Nghiên Cứu Biểu Hiện Gen Mã Hoá Nhân Tố Phiên Mã ZmDREB2A Nhằm Tăng Cường Tính Chịu Hạn Ở Một Số

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

VIỆN KHOA HỌC NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

ĐOÀN THỊ BÍCH THẢO

NGHIÊN CỨU
BIỂU HIỆN GEN MÃ HOÁ NHÂN TỐ PHIÊN MÃ
ZmDREB2A NHẰM TĂNG CƯỜNG TÍNH CHỊU HẠN
Ở MỘT SỐ DÒNG NGÔ VIỆT NAM
́

́

LUẬN ÁN TIẾN SĨ SINH HỌC

HÀ NỘI – 2020

̀


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

VIỆN KHOA HỌC NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

ĐOÀN THỊ BÍCH THẢO

NGHIÊN CỨU
BIỂU HIỆN GEN MÃ HOÁ NHÂN TỐ PHIÊN MÃ
ZmDREB2A NHẰM TĂNG CƯỜNG TÍNH CHỊU HẠN
Ở MỘT SỐ DÒNG NGÔ VIỆT NAM
Chuyên ngành: Công nghệ sinh học
Mã số: 9420201

LUẬN ÁN TIẾN SĨ SINH HỌC

Người hướng dẫn khoa học:
1. GS. TS. Nông Văn Hải
2. TS. Bùi Mạnh Cường

HÀ NỘI – 2020


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của
các Thầy và sự giúp đỡ tận tình của các đồng nghiệp Viện Nghiên cứu Ngô. Các kết quả
trình bày trong luận án là trung thực, một phần đã được công bố trong các Tạp chí khoa
học - công nghệ, phần còn lại chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Mọi trích dẫn đều ghi rõ nguồn gốc.

Hà Nội, tháng 07 năm 2020
TÁC GIẢ

ĐOÀN THỊ BÍCH THẢO

ii

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành được cuốn luận án này, trong quá trình nghiên cứu và thực hiện,
tôi luôn nhận được sự quan tâm, giúp đỡ của các cơ quan, thầy cô, bạn bè đồng nghiệp
và gia đình.
Trước tiên, Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GS.TS. Nông Văn Hải, TS.
Bùi Mạnh Cường đã tận tình hướng dẫn và chỉ bảo trong suốt quá trình tôi nghiên cứu
và thực hiện đề tài luận án.
Tôi xin trân trọng gửi lời cảm ơn tới Ban Giám đốc Viện Khoa học Nông nghiệp
Việt Nam, Lãnh đạo và tập thể cán bộ Ban Đào tạo sau đại học, Viện Khoa học Nông
nghiệp Việt Nam đã tạo điều kiện thuận lợi và tận tình giúp đỡ tôi trong suốt thời gian
học tập và hoàn thiện luận án.
Tôi xin gửi lời cảm ơn đặc biệt tới Ban Lãnh đạo Viện Nghiên cứu Ngô đã tạo
điều kiện thuận lợi, về vật chất, tinh thần trong thời gian thực hiện luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của các đồng nghiệp Bộ môn Công nghệ
sinh học, Bộ môn Công nghệ gen, Phòng Khoa học HTQT đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong
quá trình thực hiện luận án.
Trong quá trình thực hiện đề tài, tôi đã nhận được sự giúp đỡ của tập thể cán bộ
Phòng Đa dạng sinh học hệ gen, Viện Nghiên cứu hệ gen. Tôi xin chân thành cảm ơn
sự giúp đỡ quý báu đó.
Cuối cùng, tôi xin tỏ lòng tri ân đối với những đồng nghiệp, gia đình và bạn bè
là những điểm tựa tinh thần vững chắc, đã giúp đỡ, động viên, khích lệ, chia sẻ những
khó khăn và luôn đồng hành cùng tôi trong quá trình học tập của mình.
Hà Nội, tháng 07 năm 2020

Đoàn Thị Bích Thảo

iii

MỤC LỤC
MỤC LỤC ....................................................................................................................... i
DANH MỤC CÁC BẢNG .......................................................................................... viii
DANH MỤC CÁC HÌNH ............................................................................................. ix
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT .................................................................................... xii
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
1. Đặt vấn đề ......................................................................................................................... 1
2. Mục tiêu nghiên cứu..............................................................................................................3
3. Đóng góp mới của luận án ........................................................................................................ 3
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài luận án.............................................................. 3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU .........................................................................5
1.1. Tác động của hạn đến sinh trưởng và phát triển cây ngô .................................................5
1.1.1. Khái niệm hạn ........................................................................................................5
1.1.1.1. Hạn không khí .....................................................................................................5
1.1.1.2. Hạn đất ...............................................................................................................6
1.1.1.3. Hạn toàn diện .....................................................................................................6
1.1.2. Tác động của hạn đến sinh trưởng và phát triển cây ngô .....................................7
1.2. Ảnh hưởng của hạn đối với sản xuất ngô .........................................................................7
1.2.1. Ảnh hưởng của hạn đối với sản xuất ngô trên thế giới .........................................7
1.2.2. Ảnh hưởng của hạn đến sản xuất ngô ở Việt Nam ..............................................11
1.3. Tình hình nghiên cứu giống ngô chịu hạn ......................................................................... 14
1.3.1. Tình hình nghiên cứu, sử dụng giống ngô chịu hạn trên thế giới .......................14
1.3.2. Tình hình nghiên cứu ngô chịu hạn ở Việt Nam ..................................................16
1.4. Cơ chế sinh lý, sinh hóa liên quan đến tính chịu hạn ở thực vật....................................17
1.4.1. Cơ chế phân tử trong phản ứng với hạn ở thực vật.............................................17
1.4.2. Vai trò của một số phân tử trong truyền tín hiệu điều hòa biểu hiện gen chịu hạn
ở thực vật .......................................................................................................................19
1.5. Một số nhóm nhân tố phiên mã được quan tâm trong nghiên cứu chịu hạn.................21

1.5.1. Nhân tố phiên mã AREB/ABF .............................................................................22
1.5.2. Nhân tố phiên mã NAC ........................................................................................23
1.5.3. Nhóm nhân tố phiên mã bZIP ..............................................................................24
1.5.4. Nhân tố phiên mã AP2/ERF ................................................................................25


iv

1.5.5. Một số nghiên cứu về nhân tố phiên mã trong phản ứng hạn trên thực vật ở nước ta .26
1.6. Một số nghiên cứu trên thế giới và Việt Nam về nhóm gen mã hóa yếu tố phiên mã
Dreb2A trong phản ứng chịu hạn ở cây trồng .......................................................................27
1.7. Ứng dụng ngô biến đổi gen trên thế giới và Việt Nam................................................ 33
1.7.1. Tiềm năng ứng dụng ngô biến đổi gen ................................................................33
1.7.2. Sử dụng ngô biến đổi gen trên thế giới ................................................................34
1.7.3. Nghiên cứu và sản xuất ngô biến đổi gen ở Việt Nam .........................................38
1.8. Ứng dụng tiến bộ kỹ thuật trong phân tích cây chuyển gen............................................. 42
1.8.1. Chọn lọc thể chuyển gen bằng gen chỉ thị ............................................................42
1.8.2. Phân tích cây chuyển gen bằng các kỹ thuật sinh học phân tử ...........................43
1.8.2.1. Phân tích cây chuyển gen bằng kỹ thuật PCR ...................................................43
1.8.2.2. Phương pháp xác định số bản sao (copy) trong cây chuyển gen .....................44
1.8.2.3. Phân tích biểu hiện gen ....................................................................................45
1.8.3. Phương pháp phân tích sử dụng trong nhà lưới và đồng ruộng .........................45
1.8.3.1. Phân tích chức năng sinh học của gen chuyển .................................................46
1.8.3.2. Phân tích đặc điểm di truyền và nhận biết thể đồng hợp tử của thế hệ sau .....46
CHƯƠNG 2. VẬT LIỆU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...........48
2.1. Vật liệu..............................................................................................................................48
48

2.1.1. Vật liệu thực vật ...................................................................................................

