Ảnh hưởng của Mangan tới huỳnh quang diệp lục và hàm lượng nitơ hạt của đậu tương trong điều kiện thiếu nước

Bên cạnh đó, để tăng năng suất cây trồng và tăng khả năng chống chịu của cây trồng nói chung và đậu tương nói riêng, nhiều nhà khoa học đã nghiên cứu tới sự tác động của phân bón trong đ

phần mở đầu

1 Tính cấp thiết của đề tài

Đậu tương (Glycine max (L) Merrill) là một loại cây lương thực quan

trọng Đậu tương được trồng ở nhiều nơi trên thế giới, vì có những đặc tính cao về hàm lượng protein, lipit [3],[4],[8] Trồng cây đậu tương là một trong những hướng giải quyết nạn đói protein tốt nhất hiện nay ở nhiều nước

Cây đậu tương là cây trồng quan trọng ở Việt Nam, sản phẩm từ đậu tương như đậu phụ, dầu ăn, nước tương, sữa rất tốt cho sức khoẻ con người, ngoài ra còn là thành phần trong một số bài thuốc cổ truyền Cùng với sự phát triển của công nghiệp chế biến bột đậu tương, khô dầu đậu tương là thành phần trong thức ăn gia súc, góp phần thúc đẩy sự tăng tưởng của ngành chăn nuôi

Cây đậu tương giữ vai trò quan trọng trong các cây lấy dầu trên thế giới, sau đó là bông, lạc, hướng dương Sản xuất đậu tương phát triển do nhu cầu về dầu ăn và chất dinh dưỡng bổ sung protein Từ năm 1970 việc sản xuất đậu tương đã tăng gấp hai lần so với bất cứ cây lấy dầu nào khác [3],[8] Sản xuất

đậu tương phát triển mạnh mẽ ở Mỹ, Braxin, Achentina, Trung Quốc, ấn Độ Năm 2008 sản lượng đậu tương thế giới đạt 220,9 triệu tấn Sản xuất đậu tương của châu á chỉ chiếm 11,7% thế giới, phát triển mạnh nhất ở Trung Quốc và ấn Độ ở Việt Nam, diện tích trồng đậu tương là 182000 ha, với sản lượng là 250000 tấn, năng suất bình quân đạt 57% so với năng suất bình quân trên thế giới, chứng tỏ các giống đậu tương của Việt Nam có sản lượng chưa cao [60]

Vấn đề cơ bản hạn chế năng suất đậu tương ở Việt Nam là điều kiện khí hậu đặc biệt là hạn hán [3],[4],[8], thiếu phân bón, biện pháp kỹ thuật không hợp lý, chưa có bộ giống thích hợp cao với các điều kiện khí hậu, địa hình, đất

đai khác nhau, nhất là những vùng không chủ động được tưới tiêu

Các nghiên cứu tìm hiểu bản chất khả năng chịu hạn của cây trồng trong đó có cây đậu tương ngày càng được mở rộng [6], [9], [10], [11], [12], [21], [23], [31], [42], [43], [52], [54], [55], [56], [61] Với sự tiến bộ của kỹ thuật hiện đại, các nhà khoa học có điều kiện đi sâu tìm hiểu về huỳnh quang diệp lục của cây trồng trong điều kiện bất lợi của môi trường

Huỳnh quang diệp lục là một thông số phản ánh trạng thái sinh lý của

bộ máy quang hợp trong điều kiện bất lợi của môi trường Phương pháp phân tích huỳnh quang diệp lục đang được sử dụng như một công cụ có hiệu quả để

đánh giá tính chịu hạn của một số giống cây trồng như lúa, đậu tương, cà chua, nhãn [13], [18], [24], [25], [31], [32], [36], [44], [51], [57], [59], [62], [63] Kết quả những nghiên cứu này giúp chúng ta hiểu sâu hơn về phản ứng của cây trồng đối với điều kiện bất lợi của môi trường và chọn, tạo ra những giống cây trồng chống chịu tốt hạn hán một cách chủ động

Bên cạnh đó, để tăng năng suất cây trồng và tăng khả năng chống chịu của cây trồng nói chung và đậu tương nói riêng, nhiều nhà khoa học đã nghiên cứu tới sự tác động của phân bón trong đó có chứa các nguyên tố vi lượng có vai trò rất quan trọng trong hoạt động sinh lý của cây trồng Nguyên tố mangan (Mn) chỉ chiếm một tỉ lệ rất nhỏ nhưng lại là thành phần không thể thiếu được trong đời sống cây trồng Mn có vai trò quan trọng trong quá trình quang hợp, có ảnh hưởng tới sự hình thành hệ thống chất sắc ở bản mỏng của lục lạp, tham gia hoạt động của trung tâm phản ứng hệ thống ánh sáng II, nếu thiếu Mn sẽ gây nên sự hư hại trong cấu trúc của lục lạp và phá huỷ hệ thống

ánh sáng này [7], [33], [34]

Nhiều công trình nghiên cứu vai trò của phân vi lượng cũng như nguyên

tố Mn đã chứng minh vai trò to lớn của các nguyên tố vi lượng đối với các quá trình sinh lý, sinh hoá, trao đổi chất, sinh trưởng phát triển, năng suất và phẩm chất của các cây họ đậu nói riêng và cây trồng nói chung [1], [5], [9], [16], [17], [22], [26], [27], [28], [30], [34], [35], [37], [38], [39], [41] những công

Norvell, J H Peverly and W D Philpot; Matthew L Adams, Wendell A Norvell, William D, Philpot and John H Peverly; J Val, E Monge, L Montanes and M Sanz [47], [49], [51], [53] đã chứng minh rằng có thể dùng huỳnh quang diệp lục để phát hiện ra sự thiếu hụt Mn ở lá cây đậu tương và một số loại cây ăn quả, chứng tỏ giữa Mn và huỳnh quang diệp lục có mối quan hệ chặt chẽ với nhau và F.C Boswell, K Ohki, M B Parker, L M Shuman and D O Wilson [46] đã chứng minh rằng nếu sử dụng đúng nồng

độ Mn thì cây đậu tương sẽ hấp thụ được một cách tốt nhất Tuy vậy, cho đến nay chưa có nghiên cứu sâu về ảnh hưởng của Mn tới khả năng huỳnh quang diệp lục của cây trồng khi gặp điều kiện bất lợi của môi trường để từ đó tìm kiếm các giải pháp nâng cao khả năng chống chịu của chúng

