Đang tải... (xem toàn văn)
Luận văn
1 MỞ ĐẦU 1.1. Lí do chọn đề tài Lúa là nguồn lương thực chính của hơn một nửa dân số thế giới, được trồng khắp nơi, đặc biệt ở khu vực nhiệt đới, cận nhiệt đới ở châu Á, châu Phi, Bắc Mỹ và Nam Mỹ. Việt Nam là một trong những nước nằm ở trung tâm lúa thế giới. Sản xuất lúa gắn liền với sự phát triển nông nghiệp nước ta. So với các nước trên thế giới, nhu cầu tiêu thụ lúa gạo của Việt Nam được xếp vào hàng thứ 5 (sau các nước Trung Quốc, Indonesia, Ấn Độ, Bangladesh). Nhờ áp dụng các tiến bộ khoa học kỹ thuật, nghề trồng lúa ở Việt Nam không ngừng được phát triển. Diện tích lúa hầu như không tăng nhưng sản lượng lúa không ngừng tăng. Cụ thể, năm 1995 đạt 25 triệu tấn đến năm 2008 đã đạt tới 38,7 triệu tấn. Từ năm 1996 đến nay, Việt Nam đã trở thành một trong ba nước xuất khẩu gạo lớn nhất trên thế giới [5], [11], [12], [13], [15], [73], [94]. Cùng với cây lúa nước, lúa cạn đã đóng góp vào tổng sản lượng lúa một cách đáng kể (từ 20 - 40% ở những vùng sản xuất lương thực khó khăn). Diện tích trồng lúa cạn chiếm 7,5% diện tích trồng lúa trong cả nước, phân bố ở các tỉnh miền núi phía Bắc (Tây Bắc, Đông Bắc), vùng Duyên Hải Trung Bộ, Tây Nguyên . Lúa cạn có nhiều đặc tính quý như khả năng chịu hạn tốt, cứng cây, không lốp đổ, có thể gieo trồng ở những nơi thiếu nước. Các giống lúa cạn có chất lượng gạo tốt, hàm lượng protein trong hạt gạo cao, cơm dẻo và thơm phù hợp với thị hiếu người tiêu dùng. Tuy nhiên, hiện nay các giống lúa cạn địa phương đang bị mất đi nhanh chóng do ảnh hưởng của sự biến đổi khí hậu, tập quán canh tác và nhiều nguyên nhân khác. Vì thế việc sưu tập, bảo tồn và đánh giá nguồn gen cây lúa cạn địa phương là một công việc cần thiết, góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn gen cây lúa [11], [41], [42], [47]. Một trong những hậu quả của sự biến đổi của khí hậu là tình trạng hạn 2 hán gia tăng ở nhiều nơi trên thế giới trong đó có Việt Nam. Đây cũng là nguyên nhân chính thúc đẩy các dự án, các nghiên cứu phát triển các loại cây trồng có khả năng chống chịu mất nước tốt mà vẫn đảm bảo được năng suất nhằm đáp ứng với nhu cầu ngày càng gia tăng của con người trong khi nguồn nước cung cấp cho sản xuất nông nghiệp đang hạn hẹp dần [98], [111], [156], [181]. Đất canh tác của khu vực miền núi phía Bắc Việt Nam nghèo dinh dưỡng và thường xuyên bị hạn hán đe dọa. Do đó, việc tìm ra biện pháp tăng khả năng giữ nước của mô cây lúa cạn ở điều kiện khô hạn và nhiệt độ bất lợi nhằm tăng khả năng phục hồi sinh trưởng nhanh sau khi hết tác động bất lợi là một vấn đề quan trọng. Trong các biện pháp đó, ngoài yếu tố giống thì các nguyên tố dinh dưỡng khoáng có một vai trò nhất định; kali là một nguyên tố khoáng có tác dụng tăng khả năng giữ nước, tăng tính chống chịu của cây với điều kiện ngoại cảnh bất lợi (nhiệt độ thấp, khô hạn và bệnh). Các nghiên