2.3.1. Khái niệm hạn
Bất cứ một cây trồng nào cũng cần phải có nước để duy trì sự sống. Mức độ cần nhiều hay ít phụ thuộc vào từng loại cây trồng và từng giai đoạn phát triển của chúng. Hạn đối với thực vật là khái niệm chỉ sự thiếu nước do môi trường gây nên trong suốt cả quá trình sống hay từng giai đoạn, làm ảnh hưởng đến quá trình sinh trưởng và phát triển. Mức độ tổn thương của cây trồng do khô hạn gây ra có nhiều mức khác nhau: chết, chậm phát triển hay phát triển bình thường. Những cây trồng phát triển bình thường trong điều kiện khô hạn gọi là “ cây chịu hạn” và khả năng có thể giảm thiểu mức độ tổn thương do thiếu hụt nước gây ra gọi là “tính chịu hạn”.
9
Dưới tác động các yếu tố gây hạn của môi trường như thành phần thổ nhưỡng, thời tiết, khí hậu, nhiệt độ cao, gió nóng... đã gây nên hiện tượng thiếu nước của cây, mà nguyên nhân chính là do mất cân bằng áp suất thẩm thấu giữa cây và môi trường, dẫn đến sự thiếu hụt nước của tế bào. Trong trường hợp này, tác động của môi trường bên ngoài rất lớn, gây ảnh hưởng đáng kể lên sự phát triển của cây. Thông thường, hạn được phân biệt thành 3 loại là hạn không khí, hạn đất và hạn toàn diện (Bohnert & Cushman, 1996).
Hạn không khí
Hạn không khí thường có đặc trưng là nhiệt độ cao (39-420C) và độ ẩm thấp (< 65%). Hiện tượng này thường gặp ở những tỉnh miền Trung nước ta vào những đợt gió Lào và ở vùng Bắc bộ vào cuối thu, đầu đông. Hiện tượng này còn xuất hiện ở một số nước trên thế giới như gió Chamsin ở Israel; gió Mistral ở miền nam nước Pháp.v.v...đã làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến một số loại cây trồng như phong lan, cam, chanh, đậu tương.v.v... ( McKersie & Leshem 1994).
Hạn không khí ảnh hưởng trực tiếp lên các bộ phận của cây như hoa, lá, chồi non.v.v...nhất là ảnh hưởng đến quá trình tung phấn của cây. Đối với thực vật nói chung và cây ngô nói riêng thì hạn không khí thường gây ra hiện tượng héo tạm thời vì nhiệt độ cao, độ ẩm thấp, làm cho mức độ thoát hơi nước nhanh vượt qua mức độ bình thường, lúc đó rễ hút nước không đủ để bù lại lượng nước mất, cây lâm vào tình trạng mất cân bằng về nước. Nước cũng là sản phẩm khởi đầu, trung gian và cuối cùng của các quá trình chuyển hoá hoá sinh, là môi trường để các phản ứng trao đổi chất xảy ra (Tuberosa & cs., 2002). Vì vậy, việc cung cấp đủ nước cho cây chính là một biện pháp canh tác quan trọng. Hướng nghiên cứu tăng cường tính chịu hạn của cây trồng là một trong những mục tiêu của các nhà chọn tạo giống.
Hạn đất
Mức độ khô hạn của đất tuỳ thuộc vào sự bốc hơi nước trên bề mặt và khả năng giữ nước của đất. Hạn đất sẽ làm cho áp suất thẩm thấu của đất tăng cao đến mức cây không cạnh tranh được nước của đất và làm cho cây không thể lấy nước vào tế bào qua rễ, vì thế hạn đất có thể gây ra cho cây héo lâu dài. Hạn đất tác động trực tiếp đến bộ phận rễ của cây làm ảnh hưởng rất lớn đến quá trình sinh trưởng và phát triển của chúng. Đối với các loại cây trồng cạn, hạn đất cũng ảnh hưởng nghiêm trọng đến giai đoạn gieo hạt và nảy mầm. Lượng nước trong đất không đủ sẽ làm cho mầm héo, nếu thiếu nước nặng sẽ gây thui chột mầm và chết.
10
Hạn toàn diện
Hạn toàn diện là hiện tượng khi có cả hạn đất và hạn không khí xảy ra cùng một lúc. Trong trường hợp này, cùng với sự mất nước do không khí làm cho hàm lượng nước trong lá giảm nhanh dẫn đến nồng độ dịch bào tăng lên, mặc dù sức hút nước từ rễ của cây cũng tăng nhưng lượng nước trong đất đã cạn kiệt không đủ cung cấp cho cây. Hạn toàn diện thường dẫn đến hiện tượng héo vĩnh viễn, cây không có khả năng phục hồi. Ở nước ta hạn toàn diện thường xảy ra ở các tỉnh miền Trung (Nghệ An, Hà Tĩnh) gây nên thiệt hại đáng kể đến năng suất cây trồng nói chung và cây ngô nói riêng.
