Luận văn Thạc sĩ Sinh học: Phân lập gen mã hóa nhân tố phiên mã DREB6 từ cây đậu tương phục vụ thiết kế vector chuyển gen thực vật

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:56

Thêm vào BST

Báo xấu

17
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Kết quả nghiên cứu góp phân làm rõ đặc điểm về trình tự nucleotide và trình tự amino acid suy diễn của gen GmDREB6 phân lập từ cây đậu tương. Bổ sung dẫn liệu về gen GmDREB6 của giống đậu tương DT2008 trong phân họ gen DREB của câu đậu tương. Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Sinh học: Phân lập gen mã hóa nhân tố phiên mã DREB6 từ cây đậu tương phục vụ thiết kế vector chuyển gen thực vật

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM ––––––––––––––––––––– NGUYỄN VIỆT NGA PHÂN LẬP GEN MÃ HÓA NHÂN TỐ PHIÊN MÃ DREB6 TỪ CÂY ĐẬU TƯƠNG PHỤC VỤ THIẾT KẾ VECTOR CHUYỂN GEN THỰC VẬT LUẬN VĂN THẠC SĨ SINH HỌC THÁI NGUYÊN - 2018
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM ––––––––––––––––––––– NGUYỄN VIỆT NGA PHÂN LẬP GEN MÃ HÓA NHÂN TỐ PHIÊN MÃ DREB6 TỪ CÂY ĐẬU TƯƠNG PHỤC VỤ THIẾT KẾ VECTOR CHUYỂN GEN THỰC VẬT Ngành: DI TRUYỀN HỌC Mã số: 8 42 01 21 LUẬN VĂN THẠC SĨ SINH HỌC Cán bộ hướng dẫn khoa học: GS.TS. Chu Hoàng Mậu THÁI NGUYÊN - 2018
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung trình bày trong luận văn là kết quả nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn trực tiếp của GS.TS. Chu Hoàng Mậu. Các số liệu, kết quả sử dụng trong luận văn là trung thực và được sự đồng ý của cán bộ hướng dẫn cùng nhóm nghiên cứu. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những kết quả nghiên cứu trong luận văn này. Tác giả luận văn Nguyễn Việt Nga i
LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới GS.TS. Chu Hoàng Mậu, người thầy đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn, chỉ bảo và tạo mọi điều kiện tốt nhất giúp tôi thực hiện nghiên cứu và hoàn thành bản luận văn thạc sĩ này. Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của PGS.TS. Lê Văn Sơn và nhóm nghiên cứu, Viện Công nghệ sinh học đã tận tình giúp đỡ tôi hoàn thành thí nghiệm phân lập gen. Tôi xin cảm ơn các thầy cô và cán bộ Bộ môn Sinh học hiện đại & Giáo dục sinh học, Khoa Sinh học, Trường Đại học Sư phạm – Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu. Luận văn được sự hỗ trợ của Đề tài cấp Bộ Giáo dục & Đào tạo “Nghiên cứu bước đầu tạo dòng cây đậu tương chuyển gen GmDREB6 có khả năng chịu hạn cao”, mã số B2017-TNA-38. Cuối cùng, tôi xin được gửi lời cảm ơn đến gia đình và bạn bè đã động viên, giúp đỡ để tôi có thể hoàn thành bài luận văn này. Tác giả luận văn Nguyễn Việt Nga ii