cứu về khả năng chịu mất nước của thực vật nói chung và của cây lúa nói riêng chủ yếu tiếp cận theo ba hướng sau: Thứ nhất, nghiên cứu về các chất có hoạt tính thẩm thẩu như: đường, prolin, axit hữu cơ . và khả năng điều tiết áp suất thẩm thấu giúp cây bảo vệ mô không bị tổn hại do mất nước [7], [28], [39], [43], [59], [98], [123], [130]. Thứ hai, khả năng kiểm soát sự mất nước ở bên ngoài của lá trên cơ sở củng cố độ vững chắc của thành tế bào nhằm tăng cường tính giữ nước của tế bào [4], [50], [85], [127], [166]. Thứ ba là khả năng ăn sâu của rễ xuống tầng đất phía dưới [4], [146]. Bên cạnh đó, việc đánh giá, tuyển chọn giống lúa cạn có chất lượng và khả năng chống chịu dựa trên các chỉ tiêu về hình thái, sinh lý, hoá sinh đã được một số tác giả bắt đầu quan tâm nghiên cứu [9], [19], [24], [32], [45], [47] . . . Tuy nhiên chưa có nghiên cứu so sánh một cách có hệ thống các chỉ tiêu sinh lý, sinh hóa của các giống lúa cạn ở một số tỉnh miền núi phía Bắc 3 Việt Nam đối với điều kiện ngoại cảnh bất lợi (hạn, nhiệt độ cao .) gây nên sự mất nước của cây. Từ những nhận thức trên, chúng tôi chọn đề tài: “So sánh đặc điểm sinh lý, hoá sinh liên quan đến khả năng chịu mất nước của một số giống lúa cạn trồng ở Thái Nguyên dưới tác động của KCl xử lý hạt trước khi gieo”. 1.2. Mục tiêu nghiên cứu - Xác định được sự sai khác trong các chỉ tiêu sinh lý, hoá sinh giữa các giống lúa cạn có khả năng chịu mất nước khác nhau và đề xuất giống chịu mất nước tốt nhất trong 25 giống được nghiên cứu trong luận án. - Đề xuất biện pháp xử lý ngâm hạt trước khi gieo bằng KCl, làm cơ sở cho việc chọn lọc giống và xây dựng biện pháp tăng cường khả năng chống chịu mất nước của cây lúa cạn. 1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu • Đối tượng nghiên cứu của đề tài luận án là các giống lúa cạn địa phương và biện pháp tăng cường khả năng chịu mất nước cho cây lúa cạn. • Phạm vi nghiên cứu: - Đánh giá khả năng chịu mất nước của mô của cây lúa cạn địa phương ở một số tỉnh miền núi phía Bắc Việt Nam ở thời kì mạ dựa trên các chỉ tiêu sinh lý, hóa sinh nhằm tìm ra những đặc trưng sinh lý, hóa sinh khác biệt ở giống chống chịu tốt và kém. - Xác định quan hệ di truyền giữa các giống lúa cạn thí nghiệm bằng kỹ thuật PCR- RAPD. - Phân lập và giải trình tự gen liên quan đến tính chịu mất nước - gen LTP (gen mã hóa protein vận chuyển lipit), phân tích sự khác nhau về trình tự gen và trình tự axit amin của protein ở giống lúa cạn chịu mất nước tốt và kém. - Tuyển chọn đại diện của nhóm giống lúa cạn có tính chịu mất nước cao 4 do hạn và nhóm chống chịu kém để nghiên cứu ảnh hưởng của kali clorua (KCl) đến một số chỉ tiêu sinh lí, hóa sinh liên quan đến tính chịu mất nước giữa hai nhóm giống đó. - Khảo sát đặc điểm nông học và phẩm chất của hạt ở một số giống đại diện hai nhóm giống có tính chống chịu khác nhau. Phân tích một số nguyên tố dinh dưỡng khoáng chủ yếu trong môi trường thí nghiệm (đất, phân bón). 