Sự tương quan giữa hàm lượng prolin và glycin betain ở lá đậu tương vào giai đoạn ra hoa trong điều kiện nhiệt độ thấp, mặn và hạn

LỜI CẢM ƠN Khóa luận tốt nghiệp với đề tài “Sự tương quan giữa hàm lượng prolin và glycin betain ở lá đậu tương vào giai đoạn ra hoa trong điều kiện nhiệt độ thấp, mặn và hạn” đã được h

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

KHOA SINH - KTNN

*************

NGÔ THỊ ANH

SỰ TƯƠNG QUAN GIỮA HÀM LƯỢNG PROLIN

VÀ GLYCIN BETAIN Ở LÁ ĐẬU TƯƠNG VÀO GIAI ĐOẠN RA HOA TRONG ĐIỀU KIỆN

NHIỆT ĐỘ THẤP, MẶN VÀ HẠN

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Chuyên ngành: Sinh lý học thực vật

HÀ NỘI – 2014

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

KHOA SINH - KTNN

*************

NGÔ THỊ ANH

SỰ TƯƠNG QUAN GIỮA HÀM LƯỢNG PROLIN

VÀ GLYCIN BETAIN Ở LÁ ĐẬU TƯƠNG VÀO GIAI ĐOẠN RA HOA TRONG ĐIỀU KIỆN

LỜI CẢM ƠN

Khóa luận tốt nghiệp với đề tài “Sự tương quan giữa hàm lượng prolin và

glycin betain ở lá đậu tương vào giai đoạn ra hoa trong điều kiện nhiệt độ thấp, mặn và hạn” đã được hoàn thành với sự nỗ lực của bản thân và sự giúp đỡ tận tình

Tôi cũng xin cảm ơn các thầy cô trong khoa Sinh - KTNN trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 đã trang bị cho tôi những kiến thức cơ bản

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS.TS Nguyễn Văn Mã, TS Nguyễn Văn Đính – trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2, Th.S Bùi Thị Thu Hương – trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội đã giúp đỡ tôi trong quá trình hoàn thiện khóa luận

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè đã không ngừng giúp

đỡ và chia sẻ, động viên trong suốt quá trình thực tập cũng như thực hiện đề tài này

Trong quá trình nghiên cứu vì thời gian có hạn và bước đầu làm quen với phương pháp nghiên cứu khoa học nên đề tài không tránh khỏi những thiếu sót Vì vậy, tôi rất mong nhận được sự đóng góp của các quý thầy cô và các bạn để đề tài này được hoàn thiện hơn

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 05 năm 2014

Sinh viên thực hiện

Ngô Thị Anh

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài của riêng tôi, do chính tôi thực hiện dưới

sự hướng dẫn của thầy giáo La Việt Hồng cũng như trên cơ sở nghiên cứu các tài liệu tham khảo Nó không trùng với kết quả của bất kì tác giả nào từng công bố

