Nghiên cứu một số chỉ tiêu sinh lý, hóa sinh của 2 giống lúa nếp n97 và BN4 khi nảy mầm ở nhiệt độ khác nhau

iii LỜI CAM ĐOAN Tôi đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu một số chỉ tiêu sinh lý, hóa sinh của hai giống lúa nếp N97 và BN4 trong giai đoạn nảy mầm ở nhiệt độ khác nhau” tại Trung tâm Hỗ tr

VŨ THỊ VÂN

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ CHỈ TIÊU SINH LÝ, HÓA SINH CỦA 2 GIỐNG LÚA NẾP N97 VÀ BN4 KHI NẢY MẦM Ở NHIỆT ĐỘ KHÁC NHAU

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

CHUYÊN NGÀNH: SINH LÝ THỰC VẬT

Người hướng dẫn: PGS.TS NGUYỄN VĂN MÃ

HÀ NỘI - 2011

LỜI CẢM ƠN

Với tấm lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn thầy giáo, PGS

- TS Nguyễn Văn Mã là người trực tiếp hướng dẫn và đã tận tình giúp đỡ em hoàn thành tốt khoá luận tốt nghiệp này

Tôi xin trân trọng cảm ơn tới Ban Giám hiệu trường Đại học Sư phạm

Hà Nội 2; Ban chủ nhiệm khoa Sinh – KTNN; các thầy, cô giáo trong tổ bộ môn Sinh lý thực vật; Trung tâm Hỗ trợ Nghiên cứu khoa học và Chuyển giao công nghệ trường đại học Sư phạm Hà Nội 2 đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành khóa luận

Tôi xin chân thành cảm ơn những người thân và bạn bè của tôi đã chia

sẻ, giúp đỡ, động viên, khích lệ tôi trong suốt quá trình thực hiện khó luận tôt nghiệp

Hà Nội, tháng 05 năm 2011 Sinh viên

Vũ Thị Vân

iii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu một số chỉ tiêu sinh lý, hóa sinh của hai giống lúa nếp N97 và BN4 trong giai đoạn nảy mầm ở nhiệt độ khác

nhau” tại Trung tâm Hỗ trợ Nghiên cứu khoa học và Chuyển giao công nghệ

trường đại học Sư phạm Hà Nội 2

Tôi xin cam đoan các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực, của riêng tôi và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào khác Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Hà Nội, tháng 5 năm 2011 Sinh viên

Vũ Thị Vân

iv

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu 2

4 Ý nghĩa lí luận và thực tiễn 3

NỘI DUNG 4

Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 4

1 Giới thiệu khái quát về cây lúa 4

1.1 Nguồn gốc và lịch sử phát triển của cây lúa 4

1.2 Đặc điểm sinh trưởng của cây lúa 5

1.3 Vai trò của cây lúa và tình hình sản xuất lúa gạo 6

1.3.1 Vai trò của cây lúa 6

1.3.2 Tình hình sản xuất lúa gạo 8

2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự nảy mầm của hạt lúa 10

2.1 Tác hại của nhiệt độ đến sự nảy mầm của hạt lúa 10

2.2 Tình hình nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến cây lúa 12

3 Prolin, enzyme amylase và vai trò của chúng đối với sự nảy mầm của hạt lúa 14

Chương 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 18

1 Đối tượng nghiên cứu 18

2 Phương pháp nghiên cứu 18

2.1 Phương pháp bố trí thí nghiệm 18

v

2.2 Phương pháp xác định các chỉ tiêu sinh lí 19

2.3 Phương pháp xác định các chỉ tiêu hóa sinh 19

2.4 Phương pháp xử lí số liệu thống kê 23

Chương 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 24

1 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự nảy mầm sinh trưởng của mầm lúa 24

1.1 Tỉ lệ nảy mầm của hạt lúa 24

1.2 Thời gian sinh trưởng của mầm lúa 25

1.3 Khối lượng tươi khô của mầm lúa 26

2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hoạt độ enzim amylaza của mầm lúa 28

3 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hàm lượng đường khử của mầm lúa 29

4 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hàm lượng tinh bột của mầm lúa 31

5 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hàm lượng prolin của mầm lúa 32

KẾT LUẬN 35

TÀI LIỆU THAM KHẢO 36

1

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Lúa gạo gắn bó mật thiết với đời sống của con người bởi nó có ý nghĩa

vô cùng to lớn Nó là nguồn cung cấp năng lượng chủ yếu để duy trì sự sống cho con người, cung cấp các chất dinh dưỡng như: protein, chất béo, vitamin Gạo còn dùng để sản xuất bia, rượu, cồn, bánh kẹo, axeton, thuốc chữa bệnh; cám được sử dụng nhiều trong chăn nuôi gia súc, nuôi trồng thủy sản, dùng trong dược phẩm (sản xuất thuốc B1), mĩ phẩm, sơn… Ngoài ra, các bộ phận khác của cây lúa cũng có thể làm vật liệu xây dựng, sản xuất giấy, làm chất đốt Hơn một nửa dân số thế giới đã sử dụng 25 – 50% lúa gạo trong lương thực hàng ngày của họ [35] Với những lợi ích to lớn mà cây lúa mang lại, cây lúa đã trở thành cây trồng phổ biến và chủ lực của nhiều nước trên thế giới Ngày nay, với những tiến bộ của các kỹ thuật phong phú, hiện đại đã tạo ra hàng vạn giống lúa khác nhau đáp ứng nhu cầu của xã hội, trong đó phải kể đến sự có mặt của cả các giống lúa đặc sản như lúa nếp, lúa thơm, lúa dẻo

