Tài liệu Luận văn nghiên cứu một số đáp ứng sinh lý, hoá sinh liên quan đến khả năng chịu mặn của 4 giống ngô (zea mays l.) năng suất cao

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI NGUYỄN THỊ KIM NHUNG NGHIÊN CỨU MỘT SỐ ĐÁP ỨNG SINH LÝ, HÓA SINH CỦA 4 GIỐNG NGÔ (Zea mays L.) VỚI ĐIỀU KIỆN MẶN NHÂN TẠO Ở GIAI ĐOẠN NẢY MẦM VÀ CÂY CON LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC SINH HỌC Hà Nội – 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI NGUYỄN THỊ KIM NHUNG NGHIÊN CỨU MỘT SỐ ĐÁP ỨNG SINH LÝ, HÓA SINH CỦA 4 GIỐNG NGÔ (Zea mays L.) VỚI ĐIỀU KIỆN MẶN NHÂN TẠO Ở GIAI ĐOẠN NẢY MẦM VÀ CÂY CON Chuyên ngành: Sinh học thực nghiệm Mã số: 60.42.01.14 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC SINH HỌC Người hướng dẫn khoa học: TS. Điêu Thị Mai Hoa Hà Nội – 2017 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan bản luận văn này là kết quả nghiên cứu của cá nhân tôi. Các số liệu và tài liệu được trích dẫn trong luận văn là trung thực. Kết quả nghiên cứu này không trùng với bất cứ công trình nào đã được công bố trước đó. Tôi chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình. Hà Nội, tháng 6 năm 2017 Tác giả luận văn LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Điêu Thị Mai Hoa người đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và tiến hành luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Sinh lý thực vật và ứng dụng, bộ môn Công nghệ sinh học và Vi sinh, bộ môn Hóa sinh – Tế bào, khoa Sinh học đã cung cấp, hỗ trợ các phương tiện, kỹ thuật phòng thí nghiệm cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu tại khoa. Tôi xin chân thành cảm ơn các cán bộ Viện nghiên cứu Ngô Việt Nam đã cung cấp cho tôi một số giống mới, các tài liệu liên quan trong quá trình nghiên cứu. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới những người thân trong gia đình, bạn bè đã luôn động viên khích lệ tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn này. Tác giả Nguyễn Thị Kim Nhung MỤC LỤC Trang PHẦN I. MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1 1.1. Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................................... 1 1.1.1. Lý do chọn đề tài .......................................................................................................... 1 1.1.2. Mục tiêu nghiên cứu .................................................................................................... 2 1.1.3. Nội dung nghiên cứu .................................................................................................... 2 1.1.4. Ý nghĩa lý luận và ý nghĩa thực tiễn ............................................................................ 3 1.2. Tổng quan các vấn đề nghiên cứu ............................................................................... 3 1.2.1. Khái quát về cây ngô ................................................................................................... 3 1.2.1.1. Nguồn gốc phân loại của cây ngô ............................................................................ 3 1.2.1.2. Đặc điểm sinh học của cây ngô ................................................................................ 3 1.2.1.3. Tình hình sản xuất ngô trên thế giới và Việt Nam .................................................... 4 1.2.2. Đất mặn và sự tác động của mặn đến thực vật ............................................................ 5 1.2.2.1. Đất mặn..................................................................................................................... 5 1.2.2.2. Ảnh hưởng của mặn với thực vật .............................................................................. 7 1.2.3. Cơ chế chống chịu mặn của thực vật ......................................................................... 11 1.2.3.1. Cơ sở sinh lý của tính chịu mặn.............................................................................. 11 1.2.3.2. Cơ sở sinh hóa của tính chịu mặn .......................................................................... 13 1.2.4. Một số nghiên cứu về ảnh hưởng của mặn đến cây ngô và một số cây trồng ........... 17 1.3. Đối tượng, thời gian, địa điểm và phương pháp nghiên cứu .................................. 