Luận án Tiến sĩ Sinh học: Nghiên cứu một số đáp ứng sinh lý, hóa sinh liên quan đến phản ứng tự bảo vệ của cây đậu tương Nam Đàn (Glycine max (L.) Merr.) đối với rệp muội đen (Aphis craccivora Koch)

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:252

Thêm vào BST

Báo xấu

15
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của luận án "Nghiên cứu một số đáp ứng sinh lý, hóa sinh liên quan đến phản ứng tự bảo vệ của cây đậu tương nam đàn (Glycine max (L.) Merr.) đối với rệp muội đen (Aphis craccivora Koch)" là phân tích, đánh giá được một số đáp ứng sinh lý, hóa sinh liên quan đến phản ứng tự bảo vệ của cây đậu tương Nam Đàn khi rệp muội đen tác động tại các giai đoạn sinh trưởng sinh dưỡng V1, V3 và V5.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Sinh học: Nghiên cứu một số đáp ứng sinh lý, hóa sinh liên quan đến phản ứng tự bảo vệ của cây đậu tương Nam Đàn (Glycine max (L.) Merr.) đối với rệp muội đen (Aphis craccivora Koch)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI TRẦN NGỌC TOÀN NGHIÊN CỨU MỘT SỐ ĐÁP ỨNG SINH LÝ, HÓA SINH LIÊN QUAN ĐẾN PHẢN ỨNG TỰ BẢO VỆ CỦA CÂY ĐẬU TƯƠNG NAM ĐÀN (Glycine max (L.) Merr.) ĐỐI VỚI RỆP MUỘI ĐEN (Aphis craccivora Koch) LUẬN ÁN TIẾN SĨ SINH HỌC HÀ NỘI - 2023
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI TRẦN NGỌC TOÀN NGHIÊN CỨU MỘT SỐ ĐÁP ỨNG SINH LÝ, HÓA SINH LIÊN QUAN ĐẾN PHẢN ỨNG TỰ BẢO VỆ CỦA CÂY ĐẬU TƯƠNG NAM ĐÀN (Glycine max (L.) Merr.) ĐỐI VỚI RỆP MUỘI ĐEN (Aphis craccivora Koch) Chuyên ngành: Sinh lý học thực vật Mã số: 9420112 LUẬN ÁN TIẾN SĨ SINH HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. Trần Thị Thanh Huyền 2. PGS.TS. Mai Văn Chung HÀ NỘI - 2023
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả có trong luận án là trung thực. Các tài liệu tham khảo, trích dẫn có nguồn gốc xuất xứ rõ ràng. Tôi xin chịu trách nhiệm hoàn toàn về công trình nghiên cứu của mình. Tác giả Trần Ngọc Toàn
ii LỜI CẢM ƠN Luận án đã được hoàn thành tại các phòng thí nghiệm trường Đại học Vinh và một số đơn vị phối hợp. Trong quá trình nghiên cứu, tôi đã nhận được những sự giúp đỡ vô cùng quý báu từ các tập thể và cá nhân. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy cô hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Trần Thị Thanh Huyền và PGS.TS. Mai Văn Chung đã tận tâm giúp đỡ, hướng dẫn tôi trong quá trình nghiên cứu, thực hiện đề tài. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô, các nhà khoa học trong Tổ Bộ môn Sinh lý thực vật và ứng dụng, Ban Chủ nhiệm Khoa Sinh học; Phòng Sau đại học - Trường Đại học Sư phạm Hà Nội đã giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn Viện Hóa học các hợp chất thiên nhiên và Viện Công nghệ Sinh học trực thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam; Trường Đại học Khoa học sự sống POZNAN (Ba Lan) đã phối hợp trong phân tích một số chỉ tiêu sinh hóa. Tôi xin chân thành cảm ơn Trung tâm khuyến nông huyện Nam Đàn; Viện Sinh thái và Tài nguyên Sinh vật (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) đã cung cấp giống đậu tương Nam Đàn và nguồn rệp muội đen làm vật liệu nghiên cứu cho các thí nghiệm liên quan đến đề tài. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Lãnh đạo Viện Nông nghiệp Tài nguyên; Trung tâm thực hành thí nghiệm thuộc trường Đại học Vinh và các thầy cô giáo đã giúp đỡ, động viên tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu đề tài. Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình, người thân, các em cựu sinh viên và bạn bè đã giúp đỡ, động viên tôi trong quá trình học tập và hoàn thành luận án. Hà Nội, tháng năm 2023 Tác giả luận án Trần Ngọc Toàn
iii MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài .......................................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................ 2 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ................................................................ 3 4. Đóng góp mới của luận án ...................................................................................... 3 5. Cấu trúc của luận án ................................................................................................ 4 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ..................................... 5 1.1. Cây đậu tương .................................................................................................... 5 1.1.1. Đặc điểm sinh học ............................................................................................. 5 1.1.2. Giá trị kinh tế của cây đậu tương ...................................................................... 7 1.1.3. Tình hình sản xuất đậu tương trên thế giới và ở Việt Nam............................... 8 1.1.4. Giống đậu tương Nam Đàn ............................................................................. 