6. Ý nghĩa lý luận và thực tiễn
1.3.1. Tình hình nghiên cứu ảnh hưởng của sự thiếu nước đến
quang diệp lục của thực vật nói chung và cây ngô nói riêng
Hạn ở thực vật là khái niệm để chỉ sự thiếu nƣớc của cây do môi trƣờng gây nên trong suốt quá trình hay từng thời kỳ làm ảnh hƣởng đến sinh trƣởng và phát triển. Hạn cũng có thể đƣợc định nghĩa là sự thiếu lƣợng nƣớc mƣa hoặc không tƣới nƣớc trong thời gian dài làm cạn kiệt độ ẩm trong đất hoặc đủ nƣớc nhƣng do môi trƣờng áp suất thẩm thấu cao cây không hút đƣợc nƣớc.
Các nhà khoa học thuộc Đại học quốc gia Úc (ANU) đã phát triển thành công một kỹ thuật nhanh đánh giá khả năng chống chịu của cây trồng với khô
hạn mà không gây tổn thƣơng cây, đó là kỹ thuật đo huỳnh quang của diệp lục tố nhằm xác định làm thế nào cây có thể thích nghi với điều kiện nƣớc ít. Các nhà nghiên cứu của ANU, dẫn đầu bởi Barry Pogson, đã tìm thấy khả năng sống sót của cây khi gia tăng điều kiện thiếu nƣớc; chúng đƣợc đo và đƣợc định tính bằng cách xem xét sự thay đổi hiệu quả tối đa của photosystem II (Fv/Fm) và đo dễ nhất là “chlorophyll fluorometry”. Tính chất linh hoạt của kỹ thuật này đã đƣợc xác minh bằng phƣơng pháp so sánh tính chống chịu khô hạn của nhiều ecotypes cây mô hình Arabidopsis đối với một giống đột biến mà tính chống chịu khô hạn bị thay đổi hoặc hiệu quả quang hợp bị thay đổi. Kỹ thuật huỳnh quang diệp lục có thể bổ sung những phƣơng pháp hiện có để đánh giá tính chống chịu khô hạn. Áp dụng những kĩ thuật hiện đại giúp ngƣời ta thu đƣợc những kết quả quan trọng cho phép giải thích nguồn gốc và hiểu một cách sâu sắc về cơ chế của hiện tƣợng huỳnh quang diệp lục.
Krause và Weis cho rằng xác định huỳnh quang diệp lục là phƣơng pháp nghiên cứu không cần phá vỡ tế bào để khảo sát nhanh trạng thái sinh lý của cây và xác định mức độ cảm ứng của thực vật đối với tác động bất lợi từ môi trƣờng nhằm chống lại sự phá hủy bộ máy quang hợp ở thực vật [40].
Ở Việt Nam, trong khoảng hơn 10 năm trở lại đây bắt đầu xuất hiện một số công trình nghiên cứu về huỳnh quang diệp lục trong điều kiện môi trƣờng bất lợi. Sự thay đổi của nhiệt độ, ánh sáng, lƣợng mƣa hàng năm là nguyên nhân dẫn đến các điều kiện bất lợi cho cây trồng. Vấn đề thiếu nƣớc đối với cây trồng đã và đang đƣợc các nhà nghiên cứu quan tâm.