2.1.2. Chủng vi sinh vật .................................................................................................48
2.1.3. Vector và oligonucleotide ....................................................................................48
2.1.4. Môi trường nuôi cấy ............................................................................................48
2.2. Hóa chất, thiết bị và địa điểm nghiên cứu ......................................................................49
2.2.1. Hóa chất, thiết bị nghiên cứu ..............................................................................49
2.2.2. Địa điểm nghiên cứu ............................................................................................50
2.3. Nội dung nghiên cứu ........................................................................................................50
2.4. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................................50
2.4.1. Phương pháp xác định dòng ngô có khả năng tái sinh cao.................................51
2.4.2. Phương pháp theo dõi đặc điểm nông sinh học, chọn tạo dòng làm vật liệu chuyển gen .51
2.4.3. Phương pháp thiết kế vector biểu hiện gen ZmDREB2A.....................................52
2.4.3.1. Thiết kế vector biểu hiện trong tế bào thực ......................................................52
2.4.3.2. Tạo dòng vi khuẩn A. tumefaciens mang vector chuyển gen ............................53


v

2.4.4. Phương pháp tạo cây chuyển gen thông qua vi khuẩn A.tumefaciens ................53
2.4.4.1. Chuẩn bị nguyên liệu biến nạp .........................................................................53
2.4.4.2. Chuẩn bị vi khuẩn lây nhiễm ............................................................................53
2.4.4.3. Quy trình biến nạp gen .....................................................................................54
2.4.5. Phân tích và đánh giá sự ổn định các dòng ngô mang gen ZmDREB2A ............56
2.4.5.1. Kiểm tra sự có mặt của gen chuyển bằng kỹ thuật PCR ..................................56
2.4.5.2. Đánh giá sự phân ly của gen ZmDREAB2A qua các thế hệ .............................57
2.4.4.3. Phân tích cây chuyển gen bằng southerm blot .................................................57
2.4.6. Đánh giá sự biểu hiện của gen thông qua RT-PCR.............................................59
2.4.7. Tạo kháng thể đa dòng kháng protein ZmDREB2A tái tổ hợp ............................60
2.4.7.1. Biểu hiện protein ZmDREB2A trong tế bào vi khuẩn E. coli ...........................60
2.4.7.2. Gây đáp ứng miễn dịch trên chuột ...................................................................62
2.4.8. Xác định hàm lượng Chlorophyll, proline, cacbonhydrate trong cây chuyển gen ......63

2.4.8.1. Phương pháp xác định hàm lượng chlorophyll tổng số ...................................63
2.4.8.2. Phương pháp xác định hàm lượng proline .......................................................63
2.4.8.3. Phương pháp xác định hàm lượng cacbohydrate không cấu trúc (NSC) .........64
2.4.9. Đánh giá khả năng chịu hạn của cây chuyển gen ...............................................64
2.4.9.1. Đánh giá khả năng chịu hạn bằng thí nghiệm gây hạn nhân tạo ở giai đoạn cây
con theo phương pháp của Camacho ............................................................................64
2.4.9.2. Đánh giá khả năng chịu hạn bằng thí nghiệm gây hạn nhân tạo ở các giai đoạn
sinh trưởng khác nhau theo phương pháp của Zaidi.....................................................65
2.4.10. Các kỹ thuật được dùng đánh giá cây chuyển gen ............................................65
2.4.10.1. Tách chiết, định lượng DNA ...........................................................................65
a, Tách chiết DNA plasmid ............................................................................................65
b, Tách chiết DNA tổng số từ lá ngô .............................................................................66
2.4.10.2. Tách chiết, định lượng RNA từ mô thực vật ...................................................67
2.4.10.3. Điện di DNA/RNA trên gel agarose ...............................................................67
2.4.10.4. Tổng hợp cDNA ..............................................................................................68
2.4.10.5. Kỹ thuật PCR khuếch đại gen ZmDREB2A ....................................................68
2.4.10.6. Phương pháp giải trình tự và so sánh ............................................................68
2.4.10.7. Phương pháp phân lập, tách dòng và xác định trình tự gen ..........................69
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ......................................70


vi

3.1. Đánh giá khả năng tái sinh và đặc điểm nông học của một số vật liệu ........................70
3.1.1. Đánh giá khả năng tái sinh của một số vật liệu nghiên cứu............................... 70
3.1.2. Đặc điểm nông, sinh học của các dòng có tỷ lệ tái sinh cao ...............................73
3.1.2.1. Thời gian sinh trưởng .......................................................................................73
3.1.2.2. Đặc điểm hình thái ...........................................................................................74
3.1.2.3. Khả năng chống chịu ........................................................................................75
3.1.2.4. Các yếu tố cấu thành năng suất và năng suất ..................................................76

3.2. Thiết kế và biến nạp vector biểu hiện thực vật mang gen ZmDreb2A vào vi khuẩn
Agrobacterium tumefaciens ....................................................................................................79
3.2.1. Thiết kế vector biểu hiện thực vật mang gen ZmDREB2A ..................................79
3.2.1.1. Phân tích và tổng hợp gen ZmDreb2A .............................................................79
3.2.1.2. Thiết kế vector biểu hiện thực vật mang gen ZmDREB2A ...............................82
3.2.2. Biến nạp cấu trúc vector chứa gen ZmDREB2A-S vào một số dòng ngô Việt Nam
thông qua vi khuẩn A. tumefaciens ................................................................................84
3.2.2.1. Chuyển gen ZmDREB2A-S vào các dòng ngô K1, K3, K7 thông qua vi khuẩn
Agrobacterium tumefaciens ...........................................................................................85
3.2.2.2. Kiểm tra sự có mặt của gen chuyển bằng kỹ thuật PCR đối với các cây chuyển
gen ở thế hệ T0...............................................................................................................90
3.2.2.3. Kết quả giải trình tự đoạn gen ZmDREB2A .....................................................91
3.2.2.4. Đánh giá khả năng hữu thụ của các cây chuyển gen thế hệ T0 .......................93
3.3. Phân tích và đánh giá sự ổn định các dòng ngô mang gen ZmDREB2A ở các thế hệ T1,
T2, T3 ................................................................................................................................. 96
3.3.1. Phân tích sự có mặt của gen ZmDREB2A trong các dòng ngô chuyển gen thế hệ
T1 bằng phương pháp PCR ...........................................................................................96
3.3.2. Phân tích sự có mặt của gen ZmDREB2A trong các dòng ngô chuyển gen thế hệ
T2 bằng phương pháp PCR ...........................................................................................99
3.3.3. Phân tích sự có mặt của gen ZmDREB2A trong các dòng ngô chuyển gen thế hệ
T3 bằng phương pháp PCR .........................................................................................101
3.3.4. Kết quả giải trình tự cấu trúc biểu hiện Ubi::ZmDREB2A:: 35S trên cây ngô
chuyển gen ...................................................................................................................104
3.3.4.1. Kết quả PCR, giải trình tự promoter Ubiquitin và so sánh với trình tự gốc ..........104
3.3.4.2. Kết quả PCR, giải trình tự đoạn gen ZmDREB2A và so sánh với trình tự gốc......107
3.3.4.3. Kết quả PCR, giải trình tự terminator 35S và so sánh với trình tự gốc ................109


