1.2.2.1. Quang hợp của cõy lỳa
Quang hợp là một quỏ trỡnh phức tạp và là quỏ trỡnh cơ bản tạo ra năng suất chất khụ cho cõy trồng [132]. Cú thể đƣợc khỏi quỏt húa thành 3 bƣớc: Quỏ trỡnh khuyếch tỏn của khớ CO2 đến lục lạp: CO2 trong khụng khớ (bỡnh thƣờng khoảng 300 ppm hay 0,03%), đƣợc khuyếch tỏn qua khớ khổng đến lục lạp); phản
ứng sỏng: Cõy xanh sử dụng năng lƣợng ỏnh sỏng mặt trời để phõn giải nƣớc, tạo
ra phõn tử oxy (O2), chất khử Nicotinamid adenin dinucleotid phosphate (NADPH) và Adenosin triphosphate (ATP); phản ứng tối: NADPH và ATP bị khử ở ngoài ỏnh sỏng, đƣợc dựng để khử CO2 thành Carbohydrate và cỏc hợp chất khỏc [18].
2
2
Khi cõy quang hợp, thỡ đồng thời cũng diễn ra quỏ trỡnh hụ hấp bỡnh thƣờng, gọi là hụ hấp tối. Cho nờn quang hợp mà ta đo đƣợc là sự chờnh lệch giữa quang hợp thật sự và hụ hấp tối . Ngoài hụ hấp tối, lỳa cũn cú quỏ trỡnh hụ hấp sỏng. Hụ hấp tối hay hụ hấp bỡnh thƣờng diễn ra ở ty thể, cũn hụ hấp sỏng lại đƣợc tiến hành bởi 3 cơquan tử là lục lạp, peroxisomes và ty thể. Hụ hấp sỏng khụng sản sinh ra một phõn tử ATP nào cả và cũng khụng cung cấp bất cứ một khung carbon nào cho việc sinh tổng hợp trong cõy. Khụng cú quang hợp cõy khụng thể sống và phỏt triển đƣợc. Quang hợp mạnh hay yếu tựy thuộc vào cƣờng dộ ỏnh sỏng, nồng độ CO2 trong khụng khớ, điều kiện sinh lý, dinh dƣỡng của cõy và cấu tạo của quần thể ruộng lỳa. Lỳa cú điểm bự CO2 cao, cú hiện tƣợng hụ hấp sỏng và thiếu lục lạp trong bú mạch. Cƣờng độ quang hợp thuần của lỏ lỳa thay đổi theo vị trớ, hƣớng lỏ, tỡnh trạng dinh dƣỡng, tỡnh trạng nƣớc và giai đoạn sinh trƣởng của cõy. Trong điều kiện ỏnh sỏng bảo hũa, cƣờng độ quang hợp thuần vào khoảng 40-50 mg CO2/dm2/giờ [18].
Năng suất hạt đƣợc tạo bởi một phần là sản phẩm quang hợp dự trữ trong thõn lỏ, một phần khỏc là sản phẩm quang hợp trực tiếp sau trỗ [27]. Cho đến nay, cú nhiều nhà sinh lý học nghiờn cứu về vai trũ của quang hợp cũng nhƣ chất khụ tớch luỹ đối với năng suất hạt trờn cõy lỳa. Năng suất lỳa phụ thuộc chủ yếu vào năng suất chất khụ đƣợc tạo ra ở giai đoạn trƣớc trỗ. Trong đú, thõn lỳa đúng vai trũ quan trọng cho việc dự trữ cỏc sản phẩm hữu cơ, cỏc chất hữu cơ này sẽ đƣợc vận chuyển đến hạt trong giai đoạn hạt vào chắc [97],[65]. Tuy nhiờn, sự đúng gúp của cỏc chất hữu cơ dự trữ trong thõn đối với năng suất lỳa khụng giống nhau giữa cỏc giống mà dao động từ 0-90% [27]. Horie et al. (2003) [88] đó chỉ ra rằng tốc độ tớch luỹ chất khụ thời kỳ cuối giai đoạn sinh trƣởng sinh dƣỡng cú tƣơng quan thuận và ý nghĩa đối với năng suất hạt.
