Nghiên cứu khả năng chống chịu hạn hán của khoai tây (Solanum tuberosum L.)

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu hus nghiên cứu khả năng tập chống chịu hạn hán của khoai tây solanum tuberosum l, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải pháp cải

• Tác giả: Vũ Thị Hoa Phƣợng
• Người hướng dẫn: TS. Lê Quỳnh Mai
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Sinh học Thực nghiệm
• Đề tài: Nghiên cứu khả năng tập chống chịu hạn hán của khoai tây (Solanum tuberosum L.)
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ khoa học
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
• 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
• 3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
• 4. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
• 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
• 1.2. Vai trò của khoai tây
• 1.3. Hạn và đáp ứng của thực vật ở cạn trước điều kiện hạn
• 1.4. Đặc điểm thích nghi của thực vật chịu hạn
• 1.5. 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
• 3.3. Hàm lượng chlorophyll ở khoai tây HH7 đã qua giai đoạn tập chống chịu
• 3.4. Hàm lượng proline
• 3.5. Mức độ biểu hiện của một số gen yếu tố phiên mã liên quan đến tính chịu hạn của khoai tây
• 3.5.1. Hàm lượng và độ tinh sạch của RNA tổng số
• 3.5.2. Kết quả kiểm tra chất lượng cDNA
• 3.5.3. Sự biểu hiện của gen PGSC0003DMG400014309 (P1)
• 3.5.4. Sự biểu hiện của gen PGSC0003DMP400026903 (P2)
• 3.5.5. 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 L

Khoai tây (Solanum tuberosum L.) là một trong những cây trồng quan trọng nhất trên thế giới, đặc biệt trong bối cảnh biến đổi khí hậu. Nghiên cứu khả năng chống chịu hạn hán của khoai tây không chỉ giúp nâng cao năng suất mà còn đảm bảo an ninh lương thực. Hạn hán là một trong những yếu tố môi trường ảnh hưởng lớn đến sự sinh trưởng và phát triển của cây trồng. Việc hiểu rõ khả năng chống chịu hạn hán của khoai tây sẽ giúp nông dân áp dụng các biện pháp canh tác hiệu quả hơn.

1.1. Đặc điểm sinh lý của khoai tây Solanum tuberosum L.

Khoai tây có nhiều đặc điểm sinh lý giúp nó thích nghi với điều kiện hạn hán. Cây có khả năng điều chỉnh hàm lượng nước trong tế bào, nhờ đó duy trì hoạt động sinh lý trong điều kiện khô hạn. Nghiên cứu cho thấy, khoai tây có thể tăng cường sản xuất proline, một chất điều hòa thẩm thấu, giúp cây duy trì áp suất thẩm thấu trong tế bào.

1.2. Vai trò của khoai tây trong nông nghiệp bền vững

Khoai tây không chỉ là nguồn thực phẩm quan trọng mà còn đóng vai trò trong việc cải thiện độ phì nhiêu của đất. Việc trồng khoai tây có thể giúp tăng cường cấu trúc đất và giảm thiểu xói mòn. Hơn nữa, khoai tây có thể được trồng trong nhiều điều kiện khí hậu khác nhau, làm cho nó trở thành một cây trồng lý tưởng trong nông nghiệp bền vững.

II. Thách thức trong việc nghiên cứu khả năng chống chịu hạn hán của khoai tây

Mặc dù khoai tây có khả năng chống chịu hạn hán, nhưng vẫn còn nhiều thách thức trong việc nghiên cứu và phát triển giống khoai tây chịu hạn. Biến đổi khí hậu đang làm gia tăng tần suất và cường độ của hạn hán, ảnh hưởng đến năng suất và chất lượng của khoai tây. Các nghiên cứu hiện tại cần tập trung vào việc xác định các gen liên quan đến khả năng chống chịu hạn hán để phát triển giống khoai tây mới.

