Một số đặc điểm hóa sinh liên quan đến khả năng chịu mất nước của cây lúa nương địa phương ở giai đoạn mạ

Nguyễn Thị Ngọc Lan và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 63(1): 81 - 85 81 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên MỘT SỐ ĐẶC ĐIỂM HÓA SINH LIÊN QUAN ĐẾN KHẢ NĂNG CHỊU MẤT NƢỚC CỦA CÂY LÚA NƢƠNG ĐỊA PHƢƠNG Ở GIAI ĐOẠN MẠ Nguyễn Thị Ngọc Lan1, Vi Văn Bảo1, Chu Hoàng Mậu2, Nguyễn Nhƣ Khanh3 1 Trường Đại học Sư phạm – ĐH Thái Nguyên, 2 Đại học Thái Nguyên, 3 Trường Đại học Sư phạm Hà Nội TÓM TẮT Hạn hán có tác động tiêu cực đối với cây lúa cạn, ảnh hƣởng lớn nhất là giai đoạn cây mạ. Khi tế bào mất nƣớc, các chất hòa tan trong cơ thể thực vật sẽ đƣợc tích luỹ dần trong tế bào chất làm tăng khả năng giữ nƣớc của nguyên sinh chất. Bài báo này đề cập đến kết quả nghiên cứu về một số đặc điểm hóa sinh liên quan đến khả năng chịu mất nƣớc ở giai đoạn mạ của cây lúa nƣơng địa phƣơng ở Việt Nam. Khả năng chịu mất nƣớc của các giống lúa nƣơng đã đƣợc đánh giá và xếp loại, trong đó giống chịu mất nƣớc tốt là giống Gb, còn giống Klk là giống chịu mất nƣớc kém nhất. Kết quả phân tích các chỉ hóa sinh nhƣ: hàm lƣợng chlorophyll tổng số, chlorophyll liên kết tổng số, hàm lƣợng prolin, hàm lƣợng axit hữu cơ và áp suất thẩm thấu đã cho thấy có sự tồn tại mối tƣơng quan thuận giữa các chỉ tiêu này với khả năng chịu hạn của các giống lúa nghiên cứu; có thể căn cứ vào các chỉ tiêu hóa sinh để bƣớc đầu đánh giá và tuyển chọn giống lúa chịu mất nƣớc giới thiệu cho sản xuất. Từ khóa: Áp xuất thẩm thấu, chịu mất nước, đặc điểm hóa sinh, giai đoạn mạ, lúa nương. * MỞ ĐẦU Trong thời gian gần đây, nhiều nghiên cứu trong lĩnh vực nông lâm ngƣ nghiệp tập trung vào việc nâng cao năng suất, chất lƣợng và tính chống chịu của vật nuôi cây trồng. Các tác nhân ngoại cảnh bất lợi thƣờng gặp đối với thực vật là hạn hán, nóng, lạnh ...gây nên sự mất nƣớc của mô thực vật.Vì thế, các nghiên cứu về khả năng chịu mất nƣớc của cây trồng đã và đang đƣợc các nhà khoa học quan tâm đến [10], [11], [15], [18]. Khi tế bào mất nƣớc, các chất hòa tan trong cơ thể thực vật sẽ đƣợc tích luỹ dần trong tế bào chất làm tăng khả năng giữ nƣớc của nguyên sinh chất. Hầu hết các loại chất hữu cơ hoà tan có tác dụng điều chỉnh áp suất thẩm thấu đƣợc sinh ra ngay trong quá trình đồng hoá và trao đổi chất. Những thay đổi hoá sinh khác do hạn gây ra cũng đã đƣợc nghiên cứu, chẳng hạn nhƣ giảm cố định CO2, giảm tổng hợp protein và axit nucleic, tăng hoạt tính ribonucleaza, làm tăng hàm lƣợng prolin, tăng nồng độ các chất hoà tan nhƣ betaine. Các nghiên cứu đều cho rằng khi cây gặp hạn, tế bào mất nƣớc đã xảy ra hiện tƣợng tăng lên về hàm lƣợng ABA, hàm lƣợng * Tel: 0983 581 979; Email.: ntnl2008@gmail.com proline, nồng độ ion K+, các loại đƣờng, axit hữu cơ,... giảm phức hợp CO2, protein và các axit nucleic [1], [2]. Trong phân loại nhóm cây trồng dựa trên khả năng chịu hạn thì cây lúa đƣợc xếp vào loại cây trồng có khả năng chịu hạn