Trong vụ mựa, cƣờng độ quang hợp của cỏc dũng đều đạt cao nhất vào giai đoạn đẻ nhỏnh [13], [70]. Trong vụ xuõn, cƣờng độ quang hợp của cỏc dũng cao nhất ở giai đoạn đẻ nhỏnh sau đú giảm dần ở giai đoạn trỗ và thấp nhất vào giai đoạn chớn sỏp [65]. Tốc độ tớch luỹ chất khụ trƣớc trỗ cao cú ý nghĩa trong việc tạo ra nhiều hydratcacbon bỏn cấu trỳc trong
thõn lỏ, hydratcacbon bỏn cấu trỳc này cú tƣơng quan thuận với tốc độ vận chuyển hydratcacbon bỏn cấu trỳc về bụng ở giai đoạn đầu trong quỏ trỡnh vào chắc của hạt [133].
1.2.2.3. Cơ chế gõy hại tế bào do mụi trường mặn
Mặn là một trong cỏc nhõn tố quan trọng làm hạn chế sinh trƣởng và năng suất cõy trồng. Hoạt động sinh lý và trao đổi chất của cõy trồng bị ức chế trong điều kiện mặn là do sự mất cõn bằng nƣớc, ngộ độc ion hoặc do mất cõn bằng trong trao đổi ion [85]. Độ mặn cao làm giảm hoạt động quang hợp [107], kỡm hóm sự ra lỏ [107] và làm biến đổi cấu trỳc tế bào [109]. Cỏc nghiờn cứu về tớnh chịu mặn của cõy trồng đó chỉ ra rằng: trong mụi trƣờng mặn, Na+ tớch luỹ nhiều trong cõy nhƣng phõn bố khụng đều trờn cỏc bộ phận và đƣợc tớch luỹ nhiều hơn ở cỏc lỏ già [138]. Cõy trồng chỉ sinh trƣởng đƣợc khi hàm lƣợng Na+ tớch luỹ đến một giới hạn nhất định [115], giới hạn này là tớnh trạng cú liờn quan đến khả năng chịu mặn của cõy [84]. Tớnh chịu mặn là một đặc tớnh di truyền rất phức tạp, điều này đƣợc thực hiện bởi sự cú mặt của cỏc thành phần hữu cơ trong tế bào chất của thực vật nhƣ là glycinebetaine, mannitol và proline [82]. Tớnh chịu mặn cũng phụ thuộc vào hỡnh thỏi học thực vật, việc chia ngăn và cỏc chất tan tƣơng thớch, kiểm soỏt sự mất nƣớc của thực vật, kiểm soỏt sự chuyển dịch của ion, cỏc đặc tớnh của màng tế bào thực vật, tỷ lệ Na/K trong tế bào chất [83]. Lỳa là cõy lƣơng thực tƣơng đối thớch hợp trờn đất mặn, nú luụn đƣợc đỏnh giỏ là nhiễm trung bỡnh với mặn. Vỡ đất mặn luụn ở điều kiện bị ngập nƣớc, những cõy trồng khỏc khụng thể sinh trƣởng đƣợc ngoại trừ lỳa [53]. Nhiễm mặn gõy tổn hại đến cõy lỳa là do mất cõn bằng thẩm thấu và tớch lũy quỏ nhiều ion Cl-. Nhƣng những nghiờn cứu gần đõy cho thấy rằng, nguyờn nhõn gõy tổn hại cho cõy lỳa trong mụi trƣờng mặn là do tớch lũy quỏ nhiều ion Na+, và ion này trực tiếp gõy độc trờn cõy trồng, làm cho Cl- trở thành anion trở nờn phổ khỏng của cõy tƣơng đối rộng [135]. Nhƣ vậy, sự tồn tại ở cõy lỳa trờn đất mặn là do cõy hấp thu quỏ dƣ cả ion Na+ và Cl-. Ảnh hƣởng của Na+ là phỏ vỡ và cản trở vai trũ sinh học của tế bào chất. Hơn nữa, sự mất cõn bằng tỷ lệ Na-K trong cõy sẽ làm giảm năng suất hạt. Cõy lỳa chống chịu mặn bằng cơ chế ngăn chặn, giảm hấp thu Na+ và gia tăng hấp thu K+ để duy trỡ sự cõn bằng Na-K tốt trong chồi. Ion K
cú vai trũ quan trọng làm kớch hoạt enzyme và đúng vai trũ mở khớ khổng, tạo ra tớnh chống chịu mặn [126]. Tuy thế việc khỏm phỏ ra cơ chế và những tổn hại trờn cõy lỳa do mặn thỡ rất phức tạp, ngay cả dƣới những điều kiện ngoại cảnh kiểm soỏt đƣợc. Tuy nhiờn, hàm lƣợng ion Na+
trong cỏc giống lỳa cao hay thấp phụ thuộc vào nồng độ muối và thời gian bị nhiễm mặn [75]. Tổn thƣơng do muối liờn quan tới cỏc ảnh hƣởng về thẩm thấu và ảnh hƣởng do cỏc ion đặc thự gõy ra. Cỏc chất tan trong vựng rễ gõy ra một thế thẩm thấu thấp làm giảm thế thẩm thấu của nƣớc trong đất, do đú việc hấp thụ nƣớc của cõy rất khú khăn. Do đú cõn bằng nƣớc của cõy bị ảnh hƣởng vỡ cõy phải điều chỉnh tạo một thế nƣớc thấp hơn để duy trỡ sự chờnh lệch một dốc thế nƣớc xuụi chiều giữa đất và lỏ. Hầu hết cỏc cõy cú khả năng điều chỉnh về mặt thẩm thấu khi đƣợc trồng trờn đất mặn. Những sự thay đổi đú ngăn chặn sự mất sức trƣơng trong khi tạo ra một thế nƣớc thấp hơn, nhƣng những cõy này thƣờng tiếp tục phỏt tăng trƣởng chậm hơn sau những thay đổi này với lý do chƣa đƣợc làm rừ [52].