Vì vậy, chúng tôi xác định nhiệm vụ nghiên cứu về ảnh hưởng của nguyên tố Mn tới khả năng huỳnh quang diệp lục và hàm lượng nitơ hạt của

đậu tương trong điều kiện thiếu nước, để tìm hiểu rõ hơn vai trò của Mn đối với bộ máy quang hợp cây đậu tương và phẩm chất của hạt trong điều kiện thiếu nước

2 Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu ảnh hưởng của nguyên tố Mn tới giá trị huỳnh quang diệp lục và hàm lượng nitơ tổng số trong hạt của giống đậu tương DT 84 trong điều kiện thiếu nước

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

Nghiên cứu sự ảnh hưởng của mangan tới giá trị huỳnh quang diệp lục của lá đậu tương ở giai đoạn cây con, giai đoạn ra hoa và giai đoạn quả non trong điều kiện thiếu nước

Tìm hiểu ảnh hưởng của mangan tới các yếu tố cấu thành năng suất và hàm lượng nitơ tổng số của hạt đậu tương trong điều kiện thiếu nước

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Giống đậu tương DT 84

Phạm vi nghiên cứu: ảnh hưởng của Mn tới giá trị huỳnh quang diệp lục ở lá và hàm lượng nitơ tổng số của hạt đậu tương trong điều kiện thiếu nước Cây được trồng trong dung dịch dinh dưỡng với giá thể là hạt nhựa

5 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp thực nghiệm

6 Giả thuyết khoa học

Trong điều kiện thiếu nước, mangan tác động rất rõ tới giá trị huỳnh quang diệp lục của lá đậu tương: làm giảm giá trị huỳnh quang ổn định, tăng giá trị huỳnh quang cực đại và hiệu suất huỳnh quang biến đổi

Khi sử dụng mangan trong điều kiện thiếu nước sẽ làm tăng năng suất

và hàm lượng nitơ hạt của đậu tương

7 ý nghĩa lý luận thực tiễn

Kết quả nghiên cứu có thể làm cơ sở khoa học cho việc sử dụng nguyên

tố vi lượng cho cây đậu tương trong điều kiện thiếu nước

Tìm hiểu sâu hơn vai trò của mangan để sử dụng hiệu quả hơn trong trồng trọt

nội dung Chương 1 tổng quan tài liệu

1.1 Đặc điểm sinh trưởng và phát triển, nhu cầu về nước và tình hình gieo trồng cây đậu tương

1.1.1 Cây đậu tương

Cây đậu tương thuộc họ Đậu (Fabaceae), năm 1948, Ricker và Morse

đã khẳng định tên thực vật đúng của đậu tương là Glycine max (L.) Merrill Chi phụ Soja có hai loài Glycine max (L.) Merrill và Glycine soja Sieb et Zucc Glycine max (L.) Merrill là cây trồng hàng năm, không phát hiện thấy loài

hoang dại Thân cây thẳng, ít phân nhánh, dạng bụi, xẻ lá chét lông chim phiến lá hình ô van Chùm hoa có cuống ngắn, hoa tím hoặc trắng Quả thẳng hoặc cong, thường có nhiều lông Mỗi quả thường có ba hạt hình tròn hoặc cầu Vỏ hạt có màu sắc biến đổi từ vàng sáng đến nâu, đen, xanh Khối lượng của hạt dao động từ 10g đến 20g [3], [8]

Những nghiên cứu về nguồn gốc cây đậu tương chứng tỏ cây đậu tương

có nguồn gốc từ Trung Quốc, có thể trong triều đại Shang (năm 1700- 1100 B.C) hoặc sớm hơn Những kết quả nghiên cứu về tế bào học, hình thái học,

protein trong hạt và ADN của ty thể chứng tỏ rằng Glycine soja là tổ tiên

hoang dại của cây đậu tương trồng [3]

1.1.2 Các giai đoạn sinh trưởng phát triển và nhu cầu về nước của cây đậu tương

1.1.2.1 Giai đoạn nảy mầm- cây con

Sau khi gieo 5-7 ngày, thân rễ vươn dài và đưa hai lá mầm lên khỏi mặt

đất, hai lá mầm mở ra, thân mầm phát triển thành thân chính Lúc này, cây con sống chủ yếu nhờ vào thức ăn dự trữ trong lá mầm, khi bộ rễ phát triển hút

Thân lá phát triển nhanh từ khi mọc đến khi ra hoa Có hai loại đặc tính sinh trưởng của thân và ra hoa chính ở cây đậu tương Đối với đặc tính sinh trưởng vô hạn, cây tiếp tục sinh trưởng sinh dưỡng hầu như trong suốt vụ trồng Đặc tính sinh trưởng hữu hạn, cây ngừng sinh trưởng khi ra hoa ở giai đoạn này, bộ rễ phát triển nhanh cả về chiều rộng và chiều sâu Nốt sần hình thành nhiều và bắt đầu hoạt động cố định đạm cung cấp dinh dưỡng cho cây [3],[20]

Sự sinh trưởng, phát triển của cây là kết quả của các quá trình trao đổi chất như quang hợp, hô hấp, vận chuyển các chất đồng hoá Tất cả các quá trình này đều bị kìm hãm bởi sự thiếu nước Vì vậy, ở giai đoạn này nhu cầu

về nước cho cây sinh trưởng, phát triển tăng hơn so với giai đoạn cây con 1.1.2.3 Giai đoạn ra hoa

Thời gian ra hoa đầu tiên đến hoa cuối cùng kéo dài từ 3 đến 4 tuần, tuỳ thuộc vào giống chín sớm hay giống chín muộn ở những giống sinh trưởng hữu hạn, có cả trùm hoa ngọn và nách lá, quả phân bố đều dọc theo thân và phía ngọn có phần nhiều hơn ở giống sinh trưởng vô hạn chùm hoa ra ở nách lá, số quả thường thưa và phân bố đều ở tất cả các cành, về phía ngọn thân quả thường ít hơn Đôi khi trên ngọn thân có chùm hoa ngọn, nhưng trên thực tế

nó là những chùm hoa nách tập trung trên ngọn thân

Cây đậu tương ra nhiều hoa, nhưng tỷ lệ hoa không đậu quả khoảng 20%-80% [3], [6], [20] Hoa rụng do nhiều nguyên nhân, trong đó chủ yếu là

do ảnh hưởng bất lợi của môi trường, đặc biệt là hạn hán

Các nghiên cứu về nhu cầu nước của đậu tương cho thấy cây cần rất nhiều nước ở giai đoạn này Thiếu nước dẫn đến rụng hoa, quả làm giảm kích thước hạt

