PHẦN 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
4.1. KẾT QUẢ ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU HẠN VÀ MỘT SỐ CHỈ
4.1.1. Kết quả đánh giá khả năng chịu hạn dòng mang gen zmDREB2A gia
4.1.1. Kết quả đánh giá khả năng chịu hạn dòng mang gen zmDREB2A giai đoạn cây con đoạn cây con
Thí nghiệm đánh giá khả năng chịu hạn giai đoạn cây con của các dòng ngô chuyển gen ZmDREB2A và các dòng nền không chuyển gen được tiến hành trong điều kiện nhà lưới. Khi cây con ở giai đoạn 4-5 lá thì tiến hành gây hạn (không tưới nước liên tục) trong 14 ngày, sau đó tiến hành phục hồi (tưới nước đầy đủ) 7 ngày. Các dòng sẽ được quan sát đánh giá độ héo của lá ở các thời điểm 5 ngày, 10 ngày, 14 ngày gây hạn; đánh giá khả năng phục hồi, tỷ lệ cây sống sau hạn và đánh giá khả năng chịu hạn qua một số chỉ tiêu theo dõi như tỷ lệ rễ khô/thân khô, thể tích rễ, trọng lượng thân, rễ khô, chiều dài thân lá, dài rễ...
4.1.1.1. Đánh giá mức độ héo lá của các dòng ngô trong điều kiện hạn nhân tạo
Trước khi tiến hành thí nghiệm gây hạn, các dòng ngô tham gia thí nghiệm sinh trưởng khá đồng đều, giữa các dòng chuyển gen và dòng nền không chuyển gen tương ứng không có sự khác biệt về hình thái, cây sinh trưởng đều. Kết quả trên cho thấy, trong điều kiện bình thường, được tưới nước và bón phân đầy đủ thì không có sự khác biệt giữa các dòng chuyển gen và dòng nền không chuyển gen.
Sau 5 ngày gây hạn, các dòng ngô bắt đầu có hiện tượng héo lá, thể hiện đồng đều ở các dòng nền không chuyển gen, nhiều cây ở dòng chuyển gen D3 và D21 hầu như chưa có biểu hiện héo lá. Sau 10 ngày gây hạn, các dòng chuyển gen và không chuyển gen đều có những biểu hiện rõ rệt tác động của stress hạn như: lá héo nhiều và xoăn lại, mép lá và đỉnh lá bắt đầu vàng, các lá dưới bị ảnh hưởng nhiều nhất. Sau 14 ngày gây hạn, lá trên của hầu hết các dòng ngô bị cuộn tròn, các lá dưới biểu hiện khô vàng, bắt đầu xuất hiện nhiều cây chết, đặc biệt là ở các dòng không chuyển gen. Các dòng chuyển gen cũng xuất hiện các cây héo nặng và cây chết không có khả năng phục hồi.
4.1.1.2. Khả năng phục hồi và tỷ lệ cây sống của các dòng ngô
Sau 14 ngày gây hạn, chúng tôi tiến hành tưới nước phục hồi, quan sát khả năng phục hồi của các dòng ngô thí nghiệm. Kết quả cho thấy, dòng chuyển gen D21 có khả năng phục hồi khá nhanh, quan sát sau 1 ngày tưới nước cây có biểu
hiện tươi trở lại, tiếp đến là 2 dòng chuyển gen D3 và D14 (sau 2 ngày tưới), các dòng không chuyển gen phục hồi sau 3 - 4 ngày tưới nước đầy đủ.
Khi cây ngô trải qua thời kỳ hạn dài sẽ bị ảnh hưởng nghiêm trọng đến hoạt động của tế bào cũng như khả năng sống của cây. Một kiểu gen ngô chịu hạn tốt ngoài việc cây sống sau khi xử lý hạn thì cây phải phục hồi trở lại và sinh trưởng bình thường thì mới có ý nghĩa. Ngược lại nếu cây ngô sống được sau thời kỳ hạn nhưng do hoạt động của tế bào và của cây ngô đã bị tổn thương nghiêm trọng dẫn đến cây không thể sinh trưởng bình thường, thậm chí cây chết sau thời gian xử lý phục hồi. Vì vậy việc đánh giá tỷ lệ cây sống sau phục hồi là chỉ tiêu rất quan trọng.
