Điều tra, thu thập số liệu, xây dựng các tập đoàn giống lúa bản địa của Việt Nam

BÁO CÁO KẾT QUẢ THỰC HIỆN CHUYÊN ĐỀNGHIÊN CỨU KHOA HỌC Chuyên đề 1.2 Nội dung 1: Điều tra, thu thập số liệu, xây dựng các tập đoàn giống lúa bản địa của Việt Nam tập trung các giống có

BÁO CÁO KẾT QUẢ THỰC HIỆN CHUYÊN ĐỀ

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

(Chuyên đề 1.2)

Nội dung 1: Điều tra, thu thập số liệu, xây dựng các tập đoàn giống lúa bản địa của

Việt Nam (tập trung các giống có chất lượng tốt, có khả năng chống chịu với các

điều kiện bất lợi sinh học và phi sinh học)

Chuyên đề 1.2: Điều tra, thu thập số liệu, xây dựng tập đoàn giống lúa có khả năng chịu hạn

MỞ ĐẦU

Lúa gạo là một trong những cây lương thực quan trọng của con người Trên thế giới, cây lúa được xếp vào vị trí thứ 2 sau cây lúa mì về diện tích và sản lượng Ở châu

Á, lúa gạo được coi là cây lương thực quan trọng nhất, chiếm diện tích 135 triệu ha trong tổng số 148,4 triệu ha của thế giới (Bùi Chí Bửu., 2005)

Ở Việt Nam, diện tích canh tác lúa khoảng 4,36 triệu ha, trong đó có 2,2 triệu ha

là đất thâm canh, chủ động tưới tiêu nước; còn lại hơn 2,1 triệu ha là đất canh tác lúa trong điều kiện khó khăn Trong 2,1 triệu ha có khoảng 0,5 triệu ha lúa cạn, khoảng 0,8 triệu ha nếu mưa to và tập trung hay bị ngập úng và còn lại khoảng 0,8 triệu ha là đất bấp bênh nước (Vũ Tuyên Hoàng và cs, 1995) Theo số liệu thống kê (năm 2002), trong những năm gần đây diện tích gieo trồng lúa hàng năm có khoảng 7,3-7,5 triệu ha, thì có tới 1,5-1,8 triệu ha thường bị thiếu nước và có từ 1,5-2,0 triệu ha cần phải có sự đầu tư

để chống úng khi gặp mưa to và tập trung Trong điều kiện ít mưa, thiếu nước tưới sẽ kéo theo sự bốc mặn và phèn ở những vùng ven biển Hơn nữa, nguồn tài nguyên nước phục

vụ cho nông nghiệp ngày càng hạn chế và đã được báo động trong nhiều Hội nghị khoa học của thế giới gần đây Các nhà khoa học đều khẳng định, khô hạn ảnh hưởng nghiêm trọng đến an toàn lương thực của nhân loại và tài nguyên nước phục vụ cho nông nghiệp không phải là vô tận Bên cạnh đó, áp lực dân số kèm theo sự phát triển của các đô thị đã làm gia tăng nhu cầu nước phục vụ dân sinh và các ngành công nghiệp Chính vì vậy, thiếu nước tưới trong sản xuất nông nghiệp là vấn đề đang được dự báo cấp thiết trên qui

mô toàn cầu Với tầm quan trọng như vậy, người ta đã hoạch định một thứ tự ưu tiên cho đầu tư nghiên cứu tính chống chịu khô hạn, chịu mặn và chịu ngập úng trong lĩnh vực cải tiến giống cây trồng trên toàn thế giới (Bùi Chí Bửu, 2005)

Việc đẩy mạnh năng suất lúa ở các vùng thâm canh và vùng khó khăn luôn là phương hướng chiến lược và mục tiêu cụ thể cho công tác chọn tạo và phát triển giống lúa Đặc biệt trong thời gian tới, những dự báo biến đổi khí hậu, nguồn nước tưới trong nông nghiệp có thể giảm đi, diện tích đất cạn hoặc thiếu nước có thể tăng lên Do vậy, việc nghiên cứu và phát triển các giống lúa cho vùng khô hạn, thiếu nước là hết sức quan trọng, góp phần đảm bảo an ninh lương thực và xoá đói giảm nghèo cho người nông dân