2.3.2. Ảnh hưởng của hạn đến sinh trưởng và phát triển cây trồng
Khô hạn sẽ là yếu tố quan trọng bậc nhất ảnh hưởng đến an toàn lương thực của thế giới. Nguyên nhân là do sự thiếu hụt về nước tưới cho nông nghiệp. Tài nguyên nước phục vụ cho nông nghiệp không phải vô tận, bên cạnh đó là áp lực dân số kèm theo sự phát triển đô thị và quá trình công nghiệp hóa sẽ làm gia tăng nhu cầu nước phục vụ dân sinh và cho công nghiệp. Không chỉ thiếu nước tưới, tình trạng biến đổi khí hậu đang diễn ra cũng khiến cho khô hạn ngày càng nghiêm trọng.
Ảnh hưởng của hạn trước hết là gây ra sự mất nước của tế bào và mô. Thiếu nước nhẹ làm ảnh hưởng tới quá trình sinh trưởng, thiếu nước nặng gây biến đổi hệ keo nguyên sinh chất, già hóa tế bào, làm cho cây bị héo. Cuối cùng hệ nguyên sinh chất bị đứt vỡ cơ học dẫn đến tế bào và mô bị tổn thương và chết. Hạn dẫn đến một số biến đổi trong mô và tế bào như làm biến tính và kết tủa protein, làm tăng độ lỏng của lipit màng, mở xoắn các axit nucleic.
Hạn cũng phá hoại hệ thống quang hóa II trên màng thylacoid. Sự thiếu nước làm giảm cường độ quang hợp. Khi hàm lượng nước trong lá còn khoảng 40-50% quang hợp của lá bị đình trệ. Ngoài ra, khi thiếu nước do hạn hán, sự cung cấp nước cho rễ không đủ trong đêm để thủy hoá các mô đã bị thiếu nước ban ngày, các lông hút bị tổn thương lớp ngoài vùng vỏ bị phủ suberin... đã làm giảm áp suất rễ để đẩy cột nước lên trong mạch gỗ. Đặc biệt khi thiếu nước sẽ hình thành nhiều bọt khí trong mạch gỗ phá vỡ tính liên tục của cột nước nên cột nước trong mạch gỗ không được đẩy lên liên tục.
Khi gặp điều kiện khô hạn, bộ lá ngừng sinh trưởng hoặc sinh trưởng chậm lại để hạn chế sự thoát hơi nước. Đồng thời phiến lá mỏng hơn, nhiều lông hơn
11
để hạn chế sự tích tụ nhiệt, hạn chế sự thoát hơi nước. Khi gặp điều kiện hạn, ABA được tăng cường tổng 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 tăng cường trên lá làm mức độ héo tăng lên giúp cây tránh bớt được bức xạ mặt trời, giảm sử dụng nước và tăng sử dụng bề mặt lá.
Bên cạnh đó, 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 & cs.(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 của rễ/cây và tốc độ hút nước của rễ ở các giống chịu hạn cao hơn rất nhiều giống đối chứng khi có nước trở lại. Khi gặp hạn, cây có phản ứng giảm chiều cao cây để hạn chế nhu cầu sử dụng nước, đồng thời hạn chế sự tác động của bức xạ mặt trời. Phản ứng thấp cây cũng làm tăng khả năng chống đổ ở cây lúa.
Ngô là cây quang hợp C4 và tạo lượng sinh khối rất cao trong quá trình sinh trưởng phát triển. Do vậy, nhu cầu nước của cây ngô với từng giai đoạn sinh trưởng phát triển là rất cần thiết đặc biệt ở giai đoạn cây con và giai đoạn tung phấn phun râu (Jamieson & cs., 1995). Năng suất ngô trong điều kiện khô hạn sụt giảm nhiều hay ít tùy thuộc vào thời điểm xảy ra hạn hán (Heinigre, 2000), Hạn có ảnh hưởng nhiều nhất đến năng suất ngô ở giai đoạn thụ phấn (trỗ cờ phun râu) ở mức trung bình 6.8% năng suất/ngày, thứ 2 là giai đoạn vào chắc hạt ở mức trung bình 4.0 - 4.2% năng suất/ngày.
