Tài liệu Phân lập và tuyển chọn vi khuẩn chịu mặn có khả năng cố định đạm, tổng hợp indole acetic acid trên mô hình canh tác lúa – tôm ở bạc liêu, sóc trăng và kiên giang

LỜI CẢM ƠN Xin chân thành cảm ơn thầy PGS. TS. Nguyễn Hữu Hiệp, thầy đã tận tình hướng dẫn khoa học, tư vấn thiết kế các thí nghiệm, hướng dẫn cách tiếp cận các kiến thức khoa học trong lĩnh vực nghiên cứu, từ đó giúp tôi hoàn thành luận án. Xin Chân thành cảm ơn và tri ân sâu sắc đến thầy. Chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu Trường Đại Học Cần Thơ, Ban Lãnh đạo Viện Nghiên cứu và Phát triển Công Nghệ Sinh học, Khoa Sau đại học đã tạo điều kiện tốt nhất cho tôi hoàn thành nhiệm vụ học tập và nghiên cứu. Chân thành cảm ơn quý thầy cô Viện Nghiên Cứu và Phát triển Công Nghệ Sinh học, trường Đại Học Cần Thơ đã tận tình dạy dỗ, giúp đỡ, động viên và tạo điều kiện thuận lợi nhất cho tôi hoàn thành nhiệm vụ học tập và nghiên cứu. Xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo Sở Giáo Dục và Đào Tạo tỉnh Sóc Trăng, Lãnh đạo trường THPT Hoàng Diệu đã hỗ trợ và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Chân thành cảm ơn em Nguyễn Thị Thúy Duy và các em sinh viên đã hỗ trợ tôi hoàn thành nghiên cứu. Xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo và cán bộ Trung tâm giống cây trồng tỉnh Sóc Trăng đã hỗ trợ tôi khảo nghiệm các dòng vi khuẩn trong điều kiện ngoài đồng. Sau cùng xin được cảm ơn những người thân trong gia đình và đồng nghiệp đã hết lòng giúp đỡ và tạo điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành quá trình học tập và nghiên cứu. i TÓM TẮT Đề tài “Phân lập và tuyển chọn vi khuẩn chịu mặn có khả năng cố định đạm, tổng hợp IAA trên mô hình canh tác lúa – tôm ở Bạc Liêu, Sóc Trăng và Kiên Giang” được thực hiện từ tháng 12 năm 2014 đến tháng 3 năm 2018. Những nội dung nghiên cứu của đề tài được thực hiện nhằm đạt đến mục tiêu tuyển chọn được một số dòng vi khuẩn bản địa, chịu mặn có khả năng cố định đạm và tổng hợp IAA hiệu quả lên cây lúa chịu mặn, sản xuất theo mô hình canh tác lúa – tôm. Kết quả nghiên cứu của đề tài đạt được như sau: Hai trăm mười sáu dòng vi khuẩn đã được phân lập từ 65 mẫu đất vùng rễ lúa chịu mặn ở 3 tỉnh Bạc Liêu, Sóc Trăng và Kiên Giang trên môi trường Burk không đạm có bổ sung muối 10‰. Tất cả các dòng vi khuẩn được phân lập đều có khả năng cố định đạm và tổng hợp IAA. Ba mươi lăm dòng vi khuẩn vừa có + khả năng tổng hợp NH4 với hàm lượng ≥ 1,0 µg/mL vừa tổng hợp IAA với hàm lượng ≥ 15,0 µg/mL được chọn để định danh và khảo nghiệm khả năng cố định đạm và tổng hợp IAA hữu hiệu lên cây lúa LP5. Hai mươi dòng vi khuẩn thuộc chi Bacillus, 4 dòng thuộc chi Burkholderia, 3 dòng thuộc chi Enterobacter, 3 dòng thuộc chi Geobacillus và 1 dòng thuộc chi Paracocus. Đánh giá hiệu quả của 35 dòng vi khuẩn được tuyển chọn lên chiều cao và trọng lượng khô lên cây lúa LP5 trồng trong dung dịch khoáng Yoshida ở giai đoạn 20 ngày, 4 dòng vi khuẩn: Bacillus sp. PL2, Burkholderia sp. PL9, Enterobacter sp. LĐ1 và Acinetobacter sp. GH1-1 có độ hữu hiệu cao để tiến hành khảo nghiệm trên cây lúa LP5 ở điều kiện nhà lưới. Hai dòng vi khuẩn Burkholderia sp. PL9 và Acinetobacter sp. GH1-1 có khả năng cung cấp từ 25 – 50% nhu cầu đạm cho sinh trưởng và phát triển của cây lúa ở điều kiện nhà lưới. Kết quả thí nghiệm ngoài đồng cho thấy 2 dòng vi khuẩn Burkholderia sp. PL9 và Acinetobacter sp. GH1-1 có ảnh hưởng tốt đến sự tăng trưởng và năng suất của giống lúa LP5 trồng trên nền đất nhiễm mặn sản xuất lúa theo mô hình lúa – tôm ở xã Gia Hòa 2, huyện Mỹ Xuyên, tỉnh Sóc Trăng. Chủng dòng vi khuẩn Burkholderia sp. PL9 hoặc Acinetobacter sp. GH1-1 kết hợp với bón 50% phân đạm cho năng suất lúa khác biệt không ý nghĩa so với lúa không chủng vi khuẩn và có bón 100%N hóa học. Như vậy, trồng lúa LP5 ở đất nhiễm mặn trong mô hình lúa – tôm có chủng vi khuẩn và bón bổ sung 50%N giúp tiết kiệm 50% phân bón đạm hóa học. Từ khóa: Cố định đạm sinh học, năng xuất, sản xuất lúa – tôm, tổng hợp IAA, vi khuẩn chịu mặn. ii ABSTRACT Thesis “Isolation and identification of salinity tolerant bacteria which can fix nitrogen and synthesize IAA in rice production system rice-shrimp in Bac Lieu, Soc Trang and Kien Giang provinces″ was carried out from December 2014 to March 2018. The purpose of this thesis was to select good indigenous bacteria which can fix nitrogen and synthesize IAA in rice production system rice-shrimp. The results of the thesis were as lested below. Two hundred and sixteen bacterial isolates were isolated from 65 rhizosphere soil samples collected from 3 provinces Bac Lieu, Soc trang and Kien Giang on nitrogen free Burk medium containing sodium chloride (10‰). These isolates could fix nitrogen and synthesise IAA. Thirty five isolates had the + capacity of nitrogen fixing (NH4 ) ≥ 1,0 µg/mL and synthesizing IAA ≥ 15,0 µg/mL as well. These strains were chosen for identifying and testing of their effectiveness on nitrogen fixing and IAA synthesizing capacity on rive variety LP15. Twenty bacterial isolates were identified as Bacillus genus, 4 isolates belonged to Burkholderia genus, 3 isolates belonged to Burkholderia genus, 3 isolates belonged to Geobacillus and one isolate belonged to Paracoccus genus. Based on the effectiveness of thirty five strains on the height and dry weight of rice seedlings grown in Yoshida medium after 20 days, 4 strains Bacillus sp. PL2, Burkholderia sp. PL9, Enterobacter sp. LĐ1 and Acinetobacter sp. GH1-1 which had high capacity of fixing nitrogen and synthsizing IAA were chosen to test their effectiveness on rice grown in the nethouse. Two strains Burkholderia sp. PL9 and Acinetobacter sp. GH1-1 had high effectiveness on rice growth could support 25 – 50% of nitrogen for rice growth in nethouse condition. In the field experiment, strains Burkholderia sp. PL9 and Acinetobacter sp. GH1-1 had good effects on rice growth and yield of rice variety LP5. Rice LP5 inoculated with either strain