2.3. KHẢ NĂNG CHỊU HẠN CỦA CÂY HỌ ĐẬU VÀ CÂY ĐẬU XANH
2.3.4. Đặc điểm hình thái, sinh lý, sinh hóa liên quan đến tính chịu hạn của cây họ đậu
Hạn là một trong những loại stress phổ biến ảnh hưởng đến cấu trúc cây trồng ở các mức độ khác nhau (Zlatev and Lindon, 2012). Quá trình mất nước trong thời kỳ hạn hán của cây trồng đƣợc đặc trƣng bởi những thay đổi cơ bản về tình trạng nước, các quá trình sinh lý, sinh hóa, cấu trúc màng và siêu cấu trúc của các cơ quan tử (Yordanov et al., 2003). Sự thích nghi của thực vật với điều kiện thiếu nước là kết quả của các sự kiện khác nhau, dẫn đến thay đổi thích nghi về hình thái, sinh trưởng, các quá trình sinh lý - hóa sinh.
2.3.4.1. Đặc điểm hình thái liên quan đến tính chịu hạn của cây họ đậu
Đối với các loại cây trồng trong điều kiện khô hạn, tốc độ tăng trưởng và hiệu quả sử dụng nước cao là những đặc tính mong muốn. Tốc độ tăng trưởng và mức độ sử dụng nước bị ảnh hưởng bởi sự phân bổ chất khô trong các bộ phận khác nhau và các đặc tính sinh lý, hình thái của các bộ phận này. Hiệu quả sử dụng nước của cây có liên quan tới tốc độ tăng trưởng và tốc độ thoát hơi nước của cây. Khả năng sinh trưởng và hiệu quả sử dụng nước của cây trồng phụ thuộc vào lượng nước có sẵn ở trong đất. Trong điều kiện thiếu nước ở mức độ nhẹ, sinh khối của bộ rễ thường tăng lên, nhờ đó làm tăng khả năng hút nước của cây.
Sự phân bổ sinh khối bộ rễ càng lớn càng thuận lợi cho việc hấp thu nước của cây (Rahbarian et al., 2011). Nghiên cứu các đặc điểm hình thái liên quan đến khả năng chịu hạn của cây đậu gà, Rahbarian et al. (2011) đã chỉ ra rằng, trong điều kiện hạn làm giảm đáng kể khối lƣợng chất khô của cây, giống có khả năng chịu hạn có khối lƣợng chất khô cao hơn so với những giống nhảy cảm, điều này có liên quan tới khả năng sinh trưởng của bộ rễ tốt hơn giúp cho cây hút nước và
dinh dưỡng tốt hơn, cây tăng trưởng tốt hơn trong điều kiện hạn. Aslam et al.
(2013) đã dựa trên các đặc điểm hình thái nhƣ chiều dài rễ, chiều dài mầm, tỷ lệ rễ/thân mầm, đường kính thân, khối lượng cây mầm để xác định khả năng chịu hạn của 17 giống đậu xanh ở giai đoạn cây con đã chỉ ra rằng, chiều cao cây giảm khi mức độ hạn tăng cường vì dưới điều kiện hạn sức trương của tế bào giảm, kìm hãm sự lớn lên của tế bào hệ quả là làm giảm khả năng sinh trưởng và chiều cao cây tối ƣu. Tỷ lệ rễ/thân lá tăng là một chỉ thị quan trọng giúp cây đậu xanh thích ứng với điều kiện hạn, cây giảm sự phát triển thân lá để giảm sự thoát hơi nước và tăng sự phát triển của bộ rễ để tăng khả năng hút nước. Tỷ lệ rễ/thân lá tăng có tương quan với hàm lượng ABA trong rễ và trong thân lá (Lisar et al., 2012). Hạn gây ra tăng tỷ lệ lá khô trên cây, làm giảm tổng diện tích lá toàn cây dẫn đến làm giảm khả năng quang hợp của cây. Hạn xảy ra trong giai đoạn cây con đã làm giảm năng suất do kìm hãm sự sinh trưởng, tổng diện tích lá và sự sinh trưởng của bộ rễ từ đó làm giảm khả năng tích lũy chất khô/cây, giảm số quả/cây và chỉ số thu hoạch (Sadasivam et al., 1988). Tăng tỷ lệ lá khô/lá bình thường và % lá khô khi cây gặp hạn là những thông số quan trọng phản ảnh khả năng chịu hạn của cây, hạn nghiêm trọng làm lá không thể trao đổi khí, độ dẫn khí khổng, cường độ quang hợp và quá trình tích lũy hydratcacbon giảm, quá trình vận chuyển dinh dưỡng bị ảnh hưởng hệ quả là khả năng tích lũy chất khô của cây giảm (Lisar et al., 2012).