vii

3.3.5. Xác định sự có mặt của gen chuyển ZmDREB2A bằng kỹ thuật lai Southern ....... 112
3.3.5.1. Kết quả DNA tổng số được cắt bằng enzyme giới hạn ............................................112
3.3.5.2. Kết quả xác định tín hiệu lai Southern blot..............................................................113
3.3.6. Xác định sự có mặt sản phẩm phiên mã của gen chuyển ZmDREB2A trên cây ngô
chuyển gen bằng kỹ thuật RT-PCR ..............................................................................115
3.3.6.1 Kết quả PCR khi sử dụng cặp mồi Actin .................................................................... 115
3.3.6.2. Kết quả PCR khi sử dụng cặp mồi đặc hiệu ZmDREB2A ........................................ 117
sản phẩm PCR từ cDNA dòng K7-4.12.25 ............................................................ 118
3.3.7. Kiểm tra protein ZmDREB2A bằng thẩm tách miễn dịch (Western Blot) .........118
3.4. Xác định hàm lượng Chlorophyll, Proline, Cacbonhydrate trong cây chuyển gen và
đánh giá khả năng chịu hạn của các dòng ngô chuyển gen ..................................................120
3.4.1. Xác định hàm lượng chlorophyll ở cây chuyển gen ZmDREB2A ......................120
3.4.2. Xác định hàm lượng proline ở cây chuyển gen ZmDREB2A ............................123
3.4.3. Xác định hàm lượng carbohydrate không cấu trúc ở cây chuyển gen ZmDREB2A ...125
3.4.4. Đánh giá khả năng chịu hạn của cây ngô chuyển gen thế hệ T3 bằng gây hạn
nhân tạo .......................................................................................................................127
3.4.4.1. Đánh giá một số chỉ tiêu liên quan đến khả năng chịu hạn nhân tạo của các dòng đã
được chuyển gen ZmDREB2A thời kỳ cây con .....................................................................127
3.4.4.2. Đánh giá các dòng chuyển gen và dòng nền tương ứng ở các giai đoạn sinh trưởng
khác nhau về khả năng chịu hạn nhân tạo ............................................................................134
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ...................................................................146
4.1 Kết luận .................................................................................................................................146
4.2. Đề nghị............................................................................................................................147
CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ................148
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................149
PHỤ LỤC ......................................................................................................................... 165
1. Một số hình ảnh thực hiện thí nghiệm tái sinh và chuyển gen .......................................165
2. Một số hình ảnh gây hạn nhân tạo .......................................................................................169
3. Một số hình ảnh về đặc điểm hình thái các dòng K1, K3, K7 ...................................... 171

viii

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Khả năng gặp hạn ở 8 vùng ngô tại Việt Nam ................................................... 12
Bảng 1.2. Phản ứng của gen DREB với stress khác nhau của môi trường trong cây
chuyển gen ..................................................................................................................... 28
Bảng 1.3. Diện tích trồng cây chuyển gen trên thế giới, từ 1996 đến 2017 .........................34
Bảng 1.4. Các nước trồng cây biến đổi gen vào năm 2016 và 2017 (Triệu ha) ................. 35
Bảng 2.1. Trình tự các oligonucleotide sử dụng trong nghiên cứu..................................... 49
Bảng 2.2. Hệ thống môi trường dùng trong thí nghiệm chuyển gen ngô.............................55
Bảng 2.3. Thành phần gel polyacrylamide chứa SDS...........................................................61
Bảng 3.1. Tỷ lệ tạo cây tái sinh từ phôi non của một số dòng ngô Việt Nam ................. 71
Bảng 3.2. Thời gian sinh trưởng và đặc điểm của các dòng năm 2014 ...............................73
Bảng 3.3. Một số đặc điểm sinh trưởng phát triển của các dòng ngô năm 2014 ............. 74
Bảng 3.4. Khả năng chống chịu của các dòng ngô năm 2014 ........................................ 75
Bảng 3.5. Các yếu tố cấu thành năng suất của các giống ngô ..............................................76
Bảng 3.6. Hình thái bắp, các yếu tố cấu thành năng suất và năng suất thực thu của các dòng
thí nghiệm năm 2014 ...............................................................................................................78
Bảng 3.7. Sự hình thành mô sẹo của các dòng ngô thí nghiệm ..........................................86
Bảng 3.8. Sự hình thành chồi tái sinh của các dòng ngô thí nghiệm....................................87
Bảng 3.9. Sự hình thành cây hoàn chỉnh của các dòng ngô thí nghiệm ...............................89
Bảng 3.10. Kết quả kiểm tra sự có mặt của các gen chuyển và khả năng hữu thụ của các cây
chuyển gen thế hệ T0 .......................................................................................................... 90
Bảng 3.11. Kết quả đánh giá khả năng hữu thụ của các cây chuyển gen thế hệ T0 ........ 94
Bảng 3.12. Kết quả phân tích PCR các dòng ngô ở thế hệ T1 ........................................... 96
Bảng 3.13. Kết quả phân tích PCR các dòng ngô ở thế hệ T2 ......................................... 100
Bảng 3.14. Nguồn gốc cây T2 được chọn đánh giá thế hệ T3 ......................................... 102
Bảng 3.15. Kết quả phân tích PCR các dòng ngô ở thế hệ T3 ......................................... 102
Bảng 3.16. Kết quả so sánh đoạn trình tự Promoter Ubiquitin và trình tự gốc ................ 106

Bảng 3.17. Kết quả so sánh đoạn trình tự gen ZmDREB2A và trình tự gốc ..................... 108
Bảng 3.18. Kết quả so sánh đoạn trình tự 35S terminater của dòng ngô ...........................111
Bảng 3.19. Tỷ lệ cây sống sau phục hồi (%) .......................................................................129
Bảng 3.20. Các chỉ tiêu thân, lá, rễ tươi của các dòng ngô thí nghiệm trong chậu ...........131
Bảng 3.21. Các chỉ tiêu thân, rễ khô của các dòng ngô thí nghiệm trong chậu .................133
Bảng 3.22. Thời gian sinh trưởng của các dòng ngô trong thí nghiệm ..............................135
Bảng 3.23. So sánh chiều dài bắp và đường kính bắp của các vật liệu ngô ở các thời kỳ hạn
khác nhau trong nhà lưới.......................................................................................................138
Bảng 3.24. So sánh số hàng hạt và số hạt/hàng của các dòng ngô mang ...........................139
Bảng 3.25. So sánh tỷ lệ hạt/bắp và khối lượng nghìn hạt của các dòng ngô....................140
Bảng 3.26. So sánh năng suất cá thể của các dòng ngô chuyển gen ZmDREB2A ở các thời
kỳ hạn khác nhau trong nhà lưới ..........................................................................................141


ix

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Các vùng trồng ngô của Mỹ bị ảnh hưởng của hạn hán........................................... 9
Hình 1.2. Năng suất ngô ở cận Sahara Châu Phi, Châu Mĩ Latinh và Nam Phi ................ 10
Hình 1.3. Bản đồ chỉ số rủi ro toàn cầu thế giới 1992 – 2011 ..............................................11
Hình 1.4. Hệ thống điều khiển phiên mã phụ thuộc và không phụ thuộc của ABA trong điều
kiện hạn hán, độ mặn và chống chịu lạnh ..............................................................................18
Hình 1.5. Biểu hiện của gen DREB2A ở Arabidopsis trong điều kiện bình thường và bất thuận... 31
Hình 1.6. Cảm ứng lạnh và sự biểu hiện gen DREB1 ...........................................................31
Hình 1.7. (A và B). Diện tích toàn cầu (Triệu ha) trồng cây biến đổi gen, 1996 đến 2017,
theo quốc gia, các quốc gia lớn và cho mười quốc gia hàng đầu........................................... 36
Hình 2.1. Sơ đồ thí nghiệm chuyển gen vào phôi non ngô thông qua vi khuẩn A.tumefaciens
............................................................................................................................................... 56
Hình 3.1. Một số hình ảnh các nguồn vật liệu có khả năng tái sinh tốt .............................. 72
Hình 3.2. Sự khác biệt giữa ZmDREB2A-L và ZmDREB2A-S .............................................80