kém nhất của nhóm cây chịu hạn kém [4]. Quá trình sinh trƣởng và phát triển của cây lúa bao gồm nhiều giai đoạn, trong đó hạn có ảnh hƣởng lớn nhất ở giai đoạn hạt nảy mầm, giai đoạn cây mạ và giai đoạn trổ bông. Nếu thiếu nƣớc ở các giai đoạn này cây lúa sẽ ngừng sinh trƣởng, phát triển hoặc có thể bị chết làm hạn chế năng suất và sản lƣợng lúa. Có thể khẳng định chống hạn là đặc tính cơ bản để ổn định năng suất ở các địa bàn trồng lúa không chủ động về nƣớc tƣới. Để xác định nhanh tính chịu hạn của năm giống lúa nƣơng địa phƣơng, chúng tôi tiến hành đánh giá khả năng chịu hạn đồng thời tiến hành phân tích một số chỉ tiêu sinh lý, hóa sinh liên quan đến tính chịu hạn ở giai đoạn mạ. VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Sử dụng các giống lúa nƣơng địa phƣơng do Trung tâm Tài nguyên Di truyền Thực vật, Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam cung cấp làm vật liệu nghiên cứu. Nguyễn Thị Ngọc Lan và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 63(1): 81 - 85 82 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Đánh giá nhanh khả năng chịu mất nƣớc của các giống lúa nƣơng địa phƣơng ở giai đoạn mạ theo phƣơng pháp của Lê Trần Bình và cs [1]. Hàm lƣợng axit hữu cơ tổng số trong mẫu đƣợc xác định theo phƣơng pháp của Ermacov [20]. Phân tích hàm lƣợng prolin theo phƣơng pháp của Bates và cs có cải tiến (1973) [7]. Hàm lƣợng chlorophyll đƣợc xác định theo phƣơng pháp của Wintermans, De Mots [3]. Xác định áp suất thẩm thấu của tế bào bằng phƣơng pháp so sánh tỷ trọng trong dung dịch [3]. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Chỉ số chịu hạn tƣơng đối của 5 giống lúa nƣơng Chúng tôi đánh giá khả năng chịu mất nƣớc của 5 giống lúa nƣơng địa phƣơng thông qua việc xác định chỉ số chịu hạn tƣơng đối của từng giống lúa nƣơng dựa trên kết quả phân tích các chỉ tiêu tỷ lệ phầm trăm cây không héo và cây phục hồi sau 1, 3, 5 ngày gây hạn. Chỉ số chịu hạn càng lớn khả năng chịu mất nƣớc của cây càng cao và ngƣợc lại. Đây là cơ sở để đánh giá và tuyển chọn giống lúa có khả năng chịu mất nƣớc. Kết quả xác định chỉ số chịu hạn của 5 giống lúa nƣơng địa phƣơng đƣợc trình bày ở bảng 1. Bảng 1. Chỉ số chịu hạn tƣơng đối STT Giống Chỉ số chịu hạn 1 Bcc 11220,67 2 Gb 13840,71 3 Klk 7217,72 4 Ln 11544,18 5 Mt 10210,80 Số liệu ở bảng 1 cho thấy, chỉ số chịu hạn của 5 giống lúa nƣơng có sự chênh lệch khá lớn, cao nhất là giống Gb (13840,71), thấp hơn là giống Ln (11544,18), tiếp theo là giống Bcc (11220,67) và giống Mt (10210,80), cuối cùng là giống Klk. Nhƣ vậy có thể xếp khả năng chịu mất nƣớc theo thứ tự giảm dần của các giống lúa là: Gb > Ln > Bcc > Mt> Klk. Hàm lƣợng prolin trong cây mạ Prolin là một axit amin liên quan nhiều đến sự gia tăng áp suất thẩm thấu khi gặp điều kiện bất lợi của môi trƣờng. Prolin cũng là một trong các chỉ tiêu quan trọng nhất điều kiện thiếu hụt nƣớc và đƣợc coi nhƣ là một thông số để xác định sự khô hạn sinh lý của cây trồng. Vì vậy, chúng tôi đã phân