Đánh giá khả năng chịu hạn nhân tạo và sự sinh trưởng các dòng lúa Tám đột biến ở điều kiện nhà lưới

Đánh giá khả năng chịu hạn nhân tạo và sự sinh trưởng các dòng lúa Tám đột biến ở điều kiện nhà lưới

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Cõy lỳa (Oryza sativa L.) thuộc họ Hũa thảo (Gramineae) cú nguồn

gốc nhiệt đới, dễ trồng cho năng suất cao, trồng phổ biến ở nhiều nước trờnthế giới Lỳa là một trong ba cõy lương thực chủ yếu trờn thế giới: lỳa mỡ,lỳa gạo và ngụ Khoảng 40% dõn số trờn thế giới coi lỳa gạo là nguồn lươngthực chớnh, 25% sử dụng lỳa gạo trờn 1/2 khẩu phần lương thực hàng ngày,chủ yếu tập trung ở cỏc nước chõu Á

Với điều kiện khớ hậu nhiệt đới, Việt Nam cũng cú thể xem là “cỏinụi” hỡnh thành cõy lỳa nước, cõy lỳa đó trở thành cõy lương thực chủ yếu,cú ý nghĩa trong nền kinh tế và xó hội của nước ta Trải qua quỏ trỡnh sảnxuất lõu dài nhõn dõn ta đó chọn tạo, gỡn giữ và lưu truyền được nhiều giốnglỳa địa phương cú phẩm chất tốt, hương vị đặc biệt và một số giống đó trởthành sản phẩm nụng nghiệp đặc sản đặc trưng cho mỗi vựng miền như:Tỏm xoan Hải Hậu, Tỏm Bằng Phỳ Thọ, Tỏm Đen Hải Phũng, Nếp Cỏi Hoavàng, Dự Hương, Nàng Hương

Tuy nhiờn, đa số cỏc giống lỳa đặc sản cú yờu cầu khắt khe về điềukiện ngoại cảnh, khụng thớch hợp thõm canh, năng suất khụng cao nờn bị cỏcgiống lỳa mới, giống lỳa lai năng suất cao cạnh tranh và dẫn tới nhiều giốnglỳa ở nhiều địa phương đang dần bị mất đi Hiện nay diện tớch trồng lỳa đặcsản chiếm khoảng 3 - 5% tổng diện tớch lỳa ở Việt Nam Nhiều chươngtrỡnh, dự ỏn đó và đang được thực hiện nhằm khụi phục, bảo tồn và phỏttriển lại cỏc giống lỳa đặc sản địa phương Bằng con đường lai tạo, gõy độtbiến thực nghiệm…

Hiện nay, nhu cầu lúa gạo cho con người ngày một tăng, theo dự báocủa Tổ chức Nông lương thế giới (FAO) trong những năm 1990 - 2025 thìlúa gạo sản xuất phải tăng mỗi năm 21% là cần thiết để bảo đảm cho sự tăngdân số 1,7% mỗi năm Nhưng trong 130 triệu ha đất trồng lúa hiện nay, cókhoảng 20% diện tích đang canh tác trong điều kiện khô hạn hoặc phụ thuộcvào nước mưa tự nhiên Sự khan hiếm về nước tưới phục vụ cho nôngnghiệp đã được báo động trong nhiều nghiên cứu khoa học của thế giới gầnđây Khô hạn sẽ là yếu tố quan trọng bậc nhất ảnh hưởng đến an ninh lươngthực của thế giới

Hạn là yếu tố bất lợi của môi trường gây nên những thiệt hại nặng vềmùa màng trên cả thế giới và Việt Nam Vì vậy, nghiên cứu tính chịu hạn vàchọn dòng chịu hạn luôn thu hút các nhà nghiên cứu trên toàn cầu Mức độthiệt hại nặng hay nhẹ của cây trồng tuỳ thuộc vào thời gian và giai đoạn câybị hạn Các cơ chế về khả năng chịu hạn được đề cập đó là: khả năng điềuchỉnh thẩm thấu, vai trò của bộ rễ, hiệu quả sử dụng nước, vai trò của thànhtế bào và màng cuticula, di truyền phân tử liên quan đến tính chịu hạn

Từ những lý do trên, chúng tôi thực hiện đề tài: “Đánh giá khả năngchịu hạn nhân tạo và sự sinh trưởng các dòng lúa Tám đột biến ở điềukiện nhà lưới” để chọn lọc những dòng lúa Tám đột biến ưu việt nhưng có

- Kết quả của đề tài là tài liệu tham khảo cho những nghiên cứu tiếp

theo về việc chọn lọc những dũng lỳa Tỏm đột biến.

- Trờn cơ sở đỏnh giỏ một số chỉ tiờu chống chịu hạn, xỏc định được hệsố tương quan giữa một số tớnh trạng nụng sinh học với khả năng chống chịuhạn; đồng thời đề xuất được phương phỏp và chỉ tiờu đỏnh giỏ giống lỳa chịuhạn

* í nghĩa thực tiễn:

- Kết quả của đề tài gúp phần phong phỳ vào quỹ gen của những

giống lỳa chịu hạn.