Tuy nhiên, lúa lại rất nhạy cảm với nhiệt độ nhất là nhiệt độ thấp vào thời kỳ nảy mầm, cây mạ, làm đòng và trổ bông.Ở Việt Nam có khí hậu nhiệt đới gió mùa, nóng ẩm nên rất thuận lợi cho nghề trồng lúa Tuy nhiên, diễn biến khí hậu nước ta những năm gần đây rất khắc nghiệt, đặc biệt là điều kiện nhiệt độ Vào mùa hè thì nhiệt độ thường tăng cao, hay có những đợt nắng nóng kéo dài, còn vào mùa đông thì nhiệt độ thường hạ thấp và có nhiều đợt rét đậm, rét hại làm mạ lúa bị chết rét giảm sút khả năng hút nước, tổn thương cấu trúc tế bào, rối loạn trao đổi chất Sau khi hết rét cây sống sót thường sinh trưởng kém, giảm tích lũy chất khô [26], [33] Đây là một trong những nguyên nhân rất chủ yếu làm giảm năng suất và phẩm chất cây trồng nói chung cũng như cây lúa nói riêng

2

Do vậy, nghiên cứu về ảnh hưởng của nhiệt độ cũng như khả năng chịu nhiệt độ, tăng cường tính chống chịu nhiệt độ của cây lúa là một đòi hỏi thực tiễn quan trọng trong ngành trồng lúa Thực tế trên thế giới nói chung cũng như ở Việt Nam nói riêng đã có nhiều nghiên cứu tìm hiểu về tác động của nhiệt độ thấp đến cây lúa Chẳng hạn như nghiên cứu về những tổn thương do nhiệt độ thấp gây ra ở nhiều giai đoạn tăng trưởng khác nhau của cây lúa [30], nghiên cứu về hiện tượng giảm năng suất của lúa khi gặp nhiệt độ thấp [29], [32], [34], [35], hay nghiên cứu của về ảnh hưởng của gibberellin và kinetin đến sinh trưởng của cây mạ lúa ở điều kiện nhiệt độ khác nhau [11], nghiên cứu ảnh hưởng của một số chất điều hòa sinh trưởng (α – NAA, GA3, Kinetin) đến sự nảy mầm và một số chỉ tiêu sinh lý của cây mạ lúa CR203[12],nghiên cứu về việc bổ sung các hoocmon kích thích sinh trưởng để tăng khả năng chịu rét cho cây mạ [13], nghiên cứu về việc bổ sung nguyên tố khoáng kali trước khi gieo hạt, việc thực hiện các biện pháp che rét cho mạ [15], [10] Tuy nhiên việc nghiên cứu những diễn biến sinh lý, hóa sinh xảy ra trong quá trình nảy mầm của hạt dưới tác động của nhiệt độ cũng là một đòi hỏi cần thiết

Vì vậy, chúng tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu một số chỉ tiêu sinh lý, hóa

sinh của hai giống lúa nếp N97 và BN4 trong giai đoạn nảy mầm ở nhiệt

độ khác nhau” nhằm tìm hiểu sâu hơn về sự chuyển hóa sinh lý, hóa sinh vào

pha nảy mầm của hai giống lúa nếp ở những nhiệt độ khác nhau

2 Mục tiêu nghiên cứu

Xác định một số chỉ tiêu sinh lý, hóa sinh diễn ra trong quá trình nảy mầm của hạt lúa ở 300C, 250C, 200C, 150C

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

Xác định một số chỉ tiêu sinh lý (tỉ lệ nảy mầm, chiều cao cây, khối lượng tươi khô, thời gian sinh trưởng), hóa sinh (hàm lượng prolin, hàm

3

lượng đường khử, hàm lượng tinh bột còn lại trong hạt, hoạt độ của enzym α - amylaza) của mầm lúa ở các mức nhiệt độ 300C, 250C, 200C, 150C

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là 2 giống lúa nếp: N97 và BN4

Phạm vi nghiên cứu: nghiên cứu một số chỉ tiêu sinh lý, hóa sinh trong giai đoạn nảy mầm của hạt lúa

5 Ý nghĩa lí luận và thực tiễn

Nghiên cứu sâu các biến đổi sinh lý, hóa sinh trong giai đoạn nảy mầm ở nhiệt độ bất lợi để làm cơ sở cho việc nghiên cứu tăng cường tính chống chịu nhiệt độ