Bảng 4.1. Tỷ lệ cây sống của các dòng ngô thí nghiệm trong điều kiện 14 ngày gây hạn nhân tạo và sau 7 ngày phục hồi ở giai đoạn cây con
TT Tên sự kiện/dòng nền Tỷ lệ cây sống (%)
1 D3 71,7 2 Dòng nền C436 33,3 3 D14 46,7 4 Dòng nền C7N 38,3 5 D21 76,7 6 Dòng nền V152 35,0
Hình 4.1. Biểu đồ tỷ lệ cây sống của các dòng ngô thí nghiệm chịu hạn giai đoạn cây con
Tỷ lệ cây sống của các dòng ngô thí nghiệm được thể hiện ở bảng 4.1. Kết quả cho thấy, 3 dòng nền C436, C7N và V152 có tỷ lệ cây sống sau phục hồi khác nhau và đều thấp hơn so với các dòng chuyển gen. Dòng chuyển gen D14 có tỷ lệ cây sống thấp hơn so với 2 dòng D3 và D21 chuyển gen. Trong đó dòng chuyển gen D21 (76,7%) và dòng chuyển gen D3 (71,7%) có tỷ lệ cây sống sau
phục hồi cao hơn vượt trội so với dòng nền tương ứng V152 (35,0%) và C436 (33,3%). Điều này có thể cho thấy các nguồn vật liệu khác nhau có nền di truyền khác nhau, vì vậy khả năng chịu hạn cũng khác nhau và sự tương tác giữa gen được chuyển với các nền di truyền là khác nhau.
4.1.1.3. Khả năng chịu hạn của các dòng ngô qua một số chỉ tiêu theo dõi
Kết quả theo dõi các chỉ tiêu chiều thân lá, dài rễ, khối lượng thân tươi, thân khô, khối lượng rễ tươi, rễ khô, thể tích rễ và tỷ lệ rễ khô/thân khô của 6 dòng ngô tham gia thí nghiệm được thể hiện ở các bảng 4.2, 4.3, 4.4 và 4.5
Chiều dài thân lá và dài rễ : Kết quả bảng 4.2 cho thấy, ở công thức tưới nước đầy đủ giữa dòng chuyển gen và đối chứng có chiều dài thân lá và chiều dài rễ tương đương nhau. Tuy nhiên chiều dài thân lá và chiều dài rễ của tất cả các dòng tham gia thí nghiệm đều giảm mạnh ở công thức gây hạn CT2 so với công thức CT1. Chiều dài thân lá giảm từ 23,5% - 34,2% và chiều dài rễ giảm từ 16,7% - 42,5%.
Bảng 4.2. Chiều dài thân lá, dài rễ và tỷ lệ suy giảm của các dòng ngô trong điều kiện hạn nhân tạo
TT Dòng Dài thân lá (cm) Tỷ lệ giảm so với không hạn (%) Dài rễ (cm) Tỷ lệ giảm so với không hạn (%) CT1 CT2 CT1 CT2 1 D3 69,7 53,3 23,5 31,8 26,5 16,7 2 Dòng nền C436 69,0 47,2 31,7 30,3 19,2 36,6 3 D14 70,5 50,4 28,5 32,5 24,4 25,1 4 Dòng nền C7N 71,2 48.8 31,5 32,0 21,6 32,5 5 D21 64,1 45,5 29,0 34,0 27,4 19,4 6 Dòng nền V152 63,2 41,6 34,2 33,2 19,1 42,5 CV% 4,2 7,3 LSD0.05 4,05 3,41
Chú thích: CT1- công thức tưới nước đầy đủ; CT2- công thức gây hạn
Số liệu bảng 4.2 cũng cho thấy, trong điều kiện hạn, dòng chuyển gen D3 và D21 có chiều dài thân lá và chiều dài rễ cao hơn hẳn dòng đối chứng không chuyển gen ở độ tin cậy 95%. Chiều dài thân lá ở dòng chuyển gen D3 đạt 53,3 cm và dòng nền tương ứng C436 là 47,2cm (chênh 6,1 > chỉ số LSD0.05 4,05). Tương tự ở dòng chuyển gen D21 là 45,5 cm và dòng nền tương ứng V152 là
41,6cm (chênh 3,9 cm). Chiều dài rễ của dòng chuyển gen D3 và D21 tương ứng đạt 26,5 cm và 27,4 cm dài hơn so với dòng nền C436 (19,2 cm) và V152 (19,1cm). Dòng chuyển gen D14 có chiều dài thân lá và chiều dài rễ lớn hơn dòng C7N lần lượt là 50,4 cm; 48,8 cm và 24,4 cm; 21,6 cm. Tuy nhiên sự chênh lệch này không có ý nghĩa ở độ tin cậy 95%.