Khi nghiên cứu về ảnh hƣởng của nƣớc đến các giống lúa Đinh Thị Phòng và cộng sự đã nhận thấy, khi xử lý hạn ở 3 giờ, 6 giờ, 9 giờ, 12 giờ, 24 giờ, huỳnh quang ổn định của các giống lúa đều tăng, nguyên nhân tăng Fo là do tác động của hạn làm cho số lƣợng trung tâm phản ứng ở trạng thái “mở” giảm, năng lƣợng cho quá trình quang hóa giảm [21]. Trong khi đó huỳnh
quang cực đại của các giống lúa đều giảm, còn hiệu suất biến đổi huỳnh quang giảm dần khi mức độ hạn tăng lên. Nhiệt độ cũng là yếu tố ảnh hƣởng đến huỳnh quang diệp lục, điều này đƣợc Đặng Diễm Hồng và cộng sự khẳng định huỳnh quang cực đại giảm ở nhiệt độ cao trên 450C có liên quan đến sự phá hủy bằng nhiệt độ của một số protein của PSII [8]. Sự thay đổi của huỳnh quang diệp lục phụ thuộc vào mức độ bị hạn. Khi nghiên cứu về ảnh hƣởng của thiếu nƣớc đến huỳnh quang diệp lục của cây nhãn, Nguyễn Quốc Thông và cộng sự đã nhận thấy, gây hạn ở 4 giờ đầu, huỳnh quang cực đại của lá nhãn là không đổi nhƣng đến giờ thứ 5 thì huỳnh quang cực đại giảm. Kết quả trên là do khi ngừng tƣới nƣớc qua bộ rễ đã ảnh hƣởng xấu đến trạng thái sinh lý và các hoạt động quang hợp của cây nhãn thể hiện gián tiếp qua sự suy giảm giá trị huỳnh quang diệp lục (Fm, Fv và Fv/Fm) [25].
Quá trình biến đổi huỳnh quang diệp lục trong điều kiện gây hạn và phục hồi còn chịu sự chi phối của các giai đoạn sinh trƣởng và phát triển của cây trồng, chẳng hạn trên đậu tƣơng, huỳnh quang ổn định ở giai đoạn quả non cao hơn giai đoạn ra hoa, còn huỳnh quang cực đại ở thời kỳ ra hoa cao hơn giai đoạn quả non. Hiện tƣợng huỳnh quang ổn định tăng sẽ ảnh hƣởng đến hoạt động của bộ máy quang hợp, qua đó làm giảm năng suất cây trồng [7] .
Trần Thị Thanh Huyền khi nghiên cứu các chỉ tiêu sinh lí, hóa sinh của vừng trong điều kiện hạn cũng cho kết quả Fo tăng, đồng nghĩa với chịu hạn kém và Fm, Fv/m đều giảm. Điều này cho thấy protein trong lục lạp bị mất nƣớc, dẫn đến giảm hiệu quả sử dụng năng lƣợng ánh sáng [9]. Theo nghiên cứu của Nguyễn Nhƣ Khanh, Mã Ngọc Cảm trên cà chua cũng cho rằng trong điều kiện nhiệt độ mùa hè tăng, huỳnh quang ổn định tăng, huỳnh quang cực đại giảm, hiệu suất huỳnh quang giảm [10]. Nguyễn Văn Mã và cộng sự khi nghiên cứu ảnh hƣởng của hạn đến huỳnh quang của cây lạc cho rằng, huỳnh quang ổn định tăng dần từ khi cây non tới thời kỳ ra hoa sau đó giảm dần, còn
Fm cao nhất ở thời kỳ ra hoa sau đó giảm dần, hiệu suất huỳnh quang thƣờng tăng ở thời kỳ hình thành quả và hạt [18]. Khi nghiên cứu khả năng chịu hạn trên cây cao lƣơng, Phạm Văn Cƣờng và cộng sự cũng sử dụng phƣơng pháp đo huỳnh quang diệp lục, kết quả cho thấy trong điều kiện gây hạn, hiệu suất huỳnh quang của cây cao lƣơng có xu hƣớng giảm và tăng trở lại khi đƣợc tƣới nƣớc [1]. Khi nghiên cứu về năng suất của khoai tây trong điều kiện hạn và phục hồi sau hạn, Nguyễn Văn Đính và cộng sự thấy rằng huỳnh quang ổn định tăng khi gây hạn và giảm khi phục hồi, còn huỳnh quang cực đại giảm khi gây hạn và tăng khi phục hồi. Kết quả của việc gây hạn là, trong giai đoạn 30 ngày, số củ/khóm chỉ đạt 94,06%, ngƣợc lại ở giai đoạn 45 ngày số củ/khóm không ảnh hƣởng nhƣng trọng lƣợng củ/ khóm tăng [4].
