Đang tải... (xem toàn văn)
Những mục tiêu chính của luận văn: Phân lập gen mã hóa nhân tố phiên mã OsNAC6 điều khiển tính chịu hạn ở lúa; tập trung tối ưu hoá quy trình chuyển gen và thao tác di truyền trên cây lúa; tạo ra cây lúa chuyển gen OsNAC6 có khả năng chống chịu tốt với điều kiện hạn.
Ln văn tốt nghiệp Nguyễn Thị Phương Dung MỞ ĐẦU Tình hình biến đổi khí hậu tồn cầu (BĐKH) hiện nay đang là một vấn đề hết sức thời sự, thu hút sự quan tâm, lo lắng của tồn nhân loại. BĐKH hiện đang diễn ra thường xun trên diện rộng, vượt ra ngồi tầm kiểm sốt của con người và gây ra những tác động rất lớn đến đời sống và kinh tế tồn cầu, đặc biệt là nơng nghiệp. Vì vậy, việc nghiên cứu chọn tạo các giống cây trồng có khả năng thích ứng cao với bất lợi thời tiết là hết sức cần thiết và cấp bách. Việt Nam là một trong những quốc gia được dự đốn là bị ảnh hưởng nhiều nhất do tác động bởi biến đổi khí hậu Diễn biến thời tiết trong những năm gần đây cho thấy hạn đã và đang là một trong những ngun nhân chính làm giảm năng suất cây trồng; thậm chí có nơi, có vụ hạn gây thất thu làm sản lượng nơng nghiệp khơng ổn định. Vì vậy, việc tạo ra các giống cây trồng có tính kháng hạn cao có ý nghĩa đặc biệt quan trọng góp phần tăng năng suất, xóa đói giảm nghèo, ổn định xã hội, tăng dân trí và vị thế quốc gia. Từ hàng ngàn năm về trước, con người đã biết tạo ra giống cây trồng mang các đặc tính mong muốn bằng phương pháp lai tạo giống (lai hữu tính giữa hai dòng mang gen mong muốn). Tuy nhiên, phương pháp này cần nhiều thời gian, cơng sức và trong nhiều trường hợp, cây lai thu được kèm cả tình trạng khơng mong muốn. Ngày nay, các nghiên cứu hệ gen đã xác định đặc tính, chức năng của các gen hữu ích và kỹ thuật di truyền đã chuyển trực tiếp các gen hữu ích vào các đối tượng cây trồng khác nhau và tạo ra các cây trồng chuyển gen mang các đặc tính q như tăng tính chống chịu với các điều kiện ngoại cảnh bất lợi, tăng năng suất và chất lượng, cải thiện mơi trường nhờ giảm lượng thuốc trừ sâu hóa học cần sử dụng… Trong những năm vừa qua, hàng loạt các nghiên cứu chuyển các gen hữu ích vào các đối tượng cây trồng đã được tiến hành ở nhiều phòng thí nghiệm và Page 1 Luân văn tốt nghiệp Nguyễn Thị Phương Dung kết quả đã tạo được nhiều giống cây trồng chuyển gen mang các đặc tính quý chống sâu, kháng thuốc diệt cỏ, năng suất cao, chất lượng tốt Đặc biệt một số giống chuyển gen đã được thương mại và diện tích gieo trồng ngày càng tăng trong sản xuất, đáp ứng được kỳ vọng của thực tế sản xuất. Tính trạng chịu hạn là tính trạng đa gen, vì vậy mặc dù rất nhiều nghiên cứu tạo giống cây trồng chuyển gen chịu hạn đã được nghiên cứu trong những năm qua nhưng kết quả là vẫn chưa có giống cây trồng chịu hạn thương mại hóa [9, 54, 60]. Gần đây, xu hướng tạo giống cây trồng chuyển gen chịu hạn đang tập trung vào các nhân tố phiên mã liên quan đến chịu hạn (gen điều khiển chịu hạn) vì những lý do: (1) sự biểu hiện của các gen liên quan đến tính chịu hạn liên quan chặt chẽ đến q trình phiên mã, (2) các gen điều khiển tính chịu