12 1.2. Rệp muội đen và ảnh hưởng trong sản xuất nông nghiệp ............................ 14 1.2.1. Rệp muội đen (Aphis craccivora Koch) .......................................................... 14 1.2.2. Ảnh hưởng của rệp và các loài côn trùng chích hút khác đối với cây trồng ......... 15 1.3. Sự tương tác và cơ chế tự bảo vệ của cây trồng đối với rệp ......................... 18 1.3.1. Tác động của rệp lên cây trồng ....................................................................... 18 1.3.1.1. Qúa trình xâm nhập ................................................................................. 18 1.3.1.2. Thành phần nước bọt của rệp .................................................................. 19 1.3.2. Các phân tử tín hiệu trong cơ chế tự bảo vệ của cây trồng khi rệp tác động ......... 21 1.3.2.1. Các chất kích kháng trong nước bọt của rệp ........................................... 21 1.3.2.2. Các gen kháng .......................................................................................... 21 1.3.2.3. Phản ứng của thực vật trước sự tấn công của rệp .................................... 24 1.3.2.4. Các cơ chế phòng vệ của cây họ Đậu ...................................................... 26 1.3.3. Quá trình chuyển hóa/tổng hợp các phân tử tín hiệu trong cây trồng khi rệp tác động ..................................................................................................................... 28 1.3.3.1. Jasmonic acid ........................................................................................... 28 1.3.3.2. Salicylic acid ............................................................................................ 32 1.3.3.3. Hydrogen peroxide .................................................................................. 37 1.3.3.4. Gốc tự do superoxide ............................................................................... 42
iv CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ......................................................................................................... 44 2.1. Vật liệu nghiên cứu .......................................................................................... 44 2.1.1. Cây giống đậu tương Nam Đàn....................................................................... 45 2.1.2. Rệp muội đen .................................................................................................. 45 2.2. Phạm vi nghiên cứu .......................................................................................... 46 2.3. Nội dung nghiên cứu ........................................................................................ 47 2.4. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................. 47 2.4.1. Phương pháp bố trí thí nghiệm ........................................................................ 47 2.4.2. Phương pháp phân tích các chỉ tiêu ................................................................ 48 2.4.2.1. Phương pháp phân tích các chỉ tiêu về ảnh hưởng của rệp muội đen đến các tế bào lá đậu tương Nam Đàn .................................................................. 48 2.4.2.2. Phương pháp phân tích các chỉ tiêu về hàm lượng của các phân tử tín hiệu trong lá đậu tương Nam Đàn khi rệp muội đen tác động ............................. 49 2.4.2.3. Phương pháp phân tích các chỉ tiêu về hoạt độ của một số enzyme tổng hợp/chuyển hóa các phân tử tín hiệu trong lá đậu tương Nam Đàn khi rệp muội đen tác động. ................................................................................................ 52 2.4.2.4. Phương pháp xác định protein ................................................................. 56 2.4.2.5. Hóa chất dùng cho các phân tích ............................................................. 56 2.4.3. Xử lý số liệu .................................................................................................... 56 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN.............................. 56 3.1. Ảnh hưởng của rệp muội đen đến các tế bào lá đậu tương Nam Đàn ............ 56 3.1.1. Tổn thương ở các tế bào lá đậu tương Nam Đàn khi rệp muội đen tác động ............... 57 3.1.2. Sự peroxide hóa lipid màng ở các tế bào lá đậu tương Nam Đàn dưới tác động của rệp muội đen ....................................................................................... 62 3.2. Sự thay đổi hàm lượng của các phân tử tín hiệu trong lá đậu tương Nam Đàn khi rệp muội đen tác động .............................................................................. 68 3.2.1. Các dạng oxy hoạt hóa trong lá đậu tương Nam Đàn khi rệp muội đen tác động .... 68 3.2.1.1. Gốc tự do superoxide trong lá đậu tương Nam Đàn khi rệp muội đen tác động ................................................................................................................. 68 3.2.1.2. Hydrogen peroxide trong lá đậu tương Nam Đàn khi rệp muội đen tác động ...................................................................................................................... 73