MỤC LỤC Trang TRANG BÌA PHỤ LỜI CAM ĐOAN…………………………………………………... i LỜI CẢM ƠN………………………………………………………. ii MỤC LỤC…………………………………………………………… iii DANH MỤC TỪ VÀ CHỮ VIẾT TẮT…………………………… iv DANH MỤC BẢNG………………………………………………… v DANH MỤC HÌNH………………………………………………… vi MỞ ĐẦU …………………………………………………………… 1 1.Đặt vấn đề ………………………………………………………… 1 2. Mục tiêu nghiên cứu ……………………………………………... 2 3. Nội dung nghiên cứu……………………………………………... 3 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ………………………………….... 3 Chương 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU……………………...………. 4 1.1.Cây đậu tương …………..………………………………………. 4 1.1.1. Cây đậu tương……………..………………………………….. 4 1.1.2. Tình hình sản xuất đậu tương trên thế giới và Việt Nam……… 8 1.2. Gen và đặc tính chịu hạn của cây đậu tương……………………. 9 1.2.1. Cơ chế chịu hạn của cây đậu tương…………..……………….. 9 1.2.2. Gen liên quan đến tính chịu hạn của cây đậu tương…………… 11 1.3. Phân họ gen mã hóa nhân tố phiên mã DREB………..………… 12 iii
Chương 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU…… 16 2.1. Vật liệu nghiên cứu và địa điểm nghiên cứu…………………. 16 2.1.1. Vật liệu nghiên cứu…………………………………………... 16 2.1.2. Địa điểm nghiên cứu…………………………………………. 17 2.2. Phương pháp nghiên cứu………………………………………. 18 2.2.1. Nghiên cứu thông tin về gen và thiết kế cặp mồi nhân gen…………………………………………………………………… 19 2.2.2. Phương pháp tách chiết RNA tổng số……………………… 20 2.2.3. Phương pháp tạo cDNA…………………………………….. 21 2.2.4. Phương pháp PCR…………………………………………… 21 2.2.5. Tách dòng gen GmDREB6…………………………………… 22 2.2.6. Phương pháp xác định trình tự nucleotide và xử lý kết quả…………………………………………………………………… 24 Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN…………………………. 25 3.1. Thiết kế cặp mồi PCR và nhân bản gen GmDREB6 từ giống đậu 25 tương DT2008……………….……………….……………….……… 3.1.1. Thiết kế cặp mồi DREB6-F/DREB6-R……………….………. 25 3.1.2. Kết quả tách chiết RNA tổng số và tổng hợp cDNA………… 26 3.1.3. Kết quả nhân bản gen GmDREB6…………………………… 27 3.2. Tách dòng và giải trình tự gen GmDREB6 từ giống đậu tương DT2008…………………………………………………………….. 28 3.2.1. Kết quả tách dòng gen DREB6………………………………. 28 3.2.2. Kết quả giải trình tự gen GmDREB6 từ giống đậu tương DT2008……………………………………………………………… 29 iv
3.3. Đặc điểm của trình tự gen GmDREB6 phân lập từ giống đậu tương DT2008……………………………………………………….. 31 3.3.1. So sánh trình tự nucleotide của gen GmDREB6 phân lập từ giống đậu tương DT2008 với trình tự EF551166 và NM_001248412 trên GenBank…………………………………………………………….. 31 3.3.2. So sánh trình tự amino acid suy diễn của gen GmDREB6 của giống DT2008 với trinh tự amino acid suy diễn của EF551166 và NM_001248412 trên GenBank………………………………………. 34 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ……………………………………… 40 1. Kết luận…………………………………………………………… 40 2. Đề nghị……………………………………………………………. 40 CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ LIÊN QUAN………………………… 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………. 42 v
DANH MỤC TỪ VÀ CHỮ VIẾT TẮT AP2/ERF APETALA2/Ethylene Responsive Factor bp Base pair cDNA Complementary deoxyribonucleotide acid cs Cộng sự DNA Deoxyribonucleotide acid DNase Deoxyribonuclease E.coli Escherichia coli GmDREB6 Glycine max Dehydration responsive element binding protein 6 gr Gram HSP Heat Shock Protein LEA Late Embryogenesis Abundant LTP Lipid Transfer Protein NST Nhiễm sắc thể PCR Polymerase Chain Reaction RNA Ribonucleotide acid TAE Tris – Acetate - EDTA iv
DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1. Trình tự nucleotide của cặp mồi……………………….. 19 Bảng 2.2. Các bước tiến hành tách RNA tổng số…………………. 20 Bảng 2.3. Thành phần phản ứng tạo cDNA………………………. 21 Bảng 2.4. Thành phần phản ứng PCR…………………………….. 22 Bảng 2.5. Bảng chu kỳ nhiệt phản ứng nhân gen DREB6………… 22 Bảng 2.6. Thành phần phản ứng gắn gen GmDREB6 vào vector tách dòng…………………………………………………………... 23 Bảng 2.7. Thành phần môi trường nuôi cấy vi khuẩn E.coli…………….………………………………………………… 24 Bảng 3.1. Các vị trí sai khác trong trình tự nucleotide của gen GmDREB6 phân lập từ giống cây đậu tương DT2008 và trình tự mang mã số EF551166 và NM_001248412…….………………… 33 Bảng 3.2. Các vị trí sai khác trong trình tự amino acid suy diễn của gen GmDREB6 phân lập từ giống đậu tương DT2008 và suy diễn từ trình tự mang mã số EF551166, NM_001248412….……. 38 v
DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Vị trí của gen GmDREB6 trên NST số 5 của cây đậu tương……………………………………………………...……… 14 Hình 1.2. Trình tự amino acid của protein DREB6 trên Genbank mang mã số ABQ42205………………………………………… 15 Hình 2.1. Hạt của giống đậu tương DT2008…………………… 16 Hình 2.2. Vector pBT sử dụng trong tách dòng phân tử gen GmDREB6 từ cây đậu tương………………...………………….. 17 Hình 2.3. Sơ đồ tóm tắt quá trình thực hiện phân lập gen GmDREB6 từ giống đậu tương DT2008………………………… 18 Hình 3.1. Sơ đồ thiết kế cặp mồi DREB6-F/DREB6-R…………. 25 Hình 3.2. Kết quả tách chiết RNA tổng số từ lá non của giống đậu tương DT2008………………………………………………. 26 Hình 3.3. Kết quả điện di kiểm tra sản phẩm PCR nhân gen GmDREB6 (cDNA) từ mRNA của giống đậu tương DT2008…………………………………………………………... 27 Hình 3.4. Kết quả điện di kiểm tra sản phẩm colony-PCR nhân bản gen GmDREB6 từ 5 dòng khuẩn lạc màu trắng……………… 28 Hình 3.5. Kết quả phân tích BLAST gen GmDREB6 phân lập từ giống đậu tương DT2008………………………………………… 29 Hình 3.6. Trình tự nucleotide và trình tự amino acid suy diễn của gen GmDREB6 phân lập từ giống đậu tương DT2008…………… 30 Hình 3.7. So sánh trình tự nucleotide của gen GmDREB6 phân lập từ giống đậu tương DT2008 và trình tự gen GmDREB6 mang mã số EF551166, NM_001248412.2 trên Genbank……………… 32 vi
Hình 3.8. Trình tự acid amin suy diễn của gen GmDREB6 phân lập từ giống đậu tương DT2008 và trình tự gen GmDREB6 mang mã số EF551166, NM_001248412.2 trên GenBank……………... 36 Hình 3.9. So sánh trình tự acid amin suy diễn của gen GmDREB6 phân lập từ giống đậu tương DT2008 và trình tự gen GmDREB6 mang mã số EF551166, NM_001248412.2 trên GenBank……… 37 Hình 3.10. So sánh trình tự amino acid của vùng AP2 trong protein suy diễn từ gen GmDREB6 của giống đậu tương DT2008 và EF551166, NM_001248412.2 trên GenBank…………………. 39 vii
MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Đậu tương [Glycine max (L.) Merrill] thuộc họ Đậu (Fabaceae), là cây thực phẩm dễ trồng và có hiệu quả kinh tế cao. Hạt đậu tương giàu dinh dưỡng, hàm lượng protein trong hạt đạt từ 30%-52%, hàm lượng lipid từ 12%-25%, có nhiều loại vitamin, khoáng và đặc biệt trong hạt chứa nhiều amino acid thiết yếu cho người và động vật. Hạt đậu tương vừa là một mặt hàng nông sản xuất khẩu có giá trị, vừa là nguồn thức ăn cho người và vật nuôi. Cây đậu tương không chỉ có giá trị kinh tế và dinh dưỡng mà còn giữ vai trò quan trọng trong việc cải thiện độ phì và sử dụng bền vững tài nguyên đất canh tác do rễ đậu tương có khả năng cố định đạm. Chính vì vậy đậu tương được nhiều quốc gia trên thế giới và Việt Nam ưu tiến phát triển. Trong những năm gần đây do biến đổi khí hậu mà hạn hán đã xảy ra ở nhiều quốc gia trên thế giới, trong đó có Việt Nam. Ở một số vùng ở nước ta như các tỉnh miền Trung, Tây Nguyên, hạn đã ảnh hưởng nghiêm trọng đến sản xuất nông nghiệp, làm suy giảm rõ rệt khả năng sinh trưởng và phát triển của cây trồng, trong đó có đậu tương. Đậu tương được xem là loại cây trồng rất mẫn cảm với tác động của hạn và hạn là yếu tố phi sinh học nghiêm trọng nhất có thể làm giảm năng suất đậu tương tới 40%. Câu hỏi đặt ra là, có thể cải thiện được khả năng chịu hạn của cây đậu tương hay không? Và nếu có thì ứng dụng công nghệ nào để tăng cường khả năng kháng hạn của loài cây họ đậu này? Cho đến nay các nghiên cứu đã khẳng định rằng, có thể nâng cao khả năng chịu hạn của cây đậu tương bằng kỹ thuật chọn giống truyền thống và công nghệ sinh học hiện đại. Một số phương pháp tiếp cận giải quyết vấn đề này được quan tâm là ứng dụng kỹ thuật chọn lọc quần thể hoặc lai hữu tính tạo tổ hợp lai đậu tương có khả năng chịu hạn cao và ứng dụng công nghệ gen trong tạo 1
cây đậu tương chuyển gen có khả năng chịu đựng và chống lại các tác nhân phi sinh học ở ngoại cảnh, trong đó có hạn hán. Đặc tính chịu hạn của cây đậu tương là tính trạng đa gen và đến nay, người ta vẫn chưa xác định được một gen cụ thể quyết định tính chịu hạn mà mới chỉ biết được các gen liên quan đến tính chịu hạn của cây đậu tương. Các gen liên quan đến tính chịu hạn bao gồm hai nhóm, nhóm gen mà sản phẩm của chúng liên quan trực tiếp đến sự biểu hiện của đặc tính chịu hạn và nhóm gen mã hóa sản phẩm có chức năng điều hòa các gen có sản phẩm trực tiếp tác động đến khả năng chịu hạn của đậu tương. Để chống lại tác động bất lợi của hạn hán, cây đậu tương đã tổng hợp nhiều loại protein, trong đó có các loại protein là nhân tố phiên mã kích hoạt hoạt động phiên mã của các gen chức năng. Protein DREB (Dehydration Responsive Element Binding) là một phân họ thuộc họ nhân tố phiên mã AP2/ERF, có chức năng điều khiển sự biểu hiện của một số gen cảm ứng với hạn, tạo ra tính chống chịu các stress hạn từ ngoại cảnh. Tăng cường hoạt động biểu hiện gen DREB sẽ kích hoạt mạnh sự phiên mã của nhóm gen chịu hạn, do vậy việc lựa chọn kỹ thuật biểu hiện mạnh gen DREB sẽ là giải pháp công nghệ nhằm nâng cao khả năng chịu hạn của cây đậu tương mà khâu đầu tiên là tạo gen nguyên liệu cho chuyển gen và những thông tin của gen chuyển được lựa chọn. Xuất phát từ những lý do trên chúng tôi đã chọn và thực hiện đề tài: “Phân lập gen mã hóa nhân tố phiên mã DREB6 từ cây đậu tương phục vụ thiết kế vector chuyển gen thực vật”. 2. Mục tiêu nghiên cứu Phân tích được đặc điểm trình tự nucleotide và trình tự amino acid suy diễn của gen GmDREB6 (cDNA) phân lập từ cây đậu tương. 2