Burkholderia sp. PL9 or strain Acinetobacter sp. GH1-1 and supplied 50% nitrogen had the same yield as uninoculated rice applied 100% nitrogen. So, inoculated rice grown in rice production system rice-shrimp could save up to 50% of nitrogen fertilizer. Keywords: Biological nitrogen fixation, IAA synthesis, production system rice-shrimp, salanity tolerant bacteria, yield. iii CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc CAM KẾT KẾT QUẢ Tôi xin cam kết luận án “Phân lập và tuyển chọn vi khuẩn chịu mặn có khả năng cố định đạm, tổng hợp IAA trên mô hình canh tác lúa – tôm ở Bạc Liêu, Sóc Trăng và Kiên Giang” này được hoàn thành dựa trên các kết quả nghiên cứu của tôi và các kết quả này chưa được dùng cho bất cứ luận án cùng cấp nào khác. Cán bộ hướng dẫn Tác giả luận án PGS. TS. NGUYỄN HỮU HIỆP NGUYỄN ANH HUY iv MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN…………………………………………………………………..i TÓM TẮT .......................................................................................................... ABSTRACT ...................................................................................................... MỤC LỤC ......................................................................................................... DANH SÁCH BẢNG ...................................................................................... DANH SÁCH HÌNH .......................................................................................... DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................. CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU ................................................................................ 1.1Tính cấp thiết của đề tài ................................... 1.2Mục tiêu và nội dung nghiên cứu ..................... 1.2.1Mục tiêu n 1.2.2Nội dung n 1.3Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .................... 1.3.1Đối tượng 1.3.2Phạm vi ng 1.4Thời gian và địa điểm nghiên cứu .................... 1.4.1Thời gian 1.4.2Địa điểm n 1.5Những đóng góp của luận án ........................... 1.6Cơ sở lý luận và giả thuyết khoa học ................ 1.6.1Ý nghĩa kh 1.6.2Ý nghĩa th CHƯƠNG II. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ........................................................... 2.1 Đất nhiễm mặn và mô hình sản xuất lúa – tôm ở đồng bằng sông Cửu Long ............................................................................................................... 2.1.1Đất nhiễm mặn ........... 2.1.2Tính chống chịu mặn c 2.1.3Hiện trạng sản xuất lúa + 2.2 Vi khuẩn có khả năng tổng hợp NH và tổng hợp IAA ........................ 4 2.2.1Bacillus ...................... 2.2.2Burkholderia .............. 2.2.3Enterobacter .............. 2.2.4Rhizobium .................. 2.3 Khả năng cố định đạm và tổng hợp IAA của vi khuẩn vùng rễ lúa ...... 2.4 Khả năng chịu mặn của vi khuẩn cố định đạm và tổng hợp IAA .......... 2.5 Cơ chế và các nhân tố ảnh hưởng đến khả năng cố định đạm của vi khuẩn ................................................................................................................. 2.6 Tổng hợp IAA của vi khuẩn .................................................................. 2.6.1Lược sử 2.6.2Chức n 2.6.3Cơ chế 2.7 Tương tác giữa vi khuẩn vùng rễ và thực vật ........................................ 2.7.1Vùng r 2.7.2Xâm nh CHƯƠNG III. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CÚU ........................................... v 3.1 Nội dung nghiên cứu .............................................................................. 3.2 Phương tiện nghiên cứu ......................................................................... 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.3 Phương pháp nghiên cứu ....................................................................... 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4 3.3.5 Vật liệu ... Dụng cụ .. Thiết bị th Hóa chất v Thu mẫu đ Phân lập... Khảo sát đ + Xác định khả năng tổng hợp NH của các dòng vi khuẩn ............. 4 Định lượn + 3.3.6 Định danh các dòng vi khuẩn có khả năng tổng hợp NH và IAA với 4 hàm lượng cao bằng phương pháp giải trình tự vùng gen 16S rDNA ..... + 3.3.7 Khảo nghiệm các dòng vi khuẩn có khả năng tổng hợp NH và IAA hàm lượng cao .......................................................................................... 3.3.8 3.4 Tóm tắt các nội dung thí nghiệm ........................................................... CHƯƠNG IV. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................ 4.1 Phân lập vi khuẩn chịu mặn sống tự do từ đất sản xuất lúa – tôm có khả 4 Cách lấy c + năng tổng hợp NH và IAA ......................................................................... 4 4.1.1 Kết quả thu mẫu từ đất sản xuất lúa-tôm ........................................ 4.1.2 Kết quả phân lập vi khuẩn chịu mặn sống tự do trong đất sản xuất lúa + – tôm, có khả năng cố định đạm NH và tổng hợp IAA ......................... 4 4.2 Khả năng tổng hợp NH+ và tổng hợp IAA của các dòng vi khuẩn được 4 phân lập ........................................................................................................ 4.2.1 4.2.2Khả năng tổng hợp IAA c 4.3 Khả năng cố định đạm của 4 dòng vi khuẩn có hiệu quả cao với cây lúa ở giai đoạn mạ, ở độ mặn 0‰, 5‰ và 10‰ ................................................... 4.4 Định danh các dòng vi khuẩn có khả năng tổng hợp và tổng hợp IAA với hàm lượng cao bằng kỹ thuật sinh học phân tử ........................................... + Khả năng tổng hợp NH4 của các dòng vi khuẩn được phân lập .... 4.5 Tuyển chọn các dòng vi khuẩn có khả năng tổng hợp NH+ và IAA với hàm lượng cao cho canh tác lúa ................................................................... 4.5.1 Tuyển chọn các dòng vi khuẩn có khả năng cố định đạm hữu hiệu đối với cây lúa trồng trong điều kiện phòng thí nghiệm ................................ 