Nghiên cứu sự hình thành một số chất bảo vệ ở cây lạc (arachis hypogaea l ) trong điều kiện thiếu nước

Trong tổng diện tích gieo trồng lạc của cả nước có khoảng gần 2/3 diện tích trồng lạc trong điều kiện phụ thuộc nước tròi, riêng ở vùng trung du miền núi phía Bắc lạc chủ yếu trồng trên

Bộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỘC Sư PHẠM HÀ NỘI 2

Chuyên ngành: Sinh học thực nghiệm Mã số: 60 42 0114

LUẬN VĂN THẠC SĨ SINH HỌC

• • •

Ngưòi hướng dẫn khoa học: PGS TS NGUYỄN VĂN MÃ

HÀ NỘI, 2014 LỜI CẢM ƠN

Với tấm lòng biết ơn sâu sắc, tôi xin trân trọng cảm ơn PGS.TS Nguyễn Văn Mã là người trực tiếp hướng dẫn và tận tình giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này

Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2; khoa Sinh - KTNN; Trung tâm Hỗ trợ nghiên cứu khoa học và Chuyển giao công nghệ trường Đại học Sư phạm

Hà Nội 2; các thầy, cô giáo đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành luận văn.

Tôi xin chân thành cảm ơn những người thân trong gia đình và các anh, chị, em, bạn bè đã giúp đỡ, chia sẻ, động viên, khích lệ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn này

Hà Nội, tháng 6 năm 2014 Học viên

■

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đề tài này do tôi thực hiện tại Trung tâm Hỗ trợ nghiên cứu khoa học và Chuyển giao công nghệ trường Đại học trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Văn Mã Những kết quả, số liệu trong luận văn là trung thực, của riêng tôi và chưa từng được ai công bố trong bất kì công trình khoa học nào khác

Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm nội dung khoa học của đề tài

Hà Nội, tháng 6 năm 2014 Học viên

Vũ Thị Vân MỤC LỤC

MỞ ĐẦU

1. Lí do chọn đề tài

Lạc (Arachis hypogaea L.), có nguồn gốc ở vùng nhiệt đới châu Mỹ (Braxin,

Boolivia, Paragoay ) Cây lạc là cây công nghiệp ngắn ngày, cây lấy dầu có giá tn kinh

tế cao, được trồng ở nhiều nước vùng nhiệt đới nóng ẩm, nóng khô đến á nhiệt đới và cả một số vùng ôn đới có nhiều mưa như Ấn Độ, Trung Quốc, Hoa Kỳ, Thái Lan, Xu Đăng

Cây lạc là một trong những cây lấy dầu quan trọng trên thế giới Ở Việt Nam, cây lạc đang đứng đầu trong những cây công nghiệp ngắn ngày tham gia vào thị trường xuất khẩu và cùng với đậu tương đang là một trong mười chương trình ưu tiên phát triển của nhà nước Mỗi năm nước ta xuất khẩu khoảng 80 - 127 nghìn tấn lạc hạt, chiếm 30 - 50% tổng sản lượng, do vậy cây lạc đã và đang đem lại nguồn lợi kinh tế lớn cho đất nước Ở nhiều vùng sản xuất, lạc còn là nguồn thu nhập chính cho người nông dân [12]

Hạn hán là vấn đề hạn chế về năng suất và chất lượng của lạc Ở nước ta đa số vùng trồng lạc bị khô hạn Trong tổng diện tích gieo trồng lạc của cả nước có khoảng gần 2/3 diện tích trồng lạc trong điều kiện phụ thuộc nước tròi, riêng ở vùng trung du miền núi phía Bắc lạc chủ yếu trồng trên vùng đất bị hạn và bán khô hạn, chiếm 70 - 80% dẫn đến năng suất và chất lượng lạc ở Việt Nam còn thấp

Khô hạn thường làm mất cân bằng về áp suất thẩm thấu Trong lúc này một trong những phản ứng thường gặp nhất là cơ chế liên quan đến những thay đổi hóa sinh ttong

tế bào nhằm nhanh chóng bù lại sự thiếu nước, tích lũy các chất bảo vệ như các chất hòa tan; các protein sốc thẩm thấu; proline, alanine, glycine betaine, polyamine; đường khử; mannitol; fructane; ion K+ Chúng có vai trò bảo vệ các phức ezyme, cấu trúc tế bào, đồng thời làm tăng cường áp suất thẩm thấu cho tế bào khi gặp các yếu tố cực đoan [36]