1.1.2.4 Giai đoạn hình thành quả và hạt

Quả đầu tiên hình thành trong phạm vi 7-8 ngày sau khi hoa đầu tiên

nở Trong điều kiện bình thường, quả sẽ phát triển đầy đủ sau khoảng 20 ngày, các chất dinh dưỡng trong cây được vận chuyển vào hạt, quả mẩy dần Nhu cầu về nước ở giai đoạn này của đậu tương tăng cao, thiếu nước làm rụng quả, giảm kích thước hạt, ảnh hưởng nghiêm trọng tới năng suất và phẩm chất hạt

1.1.2.5 Giai đoạn quả chín

Hạt phình to, kín khoang hạt, hạt mẩy đều, cây ngừng sinh trưởng, độ

ẩm trong hạt giảm dần cho tới khi chỉ còn 13%-15% Lá đậu tương chuyển sang màu vàng và rụng xuống đất

Nhu cầu về nước của đậu tương ở giai đoạn này giảm hơn so với các giai đoạn trước Khi quả chín, để duy trì chất dinh dưỡng, tránh nhiễm bệnh và nảy mầm sớm, cần thiết để độ ẩm giảm dần

Tính mẫn cảm của đậu tương đối với sự thiếu hụt nước ở các giai đoạn sinh trưởng, phát triển khác nhau Giá trị của tính mẫn cảm ở mỗi giai đoạn

được coi là phần năng suất bị giảm do thiếu nước nghiêm trọng ở giai đoạn đó Kết quả cho thấy giá trị mẫn cảm của đậu tương ở giai đoạn sinh dưỡng là 0,12; giai đoạn ra hoa là 0,24; giai đoạn cuối ra hoa hình thành quả là 0,35 và giai đoạn chín là 0,13 [3] Sử dụng giá trị này để có kế hoạch tưới tiêu hợp lý cho từng giai đoạn phát triển của đậu tương Theo đó cần tưới nước khi sự suy kiệt nước trong đất đạt tới 80% ở giai đoạn sinh trưởng sinh dưỡng, 45% ở giai

1.1.3.1 Tình hình gieo trồng đậu tương trên thế giới

Cây đậu tương có ý nghĩa cả về mặt dinh dưỡng và môi trường, diện tích gieo trồng đậu tương ngày càng được mở rộng trên toàn thế giới Hiện đậu tương có mặt ở khắp các Châu lục, tập trung nhiều nhất ở châu Mỹ, tiếp đến là châu á và một số nơi khác trên thế giới Năm 2008, đậu tương được trồng ở nhiều nước trên thế giới với tổng diện tích khoảng 81,15 triệu ha, sản lượng khoảng 220,9 triệu tấn, năng suất trung bình đạt 2,4 tấn/ha Trong đó, Mỹ chiếm tới 33%, Brazil chiếm 28%, Argentina chiếm 21%, còn lại là các quốc gia khác

Tình hình gieo trồng đậu tương trên thế giới năm 2008 được trình bày trong bảng và hình vẽ sau [60]:

(triệu ha)

Sản lượng (triệu tấn)

(Nguồn: www.soystats.com)

1.1.3.2 Tình hình gieo trồng đậu tương ở Việt Nam

Đậu tương được trồng ở Việt nam sớm, nhưng do tập quán canh tác nên

đậu tương chưa được phát triển cả về diện tích và năng suất Trước Cách mạng tháng Tám, diện tích trồng đậu tương còn nhỏ bé 32200ha, năng suất thấp chỉ

đạt 4,1tạ/ha, sau khi đất nước thống nhất, diện tích trồng đậu tương của cả nước tăng lên là 39 954 ha, năng suất đạt 5,2 tạ/ha Đến vụ 2006 diện tích tăng lên 210 000 ha, sản lượng đạt 300 000 tấn, năng suất trung bình đạt 15 tạ/ha [14]

So với bình quân chung của thế giới, năng suất đậu tương của Việt Nam chỉ đạt 57% Cả nước hình thành 6 vùng sản xuất đậu tương: vùng

Đông Nam bộ có diện tích trồng lớn nhất (26,2% diện tích đậu tương cả nước), miền núi Bắc bộ 24,7%; đồng bằng sông Hồng 17,5%; đồng bằng sông Cửu Long 12,4%; còn lại là đồng bằng ven biển miền Trung và Tây Nguyên chiếm 33,4%

Về sản lượng, 3 vùng đồng bằng sông Hồng, Đông Nam bộ, đồng bằng sông Cửu Long chiếm 63% sản lượng đậu tương cả nước Đặc biệt vùng đồng bằng sông Cửu Long chỉ chiếm 12,7% diện tích nhưng lại chiếm

Nhiều nghiên cứu cho thấy các nguyên tố vi lượng ảnh hưởng mạnh mẽ

đến quá trình quang hợp, khi xử lý Zn, Mn, Co cho lúa, ngô, đậu [41] đã làm tăng hàm lượng diệp lục tổng số cũng như mối liên kết giữa diệp lục và protein Các nguyên tố vi lượng cùng với Fe thúc đẩy quá trình tổng hợp diệp lục, là tác nhân hoạt hoá hoặc là thành phần cấu trúc enzim tham gia trực tiếp trong pha sáng cũng như pha tối của quá trình quang hợp

Việc sử dụng các nguyên tố vi lượng đã làm tăng khả năng sinh trưởng, khả năng chống chịu đối với các điều kiện bất lợi của môi trường của cây trồng là tác nhân có hiệu quả giúp cho quá trình trao đổi chất, năng lượng và

từ đó ảnh hưởng rất lớn đến năng suất và phẩm chất cây trồng [4]

Mangan (Mn) là nguyên tố vi lượng Mn tồn tại trong đất ở dạng Mn2+,

Mn3+ và Mn4+, nhưng cây dễ hấp thụ nhất ở dạng Mn2+ Mn trong đất ở dạng liên kết hoặc dạng tự do trong dung dịch, Mn khó tiêu thường ở dạng Mangan oxit: MnO2; MnO2.2H2O và Mn2O3.nH2O; MnO; Mn2O3