4.5.2 Tuyển chọn các dòng vi khuẩn có khả năng cố định đạm hữu hiệu đối với cây lúa trồng trong chậu trong điều kiện nhà lưới ............................. 4.5.3 Tuyển chọn các dòng vi khuẩn có khả năng cố định đạm đối với cây lúa trồng ở điều kiện ngoài đồng ............................................................. CHƯƠNG V. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT ..................................................... 5.1 Kết luận .................................................................................................. 5.2 Đề xuất ................................................................................................... DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ....................................... TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... PHỤ LỤC ...................................................................................................... vi DANH SÁCH BẢNG Bảng 2.1: Phân loại đất mặn dựa vào các chỉ tiêu pH, EC, SAR, ESP ............. Bảng 2.2: Thang đánh giá mức độ chống chịu mặn ở giai đoạn tăng trưởng của cây lúa ................................................................................................................ Bảng 2.3: Khả năng cố định đạm và tổng hợp IAA của vi khuẩn vùng rễ lúa đươc phân lập ................................................................................................... Bảng 2.4: Thành phần cấu tạo nitrogenase ...................................................... + Bảng 3.1: Bố trí thí nghiệm xây dựng đường chuẩn NH4 ............................... + Bảng 3.2: Giá trị đường chuẩn NH4 ................................................................ Bảng 3.3: Thành phần phản ứng PCR ............................................................. Bảng 3.4: Các nghiệm thức trong thí nghiệm .................................................. Bảng 3.5: Đặc tính đất thí nghiệm trồng lúa trong chậu thu ở Mỹ Xuyên, Sóc Trăng ................................................................................................................ Bảng 3.6: Các nghiệm thức được bố trí trong thí nghiệm ............................... Bảng 3.7: Đặc tính đất thí nghiệm trồng lúa ngoài đồng ở Mỹ Xuyên, Sóc Trăng ................................................................................................................. Bảng 3.8: Các nghiệm thức được bố trí trong thí nghiệm ............................... Bảng 4.1: Tổng hợp các mẫu đất được thu để phân lập .................................. Bảng 4.2: Các dòng vi khuẩn được phân lập từ đất vùng rễ lúa nhiễm mặn ở Bạc Liêu, Sóc Trăng và Kiên Giang ....................................................................... Bảng 4.3: Tổng hợp đặc điểm khuẩn lạc các dòng vi khuẩn ........................... Bảng 4.4: Tổng hợp đặc điểm tế bào vi khuẩn ................................................ + Bảng 4.5: Hàm lượng NH và IAA của 35 dòng vi khuẩn được tuyển chọn .. Bảng 4.6: Đặc điểm của 35 dòng vi khuẩn tuyển chọn được định danh theo độ tương đồng của đoạn gen 16S rDNA ............................................................... Bảng 4.7: Ảnh hưởng của 35 dòng vi khuẩn chịu mặn lên sự sinh trưởng và phát triển của cây lúa LP5 ở giai đoạn 20 ngày tuổi ............................................... Bảng 4.8: Chiều cao cây lúa (cm) ở các giai đoạn sinh trưởng dưới ảnh hưởng của các nồng độ đạm và vi khuẩn trong nhà lưới ............................................ Bảng 4.9: Số chồi/bụi ở các giai đoạn sinh trưởng dưới ảnh hưởng của các nồng độ đạm và vi khuẩn trong nhà lưới .................................................................. Bảng 4.10: Ảnh hưởng của các mức phân đạm và các dòng vi khuẩn đến các thành phần năng suất và năng suất thực tế của cây lúa LP5 ............................ Bảng 4.11: Chiều cao cây lúa ở các giai đoạn sinh trưởng của các nghiệm thức thí nghiệm tại huyện Mỹ Xuyên, tỉnh Sóc Trăng, vụ Đông Xuân 2017-2018 86 2 Bảng 4.12: Số chồi lúa/m ở các giai đoạn sinh trưởng của các nghiệm thức thí nghiệm tại huyện Mỹ Xuyên, tỉnh Sóc Trăng, vụ Đông Xuân 2017-2018 ..... 4 vii DANH SÁCH HÌNH Hình 2.1: Sơ đồ mặt cắt ngang ruộng tôm sú – lúa truyền thống……………..…9 Hình 2.2: Sơ đồ mặt cắt ngang ruộng tôm sú – lúa cải tiến…………………….9 Hình 2.3: Cấu trúc ruộng sản xuất theo mô hình lúa tôm……………………..9 Hình 2.4: Lịch thời vụ sản xuất luân canh tôm – lúa………………………….10 Hình 2.5: Bản đồ hệ thống gen nif của P. stutzeri A1501 (Desnoues, 2003)….16 Hình 2.6: Hệ thống gen nif của một số dòng vi khuẩn (Yan et al., 2008)……..16 Hình 2.7: Cấu trúc không gian phân tử MoFe-protein (trái) và Fe-protein (phải) (Ibrahim et al., 1999)........................................................................................ Hình 2.8: Sơ đồ cấu trúc hóa học của nhân tố Fe và Mo (Mayer et al., 2002)…18 Hình 2.9: Cấu trúc không gian nitrogenase (Burges et al,. 1996)...................... Hình 2.10: Chu trình Fe-Protein........................................................................ Hình 2.11: Sơ đồ quá trình khử N2 thành NH3 (Moore et al., 1998)................... Hình 2.12: Sơ đồ cơ chế cố định đạm sinh học (Moore et al., 1998)........ Hình 2.13: Nồng độ oxy ảnh hưởng đến hoạt tính nitrogenase P. Stutzeri A1501..……………………………………………………………………….22 Hình 2.14: Sơ đồ cấu tạo hóa học IAA (Baca and Elmerich,2007).................... Hình 2.15: Sơ đồ lộ trình tổng hợp IAA ở vi khuẩn (Patten et al., 2013)............ Hình 2.16: Sơ đồ phản ứng chuyển hóa indole-3-glycerol phosphate thành tryptophan …………………………………………………………………….26 Hình 2.17: Sơ đồ vi khuẩn Gluconacetobacter diazotrophicus tiết ra enzyme cellulase phá hủy màng tế bào, xâm nhập vào bên trong nhu mô rễ (Edward and Cocking, 2012)……………………………………………………………….27 Hình 2.18: Cấu trúc nốt rễ trên cây lúa (Li et al., 1991) ………........................27 Hình 2.19: Vi khuẩn nội sinh rễ lúa (Li et al., 1991) Hình 3.1: Sơ đồ thu mẫu đất vùng rễ lúa............................................................ Hình 3.2: Sơ đồ pha loãng vi khuẩn................................................................... Hình 3.3: Sơ đồ phân lập vi khuẩn từ mẫu đất vùng rễ lúa cho đến khi trữ mẫu.32 Hình 3.4: Sơ đồ chủng vi khuẩn........................................................................ + Hình 3.5: Phản ứng màu của các ống nghiệm xây đường chuẩn đo NH ........... 4 + Hình 3.6: Đồ thị đường chuẩn NH4 ................................................................... Hình 3.7: Phản ứng màu của các ống nghiệm xây đường chuẩn đo IAA........... Hình 3.9: Chu kỳ gia nhiệt của phản ứng PCR với cặp mồi tổng....................... Hình 3.10: Phổ điện di sản phẩm PCR được nhân lên từ DNA các dòng vi khuẩn được phân lập.................................................................................................... Hình 3.11: Sơ đồ tóm tắt các nội dung thí nghiệm............................................. Hình 3.8: Đồ thị đường chuẩn NH4+…………………………………………37 i Hình 4.1: Khuẩn lạc của vi khuẩn Burkholderia sp. PL9 (A) và Acinetobacter sp. GH1-1(B) trên môi trường Burk không đạm bổ sung muối 10‰................. + Hình 4.2: Hàm lượng tổng hợp NH của 216 dòng vi khuẩn qua 2, 4, 6 ngày 4 khảo sát............................................................................................................. Hình 4.3: Khả năng tổng hợp NH4+ thay đổi qua ngày 2, ngày 4 và ngày 6...... Hình 4.4: Hàm lượng tổng hợp IAA của 216 dòng vi khuẩn qua 2, 4, 6 ngày khảo sát............................................................................................................. Hình 4.5: Khả năng tổng hợp IAA thay đổi qua ngày 2, ngày 4 và ngày 6......... Hình 4.6: Hàm lượng NH4+được tổng hợp 10‰..........................................................................55 của 4 dòng vi khuẩn ở các nồng độ muối (NaCl) 0‰, 5‰ và Hình 4.7: Cây phả hệ (phylogenetic tree) trình bày mối quan hệ di truyền dựa trên vùng gen 16S rDNA của các dòng vi khuẩn vùng rễ lúa chịu mặn được phân lập (theo Neighbor-joining), chỉ số bootstrap 1000……………………..57 Hình 4.8: Cây lúa ở giai đoạn 20 ngày trong điều kiện phòng thí nghiệm.......... Hình 4.9: Chiều cao cây lúa LP5 ở giai đoạn 20 ngày tuổi................................. Hình 4.10: Giống lúa LP5 chủng vi khuẩn với các mức phân đạm.................... Hình 4.11: Chiều cao cây lúa trồng trong chậu.................................................. Hình 4.12: Số chồi/bụi ở các giai đoạn sinh trưởng của cây lúa trồng trong chậu dưới ảnh hưởng ở mức độ 25%N và vi khuẩn.................................................... Hình 4.13: Số chồi/bụi ở các giai đoạn sinh trưởng của cây lúa trồng trong chậu dưới ảnh hưởng ở mức độ 50% đạm và vi khuẩn.…………………………...64 Hình 4.14: Số chồi/bụi ở các giai đoạn sinh trưởng của cây lúa trồng trong chậu dưới ảnh hưởng ở mức độ 75% đạm và vi khuẩn…………………………….65 Hình 4.15: Số chồi/bụi ở các giai đoạn sinh trưởng của cây lúa trồng trong chậu dưới ảnh hưởng ở mức độ 75% đạm và vi khuẩn.…………………………...66 Hình 4.16: Chỉ số màu lá ở các giai đoạn sinh trưởng của cây lúa trồng trong chậu dưới ảnh hưởng ở mức độ 25% đạm và vi khuẩn………………………..67 Hình 4.17: Chỉ số màu lá ở các giai đoạn sinh trưởng của cây lúa trồng trong chậu dưới ảnh hưởng ở mức độ 50% đạm và vi khuẩn………………………...67 Hình 4.18: Chỉ số màu lá ở các giai đoạn sinh trưởng của cây lúa trồng trong chậu dưới ảnh hưởng ở mức độ 75% đạm và vi khuẩn………………………...68 Hình 4.19: Chỉ số màu lá ở các giai đoạn sinh trưởng của cây lúa trồng trong chậu dưới ảnh hưởng ở mức độ 100% đạm và vi khuẩn..................................... Hình 4.20: Số bông/bụi ở giai đoạn thu hoạch của cây lúa trồng trong chậu ở mức độ bón 25% phân đạm và vi khuẩn............................................................ Hình 4.21: Số bông/bụi ở giai đoạn thu hoạch của cây lúa trồng trong chậu ở mức độ bón 50% phân đạm và vi khuẩn………………………………………70 Hình 4.22: Số bông/bụi ở giai đoạn thu hoạch của cây lúa trồng trong chậu ở mức độ bón 75% phân đạm và vi khuẩn............................................................ ii Hình 4.23: Số bông/bụi ở giai đoạn thu hoạch của cây lúa trồng trong chậu ở mức độ bón 75% phân đạm và vi khuẩn......................................................... 71 Hình 4.24: Chiều dài bông lúa (cm) ở giai đoạn thu hoạch............................. 71 Hình 4.25: Chiều dài bông lúa (cm) ở giai đoạn thu hoạch của cây lúa trồng trong chậu ở mức độ bón 25% phân đạm và vi khuẩn....................................72 Hình 4.26: Chiều dài bông lúa (cm) ở giai đoạn thu hoạch của cây lúa trồng trong chậu ở mức độ bón 50% phân đạm và vi khuẩn....................................72 Hình 4.27: Chiều dài bông lúa (cm) ở giai đoạn thu hoạch của cây lúa trồng trong chậu ở mức độ bón 75% phân đạm và vi khuẩn....................................73 Hình 4.28: Chiều dài bông lúa (cm) ở giai đoạn thu hoạch của cây lúa trồng trong chậu ở mức độ 100% đạm và vi khuẩn.................................................. 73 Hình 4.29: Số hạt chắc/bông ở giai đoạn thu hoạch của cây lúa trồng trong chậu ở mức độ bón 25% phân đạm và vi khuẩn...................................................... 74 Hình 4.30: Số hạt chắc/bông ở giai đoạn thu hoạch của cây lúa trồng trong chậu ở mức độ bón 50% phân đạm và vi khuẩn...................................................... 74 Hình 4.31: Số hạt chắc/bông ở giai đoạn thu hoạch của cây lúa trồng trong chậu ở mức độ bón 75% phân đạm và vi khuẩn...................................................... 75 Hình 4.32: Số hạt chắc/bông ở giai đoạn thu hoạch của cây lúa trồng trong chậu ở mức độ bón 100% phân đạm và vi khuẩn.................................................... 75 Hình 4.33: Số hạt chắc/bông ở giai đoạn thu hoạch của cây lúa trồng trong chậu ở mức độ bón 25% phân đạm và vi khuẩn...................................................... 76 Hình 4.34: Số hạt chắc/bông ở giai đoạn thu hoạch của cây lúa trồng trong chậu ở mức độ bón 50% phân đạm và vi khuẩn...................................................... 