Trên thế giới cũng như ở Việt Nam việc nghiên cứu tính chịu hạn được tiến hành

ở nhiều mức độ khác nhau, trên nhiều loại cây trồng khác nhau ừong đó có cây lạc

3

Trước đây, các nhà nghiên cứu chủ yếu nghiên cứu theo hướng sinh lý, tập trung về dinh dưỡng khoáng, hàm lượng diệp lục, huỳnh quang diệp lục, cường độ quang hợp trong điều kiện stress nước Những năm gần đây các nhà nghiên cứu tập trung đi sâu nghiên cứu về ảnh hưởng của hạn hán và một số yếu tố stress môi trường khác, sự hình thành các họp chất thứ cấp có vai trò bảo vệ tế bào trong điều kiện stress, hoạt động của enzyme trong điều kiện khắc nghiệt, sự truyền tín hiệu stress môi trường Riêng về các chất bảo vệ cũng có khá nhiều công trình nghiên cứu nhưng còn riêng lẻ, tản mạn và chưa có nghiên cứu nào về sự hình thành các chất bảo yệ ở cây lạc khi bị thiếu nước.

Chính vì vậy, chúng tôi chọn đề tài “Nghiên cứu sự hình thành một số chất

bảo vệ ở cây lạc (Arachis hypogaea L.) trong điều kiện thiếu nước”, để làm rõ mức

độ hình thành một số chất bảo vệ thường gặp ở thực vật nói chung và cây lạc nói riêng khi bị thiếu nước

2. Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu sự hình thành một số chất bảo vệ ở cây lạc ừong điều kiện bị khô hạn

3. Nhiệm vụ nghiên cứu

Xác định hàm lượng proline, đường khử, glycine betaine giai đoạn nảy mầm, giai đoạn cây non, giai đoạn ra hoa và giai đoạn tạo quả

4. Đổi tượng và phạm vi nghiên cứu

4.1. Đối tượng

Đối tượng nghiên cứu là giống lạc L24 (chịu hạn tốt) do Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam cung cấp

4.2. Pham vi

Nghiên cứu một số chất bảo vệ (proline, đường khử, glycine betaine) ừong

điều kiện phòng thí nghiệm (giai đoạn nảy mầm) và trong điều kiện nhà lưới (giai

đoạn cây non, ra hoa và tạo quả)

4

5. Ý nghĩa lí luận và thực tiễn

Bổ sung tài liệu về ảnh hưởng của sự khô hạn tới sự hình thành một số chất bảo vệ ở cây trồng

NỘIDUNG CHƯƠNG 1: Cơ SỞ LÍ LUẬN CỦA VẤN ĐÈ NGHIÊN cứu

1.1. Đặc điểm sinh trưởng, phát triển và nhu cầu về nước của cây lạc.

1.1.1. Đặc tính sinh học của cây lạc

Cây lạc (còn có tên gọi khác là đậu phộng, đậu nụ) có tên khoa học là Arachis hypogaea L là cây thực phẩm, cây công nghiệp lấy dầu trong nhóm cây trồng cạn Mặc

dù cây lạc đã có từ rất lâu đời nhưng vài trò của cây lạc mới được công bố từ khoảng

100 năm trở lại đây Trồng lạc mang lại nguồn lợi có giá trị về kinh tế và dinh dưỡng,

đồng thời còn để cải tạo đất rất tốt nhờ khả năng cộng sinh với vi khuẩn Rhizobium

[3]

Lạc là cây thân thảo hàng năm, có thân chính cao khoảng 25 - 50cm, thân sinh trưởng nhanh từ sau khi mọc đến khi cây có 3 lá, sau đó sinh trưởng chậm dàn Từ khi cây bắt đàu ra hoa cho đến khi tắt hoa thì tốc độ sinh trưởng của lạc lại rất nhanh Cây lạc có 2 loại cành là cành cap I (mọc từ thân chính ra, có thể phát sinh từ đốt thứ 1 đến đốt thứ 6 trên thân chính) và cành cấp n, tốc độ sinh trưởng của cành cấp II nhanh hơn cành cấp I Khi cây bắt đầu nở hoa thì cành gàn như đã đạt mức tối đa

Lá lạc là loại lá kép lông chim, có bốn lá chét hình trái xoan ngược mọc đối nhau, gốc lá tù, đầu lá tròn hoặc lõm, mỏng như màng Lạc còn có hai lá kèm làm thành

bẹ bao quanh thân, hình dải nhọn Trên thân chính thường có khoảng 20 - 30 lá Sau khi mọc, diện tích lá tăng dần và tăng nhanh nhất vào thời kì ra hoa rộ

