Nghiên cứu một số chỉ tiêu sinh lý hóa sinh liên quan đến tính chịu hạn năng suất và phẩm chất hạt của một số giống vừng sesamum indicum l trồng ở khu vực hà nội

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI TRẦN THỊ THANH HUYỀN NGHIÊN CỨU MỘT SỐ CHỈ TIÊU SINH LÝ, HÓA SINH LIÊN QUAN ðẾN TÍNH CHỊU HẠN, NĂNG SUẤT VÀ PHẨM CHẤT HẠT CỦA MỘT SỐ GIỐNG VỪNG (Sesamum indicum L.) TRỒNG Ở KHU VỰC HÀ NỘI Chuyên ngành: Sinh lý học thực vật Mã số: 62 42 30 05 LUẬN ÁN TIẾN SĨ SINH HỌC Người hướng dẫn khoa học: GS.TS NGUYỄN NHƯ KHANH PGS.TS NGUYỄN VĂN MÙI Hà Nội - 2011 LỜI CAM ðOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu trình bày luận án trung thực Một số kết cơng bố đồng tác giả, phần cịn lại chưa cơng bố cơng trình khác Hà Nội, ngày 15 tháng năm 2011 Tác giả luận án LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo hướng dẫn GS TS Nguyễn Như Khanh PGS TS Nguyễn Văn Mùi tận tình hướng dẫn, bảo giúp đỡ tơi hồn thành cơng trình nghiên cứu Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành đến Ban Giám hiệu, phịng Sau ðại học, Ban Chủ nhiệm khoa Sinh học Trường ðại học Sư phạm Hà Nội tạo điều kiện tốt cho tơi ñược học tập, nghiên cứu hoàn thành luận án Tơi xin chân thành cảm ơn cán bộ môn Sinh lý thực vật - Ứng dụng, môn Công nghệ Vi sinh, khoa Sinh học trường ðại học Sư phạm Hà Nội, anh chị phòng Hóa sinh – Protein thuộc Viện Cơng nghệ sinh học; phịng Hóa học Kỹ thuật phân tích, Viện Hóa Học, Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam; Khoa Thực phẩm Vệ sinh an toàn thực phẩm, Viện Dinh dưỡng; phịng Cơng nghệ Tế bào Thực vật, Viện Di truyền Nơng nghiệp Việt Nam tạo điều kiện tốt phương tiện, giúp đỡ tơi suốt thời gian làm nghiên cứu sinh Tôi xin trân trọng cảm ơn cán Trung tâm tài nguyên thực vật, Viện Khoa học Nơng nghiệp Việt Nam cung cấp giống vừng tài liệu liên quan q trình nghiên cứu Tơi xin bày tỏ lịng cảm ơn chân thành đến gia đình Nguyễn Thị Hiền, thôn Vân An, xã Thụy Hương, huyện Chương Mỹ, thành phố Hà Nội tạo điều kiện bố trí ruộng thí nghiệm để tơi thực đề tài Cuối cùng, tơi xin gửi đến gia đình, người thân, bạn bè, thầy cơ, đồng nghiệp Khoa Sinh học Trường ðại học Sư phạm Hà Nội, nơi học tập, nghiên cứu cơng tác lịng biết ơn sâu sắc động viên, khích lệ giúp đỡ mặt để tơi hồn thành cơng việc nghiên cứu Hà Nội, ngày15 tháng năm 2011 Tác giả luận án MỤC LỤC Trang phụ bìa Lời cam ñoan Lời cảm ơn Những chữ viết tắt Danh mục bảng luận án Danh mục hình luận án MỞ ðẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Giới thiệu chung vừng 1.1.1 Nguồn gốc phân bố 1.1.2 ðặc ñiểm sinh học sở phân loại 1.1.2.1 ðặc ñiểm sinh học 1.1.2.2 Cơ sở phân loại 1.1.3 ðặc ñiểm sinh thái, sinh trưởng phát triển vừng 1.1.4 Giá trị vừng 11 1.1.5 Tình hình trồng vừng, sản xuất vừng giới Việt Nam 15 1.2 Tính chịu hạn thực vật, tình hình nghiên cứu vừng tính 18 chịu hạn vừng 1.2.1 Tính chống chịu thực vật 18 1.2.1.1 Khái niệm tính chịu hạn 19 1.2.1.2 Các kiểu hạn 20 1.2.1.3 Ảnh hưởng hạn ñối với thực vật 22 1.2.2 ðặc ñiểm thích nghi thực vật ñối với ñiều kiện hạn 25 1.2.2.1 Sự thích nghi