1 bộ giáo dục và đào tạo trờng đại học s phạm hà nội 2 _______ ngụy phan hng phản ứng của một số giống đậu tơng khi nảy mầm trong điều kiện thiếu nớc luận văn thạc sĩ sinh học hà nội, 2009 2 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành bản luận văn này, em xin bầy tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới thầy giáo PGS.TS. Nguyễn Văn Mã đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt thời gian thực hiện đề tài. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô giáo trong khoa Sinh - KTNN, khoa Hóa học và Trung tâm Hỗ trợ Nghiên cứu khoa học và Chuyển giao công nghệ trường Đại học sư phạm Hà Nội 2 đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện về trang thiết bị để thực hiện tốt đề tài này. Tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp đã động viên khích lệ và giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn này. Hà Nội, Tháng 9 năm 2009 Tác giả Ngụy Phan Hưng MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Đậu tương là giống cây trồng được trồng phổ biến ở nhiều vùng của nước ta và thế giới. Thành phần dinh dưỡng của đậu tương rất phong phú, hàm lượng protein cao nên đậu tương được dùng chế biến thực phẩm giàu dinh dưỡng và đáp ứng nhu cầu protein của nhân loại Cây đậu tương dễ trồng, có khả năng thích nghi tương đối rộng với các loại đất trồng nhờ hoạt động cố 3 định đạm từ không khí của các vi khuẩn nốt sần cộng sinh trong rễ cây [33]. Ngoài ý nghĩa về mặt dinh dưỡng, kinh tế, đậu tương còn có tác dụng cao trong việc cải tạo đất, góp phần cắt đứt dây chuyền sâu bệnh trong luân canh với cây trồng khác. Việc nâng cao năng suất cây đậu tương mang lại nhiều lợi ích, tuy nhiên vấn đề cơ bản hạn chế năng suất đậu tương ở Việt Nam lại là điều kiện khí hậu, đặc biệt là hạn hán [4], [10]. Do nước ta có địa hình đa dạng diễn biến khí hậu phức tạp, lượng mưa phân bố không đều giữa các vùng và các thời kỳ trong năm nên hạn hán có thể xảy ra ở bất kỳ vùng nào, mùa nào. Khi gặp điều kiện thiếu nước, năng suất của các giống cây trồng đều bị giảm sút. Tuy nhiên, một số giống cây trồng có khả năng chịu hạn có thể sinh trưởng phát triển tốt hơn trong những điều kiện bất lợi về nước. Do đó việc nghiên cứu về các giống cây trồng này được nhiều nhà khoa học quan tâm. Ngày nay, các nghiên cứu tìm hiểu bản chất khả năng chịu hạn của cây trồng nói chung, cây họ Đậu và đậu tương nói riêng ngày càng mở rộng. Với sự tiến bộ của kỹ thuật hiện đại, các nhà khoa học có điều kiện đi sâu tìm hiểu cơ chế sinh lý liên quan đến tính chịu hạn ở thực vật như: ảnh hưởng của điều kiện thiếu nước đến sự phát triển của hạt [39], [46] đến quá trình quang hợp [41], [49] và hô hấp [44] của đậu tương. Các cơ chế hoá sinh và sinh học phân tử cũng đã được nghiên cứu như: xác định vị trí của gen liên quan đến điều chỉnh áp suất thẩm thấu [12], gen tổng hợp một số chất hình thành và tích luỹ nhiều khi hạn hán: proline, nhóm amin bậc 4, một số đường [23], [30], [46]. Để tìm hiểu rõ ảnh hưởng của hạn hán và bản chất khả năng chịu hạn của đậu tương cần có những nghiên cứu sâu hơn. Đặc biệt là các nghiên cứu về sinh lý, hoá sinh của cây ở giai đoạn nảy mầm trong điều kiện gây hạn, là điều kiện mà cây trồng thể hiện rõ nhất phản ứng của mình trước ảnh hưởng bất lợi của môi trường 4 Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn nêu trên, chúng tôi tiến hành nghiên cứu đề tài: “Phản ứng của một số giống đậu tương khi nảy mầm trong điều kiện thiếu nước” nhằm tìm hiểu sự biến đổi sâu hơn về sinh lý, hoá sinh của đậu tương khi gặp hạn, kết quả nghiên cứu có thể làm cơ sở khoa học cho việc chọn giống đậu tương cho vùng sinh thái phù hợp. 2. Mục tiêu nghiên cứu Xác định được một số chỉ tiêu: sự nảy mầm, sự sinh trưởng của mầm, hàm lượng prolin, hoạt độ một số enzim của đậu tương chịu hạn khác nhau trong giai đoạn nảy mầm ở điều kiện thiếu nước. 3. Nhiệm vụ nghiên cứu - Xác định tỷ lệ nảy mầm - Xác định chiều dài mầm, khối lượng tươi, khối lượng khô của mầm - Xác định hàm lượng prolin của mầm đậu tương - Xác định hoạt độ các enzym proteaza, lipaza và amylaza của mầm đậu tương. 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng: Giống đậu tương DT84, AK03, VX9-3. Phạm vi nghiên cứu: một số chỉ tiêu sinh lý (tỉ lệ nảy mầm, chiều dài mầm, khối lượng tươi, khối lượng khô của mầm), hàm lượng prolin, hoạt độ các enzym proteaza, lipaza và amylaza của mầm đậu tương. 5. Phương pháp nghiên cứu Thực nghiệm 6. Giả thuyết khoa học Các chỉ tiêu sinh lý trong điều kiện thí nghiệm thấp hơn so với đối chứng. Hàm lượng prolin tăng qua các ngày thí nghiệm, trong điều kiện thí nghiệm cao hơn so với đối chứng. Hoạt độ các enzym proteaza, lipaza, amylaza tăng qua các ngày thí nghiệm, cao hơn so với đối chứng. 7. Ý nghĩa lý luận và thực tiễn 5 Bổ sung nguồn tài liệu về việc nghiên cứu hàm lượng prolin, hoạt độ một số enzym của mầm đậu tương và một số chỉ tiêu khác trong điều kiện thiếu nước và quan hệ của chúng với khả năng chịu hạn của cây. 6 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Giới thiệu khái quát về cây đậu tương 1.1.1. Nguồn gốc và lịch sử phát triển của cây đậu tương Đậu tương có tên gọi khoa học là Glycine max (L) Merrill thuộc chi Glycine (L) họ Fabaceae, bộ Fabales là một trong những cây trồng cổ nhất của nhân loại. Nó có nguồn gốc từ vùng Mãn Châu (Trung Quốc) xuất phát từ một loài đậu nành dại thân mảnh, dạng dây leo có tên khoa học là Glycine soja Sieb và Zucc. Từ Trung Quốc cây đậu nành lan truyền dần ra khắp thế giới. Theo các nhà nghiên cứu Nhật Bản vào khoảng 200 năm trước công nguyên đậu nành được đưa vào Triều Tiên và sau đó phát triển sang Nhật. Đến giữa thế kỷ 17 đậu nành mới được nhà