Luận án Tiến sĩ Sinh học: Phân lập, tạo đột biến điểm ở gen P5CS liên quan đến tính chịu hạn và thử nghiệm chuyển vào cây đậu tương Việt Nam

Chia sẻ: Nguyễn Minh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:122

Thêm vào BST

Báo xấu

223
lượt xem 49
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Sinh học: Phân lập, tạo đột biến điểm ở gen P5CS liên quan đến tính chịu hạn và thử nghiệm chuyển vào cây đậu tương Việt Nam nhằm tạo được vector chuyển gen mang cấu trúc liên quan đến tính chịu hạn ở cây đậu tương; tạo cây đậu tương mang cấu trúc gen liên quan đến đặc tính chịu hạn.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Sinh học: Phân lập, tạo đột biến điểm ở gen P5CS liên quan đến tính chịu hạn và thử nghiệm chuyển vào cây đậu tương Việt Nam

DANH M C CH CÁI VI T T T ABA Abcisis acid DNA Deoxyribonucleic acid RNA Ribonucleic acid ATP Adenozin triphosphata ATP-ase Enzym phân gi i ATP cDNA S i DNA b sung ư c t ng h p t RNA thông tin nh enzym phiên mã ngư c (Complementary DNA) AS Acetosyringone A. tumefaciens Agrobacterium tumefaciens BAP 6-benzyladenine bar gen mã hóa cho enzyme phosphinothricin acetyl transferase bp Base pair CCM Cocultivation medium - DEPC Diethyl pyrocarbonate tg ng tác gi dNTP deoxynucleoside triphosphate EDTA Ethylene diamine tetraacetic acid E. coli Escherichia coli GA3 Gibberellic acid GM Germination medium – môi trư ng n y m m h t GUS β –Glucuronidase gene = Gen mã hóa enzyme β-Glucuronidase HSP Heat shock protein (Protein s c nhi t) IAA Indoleacetic acid IBA Indole-3-butyric acid IPTG Isopropylthio-beta-D-galactoside kb kilo base LB Luria Bertani LSD Least significant difference = l ch chu n LEA Late embryogenesis abundant MES 2-[N-morpholino]ethanesulfonic acid MS Môi trư ng mu i cơ b n theo Murashige và Skoog (1962) NAA α-Naphthaleneacetic acid nptII Neomycin phosphotransferase gene OD Optical density P5CS pyroline-5-carboxylate synthetase P5CDH Pyrroline 5 carboxylate dehydrogenase P5CR Pyrroline 5 carboxylate reductase PDH Pyrroline dehydrogenase
rd29A Responsive Dehydration PCR Polymerase Chain Reaction – ph n ng chu i polymerase RM Rooting medium – môi trư ng ra r SDS Sodium dodecylsulfat SIM Shoot induction medium – môi trư ng t o a ch i SEM Shoot elongation medium – môi trư ng kéo dài ch i Taq Thermus aquaticus DNA T-DNA Transfer –DNA = o n ADN ư c chuy n Ti- plasmid Tumor inducing plasmid = plasmid gây kh i u TBE Tris - Boric acid - EDTA TAE Tris - Acetate - EDTA TE Tris - EDTA v/p vòng/phút X-gluc 5-bromo-4-chloro-3-indolyl glucuronide X-gal 5-brom- 4-chloro-3-indolyl-β-D-galactosidase YEP Yeast extract peptone 1
M CL C M U................................................................................................................ 0 1. t v n ........................................................................................................... 1 2. M c tiêu nghiên c u............................................................................................ 2 3. N i dung nghiên c u ........................................................................................... 2 Chương 1: T NG QUAN TÀI LI U................................................................... 4 1.1. CÂY U TƯƠNG (GLYCINE MAX (L.) MERRILL), GIÁ TR KINH T VÀ GIÁ TR S D NG ............................................................................................... 4 1.1.1. Ngu n g c và phân lo i................................................................................. 4 1.1.2. c i m sinh h c ......................................................................................... 4 1.1.3. Giá tr kinh t và giá tr s d ng c a cây u tương ....................................... 5 1.1.4. Tình hình s n xu t u tương trên th gi i và Vi t Nam............................. 6 1.2. CƠ S SINH LÝ, HÓA SINH C A C TÍNH CH NG CH U H N C A CÂY U TƯƠNG ............................................................................................. 10 1.2.1. Kh năng thích nghi c a b r trong i u ki n h n ...................................... 11 1.2.1.1.S phát tri n c a b r ............................................................................... 11 1.2.1.2. Kh năng c nh nitơ c a cây u tương trong i u ki n h n .................. 13 1.2.2. Các tính tr ng liên quan n s thích ng c a lá cây u tương trong i u ki n h n ........................................................................................................................ 14 1.2.2.1. Cư ng thoát hơi nư c c a khí kh ng ................................................... 