Hà Nội, tháng 05 năm 2014

Sinh viên thực hiện

Ngô Thị Anh

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Nội dung nghiên cứu 2

4 Ý nghĩa lý luận và thực tiễn 2

NỘI DUNG 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3

1.1 Cây đậu tương 3

1.1.1 Đặc điểm sinh học của cây đậu tương 3

1.1.2 Vai trò của đậu tương 4

1.1.3 Tình hình sản xuất đậu tương trên thế giới và Việt Nam 5

1.2 Ảnh hưởng của môi trường bất lợi đến thực vật 7

1.2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ thấp đến thực vật 7

1.2.2 Ảnh hưởng của điều kiện mặn đến thực vật 8

1.2.3 Ảnh hưởng của hạn hán đến thực vật 10

1.3 Prolin và vai trò của prolin trong các điều kiện bất lợi của môi trường 11

1.3.1 Vai trò của prolin với thực vật trong điều kiện nhiệt độ thấp 13

1.3.2 Vai trò của prolin với thực vật ở điều kiện mặn 14

1.3.3 Vai trò của prolin với thực vật ở điều kiện hạn 15

1.4 Glycin betain và vai trò của glycin betain trong các điều kiện bất lợi của môi trường 15

1.4.1 Vai trò của glycin betain với thực vật trong điều kiện nhiệt độ thấp 17

1.4.2 Vai trò của glycin betain với thực vật trong điều kiện mặn 17

1.4.3 Vai trò của glycin betain với thực vật trong điều kiện hạn 18

CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 19

2.1 Vật liệu nghiên cứu 19

2.2 Phương pháp nghiên cứu 19

2.2.1 Phương pháp bố trí thí nghiệm 19

2.2.2 Phương pháp xác định chỉ tiêu nghiên cứu 20

2.2.2.1 Xác định hàm lượng prolin trong mô thực vật 20

2.2.2.2 Xác định hàm lượng glycin betain 23

2.2.3 Phương pháp xử lý số liệu 24

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 26

3.1 Sự biến động hàm lượng prolin và glycin betain trong các điều kiện nhiệt độ thấp mặn và hạn 26

3.1.1 Sự biến động của hàm lượng prolin trong các điều kiện nhiệt độ thấp, mặn và hạn 26

3.1.2 Sự biến động của hàm lượng glycin betain trong các điều kiện nhiệt độ thấp, mặn và hạn 29

3.2 Sự tương quan giữa hàm lượng prolin và glycin betain ở lá đậu tương trong các điều kiện nhiệt độ thấp, mặn và hạn 32

3.2.1 Sự tương quan giữa hàm lượng prolin và glycin betain ở lá đậu tương khi xử lý nhiệt độ thấp 32

3.2.2 Sự tương quan giữa hàm lượng prolin và glycin betain ở lá đậu tương khi xử lý mặn 34

3.2.3 Sự tương quan giữa hàm lượng prolin và glycin betain ở lá đậu tương khi xử lý hạn 35

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 36

TÀI LIỆU THAM KHẢO 37

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Tình hình sản xuất đậu tương trên thế giới 6 Bảng 2.1 Nồng độ prolin và giá trị OD 23 Bảng 3.1 Hàm lượng prolin trong lá đậu tương DT 51 trong các điều kiện nhiệt độ thấp, mặn và hạn 27 Bảng 3.2 Hàm lượng glycin betain trong lá đậu tương DT 51 trong các điều kiện nhiệt độ thấp, mặn và hạn 31 Bảng 3.3 Hàm lượng prolin và glycin betain trong lá đậu tương khi xử lý nhiệt độ thấp 34 Bảng 3.4 Hàm lượng prolin và glycin betain trong lá đậu tương khi xử lý mặn 35 Bảng 3.5 Hàm lượng prolin và glycin betain trong lá đậu tương khi xử lý hạn 36

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Công thức cấu tạo 12

Hình 1.2 Cấu hình không gian 12

Hình 1.3 Công thức cấu tạo 16

Hình 1.4 Cấu hình không gian 16

Hình 2.1 Các bước chính của quá trình định lượng prolin tự do bằng phương pháp so màu 22

Hình 2.2 Biểu đồ biểu diễn đường chuẩn prolin 24

Hình 3.1 Sự biến động hàm lượng prolin trong lá đậu tương DT 51 trong điều kiện nhiệt độ thấp, mặn và hạn 28

Hình 3.2 Sự biến động của hàm lượng glycin betain trong lá đậu tương trong điều kiện nhiệt độ thấp, mặn và hạn 31

Hình 3.3 Sự tương quan giữa hàm lượng prolin và glycin betain trong lá đậu tương khi xử lý nhiệt độ thấp 34

Hình 3.4 Sự tương quan giữa hàm lượng prolin và glycin betain trong lá đậu tương khi xử lý mặn 35

Hình 3.5 Sự tương quan giữa hàm lượng prolin và glycin betain trong lá đậu tương khi xử lý hạn 36

1

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Đậu tương (Glycine max (L.) Merill) là cây thực phẩm quan trọng Hạt

đậu tương giàu hàm lượng protein, tới 35,5 - 40% [4], được sử dụng làm thức

ăn cho người và gia súc, nguyên liệu cho các ngành công nghiệp Đậu tương còn có tác dụng cải tạo đất, tăng năng suất cây trồng khác do hoạt động cố

định nitơ của vi khuẩn Rhizobium cộng sinh trên rễ cây

Việt Nam có khí hậu nhiệt đới, gió mùa nóng ẩm thích hợp cho việc trồng đậu tương Tuy nhiên, đậu tương lại khá nhạy cảm với các điều kiện bất lợi của môi trường đặc biệt là giai đoạn ra hoa kết quả, nếu cây đang sinh trưởng bị gặp điều kiện bất lợi của môi trường ở giai đoạn này sẽ ảnh hưởng lớn đến năng suất của cây đậu tương

Thực vật khi gặp các điều kiện bất lợi của môi trường sẽ có các đáp ứng

về mặt hình thái, sinh lý, sinh hóa để thích nghi như thay đổi một số đặc điểm hình thái giải phẫu phù hợp hoặc gia tăng một số chất có khả năng bảo vệ và điều hòa áp suất thẩm thấu, trong đó quan trọng nhất là prolin và glycin betain Nghiên cứu của Ashraf M và Foolad M.R (2007) [11] đã chỉ ra vai trò của glycin betain và prolin, mối quan hệ của chúng trong việc bảo vệ cây trồng cũng như các ứng dụng xử lý ngoại sinh hai chất này để tăng khả năng chịu stress của cây trồng, đặc biệt là để đáp ứng với hạn, mặn và stress nhiệt

độ Nghiên cứu trên ở đậu tằm (Gadallah MAA., 1999) [15] và cà chua (Heuer B., 2003) [17] cho thấy sự gia tăng tích lũy của prolin và glycin betain

đã làm tăng khả năng chống chịu với điều kiện bất lợi của môi trường sống Nghiên cứu mối tương quan giữa hàm lượng prolin và glycin betain ở lá đậu tương trong các điều kiện bất lợi khác nhau cho biết vai trò, tác động qua lại của chúng trong cơ chế bảo vệ thực vật

2

Từ thực tế đó, chúng tôi thực hiện đề tài “Sự tương quan giữa hàm

lượng prolin và glycin betain ở lá đậu tương vào giai đoạn ra hoa trong

điều kiện nhiệt độ thấp, mặn và hạn”