76 Hình 4.35: Số hạt chắc/bông ở giai đoạn thu hoạch của cây lúa trồng trong chậu ở mức độ bón 75% phân đạm và vi khuẩn...................................................... 77 Hình 4.36: Số hạt chắc/bông ở giai đoạn thu hoạch của cây lúa trồng trong chậu ở mức độ bón 100% phân đạm và vi khuẩn.................................................... 77 Hình 4.37: Trọng lượng khô 1000 hạt (g) của cây lúa trồng trong chậu ở mức độ bón 25% phân đạm và vi khuẩn................................................................. 78 Hình 4.38: Trọng lượng khô 1000 hạt (g) của cây lúa trồng trong chậu ở mức độ bón 50% phân đạm và vi khuẩn................................................................. 78 Hình 4.39: Trọng lượng khô 1000 hạt (g) của cây lúa trồng trong chậu ở mức độ bón 75% phân đạm và vi khuẩn................................................................. 79 Hình 4.40: Trọng lượng khô 1000 hạt (g) của cây lúa trồng trong chậu ở mức độ bón 100% phân đạm và vi khuẩn............................................................... 79 Hình 4.41: Năng suất của cây lúa trồng trong chậu (g/chậu) ở mức độ bón 25% phân đạm và vi khuẩn..................................................................................... 80 Hình 4.42: Năng suất của cây lúa trồng trong chậu (g/chậu) ở mức độ bón 50% phân đạm và vi khuẩn..................................................................................... 80 iii Hình 4.43: Năng suất của cây lúa trồng trong chậu (g/chậu) ở mức độ bón 75% phân đạm và vi khuẩn..................................................................................... 81 Hình 4.44: Năng suất của cây lúa trồng trong chậu (g/chậu) ở mức độ bón 100% phân đạm và vi khuẩn..................................................................................... 81 Hình 4.45: Giống lúa LP5 chủng 2 dòng vi khuẩn với các mức phân đạm.....83 Hình 4.46: Chiều cao cây lúa trồng của các nghiệm thức thí nghiệm ngoài đồng tại huyện Mỹ Xuyên, tỉnh Sóc Trăng trong vụ Đông Xuân 2017-2018 ở giai đoạn 44 ngày sau khi cấy................................................................................ 84 Hình 4.47: Chiều cao cây lúa trồng ngoài đồng ở giai đoạn 19 ngày với các mức độ bón phân đạm và vi khuẩn......................................................................... 84 Hình 4.48: Chiều cao cây lúa trồng ngoài đồng ở giai đoạn 44 ngày với các mức độ bón phân đạm và vi khuẩn......................................................................... 85 Hình 4.49: Chiều cao cây lúa trồng ngoài đồng ở giai đoạn 65 ngày với các mức độ bón phân đạm và vi khuẩn......................................................................... 85 Hình 4.50: Chiều cao cây lúa trồng ngoài đồng ở giai đoạn thu hoạch với các mức độ bón phân đạm và vi khuẩn................................................................. 86 2 Hình 4.51: Số chồi/m của cây lúa trồng ngoài đồng ở giai đoạn 19 ngày với các mức độ bón phân đạm và vi khuẩn................................................................. 88 2 Hình 4.52: Số chồi/m của cây lúa trồng ngoài đồng ở giai đoạn 44 ngày với các mức độ bón phân đạm và vi khuẩn................................................................. 88 2 Hình 4.53: Số chồi/m của cây lúa trồng ngoài đồng ở giai đoạn 65 ngày với các mức độ bón phân đạm và vi khuẩn................................................................. 89 Hình 4.54: Chiều dài bông lúa (cm) trồng ngoài đồng ở giai đoạn thu hoạch với các mức độ bón phân đạm và vi khuẩn........................................................... 90 Hình 4.55: Chiều dài bông lúa (cm) ở giai đoạn thu hoạch............................. 90 Hình 4.56: Tỷ lệ hạt lép (%) của lúa trồng ngoài đồng với các mức độ bón phân đạm và vi khuẩn.............................................................................................. 91 2 Hình 4.57: Số bông lúa/m trồng ngoài đồng ở giai đoạn thu hoạch với các mức độ bón phân đạm và vi khuẩn......................................................................... 91 Hình 4.58: Giống lúa LP5 chủng dòng vi khuẩn với các mức phân đạm 92 iv DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ADN ATP BĐKH CFU ĐBSCL ĐC EC FAO GNFMM IAA KL NFb nif NSKS NT OD PCR Adenosine diphosphate Adenosine triphosphate Biến đổi khí hậu Colony Forming Units Đồng bằng sông Cửu Long Đối chứng Electrically Conductive Food and Agriculture Organization Glucose Nitrogene Free Mineral Medium indole acetic acid Khối lượng Nitrogen free Bromothymol Nitrogen fixing Ngày sau khi sạ Nghiệm thức Optical density Polymerase Chain Reaction v CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU 1.1 Tính cấp thiết của đề tài Trong điều kiện biến đổi khí hậu và sự nóng lên toàn cầu thì xâm nhập mặn là một trong những vấn đề cấp thiết của ngành nông nghiệp vì nó tác động trực tiếp đến năng suất và chất lượng nông sản. Trong khi đất nông nghiệp ngày càng bị thu hẹp do nhiễm mặn thì ngược lại dân số thế giới ngày càng tăng, theo dự báo sản xuất lương thực trên toàn thế giới phải tăng tới 38% vào năm 2025 và lên đến 57% vào năm 2050 (Abrol, 2004). Việt Nam là quốc gia dễ bị ảnh hưởng bởi tác động của BĐKH. Thứ nhất, điều kiện địa lý Việt Nam rất thuận lợi cho sự xâm thực của nước biển, là quốc gia ven biển có đường bờ biển dài và hẹp. Cùng với đó là việc một số quốc gia ở thượng nguồn sông Mekong đã và đang đẩy mạnh xây dựng các “siêu đập” thủy lợi và thủy điện ngăn chặn dòng chảy làm suy giảm lưu lượng nước từ thượng nguồn, đây là yếu tố thuận lợi cho sự xâm thực sâu vào nội đồng của nước biển, đồng thời làm giảm lượng phù sa bồi đắp cho đồng bằng sông Cửu Long. Thứ hai, Việt Nam là quốc gia nông nghiệp, có tới 48% dân số dựa vào nông nghiệp làm sinh kế, với trình độ canh tác còn lạc hậu, phụ thuộc chủ yếu thiên nhiên, vì thế khi đất nông nghiệp bị nhiễm mặn thì sản lượng và chất lượng nông sản suy giảm đáng kể. Theo