Luận án tiến sĩ Nông nghiệp: Nghiên cứu sự biểu hiện của gen mã hóa methionine sulfoxide reductase trong điều kiện stress mặn, hạn ở cây Arabidopsis và đậu tương

Chia sẻ: Phong Tỉ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:162

Thêm vào BST

Báo xấu

29
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án được nghiên cứu với mục tiêu nhằm xem xét và tìm hiểu protêin giàu methionine trên cây mô hình Arabidopsis thaliana. Xác định và phân tích protêin giàu methionine trên đậu tương. Xác định và phân tích họ enzyme methionine sulfoxide reductase ở đậu tương.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Nông nghiệp: Nghiên cứu sự biểu hiện của gen mã hóa methionine sulfoxide reductase trong điều kiện stress mặn, hạn ở cây Arabidopsis và đậu tương

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM CHU ĐỨC HÀ NGHIÊN CỨU SỰ BIỂU HIỆN CỦA GEN MÃ HÓA METHIONINE SULFOXIDE REDUCTASE TRONG ĐIỀU KIỆN STRESS MẶN, HẠN Ở CÂY ARABIDOPSIS VÀ ĐẬU TƯƠNG LUẬN ÁN TIẾN SỸ NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI, 2018
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM CHU ĐỨC HÀ NGHIÊN CỨU SỰ BIỂU HIỆN CỦA GEN MÃ HÓA METHIONINE SULFOXIDE REDUCTASE TRONG ĐIỀU KIỆN STRESS MẶN, HẠN Ở CÂY ARABIDOPSIS VÀ ĐẬU TƯƠNG Chuyên ngành : Công nghệ Sinh học Mã số : 9420201 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. TS. Lê Tiến Dũng 2. TS. Phạm Thị Lý Thu HÀ NỘI, 2018
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là do tôi thực hiện. Các số liệu và kết quả nghiên cứu đã nêu trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trên bất kỳ một công trình nghiên cứu nào khác. Tôi xin cam đoan mọi sự giúp đỡ đã được cảm ơn, các tài liệu trích dẫn đã được chỉ rõ nguồn gốc. Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Tác giả luận án Chu Đức Hà
ii LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành được luận án này, nghiên cứu sinh đã nhận được sự tận tình giúp đỡ của nhiều tập thể và cá nhân. Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS. Lê Tiến Dũng, TS. Phạm Thị Lý Thu, những người thầy, người cô và các anh chị đã tận tình dẫn dắt, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình nghiên cứu khoa học và hoàn thành luận án. Nghiên cứu sinh xin biết ơn những ý kiến đóng góp quý báu của các thầy, cô Ban Đào tạo Sau đại học - Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam, Ban lãnh đạo Viện Di truyền Nông nghiệp trong suốt quá trình học tập. Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn các cán bộ, bạn bè đồng nghiệp công tác tại bộ môn Sinh học phân tử, phòng thí nghiệm Chọn giống phân tử Sắn - Viện Di truyền Nông nghiệp, Trung tâm Tài nguyên Bền vững RIKEN (Nhật Bản) đã chia sẻ kinh nghiệm, giúp đỡ động viên trong suốt quá trình thực hiện luận án. Đồng thời, luận án của nghiên cứu sinh cũng được hỗ trợ kinh phí từ đề tài của Quỹ Phát triển Khoa học và Công nghệ Việt Nam, mã số 106-NN.02-2013.46. Cuối cùng, nghiên cứu sinh xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã động viên khích lệ trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận án. Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Tác giả luận án Chu Đức Hà
iii MỤC LỤC Lời cam đoan ...................................................................................................... i Lời cảm ơn ........................................................................................................ ii Mục lục ............................................................................................................. iii Danh mục chữ viết tắt ...................................................................................... vi Danh mục bảng............................................................................................... viii Danh mục hình ................................................................................................. ix MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của luận án ..................