Luận văn thạc sĩ nghiên cứu khả năng tập chống chịu hạn hán của khoai tây solanum tuberosum l

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu nghiên cứu khả năng tập chống chịu hạn hán của khoai tây solanum tuberosum l, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp hoàn thiện trong

• Tác giả: Vũ Thị Hoa Phượng
• Người hướng dẫn: TS. Lê Quỳnh Mai
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Sinh học Thực nghiệm
• Đề tài: Khả Năng Chống Chịu Hạn Hán Của Khoai Tây (Solanum tuberosum L.)
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 1. MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu chung về khoai tây
• 1.1.1. Nguồn gốc lịch sử
• 1.1.2. Phân loại học
• 1.1.3. Đặc điểm của cây khoai tây
• 1.1.4. Vai trò của khoai tây
• 1.1.5. Hạn và đáp ứng của thực vật ở cạn trước điều kiện hạn
• 1.1.6. Đặc điểm thích nghi của thực vật chịu hạn
• 1.1.7. Ảnh hưởng của hạn đến sinh trưởng và phát triển của thực vật
• 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP
• 2.1. Đối tượng nghiên cứu. Nội dung và phương pháp nghiên cứu
• 2.2. Phương pháp vào mẫu, nuôi cấy in vitro và tạo tập chống chịu
• 2.3. Phương pháp cấy chuyển mẫu và đánh giá các chỉ số sinh lý
• 2.4. Phương pháp xác định hàm lượng chlorophyll. Phương pháp xác định hàm lượng proline mẫu. Xác định biểu hiện một số gen yếu tố phiên mã ở khoai tây (Solanum tuberosum L.) tương đồng với các gen liên quan đến khả năng tập chống chịu ở Arabidopsis thaliana
• 2.4.1. Tách RNA tổng số
• 2.4.2. Kiểm tra, định lượng và xác định độ tinh sạch RNA tổng số
• 2.4.3. Tổng hợp cDNA
• 2.4.4. Kiểm tra chất lượng cDNA
• 2.4.5. Chọn gen đích. Thiết kế mồi
• 2.4.6. Xác định tương quan mức độ biểu hiện
• 2.4.7. Xử lý số liệu
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Ảnh hưởng của sorbitol đến tỷ lệ nảy mầm của hạt khoai tây Hồng Hà 7
• 3.2. Đánh giá các chỉ số nuôi cấy mô sau giai đoạn tập chống chịu
• 3.2.1. Hệ số nhân chồi
• 3.2.2. Chiều cao chồi
• 3.2.3. Trọng lượng tươi và trọng lượng khô
• 3.2.4. Hàm lượng chlorophyll ở khoai tây HH7 đã qua giai đoạn tập chống chịu
• 3.2.5. Hàm lượng proline
• 3.2.6. Mức độ biểu hiện của một số gen yếu tố phiên mã liên quan đến tính chịu hạn của khoai tây
• 3.2.7. Hàm lượng và độ tinh sạch của RNA tổng số
• 3.2.8. Kết quả kiểm tra chất lượng cDNA
• 3.2.9. Sự biểu hiện của gen PGSC0003DMG400014309 (P1)
• 3.2.10. Sự biểu hiện của gen PGSC0003DMP400026903 (P2)
• 3.2.11. Sự biểu hiện của gen PGSC0003DMT400045091 (P3)
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về khả năng chống chịu hạn hán của khoai tây Solanum tuberosum

Khoai tây (Solanum tuberosum) là một trong những cây trồng quan trọng nhất trên thế giới, đặc biệt trong bối cảnh biến đổi khí hậu. Khả năng chống chịu hạn hán của khoai tây không chỉ ảnh hưởng đến năng suất mà còn đến an ninh lương thực toàn cầu. Nghiên cứu về khả năng này giúp hiểu rõ hơn về cơ chế sinh lý và di truyền của cây trồng trong điều kiện khắc nghiệt.

1.1. Đặc điểm sinh học của khoai tây Solanum tuberosum

Khoai tây là cây thân thảo, có củ, thuộc họ cà. Cây có nguồn gốc từ vùng Andes, Nam Mỹ. Đặc điểm sinh học của khoai tây bao gồm chiều cao, hình thái lá và hoa, cũng như khả năng sinh sản tự nhiên. Những đặc điểm này ảnh hưởng đến khả năng chống chịu của cây trước các yếu tố môi trường.