2.1. Ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đến sản xuất khoai tây

Biến đổi khí hậu đã dẫn đến sự gia tăng nhiệt độ và thay đổi lượng mưa, ảnh hưởng trực tiếp đến sự sinh trưởng của khoai tây. Nghiên cứu cho thấy rằng, trong điều kiện hạn hán kéo dài, năng suất khoai tây có thể giảm đáng kể, gây ra thiệt hại lớn cho nông dân.

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

Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chống chịu hạn hán của khoai tây, bao gồm giống cây, điều kiện đất đai và kỹ thuật canh tác. Việc lựa chọn giống khoai tây có khả năng chống chịu tốt là rất quan trọng để đảm bảo năng suất trong điều kiện hạn hán.

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

Để nghiên cứu khả năng chống chịu hạn hán của khoai tây, nhiều phương pháp đã được áp dụng, bao gồm nuôi cấy mô, phân tích sinh lý và xác định biểu hiện gen. Các phương pháp này giúp đánh giá chính xác khả năng chống chịu của khoai tây trong điều kiện hạn hán.

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

Nuôi cấy mô là một phương pháp hiệu quả để nghiên cứu khả năng chống chịu hạn hán của khoai tây. Phương pháp này cho phép tạo ra các mẫu cây trong điều kiện kiểm soát, từ đó đánh giá khả năng sinh trưởng và phát triển của cây trong điều kiện hạn hán.

3.2. Phân tích sinh lý và hóa sinh của khoai tây

Phân tích sinh lý và hóa sinh giúp xác định các chỉ số sinh lý như hàm lượng chlorophyll, hàm lượng proline và các chỉ số khác liên quan đến khả năng chống chịu hạn hán. Những chỉ số này cung cấp thông tin quan trọng về khả năng thích nghi của khoai tây trong điều kiện khô hạn.

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

Kết quả nghiên cứu cho thấy khoai tây có khả năng chống chịu hạn hán tốt thông qua việc điều chỉnh hàm lượng nước và sản xuất các chất điều hòa thẩm thấu. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, một số giống khoai tây có khả năng chống chịu tốt hơn so với các giống khác, mở ra hướng đi mới cho việc phát triển giống khoai tây chịu hạn.

4.1. Đánh giá khả năng sinh trưởng của khoai tây trong điều kiện hạn

Các thí nghiệm cho thấy rằng, khoai tây có thể duy trì khả năng sinh trưởng trong điều kiện hạn hán bằng cách điều chỉnh các chỉ số sinh lý. Sự tăng cường hàm lượng proline và chlorophyll là những yếu tố quan trọng giúp cây duy trì hoạt động sinh lý.

4.2. Sự biểu hiện của các gen liên quan đến khả năng chịu hạn

Nghiên cứu đã xác định được một số gen liên quan đến khả năng chịu hạn ở khoai tây, như PGSC0003DMG400014309 và PGSC0003DMP400026903. Những gen này có vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh phản ứng của cây trước điều kiện hạn hán.

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

Nghiên cứu khả năng chống chịu hạn hán của khoai tây là một lĩnh vực quan trọng trong bối cảnh biến đổi khí hậu. Kết quả nghiên cứu không chỉ giúp nâng cao năng suất khoai tây mà còn đóng góp vào việc đảm bảo an ninh lương thực. Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu để phát triển các giống khoai tây chịu hạn tốt hơn.

5.1. Tầm quan trọng của nghiên cứu khả năng chống chịu hạn

Nghiên cứu khả năng chống chịu hạn hán của khoai tây không chỉ giúp nâng cao năng suất mà còn đảm bảo an ninh lương thực trong bối cảnh biến đổi khí hậu. Việc phát triển giống khoai tây chịu hạn sẽ giúp nông dân ứng phó tốt hơn với các điều kiện thời tiết khắc nghiệt.

5.2. Hướng đi mới cho nghiên cứu giống khoai tây

Trong tương lai, cần tập trung vào việc nghiên cứu và phát triển các giống khoai tây mới có khả năng chống chịu hạn tốt hơn. Việc áp dụng công nghệ sinh học và các phương pháp hiện đại sẽ giúp tăng cường khả năng chống chịu của khoai tây trước các yếu tố môi trường bất lợi.

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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.

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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [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).