Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu khả năng tập chống chịu hạn hán của khoai tây (Solanum tuberosum L.)

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:76

Thêm vào BST

Báo xấu

96
lượt xem 11
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn nhằm đánh giá khả năng tập chống chịu hạn của khoai tây giống; xác định cường độ hạn trong giai đoạn tập chống chịu cho hiệu quả nâng cao khả năng chống chịu hạn của khoai tây; đánh giá sự thay đổi hàm lượng proline, một chất điều hòa thẩm thấu trong tế bào được coi là chỉ thị cho quá trình đáp ứng bất lợi về áp suất thẩm thấu của thực vật, ở cây khoai tây đã qua tập chống chịu hạn.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu khả năng tập chống chịu hạn hán của khoai tây (Solanum tuberosum L.)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---------------------------------- Vũ Thị Hoa Phƣợng NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG TẬP CHỐNG CHỊU HẠN HÁN CỦA KHOAI TÂY (Solanum tuberosum L.) LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2015
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN -------------------------------- Vũ Thị Hoa Phƣợng NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG TẬP CHỐNG CHỊU HẠN HÁN CỦA KHOAI TÂY (Solanum tuberosum L.) Chuyên ngành: Sinh học Thực nghiệm Mã số: 60 42 01 14 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. LÊ QUỲNH MAI Hà Nội – 2015
LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và lòng biết ơn sâu sắc tới cán bộ hướng dẫn của tôi, TS. Lê Quỳnh Mai, người đã tận tình dạy bảo, dẫn dắt, tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận văn này. Tôi xin trân trọng cảm ơn các cán bộ Phòng thí nghiệm Công nghệ nuôi cấy Thực vật và Vi tảo, Trung tâm Khoa học Sự sống, Khoa Sinh học và Phòng Thí nghiệm Trọng điểm Quốc gia về Enzyme và Protein, Đại học Khoa Học Tự Nhiên – Đại học Quốc Gia Hà Nội đã luôn tạo điều kiện cho tôi thực hiện thí nghiệm. Tôi xin chân thành cảm ơn các thày giáo, cô giáo và các cán bộ Khoa Sinh học đặc biệt là các thày, cô giáo và các cán bộ Bộ môn Sinh Lý Thực Vật và Hóa Sinh, trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên – Đại học Quốc Gia Hà Nội đã tận tình giảng dạy cho tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn. Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc với gia đình, bè bạn những người đã luôn động viên, giúp đỡ tôi trong cuộc sống. Nghiên cứu được Quỹ Phát triển Khoa học và Công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) tài trợ kinh phí trong khuôn khổ đề tài: “Nghiên cứu các mối liên quan giữa khả năng tập chống chịu của khoai tây trước các yếu tố nhiệt độ cao, hạn hán, độ mặn cao” với mã số 106.06-2012.14. Trân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2015 Tác giả Vũ Thị Hoa Phƣợng
MỤC LỤC MỞ ĐẦU ......................................................................................................................1 Chƣơng 1. TỔNG QUAN ........................................................................................... 5 1.1. Giới thiệu chung về khoai tây..........................................................................5 1.1.1. Nguồn gốc lịch sử ........................................................................................5 1.1.2. Phân loại học .............................................................................................. 5 1.1.3. Đặc điểm của cây khoai tây ........................................................................5 1.1.4. Vai trò của khoai tây ...................................................................................7 1.2. Hạn và đáp ứng của thực vật ở cạn trƣớc điều kiện hạn ............................. 8 1.2.1. Đặc điểm thích nghi của thực vật chịu hạn.................................................8 1.2.2. Ảnh hưởng của hạn đến sinh trưởng và phát triển của thực vật.................9 1.2.3. Đáp ứng hạn của thực vật .........................................................................12 1.3. Ảnh hƣởng của môi trƣờng hạn đến khoai tây ...........................................15 1.4. Tính tập chống chịu của thực vật .................................................................17 Chƣơng 2. VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP ......................................................... 