1.2. Vai trò của khoai tây trong hệ thống lương thực toàn cầu

Khoai tây không chỉ là nguồn thực phẩm chính mà còn là nguyên liệu cho nhiều ngành công nghiệp. Với giá trị dinh dưỡng cao, khoai tây đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng và các chất dinh dưỡng thiết yếu cho con người.

II. Thách thức về hạn hán đối với cây khoai tây

Hạn hán là một trong những yếu tố môi trường gây ảnh hưởng lớn đến sinh trưởng và phát triển của khoai tây. Các nghiên cứu cho thấy rằng hạn hán có thể làm giảm năng suất và chất lượng củ khoai tây, dẫn đến thiệt hại kinh tế cho nông dân.

2.1. Ảnh hưởng của hạn hán đến sinh trưởng của khoai tây

Hạn hán gây ra sự thiếu hụt nước, làm giảm khả năng quang hợp và sinh trưởng của cây. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng cây khoai tây có thể bị héo và chết nếu không được cung cấp đủ nước trong giai đoạn phát triển quan trọng.

2.2. Các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến khả năng chống chịu hạn

Nhiệt độ, độ ẩm và chất lượng đất là những yếu tố chính ảnh hưởng đến khả năng chống chịu hạn của khoai tây. Việc quản lý nước và cải thiện chất lượng đất có thể giúp nâng cao khả năng chống chịu của cây.

III. Phương pháp nghiên cứu khả năng chống chịu hạn hán của khoai tây

Nghiên cứu khả năng chống chịu hạn hán của khoai tây thường sử dụng các phương pháp sinh lý học và di truyền. Các thí nghiệm được thiết kế để đánh giá sự thay đổi trong các chỉ số sinh lý và sinh hóa của cây trong điều kiện hạn hán.

3.1. Phương pháp nuôi cấy mô và đánh giá khả năng chống chịu

Phương pháp nuôi cấy mô cho phép nghiên cứu khả năng chống chịu của khoai tây trong điều kiện hạn hán. Các chỉ số như chiều cao chồi, trọng lượng tươi và hàm lượng chlorophyll được đánh giá để xác định mức độ chịu hạn của cây.

3.2. Phân tích biểu hiện gen liên quan đến khả năng chịu hạn

Nghiên cứu biểu hiện của các gen mã hóa yếu tố phiên mã giúp hiểu rõ hơn về cơ chế di truyền liên quan đến khả năng chống chịu hạn. Các gen như DREB1A và RD26 đã được xác định có vai trò quan trọng trong quá trình này.

IV. Kết quả nghiên cứu về khả năng chống chịu hạn hán của khoai tây

Kết quả nghiên cứu cho thấy khoai tây có khả năng thích ứng với điều kiện hạn hán thông qua các cơ chế sinh lý và di truyền. Việc xác định các gen liên quan đến khả năng chịu hạn sẽ giúp phát triển các giống khoai tây mới có khả năng chống chịu tốt hơn.

4.1. Đánh giá các chỉ số sinh lý của khoai tây trong điều kiện hạn

Các chỉ số như hàm lượng proline, chlorophyll và trọng lượng khô được sử dụng để đánh giá khả năng chống chịu của khoai tây. Kết quả cho thấy sự gia tăng hàm lượng proline trong cây khoai tây khi gặp điều kiện hạn.

4.2. Tác động của các gen đến khả năng chống chịu hạn

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng sự biểu hiện của các gen như PGSC0003DMG400014309 có liên quan mật thiết đến khả năng chống chịu hạn của khoai tây. Điều này mở ra hướng đi mới trong việc cải thiện giống khoai tây.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu khả năng chống chịu hạn hán của khoai tây là một lĩnh vực quan trọng trong bối cảnh biến đổi khí hậu. Việc phát triển các giống khoai tây có khả năng chống chịu tốt sẽ góp phần đảm bảo an ninh lương thực trong tương lai.

5.1. Tầm quan trọng của nghiên cứu trong bối cảnh hiện tại

Trong bối cảnh biến đổi khí hậu, nghiên cứu khả năng chống chịu hạn hán của khoai tây trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết. Các kết quả nghiên cứu sẽ giúp nông dân có những giải pháp hiệu quả hơn trong sản xuất.