14 1.2.2.2. Cư ng thoát hơi nư c c a bi u bì ........................................................ 15 1.2.2.3. M t lông tơ c a lá................................................................................ 16 1.2.2.4. Hi u qu s d ng nư c............................................................................. 17 1.2.3. áp ng v phương di n hóa sinh c a cây u tương trong i u ki n h n ... 18 1.2.4. M t s gen liên quan n tính ch u h n ................................................................... 19 1.3. PROLIN VÀ VAI TRÒ C A ENZYME P5CS TRONG CON Ư NG SINH T NG H P PROLIN ........................................................................................... 21 1.3.1. Quá trình sinh t ng h p prolin..................................................................... 21 1.3.2. i u hòa quá trình trao i prolin th c v t ............................................... 23 1.3.3. Vai trò c a s tích lũy prolin i v i tính ch ng ch u c a cây...................... 25 1.3.4. Vai trò c a enzym pyrroline-5-carboxylate synthetase i v i tính ch ng ch u c a cây tr ng .............................................................................................................................. 27 1.4. PROMOTER VÀ VAI TRÒ I U KHI N HO T NG C A GEN DƯ I I U KI N KHÔ H N 29 1.4.1. C u trúc và ch c năng c a promoter 29
1.4.2. Các lo i promoter s d ng trong công ngh sinh h c 30 1.4.3. Promoter rd29A 32 1.5. NGHIÊN C U NÂNG CAO KH NĂNG CH U H N C A CÂY U TƯƠNG................................................................................................................ 32 1.5.1. Nâng cao kh năng ch u h n c a cây u tương b ng phương pháp t bi n th c nghi m .................................................................................................................. 32 1.5.2. S d ng công ngh t bào th c v t trong ch n dòng u tương ch u h n ..... 33 1.5.3. S d ng k thu t chuy n gen nâng cao kh năng ch u h n c a cây u tương .............................................................................................................................. 35 1.5.3.1. Các phương pháp chuy n gen th c v t .................................................. 35 1.5.3.2. Ti m năng c a phương pháp chuy n gen th c v t trong nghiên c u t o cây u tương ch u h n................................................................................................ 37 Chương 2: V T LI U VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN C U.......................... 38 2.1. V T LI U, HÓA CH T, THI T B ............................................................. 38 2.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN C U .................................................................. 39 2.2.1. Phương pháp sinh lý, hoá sinh ..................................................................... 39 2.2.1.1. ánh giá nhanh kh năng ch u h n ........................................................... 39 2.2.1.2. nh lư ng protein, lipit, hàm lư ng và thành ph n axit amin trong h t .... 39 2.2.1.3. Xác nh hàm lư ng prolin ....................................................................... 40 2.2.1.4. Phương pháp tính toán và x lý s li u ..................................................... 40 2.2.2. Các phương pháp s d ng nuôi c y in vitro................................................. 40 2.2.2.1. Arabidopsis ............................................................................................. 40 2.2.2.2. Thu c lá .................................................................................................. 40 2.2.2.3. u tương ............................................................................................... 41 2.2.3. Phương pháp sinh h c phân t ..................................................................... 44 2.2.3.1. Thi t k m i ............................................................................................. 44 2.2.3.2. Phương pháp tách chi t, tinh s ch DNA và RNA...................................... 44 2.2.3.3. Phương pháp t ng h p cDNA................................................................... 45 2.2.3.4. Ph n ng PCR ......................................................................................... 45 2.2.3.5. Phương pháp OE - PCR ( Overlap Extention)........................................... 46 2.2.3.6. Phương pháp tách dòng ............................................................................ 46 2.2.3.7. Phương pháp PCR tr c ti p t khu n l c (colony-PCR) ........................... 49 2.2.2.8. Thi t k c u trúc rd29A::GUS và rd29A::P5CSM……… ..……………49 2.2.3.9. Các phương pháp phân tích cây bi n n p.................................................. 52 1
