1 Bộ giáo dục và đào tạo Trờng đại học s phạm hà nội 2 Ngô Thị xuyến Nghiên cứu động thái proline ở đậu cô ve (Phaseolus vulgaris L.) trong điều kiện gây hạn ở các giai đoạn sinh trởng khác nhau Chuyên ngành: Sinh học thực nghiệm Mã số: 60.42.30 Luận văn thạc sĩ sinh học Ngời hớng dẫn khoa học Pgs.ts nguyễn văn mã Hà nội, 2009 2 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành đề tài luận văn này, em xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới thầy giáo, PGS.TS Nguyễn Văn Mã, người đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong suốt thời gian thực hiện đề tài luận văn này. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Khoa Sinh – KTNN và Trung tâm hỗ trợ và chuyển giao công nghệ trường Đại học Sư phạm Hà Nội II, Phòng thực hành bộ môn sinh lý thực vật… đã tạo điều kiện về trang thiết bị để tôi thực hiện tốt đề tài này. Tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đã động viên khích lệ và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận văn. Hà Nội, tháng 9 năm 2009 Tác giả Ngô Thị Xuyến PHẦN MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Đậu cô ve có tên khoa học là Phaseolus vulgaris (L.) là cây họ Đậu (Fabaceae). Đậu cô ve được trồng rộng rãi trên khắp thế giới, có nguồn gốc từ Trung Mỹ và được trồng cách đây hơn 600 năm. Ở Châu Á đậu cô ve được sử dụng nhiều bởi nó có giá trị dinh dưỡng cao, là một trong những loại rau giàu 3 protein chứa khoảng 2,5% đạm trong quả non, 0,2% chất béo, 7% chất đường bột [26]. Quả tươi giàu vitamin A và C, có thể dùng ăn tươi, đóng hộp và đông lạnh. Ở một vài quốc gia Châu Á như Ấn Độ, Miến Điện, Nepal, Sri-Lanca, Bangladesh… sử dụng hạt khô của đậu cô ve trong các bữa ăn kiêng. Đậu cô ve là một trong những loại hoa màu thích nghi trong hệ thống luân canh với lúa. Trong các loại đậu rau thì đậu cô ve là quan trọng bậc nhất bởi vì được phân bố rộng khắp và sản lượng tương đối lớn có tiềm năng là nguồn thu nhập với các nông hộ nhỏ. Đậu cô ve còn là nguồn cung cấp vitamin và chất khoáng phong phú trong các loại thực phẩm hàng ngày. Ngoài ra, đậu cô ve còn có tính chất cải tạo đất, góp phần tăng năng suất và chất lượng các cây trồng khác. Đậu cô ve có đặc tính chung là cây ưa khí hậu mát, mưa ít, nếu thời tiết nắng nóng sẽ cho ít quả. Đặc biệt, nếu gặp hạn vào giai đoạn ra hoa, việc đậu quả và năng suất sẽ giảm đáng kể. Hạn gây ra sự thiếu nước ở thực vật, có thể do nhiệt độ quá thấp hay nồng độ dịch đất quá cao, ẩm độ quá thấp hay nhiệt độ cao, gió mạnh. Do đó, hạn gây ra tác động xấu đến sự sinh trưởng và phát triển của cây đậu cô ve nói riêng và cây trồng nói chung, làm giảm năng suất và phẩm chất hạt. Dưới ảnh hưởng của hạn hán, để tiếp tục thích nghi thực vật phải có cơ chế để bảo vệ tế bào, ổn định sức trương nhằm chống lại sự mất nước do hạn hán gây ra. Một trong những cơ chế điều chỉnh áp lực nội tại là sự tích lũy các chất tan thích hợp có khả năng tạo ra áp suất thẩm thấu trong tế bào, các chất này bao gồm nhóm các axit amin, các hợp chất amôn bậc 4, hợp chất sunfonium bậc 3 Theo kết quả