18 1.3.1. Đối tượng nghiên cứu ............................................................................................................................ 18 1.3.2. Thời gian, địa điểm nghiên cứu ................................................................................. 19 1.3.3.1. Bố trí thí nghiệm ..................................................................................................... 19 1.3.3.2. Phương pháp xác định các chỉ tiêu sinh trưởng ..................................................... 20 1.3.3.3. Phương pháp xác định các chỉ tiêu sinh lí, hóa sinh .............................................. 21 1.3.3.4. Phương pháp xử lý số liệu ...................................................................................... 26 PHẦN II: NỘI DUNG ....................................................................................................... 27 CHƯƠNG I: ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN MẶN ĐẾN MỘT SỐ CHỈ TIÊU SINH LÝ, HÓA SINH Ở GIAI ĐOẠN NẢY MẦM ....................................................... 27 1.1. Khả năng nảy mầm của hạt ngô dưới ảnh hưởng của mặn NaCl .......................... 27 1.2. Ảnh hưởng của mặn đến sự sinh trưởng của thân mầm ......................................... 30 1.3. Ảnh hưởng của mặn đến sự sinh trưởng của rễ mầm ............................................. 32 1.4. Ảnh hưởng của mặn đến sự biến động hàm lượng đường khử .............................. 35 1.5. Ảnh hưởng của mặn đến hoạt độ enzyme amylase của mầm ngô trong điều kiện mặn nhân tạo ...................................................................................................................... 39 1.6. Ảnh hưởng của mặn đến hoạt độ của enzyme catalase ........................................... 43 CHƯƠNG 2: ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN MẶN TỚI MỘT SỐ CHỈ TIÊU SINH LÝ, HÓA SINH Ở GIAI ĐOẠN CÂY CON. ....................................................... 47 2.1. Sinh khối khô của cây ................................................................................................. 47 2.2. Hàm lượng diệp lục tổng số trong lá ......................................................................... 49 2.3. Hàm lượng diệp lục liên kết ....................................................................................... 52 2.4. Ảnh hưởng của mặn đến lượng nước liên kết .......................................................... 54 2.5. Ảnh hưởng của mặn đến hàm lượng proline trong lá giai đoạn cây con ............... 56 2.6. Ảnh hưởng của mặn đến chiều cao cây..................................................................... 60 2.7. Số cây trưởng thành đến khi đạt 2 – 3 lá .................................................................. 62 2.8. Đánh giá khả năng chịu mặn của ngô ở giai đoạn cây con theo hình thái. ........... 63 PHẦN III: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................ 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Diện tích, năng suất, sản lượng ngô trên thế giới năm 2010 - 2014 ................... 5 Bảng1.2. Diện tích, năng suất, sản lượng ngô Việt Nam năm 2010 - 2014 ........................ 5 Bảng 1.3. Các loại đất mặn (phân loại theo nồng độ) và ảnh hưởng đối với cây trồng ..... 6 Bảng 1.4. Thang đánh giá khả năng chịu mặn ở giai đoạn cây con ................................... 21 Bảng 2.1: Tỉ lệ nảy mầm của hạt ngô dưới ảnh hưởng của NaCl (%) ............................... 28 Bảng 2.2: Sự sinh trưởng của thân mầm (cm) ...................................................................... 31 Bảng 2.3: Sự sinh trưởng của rễ mầm (cm) .......................................................................... 33 Bảng 2.4: Hàm lượng đường khử trong hạt nảy mầm ở các nồng độ NaCl khác nhau (mg/g) ...................................................................................................................... 36 Bảng 2.5: Hoạt độ enzyme amylase trong hạt nảy mầm (U/g) .......................................... 40 Bảng 2.6: Hoạt độ enzyme catalase trong hạt nảy mầm (U/g) ........................................... 