Tài liệu Sự tăng trưởng in vitro của cây mầm lúa oryza sativa l. trong điều kiện stress nước

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH Nguyễn Thị Lương "SỰ TĂNG TRƯỞNG IN VITRO CỦA CÂY MẦM LÚA ORYZA SATIVA L. TRONG ĐIỀU KIỆN STRESS NƯỚC" LUẬN VĂN THẠC SĨ SINH HỌC \ Thành phố Hồ Chí Minh – 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH Nguyễn Thị Lương "SỰ TĂNG TRƯỞNG IN VITRO CỦA CÂY MẦM LÚA ORYZA SATIVA L. TRONG ĐIỀU KIỆN STRESS NƯỚC" Chuyên ngành: SINH HỌC THỰC NGHIỆM Mã số: 604230 LUẬN VĂN THẠC SĨ SINH HỌC \ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. BÙI TRANG VIỆT TS. LÊ THỊ TRUNG Thành phố Hồ Chí Minh – 2013 i LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn, em xin tỏ lòng chân thành biết ơn sâu sắc tới: Thầy PGS. TS. Bùi Trang Việt đã hết lòng hướng dẫn, giảng dạy và đóng góp ý kiến cho em trong quá trình thực hiện đề tài. Cô TS. Lê Thị Trung đã giảng dạy, hướng dẫn tận tình trong lí thuyết cũng như trong thực hành. Đặc biệt cô luôn luôn động viên khích lệ em khi gặp khó khăn trong công việc cũng như trong cuộc sống. Cô TS. Dương Thị Bạch Tuyết, cô TS. Nguyễn Thị Mong, thầy TS. Phạm Văn Ngọt, thầy PGS. TS. Bùi Văn Lệ, thầy TS. Đỗ Minh Sĩ, cô TS. Trần Thanh Hương đã giảng dạy cho em những kiến thức bổ ích. Cô ThS. Trịnh Thị Cẩm Tú, cô Hồ Thị Mỹ Linh cùng quý thầy cô trong tập thể khoa Sinh trường ĐHSP TP. Hồ Chí Minh đã tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện tốt cho em trong phòng thí nghiệm Sinh lí thực vật để em hoàn thành được đề tài. Quý thầy cô, cán bộ, nhân viên phòng SĐH trường ĐHSP TP. Hồ Chí Minh đã tạo môi trường học tập tốt để tôi hoàn thành khóa học này. Các anh chị lớp sinh học thực nghiệm khóa 20, 21, 22 trường ĐHSP TP. Hồ Chí Minh, cùng các em sinh viên ở bộ môn sinh lí thực vật. BGH, quý thầy cô trong tổ Hóa –Sinh trường THPT Nguyễn Đình Chiểu tỉnh Bình Dương đã giúp đỡ và tạo điều kiện để tôi có thời gian hoàn thành khóa học này. Con xin chân thành cảm ơn bố mẹ và gia đình đã luôn động viên chia sẻ với con trong quá trình học tập, cũng như những vui buồn trong cuộc sống. Cuối cùng em xin được gửi lời tri ân đến thầy cô giáo đã dạy dỗ em từ những ngày đầu cắp sách tới trường cho đến khi hoàn tất chương trình cao học này. ii MỤC LỤC Trang phụ bìa Lời cảm ơn ................................................................................................................... i Mục lục ........................................................................................................................ii Các chữ viết tắt ............................................................................................................ v Danh mục ảnh ............................................................................................................ vi Danh mục hình ........................................................................................................ viii Danh mục bảng .......................................................................................................... ix Lời mở đầu .................................................................................................................. 1 Chương 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU ...................................................................... 3 1.1. Khái quát về cây lúa (Oryza sativa L.) .............................................................3 1.1.1. Phân loại ......................................................................................... 3 1.1.2. Nguồn gốc xuất phát cây lúa trồng................................................... 3 1.1.3. Đặc điểm hình thái và sự sinh trưởng của cây lúa ............................ 4 1.1.4. Đặc điểm sinh lí cây lúa .................................................................. 5 1.1.5. Giá trị kinh tế của lúa ...................................................................... 7 1.1.6. Mối quan hệ giữa stress nước với năng suất cây lúa ......................... 8 1.1.7. Tình hình sản xuất lúa gạo ............................................................... 9 1.2. Sự tăng trưởng in vitro của cây mầm lúa trong điều kiện stress ...................10 1.2.1. Khái niệm nhân giống in vitro ....................................................... 10 1.2.2 Sự tăng trưởng in vitro của cây mầm lúa ......................................... 