đặc điểm hình thái 26 1.2.2.2 Sự thích nghi đặc điểm sinh lý 28 1.2.2.3 Sự thích nghi đặc điểm hóa sinh 30 1.2.3 Tình hình nghiên cứu vừng tính chịu hạn vừng 35 1.3 Tình hình nghiên cứu tính đa dạng di truyền vừng 39 1.3.1 Kỹ thuật RAPD phân tích quan hệ di truyền thực vật 39 1.3.2 Tình hình nghiên cứu tính đa dạng di truyền vừng 42 CHƯƠNG ðỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 45 2.1 ðối tượng, thiết bị hóa chất nghiên cứu 45 2.1.1 ðối tượng nghiên cứu 45 2.1.2 Thiết bị hóa chất 48 2.2 Phương pháp nghiên cứu 48 2.2.1 Phương pháp bố trí thí nghiệm 48 2.2.2 Phương pháp nghiên cứu tiêu sinh lý hóa sinh liên quan 51 đến tính chịu hạn 2.2.3 Xác định ña dạng di truyền phương pháp RAPD 55 2.2.4 Phương pháp nghiên cứu tiêu liên quan ñến suất 57 phẩm chất hạt vừng 2.2.5 Phương pháp xử lý số liệu 60 CHƯƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BIỆN LUẬN 61 3.1 ðánh giá khả chịu hạn 20 giống vừng nghiên cứu 61 3.1.1 Ảnh hưởng ðK hạn ñến tiêu sinh lý 61 3.1.1.1 ðánh giá nhanh khả chịu hạn phương pháp gây hạn 61 nhân tạo 3.1.1.2 ðộ ẩm héo hệ số héo 64 3.1.1.3 Ảnh hưởng ðK hạn ñến hàm lượng nước mơ 66 3.1.1.4 Ảnh hưởng ðK hạn đến hàm lượng nước liên kết 68 vừng 3.1.1.5 Ảnh hưởng ðK hạn ñến khả giữ nước mô 72 3.1.1.6 Ảnh hưởng ðK hạn ñến hàm lượng diệp lục 75 3.1.1.7 Ảnh hưởng ðK hạn ñến huỳnh quang diệp lục 82 3.1.1.8 Ảnh hưởng ðK hạn ñến áp suất thẩm thấu mô 87 3.1.2 Ảnh hưởng ðK hạn đến tiêu hóa sinh 90 3.1.2.1 ðánh giá khả chịu hạn thông qua hàm lượng ñường khử 90 3.1.2.2 ðánh giá khả chịu hạn thơng qua hoạt độ enzym α-amylase 93 3.1.2.3 ðánh giá khả chịu hạn thông qua hàm lượng prolin 96 3.1.3 ðánh giá chung khả chịu hạn theo tiêu sinh lý, 99 hóa sinh 3.2 Kết nghiên cứu đa hình 20 giống vừng kỹ thuật 102 RAPD 3.2.1 Kết tách chiết ADN tổng số 102 3.2.2 Kết phân tích đa hình ADN kỹ thuật RAPD 103 3.3 ðánh giá suất phẩm chất hạt giống vừng 107 3.3.1 Năng suất vừng 107 3.3.2 Hàm lượng lipit số lipit 109 3.3.3 Hàm lượng axit béo hạt vừng 113 3.3.4 Hàm lượng nguyên tố khoáng hạt vừng 115 3.3.5 Hàm lượng axit amin hạt vừng 117 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 123 NHỮNG CƠNG TRÌNH ðà CƠNG BỐ LIÊN QUAN ðẾN 125 LUẬN ÁN TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC 126 NHỮNG CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN ÁN ABA Abscisic Acid (Axit abxisic) AFLP Amplified Fragment Length Polymorphisms ATP Adenozin triphotphat ATPase Adenozin triphotphatase CAM Crassulacean acid metabolism CKH Cây không héo CPH Cây phục hồi cs cộng CTAB Cetyl Trimetyl Ammonium ðATB ðộ ẩm trung bình ðBSCL ðồng sông Cửu Long DHNTB Duyên hải Nam Trung Bộ ðK ðiều kiện DNS Dinitrosalicylic EDTA Ethylene Diamin Tetraacetic Acid FMOC 9-Fluorenylmethyl Chroloformat HSP Heat shock protein ISSR Inter-Simple Sequence Repeats kDa Kilo Dalton KHNNVN Khoa học Nông nghiệp Việt Nam LEA Late embryogenesis abundant protein LMTB Lượng mưa trung bình LTP Lipid transfer protein MGPT Mơi giới phân tử mRNA Messenger RNA (ARN thơng tin) NðTB Nhiệt độ trung bình OPA O-Phthadialdehyd P5CS