v 3.2.2. Salicylic acid trong lá đậu tương Nam Đàn khi rệp muội đen tác động ......... 78 3.2.3. Jasmonic acid trong lá đậu tương Nam Đàn khi rệp muội đen tác động ............... 82 3.3. Hoạt độ của một số enzyme tổng hợp/chuyển hóa các phân tử tín hiệu trong lá đậu tương Nam Đàn khi rệp muội đen tác động ................................... 87 3.3.1. Enzyme chuyển hóa các dạng oxy hoạt hóa trong lá đậu tương Nam Đàn khi rệp muội đen tác động ......................................................................................... 87 3.3.1.1. Enzyme superoxide dismutase trong lá đậu tương Nam Đàn khi rệp muội đen tác động ................................................................................................. 87 3.3.1.2. Enzyme catalase trong lá đậu tương Nam Đàn khi rệp muội đen tác động .... 91 3.3.2. Enzyme tổng hợp salicylic acid trong lá đậu tương Nam Đàn khi rệp muội đen tác động .............................................................................................................. 96 3.3.2.1. Enzyme phenylalanine ammonia-lyase và sự biểu hiện của gene PAL ......... 96 3.3.2.2. Enzyme benzoic 2-hydroxylase trong lá đậu tương Nam Đàn khi rệp muội đen tác động ...............................................................................................100 3.3.3. Enzyme tổng hợp jasmonic acid trong lá đậu tương Nam Đàn khi rệp muội đen tác động (enzyme lipoxygenase) ......................................................................106 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..............................................................................113 KẾT LUẬN ............................................................................................................113 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CÔNG BỐ ..........................115 TÀI LIỆU THAM KHẢO .....................................................................................115 PHỤ LỤC ............................................................................................................. 1.PL
vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Viết đầy đủ Nghĩa tiếng Việt ABA Abscisic acid Abscisic acid BA2H Benzoic 2-hydroxylase Enzyme benzoic 2-hydroxylase CAT Catalase Enzyme catalase CT Công thức Công thức ET Ethylene Ethylene FW Fresh weight Khối lượng tươi GA Gibberellic acid Gibberellin HR Hypersensitive response Phản ứng siêu nhạy cảm JA Jasmonic acid Jasmonic acid KH & CN Khoa học & Công nghệ Khoa học và công nghệ LOX Lipoxygenase Enzyme lipoxygenase MeJA Methyl jasmonate Methyl jasmonate O2.- Superoxide anion Gốc tự do superoxide OPDA 12-oxo – phytodienoic acid 12-oxo – phytodienoic acid PAL Phenylalanine ammonia- Enzyme phenylalanine ammonia-lyase lyase PFI Phloem feeding insects Côn trùng chích hút nhựa cây POX Peroxidase Enzyme peroxidase ROS Reactive oxygen species Các dạng oxy hoạt hóa R (R1 ….. Reproductive stages Giai đoạn sinh trưởng sinh thực Rn) SA Salicylic acid Salicylic acid SAR Systemic acquired Tính kháng tập nhiễm hệ thống resistance SOD Superoxide dismutase Enzyme superoxide dismutase TG Thời gian Thời gian UBND Ủy ban nhân dân Ủy ban nhân dân V (V1 ….. Vegetative stages Giai đoạn sinh trưởng sinh dưỡng từ V1 Vn) đến Vn VE Vegetative stage emerges Giai đoạn nảy mầm (xuất hiện lá mầm) VC Vegetative stage cotyledon Giai đoạn mọc (xuất hiện lá đơn nguyên) NBT Nitro blue tetrazolium Dung dịch nitro blue tetrazolium chloride chloride TBARS Thiobarbituric Thiobarbituric acid TCA Trichloroacetic Trichloroacetic acid
vii DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1. Sản xuất đậu tương trên thế giới theo khu vực (năm 2020) .................... 9 Bảng 1.2. Một số quốc gia sản xuất đậu tương lớn nhất thế giới (năm 2020) ....... 10 Bảng 1.3. Nhập khẩu đậu tương của Việt Nam qua các năm ................................ 10 Bảng 1.4. Diện tích, năng suất và sản lượng đậu tương ở Việt Nam (từ 2015 đến 2020) ............................................................................................... 11 Bảng 1.5. Diện tích, năng suất và sản lượng đậu tương ở Nghệ An ...................... 12 Bảng 3.1. Tổn thương ở các tế bào lá đậu tương Nam Đàn khi rệp muội đen tác động ....................................................................................................... 57 Bảng 3.2. Hàm lượng thiobarbituric acid trong lá đậu tương Nam Đàn ............... 63 Bảng 3.4. Hàm lượng hydrogen peroxide trong lá đậu tương Nam Đàn ............... 74 Bảng 3.5. Hàm lượng salicylic acid trong lá đậu tương Nam Đàn khi rệp muội đen tác động ........................................................................................... 