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu sự tương quan giữa prolin và glycin betain ở giống đậu

tương trong các điều kiện nhiệt độ thấp, mặn và hạn vào giai đoạn ra hoa

3 Nội dung nghiên cứu

- Sự tương quan giữa hàm lượng prolin và glycin betain ở lá đậu tương

giai đoạn ra hoa khi xử lý nhiệt độ thấp

- Sự tương quan giữa hàm lượng prolin và glycin betain ở lá đậu tương

giai đoạn ra hoa khi xử lý mặn

- Sự tương quan giữa hàm lượng prolin và glycin betain ở lá đậu tương

giai đoạn ra hoa khi xử lý hạn

4 Ý nghĩa lý luận và thực tiễn

- Nghiên cứu góp phần bổ sung vào nguồn tài liệu về tính chống chịu của đậu tương, đặc biệt là giống đậu tương DT 51 dưới tác động của các điều kiện

bất lợi của môi trường (nhiệt độ thấp, mặn và hạn)

- Kết quả nghiên cứu là cơ sở khoa học để đánh giá khả năng chống chịu

các điều kiện bất lợi của môi trường (nhiệt độ thấp, mặn và hạn) ở cây đậu

tương và cây trồng khác, từ đó định hướng trồng chúng ở những vùng sinh thái

phù hợp, có biện pháp chăm sóc hợp lý để cây cho năng suất phẩm chất tốt

- Sử dụng chỉ thị về sự tích lũy prolin và glycin betain để đánh giá khả

năng chịu điều kiện nhiệt độ thấp, mặn và hạn của thực vật

3

NỘI DUNG

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 Cây đậu tương

1.1.1 Đặc điểm sinh học của cây đậu tương

Đậu tương hay đỗ tương, đậu nành (Glycine max (L.) Merill) thuộc thân

thảo, họ Đậu (Fabaceae), họ phụ Cánh bướm (Papilionoidea) Theo từ điển thực phẩm, cây đậu tương được biết có nguồn gốc xa xưa từ Trung Quốc và được coi là cây thực phẩm cho đời sống con người từ hơn 4000 năm trước, sau đó được nhân rộng sang Nhật Bản vào khoảng thế kỷ thứ 8, vào nhiều thế

kỷ sau có mặt ở các nước Châu Á như Thái lan, Malaysia, Hàn Quốc và Việt Nam Cây đậu tương có mặt ở Châu Âu vào đầu thế kỷ 17 và ở Hoa Kỳ vào thế kỷ 18 Ngày nay, Hoa Kỳ là quốc gia đứng đầu sản xuất đậu tương chiếm 50% sản lượng trên toàn thế giới

Về hình thái, cây đậu tương có các bộ phận chính là rễ, thân, lá, hoa và quả Rễ đậu tương là cây hai lá mầm có rễ cọc, tập trung ở tầng đất mặt 30 -

40 cm, độ ăn lan khoảng 20 - 40 cm Trên rễ có các nốt sần cố định đạm do vi

khuẩn cộng sinh Rhizobium Chúng có khả năng cố định nitơ từ không khí

cung cấp đạm cho cây, có vai trò cải tạo đất Thân đậu tương có màu xanh hoặc tím ít phân cành, có từ 14 -15 lóng, chiều cao cây trung bình từ 0,5 - 1,2

m Lá gồm có các dạng lá theo từng thời kỳ sinh trưởng, phát triển của cây: lá

4

1.1.2 Vai trò của đậu tương

Đậu tương là cây trồng có giá trị kinh tế cao, là cây công nghiệp, cây thực phẩm và vừa là cây cải tạo đất Với ưu thế ngắn ngày, trồng được nhiều

vụ trong năm, có thể trồng xen canh gối vụ, trồng được ở nhiều vùng sinh thái khác nhau, vì thế đậu tương cũng là một loài cây có vai trò quan trọng trong nền nông nghiệp nước ta

Về mặt dinh dưỡng, hạt đậu tương có hàm lượng protein trung bình khoảng 35,5 - 40% (trong khi đó hàm lượng protein trong gạo chỉ 6,2 - 12,0%, thịt bò là 21%) Lipid từ 15 - 20%, hydrat cacbon từ 15 - 16% và nhiều loại vitamin và muối khoáng quan trọng cho sự sống Hàm lượng của các axit amin có chứa lưu huỳnh như cistein, methionin… của đỗ tương rất gần với hàm lượng này có trong trứng Vì thế mà khi nói về giá trị về hàm lượng protein trong hạt đậu tương là nói đến hàm lượng protein cao và sự cân đối của các loại axit amin cần thiết Ngày nay, người ta mới biết thêm hạt đậu tương có chứa lexithin, có tác dụng làm cho cơ thể trẻ lâu, tăng thêm trí nhớ, tái tạo mô, làm cứng xương và tăng sức đề kháng của cơ thể Dùng đậu tương thay mỡ động vật có thể tránh xơ vữa động mạch Đậu tương là thức ăn tốt cho những người bị bệnh đái tháo đường, thấp khớp, thần kinh suy nhược và suy dinh dưỡng [4]

Về mặt giá trị công nghiệp, sản phẩm từ đậu tương được sử dụng rất đa dạng như dùng trực tiếp hạt khô hoặc chế biến thành đậu phụ, ép thành dầu đậu tương, làm bánh kẹo, sữa đậu nành… Đậu tương là nguyên liệu của nhiều ngành công nghiệp khác nhau như: chế biến cao su nhân tạo, sơn, mực in, xà phòng, chất dẻo, tơ nhân tạo… [4]

