Tổng quan nghiên cứu

Nông nghiệp Việt Nam đóng vai trò trụ cột trong nền kinh tế quốc dân, trong đó cây lúa nước (Oryza sativa L.) là cây lương thực chính cung cấp thực phẩm cho khoảng 65% dân số thế giới. Năm 2020, sản lượng lúa xuất khẩu của Việt Nam đạt khoảng 6,5 triệu tấn với kim ngạch 3,07 tỷ USD, tuy nhiên giảm 3,5% so với năm 2019 do ảnh hưởng nghiêm trọng của xâm nhập mặn, đặc biệt tại Đồng bằng Sông Cửu Long. Cây lúa rất nhạy cảm với độ mặn, nồng độ muối cao gây ức chế sinh trưởng, giảm năng suất và có thể dẫn đến chết hàng loạt. Các biện pháp truyền thống như đắp đê, bón phân kali, rửa mặn tuy được áp dụng nhưng hiệu quả còn hạn chế và tốn nhiều công sức.

Trong bối cảnh đó, nghiên cứu này nhằm khảo sát tác động của oligochitosan trọng lượng phân tử 5.994 Da ở nồng độ 75 ppm lên khả năng chịu mặn của cây mạ lúa giống IR64 trong điều kiện stress mặn 0,6% NaCl in vitro. Mục tiêu cụ thể là đánh giá ảnh hưởng của oligochitosan đến các chỉ tiêu hình thái, sinh lý, sinh hóa và biểu hiện gene liên quan đến khả năng chống chịu mặn của cây mạ lúa. Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh trong khoảng thời gian từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2022. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các giải pháp sinh học hỗ trợ tăng cường khả năng chống chịu mặn cho cây lúa, góp phần nâng cao năng suất và ổn định sản xuất nông nghiệp trong điều kiện biến đổi khí hậu và xâm nhập mặn ngày càng nghiêm trọng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết về sinh học thực vật chịu stress mặn, cơ chế kháng mặn của cây lúa và tác động của các hợp chất sinh học như chitosan và oligochitosan trong việc kích thích hệ thống phòng vệ thực vật. Hai mô hình chính được áp dụng gồm:

  1. Cơ chế kháng mặn ở cây lúa: Bao gồm giảm hấp thu ion Na+, duy trì cân bằng K+/Na+, kích hoạt hệ thống enzyme chống oxy hóa (APX, SOD, CAT), tổng hợp các hợp chất hòa tan như proline, đường tan để điều chỉnh áp suất thẩm thấu và giảm tác hại của ROS (reactive oxygen species).

  2. Tác động của oligochitosan: Oligochitosan là oligomer của chitosan có trọng lượng phân tử thấp, dễ hòa tan, kích thích các thụ thể trên màng tế bào thực vật, truyền tín hiệu kích hoạt các phản ứng phòng vệ, tăng hoạt tính enzyme chống oxy hóa, điều hòa biểu hiện gene liên quan đến stress mặn.

Các khái niệm chính bao gồm: stress mặn, enzyme ascorbate peroxidase (APX), proline, đường tan, biểu hiện gene P5CS và P5CR liên quan đến tổng hợp proline, và các gene APX (cytosolic, thylakoid-bound, stromal).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ thí nghiệm in vitro trên cây mạ lúa giống IR64, được cung cấp bởi Công ty Cổ phần Giống nông nghiệp Điện Biên. Oligochitosan trọng lượng phân tử 5.994 Da được sử dụng ở nồng độ 75 ppm, chuẩn bị từ dung dịch chitosan 5% qua xử lý bức xạ gamma.

Thí nghiệm bố trí hoàn toàn ngẫu nhiên với 4 nghiệm thức: (1) nước cất (đối chứng âm), (2) NaCl 0,6% (đối chứng dương), (3) oligochitosan 75 ppm, (4) oligochitosan 75 ppm + NaCl 0,6%. Mỗi nghiệm thức lặp lại 3 lần, mỗi hũ chứa 20 cây mạ. Thí nghiệm được thực hiện trong điều kiện chiếu sáng 2500 lux, nhiệt độ 30 ± 2°C, thời gian 7 ngày.