3. Nội dung nghiên cứu 3.1. Nghiên cứu thông tin về trình tự đoạn mã hóa của gen GmDREB6 từ cây đậu tương, thiết kế cặp mồi PCR và khuếch đại gen GmDREB6. 3.2. Tách dòng phân tử và xác định trình tự gen GmDREB6 3.3. Phân tích đặc điểm của trình tự nucleotide và trình tự amino acid suy diễn của gen GmDREB6 phân lập từ cây đậu tương. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Về mặt khoa học, kết quả nghiên cứu góp phân làm rõ đặc điểm về trình tự nucleotide và trình tự amino acid suy diễn của gen GmDREB6 phân lập từ cây đậu tương. Bổ sung dẫn liệu về gen GmDREB6 của giống đậu tương DT2008 trong phân họ gen DREB của câu đậu tương. Về mặt thực tiễn, trình tự cDNA của gen GmDREB6 làm nguyên liệu cho thiết kế vector chuyển gen phục vụ tạo dòng đậu tương chuyển gen chịu hạn ở Việt Nam. 3
Chương 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Cây đậu tương 1.1.1. Cây đậu tương Cây đậu tương có tên khoa học là Glycine max (L.) Merrill, thuộc chi Glycine, họ Đậu (Fabaceae), có bộ nhiễm sắc thể là 2n = 40. Đậu tương là loại cây trồng thu hạt, loại cây bụi nhỏ có lông toàn thân, cây đậu tương gồm các bộ phận chính: rễ, thân, cành, lá, hoa, quả và hạt. Cây đậu tương có bộ rễ phát triển là loại rễ cọc gồm rễ chính và các rễ phụ. Rễ chính có thể ăn sâu 30 – 50cm và có thể trên 1m. Trên rễ chính mọc ra nhiều rễ phụ, tập trung nhiều ở tầng đất 7 – 8cm rộng 30 – 40cm2. Trên rễ của đậu tương có nhiều nốt sần chứa vi khuẩn Rhizobium japonicum có khả năng cố định đạm, một nốt sần có khoảng 3 – 4 tỷ vi sinh vật mà ta chỉ có thể nhìn thấy chúng qua kính hiển vi phóng đại 600 – 1000 lần [1]. Đậu tương là cây hai lá mầm thân thảo, ít phân cành, dạng bụi. Cây cao khoảng 0,3 – 1,0m, thân cây mảnh, tròn, thường dài từ 14 – 15 lóng, có nhiều lông tơ có tác dụng giảm thoát hơi nước và chống bệnh. Người ta thường phân biệt các giống đậu tương với nhau dựa vào thân cây đậu tương có mật độ lông ở thân nhiều hay ít, dài hay ngắn. Thân non có thể có màu xanh hoặc màu tím, màu sắc thân non có tương quan chặt chẽ tới màu sắc của hoa, thân xanh hoa trắng, thân tím hoa tím. Thân có nhiều dạng như đứng, bò, nửa bò và leo. Đường kính thân thay đổi tùy theo giống và có liên quan tới tính chống đổ của cây. Số cành trên thân nhiều hay ít phụ thuộc vào giống và các kỹ thuật canh tác. Có giống chỉ có 1 – 2 cành hoặc thậm chí không có cành. Cành hướng lên phía trên, lá mọc cách từ các đốt trên thân. Có 3 loại lá chính ở cây đậu tương chính là: lá mầm, lá nguyên và lá kép. Lá mầm mới mọc có màu vàng hay xanh lục, khi tiếp xúc với ánh sáng thì chuyển sang màu xanh. Lá thường mọc so le, 4