hạn mã hố các protein có khả năng hoạt hố sự biểu hiện của hàng loạt các gen chức năng liên quan đến chịu hạn thơng qua q trình phiên mã và kết quả là thực vật tăng cường tính chịu hạn. Điều này giải thích vì sao tính trạng chịu hạn là tính trạng đa gen nhưng chỉ cần chuyển một gen điều khiển tính chịu hạn có thể tăng sức chống hạn của cây chuyển gen. Vì vậy, việc phân lập và nghiên cứu đặc tính của các gen điều khiển đang trở thành vấn đề thời sự mang tính tồn cầu cả về nghiên cứu cơ bản lẫn nghiên cứu áp dụng. Hiện đã có rất nhiều cơng bố chuyển thành cơng các gen điều khiển chịu hạn vào cây mơ hình Arabidopsis, lúa, cà chua, đậu tương, ngơ Dựa vào thực tế trên, chúng tơi tiến hành thực hiện đề tài “Nghiên cứu chuyển gen mã hóa nhân tố phiên mã OsNAC6 vào giống lúa Pusa Basmati“ Với những mục tiêu chính như sau: Phân lập gen mã hóa nhân tố phiên mã OsNAC6 điều khiển tính chịu hạn ở lúa Tập trung tối ưu hố quy trình chuyển gen và thao tác di truyền trên cây lúa Tạo ra cây lúa chuyển gen OsNAC6 có khả năng chống chịu tốt với điều kiện hạn Page 2 Ln văn tốt nghiệp Nguyễn Thị Phương Dung Chương 1. TỔNG QUAN 1.1. NƠNG NGHIỆP TRONG ĐIỀU KIỆN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU TỒN CẦU 1.1.1. TÌNH HÌNH BIẾN ĐỔI KHÍ HẦU TỒN CẦU Theo Bộ Tài ngun Mơi trường, biến đổi khí hậu đã và đang diễn ra trên phạm vi tồn cầu, khu vực và Việt Nam. Biến đổi khí hậu đã và sẽ tác động nghiêm trọng đến sản xuất, đời sống và mơi trường trên phạm vi thế giới, trong đó có Việt Nam. Biến đổi khí hậu chính là sự thay đổi của hệ thống khí hậu gồm khí quyển, thuỷ quyển, sinh quyển, thạch quyển hiện tại và trong tương lai bởi các ngun nhân tự nhiên và nhân tạo trong một giai đoạn nhất định từ tính bằng thập kỷ hay hàng triệu năm. Sự biển đổi có thể là thay đổi thời tiết bình qn hay thay đổi sự phân bố các sự kiện thời tiết quanh một mức trung bình. Sự biến đổi khí hậu có thể giới hạn trong một vùng nhất định hay trên tồn Địa Cầu. Trong những năm gần đây, biến đổi khí hậu được gọi chung bằng hiện tượng nóng lên tồn cầu. Ngun nhân chính của hiện tượng biến đổi khí hậu tồn cầu là do sự gia tăng các hoạt động tạo ra các chất thải khí gây hiệu ứng nhà kính (bao gồm hơi nước, CO2, CH4, N2O, O3, các khí CFC), các hoạt động khai thác q mức các bể hấp thụ và bể chứa khí nhà kính như sinh khối, rừng, các hệ sinh thái biển, ven bờ và đất liền khác. Theo Trung tâm Nghiên cứu Khí tượng Khí hậu (Viện Khoa học Khí tượng thủy văn và Mơi trường), tình hình biến đổi khí hậu ở Việt Nam đang diễn ra theo chiều hướng gia tăng tần suất và cường độ của các hiện tượng bão, mưa Page 3 Ln văn tốt nghiệp Nguyễn Thị Phương Dung lớn, nhiệt độ cao và hạn hán. Thời tiết trong năm 2010 diễn biến phức tạp, bất thường, dịch bệnh trên cây trồng, vật ni xảy ra nhiều huyện thị, hạn hán nặng ở vụ hè thu, lũ lụt hồi tháng 10/2010 đã gây ảnh hưởng khơng nhỏ đến sản xuất nơng nghiệp của người dân. Theo Phó phòng Dự báo khí tượng hạn vừa và dài (Trung tâm dự báo Khí tượngThủy văn Trung ương) Nguyễn Đức Hồ thì trong những tháng