Tổng quan nghiên cứu

Lúa gạo (Oryza sativa L.) là nguồn lương thực chính cho hơn một nửa dân số thế giới, đóng vai trò quan trọng trong an ninh lương thực và kinh tế quốc gia, đặc biệt tại Việt Nam, nơi lúa chiếm khoảng 35% tổng giá trị sản xuất nông nghiệp. Tuy nhiên, biến đổi khí hậu và tình trạng hạn hán ngày càng gia tăng đã ảnh hưởng nghiêm trọng đến năng suất lúa, do cây lúa có khả năng chịu hạn kém. Theo ước tính, hàng năm khoảng một phần ba tổng sản lượng lương thực bị mất do thiên tai, trong đó hạn hán là nguyên nhân chính làm giảm năng suất lúa.

Nghiên cứu này nhằm khảo sát ảnh hưởng của oligochitosan, một dẫn xuất của chitosan với trọng lượng phân tử thấp, lên khả năng chịu hạn của cây mạ lúa giống IR64 trong điều kiện hạn nhân tạo (mannitol 30 g/L) in vitro. Mục tiêu cụ thể là đánh giá tác động của chitosan trọng lượng 573.170 Da và oligochitosan các phân đoạn 30.143 Da, 11.126 Da, 5.994 Da, 4.592 Da ở các nồng độ 25; 50; 75 và 100 ppm lên sự sinh trưởng, các chỉ tiêu hình thái, sinh lý và sinh hóa của cây mạ lúa. Thời gian nghiên cứu từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2022 tại phòng thí nghiệm Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP. HCM.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc tìm ra giải pháp sinh học giúp cải thiện khả năng chịu hạn của cây lúa, góp phần nâng cao năng suất và ổn định sản xuất trong bối cảnh biến đổi khí hậu ngày càng phức tạp. Các chỉ số như chiều cao cây, số lượng rễ, hàm lượng sắc tố quang hợp, đường tổng, proline và protein tổng được sử dụng làm metrics đánh giá hiệu quả của oligochitosan trong việc tăng cường khả năng chống chịu hạn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết về sinh trưởng thực vật, cơ chế chịu hạn và tác dụng của chitosan trong nông nghiệp. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  1. Cơ chế chịu hạn của thực vật: Thực vật chịu hạn thông qua hai cơ chế chính là tránh mất nước (phát triển bộ rễ sâu, giảm thoát hơi nước qua khí khổng) và chịu mất nước (tích lũy các chất hòa tan như proline, đường tổng để điều chỉnh áp suất thẩm thấu). Proline và đường hòa tan đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ cấu trúc tế bào và duy trì hoạt động sinh lý khi bị stress hạn.

  2. Tác dụng của chitosan và oligochitosan: Chitosan là polymer từ chitin có khả năng kích thích hệ thống phòng vệ của cây, tăng cường hoạt động chống oxy hóa, điều hòa áp suất thẩm thấu và bảo vệ màng tế bào. Oligochitosan với trọng lượng phân tử thấp hơn dễ hòa tan và có tiềm năng ứng dụng cao trong việc cải thiện khả năng chịu hạn của cây trồng.

Các khái niệm chính bao gồm: stress hạn, áp suất thẩm thấu, proline, đường tổng, enzyme chống oxy hóa, chitosan, oligochitosan, và các chỉ tiêu sinh trưởng hình thái.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ thí nghiệm in vitro trên cây mạ lúa giống IR64, được thực hiện tại phòng thí nghiệm Công nghệ Sinh học, Trường Đại học Bách Khoa TP. HCM. Cỡ mẫu gồm 60 cây mạ/lần lặp lại cho các chỉ tiêu hình thái, 6 mẫu cho tỷ lệ trọng lượng khô/tươi, và 3 lần lặp lại cho các chỉ tiêu sinh lý, sinh hóa.

Phương pháp chọn mẫu là hoàn toàn ngẫu nhiên với 21 nghiệm thức xử lý khác nhau, bao gồm đối chứng và các nồng độ chitosan, oligochitosan (25, 50, 75, 100 ppm) trong môi trường hạn nhân tạo (mannitol 30 g/L). Thời gian nghiên cứu kéo dài 10 ngày nuôi cấy sau xử lý.

Phân tích dữ liệu sử dụng phần mềm SPSS phiên bản 26, áp dụng phương pháp phân tích phương sai một chiều (ANOVA) và kiểm định Duncan với mức ý nghĩa p ≤ 0,05 để xác định sự khác biệt có ý nghĩa thống kê giữa các nghiệm thức.