4

NỘI DUNG Chương I TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1 Giới thiệu khái quát về cây lúa

1.1 Nguồn gốc và lịch sử phát triển của cây lúa

Lúa là loại cây trồng đầu tiên của loài người Nhiều tài liệu khảo cổ học

và nghiên cứu của các nhà khoa học đã đi đến một quan điểm thống nhất là, cây lúa có nguồn gốc ở Đông Nam Á, tổ tiên các loài lúa trồng hiện nay là các

dạng lúa dại Oryza fatua, Oryza offcinalis, Oryza minuta [3]

Lúa thuộc bộ Hòa thảo (Graminales), họ Hòa thảo (Gramineae), chi

Oryza Chi Oryza phân bố rộng trên thế giới có 21 loài hoang dại và 2 loài lúa

được đã thuần hoá là lúa châu Á (Oryza sativa L.) và lúa châu Phi (Oryza

glaberrima) [28], trong đó có loài Oryza sativa L (2n = 24) được trồng phổ

biến ở khắp các nước trồng lúa trên thế giới [3], [1] Dựa vào đặc điểm hình

thái, Kato và cộng sự (1928) đã đề nghị phân chia lúa Oryza sativa L thành hai loài phụ: Indica và Japonica Gustrin đứng trên quan điểm thực vật học lại chia thành ba loài phụ: Indica, Japonica và Javanica [4], [37]

Ngoài ra, dựa theo cấu tạo tinh bột của hạt gạo còn phân biệt thành lúa nếp (glutinosa) và lúa tẻ (utilissma) Ở Việt Nam, cây lúa còn phân chia theo thời vụ trồng như: lúa chiêm, lúa xuân và lúa hè thu [3] Trong đó lại được phân theo các trà: sớm, trung, muộn

Về trung tâm phát sinh của cây lúa, mặc dù còn có những quan điểm khác nhau nhưng nói chung ý kiến của nhiều nhà khoa học trên thế giới đã thống nhất như sau: cây lúa trồng có thể được thuần hóa từ nhiều nơi khác nhau thuộc châu Á trong đó phải kể đến các nước Trung Quốc, Việt Nam, Thái Lan, Myanma, Ấn Độ Vùng Đông Nam Á là nơi cây lúa được trồng sớm nhất (Các nhà khoa học như A.G Haudricourt & Louis Hedin (1944), E Werth (1954),

H Wissmann (1957), Carl Sauer (1952), Jacques Barrau (1965, 1974),

5

Soldheim (1969), Chester Gorman (1970) đã lập luận vững chắc và đưa ra những giả thuyết cho rằng vùng Đông Nam Á là nơi khai sinh nền nông nghiệp đa dạng rất sớm của thế giới) [40], tại đây ở thời kì đồ đồng nghề trồng lúa đã rất phát triển Ở những nơi được coi là phát sinh cây lúa hiện còn có nhiều loài lúa hoang dại và ở đó người ta có thể dễ dàng tìm thấy được bộ gen của cây lúa Từ nơi phát sinh, cây lúa được lan ra các vùng lân cận cũng như di thực đi khắp thế giới cùng với sự giao lưu đi lại của con người Cây lúa được trồng trong điều kiện sinh thái mới cộng với sự can thiệp của con người thông qua con đường chọn tạo và nhân giống mà ngày nay cây lúa đã có hàng vạn giống với nhiều đặc trưng đặc tính đa dạng đáp ứng cho những mục đích khác nhau của con người [4],[28]

1.2 Đặc điểm sinh trưởng của cây lúa

Cây lúa trồng (Oryza sativa L.) thuộc loại cây thân thảo, là loài thực vật

sống một năm, có thể cao 1 - 1,8m, đôi khi cao hơn, bao gồm các bộ phận chính: rễ, thân, lá, bông, hạt Hạt lúa khi được ngâm nước sẽ trương lên, sau khi hút đủ nước và được ủ hạt sẽ nảy mầm, mầm nhú ra trước rễ nhú ra sau Cây lúa mọc ra một rễ con (rễ phôi), các rễ trụ gian lá mầm và các rễ nút (hay

rễ bất định) Hệ rễ lúa thuộc loại rễ chùm bao gồm chủ yếu là các rễ bất định Thân lúa phát triển từ thân mầm, có hình ống tròn, được cấu tạo bởi nhiều ống rỗng và đốt đặc, nó được bẹ lá bao bọc cho đến lúc trổ bông Lá lúa mỏng, hẹp bản (2 - 2,5cm) và dài 50 - 100cm, lá lúa hoàn chỉnh bao gồm: bẹ lá, phiến lá, tai lá, lưỡi lá và gân lá Nơi tiếp giáp giữa bẹ lá và phiến lá là gốc lá Hoa lúa là các hoa nhỏ tự thụ phấn mọc thành các cụm hoa phân nhánh cong hay rủ xuống, dài 30 - 50cm, 1 hoa nhỏ bao gồm: cuống hoa, đế hoa và hoa lưỡng tính Các phần chính của bông lúa gồm có: đáy bông, trục bông, gié chính và gié phụ Hạt thóc dài 5 - 12mm và dày 2 - 3mm, bao gồm hạt gạo và

vỏ trấu bao bọc lấy hạt gạo Hạt gạo gồm một phôi và nội nhũ [24], [40]