1.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu 1.4.1. Ý nghĩa khoa học • Kết quả nghiên cứu của đề tài luận án sẽ cung cấp dẫn liệu khoa học về sự khác biệt trong phản ứng sinh lý, hóa sinh của các giống lúa cạn có khả năng khác nhau về chống chịu mất nước, cũng như đánh giá phản ứng của các giống lúa cạn có khả năng chống chịu mất nước khác nhau dưới tác động của KCl xử lý ngâm hạt trước khi gieo. • Xác định quan hệ di truyền của các giống lúa cạn được nghiên cứu trong đề tài và nghiên cứu gen liên quan đến khả năng chịu mất nước ở cây lúa cạn góp phần vào dẫn liệu về đặc điểm di truyền của các giống lúa cạn ở Việt Nam. 1.4.1. Ý nghĩa thực tiễn • Kết quả của luận án về sự khác biệt trong phản ứng sinh lý, hóa sinh và sinh học phân tử của các giống lúa cạn có khả năng chịu mất nước khác nhau cho các nhà chọn giống lúa tham khảo để ứng dụng vào việc khảo nghiệm, tuyển chọn bước đầu các giống lúa chịu hạn nhằm giảm thiểu qui mô số lượng giống và giảm chi phí, thời gian trong tuyển chọn giống lúa chống chịu. • Xử lý KCl với nồng độ 17,45 mM (0,13%) cho hạt lúa trước khi gieo để làm tăng khả năng hút và giữ nước, tăng tính chịu mất nước, tăng sinh 5 trưởng phát triển của cây lúa ở điều kiện bất lợi gây ra sự thiếu nước. • Giới thiệu giống lúa cạn Gb chịu mất nước tốt cho sản xuất ở các vùng có điều kiện tương tự như Thái Nguyên. • Kết quả của luận án sẽ có thể là tài liệu tham khảo cho nghiên cứu và giảng dạy về sinh lý chống chịu của thực vật. 1.5. Bố cục của luận án Luận án được trình bày trong 137 trang. Ngoài phần mở đầu (5 trang), phần kết luận và đề nghị (2 trang) và danh mục các tài liệu tham khảo , luận án gồm 3 chương như sau: Chương 1. Tổng quan tài liệu (32 trang); Chương 2. Vật liệu và phương pháp nghiên cứu (13 trang); Chương 3. Kết quả và thảo luận (62 trang). Trong luận án có 25 bảng, 9 hình và 182 tài liệu tham khảo trong đó có 49 tài liệu tiếng Việt, 133 tài liệu tiếng nước ngoài. Phần phụ lục của luận án gồm 4 phụ lục cụ thể: Phụ lục I. Nhiệt độ, số giờ nắng, lượng mưa, độ ẩm tương đối trung bình năm tại Thái Nguyên. Phụ lục II. Đặc điểm đất Thái Nguyên và khu vực thí nghiệm. Phụ lục III trình bày về thí nghiệm thăm dò tác động của một số nồng độ của ba nguyên tố khoáng và ảnh hưởng của canxi, đồng và kali đến sinh khối và tỷ số chịu hạn của cây lúa cạn. Phụ lục IV. Một số hình ảnh thí nghiệm của luận án. 6 Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. GIỚI THIỆU CÂY LÚA CẠN Lúa cạn là một thuật ngữ được đề cập đến trong nhiều công trình nghiên cứu và các tài liệu chuyên khảo về cây lúa ở trong và ngoài nước. Trên thế giới, Chang và Bardenas (1965) [63] hay Surajit (1975) [159] đều cho rằng: “Lúa cạn là loại lúa được gieo hạt trên các loại đất khô, có thể là đất dốc hoặc đất bằng