nghiên cứu ở nhiều tác giả (Bùi Huy Thiện (1979) [25] Chen T.H, Murata N (2002) [31]; Delauley A.J and Verma DPS (1993); Ketchum R.E.B et al…(1991) [34]) sự tích lũy proline sẽ khởi động tính chịu stress nước. Proline 4 được xem như một chất chỉ thị về khả năng chịu hạn của thực vật . Vì vậy, sự tích lũy proline là biểu hiện của phản ứng thích nghi của thực vật khi bị stress nước. Các công trình nghiên cứu ở Việt Nam và trên thế giới về vai trò của proline trong tính chịu hạn đều thống nhất quan điểm cho rằng proline là chất chỉ thị về khả năng chịu hạn của thực vật [7][25] [29][31][34][35][37][40]. Tuy nhiên, để đi sâu vào nghiên cứu sự biến động hàm lượng proline ở đối tượng cây đậu cô ve trong quá trình gây hạn thì cho đến nay vẫn chưa có tài liệu nào công bố. Vì những lí do trên, chúng tôi tiến hành đề tài “Nghiên cứu động thái hàm lượng proline ở cây đậu cô ve (Phaseolus vulgaris) trong điều kiện gây hạn ở các giai đoạn sinh trưởng khác nhau” 2. Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu tác động của gây hạn đến sự biến động proline ở lá và rễ của đậu cô ve. So sánh mức độ biến thiên giữa pha gây hạn và pha hồi phục So sánh proline ở các thời kỳ khác nhau khi gây hạn. Nghiên cứu ảnh hưởng của hạn đến một số chỉ tiêu năng suất và chất lượng hạt. 3. Nhiệm vụ nghiên cứu Nghiên cứu sự biến động hàm lượng proline ở các giai đoạn khác nhau và các pha khác nhau khi gây hạn. 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu được tiến hành trên đối tượng là cây đậu cô ve A. 5. Phương pháp nghiên cứu 5 Phương pháp thực nghiệm trên đồng ruộng 6. Giả thuyết khoa học Proline được xem như chất “chỉ thị” về khả năng chịu hạn của thực vật, nó có vai trò như chất bảo vệ tế bào khi cây bị hạn. Vì vậy, khi cây bị hạn hàm lượng proline sẽ biến động theo một quy luật nhất định. Hàm lượng có thể đạt cao nhất vào một thời điểm nào đó khi tế bào vẫn có khả năng trao đổi chất bình thường. Ở các giai đoạn sinh trưởng khác nhau khi bị hạn, sự tích lũy và biến động proline là khác nhau. NỘI DUNG Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Đặc tính sinh học và nhu cầu về nước của đậu cô ve 1.1.1. Đặc tính sinh học 6 Đậu cô ve là cây một năm, thân thảo, rễ chính phát triển tốt, rễ phụ có nhiều nốt sần tập trung ở độ sâu khoảng 20cm. Bộ rễ có rất nhiều vi khuẩn cố định đạm từ khí trời để nuôi cây nên không yêu cầu bón nhiều phân đạm. Cây đậu có thể trồng được trên đất thiếu đạm, sau khi cây chết đạm do vi khuẩn cố định được hoàn trả lại cho đất [11] [26]. Thân có 2 dạng: thân sinh trưởng hữu hạn và thân sinh trưởng vô hạn. Thân sinh trưởng hữu hạn (đậu lùn) cao 30-60 cm, giới hạn bởi chùm hoa ở ngọn, cây ít nhánh, thời gian sinh trưởng ngắn, cho thu hoạch ít lứa. Thân sinh trưởng vô hạn (đậu leo): thân tiếp tục mọc dài ra sau khi trổ hoa, dài 2-7m, không có chùm hoa ở ngọn, nhánh phát triển mạnh ở nách lá, thời gian sinh trưởng dài, thu hoạch nhiều lứa. Lá kép có 3 lá phụ với cuốn dài, mặt lá có ít lông tơ. Chùm hoa mọc ở nách lá trung bình có 2-8 hoa. Sau khi trồng 35-40 ngày đã có hoa