2.3.4.2. Đặc điểm sinh lý, sinh hóa liên quan đến tính chịu hạn của cây họ đậu Khả năng duy trì chức năng của bộ máy quang hợp dưới điều kiện hạn có ý nghĩa quan trọng với khả năng chịu hạn. Cây phản ứng với sự thiếu hụt nước bằng cách đóng khí khổng nhanh chóng để hạn chế sự mất thêm nước do quá trình thoát hơi nước, hệ quả là sự khuếch tán CO2 qua lá bị hạn chế (Ahmed et al., 2002; Flexas et al., 2006; Lawlor and Tezara, 2009). Giảm cường độ quang hợp đã đƣợc chứng minh trên nhiều loại cây trồng và đƣợc giải thích là do giảm nồng độ CO2 hấp thu qua lá từ đó hạn chế chất nhận của quá trình quang hợp ribulose-1,5 disphosphate carboxylase/oxygenase hoặc ức chế trực tiếp hoạt động của một số enzyme nhƣ carboxylase/oxygenase hay ATP synthase (Dulai et al., 2006; Lawlor and Tezara, 2009). Các loài chịu hạn kiểm soát chức năng của lỗ khí khổng cho phép cố định các bon khi stress nhờ đó nâng cao hiệu quả sử dụng nước hoặc mở khí khổng nhanh chóng khi sự thiếu hụt nước bớt căng thẳng (Lawlor, 2002).
Tiềm năng nước và hàm lượng nước tương đối trong lá giảm cũng là nguyên nhân làm giảm khả năng quang hợp trong cây. Sự thay đổi về số lƣợng và chất lƣợng các sắc tố quang hợp làm giảm khả năng hấp thu CO2, sự tích lũy các gốc tự do tăng lên gây rối loạn trao đổi chất, từ đó làm giảm quang hợp và khả năng tích lũy chất khô trong cây (Lisar et al., 2012).
Nhiều nghiên cứu đã dựa vào các chỉ tiêu sinh lý, sinh hóa để sàng lọc giống cây trồng có khả năng chịu hạn.
Nghiên cứu trên cây đậu xanh, Ahmed et al. (2002) cho biết, khi bị hạn làm giảm lượng CO2 hấp thu qua lá và giảm hàm lượng nước trong lá. Rahbarian et al. (2011) chỉ rõ, hạn làm giảm nồng độ CO2 hấp thu qua lá (A), giảm cường độ thoát hơi nước (E), và hiệu suất huỳnh quang diệp lục (Fv/Fm). Các giống đậu gà có khả năng chịu hạn có A, Fv/Fm và hiệu quả sử dụng nước (WUE) cao hơn so với giống nhảy cảm khi gặp hạn ở giai đoạn ra hoa rộ và quả mẩy. A, WUE, Fv/Fm là những chỉ tiêu hữu ích để sàng lọc khả năng chịu hạn của cây đậu gà.
Các giống đậu tương khi gặp hạn bị giảm mạnh về cường độ quang hợp, cường độ thoát hơi nước, hiệu suất sử dụng nước, giống đậu tương có khả năng chịu hạn có cường độ quang hợp giảm trong tình trạng thiếu nước ít nghiêm trọng hơn, có hiệu suất sử dụng nước cao hơn và độ thiếu hụt bão hòa nước thấp hơn so với giống không chịu hạn (Trần Anh Tuấn và cs, 2007). Khi nghiên cứu trên cây lạc Vũ Ngọc Thắng và cs. (2016) cũng có kết quả tương tự.
Hàm lƣợng diệp lục a, diệp lục b và hàm lƣợng diệp lục tổng số ở các loài hướng ánh sáng bị giảm dưới điều kiện hạn hán (Manivannan et al., 2007). Sự suy giảm hàm lƣợng diệp lục tổng số làm hạn chế khả năng quang hợp của thực vật, do đó làm giảm sản lƣợng sơ cấp của quá trình quang hợp. Hàm lƣợng diệp lục giảm trong điều kiện hạn đƣợc giải thích chủ yếu là do lục lạp bị phá hủy dưới tác động của sự tích lũy các gốc tự do trong tế bào (Mafakheri et al., 2010).
Hassanzadeh et al. (2009) đã đề nghị, có thể dựa vào hàm lƣợng diệp lục b và diệp lục tổng số để tuyển chọn giống chịu hạn và có năng suất cao. Nghiên cứu về khả năng chịu hạn ở cây lạc, cây đậu gà Arunyanark et al. (2008); Mafakheri et al. (2010) đã chỉ rõ, sự ổn định của diệp lục là một chỉ tiêu đặc trƣng cho tính chịu hạn ở cây lạc, cây đậu gà. Nghiên cứu của Ghassemi-Golezani and Lotfi (2012) trên một số giống đậu tương cho biết, nhiệt độ vùng lá tăng lên trong khi hàm lƣợng diệp lục, hiệu suất lƣợng tử của hệ thống quang hóa II và năng suất
hạt giảm xuống khi mức độ hạn tăng cường, năng suất hạt của giống đậu tương William đạt cao hơn có liên quan đến hàm lƣợng diệp lục trong lá cao hơn.