nhưng đều không có bờ, sống phụ thuộc hoàn toàn vào nước mưa cung cấp”. Theo Huke (1982), lúa cạn (upland rice) còn được dùng bằng thuật ngữ lúa khô (dryland rice) và được định nghĩa là lúa cạn được trồng trong những thửa ruộng được chuẩn bị đất và gieo hạt dưới điều kiện khô, cây lúa sống phụ thuộc hoàn toàn vào nước trời [90]. Theo Garrity (1984), lúa cạn được coi là lúa trồng trong mùa mưa trên đất cao, đất thoát nước tự nhiên, trên những chân ruộng được đắp bờ hoặc không có bờ và không có lượng nước dự trữ thường xuyên trên bề mặt [83]. Trong cuốn sách “Upland rice A Global Perspective” (tạm dịch là “Lúa cạn - Một nhận thức toàn cầu”), Gupta và O'toole (1986) cũng có chung định nghĩa về lúa cạn trong Hội thảo về lúa cạn tại Bờ biển Ngà năm 1982: “lúa cạn được trồng trên đất thoát nước, không có sự tích trữ nước trên bề mặt, không được cung cấp nước và không đắp bờ chỉ được tưới nhờ nước mưa tự nhiên” [85]. Các nhà nghiên cứu Embrapa (1984) và Ahmadi (2004) trong báo cáo về lúa cạn tại Hội thảo về lúa gạo tại Italia cũng cùng chung quan điểm này [51], [70]. Theo Viện nghiên cứu lúa quốc tế (IRRI - International Rice Research Institute), lúa cạn là loại cây trồng mà hạt giống được gieo trực tiếp trên các 7 mảnh đất khô, không có bờ bao và không có sự tích lũy nước ở bề mặt ruộng trong suốt thời gian cây lúa sinh trưởng và phát triển [95]. Ở Việt Nam, theo Bùi Huy Đáp (1977), lúa cạn là loại lúa được gieo trồng trên đất cao như là một loại hoa mầu trồng cạn khác và thường không có mực nước trong ruộng và cũng hầu như không bao giờ được tưới thêm, nước cho lúa chủ yếu do mưa cung cấp [11]. Nguyễn Gia Quốc (1994) thì chia lúa cạn thành hai dạng: • Lúa cạn thật sự hay lúa rẫy, lúa nương là loại lúa được trồng trên triền dốc của đồi, núi, không có bờ ngăn giữ nước, luôn luôn không có nước chân, mực thủy cấp sâu, cây lúa sử dụng độ ẩm do mưa mang đến và ngấm sâu vào đất. • Lúa cạn không hoàn toàn hay lúa nước trời – là loại lúa được trồng ở triền thấp hoặc các vùng đồng bằng, không có hệ thống tưới tiêu chủ động, cây sống hoàn toàn bằng lượng nước mưa tại chỗ và mực thủy cấp khá cao có thể cung cấp bổ sung nước cho cây lúa ở một số thời điểm nào đó [41]. Các tác giả Arraudeau, Xuan (1994) cho rằng “upland rice” có nghĩa là lúa rẫy ở miền Nam, lúa cạn ở Trung Bộ và là lúa nương ở miền Bắc [55]. Theo Trần Văn Đạt (2005), lúa rẫy, lúa nương, lúa cạn, lúa khô đều chỉ một loại lúa nước trời trên đất khô, là một loại lúa được trồng trên đất dễ rút nước, không bị ngập, không có bờ bao và nhờ vào nước trời [13]. 