10 1.2.3. Ảnh hưởng của stress nước tới sự tăng trưởng in vitro của cây mầm lúa ........................................................................................ 11 1.2.4. Sự đáp ứng của cây mầm lúa trong điều kiện stress nước ............... 13 1.2.5. Điều hòa sự sinh trưởng của cây mầm trong điều kiện stress nước ...... 16 1.2.6. Vai trò của saccharose và mannitol trong nuôi cấy in vitro cây mầm lúa ........................................................................................ 21 iii Chương 2: VẬT LIỆU – PHƯƠNG PHÁP .......................................................... 22 2.1. Vật liệu ............................................................................................................22 2.2. Phương pháp ...................................................................................................22 2.2.1. Xác định thời điểm bão hòa nước của hạt lúa ................................. 22 2.2.3. Khảo sát sự tăng trưởng cây mầm lúa in vitro ................................ 24 2.2.4. Khảo sát sự tăng trưởng của cây mầm lúa trong môi trường MS1/2 với các nồng độ đường khác nhau ...................................... 25 2.2.4.1. Với nồng độ saccharose khác nhau ..................................................25 2.2.4.2. Với nồng độ mannitol khác nhau ....................................................25 2.2.4.3. Với nồng độ đường saccharose và mannitol khác nhau...................26 2.2.5. Theo dõi sự tăng trưởng rễ nhánh cây mầm lúa trên môi trường MS1/2 bổ sung saccharose riêng rẽ hoặc kết hợp ........................... 26 2.2.6. Xác định thời gian bị stress của cây mầm lúa ................................. 26 2.2.7. Xác định trọng lượng tươi, trọng lượng khô của cây mầm lúa trên các môi trường cảm ứng mannitol 3% kết hợp thời gian bị stress khác nhau ...................................................................................... 27 2.2.8. Xác định cường độ hô hấp của cây mầm lúa trên môi trường MS1/2 và MS1/2 bổ sung mannitol 3% ở các thời gian bị stress khác nhau ...................................................................................... 27 2.2.9. Xác định hoạt tính các chất điều hòa tăng trưởng thực vật nội sinh của cây mầm lúa .................................................................... 28 2.2.10. Đưa cây in vitro từ hai môi trường MS1/2 và MS1/2 có bổ sung mannitol 3% đã cảm ứng 48 giờ ra vườn ươm ................................ 32 2.2.12. Xử lý thống kê kết quả thu được .................................................. 33 Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................. 34 3.1. Kết quả ............................................................................................................34 3.1.1. Thời điểm bão hòa nước của hạt lúa .............................................. 34 3.1.2. Sự tăng trưởng cây mầm lúa in vitro ............................................. 38 iv 3.1.3. Sự tăng trưởng của cây mầm lúa trong môi trường MS1/2 với các nồng độ đường khác nhau .............................................................. 43 3.1.3.1. Với nồng độ saccharose khác nhau ..................................................43 3.1.3.2 Với nồng độ mannitol khác nhau ......................................................46 3.1.3.3. Với nồng độ mannitol và saccharose khác nhau ..............................52 3.1.4. Sự tăng trưởng rễ nhánh cây mầm lúa trên môi trường MS1/2 bổ sung saccharose riêng rẽ hoặc kết hợp ........................................... 55 3.1.5. Thời gian bị stress của cây mầm lúa .............................................. 55 3.1.6. Trọng lượng tươi, trọng lượng khô của cây mầm lúa sau 3 ngày nuôi cấy trên các môi trường cảm ứng mannitol 3% với thời gian khác nhau ...................................................................................... 57 3.1.7. Cường độ hô hấp của cây mầm lúa trên môi trường MS1/2 và MS1/2 bổ sung mannitol 3% với các thời gian khác nhau............... 58 3.1.8. Hoạt tính các chất điều hòa tăng trưởng thực vật nội sinh của cây mầm lúa ........................................................................................ 60 3.1.9. Đưa cây in vitro từ hai môi trường MS1/2 và MS1/2 có bổ sung mannitol 3% trong 48 giờ ra vườn ươm ......................................... 61 3.2. Thảo luận ........................................................................................................66 Chương 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ .................................................................. 