78 Bảng 3.6. Hàm lượng jasmonic acid trong lá đậu tương Nam Đàn ....................... 83 Bảng 3.7. Hoạt độ enzyme superoxide dismutase trong lá đậu tương Nam Đàn ........ 88 Bảng 3.8. Hoạt độ enzyme catalase trong lá đậu tương Nam Đàn ........................ 92 Bảng 3.9. Hoạt độ enzyme phenylalanine ammonia-lyase trong lá đậu tương Nam Đàn khi rệp muội đen tác động ..................................................... 96 Bảng 3.10. Hoạt độ enzyme benzoic 2-hydroxylase trong lá đậu tương Nam Đàn khi rệp muội đen tác động ...................................................................101 Bảng 3.11. Hoạt độ enzyme lipoxygenase trong lá đậu tương Nam Đàn khi rệp muội đen tác động ...............................................................................106
viii DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ Trang Biểu đồ 3.1. Tổn thương tế bào lá đậu tương Nam Đàn khi gây nhiễm 20 rệp ở các giai đoạn sinh trưởng .................................................................. 60 Biểu đồ 3.2. Tổn thương tế bào lá đậu tương Nam Đàn khi gây nhiễm 30 rệp ở các giai đoạn sinh trưởng .................................................................. 61 Biểu đồ 3.3. Sự peroxide hóa lipid trong tế bào lá đậu tương Nam Đàn khi gây nhiễm 10 rệp ở các giai đoạn sinh trưởng ......................................... 65 Biểu đồ 3.4. Sự peroxide hóa lipid trong tế bào lá đậu tương Nam Đàn khi gây nhiễm 20 rệp ở các giai đoạn sinh trưởng ......................................... 66 Biểu đồ 3.5. Sự peroxide hóa lipid trong tế bào lá đậu tương Nam Đàn khi gây nhiễm 30 rệp ở các giai đoạn sinh trưởng ......................................... 67 Biểu đồ 3.6. Hàm lượng gốc tự do superoxide trong tế bào lá đậu tương Nam Đàn khi gây nhiễm 10 rệp ở các giai đoạn sinh trưởng .................... 72 Biểu đồ 3.7. Hàm lượng gốc tự do superoxide trong tế bào lá đậu tương Nam Đàn khi gây nhiễm 20 rệp ở các giai đoạn sinh trưởng .................... 72 Biểu đồ 3.8. Hàm lượng gốc tự do superoxide trong tế bào lá đậu tương Nam Đàn khi gây nhiễm 30 rệp ở các giai đoạn sinh trưởng .................... 73 Biểu đồ 3.9. Hàm lượng hydrogen peroxide trong tế bào lá đậu tương Nam Đàn khi gây nhiễm 10 rệp ở các giai đoạn sinh trưởng ............................ 76 Biểu đồ 3.10. Hàm lượng hydrogen peroxide trong tế bào lá đậu tương Nam Đàn khi gây nhiễm 20 rệp ở các giai đoạn sinh trưởng ............................ 76 Biểu đồ 3.11. Hàm lượng hydrogen peroxide trong tế bào lá đậu tương Nam Đàn khi gây nhiễm 30 rệp ở các giai đoạn sinh trưởng ............................ 77 Biểu đồ 3.12. Hàm lượng salicylic acid trong tế bào lá đậu tương Nam Đàn khi gây nhiễm 10 rệp ở các giai đoạn sinh trưởng .................................. 80 Biểu đồ 3.13. Hàm lượng salicylic acid trong tế bào lá đậu tương Nam Đàn khi gây nhiễm 20 rệp ở các giai đoạn sinh trưởng .................................. 81 Biểu đồ 3.14. Hàm lượng salicylic acid trong tế bào lá đậu tương Nam Đàn khi gây nhiễm 30 rệp ở các giai đoạn sinh trưởng .................................. 81 Biểu đồ 3.15. Hàm lượng jasmonic acid trong tế bào lá đậu tương Nam Đàn khi gây nhiễm 10 rệp ở các giai đoạn sinh trưởng .................................. 85 Biểu đồ 3.16. Hàm lượng jasmonic acid trong tế bào lá đậu tương Nam Đàn khi gây nhiễm 20 rệp ở các giai đoạn sinh trưởng .................................. 85
ix Biểu đồ 3.17. Hàm lượng jasmonic acid trong tế bào lá đậu tương Nam Đàn khi gây nhiễm 30 rệp ở các giai đoạn sinh trưởng .................................. 86 Biểu đồ 3.18. Hoạt độ enzyme superoxide dismutase trong tế bào lá đậu tương Nam Đàn khi gây nhiễm 10 rệp ở các giai đoạn sinh trưởng ........... 90 Biểu đồ 3.19. Hoạt độ enzyme superoxide dismutase trong tế bào lá đậu tương Nam Đàn khi gây nhiễm 20 rệp ở các giai đoạn sinh trưởng ........... 90 Biểu đồ 3.20. Hoạt độ enzyme superoxide dismutase trong tế bào lá đậu tương Nam Đàn khi gây nhiễm 30 rệp ở các giai đoạn sinh trưởng ........... 91 Biểu đồ 3.21. Hoạt độ enzyme catalase trong tế bào lá đậu tương Nam Đàn khi gây nhiễm 10 rệp ở các giai đoạn sinh trưởng .................................. 94 Biểu đồ 3.22. Hoạt độ enzyme catalase trong tế bào lá đậu tương Nam Đàn khi gây nhiễm 20 rệp ở các giai đoạn sinh trưởng .................................. 94 Biểu đồ 3.23. Hoạt độ enzyme catalase trong tế bào lá đậu tương Nam Đàn khi gây nhiễm 30 rệp ở các giai đoạn sinh trưởng .................................. 95 Biểu đồ 3.24. Hoạt độ enzyme phenylalanine ammonia-lyase trong tế bào lá đậu tương Nam Đàn khi gây nhiễm 10 rệp ở các giai đoạn sinh trưởng ....... 99 Biểu đồ 3.25. Hoạt độ enzyme phenylalanine ammonia-lyase trong tế bào lá đậu tương Nam Đàn khi gây nhiễm 20 rệp ở các giai đoạn sinh trưởng ................................................................................................ 