Khi cây lạc có 5 - 6 lá trên thân chính thì bắt đầu có sự phân hóa các mầm hoa từ các mắt của cành Hoa lạc màu vàng, mọc thành từng chùm ở nách lá gồm 2-4 hoa nhỏ Hoa lạc là hoa lưỡng tính, tự thụ phấn nghiêm ngặt (tỷ lệ ngoại phấn khoảng 0,25%) Khi hoa nở là cây tự thụ phấn xong rồi Tuy hoa lạc nở hoa trên cành nhưng cuống hoa

5

dài ra đưa xuống đất và hình thành quả trong đất (nên người ta gọi là củ lạc), do đó những hoa ra muộn, ở trên cao quá sẽ không thành quả được Quả lạc có hình trụ thuôn, hơi thắt lại ở giữa các hạt vỏ quả cứng, phân mạng, mỗi quả có 1 - 4 hạt Hạt hình trứng, có rãnh dọc, bên ngoài hạt có lớp Yỏ lụa màu đỏ, vàng cánh sen hoặc ttắng.

Cây lạc có hai loại rễ là rễ cọc và rễ con Khi hạt lạc nảy mầm thì phôi rễ phát triển trước và chui ra khỏi Yỏ hạt sớm nhất Sau đó rễ lạc tăng dần về chiều dài đến khi hết thời kì hoa nở rộ trong đó tăng nhanh nhất vào lúc nở hoa, sau đó tăng chậm lại Đặc biệt rễ cái cắm sâu rất nhanh trước khi cây bắt đầu nở hoa rộ và sau đó chậm dần lại

Trên rễ lạc có nhiều nốt sần, bên trong nốt sần chứa nhiều vi khuẩn Rhizobium sống

cộng sinh với rễ cây lạc, chúng có khả năng cố định nitơ tự do không khí tạo đạm cung cấp cho cây và đất [1],

[4], [5]

1.1.2. Các thòi kì sinh trưởng, phát triển và nhu cầu về nước của cây lạc

Cây lạc sinh trưởng và phát triển kéo dài trong khoảng 95-135 ngày tùy vào từng giống và được chia làm 4 thời kì: [1], [4], [5]

• Thời kì nảy mầm là thời kì diễn ra trong thời gian ngắn từ 3 - 8 ngày tùy giống và phụ thuộc vào điều kiện ngoại cảnh.Với điều kiện hạt giống tốt, ẩm độ, nhiệt độ không khí đầy đủ, từ 3-5 ngày sau khi gieo hạt sẽ nảy mầm Khi bắt đầu gieo, hạt hút nước đến khi

đủ nước hạt sẽ trương lên nhanh, các enzyme bắt đầu phân giải chuyển hóa các hợp chất hữu cơ tạo nguyên liệu cho quá trình sinh trưởng của rễ và mầm Khi hạt nứt, rễ mầm nhú và chui ra khỏi hạt cắm xuống đất, rồi sau đó lá mầm phát triển nhanh, phôi mầm mọc hình thành cây lạc

Ở thời kì này đòi hỏi nhu càu về nước rất cao, hạt lạc phải được hút đủ nước thì mới nảy mầm được Nếu bị thiếu nước hoặc thời tiết lạnh thì khả năng nảy mầm của hạt lạc sẽ gặp khó khăn dẫn đến tỷ lệ nảy mầm thấp

• Thời kỳ cây con và trước khi ra hoa là thời kì tính từ khi lạc bắt đầu mọc mầm đến trước

6

khi bắt đầu trổ hoa, kéo dài 25 - 45 ngày tùy vào giống, điều kiện nhiệt độ, ẩm độ Thời

kỳ này được chia làm 2 giai đoạn nhỏ là giai đoạn cây non và giai đoạn trước ra hoa Giai đoạn cây non tính từ lúc xòe lá mầm đến khi cây có 4 lá thật Giai đoạn này bộ rễ bắt đầu phát triển hoàn chỉnh nhưng khả năng hoạt động còn yếu, vi khuẩn nốt sần mới hình thành Giai đoạn trước ra hoa được tính từ khi cây có 4 lá thật đến lúc trước khi ra hoa, lúc này cây sinh trưởng tăng dần do sự hoàn thiện của bộ rễ và lá