ở những vùng có điều kiện khó khăn Theo hướng này, việc nghiên cứu đánh giá nguồn gen các giống lúa cạn thuộc các vùng cao, vùng khô hạn được xem là công việc khởi đầu

và cần tiến hành thường xuyên cho những chương trình chọn giống chịu hạn Thành công của công tác chọn tạo giống phụ thuộc rất nhiều vào số lượng và chất lượng của vật liệu khởi đầu Vật liệu khởi đầu càng nhiều và chất lượng càng tốt cơ hội để tạo ra giống mới càng nhanh Để thực hiện tốt mục tiêu này, chúng tôi thực hiện chuyên đề điều tra nghiên cứu các tập đoàn lúa chịu hạn của Việt Nam với mục đích đánh giá khả năng chống chịu của các giống lúa chịu hạn, làm vật liệu khởi đầu cho công tác chọn tạo giống

Mục tiêu của chuyên đề:

Điều tra, thu thập số liệu, xây dựng các tập đoàn giống lúa chịu của Việt Nam để xác định khả năng chịu hạn và cung cấp nguồn nguyên vật liệu cho công tác chọn tạo giống lúa chịu hạn

II TỔNG QUAN VỀ CÂY LÚA CHỊU HẠN

2.1 Khái niệm về hạn và ảnh hưởng của hạn đến thực vật

Mỗi cây trồng có một giới hạn nhất định đối với các nhân tố sinh thái của môi trường như hạn, nóng, lạnh, mặn, vv Nếu ở ngoài giới hạn đó có thể gây hại cho sự sinh trưởng và phát triển của cây, giảm năng suất sinh học (Vũ Văn Vụ, 1996) Hạn đối với thực vật là khái niệm dùng để chỉ sự thiếu hụt nước do môi trường gây nên trong suốt

cả quá trình hay trong từng giai đoạn, làm ảnh hưởng đến sinh trưởng và phát triển của cây Mức độ tổn thương của cây trồng do khô hạn gây ra có nhiều mức khác nhau như chết, chậm phát triển hay phát triển tương đối 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 của thực vật có thể giảm thiểu mức độ tổn thương do thiếu hụt nước gây nên gọi là tính chịu hạn

Hạn dẫn đến một số biến đổi trong mô và tế bào như làm biến tính và kết tủa protein, làm tăng độ lỏng của lipit màng, mở xoắn các axit nucleic Hạn cũng phá hoại hệ thống quang hóa II trên màng thylacoid Ảnh hưởng của hạn trướchết là gây ra sự mất nước của tế bào và mô Thiếu nước nhẹ làm ảnh hưởng tới quá trình sinh trưởng, thiếu nước năng gây biến đổi hệ keo nguyên sinh chất, già hóa tế bào, làm cho cây bị héo Cuối cùng hệ nguyên sinh chất bị đứt vỡ cơ học dẫn đến tế bào và mô bị tổn thương và chết Hạn là nguyên nhân chính của sự mất mùa và làm giảm năng suất gieo trồng (Trần Thị Phương Liên, 1999) Phản ứng của cây đối với hạn là sự đóng khí khổng, giảm tỷ lệ thoát hơi nước của mô, giảm quang hợp và làm tăng tích lũy axit abxisic (ABA), proline, manitol, sorbitol, sự cấu thành nhóm ascobat, glutathione, α-tocopherol, và sự tổng hợp protein mới (Xiong và Zhu, 2002)

2.2 Khái niệm về lúa cạn và lúa chịu hạn

Hiện nay có nhiều định nghĩa của các nhà khoa học về cây lúa cạn, lúa chịu hạn Surajit K De Datta (1975) đều cho rằng: "Lúa cạn là loại lúa được gieo hạt trên các loại đất khô, có thể là đất dốc hoặc đất bằng nhưng đều không có bờ, nó sống phụ thuộc hoàn toàn vào độ ẩm do nước mưa cung cấp (nhờ nước trời)"