Chương 3: K T QU VÀ TH O LU N .......................................................... 53 3.1. K T QU SƯU T P VÀ ÁNH GIÁ CÁC GI NG U TƯƠNG A PHƯƠNG C A T NH SƠN LA ........................................................................... 53 3.1.1. c i m hình thái, hóa sinh c a h t u tương........................................... 53 3.1.2. K t qu ánh giá kh năng ch u h n c a các gi ng u tương nghiên c u ... 55 3.2. PHÂN L P GEN P5CS VÀ T BI N I M LO I B C CH NGƯ C ..... 58 3.2.1. K t qu phân l p gen P5CS ......................................................................... 58 3.2.2. K t qu khu ch i, tách dòng và xác nh trình t gen P5CS ..................... 58 3.2.3. T o t bi n i m lo i b hi u ng c ch ngư c P5CS phân l p t cây u tương..... 69 3.3. PHÂN L P VÀ KI M TRA HO T NG C A PROMOTER C M NG KHÔ H N rd29A ................................................................................................. 72 3.3.1. Phân l p promoter rd29A............................................................................. 72 3.3.2. Phân tích trình t promoter rd29A ............................................................... 73 3.3.3. Thi t k vector chuy n gen mang c u trúc rd29A ........................................ 75 3.3.4. T o cây thu c lá chuy n gen mang c u trúc rd29A :: GUS.......................... 75 3.4. K T QU ÁNH GIÁ KH NĂNG CH U H N C A CÂY THU C LÁ CHUY N GEN MANG C U TRÚC rd29A::P5CSM .......................................... 78 3.4.1. Thi t k vector chuy n gen mang c u trúc rd29A::P5CSM.......................... 78 3.4.2. T o cây thu c lá chuy n gen mang c u trúc rd29A::P5CSM ....................... 81 3.4.3. ánh giá kh năng ch u h n c a các dòng thu c lá chuy n gen ................... 82 3.5. K T QU T O CÂY U TƯƠNG CHUY N GEN.................................. 84 3.5.1. K t qu tái sinh t o a ch i gi ng u tương DT84 .................................. 84 3.5.1.1. T i ưu th i gian kh trùng h t .................................................................. 84 3.5.1.2. nh hư ng c a BAP n kh năng t o a ch i t lá m m h t chín ........... 87 3.5.1.3. nh hư ng c a hocmon sinh trư ng GA3 t i kh năng kéo dài ch i ................... 89 3.5.1.4. nh hư ng c a IBA n hi u qu t o r ................................................... 91 3.5.1.5. Xác nh giá th thích h p cho ra cây in vitro.......................................... 93 3.5.2. K t qu bư c u chuy n gen GUS vào cây u tương DT84...................... 94 3.5.3. K t qu chuy n c u trúc gen ch u h n vào u tương .................................. 96 K T LU N VÀ NGH ................................................................................. 99 TÀI LI U THAM KH O ................................................................................ 102 2
DANH M C B NG Trang B ng 1.1 Di n tích s n xu t u tương m t s qu c gia trên th gi i 7 B ng 1.2 S n lư ng u tương m t s qu c gia trên th gi i 7 B ng 1.3 Năng su t u tương m t s qu c gia trên th gi i 8 B ng 1.4 S n lư ng u tương t i các t nh và thành ph 9 B ng 1.5 Cây chuy n gen mang gen P5CS 29 B ng 2.1 Thành ph n dung d ch m tách chi t 45 B ng 2.2 Thành ph n ph n ng PCR 46 B ng 2.3 Thành ph n ph n ng OE -PCR 46 B ng 2.4 Thành ph n ph n ng g n gen/promoter vào vector tách dòng 47 B ng 2.5 Thành ph n hoá ch t tách plasmid 48 B ng 2.6 Thành ph n ph n ng colony - PCR 49 B ng 2.7 Thành ph n ph n ng c t rd29A và vector pBI 101 b ng 50 BamHI và HindII B ng 2.8 Thành ph n ph n ng ghép n i rd29A :: pBI 101 50 B ng 2.9 Thành ph n ph n ng c t rd29A:: P5CSM b ng BamHI và SacI 50 B ng 2.10 Thành ph n ph n ng ghép n i rd29A:: pBI 101 51 B ng 2.11 Thành ph n ph n ng c t plasmid rd29A :: pBI101 ::P5CSM 52 B ng 3.1 Các gi ng u tương a phương sưu t p t i t nh Sơn La 53 B ng 3.2 Ch s ch u h n và t l tăng hàm lư ng prolin c a 7 gi ng u 57 tương nghiên c u B ng 3.3 V trí và trình t nucleotid c a các m i c hi u gen P5CS 58 B ng 3.4 V trí sai khác trong trình t nucleotid c a gen P5CS 3 gi ng 64 u tương B ng 3.5 V trí sai khác trong trình t axit amin c a gen P5CS 3 gi ng 65 u tương B ng 3.6 V trí và trình t nucleotid c a các m i c hi u gen P5CS 69 B ng 3.7 Hàm lư ng prolin tích lũy trong các dòng thu c lá nghiên c u 82 (µmol/g) 3