tích hàm lƣợng prolin của 5 giống lúa nƣơng, kết quả đƣợc thể hiện ở hình 1. Hình 1. Hàm lƣợng prolin của cây mạ Các giống lúa nghiên cứu có hàm lƣợng prolin dao động từ 0,22 đến 0,35 M/mg mẫu tƣơi phân tích. Giống Gb có khả năng chịu hạn tốt nhất trong 5 giống thì cũng có hàm lƣợng prolin trong cây cao nhất đạt 0,35 M/mg, sau đó là các giống Bcc, Ln, Mt và thấp nhất là giống Klk, đây cũng là giống kém chịu hạn nhất. Nhƣ vậy, rõ ràng có sự liên quan khá chặt chẽ giữa khả năng chịu hạn với hàm lƣợng prolin trong cây mạ. Prolin là một axit amin có vai trò tăng khả năng giữ nƣớc của tế bào. Sự tích lũy prolin trong cây có thể là phản ứng thích nghi chống lại sự thiếu nƣớc. Kết quả nghiên cứu này của chúng tôi cũng tƣơng tự với các nghiên cứu về mối liên quan giữa tính chống chịu với hàm lƣợng prolin trên các loại cây trồng khác nhau [2], [7]. Hàm lƣợng axít hữu cơ trong cây mạ Bảng 2. Hàm lƣợng axít hữu cơ (* ldl: mili đương lượng) STT Giống Hàm lƣợng axit tổng số (ldl * /g mẫu tƣơi) 1 Bcc 42,05 ± 0,050 2 Gb 42,8 ± 0,100 3 Klk 28,06 ± 0,026 4 Ln 41,95 ± 0,132 5 Mt 36,6 ± 0,755 M/mg Giống Nguyễn Thị Ngọc Lan và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 63(1): 81 - 85 83 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Axit hữu cơ là sản phẩm trung gian trong quá trình trao đổi chất và năng lƣợng. Bên cạnh đó các axit hữu cơ tan cũng là chất có hoạt tính thẩm thấu góp phần tham gia điều chỉnh áp suất thẩm thấu trong tế bào. Kết quả ở bảng 2 cho thấy hàm lƣợng axit tổng số trong 5 giống lúa thí nghiệm có biến đổi khác nhau. Trong đó, giống Klk là giống có hàm lƣợng axit hữu cơ tổng số thấp nhất chỉ đạt 28 ldl/g mẫu tƣơi, còn giống Gb là có hàm lƣợng axit hữu cơ tổng số cao nhất – 42,8 ldl/g mẫu tƣơi. Khi gặp điều kiện gây mất nƣớc, cây trồng có sự gia tăng tích lũy các chất có hoạt tính thẩm thấu để tăng áp suất thẩm thấu thúc đẩy quá trình hút nƣớc và giữ nƣớc của cây. Cùng với các chất hòa tan khác thì hàm lƣợng axit trong cây cũng là yếu tố tạo cơ sở cho tính chống chịu của cây trồng. Nghiên cứu của Võ Minh Thứ về tính chống chịu mặn ở lúa cũng có kết luận tƣơng tự [5]. Hàm lƣợng chlorophyll của cây mạ Hàm lƣợng chlorophyll trong lá là một chỉ số thể hiện khả năng quang hợp của cây (Nageswara và cs, 2001 [13]; Wright và cs, 1994 [17]) và là yếu tố có liên quan trực tiếp đến quá trình tăng trƣởng của cây (Farquhar và Richards, 1984 [8]). Bộ máy quang hợp trong lá cây thƣờng rất mẫn cảm với những thay đổi của môi trƣờng. Khi gặp điều kiện thiếu nƣớc làm quá trình tổng hợp mới chlorophyll bị ngừng trệ đồng thời cấu trúc của bộ máy quang hợp cũng bị hƣ hại làm thay đổi lƣợng chlorophyll tổng số và chlorophyll liên kết trong lá. Vì thế chúng tôi đã tiến hành phân tích hai chỉ tiêu này ở mô lá của các giống lúa (bảng 3). Bảng 3. Hàm lƣợng chlorophyll tổng số và chlorophyll liên kết Giống Chlorophyll tổng số (mg/g) Chlorophyll liên kết (mg/g) Chl a(mg/g) Chl b Chl (a+b) Chl a Chl b Chl (a+b) Bcc 1,39 ± 