Các chỉ tiêu được đo gồm:

  • Hình thái: số lá, số rễ, chiều dài và chiều rộng lá, chiều cao cây, quan sát cấu trúc lá bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM).
  • Sinh lý: cường độ quang hợp và hô hấp của lá.
  • Sinh hóa: hàm lượng chất khô, sắc tố quang hợp (diệp lục a, b, carotenoid), proline, đường tan, protein tổng số, hoạt tính enzyme ascorbate peroxidase (APX).
  • Phân tử: mức độ biểu hiện gene P5CS, P5CR, và các gene APX (cytosolic, thylakoid-bound, stromal) bằng kỹ thuật qRT-PCR.

Phân tích thống kê sử dụng ANOVA một chiều với phần mềm SPSS 26, kiểm định Duncan ở mức ý nghĩa p ≤ 0,05. Cỡ mẫu n = 60 cho chỉ tiêu hình thái và n = 3 cho các chỉ tiêu khác.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng đến hình thái cây mạ lúa:

    • Cây mạ trong điều kiện mặn (NaCl 0,6%) có số lá, số rễ và chiều rộng lá giảm đáng kể so với đối chứng nước (giảm khoảng 20-30%).
    • Xử lý oligochitosan trong điều kiện mặn (OC + NaCl) làm tăng số lá lên 4,39 lá/cây so với 3,89 lá/cây ở nghiệm thức NaCl, số rễ tăng lên 7,53 so với 6,35, chiều rộng lá cũng cải thiện rõ rệt (0,29 cm so với 0,26 cm).
    • Chiều cao cây tăng đáng kể ở nghiệm thức OC + NaCl (10,05 cm) so với NaCl (7,28 cm).
    • Quan sát SEM cho thấy oligochitosan làm giảm sự trương phồng tế bào silica và khí khổng vẫn đóng trong điều kiện mặn, giúp giảm mất nước.

  2. Biến đổi sinh lý:

    • Stress mặn làm giảm cường độ quang hợp từ 46,93 xuống 18,72 µmol O2/g/phút, đồng thời tăng cường độ hô hấp từ 31,26 lên 56,99 µmol O2/g/phút.
    • Xử lý oligochitosan giúp tăng cường độ quang hợp lên 32,79 µmol O2/g/phút trong điều kiện mặn và giảm cường độ hô hấp xuống 45,13 µmol O2/g/phút, cải thiện khả năng trao đổi khí và năng lượng của cây.

  3. Biến đổi sinh hóa:

    • Hàm lượng sắc tố quang hợp (diệp lục a, carotenoid) tăng đáng kể khi xử lý oligochitosan, đặc biệt carotenoid tăng gấp đôi so với nghiệm thức NaCl (98,72 µg/g so với 41,73 µg/g).
    • Hàm lượng proline tăng cao trong điều kiện mặn (0,43 nmol/g lá), nhưng giảm khi có oligochitosan (0,27 nmol/g lá), cho thấy giảm stress osmotic.
    • Đường tan tăng gấp gần 3 lần ở lá trong điều kiện mặn (11,62 mg/g), giảm khi xử lý oligochitosan.
    • Protein tổng số giảm trong điều kiện mặn (26,12 mg/g) nhưng tăng lên 45,83 mg/g khi có oligochitosan, hỗ trợ quá trình sinh trưởng.
    • Hoạt tính enzyme APX tăng mạnh ở lá và rễ khi bị stress mặn, oligochitosan làm tăng hoạt tính APX ở lá (0,074 U/g) và giảm ở rễ (0,057 U/g), giúp cân bằng ROS.