Khối lượng thân tươi và rễ tươi: Số liệu ở bảng 4.3 cho thấy, khối lượng thân tươi và rễ tươi của các dòng chuyển gen và dòng nền đối chứng không chuyển gen không có sự chênh lệch có ý nghĩa ở công thức CT1 (tưới nước đầy đủ). Khi tiến hành gây hạn 14 ngày, các dòng ngô tham gia thí nghiệm giảm về khối lượng thân tươi, rễ tươi khá lớn. Khối lượng thân tươi giảm từ 70,3% - 77,9% và khối lượng rễ tươi giảm từ 62,4% - 78,1%.
Trong điều kiện gây hạn, khối lượng thân, rễ tươi dòng nền V152 giảm rõ rệt so với dòng chuyển gen D21. Khối lượng thân tươi của dòng nền V152 đạt 2,27g (giảm 77,9%) trong khi dòng chuyển gen D21 đạt 3,06g (giảm 71,7%). Tương tự khối lượng rễ tươi của dòng nền V152 đạt 2,11g (giảm 78,1%) và dòng chuyển gen D21 là 2,72g (giảm 71,7%). Dòng chuyển gen D3 và đối chứng không chuyển gen có kết quả tương tự có khối lượng thân tươi chỉ giảm 70,3% so với dòng nền (giảm 77,6%) và khối lượng rễ tươi giảm 62,4% so với dòng nền (giảm 69,0%). Dòng chuyển gen D14 và dòng nền C7N có tỷ lệ giảm khối lượng thân, rễ tươi tương đương nhau, khối lượng thân tươi đều giảm 74,8% và khối lượng rễ tươi giảm lần lượt là 70,4% và 70,9%.
Một số chỉ tiêu được các nhà khoa học sử dụng để đánh giá khả năng chịu hạn của cây ngô ở giai đoạn cây con như: số lá/cây (LA), thể tích rễ (RV), chiều dài rễ dài nhất (LRL), chiều cao cây (PH), khối lượng rễ tươi (RFW), khối lượng rễ khô (RDW), khối lượng thân khô (SDW), tỷ lệ giữa khối lượng rễ khô và thân khô (RDW/ SDW), tổng sinh khối khô (TMD) (Camacho & Caraballo, 1994; Rezaeieh & Eivazi, 2013).
Theo Camacho & Caraballo (1994), tốc độ tăng trưởng bộ rễ cũng như tổng lượng chất khô, chiều dài và rộng bộ rễ trong điều kiện hạn được coi là chỉ tiêu chọn lọc giống chịu hạn vào giai đoạn sinh trưởng sinh dưỡng. Các nghiên cứu của Zaidi & cs. (2000) về khả năng chịu hạn của ngô trong giai đoạn cây con cũng chỉ ra rằng, giống cây trồng nào có bộ rễ phát triển tốt khi gặp điều kiện thiếu nước ở thời kỳ cây con thì giống đó có khả năng tận dụng nước dưới sâu, phát triển tốt hơn và có khả năng chịu hạn tốt hơn.
Bảng 4.3. Khối lượng thân lá, rễ tươi và tỷ lệ suy giảm của các dòng ngô trong điều kiện hạn nhân tạo
TT Dòng KL thân tươi (g) Tỷ lệ giảm so với không hạn (%) KL rễ tươi (g) Tỷ lệ giảm so với không hạn (%) CT1 CT2 CT1 CT2 1 D3 10,30 2,96 70,3 7,02 2,64 62,4 2 Dòng nền C436 10.34 2,32 77,6 6,98 2,17 69,0 3 D14 11,70 2,95 74,8 8,30 2,46 70,4 4 Dòng nền C7N 11,53 2,90 74,8 8,25 2,40 70,9 5 D21 10,45 3,06 71,7 9,43 2,72 71,7 6 Dòng nền V152 10,25 2,27 77,9 9,45 2,11 78,1 CV% 2,7 2,7 LSD0.05 0,31 0,24
Chú thích: CT1- công thức tưới nước đầy đủ; CT2- công thức gây hạn
Khối lượng thân khô và rễ khô: Kết quả bảng 4.4 cho thấy, ở công thức CT1 (tưới nước đầy đủ) các dòng ngô chuyển gen và không chuyển gen không có sự chênh lệch đáng kể về khối lượng thân và rễ khô. Tuy nhiên ở công thức CT2 (hạn 14 ngày) cho thấy giữa các 2 dòng chuyển gen D3 và D21 có sự chênh lệch đáng kể so với dòng nền không chuyển gen tương ứng là C436 và V152. Dòng D3 có khối lượng thân khô (0,51g) lớn hơn dòng nền C436 (0,43g) 0,08g, dòng D21 lớn hơn dòng nền 0,12g, lớn hơn chỉ số LSD0.05 = 0,06. Do đó sự chênh lệch này có ý nghĩa ở độ tin cậy 95%. Dòng D14 cũng có khối lượng thân, rễ khô cao hơn dòng nền không chuyển gen (0,48g và 0,24g) nhưng sự chênh lệch này chưa có ý nghĩa (ở mức ý nghĩa 95%).