Các chỉ tiêu đo lường gồm: chiều cao cây, số lượng lá, số lượng rễ, tỷ lệ trọng lượng khô/tươi, hàm lượng sắc tố quang hợp (chlorophyll a, b, carotenoid), hàm lượng đường tổng, proline, protein tổng. Các phương pháp xác định sinh hóa được thực hiện theo chuẩn quốc tế như phương pháp phenol-sulfuric acid cho đường tổng, phương pháp ninhydrin cho proline, Bradford cho protein.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của hạn nhân tạo lên cây mạ lúa: Mannitol ở nồng độ 30 g/L làm giảm chiều cao cây từ 6,91 cm (đối chứng) xuống còn 6,32 cm, số lượng rễ giảm từ 15,23 xuống 11,67 (giảm khoảng 23%). Hàm lượng chlorophyll a giảm từ 1,04 μg/g xuống 0,92 μg/g, trong khi carotenoid tăng lên 0,38 μg/g (tăng 36% so với đối chứng).

  2. Ảnh hưởng của oligochitosan lên chiều cao và số lượng rễ: Oligochitosan phân đoạn II (11.126 Da) ở nồng độ 50 và 75 ppm làm tăng chiều cao cây lên 7,24 - 7,29 cm, cao hơn khoảng 12% so với đối chứng trong điều kiện hạn. Số lượng rễ duy trì ổn định khoảng 12 rễ/cây, không giảm so với đối chứng.

  3. Tỷ lệ chất khô và hàm lượng đường tổng: Tỷ lệ chất khô giảm đáng kể ở nghiệm thức oligochitosan II 50 và 75 ppm (0,34 - 0,35 g/g), thấp hơn khoảng 50% so với đối chứng (0,67 g/g). Hàm lượng đường tổng trong lá giảm từ 8,62 mg/g (đối chứng) xuống còn 2,91 mg/g (giảm gần 3 lần) ở nghiệm thức oligochitosan II 50 ppm.

  4. Hàm lượng proline và protein tổng: Hàm lượng proline giảm từ 0,59 nmol/g (đối chứng) xuống 0,22 nmol/g ở lá và 0,19 nmol/g ở rễ tại nghiệm thức oligochitosan II 75 ppm, giảm hơn 60%. Hàm lượng protein tổng cũng giảm nhẹ ở các nghiệm thức oligochitosan II và III, trong khi các nghiệm thức chitosan và oligochitosan I, IV không có sự khác biệt đáng kể so với đối chứng.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy oligochitosan, đặc biệt phân đoạn II với trọng lượng phân tử khoảng 11.126 Da, có khả năng cải thiện khả năng chịu hạn của cây mạ lúa bằng cách duy trì chiều cao và số lượng rễ, đồng thời giảm các chỉ số sinh hóa như tỷ lệ chất khô, đường tổng và proline. Sự giảm proline và đường tổng có thể phản ánh khả năng giảm stress nội bào nhờ oligochitosan kích thích hệ thống phòng vệ và điều hòa áp suất thẩm thấu hiệu quả hơn.

So với các nghiên cứu trước đây, kết quả phù hợp với báo cáo rằng chitosan và oligochitosan kích thích sự biểu hiện gen chống stress và tăng cường hoạt động enzyme chống oxy hóa, giúp cây duy trì sinh trưởng trong điều kiện hạn. Sự khác biệt về tác động giữa các phân đoạn oligochitosan có thể do khả năng thâm nhập và tương tác với thụ thể tế bào khác nhau, dẫn đến hiệu quả sinh học khác nhau.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ cột so sánh chiều cao cây, số lượng rễ và biểu đồ đường thể hiện hàm lượng proline, đường tổng theo từng nghiệm thức để minh họa rõ ràng sự khác biệt giữa các nhóm xử lý.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng oligochitosan phân đoạn II (11.126 Da) ở nồng độ 50-75 ppm trong giai đoạn mạ lúa để tăng cường khả năng chịu hạn, giúp duy trì chiều cao và số lượng rễ, giảm stress sinh hóa. Thời gian áp dụng trong 10 ngày đầu giai đoạn nảy mầm.

  2. Phát triển quy trình xử lý hạt giống bằng oligochitosan nhằm nâng cao khả năng chống chịu hạn cho các giống lúa phổ biến, đặc biệt ở các vùng thường xuyên bị hạn hán như đồng bằng sông Cửu Long và đồng bằng sông Hồng.

  3. Khuyến khích nghiên cứu mở rộng về cơ chế phân tử của oligochitosan trên cây lúa, bao gồm biểu hiện gen và hoạt động enzyme chống oxy hóa để tối ưu hóa hiệu quả sử dụng.