1.1.1. Nguồn gốc và đặc điểm của cây lúa cạn Lúa trồng thuộc họ Graminae, chi Oryza, loài Oryza sativa L. và loài Oryza glaberrina. Bên cạnh hai loài lúa trồng này, chi Oryza còn có nhiều loài khác nhau (khoảng từ 19 đến 25 loài) do lịch sử phát triển và nghiên cứu nên sự phân loại các loài lúa dại không có sự thống nhất (trừ hai loài lúa trồng là Oryza sativa L. và Oryza glaberrina). Loài O. sativa L. chủ yếu phân bố ở 8 châu Á, hiện nay đang được trồng phổ biến ở khắp các nước trồng lúa trên thế giới. Loài O. glaberrina được trồng chủ yếu ở châu Phi, phần lớn tập trung một số nước Tây Phi. Hai loại lúa trồng đều có nguồn gốc từ lúa dại là O. perennis. Từ tổ tiên O. perennis qua các loại hình trung gian Oryza rapipogon (lúa dại lâu năm) và Oryza nivara (lúa dại hàng năm) rồi tiến hóa thành O. sativa L. (lúa trồng châu Á). Do thích ứng với điều kiện khí hậu, lúa O. sativa L. lại tiếp tục tiến hóa làm hai nhóm chính: indica thích hợp với khí hậu nhiệt đới, japonica thích ứng với khí hậu lạnh và cho năng suất cao (japonica ôn đới), ngoài ra còn có nhóm phụ thứ ba là javanica (japonica nhiệt đới). Đối với lúa trồng châu Phi cũng từ O.perennis qua các loại hình trung gian Oryza longistaminata rồi tiến hóa lên thành O. glaberrina [11], [13], [15], [85], [94], [129]. Theo công bố của Chang (1976) thì O. sativa L. xuất hiện đầu tiên trên một vùng rộng lớn từ lưu vực sông Gamges dưới chân núi Hymalaya qua Myama, Bắc Thái Lan, Lào đến Việt Nam và Nam Trung Quốc [64]. Theo tổng hợp của Trần Văn Đạt, hiện nay có 4 giả thuyết về nguồn gốc của cây lúa mà được các nhà nghiên cứu đề cập đến nhiều nhất là nguồn gốc từ Trung Quốc, Ấn Độ, Đông Nam Á và đa trung tâm. Theo giả thuyết đa trung tâm cho rằng nguồn gốc cây lúa trồng châu Á có thể bắt nguồn từ nhiều địa điểm một cách đồng bộ và độc lập [13]. Cây lúa là một loại thực vật thủy sinh không hoàn toàn và ban đầu có thể được trồng ở dưới thung lũng với nguồn nước dồi dào. Sau đó, cùng với sự gia tăng dân số, cây lúa được trồng trên những mảnh đất dốc hơn và các vùng đất cao nguyên tơi xốp hơn là cơ sở cho sự phát triển của các giống lúa cạn. Như vậy, lúa cạn có nguồn gốc từ lúa nước, giữa lúa cạn và lúa nước vẫn mang những đặc điểm giống nhau, giải phẫu thân, bẹ lá của cây lúa cạn thấy 9 có nhiều tổ chức thông khí (giống ở lúa nước) nhưng không phát triển. Những giống lúa cạn trồng ở đất cạn vẫn sinh trưởng bình thường trên ruộng có nước, đây là đặc tính nông học đặc biệt của cây lúa cạn, khác với các cây trồng khác, giúp lúa cạn được phân bố rộng hơn. Nhiều nghiên cứu cho thấy lúa cạn được hình thành từ lúa nước, phát triển theo hướng chín sớm, có bộ rễ dài và dày, có khả năng chống chịu tốt với hạn, nhất là hạn cuối mùa vụ, chống chịu sâu bệnh và chịu đất nghèo dinh dưỡng [85]. Garrity (1984) cho rằng lúa cạn được hình thành từ lúa nước, nhờ quá trình thích ứng với những vùng trồng lúa thường gặp hạn, làm xuất hiện những biến dị chịu hạn ngày càng cao. Vì vậy, giống lúa cạn có khả năng sinh trưởng bình thường khi ở ruộng nước [83] . Lúa cạn được trồng ở châu Á, châu Phi, và châu Mỹ La Tinh. Ở châu Á, khu vực phân bố theo hệ sinh thái của lúa cạn lớn hơn