B ng 3.8 nh hư ng c a th i gian kh trùng b ng javen n kh năng 85 n ym m u tương DT84 B ng 3.9 nh hư ng c a th i gian kh trùng b ng khí clo n kh năng 86 n ym m u tương DT84 B ng 3.10 nh hư ng c a BAP t i kh năng t o a ch i 88 B ng 3.11 nh hư ng c a GA3 n kh năng kéo dài ch i 90 B ng 3.12 nh hư ng c a IBA n kh năng t o r 92 B ng 3.13 T l tái sinh/ s ng sót c a các m u qua các giai o n 97 4
DANH M C HÌNH Trang Hình 1.1 Chu trình sinh t ng h p prolin th c v t b c cao 22 Hình 1.2 Cơ ch và các tác nhân i u hòa quá trình trao i prolin 23 th c v t Hình 1.3 Vai trò c a prolin i v i tính ch ng ch u c a cây 25 Hình 2.1 Sơ thí nghi m tái sinh cây u tương 42 Hình 2.2 Sơ chuy n gen vào cây u tương qua nách lá m m 43 Hình 2.3 T o vector chuy n gen mang promoter rd 29A 49 Hình 3.1 th bi u di n kh năng ch u h n tương i c a m t s gi ng 56 u tương a phương và gi ng DT84 Hình 3.2 S n ph m tách RNA 59 Hình 3.3 K t qu nhân hai o n gen P5CS t 2 gi ng u tương DT84 59 và SL5 Hình 3.4 K t qu PCR ghép n i hai o n gen P5CS t 2 gi ng u 60 tương DT84 và SL5 Hình 3.5 K t qu tách dòng gen P5CS t 2 gi ng u tương DT84 và 62 SL5 Hình 3.6 Trình t nucleotid c a gen P5CS 3 gi ng u tương 64 Hình 3.7 Trình t axit amin c a Protein do gen P5CS mã hóa 3 gi ng 67 u tương Hình 3.8 M c tương ng c a các axit amin gen P5CS mã hóa c a 68 các gi ng u tương. Hình 3.9 Sơ cây phát sinh ch ng lo i so sánh m c tương ng 68 c a các axit amin c a protein do gen P5CS c a các gi ng u Hình 3.10 i n di s n ph m PCR 70 Hình 3.11 Ph n ng n i hai o n gen theo phương pháp OE-PCR v i 70 c p m i BamHI-P5CS và Sacl -P5CS Hình 3.12 i n di s n ph m c t plasmid tái t h p b ng enzym c t gi i 71 h n BamHI Hình 3.13 Phân tích, so sánh trình t nucleotid và phát hi n t bi n t i 71 v trí nucleotid 374 c a gen P5CS 5
Hình 3.14 K t qu nuôi c y invitro cây Arabidopsis thaliana 72 Hình 3.15 i n di s n ph m PCR và c t h n ch vector pBT/rd29A 73 Hình 3.16 Phân tích trình t promoter rd29A 74 Hình 3.17 Sơ thi t k vector chuy n gen mang c u trúc rd29A 75 Hình 3.18 i n di s n ph m PCR và c t h n ch vector pBI101/rd29A 75 Hình 3.19 M t s hình nh chuy n c u trúc promoter rd29A vào thu c lá 76 Hình 3.20 Bi u hi n gen GUS trên cây chuy n gen 77 Hình 2.21 Ho t tính c a enzym GUS các dòng cây thu c lá chuy n gen mang promoter rd29A dư i i u ki n h n nhân t o 78 Hình 3.22 Các s n ph m c t ng th i b ng enzym BamHI và SacI 79 Hình 3.23 i n di s n ph m cloning PCR và c t h n ch vector pBT 80 rd29A::/P5CSM Hình 3.24 K t qu colny PCR ch n dòng trong A. tumefaciens 81 Hình 3.25 K t qu PCR các dòng chuy n gen b ng c p m i rd29A 82 for/rd29Arev Hình 3.26 Hàm lư ng prolin tích lũy trong các th i gian gây h n nhân t o 83 Hình 3.27 Các dòng cây thu c lá sau 20 ngày h n nhân t o (A) và sau 84 ph c h i (B) Hình 3.28 H t n y m m b ng các phương pháp kh trùng khác nhau 87 Hình 3.29 C m ch i hình thành trên môi trư ng có n ng BAP khác nhau 89 Hình 3.30 Ch i kéo dài trên môi trư ng có n ng GA3 khác nhau 90 Hình 3.31 nh hư ng c a IBA t i vi c hình thành r cây in vitro 93 Hình 3.32 Hu n luy n cây, tr ng nhà lư i và thu ho ch qu 94 Hình 3.33 Bi u hi n c a gen GUS 95 Hình 3.34 Sơ hoàn ch nh chuy n gen vào cây u tương qua nách lá 96 m m Hình 3.35 Hình nh minh h a quá trình chuy n gen 97 Hình 3.36 Ki m tra cây u tương T0 chuy n gen b ng PCR 98 Hình 3.37 Cây u tương T0 chuy n gen 98 6
M U 1. tv n Cây u tương (Glycine max L. Merrill) là m t trong nh ng cây tr ng quan tr ng không ch Vi t Nam mà còn i v i nhi u qu c gia trên th gi i. H t u tương có th ư c dùng làm ngu n th c ăn giàu m cho con ngư i và là ngu n nguyên li u quan tr ng cho nhi u ngành công nghi p ch bi n. u tương là lo i cây tr ng ng n ngày, có giá tr kinh t cao khi s d ng làm thương ph m, và ư c s d ng cho m c ích c i t o t. Bên c nh ó, u tương r t d canh tác, có kh năng thích nghi v i nhi u vùng sinh thái, khí h u khác nhau và ư c tr ng nhi u vùng qu c gia và vùng lãnh th v i s n lư ng năm 2009 là trên 222 tri u t n [107]. T i Vi t Nam, cây u tương cũng gi vai trò r t quan tr ng trong cơ c u cây tr ng nhi u a phương, v i s n lư ng trung bình t 2001 - 2009 là 239,1 nghìn t n. Theo th ng kê năm 2009 cho th y, cây u tương ư c canh tác có h th ng trên di n tích là 146,2 nghìn ha 28 t nh thành tr i u t B c vào Nam, nhưng t p trung ch y u v n là mi n B c v i s n lư ng c a c nư c là 213,6 nghìn t n [107]. Trong khu v c ASEAN, năng su t u tương năm 2009 c a Vi t Nam ng th 3 trong s 6 nư c tr ng u tương là Campuchia, Lào, Myanmar, Philipin, Thái Lan và Vi t Nam. Tuy nhiên so v i các trung tâm s n xu t u tương c a th gi i là Argentina, Brazil