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án .......................................................... 2 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án ........................................... 2 3.1. Ý nghĩa khoa học của luận án ............................................................... 2 3.2. Ý nghĩa thực tiễn của luận án ............................................................... 3 4. Những đóng góp mới của luận án ......................................................... 3 CHƯƠNG I TỔNG QUAN TÀI LIỆU............................................................. 4 1.1. Ảnh hưởng của điều kiện môi trường đến đời sống thực vật ............... 4 1.1.1. Tác động của biến đổi khí hậu đối với cây trồng nông nghiệp hiện nay ................................................................................................. 4 1.1.2. Cơ chế tác động của yếu tố ngoại cảnh bất lợi đến tế bào thực vật...... 9 1.1.3. Cơ chế đáp ứng của thực vật với điều kiện bất lợi ............................. 15 1.2. ai trò của n ym m thionin sul oxid r ductas và quá trình ôxi hóa m thionin ở thực vật............................................................. 18 1.2.1. Quá trình ôxi hóa m thionin ở thực vật ............................................ 18 1.2.2. Tổng quan về họ enzyme methionine sulfoxide reductase ................. 21 1.3. M thionin và prot in giàu m thionin ở thực vật ............................. 29 1.3.1. Một vài nét về m thionin và vai trò của methionine ở thực vật ....... 29
iv 1.3.2. Prot in giàu m thionin ở thực vật ..................................................... 32 1.4. Tiềm năng ứng dụng của enzyme methionine sulfoxide reductase trong chọn tạo giống nhằm nâng cao tính chống chịu ở cây trồng ..... 34 CHƯƠNG II T LIỆU À PHƯƠNG PH P NGHI N C U................... 38 2.1. ật liệu nghiên cứu ............................................................................. 38 2.1.1. ật liệu cho nghiên cứu tin sinh học .................................................. 38 2.1.2. ật liệu cho nghiên cứu thực nghiệm ................................................. 38 2.2. Thời gian và địa điểm nghiên cứu ...................................................... 38 2.2.1. Thời gian nghiên cứu .......................................................................... 38 2.2.2. Địa điểm nghiên cứu ........................................................................... 38 2.3. Phương pháp nghiên cứu .................................................................... 39 2.3.1. Phương pháp tiếp cận bằng tin sinh học ............................................. 39 2.3.2. Phương pháp tiếp cận bằng thực nghiệm ............................................ 47 CHƯƠNG III KẾT QUẢ À THẢO LU N ................................................. 51 3.1. Xác định và phân tích prot in giàu methionine ở Arabidopsis .......... 51 3.1.1. Tìm kiếm, xác định và định danh g n mã hóa prot in giàu methionine ở Arabidopsis ................................................................... 51 3.1.2. Phân loại chức năng của prot in giàu m thionin ở Arabidopsis ...... 53 3.1.3. Phân tích đặc tính cơ bản của prot in giàu m thionin ở Arabidopsis ......................................................................................... 55 3.1.4. Phân tích mức độ biểu hiện g n mã hóa MRP trên Arabidopsis trong điều kiện thường và điều kiện bất lợi ........................................ 60 3.1.5. Đánh giá mức độ đáp ứng của cây Arabidopsis thaliana chuyển gen biểu hiện quá mức g n At3G55240 với điều kiện bất lợi ............ 67 3.2. Xác định và phân tích prot in giàu M thionin ở đậu tương ............. 74 3.2.1. Tìm kiếm, xác định và định danh g n mã hóa prot in giàu methionine ở đậu tương ...................................................................... 75