0,030 0,52 ± 0,012 1,91 ± 0,037 0,65 ± 0,008 0,27 ± 0,004 0,92 ± 0,005 Gb 1,41 ± 0,003 0,55 ± 0,001 1,96 ± 0,002 0,67 ± 0,014 0,32 ± 0,007 0,99 ± 0,006 Klk 1,10 ± 0,015 0,40 ± 0,023 1,50 ± 0,009 0,41 ± 0,004 0,20 ± 0,003 0,61 ± 0,003 Ln 1,32 ± 0,003 0,62 ± 0,002 1,93 ± 0,002 0,66 ± 0,015 0,31 ± 0,009 0,97 ± 0,018 Mt 1,29 ± 0,005 0,51 ± 0,006 1,80 ± 0,007 0,53 ± 0,003 0,24 ± 0,005 0,77 ± 0,003 Khi nghiên cứu mối liên quan giữa hàm lƣợng nƣớc và hàm lƣợng chlorophyll ở cây vừng (Sesamum indicum L.) trong các điều kiện cung cấp nƣớc khác nhau, Hassanzadeh và cs (2009) [9] đã đề nghị có thể dựa vào hàm lƣợng chlorophyll b và chlorophyll tổng số để tuyển chọn giống chịu hạn và có năng suất cao. Theo Percival và Noviss (2008) [14], hàm lƣợng chlorophyll trong lá và huỳnh quang chlorophyll cao đã tăng cƣờng tính chịu hạn kéo dài, giúp cây nhanh phục hồi sau hạn. Chỉ số về tính ổn định của chlorophyll còn có liên quan mật thiết với năng suất của các giống kê (Panicum miliaceum) trong điều kiện khô hạn (Masood Ali, 1986) [12]. Khi nghiên cứu về tính chịu hạn ở cây lạc (Arachis hypogaea L.), Arunyanark và cs (2008) [6] đã khẳng định sự ổn định của chlorophyll là một chỉ tiêu đặc trƣng cho tính chịu hạn ở lạc. Kết quả ở bảng 3 cho thấy, hàm lƣợng chlorophyll tổng số của các giống lúa nghiên cứu dao động trong khoảng từ 1,50 đến 1,96 và thứ tự xếp từ cao xuống thấp về giá trị của hàm lƣợng chlorophyll tổng số là: Gb > Ln > Bcc > Mt > Klk. Hàm lƣợng chlorophyll liên kết trong lá của các giống có giá trị từ cao đến thấp cũng tƣơng tự với hàm lƣợng chlorophyll tổng số và giống Gb vẫn có hàm lƣợng chlorophyll liên kết cao nhất ở cả ba nhóm (chlorophyll a, chlorophyll b, chlorophyll (a+b)) và thấp nhất ở giống Klk. Áp suất thẩm thấu của cây mạ Đặc tính chịu hạn của cây trồng là do nhiều yếu tố quyết định nhƣ đặc điểm hình thái, giải phẫu; các chỉ tiêu sinh lý, hóa sinh ... Trong đó, sự điều chỉnh áp suất thẩm thấu dịch bào là một phản ứng cơ bản đối với sự thiếu hụt Nguyễn Thị Ngọc Lan và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 63(1): 81 - 85 84 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên nƣớc. Vì thế, bên cạnh việc xác định hàm lƣợng một số chất có hoạt tính thẩm thấu chúng tôi còn xác định áp suất thẩm thấu của 5 giống lúa. Bảng 4. Áp suất thẩm thấu của cây mạ STT Giống Áp suất thẩm thấu (atm) 1 Bcc 5,96 2 Gb 6,46 3 Klk 4,22 4 Ln 6,09 5 Mt 5,96 Từ kết quả phân tích áp suất thẩm thấu của các giống lúa ở bảng 4, chúng tôi thấy giữa các giống lúa nghiên cứu có sự biến động khác nhau không nhiều về áp suất thẩm thấu. Tuy nhiên, giống Gb vẫn là giống có áp suất thẩm thấu cao nhất – 6,46 atm tiếp sau lần lƣợt là các giống Ln (6,09 atm), Bcc và Mt cùng đạt giá trị là 5,96 atm, cuối cùng là giống Klk chỉ đạt 4,22 atm. Các nghiên cứu của Zhang và cs (1999), Taix và Zeiger (1998) đã chỉ ra rằng, áp suất thẩm thấu khác nhau của các giống cây trồng có thể do các gen hay QTL (quantitative trait loci ) kiểm soát sự