1.3.2. Tình hình nghiên cứu ảnh hưởng của sự thiếu nước đến quang hợp của thực vật nói chung và cây ngô nói riêng của thực vật nói chung và cây ngô nói riêng
Quang hợp là một quá trình quan trọng nhất của cơ thể thực vật chịu ảnh hƣởng của nhiều yếu tố môi trƣờng. Trong đó phải kể đến ảnh hƣởng của hạn đất và hạn không khí. Tác giả Nguyễn Văn Mã và cộng sự khi nghiên cứu một số chỉ tiêu sinh lý, sinh hóa của các giống lạc có khả năng chịu hạn khác nhau cho thấy, cƣờng độ quang hợp có xu hƣớng giảm vào ban trƣa và ban chiều, khi gây hạn ở giai đoạn ra hoa cƣờng độ quang hợp, suy giảm nhiều nhất [17]. Phạm Văn Cƣờng và cộng sự cho biết khi nghiên cứu ảnh hƣởng của khô hạn đến các giống cao lƣơng, cƣờng độ quang hợp của các giống đều giảm khi gây hạn và tăng trở lại khi đƣợc tƣới nƣớc [1]. Vũ Ngọc Thắng và cộng sự khi nghiên cứu tác động của hạn hán đến quang hợp của 2 giống đậu xanh cho thấy, cƣờng độ quang hợp đều giảm dần qua các thời kỳ từ khi bắt đầu ra hoa và đạt giá trị thấp nhất vào thời kỳ quả mẩy [23]. Đánh giá khả năng quang hợp trong điều kiện hạn của lúa cũng đƣợc tác giả Nguyễn Ngọc Hân cho
rằng, khi gây hạn ở giai đoạn sau khi mọc 21 ngày đến phân hóa làm đòng, cƣờng độ quang hợp của lúa sẽ giảm [6].
Quang hợp của cây ngô diễn ra theo chu trình Hatch và Slack hay còn gọi là quang hợp theo chu trình C4, sản phẩm đầu tiên là các axit hữu cơ có 4 nguyên tử cacbon (apactat và malat) tạo thành nhờ phản ứng Cacboxyl hóa và chất nhận CO2 là axit photpho enolpyruvic. Quang hợp ở ngô có ƣu thế cho sinh khối lớn hơn quang hợp ở cây C3, hiệu suất sử dụng ánh sáng của lúa là 3 – 4%, trong khi của cây C4 là 4 – 5 %, nếu tính ra bức xạ quang hợp có giá trị 6 – 8% và 10 – 20%. So với các cây C3 thì các cây C4 không có quang hô hấp, có điểm bù CO2 thấp, CO2 chuyển hóa trong quang hợp đều đƣợc sử dụng trao đổi chất do đó tích lũy một khối chất hữu cơ nhiều hơn các cây C3 [13]. Giống nhƣ các cây trồng khác quá trình sinh trƣởng và phát triển của ngô chịu ảnh hƣởng của điều kiện hạn hán.
Theo một số nghiên cứu mới đây, cƣờng độ quang hợp ở ngô mạnh nhất vào giai đoạn 7 – 9 lá [2]. Khi nghiên cứu ảnh hƣởng của nƣớc và chất điều hòa sinh trƣởng đến quang hợp của ngô, Vũ Quang Sáng đã khẳng định trong điều kiện thiếu nƣớc cƣờng độ quang hợp giảm so với phun chất điều hòa sinh trƣởng [22]. Ảnh hƣởng của khô hạn đến ngô cũng đƣợc Chu Anh Tiệp nghiên cứu, kết quả là khi thiếu nƣớc ở các giai đoạn sinh trƣởng làm giảm cƣờng độ quang hợp, chỉ có giai đoạn cây con khi thiếu hụt nƣớc ở mức độ trung bình, cƣờng độ quang hợp cao hơn, còn giai đoạn nở hoa nếu thiếu nƣớc ở mức độ nhẹ, thì cƣờng độ quang hợp cao hơn so với các đối chứng khi tƣới nƣớc đầy đủ [30].
Chƣơng 2. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Đối tƣợng nghiên cứu
Chúng tôi tiến hành nghiên cứu trên giống ngô LVN 61 do Viện nghiên cứu Ngô cung cấp, giống đƣợc hình thành từ lai tạo giữa các dòng bố mẹ.