- Đỏnh giỏ nhanh được nguồn vật liệu chọn giống trờn cơ sở xỏc địnhkhả năng chống chịu hạn giai đoạn lỳa đẻ nhỏnh

- Chọn lọc được những dũng lỳa cú nhiều đặc điểm ưu việt như thấpcõy, thời gian sinh trưởng ngắn, năng suất cao, chất lượng gạo khỏ, cú khảnăng chống chịu khỏ với cỏc điều kiện bất lợi của mụi trường như hạn, mặn,sõu bệnh… Cỏc dũng này sẽ tiếp tục được sử dụng như là nguyờn liệu đểchọn tạo giống.

2.4 Phạm vi, địa điểm và thời gian thực hiện

- Phạm vi nghiờn cứu: Đỏnh giỏ khả năng chịu hạn giai đoạn lỳa đẻ nhỏnh vàsự sinh trưởng phỏt triển của 10 dũng/giống lỳa nghiờn cứu.

- Địa điểm: Trại Thực nghiệm sinh học - Viện Cụng nghệ sinh học, Cổ

Nhuế, Từ Liờm, Hà Nội.

- Thời gian: Từ ngày 23 tháng 2 đến 22 tháng 5 năm 2011

PHẦN 1

TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1 Cơ sở khoa học của đề tài

1.1 Khái niệm về hạn và phân loại hạn

1.1.1 Khái niệm về hạn

Bất cứ một loại cây trồng nào cũng cần phải có nước để duy trì sựsống, mức độ cần nhiều hay ít nước tuỳ thuộc vào từng loại cây trồng vàtừng giai đoạn sinh trưởng phát triển của chúng Hạn đối với thực vật là kháiniệm dùng để chỉ sự thiếu nước của thực vật do môi trường gây nên trongsuốt cả quá trình hoặc trong từng giai đoạn làm ảnh hưởng đến sinh trưởngvà phát triển Mức độ tổn thương của cây trồng do khô hạn gây ra có nhiềumức khác nhau: chết, chậm phát triển hoặc phát triển tương đối bình thường.Những cây trồng có khả năng duy trì sự phát triển và cho năng suất tươngđối ổn định trong điều kiện khô hạn được gọi là cây chịu hạn và khả năngcủa thực vật có thể giảm thiểu mức độ tổn thương do thiếu hụt nước gây ragọi là tính chịu hạn (Đinh Thị Phòng, 2001).

Tuy nhiên khó có thể xác định được thế nào là một trạng thái hạn đặctrưng 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 Theo Hsiao(1980) thì: "Hạn là sự mất cân bằng nước của thực vật thể hiện trong sự liênquan hữu cơ giữa đất - thực vật - khí quyển" Theo Nguyễn Đức Ngữ (2002)đã định nghĩa: “Hạn hán là hiện tượng lượng mưa thiếu hụt nghiêm trọng,kéo dài, làm giảm hàm lượng ẩm trong không khí và hàm lượng nước trongđất, làm suy kiệt dòng chảy sông suối, hạ thấp mực nước ao hồ, mực nướctrong các tầng chứa nước dưới đất, gây ảnh hưởng xấu đến sinh trưởng vàphát dục của cây trồng, làm mùa màng thất bát, môi trường suy thoái, gây rađói nghèo và dịch bệnh”.

Theo một các chuyên gia của WMO (Tổ chức Khí tượng thế giới)phân chia thành 4 loại hạn là: hạn khí tượng, hạn nông nghiệp, hạn thuỷ vănvà hạn kinh tế xã hội (Nguyễn Đức Ngữ, 2002),

Theo Nguyễn Văn Hiển và cs (2000) thì có 3 loại hạn cần quan tâmtrong sản xuất nông nghiệp:

- Hạn đất: đặc trưng là xảy ra từ từ, khi đó lượng muối và dinh dưỡngtrong rễ ở mức độ bị vô hiệu hóa, cây không có đủ nước để hút, mô cây bịkhô đi nhiều và sự sinh trưởng trở nên rất khó khăn Hạn đất sẽ làm cho ápsuất thẩm thấu của đất tăng cao đến mức cây không cạnh tranh được nướccủa đất làm cho cây không thể lấy nước vào tế bào qua rễ, chính vì vậy, hạnđất thường gây nên hiện tượng cây héo lâu dài Hạn đất có thể xẩy ra ở bấtkỳ vùng đất nào và thường xảy ra nhiều ở những vùng có điều kiện khí hậu,địa hình địa chất thổ nhưỡng đặc thù như sa mạc ở châu Phi; đất trống đồitrọc của châu Á; mùa ít mưa và nhiệt độ thấp ở châu Âu.

- Hạn không khí: xảy ra một cách đột ngột, độ ẩm tương đối củakhông khí giảm xuống 10 - 20% hoặc thấp hơn Hạn không khí ảnh hưởngtrực tiếp lên các bộ phận của cây trên mặt đất như hoa, lá, chồi non… Đốivới thực vật nói chung và cây lúa nói riêng thì hạn không khí thường gây rahiện tượng héo tạm thời, vì khi nhiệt độ cao, ẩm độ thấp làm cho tốc độ bốcthoát hơi nước quá mức bình thường, lúc đó rể hút nước không đủ để bù đắplượng nước mất, cây lâm vào trạng thái mất cân bằng về nước Nếu hạn kéo

dài dể làm cho nguyên sinh chất bị đông kết và cây nhanh chóng bị chết, còngọi là “cảm nắng’’ Ở lúa, hạn không khí gây hại nhất ở giai đoạn lúa phơimàu và thậm chí gây nên mất mùa nếu gặp phải đợt nhiệt độ cao và độ ẩmkhông khí thấp (mặc dù nước trong đất không thiếu) làm cho hạt phấn khôngcó khả năng nảy mầm, quá trình thụ tinh không xảy ra và hạt lép.