Vũ Văn Vụ (1999) khi kỹ thuật canh tác nông nghiệp ngày càng hiện đại, thâm canh ngày càng cao, thì vai trò của chất dinh dưỡng và chất điều hòa sinh trưởng càng có vai trò đặc biệt vì nó điều chỉnh quá trình sinh trưởng và phát triển của cây một cách hợp lý nhất, làm tăng năng suất và phẩm chất nông sản. Vi khuẩn vùng rễ có vai trò quan trọng trong nông nghiệp cả về số lượng, chất lượng và tính thân thiện với môi trường. Về số lượng, phân đạm sinh học được cố định bởi vi khuẩn chiếm tới 70% tổng lượng đạm trên toàn trái đất (Peter et al., 2002). Về chất lượng, đạm sinh học không gây hiện tượng dư đạm ở cây trồng, ngăn ngừa tích lũy nitrate, giảm ô nhiễm nguồn nước (Yang et al., 2008). Ngoài ra, vi khuẩn vùng rễ còn có tác dụng kích thích sinh trưởng và phát triển bộ rễ giúp tăng sự hấp thu dưỡng chất từ đất, điều này có ý nghĩa cực kì quan trọng đối với thực vật trong điều kiện nhiễm mặn bởi vì nhiễm mặn là trở ngại hàng đầu trong việc hấp thu dinh dưỡng của thực vật, đồng thời đạm là nhân tố giới hạn của đất mặn. Bên cạnh đó, việc sử dụng quá nhiều phân bón vô cơ đã phát sinh nhiều ảnh hưởng tiêu cực, gây ô nhiễm môi trường và nông sản. Theo Võ Minh Kha (2003) chỉ 50 – 60% lượng đạm bón vào trong đất được cây lúa hấp thu, số còn lại sẽ được lưu tồn trong đất hoặc trực di hay rữa trôi dẫn đến sự nhiễm nitrate cho đất và nước, đồng thời dư lượng nitrate cũng tồn dư trong nông sản. Đồng thời việc sử dụng quá nhiều phân bón vô cơ trong thời 1 gian dài làm cho đất bị chay cứng, giảm độ phì, tăng chi phí sản xuất, giá trị nông sản giảm dẫn đến hiệu quả kinh tế thấp. Qua nhiều kết quả nghiên cứu cho thấy, có nhiều dòng vi khuẩn có khả năng thay thế tới 50% phân đạm vô cơ, đồng thời tổng hợp IAA với hàm lượng cao. Vì vậy đề tài “Phân lập và tuyển chọn vi khuẩn chịu mặn có khả năng cố định đạm, tổng hợp IAA trên mô hình canh tác lúa – tôm ở Bạc Liêu, Sóc Trăng và Kiên Giang” được tiến hành nhầm tuyển chọn những dòng vi khuẩn bản địa vừa có khả năng cố định đạm vừa tổng hợp IAA với hàm lượng cao. Đồng thời có hiệu quả trên giống lúa kháng mặn LP5 canh tác theo mô hình lúa – tôm, vừa có tác dụng giảm lượng phân bón hóa học vừa giúp gia tăng năng suất cho cây lúa trồng trên nền đất nhiễm mặn, góp phần duy trì và phát triển hình thức sản xuất lúa-tôm, thân thiện với môi trường và thích ứng với biến đổi khí hậu. 1.2 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu chính: Tuyển chọn được các dòng vi khuẩn chịu mặn, sống tự do có khả năng cố định đạm và tổng hợp IAA giúp giảm sử dụng phân đạm vô cơ và cải thiện năng suất lúa trong mô hình canh tác lúa – tôm. Mục tiêu cụ thể Phân lập các dòng vi khuẩn chịu mặn ở nồng độ muối 10‰ có khả năng cố định đạm và tổng hợp IAA, sống tự do trong đất vùng rễ lúa sản xuất theo mô hình canh tác lúa – tôm ở Bạc Liêu, Sóc Trăng và Kiên Giang. Đánh giá tính hiệu quả của các dòng vi khuẩn được tuyển chọn lên cây lúa chịu mặn trong điều kiện phòng thí nghiệm, nhà lưới và ngoài đồng ruộng. Tuyển chọn được từ 2 – 4 dòng vi khuẩn cho hiệu quả cao, có tiềm năng ứng dụng sản xuất phân vi sinh chịu mặn dùng cho cây lúa trồng trên đất sản xuất theo mô hình lúa – tôm. 1.2.2 Nội dung nghiên cứu Nội dung 1. Phân lập các dòng vi khuẩn chịu mặn có khả năng cố định đạm và tổng hợp IAA, sống tự do trong đất vùng rễ lúa, sản xuất theo mô hình canh tác lúa – tôm ở Bạc Liêu, Sóc Trăng và Kiên Giang. Nội dung 2. Khảo sát đặc điểm hình thái và đặc tính sinh hóa các dòng vi khuẩn được phân lập. Nội dung 3. Xác định khả năng cố định đạm và tổng hợp IAA của các dòng vi khuẩn được phân lập. Nội dung 4. Định danh các dòng vi khuẩn có hiệu quả cao bằng phương pháp giải trình tự vùng gen 16S rDNA. 2 Nội dung 5. Khảo nghiệm để đánh giá tính hiệu quả của các dòng vi khuẩn trồng trong điều kiện phòng thí nghiệm, trong nhà lưới và ngoài đồng. 1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1.3.1 Đối tượng nghiên cứu Các dòng vi khuẩn chịu mặn có khả năng cố định đạm và tổng hợp IAA sống tự do trong đất sản xuất theo mô hình canh tác lúa – tôm. 1.3.2 Phạm vi nghiên cứu Dùng môi trường Burk không đạm, bổ sung muối 10‰ phân lập các dòng vi khuẩn sống tự do trên đất vùng rễ lúa có khả năng cố định đạm, sinh tổng hợp IAA hiệu quả trên cây lúa trong mô hình canh tác lúa – tôm ở ba tỉnh Bạc Liêu, Sóc Trăng và Kiên Giang. Phạm vi của đề tài chỉ khảo sát khả năng cố định đạm và tổng hợp IAA, không khảo sát khả năng hòa tan lân của vi khuẩn 1.4 Thời gian và địa điểm nghiên cứu 1.4.1 Thời gian nghiên cứu Thời gian nghiên cứu thực tế của Nghiên cứu sinh từ tháng12 năm 2014 đến tháng 3 năm 2018. 1.4.2 Địa điểm nghiên cứu Thu mẫu đất từ các ruộng canh tác theo mô hình lúa – tôm ở 3 tỉnh Bạc Liêu, Sóc Trăng và Kiên Giang. Phân lập vi khuẩn, khảo sát các đặc tính hình thái, sinh hóa, khả năng cố định đạm và tổng hợp IAA tại phòng thí nghiệm vi sinh vật; thực hiện phản ứng PCR tại phòng thí nghiệm Sinh học Phân tử thuộc Viện Nghiên cứu và Phát triển Công nghệ Sinh học, trường Đại Học Cần Thơ. Phân tích đặc tính của đất tại Bộ môn Khoa học đất, Khoa Nông nghiệp và Sinh học ứng dụng, trường Đại Học Cần Thơ. Khảo nghiệm tại Trung tâm giống cây trồng tỉnh Sóc Trăng và ruộng lúa – tôm của ông Lê Sĩ Quang, ấp Bình Hòa, xã Gia Hòa 2, huyện Mỹ Xuyên, tỉnh Sóc Trăng. 