Hàm lượng Mn trong đất phụ thuộc điện thế oxy hoá khử của đất Điện thế oxy hoá khử càng thấp thì lực khử càng mạnh, đất có độ thoáng khí càng

mạnh, độ ẩm của đất, độ pH có ý nghĩa đối với quá trình hấp thụ Mn

Khả năng hấp thụ Mn tuỳ thuộc từng loại cây Mn ít di chuyển trong cơ thể thực vật, không được vận chuyển trong mạch libe mà được vận chuyển qua mạch gỗ từ rễ lên thân Mn tập trung nhiều ở lá hơn là các cơ quan khác

Cơ chế ảnh hưởng của Mn chủ yếu là các phản ứng của các quá trình

photphorin hoá, là cầu nối giữa nhóm pirophotphat với nguyên liệu cũng như

enzim, xúc tác một số enzim trong chu trình Krebs như enzim dearboxilase và

dehidrogenase Mn tham gia cấu trúc nhiều hệ enzim như enzim oxy hoá khử,

trao đổi photpho

Mn có vai trò quan trọng trong quá trình quang hợp (quá trình

photphorin hoá và quang phân ly nước giải phóng oxy)

2H2O 4Mn3+ e- hv

Enzim 4e- + 4H+ + O2 4Mn2+ Diệp lục 680

Trong phản ứng này cần tối thiểu 4 nguyên tử Mn cho trung tâm phản

ứng hệ thống ánh sáng II (có sắc tố với bước sóng hấp thụ 680) Nếu thiếu Mn

thì giai đoạn đầu tiên của dây chuyền điện tử trong phản ứng ánh sáng bị giảm

và kết quả sẽ ảnh hưởng bất lợi cho quá trình photphorin hoá quang hợp Mn

quá trình khử nitrit và sunphat Thiếu Mn ảnh hưởng đến cường độ quang hợp

và ảnh hưởng đến sự hình thành hệ thống bản mỏng trong hạt lục lạp cũng như

các cơ quan khác trong tế bào như ty thể

Mn góp phần bảo vệ bộ máy quang hợp trong những điều kiện bất

lợi của môi trường Nhu cầu của thực vật đối với Mn không cao nhưng rất

qua lá [7], [41]

1.2.2 Tình hình nghiên cứu vai trò của mangan đối với cây trồng

Ngày nay nhiều công trình nghiên cứu khoa học đã xác nhận vai

trò của nguyên tố vi lượng đối với cây trồng, vì thế có rất nhiều loại phân

bón vi lượng được sử dụng rộng rãi nhằm nâng cao chất lượng và năng

suất cây trồng

Mangan (Mn) là thành phần của các hệ thống enzim trong cây, hoạt hoá một số phản ứng trao đổi chất quan trọng trong cây và có vai trò trực tiếp trong quang hợp, bằng cách hỗ trợ sự tổng hợp diệp lục và tham gia phản ứng quang phân ly nước

Nhiều nghiên cứu của các nhà khoa học đã chứng minh được vai trò quan trọng của Mn [41] Bertrand G đã khẳng định Mn có tham gia vào các quá trình oxy hoá và là thành phần thường có của enzim oxy hoá, có tác dụng tích cực đối với sinh trưởng và phát triển của cây và ngược lại Theo Peive V., lượng chứa Mn trong cây thay đổi từ vài chục đến vài phần vạn (tính theo chất khô), các cơ quan khác nhau của cùng một cây cũng khác nhau rất nhiều về lượng chứa Mn, phôi hạt, vỏ hạt, quả và lá xanh rất giàu Mn Theo Mulder E.G., cây khi đói Mn có liên quan tới sự giảm lượng chứa cacbon hydrat do cường độ quang hợp bị yếu đi Trong những thí nghiệm với tảo lục đơn bào

Arkistrodesmus, Pearson A đã có những bằng chứng trực tiếp của sự tham

gia của Mn vào các phản ứng quang hợp Khi thiếu Mn, cường độ quang hợp giảm còn 1/5 mức bình thường đồng thời trọng lượng chất khô của tảo giảm rõ rệt hơn lượng chứa chất diệp lục Khi bón Mn, cường độ quang hợp khôi phục nhanh gần tới mức bình thường Theo Arnond D., sự giảm cường độ quang hợp khi bị đói Mn không phụ thuộc vào cường độ chiếu sáng Tốc độ quang hợp giảm cả khi độ chiếu sáng cao lẫn khi độ chiếu sáng thấp; tình hình này cho thấy Mn tham gia vào các phản ứng quang hoá ở bất cứ cường độ chiếu sáng nào Trong những thí nghiệm của Abutalybov M.G có dùng chất đồng vị phóng xạ của cacbon 14C, thấy tác dụng tích cực của Mn đối với cường độ

quang hợp ở lá cây tóc tiên nước (Valisneria) Hiệu quả tác dụng tích cực của

dụng và tuổi lá [41]

F.C Boswell, K Ohki, M B Parker, L M Shuman and D O Wilson [46] đã chứng minh rằng khi xử lý đúng nồng độ Mn, cây đậu tương sẽ hấp

thụ được Mn tốt nhất Theo Hannam RJ, Graham RD, Riggs JL [47]; J Val,

E Monge, L Montanes and M Sanz [49]; M L Adams, W.A Norvell, J H Peverly and W D Philpot [51]; Matthew L Adams, Wendell A Norvell, William D, Philpot and John H Peverly [53] có thể dùng phương pháp đo huỳnh quang diệp lục ở lá cây đậu tương và một số loại cây ăn quả để phát hiện ra sự thiếu hụt Mn

Lê Thị Hương và cộng sự cho rằng Mn đã làm tăng khả năng hút nước, tăng hàm lượng nước, hàm lượng diệp lục tổng số và liên kết, tăng năng suất của hai giống ớt F1 số 20 và số 01 [15] Theo Nguyễn Văn Tý và cộng sự, nguyên tố vi lượng (trong đó có nguyên tố Mn) có ảnh hưởng rõ rệt đến chất lượng cũng như năng suất của cây cỏ ngọt trồng trên đất đồi Thái Nguyên nghèo vi lượng [39] Các kết quả nghiên cứu của Trần Thị áng cho thấy Mn

có ảnh hưởng rõ rệt đến các quá trình sinh lý, sinh hoá trong đời sống cây lúa Dùng Mn tác động đối với cây lúa bằng cách sử lý hạt và phun cho cây không những thu được năng suất cao mà chất lượng dinh dưỡng của hạt cũng được cải thiện đáng kể [1] Cây đậu tương dưới tác động của Mn đã có sự thay đổi