  4. Biểu hiện gene:

    • Gene P5CS (tổng hợp proline) biểu hiện thấp hơn trong điều kiện mặn nhưng tăng đáng kể khi có oligochitosan.
    • Gene P5CR biểu hiện cao hơn gấp 2 lần trong điều kiện mặn, tăng thêm khi xử lý oligochitosan.
    • Các gene APX (cytosolic, thylakoid-bound, stromal) cũng tăng biểu hiện khi có oligochitosan, hỗ trợ hệ thống chống oxy hóa.

Thảo luận kết quả

Sự ức chế sinh trưởng của cây mạ lúa dưới stress mặn được thể hiện qua giảm số lá, số rễ, chiều rộng lá và chiều cao cây, phù hợp với các nghiên cứu trước đây về tác động tiêu cực của NaCl lên cây lúa. Oligochitosan với kích thước phân tử nhỏ và khả năng hòa tan cao đã kích thích hệ thống phòng vệ của cây, làm tăng các chỉ tiêu hình thái và sinh lý, giúp cây duy trì hoạt động quang hợp và giảm hô hấp quá mức.

Sự tăng hàm lượng sắc tố và protein cùng với giảm proline và đường tan khi có oligochitosan cho thấy cây ít bị stress osmotic và tổn thương tế bào hơn. Hoạt tính enzyme APX tăng ở lá giúp loại bỏ ROS hiệu quả, giảm thiệt hại oxy hóa màng tế bào. Mức độ biểu hiện gene P5CS, P5CR và các gene APX tăng chứng tỏ oligochitosan kích hoạt các con đường sinh tổng hợp proline và enzyme chống oxy hóa, là cơ chế then chốt giúp cây thích nghi với stress mặn.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ cột so sánh các chỉ tiêu hình thái, sinh lý và sinh hóa giữa các nghiệm thức, cũng như biểu đồ biểu hiện gene qRT-PCR để minh họa sự khác biệt rõ ràng khi có và không có oligochitosan.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng oligochitosan 75 ppm làm chất kích thích sinh học trong canh tác lúa:

    • Mục tiêu: Tăng khả năng chịu mặn của cây mạ lúa, cải thiện sinh trưởng và năng suất.
    • Thời gian: Áp dụng trong giai đoạn mạ và đầu vụ trồng lúa.
    • Chủ thể thực hiện: Nông dân, doanh nghiệp sản xuất giống và phân bón sinh học.

  2. Phát triển sản phẩm oligochitosan dạng dung dịch phun hoặc ngâm hạt:

    • Mục tiêu: Tối ưu hóa phương pháp sử dụng, tăng hiệu quả kích thích sinh trưởng và chống chịu stress.
    • Thời gian: Nghiên cứu và thử nghiệm trong 1-2 năm.
    • Chủ thể thực hiện: Các viện nghiên cứu, công ty công nghệ sinh học.

  3. Tích hợp oligochitosan vào quy trình quản lý đất mặn và canh tác bền vững:

    • Mục tiêu: Giảm thiểu tác động của xâm nhập mặn, nâng cao hiệu quả sử dụng đất.
    • Thời gian: Triển khai đồng bộ trong các vùng bị ảnh hưởng mặn.
    • Chủ thể thực hiện: Các cơ quan quản lý nông nghiệp, hợp tác xã nông dân.

  4. Đào tạo và chuyển giao kỹ thuật sử dụng oligochitosan cho người nông dân:

    • Mục tiêu: Nâng cao nhận thức và kỹ năng áp dụng công nghệ sinh học trong nông nghiệp.
    • Thời gian: Tổ chức các khóa đào tạo định kỳ hàng năm.
    • Chủ thể thực hiện: Trường đại học, trung tâm khuyến nông, tổ chức phi chính phủ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nông dân và nhà sản xuất giống lúa:

    • Lợi ích: Áp dụng oligochitosan để tăng khả năng chống chịu mặn, nâng cao năng suất và chất lượng cây lúa.
    • Use case: Sử dụng oligochitosan trong giai đoạn mạ để giảm thiệt hại do xâm nhập mặn.

  2. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành công nghệ sinh học, nông nghiệp:

    • Lợi ích: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, kết quả phân tích gene và enzyme chống oxy hóa trong stress mặn.
    • Use case: Phát triển các nghiên cứu tiếp theo về ứng dụng các hợp chất sinh học trong nông nghiệp.