1.5 Những đóng góp của luận án Hai trăm mười sáu dòng vi khuẩn chịu mặn đã được phân lập có khả năng cố định đạm và tổng hợp IAA từ đất canh tác theo mô hình lúa – tôm ở Bạc Liêu, Sóc Trăng và Kiên Giang trên môi trường Burk không đạm có bổ sung muối 10‰. Dùng phương pháp Phenol – Nitroprusside để khảo sát khả năng cố định đạm và dùng phương pháp Salkowski để xác định khả năng tổng hợp IAA của vi khuẩn được phân lập. 3 + Tuyển chọn được 35 dòng vi khuẩn vừa có khả năng tổng hợp NH4 với hàm lượng ≥ 1,0 µg/mL vừa tổng hợp IAA với hàm lượng ≥ 15,0 µg/mL. Để thực hiện định danh và khảo nghiệm khả năng cố định đạm và tổng hợp IAA hữu hiệu lên cây lúa LP5. Ba mươi lăm dòng vi khuẩn được tuyển chọn được giải trình tự vùng gen 16S rDNA và so sánh tương quan di truyền trên cơ sở dữ liệu NCBI, kết quả định danh được 35 dòng có độ tương đồng đạt từ 84% trở lên. Trong đó có 20 dòng thuộc chi Bacillus, 4 dòng thuộc chi Burkholderia, 3 dòng thuộc chi Enterobacter, 3 dòng thuộc chi Geobacillus và 1 dòng thuộc chi Paracocus. + Ba mươi lăm dòng vi khuẩn vừa có khả năng tổng hợp NH4 vừa tổng hợp IAA với hàm lượng cao được chọn để khảo nghiệm hiệu quả lên chỉ tiêu chiều cao cây lúa và khối lượng khô cây lúa ở điểm 20 ngày. Kết quả chọn được 4 dòng có hiệu quả cao và khác biệt có ý nghĩa thống kê để tiếp tục khảo nghiệm trên cây lúa trồng trong chậu. Bốn dòng vi khuẩn được chủng lên cây lúa kết hợp với bón các mức phân đạm, kết quả cho thấy cả 4 dòng vi khuẩn có khả năng cung cấp từ 25 – 50% nhu cầu đạm cho sự sinh trưởng và phát triển của cây lúa LP5 trồng trong chậu. Từ kết quả khảo nghiệm trong chậu, chọn được 2 dòng cho thử nghiệm ngoài đồng, kết quả dòng Burkholderia sp. PL9 và dòng Acinetobacter sp. GH1-1 có khả năng thay thế đến 50% phân đạm hóa học cho cây lúa LP5 trồng trên nền đất nhiễm mặn. 1.6 Cơ sở lý luận và giả thuyết khoa học 1.6.1 Ý nghĩa khoa học Phân lập, tuyển chọn và nhận diện các dòng vi khuẩn chịu mặn có khả năng cố định đạm và tổng hợp IAA trên nền đất sản xuất lúa – tôm. Kết quả của luận án có thể sử dụng cho các nghiên cứu tiếp theo và bổ sung giáo trình giảng dạy. 1.6.2 Ý nghĩa thực tiễn Cung cấp nguồn nguyên liệu ban đầu (hai dòng vi khuẩn chịu mặn có khả năng cố định đạm và tổng hợp IAA hữu hiệu cho cây lúa trồng trên nền đất nhiễm mặn, sản xuất lúa – tôm) cho các nghiên cứu tiếp theo. Kết quả mở ra triển vọng sản xuất phân bón vi sinh chịu mặn chứa 2 chủng vi khuẩn Burkholderia sp. PL9 và dòng Acinetobacter sp. GH1-1, dùng trên đất sản xuất lúa bị nhiễm mặn, góp phần hạn chế hạn chế sử dụng phân đạm vô cơ cho cây lúa trồng trên đất nhiễm mặn. 4 CHƯƠNG II. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1 Đất nhiễm mặn và mô hình sản xuất lúa – tôm ở đồng bằng sông Cửu Long 2.1.1 Đất nhiễm mặn Trên thế giới có khoảng 830 triệu ha đất bị ảnh hưởng mặn bao gồm mặn và sodic, phân bố chủ yếu ở Châu Phi, Châu Á, Châu Úc và Châu Mỹ (MartinezBeltran and Manzur, 2005). Đất mặn trải rộng trên những vùng đất khô hạn và bán khô hạn và mở rộng ra những vùng có khí hậu cận nhiệt đới và nhiệt đới, đặc biệt ở những khu vực ven biển nơi có sự xâm thực của nước biển là nguyên nhân chính gây nhiễm mặn cho đất (Abrol et al., 1988). Theo Bản đồ đất VN (1976) được trích dẫn bởi Trần Minh Tiến và ctv. (2013) đất mặn ở đồng bằng sông Cửu Long có diện tích 884,2 ngàn ha chiếm 27,2% diện tích đất tự nhiên ĐBSCL. Theo Harreaves and Merkley (1998) có 3 lý do chính đất nhiễm mặn ảnh hưởng đến nông nghiệp: Thứ nhất muối là chất độc đối với thực vật; thứ hai, muối làm ảnh hưởng xấu đến cấu trúc đất; thứ ba muối làm tăng chất tan, tăng áp suất thẩm thấu trong đất dẫn đến giảm lượng nước hữu dụng cho cây. Đất mặn được xem là đất có vấn đề phổ biến trên thế giới, làm hạn chế năng suất cây trồng. Tính chất vật lý và hoá học của đất mặn rất đa dạng, biến thiên tuỳ thuộc vào nguồn gốc của hiện tượng mặn, độ pH của đất, hàm lượng chất hữu cơ trong đất, chế độ thuỷ văn và nhiệt độ. Đất mặn chứa một lượng muối hoà tan trong nước ở vùng rễ cây, làm thay đổi áp suất thẩm thấu tế bào rễ làm cây mất nước và giảm khả năng hút chất dinh dưỡng làm thiệt hại đến hoạt động sinh trưởng của cây trồng. Mức độ gây hại của đất mặn tuỳ thuộc vào loài cây trồng, giống cây, thời gian sinh trưởng, các yếu tố môi trường đi kèm theo nó, và tính chất của đất. Theo kết quả nghiên cứu của Lâm Văn Tân và ctv. (2014), đất bị ngập mặn trong 2 tuần với nồng độ NaCl 4‰ đất có thể bị mặn và sodic hóa, gây trở ngại trong sản xuất nông nghiệp. Hội Khoa Học Đất của Mỹ định nghĩa đất mặn là đất có độ dẫn điện (EC) lớn hơn 2 dS/m, không kể đến giá trị tỷ lệ hấp thu sodium (SAR) và pH. Tuy nhiên, hầu hết các định nghĩa khác đều chấp nhận đất mặn là đất có độ dẫn điện (EC) cao hơn 4 dS/m ở điều kiện nhiệt độ là 25 ºC, phần trăm sodium trao đổi (ESP) kém hơn 15, và pH < 8,5. Đất mặn được hình thành do các nguyên nhân chính sau: Sự phong hóa đá và các khoáng chất trong đất phóng thích các muối hòa tan vào trong đất; Nước ngầm chảy qua các trầm tích chứa muối sẽ hòa tan và chuyển đi tích lũy ở những vùng trũng, khô hạn; Sự xâm nhập của nước biển, đây là nguyên nhân chính dẫn đến sự suy giảm chất lượng tầng đất canh tác và làm giảm + 2+ 2+ + năng xuất và chất lượng nông sản. Các ion chủ yếu trong đất mặn là Na , Ca , Mg , K , − Cl , 5 SO24−, HCO−3, CO23−, NO−3. Trong đó ion Cl−, SO24− gây hại nhiều nhất cho cây trồng (Lê Thanh Bồn, 2009). Đất bị nhiễm mặn được chia làm ba loại: Đất mặn (saline soils), đất mặn sodic (saline-sodic soil), đất sodic (sodic soils). Phân loại đất mặn dựa vào hàm lượng muối, loại muối và sự hiện diện của Na trong đất kiềm. Tác động tiêu cực của đất mặn lên cây trồng tăng dần từ đất mặn, đất kiềm mặn và đất kiềm. Các đại lượng đo lường độ mặn và mức độ kiềm hóa: Độ dẫn điện (EC), là đại lượng dùng để đo lường độ dẫn điện của các ion hòa tan trong dung dịch đất hay còn gọi là độ mặn của đất; Độ bảo hòa sodium (ESP), diễn tả mức độ bảo hòa Na của keo đất; Tỉ số sodium hấp phụ (SAR), cho biết tỉ lệ tương đối của Na, Ca, và Mg trong dung dịch. Tỉ số này cho thấy sự giảm ảnh hưởng bất lợi của Na khi có sự hiện diện Ca và Mg. Bảng 2.1: Phân loại đất mặn dựa vào các chỉ tiêu pH, EC, SAR, ESP Phân loại đất mặn Đất mặn Đất mặn sodic Đất sodic (Nguồn: Giáo trình giảng dạy của Nguyễn Mỹ Hoa và ctv (2012)) 2.1.2 Tính chống chịu mặn của cây lúa 2.1.2.1 Cơ chế chịu mặn của cây lúa Lúa là cây lương thực quan trọng của nhân loại nhưng là loại cây trồng nhạy cảm với sự biến đổi của môi trường đặc biệt là thay đổi độ mặn. Các vùng đất canh tác lúa hiện nay phải đối mặt sự xâm nhập mặn diễn ra ngày càng gay gắt do tác động của biến đổi khí hậu. Đối với cây lúa, tính chống chịu mặn