Huke R.E (1982) dùng thuật ngữ "lúa khô" (dryland rice) thay cho "lúa cạn" (upland rice) và định nghĩa lúa cạn được trồng ở những thửa ruộng được chuẩn bị đất và gieo hạt dưới điều kiện khô, cây lúa sống hoàn toàn nhờ nước trời

Theo Garirity (1984) lúa cạn được coi là lúa trồng trong mùa mưa trên đất cao, đất thoát nước tự nhiên, trên những chân ruộng được đắp bờ hoặc không có bờ và không có lượng nước dự trữ thường xuyên trên bề mặt Lúa cạn được hình thành từ lúa nước, nhờ quá trình thích ứng với nhưng vùng trồng lúa thường gặp hạn, mà xuất hiện những biến

dị chịu hạn ngày càng cao Vì vậy giống lúa cạn có khả năng sinh trưởng bình thường khi ở ruộng nước

Theo Micenôrôđô tại Hội thảo "Lúa rẫy ở Cao Bằng, Việt Nam", từ 9 - 11/3/1994 và theo định nghĩa tại Hội thảo Bouake Bờ biển Ngà: "Lúa cạn là lúa được trồng trong điều kiện mưa tự nhiên, đất thoát nước, không có sự tích nước trên bề mặt, không được cung cấp nước và không có bờ" (Trần Nguyên Giáp, 2000)

Theo tác giả Bùi Huy Đáp (1978), "Lúa cạn được hiểu là loại lúa gieo trồng trên đất cao, như là các loại hoa màu trồng cạn khác, không tích nước trong ruộng và hầu như

không bao giờ được tưới thêm Nước cho lúa chủ yếu do nước mưa cung cấp và được giữ lại trong đất"

Nguyễn Gia Quốc (1994) chia lúa cạn ra làm hai dạng:

- Lúa cạn thực sự (lúa rẫy): là loại lúa thường được trồng trên các triền dốc của đồi núi không có bờ ngăn và luôn luôn không có nước trên bề mặt ruộng Cây lúa hoàn toàn sử dụng lượng nước mưa ngấm vào đất để sinh trưởng và phát triển

- Lúa cạn không hoàn toàn (lúa nước trời): là loại lúa trồng trên triền thấp, không có

hệ thống tưới tiêu chủ động, cây lúa sống hoàn toàn bằng nước mưa tại chỗ, nước mưa có thể dự trữ trên bề mặt ruộng để cung cấp cho cây lúa

Lúa chịu hạn là giống lúa có khả năng duy trì sự phát triển và cho năng suất tương

đối ổn định trong điều kiện khô hạn được gọi là lúa chịu hạn và khả năng của thực vật có thể giảm thiểu mức độ tổn thương do thiếu hụt nước gây ra gọi là tính chịu hạn (Đinh Thị Phòng, 2001)

Tuy nhiên khó có thể xác định được thế nào là một trạng thái hạn đặc trưng vì mức độ khô hạn do môi trường gây nên khác nhau theo từng mùa, từng năm, từng vùng địa lý và không thể dự đoán trước được Theo Dure và cs., 1989 khi thực vật được nghiên cứu trong mối liên quan hữu cơ với môi trường xung quanh gồm đất và khí quyển và được

mô tả dưới dạng một bể nước về sự cân bằng nước: "Hạn là sự mất cân bằng nước của thực vật thể hiện trong sự liên quan hữu cơ giữa đất - thực vật - khí quyển"

Theo Raynal và cộng sự (1999), hạn được xem là nhân tố gây thiệt hại lớn nhất đối với năng suất lúa Nguyễn Đức Ngữ (2002) đã định nghĩa: “Hạn hán là hiện tượng lượng mưa thiếu hụt nghiêm trọng, kéo dài, làm giảm hàm lượng ẩm trong không khí và hàm lượng nước trong đất, làm suy kiệt dòng chảy sông suối, hạ thấp mực nước ao hồ, mực nước trong các tầng chứa nước dưới đất, gây ảnh hưởng xấu đến sinh trưởng và phát dục của cây trồng, làm mùa màng thất bát, môi trường suy thoái, gây ra đói nghèo

và dịch bệnh”