v 3.2.2. Phân loại chức năng của g n mã hóa prot in giàu m thionin ở đậu tương ............................................................................................ 76 3.2.3. Phân tích mức độ biểu hiện của g n mã hóa prot in giàu methionine ở đậu tương ...................................................................... 78 3.3. Phân tích in silico họ g n mã hóa n ym MSR ở đậu tương ............ 82 3.3.1. Xác định họ g n mã hóa n ym MSRA ở g nom cây đậu tương ... 83 3.3.2. Phân tích hiện tượng lặp g n của họ g n mã hóa n ym MSRA ở đậu tương ......................................................................................... 85 3.3.3. Phân tích một số đặc tính cơ bản của họ n ym MSRA ở đậu tương ................................................................................................... 87 3.4. Đánh giá đặc tính của họ g n mã hóa n ym MSR ở đậu tương ...... 90 3.4.1. Dự đoán yếu tố điều hòa cis- ở vùng promot r của họ g n mã hóa enzyme MSR ở đậu tương .................................................................. 90 3.4.2. Đánh giá mức độ biểu hiện của g n mã hóa MSR ở đậu tương trong điều kiện thường và điều kiện ngoại cảnh bất lợi bằng tin sinh học ............................................................................................... 93 3.4.3. Phân tích mức độ đáp ứng của g n mã hóa MSRB ở đậu tương trong điều kiện thường và điều kiện ngoại cảnh bất lợi bằng thực nghiệm ................................................................................................. 97 KẾT LU N À Đ NGH ........................................................................... 105 Danh mục các công trình đã công bố có liên quan đến luận án .................... 106 Tài liệu tham khảo ......................................................................................... 107 Phụ lục ........................................................................................................... 128
vi DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Ch iế Thu ng Tiếng Anh Thu ng Tiếng Việ 120 RH Root hair cells isolated 120 hours after Tế bào lông rễ thu ở thời điểm sowing giờ sau khi gi o 84 RH Root hair cells isolated 84 hours after Tế bào lông rễ thu ở thời điểm sowing giờ sau khi gi o ABA Abscisic acid Axit abscisic Cd Cadmium Cadimi CRE Cis- regulatory element Yếu tố điều hòa cis- cTP Chloroplast transited peptide Trình tự hướng vào lục lạp Cys Cysteine Cystein DNA Deoxyribonucleic acid Axit deoxyribonucleic fMet N-Formylmethionine N-Formylmethionin GEO Gene expression omnibus Kho dữ liệu biểu hiện gen Ile Isoleucine Isoleucin JA Jasmonic acid Axít asmonic Ka Nonsynonymous substitutions per Trị số thay thế trái nghĩa nonsynonymous site Ks Synonymous substitutions per Trị số thay thế đồng nghĩa synonymous site L Leaf Lá Lys Lysine Lysin Met Methionine Methionin MetO Methionine sulfoxide Methionin sulfoxit MetO2 Methionine sulfone Methionin sulfon Met-S-O Methionine-S-sulfoxide Methionin-S-sulfoxit Met-R-O Methionine-R-sulfoxide Methionin-R-sulfoxit MRP Methionine rich protein Prot in giàu m thionin mRNA Messenger RNA ARN thông tin