là một tiến trình sinh lý phức tạp, thay đổi theo các giai đoạn sinh trưởng khác nhau của cây (Akbar and Yabuno, 1977). Mặn ảnh hưởng đến hoạt động của cây lúa dưới những mức độ thiệt hại khác nhau theo từng giai đoạn sinh trưởng (Maas and Hoffman 1977). Khả năng chịu mặn của cây lúa phụ thuộc vào từng giai đoạn: chống chịu ở giai đoạn hạt nẩy mầm, rất mẫn cảm ở giai đoạn mạ (tuổi lá 2 – 3), chống chịu trong giai đoạn tăng trưởng, nhiễm trong giai đoạn thụ phấn và thụ tinh, cuối cùng chống chịu trong thời kì hạt chín (Pearson et al., 1966; IRRI 1967). Tuy nhiên, một vài nghiên cứu ghi nhận ở giai đoạn lúa trỗ, cây lúa không mẫn cảm với strees do mặn (Kaddah et at., 1975). Do đó, khi nghiên cứu khả năng chịu mặn của cây lúa cần nghiên cứu theo từng giai đoạn sinh trưởng và phát triển của cây lúa. Theo Tomoaki et al. (2012), cây lúa khi bị nhiễm mặn sẽ giảm khả năng hấp thu nước, ức chế sự dãn dài tế bào và sự phát triển của lá. Khi cây lúa bị + + thừa Na một cách thụ động sẽ dẫn tới sự thiếu hụt K , lá bị già cỗi, ức chế hệ thống sắc tố quang hợp, sinh tổng hợp protein và hoạt động của enzyme. 6 Theo Akita (1986), thiệt hại do mặn thể hiện trước hết là giảm diện tích lá. Trong điều kiện thiệt hại nhẹ, trọng lượng khô có xu hướng tăng lên trong một thời gian, sau đó giảm xuống nghiêm trọng do diện tích lá giảm. Trong điều kiện thiệt hại nặng hơn, trọng lượng khô của chồi và rễ suy giảm tương ứng với mức độ thiệt hại. Ở giai đoạn, lá già sẽ mất khả năng sống sớm hơn lá non. Tương tự kết quả nghiên cứu của Nguyễn Thị Thanh Thảo và ctv. (2016) cũng cho thấy tỉ lệ cây sống, chiều cao thân, chiều dài rễ, trọng lượng khô thân lúa đều giảm mạnh khi độ mặn tăng lên. Độ mặn cao sẽ ức chế hoạt động của enzyme làm cho cây lúa không thể sử dụng các chất dự trữ trong hạt để phát triển bình thường được (Pongprayoon, 2007). Bảng 2.2: Thang đánh giá mức độ chống chịu mặn ở giai đoạn tăng trưởng của cây lúa Cấp 1 3 Quan sát, đánh giá sinh trưởng cây lúa Sinh trưởng bình thường không có triệu chứng Sinh trưởng gần như bình thường, chóp lá hoặc có vết trắng và lá hơi cuốn lại Sinh trưởng chậm lại, hầu hết các lá bị cuốn, ch vài lá có thể mọc dài ra. Sinh trưởng hoàn toàn ngưng trệ, hầu hết các lá khô đi, một vài chồi bị chết. Hầu hết các cây bị chết hoặc khô 5 7 9 Gregorio et al. (1997) 2.1.2.2 Khả năng chịu mặn của một số giống lúa Shannon and Akbar (1978), không có tính đối kháng giữa chống chịu mặn và năng suất. Do đó tuyển chọn và lai tạo các giống chống chịu mặn là hướng đi đúng cần phát triển đặc biệt là trong điều kiện ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đang gia tăng. Khi độ mặn trong nước lên đến 4‰ kéo dài liên tục trong một tuần thì các giống lúa mẫn cảm không thể phát triển, một số giống lúa chịu mặn có thể sinh trưởng nhưng năng suất sẽ giảm 20 – 50%, khi nước tưới có độ mặn 3‰ năng suất lúa sẽ giảm 50% (Landon, 1991) Theo kết quả nghiên cứu của Lê Xuân Thái và Trần Nhân Dũng (2013) dựa trên phân tích PCR với dấu phân tử RM206 đã chọn được 2 giống lúa có khả năng chịu mặn tốt ở nồng độ 4,0 – 6,0‰ là MTL664 và MTL702. Theo Phạm Phước Nhẫn và Phạm Minh Thùy (2011), khi cây lúa bị nhiễm mặn NaCl 2g/L trở lên thì ảnh hưởng đến quá trình phát triển bình thường. Mặn làm giảm chiều cao cây, số rễ trên cây, chiều dài rễ, khối lượng khô của rễ và thân theo mức độ nhiễm mặn và thời gian nhiễm mặn. Trong 5 giống (OM7347, OM5464, OM2395, OM4900, OM4088) được khảo sát thì giống OM4900 có 7 tính chịu mặn tương đối tốt so với 4 giống còn lại và giống OM7347 có tính mẫn cảm nhất. Theo Nguyễn Thị Thanh Thảo và ctv. (2016), kết quả nuôi cấy mô cho thấy hai giống MTL480 và MTL687 có khả năng tái sinh chồi cao (46,02% và 46,63% khi bổ sung 5‰ NaCl vào môi trường nuôi cấy. Khi nồng độ NaCl tăng lên 10‰ thì chỉ có 30,67% mô sẹo của giống MTL480 và 1,7% mô sẹo của giống MTL687 có khả năng tái sinh. Các cây con được chuyển sang nhà lưới, kết quả ghi nhận 100% cây con tái sinh đều sống sót sau 30 ngày trong điều kiện mặn 6‰. 2.1.3 Hiện trạng sản xuất lúa – tôm ở đồng bằng sông Cửu Long 2.1.3.1 Hiện trạng canh tác lúa – tôm ở đồng bằng sông Cửu Long Hiện đồng bằng sông Cửu Long có 7 tỉnh sản xuất lúa theo mô hình lúa – tôm là Trà Vinh, Bạc Liêu, Sóc Trăng, Cà Mau, Bến Tre, Kiên Giang và Long An, với diện tích 160.000 ha, 3 tỉnh có diện tích canh tác lúa – tôm lớn nhất ĐBSCL là Kiên Giang, Bạc Liêu và Sóc Trăng (Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam, 2015). Theo Tổng cục thủy sản, định hướng phát triển sản xuất lúa – tôm giai đoạn 2016 – 2020, tầm nhìn đến 2030, diện tích sản xuất lúa – tôm ở ĐBSCL đến năm 2020 là 200.000 ha với sản lượng 100.000 – 120.000 tấn/năm và đến năm 2030 nâng diện tích sản xuất lên 250.000 ha với năng suất 125.000 – 150.000 tấn/năm. Hiện nay người dân canh tác lúa – tôm theo hai hình thức: Hình thức thứ nhất là luân canh lúa – tôm, một vụ lúa vào mùa mưa và vụ tôm vào mùa khô. Hình thức này áp dụng phổ biến ở tỉnh Sóc Trăng, Bạc Liêu, Bến Tre. Sản xuất theo hình thức này vụ lúa cho năng suất tương đối cao khoảng 6 – 8 tấn/ha; Hình thức thứ hai là xen canh, trồng lúa và nuôi tôm chung, hình thức này thu nhập chủ yếu của người nông dân là từ tôm. Tôm được nuôi quanh năm, thu hoạch tôm được chia làm nhiều lần theo kiểu tỉa thưa (thu hoạch tôm lớn, tôm nhỏ thả nuôi lại), lúa cho năng suất rất thấp, thậm chí là không có thu hoạch, mục đích của việc trồng lúa là để cải tạo môi trường giúp con tôm phát triển tốt. Canh tác theo mô hình này áp dụng phổ biến ở những vùng đất nhiễm mặn cao ở tỉnh Cà Mau. Theo Lê Cảnh Dũng (2012), trồng lúa trên nền đất nuôi tôm cho năng suất rất thấp thậm chí là lỗ nhưng canh tác theo hệ thống tôm – lúa vẫn cho hiệu quả kinh tế cao hơn mô hình canh tác độc canh cây lúa. 2.1.3.2 Cấu trúc ruộng sản xuất theo mô hình lúa tôm Theo Trương Hoàng Minh và ctv. (2013), thiết kế công trình ruộng nuôi tôm sú – lúa theo hai mô hình. Mô hình truyền thống và mô hình cải tiến (Hình 2.1 và Hình 2.2). 8