Thòi kỳ này cây rất cần đạm và các chất dinh dưỡng để sinh trưởng, còn nhu cầu

về nước ở thòi kì này thì bình thường nhưng lại cần thiết do nước vừa là môi trường cho các phản ứng sinh hóa trong cây, vừa là nguồn nguyên liệu cho quang họp để tổng hợp các chất hữu cơ cho cây sinh trưởng Nếu thiếu nước, cây sẽ sinh trưởng chậm, còi cọc

và chuyển sang trạng thái phát triển sớm

• Thời kỳ ra hoa, đâm tia và làm quả là thời kì cây diễn ra đồng thòi 2 quá trình sinh trưởng sinh dưỡng (thân, cành, lá) và sinh trưởng sinh thực (ra hoa, đâm tia) Hoa nở từ dưới lên trên và từ trong ra ngoài Trong thời gian này có những đợt hoa nở rộ Hoa hình thành trong 2-5 tuần đàu có độ hữu dụng cao nhất Sau khi thụ tinh 6 ngày tia củ sẽ dài

ra, 5 - 10 ngày sau tia củ sẽ chui xuống đất và phát triển ở độ sâu 2-7cm Sau thòi kỳ đâm tia, thân lá phát triển chậm dần là điều kiện tốt nhất cho cây đậu quả, quả sẽ được chắc

Trong thời kỳ này cây rất mẫm cảm với điều kiện ngoại cảnh, nếu nhiệt độ nhỏ hơn 24°c cây sẽ ra hoa ít và ra không tập trung Thời kì này cây lạc chỉ cần đủ nước chứ không càn độ ẩm quá cao, độ ẩm cần thiết là 60-70%, nếu độ ẩm lớn hơn 80% thân sẽ bị

đổ ngã, hoa ít, cây bị vống nhưng nếu thiếu nước ở thời kỳ này sẽ tạo điều kiện hình thành tầng rời ở cuống hoa, gây sự rụng hoa, giảm năng suất sản phẩm

• Thời kỳ hình thành quả, hạt và chín kéo dài 60 - 70 ngày, chiếm khoảng một nửa thời gian sinh trưởng và phát triển của cây lạc Khi tia (bầu hoa) đâm vào đất sẽ lớn dần hình thành quả và hạt Lúc này cây phát triển chậm dần đi, tập trung dinh dưỡng phát triển

7

quả và hình thành hạt Quả và hạt của cây lạc có sự biến đổi về hình thái và sinh lí rất nhanh chóng, hàm lượng nước giảm dần, chất khô và lipit ttong quả tăng lên.

Thòi kì này cây lạc có nhu cầu về nước không cao, nếu độ ẩm lớn sẽ gây thối tia, thối quả và gây nảy mầm cho hạt Nhưng nếu thiếu nước bầu hoa sẽ bị héo và nếu thiếu trầm trọng bầu hoa sẽ ngừng sinh trưởng

Như vậy, ở các thời kì sinh trưởng và phát triển khác nhau của cây lạc thì nhu cầu về nước là khác nhau Tuy nhiên, cũng cần tưới đủ nước cho tất cả các thời kì nảy mầm, cây con, ra hoa và tạo quả Mặc dù cây lạc rất cần nước, nhưng lại không quá ưa

ẩm Vì vậy, để cây sinh trưởng tốt, cho năng suất và chất lượng cao cần tưới nước đúng lúc và duy trì độ ẩm đồng ruộng thường xuyên khoảng 65 - 70%, thừa nước làm cây dễ mắc bệnh, hoa rụng, tia thối, hạt dễ nảy mầm gây giảm năng suất

1.2. Ảnh hưởng của sự thiếu nước đến thực vật nói chung và cây lạc nói riêng1.2.1. •Hạn và tác hại của hạn hán• •

Hạn ở thực vật là khái niệm để chỉ sự thiếu nước của cây trong suốt quá trình hay từng thời kỳ làm ảnh hưởng đến sinh trưởng và phát triển Có nhiều nguyên nhân gây nên hạn như sự thiếu nước do mưa hoặc không tưới nước trong thòi gian dài làm cạn kiệt độ ẩm trong đất hoặc đủ nước nhưng do môi trường áp suất thẩm thấu cao cây không lấy được nước Trong thiên nhiên, hạn hán là hiện tượng thường xuyên xảy ra và liên quan trực tiếp đến vấn đề nước trong cây