đáng kể Theo Trương Văn Lung và cộng sự đã chứng tỏ cây đậu tương khi sử dụng bổ sung Mn đã tăng chiều cao cây, tăng hàm lượng nitơ tổng số, tăng sản lượng [21]

Ngoài ra còn có rất nhiều đề tài nghiên cứu về vai trò của Mn nói riêng

và phân vi lượng nói chung tới cây trồng của các nhà khoa học như Nguyễn Văn Mã, Lê Thị Trĩ, Hà Thị Thành, Phạm Gia Ngân, Keo ViVon- Uthachac,

Lê Đức, Phạm đình Thái [5], [9], [15], [16], [26], [27], [28], [30], [34], [35], [38], [39], đã khẳng định vai trò hết sức quan trọng của nguyên tố vi lượng , chúng ảnh hưởng tới quá trình sinh lý, sinh hoá của cây, làm tăng khả năng tích luỹ chất dinh dưỡng vào các cơ quan dự trữ, rút ngắn thời gian sinh trưởng khiến cây ra hoa sớm hơn, tăng khả năng chống chịu với sâu bệnh và sự khắc

nghiệt của môi trường, ảnh hưởng rõ rệt tới năng suất và chất lượng sản phẩm cây trồng Tuy nhiên mỗi một nguyên tố vi lượng đều giữ một vai trò trong toàn bộ quá trình sinh trưởng và phát triển của thực vật

1.3 Huỳnh quang diệp lục và tình hình nghiên cứu về huỳnh quang diệp lục ở cây trồng

1.3.1 Huỳnh quang diệp lục

Huỳnh quang diệp lục là sự bức xạ được diệp lục phát ra với bước sóng dài hơn bước sóng hấp thụ và đồng thời với thời gian chiếu sáng

Khi hấp thụ photon ánh sáng, phân tử diệp lục tạo thành trạng thái kích thích do kết quả của quá trình nhảy điện tử Thông thường khi điện tử của phân tử bị kích thích có thể xảy ra 2 trường hợp:

Trường hợp 1: là trạng thái kích thích của điện tử được gọi là Singlet (trạng thái không bền), nếu như khi chuyển điện tử lên mức năng lượng cao hơn không kèm theo sự đổi dấu của spin điện tử

Trường hợp 2: là trạng thái kích thích của điện tử được gọi là Triplet, nếu như sự chuyển điện tử lên mức năng lượng cao hơn có kèm theo sự đổi dấu của spin điện tử

Điện tử ở trạng thái kích thích thường không bền vững sẽ nhanh chóng chuyển về trạng thái cơ bản bằng cách giải phóng năng lượng hấp thụ theo những con đường sau:

Một là nó có thể chuyển năng lượng tới một phân tử nhận năng lượng khác và cuối cùng khởi động các phản ứng quang hoá, gây ra sự truyền điện tử quang hợp

Hai là năng lượng được giải phóng ra dưới dạng nhiệt

Ba là năng lượng được giải phóng ra dưới dạng sóng điện từ Có nghĩa

là nó có thể phát lại dưới dạng một photon có năng lượng nhỏ hơn (tức là có bước sóng dài hơn) Hiện tượng này gọi là huỳnh quang diệp lục

Huỳnh quang diệp lục ở thực vật cũng là một chỉ số phản ánh quang hợp, nó liên quan mật thiết với các phản ứng quang hoá Các quá trình truyền

năng lượng nêu trên cạnh tranh nhau, chủ yếu là sự cạnh tranh giữa phản ứng quang hoá và huỳnh quang diệp lục, ta có thể mô tả mối tương quan của ba quá trình trên thông qua sơ đồ:

K f +K d +K ph

P và P* là trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích của phân tử diệp lục

K f , K d , K Ph là các hằng số tốc độ làm mất đi trạng thái kích thích bằng bức xạ (huỳnh quang), không bức xạ (mất đi dưới dạng nhiệt) và quang hoá (sự phân chia đầu tiên các điện tích trong tâm phản ứng)

Hiệu suất lượng tử của phản ứng quang hoá và huỳnh quang sẽ tương ứng bằng:

Q z =

ph d F

F

K K K

F

K K K

đó hiệu suất huỳnh quang đạt giá trị cực đại Như vậy khi tâm phản ứng đóng thì hằng số tốc độ mất trạng thái kích thích bằng quang hoá sẽ bằng không, còn hiệu suất huỳnh quang tăng lên và đạt giá trị cực đại (Fm)

Qz = 0 ; QFm =

ph d F

F

K K K

K





Hiệu số giữa huỳnh quang khi tâm phản ứng đóng và mở ( Fv = Fm- Fo)

được gọi là huỳnh quang biến đổi diệp lục Nó tương ứng với phần năng lượng

ánh sáng được các tâm phản ứng sử dụng trong các phản ứng quang hoá Một

cách dễ dàng có thể chỉ ra rằng tỉ lệ huỳnh quang biến đổi / huỳnh quang cực

đại bằng hiệu suất lượng tử của phản ứng quang hoá đầu tiên phân chia các

điện tích ở các tâm phản ứng quang hợp:

(QFm - QFo)/QFm =

ph d F

F

K K K

K





Như vậy, đo cường độ huỳnh quang ổn định (Fo) và huỳnh quang cực

đại (Fm) trong một đơn vị thời gian tương đối cho phép nhận được giá trị tuyệt

đối về hiệu quả sử dụng năng lượng ánh sáng trong các phản ứng quang hoá

Qz =

m

o m m

v

F

F F F

1.3.2 Tình hình nghiên cứu về huỳnh quang diệp lục ở cây trồng

Huỳnh quang diệp lục là một thông số phản ánh trạng thái sinh lý của

bộ máy quang hợp trong điều kiện bất lợi của môi trường Phương pháp phân tích huỳnh quang diệp lục cho phép xác định nhanh tính chống chịu của thực

vật dưới tác động của điều kiện bất lợi ở trạng thái in vivo mà không gây tổn

thương cho cây trồng trong quá trình nghiên cứu

Nhờ ưu điểm vượt trội mà phương pháp đo huỳnh quang diệp lục để

đánh giá trạng thái sinh lý của thực vật trong những năm gần đây đã được nhiều nhà khoa học quan tâm Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật thì các kỹ thuật hiện đại đo huỳnh quang đã ra đời, đưa phương pháp phân tích huỳnh quang trở thành một công cụ hết sức quan trọng trong nghiên cứu sinh

lý thực vật

Theo Pawe M Pukacki, Emilia Kami ska-Ro ek và Zlatko S Zlatev, Ivan T Yordanov [57], [63], sự thiếu nước trong đất ảnh hưởng rất lớn tới quá trình quang hợp và huỳnh quang diệp lục trong cây đậu tương Có thể dùng phương pháp đo huỳnh quang diệp lục để chẩn đoán sự thiếu hụt các nguyên

tố vi lượng và đa lượng trong cây [53],[59], nếu thiếu N2 và nước thì huỳnh quang biến đổi (Fvm) bị giảm nhanh và kéo dài trong điều kiện ánh sáng

Klaus Winter và Ulrich Schreiber (1990), nhiệt độ thấp và trong điều kiện thiếu nước thì huỳnh quang biến đổi cũng giảm [62] Và theo J Val, E Montanes and M Sanz, khi cây củ cải đường và cây đào bị thiếu Mn thì giá trị

Fv và Fvm bị giảm hẳn [49]

Các nhà khoa học trong nước cũng có nhiều công trình nghiên cứu về huỳnh quang diệp lục như Đinh Thị Phòng, Nguyễn Văn Mã, Nguyễn Như Khanh, Nguyễn Quốc Thông, Lê Thị Oanh, Vũ Văn Vụ đã dùng phương pháp đo huỳnh quang diệp lục để đánh giá nhanh tính chịu hạn ở cây lúa, lạc,

đậu tương, nhãn, cà chua, tảo [18], [24], [25], [31], [32], [36] để từ đó đề xuất các giống có khả năng chống chịu tốt với các điều kiện bất lợi của môi trường nhất là trong trường hợp thiếu nước

Các công trình nghiên cứu cho thấy rằng, khi cây trồng khi gặp môi trường sống bất lợi như hạn hán, nhiệt độ quá cao, nhiệt độ quá thấp, thừa hay thiếu chất dinh dưỡng đều làm cho giá trị huỳnh quang diệp lục bị biến đổi

Đó là, huỳnh quang ổn định (Fo) tăng, huỳnh quang cực đại (Fm) và huỳnh quang biến đổi (Fvm) giảm

1.4 Hạn hán và tình hình nghiên cứu về khả năng chịu hạn ở đậu tương

nên trong suốt quá trình hay trong từng giai đoạn làm ảnh hưởng đến sự sinh trưởng phát triển Khô hạn có thể gây ra nhiều mức độ tổn thương khác nhau cho cây trồng như: chết, chậm phát triển hay phát triển bình thường Những cây trồng có khả năng duy trì sự phát triển và cho năng suất tương đối ổn định

trong điều kiện khô hạn được gọi là cây chịu hạn và khả năng thực vật có thể giảm thiểu mức độ tổn thương do thiếu hụt nước gây ra gọi là tính chịu hạn

Quá trình sinh trưởng phát triển của đậu tương cần rất nhiều nước, trong cả vụ nhu cầu nước đối với cây đậu tương dao động từ 330- 766 mm Nhu cầu

về nước của cây đậu tương phụ thuộc vào độ dài của thời gian sinh trưởng, tốc

độ phát triển của cây trước khi phủ kín đất và lượng nước có sẵn trong đất [3] Khả năng chịu hạn của các giống đậu tương là không giống nhau, do chúng có các kiểu gen khác nhau khả năng này của các giống có liên quan đến sự phát triển nhanh của bộ rễ, tính chín sớm, bản chất di truyền về khả năng sử dụng nước một cách tiết kiệm trong quá trình sinh trưởng và phát triển của cây [45]

Hạn hán thường xảy ra do các nguyên nhân như hạn không khí thường

xảy ra ở những vùng gió nóng, nhiệt độ cao, thường lan rất nhanh, gây ra khô hạn ở diện rộng Hạn không khí tác động chủ yếu lên các bộ phận trên mặt đất như hoa, lá chồi non và thường gây ra hiện tượng héo tạm thời ở cây đậu tương, hạn gây ảnh hưởng trầm trọng vào thời kỳ bắt đầu ra hoa cho đến khi

tạo quả và hình thành hạt Hạn đất thường xảy ra ở những vùng có điều kiện

khí hậu, địa hình, địa chất và thổ nhưỡng đặc thù như sa mạc, đồi chọc Hạn

đất tác động trực tiếp lên bộ rễ của cây làm ảnh hưởng rất lớn đến quá trình sinh trưởng và phát triển của chúng, ngoài ra còn ảnh hưởng nghiêm trọng đến giai đoạn gieo hạt và nảy mầm Đối với các họ đậu, hạn đất gây hiện tượng hạt bị nhăn nheo, kém phẩm chất và thậm chí không cho thu hoạch

1.4.2 Tình hình nghiên cứu khả năng chịu hạn của đậu tương

đối, cũng như bản chất di truyền của từng giống có khả năng sử dụng nước một cách tích kiệm trong quá trình sinh trưởng và phát triển của cây [10] Dựa vào các đặc điểm trên, đậu tương được chia làm 2 nhóm:

- Nhóm chịu được thiếu nước trong tất cả các giai đoạn phát triển của cây

- Nhóm chịu được thiếu nước trong từng giai đoạn phát triển

Với sự tiến bộ của các ngành khoa học cơ bản, sinh học cũng có bước tiến dài trong nghiên cứu bản chất tính chịu hạn Whitsitt và cộng sự (1997) [61] đã nhận thấy rằng khi đậu tương bị mất trên 60% lượng nước thì không thể phục hồi được Mất nước thường kèm theo sự điều chỉnh áp suất thẩm thấu

và tăng lượng ARN thông tin của gen dehydrin Mat l [56] Đây là trường hợp dehydrin đặc biệt vì gen này không cảm ứng với axit absxixic (ABA) Các gen phản ứng với ABA được gọi tên chung là RAB (responsive to abscisic acid) hiện đang là nhóm gen được quan tâm của các nhà khoa học trên thế giới Có mối liên quan giữa sự tích luỹ ABA với sự tăng hàm lượng các chất điều chỉnh