Những tỏc động gõy độc cũng xảy ra khi nồng độ gõy hại của cỏc ion, nhất là Na+, Cl-, và SO42-, tớch luỹ trong tế bào của cõy. Trong điều kiện khụng mặn, chất bào tan của tế bào chứa từ 100 đến 200 mM K+ và 1 đến 10Mm Na+, trong mụi trƣờng ion này cỏc enzyme hoạt dộng một cỏch tối ƣu. Tỷ lệ Na+
/K+ cao bất thƣờng và nồng độ muối tổng số cao làm bất hoạt cỏc enzyme, hạn chế sự tổng hợp protein và ảnh hƣởng tới sự đúng mở của khớ khổng. Ở nồng độ cao, Na+ cú thể thay thế Ca2+ trong màng của cỏc tế bào rễ của cõy, gõy ra sự thay đổi đối với tớnh thấm của màng tế bào nhƣ sự rũ rỉ K+ ra khỏi tế bào. Hơn nữa sự hấp thụ cỏc nguyờn tố đa lƣợng khỏc (P, K, v.v.) cũng bị giảm trong cỏc cõy non. Do đú sự mất cõn bằng Na+/K+ ảnh hƣởng rất lớn tới sự tồn tại và năng suất của cõy [117]. Quang hợp bị ức chế khi nồng độ cao của Na+ và Cl- tớch lũy trong lục lạp. Theo thớ nghiệm của Nakamura I. et al. (2002) [117], tỷ lệ quang hợp của giống lỳa chịu mặn SR26B và giống luỏ khụng chịu mặn IR28 giảm cũn 40% so với giỏ trị lớn nhất do sự giảm thế nƣớc ở lỏ tƣơng ứng với sự tớch luỹ Na+ sau khi chỳng đƣợc xử lý bằng cỏch cho thờm vào đất trồng dung dịch muối NaCl bóo hoà cho đến khi độ dẫn điện (EC) đạt 6 dS m (56 mM NaCl) và 12 dS/msau 58 ngày gieo cấy (ngƣỡng chịu mặn chung của lỳa canh tỏc là 4 dS/m. Sự mặn làm giảm khả năng quang hợp
nhƣ cỏc sắc tố, phức hấp thu ỏnh sỏng và cỏc phức hợp protein vận chuyển điện tử, dẫn đến tỷ lệ quang hợp tổng thể thấp [117]. Mặn gõy hại trờn cõy lỳa bắt đầu bằng triệu chứng giảm diện tớch lỏ, những lỏ già nhất bắt đầu cuộn trũn và chết, theo sau đú là những lỏ già kế tiếp và cứ thế tiếp diễn. Cuối cựng, những cõy sống sút cú những lỏ già bị mất, những lỏ non duy trỡ sự sống và xanh. Trong điều kiện thiệt hại nhẹ, trọng lƣợng khụ cú xu hƣớng tăng lờn trong một thời gian, sau đú giảm nghiờm trọng do giảm diện tớch lỏ. Trong điều kiện thiệt hại nặng hơn trọng lƣợng khụ của chồi và rễ suy giảm tƣơng ứng với mức độ thiệt hại [86].