Khi hạn xảy ra ở giai đoạn cây con, độ ẩm đất trở thành yếu tố hạn chế đến quá trình mọc nhanh hay chậm, làm giảm mật độ cây, giảm diện tích lá và làm giảm năng suất (Ngô Hữu Tình, 2003). Theo Zaidi & cs. (2005) và một số nhà khoa học khác (Lê Quý Kha & cs, 2004; Phan Thị Vân, 2006)... trong điều kiện hạn nhẹ, tỷ lệ rễ/cây, lá có xu hướng tăng, nhưng khi hạn nặng hơn, sinh trưởng bộ rễ bị giảm, dẫn đến giảm sự hấp thu dinh dưỡng trong đất.
Các nguồn vật liệu có hệ rễ phát triển rộng và sâu thì có khả năng hút nước tốt hơn. Đánh giá tốc độ tăng trưởng bộ rễ, tổng lượng chất khô, chiều dài và rộng bộ rễ trong điều kiện hạn được coi là chỉ tiêu chọn lọc vật liệu chịu hạn vào giai đoạn sinh trưởng sinh dưỡng (Camacho & cs., 1994). Chọn lọc vật liệu ngô
có khối lượng rễ lớn là một chỉ tiêu hữu ích dẫn đến tăng năng suất trong điều kiện hạn (Banziger & cs., 2000).
Bảng 4.4. Khối lượng thân khô và rễ khô của các dòng ngô tham gia thí nghiệm gây hạn nhân tạo
TT Dòng KL thân khô (g) Tỷ lệ giảm so với không hạn (%) KL rễ khô (g) Tỷ lệ giảm so với không hạn (%) CT1 CT2 CT1 CT2 1 D3 1,22 0,51 57,9 0,45 0,27 40,4 2 Dòng nền C436 1,20 0,43 64,3 0,43 0,20 52,3 3 D14 1,54 0,50 67,5 0,55 0,26 52,4 4 Dòng nền C7N 1,51 0,48 68,3 0,53 0,24 55,1 5 D21 1,36 0,52 61,7 0,60 0,30 49,7 6 Dòng nền V152 1,35 0,40 70,3 0,61 0,19 68,3 CV% 3,6 4,9 LSD0.05 0,06 0,03
Chú thích: KL: Khối lượng; CT1-công thức tưới nước đầy đủ; CT2- công thức gây hạn
Thể tích rễ và tỷ lệ rễ khô/thân khô:
Bảng 4.5. Thể tích rễ và tỷ lệ rễ/thân khô của các dòng ngô tham gia thí nghiệm
TT Dòng Thể tích rễ (cm3) Tỷ lệ giảm so với không hạn (%) Tỷ lệ rễ khô/thân khô (%) CT1 CT2 CT1 CT2 1 D3 6,01 2,49 54,2 36,9 52,9 2 Dòng nền C436 5,98 2,02 62,7 35,8 46,5 3 D14 7,38 2,55 65,9 35,7 52,0 4 Dòng nền C7N 7,42 2,50 66,4 35,1 50,0 5 D21 8,35 2,90 64,7 44,1 57,7 6 Dòng nền V152 8,30 2,47 69,7 45,2 47,5 CV% 3,2 LSD0.05 0,10
Chú thích: CT1- công thức tưới nước đầy đủ; CT2- công thức gây hạn
Kết quả bảng 4.5 cho thấy, ở công thức CT1 (tưới nước đầy đủ), 2 dòng chuyển gen D3 và D21 có thể tích rễ lần lượt là 6,01 cm3 và 8,35 cm3 cao hơn dòng nền C436 và V152 tương ứng là 5,98cm3 và 8,30cm3. Ở dòng chuyển gen
D14 có thể tích rễ thấp hơn dòng không chuyển gen (7,38 cm3 và 7,42 cm3) tuy nhiên sự chênh lệch về thể tích rễ giữa dòng chuyển gen và không chuyển gen tương ứng là không có ý nghĩa trong điều kiện tưới nước đầy đủ. Ở công thức gây hạn CT2, tất cả các dòng ngô tham gia thí nghiệm đều giảm rõ rệt so với điều kiện tưới nước đầy đủ (giảm từ 54,2% - 69,7%). Dòng chuyển gen D21 có thể tích rễ (2,90cm3) cao hơn rõ rệt so với dòng nền V152 (2,47cm3) ở độ tin cậy cao. Dòng D3 và dòng nền cũng có kết quả tương tự. Dòng chuyển gen D14 có thể tích rễ (2,55cm3) cao hơn dòng C7N (2,50cm3), nhưng sự chênh lệch không đáng kể.