áp suất thẩm thấu khi cây gặp hạn, các chất này (thường là các protein, hoặc axit amin) được tổng hợp bởi các gen RAB Bên cạnh đó, một số chất có khả năng điều chỉnh áp suất thẩm thấu, không liên quan đến sự tích luỹ ABA, sự tăng hàm lượng của chúng độc lập với sự tích luỹ ABA

Các gen liên quan đến tính chịu hạn đã được nghiên cứu và phân lập Bản chất của tính chịu hạn ở đậu tương dần được sáng tỏ: cDNA của dehydrin

từ lá đậu tương bị mất nước được phân lập, dehydrin là một trong những LEA với chức năng bảo vệ tế bào khi bị mất nước [54],[55],[56]

Những công trình nghiên cứu về tính chịu hạn của đậu tương ở Việt Nam trong những năm qua chủ yếu đi sâu về phương diện hình thái, di truyền, chọn giống, sinh học phân tử [6], [10], [12], [21], [25], khả năng cộng sinh cố

định đạm của một số dòng vi khuẩn ở đậu tương [11], [13] Kết quả nghiên cứu đã được ứng dụng trong sản xuất và chọn tạo ra nhiều giống đậu tương mới có năng suất cao, phẩm chất tốt, phù hợp với điều kiện khí hậu như DT

84, DT 96, AK 02, VX 93

Nghiên cứu về khả năng chịu hạn của cây trồng Việt Nam đã được tiến hành từ lâu trên các đối tượng lúa, ngô, đậu tương Tại Trung tâm Nghiên cứu và Thực nghiệm đậu đỗ, Viện Khoa học kỹ thuật Nông nghiệp Việt Nam, hàng trăm mẫu giống đậu tương nhập nội và một số giống địa phương đã được

đánh giá khả năng chịu hạn Phương pháp đánh giá gián tiếp sơ bộ chọn tạo giống chịu hạn, chịu nóng bằng cách cho nảy mầm trong dung dịch đường sucrose, hoặc nhiệt độ cao và phương pháp làm héo khô Kết quả từ trên 1000 mẫu giống nhập nội, đã phân lập được 185 mẫu giống có khả năng chịu hạn trồng vụ Đông, 68 mẫu giống chịu hạn tổng hợp, 65 mẫu giống chịu nóng khá, 14 mẫu giống vừa chịu nóng, chịu hạn tốt, vừa có nhiều đặc tính kinh kế quan trọng khác Đặc biệt nguồn gốc xuất xứ có ý nghĩa quan trọng: các giống chịu hạn đều có nguồn gốc xuất xứ từ Trung Quốc và vùng Trung á thuộc Liên Xô cũ [10],[12]

Những năm gần đây, nhờ sự trợ giúp của các thiết bị hiện đại, nhiều nghiên cứu sâu hơn về tính chịu hạn được tiến hành Các nghiên cứu về huỳnh quang diệp lục, cường độ quang hợp cho phép đánh giá nhanh khả năng chịu hạn của cây [18], [24], [25], [31], [36] Trong điều kiện bất lợi, khả năng chịu hạn của các cây thể hiện qua sự biến đổi của các giá trị Fo, Fm, Fvm khi đo huỳnh quang diệp lục Cường độ quang hợp của lá cây cũng bị biến đổi khi cây gặp hạn [6], [9], [23] Dựa vào những thay đổi của các chỉ tiêu này, có thể

đánh giá được khả năng chịu hạn của cây trồng

Chương 2

Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

2.1 Đối tượng nghiên cứu

Chúng tôi tiến hành nghiên cứu trên giống đậu tương DT 84, được trồng phổ biến ở Việt Nam Hạt giống được cung cấp bởi trung tâm Tư vấn và chuyển giao tiến bộ kỹ thuật - Viện Di truyền Nông nghiệp Việt Nam

Giống đậu tương DT 84 được chọn tạo bằng phương pháp xử lý đột biến phóng xạ (tia gama Co60, 18Kr) trên dòng lai 3-33 (ĐT 80 x ĐH 4) DT 84

được Hội đồng khoa học Bộ Nông nghiệp và CNTP công nhận là giống Quốc gia năm 1994

Thời gian sinh trưởng của giống là từ 85 – 90 ngày, trồng được cả 3 vụ/năm Khả năng chịu nhiệt, chịu lạnh, chịu úng, chịu hạn tốt

Đậu tương được trồng vào các chậu có kích thước 20cm x 20cm, giá thể

là hạt nhựa, trồng 1 cây/ chậu Cây được nuôi trong dung dịch Knốp với thành phần không có Mn: Ca(NO3)2; KH2PO4; MgSO4.7H2O; KCl và FeCl3 [29]

Công thức 1: không sử dụng Mn + trong điều kiện đủ nước (ĐN)

Công thức 2: Sử dụng Mn + trong điều kiện đủ nước (ĐN + Mn)

Công thức 3: không sử dụng Mn + trong điều kiện thiếu nước (TN)

Công thức 4: Sử dụng Mn + trong điều kiện thiếu nước (TN + Mn)

Đặt tất cả các chậu thí nghiệm trong bể chứa dung dịch dinh dưỡng Knốp, để dung dịch dinh dưỡng ngập 3/4 chậu thí nghiệm

Phun dung dịch MnSO4 bằng kỹ thuật phun sương: dùng bình phun sương phun phủ đầy bề mặt lá không cho chảy thành dòng Khi gây hạn ở 3 giai đoạn (cây non, ra hoa, quả non) chỉ cần tháo nước khỏi bể chứa dung dịch dinh dưỡng, sau 2 giờ lá cây bắt đầu héo khi đó ta tiến hành đo huỳnh quang diệp lục của lá đậu tương

Sau khi đo, phải trả lại môi trường nuôi dưỡng cho cây như trước lúc đo Thường xuyên kiểm tra độ pH của dung dịch dinh dưỡng và giải quyết vấn đề thông khí Trung bình hai tuần thay dung dịch dinh dưỡng một lần Khi quả chín, thu hoạch để lấy số liệu về các yếu tố cấu thành năng suất và chỉ tiêu về phẩm chất hạt đậu tương