1.2.2.2. Cơ sở sinh lý chịu mặn của cõy lỳa
Lỳa là một trong cỏc loại cõy trồng mẫn cảm với độ mặn của đất, độ mặn giới hạn cho phộp lỳa sinh trƣởng, phỏt triển đƣợc là 0.6-0.8%. Năng suất lỳa giảm tới 70-100% nếu độ mặn quỏ nghiờm trọng [51]. Tuy nhiờn, khả năng chịu mặn phụ thuộc nhiều vào từng loài và giống lỳa khỏc nhau, một số giống lỳa cú khả năng chống chịu tốt với điều kiện mặn. Loài lỳa dại (Oryza latifolia) cú khả năng chịu mặn tốt hơn lỳa trồng (Oryza sativa), ở loài này cõy lỳa cú khả năng duy trỡ quỏ sinh trƣởng bỡnh thƣờng mặc dự hàm hƣợng Na+
trong lỏ rất cao [117]. Cỏc nghiờn cứu về cơ chế chịu mặn ở lỳa đó chứng minh rằng trong mụi trƣờng mặn lỳa cú khả năng loại thải Na+
qua rễ [78], đồng thời tớch luỹ nhiều proline và glycinebetaine trong lỏ [81] nhằm làm cõn bằng tớnh thấm của tế bào. Vỡ vậy, cú thể dựa vào cỏc chỉ tiờu này để chọn lọc cỏc giống lỳa cú khả năng chịu mặn cao phự hợp với cỏc vựng đất nhiễm mặn và làm vật liệu cho cụng tỏc chọn tạo giống lỳa chịu mặn.Mặn ảnh hƣởng đến sinh trƣởng phỏt triển của cõy lỳa ở những mức độ khỏc nhau ở từng giai đoạn sinh trƣởng phỏt triển khỏc nhau. Trong đú, ở giai đoạn sinh trƣởng 2 – 3 lỏ cõy lỳa rất mẫn cảm với mặn và sau đú là thời kỳ thụ phấn thụ tinh. Giai đoạn nảy mầm, giai đoạn tăng trƣởng và thời kỳ chớn của cõy lỳa khả năng chống mặn tốt hơn [111],[123].
Nhiều nghiờn cứu cho thấy rằng, mặn gõy ức chế sinh trƣởng, phỏt triển và giảm năng suất lỳa. Hoạt động sinh lý và trao đổi chất của cõy lỳa bị ức chế trong điều kiện mặn là do sự mất cõn bằng nƣớc, ngộ độc ion hoặc do mất cõn bằng trong trao đổi ion [116]. Độ mặn cao làm giảm hoạt động quang hợp của cõy lỳa [15], kỡm hóm sự ra lỏ và làm biến đổi cấu trỳc tế bào [131]. Tuy nhiờn, mức độ
gõy hại của độ mặn đến cỏc giai đoạn sinh trƣởng của cỏc giống lỳa khỏc nhau là chƣa rừ ràng. Cõy lỳa chịu mặn tốt trong giai đoạn nẩy mầm, trở nờn rất mẫn cảm trong giai đoạn mạ non (giai đoạn 2- 3 lỏ), tiếp tục chống chịu tốt trong giai đoạn đẻ nhỏnh, kế đến mẫn cảm trong giai đoạn làm đũng và thụ phấn và thụ tinh, cuối cựng trở nờn chống chịu hơn trong giai đoạn chớn [126]. Do đú, sinh trƣởng và phỏt triển của cõy lỳa phải đƣợc chia ra nhiều giai đoạn để nghiờn cứu một cỏch đầy đủ về cơ chế chống chịu mặn của lỳa. Theo Yeo và Flowers (1984) [135] những thay đổi sinh lý của cõy lỳa liờn quan đến tớnh chống chịu mặn đƣợc túm tắt nhƣ sau:
+ Cõy lỳa khụng hấp thu (hoặc hạn chế ở mức rất thấp) lƣợng muối dƣ thừa nhờ hiện tƣợng hấp thu cú chọn lọc.
+ Cõy lỳa hấp thu lƣợng muối thừa nhƣng tỏi hấp thu lại trong mụ libe, do Na+ khụng di chuyển đến chồi thõn.
+ Sự vận chuyển của Na+ từ rễ đến chồi là rất thấp.
+ Lƣợng muối hấp thu thừa sẽ đƣợc vận chuyển đến cỏc lỏ già và đƣợc giữ lại tại đú.