vii MS Murashige-Skoog Murashige-Skoog MSR Methionine sulfoxide reducatase Methionin sulfoxit reducataza MYBR MYB recognition Yếu tố nhận biết MYB MYCR MYC recognition Yếu tố nhận biết MYC N Nodule Nốt sần NADPH Nicotinamide adenine dinucleotide Nicotinamit adenin dinucleotit phosphate phosphat NST Chromosome Nhiễm sắc thể OPH O-phosphohomoserine O-phosphohomoserin PEL Pseudo-etiolation in light Giả vàng úa trong ánh sáng pI Isoelectric point Điểm đ ng điện Phe Phenylalanine Phenylalanin PlantCARE Plant cis-acting regulatory element Yếu tố điều hòa cis- ở thực vật PS Phytosiderophore Phytosiderophore qRT-PCR Quantitative Realtime PCR PCR định lượng thời gian thực R Root Rễ RBC RIKEN Bioresource Center Trung tâm tài nguyên sinh học RIKEN RNA Ribonucleic acid Axit ribonucleic ROS Reactive oxygen species Gốc hoạt động chứa ôxi RT Root tips Chóp rễ S Sulfur Lưu huỳnh SA Salicylic acid Axít salicylic SAM Adenosyl-L-methionine Adenosyl-L-Methionin TF Transcription factor Nhân tố phiên mã TraVA Transcriptome variation analysis Phân tích hệ thống biểu hiện Trp Tryptophan Tryptophan βAP β-aspartyl phosphate β-aspartyl phosphat
viii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Tóm tắt họ g n mã hóa n ym m thionin sul oxid reductase ở một số loài trong sinh giới ....................................... 26 Bảng 2.1. Danh sách mồi sử dụng cho phản ứng qRT-PCR ....................... 47 Bảng 3.1. Phân loại chức năng g n mã hóa MRP trong Arabidopsis ......... 53 Bảng 3.2. Một số phân tử MRP chứa nhiều Met ở Arabidopsis ................. 55 Bảng 3.3. Phân tích định khu nội bào của MRP và yếu tố điều hòa cis- của g n mã hóa MRP ở Arabidopsis .......................................... 57 Bảng 3.4. Gen AtMRP có mức độ phiên mã đáp ứng trong điều kiện hạn và mặn .................................................................................. 65 Bảng 3.5. Thông tin về một số MRP có thành phần M t và kích thước phân tử nổi bật ............................................................................ 76 Bảng 3.6. Phân loại chức năng g n mã hóa MRP ở đậu tương th o Mapman ...................................................................................... 77 Bảng 3.7. G n mã hóa GmMRP có mức độ biểu hiện đáp ứng với điều kiện hạn ở lá 6 và R ............................................................... 81 Bảng 3.8. Thông tin chú giải về họ g n mã hóa n ym MSRA ở đậu tương ........................................................................................... 84 Bảng 3.9. Hiện tượng lặp gen ở họ enzyme MSRA ở đậu tương ............... 85 Bảng 3.10. Một số đặc tính cơ bản của họ n ym MSRA ở đậu tương ...... 88 Bảng 3.11. Tóm tắt kết quả phân tích biểu hiện của g n mã hóa MSRB ở đậu tương trong điều kiện thường ......................................... 102 Bảng 3.12. Tóm tắt kết quả phân tích biểu hiện của g n mã hóa MSRB ở đậu tương trong điều kiện hạn ............................................... 103 Bảng 3.13. Tóm tắt kết quả phân tích biểu hiện của g n mã hóa MSRB ở đậu tương trong điều kiện mặn .............................................. 104
ix DANH MỤC HÌNH Hình . . Sự chênh lệch giữa năng suất lý thuyết, tiềm năng và thực tế ..... 5 Hình . . Kịch bản biến đổi khí hậu trên thế giới trong giai đoạn 2020 - 2050 ............................................................................................. 6 Hình .3. Bản đồ xâm nhập mặn khu vực đồng bằng sông Cửu Long năm 6 ..................................................................................... 8 Hình . . Yếu tô bất thuận tác động đến đời sống của thực vật ................... 9 Hình .5. Sự hình thành ROS trong tế bào thực vật .................................. 12 Hình .6. Quá trình ôxi hóa m thionin trong tế bào ................................ 18 Hình .7. Phản ứng khử MetO về M t thông qua sự hoạt động của enzyme MSR ............................................................................. 22 Hình . . ai trò của M t và SAM liên quan đến các quá trình diễn ra trong tế bào thực vật ................................................................... 31 Hình . . Cách tiếp cận để xác định MRP trên đối tượng Arabidopsis ..... 39 Hình . . Tìm kiếm yếu tố điều hòa cis- trên vùng promot r của các g n mã hóa AtMRP ở Arabidopsis .............................................. 