Hạn hán là một nguyên nhân quan trọng làm giảm năng suất và chất lượng sản phẩm của cây trồng Khi môi trường hạn hán cây bị stress mất nước dẫn đến nhiều hậu quả nghiêm trọng như: gây nên hiện tượng co nguyên sinh làm cho nước trong tế bào thất thoát ra ngoài nên khối nguyên sinh chất của tế bào co lại, thể tích không bào bị thu hẹp dẫn đến cây bị héo tạm thòi hoặc có thể vĩnh viễn nếu sự thiếu nước xảy ra nghiêm trọng và trong thời gian dài; cản trở sự vận chuyển nước ttong mạch gỗ do sự cung cấp nước cho rễ trong đêm không đủ để thủy hóa các mô đã bị thiếu nước ban ngày, dẫn đến các lông hút bị tổn thương, lớp ngoài vùng vỏ bị phủ chất sáp (suberin) làm giảm áp suất

8

rễ hoặc hình thành nhiều bọt khí trong mạch gỗ dẫn đến phá vỡ tính liên tục của cột nước trong mạch gỗ; lớp cutin trên bề mặt lá dày lên làm giảm sự thoát hơi nước qua biểu bì; làm giảm cường độ quang họp (khi hàm lượng nước trong lá còn khoảng 40 -50% quang họp của lá bị đình trệ); cản trở sự sinh trưởng của cây trồng do ảnh hưởng đến các hoạt động sinh lý, nhất là quang họp dẫn đến giảm năng suất cây trồng nghiêm trọng

[37] , [42]

Thiếu nước có thể gây ra nhiều mức độ tổn thương khác nhau cho cây trồng như: phát triển không bình thường, chậm phát triển, gây chết Những cây trồng có khả năng duy trì sự phát triển và cho năng suất khá ổn định trong điều kiện thiếu nước gọi là cây chịu hạn và khả năng thực vật có thể giảm mức độ tổn thương do thiếu hụt nước gây

ra gọi là tính chịu hạn (tính chịu thiếu nước) Mức độ hạn do môi trường gây nên ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển của cây, nhẹ thì làm giảm năng suất, nặng có thể dẫn đến hủy hoại cây cối mùa màng và thường gặp các dạng hạn sau:

* Hạn đất xảy ra khi lượng nước trong đất đã bị cạn kiệt làm cho rễ cây không thể hút đủ nước để bù đắp lại lượng nước đã bị mất qua con đường thoát hơi nước ở lá, dẫn tới sự mất cân bằng nước trong cây và xuất hiện dấu hiệu héo Mức độ khô hạn của đất còn tùy thuộc vào sự bốc hơi nước trên bề mặt và khả năng giữ nước của đất Hạn đất kéo dài làm cho áp suất thẩm thấu của đất tăng lên đến mức cây không thể cạnh tranh được nước của đất để lấy vào cơ thể qua rễ Chính vì vậy hạn đất thường gây ra hiện tượng héo lâu dài Đối với cây họ đậu trong đó có cây lạc nếu bị hạn đất ở giai đoạn sinh sản

sẽ làm cho hạt bị héo, nhăn nheo, phẩm chất kém, thậm chí không cho thu hoạch

[59] , [65]

* Hạn không khí xuất hiện do không có mưa một thời gian dài trong thời kì khô hạn, khi

độ ẩm tương đối của không khí giảm xuống dưới 65% Hạn không khí làm gia tăng gradient hơi nước giữa khoảng không gian dưói khí khổng và khoảng không gian ngay

9

bên ngoài lá dẫn đến thoát hơi nước tăng nhanh gây nên sự mất cân bằng nước trong mô

và cây bị héo Hạn không khí thường tác động chủ yếu đến các bộ phận trên mặt đất như hoa, lá, chồi non Ở cây trồng, hạn không khí có tác hại xấu nhất ở thời kì nảy mầm và thời kỳ ra hoa làm cho hạt phấn không nảy mầm được rồi khô mà chết, quá trình thụ tinh không xảy ra làm quả không hình thành

Trong nhiều trường hợp, hạn không khí và hạn đất cùng xảy ra sẽ càng làm gia tăng sự mất nước qua quá trình thoát hơi nước, tăng sự bốc hơi nước ở mặt đất vốn đã cạn kiệt và lúc này khô hạn càng trở nên nghiêm trọng hơn Trong điều kiện đó, hạn càng gây khó khăn nhiều hơn cho cây trồng dẫn đến nhiều giống cây trồng dễ bị chết

Đặc biệt hạn sinh lí xuất hiện khi trạng thái sinh lí của cây không cho phép cây hút nước do đất, không khí khô hạn hoặc do môi trường không thiếu nước nhưng đất khị khí thiếu oxi cho nên rễ không đủ năng lượng cho cây hút nước hoặc do nồng độ dung dịch đất quá cao làm áp suất thẩm thấu của đất tăng cũng làm cho rễ không hút được nước Khi đó, quá trình thoát hơi nước vẫn diễn ra nên cây mất cân bằng nước Mức độ hạn sinh lý phụ thuộc vào sự thoát hơi nước trên bề mặt và khả năng giữ nước của các tế bào Hạn sinh lí kéo dài sẽ gây ảnh hưởng rất nhiều đến chất lượng và năng suất của nông phẩm