Pyroline-5-cacboxylate synthase PCR Polymerase Chain Reaction PIC Polymorphism Information Content PLC Phospholipase C RAB Responsive to Abscisic acid RAPD Random Amplified Polymorphic DNA RCBD Randommized Complete Blocks Design RFLP Restriction Fragment Length Polymorphisms SDS-PAGE Sodium Dodecyl Sulfate Electrophoresis SSR Simple Sequence Repeat THF Tetrahydrofuran TP Thành phần TT Thứ tự VSATTP Vệ sinh an toàn thực phẩm MPa Megapascal NaCl Natriclorua – Polyacrylamide Gel DANH MỤC CÁC BẢNG TRONG LUẬN ÁN Bảng 1.1 So sánh thành phần axit amin vừng với lạc, ñậu tương trứng gà (mg/g) Bảng 1.2 Thành phần dầu vừng Bảng 1.3 Diện tích, suất sản lượng vừng Việt Nam (2000-2010) Bảng 2.1: Danh sách giống vừng sử dụng nghiên cứu Bảng 2.2 ðặc điểm nơng học 20 giống vừng nghiên cứu Bảng 2.3 Danh sách mồi RAPD sử dụng nghiên cứu Bảng 3.1 Chỉ số khả chịu hạn 20 giống vừng nghiên cứu Bảng 3.2 ðộ ẩm héo hệ số héo ñất Bảng 3.3 Hàm lượng nước mô héo Bảng 3.4 Hàm lượng nước liên kết vừng ðK thường ðK hạn Bảng 3.5 Khả giữ nước mô ðK hạn 20 giống vừng nghiên cứu Bảng 3.6 Hàm lượng diệp lục tổng số 20 giống vừng nghiên cứu Bảng 3.7 Hàm lượng diệp lục liên kết 20 giống vừng nghiên cứu Bảng 3.8 Huỳnh quang diệp lục 20 giống vừng nghiên cứu Bảng 3.9 Áp suất thẩm thấu mô ðK thường ðK hạn Bảng 3.10 Hàm lượng ñường khử vừng ðK thường ðK hạn Bảng 3.11 Hoạt ñộ enzym α-amylase vừng ðK thường ðK hạn Bảng 3.12 Hàm lượng prolin vừng ðK thường ðK hạn Bảng 3.13 ðánh giá chung khả chịu hạn 20 giống vừng nghiên cứu Bảng 3.14 Kết phân tích đa hình mồi RAPD Bảng 3.15 Các yếu tố cấu thành suất suất thực thu giống vừng chịu hạn khác Bảng 3.16 Hàm lượng lipit số lipit hạt vừng Bảng 3.17 Hàm lượng axit béo hạt vừng Bảng 3.18 Hàm lượng số nguyên tố khoáng hạt vừng Bảng 3.19 Hàm lượng axit amin tổng số hạt giống vừng chịu hạn khác Bảng 3.20 Hàm lượng axit amin protein hạt giống vừng chịu hạn khác 150 225 Wu W.H., Kang Y.P., Wang N.H., Jou H.J., Wang T.A (2006), “Sesame ingestion affects sex hormones, antioxidant status, and blood lipids in postmenopausal women”, Journal of Nutrition, 136, pp 1270-1275 226 Xian-He J., Wang J., Guo Liang H (1995), “Effect of water stress on photochemical function and protein metabolism of photosystem II in wheat leave”, Plant Physiology, 93, pp 771-777 227 Xiurong Z., Yingzhong Z., Xiangyun F., Yong C., Qingyan G., Yurong L.(1999), “Establishment and development of sesame germplasm core collections in China”, Plant Genetic Resources Newsletter, 119, pp 47-50 228 Xu D.H., Gai J.Y (2003), “Genetic diversity of wild and cultivated soybeens growing in China revealed by RAPD analysis”, Plant Breeding, 122, pp 503-506 229 Yi-Jiun C., Miin-Feng W., Yueh-Hsiang Y., Ming F.T., Tsai-Yun L (2004), “Developmental expression of three mungbean HSC70 and substrate-binding specificity of the encoded proteins”, Plant and Cell Phisiology, 45(11), pp 1603-1614 230 Yoshiba V., Kiyosue T., Nakashima K., Yamaguchi-Shinozaki K., Shinozaki K (1997), “Regulation of leves of proline as an osmolyte in plants under water stress”, Plant and Cell Physiolosy, 