41 Hình 3.1. Dự đoán sự xuất hiện của 3 CRE đáp ứng với yếu tố phi sinh học bất thuận trên vùng promot r của g n mã hóa AtMRP. .......... 59 Hình 3. . Mức độ biểu hiện của một số gen AtMRP được tìm thấy trên cơ sở dữ liệu GDS416 ......................................................... 62 Hình 3.3. Dữ liệu biểu hiện của một số g n AtMRP tiêu biểu trong các mẫu mô ở A. thaliana ........................................................... 63 Hình 3. . Dòng chuyển g n nảy mầm trên môi trường chọn lọc ............... 68 Hình 3.5. Hình thái cây chuyển g n ở các giai đoạn tuổi khác nhau trên môi trường thạch.................................................................. 69 Hình 3.6. Hình thái dòng cây chuyển g n trên giá thể đất ......................... 70
x Hình 3.7. Đánh giá khả năng đáp ứng của dòng cây chuyển g n và đối chứng khi xử lý mặn ................................................................... 71 Hình 3. . Đánh giá khả năng đáp ứng của dòng cây chuyển g n và đối chứng khi xử lý CdCl2 .......................................................... 72 Hình 3.9. Thử nghiệm paraquat trên dòng cây đối chứng và dòng cây chuyển gen RBC1 ....................................................................... 73 Hình 3.10. Thông tin về một số g n GmMRP có mức độ biểu hiện mạnh ở các cơ quan, bộ phận trên cây đậu tương trong điều kiện thường ................................................................................. 79 Hình 3. . Vị trí phân bố của họ g n MSR trên g nom đậu tương ............ 86 Hình 3. . Sơ đồ minh họa cây phân loại và cấu trúc vùng bảo thủ cho enzyme MSRA ở đậu tương và A.thaliana................................. 89 Hình 3. 3. Dự đoán vị trí phân bố của yếu tố điều hòa cis- trên vùng promoter của họ gen GmMSR ở đậu tương ................................ 91 Hình 3. . Mức độ biểu hiện của họ gen GmMSR trong điều kiện thường ở các mẫu mô cơ quan ở đậu tương. .............................. 94 Hình 3. 5. Mức độ biểu hiện của họ gen GmMSR trong điều kiện A hạn và B mặn ở các mẫu mô cơ quan ở đậu tương .................. 95 Hình 3.16. Kết quả phân tích mức độ biểu hiện của họ g n mã hóa MSRB ở đậu tương trong điều kiện thường. .............................. 98 Hình 3. 7. Kết quả phân tích mức độ biểu hiện của họ g n mã hóa MSRB ở đậu tương trong điều kiện hạn ..................................... 99 Hình 3. . Kết quả phân tích mức độ biểu hiện của họ g n mã hóa MSRB ở đậu tương trong điều kiện mặn .................................. 100 Hình 3. 9. Kết quả phân tích mức độ biểu hiện của họ g n mã hóa MSRB ở đậu tương trong điều kiện xử lý với ABA................. 101
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của lu n án Điều kiện ngoại cảnh bất thuận do biến đổi khí hậu có thể gây tác động xấu đến sinh trưởng và phát triển của nhiều đối tượng cây trồng. Ở Việt Nam, diễn biến phức tạp của biến đổi khí hậu đã ảnh hưởng rất lớn đến tình hình và xu thế phát triển của ngành trồng trọt, gây sụt giảm năng suất cây trồng, đ dọa tình hình an ninh lương thực. ì vậy, tăng cường tính chống chịu ở cây trồng cần được coi là ưu tiên hàng đầu của ngành trồng trọt hiện nay. Song song với công tác chọn tạo giống nhằm nâng cao tính chống chịu, nghiên cứu cơ bản nhằm tìm hiểu và làm rõ cơ chế đáp ứng bất lợi của thực vật cũng là một hướng đi được các nhà khoa học quan tâm. Đây là cơ sở, vừa mang tính định hướng cho công tác chọn tạo giống cây trồng, nhằm cải thiện và nâng cao tính chống chịu với yếu tố bất lợi. Cơ chế tác động của bất lợi phi sinh học và sinh học đến thực vật vẫn chưa được hiểu rõ hoàn toàn. Rất nhiều nghiên cứu đã chứng minh sự dư thừa của một số dạng chứa ôxi nguyên tử hoạt động trong tế bào đã gây ra những sai hỏng trên các đại phân tử, làm tổn thương bào quan và cấu trúc