44 Bảng 2.7: Sinh khối khô của cây ngô (g/cây) ....................................................................... 48 Bảng 2.8: Ảnh hưởng của mặn đến hàm lượng diệp lục tổng số trong lá (mg/g) ............. 50 Bảng 2.9: Ảnh hưởng của mặn đến hàm lượng diệp lục liên kết trong lá (mg/g)............. 53 Bảng 2.10: Ảnh hưởng của mặn đến hàm lượng nước liên kết trong lá (%)..................... 55 Bảng 2.11: Ảnh hưởng của mặn đến hàm lượng proline trong lá ngô (µg/g) ................... 57 Bảng 2.12: Ảnh hưởng của mặn tới chiều cao cây ngô (cm) .............................................. 61 Bảng 2.13: Số cây trưởng thành đến khi đạt 2 – 3 lá ........................................................... 62 Bảng 2.14. Đánh giá khả năng chịu mặn của các giống ngô sau 15 ngày trồng trong điều kiện mặn .................................................................................................................. 64 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Thí nghiệm giai đoạn nảy mầm ...................................................... 19 Hình 1.2: Thí nghiệm giai đoạn cây con ......................................................... 20 Hình 2.1: Tác động của mặn đến tỉ lệ nảy mầm của hạt tại thời điểm 72 giờ gieo hạt (% so với đối chứng ) ................................................................ 29 Hình 2.2: Tác động của mặn đến chiều dài thân mầm của hạt tại thời điểm 72 giờ gieo hạt (% so với đối chứng ) .......................................................... 32 Hình 2.3: Tác động của mặn đến chiều dài rễ mầm của hạt tại thời điểm 72 giờ gieo hạt (% so với đối chứng ) .......................................................... 34 Hình 2.4: Tác động của mặn đến hoạt độ enzyme amylase trong hạt nảy mầm ở các thời điểm khác nhau (% so với ĐC) .............................................. 41 Hình 2.5: Tác động của mặn đến hàm lượng proline trong lá ngô (% so ĐC) ... 58 Hình 2.6: Đặc điểm hình thái của 4 giống ngô ở công thức NaCl 75 mM sau 15 ngày gieo trồng................................................................................... 65 PHẦN I. MỞ ĐẦU 1.1. Tính cấp thiết của đề tài 1.1.1. Lý do chọn đề tài Thế kỉ XXI đánh dấu sự nóng lên của trái đất với hàng loạt các hiện tượng tự nhiên bất thường như băng tan, nước biển dâng cao, bão lũ, sóng thần… vấn đề mặn hóa có nguy cơ trầm trọng hơn. Việt Nam là một trong bốn nước chịu ảnh hưởng nặng nề nhất của sự biến đổi khí hậu và dâng cao của nước biển. Hiện nay, ở Việt Nam có khoảng trên 1 triệu hecta đất mặn, phân bố chủ yếu ở hai khu vực: Đồng bằng sông Hồng và Đồng bằng sông Cửu Long [12]. Xâm nhập mặn là một trong những trở ngại chính ảnh hưởng đến sản xuất ở khắp các vùng nông nghiệp ở Việt Nam đặc biệt là các khu vực ven biển như Đồng bằng sông Cửu Long nơi có tình trạng nhiễm mặn nặng nề nhất. Mặn ảnh hưởng tới cây trồng theo nhiều cách khác nhau, không chỉ về hình thái mà còn làm thay đổi sự trao đổi chất, hạn chế sự tăng trưởng và khả năng sinh sản [29]. Trong các giai đoạn sinh trưởng của cây, sự sinh trưởng ở giai đoạn hạt nảy mầm và cây con rất nhạy cảm với nồng độ mặn trong môi trường [21],[37]. Sức nảy mẩm, độ dài rễ mầm, chiều cao cây, khối lượng chất khô tích lũy và các đặc tính nông học cũng giảm có ý nghĩa khi tăng độ mặn [7]. Theo Nguyễn Văn Mã (2012) thì nhiễm mặn là yếu tố gây stress tổn hại lớn hơn đối với trồng trọt khi so sánh với hạn hán và giá lạnh [15]. Để giải quyết tình hình trên, việc phát triển các giống cây trồng có năng suất cao, chất lượng tốt đồng thời lại có đặc tính chống chịu sẽ làm tăng tính ổn định của giống trước sự biến đổi bất lợi của biến đổi khí hậu, đảm bảo phát triển hiệu quả và bền vững là vấn đề đang được các nhà khoa học rất quan tâm. Cây ngô (Zea mays L.) là loại cây ngũ cốc quan trọng trong nền kinh tế toàn cầu và là cây lương thực đứng thứ ba sau lúa mì và lúa nước, góp phần nuôi sống 1/3 dân số trên thế giới. Trong nhiều năm tới, ngô vẫn là cây ngũ cốc có vai trò quan trọng ở nước ta với nhiều công dụng khác nhau. Tất cả các bộ phận của ngô đều có thể được sử dụng: hạt để làm lương thực, thực phẩm cho người và thức ăn 1 gia súc, làm nguyên liệu cho ngành công nghiệp; một số bộ phận của ngô chứa một số chất có vai trò như loại thuốc chữa bệnh (VD: Râu ngô). Hiện nay, nhu cầu về lương thực, thức ăn chăn nuôi và nhiên liệu trên thế giới ngày một tăng. Sản lượng ngô trên thế giới trung bình tăng nhanh từ 851,27 đến 1016,7 triệu tấn (năm 2010 – 2013) [59]. Ở nước ta diện tích gieo trồng, năng suất và sản lượng ngô cũng tăng nhưng chưa đáp ứng đủ nhu cầu. Theo thống kê ở Việt Nam, sản lượng ngô năm 2016 ước tính đạt 5,98 triệu tấn nhưng tổng lượng tiêu thụ ước tính lên tới 11,74 triệu tấn [4] điều đó cho thấy, nhu cầu sử dụng ngô ở nước ta rất lớn. Năm 2013, Việt Nam phải nhập khẩu 2,6 triệu tấn, năm 2014 lên tới đến 3 triệu tấn [21]. Cây ngô được canh tác ở nhiều vùng sinh thái khác nhau… [13]. Chính vì vậy, ngô cũng là cây trồng chịu tác động lớn của các yếu tố ngoại cảnh bất thuận trong đó có bất thuận do nhiễm mặn. Ở trong nước, đã có một số công trình nghiên cứu về ảnh hưởng của mặn trên các đối tượng cây trồng khác nhau như: lúa, đậu xanh, đậu tương, lạc… Việc nghiên cứu so sánh phản ứng sinh lý, hóa sinh của các giống ngô đối với môi trường mặn cũng là một vấn đề các nhà khoa học đang ngày càng quan tâm do tình hình biến đổi khí hậu bất lợi liên quan đến hạn hán và xâm nhập mặn. Xuất phát từ tình hình trên, chúng tôi tiến hành thực hiện đề tài: “Nghiên cứu một số đáp ứng sinh lý, hóa sinh của 4 giống ngô (Zea mays L.) với điều kiện mặn nhân tạo ở giai đoạn nảy mầm và cây con”. 1.1.2. Mục tiêu nghiên cứu - Đánh giá được một số chỉ tiêu liên quan đến khả năng chịu mặn của 4 giống ngô năng suất cao ở giai đoạn nảy mầm và cây con. - So sánh khả năng chịu mặn thông qua các chỉ tiêu nghiên cứu, đề xuất giống chịu mặn tốt hơn cả cho các nghiên cứu sâu sắc hơn về chọn tạo giống ngô chịu mặn. 1.1.3. Nội dung nghiên cứu - Đánh giá khả năng chịu mặn ở giai đoạn nảy mầm: Tỉ lệ nảy mầm; chiều dài rễ mầm, thân mầm; hàm lượng đường khử, hoạt độ của một số enzyme. 2 - Đánh giá khả năng chịu mặn ở giai đoạn cây con: + Khả năng sinh trưởng của cây trong điều kiện mặn. + Hàm lượng proline, hàm lượng nước liên kết, hàm lượng diệp lục liên kết và diệp lục tổng số. + Quan sát một số thay đổi hình thái của cây khi bị mặn. 1.1.4. Ý nghĩa lý luận và ý nghĩa thực tiễn - Ý nghĩa khoa học: Đề tài nghiên cứu bổ sung thêm các dẫn liệu khoa học cho việc nghiên cứu ảnh hưởng của mặn đến thực vật nói chung và cây ngô nói riêng. - Ý nghĩa thực tiễn: Góp phần vào việc chọn giống ngô chịu mặn tốt phục vụ cho sản xuất nông nghiệp. 1.2. Tổng quan các vấn đề nghiên cứu 1.2.1. Khái quát về cây ngô 1.2.1.1. Nguồn gốc phân loại của cây ngô Cây ngô (Zea mays L.) là cây một lá mầm thuộc chi Zea, họ hòa thảo (Poaceae), lớp Một lá mầm (Monocotyledoneae), Ngành Hạt kín (Angiospermae). Cây ngô có nguồn gốc từ Trung Mỹ và được trồng phổ biến ở nhiều nơi trên thế giới trong đó có Việt Nam. 1.2.1.2. Đặc điểm sinh học của cây ngô Đặc điểm thực vật học của cây ngô - Rễ ngô: Ngô có hệ rễ chùm. Căn cứ vào hình thái vị trí và thời gian phát sinh có thể chia rễ ngô thành 3 loại: rễ mầm, rễ đốt và rễ chân kiềng. - Thân cây ngô đặc, đường kính khoảng 2 – 4 cm, chiều cao 1,5 – 4 m. Thân ngô trưởng thành gồm nhiều lóng nằm giữa các đốt, mỗi đốt cách nhau 20 – 30 cm. Thân chính có nguồn gốc từ chồi mầm bao phủ bởi lá mầm nằm trong phôi của hạt. - Lá ngô điển hình được cấu tạo bởi bẹ lá, bản lá và lưỡi lá. Tuy nhiên có một số loại không có thìa lìa làm cho lá bó, gần như thẳng đứng theo cây. - Bắp ngô là cụm hoa cái hình bông. Trên đỉnh của thân cây là cụm hoa đuôi sóc hình chùy chứa các hoa đực, được gọi là cờ ngô. Mỗi râu ngô đều có thể thụ phấn để tạo ra một hạt ngô trên bắp. 3 - Hạt ngô thuộc loại quả dính, gồm 5 phần: Vỏ hạt, lớp alơron, phôi, nội nhũ và chân hạt. Trong đó, nội nhũ là phần chính của hạt chứa các tế bào dự trữ chất dinh dưỡng [5],[14]. Vai trò của cây ngô - Ngô làm lương thực, thực phẩm cho người: Ở các nước Trung Mỹ, Nam Á… sử dụng ngô làm lương thực chính. Vì vậy trên phạm vi thế giới ngô sẽ vẫn còn là cây lương thực rất quan trọng vì ngô rất phong phú về các chất dinh dưỡng. Ngô sử dụng làm thực phẩm như dùng bắp ngô bao tử làm rau cao cấp. Một số loại ngô dùng để đóng hộp làm thực