và Hoa Kỳ thì s n lư ng u tương c a nư c ta còn khá th p [107]. Vì th , áp ng nhu c u trong nư c nên chúng ta ph i nh p kh u u tương v i s lư ng l n t các qu c gia bên ngoài c bi t là Hoa Kỳ. Tình tr ng h n hán nh hư ng t i tình hình s n xu t u tương không ch Vi t Nam mà ngay c nh ng nư c s n xu t u tương hàng u th gi i như Argentina. Th ng kê cho th y, s n lư ng u tương c a Argentina vào v mùa năm 2009 gi m t 34,5 tri u t n so v i cùng th i i m năm 2008 là 46,2 tri u t n. Vi t Nam, tình hình thi u nư c tr m tr ng t i các a phương làm cho s n lư ng u tương c a năm 2009 gi m xu ng ch còn 213,6 nghìn t n so v i năm 2007 là 275,2 nghìn t n và năm 2008 là 267,6 nghìn t n [106]. u tương là cây tr ng thu c nhóm cây có kh 1
năng ch u h n kém. Chính vì v y nghiên c u t o gi ng u tương có kh năng s ng trong i u ki n b t l i v nư c ang là hư ng nghiên c u r t ư c quan tâm c a các nhà ch n gi ng. Vi t Nam, nhi u gi ng u tương có kh năng ch ng ch u h n ã ư c ch n t o thành công và ang ư c tri n khai canh tác m ts a phương. Có th k n các gi ng DT96, DT2008 do các nhà khoa h c t i Vi n Di truy n Nông nghi p, Vi n Khoa h c Nông nghi p Vi t Nam ch n t o. Dòng u tương ML48, ML61 do tác gi Chu Hoàng M u ch n t o có kh năng ch u h n cao [15]. Tuy nhiên các phương pháp ch n gi ng truy n th ng t n nhi u th i gian, ph c t p và c n ph i có qu n th l n và không n nh. Nh ng như c i m c a phương pháp truy n th ng có th ư c kh c ph c b ng vi c áp d ng các k thu t m i c a công ngh sinh h c. K thu t chuy n gen th c v t thông qua vi khu n Agrobacterium tumefaciens ã ư c các nhà khoa h c trên th gi i ng d ng và t ư c nh ng k t qu r t có tri n v ng trên cây u tương. Vi t Nam, nhóm nghiên c u c a Tr n Th Cúc Hòa t i Vi n nghiên c u lúa ng b ng sông C u Long ã thành công trong vi c t o ra các gi ng u tương m i mang tính kháng sâu b nh [9]. Tuy nhiên, cho n nay công trình nghiên c u v chuy n gen ch u h n vào cây u tương v n chưa ư c quan tâm úng m c. Xu t phát t nh ng lý do trên, chúng tôi ti n hành tài lu n án ti n sĩ là: “Phân l p, t o t bi n i m gen P5CS liên quan n tính ch u h n và th nghi m chuy n vào cây u tương Vi t Nam” 2. M c tiêu nghiên c u 2.1. So sánh trình t gen mã hóa P5CS c a gi ng a phương thu c nhóm ch u h n t t và gi ng u tương DT84. T o ư c t bi n lo i b hi u ng c ch ph n h i b i prolin. 2.2. T o ư c vector chuy n gen mang c u trúc liên quan n tính ch u h n cây u tương. 2.3. T o cây u tương mang c u trúc gen liên quan n c tính ch u h n. 3. N i dung nghiên c u 3.1. Phân tích c i m sinh lý, hóa sinh c a m t s gi ng u tương tr ng t i khu v c mi n B c. 2
3.2. Phân l p và xác nh trình t gen mã hóa enzyme pyroline-5 carboxylate synthetase (P5CS). 3.3. T o t bi n lo i b hi u ng c ch ph n h i (feedback inhibition) b i prolin b ng phương pháp t o t bi n i m. 3.4. Phân l p promoter c m ng dư i i u ki n khô h n rd29A t cây Arabidopsis thaliana. Phân tích ho t ng c a promoter d a vào ho t ng c a gen GUS các dòng cây thu c lá chuy n gen. 3.5. Thi t k c u trúc mang gen P5CS t bi n ư c i u khi n b i promoter rd29A và chuy n c u trúc này vào cây thu c lá. 3.6. Phân tích các ch tiêu hóa sinh và kh năng ch ng ch u c a các dòng thu c lá trong i u ki n gây h n nhân t o. 3.7. Bi n n p c u trúc mang gen P5CS vào cây u tương thông qua vi khu n Agrobacterium tumefaciens. Phân tích s có m t c a gen bi n n p. 3
Chương 1 T NG QUAN TÀI LI U 1.1. CÂY U TƯƠNG (GLYCINE MAX L. MERRILL), GIÁ TR KINH T VÀ GIÁ TR S D NG 1.1.1. Ngu n g c và phân lo i Cây u tương là m t trong nh ng loài cây tr ng ư c bi t n t r t s m. Các b ng ch ng v l ch s , a lý và kh o c h c ch ra r ng u tương có ngu n g c t Trung Qu c. Cây u tương ư c thu n hóa và tr ng làm cây th c ph m Trung Qu c vào kho ng th k XVII trư c công nguyên. Cây u tương ư c truy n bá sang Nh t B n vào kho ng th k th VIII, du nh p vào nhi u nư c Châu Á khác như: Indonesia, Philippin, Thái Lan, n , Vi t Nam,… vài th k sau ó. Cây u tương ư c tr ng Châu Âu vào th k XVII và Hoa Kỳ th k XVIII . Cây u tương thu c b Phaseoleae, h u Fabaceae, h ph cánh bư m Papilionoideae, chi Glycine v i tên khoa h c là Glycine max (L.) Merrill. Tuy nhiên theo Hymowit và Newell (1984) thì ngoài chi Glycine còn có chi ph Soja. Chi Glycine ư c chia thành 7 loài hoang d i lâu năm, chi Soja g m 2 loài trong ó có loài u tương tr ng Glycine max L. Merrill (Ngô Th Dân và tg, 1999) [6], (Tr n Văn i n, 2007) [8]. 1.1.2. c i m sinh h c u tương là cây hai lá m m, thân th o. Thân cây có nhi u lông nh , khi còn non thân có màu xanh ho c tím, khi v già chuy n màu nâu nh t. Màu s c c a thân cây cho ta bi t màu c a hoa sau này, n u thân có màu xanh hoa s có màu tr ng, n u thân có màu tím thì sau hoa s có màu tím , chi u cao c a thân t 0,3 - 1m tùy theo gi ng. Cây u tương có ba lo i lá: lá m m, lá ơn, lá kép. M i lá kép thư ng có 3 thuỳ (lá chét), lá kép m c so le, trên phi n lá có nhi u lông tơ. Hình d ng c a lá thay i theo gi ng, nh ng gi ng có lá dài và nh ch u h n t t, nhưng cho năng su t th p, nh ng gi ng lá to thư ng cho năng su t cao hơn nhưng cũng ch u h n kém hơn. 4