Về mặt giá trị nông nghiệp, đậu tương là nguồn thức ăn tốt cho gia súc 1kg hạt đậu tương tương đương với 1,38 đơn vị thức ăn chăn nuôi Toàn cây đậu tương có hàm lượng đạm khá cao cho nên các sản phẩm phụ như thân lá

5

tươi có thể làm thức ăn cho gia súc hoặc nghiền nhỏ làm thức ăn tổng hợp Đậu tương có tác dụng cải tạo đất, tăng năng suất cây trồng khác Điều này là

do hoạt động cố định nitơ của vi khuẩn Rhizobium cộng sinh trên rễ cây Do

đó có lợi cho các cây trồng khác và sau khi thu hoạch toàn bộ rễ, thân, lá phủ lại bề mặt đất có tác dụng che phủ chống xói mòn, vừa là nguồn hữu cơ giàu đạm cải tạo đất [4]

1.1.3 Tình hình sản xuất đậu tương trên thế giới và Việt Nam

Đậu tương là một trong những cây có dầu quan trọng bậc nhất trên thế giới và là cây trồng đứng vị trí thứ tư trong các cây làm lương thực, thực phẩm sau lúa mỳ, lúa nước và ngô Vì vậy, sản xuất đậu tương trên thế giới tăng rất nhanh cả về diện tích, năng suất và sản lượng được thể hiện qua bảng 1.1

Về diện tích: năm 1960, thế giới trồng được 21,0 triệu ha thì đến năm

2000 (sau 40 năm) diện tích trồng đã đạt 74,34 triệu ha tăng 3,5 lần Năm

2005, diện tích trồng đậu tương là 91,39 triệu ha Năm 2008, cả thế giới trồng được 96,87 triệu ha tăng 4,61 lần so với năm 1960 Năm 2012, diện tích trồng đậu tương là 102,10 triệu ha tăng 4,86 lần so với năm 1960

Về năng suất: năm 1960, năng suất đậu tương thế giới chỉ đạt 12,0 tạ/ha

đến năm 1990 là 19,17 tạ/ha tăng 59,75% Năm 2008, năng suất đậu tương thế giới đạt 23,84 tạ/ha tăng 98,67% so với năm 1960 Đến năm 2012, năng suất đậu tương thế giới đạt 23,2 tạ/ha, thấp hơn năng suất đậu tương năm

2008

Về sản lượng: cùng với sự tăng lên về diện tích và năng suất, sản lượng

đậu tương của thế giới cũng được tăng lên nhanh chóng Năm 1960, sản lượng đậu tương thế giới đạt 25,20 triệu tấn thì đến năm 1990 tăng lên đạt 104,19 triệu tấn, tăng gấp gần 4 lần Năm 2008, sản lượng đậu tương thế giới đạt tới 230,95 triệu tấn, tăng gấp 8,85 lần so với năm 1960 Đến năm 2012,

6

sản lượng đậu tương thế giới đạt 237,09 triệu tấn, tăng 9,4 lần sản lượng năm

1960

Bảng 1.1 Tình hình sản xuất đậu tương trên thế giới

Năm Diện tích (triệu ha) Năng suất (tạ/ha) Sản lượng

Ở Việt Nam, sản lượng đậu tương năm 2012 giảm 34,3% so với cùng kỳ năm trước, xuống còn 175,2 nghìn tấn do thời tiết lạnh khắc nghiệt vào cuối năm 2011 và đầu năm 2012 khiến cho năng suất và diện tích gieo trồng giảm mạnh Quy mô sản xuất vẫn còn tương đối nhỏ và tiếp tục không đáp ứng được nhu cầu tiêu thụ trong nước Theo USDA dự báo diện tích trồng đậu tương năm 2013 nước ta tăng khoảng 180 nghìn ha so với năm 2011 và sản lượng đạt ở mức 270.000 tấn Theo số liệu thống kê chính thức, đậu tương

7

đang được trồng tại 25 trong số 63 tỉnh thành cả nước, với khoảng 65% tại các khu vực phía Bắc và 35% tại các khu vực phía Nam [36]

1.2 Ảnh hưởng của môi trường bất lợi đến thực vật

1.2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ thấp đến thực vật

Nhiệt độ thấp làm cho lá cây bị héo mặc dù môi trường vẫn đủ nước do nhiệt độ thấp ức chế sự hút nước của hệ rễ và sự vận chuyển nước của hệ mạch Đồng thời nhiệt độ thấp cũng gây ức chế quang hợp của lá, làm giảm

hô hấp, ức chế các quá trình tổng hợp nhất là tổng hợp protein do các enzim hoạt động yếu Ở nhiệt độ thấp, màng nguyên sinh chất bị tổn hại làm tăng tính ngoại thấm nên thất thoát chất dinh dưỡng của tế bào Nhiệt độ thấp ảnh hưởng đến cấu trúc và chức năng bộ rễ Sự hút nước và chất khoáng bị giảm mạnh làm cho cây thiếu nước và chất dinh dưỡng [10]

