MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Cây ngô (Zea mays L.) là một trong ba cây lƣơng thực quan trọng trong nền kinh tế toàn cầu, góp phần nuôi sống gần 1/3 dân số trên toàn thế giới. Ngô là thức ăn xanh và ủ chua rất tốt cho chăn nuôi gia súc, gia cầm. Ngoài ra, ngô còn là nguyên liệu của các nhà máy sản xuất rƣợu, cồn, tinh bột dầu, đƣờng glucose, bánh kẹo.
Theo ƣớc tính có khoảng 670 mặt hàng khác nhau trong các ngành lƣơng thực, thực phẩm, dƣợc phẩm và công nghiệp nhẹ đƣợc sản xuất từ ngô. Ở Việt Nam, ngô là cây lƣơng thực quan trọng thứ hai sau lúa gạo của nông dân vùng trung du và miền núi phía Bắc và là cây lƣơng thực chính của đồng bào các dân tộc thiểu số ở các vùng núi cao. Ngô đƣợc trồng ở nhiều vùng sinh thái khác nhau, đa dạng về mùa vụ gieo trồng và hệ thống canh tác. Ngày nay các giống ngô lai có năng suất cao trên cơ sở ứng dụng các thành tựu khoa học kỹ thuật, đang đƣợc trồng phổ biến ở các vùng miền trong cả nƣớc.
Trong khi đó các giống ngô địa phƣơng hạt dẻo, thơm ngon, có khả năng chịu hạn tốt nhƣng do có năng suất thấp nên ít đƣợc quan tâm phát triển. Mặt khác, nƣớc ta có 75% diện tích là đồi núi, lƣợng mƣa hàng năm không đồng đều giữa các vùng, tình trạng hạn hán thƣờng xuyên xảy ra. Do đó, diện tích trồng các giống ngô địa phƣơng có xu hƣớng giảm, nhiều giống ngô quý hiếm đã bị mất dần. Hơn thế nữa, tại một số tỉnh miền núi nhƣ: Lào Cai, Yên Bái, Lai Châu, Sơn La, Điện Biên, Cao Bằng.
đặc biệt là ở Hà Giang do khó khăn về sản xuất lúa nƣớc nên phần lớn đồng bào dân tộc ít ngƣời nhƣ: dân tộc H.Mông, Dao, Tày, Nùng. đã sử dụng ngô làm lƣơng thực, thực phẩm chính thay gạo. Nhƣng do tập quán canh tác lạc hậu nên năng suất của các giống ngô này còn thấp. Nhân tố phiên mã NAC là một họ protein có chức năng rất đa dạng, giữ vai trò quan trọng trong việc điều hòa sự sinh trƣởng và phát triển của thực vật, quá trình lão hóa, phát triển hình thái, con đƣờng truyền tín hiệu, điều chỉnh nội tiết tố và phản ứng với những tác động khác nhau từ ngoại cảnh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn 2 Chính vì vậy, việc nghiên cứu và chọn tạo các giống ngô có khả năng chịu hạn, là việc làm hết sức cần thiết, góp phần bảo tồn nguồn gen, tạo vật liệu cho lai giống và làm tăng năng suất của các giống ngô địa phƣơng.
Từ những năm 90 của thế kỷ XX đến nay, đã có một số công trình quan tâm nghiên cứu đến khả năng chịu hạn của cây ngô nhƣ: Đánh giá khả năng chịu hạn của cây ngô trên đồng ruộng [16], đánh giá khả năng chịu hạn của cây ngô non trong điều kiện hạn nhân tạo [20], đánh giá chất lƣợng hạt và khả năng phản ứng đối với hạn của một số giống ngô địa phƣơng miền núi [10]… Tuy nhiên, còn rất ít công trình đề cập đến phân lập gen liên quan đến khả năng chịu hạn của cây ngô địa phƣơng. Xuất phát từ những lí do trên, chúng tôi đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu phân lập gen NAC liên quan đến khả năng chịu hạn ở một số giống ngô địa phƣơng Hà Giang - Việt Nam”. Mục tiêu của đề tài - Đánh giá chất lƣợng hạt và khả năng chịu hạn thông qua một số đặc điểm sinh lí, hóa sinh. - Tạo dòng và xác định đƣợc trình tự gen NAC liên quan đến khả năng chịu hạn của một số mẫu ngô địa phƣơng ở Hà Giang - Việt Nam.