- Hạn tổng hợp: là hiện tượng khi có cả hạn đất và hạn không khí xảyra cùng một lúc Hạn tổng hợp đặc biệt có hại vì lúc này hiện tượng thiếunước đi kèm với không khí nóng Trong trường hợp này cùng với sự mấtnước do không khí làm cho hàm lượng nuowcstrong lá giảm nhanh dẩn đếnnồng độ dịch bào tăng lên, mặc dù sức hút nước từ rễ của cây cũng tăng lênnhưng lượng nước trong đất đã cạn kiệt không đủ cung cấp cho cây Hạntoàn diện thường dẫn đến hiện tượng héo vĩnh viển, cây không có khả năngphục hồi.

Theo một số tác giả khác đã chia hạn thành 4 dạng chính bao gồm: hạnkhông khí, hạn đất, hạn kết hợp và hạn sinh lý Trong đó, hạn sinh lý là kiểuhạn mà khi có đầy đủ nước mà cây vẩn không thể hút được có thể do: nhiệtđộ quá thấp hoặc phần xung quanh rễ có quá nhiều chất gây độc cho rễ hoặcnồng độ dinh dưỡng quanh rễ qua cao (Trần Nguyên Tháp, 2000),

1.2 Tính chịu hạn của thực vật

1.2.1 Tác động của hạn lên thực vật

Nước là yếu tố giới hạn đối với cây trồng, là sản phẩm quan trọngkhởi đầu, trung gian và cuối cùng của các quá trình chuyển hoá sinh hoá, làmôi trường để các phản ứng trao đổi chất xảy ra Nước có ý nghĩa sinh tháivà sinh lý quyết định trong đời sống thực vật Thiếu nước là một trongnhững nguyên nhân chính làm giảm năng suất cây trồng Do vậy tính chịuhạn của cây trồng và vấn đề chống chịu hạn thường xuyên được quan tâm.

Hạn là tác động của môi trường xung quanh đủ để gây mất nước ởthực vật Hiện tượng mất nước có thể là tác động sơ cấp, là kết quả của sựthiếu nước của môi trường, hoặc là tác động thứ cấp được gây nên bởi nhiệtđộ thấp, sự đốt nóng hoặc tác động của muối.

Chống lại khô hạn cây có thể giữ không để mất nước hoặc nhanhchóng bù lại sự thiếu nước thông qua những biến đổi về hình thái Duy trì ápsuất thẩm thấu nội bào có tác dụng bảo vệ hoặc duy trì sức sống của tế bàochất ngay cả khi bị mất nước cực đoan Đó là khả năng chịu hạn của thựcvật.

1.2.2 Cơ chế chịu hạn của thực vật và khả năng khắc phục

Thực vật chống mất nước là dựa trên khả năng làm tăng áp lực nội tại,tăng tính đàn hồi của màng tế bào, giảm kích thước tế bào Những khảnăng này cần thiết cho việc duy trì sức trương của tế bào là yếu tố cơ bản đểquá trình trao đổi chất, quá trình sinh trưởng và phát triển diễn ra bìnhthường khi cân bằng nước ở thực vật bị thay đổi.

Có hai cơ chế chính liên quan đến khả năng chịu hạn của thực vậtđược thảo luận tới nhiều:

1.2.2.1 Vai trò của bộ rễ

Bộ rễ có hình thái khỏe, dài, mập, có sức xuyên sâu giúp cho cây hútđược nước ở những vùng sâu, vùng xa Hình thái và chức năng của bộ rễthường liên quan nhiều đến khả năng chịu hạn của cây trồng cạn, trong đó cógiống lúa cạn Khi gặp điều kiện hạn, axit abcisic (ABA) được tăng cườngtổng hợp ở rễ, sau đó vận chuyển lên lá, đẩy nhanh tốc độ già hóa của lá,đóng khí khổng làm giảm sự thoát hơi nước Bên cạnh đó, ABA được tăngcường trên lá làm mức độ héo tăng lên giúp cây tránh bớt được mức độ bứcxạ mặt trời trên, giảm sử dụng nước và hiện tượng tăng nhiệt độ bề mặt lá

Khi gặp hạn rể mọc dài hơn, phân bố rộng và sâu hơn vào các lớp đấtgiúp cây lúa tận dụng nước dưới sâu Khi bắt đầu gặp điều kiện hạn ở giaiđoạn cây con, khối lượng rể và tỉ lệ rể/thân lá tăng lên; sinh nhiều rể đốt vìrể đốt có thể đâm xuyên lớn hơn vào các lớp đất, do đó tăng cường khả nănghấp thu nước Một số nghiên cứu chỉ ra rằng: khi gặp hạn, tốc độ dài rễ lớnhơn tốc độ dài lá, ở các giống lúa chịu hạn thì chiều dài rễ, số rễ/cây, trọnglượng khô của rễ/cây và tốc độ hút nước của ở các giống chịu hạn cao hơnrất nhiều giống đối chứng khi có nước trở lại Điều này có ý nghĩa khi câylúa gặp điều kiện hạn Bên cạnh đó ở lúa chiu hạn , tế bào rể có áp suất thẩmthấu cao, sức hút nước lớn… (Nguyễn Đình Giao và cs, 1997).

