Khảo sát tác động của oligochitosan lên sự sinh trưởng của lúa IR64 trong điều kiện mặn

• Tác giả: Võ Trần Lâm
• Người hướng dẫn: PGS. Lê Thị Thủy Tiên
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP. HCM
• Chuyên ngành: Công nghệ Sinh học
• Đề tài: Tác Động Của Oligochitosan Đến Sự Phát Triển Lúa IR64 Trong Môi Trường Mặn
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• ABSTRACT
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 1.1. Nguồn gốc phân bố
• 1.2. Đặc điểm sinh học cây lúa
• 1.3. Tình hình nhiễm mặn ở đồng bằng sông Cửu Long
• 1.4. Stress ở thực vật
• 1.5. Stress phi sinh học và phản ứng của thực vật
• 1.6. Stress mặn và phản ứng của thực vật
• 1.7. Vai trò của PP2CA (clade A type 2C protein phosphatases) với đóng mở khí khẩu
• 1.8. Đặc điểm cấu trúc. Các con đường tín hiệu của chitosan trên thực vật
• 1.9. Phản ứng của thực vật dưới tác động chitosan trong điều kiện stress
• 2. CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU PHƯƠNG PHÁP
• 2.1. Phương pháp. Tạo hạt lúa nảy mầm in vitro
• 2.2. Thủy canh cây mạ lúa in vivo. Khảo sát chỉ tiêu sinh trưởng
• 2.3. Nồng độ sắc tố quang hợp (Chlorophyll a, b và carotenoid)
• 2.4. Nồng độ đường tổng, đường tan
• 2.5. Nồng độ protein tổng
• 2.6. Đặc điểm bề mặt lá và khí khẩu
• 2.7. Yếu tố điều khiển đóng mở khí khẩu
• 2.8. Phương pháp phân tích thống kê
• 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. Sự sinh trưởng của cây mạ lúa trong điều kiện mặn
• 3.2. Nồng độ sắc tố quang hợp
• 3.3. Nồng độ protein tổng
• 3.4. Đặc điểm bề mặt lá và khí khẩu
• 3.5. Các yếu tố liên quan đến hoạt động của khí khẩu
• 3.6. Ảnh hưởng của muối lên sự sinh trưởng cây lúa
• 3.7. Vai trò của oligochitosan trong sự duy trì hoạt động quang hợp
• 3.8. Vai trò của oligochitosan lên sự sinh tổng hợp các chất điều hoà thẩm thấu của cây mạ lúa trong điều kiện mặn
• 3.9. Ảnh hưởng của stress mặn lên hoạt động của khí khẩu ở cây mạ lúa
• 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu về Oligochitosan

Oligochitosan là một dạng phân tử của chitosan, được tạo thành từ các đơn vị D-glucosamine và N-acetyl-D-glucosamine. Chất này có khả năng hòa tan trong nước và được nghiên cứu rộng rãi trong nông nghiệp nhờ vào khả năng kích thích sự phát triển của cây trồng, đặc biệt là trong điều kiện stress như môi trường mặn. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng Oligochitosan có thể làm tăng khả năng kháng chịu của cây lúa trước các tác động bất lợi từ môi trường, từ đó nâng cao năng suất lúa. Theo nghiên cứu của Võ Trần Lâm (2023), việc áp dụng Oligochitosan có thể giúp cải thiện các chỉ tiêu sinh trưởng của cây lúa IR64 trong điều kiện mặn, như chiều cao cây, số lượng lá và khối lượng tươi. Nghiên cứu này cũng khẳng định rằng Oligochitosan có thể điều chỉnh các yếu tố sinh lý trong cây lúa, góp phần làm giảm tác động tiêu cực của muối lên sự sinh trưởng của cây.

1.1. Tác động của Oligochitosan đến sự phát triển lúa IR64

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng tác động của Oligochitosan lên sự phát triển của cây lúa IR64 trong môi trường mặn là rất tích cực. Các chỉ tiêu sinh trưởng như số lượng lá, chiều cao cây và khối lượng khô đều được cải thiện đáng kể khi sử dụng Oligochitosan. Cụ thể, nồng độ Oligochitosan 75 ppm đã cho thấy hiệu quả rõ rệt trong việc duy trì các chỉ tiêu sinh trưởng này so với điều kiện không xử lý. Điều này cho thấy Oligochitosan không chỉ giúp cây lúa kháng chịu với stress mặn mà còn tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển bình thường của cây. Một trong những cơ chế chính mà Oligochitosan thực hiện là điều chỉnh nồng độ các chất điều hòa sinh trưởng trong cây, từ đó giúp cây duy trì được khả năng sinh trưởng và phát triển tốt hơn trong điều kiện bất lợi.