thực vật học người Đức Engelbert Caempfer đưa về Châu Âu và đến năm 1954 đậu nành được du nhập vào Hoa Kỳ [1], [4], [25]. Nước ta nằm sát với Trung Quốc có quan hệ giao lưu nhiều mặt từ lâu đời nên cây đậu nành du nhập vào rất sớm. Năm 1950 các nhà khảo cổ đã phát hiện được bào tử và phấn hoa của đậu ở di chỉ Tràng Kênh (Hải Phòng) có niên đại xác định bằng cac bon phóng xạ là 3405 ± 1000 năm. Như vậy ngay từ thời vua Hùng ông cha chúng ta đã biết trồng và sử dụng nhiều loại đậu tương trong đó có đậu nành [1], [4], [25]. 1.1.2. Đặc điểm sinh trưởng và vai trò của đậu tương Đậu tương là loại cây công nghiệp ngắn ngày điển hình, chúng rất nhạy cảm với ánh sáng, nhiệt độ và độ ẩm. Nhiệt độ thích hợp cho sự sinh trưởng và phát triển là 20 -30 0 C, độ ẩm không khí 81 - 85%. Đậu tương có bộ rễ đặc biệt có khả năng hình thành các nốt sần với sự xâm nhập của vi khuẩn Rhizobium có khả năng cố định nitơ từ không khí. 7 Thân cây đậu tương tương đối phẳng gồm nhiều lóng. Lá: gồm lá đơn và lá kép. Hoa: các chồi ở nách lá từ mặt thứ năm trở lên phát triển thành chồi hoa rồi phát triển thành chùm hoa. Quả được hình thành sau 1 tuần lễ kể từ khi hoa bắt đầu nở trên cây. Hạt đậu tương gồm hai phần chính là hạt và phôi. Rễ cây đậu tương gồm có rễ cái và nhiều rễ con. Với những đặc điểm như trên đậu tương có vai trò rất lớn: - Cây đậu tương là cây trồng tăng vụ cải tạo và bảo vệ đất trồng. - Cây đậu tương có thời gian sinh trưởng ngắn nên là cây trồng tăng vụ trong cơ cấu luân canh 3 vụ ở trung du và đồng bằng sông Hồng Việt Nam. - Cây đậu tương được lựa chọn vào cơ cấu luân canh cải tạo đất trong chu kỳ sản xuất cây công nghiệp, cây ăn quả dài ngày. - Cây đậu tương có khả năng phục hồi và duy trì độ phì nhiêu cho đất nhờ sự hoạt động của các vi khuẩn nốt sần đồng hoá nitơ từ không khí [1], [4], [25]. *Các thời kì sinh trưởng và phát triển của cây đậu tương Quá trình sinh trưởng và phát triển của cây đậu tương chia ra làm 2 giai đoạn chính: Giai đoạn sinh trưởng sinh dưỡng và giai đoạn sinh trưởng sinh thực. - Giai đoạn sinh trưởng sinh dưỡng bao gồm: thời kì nảy mầm, thời kì phân cành và sinh trưởng thân lá. - Giai đoạn sinh trưởng sinh thực bao gồm: sự phát triển của hoa, nhị hoa, sự hình thành và phát triển của hạt phấn, sự phát triển của noãn, sự thụ phấn và thụ tinh kép, sự phát triển của phôi, sự phát triển của nội nhũ, sự phát triển của vỏ hạt, sự trưởng thành của hạt, sự phát triển của quả [1], [4], [25]. *Giá trị dinh dưỡng và giá trị kinh tế của cây đậu tương Đậu tương còn được gọi là đậu nành, là một loại cây trồng đã có từ lâu đời, được xem là một loại “cây kỳ lạ”, “vàng mọc từ đất”, “cây thần diệu”, 8 “cây đỗ thần”, “cây thay thịt” v.v Sở dĩ đậu tương được đánh giá cao như vậy chủ yếu là do giá trị dinh dưỡng và kinh tế của nó. Đậu tương là một loại nông sản có giá trị