20 2.1. Vật liệu.............................................................................................................20 2.1.1. Đối tượng nghiên cứu................................................................................20 2.1.2. Hóa chất ....................................................................................................20 2.1.3. Thiết bị .......................................................................................................21 2.2. Nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu ......................................................... 22 2.2.1. Phương pháp vào mẫu, nuôi cấy in vitro và tạo tập chống chịu ..............22 2.2.2. Phương pháp cấy chuyển mẫu và đánh giá các chỉ số sinh lý ..................23 2.2.3. Phương pháp xác định hàm lượng chlorophyll.........................................24 2.2.4. Phương pháp xác định hàm lượng proline mẫu........................................25 2.2.5. Xác định biểu hiện một số gen yếu tố phiên mã ở khoai tây (Solanum tuberosum L.) tương đồng với các gen liên quan đến khả năng tập chống chịu ở Arabidopsis thaliana ........................................................................................... 27 2.2.5.1. Thu mẫu ..................................................................................................28 2.2.5.2. Tách RNA tổng số ..................................................................................28
2.2.5.3. Kiểm tra, định lượng và xác định độ tinh sạch RNA tổng số ................29 2.2.5.4. Xử lý DNA ............................................................................................. 30 2.2.5.5. Tổng hợp cDNA .....................................................................................30 2.2.5.6. Kiểm tra chất lượng cDNA ....................................................................31 2.2.5.7. Chọn gen đích......................................................................................... 32 2.2.5.8. Thiết kế mồi ........................................................................................... 33 2.2.5.9. Xác định tương quan mức độ biểu hiện .................................................34 2.2.5.10. Xử lý số liệu ......................................................................................... 34 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........................................................... 35 3.1. Ảnh hƣởng của sorbitol đến tỷ lệ nảy mầm của hạt khoai tây Hồng Hà 7 ........35 3.2. Đánh giá các chỉ số nuôi cấy mô sau giai đoạn tập chống chịu ..................37 3.2.1. Hệ số nhân chồi ......................................................................................... 37 3.2.2. Chiều cao chồi ............................................................................................ 38 3.2.3. Số lá ...........................................................................................................39 3.2.4. Số rễ ...........................................................................................................41 3.2.5. Trọng lượng tươi và trọng lượng khô .......................................................42 3.3. Hàm lƣợng chlorophyll ở khoai tây HH7 đã qua giai đoạn tập chống chịu ....44 3.4. Hàm lƣợng proline ......................................................................................... 45 3.5. Mức độ biểu hiện của một số gen yếu tố phiên mã liên quan đến tính chịu hạn của khoai tây ...................................................................................................47 3.5.1. Hàm lượng và độ tinh sạch của RNA tổng số ...........................................47 3.5.2. Kết quả kiểm tra chất lượng cDNA ........................................................... 