5.2. Hướng đi tương lai cho nghiên cứu khoai tây

Nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc phát triển các giống khoai tây mới có khả năng chống chịu tốt hơn, đồng thời áp dụng các công nghệ sinh học hiện đại để cải thiện năng suất và chất lượng củ khoai tây.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Khoai tây (Solanum tuberosum L.) là cây lương thực đứng thứ tư trên thế giới về sản lượng tươi, đóng vai trò quan trọng trong hệ thống lương thực toàn cầu. Theo Tổ chức Nông Lương Thế Giới (FAO), sản lượng lương thực cần tăng 75% để đáp ứng nhu cầu của 9 tỷ người vào năm 2050, trong khi biến đổi khí hậu ngày càng phức tạp với các hiện tượng nắng nóng kéo dài, hạn hán và xâm nhập mặn ảnh hưởng nghiêm trọng đến sinh trưởng và năng suất cây trồng. Khoai tây, vốn cần lượng nước lớn trong quá trình sinh trưởng (khoảng 2800-2900 m³ nước/ha để đạt năng suất 19-33 tấn/ha), rất nhạy cảm với điều kiện hạn hán, đặc biệt do hệ thống rễ chủ yếu là rễ phụ tập trung ở tầng đất mặt, hạn chế khả năng hút nước sâu.

Nghiên cứu này tập trung đánh giá khả năng tập chống chịu hạn hán của giống khoai tây HH7, nhằm làm rõ cơ chế sinh lý và biểu hiện gen liên quan đến đáp ứng với hạn hán. Mục tiêu cụ thể gồm: đánh giá khả năng tập chống chịu hạn, xác định cường độ hạn tối ưu trong giai đoạn tập chống chịu, đo lường sự thay đổi hàm lượng proline – chất điều hòa thẩm thấu quan trọng – và phân tích biểu hiện một số gen yếu tố phiên mã tương đồng với các gen chịu hạn ở Arabidopsis thaliana. Nghiên cứu được thực hiện tại các phòng thí nghiệm của Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội trong năm 2015, với sự tài trợ của Quỹ Phát triển Khoa học và Công nghệ Quốc gia (NAFOSTED).

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa khoa học trong việc làm sáng tỏ cơ chế tập chống chịu hạn của khoai tây, đồng thời cung cấp cơ sở thực tiễn cho việc ứng dụng kỹ thuật di truyền nhằm nâng cao khả năng chống chịu hạn của cây trồng trong bối cảnh biến đổi khí hậu ngày càng bất thường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết về sinh lý thực vật chịu hạn và cơ chế tập chống chịu (acclimation) của cây trồng trước các điều kiện bất lợi phi sinh học. Khả năng tập chống chịu khác với thích nghi di truyền ở chỗ nó là phản ứng sinh lý và biểu hiện gen có điều kiện, không di truyền qua thế hệ. Các khái niệm chính bao gồm:

• Tập chống chịu hạn (Drought acclimation): Quá trình cây trải qua giai đoạn tiếp xúc với mức độ hạn vừa phải để tăng cường khả năng chống chịu khi gặp hạn nặng hơn.
• Proline: Chất điều hòa thẩm thấu quan trọng trong tế bào, tăng sinh tổng hợp khi cây chịu áp lực hạn, giúp duy trì sức trương tế bào.
• Yếu tố phiên mã (Transcription factors): Các protein điều hòa biểu hiện gen, đặc biệt các họ DREB, RD26 và At4g13040 liên quan đến đáp ứng hạn.
• Sorbitol: Đường polyol được sử dụng trong nghiên cứu để tạo môi trường hạn nhân tạo, mô phỏng áp suất thẩm thấu thấp.

Khung lý thuyết cũng bao gồm các mô hình truyền tín hiệu tế bào qua các thụ thể như receptor-like kinase, kênh ion, và các phân tử tín hiệu thứ hai như Ca²⁺, ROS, giúp kích hoạt biểu hiện gen đáp ứng hạn.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng giống khoai tây HH7, được nuôi cấy in vitro từ hạt trên môi trường Murashige & Skoog (MS) bổ sung sorbitol với các nồng độ 0, 50, 100 và 200 mM để tạo điều kiện hạn nhân tạo. Tỷ lệ nảy mầm, hệ số nhân chồi, chiều cao chồi, số lá, số rễ, trọng lượng tươi và khô, hàm lượng chlorophyll và proline được đo sau 4-6 tuần nuôi cấy.