Nội dung của đề tài - Xác định hàm lƣợng protein, hàm lƣợng lipid, hoạt tính của α – amylase, protease trong hạt của 5 mẫu ngô địa phƣơng. - Xác định chiều dài rễ ở giai đoạn cây non của 5 mẫu ngô địa phƣơng. - Đánh giá khả năng chịu hạn của 5 mẫu ngô nghiên cứu bằng phƣơng pháp gây hạn nhân tạo. - Sử dụng kỹ thuật PCR để nhân gen NAC liên quan đến khả năng chịu hạn ở 2 mẫu ngô địa phƣơng nghiên cứu.
- Tách dòng và xác định trình tự gen NAC ở 2 mẫu ngô nghiên cứu: một mẫu ngô có khả năng chịu hạn tốt và một mẫu ngô chịu hạn kém. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn 3 Chƣơng 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Nguồn gốc và phân loại cây ngô Cây ngô còn gọi là bắp, có tên khoa học là Zea mays L.
Tên khoa học cây ngô do nhà thực vật học ngƣời Thụy Điển Linaeus đặt theo hệ thống tên kép Hy Lạp - La Tinh: Zea là từ Hy Lạp chỉ cây ngũ cốc và may - từ “ Mahiz” tên gọi cây ngô của ngƣời bản địa da đỏ. Zea thuộc chi Maydeae, họ hoà thảo (Gramieae), bộ hoà thảo (Graminales). Từ những bằng chứng về hoá thạch, những kết quả nghiên cứu khảo cổ học, tế bào học, di truyền học, mà nhiều nhà khoa học đã cho rằng ngô có nguồn gốc từ Châu Mỹ. Tuy nhiên, dạng ngô dại hiện không còn tồn tại nên có nhiều giả thuyết khác nhau về nguồn gốc di truyền của cây ngô.
Song điều quan trọng nhất là hình thành vô số loài phụ, các thứ và nguồn dị hợp thể của cây ngô, các dạng cây và biến dạng của chúng đã tạo cho nhân loại một loài ngũ cốc có giá trị sau lúa mì và lúa nƣớc [8], [17]. Dựa vào hạt có mày hay không có mày, hình thái bên ngoài và cấu trúc nội nhũ của hạt, ngô đƣợc phân thành các loài phụ: ngô bọc, ngô đá, ngô răng ngựa, ngô đƣờng, ngô nổ, ngô bột, ngô nếp, ngô đƣờng bột, ngô bán răng ngựa. Từ các loài phụ căn cứ vào màu sắc hạt và màu sắc lõi ngô để phân thành các thứ. Đây là cách phân loại theo đặc điểm thực vật học, ngoài ra ngô còn đƣợc phân loại theo sinh thái học, nông học, thời gian sinh trƣởng và thƣơng phẩm [8].
Đặc điểm sinh học của cây ngô Cây ngô là loại cây trồng có nguồn gốc nhiệt đới, yêu cầu ánh sáng mạnh, phẩm chất tốt. Cây ngô có thể trồng trên nhiều loại đất khác nhau. Cơ quan sinh dƣỡng của cây ngô gồm rễ, thân, lá làm nhiệm vụ duy trì đời sống cá thể. Hạt đƣợc coi là cơ quan khởi đầu của cây.
Sau khi gieo hạt, ngô phát triển thành cây mầm. Cây mầm chủ yếu sử dụng nguồn dinh dƣỡng chứa trong nội nhũ hạt. Bộ phận phía trên hạt phát triển lên mặt đất gồm có trụ giữa lá mầm. Phần Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn 4 đỉnh trụ lá mầm có mấu bao lá mầm, từ đó phát sinh bao lá mầm và bên trong bao lá mầm là thân lá mầm.
Trên trục của cây mầm, một đầu hình thành rễ cây mầm, sau đó phát triển thành rễ chính, từ rễ chính hình thành các rễ phụ. Ngô là cây có hệ rễ chùm tiêu biểu cho bộ rễ cây hoà thảo. Hệ rễ có 3 loại: rễ mầm, rễ đốt và rễ chân kiềng. Ngô ra lớp rễ đốt đầu tiên lúc 3 - 4 lá mầm và mọc theo thứ tự từ dƣới lên trên.