99 Biểu đồ 3.26. Hoạt độ enzyme phenylalanine ammonia-lyase trong tế bào lá đậu tương Nam Đàn khi gây nhiễm 30 rệp ở các giai đoạn sinh trưởng ..... 100 Biểu đồ 3.27. Hoạt độ enzyme benzoic 2-hydroxylase trong tế bào lá đậu tương Nam Đàn khi gây nhiễm 10 rệp ở các giai đoạn sinh trưởng ............................................................................. 103 Biểu đồ 3.28. Hoạt độ enzyme benzoic 2-hydroxylase trong tế bào lá đậu tương Nam Đàn khi gây nhiễm 20 rệp ở các giai đoạn sinh trưởng................. 103 Biểu đồ 3.29. Hoạt độ enzyme benzoic 2-hydroxylase trong tế bào lá đậu tương Nam Đàn khi gây nhiễm 30 rệp ở các giai đoạn sinh trưởng................. 104 Biểu đồ 3.30. Hoạt độ enzyme lipoxygenase trong tế bào lá đậu tương Nam Đàn khi gây nhiễm 10 rệp ở các giai đoạn sinh trưởng ...............108 Biểu đồ 3.31. Hoạt độ enzyme lipoxygenase trong tế bào lá đậu tương Nam Đàn khi gây nhiễm 20 rệp ở các giai đoạn sinh trưởng ..........................109 Biểu đồ 3.32. Hoạt độ enzyme lipoxygenase trong tế bào lá đậu tương Nam Đàn khi gây nhiễm 30 rệp ở các giai đoạn sinh trưởng ..........................109
x DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình 1.1. Cây đậu tương (Glycine max (L.) Merr.) .............................................. 5 Hình 1.2. Các giai đoạn sinh trưởng, phát triển của cây đậu tương ...................... 6 Hình 1.3. Cây đậu tương Nam Đàn (ảnh: Mai Văn Chung, 2015) ..................... 13 Hình 1.4. Rệp muội đen (Aphis craccivora Koch).............................................. 15 Hình 1.5. Sự tiết nước bọt vào lá trong quá trình xâm nhập của rệp .................. 19 Hình 1.6. Mô hình các cơ chế phòng vệ của cây kí chủ chống lại sự tấn công của rệp (Theo: Botha và cộng sự, 2005) ............................................. 23 Hình 1.7. Sơ đồ minh họa các con đường truyền tín hiệu thực vật liên quan đến phản ứng phòng vệ đối với sự tấn công của rệp ........................... 25 Hình 1.8. Jasmonic acid ...................................................................................... 28 Hình 1.9. Vai trò trung tâm của JA và các hợp chất liên quan đến JA ............... 28 Hình 1.10. Sơ đồ minh họa đường truyền tín hiệu SA .......................................... 33 Hình 1.11. H2O2 và các chất ROS khác trong tế bào thực vật .............................. 38 Hình 2.1. Nhân nuôi rệp muội đen trên cây đậu tương trồng bằng dung dịch thuỷ canh trên khay i-nox phục vụ thí nghiệm .................................... 46 Hình 3.1. Biểu hiện tương đối của gene PAL trong lá đậu tương Nam Đàn .......... 133
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Do đặc điểm đời sống không tự chuyển dời vị trí trong môi trường sống nên thực vật bậc cao nói chung, cây trồng nói riêng, hàng ngày phải đối mặt với những tác động từ môi trường bất lợi như: hạn hán, ngập úng, nhiệt độ quá cao - thấp, kim loại nặng, sâu bệnh hại... Mỗi loài cây, trong vòng đời của mình, chúng bị tác động bởi rất nhiều loại yếu tố bất lợi khác nhau từ môi trường sống. Mặc dù luôn phải chịu một phần thiệt hại nhất định nhưng phần lớn các cây vẫn tồn tại và sinh trưởng, phát triển tốt. Đó là do các loài thực vật đã hình thành những cơ chế tự bảo vệ khác nhau tương thích cho từng yếu tố tác động. Cơ chế bảo vệ đó thường gắn liền với những đặc điểm cấu tạo (lớp sáp, tầng cutin, lông gai ở biểu bì; vách tế bào dày…) có vai trò là các rào cản vật lý ngăn cản tác nhân gây bệnh xâm nhập vào và phát triển trong cây; hay là những phản ứng sinh hóa xảy ra trong tế bào và mô cây, hình thành các chất hoặc là độc hoặc ức chế sự sinh trưởng của yếu tố gây bệnh (đó là các hormone, hợp chất phenol, flavonoids, alkaloids, steroids…). Cơ chế đó, nếu là sự kết hợp các đặc điểm có thể có sẵn từ trước, gọi là cơ chế bảo vệ thụ động, thường không đặc hiệu; còn nếu hình thành do tác động của tác nhân gây bệnh, đó là cơ chế bảo vệ chủ động, thường đặc hiệu và được qui định bởi bộ gene cây chủ. Trong khả năng bảo vệ mang tính chủ động của thực vật, cơ chế bảo vệ sinh hóa đã và đang thu hút được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước. Theo cơ chế này, nấm, vi khuẩn, virus, côn trùng là các nhóm tác nhân gây hại cho cây được biết tạo ra các elicitor cảm ứng và hình thành các sản phẩm chuyển hóa có nguồn gốc khác nhau: hormone, enzyme, gene, protein, sản phẩm trao đổi thứ cấp, gốc tự do...; khởi động các phản ứng bảo vệ đặc biệt như phản ứng siêu nhạy cảm (HR); kích thích tính kháng tập nhiễm hệ thống (SAR). Đồng thời, con đường dẫn truyền tín hiệu khác nhau, ví dụ như: sinh tổng hợp hormone thực vật salicylic acid (SA), jasmonic acid (JA), ethylene (ET); con đường tín hiệu oxy hoạt hóa… cũng được kích hoạt. Tất cả hình thành nên những cơ chế bảo vệ đặc thù cho từng loại cây trồng đối với từng yếu tố tác động.