2.3 Cơ sở sinh lý, hóa sinh và sinh học phân tử của tính chịu hạn

2.3.1 Cơ sở sinh lý, hóa sinh của tính chịu hạn

Khi môi trường khô hạn, thực vật chống lại sự mất nước và nhanh chóng bù lại phần nước đã mất nhờ hoạt động của bộ rễ và sự điều chỉnh áp suất thẩm thấu của tế bào

Sự thích nghi đặc biệt về cấu trúc hình thái của rễ và chồi nhằm giảm thiểu tối đa sự mất nước hoặc tự điều chỉnh áp suất thẩm thấu nội bào thông qua tích lũy của các chất hòa tan, các protein và axit amin nhằm duy trì lượng nước tối thiểu trong tế bào Khả năng thu nhận nước chủ yếu phụ thuộc vào chức năng của bộ rễ Bộ rễ có hình thái khỏe, dài, mập, có sức xuyên sâu sẽ hút được nước ở những vùng sâu Ngoài ra, cây có hệ mạch dẫn phát triển dẫn nước lên các cơ quan thoát hơi nước, hệ mô bì phát triển sẽ hạn chế sự thoát hơi nước của cây (Lê Trần Bình, Lê Thị Muội, 1998; Đinh Thị phòng, 2001)

Khả năng điều chỉnh áp suất thẩm thấu có mối liên quan trực tiếp đến khảnăng cạnh tranh nước của tế bào rễ cây đối với đất Trong điều kiện khô hạn, áp suất thẩm thấu tăng lên giúp cho tế bào rễ thu nhận được những phân tử nước ít ỏi còn trong đất Bằng cơ chế như vậy thực vật có thể vượt qua được tình trạng hạn cục bộ (Lê Trần Bình,

Lê Thị Muội, 1998) Khi phân tích thành phần hóa sinh của các cây chịu hạn, các nghiên cứu đều cho rằng khi cây gặp hạn có hiện tượng tăng lên về hàm lượng ABA, hàm lượng proline, nồng độ ion K+, các loại đường, axit hữu cơ, giảm CO2, protein và các axit nucleic trên cây lúa Các chất trên có chức năng điều chỉnh áp suất thẩm thấu nhờ khả năng giữ và lấy nước vào tế bào hoặc ngăn chặn sự xâm nhập của ion Na+, ngoài ra còn

có thể thay thế vị trí của nước nơi xảy ra các phản ứng sinh hóa, tương tác với protein và lipit màng, ngăn chặn sự phá hủy màng (Adkind và cs., 1995)

Nghiên cứu sự đa dạng và hoạt động của enzyme trong điều kiện gây hạn đã được nhiều tác giả quan tâm Trần Thị Phương Liên (1999) nghiên cứu đặc tính hóa sinh của một số giống đậu tương có khả năng chịu nóng, hạn đã nhận xét rằng áp suất thẩm thấu cao ảnh hưởng rõ rệt tới thành phần và hoạt độ protease, kìm hãm sự phân giải protein

dự trữ Một số nghiên cứu trên các đối tượng như lạc, lúa, đậu xanh, đậu tương cho thấy, có mối tương quan thuận giữa hàm lượng đường tan và hoạt độ α-amylase (Vũ Tuyên Hoàng,1992; Trần Thị Phương Liên, 1999) Đường tan là một trong những chất tham gia điều chỉnh áp suất thẩm thấu trong tế bào Sự tăng hoạt độ α-amylase sẽ làm tăng tăng hàm lượng đường tan do đó làm tăng áp suất thẩm thấu và tăng khả năng chịu hạn của cây trồng Một trong các chất liên quan đến thẩm thấu được chú ý là proline Proline là một amino acid có vai trò quan trọng trong sự điều hòa áp suất thẩm thấu trong

tế bào Theo thông báo của Chen và Muranta (2002), sức chống chịu của thực vật tăng lên khi được chuyển các gen mã hóa enzym tham gia vào con đường sinh tổng hợp proline trong tế bào Nhiều công trình nghiên cứu cho thấy sự tích lũy proline có thể tăng

10 đến 100 lần ở thực vật dưới tác động của áp suất thẩm thấu (Đinh Thị Phòng, 2001, Nguyễn Hữu Cường và cs., 2003, Nguyễn Thu Hoài và cs., 2005)