Đặc điểm của giống: chiều cao cây 180- 190 cm + 5 cm; chiều cao đóng bắp 90 – 95 cm + 5cm; số lá: 16 lá; chiều dài bắp: 20 – 22 cm; đƣờng kính bắp: 4,8 – 5,5 cm; số hàng hạt: 16 – 18 hàng; số hạt/hàng: 40 – 42 hạt; trọng lƣợng 1000hạt: 350 – 380 gr; màu - dạng hạt: màu vàng cam, dạng hạt bán răng ngựa; lá bi mỏng bao kín bắp, kết hạt đẫy bắp, tỷ lệ hạt/bắp cao: 79 – 81%: năng suất thƣờng đạt 8 – 9 tấn /ha. Trong điều kiện thâm canh năng suất có thể đạt tới 10 – 12 tấn/ha.
2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu
2.2.1. Thời gian và địa điểm
– Thời gian nghiên cứu từ tháng 2/2014 đến 6/2014
– Địa điểm nghiên cứu đƣợc tiến hành tại khu nhà lƣới thí nghiệm, thuộc khoa sinh – KTNN và Trung tâm Hỗ trợ nghiên cứu khoa học và Chuyển giao công nghệ, Trƣờng ĐHSP Hà Nội 2.
2.2.2. Bố trí thí nghiệm
Hạt đƣợc gieo trong chậu thí nghiệm có đƣờng kính 30cm, chiều cao 40cm, mỗi chậu trồng 2 hạt. Tất cả trồng 12 chậu chia làm 2 lô: 6 chậu dùng làm đối chứng, 6 chậu làm thí nghiệm
Phƣơng pháp gây hạn: tiến hành gây hạn ở giai đoạn cây con từ lúc cây 4 lá và giai đoạn cây chuẩn bị ra hoa từ lúc cây 8 lá. Khi tiến hành gây hạn trong nhà lƣới có mái che bằng nilông trắng.
Giai đoạn cây con (3 – 4 lá): ở lô đối chứng mỗi ngày tƣới nƣớc duy trì độ ẩm 70%, còn lô thí nghiệm ngừng tƣới nƣớc trong 7 ngày đến khi 2 lá dƣới bắt đầu héo, sau đó tiến hành tƣới nƣớc trở lại, trong quá trình gây hạn và tƣới
nƣớc phục hồi tiến hành đo các chỉ số huỳnh quang diệp lục và cƣờng độ quang hợp vào lúc 8 giờ sáng.
Giai đoạn cây chuẩn bị ra hoa (7 – 9 lá): ở lô đối chứng mỗi ngày tƣới nƣớc duy trì độ ẩm 70%, còn lô thí nghiệm ngừng tƣới nƣớc trong 7 ngày đến khi 2 lá dƣới bắt đầu héo, sau đó tiến hành tƣới nƣớc trở lại, trong quá trình gây hạn và tƣới nƣớc phục hồi tiến hành đo các chỉ số huỳnh quang diệp lục và cƣờng độ quang hợp vào lúc 8 giờ sáng.
2.2.3. Phương pháp phân tích các chỉ tiêu
* Xác định huỳnh quang diệp lục
Phƣơng tiện: sử dụng máy đo huỳnh quang diệp lục Chlorophyll fluorometer OS- 30 do hãng ADC sản xuất.
Cách tiến hành: trong giai đoạn cây con tiến hành đo ở lá thứ 4 từ dƣới lên, còn giai đoạn cây chuẩn bị ra hoa tiến hành đo ở lá thứ 8 từ dƣới lên.
Thời gian đo: thƣờng đo vào 8 giờ – 9 giờ sáng, lúc có ánh sáng vừa phải, đo các mẫu thí nghiệm đã gây hạn và mẫu đối chứng.
Các thông số đo đƣợc: huỳnh quang ổn định (F0 ), huỳnh quang cực đại (Fm), huỳnh quang biến đổi (Fvm).
Cách đo đƣợc tiến hành theo các bƣớc:
Bước 1: chọn mẫu đo, lau sạch và khô mẫu (không đƣợc để tổn thƣơng mẫu). Sau đó dùng kẹp phân tích kẹp mẫu (phải đóng “cửa chớp” của kẹp lại). Thời gian kẹp tuỳ thuộc từng loại mẫu, dao động từ 5 – 15 phút.