  3. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách nông nghiệp:

    • Lợi ích: Đánh giá hiệu quả các giải pháp sinh học trong quản lý đất mặn và phát triển nông nghiệp bền vững.
    • Use case: Xây dựng chương trình hỗ trợ nông dân sử dụng oligochitosan.

  4. Doanh nghiệp sản xuất phân bón sinh học và công nghệ sinh học:

    • Lợi ích: Nghiên cứu phát triển sản phẩm oligochitosan ứng dụng trong nông nghiệp.
    • Use case: Tối ưu hóa công thức và quy trình sản xuất oligochitosan phù hợp với cây lúa.

Câu hỏi thường gặp

  1. Oligochitosan là gì và tại sao lại chọn nồng độ 75 ppm?
    Oligochitosan là oligomer của chitosan có trọng lượng phân tử thấp, dễ hòa tan và kích thích hệ thống phòng vệ thực vật. Nồng độ 75 ppm được chọn dựa trên các nghiên cứu trước đó cho thấy hiệu quả tối ưu trong việc kích thích sinh trưởng và tăng khả năng chịu mặn của cây lúa.

  2. Tại sao cây mạ lúa lại nhạy cảm với stress mặn hơn các giai đoạn khác?
    Giai đoạn mạ là giai đoạn cây non, hệ thống rễ và lá chưa phát triển hoàn chỉnh, khả năng điều hòa nước và ion kém, nên dễ bị tổn thương bởi nồng độ muối cao, dẫn đến ức chế sinh trưởng và chết cây.

  3. Làm thế nào oligochitosan giúp cây chống chịu stress mặn?
    Oligochitosan kích thích biểu hiện các gene tổng hợp proline và enzyme chống oxy hóa, tăng hàm lượng sắc tố và protein, giảm tích tụ proline và đường tan quá mức, từ đó cân bằng áp suất thẩm thấu và giảm tổn thương do ROS gây ra.

  4. Có thể áp dụng oligochitosan trong điều kiện đồng ruộng không?
    Nghiên cứu hiện tại thực hiện in vitro, tuy nhiên kết quả cho thấy tiềm năng ứng dụng trong thực tế. Cần nghiên cứu thêm về phương pháp phun hoặc ngâm hạt phù hợp với điều kiện đồng ruộng để đảm bảo hiệu quả.

  5. Oligochitosan có ảnh hưởng đến môi trường và sức khỏe con người không?
    Oligochitosan là hợp chất tự nhiên, phân hủy sinh học, không độc hại với cây trồng, con người và môi trường, phù hợp với xu hướng nông nghiệp xanh và bền vững.

Kết luận

  • Oligochitosan 75 ppm giúp cải thiện đáng kể khả năng chịu mặn của cây mạ lúa IR64 qua các chỉ tiêu hình thái, sinh lý, sinh hóa và biểu hiện gene.
  • Stress mặn làm giảm sinh trưởng, cường độ quang hợp và tăng hô hấp, tích tụ proline và đường tan; oligochitosan điều chỉnh các chỉ tiêu này theo hướng tích cực.
  • Hoạt tính enzyme ascorbate peroxidase và biểu hiện các gene liên quan đến tổng hợp proline và enzyme chống oxy hóa được tăng cường khi có oligochitosan.
  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc ứng dụng oligochitosan trong nông nghiệp để tăng cường khả năng chống chịu mặn cho cây lúa.
  • Các bước tiếp theo bao gồm thử nghiệm ứng dụng trong điều kiện đồng ruộng, phát triển sản phẩm và chuyển giao công nghệ cho người nông dân.

Hành động khuyến nghị: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp nên phối hợp phát triển sản phẩm oligochitosan phù hợp, đồng thời tổ chức đào tạo kỹ thuật cho nông dân nhằm ứng dụng hiệu quả trong thực tiễn canh tác lúa chịu mặn.