tiếp theo của mùa khơ 2010, ở Bắc bộ, đặc biệt là Bắc Trung bộ hạn hán sẽ gay gắt hơn nhiều so với năm ngối. Cùng với đó, vào đầu vụ từ tháng 1 đến tháng 32011, mực nước sông lớn mức thấp TBNN, trong khi đó độ mặn vùng cửa sơng khả năng cao hơn TBNN, nước mặn xâm nhập sâu vào các cửa sơng và thẩm thấu ngầm, ảnh hưởng đến nhiều diện tích canh tác của các địa phương ven biển. Do vậy khả năng vào vụ có thể thiếu hụt lượng nước tưới tiêu tương đương với khoảng 200.000 ha. [80] 1.1.2. ẢNH HƯỞNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU TỒN CẦU ĐẾN SẢN XUẤT NƠNG NGHIỆP Nơng nghiệp thế giới hiện nay đang đối mặt với những khó khăn lớn do tình trạng biến đổi khí hậu gây Tại Trung Quốc, hạn hán nghiêm trọng thường xun xảy ra các tỉnh miền Bắc. Tính trạng hạn hán kéo dài từ cuối tháng 7 năm nay đã ảnh hưởng nghiêm trọng vùng trồng ngơ lớn nhất Trung Quốc và có nguy cơ thu hẹp 60% diện tích trồng trọt. Ấn Độ đang phải đối mặt với đợt hạn hán nghiêm trọng nhất trong vòng 7 năm qua. Hiện nay đã có hơn 1/3 số quận của Ấn Độ rơi vào tình trạng hạn hán. Thiếu hụt lượng mưa cần thiết có thể khiến tăng trưởng kinh tế của quốc gia này giảm sút 1% trong năm nay. Đợt hạn hán tồi tệ nhất trong lịch sử gần 20 năm qua tại Thái Lan trong năm nay đang đẩy quốc gia xuất khẩu gạo lớn nhất thế giới đối mặt với vụ mùa thất thu Thơng báo mới nhất cho biết, sản lượng gạo của nước này trong vụ mùa tới, kết thúc vào tháng 8, có thể chỉ đạt 2 triệu tấn so với mức dự báo 5 triệu tấn trước Page 4 Ln văn tốt nghiệp Nguyễn Thị Phương Dung Chưa bao giờ vấn đề biến đổi khí hậu (BĐKH) lại được đề cập nhiều và nóng bỏng như trong thời điểm này. Theo nghiên cứu mới nhất của Liên Hợp Quốc [81], Việt Nam sẽ là quốc gia bị ảnh hưởng nhiều nhất ở khu vực Đơng Nam Á từ sự BĐKH này Việt Nam, một nước đang phát triển trong thời kỳ cơng nghiệp hóa, nằm trong nhóm nước dễ bị tổn thương bởi các vấn đề mơi trường do BĐKH gây ra như lũ lụt, hạn hán, bão… Bên cạnh đó, với bờ biển dài, vấn đề mực nước biển dâng cao có thể làm mất 12,2% diện tích đất của Việt Nam và đe dọa tới chỗ sinh sống của 17 triệu người. Những biến động thời tiết bất thường gây thiệt hại lớn cho đời sống dân nhân và đất nước mà chúng ta thường gọi là thiên tai cần được nghiên cứu, xem xét theo hướng báo động tồn cầu về gia tăng nhiệt độ bề mặt trái đất và mực nước biển ngày càng dâng cao. Theo nghiên cứu mới nhất chuẩn bị cơng bố, đến cuối thế kỷ (2100), nhiệt độ của Việt Nam sẽ tăng lên khoảng 2 đến 4,5oC và mực nước biển sẽ dâng lên khoảng 10 đến 68 cm. Và nếu sự biến đổi khí hậu cứ diễn ra như với tốc độ hiện nay thì trong vòng khoảng 100 năm nữa, nhiều diện tích đất liền trên trái đất, trong đó có vùng đồng bằng châu thổ sơng Cửu Long và sơng Hồng, có thể sẽ ngập chìm trong nước biển [81]. Theo ước tính của IPCC, nếu mực nước biển dâng cao 1 m thì làm cho 22 triệu người Việt Nam mất nhà cửa, đồng bằng Sơng Hồng sẽ bị ngập 5.000 km2 và đồng bằng Sơng Cửu Long bị ngập 15.000 20.000 km2; mà đây là hai vựa lúa lớn nhất, tập trung đơng dân cư nhất