điều chỉnh thẩm thấu qui định chiều hƣớng thích nghi khác nhau [19], [16]. KẾT LUẬN Đã xác định đƣợc mức độ chịu hạn của các giống lúa nƣơng địa phƣơng, giống Gb chịu hạn tốt và giống Klk chịu hạn kém nhất. Các chỉ tiêu sinh hóa nhƣ: hàm lƣợng chlorophyll tổng số, chlorophyll liên kết tổng số, hàm lƣợng prolin, hàm lƣợng axit hữu cơ và áp suất thẩm thấu có mối tƣơng quan thuận với khả năng chịu hạn của cây lúa nƣơng. Đây là cơ sở để bƣớc đầu đánh giá và tuyển chọn giống lúa chịu mất nƣớc, giới thiệu cho sản xuất. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Lê Trần Bình, Lê Thị Muội (1998), Phân lập gen và chọn dòng chống chịu ngoại cảnh bất lợi ở cây lúa, Nxb Đại học Quốc gia, Hà Nội. [2]. Nguyễn Hữu Cƣờng, Nguyễn Thị Kim Anh, Đinh Thị Phòng, Lê Thị Muội, Lê Trần Bình (2003), “Mối tƣơng quan giữa hàm lƣợng proline và tính chống chịu ở cây lúa”. Tạp chí Công nghệ sinh học 1(1), 85-95 [3]. Nguyễn Nhƣ Khanh, Nguyễn Duy Minh (1997), Thực hành sinh lý thực vật, Nxb Hà Nội. [4].Trần Thị Phƣơng Liên (1999), Nghiên cứu đặc tính hóa sinh và sinh học phân tử của một số giống đậu tương có khả năng chịu nóng, chịu hạn ở Việt Nam. Luận án tiến sỹ Sinh học, Hà Nội [5]. Võ Minh Thứ (1999), Nghiên cứu so sánh một số chỉ tiêu sinh ly, sinh hóa của bốn giống lúa chịu mặn khác nhau dưới ảnh hưởng của mặn NaCl và mặn có xử lý KClO3. Luận án tiến sỹ Sinh học, Hà Nội. [6]. Arunyanark, A; Jogloy, S; Akkasaeng, C; Vorasoot, N; Kesmala, T; Nageswara Rao, R. C; Wright, G. C;Patanothai, A. (2008) Chlorophyll stability is an indicator of drought tolerance in peanut. Journal of Agronomy and Crop Science, Volume 194, Number 2, pp. 113-125(13) [7]. Bates LS, Waldren RP and Teare ID. 1973. Rapid determination of free proline for water stress studies. Plant and soil 39, 205-207 [8]. Farquhar, G.D. and Richards, R.A. (1984), Isotope composition of plant carbon correlates with water use efficiency of wheat genotypes. Aust. J. Plant Physiol. 11: 539-552. [9]. M. Hassanzadeh, A. Ebadi, M. Panahyan-e- Kivi, A.G. Eshghi, Sh. Jamaati-e-Somarin, M. Saeidi and R. Zabihi-e-Mahmoodabad. (2009). Evaluation of Drought Stress on Relative Water Content and Chlorophyll Content of Sesame (Sesamum indicum L.) Genotypes at Early Flowering Stage. Research Journal of Environmental Sciences. Volume: 3, Issue: 3 p: 345-350. [10]. Jann P. Conroy, James M. Virgona, Robert M. Smillie and Edward W. Barlow (1988), Influence of drought acclimation and CO2 enrichment on osmotic adjustment and chlorophyll a fluorescence of sunflower during drought. Plant Physiology 86:1108-1115 [11]. Longenberger, Polly; Smith, Wayne; Burke, John; McMichael, Bobbie (2007) Drought tolerance classification via chlorophyll fluroescence in upland cotton (Gossypium hirsutum L.). Characterization and enhancement of plant resistance to water-deficit and thermal stresses. Plant Stress and Germplasm Development. ASA- CSSA-SSSA Annual Meeting Abstracts [12]. Masood Ali, B. D. Patil, N. C. Sinha, C. R. Rawat (1986), Studies on some Drought Resistant Traits of Pearl Millet Cultivars and their Association with Grain Production under Natural Drought. Journal of Agronomy and Crop Science. Volume 156 Issue 2, p 133-137. [13]. Nageswara Rao RC, Talwar HS and Wright GC (2001), Rapid assessment of specific leaf area and leaf nitrogen in peanut (Arachis hypogaea L.) Nguyễn Thị Ngọc Lan và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 63(1): 81 - 85 85 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên using chlorophyll meter. Journal of Agronomy and Crop Science 189:175-182. [14]. Percival GC và Noviss K (2008) Triazole induced drought tolerance in horse chestnut (Aesculushippocastanum). Tree Physiol.28(11):1685-92. [15]. Somerville C, Briscoe J(2001), Genetic engineering and water. Science 2001, 292:2217. [16]. Taix L. and Zeiger E. (1998), Plant Physiology, Sinauer Associates, Inc, Sinderland, Massachusetts. [17]. Wright, G.C., Nageswara Rao RC and Farquhar, G.D. (1994), Water use effciency and carbon isotope discrimination in peanut under water deficit conditions. Journal of Agronomy and Crop Science. 34: 92-97. [18]. Zhang JZ, Creelman RA, Zhu J-K. (2004), From laboratory to field. Using information from Arabidopsis to engineer salt, cold, and drought tolerance in crops. Plant Physiol, 135:615-621). [19]. Zhang J., Nguyen H.T. and Blum A. (1999) “Genetic analysis of osmotic adjustment in crop plants”. plant Physiology, Vol. 50: 291- 302. [20]. A.И.Epmakob (1972), Memoәы Ϭuoxumuчeckoso Uccлeәobahuя pacmemuй. Лemuhzpag Изәateлbctbo. Koлoc. SUMMARY SOME BIOCHEMICAL CHARACTERISTICS RELATED TO DROUGHT RESISTANCE OF LOCAL UPLAND RICE CULTIVARS AT THE SEEDLING STAGE Nguyen Thi Ngoc Lan 12 , Vi Van Bao 1 , Chu Hoang Mau 2 , Nguyen Nhu Khanh 3 1 Collect of Education- Thai Nguyen University, 2 Thai Nguyen University, 3 Ha Noi University of Education Drought have negative effects for many crops. Seedling stage was a period that is most influential by drought. When cells lose water, dissolved substances in the plant body will be accumulated in the cytoplasm to increase the water holding capacity of the cytoplasm. This article refers to research results on some biochemical characteristics related to drought resistance in the seedling stage of local upland rice in Vietnam. Resistant to dehydration of rice varieties were evaluated and ranked, Gb is the best and the worst is Klk. The analysis of biochemical indicators such as total chlorophyll content, total chlorophyll link, prolin content, organic acid content and osmotic pressure; results show correlation agreement between the targets with the ability of drought- resistant rice varieties, It can base on biochemical targets to initially review and selection of dehydration resistant rice varieties. Key wods: Biochemical characteristics,drought resistance, osmotic pressure, local upland rice, seedling stage. 2 Tel: 0983 581 979; Email.: ntnl2008@gmail.com