II. Ảnh hưởng của môi trường mặn đến cây lúa

Môi trường mặn là một trong những yếu tố gây stress lớn nhất đối với cây lúa, đặc biệt là giống lúa IR64. Nghiên cứu cho thấy rằng khi cây lúa bị ảnh hưởng bởi nồng độ muối NaCl 0.6%, các chỉ tiêu sinh trưởng như chiều cao cây, số lượng lá và khối lượng tươi đều bị giảm sút. Sự gia tăng nồng độ muối trong đất dẫn đến việc cây lúa khó khăn trong việc hấp thụ nước và dinh dưỡng, từ đó ảnh hưởng đến năng suất. Theo Võ Trần Lâm (2023), trong điều kiện mặn, cây lúa có xu hướng gia tăng tổng hợp proline và các đường tan để cân bằng áp suất thẩm thấu, nhưng điều này không đủ để duy trì sự sinh trưởng bình thường. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng sự gia tăng nồng độ acid abscisic (ABA) trong lá cây dẫn đến việc đóng khí khẩu, làm giảm khả năng thoát hơi nước, từ đó ảnh hưởng đến quá trình quang hợp và sinh trưởng của cây.

2.1. Các cơ chế phản ứng của cây lúa dưới stress mặn

Cây lúa có nhiều cơ chế để đối phó với stress mặn, bao gồm việc điều chỉnh nồng độ các chất điều hòa sinh trưởng và thay đổi cấu trúc bề mặt lá. Nghiên cứu cho thấy rằng cây lúa khi bị stress mặn sẽ tăng cường tổng hợp proline, một amino acid giúp cân bằng áp suất thẩm thấu. Đồng thời, mức độ biểu hiện của gen OsPP2C50 cũng thay đổi, ảnh hưởng đến hoạt động đóng mở khí khẩu. Khi cây lúa được xử lý bằng Oligochitosan, các chỉ tiêu sinh trưởng không bị suy giảm như khi không xử lý, cho thấy rằng Oligochitosan có thể giúp cải thiện khả năng kháng chịu của cây trước tác động của muối. Các nghiên cứu trước cũng cho thấy rằng việc sử dụng Oligochitosan có thể làm tăng cường hoạt động quang hợp và giảm thiểu sự thoát hơi nước, từ đó duy trì sự sống cho cây trong điều kiện khắc nghiệt.

III. Ứng dụng Oligochitosan trong nông nghiệp bền vững

Oligochitosan không chỉ có vai trò trong việc cải thiện sự phát triển của cây lúa IR64 mà còn có tiềm năng lớn trong việc ứng dụng trong nông nghiệp bền vững. Việc sử dụng Oligochitosan như một biện pháp sinh học nhằm nâng cao khả năng kháng chịu của cây trước các yếu tố môi trường khắc nghiệt đang trở thành xu hướng trong nghiên cứu nông nghiệp hiện đại. Nghiên cứu của Võ Trần Lâm (2023) đã chỉ ra rằng Oligochitosan có thể làm giảm tác động tiêu cực của stress mặn, từ đó giúp duy trì năng suất cây trồng. Điều này không chỉ có lợi cho người nông dân mà còn góp phần bảo vệ môi trường, giảm thiểu việc sử dụng phân bón hóa học và thuốc trừ sâu. Nghiên cứu cũng khuyến nghị việc áp dụng Oligochitosan trong các chương trình canh tác lúa, nhất là ở những vùng bị ảnh hưởng bởi xâm nhập mặn.

3.1. Tương lai của Oligochitosan trong nông nghiệp

Tương lai của Oligochitosan trong nông nghiệp là rất hứa hẹn. Các nghiên cứu tiếp theo có thể mở rộng ứng dụng của Oligochitosan không chỉ trong cây lúa mà còn trong các loại cây trồng khác. Việc tìm hiểu sâu hơn về cơ chế hoạt động của Oligochitosan sẽ giúp tối ưu hóa việc sử dụng chất này trong thực tiễn. Hơn nữa, với tình hình biến đổi khí hậu ngày càng nghiêm trọng, việc phát triển các giải pháp sinh học như Oligochitosan sẽ là một hướng đi bền vững cho nông nghiệp, giúp nâng cao năng suất và chất lượng cây trồng trong điều kiện khó khăn. Từ đó, Oligochitosan có thể trở thành một phần quan trọng trong chiến lược phát triển nông nghiệp bền vững tại Việt Nam và các nước khác đang đối mặt với vấn đề tương tự.