nở, hoa lưỡng tính tự thụ phấn khoảng 95% nên việc để giống rất dễ dàng. Hoa có 5 cánh rời gồm 1 cánh cờ to ở phía sau và 2 cánh bướm ở 2 bên, 2 cánh lườn nhỏ ở phía trước, nhị đực gồm 9 dính và 1 rời, nhụy cái với vòi nhụy ngắn. Chùm hoa xuất hiện khi cây có khoảng 4-8 đốt, ra hoa từng đợt. Quả ăn tươi thu hoạch từ 13-15 ngày sau khi hoa nở. Quả non có màu xanh khi chín có màu vàng nâu, có một tâm bì. Quả khô không tự mở mà gãy thành khúc, mỗi khúc chứa một hạt. Hạt to, hình bầu dục, trọng lượng 1000 hạt từ 650-1000g. 1.1.2. Nhu cầu về nước Nước vừa là sản phẩm khởi đầu, trung gian và cuối cùng của các quá trình chuyển hóa, vừa là môi trường để các phản ứng trao đổi chất xảy ra. Mức độ thiếu hụt nước càng lớn thì càng ảnh hưởng đến quá trình sinh trưởng và phát 7 triển của cây: thiếu nước nhẹ làm giảm tốc độ sinh trưởng, thiếu trầm trọng thì dẫn đến biến đổi hệ keo nguyên sinh chất, tăng quá trình già hóa tế bào. Khi bị khô kiệt nước nguyên sinh chất bị đứt vỡ cơ học dẫn đến tế bào, mô bị tổn thương và chết [26]. Cây họ đậu nói chung tiêu hao khá nhiều nước. Thời kì đòi hỏi nước nhiều nhất là lúc nảy mầm, cây ra hoa và có quả non. Giai đoạn nảy mầm cần từ 100- 150% so với trọng lượng hạt. Trong thời kì ra hoa và đậu quả nếu không cung cấp đầy đủ nước cho cây sẽ tạo điều kiện hình thành tầng rời ở cuống hoa, làm cho hoa rụng. Thiếu nước cây còi cọc, thu hoạch ít lứa, quả nhỏ nhiều xơ, năng suất và phẩm chất đều kém. Ở những vùng khô hạn biện pháp tưới phun mưa và tưới rãnh vào thời kì này làm tăng năng suất của cây rất rõ. Tuy nhiên, khi nước trong đất quá nhiều sẽ làm cản trở quá trình hô hấp của hệ rễ, làm cho sức hút dinh dưỡng và sức hút nước của hệ rễ bị cản trở, quá trình trao đổi chất của cây gặp khó khăn, rễ bị thối. Nước nhiều trong đất còn gây trở ngại cho hoạt động của nhóm vi sinh vật hiếu khí. Thừa nước làm cho hoa và quả non rụng nhiều, cây dễ mắc bệnh. Ảnh hưởng của thiếu nước đến từng giai đoạn sinh trưởng cũng khác nhau, thiếu nước giai đoạn ra hoa làm giảm năng suất, thiếu nước giai đoạn hình thành quả sẽ ảnh hưởng đến năng suất và phẩm chất hạt. 1.2. Hạn và tình hình nghiên cứu tính chịu hạn ở cây họ Đậu 1.2.1. Hạn Hạn đối với thực vật là khái niệm để chỉ sự thiếu nước của thực vật do môi trường gây nên trong suốt quá trình hay trong từng giai đoạn. Do thiếu nước, lượng nước cây hút vào không đủ bù đắp lượng nước bay hơi đi qua các bộ phận trên mặt đất, làm cho cây mất cân bằng nước và bị héo [12]. 8 Mức độ tổn thương do hạn gây ra cũng khác nhau: phát triển bình thường, chậm phát triển thậm chí gây chết. Những cây trồng có khả năng duy trì sự phát triển và cho năng suất tương đối ổn định trong điều kiện khô hạn là cây chịu hạn và khả năng thực vật có thể giảm thiểu mức độ tổn thương do thiếu hụt nước gây ra gọi là tính chịu hạn. Hạn là yếu tố quan trọng bậc nhất ảnh hưởng đến an toàn lương thực của thế giới và điều này đã từng xảy ra trong quá khứ. Tài nguyên nước phục vụ cho nông nghiệp không phải là vô tận khi nhu cầu nước phục vụ cho dân sinh và phát triển công nghiệp đang ngày càng tăng lên. Do đó vấn đề khan hiếm nước phục vụ cho nông nghiệp đang được dự báo rất cấp thiết trên quy mô toàn cầu. Hạn được xem như là một hậu quả nghiêm trọng của sự suy giảm nguồn nước. Bất kì một loại cây trồng nào cũng phải cần có nước để duy trì sự sống, sinh trưởng và phát triển. Mức độ cần nước phụ thuộc vào từng loài cây và từng giai đoạn khác nhau trong sự phát triển của chúng. 