6

Quá trình sinh trưởng và phát triển của cây lúa kể từ khi hạt nảy mầm tới khi hạt chín hoàn toàn kéo dài từ 60 đến 250 ngày phụ thuộc vào rất nhiều điều kiện Trong thời gian đó, cây lúa trải qua các thời kì sinh trưởng và các giai đoạn phát triển khác nhau Tùy từng giai đoạn sinh trưởng, phát triển của cây lúa mà nhiệt độ giới hạn thấp biến động từ 10 - 200C; nhiệt độ giới hạn cao biến động từ 30 - 450C và nhiệt độ tối thích biến động từ 20 - 300C [37].Trong mỗi thời kỳ, giai đoạn không chỉ có những biến đổi về lượng mà còn

có cả biến đổi về chất để hoàn thành chu kỳ sinh trưởng, phát triển của nó.Trước đây, có một số cách phân chia thời kỳ sinh trưởng của cây lúa khác nhau nhưng đến nay các nhà khoa học thống nhất chia thời kì sinh trưởng của cây lúa làm 3 thời kỳ:

- Thời kỳ sinh trưởng dinh dưỡng (nảy mầm, mạ, bén rễ hồi xanh, đẻ nhánh, làm đốt)

- Thời kỳ sinh trưởng sinh thực (làm đòng, trổ bông, nở hoa, thụ phấn, thụ tinh)

- Thời kỳ hình thành hạt và chín (hạt chín hoàn toàn) [37], [39]

1.3 Vai trò của cây lúa và tình hình sản xuất lúa gạo

1.3.1 Vai trò của cây lúa

Cây lúa là cây lương thực lâu đời nhất, phổ biến nhất Trên thế giới, về mặt diện tích gieo trồng, lúa đứng thứ 2 sau lúa mì; về tổng sản lượng, lúa đứng thứ ba sau lúa mì và ngô [5]

Sản phẩm thu được từ cây lúa là thóc Sau khi xát bỏ lớp vỏ ngoài thu được sản phẩm chính là gạo và các phụ phẩm là cám và trấu Gạo là nguồn lương thực chủ yếu của hơn một nửa dân số thế giới (chủ yếu ở châu Á và châu Mỹ La Tinh) Ở một số nước châu Á như Băng-la-det, Sri-lan-ca, Việt Nam, Cam-pu-chia… lúa là lương thực chính hàng ngày của 90% dân số cả nước, con số này ở In-dô-nê-si-a, Thái Lan là 80%; Phi-lip-pin, Hàn Quốc là

So với loại ngũ cốc khác, hạt gạo có ưu thế về lượng chất dinh dưỡng trong việc cung cấp năng lượng cho con người và các động vật khác Gạo chứa khoảng 90% gluxit, đây là chất cung cấp năng lượng chủ yếu cho các hoạt động của con người Trong hạt gạo protein đứng ở vị trí thứ 2 trong số những chất dự trữ của hạt (chiếm 7 – 10%) Đó là những hợp chất đơn giản gồm các axit amin, glutation… hoặc những hợp chất phức tạp như albumin, globulin, glutelin, promalin [1] Hàm lượng xenlulozơ trong gạo cao làm cho gạo là loại thức ăn dễ tiêu hóa, hệ số tiêu hóa cao Hạt lúa có hàm lượng lipit thấp (chiếm 1 – 3%) Ngoài ra nội nhũ của hạt lúa còn chứa các vitamin như: các vitamin nhóm B, vitamin PP và các loại khoáng chất cần thiết cho cơ thể như Ca, P, Fe [15] Ngoài ra, các bộ phận khác của cây lúa cũng có rất nhiều lợi ích: rơm, rạ làm chất đốt hoặc thức ăn dự trữ cho chăn nuôi trâu bò; thân cây sau khi thu hoạch được cày vùi làm phân bón; trấu dùng để độn chuồng và là nguyên liệu giá thể để giâm cành các loại hoa; rơm rạ dùng để làm giá thể nuôi nấm (nấm rơm, nấm sò), vật liệu xây dựng, sản xuất giấy…Gạo còn dùng để sản xuất bia, rượu, cồn, làm bánh kẹo, axeton, thuốc chữa bệnh; cám được sử dụng nhiều trong chăn nuôi gia súc, nuôi trồng thủy sản, dùng trong dược phẩm (sản xuất thuốc B1), mĩ phẩm, sơn… Vì vậy lúa gạo đã trở thành mặt hàng có giá trị xuất khẩu.