Nhiệt độ thấp làm tổn hại đến màng tế bào, màng các bào quan như lục lạp, ty thể từ đó ảnh hưởng sâu sắc đến các quá trình sinh lý của cây như quang hợp, hô hấp Ở các cây không chịu lạnh các lipid của màng có tỷ lệ chuỗi axit béo bão hoà cao hơn cây chịu lạnh, do đó gặp lạnh màng có khuynh hướng đổi thành trạng thái bán tinh thể Khi tính lỏng của màng kém, các protein của màng không hoạt động bình thường dẫn đến hậu quả xấu cho sự vận chuyển các chất, sự biến đổi năng lượng và hoạt động enzim [10]

Những cây chịu nhiệt độ thấp có độ nhớt giảm, trao đổi chất mạnh, các quá trình tổng hợp nhất là tổng hợp protein xảy ra mạnh hơn cây không chịu nhiệt độ thấp Cùng một số cây nhưng sống ở các vùng địa lý khác nhau có khả năng chịu nhiệt độ thấp khác nhau Các cơ quan trong cùng một cây cũng

có khả năng chịu nhiệt độ thấp khác nhau Thực vật phản ứng khác nhau đối với nhiệt độ thấp Các thực vật phương Bắc thường sống trong điều kiện thấp

từ -5o

C đến 30oC như các loại thảo mộc, cây rừng phương Bắc thông, tùng, bách… Cây rau rừng ôn đới như bắp cải cũng có thể chịu được nhiệt độ đến -15oC Tùy vào loại cây khác nhau mà khả năng chịu lạnh cũng khác nhau

8

Arabidopsis là cây có khả năng chịu lạnh, có thể sống 5 ngày ở nhiệt độ thấp

từ 1oC đến 5oC và tồn tại ở -8oC đến -12oC trong khoảng thời gian ngắn Vì vậy, đây chính là mô hình lí tưởng để nghiên cứu tính chịu lạnh giá Các cây trồng vùng nhiệt đới thường bị ảnh hưởng nặng nề khi nhiệt độ xuống khoảng

0oC đến 12o

C Đặc biệt là các cây trồng như lúa nước, đậu tương, bông, ngô

và các cây ăn quả nhiệt đới khác [6]

Nhiệt độ thấp làm thay đổi quá trình sinh lý, sinh hóa trong tế bào làm hạt nảy mầm kém và chậm phát triển, mô tế bào lá trở nên vàng úa và héo lụi Nếu tác động kéo dài có thể gây hoại tử vùng mô tế bào này

Nhiệt độ thấp gây ảnh hưởng đến năng suất cây trồng, theo con số thống

kê của Cục Khuyến nông Bộ Nông nghiệp phát triển nông thôn, tính đến 15 tháng 3 năm 1996 các đợt lạnh trong vụ xuân năm 1996 làm chết 5000 ha mạ

và 50000 ha lúa mới cấy Tổng thiệt hại là 10000 tấn giống x 4 triệu đồng/tấn

tương đồng khoảng 400.000 triệu đồng tức 40 tỉ đồng Việt Nam… [1]

1.2.2 Ảnh hưởng của điều kiện mặn đến thực vật

Đất mặn là loại đất chứa hàm lượng muối cao (>0,2%) có nhiều ion độc

Do nồng độ muối cao nên áp suất thẩm thấu của dung dịch đất ở đây rất cao,

có thể đạt 200-300 atm hay còn có thể cao hơn [10]

Do đất mặn có áp suất thẩm thấu cao cho nên cây không thể hút được nước nếu không có cơ chế thích nghi, do đó gây nên hiện tượng hạn sinh lý Cây bình thường không thể sống trong môi trường có áp suất thẩm thấu trên

40 atm

Độ mặn cao sẽ làm ức chế sự hấp thụ nước, thay đổi khả năng đóng mở khí khổng… gây tổn thương mô thực vật Những thay đổi trong trao đổi chất thường dẫn đến sự gia tăng một số chất liên quan đến điều chỉnh áp suất thẩm thấu trong tế bào như glycin betain, prolin, ectoine… Tuy nhiên thông thường, sự điều chỉnh này chỉ đòi hỏi tăng cường của một trong những enzym

9

trong con đường tổng hợp hoặc chuyển hóa các chất đó Sự điều tiết các ion

cũng cần một số lượng nhỏ các gen Khoảng 21000 gen ở Arabidopsis thực

hiện chức năng chủ yếu trong quá trình phát triển cá thể của thực vật, hình thành hoa, phát triển quả và hạt nhưng chỉ có một lượng nhỏ các gen phản ứng với điều kiện mặn [6]

Một tác hại khác của đất mặn là trong dung dịch đất chứa nhiều ion độc Một số ion ở nồng độ thấp không độc nhưng ở nồng độ cao lại gây độc Các ion này lại cạnh tranh với chất dinh dưỡng trong quá trình hút của rễ làm cho

rễ khó hút chất dinh dưỡng Thành phần các muối trong đất mặn phổ biến là NaCl, Na2SO2, Na2SO4, Na2CO3, MgCl2, MgSO4 các muối đó ở nồng độ cao đều gây độc cho cây