Tỷ lệ rễ khô/thân khô: là chỉ tiêu quan trọng để đánh giá khả năng chịu hạn của nguồn vật liệu (Camacho & Caraballo, 1994). Khi gặp hạn, cây có xu hướng phát triển bộ rễ như kéo dài hơn để tận dụng nguồn nước dưới sâu, vì vậy tỷ lệ rễ khô/thân khô thường cao hơn trong điều kiện không hạn.
Kết quả theo dõi tỷ lệ rễ khô/thân khô (bảng 4.5), trong điều kiện tưới nước đầy đủ, giữa dòng chuyển gen và đối chứng không chuyển gen có tỷ lệ rễ khô/thân khô gần tương đương nhau. Dòng D14 và C7N đạt tỷ lệ 35,7% và 35,1%; dòng D21 và dòng nền V152 đạt tương ứng 44,1% và 45,2%. Tương tự dòng D3 và dòng nền C436 đạt tỷ lệ 36,9% và 35,8%. Tuy nhiên trong điều kiện hạn, sự kiện D3 (đạt 52,9%) có tỷ lệ rễ khô/thân khô cao hơn hẳn so với dòng nền C436 (46,5%); dòng D21 và dòng nền V152 cũng có kết quả tương tự đạt 57,7% và 47,5%. Sự kiện D14 cũng có tỷ lệ rễ khô/thân khô cao hơn dòng nền C7N đạt tương ứng là 52% và 50%, sự chênh lệch này là không đáng kể. Và khi phân tích các chỉ tiêu đánh giá khả năng chịu hạn khác như khối lượng thân, rễ tươi; thân, rễ khô hay thể tích rễ không cho thấy sự chênh lệch rõ rệt giữa 2 dòng này, vì vậy chúng tôi chưa thể kết luận sự kiện D14 có khả năng chịu hạn cao hơn hẳn so với dòng C7N.
Rezaeieh & Eivazi (2013) khi đánh giá khả năng chịu hạn của 5 kiểu gen ngô đã phân tích mối tương quan hồi quy giữa các chỉ tiêu theo dõi với sinh khối khô, và đã đưa ra kết luận khối lượng rễ khô là tiêu chí quan trọng nhất khi lựa chọn kiểu gen ngô chịu hạn. Từ các kết quả nghiên của các nhà khoa học trên cho thấy tầm quan trọng của việc đánh giá các chỉ tiêu liên quan đến bộ rễ trong việc chọn tạo các giống chịu hạn.
Bên cạnh đó, trong điều kiện hạn rễ mọc dài hơn, phân bố rộng và sâu hơn vào các lớp đất giúp cây có thể tận dụng nước dưới sâu. Khi bắt đầu gặp điều kiện hạn ở giai đoạn cây con, khối lượng rễ và tỷ lệ rễ/thân, sinh nhiều rễ đốt vì rễ đốt có khả năng đâm xuyên vào các lớp đất tốt hơn để tăng cường khả năng hút nước. Đồng thời theo nghiên cứu của Muthukuda (2001) cho thấy: khi gặp hạn, tốc độ dài rễ lớn hơn tốc độ dài lá. Nghiên cứu của Phạm Văn Cường (2009) chỉ ra rằng: ở các giống lúa chịu hạn CH5, 103S-R20 và Toitsu thì chiều dài rễ, số rễ/cây, trọng lượng khô