8

Ở Việt Nam, lúa là cây lương thực hàng đầu cung cấp năng lượng duy trì

sự sống cho người dân Nó giữ vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn lương thực Ngoài ra, còn là cây trồng đóng góp giá trị lớn nhất trong ngành nông nghiệp Theo số liệu của FAO (1999) cho thấy trong 7,3 triệu ha được

sử dụng cho nông nghiệp thì có 3,4 triệu ha dành cho trồng lúa Lúa vẫn là cây trồng chủ lực chiếm tới 82% diện tích đất canh tác và cung cấp 93% tổng cộng hạt lương thực và lúa gạo được sản xuất chủ yếu ở đồng bằng sông Cửu Long và đồng bằng sông Hồng Chỉ riêng đồng bằng sông Cửu Long đã cung cấp hơn 50% sản lượng gạo cả nước và 90% sản lượng gạo xuất khẩu (FAO, 1999) [38]

1.3.2 Tình hình sản xuất lúa gạo

Cây lúa có khả năng thích ứng rộng với những điều kiện sinh thái khác nhau nên phạm vi trồng lúa trên thế giới phân bố rất rộng, từ 530 vĩ Bắc đến

530 vĩ Nam, từ vùng thấp đến vùng cao, từ những vùng nóng ẩm của Ấn Độ đến các vùng sa mạc có tưới ở Pakistan và ở độ cao 2500m so với mặt nước biển Lúa có thể trồng trên nhiều loại đất khác nhau và độ pH từ 3 – 10 [6] Hiện nay, trên thế giới có 114 nước trồng lúa, phân bố trên tất cả các châu lục nhưng tập trung nhiều nhất vẫn là châu Phi với 41 nước và châu Á với 30 nước, tiếp đến là Bắc Trung Mỹ có 14 nước, Nam Phi có 13 nước, châu Âu có 11 nước và châu Đại Dương có 5 nước (FAO, 2006)[38]

Về sản lượng, theo nguồn số liệu của FAO năm 2006, sản lượng lúa toàn thế giới đạt trên 600 triệu tấn (2005) trong đó nhiều nhất là châu Á (xấp xỉ

560 triệu tấn) và ít nhất là châu Đại Dương (1,344 triệu tấn) [38]

Ở Việt Nam lúa là cây trồng chủ lực chiếm vị hàng đầu trong các cây lương thực nói riêng và cây trồng nông nghiệp nói chung, là nguồn lương thực chủ yếu nuôi sống người Việt Nam Mặc dầu trong 34 năm qua (1975 - 2009) dân số nước ta từ 48 triệu người (1975) tăng lên 86 triệu người (giữa

Sản lượng (nghìn tấn)

32529,5 32108,4 34447,2 34568,8 36148,9 35832,9 35849,5 35942,7 38729,8 Nguồn: niên giám thống kê 2009 [19]

Như vậy, từ năm 2000 đến năm 2008 năng suất và sản lượng lúa ở nước

ta có chiều hướng gia tăng, năm sau cao hơn năm trước

Tuy nhiên, tỉ lệ tăng và sự phân bố ở các vùng kinh tế khác nhau là khác nhau Vùng có diện tích lớn nhất là Đồng bằng Sông Cửu Long, chiếm tới 52,15% tổng diện tích trồng lúa cả nước và do đó cũng chiếm tới 53,37% sản lượng cả nước Vùng có diện tích thấp nhất là các vùng Tây Nguyên và Đông Nam Bộ có diện tích 211300 – 307700 ha và sản lượng chỉ đạt 935200 –

1313100 tấn Về năng suất, trung bình cả nước đạt 52,3 tạ/ha trong đó vùng

có năng suất bình quân cao nhất là Đồng Bằng Sông Hồng (58,9 tạ/ha) Tiếp

đó là vùng Đồng Bằng Sông Cửu Long (53,6 tạ/ha), rồi lần lượt đến Bắc

10

Trung Bộ và duyên hải miền Trung (50,5 tạ/ha), Tây Nguyên (44,3 tạ/ha), trung du miền núi phía Bắc (44,1 tạ/ha) Và vùng có năng suất thấp nhất là Đông Nam Bộ (42,8 tạ/ha) [19] Theo số liệu thống kê của tổng cục thống kê, tính đến năm 2008 nước ta xuất khẩu khoảng 4,5 triệu tấn gạo[19]

Tuy nhiên nông nghiệp Việt Nam cũng đang đứng trước những thách thức lớn Sản lượng lương thực bình quân năm 2008 là 508,7 kg/người nhưng

ở những vùng sâu, vùng xa, vùng đồng bào dân tộc ít người có nhiều khó khăn bình quân lương thực vẫn còn thấp dưới 100 kg/người [19] Bởi vậy, trong tương lai gần sản xuất lương thực nhất là lúa ở nước ta cũng đang là một yêu cầu cần được quan tâm đúng mức để lúa gạo trở thành sản phẩm hàng hóa có chất lượng cao

2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến cây lúa

2.1 Tác hại của nhiệt độ đến sự nảy mầm của hạt lúa và quá trình phát triển của cây lúa

Trong điều kiện bảo quản, độ ẩm trong hạt khoảng 13 – 13,5% hạt lúa ở trong trạng thái ngủ nghỉ Khi ngâm hạt giống vào nước, hạt hút nước, độ ẩm trong hạt tăng lên Hạt hút no nước thì mới có thể nảy mầm (hạt no nước là hạt hút lượng nước khoảng 25 – 30% khối lượng khô của hạt) [7] Ngay sau