dinh dưỡng cao do trong thành phần của nó có chứa nhiều protein và lipit. Từ lâu đậu tương đã được các nước Châu Á và nhiều nước trên thế giới chế biến thành các sản phẩm khác nhau có giá trị dinh dưỡng cao như sữa đậu nành, tương, chao, đậu phụ, xì dầu… Với sự phát triển của công nghệ tiên tiến, hàng loạt các sản phẩm cao cấp của đậu tương đã trở nên quen thuộc. Đó là các loại hỗn hợp thức ăn cho trẻ em, đồ ăn chay, kem cao cấp, bánh kẹo các loại. Protein đậu tương được coi là protein thực vật quan trọng nhất chiếm 70% tổng số protein dinh dưỡng dùng trên toàn cầu. Trong khi đó, protein có nguồn gốc động vật chỉ chiếm 30% [25]. Ưu thế lớn nhất của protein đậu tương là giá thành rẻ, giá trị dinh dưỡng cao và có nhiều tính chất chức năng phù hợp với nhiều loại sản phẩm thực phẩm. Hạt đậu tương chứa nhiều chất béo để ép lấy dầu, làm thức ăn và làm nguyên liệu cho nhiều ngành công nghiệp khác. Dầu đậu tương có hệ số đồng hoá cao (khoảng 98%). Các loại phụ phẩm của cây đậu tương có thể tận dụng cho chăn nuôi: thân, lá tươi cho trâu bò ăn; bột nghiền từ thân, lá khô, vỏ quả, hạt lép và khô dầu dùng làm thức ăn cho gia súc. Cây đậu tương không chỉ được coi là cây công nghiệp cho sản xuất hàng hoá mà còn là cây trồng quan trọng cho cơ cấu luân canh tăng vụ và cải tạo đất canh tác, đặc biệt là đất bạc màu và vùng đồi núi. Trong y học, đậu tương có ý nghĩa rất quan trọng chữa được một số bệnh tim mạch, chống ung thư, ngăn ngừa bệnh loãng xương của tuổi già [1], [4], [25]. 9 1.1.3. Tình hình sản xuất đậu tương 1.1.3.1. Tình hình sản xuất đậu tương trên thế giới Sản xuất đậu tương trên thế giới đã tăng lên một cách nhanh chóng do nhu cầu sử dụng tăng một cách đáng kể ở nhiều khu vực. Bảng 1.2: Sản lượng đậu tương trên thế giới năm 2007 STT Tên nước Sản lượng (triệu tấn) % so với tổng sản lượng toàn thế giới (228,4 triệu tấn) 1 Mỹ 86,8 38% 2 Brazil 56 25% 3 Achentina 44 18% 4 Trung Quốc 16,2 7% 5 Ấn Độ 7,3 3% 6 Canada 4,7 2% 7 Paraguay 3,5 2% 8 Các nước khác 9,9 4% (Nguồn: FAOSTAT Database, 2007) [51] 1.1.3.2. Tình hình sản xuất đậu tương ở Việt Nam Một số tài liệu cho rằng cây đậu tương được đưa vào nước ta trồng từ thời vua Hùng. Mặc dù nhân dân ta đã sử dụng đậu tương từ rất lâu nhưng trước đây việc sản xuất đậu tương ở nước ta chỉ bó hẹp trong phạm vi các tỉnh phía bắc như Cao Bằng, Sơn La…Trong những năm gần đây nhờ chính sách mở cửa của nền kinh tế, những tiến bộ khoa học kỹ thuật trong nông nghiệp trong việc lai tạo giống, nhiều cơ sở chế biến được hình thành và phát triến. Các vùng đậu tương hàng hoá tập trung ở miền Bắc như: Hà Nội, Hà Giang, Sơn La, Cao Bằng, ở miền Nam chủ yếu ở Đắclăk, Đắc Nông, Đồng 10 Tháp. Năng suất đậu tương cao nhất ở đồng bằng sông Cửu Long là 2,07 tấn/ha, ở đồng bằng sông Hồng là 1,5 tấn/ha [22]. Bảng 1.3: Sản lượng đậu tương của Việt Nam từ năm 2002 – 2006 (Nguồn: Tổng cục thống kê, 2006) [22] - Về mặt diện tích: Diện tích gieo trồng đậu tương của nước ta mới chiếm tỷ lệ nhỏ trong tổng diện tích gieo trồng (khoảng l,5-l,6%). - Về năng suất: Năng suất đậu tương bình quân của nước ta rất thấp chỉ đạt khoảng trên 50% so với năng suất bình quân trên thế giới. Hiện nay cả nước đã hình thành 6 vùng sản xuất đậu tương. Tùy theo điều kiện sinh thái của từng vùng mà đậu tương được gieo trồng trong các vụ chính khác nhau. - Về sản lượng: vùng đồng bằng sông Hồng, Đông Nam Bộ và đồng bằng sông Cửu Long chiếm hơn 60% sản lượng đậu tương cả nước. Đặc biệt vùng Đồng bằng sông Cửu Long chỉ chiếm khoảng 12% diện tích nhưng năng suất bình quân cao nhất cả nước đạt trên 20 tạ/ha [4]. Năm Diện tích (1.000 ha) Năng suất (tấn/ha) Sản lượng (1.000 tấn) 2002 158,6 1,296 205,6 2003 165,6 1,327 219,7 2004 183,3 1,342 245,9 2005 204,1 1,434 292,7 2006 185,5 1,33 258,2 [...].. .11 1. 2 Ảnh hưởng của một số yếu tố khí hậu đến giai đoạn nảy mầm và nhu cầu về nước của cây đậu tương trong giai đoạn nảy mầm - cây con 1. 2 .1 Ảnh hưởng của một số yếu tố khí hậu đến giai đoạn nảy mầm * Nhiệt độ: Đậu tương thường nảy mầm ở biên độ nhiệt độ từ 10 – 400C Hạt của những giống chịu lạnh có thể nảy mầm ở 6 – 80C Theo Lawn và William đậu tương có thể nảy mầm ở điều kiện nhiệt... dư thừa nước ảnh hưởng xấu đến khả năng nảy mầm và mọc của hạt, tế bào cũng bị tổn thương Tỷ lệ hạt nảy mầm ở đất khô giảm nhiều hơn so với đất ướt Để đảm bảo nảy mầm lượng nước trong hạt phải đạt 50% [4], [25] 1. 2.2 Nhu cầu về nước của cây đậu tương trong giai đoạn nảy mầm – cây con 1. 2.2 .1 Sự nảy mầm của hạt đậu tương Nảy mầm là giai đoạn quan trọng trong chu trình sinh trưởng và phát triển của thực... LUẬN 3 .1 Sự sinh trưởng của mầm đậu tương trong điều kiện thiếu nước 3 .1. 1 Tỷ lệ nảy mầm của hạt đậu tương Nảy mầm là quá trình sinh lý quan trọng trong chu kỳ sinh trưởng và phát triển của thực vật để đảm bảo duy trì sự sống và tạo cơ sở ban đầu cho một cơ thể mới Ở giai đoạn này thực vật rất mẫn cảm với sự thiếu nước Khả năng nảy mầm của hạt trong điều kiện thiếu nước do áp suất thẩm thấu cao của môi... 30,22±0 ,11 a 32,76±0 ,11 a 18 ,85±0,21b 29,39±0,08a* 15 ,69±0 ,12 b* 13 ,59±0 ,13 b* 62,40 47,89 46,27 a a 45,02±0 ,14 45,69±0 ,13 42,53±0 ,10 b 31, 12±0 ,10 a* 23,02±0,09b* 20,35±0 ,11 c* 58,35 50,38 47,86 thể hiện sự sai khác giữa các giống đậu tương trong cùng một ngày với độ tin cậy ≥ 95% đối với mẫu đối chứng và mẫu thí nghiệm % so với đối chứng 27 70 60 50 40 30 20 10 0 DT84 AK03 VX9-3 Ngày 3 Ngày 5 Ngày 7 Hình 3 .1 Ảnh... mầm cao nhất, giống VX9-3 có tỷ lệ nảy mầm thấp nhất Quá trình nảy mầm của hạt đậu tương bắt đầu bằng sự hút nước và trương nước của hạt, lượng nước tối thích cho hạt đậu tương nảy mầm bằng 50 26 – 60% khối lượng của hạt Khi gieo hạt