MỞ ĐẦU Lúa là một trong năm loại cây lƣơng thực chính trên thế giới, diện tích trồng lúa và lƣợng tiêu thụ chủ yếu ở Đông Nam Á và Châu Phi. Hiện nay, lúa đƣợc trồng trong những điều kiện sinh thái và khí hậu rất khác nhau ở cả ba vùng nhiệt đới, cận nhiệt đới và ôn đới trên tất cả các châu lục [4, 61 ]. Việt Nam là một nƣớc nông nghiệp với truyền thống trồng cây lúa với nền văn minh lúa nƣớc có trên 4000 năm lịch sử. Việt Nam còn đƣợc xếp vào hàng những nƣớc xuất khẩu gạo hàng đầu thế giới.
Sản lƣợng gạo xuất khẩu năm 2014 lên tới 44,5 triệu tấn lúa (27,8 triệu tấn gạo). Lúa gạo cung cấp nguồn lƣơng thực chính cho chúng ta, tạo việc làm cho hàng triệu nông dân và đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển kinh tế của Việt Nam. Tuy nhiên, thế giới sẽ phải đối mặt với nguy cơ thiếu lƣơng thực, sự khan hiếm về nƣớc tƣới phục vụ cho nông nghiệp đã đƣợc báo động trong nhiều hội nghị khoa học của thế giới gần đây. Lũ lụt và sự xâm nhập mặn sẽ trở thành vấn đề then chốt trong những năm tới.
Với tầm quan trọng nhƣ vậy, ngƣời ta đã hoạch định một thứ tự ƣu tiên trong đầu tƣ nghiên cứu tính chống chịu mặn và chống chịu hạn trên toàn thế giới, trong lĩnh vực cải tiến giống cây trồng, sau đó là tính chống chịu lạnh, chống chịu ngập úng, chống chịu đất có vấn đề (acid, thiếu P, ngộ độc Fe, ngộ độc Al, thiếu Zn, Mg, Mn và một số chất vi lƣợng khác nhƣ Cu,…). Do đó, việc hạn chế mức độ gây hại của sự nhiễm mặn đến năng suất lúa gạo là một vấn đề cần đƣợc quan tâm nghiên cứu. Cây trồng trên đất nhiễm mặn bị ảnh hƣởng đến sự sinh trƣởng, phát triển và năng suất. Khả năng điều hòa cân bằng hàm lƣợng ion Na + trong tế bào là một trong những cơ chế quan trọng giúp cây sinh trƣởng, phát triển trong điều kiện đất nhiễm mặn.
Cơ chế điều hòa đƣợc thực hiện thông qua việc: Hạn chế lƣợng ion Na+ đƣa vào tế bào; khu trú ion Na+ vào không bào; thải loại ion Na+ ra ngoài môi trƣờng. Gen OsHKT1 mã hóa cho protein có vai trò vận chuyển Na+ vào tế 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com bào ở cây lúa. Nghiên cứu cấu trúc, chức năng của gen OsHKT1 giúp làm sáng tỏ cơ chế chịu mặn của cây lúa. Do đó, chúng tôi tiến hành đề tài nghiên cứu “Nghiên cứu tính đa hình của gen OsHKT1 mã hóa cho protein vận chuyển ion liên quan đến tính chịu mặn ở cây lúa” nhằm nghiên cứu tính đa hình của gen OsHKT1 ở lúa.
2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Vài nét sơ lƣợc về cây lúa Cây lúa (Oryza sativa L.) là một trong những cây lƣơng thực chính của nƣớc ta và nhiều nƣớc trên thế giới. Sản xuất lúa gạo chủ yếu tập trung ở các nƣớc Châu Á với mức tiêu dùng hàng năm khoảng 180 - 200 kg/ngƣời, ở Châu Mỹ, Châu Âu khoảng 100 kg/ngƣời [6]. Cây lúa (Oryza sativa L.)[6] Cây lúa trồng thuộc họ Poaceae, trƣớc đây gọi là họ Hoà thảo (Gramineae), họ phụ Pryzoideae, tộc Oryzae, chi Oryza, loài Oryza sativa và Oryza glaberrima.