2 Trong mối tương tác giữa cây trồng họ Đậu (Fabaceae) với côn trùng gây hại, đã có những nghiên cứu trên thế giới đánh giá bộ máy và cơ chế bảo vệ của đậu tương (Glycine max) (Diaz-Montano và cộng sự, 2007 [47]; Li Y. và cộng sự, 2008 [96]), cỏ ba lá (Medicago truncatula) (Klingler và cộng sự, 2007 [84]; Gao và cộng sự, 2008 [66]), đậu lăng (Lens culinaris) (Andarge và Westhuizen, 2004) [11], linh lăng (Medicago sativa) (Julier, 2004) [79], đậu Hà Lan (Pisum sativum L.) (Mai và cộng sự, 2014 [98]; Morkunas và cộng sự, 2015 [114]). Các nghiên cứu này đều ghi nhận, khi chịu tác động của rệp hại, một số hormone thực vật (SA, JA, ET, v.v..), các hoạt chất như pisatin, flavonoids..., các dạng oxy/nitơ hoạt hóa nội sinh như H2O2, NO, cũng như các gốc tự do (superoxide O2.-, semiquinone), các enzyme sinh tổng hợp cũng như các gen mã hóa các enzyme nói trên đã cảm ứng tổng hợp khác nhau tham gia các phản ứng bảo vệ của cây trồng đối với rệp hại (Morkunas và cộng sự, 2011) [113]. Đậu tương Nam Đàn là giống địa phương gắn liền với thương hiệu “tương Nam Đàn” của tỉnh Nghệ An, được phục tráng thành công năm 2009 và bắt đầu đưa vào giai đoạn sản xuất ở quy mô lớn. Trên giống đậu tương Nam Đàn, rệp muội đen (Aphis craccivora Koch) thường phát sinh, gây hại từ cuối giai đoạn phát triển thân, lá, bắt đầu hình thành nụ hoa và kéo dài suốt thời kỳ tạo quả, vào hạt [7]. Sự tác động đó đã ảnh hưởng tiêu cực đến sinh trưởng, phát triển, năng suất và chất lượng đậu tương. Việc đánh giá cơ chế tự bảo vệ của cây trồng đối với rệp hại sẽ cung cấp cơ sở dữ liệu quan trọng về sinh lý chống chịu của cây trồng trước các tác nhân bất lợi. Hiện chưa có công trình nghiên cứu nào đề cập đến vấn đề này trên cây đậu tương Nam Đàn. Xuất phát từ những lý do nêu trên, việc triển khai “Nghiên cứu một số đáp ứng sinh lý, hóa sinh liên quan đến phản ứng tự bảo vệ của cây đậu tương Nam Đàn đối với rệp muội đen” là rất cần thiết. 2. Mục tiêu nghiên cứu Phân tích, đánh giá được một số đáp ứng sinh lý, hóa sinh liên quan đến phản ứng tự bảo vệ của cây đậu tương Nam Đàn khi rệp muội đen tác động tại các giai đoạn sinh trưởng sinh dưỡng V1, V3 và V5. Các mục tiêu cụ thể:
3 Đánh giá được một số thiệt hại cấp độ tế bào ở lá đậu tương do rệp muội đen gây nên thông qua các chỉ số tổn thương và peroxied hóa lipid; Phân tích, đánh giá được sự thay đổi hàm lượng của các phân tử tín hiệu như JA, SA, H2O2 và O2.- trong lá đậu tương Nam Đàn ở thời kỳ sinh trưởng sinh dưỡng dưới tác động của rệp muội đen; Đánh giá được hoạt độ của một số enzyme tham gia tổng hợp các phân tử tín hiệu như enzyme LOX, PAL, BA2H, SOD và CAT trong lá đậu tương Nam Đàn ở thời kỳ sinh trưởng sinh dưỡng dưới tác động của rệp muội đen. 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Nghiên cứu một số phản ứng phòng vệ của thực vật đối với sâu bệnh hại tác động đã được nghiên cứu từ lâu và có nhiều công trình công bố trên thế giới. Tại Việt Nam, hướng nghiên cứu này được rất nhiều nhà khoa học quan tâm, song hiện nay vẫn đang còn rất ít các công trình khoa học đề cập đến. Trên giống đậu tương Nam Đàn, việc nghiên cứu một số đáp ứng sinh lý, hóa sinh liên quan đến phản ứng tự bảo vệ đối với rệp muội đen là rất cần thiết, song cho đến nay chưa có công trình nào nghiên cứu. Do vậy kết quả của đề tài nhằm cung cấp những dẫn liệu khoa học về cơ chế tự bảo vệ của cây đậu tương Nam Đàn đối với rệp muội đen hại đậu tương, góp phần làm rõ cơ sở lý luận về sinh lý chống chịu của cây trồng trước các tác nhân của môi trường bát lợi, trong đó có yếu tố