48 3.5.3. Sự biểu hiện của gen PGSC0003DMG400014309 (P1) ........................... 50 3.5.4. Sự biểu hiện của gen PGSC0003DMP400026903 (P2) ........................... 51 3.5.5. Sự biểu hiện của gen PGSC0003DMT400045091 (P3) ............................ 53 KẾT LUẬN ................................................................................................................55 KIẾN NGHỊ ...............................................................................................................56 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................57 PHỤ LỤC ...................................................................................................................66
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1. Các hóa chất chính được sử dụng trong nghiên cứu ................................ 20 Bảng 2.2. Các thiết bị chính được sử dụng trong nghiên cứu ..................................21 Bảng 2.3. Nồng độ proline và giá trị độ hấp thụ ở bước sóng 520 nm ...................26 Bảng 2.4. Các cặp mồi sử dụng trong phản ứng qPCR kiểm tra chất lượng cDNA ........31 Bảng 2.5. Thành phần phản ứng qPCR với thể tích phản ứng 20 µl .......................32 Bảng 2.6. Chu trình nhiệt phản ứng qPCR ...............................................................32 Bảng 2.7. Thông tin các gen đích được chọn trong nghiên cứu............................... 33 Bảng 2.8. Các mồi sử dụng trong phản ứng qPCR kiểm tra sự biểu hiện của gen đích .......33 Bảng 3.1. Hàm lượng RNA tổng số và các giá trị đánh giá mức độ tinh sạch ........48 Bảng 3.2. Kết quả kiểm tra chất lượng cDNA ......................................................... 49
DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Cây khoai tây (Solanum tuberosum L.)....................................................... 6 Hình 1.2. Sơ đồ đáp ứng của thực vật trong điều kiện hạn ...................................... 13 Hình 1.3. Sơ đồ đơn giản của một quá trình nhận, truyền tín hiệu gây ra đáp ứng tập chống chịu ......................................................................................................... 18 Hình 2.1. Các nội dung nghiên cứu tính tập chống chịu hạn hán của khoai tây (Solanum tuberosum L.) giống HH7 .................................................................. 22 Hình 2.2. Sơ đồ cấy chuyển mẫu sau khi gieo trên các môi trường tập chống chịu ........ 23 Hình 2.3. Đường chuẩn proline ................................................................................. 26 Hình 2.4. Sơ đồ quy trình xác định biểu hiện một số gen yếu tố phiên mã .............. 28 Hình 3.1. Tỷ lệ nảy mầm của hạt khoai tây HH7 sau 30 ngày gieo trên môi trường có bổ sung sorbitol ................................................................................................. 36 Hình 3.2. Cây khoai tây trên đĩa thạch sau 30 ngày gieo hạt .................................... 36 Hình 3.3: Hệ số nhân chồi của khoai tây HH7 trên môi trường có các nồng độ sorbitol khác nhau sau khi tập chống chịu hạn ở giai đoạn nảy mầm .............. 38 Hình 3.4. Chiều cao chồi của khoai tây HH7 trên môi trường có các nồng độ sorbitol khác nhau sau khi tập chống chịu hạn ở giai đoạn nảy mầm ............................ 38 Hình 3.5. Số lá trung bình của khoai tây HH7 trên môi trường có các nồng độ sorbitol khác nhau sau khi tập chống chịu hạn ở giai đoạn nảy mầm ............................ 40 Hình 3.6. Số rễ trung bình của khoai tây HH7 trên môi trường có các nồng độ sorbitol khác nhau sau khi tập chống chịu hạn ở giai đoạn nảy mầm .............. 41 Hình 3.7. Trọng lượng tươi và trọng lượng khô của chồi khoai tây HH7 trên môi trường có các nồng độ sorbitol khác nhau sau khi tập chống chịu hạn ............ 42 ở giai đoạn nảy mầm (đánh giá sau 6 tuần nuôi cấy) ................................................ 42 Hình 3.8. Hàm lượng chlorophyll trong lá khoai tây HH7 trên môi trường có các nồng độ sorbitol khác nhau sau khi tập chống chịu hạn ở giai đoạn nảy mầm (đánh giá sau 6 tuần nuôi cấy) .......................................................................... 44