Loài Oryza sativa là lúa trồng ở Châu Á và Oryza glaberrima là lúa trồng ở Châu Phi. Năm 1753, Lineaeus là ngƣời đầu tiên đã mô tả và xếp loài lúa sativa thuộc chi Oryza. Dựa vào dạng hạt tác giả đã phân chi Oryza thành bốn nhóm là sativa, granulata, coarctala, rhynchoryza và chi Oryza gồm tất cả 19 loài. Hội nghị di truyền lúa Quốc tế đã tổ chức họp tại Viện nghiên cứu lúa Quốc tế, Philippines năm 1994 khẳng định chi Oryza có 22 loài trong đó có 20 loài lúa dại và hai loài lúa trồng[61].
3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Sau này, Vaughan phát hiện thêm một loài lúa dại mới ở Papua New Ginea là loài Oryza rhizomatis, đƣa số loài của chi Oryza lên 23 loài và chia thành bốn nhóm genome [61]. Danh sách các loài, số lƣợng nhiễm sắc thể, bộ gen của từng loài đƣợc ghi ở Bảng 1. Phân loại chi Oryza[61] Ngày nay, các nhà phân loại học đều thống nhất là chi Oryza có 23 loài, trong đó 21 loài hoang dại và hai loài lúa trồng là Oryza sativa và Oryza glaberrima thuộc loại nhị bội 2n = 24 có bộ gen AA. Loài Oryza glaberrima phân bố chủ yếu ở Tây và Trung Phi còn loài Oryza sativa đƣợc gieo trồng khắp thế giới và đƣợc chia thành hai loài phụ là Indica và Japonica.
Trong quá trình tiến hoá của cây lúa, ngoài hai loài phụ Indica và Japonica còn có nhiều loại hình trung gian nhƣ Javanica v. Nghiên cứu biến đổi trình tự DNA của gen bằng phƣơng pháp địa lý - thực vật để khảo sát quá trình thuần hoá lúa trồng [2,7,8]. Kết quả cho thấy, cây lúa trồng đã đƣợc thuần hóa ít nhất là hai lần từ các quần thể khác nhau 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com của loài Oryza rufipogon và sản phẩm của hai lần biến đổi này đã tạo ra hai loài phụ là Indica và Japonica. Và đặc trƣng hình thái và sinh lý tổng quát của 3 nhóm lúa đƣợc trình bày ở bảng 1.
Đặc trƣng hình thái và sinh lý tổng quát của 3 nhóm giống lúa[61] Đặc tính INDICA JAVANICA JAPONICA Thân -Thân cao -Thân cao trung bình Thân thấp Chồi -Nở bụi mạnh -Nở bụi thấp Nở bụi trung bình -Lá rộng, cứng, xanh Lá -Lá rộng, xanh nhạt Lá hẹp, xanh đậm nhạt -Hạt thon dài, dẹp -Hạt tròn, ngắn -Hạt to, dầy -Hạt hầu nhƣ không -Hạt không đuôi tới -Hạt không có đuôi hoặc có đuôi có đuôi dài Hạt có đuôi dài -Trấu ít lông và lông -Trấu có lông dài và -Trấu có lông dài ngắn dầy -Ít rụng hạt -Hạt dễ rụng -Ít rụng hạt -Tính quang cảm rất -Tính quang cảm rất Sinh học -Tính quang cảm rất yếu thay đổi thay đổi 1.2 Đất mặn và cơ chế chống chịu mặn ở Thực vật 1.1 Đất mặn Tất cả các loại đất đều có chứa một lƣợng muối tan nào dó. Trong số đó có nhiều loại muối là các chất dinh dƣỡng cần thiết cho cây trồng. Tuy nhiên, khi số lƣợng các muối trong đất vuợt quá giá trị cho phép, thì sự phát triển, năng suất, chất luợng của hầu hết các loại cây đều bị ảnh hƣởng xấu, mức độ ảnh hƣởng tuỳ thuộc vào loại và số lƣợng muối có mặt trong đất, tuỳ thuộc vào giai đoạn sinh trƣởng, vào loại thực vật và các yếu tố môi trƣờng. Do đó khi đất chứa một lƣợng muối gây cản trở và ảnh hƣởng đến chức năng cần thiết để cây sinh trƣởng, thì đất đó đƣợc gọi là đất bị ảnh hƣởng bởi mặn (salt affected soil).