38, pp 1095-1102 231 Yu G, Ma H, Xu Z, Ren L, Zhou M, Lu W (2004) Cloning a DNA marker associated to wheat scab resistance Journal of Applied Genetic, 45: 17-25 232 Yu L.X., Nguyen H.T (1994), “Genetic variation detected with RAPD markers among upland DNA lowland rice cultivals (Oryza sativa L.)”, Theoretical and Applied Genetic, 87, pp 668-672 233 Zeevaart J.A.D., Cleelman R.A (1998), “ Metabolism and physiology of abscisic acid”, Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology, 39, pp 439-473 151 234 Zhang J., Stewart J.McD (2000), “Molecular Biology: Economical and Rapid Method for Extracting Cotton Genomic DNA”, The Journal of Cotton Science, 4, pp 193-201 235 Zlatko S Z., Ivan T.Y (2004), “Effects of soil drought on photosynthesis and chlorophyll fluorescence in bean plants”, Bulgarian Journal of Plant Physiology, 30(3-4), pp 3-18 236 Zlatko S.K (2002), “Salt and drought stress signal transduction in plants”, Annual Review of Plant Biology, 53, pp 247-273 237 Zlatko Stoyanov Z.(2005), “Effect of water stress on leaf water relations of young bean”, Journal of Central European Agriculture, 6, pp 5-14 PHỤ LỤC Hình Cây vừng tuần tuổi Hình Cây vừng tuần tuổi Hình Cây vừng thời điểm thật Hình Cây vừng thời kỳ hoa (vụ hè thu 2007, 2009) Hình Hoa vừng Hình Cây vừng thời kỳ hoa, kết (vụ hè thu 2009-2010) Hình Giống vừng V14, V5 thời kỳ kết Hình Giống vừng V3, V17 thời kỳ kết Hình giống vừng chịu hạn khác ñiều kiện thường ñiều kiện gây hạn (V3, V5, V8, V10, V14, V17) Hình 10 Thành phần axit amin hạt giống vừng V3 V5(Vừng V1) Hình 11 Thành phần axit amin hạt giống vừng V14 V17 Hình 12 Thành phần axit amin hạt giống vừng V8 (Vừng V2) V10 (Vừng VD2) Hình 13 Kết điện di sản phẩm RAPD 20 giống vừng với mồi OPC-04, OPC-13, OPC-02, OPE-08, OPM-13 OPM-06 Số ghi giếng tương ñương với số thứ tự giống vừng bảng 2.1 Hình 14 Kết điện di sản phẩm RAPD 20 giống vừng với mồi Bio07, Bio-16, OPA-11, OPA-4, OPB-15, OPB-08 Số ghi giếng tương ñương với số thứ tự giống vừng bảng 2.1 ðẶC ðIỂM SINH THÁI CỦA HUYỆN CHƯƠNG MỸ, HÀ NỘI Huyện Chương Mỹ huyện ñồng bằng, cách trung tâm Thủ Hà Nội 20 km, có đường quốc lộ 6A, quốc lộ 21 qua Huyện có diện tích tự nhiên 232,9 km2 Huyện Chương Mỹ nằm rìa phía Tây Nam Hà Nội, phía ðơng giáp huyện Thanh Oai, góc phía Tây giáp quận Hà ðơng, phía Bắc phía Tây Bắc giáp huyện Quốc Oai, phía Nam giáp huyện Mỹ ðức, góc phía ðơng Nam giáp huyện Ứng Hịa, phía Tây Tây Nam giáp huyện Lương Sơn tỉnh Hịa Bình ðặc điểm khí hậu huyện Chương Mỹ, Hà Nội Theo số liệu thống kê 10 năm trở lại (2000-2010) Trung tâm Khí tượng Thủy văn Quốc gia, khí hậu huyện Chương Mỹ tương đối thuận lợi cho sinh trưởng phát triển nhiều loại trồng Nhiệt độ trung bình năm 23,80C Ở ñiều kiện thuận lợi cho nảy mầm hạt, sinh trưởng thời kỳ hình thành hoa vừng Mùa hè nhiệt độ cao đạt tới 380C, mùa nóng bắt ñầu từ khoảng tháng kết thúc vào tháng 10 ðiều kiện thích hợp cho trồng vừng vào vụ hè thu Tổng số nắng trung bình năm 1348 Mùa hạ lượng mưa ít, thời gian chiếu sáng dài, có ngày đạt 12,2 giờ/ngày.Vừng thuộc loại ngắn