1.2.1.1. Các loại hạn đối với thực vật * Hạn không khí xảy ra khi cây gặp độ ẩm không khí thấp dưới 65% làm quá trình thoát hơi nước của cây quá mạnh dẫn đến cây mất cân bằng nước. Hiện tượng này thường gặp ở những tỉnh miền Trung nước ta vào những đợt gió Lào và ở vùng Bắc bộ vào cuối thu đầu đông, ở một số nước khác hiện tượng này cũng ảnh hưởng đến các cây trồng như đậu tương, cam, chanh, phong lan [22]. Hạn không khí nói chung ảnh hưởng đến các bộ phận trên mặt đất của cây, gây ra hiện tượng héo tạm thời. Hạn không khí gây hại nhất ở giai đoạn nảy mầm và giai đoạn ra hoa, làm cho hạt phấn không nảy mầm mà khô chết, quá trình thụ tinh không xảy ra làm cho quả không hình thành. 9 * Hạn đất xảy ra khi lượng nước dự trữ cho cây hấp thu trong đất bị cạn kiệt nên cây không hút đủ nước và mất cân bằng nước. Hiện tượng này thường xảy ra với các vùng có lượng mưa trung bình rất thấp và kéo dài nhiều tháng trong năm. * Hạn sinh lý xảy ra do trạng thái sinh lý của cây không cho phép cây hút nước mặc dù môi trường không thiếu nước, rễ không lấy được nước nhưng quá trình bay hơi nước vẫn diễn ra nên cây mất cân bằng nước. Ví dụ, khi đất yếm khí thiếu oxi cho rễ hô hấp nên thiếu năng lượng cho cây hút nước, hay khi nồng độ dung dịch trong đất quá cao làm cho áp suất thẩm thấu của đất tăng lên cao làm cho cây không hút được nước của đất vào rễ. Mức độ hạn phụ thuộc vào sự bốc hơi trên bề mặt và khả năng giữ nước của đất. Loại hạn này thường gây ra hiện tượng héo lâu dài và có thể xảy ra ở bất cứ vùng nào hay gặp ở những vùng có khí hậu, địa hình đặc thù như sa mạc ở Châu Phi, đất trống đồi trọc ở Châu Á, mùa ít mưa và nhiệt độ thấp ở Châu Âu. Hạn tác động trực tiếp vào hệ thống rễ của cây, gây ảnh hưởng đến quá trình sinh trưởng và phát triển của cây. Khi có cả hạn đất và hạn không khí xảy ra cùng một lúc. Do đó, cây mất nước mạnh, làm cho nồng độ dịch bào tăng nhanh, dẫn đến cây thường bị héo vĩnh viễn không có khả năng phục hồi. 1.2.1.2. Tính chịu hạn ở thực vật Tính chịu hạn là khả năng chống chịu được với sự thiếu nước của cây, hiện tượng mất nước ở cây có thể do tác động sơ cấp do thiếu nước ở đất hoặc có thể do sự tác động thứ cấp được gây nên bởi nhiệt độ cao hay thấp, tác động của muối và nhiều yếu tố khác… 10 Cũng như các loại cây trồng khác, những giống đậu tương chịu hạn tốt chống lại hoặc hạn chế sự mất nước bằng những biến đổi về hình thái hay những phản ứng sinh hóa phù hợp. Cơ thể thực vật đã sử dụng rất nhiều khả năng có thể khi tiếp xúc với những điều kiện môi trường không thuận lợi. Trong sự phụ thuộc vào các yếu tố tác động như thời gian tác động, cường độ tác động, thực vật có nhiều