cả nước. Mất đất, sản lượng lương thực của Việt Nam sẽ giảm 12% (xấp xỉ 5 triệu tấn). Trong khi miền Trung vẫn chưa hết mùa mưa lũ, các tỉnh miền Bắc lại đang phải gồng mình chống hạn. Sự thay đổi khắc nghiệt và bất thường của thời tiết đang khiến cả dải đồng bằng sơng Hồng "khát" nước. Mực nước các sơng, hồ chứa đều xuống thấp, ba hồ thuỷ lợi lớn của miền Bắc là Hồ Bình, Thác Bà, Tun Quang hiện mới chỉ tích Page 5 Ln văn tốt nghiệp Nguyễn Thị Phương Dung được hơn 5,2 tỉ m3, còn thiếu hơn 4,5 tỉ m3 so với thiết kế, đe doạ ảnh hưởng nghiêm trọng đến an ninh lương thực [82] Theo tính tốn của Tổng cục Thuỷ lợi, nếu kéo dài tình trạng ít mưa như hiện nay thì sẽ có khoảng 650.000 ha lúa Đơng Xn 2010 2011 rơi vào cảnh thiếu nước tưới. Trong khi đó, nhận định của Trung tâm Dự báo Khí tượng Thuỷ văn Trung ương cho thấy, thời tiết từ nay đến cuối năm và đặc biệt đúng thời điểm gieo cấy vụ Đơng Xn sẽ rất khắc nghiệt do khơ hạn tiếp tục kéo dài. Đến hết năm 2010, dòng chảy các sơng Bắc Bộ từ thượng lưu đến hạ lưu giảm nhanh và có khả năng nhỏ hơn mức trung bình nhiều năm (TBNN) từ 2040% Trong đó, 2 hệ thống sơng chính là sơng Hồng và sơng Thái Bình sẽ thiếu hụt với mức 3545%. 1.2. HẠN VÀ PHÂN LOẠI HẠN 1.2.1. KHÁI NIỆM HẠN Tất cả các sinh vật trên Trái đất đềucần có nước để duy trì các hoạt động sống của cơ thể, vì vậy nước có ý nghĩa sống còn đối với sinh vật, đặc biệt là thực vật – những sinh vật khơng có khả năng di chuyển để tìm nguồn nước. Lượng nước cần thiết cho cơ thể thực vật phụ thuộc vào từng lồi và từng giai đoạn phát triển của chúng. Hạn đối với thực vật là khái niệm chỉ sự thiếu nước do mơi trường gây ra trong suốt q trình sống hay trong từng giai đọan phát triển, làm ảnh hưởng đến q trình sinh trưởng và phát triển. Mức độ tổn thương của thực vật do khơ hạn gây ra có nhiều mức độ khác nhau: chết, chậm phát triển hay phát triển bình thường Khả năng giảm thiểu mức độ tổn thương do thiếu hụt nước gây ra gọi là “tính chịu hạn” của thực vật và những cây trồng có khả năng phát triển bình thường trong điều kiện Page 6 Ln văn tốt nghiệp Nguyễn Thị Phương Dung khơ hạn gọi là “cây chịu hạn”. Khả năng có thể giảm thiểu mức độ tổn thương do thiếu hụt nước gây ra gọi là “tính chịu hạn” của thực vật [3] Tuy nhiên, rất khó để xác định được thế nào là trạng thái hạn đặc trưng vì mức độ khơ hạn do mơi trường gây ra khác nhau theo từng mùa, từng năm, từng vùng địa lý và khơng thể dự đốn trước được. Mức độ khơ hạn do mơi trường gây nên ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển của cây, làm giảm năng suất cây trồng, thậm chí có thể dẫn đến mất mùa [61] Các yếu tố của mơi trường như thành phần thổ nhưỡng, thời tiết, khí hậu, nhiệt độ cao, gió nóng gây nên hiện tượng mất cân bằng áp suất thẩm thấu giữa cây và mơi trường, dẫn đễn sự thiếu hụt nước trong tế bào, gây ra hiện tượng hạn hán. Hạn được phân biệt thành 3 loại là hạn khơng khí, hạn đất và hạn tồn diện [11] 1.2.2. PHÂN LOẠI HẠN 1.2.2.1 Hạn khơng khí Hạn khơng khí thường có đặc trưng là nhiệt độ cao (39 42 0C) và độ ẩm thấp (