1.2.2.2 Khả năng điều chỉnh áp suất thẩm thấu

Khả năng điều chỉnh áp suất thẩm thấu của tế bào thực vật, đặc biệt làtế bào rễ có mối liên quan trực tiếp đến khả năng cạnh tranh nước của tế bàorễ cây đối với đất Trong điều kiện hạn, áp suất thẩm thấu được điều chỉnhtăng lên giúp cho tế bào rễ thu nhận được những phân tử nước có rất ít trongđất Bằng cơ chế như vậy thực vật có thể vượt qua được tình trạng hạn cụcbộ Đối với những giống lúa nước tính chịu hạn cục bộ có một ý nghĩa quantrọng cho những vùng chưa chủ động được nước tưới (Bùi Chí Bửu và cs,2003)

Khi tế bào bị mất nước dần dần các chất hòa tan sẽ được tích lũy trongtế bào chất nhằm chống lại việc giảm tiềm năngg nước và tăng khả năng giữnước của nguyên sinh chất Các chất hòa tan có liên quan bao gồm: Các loạiđường, các axit hữu cơ, các loại axit amin, các loại rượu đa chức hay các ion(chủ yếu là ion K+ ) Hầu hết các lọai chất tan hữu cơ có tác dụng điều chỉnháp suất thẩm thấu được sinh ra ngay trong quá trình đồng hóa và quá trìnhtrao đổi chất (Lê Trần Bình và cs, 1998)

1.3 Tính chịu hạn ở cây lúa

Những thực vật tồn tại trên môi trường thiếu nước làm cho chúng bịmất cân bằng về thẩm thấu, để chống lại những điều kiện khắc nghiệt đó đòihỏi cây trồng phải có những cơ chế đặc biệt Tránh mất nước và chịu mấtnước là hai cơ chế tồn tại ở những cây chịu hạn Cơ chế tránh mất nước phụthuộc vào khả năng thích nghi đặc biệt của cấu trúc và hình thái của rễ vàchồi Cơ chế chịu mất nước liên quan đến những thay đổi tinh vi trong sinhhoá tế bào dẫn đến sự tích luỹ các chất hoà tan, các protein và amino acidđặc biệt như proline, mannitol, fructan, glycine betaine, ion K+, các enzymphân hủy gốc tự do Nhiều các chất mới được tổng hợp để tạo sức khángcho cơ thể cây trồng Hiện tượng này có thể diễn ra rất nhanh khi gặp sự mấtcân bằng thẩm thấu Vai trò và chức năng của các chất xuất hiện khi thựcvật bị thiếu hụt nước có nhiệm vụ chính là điều chỉnh và bảo vệ thẩm thấu,loại bỏ gốc tự do (Bohnert và cs, 1996).

Phản ứng đầu tiên khi cây lúa gặp hạn là khí khổng đóng lại, ngănchặn sự thoát hơi nước ra ngoài Quá trình đóng mở khí khổng là rất phứctạp liên quan đến hàng loạt các quá trình như quang hợp, hô hấp, trao đổiion, hút dinh dưỡng Khi mất nước nhiều, khí khổng không còn khả năngđóng, nước ồ ạt thoát ra ngoài cuối cùng dẫn đến tình trạng héo và chết(Bohnert và CS, 1996).

Trong điều kiện đủ nước khó có thể phân biệt được giống lúa chịu hạnvà không chịu hạn, nhưng khi khô hạn xẩy ra thì những kiểu gene liên quantính chịu hạn được biểu hiện rõ ràng: i) giống có khả năng chịu hạn lànhững giống có khả năng duy trì sức trương của tế bào và dễ dàng vượt quathời kỳ khô hạn; ii) giống không có khả năng chịu hạn sẽ bị héo và khôngay khi có khó khăn về nước

Trong quá trình sinh trưởng và phát triển, cây lúa tiêu thụ một lượngnước rất lớn Nhìn chung trong các loại cây trồng thì lúa nước là loại câykém chịu hạn nhất Giai đoạn phân hoá đòng, ôm đòng, trỗ và phơi màu lànhững giai đoạn mẫn cảm nhất của cây lúa với nước Nước thâm nhập vàocây ở trạng thái tự do qua bộ rễ Khả năng cung cấp nước tuỳ thuộc vàotừng loại đất Nghiên cứu khả năng giữ nước và độ ẩm gây héo cho cây lúacho thấy đất thịt nặng có khả năng giữ nước tốt nhất và kém nhất là đất cát(McKersie và cs, 1994).

Bảng 1 Kh n ng gi m c a ả năng giữ ẩm của đất và độ ẩm gây héo cho cây ăng giữ ẩm của đất và độ ẩm gây héo cho cây ữ ẩm của đất và độ ẩm gây héo cho cây ủ đất và độ ẩm gây héo cho cây à độ ẩm gây héo cho cây độ ẩm gây héo cho cây ẩm của đất và độ ẩm gây héo cho cây t v m gây héo cho cây

Loại đấtSức chứa ẩmđồng ruộng

Độ ẩm gâyhéo(%)

Lượng nướccây sử dụng

được (%)

Đất thịt nặngĐất thịtĐất phù sa Cát

Theo Nguyen và cs (1997) tính chịu hạn của cây lúa phụ thuộc vào mộthoặc nhiều các cơ chế sau:

1) Cây sử dụng nước một cách hợp lý trong điều kiện thiếu nước thông quaviệc làm giảm diện tích lá và rút ngắn thời gian sinh trưởng.