+ Tăng tớnh chống chịu của cõy lỳa do lƣợng muối dƣ thừa sẽ đƣợc giữ lại tại cỏc khụng bào (vacuoles), làm giảm mức gõy hại đến quỏ trỡnh sinh trƣởng của cõy lỳa.
+ Cõy làm loóng nồng độ muối dƣ thừa nhờ tăng tốc độ sinh trƣởng và gia tăng hàm lƣợng nƣớc trong chồi. Hầu hết tất cả cỏc giống lỳa đều bị ảnh hƣởng rừ rệt ở nồng độ 50 mol NaCl/m3 trong giai đoạn mạ (14 ngày), thời gian làm cho 50% số cỏ thể chết tại nồng độ mặn này thay đổi từ 9 đến 60 ngày tựy theo giống lỳa. Vỡ vậy, mụi trƣờng cú nồng độ 50 mol NaCl/m3 dung dịch đƣợc xem nhƣ một mụi trƣờng hữu dụng để thanh lọc mặn ở cõy lỳa [135].
Cỏc nghiờn cứu về tớnh chịu mặn của cõy trồng đó chỉ ra rằng: trong mụi trƣờng mặn, Na+ tớch luỹ nhiều trong cõy nhƣng phõn bố khụng đều trờn cỏc bộ phận và đƣợc tớch luỹ nhiều hơn ở cỏc lỏ già [138]. Cõy trồng chỉ sinh trƣởng đƣợc khi hàm lƣợng Na+
tớch luỹ đến một giới hạn nhất định [115], giới hạn này là tớnh trạng cú liờn quan đến khả năng chịu mặn của cõy [84]. Tớnh chịu mặn là một đặc tớnh di truyền rất phức tạp, điều này đƣợc thực hiện bởi sự cú mặt của (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
cỏc thành phần hữu cơ trong tế bào chất của thực vật nhƣ là glycinebetaine, mannitol và proline [82]. Tớnh chịu mặn cũng phụ thuộc vào hỡnh thỏi học thực vật, việc chia ngăn và cỏc chất tan tƣơng thớch, kiểm soỏt sự mất nƣớc của thực vật, kiểm soỏt sự chuyển dịch của ion, cỏc đặc tớnh của màng tế bào thực vật, tỷ lệ Na/K trong tế bào chất.
Lỳa cú cơ chế điều chỉnh hàm lƣợng muối đi vào chồi rất nhỏ. Điều này cú thể là do sự hấp thu chọn lọc hiệu quả đối với K+. Một khả năng khỏc là ion Na+ đƣợc hấp thu với hàm lƣợng lớn cú ý nghĩa, nhƣng hấp thu lại trong nhựa xylem trong những phần của đầu rễ hoặc chồi và sau đú đƣợc dự trữ hoặc đƣợc chuyển trở lại đất [135]. Khi cõy lỳa đƣợc đặt trong dung dịch NaCl, hàm lƣợng sodium, calcium, kẽm, phosphorus và chloride đều gia tăng, trong khi hàm lƣợng potasium và magnesium đều giảm trong nhựa của chồi. Khả năng chống chịu mặn của cỏc giống lỳa cao hay thấp cú liờn quan với hiệu quả Na+ và Cl – vào cõy. So sỏnh khả năng hấp thụ lựa chọn K+ cho thấy rằng, đó cú sự khỏc nhau lớn giữa cỏc giống về khả năng hấp thụ chọn lọc K+ trong mụi trƣờng nồng độ 100 mol/m3 NaCl. Trong đú, giống NIAB6 (chống chịu) và BG402-4 cú khả năng hấp thụ chọn lọc K+
tốt hơn của chồi và rễ so với Na+. Hai giống IR1561 (giống nhiễm) và Basmati 370 cú sự lựa chọn thấp nhất trong tất cả những dũng so sỏnh. Tỷ lệ “K+/Na+” hay đỳng hơn hàm lƣợng K+ trong dung dịch của chồi lỳa đó xỏc định tớnh chống chịu mặn của những dũng lỳa khỏc nhau. Ngƣời ta cũn thấy vai trũ của kẽm (Zn) trong chồi cú liờn quan đến tớnh chống chịu mặn của cõy lỳa. Khi hàm lƣợng Zn trong chồi giống NIAB6 cao, tớnh chống chịu mặn cao [114] cũng đó chứng minh rằng, ở giống lỳa chống chịu mặn KS282, nồng độ Zn cao hơn so với dũng nhiễm IR28. Vai trũ của Zn tham gia vào tớnh chống chịu mặn, cú thể là do Zn làm gia tăng