sự thích nghi đặc biệt như là sự tạo thành một hệ thống rễ rộng lớn, sự chống chịu khô hạn của lá bằng cách làm giảm diện tích lá, hay giảm sự thoát hơi nước qua màng cuticun, đóng lại của khí khổng, tăng cường độ dẫn nước, tạo thành những kho chứa nước, hình thành tuyến muối. Ngoài ra, cũng nhận thấy có cả sự biến đổi của các chất trong cơ thể thực vật như sự tập trung của các chất hòa tan. Có hai cơ chế bảo vệ của thực vật chống lại sự mất nước là cơ chế tránh mất nước và cơ chế chịu mất nước. Tránh mất nước phụ thuộc vào sự thích nghi đặc biệt về hình thái và cấu trúc của rễ nhằm giảm thiểu sự mất nước. Bộ rễ khỏe là một điều kiện để tăng tính chịu hạn của cây, các rễ phụ với bề mặt lông hút phát triển mạnh có khả năng giữ ẩm cho cây lâu hơn [26]. Diện tích lá của cây giảm khi gặp hạn là phản ứng nhằm giảm thiểu sự thoát hơi nước ở lá [36]. Do vậy, cũng như nhiều cây trồng khác, ở đậu cô ve cùng với những thay đổi về hình thái, các phản ứng sinh lý về hô hấp, quang hợp, cường độ thoát hơi nước của đậu cô ve cũng thay đổi theo hướng giảm thiểu để phù hợp với sự giảm thế nước trong lá cây khi bị hạn. Thông thường phản ứng của cây khi gặp hạn là khí khổng đóng lại để ngăn chặn sự thoát hơi nước ra ngoài. Quá trình đóng mở khí khổng liên quan đến hàng loạt các quá trình khác như quang hợp, hô hấp, trao đổi ion, hấp thu [...]... hoa và quả non 3.1.2 Sự biến động hàm lượng proline ở lá và rễ đậu cô ve trong quá trình gây hạn ở giai đoạn ra hoa 3.1.2.1 Sự biến động hàm lượng proline ở lá Kết quả xác định hàm lượng axit amin proline ở lá đậu cô ve trong quá trình gây hạn giai đoạn ra hoa được trình bày trong bảng 3.3 và hình 3.4 Bảng 3.3 Hàm lượng proline ở lá đậu cô ve trong quá trình gây hạn ở giai đoạn ra hoa Đơn vị: mg/g Lá... hiện sự sai khác có ý nghĩa thống kê với độ tin cậy α = 0,05 Chương 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1 Động thái hàm lượng proline ở cây đậu cô ve trong điều kiện gây hạn 28 3.1.1 Sự biến động hàm lượng proline ở lá và rễ đậu cô ve trong quá trình gây hạn ở giai đoạn cây con 3.1.1.1 Sự biến động hàm lượng proline ở lá Kết quả xác định hàm lượng axit min proline ở lá đậu cô ve được trình bày ở bảng 3.1... là giai đoạn lá cây mẫn cảm hơn với điều kiện thiếu nước Proline được tổng hợp tăng cường ở giai đoạn này để giúp cây chống chịu với điều kiện thiếu nước tốt hơn, bảo vệ bộ máy quang hợp cho cây Tuy nhiên, so với giai đoạn cây con ở cả đối chứng và thí nghiệm đều có sự tăng mạnh về hàm lượng proline ở tất cả các ngày của quá trình gây hạn Mặt khác, tốc độ biến động hàm lượng proline ở hai giai đoạn. .. proline ở lá đậu cô ve trong quá trình gây hạn giai đoạn ra hoa Thời gian 36 3.1.2.2 Sự biến động hàm lượng proline ở rễ Khi cây ra hoa gặp điều kiện khô hạn sẽ làm ảnh hưởng đến việc hình thành năng suất của cây Bình thường hưởng trong giai đoạn ra hoa cây cần nhiều nước hơn các giai đoạn khác, thiếu nước trong giai đoạn này rễ cây không hút được nước để cung cấp cho toàn cây làm ảnh hưởng đến quá trình... sau này Do đó, khi bị hạn, sự gia tăng