2) Khả năng đâm sâu của rễ để khai thác nguồn nước ở độ sâu đảm bảo chonhu cầu thoát hơi nước.

3) Duy trì sức trương của tế bào thông qua khả năng điều chỉnh áp suấtthẩm thấu để bảo vệ các chồi non khỏi khô hạn trong điều kiện mất nướccực đoan.

4) Kiểm soát mức độ thoát nước trên bề mặt của lá.

Phản ứng chống lại sự thiếu hụt về nước ở thực vật là rất phức tạp,được tham gia bởi hàng loạt các quá trình trao đổi chất khác nhau Khả nănggiữ nước phụ thuộc chủ yếu vào sự đóng mở của khí khổng ở lá, còn khảnăng thu nhận nước chủ yếu phụ thuộc vào chức năng của bộ rễ

1.4 Di truyền phân tử liên quan đến tính chịu hạn ở cây lúa

Các kết quả nghiên cứu sinh lý cho phép người ta khẳng định khả nănghút nước từ các tầng đất sâu để đáp ứng nhu cầu thoát hơi nước và khả năngđiều chỉnh áp suất thẩm thấu của bộ rễ là những đặc điểm chính quyết địnhtính chịu hạn ở lúa Vì vậy, đặc điểm xuyên sâu của bộ rễ để thu nhận nướctừ tầng đất sâu và khả năng điều chỉnh áp suất thẩm thấu là những đặc điểmquan trọng trong chương trình chọn tạo tính chịu hạn ở cây lúa Tuy nhiênđể chọn ra được các tính trạng này thì cần phải có các thí nghiệm lặp lạichuẩn xác trong điều kiện thiếu nước ở nhà kính hoặc trên đồng ruộng.

Hiện nay các nhà nghiên cứu đang tập trung tìm kiếm gene liên quanđến tính chịu hạn ở mức độ phân tử Bản đồ vật lý (Physical map) cho tínhtrạng số lượng đang được lập trên cây lúa và đã phát hiện ra các dấu chuẩnphân tử Các dấu chuẩn này sẽ cho phép các nhà chọn giống nhận biếtnhững vị trí của các gene kiểm soát tính chịu hạn bỏ qua việc đánh giá kiểuhình Ít nhất đã có hai bản đồ khá đầy đủ của lúa được công bố (Cause và cs,1994) Những bản đồ gene trên đã cung cấp cho các nhà nghiên cứu về lúa

gần 2000 chỉ thị dấu chuẩn phân tử phân bố trong hệ genom với mật độkhoảng 0,9 cM

Những tiến bộ gần đây trong kỹ thuật sinh học phân tử như AFLP vàRFLP đang làm tăng mật độ chỉ thị Bản đồ gene của một số đặc điểm sốlượng liên quan đến tính trạng hình thái của rễ như độ dày rễ, tỉ lệ giữarễ/thân, trọng lượng khô rễ/nhánh và chiều dài tối đa của rễ đã được nhậnbiết khi tiến hành phân tích các dòng tự phối trong điều kiện nhà kính.Champoux và cs (1995) đã lập được bản đồ liên kết một số tính trạng sốlượng liên quan đến khả năng tránh hạn dựa trên đặc điểm cuộn lá dưới điềukiện thiếu nước trong ba giai đoạn phát triển khác nhau Đặc biệt nhómnghiên cứu này đã phát hiện ra rằng có hơn 50% các tính trạng số lượng liênquan đến tính tránh hạn dựa vào hình thái của rễ là nằm trên cùng nhiễm sắcthể Tính trạng số lượng liên quan với khả năng xuyên sâu của rễ lúa cũngđã được xác định bằng cách sử dụng hệ thống sáp nến như là những lớp đấtcứng

Ở lúa, nhiều nghiên cứu đã xác định được vị trí của gen liên quan đếnđiều chỉnh ASTT (áp suất thẩm thấu) nằm trên nhiễm sắc thể số 8 Cácnhóm gene số lượng (QTL) liên quan đến những đặc tính khác như hình tháirễ, tính tránh hạn và khả năng điều chỉnh ASTT đã được xác định là chúngnằm gần như trên cùng một vùng của nhiễm sắc thể số 8 Price và cs (1997)đã sử dụng quần thể F2 (Bala x Azucena, giống Bala là giống không chịuhạn, bộ rễ phát triển kém, giống Azucena giống chịu hạn tốt có bộ rễ pháttriển) để phân tích kiểu gen chịu hạn liên quan đến bộ rễ khi trồng trongdung dịch hydroponic và phát hiện được 71 nhóm chỉ thị phân làm 17 nhómbao trùm 1280 cM.