Hình 3.3. Trình tự nucleotide và amino axit của gen ZmDREB2A ......................................81
Hình 3.4. So sánh trình tự amino axit của gen ZmDREB2A tổng hợp .................................81
Hình 3.5. Kiểm tra đoạn gen ZmDREB2A-S trong vector pRTRA7/3 ...............................82
Hình 3.6. Kiểm tra cấu trúc ubi:: ZmDREB2A-S ::35S trong vector pCAMBIA1300 ......83
Hình 3.7. PCR kiểm tra sự có mặt của gen ZmDREB2A-S trong vi khuẩn A. tumefaciens.........83
Hình 3.8. Sơ đồ, cấu trúc vector pCAMBIA1300 mang gen ZmDREB2A-S ......................84
Hình 3.9. Phôi non nguồn K1 trên môi trường nuôi ủ CCM ................................................85
Hình 3.10. Mô sẹo nguồn K1 trên môi trường phục hồi ReM ............................................... 85
Hình 3.11. Mô sẹo nguồn K7 trên.............................................................................................. 86
Hình 3.12. Mô sẹo nguồn K7 trên môi trường chọn lọc 2 (SeM2) ......................................86
Hình 3.13. Mô sẹo nguồn K7 phôi hoá trên môi trường tái sinh 1 (TS1) ............................. 87
Hình 3.14. Mô sẹo phôi hoá nguồn K1 trên môi trường tái sinh 2 (TS2) ............................. 87
Hình 3.15. Cây ngô chuyển gen nguồn K3 trên môi trường ra rễ .....................................88
Hình 3.16. Cây chuyển gen T0 được ra ngôi trên giá thể dinh dưỡng .................................88
Hình 3.17. Cây chuyển gen T0 được trồng ra đất .................................................................89
Hình 3.18. Kết quả phân tích PCR sử dụng cặp mồi mồi vắt đặc hiệu cấu trúc chuyển gen
Ubi-ZmDReb2A (350bp) của dòng K3 thế hệ T0 trên gel agarose 1% .............................. 90
Hình 3.19. Kết quả phân tích PCR sử dụng cặp mồi đặc hiệu ZmDreb2A (948bp) của dòng
K3 thế hệ T0 trên gel agarose 1%....................................................................................... 90


x

Hình 3.20. Kết quả so sánh trình tự gen ZmDREB2A từ cây chuyển gen dòng K7 với
trình tự gốc ................................................................................................................................................92
Hình 3.21. Một phần kết quả giải trình tự gen chuyển ZmDREB2A ....................................93
Hình 3.22. Một số dạng cây đột biến .....................................................................................94
Hình 3.23. Một số kết quả điện di sản phẩm PCR nhân gen ZmDReb2A (948 bp) của dòng
K3 thế hệ T1 trên gel agarose 1%....................................................................................... 98
Hình 3 24. Kết quả điện di sản phẩm PCR nhân gen ZmDREB2A (948bp) của dòng K7-3.3

thế hệ T2 trên gel agarose 1%........................................................................................... 100
Hình 3.25. Kết quả điện di sản phẩm PCR nhân gen ZmDREB2A(948 bp) ..................... 103
thế hệ T3 cây K3-3.1.96(A) và K7-4.12.25(B) trên gel agarose 1% ................................ 103
Hình 3.26. Kết quả điện di kiểm tra sản phẩm PCR đoạn promoter Ubi (1,4kb) trên gel
agarose 1%........................................................................................................................ 105
Hình 3 27. Một phần kết quả giải trình tự đoạn promoter Ubi thuộc nguồn K7-4-12.25 106
Hình 3.28. Kết quả giải trình tự đoạn Promoter Ubiquitin thuộc nguồn K7-4.12.25 ........106
Hình 3.29. Kết quả điện di kiểm tra sản phẩm PCR gen đích ZmDREB2A (948bp) trên gel
agarose 1% ........................................................................................................................ 107
Hình 3.30. Một phần kết quả giải trình tự đoạn gen ZmDREB2A của cây ngô chuyển gen
nguồn K7-4.12.25 ..................................................................................................................108
Hình 3.31. Kết quả so sánh trình tự gen ZmDREB2A từ nguồn K7-4.12.25 và trình tự gốc.109
Hình 3.32. Kết quả điện di kiểm tra sản phẩm PCR đoạn terminator 35S (256bp) trên gel
agarose 1% ........................................................................................................................ 110
Hình 3.33. Một phần kết quả giải trình tự đoạn 35S terminator bằng mồi 35S-F cây ngô
chuyển gen nguồn K7-4.12.25 ..............................................................................................110
Hình 3.34. Kết quả so sánh đoạn 35 S terminator nguồn K7-4.12.25 và trình tự gốc .......111
Hình 3.35a. Kết quả điện di kiểm tra sản phẩm PCR gen đích ZmDREB2A.....................113
Hình 3.35b. Điện di DNA tổng số sau khi xử lý với enzyme giới hạn................................113
Hình 3.35c. Kết quả Lai Southern với các nguồn dòng chuyển gen ZmDREB2A sử dụng
mồi probe đặc hiệu PCR đoạn gen đích ZmDREB2A ........................................................113
Hình 3.36A. Ảnh điện di RT-PCR mồi Actin dòng K3-4.18.32 ........................................116
Hình 3.36B. Ảnh điện di RT-PCR mồi Actin dòng K7-4.12.25 ....................................... 116
Hình 3.37A. Ảnh điện di RT-PCR mồi ZmDREB2A nguồn K3-4.18.32 ......................... 118
Hình 3.37B. Ảnh điện di RT-PCR mồi ZmDREB2A nguồn K7-4.12.25 .......................... 118
Hình 3.38. Kết quả lai Western blot các cây ngô chuyển gen ZmDREB2A thế hệ T3 ... 119
Hình 3.39. Hàm lượng chlorophyll a ở các cây thí nghiệm ................................................121


xi

Hình 3.40. Hàm lượng chlorophyll b ở các cây thí nghiệm ................................................122
Hình 3.41. Tỉ lệ chlorophyll a/chlorophyll b ở các cây thí nghiệm ....................................122
Hình 3.42. Hàm lượng proline của các cây chuyển gen ZmDREB2A và ......................... 124
Hình 3.43. Hàm lượng carbohydrate không cấu trúc của các nhóm cây thí nghiệm.........126
Hình 3.44. Cây con trước khi xử lý hạn ...............................................................................128
Hình 3.45. Giai đoạn trước phục hồi ................................................................................ 128
Hình 3.46. Giai đoạn sau phục hồi.................................................................................... 130
Hình 3.47. Rễ của các dòng ngô sau khi xử lý phục hồi 7 ngày...........................................131
Hình 3.48. Cây ngô K7 và K7-ZmDREB2A trong quá trình gây hạn ...............................137
Hình 3.49. Các thời kỳ gây hạn ................................................................................................137
Hình 3.50. Các bắp ngô K7-ZmDrb2A và K7 ở 4 thời điểm gây hạn................................143
Hình 3.51. Các bắp ngô K3-ZmDrb2A và K3 ở 4 thời điểm gây hạn................................144


xii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
TT Từ viết tắt

Giải thích tiếng Anh

1.
2.
3.
4.