Tổng quan nghiên cứu

Đồng bằng sông Cửu Long là vùng sản xuất lúa trọng điểm của Việt Nam, tuy nhiên, tình trạng nhiễm mặn ngày càng gia tăng do biến đổi khí hậu và suy giảm dòng chảy sông Mekong. Theo báo cáo của ngành nông nghiệp, xâm nhập mặn đã ảnh hưởng đến 10/13 tỉnh trong khu vực, làm giảm năng suất lúa do cây lúa IR64 rất nhạy cảm với điều kiện mặn. Mức độ muối trong đất vượt quá 0,2% gây ức chế sinh trưởng và phát triển cây trồng, đặc biệt làm giảm các chỉ tiêu sinh trưởng như số lượng lá, chiều cao cây, khối lượng tươi và khô. Trong bối cảnh đó, oligochitosan, một polymer sinh học có trọng lượng phân tử khoảng 5.994 Da, được nghiên cứu nhằm đánh giá khả năng hỗ trợ cây lúa IR64 chống chịu stress mặn ở nồng độ 75 ppm trong điều kiện thủy canh nhà lưới với NaCl 0,6%. Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào việc khảo sát ảnh hưởng của muối và oligochitosan lên sự sinh trưởng, tổng hợp các chất điều hòa áp suất thẩm thấu, đặc điểm bề mặt lá và hoạt động khí khẩu của cây mạ lúa. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển giải pháp sinh học giúp cải thiện khả năng chống chịu stress mặn, góp phần nâng cao năng suất và ổn định sản xuất lúa tại vùng đồng bằng sông Cửu Long.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết về stress phi sinh học và phản ứng của thực vật, đặc biệt là stress mặn và các con đường tín hiệu sinh học liên quan. Hai mô hình chính được áp dụng gồm:

1. Con đường tín hiệu stress thẩm thấu và ion: Stress mặn gây ra stress thẩm thấu và stress ion, làm tăng nồng độ acid abscisic (ABA) và kích hoạt các protein kinase như SnRK2, SAPK, điều hòa đóng mở khí khẩu qua kênh SLAC1. Phosphatase PP2CA (đặc biệt OsPP2C50) đóng vai trò kìm hãm đóng khí khẩu thông qua tương tác với OST1 và SLAC1.

2. Tác động của chitosan và oligochitosan trên thực vật: Oligochitosan kích hoạt các tín hiệu thứ cấp như ROS, H2O2, Ca2+, nitric oxide và hormone thực vật, thúc đẩy tổng hợp các chất chống oxy hóa, enzyme phòng vệ và điều hòa sinh lý cây dưới stress. Oligochitosan có khả năng hòa tan cao và hoạt tính sinh học vượt trội so với chitosan truyền thống.

Các khái niệm chính bao gồm: stress mặn, áp suất thẩm thấu, khí khẩu, acid abscisic (ABA), oligochitosan, và các enzyme chống oxy hóa (SOD, POD, CAT).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được thực hiện trên cây lúa IR64 14 ngày tuổi trong điều kiện thủy canh nhà lưới tại Trường Đại học Bách Khoa, TP. Hồ Chí Minh. Cỡ mẫu gồm 3 nghiệm thức, mỗi nghiệm thức lặp lại 3 lần, mỗi lần 20 cây, tổng cộng 60 cây cho các chỉ tiêu hình thái và 3 mẫu cho các chỉ tiêu sinh hóa.

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập gồm các chỉ tiêu sinh trưởng (số lượng lá, chiều cao cây, chiều dài rễ, khối lượng tươi và khô), nồng độ sắc tố quang hợp (chlorophyll a, b, carotenoid), nồng độ proline, đường tổng và đường tan, protein tổng, mật độ khí khẩu, nồng độ ABA và biểu hiện gen OsPP2C50.

• Phương pháp phân tích: Sử dụng phương pháp đo quang phổ, kính hiển vi điện tử và quang học để khảo sát đặc điểm bề mặt lá và khí khẩu. Biểu hiện gen được đánh giá bằng kỹ thuật qRT-PCR. Phân tích thống kê sử dụng ANOVA một chiều và kiểm định Duncan với mức ý nghĩa p ≤ 0,05.