hữu sinh. Kết quả đạt được của đề tài là tiền đề cho các nghiên cứu tiếp theo về mối quan hệ cây đậu tương và rệp hại, từ đó tìm ra các giải pháp trong phòng trừ rệp hại trên cây đậu tương Nam Đàn. 4. Đóng góp mới của luận án Kết quả nghiên cứu sẽ là những dẫn liệu khoa học mới về cơ chế tự bảo vệ của cây đậu tương Nam Đàn đối với rệp muội đen hại đậu tương, bao gồm: - Ảnh hưởng của rệp muội đen đối với các tế bào lá đậu tương Nam Đàn (Tỷ lệ tổn thương ở các tế bào; Sự peroxide hóa lipid màng); - Hàm lượng của các phân tử tín hiệu trong lá đậu tương Nam Đàn dưới tác động của rệp muội đen (H2O2, O2.-, SA, JA); - Hoạt độ của một số enzyme tổng hợp/chuyển hóa các phân tử tín hiệu trong lá
4 đậu tương Nam Đàn dưới tác động của rệp muội đen (SOD, CAT, PAL, BA2H, LOX); - Biểu hiện gene mã hóa enzyme trong con đường tín hiệu hormone SA (gene PAL). Kết quả đạt được sẽ là những dẫn liệu quan trọng, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn, có giá trị tham khảo trong lĩnh vực sinh lý thực vật, đặc biệt là sinh lý chống chịu của cây trồng. 5. Cấu trúc của luận án Luận án có 133 trang, bao gồm: Mở đầu 4 trang Chương 1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu 40 trang Chương 2. Vật liệu, phạm vi, nội dung và phương pháp nghiên cứu 12 trang Chương 3. Kết quả nghiên cứu và thảo luận 56 trang Kết luận và kiến nghị 2 trang Các công bố khoa học liên quan đến luận án: Có 3 công bố Tài liệu tham khảo: gồm 170 tài liệu, trong đó 7 tài liệu trong nước, 161 nước ngoài, 2 webside. Phụ lục: 106 trang
5 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Cây đậu tương 1.1.1. Đặc điểm sinh học Cây đậu tương Glycine max (L.) Merr. thuộc: Ngành Hạt kín: Angiospermatophyta Lớp Hai lá mầm: Dicotyledoneae Phân lớp Hoa hồng: Rosidae Bộ Đậu: Fabales Họ Đậu: Fabaceae Chi Glycine Wild. Glycine Wild. là một trong số những chi lớn của họ Fabaceae, với 285 loài đã được biết đến. Trong đó, đáng chú ý trong chi này có cây đậu tương (Glycine max (L.) Merr.) được sử dụng làm đối tượng cây trồng phục vụ con người (Singh và cộng sự, 2006) [137]. Hình 1.1. Cây đậu tương (Glycine max (L.) Merr.) (Nguồn: IITA Image Library, 1997) Các giai đoạn sinh trưởng, phát triển của cây đậu tương (Iowa State University, 2009) [78]:
6 Tuỳ thuộc vào từng giống và điều kiện ngoại cảnh khác nhau mà các giai đoạn phát triển của đậu tương có thể kéo dài từ 80 đến 140 ngày, được chia thành các giai đoạn sau: Giai đoạn nảy mầm đến mọc (VE-VC): Giai đoạn này bắt đầu khi hạt hút nước, mầm phôi phát động sinh trưởng, kết thúc khi xoè 2 lá đơn mọc đối trên 2 lá mầm. Giai đoạn này dài hay ngắn là tuỳ thuộc vào giống có thể kéo dài 10 - 12 ngày mới mọc (vụ xuân); hoặc chỉ 4 - 5 ngày đã mọc (vụ hè). Trong giai đoạn này, nước cần có sẵn cho hạt hấp thụ, nhiệt độ thích hợp để hạt nảy mầm và trụ mầm dưới phát triển là 25 – 30oC, độ ẩm 65 – 75 % trong đất. Hình 1.2. Các giai đoạn sinh trưởng, phát triển của cây đậu tương (Theo: Iowa State University, 2009) [78] Giai đoạn cây non (giai đoạn sinh trưởng thân lá, V1 đến V5): Giai đoạn này bắt đầu từ khi có một lá kép và kết thúc căn bản vào thời kỳ nở hoa (giai đoạn sinh trưởng sinh dưỡng), đây là thời kỳ phát triển của thân và lá. Giai đoạn này kéo dài 20 ÷ 40 ngày. Vào thời kỳ đầu của giai đoạn này, cây con sinh trưởng rất chậm, trong khi đó bộ rễ của nó lại phát triển nhanh, các nốt sần trên rễ được hình thành và phát triển. Đến thời kỳ cây chuẩn bị ra nụ, ra hoa thì tốc độ sinh trưởng của cây tăng nhanh lên. Đây cũng là thời điểm cây đậu tương chịu hạn khá nhất.