Phân tích biểu hiện gen được thực hiện bằng kỹ thuật qPCR, tập trung vào ba gen mã hóa yếu tố phiên mã PGSC0003DMG400014309 (tương đồng DREB1A), PGSC0003DMP400026903 (tương đồng RD26) và PGSC0003DMT400045091 (tương đồng At4g13040). RNA tổng số được tách chiết từ mẫu thân và lá, tổng hợp cDNA, kiểm tra chất lượng và định lượng biểu hiện gen theo phương pháp 2-ΔΔCt.

Cỡ mẫu gồm 5 mẫu cho mỗi công thức nuôi cấy, lựa chọn ngẫu nhiên từ các cây con đã qua tập chống chịu và đối chứng. Phân tích số liệu sử dụng phần mềm Excel và các phương pháp thống kê mô tả, so sánh tỷ lệ phần trăm và biểu đồ minh họa.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của sorbitol đến tỷ lệ nảy mầm: Tỷ lệ nảy mầm giảm dần theo nồng độ sorbitol tăng, từ 96,33% (0 mM) xuống còn 53,33% (200 mM). Điều này chứng tỏ sorbitol tạo áp lực hạn nhân tạo hiệu quả, ảnh hưởng tiêu cực đến khả năng nảy mầm của khoai tây HH7.

2. Hệ số nhân chồi: Mẫu chưa qua tập chống chịu có hệ số nhân chồi giảm từ 1,95 lần (0 mM) xuống 1,08 lần (200 mM) sau 4 tuần. Mẫu đã qua tập chống chịu cho thấy khả năng nhân chồi cải thiện ở một số công thức, đặc biệt ở 50-100 mM sorbitol, với hệ số nhân chồi cao hơn 1,35 lần so với mẫu chưa qua tập chống chịu trong cùng môi trường.

3. Chiều cao chồi và số lá: Chiều cao chồi giảm rõ rệt khi sorbitol tăng, từ 7,06 cm (0 mM) xuống 1,96 cm (200 mM) sau 4 tuần. Số lá trung bình tăng nhẹ ở môi trường có sorbitol 50-100 mM, nhưng giảm ở 200 mM. Mẫu đã qua tập chống chịu có số lá trung bình cao hơn mẫu chưa qua tập chống chịu trong các công thức 50-50, 100-100 và 200-200.

4. Số rễ: Số rễ trung bình giảm ở mẫu chưa qua tập chống chịu khi sorbitol tăng, nhưng tăng lên ở mẫu đã qua tập chống chịu, ví dụ công thức 50-50 có số rễ cao hơn 1,5 lần so với đối chứng 0-50 sau 4 tuần.

5. Hàm lượng proline và chlorophyll: Mẫu đã qua tập chống chịu có hàm lượng proline tăng đáng kể, phản ánh khả năng điều hòa thẩm thấu tốt hơn. Hàm lượng chlorophyll giảm nhẹ khi sorbitol tăng, nhưng mẫu tập chống chịu duy trì mức độ chlorophyll cao hơn so với mẫu đối chứng.

6. Biểu hiện gen yếu tố phiên mã: Các gen P1 (DREB1A), P2 (RD26) và P3 (At4g13040) đều tăng biểu hiện đáng kể trong mẫu khoai tây được xử lý hạn so với đối chứng, với mức tăng biểu hiện cao nhất đạt khoảng 3-4 lần tại các mốc thời gian 6-24 giờ. Điều này cho thấy vai trò quan trọng của các gen này trong quá trình tập chống chịu hạn.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy khoai tây HH7 có khả năng tập chống chịu hạn thông qua việc thích nghi sinh lý và điều chỉnh biểu hiện gen. Việc giảm tỷ lệ nảy mầm và chiều cao chồi khi sorbitol tăng phản ánh tác động tiêu cực của áp lực thẩm thấu lên sự phát triển ban đầu. Tuy nhiên, mẫu đã qua tập chống chịu thể hiện khả năng phục hồi tốt hơn về hệ số nhân chồi, số lá và số rễ, cho thấy quá trình tập chống chịu giúp cây tăng cường khả năng chống chịu hạn.