• Timeline nghiên cứu: Thí nghiệm kéo dài 14 ngày, trong đó 7 ngày đầu cây được nuôi dưỡng bình thường, 7 ngày tiếp theo xử lý stress mặn (NaCl 0,6%) và oligochitosan (75 ppm) phun vào ngày 1 và 4.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của stress mặn lên sinh trưởng cây lúa: Dưới điều kiện NaCl 0,6%, số lượng lá giảm từ 4,23 xuống 3,03 lá (giảm 28%), chiều cao cây giảm từ 314,83 mm xuống 245,66 mm (giảm 22%), khối lượng tươi và khô giảm lần lượt 21% và 11% so với đối chứng. Chiều dài rễ không thay đổi đáng kể.

2. Tác động của oligochitosan lên sinh trưởng: Khi xử lý oligochitosan, các chỉ tiêu sinh trưởng không có sự khác biệt đáng kể so với nghiệm thức mặn không xử lý, cho thấy oligochitosan duy trì sự ổn định sinh trưởng trong điều kiện mặn.

3. Nồng độ sắc tố quang hợp: Stress mặn làm tăng nồng độ chlorophyll a, b và carotenoid lên trên 20% so với đối chứng, phản ánh phản ứng thích nghi của cây. Xử lý oligochitosan làm giảm các sắc tố này về mức tương tự đối chứng, cho thấy khả năng giảm stress quang hợp.

4. Nồng độ proline và đường: Proline tăng 63% trong điều kiện mặn, không thay đổi khi có oligochitosan. Đường tổng và đường tan tăng gấp 4 lần trong điều kiện mặn, giảm khi xử lý oligochitosan nhưng vẫn cao hơn đối chứng, hỗ trợ cân bằng áp suất thẩm thấu.

5. Mật độ khí khẩu và biểu hiện gen OsPP2C50: Mật độ khí khẩu tăng 1,8 lần trong điều kiện mặn, giảm nhẹ khi có oligochitosan (1,5 lần so với đối chứng). Biểu hiện gen OsPP2C50 giảm trong điều kiện mặn, tăng cao khi xử lý oligochitosan, liên quan đến việc mở khí khẩu và duy trì trao đổi khí.

Thảo luận kết quả

Stress mặn gây ức chế sinh trưởng rõ rệt do áp lực thẩm thấu và độc tính ion, làm giảm số lượng lá, chiều cao và khối lượng cây. Sự tăng nồng độ sắc tố quang hợp có thể là phản ứng bù trừ nhằm duy trì quang hợp trong điều kiện stress. Proline và đường tan tăng cao giúp cây cân bằng áp suất thẩm thấu, giảm thiệt hại tế bào.

Oligochitosan không làm tăng sinh trưởng vượt trội nhưng duy trì các chỉ tiêu sinh trưởng ổn định, giảm nồng độ sắc tố quang hợp và đường tan về mức gần đối chứng, cho thấy khả năng giảm stress mặn. Sự tăng biểu hiện gen OsPP2C50 và giảm mật độ khí khẩu so với nghiệm thức mặn cho thấy oligochitosan hỗ trợ điều hòa đóng mở khí khẩu, giúp cây duy trì trao đổi khí và hạn chế thoát hơi nước.

Kết quả phù hợp với các nghiên cứu trước đây về vai trò của oligochitosan trong kích hoạt hệ thống phòng vệ và điều hòa sinh lý cây dưới stress mặn. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ cột so sánh các chỉ tiêu sinh trưởng, sắc tố quang hợp, proline, đường và biểu đồ đường thể hiện mức độ biểu hiện gen OsPP2C50.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Ứng dụng oligochitosan trong canh tác lúa vùng mặn: Phun oligochitosan 75 ppm vào giai đoạn mạ để duy trì sinh trưởng và giảm tác động stress mặn, giúp ổn định năng suất. Thời gian thực hiện: trong vòng 7 ngày đầu xử lý stress.

2. Phát triển sản phẩm sinh học từ oligochitosan: Khuyến khích doanh nghiệp nghiên cứu và sản xuất oligochitosan dạng phun cho cây lúa, tập trung vào tính ổn định và khả năng hòa tan cao để tăng hiệu quả sử dụng.

3. Đào tạo nông dân về kỹ thuật xử lý stress mặn: Tổ chức các khóa tập huấn về nhận biết stress mặn và cách sử dụng oligochitosan hợp lý, nhằm nâng cao nhận thức và áp dụng kỹ thuật sinh học trong sản xuất.