ở trong điều kiện áp suất thẩm thấu cao hạt sẽ bị cản trở sự hút nước và do đó các quá trình sinh lý, hoá sinh trong hạt bị ức chế và sự nảy mầm bị kìm hãm Tỷ lệ nảy mầm. .. Hình 3 .1 Ảnh hưởng của điều kiện thiếu nước đến sinh trưởng mầm của đậu tương Chiều dài mầm (mm) 50 40 DT84 AK03 VX9-3 30 20 10 0 Ngày 3 Ngày 5 Ngày 7 Hình 3.2 Sự sinh trưởng của mầm khi đủ nước (đối chứng) Chiều dài mầm (mm) 35 30 25 DT84 AK03 VX9-3 20 15 10 5 0 Ngày 3 Ngày 5 Ngày 7 Hình 3.3 Sự sinh trưởng của mầm khi thiếu nước (thí nghiệm) 28 Qua kết quả của bảng 3.2, hình 3 .1, 3.2, 3.3 cho thấy:... các giống đậu tương với độ tin cậy ≥ 95% đối với mẫu đối chứng và mẫu thí nghiệm 10 0 80 KL khô 60 của mầm (mg /mầm) 40 20 ĐC TN 0 DT84 AK03 VX9-3 Hình 3.5 Khối lượng khô của mầm các giống đậu tương sau 7 ngày Khi thiếu nước tốc độ phân giải chất dự trữ giảm, khối lượng khô của mầm trong các lô thí nghiệm luôn cao hơn lô đối chứng Điều kiện thiếu nước kìm hãm các quá trình trao đổi chất trong mầm đậu tương, ... trưởng chậm của mầm đậu tương gieo trong dung dịch đường (điều kiện thí nghiệm)  31 Sự biến đổi khối lượng khô của mầm khác nhau giữa các giống đậu tương Những giống đậu tương phân giải nhanh chất dự trữ trong quá trình nảy mầm là những giống có sự sinh trưởng của mầm tốt Kết quả thí nghiệm sau khi được xử lý thống kê cho thấy, sau 7 ngày khối lượng khô của mầm giống DT84 thấp nhất, chứng tỏ tốc độ... của môi trường phản ánh một hệ thống các đặc điểm sinh lý, sinh hoá quan trọng của hạt phản ứng với điều kiện môi trường bất lợi và thể hiện khả năng chịu hạn của cây Kết quả về sự nảy mầm của hạt đậu tương trong dung dịch đường saccarozo, có so sánh với đối chứng được trình bày ở bảng 3 .1 như sau : Bảng 3 .1 Sự nảy mầm của hạt đậu tương trong dung dịch đường saccarozo Giống Số hạt nảy mầm (hạt/mẫu 50... nhau đến các giống, giống chịu hạn khá hơn bị suy giảm khối lượng tươi ít hơn 3 .1. 4 Khối lượng khô của mầm đậu tương Kết quả thí nghiệm được trình bày ở bảng 3.4 và hình 3.5 Bảng 3.4 Khối lượng khô của mầm đậu tương sau 7 ngày (mg /mầm) Giống Đối chứng Thí nghiệm % so ĐC DT84 94, 51 ± 1, 31a 97,40 ± 1, 03a* 10 3,06 AK03 62,33 ± 0,67b 66,70 ± 0,97b* 10 7, 01 VX 9-3 85,70 ± 0,73c 93,82 ± 0,47c* 10 9,47 Ghi chú: . đoạn nảy mầm và nhu cầu về nước của cây đậu tương trong giai đoạn nảy mầm - cây con 1. 2 .1. Ảnh hưởng của một số yếu tố khí hậu đến giai đoạn nảy mầm * Nhiệt độ: Đậu tương thường nảy mầm ở. (tấn/ha) Sản lượng (1. 000 tấn) 2002 15 8,6 1, 296 205,6 2003 16 5,6 1, 327 219 ,7 2004 18 3,3 1, 342 245,9 2005 204 ,1 1,434 292,7 2006 18 5,5 1, 33 258,2 11 1. 2. Ảnh hưởng của một số yếu tố khí hậu. Nhu cầu về nước của cây đậu tương trong giai đoạn nảy mầm – cây con 1. 2.2 .1. Sự nảy mầm của hạt đậu tương Nảy mầm là giai đoạn quan trọng trong chu trình sinh trưởng và phát triển của thực vật