phẩm xuất khẩu. - Ngô làm thức ăn chăn nuôi: hầu như 70% chất tinh trong thức ăn tổng hợp của gia súc là từ ngô. Ngoài việc cung cấp chất tinh, cây ngô còn là thức ăn xanh và ủ chua lí tưởng cho đại gia súc, đặc biệt là bò sữa. Hiện nay, ở Việt Nam cũng dùng ngô làm thức ăn chăn nuôi là chính (khoảng 90%). - Ngô cung cấp nguyên liệu cho công nghiệp: là nguyên liệu cho các nhà máy sản xuất rượu cồn, tinh bột, dầu, bánh kẹo… - Ngô có tác dụng chữa bệnh: Theo Tây y, ngô chứa hàm lượng kali cao, có tác dụng tăng bài tiết mật, có lợi cho hệ tiêu hóa, tim mạch, chống oxy hóa… Theo Đông y, hầu hết các bộ phận của cây ngô đều có lợi cho sức khỏe với những công dụng như tiêu thũng, trừ thấp, góp phần trừ một số bệnh như bướu cổ, sốt rét… [23]. 1.2.1.3. Tình hình sản xuất ngô trên thế giới và Việt Nam Tình hình sản xuất ngô trên thế giới Năm 2014, theo tổ chức Nông nghiệp và lương thực của Liên hiệp quốc (FAO), sản xuất ngô trên thế giới đạt kỉ lục về cả diện tích, năng suất và sản lượng. Diện tích sản xuất ngô đạt 184,9 triệu ha, năng suất 5,6 tấn/ha và tổng sản lượng là 1037,8 triệu tấn. Ngô được trồng khắp nơi trên thế giới trong đó Mĩ là quốc gia có sản lượng lớn nhất chiếm một phần ba toàn thế giới, tiếp đến là Trung Quốc và Braxin. Ở khu vực Đông Nam Á, quốc gia có sản lượng lớn nhất là Indonesia. 4 Bảng 1.1. Diện tích, năng suất, sản lượng ngô trên thế giới năm 2010 - 2014 Yếu tố Năm 2010 Năm 2012 Năm 2014 Diện tích trồng (ha) 163,9 triệu 178,5 triệu 184,9 triệu Năng suất trung bình (tấn/ha) 5,1 4,9 5,6 Tổng sản lượng (tấn) 851,3 triệu 873,1 triệu 1037,8 triệu (Nguồn: http://faostat.fao.org) Theo Stoeva, hiện nay khoảng 20% diện tích canh tác trên thế giới và khoảng một nửa diện tích đất tưới nước nhiễm mặn, độ mặn là một trong những nhân tố vô sinh quan trọng nhất hạn chế năng suất cây trồng [55], việc sản xuất ngô trên thế giới đang gặp nhiều khó khăn. Do vậy các nhà khoa học trên thế giới đã tập trung nghiên cứu chọn tạo các giống mới và các biện pháp kỹ thuật nhằm tăng cường hiệu quả của sản xuất ngô trên các vùng khó khăn. Tình hình sản xuất ngô trong nước: Tuy sản lượng ngô ở Việt Nam tăng lên hàng năm nhưng vẫn chưa đáp ứng đủ do yêu cầu về lương thực, thức ăn chăn nuôi, nhiên liệu ngày một tăng. Bảng1.2. Diện tích, năng suất, sản lượng ngô Việt Nam năm 2010 - 2014 Năm Diện tích (ha) Năng suất (tấn/ha) Sản lượng (tấn) 2010 1126391 4,08 4.606.800 2011 1121255 4,31 4.835.717 2012 1156102 4,30 4.973.482 2013 1170322 4,43 5.190.895 2014 1178648 4,41 5.202.511 (Nguồn: http://faostat.fao.org) 1.2.2. Đất mặn và sự tác động của mặn đến thực vật 1.2.2.1. Đất mặn * Khái niệm Đất nhiễm mặn từ quan điểm nông nghiệp, là đất có các loại muối hòa tan ở một nồng độ cao hơn bình thường, gây ảnh hưởng xấu đến cây trồng. 5 Hiện nay, để đánh giá độ mặn của đất, trên thế giới người ta dùng đại lượng EC là độ dẫn điện của đất, có đơn vị là decisiemens/mét (dS/m), 1dS/m = 0,64‰. Đất mặn là những loại đất có độ dẫn điện lớn hơn 4 dS/m ở 25oC tương đương với nồng độ muối hòa tan khoảng 2,56 ‰ [53],[29],[30]. Shabala và Munns (2012) cho rằng đất được coi là nhiễm mặn khi độ dẫn điện của dịch đất chiết bão hòa vượt quá 4 dS/m, tương đương 40 mM NaCl, là nồng độ muối bắt đầu làm giảm đáng kể năng suất hầu hết cây trồng [15]. Xếp hạng độ mặn của cây trồng dựa trên sự giảm năng suất đối với đất không chứa muối. Các lớp độ mặn đất được công nhận trình bày ở bảng 1.3 [29],[30]. Bảng 1.3. Các loại đất mặn (phân loại theo nồng độ) và ảnh hưởng đối với cây trồng Phân loại Độ dẫn điện của Nồng độ muối đất mặn đất (dS/m) hòa tan (‰) 0–2 0 – 1,28 2–4 1,28 – 2,56 4–8 2,56 – 5,12 Mặn 8 – 16 5,12 – 10,24 Rất mặn > 16 > 10,24 Không mặn Mặn ít Mặn trung bình Ảnh hưởng đến cây trồng Mặn ảnh hưởng không đáng kể Năng suất của nhiều loại cây có thể bị giới hạn Năng suất của nhiều loại cây trồng bị giới hạn Chỉ một số cây trồng chịu đựng được Chỉ rất ít cây trồng chịu đựng được. * Tình hình nhiễm mặn Việt Nam Với diện tích bờ biển dài hơn 3.620 km kéo dài từ Bắc vào Nam chính vì vậy diện tích nhiễm mặn của nước ta rất lớn, trong đó chiếm diện tích lớn nhất là vùng châu thổ sông Hồng và Đồng bằng sông Cửu Long. Đồng bằng sông Cửu