hàm lượng proline trong rễ vào giai đoạn ra hoa không chỉ có ý nghĩa với ngay thời điểm hiện tại mà còn ảnh hưởng đến sự kiến tạo năng suất sau này Kết quả nghiên cứu động thái proline của rễ cây trong giai đoạn này được minh họa trong bảng 3.4 và hình 3.5 dưới đây Bảng 3.4 Hàm lượng proline ở rễ đậu cô ve trong quá trình gây hạn ở giai đoạn ra hoa Đơn vị: mg/g... là sự tích lũy dần các chất hòa tan trong tế bào trong đó có proline để nhằm chống lại việc suy giảm tiềm năng nước và tăng khả năng giữ nước của nguyên sinh chất 31 Kết quả xác định hàm lượng proline trong rễ của đậu cô ve khi tiến hành nghiên cứu ở giai đoạn cây con được trình bày ở bảng 3.2 và hình 3.2 Bảng 3.2 Hàm lượng proline ở rễ đậu cô ve trong quá trình gây hạn ở giai đoạn cây con Đơn vị:... trở về gần như ban đầu Hàm lượng proline (mg/g) 2.5 2 1.5 1 Rễ ĐC Rễ TN 0.5 0 Thời gian (ngày) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Hình 3.2 Động thái hàm lượng proline ở rễ đậu cô ve trong quá trình gây hạn giai đoạn cây con 33 Như vậy, sự biến động về hàm lượng proline ở rễ diễn ra theo quy luật như ở lá: hàm lượng proline tỷ lệ thuận với quá trình gây hạn Đồng thời, ở thời kỳ cây non, ở cả rễ và lá, trong pha gây. .. nghiên cứu đến 16 khả năng chịu hạn của một số giống, dòng đậu tương trên đất bạc màu [15], khả năng chịu hạn của đậu tương khi sử lí phân vi lượng ở thời điểm khác nhau [14], so sánh động thái hình thành nốt sần ở một số giống dòng đậu tương khác nhau [9], đánh giá khả năng chịu nóng của một số mẫu đậu xanh [16] Điêu Thị Mai Hoa và cs [7] nghiên cứu sự biến động hàm lượng proline trong mầm và lá đậu. .. tốc độ biến động thì ở lá luôn cao hơn ở rễ trong cả 2 pha của quá trình gây hạn Điều này cho thấy, ở đậu cô ve khi bị hạn lá là cơ quan mẫn cảm hơn với hạn vì có tốc độ tập trung proline cao ngay sau khi hạn xảy ra Nhưng rễ là 34 cơ quan có khả năng chống chịu với hạn tốt hơn lá vì hàm lượng proline ở rễ luôn cao hơn ở lá Việc xác định hàm lượng proline còn tiếp tục được tiến hành ở giai đoạn ra hoa... sự khác nhau, trong đó ở giai đoạn ra hoa có sự biến động nhỏ hơn giai đoạn cây con Kết quả này hoàn toàn phù hợp, do trong giai đoạn này bộ máy quang hợp đã có cấu trúc hoàn thiện hơn giai đoạn trước, nên khả năng phản ứng với hạn tốt hơn và ổn định hơn trước Hàm lượng proline (mg/g) 2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 1 Lá ĐC 2 3 4 5 6 7 8 9 Lá TN 10 Hình 3.4 Động thái hàm lượng proline ở lá đậu . Ngô Thị xuyến Nghiên cứu động thái proline ở đậu cô ve (Phaseolus vulgaris L. ) trong điều kiện gây hạn ở các giai đoạn sinh trởng khác nhau Chuyên ngành: Sinh học thực nghiệm. (Phaseolus vulgaris) trong điều kiện gây hạn ở các giai đoạn sinh trưởng khác nhau 2. Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu tác động của gây hạn đến sự biến động proline ở l và rễ của đậu cô ve. So sánh. Nghiên cứu sự biến động hàm l ợng proline ở các giai đoạn khác nhau và các pha khác nhau khi gây hạn. 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu được tiến hành trên đối tượng l cây đậu cô