1.2.2. Tính chiu han ở thưc vât• • • •

Tính chịu hạn của thực vật là khả năng thích nghi được hình thành ttong đời sống

để chống chịu vói điều kiện hạn hán của môi trường Theo nhận định của Nguyễn Huy Hoàng [7] sự thích nghi đó được thực hiện nhờ cơ thể điều chỉnh các cấu trúc và chức năng ở các mức độ tổ chức khác nhau như: sự tạo thành một hệ thống rễ rộng lớn, giảm diện tích lá, đóng khí khổng, tạo thành những kho chứa nước, hình thành những tuyến muối, tập trung các chất hòa tan Trong điều kiện đất bị khô, độ ẩm không khí thiếu, những giống cây chịu được hạn là những giống có hàm lượng nước liên kết và nồng độ dịch bào tăng, áp suất thẩm thấu cao Chúng có khả năng bảo tồn được quá trình trao đổi chất bình thường hoặc có tốc độ thiết lập các phản ứng bảo vệ trong quá trình trao đổi

1

chất lớn khi tác động của hạn vượt quá giới hạn cho phép.

Để chống lại sự mất nước do nguyên nhân tò các tác động của bên ngoài, ở thực vật có hai cơ chế sinh lý chủ yếu được thảo luận, đó là cơ chế bên ngoài liên quan đến hình thái, giải phẫu và cơ chế bên trong liên quan đến quá trình ừao đổi chất, hoạt động của enzim, các chất bảo vệ hay protein sốc thẩm thấu

Các cơ chế bên ngoài như là: thực vật có thể hoàn thành chu kỳ sống sớm hơn trước khi sự thiếu nước xảy ra, muốn yậy cây phải có sức sinh trưởng và phát triển mạnh

để có thể ra hoa và tạo quả sớm dẫn đến thời điểm thiếu nước không ảnh hưởng đên chu

kỳ sống của cây; hoặc thực vật có thể nhanh chóng bù lại sự thiếu nước thông qua những biến đổi về hình thái như thay đổi độ mở khí khổng, giảm diện tích lá, định hướng sự phát triển của lá theo hướng giảm sự hấp thụ bức xạ, tăng cường hấp thụ nước bằng sự phát triển sâu rộng của bộ rễ [47] Cơ chế này phụ thuộc vào sự thích nghi đặc biệt về hình thái và cấu trúc của lá và rễ nhằm giảm thiểu sự mất nước và tăng cường sự hút nước Cây nào khi bị hạn có hệ thống rễ đâm sâu, lan rộng sẽ không phải chịu đựng khô hạn khắc nghiệt như những cây có hệ thống rễ nằm ngay ttên mặt đất Một mặt khác của

cơ chế này là sự tạo thành những “u thịt” ở những cơ quan của cây, nó có vai ừò như những cái kho chứa nước, chứa oxi [33]

Cơ chế bên trong (cơ chế chịu mất nước) liên quan đến những thay đổi hóa sinh trong tế bào nhằm sinh tổng hợp ra các chất bảo vệ, hoặc nhanh chóng bù lại sự thiếu nước bằng cách tích lũy các chất hòa tan như các protein sốc thẩm thấu, các acid amine (proline, alanine ), mannitol, fractane, đường khử để điều chỉnh áp suất thẩm thấu nội bào Duy trì được áp suất thẩm thấu nội bào có tác dụng bảo vệ hoặc duy trì sức sống,

độ đàn hồi của tế bào ngay cả khi bị mất nước cực đoan, đó là khả năng chịu hạn [33]

Tác dụng bảo vệ tế bào trong điều kiện bị mất nước nhờ các phản ứng hóa sinh là đảm bảo được sự khử độc các sản phẩm tạo nên trong quá trình phân giải các họp chất cao phân tử hoặc xúc tiến sự phục hồi các cấu trúc phân tử bị hư hại Sau khi hạn ngừng

1

tác động, các quá trình phục hồi diễn ra nhanh nếu bộ gen được bảo tồn khỏi sự hư hại trong thời gian khô hạn.Trong điều kiện hạn hán, áp suất thẩm thấu của tế bào được điều chỉnh tăng lên giúp cho tế bào có thể duy trì lượng nước Tuy nhiên, ở cùng một thời điểm bị hạn thực vật sử dụng nhiều hơn một cơ chế chống hạn [47].