Hình 3.9. Hàm lượng proline trong thân và lá khoai tây HH7 trên môi trường có các nồng độ sorbitol khác nhau sau khi tập chống chịu hạn ở giai đoạn nảy mầm (đánh giá sau 4 tuần) ......................................................................................... 46 Hình 3.10. Biểu đồ tương quan mức độ biểu hiện giữa mẫu khoai tây được xử lý hạn và mẫu đối chứng của gen PGSC0003DMG400014309 (P1), tương đồng với gen mã hóa yếu tố phiên mã DREB1A ở Arabidopsis thaliana ........................ 51 Hình 3.11. Biểu đồ tương quan mức độ biểu hiện giữa mẫu khoai tây được xử lý hạn và mẫu đối chứng của của gen PGSC0003DMP400026903 (P2), tương đồng với gen mã hóa yếu tố phiên mã RD26 ở Arabidopsis thaliana ............................ 52 Hình 3.12. Biểu đồ tương quan mức độ biểu hiện của gen GSC0003DMT400045091 (Gen P3), tương đồng với gen yếu tố phiên mã At4g13040 ở Arabidopsis thaliana ............................................................................................................. 53
BẢNG KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt/ Từ nguyên gốc Kí hiệu ABA Abscisic acid cDNA Complementary Deoxyribonucleic Acid Chl. Chlorophyll Chla Chlorophyll a Chlb Chlorophyll b cs. Cộng sự DNA Deoxiribonucleic Acid ĐC Đối chứng ef1α Elongation factor 1-anpha HH7 Hồng Hà 7 HK House keeping gene (Gen giữ nhà) Môi trường khoáng cơ bản MS MS (Murashige & Skoog, 1962) Quantitative Polymerase Chain Reaction (Phản ứng qPCR chuỗi trùng hợp định lượng) Ref Reference gene (Gen tham chiếu) RNA Ribonucleic Acid Reactive Oxygen species ROS (Các dạng chứa oxi phản ứng) TF Transcription factor (Yếu tố phiên mã) TN Thí nghiệm
MỞ ĐẦU TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Tổ chức Nông Lương Thế Giới (FAO) khuyến cáo: Trong tương lai sản xuất lương thực sẽ cần phải tăng 75% mới có thể cung cấp đủ lương thực cho 9 tỷ người vào năm 2050. Theo số liệu do Liên hợp quốc công bố ngày 16-10-2010, trên thế giới có khoảng 1 tỉ người thiếu ăn. Vấn đề an ninh lương thực là một vấn đề thế giới đã đang và sẽ phải đối mặt. Hơn nữa, biến đổi khí hậu đang diễn biến ngày càng phức tạp, nắng nóng kéo dài, hạn hán, xâm nhập mặn và nhiều dạng thời tiết khắc nghiệt đang ảnh hưởng đến trái đất, đặc biệt ảnh hưởng lớn đến sinh trưởng, phát triển, năng suất và chất lượng của cây trồng. Trước điều kiện tự nhiên bất lợi, thực vật có nhiều cơ chế giúp chúng tồn tại. Chúng có thể thích nghi (adapted) hoặc tập chống chịu (acclimated) với điều kiện môi trường. Hai cơ chế này khác nhau cơ bản nhất ở khả năng di truyền và được quy định ở việc biểu hiện gen thường trực hay có điều kiện. Khả năng thích nghi với điều kiện sống liên quan đến những thay đổi trong cả một quần thể, trở thành đặc điểm của loài và được truyền từ thế hệ này sang thế hệ khác. Ngược lại, khả năng tập chống chịu mặc dù vẫn liên quan đến biểu hiện gen nhưng chỉ thể hiện dưới các điều kiện nhất định và những thay đổi này lại không di truyền. Các cây qua giai đoạn tập chống chịu sẽ thay đổi trực tiếp hình thái và sinh lý để có thể tồn tại trong nhiều loại điều kiện môi trường khác nhau và những biến đổi trong quá trình tập chống chịu có thể mất đi khi điều kiện trở lại bình thường. Và trong hoàn cảnh biến đổi khí hậu đang diễn ra phức tạp như hiện nay, thì việc nghiên cứu tính tập chống chịu của cây trồng cho chúng ta hi vọng sẽ thu được cây, đặc biệt là cây lương thực, có khả năng chống chịu với các điều kiện bất lợi biến đổi bất thường. Khoai tây (Solanum tuberosum L.) là loại cây trồng lấy củ rộng rãi nhất thế giới và là cây lương thực đứng thứ tư trên thế giới về mặt sản lượng tươi (xếp sau lúa mì, gạo và ngô). Khoai tây được coi là ―nguồn lương thực thực phẩm của tương lai‖ đã được trồng trên 100 nước trên toàn thế giới và là thành phần quan trọng trong hệ thống lương thực thế giới (FAO). Đã có nghiên cứu cho thấy khoai tây là loại cây có 1