Sự tăng hàm lượng proline phù hợp với các nghiên cứu trước đây về vai trò của proline trong điều hòa áp suất thẩm thấu và bảo vệ tế bào khỏi tổn thương do hạn. Biểu hiện tăng của các gen yếu tố phiên mã DREB1A, RD26 và At4g13040 tương đồng với các nghiên cứu trên Arabidopsis thaliana và khoai tây khác, khẳng định vai trò trung tâm của các yếu tố phiên mã trong điều hòa đáp ứng hạn.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ cột thể hiện tỷ lệ nảy mầm, hệ số nhân chồi, chiều cao chồi, số lá, số rễ và biểu đồ đường biểu diễn mức độ biểu hiện gen theo thời gian, giúp minh họa rõ ràng sự khác biệt giữa mẫu tập chống chịu và đối chứng.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng kỹ thuật tập chống chịu hạn trong nuôi cấy mô khoai tây: Sử dụng môi trường có nồng độ sorbitol khoảng 50 mM để tạo điều kiện tập chống chịu hiệu quả, giúp nâng cao khả năng chống chịu hạn của cây con trong vòng 4-6 tuần. Chủ thể thực hiện: các trung tâm nghiên cứu và phòng thí nghiệm nuôi cấy mô.

2. Phát triển giống khoai tây có khả năng chống chịu hạn cao: Tận dụng các gen yếu tố phiên mã như DREB1A, RD26 để ứng dụng kỹ thuật di truyền hoặc chọn tạo giống nhằm cải thiện khả năng chống chịu hạn. Thời gian triển khai: 3-5 năm. Chủ thể thực hiện: viện nghiên cứu giống cây trồng và các tổ chức công nghệ sinh học.

3. Đào tạo kỹ thuật canh tác thích ứng hạn: Hướng dẫn nông dân áp dụng các biện pháp canh tác phù hợp như tưới nước hợp lý, sử dụng giống tập chống chịu để giảm thiểu thiệt hại do hạn hán. Chủ thể thực hiện: các cơ quan khuyến nông và tổ chức đào tạo nông nghiệp.

4. Mở rộng nghiên cứu về cơ chế tập chống chịu: Tiếp tục nghiên cứu sâu hơn về các gen và con đường tín hiệu liên quan đến tập chống chịu hạn, mở rộng sang các yếu tố bất lợi khác như nhiệt độ cao và độ mặn. Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu sinh học thực vật và các trường đại học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu sinh học thực vật và công nghệ sinh học: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu chi tiết về cơ chế sinh lý và biểu hiện gen trong tập chống chịu hạn của khoai tây, hỗ trợ phát triển các dự án nghiên cứu liên quan.

2. Chuyên gia chọn tạo giống cây trồng: Thông tin về gen yếu tố phiên mã và khả năng tập chống chịu giúp định hướng chọn tạo giống khoai tây chịu hạn hiệu quả.

3. Nông dân và cán bộ khuyến nông: Hiểu biết về kỹ thuật tập chống chịu và ảnh hưởng của hạn đến khoai tây giúp áp dụng các biện pháp canh tác thích hợp, nâng cao năng suất trong điều kiện khô hạn.

4. Các tổ chức phát triển nông nghiệp và chính sách: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển giống cây trồng chịu hạn và ứng phó biến đổi khí hậu.

Câu hỏi thường gặp

1. Tập chống chịu hạn là gì và khác gì với thích nghi di truyền?
   Tập chống chịu hạn là khả năng cây tăng cường chống chịu khi tiếp xúc với mức độ hạn vừa phải, không di truyền qua thế hệ, trong khi thích nghi di truyền là sự thay đổi di truyền lâu dài trong quần thể.

2. Tại sao sorbitol được sử dụng để tạo môi trường hạn nhân tạo?
   Sorbitol là đường polyol giúp tạo áp suất thẩm thấu thấp trong môi trường nuôi cấy mà không gây độc hại, mô phỏng điều kiện hạn hán cho cây trồng.

3. Vai trò của proline trong chống chịu hạn là gì?
   Proline giúp điều hòa áp suất thẩm thấu, bảo vệ tế bào khỏi mất nước và tổn thương do stress, đồng thời tham gia vào quá trình chống oxy hóa.

4. Các gen yếu tố phiên mã DREB1A, RD26 có vai trò gì trong tập chống chịu hạn?
   Chúng điều hòa biểu hiện nhiều gen liên quan đến sinh tổng hợp chất điều hòa thẩm thấu, protein bảo vệ và các cơ chế chống stress, giúp cây tăng khả năng chống chịu hạn.

5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn canh tác khoai tây?
   Có thể áp dụng kỹ thuật nuôi cấy mô tạo tập chống chịu, chọn giống có biểu hiện gen chịu hạn cao, đồng thời hướng dẫn kỹ thuật canh tác thích ứng hạn cho nông dân.