7 Giai đoạn nở hoa (R1 đến R3): Thời gian ra hoa kéo dài 15 ÷ 20 ngày, có trường hợp kéo dài đến 40 ngày. Khác với các cây trồng khác, đồng thời với ra hoa, cây đậu tương vẫn phát triển mạnh về thân, lá, rễ. Đây cũng là thời kỳ cây đậu tương mẫn cảm nhất với điều kiện ngoại cảnh. Thời tiết thuận lợi cho việc nở hoa là lúc nhiệt độ đạt 25 ÷ 280C, độ ẩm không khí khoảng 75 ÷ 80%. Giai đoạn hình thành quả và hạt (R3 đến R5): Giữa thời gian ra hoa và hình thành quả hạt không có ranh giới rõ ràng (thường thấy cả nụ, hoa, quả trên cùng một cây). Lúc các chùm quả non đã xuất hiện thì các chất dinh dưỡng trong thân, lá được vận chuyển về làm cho hạt mảy dần, lúc này sự sinh trưởng của cây bắt đầu chậm lại. Tốc độ tích luỹ chất hữu cơ của hạt tăng nhanh đều cho đến khi hạt chắc. Giai đoạn hạt chín (R5 đến R6): Đây là giai đoạn có thời gian ngắn trong đời sống cây đậu tương và chịu ảnh hưởng nhiều của nhiệt độ. Hạt đạt tốc độ chín sinh lý khi hạt đã cứng lại và có màu sắc điển hình của giống, vỏ quả đã chuyển sang màu vàng hoặc xám đen. Đậu tương chín cần thời tiết khô ráo, cây có khả năng chịu hạn. Giai đoạn già và chết (R7 đến R8): Cây đậu tương kết thúc vòng đời trong giai đoạn này với khoảng thời gian giao động từ 5 - 7 ngày. 1.1.2. Giá trị kinh tế của cây đậu tương Đậu tương là cây trồng cạn ngắn ngày có giá trị kinh tế cao. Khó có thể tìm thấy một cây trồng nào có tác dụng nhiều mặt như cây đậu tương. Sản phẩm của nó làm thực phẩm cho con người, thức ăn cho gia súc, nguyên liệu cho công nghiệp, hàng xuất khẩu và là cây cải tạo đất tốt. Vì thế cây đậu tương được gọi là "Ông hoàng trong các loại cây họ đậu” Sở dĩ cây đậu tương được đánh giá như vậy bởi lẽ cây đậu tương có giá trị rất toàn diện (Trần Văn Điền, 2007) [2]. Giá trị về mặt thực phẩm: Hạt đậu tương có thành phần dinh dưỡng cao, hàm lượng protein trung bình khoảng từ 35,5 – 40,0 %, lipid từ 15 – 20 %, hydrat carbon từ 15 - 16 % và nhiều loại muối khoáng quan trọng cho sự sống. Hạt đậu tương có chứa hàm lượng dầu béo cao hơn các loại đậu đỗ khác nên được coi là cây cung cấp dầu thực vật quan trọng. Lipid của đậu tương chứa một tỉ lệ cao các acid béo không no (khoảng 60 - 70 %) có hệ số đồng hoá cao, mùi vị thơm như linoleic acid chiếm
8 52 – 65 %, oleic acid từ 25 – 36 %, linolenolic acid khoảng 2 – 3 %. Chính vì thành phần dinh dưỡng cao như vậy nên đậu tương có khả năng cung cấp năng lượng khá cao khoảng 4700 cal/kg. Hiện nay, từ hạt đậu tương người ta đã chế biến ra được trên 600 sản phẩm khác nhau, trong đó có hơn 300 loại làm thực phẩm được chế biến bằng cả phương pháp cổ truyền, thủ công và hiện đại dưới dạng tươi, khô và lên men... (Trần Văn Điền, 2007) [2]. Giá trị về mặt công nghiệp: Đậu tương là nguyên liệu của nhiều ngành công nghiệp khác nhau như: chế biến cao su nhân tạo, sơn, mực in, xà phòng, chất dẻo, tơ nhân tạo, chất đốt lỏng, dầu bôi trơn trong ngành hàng không, nhưng chủ yếu đậu tương được dùng để ép dầu. Hiện nay trên thế giới đậu tương là cây đứng đầu về cung cấp nguyên liệu cho ép dầu, dầu đậu tương chiếm 50% tổng lượng dầu thực vật. Đặc điểm của dầu đậu tương: khô chậm, chỉ số iốt cao: 120 - 127; đông đặc ở nhiệt độ: - 15oC đến -18oC. Từ dầu này người ta chế ra hàng trăm sản phẩm công nghiệp khác như: làm nến, xà phòng, ni lon…(Trần Văn Điền, 2007) [2]. Giá trị về mặt nông nghiệp: Đậu tương là nguồn thức ăn tốt cho gia súc (1 kg hạt đậu tương tương đương với 1,38 đơn vị thức ăn chăn nuôi). Toàn cây đậu tương (thân, lá, quả, hạt) có hàm lượng đạm khá cao cho nên các sản phẩm phụ như thân lá tươi có thể làm thức ăn cho gia súc rất tốt, hoặc nghiền khô làm thức ăn tổng hợp của gia súc. Sản phẩm phụ công nghiệp như khô dầu có thành phần dinh dưỡng khá cao: N: 6,2 %, P2O5: 0,7 %, K2O: 2,4 %, vì thế làm thức ăn cho gia súc rất tốt. Đậu tương là cây luân canh cải tạo đất tốt. 1 ha trồng đậu tương nếu sinh trưởng phát triển tốt để lại trong đất từ 30 - 60 kg N. Thân lá đậu tương dùng bón ruộng thay phân hữu cơ rất tốt bởi hàm lượng N trong thân chiếm 0,05 %, trong lá: 0,19 % (Trần Văn Điền, 2007) [2]. 1.1.3. Tình hình sản xuất đậu tương trên thế giới và ở Việt Nam 1.1.3.1. Tình hình sản xuất đậu tương trên thế giới Cây đậu tương được con người biết đến từ rất lâu và được trồng tại nhiều châu lục ở các vùng sinh thái khác nhau. Diện tích đậu tương tăng lên trong vòng 10 năm qua (giai đoạn 2008 - 2018) và tương đối ổn định đến nay. Tính đến năm 2018 diện