2.2.3 Phương pháp phân tích các chỉ tiêu

* Phương pháp xác định huỳnh quang diệp lục

Huỳnh quang diệp lục được đo trên máy Chlorophyll fluorometer OS –

30 do hãng ADC – Anh cung cấp Hệ thống gồm thân máy có màn hình hiển thị dữ liệu gắn với đầu đo gọn nhẹ, dễ tiến hành tại thực địa và hệ thống kẹp phân tích adaption clip, cho phép đo nhiều mẫu trong cùng một lúc ánh sáng của máy được cung cấp bằng đèn halogel 35W, ánh sáng điều biến Máy sử

Fm: Cường độ huỳnh quang cực đại, Fm đo được khi các tâm phản ứng PSII ở trạng thái “đóng”, khi đó QA bị khử

Fvm: Hiệu suất huỳnh quang biến đổi, Fvm phản ánh hiệu quả sử dụng năng lượng ánh sáng trong phản ứng quang hoá, được xác định như sau:

F vm =

m

o m m

v

F

F F F



Lá chọn để đo là lá thứ 3 tính từ ngọn xuống, là lá được đánh giá có hoạt động sinh lý, sinh hoá mạnh nhất

* Các yếu tố cấu thành năng suất

Trong đề tài này chúng tôi xác định các yếu tố cấu thành năng suất là:

số hoa/cây, số quả/cây, số hạt/quả, khối lượng 1000 hạt bằng cách đếm và cân trên cân điện Sartorius Mỗi công thức nhắc lại 10 lần

* Phương pháp xác định hàm lượng nitơ tổng số

Nitơ tổng được xỏc định bằng phương phỏp Microkjeldahl [2], trờn mỏy cất đạm tự động với hệ thống chưng cất UDK 142 và bộ cụng phỏ mẫu DK6 của hóng VELP – Italia Mẫu được sấy ở 1050C, nghiền nhỏ, cõn lấy 1g mẫu cho vào mỗi ống nung Húa chất cho vào mỗi ống nung: 7g K2SO4, 5mg bột se, 12ml H2SO4 96%, 5ml H2O2 35% Nung mẫu tại 4200C trong 20 phỳt, làm mỏt đến 50 - 600C thỡ đem chưng cất Chưng cất theo chương trỡnh đặt: 50ml H2O, 50ml NaOH 32%, thời gian chưng 3 phỳt, luồng hơi 100%, cho vào bỡnh hứng 25ml H3BO4 4%

2.803 là hệ số chuyển mg nitơ ứng với 1ml HCl 0.2N

1

N

i i

X X



Chương 3 Kết quả nghiên cứu và thảo luận 3.1 Thí nghiệm thăm dò nồng độ mangan

Theo kết quả thí nghiệm thăm dò nồng độ của Mn trong bảng 1, khi sử dụng dung dịch MnSO4 nồng độ 0,02% đã cho diện tích lá, khối lượng lá, khối lượng cây tươi và khô cao hơn so với các nồng độ khác Vì vậy chúng tôi chọn

Bảng 1 Kết quả thí nghiệm thăm dò nồng độ MnSO 4 đối với đậu tương

ứng quang hợp, Mn góp phần bảo vệ bộ máy quang hợp trong những điều kiện bất lợi của môi trường [7], [41] Theo S J Lêbêđêp [33], hệ thống ánh sáng II của quá trình quang hợp được kích động bằng photon có bước sóng ngắn hơn 700nm có khả năng huỳnh quang mạnh Sự hoạt động của hệ thống ánh sáng này cần có mặt của Mn2+, nếu thiếu Mn sẽ gây lên sự hư hại trong cấu trúc của lục lạp và phá huỷ hệ thống ánh sáng này

Huỳnh quang diệp lục là một thông số phản ánh trạng thái sinh lý của

bộ máy quang hợp trong điều kiện bất lợi của môi trường [63] Xác định huỳnh quang diệp lục là phương pháp nghiên cứu không cần phá vỡ tế bào để khảo sát nhanh trạng thái sinh lý của cây và xác định mức độ cảm ứng của thực vật với tác động bất lợi từ môi trường Các điều kiện bất lợi của môi trường có thể tác động trực tiếp hoặc gián tiếp đến tốc độ quang hợp của cây trồng tức là tốc độ chuyển hoá năng lượng ánh sáng, cường độ quang hợp và trạng thái của bộ máy quang hợp Các nghiên cứu về huỳnh quang diệp lục của thực vật trong điều kiện stress nước khẳng định: thiếu nước trầm trọng có

ảnh hưởng tiêu cực đến hàm lượng diệp lục, làm hư hại các protein của quang

hệ II và trực tiếp làm biến đổi các tham số huỳnh quang diệp lục [57] Do vậy,

đo huỳnh quang diệp lục trong điều kiện gây hạn được sử dụng là phương pháp đánh giá nhanh khả năng chịu hạn của cây trồng [24], [32], [36]

Nghiên cứu ảnh hưởng của Mn tới giá trị huỳnh quang diệp lục của đậu tương trong điều kiện thiếu nước, chúng tôi tiến hành đo huỳnh quang diệp lục

ở giai đoạn cây con, giai đoạn ra hoa, giai đoạn quả non, kết quả nghiên cứu

được trình bày ở bảng 2, 3 và 4 Các tham số huỳnh quang diệp lục được nghiên cứu bao gồm: huỳnh quang ổn định (Fo), huỳnh quang cực đại (Fm), hiệu suất huỳnh quang biến đổi (Fvm)

Huỳnh quang ổn định (Fo) phản ánh sự mất đi năng lượng kích thích bằng bức xạ trong khoảng thời gian vận chuyển nó về trung tâm phản ứng PS

II ở trạng thái “mở”

Kết quả nghiên cứu ở bảng 2 và hình 1 cho thấy, trong điều kiện đủ nước và không sử dụng Mn (công thức ĐN) thì giá trị Fo nhỏ nhất ở giai đoạn quả non và cao nhất ở giai đoạn ra hoa, sự sai khác giữa các giai đoạn là có ý nghĩa thống kê Kết quả này phản ánh sự mất năng lượng ánh sáng trong quang hợp ở giai đoạn ra hoa là nhiều nhất, do đó cường độ quang hợp ở lá

đậu tương có thể giảm sút ở giai đoạn này

0100200300400

500Giá trị Fo