khả năng tập chống chịu với một số điều kiện bất lợi [18, 19, 50] . Ở Việt Nam, các nghiên cứu về khoai tây tập trung chủ yếu vào việc khảo nghiệm, lai giống, tạo củ nhỏ và một số bệnh cây, chủ yếu là bệnh virus, nhằm cải tạo giống và nâng cao chất lượng cây. Hầu như chưa có nghiên cứu nào về cơ chế tập chống chịu của loại cây này trước các điều kiện phi sinh học. Trên cơ sở đó, chúng tôi lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu khả năng tập chống chịu hạn hán của khoai tây (Solanum tuberosum L.)”. Qua đề tài những kiến thức cơ bản xung quanh khả năng và cơ chế tập chống chịu của khoai tây trước điều kiện hạn sẽ phần nào được làm sáng tỏ. Cũng trong đề tài này, sự biểu hiện của một số gen liên quan đến chịu hạn sẽ được đánh giá để thấy được vai trò của các gen này trong quá trình tập chống chịu. Các nghiên cứu trong luận văn này nằm trong đề tài “Nghiên cứu các mối liên quan giữa khả năng tập chống chịu của khoai tây trước các yếu tố nhiệt độ cao, hạn hán, độ mặn cao” được Quỹ Phát triển Khoa học và Công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) tài trợ với mã số 106.06-2012.14. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU - Đánh giá khả năng tập chống chịu hạn của khoai tây giống. - Xác định cường độ hạn trong giai đoạn tập chống chịu cho hiệu quả nâng cao khả năng chống chịu hạn của khoai tây. - Đánh giá sự thay đổi hàm lượng proline, một chất điều hòa thẩm thấu trong tế bào được coi là chỉ thị cho quá trình đáp ứng bất lợi về áp suất thẩm thấu của thực vật, ở cây khoai tây đã qua tập chống chịu hạn. - Xác định biểu hiện một số gen yếu tố phiên mã ở khoai tây tương đồng với các gen liên quan đến khả năng đáp ứng với hạn ở A. thaliana. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU - Đối tượng thực vật: Khoai tây (Solanum tuberosum L.) giống HH7. - Thông số của đối tượng: Các chỉ số sinh lý, sinh hóa gồm hệ số nhân chồi, chiều cao chồi, số lá, số rễ, trọng lượng tươi, trọng lượng khô, hàm lượng chlorophyll và hàm lượng proline ở các cây thí nghiệm và cây đối chứng. 2
- Đối tượng gen: 3 gen mã hóa cho các yếu tố phiên mã ở khoai tây PGSC0003DMG400014309, PGSC0003DMP400026903 và PGSC0003DMT400045091 tương đồng với các gen At4g13040.1, At4g27410.2 và At1g63040 ở A. thaliana, lần lượt. Các gen được chọn là những gen của khoai tây có mức độ tương đồng về trình tự nucleotide vùng chức năng >90% tương ứng với các gen ở A. thaliana nêu trên. Trong đó, PGSC0003DMG400014309 và PGSC0003DMP400026903 là hai gen lần lượt tương đồng với DREB1A và RD26 ở A. thaliana liên quan đến khả năng chịu hạn đã được nghiên cứu [53]; PGSC0003DMT400045091 là gen có mức độ tương đồng 100% với gen At1g63040 ở A.thaliana liên quan đến khả năng chống lại các bệnh liên quan đến nấm và khuẩn [22]. Trong đề tài, các gen PGSC0003DMG400014309, PGSC0003DMP400026903 và PGSC0003DMT400045091 sẽ được nghiên cứu và xác định mức độ biểu hiện trong quá trình tập chống chịu ở khoai tây. Thí nghiệm nghiên cứu đánh giá khả năng tập chống chịu hạn của khoai tây trên môi trường hạn nhân tạo được bố trí và tiến hành tại Phòng thí nghiệm Công nghệ Nuôi cấy Thực vật và Vi tảo và một số phòng thí nghiệm thuộc bộ môn Sinh Lý Thực Vật và Hóa Sinh, khoa Sinh học Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội. Một số máy móc thiết bị được sử dụng tại Phòng thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về Enzyme và Protein, Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc Gia Hà Nội. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI Ý nghĩa khoa học Kết quả nghiên cứu khả năng tập chống chịu hạn của khoai tây sẽ là một đóng góp kiến thức quan trọng về sinh lý chống chịu hạn của khoai tây. Trong các nghiên cứu về khoai tây ở Việt Nam đây là nghiên cứu đầu tiên hướng tới các hiểu biết cơ bản về sinh lý liên quan đến tính tập chống chịu trước các yếu tố phi sinh học và tập chống chịu hạn nói riêng. 3
Ý nghĩa thực tiễn Kết quả của đề tài sẽ là một gợi ý hữu ích về một gen đích có thể ứng dụng kỹ thuật di truyền nhằm đưa lại cho cầy trồng một sức sống mới trong điều kiện biến đổi khí hậu diễn ra ngày càng bất thường. 4