Tóm lại, rất khó có thể định nghĩa đất mặn một cách chính xác và đầy đủ, vì vậy dựa vào chỉ tiêu độ dẫn điện EC, hoặc phần trăm Na+ trao 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Ðất mặn đƣợc chia làm 2 dạng: đất mặn duyên hải và đất mặn nội địa: - Ðất mặn duyên hải: xuất hiện ở vùng ven biển, tính mặn chủ yếu do tràn ngập của nƣớc biển và nƣớc thƣờng có pH thấp, đất mặn ven biển thƣờng có tổng số muối tan lớn hơn 0.5% (tƣơng đƣơng với > 0,15% Cl-) và nếu đạt mức nhiễm mặn trung bình thì tổng số muối tan lớn hơn 0,25% (˜ 0.05 % Cl-) - Ðất mặn nội địa: xuất hiện ở vùng khô và bán khô, tính mặn do nƣớc dẫn thủy hoặc nuớc ngầm, sự bốc hơi cao dẫn đến muối tập trung ở vùng rễ và đất thƣờng có pH cao [32].2 Cơ chế thích nghi stress mặn ở thực vật Nồng độ muối cao trong đất là nguyên nhân gây ra 2 vấn đề chính đối với thực vật: (1) giảm điện thế nƣớc trong đất gây khó khăn cho sự hấp thụ nƣớc, dẫn đến tính trạng thiếu nƣớc; (2) sự tích tụ hàm luợng Na+ và Cl- cao gây độc đối với tế bào thực vật [10] và gián tiếp gây độc do khó hấp thụ các chất dinh duỡng cần thiết khác. Khả năng chống chịu mặn của thực vật phụ thuộc vào sự thích nghi sinh lý, sinh hóa và phân tử đƣợc kích hoạt bằng bộ gen để sống sót trong môi truờng muối (Hình 2). Cơ chế thích ứng sẽ thiết lập lại sự vận chuyển nƣớc, giới hạn hấp thụ Na+ và Cl- hoặc làm giảm nồng độ của chúng trong tế bào chất và cho phép hấp thụ các ion cần thiết cho quá trình sinh trƣởng.
Thực vật cảm nhận stress mặn là do điện thế nƣớc trong môi trƣờng thấp,cây không thể hút nƣớc và dẫn đến bị mất nuớc, kết quả là sự sinh trƣởng bị ức chế và dần bị chậm lại. Vì thế, để có thể chống chịu với điều kiện điện thế nƣớc thấp do stress mặn gây ra, thực vật phải điều chỉnh quá trình thoát hơi nƣớc, từ đó có thể giới hạn sự mất nƣớc hoặc là tiến hành điều chỉnh điện thế thẩm thấu [19]. 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Stress Tình trạng thẩm thiếu nƣớc thấu Stress Độc tính Hoạt Cơ của Na+ và hóa chế Mặn Cl- chống gen chịu Stress ion Sự không cân bằng ion / Ca2+, K+, Mn2+, Mg2+, NO-, PO42-, Hình 2. Cơ chế thích nghi SO stress 4 2- chung ở thực vật [19] Ngoài ra, stress ion do cây hấp thụ chủ yếu các ion độc Na+ và Cl- vào trong tế bào và sự không cân bằng các ion (Ca+, K+, Mn2+, Mg2+, NO3+, PO42- ,SO42- .) sẽ gây rối loạn trao đổi chất của tế bào, ức chế hoạt động enzyme và các chất kích thích sinh trƣởng [19].
Ðồng thời, các hoạt động sinh lý của tế bào cũng bị ảnh huởng nhƣ: quá trình quang hợp giảm mạnh [57], quá trình tổng hợp sắc tố bị ức chế trong khi đó quá trình hô hấp lại tăng nhanh, các cơ chất bị phân hủy lớn nhƣng hiệu quả năng lƣợng thấp, vì vậy thực vật không bù đủ lƣợng vật chất do hô hấp phân hủy, chất dự trữ dần dần bị hao hụt, cây không sinh trƣởng đƣợc, còi cọc, năng suất thấp, và nếu kéo dài sẽ dẫn đến bị chết. Ðể có thể sinh trƣởng trên đất mặn, và hạn chế ảnh huởng của Na+ và Cl-, thực vật đã phát triển cơ chế điều hòa với chiến lƣợc: giảm sự xâm nhập và giảm nồng độ của Na+ trong tế bào chất bằng cách loại thải và khu trú ion Na+ vào không bào, ƣu tiên hấp thụ K+(là ion đóng vai trò quyết định trong việc đóng mở khí khổng, hoạt hóa enzyme, quang hợp và điều hòa áp suất thẩm thấu) để duy trì tỉ lệ K+/Na+ trong chất nền [19] .