Bước 2: khi mẫu kẹp đƣợc mở bằng cách bật nút mở nguồn ở bên trái thân máy, ấn Mode màn hình sẽ xuất hiện các thông số mà máy đo đƣợc.
Bước 3: mẫu đo đủ thời gian ủ tối, ta đƣa đầu đo vào kẹp rồi rút “cửa chớp” của kẹp ra. Đo mẫu bằng cách ấn nút Moden trên thân máy hoặc ấn nút trên đầu đo, kết quả đo đƣợc hiển thị trên màn hình [15] .
* Xác định cƣờng độ quang hợp (bằng cách xác định cƣờng độ hấp thụ CO2).
Phƣơng tiện: sử dụng thiết bị PPSYSTEM TPS – 2 (Mỹ, 2011) phân tích hàm lƣợng CO2 của cây trồng hấp thụ dựa trên phƣơng pháp phát hiện bằng detector hồng ngoại.
Cách tiến hành: trong giai đoạn cây con, chọn các lá thứ 4 từ dƣới lên lên, sau đó lau sạch lá, kẹp buồng lá cần đo theo đúng kỹ thuật, chờ thông số CO2 ổn định thì ghi kết quả. Trong giai đoạn sắp ra hoa tiến hành đo ở lá thứ 8 từ dƣới lên.
Thời gian đo: thƣờng đo vào 8 giờ – 9 giờ sáng lúc có ánh sáng vừa phải, đo các mẫu thí nghiệm đã gây hạn và mẫu thí nghiệm đối chứng, đơn vị tính cƣờng độ quang hợp là µmol CO2.m-2.s-1 [15].
Cách đo đƣợc tiến hành theo các bƣớc:
Bước 1: kết nối đầu dò thu tín hiệu vào chân PLC, kết nối đầu khí vào của đầu dò (ký hiệu là A trên đầu dò) vào cổng PCL A trên máy đo. Kết nối đầu khí ra của đầu dò (ký hiệu là R trên đầu dò) vào cổng PCL R trên máy đo.
Bước 2: bật đầu máy đo trên màn hình, vào khởi động, sau đó hiện ra màn hình chính các lựa chọn tƣơng ứng các phím chọn từ 1 – 6.
Bước 3 (thiết lập phép đo và tiến hành phép đo):
- Ấn phím 1 trên màn hình chính để chọn chế độ REC, màn hình sẽ xuất hiện Menu 1, nhấn nút 1 trong Menu để sử dụng đầu dò PLC4. Sau khi chọn xong, đầu đo máy sẽ xuất hiện ra Menu 2 để chọn chế độ đo (tự động hay bằng tay), để thiết lập khoảng thời gian ghi số liệu.
- Nhấn nút Y để chuyển sang chọn nguồn sáng và thiết lập diện tích lá. Sau khi chọn xong nguồn sáng và thiết lập diện tích lá ta nhấn tiếp nút Y để chọn ô nhớ. Sau khi chọn xong ô nhớ, ấn tiếp nút Y để chuyển sang chế độ đo. Máy sẽ tự động Warmup. Sau khi Warmup xong máy sẽ chuyển sang chế độ đo [15].
2.2.4. Phương pháp xử lý số liệu
Kết quả nghiên cứu đƣợc tổng hợp và xử lý số liệu theo phƣơng pháp thống kê toán học qua các thông số: trung bình số học (X ), độ lệch chuẩn (δ) sai số trung bình (m), hệ số biến động (CV). Độ chính xác của thí nghiệm (m%), tiêu chuẩn độ tin của hiệu (td). Các thông số đƣợc so trong bảng phân phối Student với số bậc tự do (n1+n2 -2) với mức ý nghĩa α= 0,05.
1 N i i X X n , 2 1 i X X n , .100 CV X , m n % m X , dXDCXTN , d d d t m
Trong đó: XDC: trung bình đối chứng XTN: trung bình thí nghiệm m1: sai số mẫu đối chứng