lá kép thường có 3 lá chét với hình dạng khác nhau tùy loài.. Những lá nhỏ và dài chịu hạn tốt nhưng cho năng suất thấp, những giống lá to thường cho năng suất cao nhưng khả năng chịu hạn thường kém [1], [2]. Hoa đậu tương nhỏ, không mùi, thuộc loại cánh bướm. Màu sắc của hoa thay đổi tùy theo giống và thường có màu tím, tím nhạt hoặc trắng. Hoa phát sinh ở nách lá, đầu cành và đầu thân. Hoa mọc thành từng chùm, mỗi chùm có từ 1 – 10 hoa và thường có 3 – 5 hoa. Hoa đậu tương ra nhiều nhưng tỷ lệ rụng rất cao khoảng 30% có khi lên 80%. Hoa đậu tương thuộc loại hoa đồng chu lưỡng tính trong hoa có nhị và nhụy, mỗi hoa gồm 5 lá đài, 5 cánh hoa có 10 nhị và 1 nhụy. Hoa đậu tương thường thụ phấn trước khi hoa nở và là cây tự thụ phấn, tỷ lệ giao phấn rất thấp, chiếm trung bình 0,5 – 1% [1], [2]. Đậu tương là cây tự thụ phấn, hoa mọc từ nách lá hoặc ngọn có màu trắng hay tím xếp thành chùm ở nách cành, thời kỳ cây ra hoa sớm hay muộn, thời gian dài hay ngắn tuỳ thuộc vào từng giống và thời vụ gieo trồng bởi vì nó chịu ảnh hưởng phối hợp của ánh sáng và nhiệt độ, quả thõng, quả đậu tương là loại quả ráp, ngoài vỏ quả thường có lông bao phủ, màu sắc vỏ quả khi chín có màu vàng hay xám đen. Hạt có nhiều hình dạng khác nhau: tròn bầu dục, tròn dài, vỏ hạt thường nhẵn có màu vàng nhạt, vàng đậm, xanh, nâu, đen nhưng chủ yếu là màu vàng rơm nhạt [2]. Đậu tương có nguồn gốc ở phía Bắc và Đông Châu Á, là một trong những cây thực phẩm quan trọng [1]. Cây đậu tương là cây trồng ngắn ngày, có thể trồng trên nhiều loại đất, nhiều vụ trong năm; có thể xen canh, gối vụ, trồng trong suốt mùa hè và mùa thu... trồng cây đậu tương rất thuận lợi cho phát triển sản xuất nông nghiệp. Đối với ngành trồng trọt, đậu tương có khả năng tích luỹ đạm của không khí để tự túc và làm giàu đạm cho đất nhờ vi khuẩn cộng sinh trên nốt sần ở bộ rễ và sinh khối thân, cành lá. Các chất hữu cơ này góp phần làm thay đổi tính chất lý hoá học và tăng độ phì nhiêu cho đất. Trong hệ thống 5
thâm canh, trồng đậu tương có tác dụng làm cho cây trồng vụ sau phát triển tốt hơn, góp phần phá vỡ chu kỳ sâu bệnh, chống nạn ô nhiễm do lạm dụng phân bón hoá học và thuốc trừ sâu [2], [9]. Trong những nhân tố sinh thái của môi trường thì nước là một nhân tố giới hạn quan trọng của cây trồng, là sản phẩm khởi đầu, trung gian và cuối cùng của các quá trình chuyển hoá sinh hoá diễn ra trong cơ thể thực vật… [6]. Nước là môi trường để các phản ứng trao đổi chất xảy ra trong tế bào. Sự thiếu hụt nước ảnh hưởng xấu đến quá trình sinh trưởng và phát triển của cây, nếu thiếu nước nhẹ sẽ làm giảm tốc độ sinh trưởng, thiếu nước trầm trọng sẽ làm biến đổi hệ keo nguyên sinh chất làm tăng cường quá trình già hóa tế bào khi bị khô kiệt nước, nguyên sinh chất bị đứt vỡ cơ học dẫn đến tế bào, mô bị tổn thương và chết. Thiếu nước trước tiên ảnh hưởng đến sự cân bằng nước của cây, từ đó ảnh hưởng đến các chức năng sinh lý như quang hợp, hô hấp, dinh dưỡng khoáng do đó ảnh hưởng đến sinh trưởng và phát triển của thực vật. Cây đậu tương là cây có nhu cầu về nước cao hơn các loại cây khác và thuộc nhóm cây chịu hạn kém [6]. Trong suốt thời gian sinh trưởng, nhu cầu nước của cây không đồng đều qua các giai đoạn. Hạn thường làm giảm 40% năng suất đậu tương và tác động đến tất cả các giai đoạn sinh trưởng và phát triển, từ nảy mầm, ra