Việc nghiên cứu các chỉ thị phân tử để so sánh bản đồ gene giữa các loàihọ hàng đang được quan tâm nghiên cứu Ở họ hoà thảo (Graminae) như lúa

mì, lúa mạch, mạch đen (Secale cereale L), yến mạch (Avena sativa L.), ngô

và cao lương thì lúa được coi trọng nhất Khi bản đồ liên kết so sánh đãđược thiết lập thì bất kể gene nào cũng có thể được tách ra dựa trên sự tươngđồng giữa bản đồ gene của lúa và loài họ hàng Điều này có ý nghĩa trongcông nghệ gen và hy vọng các gene chống chịu sẽ được phân lập từ các loàihọ hàng để chuyển vào lúa

Có khá nhiều nghiên cứu ở mức phân tử đã được tiến hành để xác địnhkiểu biểu hiện gene ở thực vật bao gồm cả lúa trong điều kiện thiếu nước.Nhiều cDNA biểu hiện trong điều kiện khô hạn mã hoá các loại protein khácnhau như LEA, RAB (sản phẩm của ABA) và các protein dẫn truyền ion đãđược phân lập, nhưng vai trò của những gene này trong việc chống chịu vớicác điều kiện bất lợi và những chức năng sinh lý của chúng vẫn chưa đượcxác định rõ ràng

Bản đồ di truyền và dấu chuẩn phân tử về tính chịu hạn có ý nghĩa quantrọng trong di truyền chọn giống, nó cho phép tìm ra mối quan hệ giữa:

gene-tính trạng-môi trường Trên cơ sở đó các nhà tạo giống có thể đưa ra

những phương pháp chọn tạo thích hợp có định hướng tính chống chịu vớicác điều kiện bất lợi của môi trường cho các giống cây trồng.

1.5 Tăng cường tính chịu hạn bằng công nghệ sinh học

1.5.1 Tăng cường tính chịu hạn thông qua kỹ thuật chọn dòng tế bào

Cùng với phương pháp tạo giống truyền thống, kỹ thuật chọn dòng tếbào chống chịu với các điều kiện bất lợi của môi trường thông qua kỹ thuậtnuôi cấy mô tế bào thực vật đang là những công cụ có hiệu quả cao trong

việc cải tạo giống cây trồng Dựa trên tính toàn năng của tế bào thực vật, sựxuất hiện các biến dị soma xẩy ra trong nuôi cấy, đặc biệt dưới tác nhân vàđiều kiện chọn lọc mà các nhà nghiên cứu thực nghiệm có thể phân lập rađược những tế bào có khả năng chịu khá với điều kiện khô hạn.

Có khá nhiều nghiên cứu tập trung vào việc nâng cao tính chịu hạn ở

cây trồng (lúa, thuốc lá, cà chua ) ở mức độ in vitro Các chất như PEG

(polyethylene glycol), manitol, sorbitol, saccharose được dùng như một tácnhân gây khô hạn trong môi trường nuôi cấy; hoặc bổ sung ABA là chất kìmhãm sinh trưởng làm nhân tố tác động để tăng cường khả năng giữ nước vàchịu mất nước của mô Phòng Công nghệ tế bào thực vật, Viện Công nghệsinh học đã sử dụng kỹ thuật thổi khô mô sẹo lúa làm mô mất 85% (so trọnglương tươi ban đầu) kết quả tạo được 2 giống lúa DR1, DR2 và dòng triểnvọng DR3 có khả năng chịu hạn khá và cho năng suất ổn định ở vùng khókhăn về nước (Đinh Thị Phòng, 2001).

Adkin và cs (1995) sử dụng chất PEG 8000 (polyethylene glycol) đểlàm tác nhân gây mất nước trong môi trường nuôi cấy mô sẹo Kết quả làchọn được dòng lúa chịu hạn từ mô sẹo giống lúa Khao Dawk Mali 105.Các tính trạng nông sinh học quan trọng và khả năng chịu hạn đã duy trì vàổn định khi phân tích ở thế hệ R2

1.5.2 Tăng cường tính chịu hạn bằng kỹ thuật chuyển gene

Mặc dù cơ chế chống chịu với điều kiện bất lợi về nước còn đang trongthời kỳ quá độ, nhưng cho đến nay một số chất liên quan đến tính chịu hạnđã được khẳng định (chẳng hạn sự tích luỹ nhiều proline, glycinebetaine,fructant, manitol ) Việc nghiên cứu những sản phẩm của gene được hìnhthành trong điều kiện khô hạn đang có ý nghĩa ứng dụng nhằm tạo ra nhữnggiống lúa có khả năng chịu hạn tốt.

Những nghiên cứu thăm dò về công nghệ gene chịu các điều kiện bất lợivề nước đang tập trung vào các nhóm:

Nhóm thứ nhất: Nhóm gen LEA (Late Embryogenic Abundant) của cây

lúa mạch mã hoá những protein xuất hiện vào thời kỳ muộn của quá trìnhhình thành phôi sau khi thụ phấn Đó là những protein góp phần bảo vệ phôitrong quá trình ngủ và chịu hạn của phôi trong hạt khô.

Nhóm thứ 2: Nhóm RAB (Responsive to Absicis acid) của cây lúa nước

liên quan đến tác động ức chế sinh trưởng tế bào của ABA khi thực vật gặpđiều kiện bất lợi Các gene RAB phản ứng với ABA nội sinh và ngoại sinhcho ra những protein có chức năng ức chế và bảo vệ thẩm thấu.