Hoa u tương ư c phát sinh t nách lá, u cành ho c u thân. Hoa m c thành chùm, m i chùm thư ng có t 3 - 5 hoa. Hoa lư ng tính nên u tương là cây t th ph n, t l giao ph n r t th p ch chi m 0,5 - 1%. Qu u tương th ng ho c hơi cong, dài t 2 - 7cm. M i qu thư ng có 2 - 3 h t. H t u tương có hình tròn, b u d c…, nh ng gi ng có h t màu vàng có giá tr thương ph m cao. Kh i lư ng 1000 h t dao ng trung bình t 100 - 200g. Hình d ng và màu s c c a r n h t c trưng cho m i gi ng. B r u tương g m r chính và r ph . Trên r có r t nhi u n t s n, ó là k t qu c a s c ng sinh gi a vi khu n Rhizobium japonicum v i r . N t s n có th dài 1cm, ư ng kính 5 - 6mm, khi m i hình thành nó có màu tr ng s a, khi phát tri n t t nh t n t s n có màu h ng. N t s n t p trung nhi u t ng t có sâu t 0 - 20cm, có vai trò quan tr ng trong vi c c nh m t nitơ không khí, v i lư ng m cung c p cho cây kho ng 30 - 60 kg/ha. D a vào th i gian sinh trư ng, u tương ư c chia thành các lo i: chín r t s m: thu ho ch sau 80-90 ngày; chín s m: thu ho ch sau 90 - 100 ngày; chín trung bình: thu ho ch sau 100 - 110 ngày; chín mu n trung bình: thu ho ch sau 110 - 120 ngày; chín mu n: thu ho ch sau 130 - 140 ngày; chín r t mu n: thu ho ch sau 140 - 150 ngày (Ngô Th Dân và tg, 1999) [6], (Tr n Văn i n, 2007) [8]. 1.1.3. Giá tr kinh t và giá tr s d ng c a cây u tương u tương là cây tr ng ng n ngày có giá tr kinh t cao, s n ph m c a nó ư c dùng làm th c ph m cho con ngư i, th c ăn cho gia súc, nguyên li u cho công nghi p, làm hàng xu t kh u và là loài cây c i t o t tr ng r t t t. u tương ư c xem là ông hoàng trong các cây h u vì giá tr r t toàn di n c a nó (Tr n Văn i n, 2007) [8]. Giá tr v m t th c ph m: Hàm lư ng protein trong u tương cao hơn trong cá, th t và cao g p 2 l n các lo i u khác, protein trong h t u chi m kho ng 35 - 50% (ph thu c vào gi ng và i u ki n chăm sóc), d tiêu hóa hơn th t và không có thành ph n t o cholesteron. u tương còn ư c xem là cây cung c p d u th c v t quan tr ng, lipit u tương ch a thành ph n các axit béo không no cao, t ng s ch t béo chi m kho ng 18%. Trong h t u tương còn ch a nhi u lo i vitamin, áng k là các vitamin 5
nhóm B như: B1, B2, B6, vitamin E,… Ngoài ra, nó còn ch a s t, canxi, photpho và các thành ph n ch t xơ t t cho tiêu hóa. Giá tr v m t công nghi p: Hi n nay trên th gi i, u tương là cây ng u v cung c p nguyên li u cho ép d u, d u u tương chi m 50% d u th c v t, d u u tương khô ch m, ch s i t cao 120 - 127, nhi t ngưng t -15 n -180C và t d u ngư i ta có th làm n n, xà phòng, nilon,… u tương còn là nguyên li u c a nhi u ngành công nghi p khác như: ch bi n cao su nhân t o, m c in, ch t d o, tơ nhân t o, ch t t l ng,… Giá tr v m t nông nghi p: Toàn b cây u tương c khi tươi và khô u có th dùng làm th c ăn cho gia súc. u tương có vai trò quan tr ng trong c i t o t tr ng, m t ha u tương n u sinh trư ng và phát tri n t t s l i trong t 30 - 60 kg nitơ, thân và lá v i hàm lư ng m cao có th dùng bón cho t thay cho phân h u cơ. Vi c luân canh u tương v i cây tr ng khác có th xem là bi n pháp c i t o t tr ng h u hi u. 1.1.4. Tình hình s n xu t u tương trên th gi i và Vi t Nam Trên th gi i: V i nh ng giá tr kinh t và s d ng c a cây u tương nên ây ư c xem là m t trong nh ng lo i cây tr ng chi n lư c nhi u qu c gia v i v trí ch ng sau lúa, ngô và lúa mì. Do có kh năng thích nghi r ng v i các i u ki n khí h u và sinh thái khác nhau nên u tương ư c tr ng r ng rãi trên c năm châu l c, t p trung nhi u nh t Châu M , ti p n là Châu Á. Theo th ng kê c a t ch c Lương th c và Nông nghi p Liên hi p qu c, di n tích gieo tr ng u tương trên th gi i tăng kho ng 3,6 tri u ha trong vòng 4 năm tr l i ây (năm 2006 là 95,2 tri u ha và năm 2009 là 98,8 tri u ha) [107]. Trong ó, Hoa Kỳ là qu c gia có di n tích gieo tr ng cây u tương l n nh t là 30,91 tri u ha ti p n là qu c gia Brazil (21,76 tri u ha) và Argentina (16,77 tri u ha) vào năm 2009 (B ng 1.1) trong khi ó Vi t Nam ch có 0,15 tri u ha. M c dù di n tích gieo tr ng cây u tương tăng lên áng k trong các năm tr l i ây tuy nhiên s n lư ng u tương c a c th gi i l i có nh ng bi n ng khác nhau gi a các năm. Năm 2006 s n xu t u tương c a c th gi i t 221,9 tri u t n, năm 2007 gi m xu ng còn 219,5 tri u t n, tăng lên vào năm 2008 là 230,5 tri u t n nhưng năm 2009 ch còn 222,2 tri u t n. 6