Long có diện tích tự nhiên là 3,96 triệu ha, trong đó đất sản xuất nông nghiệp khoảng 2,9 triệu ha [1]. Theo viện khoa học thủy lợi miền 6 Nam trong năm 2016 ở khu vực Đồng bằng sông Cửu Long mặn tiến sâu vào đất liền từ 45 – 93 km. Tình hình xâm nhập mặn trở nên nghiêm trọng hơn trong những năm gần đây. Từ cuối năm 2014 đến nay, El Niño đã ảnh hưởng đến nước ta làm cho nền nhiệt độ tăng cao, thiếu hụt lượng mưa gây ra hạn hán, xâm nhập mặn. Theo dự báo, El Niño tiếp tục ảnh hưởng và kéo dài đến giữa năm 2016, trở thành El Niño dài nhất đã ghi nhận ở nước ta [3]. Vùng ven biển Đồng bằng sông Hồng gồm 4 tỉnh Hải Phòng, Thái Bình, Nam Định, Ninh Bình có diện tích tự nhiên 6131km2 (tương đương với 7% diện tích lưu vực sông Hồng thuộc lãnh thổ Việt Nam). Dưới tác động ảnh hưởng đồng thời của dòng chảy kiệt, điều tiết mực nước thượng lưu, yếu tố địa hình, chế độ thủy triều và kịch bản nước biển dâng làm cho ranh giới xâm nhập mặn ngày một tiến sâu hơn [3]. 1.2.2.2. Ảnh hưởng của mặn với thực vật Có nhiều quan điểm khác nhau về ảnh hưởng của mặn với thực vật. Theo Akram M. độ mặn có ba ảnh hưởng tiềm tàng đối với thực vật: giảm khả năng hút nước, gây độc tính ion cụ thể là Na+ và Cl-, ảnh hưởng vào việc hấp thu chất dinh dưỡng thiết yếu. Loại thứ hai có thể không thấy ảnh hưởng tức thì vì thực vật có dự trữ các chất dinh dưỡng có thể huy động được. Sự chống chịu của cây trồng đối với việc giảm khả năng sinh trưởng do mặn gồm hai giai đoạn: Giai đoạn đầu tiên là giảm hút nước bên ngoài do muối có nhiều trong nước. Hiệu quả này tương tự đối với các giống cây khác nhau về khả năng chịu mặn. Giai đoạn thứ hai là sự lão hóa của lá do sự tích tụ ion trong lá già. Sự tích tụ ion này dẫn tới lá chết và sự suy giảm dần của cây [26]. Theo Arbol (1998) độ mặn của đất quá mức làm cho cây trồng sinh trưởng kém, không đồng đều, còi cọc và năng suất thấp, mức độ phụ thuộc vào mức độ nhiễm mặn. Ảnh hưởng chính của độ mặn quá mức là nó làm giảm lượng nước có sẵn trong cây trồng, điều này là do áp suất thẩm thấu (ASTT) của dung dịch đất tăng lên khi nồng độ muối tăng. Ngoài hiệu ứng thẩm thấu của muối trong dung dịch đất, nồng độ và sự hấp thu các ion cũng có thể gây độc cho cây hoặc làm chậm sự hấp thu các chất dinh dưỡng quan trọng khác của cây trồng [30]. 7 Có thể khái quát về ảnh hưởng của mặn với thực vật như sau: - Mặn gây stress thẩm thấu cho cây trồng Tác hại thứ nhất là gây hạn sinh lý: Hàm lượng muối cao trong đất làm cho ASTT môi trường lớn. Nếu ASTT nội bào không thắng được ASTT môi trường thì cây chẳng những không hút được nước trong đất mà còn mất nước trong đất. Cây không hấp thụ được nhưng quá trình thoát hơi nước của lá vẫn diễn ra bình thường làm mất cân bằng nước gây nên hạn sinh lý. Thiếu nước nhẹ thì làm giảm tốc độ sinh trưởng, thiếu nước trầm trọng sẽ dẫn đến biến đổi hệ keo nguyên sinh chất làm tăng quá trình già hóa tế bào, thậm chí bị tổn thương và chết. Các tác động ASTT của muối lên thực vật thể hiện là giảm thế năng của đất và làm tăng nồng độ của các chất tan xung quanh vùng rễ. Khi thế năng nước của đất quá thấp, thực vật sẽ không có khả năng lấy nước từ đất. Vì vậy, một số loại khi bị stress muối cũng giống như stress hạn. Tuy nhiên, ở nồng độ muối trung bình hoặc thấp, thực vật điều chỉnh ASTT (bằng cách tích luỹ các chất tan nội bào) để lấy nước vào tế bào [40]. Tác hại thứ hai: Liên quan đến tính gây độc của các ion với thực vật. Đất bị nhiễm mặn chứa hàm lượng cao các ion, đặc biệt Na+ và Cl- ngoài ra còn các ion khác như SO42-, HCO3-… Hàm lượng cao các ion này đều gây hại cho sự sinh trưởng và phát triển của thực vật. - Sự tác động của mặn đến quá trình quang hợp và hô hấp Hoạt động quang hợp của cây sống trên đất mặn bị ức chế. Nhiều công trình nghiên cứu trên ngô và một số cây khác như cà chua, lúa, đậu… cũng cho thấy dưới tác động của mặn cường độ quang hợp của các loại cây trồng này giảm xuống. Có bằng chứng mạnh mẽ rằng muối ảnh hưởng đến các enzyme quang hợp, diệp lục và carotenoid [33],[55]. Nhiều công trình nghiên cứu trên đậu, cà chua dưới tác động của mặn cho thấy hoạt tính enzyme chlorophyllase trong lá giảm xuống. Trong điều kiện mặn, ở thực vật thường thấy