Nhóm thứ 3: Gene thuộc chu trình sinh tổng hợp proline Phòng sinh học

phân tử, Trường đại học Tự do Bỉ đang tiến hành chuyển gene mã hoá choenzym P5CS (enzyme tham gia vào quá trình tổng hợp proline) vào một sốgiống lúa indica Tuy nhiên gene này đã được chuyển thành công vào thuốclá và nhận được kết quả tốt Lượng proline tăng lên 8-10 lần so với cây đốichứng.

Nhóm thứ 4: Các gene liên quan đến điều chỉnh ASTT, glycine betain,

manitol synthase

Các nhà khoa học Trung Quốc đã chuyển gene HVAI (gene sản xuất

protein giai đoạn cuối trong quá trình tạo phôi được tách từ lúa mạch) vàolúa và nhận thấy khả năng chống chịu thiếu nước và muối cao khi phân tích

cây lúa chuyển gene Ở Nhật Bản, một nhóm nghiên cứu đã dùng gen codA(gen oxy hoá clo) tách từ Arthrobacter globifornis dưới sự điều kiển của

promoter 35S để chuyển vào lúa, kết quả phân tích cho thấy ở những cây lúachuyển gene có sự tích luỹ nhiều glycine betaine Một nghiên cứu khác đã

chuyển gene betA mã hoá cho 2 enzyme tham gia vào quá trình tổng hợp

glycine betaine vào cây lúa, kết quả nhận được hàm lượng tích luỹ glycinebetaine tăng ở rễ và lá là 5,1 và 1,2 mol/gFW.

Hướng nghiên cứu chuyển gene tăng cường tính chịu hạn, lạnh, chịumuối như sau:

- Điều khiển sự biểu hiện và sự hoạt động của hệ thống vận chuyểnion K+

- Tăng cường sự thải ion Na+ ở trong tế bào rễ và không bào.

- Điều chỉnh thẩm thấu chủ yếu làm tăng quá trình trao đổi chất đểchống lại quang ức chế

- Bảo vệ tế bào bằng các quá trình trao đổi chất đặc hiệu trong tế bàonhờ các enzyme, protein, loại bỏ gốc hydroxyl

1.6 Những nghiên cứu chọn tạo giống lúa chịu hạn ở Việt Nam

Theo Vũ Tuyên Hoàng từ cuối thập kỷ 70 Viện Cây lương thực vàCây thực phẩm đã tập trung nghiên cứu chọn tạo giống lúa cho những vùngkhô hạn và những vùng sản xuất lúa thiếu nước tưới Trong những năm từ1986 - 1990 Viện đã lần lượt đưa ra 3 giống mới có tên là "CH" gồm: CH2,CH3, CH133 Những giống này có đặc điểm như chịu hạn, thích hợp chocác vùng hạn ở đồng bằng và trung du miền núi phía Bắc Thời gian sinhtrưởng từ 115 - 130 ngày, khả năng chịu hạn và phục hồi sau hạn tốt Cácgiống này trong điều kiện thâm canh và được tưới khoảng 60 - 70% lượngnước của lúa nước, có thể đạt 50 - 60 tạ/ha (Vũ Tuyên Hoàng và cs, 1995)

Hiện nay, Viện Cây lương thực và Cây thực phẩm vẫn tiếp tục đẩymạnh công tác nghiên cứu chọn tạo các giống lúa chịu hạn và cho ra giốnglúa chịu hạn mới đã được công nhận là giống được phép sản xuất thử

nghiệm là CH207, đồng thời còn đưa ra một số dòng, giống triển vọng đangđược tiến hành thử nghiệm và cho kết quả tương đối khả quan như CH208,CH209, CH210, CH16, CH6,

Theo Nguyễn Hữu Nghĩa (1992), trong giai đoạn 1986 - 1990 ViệnKhoa học Nông nghiệp Việt Nam đã chọn lọc được 3 giống lúa từ nguồnnhập nội là UPLRi 5 vào năm 1985 từ Phi-lip-pin, BG35-2 năm 1985 từSrilanka và KN96 năm 1986 từ Indonesia Cũng trong thời gian này Viện đãchọn tạo theo hướng lai hữu tính, năm 1990 chọn tạo thành công giống lúaX11 từ tổ hợp lai Thiết cốt 31/IR30 Đây là giống lúa ngắn ngày chống chịuhạn tốt, cho năng suất cao thích ứng cho các vùng hạn.

Vào năm 1991, Nguyễn Hữu Nghĩa và cộng sự đã tuyển chọn được giống H3

từ bộ dòng quan sát lúa cạn của Viện lúa Quốc tế, là dòng BR4290-3-35được chọn từ tổ hợp lai C22/IR9752-136-2 Đây là một giống chịu hạn ngắnngày, thích hợp trên đất nghèo dinh dưỡng hoàn toàn nhờ nước trời năngsuất khoảng 34 tạ/ha

Năm 1993, từ bộ giống của IRRI các nhà khoa học thuộc Viện Khoa họcNông nghiệp Miền Nam đã chọn được các giống đặt tên là LC có khả năngcho năng suất gấp 2 lần giống địa phương và chịu hạn tốt như LC88-66,LC88-67-1, LC90-11, LC90-12, LC90-4, LC90-5 (Nguyễn Đức Thạch,2000) Đây là những giống lúa được phát triển mạnh ở cao nguyên miềnĐông Nam Bộ và một số tỉnh miền núi và trung du Bắc Bộ.