đó một loạt các quá trình trao đổi chất xảy ra, các enzyme bắt đầu hoạt động phân hủy các chất dự trữ trong hạt như hydratcacbon, lipid, protein tạo ra năng lượng cung cấp cho quá trình nảy mầm

Khi hạt nảy mầm, đầu tiên là một khối trắng (tiền thân của mầm và rễ phôi) xuất hiện phá vỏ trấu ra ngoài (gọi là hạt nứt nanh) tiếp đến là mầm xuất hiện và cuối cùng là rễ phôi (còn gọi là rễ mầm, rễ mộng) Mầm xuất hiện trước hết là lá bao hình vảy (mũi chông) thứ đến là lá không hoàn toàn (chỉ có

bẹ lá không có phiến lá) không có diệp lục, cuối cùng mới xuất hiện lá thật có đầy đủ bẹ lá, phiến lá và có khả năng hình thành diệp lục Trong quá trình nảy

11

mầm, từ khi hạt nứt nanh cho đến khi hạt có 3 lá thật là thời kỳ cây lúa non sử dụng chất dự trữ trong hạt; chỉ từ khi cây có 4 lá thật trở lên, có 4 – 5 rễ phụ thì mới có thể sống hoàn toàn tự lập [37]

Quá trình nảy mầm của hạt lúa có liên quan mật thiết tới các yếu tố khí hậu như: nước, oxy… đặc biệt là nhiệt độ Hạt lúa muốn nảy mầm cần có nhiệt độ thích hợp Nhiệt độ thấp nhất để hạt lúa có thể nảy mầm được là

120C; nhiệt độ tối thích là 30 – 350C hạt lúa nảy mầm tốt nhất, nảy mầm nhanh và tập trung; tối cao là 400C Tuy nhiên nhiệt độ 12 – 200C hạt lúa nảy mầm rất chậm và không đều [5] do nhiệt độ hạ thấp mầm không lấy được nước, bị mất cân bằng nước và bị héo sinh lý, các phản ứng hóa sinh khác nhau trong mỗi tế bào của cơ thể cũng bị thay đổi gây rối loạn trao đổi chất, cây có thể tích lũy các chất độc hại đối với tế bào Hơn nữa nhiệt độ thấp cũng làm hủy hoại một số chất trong tế bào, từ đó cũng ảnh hưởng nghiêm trọng đến đời sống của cây Còn nếu nhiệt độ cao, trong phạm vi từ 28 – 350C thì lúa sinh trưởng nhanh, nảy mầm nhanh nhưng chất lượng kém [5]

Tùy từng giai đoạn phát triển của cây và tùy từng giống lúa mà ảnh hưởng của nhiệt độ có khác nhau Phạm vi thích ứng của cây lúa đối với nhiệt

độ tối thấp (nhiệt độ giới hạn thấp: từ 10 – 200C) và tối cao (nhiệt độ giới hạn cao: 30 – 450C) cũng như nhiệt độ tối thích (20 – 300C) qua từng giai đoạn phát triển của cây lúa cũng khác nhau

Nhiệt độ giới hạn thấp và nhiệt độ giới hạn cao là ngưỡng nhiệt độ mà nếu vượt khỏi ngưỡng đó thì quá trình sinh trưởng của cây lúa bị dừng lại, cây

có thể bị chết Nhiệt độ tối thích là ngưỡng nhiệt độ mà ở khoảng nhiệt độ đó cây lúa sinh trưởng phát triển tốt nhất

12

Bảng 1.2 Phản ứng của cây lúa đối với nhiệt độ ở các giai đoạn phát triển

khác nhau (Yoshida 1977) [6]

Nhiệt độ giới hạn (0C) Giai đoạn phát

Nở hoa Chín

2.2 Tình hình nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến cây lúa

Tính chống chịu của cây nói chung và cây lúa nói riêng thường liên quan tới nguồn gốc địa lý, tùy theo giống, loài và theo pha phát triển của cây Lúa

là cây không chịu rét nên bị tổn thương, đôi khi bị chết ở nhiệt độ dương thấp Chúng có thể bị tổn thương vì rét ngay cả trong điều kiện khí hậu nhiệt đới và

cận nhiệt đới ôn hòa lúc nhiệt độ bị giảm thấp trong thời gian ngắn

Héo và khô là dấu hiệu bên ngoài chung nhất của sự cảm lạnh ở cây ưa nóng Năm 1973 Kaneda và Beachell [30] đã quan sát được những tổn thương

do nhiệt độ thấp gây ra ở nhiều giai đoạn tăng trưởng khác nhau của cây lúa bao gồm các hiện tượng: hạt không nảy mầm, cây mạ kém phát triển, hiện