B ng 1.1. Di n tích s n xu t u tương m t s qu c gia trên th gi i Di n tích gieo tr ng (tri u ha)* Qu c gia Năm 2006 Năm 2007 Năm 2008 Năm 2009 Argentina 15,13 15,98 16,39 16,77 Brazil 22,05 20,57 21,06 21,76 Trung Qu c 9,30 8,75 9,13 8,80 n 8,33 8,88 9,52 9,60 Indonesia 0,58 0,46 0,59 0,72 Thái Lan 0,14 0,13 0,12 0,11 Hoa Kỳ 30,19 25,96 30,22 30,91 Vi t Nam 0,19 0,19 0,19 0,15 * Theo s li u th ng kê c a T ch c Lương th c và Nông nghi p Liên hi p qu c (FAO) [107]. Năm 2009, Hoa Kỳ là qu c gia s n xu t u tương nhi u nh t th gi i v i 91,42 tri u t n, ti p theo là Brazil v i 56,96 tri u t n và Argentina là 30,99 tri u t n [107] (B ng 1.2). B ng 1.2. S n lư ng u tương m t s qu c gia trên th gi i S n lư ng (tri u t n)* Qu c gia Năm 2006 Năm 2007 Năm 2008 Năm 2009 Argentina 40,54 47,48 46,24 30,99 Brazil 52,46 57,86 59,24 56,96 Trung Qu c 15,50 12,73 15.55 14,50 n 8,86 10,97 9,91 10,22 Indonesia 0,75 0,59 0,78 0,97 Thái Lan 0,21 0,20 0,19 0,19 Hoa Kỳ 87,00 72,86 80,75 91,42 Vi t Nam 0,26 0,28 0,27 0,21 * Theo s li u th ng kê c a T ch c Lương th c và Nông nghi p Liên hi p qu c (FAO) [107]. Trong b n năm tr l i ây năng su t cao nh t t ư c vào năm 2007 là 24,3 t /ha và th p nh t là năm 2009 là 22,4 t /ha. Trong s các qu c gia tr ng cây u tương hàng u th gi i ch duy nh t Hoa Kỳ v n duy trì ư c năng su t cây u tương th m chí có 7
ph n tăng vào năm 2009 so v i các năm 2006, 2007 và 2008 (B ng 1.3). Argentina là nư c có năng su t u tương gi m m nh nh t vào năm 2009 ch còn 18,48 t /ha so v i các năm trư c trung bình t kho ng 27 t /ha (B ng 1.3). B ng 1.3. Năng su t u tương m t s qu c gia trên th gi i Năng su t (t /ha)* Qu c gia Năm 2006 Năm 2007 Năm 2008 Năm 2009 Argentina 26,79 29,71 28,22 18,48 Brazil 23,80 28,13 28,13 26,18 Trung Qu c 16,66 14,54 17,03 16,48 n 10,63 12,35 10,40 10,64 Indonesia 12,88 12,91 13,12 13,48 Thái Lan 15,60 15,93 15,99 16,33 Hoa Kỳ 28,82 28,07 26,72 29,58 Vi t Nam 13,91 14,70 14,03 14,61 * Theo s li u th ng kê c a T ch c Lương th c và Nông nghi p Liên hi p qu c (FAO) [107]. Có th k n nhi u nguyên nhân làm cho năng su t và s n lư ng u tương không n nh trong m t vài năm tr l i ây trên th gi i và t i các qu c gia tr ng u tương là do d ch b nh, k thu t canh tác nhưng áng chú ý nh t ph i k n là do tình hình bi n i khí h u và h n là m t y u t có nh hư ng không nh n s n xu t u tương trên th gi i. H n hán hay v n không ch ng ư c ngu n nư c làm gi m t i 40% ph n năng su t c a cây u tương. Theo th ng kê c a cơ quan nông nghi p Hoa Kỳ thì s n lư ng u tương c a Argentina hơn 10 tri u t n vào năm 2009, trong ó năng su t kho ng 10 t /ha. Nguyên nhân gây ra tình tr ng này chính là do tình tr ng h n hán t i m t s nư c Châu M Latinh trong ó có Argentina (B ng 1.3). Do s suy gi m năng su t và s n lư ng t i hai qu c gia hàng u v s n xu t u tương là Brazil và Argentina nên ã nh hư ng n s n lư ng u tương c a c th gi i (B ng 1.3). Vi t Nam: u tương ư c gieo tr ng t lâu i, trư c cây u xanh và u en. Tuy nhiên, v i các phương pháp canh tác truy n th ng, b gi ng có năng su t th p, s n xu t nh l , giá thành u tương trong nư c không có kh năng c nh tranh v i u tương nh p kh u là lý do khi n cho nông dân không m n mà v i cây u tương. Di n tích tr ng u tương tăng qua các năm nhưng v n ch chi m m t t l nh (1,5 - 1,6% t ng di n tích cây nông nghi p). 8
B ng 1.4. S n lư ng s n xu t u tương t i các t nh và thành ph S n lư ng các a phương (nghìn t n)* Các a phương 2006 2007 2008 2009 Hà N i 2,1 2,1 43,9 11,8 Hà Tây 47,7 51,7 Vĩnh Phúc 10,2 6,4 10,5 4,2 B c Ninh 2,9 3,2 4,0 4,1 Qu ng Ninh 1,1 1,1 1,1 1,3 H i Dương 2,9 2,5 2,3 2,7 Hưng Yên 8,4 7,9 6,9 5,8 Thái Bình 12,4 13,8 14,0 16,8 Hà Nam 11,1 12,0 13,0 2,1 Nam nh 5,3 5,6 5,4 4,0 Hà Giang 14,1 14,1 20,4 23,7 Cao B ng 4,4 5,2 5,1 4,1 B cK n 2,9 2,8 3,6 4,0 Tuyên Quang 3,2 4,1 4,5 3,9 Lào Cai 4,7 5,4 4,9 5,3 Thái Nguyên 3,6 3,1 2,8 2,5 L ng Sơn 2,0 3,0 2,7 2,2 B c Giang 4,5 3,4 3,1 3,0 i n Biên 10,7 11,2 13,0 11,7 Lai Châu 1,7 1,8 2,1 2,4 Sơn La 11,1 11,5 10,0 9,8 Hoà Bình 3,4 4,3 3,6 1,9 Thanh Hóa 6,6 7,6 6,3 7,4 kL k 10,4 11,3 11,2 10,4 k Nông 26,7 30,3 30,5 33,2 ng Nai 3,2 3,2 2,1 1,5 ng Tháp 14,0 16,6 13,7 10,7 An Giang 2,8 3,1 2,0 1,6 * Theo s li u c a T ng C c Th ng kê [107]. M c dù chưa có nh ng s li u th ng kê c th thi t h i do h n hán gây ra i v i s n xu t u tương Vi t Nam. Tuy nhiên, khi nhìn vào s li u th ng kê s n 9