Đặc biệt khi cây hút các ion độc vào trong tế bào sẽ gây rối loạn trao đổi chất của tế bào Các ion độc sẽ ức chế hoạt động các enzim, các chất kích thích sinh trưởng cho nên làm rối loạn hoạt động trao đổi chất - năng lượng, các hoạt động sinh lý bình thường của tế bào Các chất độc còn ảnh hưởng theo chiều hướng bất lợi đến nguyên sinh chất như làm giảm mạnh độ nhớt, tính thấm của nguyên sinh chất tăng mạnh nhất là tăng mạnh ngoại thẩm làm cho tế bào mất chất dinh dưỡng Các hoạt động sinh lý của tế bào cũng bị ảnh hưởng: quá trình quang hợp giảm mạnh do lá kém phát triển, sắc tố ít do các chất độc ức chế quá trình tổng hợp sắc tố, các quá trình xảy ra trong quang hợp bị giảm sút do ảnh hưởng của chất độc và thiếu nước Quá trình hô hấp tăng mạnh, các cơ chất bị phân huỷ mạnh, nhưng hiệu quả năng lượng thấp, phần lớn năng lượng của các quá trình phân huỷ đều thải ra dưới dạng nhiệt làm cho tế bào thiếu ATP để hoạt động Phân huỷ mạnh, tổng hợp lại yếu nên không bù đủ lượng vật chất do hô hấp phân huỷ, chất dự trữ dần dần bị hao hụt, cây không sinh trưởng được, do vậy cây còi cọc, năng suất thấp Nếu cây

bị mặn nặng hay mặn kéo dài sẽ bị chết [10]

10

Tác động của stress muối tới hấp thu dinh dưỡng: làm giảm tăng trưởng thực vật do ảnh hưởng đến sự vận chuyển chất và phân vùng các chất dinh dưỡng Tuy nhiên, độ mặn theo kiểu khác nhau có thể ảnh hưởng khác nhau đến dinh dưỡng khoáng của cây trồng Độ mặn có thể gây thiếu dinh dưỡng hoặc mất cân bằng dinh dưỡng, do sự cạnh tranh của Na+

và Cl- với các chất dinh dưỡng như K+

1.2.3 Ảnh hưởng của hạn hán đến thực vật

Hạn là một trong những yếu tố cực đoan phi sinh học được quan tâm đến nhiều nhất trên thế giới Hạn là hiện tượng thường xuyên xảy ra trong thiên nhiên và liên quan trực tiếp đến vấn đề nước trong thực vật Hạn là một trong những nguyên nhân chính gây mất mùa trên diện rộng, làm giảm 50% năng suất hoặc có thể hơn Hạn là phức hệ các điều kiện khí tượng bất lợi gây ra sự thiếu nước, mất nước ở thực vật, bao gồm hạn trong đất và hạn không khí Khi hạn hán cây bị stress nước dẫn đến nhiều hậu quả nghiêm trọng:

Gây nên hiện tượng co nguyên sinh và làm cho cây bị héo: sự co nguyên sinh các tế bào diễn ra khi nồng độ nước trong môi trường quá cao hay do stress nước làm cho nước trong tế bào thất thoát ra ngoài nên khối nguyên sinh chất của tế bào co lại, thể tích không bào thu hẹp Khi môi trường thiếu nước kéo dài, tế bào mất nước không bào co lại, mô trở nên mềm yếu và sự héo xảy ra Sự héo tạm thời nhưng cũng có thể vĩnh viễn nếu sự thiếu nước nghiêm trọng và kéo dài [10]

Hạn hán cản trở sự vận chuyển nước trong mạch gỗ: 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 đã làm giảm áp suất rễ

để đẩy cột nước lên trong mạch gỗ Đặc biệt khi thiếu nước sẽ hình thành

1.3 Prolin và vai trò của prolin trong các điều kiện bất lợi của môi trường

Prolin (viết tắt là Pro hay P) là một α- amino acid ưa nước, có công thức phân tử C5H9NO2

Hình 1.1 Công thức cấu tạo

Hình 1.2 Cấu hình không gian

Prolin là một axit amino có khả năng hòa tan mạnh trong nước, giữ nước

và lấy nước cho tế bào Prolin được tích lũy ở lá cây của nhiều loài thực vật,

mô lá, mô phân sinh chóp rễ của thực vật, tích lũy trong hạt phấn bị làm khô,

12

tích lũy ở vùng chóp rễ đang sinh trưởng và những tế bào thực vật nuôi cấy trong môi trường huyền phù đã thích nghi với điều kiện stress nước Prolin bảo vệ màng tế bào chống lại ảnh hưởng bất lợi của sự tập trung cao các ion

vô cơ và nhiệt độ Prolin được tích lũy trong cây khi gặp các điều kiện bất lợi như mặn, hạn, nhiệt độ thấp hoặc cao, kim loại nặng, bị nhiễm bệnh, thiếu dinh dưỡng, ô nhiễm môi trường và tia UV [6]

Prolin như tín hiệu phản ứng của cây trồng đối với các yếu tố cực đoan của môi trường Ở thực vật, tồn tại những bằng chứng về nhiều cách tổng hợp prolin

Quá trình tổng hợp prolin nằm ở trung tâm của sự chuyển hóa cacbon và đồng hóa nitơ Bất kỳ sự thay đổi về nồng độ prolin (có thể là liên quan stress hoặc không) sẽ đi kèm với những thay đổi trong quá trình chuyển hóa tổng hợp nitơ, cũng ảnh hưởng đến sự chuyển hóa các phân tử khác, như protein và polyamine