Hạn còn ảnh hưởng đến hàm lượng nước tương đối trong lá (LRWC), LRWC liên quan đến quá trình hấp thụ nước của bộ rễ cũng như sự mất nước ở lá qua thoát hơi nước. LRWC cao giúp cây sử dụng nước có hiệu quả cho các phản ứng sinh lý, sinh hóa diễn ra trong tế bào, có lợi thế hơn khi nguồn nước cung cấp bị thiếu hụt. Sự suy giảm LRWC khi gặp điều kiện hạn đã đƣợc quan sát thấy ở nhiều loài thực vật, phụ thuộc vào sự khắc nghiệt, thời gian bị hạn và bản chất loài (Yang and Miao, 2010). LRWC và cường độ quang hợp cao cùng với sự ăn sâu của bộ rễ trong điều kiện hạn và sau khi tưới nước trở lại là những cơ chế được hình thành trong điều kiện hạn của các giống đậu tương có khả năng chịu hạn tốt (Hossain et al., 2014).
Sự tích lũy prolin khi thực vật gặp điều kiện stress tương quan với khả năng chống chịu và nồng độ của nó thường tăng lên ở những thực vật có khả năng chịu hạn so với những thực vật nhảy cảm (Serpil et al., 2004; Mafakheri et al., 2010).
Sự tăng cường tổng hợp prolin là một chỉ tiêu quan trọng phản ánh khả năng chống chịu của cây khi gặp điều kiện hạn hán, phản ứng này giúp cây duy trì được áp lực thẩm thấu và cấu trúc thành tế bào, đảm bảo sự trao đổi nước khi cây sống ở môi trường khô hạn (Nguyễn Văn Mã, 2015). Sự gia tăng hàm lượng prolin của các giống đậu tương, đậu gà sau khi gây hạn đã chứng tỏ các cây trồng này đã có phản ứng một cách tích cực trước sự thay đổi của điều kiện môi trường (Chu Hoàng Mậu và Hà Tiến Sỹ, 2007; Mafakheri et al., 2010).
2.3.4.3. Nghiên cứu tính chịu hạn trên cây họ đậu ở mức độ phân tử
Các nghiên cứu về phản ứng của thực vật với điều kiện thiếu nước ở mức độ phân tử đã cho thấy những thay đổi trong biểu hiện gen. Tuy nhiên, hiện nay các nhà khoa học vẫn chƣa xác định đƣợc gen điều khiển tính chịu hạn, mà chỉ xác định đƣợc các gen liên quan đến tính chịu hạn (Trần Thị Thanh Huyền, 2011).
Khả năng chịu hạn ở cây trồng do nhiều gen qui định, trong đó có gen LEA (Late embryogenesis Abundant). Protein LEA là những protein hòa tan, chịu nhiệt thường gặp nhất, sinh ra khi tế bào bị mất nước và được khẳng định liên quan đến khả năng chịu hạn, sự phát triển phôi và cảm ứng ABA ở thực vật (Nguyễn Vũ Thanh Thanh và cs., 2006).
Gen chaperonin liên quan đến tính chịu nóng, chịu hạn ở thực vật.
Chaperonin còn gọi là chất môi giới phân tử (molecular chaperone) là một nhóm
protein có khối lƣợng phân tử mỗi tiểu đơn vị khoảng 60 kDa và có hoạt tính ATPase. Chúng giúp cho việc tạo không gian đúng của protein trong khung actin và tubulin tế bào chất. Chúng đóng vai trò quan trọng trong quá trình hình thành thoi vô sắc của giai đoạn phân bào, đặc biệt là thời kỳ phát triển mầm từ hạt.
Chaperonin tế bào chất là một phức bao gồm 8 tiểu đơn vị có tên là α, β, γ, δ, ε, δ, ε, ζ và hình thành nên cấu trúc vòng bi kép. Trong dịch chiết tế bào các tiểu đơn vị trong cấu trúc không gian của vòng bi có vai trò rất quan trọng để gắn cơ chất (Chu Hoàng Mậu và cs., 2008).
LTP (Lipid transfer protein) thuộc họ gen pathogenesis relate, có khả năng tổng hợp ra protein thúc đẩy quá trình vận chuyển phospholipid tới màng. Vai trò của LTP là tham gia vào cấu tạo lớp sáp hoặc lớp biểu bì giúp thực vật bảo vệ, phản ứng và đáp ứng lại những thay đổi của môi trường. Khi stress hạn, LTP được tăng cường tổng hợp ở lớp ngoại bì làm thực vật giảm mất nước nhờ tăng độ dày của lớp vỏ ngoài (Nguyễn Vũ Thanh Thanh và cs., 2011).
Các nhóm gen liên quan đến khả năng chịu mất nước của tế bào trên cây đậu đỗ đã được đọc trình tự và công bố như: gen chaperonin trên cây đậu tương (Trần Thị Phương Liên và cs., 2003; Chu Hoàng Mậu và cs., 2008), gen LEA trên cây đậu xanh (Nguyễn Vũ Thanh Thanh và cs., 2006), gen LTPs liên quan đến khả năng chịu hạn trên cây đậu xanh (Nguyễn Vũ Thanh Thanh và cs., 2011).