nội bào, dẫn đến rối loạn quá trình chuyển hóa, gây chết tế bào. Đặc biệt, một trong những mục tiêu dễ dàng bị ôxi hóa là các amino acid có chứa gốc lưu huỳnh, trong đó có methionine M t . Đây là một amino acid đóng vai trò thiết yếu trong sinh vật. Vấn đề đặt ra là có bao nhiêu protein chứa nhiều Met trong thực vật và các g n mã hóa prot in này có đáp ứng như thế nào trong điều kiện ngoại cảnh bất lợi. Câu hỏi này, dù được khá nhiều nhóm nghiên cứu quan tâm, đến nay vẫn chưa được giải đáp một cách thấu đáo vì vướng phải khó khăn trong cách tiếp cận và phương pháp tiến hành. Để sửa chữa, sinh giới có hai họ enzyme, methionine-S-sulfoxide r ductas MSRA và methionine-R-sulfoxide reductase (MSRB), có chức
2 năng khử các gốc Met bị ôxi hóa. Methionine sul oxid r ductas MSR được chứng minh tham gia vào cơ chế chống chịu với điều kiện bất lợi ở cây trồng. Nghiên cứu về họ n ym này cho phép ta có thể tiếp cận gần hơn với cơ chế chống chịu ở thực vật, từ đó tìm ra những gen mục tiêu cho công tác chọn tạo giống nhằm nâng cao tính chống chịu ở cây trồng. Để giải quyết được các câu hỏi đặt ra, chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu trên cây mô hình Arabidopsis thaliana và đậu tương Glycine max) với tên luận án “Nghiên cứu sự biểu hiện của gen mã hóa methionine sulfoxide reductase trong điều kiện stress mặn, hạn ở cây Arabidopsis và đậu tương”. 2. Mục iêu nghiên cứu của lu n án Mục tiêu của luận án nhằm x m xét vai trò của enzyme methionine sulfoxide reductase liên quan đến khả năng đáp ứng với điều kiện bất lợi ở thực vật, đồng thời cũng tìm hiểu về đối tượng cần được methionine sulfoxide reductase sửa chữa trong tế bào. Cụ thể như sau:  X m xét và tìm hiểu prot in giàu methionine trên cây mô hình Arabidopsis thaliana.  Xác định và phân tích prot in giàu methionine trên đậu tương.  Xác định và phân tích họ enzyme methionine sulfoxide reductase ở đậu tương.  Đánh giá mức độ biểu hiện của các g n mã hóa họ enzyme methionine sulfoxide reductase ở đậu tương đáp ứng với điều kiện hạn và mặn. 3. Ý nghĩa khoa học à hực tiễn của lu n án 3.1. Ý nghĩa khoa học của lu n án Kết quả của luận án đã cung cấp các dữ liệu khoa học một cách hệ thống về vai trò của prot in giàu methionine ở A. thaliana, làm tiền đề cho các nghiên cứu về cơ chế tác động của yếu tố bất lợi đến thực vật thông qua quá trình ôxi hóa methionine. Song song với đó, việc xác định và phân tích họ enzyme methionine sulfoxide reductase ở đậu tương đã cung cấp những hiểu
3 biết quan trọng về vai trò của họ enzyme sửa chữa trong chống chịu điều kiện ngoại cảnh bất lợi. 3.2. Ý nghĩa hực tiễn của lu n án - Việc tìm kiếm và xác định được g n mã hóa n ym MSR ở đậu tương đã cung cấp nguồn vật liệu có giá trị cho các nghiên cứu chức năng g n. - Kết quả nghiên cứu xác định các g n mã hóa prot in giàu methionine và enzyme methionine sulfoxide reductase đáp ứng với điều kiện ngoại cảnh bất lợi cũng mở ra hướng nghiên cứu ứng dụng mới nhằm cải thiện chất lượng và tăng cường khả năng chống chịu của cây trồng. 4. Nh ng đóng góp mới của lu n án Kết quả của luận án là nghiên cứu đầu tiên và có hệ thống ở Việt Nam và trên thế giới về prot in giàu methionine ở cây mô hình A. thaliana và đậu tương. Các gen mã hóa prot in giàu methionine có đáp ứng trong điều kiện ngoại cảnh bất lợi được xác định trong luận án này có thể cung cấp các dẫn liệu quan trọng về protein mẫn cảm với sự ôxi hóa methionine ở thực vật. Kết quả tìm kiếm, xác định và phân tích họ gen mã hóa n ym MSRA ở g nom đậu tương cũng là nghiên cứu đầu tiên ở Việt Nam và trên thế giới. Kết hợp với một số phân tích trên họ n ym MSRB đã được công bố trước đó, nội dung của luận án này đã làm rõ chức năng của nhóm n ym MSR ở đậu tương nói riêng và thực vật nói chung. iệc tìm ra một số g n có mức độ biểu hiện đáp ứng với điều kiện ngoại cảnh bất lợi s mở ra hướng đi mới cho công tác chọn tạo giống nhằm nâng cao tính chống chịu ở cây trồng.