Phân tử prolin có cấu trúc vòng (pirolidin), cấu trúc này tạo nên cho prolin một hình dáng vững chắc hơn so với các axit amin khác Như vậy, vai trò của prolin trong chống chịu stress nước ở thực vật thể hiện: prolin tham gia điều chỉnh áp suất thẩm thấu của nội bào, tham gia vào cấu trúc bảo vệ

màng và protein, chống oxy hóa, điều hòa pH tế bào chất, lưu trữ cacbon và

nitơ, bảo vệ trao đổi chất chống lại điều kiện stress

Đã có nhiều công trình ở nước ngoài nghiên cứu trên các đối tượng thực vật và cây trồng khác nhau, để tìm hiểu về cơ chế tổng hợp, chuyển hoá prolin… liên quan đến vai trò của prolin đối với tính chịu hạn của thực vật Trong dòng tế bào thuốc lá được nuôi cấy thích nghi với nồng độ 428 mM NaCl, prolin chiếm trên 80% axit amin tự do [25] Người ta thừa nhận rằng có

sự phân bố đồng đều prolin trong toàn bộ thể tích nước của nội bào, kết quả xác định axit amin tại thời điểm này vượt quá 129 mM

13

Tuy nhiên, nếu chỉ hạn chế trong nội bào thì sự tích lũy prolin có thể vượt quá nồng độ 200 mM trong các tế bào này vì thế nó góp phần căn bản vào việc điều chỉnh thẩm thấu nội bào Cũng trên đối tượng cây thuốc lá, tác giả Kishor

và CS (1995) [22] nghiên cứu cây thuốc lá được chuyển gen (gen liên quan đến sinh tổng hợp prolin - P5CS) trong điều kiện hạn nước, hạn muối, kết quả cho thấy hàm lượng prolin gấp khoảng từ 10-18 lần so với đối chứng

Ở Việt Nam, đã có một số tác giả nghiên cứu về vai trò của prolin đối với khả năng chịu hạn của nhiều loại cây trồng cũng cho kết quả khả quan Tác giả Đinh Thị Phòng (2003) [2] bằng việc xử lí lạnh, mặn, hạn trên các giống lúa đã cho thấy có mối tương quan thuận giữa tính chống chịu của cây với hàm lượng prolin gia tăng của các giống lúa nghiên cứu Trên các đối tượng cà chua, đậu xanh [5], [9] khi nghiên cứu cũng cho thấy có sự tích lũy prolin trong cây sống trong điều kiện thiếu nước hay stress muối

1.3.1 Vai trò của prolin với thực vật trong điều kiện nhiệt độ thấp

Sự thích nghi nhiệt độ thấp liên quan đến sự kích hoạt của nhiều cơ chế khả năng chịu lạnh Đó là những thay đổi trong nhiều chất chuyển hóa như tổng lượng protein, prolin và hàm lượng MDA thường được quan sát thấy xảy

ra trong thực vật trong thời gian thích nghi nhiệt độ thấp Có bằng chứng chỉ

ra rằng sự xuất hiện của prolin (Carpenter và Crowe, 1988) [14] góp phần làm tăng cường khả năng chịu lạnh

Prolin tích lũy trong thực vật bậc cao để đáp ứng với các stress hữu sinh

và vô sinh chẳng hạn như hạn hán, độ mặn và stress nhiệt độ thấp [16]; Samaras và cộng sự, 1995 [26]; Taylor, 1996 [29]; Rhodes và cộng sự, 1993 [25], prolin đóng vai trò quan trọng trong chống oxy hóa Ở nhiệt độ thấp, prolin tích lũy trong thực vật (Van Swaaij và cộng sự) [30] Cũng theo báo cáo này, hàm lượng prolin tăng trong lá khoai tây lai khi các cây phải chịu điều kiện lạnh [30] Trong thực vật thích nghi điều kiện lạnh hàm lượng

14

prolin cao hơn so với các loài thực vật không thích nghi điều kiện lạnh và các thực vật thích nghi lạnh phục hồi nhanh hơn so với những thực vật không thích nghi với điều kiện lạnh Trong mẫu lá, rễ hàm lượng prolin tăng trong các thực vật giai đoạn thích nghi lạnh, nhưng nó giảm trong giai đoạn làm lạnh và một lần nữa tăng lên trong giai đoạn phục hồi [24] Vì vậy, prolin có vai trò bảo vệ thực vật trong điều kiện stress nhiệt độ thấp

1.3.2 Vai trò của prolin với thực vật ở điều kiện mặn

Mặn là một yếu tố stress phi sinh học hạn chế phát triển thực vật và nó đang trở thành một vấn đề nghiêm trọng trong nông nghiệp, đặc biệt là ở các vùng đất nằm trong khu vực bán khô cằn nơi 20 - 30% diện tích đất bị hư hỏng nghiêm trọng do muối Nồng độ muối cao trong đất làm giảm đáng kể sản lượng của thực vật trên toàn thế giới Sự tích tụ các chất hòa tan như glycin betain và prolin có liên quan đến trạng thái thiếu nước, độ mặn và một

số yếu tố stress khác, cho thấy vai trò quan trọng của các chất này Dưới tác động stress muối prolin được tích lũy trong cả lá và mô rễ (Aziz và cộng sự, 1999) [12] và được coi như là bảo vệ, điều chỉnh áp suất thẩm thấu do muối tạo ra Nhiều nghiên cứu đã chứng minh sự tích lũy prolin do stress mặn (Aziz và cộng sự, 1999) [12]