Điều kiện hạn tác động đến tế bào thực vật và gây ra các đáp ứng khác nhau. Đáp ứng của tế bào với stress hạn thể hiện thông qua các quá trình như tích lũy các chất điều hòa thẩm thấu và tăng cường hoạt động của các enzyme, chất chống oxy hóa (do stress hạn tạo ra các gốc oxy tự do gây hại). Việc sử dụng các chất điều hòa thẩm thấu là một chiến lược phổ biến và quan trọng trong các đáp ứng với stress hạn đối với nhiều loài sinh vật khác nhau.
2.3.3. Ảnh hưởng của hạn đến các đặc điểm sinh hóa ở cây trồng
Điều kiện hạn tác động đến tế bào thực vật và gây ra các đáp ứng khác nhau. Đáp ứng của tế bào với stress hạn thể hiện thông qua các quá trình như tích
12
lũy các chất điều hòa thẩm thấu và tăng cường hoạt động của các enzyme, chất chống oxy hóa (do stress hạn tạo ra các gốc oxy tự do gây hại). Việc sử dụng các chất điều hòa thẩm thấu là một chiến lược phổ biến và quan trọng trong các đáp ứng với stress hạn đối với nhiều loài sinh vật khác nhau.
2.3.3.1. Tăng cường hàm lượng các chất điều hòa thẩm thấu
Khả năng điều chỉnh áp suất thẩm thấu có mối liên quan trực tiếp đến khả năng cạnh tranh nước của tế bào rễ cây đối với đất. Trong điều kiện khô hạn, áp suất thẩm thấu tăng lên giúp cho tế bào rễ thu nhận được những phân tử nước ít ỏi còn trong đất. Bằng cơ chế như vậy thực vật có thể vượt qua được tình trạng hạn cục bộ. Khi phân tích thành phần hóa sinh của các cây chịu hạn, các nghiên cứu đều cho rằng khi cây gặp hạn có hiện tượng tăng lên về hàm lượng prolin, các loại đường, axit hữu cơ... Các chất trên có chức năng điều chỉnh áp suất thẩm thấu nhờ khả năng giữ và lấy nước vào tế bào hoặc ngăn chặn sự xâm nhập của ion Na+. Ngoài ra còn có thể thay thế vị trí của nước nơi xảy ra các phản ứng sinh hóa, tương tác với protein và lipit màng, ngăn chặn sự phá hủy màng.
Chất điều hòa thẩm thấu (Osmolyte) là những chất tan tốt trong nước, mang điện trung tính trong điều kiện pH bình thường và không ức chế hoạt động của các enzyme ngay cả ở những nồng độ cao. Đó có thể là các loại đường (glucose, fructose, sucrose, trehalose, raffinose…) hay đường gốc rượu (mannitol, glycerol), axit amin (proline), hợp chất chứa lưu huỳnh (choline-O-sulphate, dimethylsulphoniopropionate). Chức năng của các chất điều hòa thẩm thấu là giúp làm giảm thế nước trong tế bào, duy trì độ trương của tế bào, bảo vệ các cấu trúc dưới tế bào do có khả năng liên kết với các protein cũng như các hệ thống màng sinh học, giữ cho chúng không bị biến tính. Hiện tượng tích lũy chất điều hòa thẩm thấu trong điều kiện hạn đã quan sát được trên nhiều đối tượng thực vật bậc cao.
+ Betaine
Các hợp chất betaine, glycinebetaine (GB) được phát hiện thấy ở nhiều họ thực vật như Chenopodiaceae và Gramineae khi phản ứng với điều kiện stress (Türkan & Demiral, 2009). Các bằng chứng về di truyền học cho thấy GB giúp tăng cường khả năng chống chịu của các cây trồng quan trọng như thuốc lá, cà chua, khoai tây, lúa và ngô. Cây trồng biến đổi gen nhằm làm tăng hàm lượng GB giúp cây chống chịu tốt hơn cây bình thường và giúp nâng cao sản lượng thu được (Waditee & cs., 2005). GB bảo vệ phức hệ quang hóa II (PS II) và hệ thống màng thylakoid của lục lạp, và các enzyme như RuBisCo, bảo vệ bộ máy quang hợp.
13
+ Proline
Một trong các chất liên quan đến thẩm thấu được chú ý là prolin. Prolin là một amino axit có vai trò quan trọng trong sự điều hòa áp suất thẩm thấu trong tế bào. Các nghiên cứu đã cho thấy có sự tích lũy amino acid như proline khi cây gặp phải điều kiện bất lợi như hạn (Mansour, 2000). Nhiều công trình nghiên cứu cho thấy sự tích lũy prolin có thể tăng 10 đến 100 lần ở thực vật dưới tác động của áp suất thẩm thấu.