4 CHƯƠNG I TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Ảnh hưởng của điều kiện môi rường đến đời sống thực v t Điều kiện ngoại cảnh thay đổi do biến đổi khí hậu đã và đang gây nên những tác động rõ rệt tới sự phát triển của ngành nông nghiệp toàn cầu, tạo ra sức ép đến an ninh lương thực và tình trạng nghèo đói trên thế giới. Những bất lợi này đã ảnh hưởng lớn đến sinh trưởng và phát triển của hầu hết đối tượng cây trồng. Hạn hán, ngập úng, nhiễm mặn, tích lũy kim loại nặng và các bất lợi khác đã đ đọa trực tiếp đến năng suất và sản lượng của cây trồng. Trong nội dung này, i những số liệu về tổn thất do thay đổi môi trường đến năng suất và sản lượng của cây trồng đã được cung cấp một cách cụ thể. Từ đó, câu hỏi được đặt ra là ii bản chất quá trình tác động của điều kiện bất lợi đến sinh trưởng và phát triển của thực vật diễn ra như thế nào? Cuối cùng, iii cơ chế đáp ứng với yếu tố bất lợi của thực vật đã được đưa ra. Qua đây, những đối tượng dễ dàng bị tấn công bởi điều kiện ngoại cảnh bất lợi, trong đó có các amino acid như methionine (Met) đã được phân tích, từ đó có thể thấy được tính cấp thiết của luận án trong việc nghiên cứu sự ôxi hóa M t ở thực vật. 1.1.1. Tác động của biến đổi khí hậu đối với cây trồng nông nghiệp hiện nay 1.1.1.1. Những tổn thất gây ra bởi sự thay đổi của yếu tố môi trường đến sản xuất nông nghiệp toàn cầu Cây trồng đang phải đối mặt với nhiều khó khăn do sự thay đổi khắc nghiệt của các yếu tố môi trường. Có nhiều nguyên nhân dẫn đến sự biến đổi cực đoan của điều kiện ngoại cảnh, chủ yếu do tình trạng biến đổi khí hậu và hoạt động sản xuất quá mức của con người gây ra. Trong thực tế, năng suất trên đồng ruộng luôn có sự chênh lệch so với năng suất lý thuyết, điều này có thể do kỹ thuật canh tác, công tác quản lý đồng ruộng và một số điều kiện khác Hình . . Khi đối mặt với tác động tổng hợp và riêng lẻ của điều kiện
5 bất lợi, quá trình sinh trưởng và phát triển của cây trồng bị kìm hãm mạnh, năng suất và chất lượng sụt giảm một cách đáng kể [64]. Hình 1.1. Sự chênh lệch gi a năng suấ lý huyết, tiềm năng à hực tế [64]. o Trong một kịch bản gần đây, nhiệt độ tăng lên khoảng ÷ C có thể làm tăng năng suất của cây trồng, nhưng nếu nhiệt độ nóng lên 5oC s tác động tiêu cực đến đời sống của cây trồng [144]. Năm , năng suất lúa gạo (Oryza sativa), ngô (Zea mays) và lúa mỳ (Triticum aestivum) được dự đoán giảm khoảng 3 ÷ % cho mỗi 1oC nóng lên [32]. Năng suất ngô toàn cầu có thể giảm 10% nếu nhiệt độ tăng ,5oC, thậm chí tới 20% nếu tiếp tục tăng lên 1oC [144]. Đây là một thách thức lớn, bởi dân số thế giới ngày càng tăng, trong khi diện tích đất nông nghiệp bị giảm do hoạt động sản xuất của con người và biến đổi khí hậu [30]. Nếu biến đổi khí hậu tiếp tục diễn biến th o xu hướng tiêu cực Hình . , đến năm 5 , sản lượng của nhóm cây trồng chính ngũ cốc, hạt lấy dầu, lúa mỳ và lúa gạo s bị thiệt hại trung bình khoảng 17% [121]. Năng suất đậu tương có thể bị sụt giảm khoảng 5 ÷ 3 % trong điều kiện mô phỏng
6 biến đổi khí hậu [44]. Năm , biến đổi khí hậu gây ra thiệt hại khoảng 8,5 ÷ % sản lượng đậu tương toàn thế giới [30]. Hình 1.2. Kịch bản biến đổi khí h u rên hế giới trong giai đoạn 2020 - 2050 [30] Sự chênh lệch giữa năng suất thực thu và năng suất lý thuyết ngày càng cách xa nhau, chủ yếu bởi biến đổi khí hậu. Trước đây, khoảng cách này được giải thích do đặc điểm giống, kỹ thuật canh tác và điều kiện ngoại cảnh. Hiện nay, khi yếu tố giống và kỹ thuật chăm sóc đã được cải thiện và nâng cao rõ rệt do trình độ khoa học phát triển, yếu tố tác động còn lại chỉ có thể là ảnh hưởng của điều kiện ngoại cảnh trên đồng ruộng. Thực tế, yếu tố ngoại cảnh rất khó kiểm soát trên đồng ruộng, nhất