Chƣơng 1- TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu chung về khoai tây 1.1.1. Nguồn gốc lịch sử Cây khoai tây (Solanum tuberosum L.) là cây thân thảo, có củ thuộc họ cà, có nguồn gốc ở vùng cao nguyên thuộc dãy núi Andes (Nam Mỹ) ở độ cao 2000-5000m. Các nhà khoa học đã phát hiện ra nhiều di tích lịch sử chứng minh cây khoai tây có từ khoảng 500 năm trước Công nguyên. Người Tây Ban Nha lần đầu tiên phát hiện ra cây khoai tây khi họ đặt chân lên thung lũng Magdalenna (Nam Mỹ). Lúc đó, người ta gọi khoai tây là Truffles vì hoa của nó có màu sặc sỡ [70]. Đến thời kỳ người Tây Ban Nha chinh phục châu Mỹ trong thế kỷ XVI, hàng trăm giống khoai tây đã được biết đến và được trồng, chủ yếu dọc miền núi, bây giờ là Bolivia, Chile, Colombia, Ecuador và Peru [31]. Từ đó đến nay, cây khoai tây đã dần phổ biến hơn và đóng vai trò quan trọng trong đời sống con người. 1.1.2. Phân loại học Phân loại học của khoai tây trong hệ thống học thực vật (USDA, NRCS, 2010): Giới: Plantae (plants) Ngành: Magnoliophyta (flowering plants) Lớp: Magnoliopsida (dicotyledons) Bộ: Solanales Họ: Solanaceae Chi: Solanum L. Loài: Solanum tuberosum L. 1.1.3. Đặc điểm của cây khoai tây Khoai tây có thân chính mọc từ hạt hoặc từ củ. Chiều cao thân khoai tây từ 45 đến 90 cm tùy thuộc vào giống, kỹ thuật canh tác và độ phì của đất. Thân và lá khoai tây có nhiều lông. Thân cây khoai tây là một hệ thống gồm thân, tia củ và củ. Tia củ phát triển từ thân ngầm. Trong điều kiện thuận lợi sẽ phát triển củ. Trong điều kiện không thuận lợi sẽ trồi lên mặt đất, phát triển thành thân. 5
Hình 1.1. Cây khoai tây (Solanum tuberosum L.) (Nguồn: Atlas des plantes de France. 1891) Lá khoai tây là lá kép lông chim, không đối xứng. Các lá chét có đặc điểm là luân phiên xen kẽ một lá to đến một lá nhỏ (Hình 1.1). Khoai tây có hoa cân đối. Màu sắc hoa là đặc điểm phân biệt các giống: Cánh hoa có màu: trắng, tím-đỏ, tím-xanh, xanh thẫm. Hoa khoai tây mọc thành chùm, là hoa lưỡng tính. Khoai tây là cây tự thụ phấn nhưng cũng có trường hợp giao phấn. Sự thụ phấn chéo của khoai tây được thực hiện nhờ côn trùng. Sau thời kỳ ra hoa, một vài loài kết quả. Quả chưa chín có màu xanh, quả chín có màu đỏ anh đào giống như màu cà chua. Quả khoai tây thuộc loại quả mọng, có 2 ô, hạt rất nhỏ. 6
Mầm ngủ trên thân khoai tây được tạo thành ở các nách lá và củ. Mầm ngủ ở mỗi củ thường là một số, phần lớn là 3 mầm. Các mắt ngủ trên củ khoai tây phân bố theo hình xoắn ốc. Chúng được phân bố không đều trên bề mặt củ. Thường tập trung chủ yếu ở phần trên của củ, nơi có các tế bào tương đối trẻ [2]. Đời sống của cây khoai tây được chia làm 4 thời kỳ: - Thời kỳ ngủ - Thời kỳ nảy mầm - Thời kỳ hình thành thân củ - Thời kỳ phát triển củ 1.1.4. Vai trò của khoai tây Khoai tây là thực phẩm cung cấp năng lượng và là nguồn dinh dưỡng có giá trị. Khoai tây giàu tinh bột, đường, chủ yếu là đường sacarose, có loại đường đơn như glucose và fructose nhưng hàm lượng thấp, nhiều loại vitamin: B1, B2, B3, đặc biệt là vitamin C… Trong khoai tây chứa đạm, bên cạnh các loại protit (khoảng 2% trọng lượng tươi) là các axit amin tự do (trong củ thường có đến 20 axit amin tự do). Trong khoai tây còn chứa nhiều khoáng chất, nhiều nhất là kali (lượng oxit kali chiếm gần 60% trọng lượng chất khoáng). Ngoài ra còn có canxi, magie, sắt,... Vỏ củ khoai tây cung cấp một lượng lớn chất sơ. Sử dụng 100g khoai tây có thể đảm bảo ít nhất 8% nhu cầu protein, 3% năng lượng, 10% sắt, 10% vitamin B1và 20-50% nhu cầu vitamin C cho một người trong một ngày đêm [8, 31]. Ngoài việc dùng khoai tây làm lương thực và thực phẩm, các nước phát triển sử dụng khoai tây làm thức ăn cho gia súc. Hàng năm, Pháp sử dụng từ 1 đến 1,4 triệu tấn khoai tây cho chăn nuôi. Bên cạnh đó, khoai tây còn được dùng nhiều trong công nghiệp sản xuất axit hữu cơ như axit lactic, axit xitric; các dung môi hữu cơ như ethanol, butanol, xeton, … 7