ngày nên ñạt yêu cầu thời gian chiếu sáng khoảng 10 giờ/ngày thời gian sinh trưởng dinh dưỡng bị rút ngắn lại, sau mọc 42-45 ngày vừng hoa ðộ ẩm tương đối trung bình năm đạt 84,18% Tổng lượng mưa năm khoảng 1182-1695mm, cao năm 2008, với lượng mưa ñạt 2977 mm, số ngày có mưa năm chiếm khoảng 30% Với đặc điểm khí hậu vậy, Chương Mỹ vùng thích hợp cho sinh trưởng phát triển loại ngắn ngày, nhu cầu nước khơng cao vừng Chúng tơi tiến hành so sánh điều kiện khí hậu (nhiệt độ, lượng mưa, ñộ ẩm) huyện Chương Mỹ, Hà Nội vòng 11 năm (2000-2010) với năm tiến hành thí nghiệm đồng ruộng (2007, 2009, 2010) Số liệu Tổng cục Khí tượng Thủy văn Trung Ương cung cấp Kết cho thấy: nhiệt độ năm thí nghiệm ln có giá trị cao so với khí hậu trung bình 11 năm Lượng mưa ñộ ẩm ñạt giá trị thấp ñộ ẩm trung bình 11 năm Như vậy, thời gian thí nghiệm đồng ruộng, đặc biệt vào vụ hè thu (từ tháng – tháng 9), ñiều kiện thí nghiệm đảm bảo 35 Nhiệt độ (độ C) 30 25 NðTB 11 năm (2000-2010) 20 NðTB năm 2007 15 NðTB năm 2009 NðTB năm 2010 10 0 10 15 Tháng Hình 14 Sự biến động nhiệt độ trung bình năm thí nghiệm đồng ruộng (2007, 2009, 2010) nhiệt độ trung bình 11 năm (2000-2010) 300 Lượng mưa (mm) 250 200 LMTB 11 năm (2000-2010) 150 LMTB năm 2007 LMTB năm 2009 100 LMTB năm 2010 50 0 10 15 -50 Tháng Hình 15 Sự biến động lượng mưa trung bình năm thí nghiệm đồng ruộng (2007, 2009, 2010) lượng mưa trung bình 11 năm (2000-2010) 100 90 80 ðộ ẩm (%) 70 ðATB 11 năm (2000-2010) 60 ðATB năm 2007 50 ðATB năm 2009 40 ðATB năm 2010 30 20 10 0 10 15 Tháng Hình 16 Sự biến động độ ẩm trung bình năm thí nghiệm ñồng ruộng (2007, 2009, 2010) ñộ ẩm trung bình 11 năm (2000-2010) ðặc điểm đất thí nghiệm cánh ñồng xã Thụy Hương, huyện Chương Mỹ, Hà Nội ðất ruộng thí nghiệm đất phù sa sông ðáy Sông ðáy phần sông Hồng, nhận nước sơng Hồng địa phận Hà Nội, huyện Phúc Thọ huyện ðan Phượng Qng sơng có tên sơng Hát (Hát Giang) Chỗ sơng Hồng tiếp nước Hát Mơn Vì đất phù sa sơng ðáy đất phù sa thuộc hệ thống sơng Hồng Tính chất đất phù sa sơng Hồng khơng bồi đắp hàng năm có tính chất lý, hóa học sau: Bảng Tính chất lý, hóa học đất ruộng thí nghiệm TT Chỉ tiêu ðơn vị tính Kết phân tích ðộ xốp % 46,4 ðộ ẩm % 22,9 TP cấp hạt 2,0-0,2mm % 0,80 TP cấp hạt 0,2-0,02mm % 42,7 TP cấp hạt 0,02-0,002mm % 35,3 TP cấp hạt < 0,002mm % 21,2 Hàm lượng mùn % 3,22 N tổng số % 0,14 P2O5 tổng số % 0,12 10 K2O tổng số % 1,69 11 P2O5 dễ tiêu mg/100g 4,7 12 K2O dễ tiêu mg/100g 7,06 13 pH KCl 7,1 ... tiến hành đề tài: ? ?Nghiên cứu số tiêu sinh l? ?, hóa sinh liên quan đến tính chịu hạn, suất phẩm chất hạt số giống vừng (Sesamum indicum L. ) trồng khu vực Hà Nội? ?? Mục tiêu nghiên cứu • Phát ñược khác... ñặc trưng số tiêu sinh l? ?, hóa sinh liên quan ñến tính chịu hạn giống vừng chịu hạn tốt Thơng qua đó, đề xuất tiêu sinh l? ?, hóa sinh đặc trưng liên quan đến tính chịu hạn vừng, l? ?m sở khoa học,... pháp nghiên cứu tiêu sinh l? ? hóa sinh liên quan 51 đến tính chịu hạn 2.2.3 Xác định đa dạng di truyền phương pháp RAPD 55 2.2.4 Phương pháp nghiên cứu tiêu liên quan ñến suất 57 phẩm chất hạt vừng