là khi chúng bị thay đổi theo chiều hướng xấu. ì thế, công tác ứng phó với điều kiện bất thuật trên đồng ruộng luôn gặp rất nhiều khó khăn. 1.1.1.2. Những tổn thất gây ra bởi sự thay đổi của yếu tố môi trường đến ngành trồng trọt ở Việt Nam Ở Việt Nam, biến đổi khí hậu là thuật ngữ đã trở nên phổ biến do mức độ tác động nghiêm trọng đến cho đời sống xã hội và nền sản xuất nông nghiệp [2]. Mặc dù các nghiên cứu thống kê về thiệt hại do thiên tai gây ra cho sản xuất trồng trọt chưa đầy đủ và cập nhật, nhưng rõ ràng là hệ thống canh tác ở Việt Nam đang phải chịu những tác động mạnh m của điều kiện ngoại cảnh bất lợi. Xét một cách toàn diện, biển đổi khí hậu đã gây ra thay đổi lớn cho
7 Việt Nam [1]. Thứ nhất, nhiệt độ ở tất cả vùng đều có xu hướng tăng so với giai đoạn trước (1986 - 2005), với mức nhiệt tăng lớn nhất là khu vực phía Bắc. Cụ thể, nhiệt độ trung bình năm trên toàn quốc vào đầu thế kỷ XIX tăng phổ biến từ , ÷ , oC, vào giữa thế kỷ có mức tăng , ÷ ,3oC, đến cuối thế kỷ này có mức tăng 3,3 ÷ , oC Hình . . Nhiệt độ thấp nhất và cao nhất trung bình có xu hướng tăng rõ rệt. Thứ hai, tổng lượng mưa trong năm có xu thế tăng. Dự báo vào cuối thế kỷ XIX, mức tăng nhiều nhất có thể trên % ở hầu hết khu vực Bắc Bộ, Trung Trung Bộ, một phần Nam Bộ và Tây Nguyên [1, 3]. Số ngày nắng nóng ngày có nhiệt độ cao nhất ≥ 35oC có xu hướng tăng trên phần lớn lãnh thổ, lớn nhất ở khu vực Bắc Trung Bộ, Nam Trung Bộ và Nam Bộ [1, 4]. Hạn hán có thể trở nên khắc nghiệt hơn ở một số vùng do nhiệt độ tăng và khả năng giảm lượng mưa trong mùa khô [4-6]. Thứ tư, mực nước biển dâng trung bình ghi nhận tại khu vực ven biển Việt Nam có khả năng cao hơn mực nước biển trung bình toàn cầu. Cụ thể, mực nước biển dâng trung bình cho toàn dải ven biển Việt Nam đến năm 5 là 5 cm, đến năm là 73 cm [1, 2]. Nếu kịch bản này xảy ra, khoảng 16,8% diện tích đồng bằng sông Hồng, 1,5% diện tích các tỉnh ven biển miền Trung, 17,8% diện tích thành phố Hồ Chí Minh và 3 ,9% diện tích đồng bằng sông Cửu Long có nguy cơ bị ngập [1, 3]. Như vậy, hạn hán, ngập chìm và mặn là 3 yếu tố phi sinh học bất lợi nghiêm trọng nhất, bên cạnh một số điều kiện khác do hoạt động của con người gây ra, đã, đang và s tác động đến sản xuất trồng trọt ở Việt Nam trong cả thế kỷ này. Như đã đề cập, nước biển dâng và xâm nhập mặn cũng đang ở tình trạng rất báo động [1, 7]. Đầu thế kỷ này, nhóm nghiên cứu của Viện Nghiên cứu lúa quốc tế đã cảnh báo về hiện tượng nước biển dâng và xâm nhiễm mặn ảnh hưởng đến sản xuất nông nghiệp tại khu vực đồng bằng sông Cửu Long [178]. Năm , nhóm tác giả thuộc Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam đã cập nhật tình trạng ngập do lũ và thủy triều dâng ghi nhận tại đồng bằng sông Cửu Long trong bối cánh khí hậu thay đổi khắc nghiệt [8]. Cụ thể, năm đã ghi nhận giới hạn xâm nhập mặn diễn biến từ 3 ,3 ÷ , km ở mức xâm nhập
8 mặn 1‰. Năm 3, diện tích đất nông nghiệp bị ảnh hưởng mặn của nước ta khoảng 2,1 triệu ha, trong đó khu vực đồng bằng sông Cửu Long có khoảng 0,7 triệu ha đất bị nhiễm mặn. Hiện tượng nước biển xâm nhập ngày càng sâu vào trong nội đồng với độ mặn từ ÷ 5‰ và có thể lên tới 7‰ vào các tháng mùa khô đã ảnh hưởng lớn tới hiện trạng sản xuất lúa. Trong đó, Cần Thơ là một trong những địa phương chịu ảnh hưởng nặng nề nhất về tình trạng ngập lụt và đất nhiễm mặn ảnh hưởng đến sản xuất nông nghiệp [74, 135]. Hình 1.3. Bản đồ xâm nh p mặn khu vực đồng bằng sông Cửu Long năm 2016 [8]. Bối cảnh xâm nhập mặn cũng diễn ra sâu sắc tại các tỉnh phía Bắc nước ta. Cụ thể, diện tích lớn đất nông nghiệp ở một số vùng v n biển tại Hải Phòng ha , Thái Bình ha , Nam Định ha và Thanh Hóa ha chịu nhiễm mặn xâm nhiễm 3 ÷ 5‰. Dọc theo ven biển các tỉnh miền Trung, Hà Tĩnh có ít nhất 17 919 ha diện tích đất nông nghiệp thuộc tỉnh Hà Tĩnh, 9 3