hoa, tạo hạt cũng như chất lượng hạt được tạo thành. Nói chung hạn hán ảnh hưởng đến mọi giai đoạn sinh trưởng của cây, đặc biệt với cây đậu tương thì giai đoạn tạo hạt đặc biệt cần nước vì giai đoạn này quá trình tổng hợp protein diễn ra mạnh do đó nước cung cấp cho cây lúc này có ý nghĩa lớn quyết định năng suất. Ở cây đậu tương, để tổng hợp 1kg chất khô cần 500- 530 kg nước. Trong quá trình nảy mầm thì nhu cầu về nước của đậu tương cũng khá cao 50%, trong khi ở ngô chỉ là 30%, lúa là 26% [5]. Nhu cầu nước của đậu tương phụ thuộc vào thời gian sinh trưởng của cây, tốc độ phát triển của cây trước khi phủ kín đất và lượng nước có sẵn trong đất. Khả năng năng chịu hạn của các giống đậu tương là không giống nhau do chúng có các kiểu 6
gen khác nhau. Vì vậy, chọn tạo giống đậu tương có khả năng chịu hạn cao và tìm kiếm biện pháp cải thiện khả năng chịu hạn của cây đậu tương đã và đang được nhiều nhà khoa học trên thế giới và ở Việt Nam quan tâm. Về giá trị kinh tế, đậu tương là cây trồng có giá trị kinh tế cao về nhiều mặt. Với ưu thế ngắn ngày, trồng được nhiều vụ trong năm, có thể trồng thuần, trồng xen, luân canh gối vụ, trồng được nhiều vùng sinh thái khác nhau. Sản phẩm của nó được dùng làm thức ăn cho con người, thức ăn cho gia súc, làm nguyên liệu cho công nghiệp, có giá trị xuất khẩu và là loại cây có khả năng cải tạo đất trồng rất tốt [1], [2], [3]. Về giá trị dinh dưỡng, hạt đậu tương có thành phần dinh dưỡng cao, hàm lượng protein khoảng từ 30%- 52%, lipid khoảng 12 – 25%, glucid khoảng 10 – 15%. Các thực phẩm làm từ đậu tương được xem là một loại “thịt không xương” vì chứa tỷ lệ đạm thực vật dồi dào, có thể thay thế cho nguồn đạm từ thịt động vật. Thậm chí, lượng đạm (protein) trong 100gr đậu tương có thể tương đương với lượng đạm trong 800gr thịt bò [1]. Tại các quốc gia như Nhật Bản, Trung Quốc, 60% lượng đạm tiêu thụ hàng ngày là do đậu tương cung cấp. Hàm lượng chất đạm chứa trong đậu tương cao hơn nhiều so với lượng chất đạm chứa trong các loại đậu khác. Trong hạt đậu tương có khá nhiều loại vitamin, đặc biệt là hàm lượng vitamin B1, B2, ngoài ra còn có các loại vitamin khác như A, D, E, C… Bên cạnh đó nó còn chứa các loại muối khoáng như Canxi, sắt, photpho và các thành phần chất xơ tốt cho tiêu hóa. Trong đậu tương có đủ các acid amine cơ bản như isoleucin, leucin, lysin, valin, methionine, phenylalanine, tryptophan. Ngoài ra, đậu tương được coi là một nguồn cung cấp protein hoàn chỉnh vì chưa một lượng đáng kể các amino acid không thay thế cần thiết cho cơ thể [1]. Bên cạnh vai trò là một loại cây thực phẩm, đậu tương còn là vị thuốc để chữa bệnh, đặc biệt là đậu tương hạt đen, có tác dụng tốt cho tim, gan, thận, dạ 7