72 4.1. Kết luận ...........................................................................................................72 4.2. Đề nghị ............................................................................................................72 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 73 v CÁC CHỮ VIẾT TẮT AAB : Acid Abscisic AIA : Acid indol acetic ATP : Adenosine diphosphate ĐC : Đối chứng FAA : Formadehid acol acid GA : Gibberellin GA 3 : Gibberellic acid Man : Mannitol NADP : Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate Sac : Saccharose TLT : Trọng lượng tươi vi DANH MỤC ẢNH Ảnh 2.1. Hạt lúa Nàng Thơm Chợ Đào .................................................................. 22 Ảnh 3.1. Hạt lúa trước khi ngâm nước ................................................................... 35 Ảnh 3.2. Cấu trúc phôi lúa cắt dọc trước khi ngâm nước....................................... 36 Ảnh 3.3. Hạt lúa sau 5 giờ, khi hạt bão hòa nước ngoài tự nhiên .......................... 36 Ảnh 3.4. Hạt lúa sau 5 giờ, khi hạt bão hòa nước trong môi trường MS1/2 .......... 37 Ảnh 3.5. Cấu trúc phôi lúa cắt dọc lúc bão hòa nước (sau 5 giờ ngoài tự nhiên) .. 37 Ảnh 3.6. Sự kéo dài của sơ khởi rễ sau khi bão hòa nước sau 5 giờ trong môi trường MS1/2 ........................................................................................ 38 Ảnh 3.7. Hạt lúa in vitro sau 1 ngày nuôi cấy trên các môi trường........................ 40 Ảnh 3.8. Phôi lúa in vitro sau 1 ngày nuôi cấy trên môi trường MS1/2 ................ 40 Ảnh 3.9. Cây lúa in vitro sau 3 ngày nuôi cấy trên các môi trường ....................... 41 Ảnh 3.10. Cây lúa in vitro sau 5 ngày nuôi cấy trên các môi trường ....................... 41 Ảnh 3.11. Cây lúa in vitro sau 7 ngày nuôi cấy trên các môi trường ...................... 42 Ảnh 3.12. Mô phân sinh chồi lúa in vitro 1 ngày nuôi cấy trên môi trường MS1/2 .................................................................................................... 42 Ảnh 3.13. Cây mầm lúa in vitro sau 3 ngày nuôi cấy trên môi trường MS1/2 có hoặc không có bổ sung saccharose ........................................................ 44 Ảnh 3.14. Cây mầm lúa in vitro sau 5 ngày nuôi cấy trên môi trường MS1/2 có bổ sung saccharose với nồng độ khác nhau........................................... 45 Ảnh 3.15. Cây mầm lúa in vitro sau 7 ngày nuôi cấy trên môi trường MS1/2 có hoặc không có bổ sung saccharose ........................................................ 45 Ảnh 3.16. Cây mầm lúa in vitro 3 ngày nuôi cấy trên môi trường MS1/2.............. 48 Ảnh 3.17. Cây mầm lúa in vitro sau 3 ngày nuôi cấy trên môi trường MS1/2 ........ 48 Ảnh 3.18. Cây mầm lúa in vitro sau 5 ngày trên môi trường MS1/2 có bổ sung mannitol có nồng độ tăng dần ............................................................... 49 Ảnh 3.19. Cấu trúc cắt dọc chồi cây mầm lúa in vitro trong môi trường MS1/2 sau 5 ngày nuôi cấy ............................................................................... 50 vii Ảnh 3.20. Sơ khởi rễ nhánh kéo dài của cây mầm lúa in vitro trong môi trường MS1/2 sau 5 ngày nuôi cấy ................................................................... 50 Ảnh 3.21. Cấu trúc cắt dọc chồi cây mầm lúa in vitro trong môi trường MS1/2 có bổ sung mannitol 3% sau 5 ngày nuôi cấy ....................................... 51 Ảnh 3.22. Cấu trúc cắt dọc chồi của cây mầm lúa in vitro trong môi trường MS1/2 có bổ sung mannitol 3% sau 5 ngày nuôi cấy ........................... 51 Ảnh 3.23. Cây mầm lúa in vitro sau 7 ngày nuôi cấy trên môi trường MS1/2 bổ sung saccharose và mannitol kết hợp với nồng độ khác nhau .............. 54 Ảnh 3.24. Cây lúa in vitro được chuyển ra môi trường đất ướt sau 7 ngày ............. 63 Ảnh 3.25. Cây lúa in vitro được chuyển ra môi trường đất khô sau 7 ngày ............ 63 Ảnh 3.26. Cây lúa in vitro được chuyển ra môi trường đất ướt sau 7 ngày ............. 64 Ảnh 3.27. Cây mầm lúa in vitro được chuyển ra môi trường đất khô sau 7 ngày ... 64 Ảnh 3.28. Rễ cây lúa trồng ngoài tự nhiên trên môi trường đất khô sau 7 ngày...... 65 viii DANH MỤC HÌNH Hình 2.1. Sơ đồ ly trích và xác định hoạt tính tương đương của hormon thực vật (theo Bùi Trang Việt, 1992; Nguyễn Du Sanh và cs, 2011) ........... 