Proline giúp ổn định các màng và protein chức năng, hỗ trợ bảo vệ tránh các tác động từ gốc oxy tự do. Theo tác giả Chen & Muranta (2002), sức chống chịu của thực vật tăng lên khi được chuyển các gen mã hóa enzym tham gia vào con đường sinh tổng hợp prolin trong tế bào. Trên thực tế, một số thử nghiệm chuyển gen làm tăng cường biểu hiện proline đã cho thấy có thể cải thiện khả năng chống chịu stress của thực vật.
Nhóm nghiên cứu của Trường Đại học Sư phạm Hà Nội trong năm 2011 đã thực hiện đề tài ảnh hưởng của hạn tới một số chỉ tiêu sinh lý và hàm lượng proline ở cà chua trồng tại Vĩnh Phúc. Thí nghiệm trong thời kỳ ra hoa của cây cho thấy, có sự tăng lên rõ rệt về hàm lượng proline ở cả 2 giống cà chua trong công thức thí nghiệm so với đối chứng. Tuy nhiên, giống VL 3000 có khả năng tổng hợp proline tốt hơn so với Gandeera trong suốt thời gian gây hạn, chứng tỏ, VL 3000 chịu hạn tốt hơn so với Gandeera. Ở thời kỳ ra hoa mức độ gia tăng hàm lượng proline mạnh hơn so với thời kỳ quả non khi thiếu nước.
Nghiên cứu của Efeoğlu & cs. (2008) trên 3 giống ngô Doge, Luce, Vero cũng đã cho thấy hàm lượng proline tăng lên đáng kể trong điều kiện hạn. Khi được tưới nước trở lại thì hàm lượng proline sẽ giảm đi.
+ Carbonhydrate không cấu trúc
Các dạng carbonhydrate không cấu trúc hay đường tan được tăng cường trong các tế bào gặp phải điều kiện hạn. Nhóm carbonhydrate không cấu trúc này bao gồm glucose, fructose, sucrose, trehalose, raffinose… Các chất này đóng hai vai trò, trong đó vai trò thứ nhất là tác động như một chất điều hòa thẩm thấu làm tăng áp suất thẩm thấu của tế bào, giúp tế bào hút nước từ môi trường dễ dàng hơn. Vai trò thứ hai là bảo vệ các cấu trúc tế bào bằng cách tương tác với hệ thống màng, các phức hệ protein và các enzyme. Lúa mì được biểu hiện gen mannitol-1-phosphatase dehydrogenase (mtlD) của E. coli cho thấy có biểu hiện
14
chống chịu tốt hơn so với cây bình thường. Gen mtlD giúp tăng cường hàm lượng mannitol có mặt trong tế bào.
2.3.3.2. Tăng cường hoạt động của một số enzyme
Nghiên cứu sự đa dạng và hoạt động của enzyme trong điều kiện gây hạn đã được nhiều tác giả quan tâm. Trần Thị Phương Liên (1999) nghiên cứu đặc tính hóa sinh của một số giống đậu tương có khả năng chịu nóng, hạn đã nhận xét rằng áp suất thẩm thấu cao ảnh hưởng rõ rệt tới thành phần và hoạt độ protease, kìm hãm sự phân giải protein dự trữ. Một số nghiên cứu trên các đối tượng như lạc, lúa, đậu xanh, đậu tương,… cho thấy mối tương quan thuận giữa hàm lượng đường tan và hoạt độ α-amylaza. Đường tan là một trong những chất tham gia điều chỉnh áp suất thẩm thấu trong tế bào. Sự tăng hoạt độ α-amylaza sẽ làm tăng hàm lượng đường tan do đó làm tăng áp suất thẩm thấu và tăng khả năng chịu hạn của cây trồng.
Đặc biệt, sự tích lũy các chất chống oxy hóa cũng được thấy rất rõ ràng trong đáp ứng của tế bào đối với điều kiện hạn. Tế bào tăng cường tích lũy của các enzyme chống oxy hóa như superoxide dismutase (SOD), catalase, ascorbate peroxidase (APX), glutathione reductase (GR)… Hoạt động của các enzyme này giúp hạn chế những tổn thương mà tế bào gặp phải do các gốc oxy hóa tự do gây ra. Khi tế bào gặp điều kiện stress như hạn, một lượng lớn gốc oxy hóa tự do