dày và ruột. Đậu tương được nhiều nhà khoa học xem như là chìa khóa để giải quyết nạn thiếu protein trong dinh dưỡng của con người, là thức ăn tốt cho những người bị bệnh đái đường, thấp khớp, suy nhược thần kinh và suy nhược dinh dưỡng [1]. Về giá trị trong công nghiệp của cây đậu tương, 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. Dầu đậu tương có chỉ số iot cao, nhiệt độ ngưng tụ từ -150C đến -180C. Đậu tương còn là nguyên liệu quan trọng cho các ngành công nghiệp khác như: chế biến cao su nhân tạo, mực in, chất dẻo, tơ nhân tạo,… [1] Về giá trị trong nông nghiệp của cây đậu tương, đậu tương được sử dụng làm thức ăn tốt cho gia súc, 1kg hạt đậu 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. Ngoài ra đậu tương còn có vai trò trong cải tạo đất trồng đem lại hàm lượng đạm cao cung cấp cho cây trồng. 1 ha trồng đậu tương nếu sinh trưởng phát triển tốt để lại trong đất từ 30 – 60kg N. Nhờ khả năng cố định đạm nên sau mỗi vụ thu hoạch thành phần hóa tính của đất trồng được cải thiện rõ rệt, lượng đạm trong đất tăng và khu hệ vi sinh vật trong đất cũng tăng. Vì vậy, việc luân canh trồng cây đậu tương với các loại cây trồng khác có thể được xem là biện pháp cải tạo đất trồng hữu hiệu [1], [3]. 1.1.2. Tình hình sản xuất đậu tương trên thế giới và Việt Nam Cây đậu tương giữ vai trò quan trọng trong các cây lấy dầu của thế giới, nó đứng thứ 4 sau ngô, lúa mì, lúa nước. Do khả năng thích ứng rộng nên nó đã được trồng ở khắp năm châu lục. Mỹ là nước có diện tích năng suất đậu tương đứng hàng đầu thế giới (trên 70%), mặc dù cây đậu tương ở Mỹ mới được 8
chính phủ Mỹ quan tâm đúng mức từ sau chiến tranh thế giới lần thứ 2. Hiện nay, đậu tương được trồng ở gần 80 quốc gia khác nhau trên thế giới. Trong đó, 4 nước có sản lượng đậu tương đứng đầu là Mỹ, Brazil, Argentina và Trung Quốc [1], [2]. Ở Việt Nam, có hai loại giống đậu tương đó là giống địa phương và giống nhập nội. Đậu tương được trồng trên cả 7 vùng nông nghiệp, trong đó vùng núi phía Bắc có diện tích gieo trồng lớn nhất là 46,6%, đồng bằng Sông Hồng 19,3%, vùng Tây Nguyên 11%, miền Đông Nam Bộ 10,2%, đồng bằng Sông Cửu Long 8,9%, khu Bốn 2,3% và vùng Duyên hải miền Trung 1,6% [2]. Những năm gần đây, cùng với việc nghiên cứu các công nghệ sinh học và các loại đậu tương cao sản mới để tìm ra giống cho năng suất cao với chi phí sản xuất thấp, các nhà chọn giống Việt Nam còn quan tâm nghiên cứu các giống đậu tương địa phương có năng suất thấp nhưng lại có chất lượng hạt cao và có khả năng chống chịu với các điều kiện bất lợi của môi trường, nhất là hạn hán [7]. 1.2. Gen và đặc tính chịu hạn của cây đậu tương 1.2.1. Cơ chế chịu hạn của cây đậu tương Để thích nghi với điều kiện khô hạn, đậu tương phản ứng thích nghi với những biến đổi của môi trường. Hai cơ chế chịu hạn chính được thảo luận nhiều ở thực vật, đó là sự phát triển bộ rễ và sự điều chỉnh áp suất thẩm thấu [5], [6], [7]. Bộ rễ là một trong những bộ phận quan trọng của cây thực hiện nhiệm vụ lấy nước cung cấp cho các hoạt động sống và phát triển của cơ thể thực vật. Cơ chế chịu hạn liên quan mật thiết với sự phát triển của bộ rễ. Cơ thể thực vật thích ứng với hạn bằng cách phát triển rễ cọc theo chiều dài vươn tới các lớp đất sâu hơn để hút nước dễ dàng hơn, đồng thời hệ thống rễ con phát triển mở rộng theo bề ngang có thể thích ứng tốt với việc tìm kiếm dinh dưỡng khoáng 9