2,4-D
A. thaliana
A. tumefaciens

ABA

2,4-Dichlorophenoxy acetic acid
Arabidopsis thaliana
Agrobacterium tumefaciens
Abscisic Acid

5.
6.

ABRE -ACGT ACGT-containing abscisic acid
responseelement
AS
Acetylseringone

7.
8.
9.

BAP
BĐKH
bp

base pairs
Bovine serum albumin
Coomassie Brilliant Blue
Cocultivation medium

13. CIMMYT

International Maize and Wheat
Improvement Center

CT
CV (%)
ĐC
dNTP

18. DRE
19. DREB
20. DTMA
21.
22.
23.
24.

E.coli
EDTA
et al, cs
EtBr

Phản ứng axit abscisic
chứa ACGT

6-Benzylaminopurine

10. BSA
11. CBB
12. CCM

14.
15.
16.
17.

Giải thích tiếng Việt

Coefficient of Variation

Biến đổi khí hậu
Cặp bazơ nitơ
Albumin huyết thanh bò
Môi trường đồng nuôi
cấy
Trung tâm Nghiên cứu
Ngô và Lúa mì Quốc tế
Công thức
Hệ số biến động
Đối chứng

Deoxyribonucleoside
Triphosphate
Dehydration responsive element

Yếu tố điều hoà phản
ứng với sự mất nước
Dehydration responsive element- Protein liên kết với yếu
binding protein
tố đáp ứng hạn DRE
Drought Tolerant Maize for

Ngô chịu hạn cho Châu
Africa
Phi
Escherichia coli
Ethylene diamine tetra acetic acid
Cộng sự
Ethidium bromide


xiii

25. FAOSTAT,
FAO
26. GSO
27. HSP
28. IPTG
29. ISAAA

30.
31.
32.
33.

Kb
Kda
KNKH
LB

34. LEA

35. MAS
36. MASBC

37. MASR

Food
and
Agriculture
Organization of the United
Nation
General Statistics Office of
Vietnam
Heat shock protein
Isopropyl
β-D-1thiogalactopyranoside
The International Service for the
Acquisition of Agri-biotech
Applications

Tổ chức Nông Lương
Liên hợp quốc
Tổng cục thống kê Việt
Nam
Protein sốc nhiệt

Dịch vụ Quốc tế Ứng
dụng Công nghệ Sinh
học Nông nghiệp Quốc
tế

Kilobases
Kilodaltons
Luria-Bertani

Khả năng kết hợp
Môi trường dinh dưỡng
cơ bản nuôi cấy vi khuẩn

Late embryogenesisabundant

Protein hình thành trong
giai đoạn phát triển
muộn của phôi
Chọn lọc nhờ chỉ thị
Molecular markers Selective
phân tử
Molecular markers Selective in
Chọn lọc nhờ chỉ thị
backcross
phân tử sử dụng quần thể
lai trở lại
Molecular markers selective Chọn lọc hồi quy nhờ chỉ
indicator regression
thị phân tử

38. mRNA
39. MS

Messenger ribonucleic acid
Murashige và Skoog

40. N6

Chu and et al

41. NAA
42. NAC
43. NACRS

1-naphthaleneacetic acid
NAM/ATAF1/2/CUC2
NAC recognition sequence

44. NS
45. OD

Optical density

ARN thông tin
Tên gọi đặt cho môi
trường dinh dưỡng cơ
bản nuôi cấy mô
Môi trường nuôi cấy mô
thực vật

Trình tự nhận
protein NAC
Năng suất
Mật độ quang học

biết


xiv

46. PCR

Polymerase Chain Reaction

47.
48.
49.
50.

Polyethylene glycol
Quantitative trait locus
Re - elongation Medium
Rooting Medium

PEG
QTL
ReM
RoE

51. RT-PCR
52. SDS
53. SDS-PAGE

54.
55.

56.
57.

SEM
TAE
TBE
T-DNA

58.
59.
60.
61.

TE
TF
Ti-plasmid
WEMA

62. WT
63. X-Gal
64. YEM

Phản ứng chuỗi trùng
hợp

Tính trạng số lượng
Môi trường phục hồi
Môi trường tạo cây hoàn
chỉnh
Reverse transcription polymerase Phản ứng nhân bản ADN

chain reaction
sao chép ngược
Sodium dodecyl sulfate
SDS - Polyacrylamide gel Điện
di
gel
electrophoresis
polyacrylamide có chứa
SDS
Shoot Elongation Medium
Môi trường chọn lọc
Tris-acetate-EDTA
Đệm chạy điện di
Tris-borate-EDTA
Đệm chạy điện di
Transfer DNA
Đoạn DNA được chuyển
vào thực vật
Tris-EDTA
Đệm Tris-EDTA
Transcription factor
Nhân tố phiên mã
tumor inducing plasmid
Plasmid gây khối u
Water Efficient Maize for Africa Ngô chịu úng cho Châu
Phi
Wild Type
Kiểu dại
5-bromo-4-chloro-3-indolyl-βD-galactopyranoside
yeast extract –manitol

Môi trường nuôi cấy
chứa cao nấm men và
manitol


1
MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Ngô (Zea mays L.) là một trong ba loài lương thực quan trọng trên thế giới bên cạnh
lúa mì và lúa nước. Mặc dù diện tích gieo trồng ngô chỉ đứng thứ ba trong số các cây ngũ
cốc nhưng lại cho sản lượng thu hoạch cao nhất. Ngô đóng vai trò quan trọng trong việc
đảm bảo an ninh lương thực toàn cầu, đồng thời là nguồn nguyên liệu cho các ngành công
nghiệp như dược phẩm, thực phẩm và sản xuất nhiên liệu sinh học. Theo thống kê sản
xuất ngũ cốc năm 2018/2019 cho thấy sản lượng ngô đạt 1099.61 triệu tấn, đứng thứ 2 là
sản lượng lúa mỳ đạt 734.74 triệu tấn, đứng thứ 3 là sản lượng lúa đạt 495.87 triệu tấn,
tiếp sau lần lượt là lúa mạch, cao lương. Hoa Kỳ là nước sản xuất gần một nửa lượng ngô
của thế giới với sản lượng sản xuất năm 2018/2019 đạt 366.287 triệu tấn, tiếp theo sau là
Trung Quốc với sản lượng 257.33 triệu tấn, Brazil 94.5 triệu tấn. Sản xuất ngô ở nước ta
hiện vẫn chưa tương xứng với tiềm năng, chưa đáp ứng được nhu cầu tiêu dùng trong
nước. Theo số liệu thống kê, năm 2018 nước ta vẫn phải nhập khẩu 8,436 triệu tấn ngô.
Tình trạng biến đổi khí hậu toàn cầu, hạn hán kéo dài, lượng mưa không đều ở các
vùng vào các thời điểm trong năm là một khó khăn lớn cho sản xuất nông nghiệp ở nhiều
nước châu Á, châu Phi, Nam Mỹ. Ngoài những tác động trực tiếp lên quá trình canh tác,
biến đổi khí hậu còn làm thu hẹp diện tích sản xuất nông nghiệp. Việt Nam có khoảng
75% diện tích là đồi núi, đất dốc nên thường xuyên khan hiếm về nguồn nước gây khó
khăn cho canh tác đối với nhiều loại cây trồng, trong đó có ngô.
Hạn là một trong những nhân tố có ảnh hưởng lớn nhất tới năng suất trên phạm vi
rộng lớn, có tính chất toàn cầu, cây ngô cũng không nằm ngoài tác động của hạn, nhất
là những vùng trồng ngô nhờ nước trời. Có nhiều biện pháp tác động đến sự phát triển
ngô trong điều kiện hạn như kỹ thuật canh tác, chọn tạo giống.