1.3. Một số chất bảo vệ liền quan đến tính chịu hạn ở thực vật

Proline hay a - pirolidin cacboxylic là một a - aminoacid ưa nước, có công thức phân tử là C5H9NO2 có mạch bên là hidrocacbua khác với các acid amine khác ở chỗ nhóm amin bậc 1 ở C“ liên kết với cacbon của mạch bên tạo thành vòng pirolidine

1

Hình 1.1 Công thức cấu tạo và cấu trúc không gian của proline [83]

Proline thuộc nhóm các chất điều hòa thảm thấu, cố khối ỉượng phân tử nhỏ, có tính chất o

ISIH

không tích điện ở pH trung tính (như các ion vô cơ)

và có khả năng hòa tan tốt tong nước, không độc khi tập trung với nồng độ cao và làm

ổn định cấu trúc các phân

tử protein Khi tế bào

có sự tâp trung muối

cao và các chất tan có hại khác ỉảm biến tính tế bào thì prolỉne gỉủp thành

chống lại ảnh hường củã sự biến tính đó Sự tích lũy các chất điều hòã thẩm thấu có ý nghĩa rất quan trọng

chúng đống vai

ừò nòng cốt trong việc duy trì sức trương của tế bào

và hấp thụ ngược gradient nồng độ dưới tác động của stress (Balibrea

et all, 2000 [40];

Naidoo G and Naidoo

Y 2001 [64].

Prol ine được

cơ chế ức chế ngược Đối với Dhững

thực vật chịu được sừess nước thì sự điều hòa ngược này đã biến mất

và đây có

nguyên nhân làm tăng tích lũy proline dưới các điều kiện stress.

The

o

Kuznetsov (1999) con đường tổng

hợp

proline trong thực vật diễn ra như sau:

Ty thể

P5C

Glutamat

Hình 1.2

Sơ đồ sinh tổng họp prolin ở thực vật (theo Kuznetsov 1999)

Proline có cấu trúc vòng

Xitoso

OAT

02

OmitinProliProli

NADP+

PNAD

PH NAD

NAD+

NADc

VGlutamat

pyrolidine tạo cho proline có một cấu trúc vững chắc hơn

so với các acid amine khác Proline có vai trò lớn trong chống chịu stress ở thực vật do proline tham gia điều chỉnh

áp suất thẩm thấu nội bào và tham gia vào chức năng bảo

vệ màng

và protein Proline

được tích lũy trong

mô lá, mô phân sinh chóp rễ của những thực vật được rèn luyện trong điều kiện stress nước, tích lũy trong hạt phấn bị làm khô, tích lũy ở vùng chóp

rễ đang sinh trưởng nơi thế năng nước thấp và những tế bào thực vật nuôi cấy trong môi trường

huyền phù

đã thích nghi với stress nước hay stress muối [33]

Hầu hết trong tế bào và các

mô của thực vật khi sống trong những điều kiện sinh

lý bình thường đã

có một lượng proline rất nhỏ bé [33] Nhưng dưới ảnh hưởng của môi trường khắc nghiệt như hạn hán, băng giá, muối mặn,bệnh truyền

nhiễm thì hầu hết hoặc ít nhất cũng

là một phần lớn proline đều tập trung ở

tế bào chất Tại đây, proline có vai trò đặc biệt quan trọng trong việc điều hòa áp suất thẩm thấu của tế bào chất Hàm lượng proline và

sự sinh trưởng của cây có mối liên quan với nhau thể hiện

qua sự tăng hàm lượng proline có liên quan chặt chẽ với sự bắt đầu giảm bớt sinh trưởng của thực vật [63], [73].

Như vậy,

proline có ảnh hưởng lớn đến tính chịu hạn ở thực vật Sự tổng hợp proline ở thực vật hay cây trồng diễn

ra khi chúng sống trong môi

trường khắc nghiệt Những nghiên cứu

về proline trên các đối tượng khác nhau cho thấy sự tương quan thuận giữa gia tăng hàm lượng proline với tính chống chịu sự thiếu hụt nước hay stress muối Do

đó, có thể xem

proline như một chất chỉ thị

về khả

năng chịu hạn và là biểu hiện của phản ứng thích nghi của thực vật với điều kiện stress nước môi trường.

1.3.2.