2.3.2 Cơ sở phân tử của tính chịu hạn

Phản ứng của thực vật trước tác động của hạn rất đa dạng, phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau, trong đó có kiểu gen, độ dài và tính khốc liệt của điều kiện ngoại cảnh Biểu hiện của quá trình này là việc sinh tổng hợp của một loạt các chất trong tế bào, một

số hoocmon hoặc chất kích thích để giúp cây có khả năng thích ứng Khi đi sâu vào nghiên cứu ở mức độ phân tử của hiện tượng nóng, hạn ở thực vật người ta đã có những bước tiếp cận khác nhau trên nhiều loài cây trồng ở các giai đoạn phát triển Được nghiên cứu nhiều nhất là các protein sản phẩm biểu hiện gen Các nhóm protein được đặc biệt quan tâm bao gồm: protein sốc nhiệt, môi giới phân tử, LEA (Bake và cs., 1988)

- Protein sốc nhiệt (heat shock protein –HSPs): HSPs có ở hầu hết các loài thực

vật như lúa mì, lúa mạch, lúa gạo, ngô, đậu nành, hành, tỏi, chúng chiếm khoảng 1% protein tổng số trong lá của các loài thực vật này HSP được tổng hợp khi tế bào gặp điều kiện cực đoan như: nóng, hạn, lạnh, phèn, mặn, Sự xuất hiện của HSP có chức năng ngăn chặn hoặc sửa chữa sự phá hủy do stress nóng và mở rộng giá trị ngưỡng chống chịu nhiệt độ cao Trong các tế bào thực vật HSP tế bào chất tập chung thành các hạt sốc nhiệt (HSG – heat shock granules) Người ta cho rằng các HSP gắn kết trên các ARN polymeraza để ngăn cản sự phiên mã tổng hợp mARN trong quá trình bị stress nóng Sau sốc nóng các hạt này phân tán và liên kết dày đặc với các riboxom hoạt động sinh tổnghợp protein (Akinds và cs., 1995) HSPs được chia thành 6 nhóm dựa trên cơ sở khối lượng phân tử khác nhau: 110, 90, 70,60, 20, 8.5 kDa Trong đó nhóm HSP 60 và HSP 70 có nhiều đại diện của chất môi giới phân tử (chaperonin), HSP 8,5 kDa (ubiquitin) có chức năng bảo vệ tế bào nhưng không phải chất môi giới phân tử Ubiquitin có hoạt tính proteaza với chức năng phân giải các protein không có hoạt tính enzym Ubiquitin ít chịu ảnh hưởng của nhiệt độ cao nên có vai trò tự sửa chữa khi tế bào gặp điều kiện cực đoan, đặc biệt là nhiệt độ cao (Bray và cs., 2000)

- LEA (Late embryogenesis abundant protein – protein tích lũy với lượng lớn ở giai đoạn cuối của quá trình hình thành phôi): LEA là protein có vai trò bảo vệ thực vật

bậc cao khi môi trường xảy ra stress, đặc biệt là hạn LEA là một trong nhóm gen liên quan đến sự mất nước của tế bào thực vật Protein LEA hạn chế sự mất nước do điều kiện ngoại cảnh bất lợi và đóng vai trò điều chỉnh quá trình mất nước sinh lý khi hạt

chín Trong tự nhiên, phôi sau khi hình thành trong giai đoạn chín thường được chuyển sang trạng thái ngủ, lượng nước trong phôi và trong hạt giảm đến mức tối thiểu Protein LEA được tạo ra hàng lọat trong giai đoạn muộn của quá trình hình thành phôi Mức độ phiên mã của gen LEA được điều khiển bởi ABA, độ mất nước của tế bào và áp suất thẩm thấu trong tế bào (Goyal và cs., 2005) Protein LEA có những đặc điểm chính sau: Giàu amino acid ưa nước, không chứa cystein và tryptophan, có khả năng chịu nhiệt Protein LEA thực hiện các chức năng như cô lập ion, bảo vệ protein màng tế bào, phân hủy protein biến tính, điều chỉnh áp suất thẩm thấu Nhiều gen LEA đã được nghiên cứu

và phân lập trên các đối tượng cây trồng khác nhau (Wang và cs., 2004; Goyal và cs., 2005; Grelet và cs., 2005; Xiao và cs., 2007)

III PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3.1 Phương pháp điều tra thu thập mẫu

- Thu thập tài liệu, tìm hiểu về sự phân bố của các giống địa phương của Việt Nam qua các tài liệu khoa học liên quan;

- Điều tra thực tế như phỏng vấn, lấy ý kiến của cộng đồng dân cư nơi lấy mẫu Nhận dạng, mô tả tại chỗ những đặc điểm nổi bật và kế thừa các nghiên cứu có trước;

- Thu thập các mẫu hạt, bảo quản ở điều kiện phòng thí nghiệm để phục vụ các thí nghiệm ở mức phân tử

3.2 Phương pháp đánh giá tính chịu hạn của cây lúa

- Các giống lúa được gieo trồng 3 lần nhắc lại Sau khi cấy 40-45 ngày, cây lúa sẽ được sử dụng để đánh giá khả năng chịu hạn theo phương pháp chuẩn của Viện lúa Quốc

tế IRRI để tìm ra các giống chịu hạn tốt nhất:

- Cây lúa sẽ bị ngừng tưới nước trong khoảng từ 7 ngày đến 14 ngày

- Đánh giá khả năng chịu hạn của các giống lúa theo 3 chỉ tiêu: độ cuốn lá, độ khô của lá, khả năng phục hồi của cây

- Các chỉ tiêu độ cuốn lá và độ khô của lá sẽ được đánh giá dựa trên thang điểm chuẩn Sau đó cây lại được tưới nước trong 10 ngày, sự phục hồi của cây được đánh giá theo thang điểm chuẩn (Bảng 1)

Bảng 1: Thang điểm đánh giá khả năng chịu hạn của lúa theo IRRI

hồi (%)

0 Lá khoẻ bình thường Không thấy dấu hiệu khô

5 Lá khum hình chữ U 1/4 đến 1/2 số lá bị khô 40-69

7 Lá cuộn tròn hình O Hơn 2/3 số lá khô hoàn toàn 20-39

III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

1 Kết quả đánh giá khả năng chịu hạn các giống lúa

134 giống lúa nương, nếp và các giống địa phương được đưa vào thí nghiệm đánh giá chịu hạn qua 3 chỉ tiêu: Độ cuốn lá (Leaf rolling), độ khô của lá (Leaf drying) và khả năng phục hồi của cây (Leaf recovering) Qua kết quả ở bảng 2 cho thấy trong số134 mẫu giống lúa nếp, nương và địa phương thì có 53 giống (chiếm 39,5)% là các giống lúa biểu hiện khả năng chịu hạn tốt, 6% là các giống chịu hạn khá, còn lại là hơn 50% là các giống lúa chịu hạn kém (Bảng 2)

Bảng 2: Khả năng chịu hạn và một số đặc điểm chính của các giống lúa nương,

nếp và giống địa phương

TT giống KH Tên giống Nguồn gốc TG ST

Năng suất (tạ/ha)

Phẩm chất Chịu hạn Một số đặc điểm chính

Không thơm Tốt

Cứng cây yếu, đẻ nhánh mạnh

Nương - 154 45,70 Không thơm TB

Cây trung bình, đẻ nhánh cụm

3. Khẩu Dọn - 152 65,70 Không thơm Tốt Cây trung bình, đẻ nhánh yếu

4. Khẩu Lặc 133 62,51 Thơm ít Tốt Hạt dài, cây trung

bình, đẻ nhánh tốt

Cây cứng, đẻ nhánh

yếu

7. Khẩu Tế lâu 144 41,05 Ít thơm TB Hạt thóc to Cây trung bình, đẻ nhánh cụm

Cây cứng, đẻ nhánh mạnh

9. Khẩu Lon - 126 42,35 Thơm Kém Cây cứng, đẻ nhánh mạnh

10. Khẩu Pê - 139 32,67 Không thơm TB Cây thấp, cứng cây

trung bình, đẻ nhánh