Kết luận

• Khoai tây HH7 có khả năng tập chống chịu hạn thông qua điều chỉnh sinh lý và biểu hiện gen khi tiếp xúc với môi trường hạn nhân tạo sorbitol.
• Nồng độ sorbitol 50 mM là mức tối ưu để tạo tập chống chịu, giúp cải thiện các chỉ số sinh trưởng như hệ số nhân chồi, số rễ và hàm lượng proline.
• Các gen yếu tố phiên mã DREB1A, RD26 và At4g13040 tăng biểu hiện rõ rệt trong quá trình tập chống chịu, đóng vai trò quan trọng trong cơ chế đáp ứng hạn.
• Kết quả nghiên cứu mở ra hướng đi mới cho việc phát triển giống khoai tây chịu hạn và ứng dụng kỹ thuật di truyền trong điều kiện biến đổi khí hậu.
• Đề xuất triển khai áp dụng kỹ thuật tập chống chịu trong nuôi cấy mô và nghiên cứu sâu hơn về cơ chế phân tử để nâng cao khả năng chống chịu hạn của khoai tây trong tương lai.

Hãy tiếp tục nghiên cứu và ứng dụng các giải pháp này để góp phần đảm bảo an ninh lương thực bền vững trong bối cảnh biến đổi khí hậu ngày càng phức tạp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Tổ chức Nông Lương Thế Giới (FAO) khuyến cáo: Trong tương lai sản xuất lương thực sẽ cần phải tăng 75% mới có thể cung cấp đủ lương thực cho 9 tỷ người vào năm 2050. Theo số liệu do Liên hợp quốc công bố ngày 16-10-2010, trên thế giới có khoảng 1 tỉ người thiếu ăn. Vấn đề an ninh lương thực là một vấn đề thế giới đã đang và sẽ phải đối mặt. Hơn nữa, biến đổi khí hậu đang diễn biến ngày càng phức tạp, nắng nóng kéo dài, hạn hán, xâm nhập mặn và nhiều dạng thời tiết khắc nghiệt đang ảnh hưởng đến trái đất, đặc biệt ảnh hưởng lớn đến sinh trưởng, phát triển, năng suất và chất lượng của cây trồng.

Trước điều kiện tự nhiên bất lợi, thực vật có nhiều cơ chế giúp chúng tồn tại. Chúng có thể thích nghi (adapted) hoặc tập chống chịu (acclimated) với điều kiện môi trường. Hai cơ chế này khác nhau cơ bản nhất ở khả năng di truyền và được quy định ở việc biểu hiện gen thường trực hay có điều kiện. Khả năng thích nghi với điều kiện sống liên quan đến những thay đổi trong cả một quần thể, trở thành đặc điểm của loài và được truyền từ thế hệ này sang thế hệ khác.

Ngược lại, khả năng tập chống chịu mặc dù vẫn liên quan đến biểu hiện gen nhưng chỉ thể hiện dưới các điều kiện nhất định và những thay đổi này lại không di truyền. Các cây qua giai đoạn tập chống chịu sẽ thay đổi trực tiếp hình thái và sinh lý để có thể tồn tại trong nhiều loại điều kiện môi trường khác nhau và những biến đổi trong quá trình tập chống chịu có thể mất đi khi điều kiện trở lại bình thường. Và trong hoàn cảnh biến đổi khí hậu đang diễn ra phức tạp như hiện nay, thì việc nghiên cứu tính tập chống chịu của cây trồng cho chúng ta hi vọng sẽ thu được cây, đặc biệt là cây lương thực, có khả năng chống chịu với các điều kiện bất lợi biến đổi bất thường. Khoai tây (Solanum tuberosum L.) là loại cây trồng lấy củ rộng rãi nhất thế giới và là cây lương thực đứng thứ tư trên thế giới về mặt sản lượng tươi (xếp sau lúa mì, gạo và ngô).

Khoai tây được coi là ―nguồn lương thực thực phẩm của tương lai‖ đã được trồng trên 100 nước trên toàn thế giới và là thành phần quan trọng trong hệ thống lương thực thế giới (FAO). Đã có nghiên cứu cho thấy khoai tây là loại cây có 1 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] khả năng tập chống chịu với một số điều kiện bất lợi [18, 19, 50]. Ở Việt Nam, các nghiên cứu về khoai tây tập trung chủ yếu vào việc khảo nghiệm, lai giống, tạo củ nhỏ và một số bệnh cây, chủ yếu là bệnh virus, nhằm cải tạo giống và nâng cao chất lượng cây. Hầu như chưa có nghiên cứu nào về cơ chế tập chống chịu của loại cây này trước các điều kiện phi sinh học.