nhiều so diện tích trồng lúa nước, bởi vì lúa cạn có thể được trồng luân canh với nhiều loại cây trồng khác. Địa hình trồng lúa cạn rất đa dạng, có thể là ở dưới các thung lũng hoặc các khu vực đất dốc và nhấp nhô. Ở vùng Nam và Đông Nam châu Á, hầu hết lúa cạn được trồng trên sườn núi với độ dốc khác nhau từ 0 đến hơn 30%. Ở Tây Phi, lúa cạn được trồng trên đồi ở khu vực có độ ẩm khá hay ở khu đất bằng phẳng, ở nơi dễ bị hạn hán và ở các khu rừng ẩm ướt. Đất trồng lúa cạn trải dài từ những vùng đất bị xói mòn và bạc màu ở Tây Phi đến những mảnh đất núi lửa màu mỡ ở một số vùng của Đông Nam Á. Do đó, kết cấu của đất, khả năng giữ nước, khả năng trao đổi cation, tình trạng dinh dưỡng và các vấn đề khác về đất là khác nhau rất lớn. Khu vực Nam và Đông Nam châu Á có nhiều vùng đất trồng lúa cạn bị xói mòn, chua và hàm lượng phospho cao. Hơn nữa, tình trạng đất chua và độc tố nhôm cùng với sự thiếu hụt chất dinh dưỡng và khả năng giữ nước kém là hạn chế phổ biến của đất ở những khu vực này. 10 Nhiệt độ của hầu hết các vùng của châu Á, châu Mỹ La Tinh và châu Phi là tương đối thuận lợi cho sự sinh trưởng và phát triển của cây lúa cạn, ngoại trừ một số khu vực vùng cao ở Ấn Độ, Indonesia, Myanmar, Nepal và Thái Lan. Nhiệt độ trung bình tối thiểu và tối đa là 20 và 30° C ở các nước châu Mỹ La Tinh, 20 và 32° C ở Nam Á, và 18 - 35° C ở châu Phi. Trong khi đó, nhiệt độ tối ưu cho quang hợp tối đa của cây lúa là 25-30° C [85], [93], [95], [96]. Lúa gạo cung cấp 2/3 lượng calo cho 3 tỉ người châu Á, 1/3 lượng calo cho 1,5 tỉ người ở châu Phi và châu Mỹ La Tinh [96]. Trong gạo có đầy đủ các thành phần dinh dưỡng. Hạt lúa có khoảng 11% - 13% nước; 1,55% - 2,85% chất béo; 5,12% - 9,89% đạm; 6,55% - 11,2% xellulose; 60,92% - 66,99% tinh bột và 3,58%- 6,99% tro, vitamin, các loại enzym và các chất khoáng (nhiều nhất là Si, P, K, Na, Mg). Một kg gạo sẽ cung cấp 3.595 cal. Về tinh bột, gạo nếp và gạo tẻ có sự khác nhau, tinh bột gạo tẻ chủ yếu có cấu tạo mạch thẳng (amylose), còn ở gạo nếp có trên 80% tinh bột là mạch nhánh (amylopectin), do vậy gạo lúa nếp dẻo hơn và còn có mùi thơm nhờ vào các andehyt dễ bay hơi. Protein gạo được chia thành 3 loại chính (protein hoạt tính chủ yếu là các loại enzym, protein cấu tạo, protein dự trữ). Trong đó protein dự trữ có tỷ lệ cao nhất. Protein dự trữ trong gạo bao gồm: glutein chiếm 80%, albumin và globulin: 15%; prolamin: 5% [1]. 1.1.2. Tình hình sản xuất và nghiên cứu lúa cạn 1.1.2.1. Tình hình sản xuất lúa cạn Lúa là cây lương thực quan trọng có diện tích 156,688 triệu ha ở thế giới, trong đó châu Á chiếm 140,036 triệu ha. Ở Việt Nam, diện tích và sản lượng lúa gạo liên tục gia tăng qua các năm (bảng 1.1). Đến năm 2008, diện tích sản xuất lúa của Việt Nam là 7,305 triệu ha, sản lượng khoảng 38,725 triệu tấn, năng suất bình quân gần 5 tấn/ha và xuất khẩu 4,6 triệu tấn gạo.