sự thay đổi kích thước, số lượng của lục lạp, hàm lượng diệp lục và tinh bột. Khi xử lí NaCl, ở lục lạp ngô và đậu Hà Lan không hình 8 thành grana. Sau thời gian, các grana được tạo thành trước đó bị phá hủy, bề mặt màng lamel của thylakoid cũng bị giảm [15]. Theo Iyengar và Reddy [48] sự suy giảm hiệu quả quang hợp liên quan đến muối là do một số nguyên nhân: Sự mất nước của màng sinh chất tế bào dẫn đến làm giảm khả năng thấm CO2. Nồng độ muối cao trong đất và trong nước sẽ tạo ra thế ASTT cao chúng sẽ làm giảm lượng nước có lợi cho thực vật. Sự giảm thế năng nước gây ra stress thẩm thấu, làm bất hoạt không thuận nghịch chuỗi vận chuyển điện tử. Ngộ độc muối đặc biệt là Na+ và Cl-, theo một số tác giả Cl- ức chế hoạt động quang hợp. Sự suy giảm CO2 cung cấp có nguyên nhân là do lỗ khí đóng [55]. Theo Iyengar và Reddy, lỗ khí đóng làm giảm đến mức nhỏ nhất lượng nước thoát ra ngoài, quá trình này tác động lên hệ thống hấp thu và chuyển hoá năng lượng của lục lạp. Thay đổi hoạt động của enzyme được cảm ứng bởi những thay đổi trong cấu trúc của tế bào chất. Nhiều thay đổi diễn ra trong thực vật cho phép chúng chống chịu muối và vẫn duy trì được khả năng quang hợp. Đây là thông tin hữu ích cho kĩ thuật di truyền trong việc tạo cây trồng chống chịu muối có sinh trưởng cao. Quang hợp và hô hấp là hai quá trình trao đổi chất liên quan chặt chẽ với nhau. Vì vậy, song song với tác động của mặn đến quang hợp, nhiều tác giả cũng đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của mặn đến hoạt động hô hấp của thực vật. Muối ảnh hưởng đến hệ thống enzyme hô hấp, gây ra stress oxy hóa, ảnh hưởng đến cấu trúc màng và gây ra hiện tượng tách rời phosphorine hóa và oxy hóa. Nhiều ý kiến cho rằng, khi độ mặn thấp, cường độ hô hấp có tăng lên nhằm bù đắp năng lượng thiếu hụt trong điều kiện stress. Tuy nhiên khi độ mặn tăng cao thì cường độ hô hấp giảm sút [15]. Theo Shigemi mặn làm tăng tốc độ hô hấp của rễ, bởi vì rễ có nhu cầu glucid cao hơn để duy trì cường độ hô hấp trên nền mặn, còn ở các loài cây chịu mặn tốt cường độ hô hấp giảm xuống [54]. - Ảnh hưởng của mặn đến trao đổi saccharide và hoạt tính enzyme Việc thủy phân trữ lượng tinh bột là một trong những hoạt động chủ yếu được bắt đầu trong giai đoạn nảy mầm. Các chất hoà tan được huy động, đóng vai trò 9 quan trọng trong điều chỉnh ASTT của tế bào trong quá trình nảy mầm [42]. Enzyme amylase đóng vai trò quan trọng trong sự phân giải tinh bột để tạo ra các loại đường hòa tan. Tuy nhiên hoạt động của enzyme và thủy phân của tinh bột bị ảnh hưởng mạnh bởi stress muối trong quá trình nảy mầm [49]. Dưới tác động của mặn, quá trình trao đổi nitơ ở nhiều loại cây trồng cũng bị rối loạn. Sự tổng hợp protein trong lá của cây sống trong mặn có thể giảm xuống do phản ứng với việc thiếu nước. Hợp chất được nghiên cứu nhiều nhất dưới ảnh hưởng muối là proline. Số lượng proline tăng theo độ mặn. Việc tích lũy amino acid nói chung và proline nói riêng có liên quan đến việc tăng hàm lượng absisic acid trong cây khi chịu tác động của mặn. Hàm lượng proline trong cây tăng lên cùng với việc tăng nồng độ muối ngoài, góp phần quan trọng trong việc điều chỉnh ASTT của tế bào dưới tác động của mặn [25]. - Tác hại của mặn tới thực vật tới các đặc điểm sinh trưởng, hình thái, giải phẫu của cây Theo Bùi Chí Bửu, thiệt hại do mặn thể hiện trước hết là giảm diện tích lá. Sự gia tăng độ mặn của đất làm cho các tế bào lá bị mất nước mặc dù trong vài giờ tế bào có thể lấy lại thể tích ban đầu nhờ điều chỉnh ASTT nhưng tỉ lệ kéo dài tế bào bị giảm, qua nhiều ngày sự phân chia tế bào giảm, dẫn đến lá xuất hiện chậm hơn, kích thước nhỏ hơn và dày hơn [52]. Trong điều kiện thiệt hại nhẹ, khối lượng khô có xu hướng tăng lên trong một thời gian, sau đó giảm nghiêm trọng do suy giảm diện tích lá. Trong điều thiệt hại nặng hơn, khối lượng khô của chồi và của rễ suy giảm tương ứng với mức độ thiệt hại. Ở giai đoạn mạ, lá già hơn sẽ mất khả năng sống sót sớm hơn lá non [2]. Các nghiên cứu cũng cho thấy muối gây ra thay đổi về hình thái của cây. Ví dụ, bộ lá của đậu, bông tăng chiều dày của biểu bì, chiều dài và đường kính của tế bào mô dậu, đường kính của tế bào mô xốp khi