Marin J.A và cộng sự đã xác định nồng độ prolin trong dịch triết của gốc rễ, gốc cây cây ăn quả bị stress muối bằng cách định lượng prolin trong các dịch triết rễ của rễ nuôi cấy gốc ghép Prunus Rễ từ vi nhân giống gốc ghép Prunus được nuôi cấy trong ống nghiệm theo sự tăng nồng độ NaCl (0,

20, 60, 180 mM) để phát hiện khả năng chịu đựng ban đầu của cây chống lại stress muối Sau ba tuần nuôi cấy, nồng độ prolin mô rễ và các dịch triết đã được xác định Nồng độ prolin trong các mô rễ và các dịch triết rễ từ tất cả các rễ ghép tăng khi nồng độ muối trong môi trường tăng Điều này cho thấy vai trò của prolin trong phản ứng của thực vật với stress muối Ngoài ra, các

15

dịch triết prolin có thể hữu ích cho việc phát hiện sớm khả năng chịu mặn, với điều kiện là mối quan hệ giữa khả năng chống chịu stress muối và prolin có thể được tìm thấy [12]

1.3.3 Vai trò của prolin với thực vật ở điều kiện hạn

Prolin là một axit amin có vai trò quan trọng trong sự điều hòa áp suất thẩm thấu trong tế bào, đồng thời là một axit amin ưa nước có khả năng giữ nước, lấy nước cho tế bào đồng thời ngăn chặn sự xâm nhập cửa ion Na+

tương tác với protein màng, ngăn chặn sự phá hủy của màng và các phức protein khác Các kết quả nghiên cứu cho thấy khi cây trồng gặp hạn thì cây giảm tổng hợp protein và tăng tổng hợp prolin Nồng độ prolin khác nhau ở các loài và khi gặp hạn có thể tăng gấp 100 lần so với mức bình thường

Soulages và cs (2003) [28] đã chứng minh ngoài vai trò tăng cường khả năng chịu hạn thì chuỗi axit amin L-prolin nhóm II còn có khả năng chống lại các tác động bất lợi của nhiệt độ với cây đậu tương Theo Đinh Thị Phòng (2001), ở lúa khi gây hạn sinh lý bằng dung dịch sorbitol 5% hàm lượng prolin của các dòng chọn lọc tăng lên vượt xa so với đối chứng, sự tăng hàm lượng prolin liên quan đến khả năng chịu hạn Khảo sát chất lượng hạt và khả năng chịu hạn của một số giống lúa cạn địa phương ở vùng núi phía Bắc, Chu Hoàng Mậu và cs (2005) [8] đã nhận xét, khả năng chịu hạn của các giống lúa cạn có liên quan đến hàm lượng protein và hàm lượng prolin Khi gặp hạn, cây lúa cạn giảm hàm lượng protein và tăng hàm lượng prolin…

1.4 Glycin betain và vai trò của glycin betain trong các điều kiện bất lợi của môi trường

Glycin betain là một sản phẩm quá trình oxy hóa của choline trong một quá trình tổng hợp methionine, glycin betain có công thức phân tử C5H11NO2

16

Hình 1.3 Công thức cấu tạo Hình 1.4 Cấu hình không gian

Thực vật bậc cao tổng hợp glycin betain trong lục lạp thông qua con đường: Choline → betaine aldehyde → Glycin betain (Rhodes và Hanson 1993) [25] Bước đầu tiên được xúc tác bởi choline monooxygenase [13] và bước thứ hai xúc tác bởi betaine aldehyde dehydrogenase (BADH)

Sự tích tụ của glycin betain (N, N, N - trimethyl glycine) trong cây dưới tác động stress nước và muối được đề xuất đóng một vai trò quan trọng trong điều chỉnh áp suất thẩm thấu, được nhiều nhà khoa học xem là một phản ứng thích nghi để chống lại stress về nước và độ mặn [16], [34] Có vẻ như chức năng của glycin betain như một chất tương thích giúp cây thích nghi với các điều kiện bất lợi hoặc bảo vệ trong tế bào chất và lục lạp (Incharbensakdi và cộng sự, 1986) [18]

Glycin betain và khả năng chịu stress phi sinh học: thực vật tích lũy nhiều phân tử trọng lượng thấp như một cơ chế thích nghi để giúp chúng chịu đựng áp lực khác nhau Nhiều sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân chuẩn, bao gồm cả thực vật bậc cao, tích lũy phân tử trọng lượng thấp chất hoà tan hữu

cơ như glycin betain (N, N, N trimethyl glycine), sorbitol hoặc prolin, để đáp ứng với áp lực môi trường (Kemble và Mc Pherson năm 1954) [20]

Các chất hoà tan tương thích đã được chứng minh là để bảo vệ tính toàn vẹn của các enzym và màng và để bảo vệ chống lại các gốc tự do [27] Các tác dụng có lợi của sự tích lũy các chất hòa tan hữu cơ đã được chứng minh