  4. Hướng dẫn nông dân và doanh nghiệp sản xuất giống áp dụng công nghệ xử lý oligochitosan trong sản xuất cây giống, góp phần nâng cao năng suất và ổn định sản xuất trong điều kiện biến đổi khí hậu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Công nghệ Sinh học, Nông học: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu thực nghiệm về tác động của oligochitosan lên cây lúa chịu hạn, làm cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo về stress sinh học.

  2. Chuyên gia phát triển giống cây trồng và kỹ thuật viên nông nghiệp: Tham khảo để áp dụng kỹ thuật xử lý hạt giống bằng oligochitosan nhằm cải thiện khả năng chịu hạn của giống lúa IR64 và các giống khác.

  3. Doanh nghiệp sản xuất vật tư nông nghiệp: Tìm hiểu tiềm năng ứng dụng oligochitosan làm chất kích thích sinh trưởng và tăng cường khả năng chống chịu hạn cho cây trồng, phát triển sản phẩm mới.

  4. Nhà hoạch định chính sách nông nghiệp và phát triển bền vững: Căn cứ vào kết quả nghiên cứu để xây dựng các chương trình hỗ trợ kỹ thuật sinh học giúp nông dân ứng phó với biến đổi khí hậu và hạn hán.

Câu hỏi thường gặp

  1. Oligochitosan là gì và khác gì so với chitosan?
    Oligochitosan là phân đoạn nhỏ của chitosan với trọng lượng phân tử thấp hơn, dễ hòa tan trong nước và có khả năng thâm nhập tế bào tốt hơn, từ đó tăng hiệu quả kích thích sinh trưởng và khả năng chịu hạn của cây trồng.

  2. Tại sao lại sử dụng mannitol để tạo điều kiện hạn nhân tạo?
    Mannitol là một chất tạo áp suất thẩm thấu, giúp mô phỏng điều kiện thiếu nước trong môi trường in vitro, từ đó đánh giá khả năng chịu hạn của cây dưới các điều kiện kiểm soát.

  3. Ảnh hưởng của oligochitosan lên các chỉ tiêu sinh hóa như proline và đường tổng như thế nào?
    Oligochitosan làm giảm hàm lượng proline và đường tổng trong cây mạ lúa so với đối chứng, cho thấy cây ít bị stress hơn và có khả năng điều hòa áp suất thẩm thấu hiệu quả hơn khi được xử lý.

  4. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu này trong sản xuất nông nghiệp thực tế không?
    Có, việc xử lý hạt giống hoặc cây mạ bằng oligochitosan có thể được áp dụng để tăng cường khả năng chịu hạn, giúp nâng cao năng suất và ổn định sản xuất trong điều kiện hạn hán phổ biến ở nhiều vùng trồng lúa.

  5. Nồng độ oligochitosan nào là tối ưu cho cây mạ lúa IR64?
    Nghiên cứu cho thấy nồng độ 50-75 ppm của oligochitosan phân đoạn II (11.126 Da) là hiệu quả nhất trong việc cải thiện chiều cao cây và khả năng chịu hạn mà không gây tác động tiêu cực đến các chỉ tiêu sinh hóa.

Kết luận

  • Oligochitosan phân đoạn II (11.126 Da) ở nồng độ 50-75 ppm giúp tăng chiều cao cây mạ lúa IR64 khoảng 12% trong điều kiện hạn nhân tạo.
  • Hàm lượng proline và đường tổng giảm đáng kể khi xử lý oligochitosan, phản ánh giảm stress nội bào và cải thiện khả năng chịu hạn.
  • Tỷ lệ chất khô giảm ở các nghiệm thức oligochitosan II và III cho thấy sự điều hòa sinh trưởng hiệu quả hơn trong điều kiện hạn.
  • Các chỉ tiêu sinh lý và sinh hóa được đánh giá bằng phương pháp chuẩn, đảm bảo tính chính xác và tin cậy của kết quả.
  • Nghiên cứu mở ra hướng ứng dụng oligochitosan trong sản xuất giống và kỹ thuật canh tác nhằm nâng cao khả năng chống chịu hạn của cây lúa trong bối cảnh biến đổi khí hậu.

Tiếp theo, cần triển khai nghiên cứu ứng dụng quy mô lớn ngoài đồng ruộng và phân tích cơ chế phân tử để tối ưu hóa hiệu quả sử dụng oligochitosan. Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp được khuyến khích hợp tác phát triển sản phẩm dựa trên kết quả này nhằm góp phần đảm bảo an ninh lương thực bền vững.

Nếu bạn quan tâm đến việc áp dụng oligochitosan trong nông nghiệp hoặc muốn tìm hiểu sâu hơn về khả năng chịu hạn của cây lúa, hãy liên hệ với các chuyên gia công nghệ sinh học hoặc các trung tâm nghiên cứu nông nghiệp để được tư vấn và hỗ trợ kỹ thuật phù hợp.