Trên cơ sở đó, chúng tôi lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu khả năng tập chống chịu hạn hán của khoai tây (Solanum tuberosum L. Qua đề tài những kiến thức cơ bản xung quanh khả năng và cơ chế tập chống chịu của khoai tây trước điều kiện hạn sẽ phần nào được làm sáng tỏ. Cũng trong đề tài này, sự biểu hiện của một số gen liên quan đến chịu hạn sẽ được đánh giá để thấy được vai trò của các gen này trong quá trình tập chống chịu. Các nghiên cứu trong luận văn này nằm trong đề tài “Nghiên cứu các mối liên quan giữa khả năng tập chống chịu của khoai tây trước các yếu tố nhiệt độ cao, hạn hán, độ mặn cao” được Quỹ Phát triển Khoa học và Công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) tài trợ với mã số 106.

MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU - Đánh giá khả năng tập chống chịu hạn của khoai tây giống. - Xác định cường độ hạn trong giai đoạn tập chống chịu cho hiệu quả nâng cao khả năng chống chịu hạn của khoai tây. - Đánh giá sự thay đổi hàm lượng proline, một chất điều hòa thẩm thấu trong tế bào được coi là chỉ thị cho quá trình đáp ứng bất lợi về áp suất thẩm thấu của thực vật, ở cây khoai tây đã qua tập chống chịu hạn. - Xác định biểu hiện một số gen yếu tố phiên mã ở khoai tây tương đồng với các gen liên quan đến khả năng đáp ứng với hạn ở A.

ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU - Đối tượng thực vật: Khoai tây (Solanum tuberosum L. - Thông số của đối tượng: Các chỉ số sinh lý, sinh hóa gồm hệ số nhân chồi, chiều cao chồi, số lá, số rễ, trọng lượng tươi, trọng lượng khô, hàm lượng chlorophyll và hàm lượng proline ở các cây thí nghiệm và cây đối chứng. 2 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] - Đối tượng gen: 3 gen mã hóa cho các yếu tố phiên mã ở khoai tây PGSC0003DMG400014309, PGSC0003DMP400026903 và PGSC0003DMT400045091 tương đồng với các gen At4g13040. thaliana, lần lượt.

Các gen được chọn là những gen của khoai tây có mức độ tương đồng về trình tự nucleotide vùng chức năng >90% tương ứng với các gen ở A. thaliana nêu trên. Trong đó, PGSC0003DMG400014309 và PGSC0003DMP400026903 là hai gen lần lượt tương đồng với DREB1A và RD26 ở A. thaliana liên quan đến khả năng chịu hạn đã được nghiên cứu [53]; PGSC0003DMT400045091 là gen có mức độ tương đồng 100% với gen At1g63040 ở A.thaliana liên quan đến khả năng chống lại các bệnh liên quan đến nấm và khuẩn [22].

Trong đề tài, các gen PGSC0003DMG400014309, PGSC0003DMP400026903 và PGSC0003DMT400045091 sẽ được nghiên cứu và xác định mức độ biểu hiện trong quá trình tập chống chịu ở khoai tây. Thí nghiệm nghiên cứu đánh giá khả năng tập chống chịu hạn của khoai tây trên môi trường hạn nhân tạo được bố trí và tiến hành tại Phòng thí nghiệm Công nghệ Nuôi cấy Thực vật và Vi tảo và một số phòng thí nghiệm thuộc bộ môn Sinh Lý Thực Vật và Hóa Sinh, khoa Sinh học Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội. Một số máy móc thiết bị được sử dụng tại Phòng thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về Enzyme và Protein, Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc Gia Hà Nội. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI Ý nghĩa khoa học Kết quả nghiên cứu khả năng tập chống chịu hạn của khoai tây sẽ là một đóng góp kiến thức quan trọng về sinh lý chống chịu hạn của khoai tây.

Trong các nghiên cứu về khoai tây ở Việt Nam đây là nghiên cứu đầu tiên hướng tới các hiểu biết cơ bản về sinh lý liên quan đến tính tập chống chịu trước các yếu tố phi sinh học và tập chống chịu hạn nói riêng. 3 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Ý nghĩa thực tiễn Kết quả của đề tài sẽ là một gợi ý hữu ích về một gen đích có thể ứng dụng kỹ thuật di truyền nhằm đưa lại cho cầy trồng một sức sống mới trong điều kiện biến đổi khí hậu diễn ra ngày càng bất thường. 4 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Chƣơng 1- TỔNG QUAN 1. Giới thiệu chung về khoai tây 1.