13

tượng cây lùn, cằn cỗi, hiện tượng cây đổi màu sắc, thoái hóa đỉnh bông lúa, gia tăng tỉ lệ hạt nép và hiện tượng hạt chín bất thường Hay hiện tượng giảm năng suất của lúa khi gặp nhiệt độ thấp có nguyên nhân từ việc nhiệt độ thấp gây ra hiện tượng bất thụ làm giảm năng suất lúa [29], [32], [34], [35]

Riêng ở Việt Nam, lúa là cây trồng chủ lực của ngành nông nghiệp vì vậy nó là đối tượng của nhiều lĩnh vực nghiên cứu khác nhau Việc nghiên cứu về ảnh hưởng của nhiệt độ đến đời sống của cây lúa cũng được đề cập tới nhiều Trong đó có các nghiên cứu về ảnh hưởng của nhiệt độ thấp đến đời sống của cây lúa như: nghiên cứu của Nguyễn Như Khanh về ảnh hưởng của gibberellin và kinetin đến sinh trưởng của cây mạ lúa ở điều kiện nhiệt độ khác nhau [11] Nghiên cứu về sự ảnh hưởng tích cực của các chất điều hòa sinh trưởng (α – NAA, GA3, kinetin) đến sự nảy mầm và một số chỉ tiêu sinh

lý của cây mạ lúa CR203 [12]; nghiên cứu về hiệu ứng của axit gibberelic (GA3) nồng độ thấp đối với mạ non các giống lúa kém chịu rét ở điều kiện nhiệt độ thấp [13] cũng cho thấy hiệu quả tăng cường khả năng chịu rét của các hoocmon này

Ngoài ra còn có các nghiên cứu khác về sự động viên chất dự trữ tinh bột trong cây mạ 4 ngày tuổi thuộc 3 giống lúa chịu rét khác nhau dưới tác động của nhiệt độ thấp và KCl [14]; các nghiên cứu về tác động của KCl đến các chuyển hóa sinh lý hóa sinh ở pha nảy mầm và cây mạ trong điều kiện nhiệt

độ thấp cũng cho thấy vai trò tích cực của KCl đối với cây trong điều kiện nhiệt độ thấp[10], [14]; nghiên cứu về việc bổ sung nguyên tố khoáng kali trước khi gieo hạt, việc thực hiện các biện pháp che rét cho mạ [10], [14]; nghiên cứu về việc bổ sung các hoocmon kích thích sinh trưởng để tăng khả năng chịu rét cho cây mạ [13]

Như vậy, có thể thấy nhiệt độ thấp gây ảnh hưởng tới toàn bộ các hoạt động sinh lý, hóa sinh trong tế bào của cơ thể thực vật từ đó mà ảnh hưởng tới

14

năng suất chất lượng sản phẩm như: dòng vận chuyển chất hữu cơ bị kìm hãm làm giảm năng suất kinh tế Nhiệt độ thấp cũng làm chậm sự nảy mầm của hạt, chậm sinh trưởng, giảm khả năng đẻ nhánh… Hạt phấn không nảy mầm được, ống phấn không sinh trưởng được nên thụ tinh không thực hiện được, hạt lép và giảm năng suất nghiêm trọng

3 Prolin, enzyme amylase và vai trò của chúng đối với sự nảy mầm của hạt lúa

Quá trình nảy mầm của hạt lúa được bắt đầu khi hạt hút no nước Ngay sau đó một loạt các quá trình trao đổi chất xảy ra, các enzyme bắt đầu hoạt động phân hủy các chất dự trữ trong hạt như hydratcacbon, lipid, protein tạo

ra năng lượng cung cấp cho quá trình nảy mầm Trong hạt lúa chất dự chữ chủ yếu là tinh bột nên enzyme chủ yếu xúc tác chuyển hóa tinh bột thành đường cung cấp cho quá trình hô hấp và sinh trưởng của mầm là α - amylase

sẽ hoạt động mạnh

Enzyme α - amylase là enzyme xúc tác cho quá trình thủy phân tinh bột, glycogen, và các polixacaride tương tự Chúng phân giải các liên kết 1,4-glucozit ở giữa chuỗi mạch polixacarit tạo thành các đextrin phân tử thấp Do

đó dưới tác dụng của enzyme này dung dịch tinh bột nhanh chóng bị mất khả năng tạo màu với dung dịch iot và bị giảm độ nhớt mạnh Enzyme α - amylaza tương đối bền với nhiệt nhưng kém bền với axit

Trong điều kiện thuận lợi cho enzyme α - amylase hoạt động mạnh thì quá trình phân giải tinh bột thành đường sẽ diễn ra mạnh tạo nhiều năng lượng cho hoạt động nảy mầm và sự phát triển của mầm và ngược lại trong điều kiện bất lợi cho enzyme α - amylase hoạt động thì sự nảy mầm bị kìm hãm và mầm sinh trưởng, phát triển chậm

Quá trình nảy mầm của hạt lúa có liên quan mật thiết đến các yếu tố khí hậu trong đó có yếu tố nhiệt độ Khi hạt lúa nảy mầm trong điều kiện nhiệt độ