4. Nghiên cứu mở rộng trên các giống lúa khác và điều kiện thực tế: Thực hiện các thí nghiệm ngoài đồng ruộng với các giống lúa phổ biến khác để đánh giá hiệu quả thực tiễn của oligochitosan, từ đó hoàn thiện quy trình ứng dụng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Công nghệ Sinh học, Nông học: Tài liệu cung cấp cơ sở lý thuyết và dữ liệu thực nghiệm về tác động của oligochitosan và stress mặn trên cây lúa, hỗ trợ nghiên cứu chuyên sâu.

2. Chuyên gia phát triển sản phẩm sinh học nông nghiệp: Thông tin về hiệu quả oligochitosan giúp phát triển các sản phẩm sinh học mới, thân thiện môi trường, tăng cường khả năng chống chịu stress cho cây trồng.

3. Nông dân và cán bộ kỹ thuật vùng đồng bằng sông Cửu Long: Hướng dẫn kỹ thuật xử lý stress mặn bằng oligochitosan, giúp cải thiện năng suất và chất lượng lúa trong điều kiện đất mặn.

4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách nông nghiệp: Cung cấp dữ liệu khoa học để xây dựng chính sách hỗ trợ ứng dụng công nghệ sinh học trong sản xuất lúa bền vững, thích ứng biến đổi khí hậu.

Câu hỏi thường gặp

1. Oligochitosan là gì và có tác dụng gì trong nông nghiệp?
   Oligochitosan là phân đoạn nhỏ của chitosan, có trọng lượng phân tử khoảng 5.994 Da, dễ hòa tan trong nước và có hoạt tính sinh học cao. Nó giúp tăng cường khả năng chống chịu stress phi sinh học như mặn, hạn hán bằng cách kích hoạt các tín hiệu sinh học và hệ thống phòng vệ của cây.

2. Tại sao cây lúa IR64 lại nhạy cảm với stress mặn?
   IR64 là giống lúa phổ biến nhưng có khả năng chịu mặn thấp, do áp lực thẩm thấu và độc tính ion Na+ làm giảm hấp thu nước và dinh dưỡng, gây ức chế sinh trưởng, giảm số lượng lá, chiều cao và năng suất.

3. Oligochitosan ảnh hưởng như thế nào đến khí khẩu của cây lúa?
   Oligochitosan làm tăng biểu hiện gen OsPP2C50, giúp điều hòa đóng mở khí khẩu, duy trì trao đổi khí và hạn chế thoát hơi nước, từ đó giúp cây duy trì hoạt động sống trong điều kiện mặn.

4. Có thể áp dụng oligochitosan cho các giống lúa khác không?
   Theo báo cáo của ngành và các nghiên cứu tương tự, oligochitosan có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trên nhiều giống lúa và cây trồng khác, tuy nhiên cần nghiên cứu thêm để tối ưu liều lượng và phương pháp xử lý.

5. Làm thế nào để sử dụng oligochitosan hiệu quả trong sản xuất lúa?
   Nên phun oligochitosan ở nồng độ 75 ppm vào giai đoạn mạ, đặc biệt khi có dấu hiệu stress mặn, phun 2 lần cách nhau 3-4 ngày để duy trì sinh trưởng và giảm thiệt hại do muối gây ra.

Kết luận

• Stress mặn làm giảm đáng kể các chỉ tiêu sinh trưởng của cây lúa IR64, đồng thời tăng nồng độ sắc tố quang hợp, proline và đường tan như cơ chế thích nghi.
• Oligochitosan 5.994 Da ở nồng độ 75 ppm giúp duy trì các chỉ tiêu sinh trưởng ổn định, giảm nồng độ sắc tố quang hợp và đường tan về mức gần đối chứng, hỗ trợ cây chống chịu stress mặn.
• Biểu hiện gen OsPP2C50 tăng khi xử lý oligochitosan, liên quan đến điều hòa khí khẩu và duy trì trao đổi khí trong điều kiện mặn.
• Mật độ khí khẩu tăng trong điều kiện mặn, giảm nhẹ khi có oligochitosan, góp phần hạn chế thoát hơi nước và duy trì hoạt động sống.
• Nghiên cứu mở ra hướng ứng dụng oligochitosan trong sản xuất lúa vùng mặn, cần tiếp tục thử nghiệm thực địa và phát triển sản phẩm sinh học phù hợp.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích triển khai thí nghiệm ngoài đồng ruộng, phát triển sản phẩm oligochitosan thương mại và đào tạo kỹ thuật cho nông dân. Để biết thêm chi tiết và hỗ trợ ứng dụng, liên hệ các trung tâm nghiên cứu nông nghiệp và công nghệ sinh học.