Đường khử

Đường khử là các loại monosaccharide (hay còn gọi là đường đơn), là đơn vị cơ bản nhất của các carbohydra

te quan trọng trong

sinh học, là dạng đơn giản nhất của đường

và có dạng tinh thể chất rắn, thường không màu, tan trong nước Các

YÍ dụ về monosaccharide bao gồm: glucose, fructose, galactose, levulose, dextrose xylose và ribose trong đó quan trọng

và điển hình nhất

phải kể đến là glucose, fructose và galactose Chúng có chung công thức phân tử là

C6Hi206 nhưng lại

có công thức cấu tạo khác nhau Một monosaccharide đơn giản có một mạch

hở không phân nhánh chứa một nguyên tử cacbon liên kết với nhóm chức

cacbonyl C=0) và một

(-cacbon liên kết với nhóm hidroxyl (-

OH

glucozit) cho nên chúng đều

có tính khử [82]

Hình 1.3 cấu trúc phân

tử và cấu trúc

không gian của glucose [81]

0

ОН он о

он он

Hình 1.4 Cấu

HO-С—H 1 _ H—с—он 1 _ 1

1 5

h—С—ÜM1 мо-с—N 1 s CHJOH

1

CH^ÛH

D-Galactose L-GalHctose

là một chất giữ nước tuyệt vời trong một thời gian dài thậm chí

cả khi độ

ẩm tương đối thấp Fructose làm tăng

độ nhớt nhanh hơn và đạt được độ nhớt khá cao vì fructose làm giảm nhiệt độ cần thiết, gây ra một độ nhớt lởn hơn [80].

Vì vậy, hàm lượng đường khử trong cây cũng

là một chỉ tiêu phản ánh khả năng giữ nước của

tế bào do

nó có vai trò trong điều chỉnh

áp suất thẩm thấu trong dịch bào Đường khử thuộc các chất

có hoạt tmh thẩm thấu, nógiúp tăng

cường khả năng giữ nước cho

tế bào, tăng khả năng chống chịu của cây đối với các điều kiện bất lọi của mồi

trường Ở điều kiện thiếu nước hạt mầm

và cây con thường bị chết do mất nước

và không lấy được nước từ môi

trường, vì thế sự

tổng hợp

và tích lũy đường chính là phản ứng của cây với điều kỉện ngoại cảnh bất lợi Theo nghiên cứu của nhiều tác giả còn cho biết hàm lượng đường tan trong cây liên quan trực tiếp đến khả năng chống chịu như chịu hạn, chịu lạnh

(Borhnert

1996; Nguyễn Hoàng Lộc và cs, 2002) [13].1.3.3.

Glydne

betaine

Gly cine

betaine được phát hiện đầu tiên trong

củ cải đường ở thế kỷ thứ XIX, nó là một amino acid- trimethyla ted rất dễ tan trong nước, tích

tụ nhiều

nhất ttong

lá cây và

có công thức cấu tạo như sau [79]:

o HoC

3 Glycỉne betaine ỉà một trong những chất hòa tan tương thích hiệu quả nhất và được tìm thấy trong một phạm vi rộng của các loài động vật, vi khuẳn

và một số loài thực vật hạt kín chịu hạn hán và chịu mặn [45] Trước đây, glycine betaine đã được đề xuất rằng nếu tăng tích lũy các glycine betaine trong các loài thực vật thì nó đóng một vai ưò sinh lý quan trọng làm giảm bớt căng thẳng thẳm thấu [77] Trong tự nhiên, ngô, củ cải đường và lúa mạch, nhanh chống tích lũy glycine betaine trong quá trình cây bị căng thẳng (stress) với muối, hạn hán và nhiệt độ thấp [43] Glycine betaine bảo vệ cây bằng cách hoạt động như một chất hữu cơ cố ảnh hưởng đến thẩm thấu (osmolyte), duy trì cân bằng nước giữa các tế bào thực vật và môi trường, ổn định các đại phân

tử dưới điều kiện khô hạn và nồng độ muối cao [67].

Glycine

betaine tích lũy ở nồng độ cao không gây cản trở chức năng của tế bào chất và có tác dụng đảm bảo tính ổn định cấu trúc và chức năng của các đại phân tử Glycine betaine xuất hiện như một yếu tố quyết định tới khả năng chống chịu

điều kiện bất lợi ở cây trồng Chất này

có hiệu quả lớn và liên quan mật thiết đến khả năng sinh trưởng của cây trồng trong điều kiện môi trường hạn hán và nhiễm mặn Mức

độ tích lũy glycine betaine tương quan với khả năng chống chịu điều kiện bất lợi