1.2. Hạn và đáp ứng của thực vật ở cạn trƣớc điều kiện hạn Thực vật ở cạn sống bám trụ vào đất tại một chỗ, không di chuyển trong suốt quá trình phát triển cá thể. Vì vậy, chúng chịu ảnh hưởng sâu sắc bởi điều kiện ngoại cảnh. Ngày nay, do biến đổi khí hậu toàn cầu, hiện tượng hạn, mặn, úng, nóng, lạnh, … (các yếu tố cực đoan phi sinh học, abiotic stress) xảy ra ngày càng nhiều. Trong đó, hạn là một trong các yếu tố môi trường ảnh hưởng lớn nhất tới sinh trưởng và năng suất cây trồng. Hạn làm thay đổi nhiều quá trình sinh lý và có thể làm biến đổi hình thái của thực vật. Hạn hán là một thiên tai phổ biến trên thế giới với biểu hiện thiếu hụt nghiêm trọng lượng mưa, giảm lượng ẩm trong không khí, suy kiệt dòng chảy sông suối, hạ thấp mực nước ao hồ, mực nước trong các tầng chứa nước dưới đất, … Xét trên mối quan hệ giữa hạn với thực vật, hạn của môi trường được chia làm hai kiểu: Hạn đất và hạn không khí. - Hạn đất: Hạn đất xuất hiện khi không có mưa trong thời gian dài, khi cây không thể hút đủ nước bù đắp lại lượng nước mất đi qua con đường thoát hơi nước, dẫn tới sự mất cân bằng nước trong cây và cây có dấu hiệu bị khô héo. - Hạn không khí: Hạn không khí xuất hiện khi độ ẩm tương đối của không khí giảm xuống quá thấp, gia tăng gradient hơi nước giữa không gian bên trong lá dưới khí khổng và không gian ngay bên ngoài lá, thoát hơi nước tăng nhanh, gây nên sự mất cân bằng nước trong mô cây và cây bị héo [3]. 1.2.1. Đặc điểm thích nghi của thực vật chịu hạn Tính chịu hạn của những thực vật ở cạn hạn sinh có bản chất di truyền, thể hiện ra ở các thích nghi về hình thái và sinh lý. Một số giảm thiểu sự thoát hơi nước nhờ có lớp cutin dày, khí khổng nằm sâu, thân mọng nước, lá có thể tiêu giảm, sử dụng nước hiệu quả bằng cách tiến hành quang hợp theo con đường CAM. Một số ngừng sinh trưởng cho đến khi điều kiện trở lại bình thường. Một số có chu kỳ sinh dưỡng ngắn, chỉ trong vài tuần. Khi có mưa, đất ẩm, hạt giống của chúng nảy mầm. Chúng sinh trưởng và phát triển thật nhanh chóng, hình thành hạt trước khi mùa khô hạn đến [3]. 8
1.2.2. Ảnh hưởng của hạn đến sinh trưởng và phát triển của thực vật Trên thế giới đã có rất nhiều nghiên cứu về khả năng chống chịu của thực vật trước các điều kiện phi sinh học. Nhiệt độ cao, hạn và nồng độ muối cao là những yếu tố gây hại lớn nhất, ảnh hưởng nghiêm trọng đến thực vật. Nhiệt độ cao ảnh hưởng trực tiếp đến cấu trúc protein, màng sinh chất và làm ngừng các quá trình quang hợp, hô hấp nội bào và thậm chí có thể gây chết tế bào hàng loạt. Trong khi đó, hạn và mặn làm giảm thế nước của thực vật, làm tế bào không thể phát triển, phá vỡ các protein trong tế bào, gây mất cân bằng ion dẫn đến các hoạt động trao đổi chất bị đình trệ, quang hợp bị ức chế và có thể gây chết tế bào [13]. Các nhà khoa học cũng đã có những nghiên cứu về ảnh hưởng cộng hưởng của các yếu tố bất lợi khác nhau đến cây trồng [52, 62]. Ảnh hưởng của hạn đến sự sinh trưởng và hấp thu nước Đáp ứng đầu tiên của thực vật đối với điều kiện bất lợi gây ra bởi hạn là ngừng sinh trưởng. Sự hạn chế sinh trưởng của chồi trong điều kiện hạn làm giảm nhu cầu trao đổi chất của thực vật và kích thích các quá trình sinh tổng hợp các hợp chất bảo vệ, điều chỉnh thẩm thấu. Sự ngưng sinh trưởng ở rễ cho phép mô phân sinh của rễ vẫn thực hiện chức năng và phát triển nhanh chóng khi điều kiện bất lợi giảm [32]. Hạn chế sự phát triển rễ bên cũng là một cách thức đáp ứng hạn, điều này thúc đẩy sự sinh trưởng của rễ chính, giúp tăng cường khả năng hấp thu nước từ các tầng đất sâu hơn [88]. Nước sẵn có trong tế bào bị giảm do thiếu hụt nước từ rễ lên lá, gây ra bởi sự đóng khí khổng. Quá trình dẫn truyền nước trong cây giảm làm giảm nhu cầu dinh dưỡng của chồi, nó cũng cản trở sự dẫn truyền trong mạch gỗ và có thể hình thành một đáp ứng thích nghi. Điều chỉnh áp suất thẩm thấu là một cách đối phó với hạn của thực vật. Sự tổng hợp các chất tan như polyol và proline trong điều kiện bất lợi giúp thực vật ngăn chặn sự mất nước và các chất này đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì sức trương của tế bào [12]. Sự thay đổi trong sinh trưởng cùng với việc giảm hoạt động của cơ quan quang hợp do sự tiếp xúc với điều kiện bất lợi trước đó dẫn đến sự biến đổi trong sự 9