15

bất lợi gây ra rối loạn chất trong mỗi tế bào, cây có thể tích lũy các chất độc hại làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến đời sống của cây Để thích nghi được với điều kiện nhiệt độ thấp, thực vật sẽ có những đặc điểm thích nghi về hình thái bên ngoài và những thay đổi về hóa sinh ở bên trong tế bào dẫn đến sự xuất hiện và tích lũy các chất hòa tan, protein, axit amin đặc hiệu Trong đó phải kể đến đầu tiên là prolin

Prolin hay pirolidin cacboxylic là một amoniaxit ưa nước có công thức phân tử C5H9NO2 Trong phân tử prolin có chứa vòng pirolidin được tạo thành do sự kết hợp của nhóm amin bậc 1 với cacbon ở mạch bên Prolin được tổng hợp từ glutamine Quá trình này được kích thích bởi axit Abxixic

và stress về thiếu nước [23] Hiện nay, con đường tổng hợp prolin đã được mô

tả khá đầy đủ, nhưng sự phân giải prolin mới chỉ được hiểu biết rất ít Tỷ lệ prolin trong cây được điều khiển bởi enzyme P5CS (delta 1 - pyrrolin - 5 - cacboxylat synthetase) và enzyme phân giải PDH (prolin dehydrogennase) [22]

Prolin thuộc nhóm các chất điều hòa thẩm thấu, chúng có khối lượng phân tử nhỏ Ngoài ra còn có nhóm hợp chất các amon bậc 4 (glyxinebetain, prolinbetain, beta - alaninbetain và choline - oxy - sulfat) và nhóm hợp chất 3

- dimethylsunfulfonio propionate (DMSP) cũng là nhóm có khả năng tạo áp suất thẩm thấu cao [19] Nhóm hợp chất amin bậc 4 và DMSP đều là dẫn xuất của các tiền chất là axit amin Các hợp chất trên cùng có chung tính chất không tích điện ở pH trung tính (như các ion vô cơ) và có khả năng tan tốt trong nước, không độc khi tập trung với nồng độ cao và làm ổn định cấu trúc các đại phân tử protein, giúp thành tế bào chống lại ảnh hưởng làm biến tính của sự tập trung muối cao và các chất hòa tan khác có hại cho tế bào,… [38]

Sự tích lũy các chất đó có ý nghĩa rất quan trọng, bởi vì chúng đóng vai trò

Khi nghiên cứu chức năng của prolin, biểu hiện hình thái và chống chịu

áp suất thẩm thấu, Nanjo và cộng sự đã phát hiện: những cây bị đột biến về hình dạng (có sự bất thường về biểu bì, tế bào mô mềm và hệ mạch) có hàm lượng P5CS thấp, rất mẫn cảm với áp lực thẩm thấu Nhưng những sự biến đổi đó có thể ức chế được bằng cách tăng cường hàm lượng prolin ngoại bào [8]

Nhiều kết quả nghiên cứu khác cũng cho thấy sự tích lũy prolin là một phản ứng thông thường của thực vật sống ở nơi có nồng độ muối cao (Stewort

và Lee 1974; Treichel 1975; Briens và Larther 1982) và trong mô lá, mô phân sinh chồi của thực vật chịu áp lực nước (Barnet và Taylor 1996; Baggess 1976), trong vùng đỉnh của thực vật sống ở nơi có thế năng nước thấp (Voet Berg và Shorp 1991)

Theo những cách thức khác nhau, những nghiên cứu ứng dụng công nghệ gen với tính chống chịu các điều kiện bất lợi về nước, đang tập trung vào nhóm gen thuộc chu trình tổng hợp prolin Các gen này mã hóa cho enzyme P5CS và P5CR (gen tham gia vào quá trình tổng hợp prolin) đã được Kishor chuyển thành công vào thuốc lá và nhận kết quả tốt, lượng prolin tăng từ 8 –

10 lần so với cây đối chứng [31]

Ở Việt Nam có một số nghiên cứu liên quan đến enzyme và prolin với cây lúa Đó là nghiên cứu về ảnh hưởng của gibberellin và kinetin đến sinh trưởng của cây mạ lúa ở điều kiện nhiệt độ khác nhau của Nguyễn Như Khanh [11]; nghiên cứu về mối tương quan giữa khả năng tích lũy kali với

17

một số chỉ tiêu sinh lý, sinh hóa của cây mạ 3 giống lúa DT10, RC203 và thơm

đỏ (Bình Định) dưới ảnh hưởng của nhiệt độ thấp [16]; nghiên cứu một số chỉ tiêu sinh lý, hóa sinh của 3 giống lúa chịu rét khác nhau dưới ảnh hưởng của rét và của KCl xử lý trước khi gieo hạt ở điều kiện vụ đông xuân tại Thái Nguyên [15]

Như vậy, prolin và enzyme amylase có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình nảy mầm cũng như quá trình sinh trưởng, phát triển của thực vật nói chung và cây lúa nói riêng