tăng nồng độ muối [50]. Ngược lại, cả biểu bì và độ dày của mô mềm và khoang gian bào đều giảm đáng kể khi xử lí muối ở cây vẹt. Ở lá cà chua thấy có sự giảm mật độ khí khổng. Khi nồng độ muối cao, một số triệu chứng mà thực vật gặp phải như hoạt tử, đầu lá bị cháy do ion Na+ 10 và Cl- [57]. Khi nồng độ ion cao có thể phá vỡ tính toàn vẹn và chức năng của màng sinh chất, ảnh hưởng đến sự cân bằng của chất tan nội bào và sự hấp thu dinh dưỡng, gây ra hiện tượng thiếu hụt dinh dưỡng [43]. Sự ức chế sinh trưởng của cây khi bị mặn là đặc trưng rõ rệt nhất. Trong đất mặn, các thực vật kém chịu mặn ngừng sinh trưởng do các chức năng sinh lý bị kìm hãm. Nồng độ muối càng cao thì kìm hãm sự sinh trưởng càng mạnh. Tùy theo mức độ mặn và khả năng chống chịu mà cây giảm năng suất nhiều hay ít. Ngay từ giai đoạn đầu tiên của sinh trưởng là hạt nảy mầm đã thấy rõ hiện tượng muối ức chế nảy mầm, làm cho mầm mảnh hơn. Nguyên nhân chính do mặn kìm hãm sinh sinh trưởng tế bào mô phân sinh và hoạt động của các enzyme phân hủy ở nội nhũ bị giảm [15]. Sự hình thành cơ quan mới ở cây bị mặn chậm hơn đối chứng, đồng thời kích thước của chúng cũng nhỏ hơn. Điều này xảy ra ở cơ quan sinh trưởng và cơ quan sinh sản như hoa ra sớm hoặc giảm số lượng hoa [52]. Thậm chí trong điều kiện mặn, cà chua không hình thành hoa được. Sự thay đổi trong việc tạo cơ quan sinh dưỡng và cơ quan sinh sản liên quan với sự phá vỡ chức năng của mô phân sinh của đỉnh sinh trưởng khi bị mặn. Muối gây ra sự giảm kích thước đỉnh sinh trưởng và kìm hãm việc chuyển sang giai đoạn tạo cơ quan của chúng. 1.2.3. Cơ chế chống chịu mặn của thực vật 1.2.3.1. Cơ sở sinh lý của tính chịu mặn Yeo và Flower [58] đã tổng kết cơ chế chịu mặn ở cây gồm các nhóm sau: - Hiện tượng ngăn chặn muối: Cây không hấp thu một lượng muối dư thừa nhờ khả năng hấp thu có chọn lọc. - Hiện tượng tái hấp thu: Cây hấp thu một lượng muối và được tái hấp thu trong mạch libe, Na+ không di chuyển đến chồi thân. - Chuyển vị từ rễ đến chồi : Tính chịu mặn được phối hợp với một mức độ cao về điện phân ở rễ, và mức độ thấp về điện phân ở chồi, làm cho sự di chuyển Na+ trở nên ít hơn từ rễ đến chồi. - Hiện tượng ngăn cách từ lá đến lá: Lượng muối dư thừa được chuyển từ lá 11 non sang lá già, muối được định vị tại lá già không có chức năng, không thể chuyển ngược lại. - Chống chịu ở mô: Cây hấp thu muối sau đó muối được ngăn cách trong các không bào của lá, làm giảm ảnh hưởng độc hại của muối đối với sinh trưởng của cây. - Ảnh hưởng pha loãng: Cây hấp thu muối nhưng sẽ làm loãng nồng độ muối nhờ tăng cường tốc độ sinh trưởng, phát triển và gia tăng hàm lượng nước trong chồi. Thực vật có thể tránh khỏi tác hại của mặn bằng cách loại muối hay cách ly muối. Tùy theo hình thức chịu mặn, có thể chia cây chịu mặn thành các nhóm sau: - Cây chịu mặn thực sự: là nhóm cây chịu mặn cao, có khả năng sống trong môi trường có độ mặn cao, do ASTT của dịch bào ở nhóm cây này có thể đạt tới 200 – 300 atm, cao gấp hàng chục lần so với các nhóm cây khác. - Cây thải muối: là nhóm cây có khả năng tiết muối đã tích lũy trong cơ thể ra ngoài qua khí khổng hay tuyến muối. Ở nhóm cây này muối từ môi trường thấm vào cơ thể được tập trung vào các tuyến muối mà không phát tán đi các thành phần khác của cơ thể nên không gây độc cho cơ thể. Sau khi tích một lượng muối nhất định, muối sẽ được tiết ra ngoài qua tuyến muối hay khí khổng. - Cây cách ly muối: Ở nhóm cây này, trên lá và thân có rất nhiều lông. Các lông này làm thành lớp cách ly cơ thể với muối trong môi trường. Muối được tích lũy trên các lông phủ dày trên lá, trên thân nên muối không tiếp xúc với cơ thể, không thấm vào được cơ thể nên không gây độc cho cơ thể. Nhóm cây này có thể sống trong môi trường có độ muối cao. - Cây không thấm muối: Đây là nhóm cây có màng nguyên sinh chất với khả năng chọn lọc cao nên không cho một số loại muối độc thấm vào tế bào. Nhóm cây này có thể sống trong môi trường độ mặn vừa. Về nguyên tắc tính chống chịu mặn có thể đạt được trong các bộ phận bài xuất muối bằng cách chống lại sự thiếu nước bên trong, còn ở trong các bộ phận chứa muối do tính chống chịu của mô cao hoặc do tránh nồng độ muối cao trong mô. Tuy 12