Rễ đốt giúp cho cây ngô hút nƣớc và dinh dƣỡng. Rễ chân kiềng mọc xung quanh các đốt phần thân sát gốc trên mặt đất, rễ này giúp cây chống đổ, bám chặt vào đất và tham gia vào hút nƣớc và thức ăn cho cây. Số lƣợng rễ, số lông rễ và độ dài rễ khác nhau ở mỗi giống. Đây là chỉ tiêu quan trọng để đánh giá khả năng chịu hạn của cây.
Thân cây ngô thƣờng phát triển mạnh, thẳng, cứng, dạng bền chắc. Bao gồm nhiều lóng nằm giữa các đốt và kết thúc bằng bông cờ. Thân ngô ngoài nhiệm vụ giúp cây đứng vững, là bộ phận dự trữ và vận chuyển chất hữu cơ, ngoài ra còn có khả năng quang hợp để tổng hợp chất hữu cơ. Lá ngô mọc từ mắt trên đốt và mọc đối xứng xen kẽ nhau.
Độ lớn và số lá ngô dao động từ 6 - 22 là tuỳ thuộc vào giống và điều kiện tự nhiên. Theo hình thái và vị trí lá trên cây, lá ngô đƣợc chia thành các nhóm: lá mầm, lá thân, lá ngọn, lá bi. Lá ngô trƣởng thành bao gồm các bộ phận: bẹ lá, phiến lá, thìa lá. Đặc điểm nổi bật là lá ngô có rất nhiều khí khổng.
Trung bình một lá ngô có từ 2 - 6 triệu khí khổng, trên 1mm2 lá có từ 500 - 900 khí khổng. Cơ chế đóng mở của lỗ khí khổng liên quan chặt chẽ tới điều kiện hạn hán. Lá ngô là cơ quan làm nhiệm vụ quang hợp, đồng thời làm nhiệm vụ trao đổi khí, hô hấp, dự trữ dinh dƣỡng… Ngô là loại cây có hoa khác tính cùng gốc. Cơ quan sinh sản đực (bông cờ) và cái (bắp) tuy cùng nằm trên một cây song ở những vị trí khác nhau.
Hoa đực nằm ở đỉnh cây. Hoa cái phát sinh từ mầm nách lá trên thân, số mầm nách nhiều nhƣng chỉ có từ 1 - 3 mầm nách trên cùng phát triển thành bắp. Số bắp trên cây phụ thuộc vào giống, vùng sinh thái, mật độ và phân bón. Hạt ngô thuộc loại quả dĩnh gồm 4 bộ phận chính: vỏ hạt, lớp alơron, phôi và nội nhũ.
Phía dƣới hạt có gốc hạt gắn liền với lõi ngô. Vỏ hạt bao bọc xung quanh, Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn 5 màu sắc vỏ hạt tuỳ thuộc vào từng giống. Nằm sau lớp vỏ hạt là lớp alơron bao bọc lấy nội nhũ và phôi. Nội nhũ là bộ phận chính chiếm 70 - 78% trọng lƣợng hạt, thành phần chủ yếu là tinh bột, ngoài ra có chứa protein, lipid, vitamin, khoáng và enzyme để nuôi phôi phát triển.
Phôi ngô lớn (chiếm 8 - 15%) nên cần chú trọng bảo quản [8], [13]. Màu sắc hạt phụ thuộc đặc tính di truyền của giống và chủng loại, vì vậy hạt ngô có nhiều màu sắc khác nhau nhƣ: trắng, vàng, tím, da cam, đỏ… Mỗi bắp ngô có từ 200 - 1000 hạt phụ thuộc vào giống, điều kiện ngoại cảnh, sinh thái, trung bình mỗi bắp có từ 500 - 600 hạt. Quá trình sinh trƣởng, phát triển của cây ngô đƣợc chia thành hai giai đoạn: giai đoạn sinh dƣỡng và giai đoạn sinh thực. Giai đoạn sinh dƣỡng đƣợc tính từ khi gieo đến trỗ cờ.
Giai đoạn sinh thực đƣợc tính từ trỗ cờ đến chín hoàn toàn.