Để giải quyết vấn đề trên thì chọn tạo giống ngô chịu hạn là một trong những giải
pháp được các nhà khoa học đặt lên hàng đầu và có tính khả thi cao. Cho đến nay chọn
giống cây trồng chịu hạn nói chung và cây ngô nói riêng được thực hiện theo 3 hướng
chủ yếu: 1) Chọc lọc trực tiếp trên đồng ruộng; 2) Chọn lọc truyền thống phối hợp chỉ
thị phân tử; 3) Chuyển gen chịu hạn.


2

Các giống cây trồng chịu hạn được sử dụng trong sản xuất trước đây hầu hết được
lai tạo bằng các phương pháp chọn giống truyền thống, nhược điểm của phương pháp
này là rất tốn kém về thời gian và kinh phí, rất ít giống cây trồng chịu hạn được tạo ra
bằng phương pháp Công nghệ Sinh học. Hiện nay, các phương pháp chọn giống chịu
hạn đang được các nhà khoa học quan tâm sử dụng là chọn giống dựa vào chỉ thị phân
tử (MAS), lập bản đồ QTLs và chọn giống chuyển gen. Tính trạng chịu hạn là tính trạng
đa gen (do rất nhiều gen quy định), vì vậy định hướng chọn giống phân tử đang gặp khó
khăn lớn trong việc quy tụ các tính trạng, gen quan trọng liên quan đến chịu hạn. Gần
đây, dựa trên những thành tựu của chương trình nghiên cứu chức năng hệ gen thực vật
các nhà khoa học đã phát hiện và chứng minh vai trò quan trọng của nhóm gen mã hóa
yếu tố phiên mã (Transcription factor) trong việc tăng cường tính chịu hạn ở thực vật.
Nhóm gen mã hóa yếu tố phiên mã mặc dù không tham gia trực tiếp vào phản ứng đáp
ứng với điều kiện hạn ở thực vật nhưng sự biểu hiện của chúng lại có vai trò kích hoạt
sự biểu hiện của rất nhiều gen chức năng khác tham gia vào quá trình đáp ứng hạn, dẫn
tới làm tăng cường khả năng chịu hạn ở thực vật. Phát hiện này đã mở ra một hướng
nghiên cứu rất mới cho lĩnh vực chọn giống chuyển gen ở thực vật, đó là chỉ cần chuyển
1 hay 1 vài gen mã hóa yếu tố phiên mã thay vì vài trăm gen chức năng vào cây để tăng
cường tính chống chịu bất lợi môi trường của cây trồng.
DREB (Dehydration Responsive Binding protein) là gen tăng cường khả năng
chịu hạn được biết đến trong nhóm các nhân tố khởi đầu phiên mã tham gia điều khiển
tính chịu hạn: DREB, AREB, NAC, MYB, MYC, bZIP, WRKY. Ngày nay, đã có một số

nhà nghiên cứu phân tích đánh giá gen tăng cường khả năng chịu hạn (DREB) trên một
số đối tượng thực vật Arabidopsis, ngô, lúa, đậu tương, bông.
Gen ZmDREB2A cũng đã được phân lập và nghiên cứu đặc tính chi tiết ở ngô.
Không giống như gen DREB2A của Arabidopsis, gen ZmDREB2A tạo ra hai dạng phiên
mã và qua phân tích RT- PCR thì chỉ có dạng phiên mã có hoạt tính được sinh ra trong
điều kiện hạn. Ngoài ra, thí nghiệm phân tích hoạt hoá phiên mã (transactivation assay)
ở tế bào trần Arabidopsis đã chứng tỏ ZmDREB2A có hoạt tính hoạt hoá quá trình phiên
mã mạnh hơn nhiều DREB2A. Điều này chứng tỏ quá trình sửa đổi sau dịch mã là không


3
cần thiết trong việc tạo ra protein hoạt tính trong trường hợp gen ZmDREB2A. Sự biểu
hiện liên tục của ZmDREB2A làm tăng đáng kể khả năng chịu hạn của các cây chuyển
gen. Kết quả này cho thấy có sự khác nhau về cơ chế điều khiển tính chịu hạn trong cùng
nhóm gen giữa cây mô hình hai lá mầm (Arabidopsis) và cây một lá mầm.
Ở Việt Nam, chuyển gen liên quan đến tính chịu hạn vào cây ngô đã được tập
trung nghiên cứu trong những năm gần đây. Tuy nhiên, những nghiên cứu về biểu hiện
gen trong các cây chuyển gen chịu hạn còn ít được đề cập đến. Xuất phát từ những lý
do trên đề tài “Nghiên cứu biểu hiện gen mã hoá nhân tố phiên mã ZmDREB2A
nhằm tăng cường tính chịu hạn ở một số dòng ngô Việt Nam” được thực hiện.
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Tạo được dòng ngô chuyển gen mang cấu trúc gen ZmDREB2A;
- Xác định sự có mặt, sự ổn định qua các thế hệ và biểu hiện của gen ZmDREB2A
trên các vật liệu được chuyển gen ở mức phân tử;
- Đánh giá khả năng chịu hạn của các dòng cây ngô chuyển gen mang cấu trúc
gen ZmDREB2A ở điều kiện hạn nhân tạo.
3. Đóng góp mới của luận án
Luận án là công trình nghiên cứu có hệ thống từ biến nạp cấu trúc vector chứa
gen ZmDREB2A vào ba dòng ngô K1, K3, K7 đến đánh giá biểu hiện gen ZmDREB2A
liên quan đến tính chịu hạn cây ngô Việt Nam;

Ứng dụng kỹ thuật PCR, RT-PCR, southern blot, đánh giá hạn nhân tạo, phân
tích sinh lý, sinh hoá…đã đánh giá được sự có mặt, tính ổn định và biểu hiện của gen
chuyển trong cây chuyển gen và bước đầu tạo được dòng ngô chuyển gen mang gen
ZmDREB2A;
Kết quả đạt được của luận án có giá trị khoa học và thực tiễn trong tiếp cận nghiên
cứu tạo dòng ngô chịu hạn bằng kỹ thuật chuyển gen ở thực vật.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài luận án
Về mặt khoa học:
Những cơ sở khoa học của việc sử dụng kỹ thuật chuyển gen nhằm cải thiện đặc
tính chịu hạn của cây trồng đã được khẳng định thông qua việc tăng cường protein tái


4

tổ hợp ZmDREB2A và biểu hiện chức năng sinh học của gen chuyển ZmDREB2A trên
cây ngô.
Kết quả tạo cây ngô chuyển gen đã mở ra hướng nghiên cứu sử dụng kỹ thuật
chuyển gen trong việc cải thiện khả năng chịu hạn của cây ngô ở Việt Nam.
Về mặt thực tiễn:
Việc tạo ra các dòng ngô chuyển gen có khả năng chịu hạn tốt hơn so với dòng
đối chứng đã mở ra hướng nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật chuyển gen đối với các loại
cây trồng khác nhau nhằm nâng cao tính chịu hạn.
Các dòng ngô chuyển gen có khả năng chịu hạn là nguồn vật liệu khởi đầu cho
việc tạo các giống ngô chuyển gen chịu hạn trong nước.