Từ năm 2000, Viện công nghệ sinh học đã tạo được 2 giống lúa DR1,DR2 có khả năng chịu hạn khá và cho năng suất ổn định ở vùng khó khăn vềnước, hai giống lúa này đã được gieo trồng rộng rãi ở các tỉnh miền núi phíaBắc, rất thích hợp cho chân đất bạc màu nghèo dinh dưỡng và không chủđộng nước tưới (Đinh Thị Phòng, 2001)

1.6.1 Gây đột biến và ứng dụng trong cải tạo giống cây trồng

Đột biến đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình tiến hoá của thếgiới sinh vật thông qua chọn lọc Đột biến và chọn lọc có vai trò quyết địnhtrong sự hình thành và phát triển tính đa dạng của sinh giới, trong đó có cảcác loài cây trồng và vật nuôi ngày nay Các nhà nghiên cứu đột biến chorằng, giữa các đột biến tự nhiên (tần số khoảng 10-6 - 10-9) và đột biến nhântạo không có sai khác về bản chất sinh học: Các dạng đột biến tự nhiên đềucó thể tìm thấy trong các phổ đột biến nhân tạo Điều khác nhau cơ bản duynhất chỉ bởi tần số đột biến Tần số đột biến phóng xạ cao hơn mức tự nhiênkhoảng 1000 lần hoặc cao hơn nữa, tuỳ theo liều lượng và loại tia phóng xạcũng như kiểu gen của cây trồng Tuỳ thuộc vào đó mà ở thế hệ M2 có thểphát hiện từ 0,2 - 7,0% hoặc hơn nữa số cây đột biến; có từ 6 - 40% cá thểmang một hay nhiều đột biến, nhiều khi ở M2 có tới 60 - 80% số họ độtbiến Có những hoá chất gây đột biến với tần số 100% (Nguyễn Hữu Đốngvà cs, 1997; Ahloowalia và cs, 2004).

Đột biến làm tăng cường các biến dị; xuất phát từ các tác động làm biếnđổi của gen, tiếp đó có thể tạo ra các tổ hợp gen mới Nhờ đó người ta có thểtạo ra các giống mới trong khoảng thời gian ngắn, trong phạm vi thí nghiệmhẹp Những thay đổi có lợi trong quá trình gây đột biến có thể được chọn lọc vàtổ hợp lại nhờ quá trình lai tạo và chọn lọc Tuy nhiên, phương pháp này cũngcó những hạn chế như sau:

- Cho đến nay còn chưa định hướng hoàn toàn quá trình phát sinh đột biến,đặc biệt là đối với các đột biến mong muốn (tác động ngẫu nhiên, đa chiều).Do vậy rất phức tạp trong quá trình chọn lọc.

- Rất nhiều biến đổi của ADN hoặc NST có thể được phục hồi, do vậy chỉ mộtsố ít thực sự trở thành đột biến và thể hiện ở kiểu hình.

- Khi có sự phát sinh và tồn tại nhiều biến đổi trong genom sẽ gây ra những

sự mất cân bằng và rối loạn nhất định trong hoạt động sống của cơ thể Hầuhết những biến đổi này gây nên những bất lợi, do vậy việc khắc phục cáchạn chế của chúng cũng rất khó khăn phức tạp Tuy nhiên, những thay đổicó lợi cũng không ít, có thể được chọn lọc trực tiếp hoặc được tổ hợp lại nhờquá trình lai tạo và trải qua chọn lọc rồi trở thành giống mới.

Như vậy, đột biến làm tăng tính đa dạng di truyền, tạo nguồn vật liệuphong phú, quí giá cho công tác chọn tạo giống cây trồng Theo các nhà ditruyền chọn giống thực vật, mục tiêu cơ bản và tiềm năng mà phương phápchọn giống đột biến thực nghiệm có thể đạt được là:

- Tạo các giống cây trồng chống chịu sâu bệnh;

- Tạo các dạng cây có sản lượng hạt và phần sinh dưỡng cho sinh khối cao;- Tạo các dạng cây có những tính trạng quí như: chín sớm, có quang chu kỳthay đổi, chịu được phân bón và có nhiều tính trạng có lợi cho việc áp dụngcơ giới trong canh tác;

- Tạo các cây chống đổ và không gãy bông (do giống khởi đầu thường yếuthân và chịu phân đạm kém…);

- Thay đổi các đặc tính sinh hoá, thay đổi hương vị, nâng cao hàm lượngprotein và nhiều chất dinh dưỡng khác, giảm bớt tích tụ alkaloid…

1.6.2 Những nghiên cứu chọn tạo đột biến ở các giống lúa địa phương củaViệt Nam

Hầu hết các giống lúa chất lượng địa phương là những nguồn gen đadạng, được thuần dưỡng từ lâu đời ở Việt Nam Trên thực tế, đây là nhữngnhóm giống lúa cổ truyền, có phẩm chất gạo rất tốt và có mùi thơm ngon Cácgiống lúa chất lượng thuộc nhóm lúa mùa chính vụ có thời gian sinh trưởngdài 150 - 160 ngày, phản ứng chặt chẽ với ánh sáng ngày ngắn, biên độ thời