phân chia nguồn carbon giữa các tế bào/mô sản xuất và tế bào/mô tích trữ (source and sink tissue) [66]. Vì vậy, các phân tử carbohydrate cung cấp cho quá trình sinh trưởng trong điều kiện bình thường bây giờ được dùng cho sinh trưởng rễ hoặc để tổng hợp các chất điều chỉnh thẩm thấu [45]. Ảnh hưởng của hạn đến quang hợp Sự thiếu hụt nước đã làm tăng cường tổng hợp ABA khiến cho khí khổng đóng lại. Điều này làm giảm hàm lượng carbon dioxide trong mô lá và cản trở quá trình quang hợp. Sự cản trở quá trình quang hợp sẽ mất đi và quang hợp sẽ phục hồi nếu khí khổng mở ra khi điều kiện trở lại bình thường [16]. Một vài loài thực vật đã sử dụng sản phẩm của quang hợp để điều chỉnh thẩm thấu, điều này giúp ngăn cản sự mất sức trương của tế bào. Sự hạn chế carbon dioxide do kéo dài thời gian đóng khí khổng trong điều kiện bất lợi dẫn đến sự tích lũy các hợp chất làm giảm khả năng vận chuyển electron, điều này có thể làm giảm các phân tử oxy và tăng cường các dạng ROS (reactive oxygen species). ROS là các phân tử hóa học chứa oxi, bị mất một điện tử ở lớp vỏ ngoài cùng như superoxide, hydropeoxide, hydroxyl. Việc tích lũy các hợp chất ROS trong tế bào gây tác động trực tiếp đến các phân tử lớn như axit nucleic (DNA và RNA), protein và lipid. Các phân tử bị oxy hóa bởi ROS có thể bị biến đổi cấu trúc và cơ chế tổng hợp, gây rối loạn phản ứng sinh lý, sinh hóa nội bào, dẫn đến sai hỏng hoặc mất chức năng, thậm chí gây chết tế bào [43]. Ảnh hưởng của hạn đến hô hấp nội bào Sinh trưởng của thực vật được xác định bởi hệ số hô hấp, là tỷ lệ giữa CO2 được đồng hóa trong quang hợp và CO2 thải ra trong quá trình hô hấp. Hệ số hô hấp được điều chỉnh bởi các quá trình mà chúng sử dụng sản phẩm của hô hấp – ATP, nước và các chất tan được hấp thu bởi rễ, sự vận chuyển của các sản phẩm đến các mô dự trữ, NADH và chu kỳ TCA trung gian (quá trình sinh tổng hợp trong quá trình phát triển của thực vật). Trong điều kiện hạn, các quá trình này bị ảnh hưởng và dẫn đến sự tăng cường hô hấp. Bên cạnh đó, sự tăng cường hô hấp cũng là do sự kích hoạt các quá trình đòi hỏi nhiều năng lượng như tổng hợp các chất điều chỉnh thẩm thấu và chống oxi hóa xảy ra trong điều kiện hạn [9]. 10
Ảnh hưởng của hạn đến hormone Hormone thực vật điều chỉnh các quá trình khác nhau cho phép thực vật tập chống chịu với các điều kiện bất lợi. Khi thiếu nước, ABA được tổng hợp ở rễ và vận chuyển lên lá. Ở đây, ABA làm khí khổng đóng lại và cản trở quá trình sinh trưởng của thực vật, vì vậy nó cho phép thực vật thích ứng với điều kiện hạn [86]. Ở lúa mạch, ABA nội sinh tăng lên gấp 5 lần để chống chịu với hạn, điều này cho thấy vai trò của ABA giúp cải thiện khả năng chống chịu hạn [79]. Kết quả theo dõi 9-cis- epoxycarotenoid dioxygenase (NCED3), một emzyme then chốt trong quá trình sinh tổng hợp ABA ở A. thaliana trong điều kiện hạn đã cho thấy sự tăng cường biểu hiện [34]. Bên cạnh sự tăng cường hàm lượng ABA, hàm lượng auxin cũng có sự biến đổi khi thực vật chống chịu với hạn. Ở lúa mì, khả năng chống chịu hạn đã được hỗ trợ bởi sự giảm hàm lượng indole-3-acetic acid (IAA) ở lá [87]. Tuy nhiên, có một vài bằng chứng cho rằng sự tăng hàm lượng IAA tạm thời ở lá ngô trong suốt giai đoạn đầu tiếp xúc với hạn, sau đó giúp thực vật tập chống chịu với hạn ở giai đoạn sau [82]. Sự giảm nhanh chóng hàm lượng zeatin và gibberellin nội sinh cũng đã xảy ra ở lá ngô để đối phó với hạn. Bên cạnh đó, hàm lượng và khả năng hoạt động của cytokinin cũng giảm trong điều kiện hạn [61]. Ở cỏ linh lăng, hàm lượng cytokinin giảm trong suốt thời kỳ hạn làm thúc đẩy quá trình già hóa nhanh hơn [23]. Cytokinin được biết đến giúp làm chậm quá trình già hóa và khi hàm lượng cytokinin nội bào tăng nhờ có sự tăng cường biểu hiện của gen ipt liên quan đến sinh tổng hợp cytokinin dẫn đến những đáp ứng hạn [59]. Cytokinin cũng gây ảnh hưởng xấu đến sinh trưởng của rễ, hạn chế sự sinh trưởng rễ chính và tăng cường phát triển rễ bên. Nhờ vậy mà khả năng chống chịu hạn của A.thaliana được tăng lên [85]. Brassinosteroid (BR) cũng đã được báo cáo rằng có khả năng bảo vệ thực vật chống lại nhiều yếu tố bất lợi phi sinh học [39]. BR làm tăng cường khả năng hấp thu nước và ổn định màng cũng như làm giảm sự rò rỉ ion khỏi màng ở lúa mì khi chống chịu với hạn [67]. 11