lư ng u tương t i các t nh và thành ph c a Vi t Nam có th th y r ng t i nhi u khu v c s n lư ng s n xu t u tương gi m áng k so v i nh ng năm trư c ây, thêm vào ó k t h p v i nh ng thông tin v tình hình th i ti t b t thư ng trong vòng 3 năm tr l i ây có th th y r ng bên c nh nh ng y u t b t l i sinh h c và phi sinh h c khác thì h n hán cũng ã nh hư ng không nh t i s n lư ng u tương m t s t nh thành nói riêng và do ó nh hư ng n s n lư ng s n xu t u tương c a c nư c nói chung. K t h p v i nh ng s li u th ng kê c th v s n lư ng u tương các qu c gia trên th gi i và ánh giá tình hình s n xu t u tương t i Vi t Nam trong vòng 4 năm tr l i ây có th kh ng nh r ng, v n nâng cao kh năng kháng h n tr nên c p thi t i v i cây u tương. Thêm vào ó nh ng nghiên c u này hoàn toàn m i i v i tình hình nghiên c u cây u tương t i Vi t Nam và phù h p v i xu th chung trên th gi i. 1.2. CƠ S SINH LÝ, HÓA SINH C A C TÍNH CH U H N C A CÂY U TƯƠNG Khi g p các i u ki n b t l i v nư c, th c v t có nh ng ph n ng có th thích ng, sinh trư ng và phát tri n. Các cơ ch này khá a d ng nhưng có th chia thành ba cơ ch ch o bao g m: cơ ch tr n thoát i u ki n h n (drought escape), cơ ch tránh h n (drought avoiandgce) và cơ ch ch ng ch u h n (drought tolerance). Cơ ch tr n thoát i u ki n h n cho phép cây có th hoàn thành chu kì s ng c a mình trong giai o n ư c cung c p nư c trư c khi h n x y ra. Các gi ng u tương ng n ngày ư c tr ng khá ph bi n khu v c Nam M ch y u s d ng cơ ch này thích ng v i các i u ki n b t l i v nư c. Các gi ng này có tính chín s m và b t u n hoa vào cu i tháng 4 và t o qu trong tháng 5, chính vì th mà các gi ng này có th hoàn thành chu kì sinh s n c a mình trư c khi tình tr ng khan hi m v nư c x y ra t tháng 6 t i tháng 8. i v i cơ ch tránh h n thì các gi ng u tương s có các cơ ch duy trì lư ng nư c trong cơ th trong giai o n h n thông qua vi c tăng kh năng h p thu nư c t r ho c gi m quá trình thoát hơi nư c các b ph n khác nhau c a cây. các gi ng u tương có kh năng ch ng ch u h n, thì cây có th duy trì s c căng c a các mô và t bào, chính vì th các quá trình trao i ch t có 10
th di n ra bình thư ng trong i u ki n lư ng nư c bên ngoài môi trư ng xu ng r t th p. S c căng c a các mô và t bào c a cây ư c duy trì thông qua vi c t ng h p m nh các ch t ch ng áp su t th m th u, các ch t trao i (Nguyen và tg, 2007) [68]. 1.2.1. Kh năng thích nghi c a b r trong i u ki n h n 1.2.1.1.S phát tri n c a b r B r là m t trong nh ng b ph n quan tr ng c a cây th c hi n nhi m v l y nư c cung c p cho các ho t ng s ng và phát tri n c a cơ th th c v t. cây u tương s thích nghi v i các i u ki n h n hán ch y u thông qua vi c phát tri n r tr có th tìm ki m các ngu n nư c t các l p t sâu (Taylor và tg, 1978) [93]. Bên c nh ó h th ng r s i phát tri n cũng giúp cho cây có th vươn t i các l p t có m cao và tìm ki m các ch t dinh dư ng. M t trong nh ng nhân t chính nh hư ng n sâu c a r u tương là t s kéo dài r tr (taproot elongation rate). Do r tr ư c hình thành u tiên u tương, chính vì th vi c xác nh các gi ng u tương có c tính kéo dài r tr nhanh s cho phép xác nh kh năng âm sâu c a r . S khác nhau v tính tr ng kéo dài b r các gi ng u tương ã ư c nghiên c u khá chi ti t trong i u ki n nhà lư i (Kaspar và tg, 1984) [54]. ã ánh giá 105 gi ng u tương khác nhau cho th y t s kéo dài r tr khác nhau gi a các gi ng vào kho ng 1,3cm/ngày. Nh ng nghiên c u ti p theo trên các gi ng có t s kéo dài r tr cao cho th y nh ng gi ng này có th l y nư c chi u sâu trên 120cm so v i các gi ng còn l i. M t vài nghiên c u cũng ã ư c th c hi n i v i h th ng r nhánh c a cây u tương cho th y trong i u ki n h n s lư ng r nhánh trên ơn v chi u dài r tr tăng áng k , nhưng chi u dài và ư ng kính r tr không thay i. H n ch v nư c cây u tương thư ng làm tăng sinh kh i c a r , t ó làm tăng t l r : thân. cây u tương không ư c tư i nư c thì b r có chi u dài hơn h n cây u tương ư c tư i nư c (Huck và tg, 1983) [47]. Ngoài ra các nhà khoa h c cũng nh n th y m i tương quan r t ch t ch i v i nhi u tính tr ng r như kh i lư ng khô, chi u dài t ng s , c u trúc và s lư ng r nhánh các gi ng ch u h n. Nh ng tính tr ng này thư ng ư c dùng như các ch tiêu quan tr ng ánh giá và nh n d ng các gi ng u tương có tính ch u h n. Quá trình sinh trư ng và phát tri n c a cây u tương ư c chia thành hai giai o n là sinh trư ng sinh dư ng (V) và sinh trư ng sinh s n (R). Giai o n V 11