5
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Tác động của hạn đến sinh trưởng và phát triển cây ngô
1.1.1. Khái niệm hạn

Bất cứ một cây trồng nào cũng cần phải có nước để duy trì sự sống. Mức độ cần
nhiều hay ít phụ thuộc vào từng loại cây trồng và từng giai đoạn phát triển của chúng.
Hạn đối với thực vật là khái niệm chỉ sự thiếu nước do môi trường gây nên trong suốt
cả quá trình sống hay từng giai đoạn, làm ảnh hưởng đến quá trình sinh trưởng và phát
triển. Mức độ tổn thương của cây trồng do khô hạn gây ra có nhiều mức khác nhau: chết,
chậm phát triển hay phát triển bình thường. Những cây trồng phát triển bình thường
trong điều kiện khô hạn gọi là “cây chịu hạn” và khả năng có thể giảm thiểu mức độ tổn
thương do thiếu hụt nước gây ra gọi là “tính chịu hạn”.
Tuy nhiên, khó có thể xác định được thế nào là trạng thái hạn đặc trưng vì mức
độ khô hạn do môi trường gây nên khác nhau theo từng mùa, từng năm, từng vùng địa
lý và không thể dự đoán trước được. Mức độ khô hạn do môi trường ảnh hưởng trực tiếp
đến sự phát triển của cây, nhẹ thì giảm năng suất, nặng thì có thể dẫn đến tình trạng huỷ
hoại cây, mùa màng.
Các yếu tố gây hạn của môi trường như thành phần thổ nhưỡng, thời tiết, khí hậu,
nhiệt độ cao, gió nóng.v.v...đã gây nên hiện tượng thiếu nước của cây, nguyên nhân
chính do mất cân bằng áp suất thẩm thấu giữa cây và môi trường, dẫn đến sự thiếu hụt
nước của tế bào. Trong trường hợp này, tác động của môi trường bên ngoài rất lớn, gây
ảnh hưởng đáng kể lên sự phát triển của cây. Thông thường, hạn được phân biệt thành
3 loại là hạn không khí, hạn đất và hạn toàn diện [39].
1.1.1.1. Hạn không khí
Hạn không khí thường có đặc trưng là nhiệt độ cao (39-42oC) và độ ẩm thấp
(<65%). Hiện tượng này thường gặp ở những tỉnh miền Trung nước ta vào những đợt
gió Lào và ở vùng Bắc bộ vào cuối thu, đầu đông. Hạn không khí còn xuất hiện ở một
số nước trên thế giới như gió Chamsin ở Israel; gió Mistral ở miền nam nước Pháp đã
làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến một số loại cây trồng như phong lan, cam, chanh, đậu
tương.


6

Hạn không khí ảnh hưởng trực tiếp lên các bộ phận của cây như hoa, lá, chồi non,
nhất là ảnh hưởng đến quá trình tung phấn của cây. Đối với thực vật trong đó có cây ngô
thì hạn không khí thường gây ra hiện tượng héo tạm thời vì nhiệt độ cao, độ ẩm thấp,
làm cho mức độ thoát hơi nước nhanh vượt qua mức độ bình thường, lúc đó rễ hút nước
không đủ để bù lại lượng nước mất, cây lâm vào tình trạng mất cân bằng về nước. Nước
cũng là sản phẩm khởi đầu, trung gian và cuối cùng của các quá trình chuyển hoá hoá
sinh, là môi trường để các phản ứng trao đổi chất xảy ra [163]. Vì vậy, việc cung cấp đủ
nước cho cây chính là một biện pháp canh tác quan trọng. Hướng nghiên cứu tăng cường
tính chịu hạn của cây trồng là một trong những mục tiêu của các nhà chọn tạo giống.
Mức độ thiếu hụt nước càng lớn thì ảnh hưởng càng xấu đến quá trình sinh trưởng
của cây. Thiếu nước nhẹ thì làm giảm tốc độ sinh trưởng, thiếu nước trầm trọng sẽ dẫn đến
biến đổi hệ keo nguyên sinh chất, làm tăng quá trình già hoá tế bào. Khi bị khô kiệt nước,
nguyên sinh chất bị đứt vỡ cơ học dẫn đến tế bào mô bị tổn thương và chết.
1.1.1.2. Hạn đất
Mức độ khô hạn của đất tuỳ 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 cao đến mức cây
không cạnh tranh được nước của đất và làm cho cây không thể lấy nước vào tế bào qua
rễ, vì thế hạn đất có thể gây ra cho cây héo lâu dài. Hạn đất tác động trực tiếp đến bộ
phận rễ của cây làm ảnh hưởng rất lớn đến quá trình sinh trưởng và phát triển của chúng.
Đối với các loại cây trồng cạn, hạn đất cũng ảnh hưởng nghiêm trọng đến giai đoạn gieo
hạt và nảy mầm. Lượng nước trong đất không đủ sẽ làm cho mầm héo, nếu thiếu nước
nặng sẽ gây thui chột mầm và chết.
1.1.1.3. Hạn toàn diện
Hạn toàn diện là hiện tượng hạn đất và hạn không khí xảy ra đồng thời. Trong
trường hợp này, cùng với sự mất nước do không khí làm cho hàm lượng nước trong lá
giảm nhanh dẫn đến nồng độ dịch bào tăng lên, 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, cây không có khả năng phục hồi. Ở nước ta
hạn toàn diện thường xảy ra ở các tỉnh miền Trung (Nghệ An, Hà Tĩnh), gây nên thiệt
hại đáng kể đến năng suất cây trồng trong đó có cây ngô.

7

1.1.2. Tác động của hạn đến sinh trưởng và phát triển cây ngô
Trong môi trường canh tác cây trồng cạn nói chung và cây ngô nói riêng thì hạn
là yếu tố tác động mạnh nhất tới sinh trưởng và phát triển của cây ngô chỉ sau yếu tố
dinh dưỡng. Hạn tác động lên quá trình sản xuất ngô, làm giảm năng suất trung bình
17%, ở những vùng nhiệt đới thấp có thể giảm tới 40% thậm chí lên tới trên 70% [131].
Trong điều kiện hạn, các tính trạng hình thái, sinh lý của cây ngô bị biến đổi, mức
độ biến đổi phụ thuộc vào vùng sinh thái, cường độ tác động, nguồn vật liệu. Cây ngô
tương đối mẫn cảm với hạn, bị ảnh hưởng ở mọi giai đoạn sinh trưởng, phát triển. Tuy
nhiên, giai đoạn trước và sau trỗ bị ảnh hưởng mạnh nhất dẫn tới làm giảm năng suất
[116].
Trong điều kiện hạn, phản ứng của cây ngô có một số thay đổi như: i) nẩy mầm
chậm và tỷ lệ mọc thấp; ii) giảm kích thước cây, một số bộ phận phát triển không đầy
đủ; iii) khí khổng đóng, quá trình quang hợp giảm thậm trí ngừng trệ do hệ thống enzyme
bị phá huỷ; iv) giảm quá trình đồng hoá dinh dưỡng, kéo dài thời gian chênh lệch trong
tung phấn phun râu, ngô con phát triển nhưng vô hiệu, giảm năng suất; v) trong điều
kiện hạn nhẹ sẽ tăng tỷ lệ rễ/chồi, trong điều kiện hạn nặng, hệ rễ kém phát triển, quá
trình hấp thụ dinh dưỡng trở nên khó khăn, quá trình vận chuyển ở thân bị ngừng trệ,
tích luỹ dinh dưỡng ở hạt kém [116].
Các nhà khoa học trên thế giới đã đánh giá khả năng chịu hạn trên cây ngô đều
cho rằng, nếu bị hạn trước khi trỗ cờ năng suất giảm 25%, còn bị hạn ở giai đoạn trỗ cờ
thì năng suất giảm 50% và sau trỗ cờ là 21%. Các tính trạng bị ảnh hưởng nhiều là chiều
cao cây, kích thước lá, năng suất sinh học, số hạt trên bắp, kích thước bắp và khối lượng
1000 hạt. Các tính trạng tương quan nghịch với năng suất trong điều kiện hạn là: cao
cây, năng suất sinh học, khoảng cách tung phấn – phun râu (ASI: Anthesis-Silking
Interval), chiều dài bắp, số hạt trên hàng, số bắp trên cây. Dẫn liệu trên cho thấy hạn là
yếu tố phi sinh học có tác động mạnh tới năng suất cây ngô [116]. Tóm lại, hạn ảnh

