
thẩm thấu trong điều kiện bất lợi cũng có vai trò trong quá trình phục hồi của cây
[21], [22, [23], [31], [38].
Các nhà nghiên cứu còn nhận thấy khả năng điều chỉnh áp suất thẩm thấu
của các giống lúa rất khác nhau. Các chất chịu trách nhiệm điều chỉnh áp suất thẩm
thấu ở lúa chưa được nghiên cứu kỹ. Lúa không tích lũy glycine betaine như lúa mì
hay các cây khác vì các enzyme hoạt động không hiệu quả [51].
Hiệu quả sử dụng nước
Những giống lúa chịu hạn sẽ có khả năng sử dụng nước hợp lý và cho năng
suất ổn định trong điều kiện khô hạn. Hiệu quả sử dụng nước xét về mặt nông sinh
học chính là tỷ lệ giữa năng suất và lượng nước mà cây đã sử dụng. Về khía cạnh
sinh lý học là tỷ lệ giữa khả năng đồng hóa cacbon và sự thoát hơi nước. Hiệu quả
sử dụng nước đã được chứng minh trong các nghiên cứu quang hợp thông qua kỹ
thuật đánh dấu cacbon ở một số loại cây trồng trong đó có lúa. Tác giả Yeo A.R
(1993) còn nhận thấy hiệu quả sử dụng nước ở các loài phụ của lúa rất khác nhau,
loài phụ Japonica có hiệu quả sử dụng nước lớn hơn Indica, và hiệu quả sử dụng
nước của lúa dại lớn hơn Japonica và Indica [21].
Hiệu quả sử dụng nước ở cây trồng phụ thuộc vào cơ chế điều khiển việc
đóng mở khí khổng một cách hợp lý và như vậy sẽ làm tăng quá trình đồng hóa
cacbon trong điều kiện khó khăn về nước. Quá trình đóng mở khí khổng ở lúa diễn
ra mạnh dưới tác động bất lợi của môi trường và liên quan đến hàng loạt các chất
điều hòa thẩm thấu trong quá trình quang hợp, hô hấp, trao đổi ion. Những giống
15
Phạm Thị Hoa
Đại học Bách Khoa
Luận văn thạc sỹ khoa học
Công nghệ Sinh Học
lúa có khả năng làm giảm sự mất nước mà không ảnh hưởng đến khả năng đồng hóa
cacbon được coi là những giống lúa có hiệu quả sử dụng nước cao [18],[21].
Vai trò của thành tế bào và màng cuticula
Những cây trồng ở vùng khô hạn liên quan chặt chẽ đến sự thoát hơi nước ở
cây. Ở thực vật không có cơ quan chuyên hóa cho quá trình thải nước, vì vậy nước
thoát ra ngoài theo dạng khuếch tán dựa vào chênh lệch áp suất thẩm thấu bên trong
tế bào và độ ẩm bên ngoài môi trường. Quá trình thoát hơi nước và trao đổi CO2
phụ thuộc vào hoạt động của khí khổng [21], [28].
Tuy nhiên sự thoát hơi nước có thể không qua khí khổng mà qua màng
cuticula của lá. Màng cuticula là cấu trúc bao gồm sáp và các phân tử cutin. Sáp là
sản phẩm polyme hóa hình thành qua phản ứng este hóa của các axit béo có chiều
dài phân tử C23 – C33 và một phân tử rượu đa chức dài hơn glycerol. Sáp không có
cấu trúc cố định mà chỉ là một lớp mỏng liên kết với cutin. Cutin là polyme của các
axit monocacbon thường có tính không tan. Với cấu trúc như vậy, cuticula bảo vệ
cho tế bào bên trong của thực vật không bị mất nước. Lớp sáp vỏ ngoài cùng có vai
trò làm giảm sự thoát hơi nước qua màng cuticula giúp cho cây trồng cân bằng
lượng nước trong điều kiện khô hạn. Sự thay đổi của lớp vỏ sáp là kiểu gen và môi
trường quyết định. Tuy nhiên sự thay đổi trong lớp vỏ sáp chỉ trong một phạm vi
nhất định [21].
Lớp sáp ở lúa nước là mỏng nhất, chỉ bằng 1/5 so với lúa mì và rất ít tác
dụng chống thoát hơi nước. Điều này khẳng định lúa là loài cây trồng bị mất nước
nhiều nhất ngay cả khi khí khổng đóng hoàn toàn [52].
1.4. Các phương pháp nghiên cứu đa dạng di truyền
Đa dạng sinh học là vấn đề rất được quan tâm hiện nay. Gìn giữ và bảo tồn
đa dạng sinh học là mục tiêu trong việc duy trì cân bằng sinh thái, đảm bảo môi sinh
của các sinh vật trên Trái đất. Khái niệm đa dạng sinh học được hiểu theo nhiều
cấp, đó có thể là sự đa dạng giữa các loài trong quần xã hay sự đa dạng cấp độ di
truyền giữa các cá thể trong cùng một loài. Mặc dù là cấp thấp nhất, nhưng đa dạng
16
Phạm Thị Hoa
Đại học Bách Khoa