Nguồn gốc lịch sử Cây khoai tây (Solanum tuberosum L.) là cây thân thảo, có củ thuộc họ cà, có nguồn gốc ở vùng cao nguyên thuộc dãy núi Andes (Nam Mỹ) ở độ cao 2000-5000m. Các nhà khoa học đã phát hiện ra nhiều di tích lịch sử chứng minh cây khoai tây có từ khoảng 500 năm trước Công nguyên. Người Tây Ban Nha lần đầu tiên phát hiện ra cây khoai tây khi họ đặt chân lên thung lũng Magdalenna (Nam Mỹ). Lúc đó, người ta gọi khoai tây là Truffles vì hoa của nó có màu sặc sỡ [70].

Đến thời kỳ người Tây Ban Nha chinh phục châu Mỹ trong thế kỷ XVI, hàng trăm giống khoai tây đã được biết đến và được trồng, chủ yếu dọc miền núi, bây giờ là Bolivia, Chile, Colombia, Ecuador và Peru [31]. Từ đó đến nay, cây khoai tây đã dần phổ biến hơn và đóng vai trò quan trọng trong đời sống con người. Phân loại học Phân loại học của khoai tây trong hệ thống học thực vật (USDA, NRCS, 2010): Giới: Plantae (plants) Ngành: Magnoliophyta (flowering plants) Lớp: Magnoliopsida (dicotyledons) Bộ: Solanales Họ: Solanaceae Chi: Solanum L. Loài: Solanum tuberosum L.

Đặc điểm của cây khoai tây Khoai tây có thân chính mọc từ hạt hoặc từ củ. Chiều cao thân khoai tây từ 45 đến 90 cm tùy thuộc vào giống, kỹ thuật canh tác và độ phì của đất. Thân và lá khoai tây có nhiều lông. Thân cây khoai tây là một hệ thống gồm thân, tia củ và củ.

Tia củ phát triển từ thân ngầm. Trong điều kiện thuận lợi sẽ phát triển củ. Trong điều kiện không thuận lợi sẽ trồi lên mặt đất, phát triển thành thân. 5 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.

Cây khoai tây (Solanum tuberosum L.) (Nguồn: Atlas des plantes de France. 1891) Lá khoai tây là lá kép lông chim, không đối xứng. Các lá chét có đặc điểm là luân phiên xen kẽ một lá to đến một lá nhỏ (Hình 1. Khoai tây có hoa cân đối.

Màu sắc hoa là đặc điểm phân biệt các giống: Cánh hoa có màu: trắng, tím-đỏ, tím-xanh, xanh thẫm. Hoa khoai tây mọc thành chùm, là hoa lưỡng tính. Khoai tây là cây tự thụ phấn nhưng cũng có trường hợp giao phấn. Sự thụ phấn chéo của khoai tây được thực hiện nhờ côn trùng.

Sau thời kỳ ra hoa, một vài loài kết quả. Quả chưa chín có màu xanh, quả chín có màu đỏ anh đào giống như màu cà chua. Quả khoai tây thuộc loại quả mọng, có 2 ô, hạt rất nhỏ. 6 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Mầm ngủ trên thân khoai tây được tạo thành ở các nách lá và củ.

Mầm ngủ ở mỗi củ thường là một số, phần lớn là 3 mầm. Các mắt ngủ trên củ khoai tây phân bố theo hình xoắn ốc. Chúng được phân bố không đều trên bề mặt củ. Thường tập trung chủ yếu ở phần trên của củ, nơi có các tế bào tương đối trẻ [2].

Đời sống của cây khoai tây được chia làm 4 thời kỳ: - Thời kỳ ngủ - Thời kỳ nảy mầm - Thời kỳ hình thành thân củ - Thời kỳ phát triển củ 1. Vai trò của khoai tây Khoai tây là thực phẩm cung cấp năng lượng và là nguồn dinh dưỡng có giá trị. Khoai tây giàu tinh bột, đường, chủ yếu là đường sacarose, có loại đường đơn như glucose và fructose nhưng hàm lượng thấp, nhiều loại vitamin: B1, B2, B3, đặc biệt là vitamin C… Trong khoai tây chứa đạm, bên cạnh các loại protit (khoảng 2% trọng lượng tươi) là các axit amin tự do (trong củ thường có đến 20 axit amin tự do).