hưởng tới toàn bộ quá trình sinh trưởng và phát triển của cây ngô dẫn đến năng suất
giảm.
1.2. Ảnh hưởng của hạn đối với sản xuất ngô
1.2.1. Ảnh hưởng của hạn đối với sản xuất ngô trên thế giới


8

Biến đổi khí hậu đã diễn ra trên toàn cầu, ngày càng phức tạp và khó dự đoán
hơn. Các hiện tượng thời tiết cực đoan ngày càng tăng cả về cường độ và quy mô [152],
dự báo ảnh hưởng nghiêm trọng đến toàn cầu. 70% lượng nước ngọt trên toàn cầu hiện
nay được sử dụng cho nông nghiệp và điều này làm ảnh hưởng đến nguồn nước trong
tương lai, khi dân số tăng lên 30% tương đương 9 tỷ người vào năm 2050 [60].
Theo Tổ chức Quản lý Hạn - NDMP (2011), khi tổng hợp các điều kiện khí hậu,
dự báo sẽ xuất hiện những hiện tượng thời tiết cực đoan như rất lạnh trong mùa đông,
rất nóng ở nhiều vùng vào mùa hè, hay thay đổi về cường độ cũng như phân bổ lượng
mưa trên nhiều vùng của thế giới, phổ biến là biểu hiện của sự hạn chế về nước. Theo
Matthew và cộng sự [114], dự báo đến năm 2050, tình trạng thiếu nước nghiêm trọng ở
ngũ cốc sẽ tăng từ 18 - 25%. Điều này cũng được Ngân hàng Phát triển Châu Á (ADB)
báo cáo, nếu xu hướng biến đổi khí hậu đến năm 2050 sẽ ảnh hưởng đến sản lượng của
những cây trồng chủ yếu ở vùng nhiệt đới, đặc biệt Nam Á: ngô giảm 17%, lúa mì giảm
12%, gạo giảm 10% do biến đổi khí hậu gây ra bởi thời tiết cực đoan.
Theo CIMMYT, bất thuận phi sinh học gây suy giảm năng suất, trong đó hạn là
một trong những yếu tố chính. Theo thống kê, thiệt hại hàng năm của sản lượng ngô thế
giới bởi hạn là lớn, năm 1992 thiệt hại 19,0 triệu tấn ngô (15%) năm 1997 thiệt hại 20,4
triệu tấn (17%), năm 2002 thiệt hại 24 triệu tấn [53]. Theo ISAAA, năm 2012 tổng sản
lượng ngô giảm 15%, năng suất giảm 21% bởi hạn gây ra, tương đương với 120 triệu
tấn ngũ cốc, hạn gây thiệt hại bình quân 8%/năm tổng sản lượng ngô thế giới trong 20
năm (từ năm 1985 - 2005) [58], [83]. Dự báo đến năm 2025, những vùng bán khô hạn
và khô hạn sẽ chịu ảnh hưởng nhiều hơn của biến đổi khí hậu, cả về thời gian, không

gian, sẽ thường xuyên phải đối mặt với khô hạn trầm trọng hơn; nhiều diện tích đất bị
khô hạn mới sẽ xuất hiện, hay mở rộng thêm trên khắp các châu lục, trong đó phần lớn
tập trung ở châu Phi và châu Á.
Các tác động trước mắt và lâu dài của biến đổi khí hậu đang đe dọa đến hầu hết
160 triệu ha ngô trên toàn cầu [58]. Hạn ảnh hưởng đến sản xuất ngô ở một số nước,
như ở Mỹ năm 1934 hạn xảy ra trên diện rộng bao phủ gần 80% diện tích. Năm 2012
ảnh hưởng của hạn được cho là cao hơn nhiều và tồi tệ nhất trong 50 năm qua, tác động
đến 26 trong 52 tiểu bang, chiếm ít nhất 55% diện tích [83]. Do hạn hán nên sản lượng


9

ngô của Mỹ năm 2012 chỉ đạt 273,8 triệu tấn, giảm 13% so với năm 2011 (313,9 triệu
tấn). Cũng trong niên vụ năm 2011/2012, sản lượng ngô của Argentina đạt 21,4 triệu
tấn, giảm 23,0 triệu tấn, Brazil đạt 59,2 triệu tấn ngô, giảm 4,3% . Niên vụ 2013/14 hạn
xảy ra trên diện rộng tại Nam Mỹ, gây thiệt hại lên đến 19,8 triệu tấn, đặc biệt Argentina
khoảng 0,7 triệu ha đã bị ảnh hưởng nặng nề [166].

Nguồn: [166]
Hình 1.1. Các vùng trồng ngô của Mỹ bị ảnh hưởng của hạn hán
Khoảng 50% diện tích trồng ngô ở Đông Nam Á bị ảnh hưởng xấu bởi hạn [53].
Ở nhiều vùng ngô tại Trung Quốc, 9,3 - 35,1% tổng diện tích trồng bị ảnh hưởng bởi
hạn. Năm 2009 mặc dù diện tích tăng 2,3 triệu ha so với năm 2008, nhưng sản lượng
giảm 1,9 triệu tấn, mà nguyên nhân chính là hạn xảy ra trên 22,7 triệu ha ngô [169]. Ở
Bắc Triều Tiên, hạn nghiêm trọng đã tác động trên 17 % tổng diện tích. Ở Nam và Đông
Nam Á, 80% diện tích bị ảnh hưởng do ngô được trồng ở điều kiện nước trời. Trong báo
cáo của Ngân hàng Phát triển Châu Á (2012), vùng Nam Á đã bị ảnh hưởng nặng nề bởi
các hiệu ứng biến đổi khí hậu, sản lượng ngô giảm 6 - 23% [53].
Hạn ở châu Phi gây thiệt hại 15% sản lượng ngô, như năm 1992 - 1993 hạn gây
thiệt hại 12,5 - 23,5 triệu tấn. Tính riêng Nam Phi là vùng sản xuất nhiều ngô song cũng

chịu ảnh hưởng của hạn thiệt hại lên tới khoảng 14% (tương đương 11,5 triệu tấn) [58].