31 Hình 3.1. Thời điểm bão hòa nước của hạt lúa ..................................................... 35 Hình 3.2. Cường độ hô hấp ở trên hai trường MS1/2 và MS1/2 bổ sung mannitol 3% với các thời gian khác nhau ............................................. 59 ix DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1. Thời điểm bão hòa nước của hạt lúa ..................................................... 34 Bảng 3.2. Sự tăng trưởng chiều dài rễ của cây mầm lúa theo thời gian trên các môi trường MS khác nhau ............................................................... 39 Bảng 3.3. Sự tăng trưởng chiều dài chồi của cây mầm lúa theo thời gian trên các môi trường MS khác nhau ....................................................... 39 Bảng 3.4. Chiều dài rễ của cây mầm lúa trên môi trường MS1/2 có nồng độ saccharose thay đổi ........................................................................... 43 Bảng 3.5. Chiều dài chồi của cây mầm lúa trên môi trường MS1/2 có nồng độ saccharose thay đổi .................................................................. 44 Bảng 3.6. Chiều dài rễ của cây mầm lúa trên môi trường MS1/2 có bổ sung nồng độ mannitol với các nồng độ khác nhau .............................. 47 Bảng 3.7. Chiều dài chồi của cây mầm lúa trên môi trường MS1/2 có bổ sung nồng độ mannitol khác nhau ......................................................... 47 Bảng 3.8. Chiều dài rễ của cây mầm lúa trên môi trường MS1/2 có sự kết hợp saccharose và mannitol với nồng độ khác nhau ............................. 53 Bảng 3.9. Chiều dài chồi của cây mầm lúa trên môi trường MS1/2 có sự kết hợp saccharose và mannitol với nồng độ khác nhau ....................... 53 Bảng 3.10. Số rễ nhánh và kích thước rễ nhánh của cây mầm lúa trên các môi trường có hoặc không có bổ sung mannitol và sacharose với nồng độ khác nhau........................................................................... 55 Bảng 3.11. Thời gian bị stress của cây mầm lúa trên môi trường MS1/2 bổ sung mannitol 3% .................................................................................. 56 Bảng 3.12. Trọng lượng tươi của cây mầm lúa sau 3 ngày nuôi cấy trên các môi trường cảm ứng mannitol 3% với các thời gian khác nhau ........... 58 Bảng 3.13. Trọng lượng khô của cây mầm lúa sau 3 ngày nuôi cấy trên các môi trường cảm ứng mannitol 3% với thời gian khác nhau .................. 58 x Bảng 3.14. Cường độ hô hấp của cây mầm lúa trên môi trường MS1/2 và MS1/2 bổ sung mannitol 3% với các thời gian khác nhau .................... 59 Bảng 3.15. Hoạt tính các chất điều hòa tăng trưởng thực vật nội sinh của cây mầm lúa trong môi trường MS1/2 không hoặc có bổ sung mannitol ở các thời gian khác nhau ....................................................... 61 Bảng 3.16. Sự phát triển của cây mầm in vitro từ hai môi trường MS1/2 và MS1/2 có bổ sung mannitol 3% trong 48 giờ ngoài vườn ươm ........... 62 1 LỜI MỞ ĐẦU Lúa gạo là nguồn cung cấp lương thực chính cho hơn 1/3 dân số thế giới và là cây lương thực số một ở Việt Nam. Với diện tích gieo trồng hàng năm khoảng 7,4 triệu ha, tập trung chủ yếu ở hai vùng đồng bằng Sông Cửu Long (3,8 triệu ha) và đồng bằng Sông Hồng (1,2 triệu ha) (Lã Tuấn Nghĩa, 2001). Theo thống kê, khuyến cáo của Liên Hợp Quốc (LHQ), đến năm 2030, dân số thế giới sẽ tăng lên 8,1 tỉ người và nhu cầu lương thực sẽ tăng 55% so với năm 1998. Cùng với dân số tăng lên, các quốc gia và lãnh thổ sẽ cần thêm nước để phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt, sản xuất nông nghiệp, hoạt động năng lượng và cung cấp cho các đô thị ngày càng tăng. Hiện có khoảng 70% lượng nước ngọt đang được khai thác, sử dụng để tưới cây trong nông nghiệp, chiếm một phần lớn tổng lượng nước khiến cho việc cung cấp nước mặt và nước ngầm ngày càng trở nên căng thẳng. Vì vậy một trong những vấn đề lớn đặt ra là cần phải tìm cách sản xuất nhiều lương thực hơn, nhưng đồng thời sử dụng ít nước hơn (Lê Sâm, Nguyễn Đình Vượng, 2009). Bên cạnh đó, hiện nay sự mất cân bằng giữa vùng cao và đồng bằng, môi trường suy thoái đang là mối đe dọa của ngành sản xuất lúa gạo và nền kinh tế của thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng. An ninh lương thực cho người dân vùng sâu, vùng xa, miền núi vẫn là thách thức lớn. Do đó chính phủ Việt Nam ưu tiên chương trình xóa đói, giảm nghèo nhằm đạt được các mục tiêu chiến lược Quốc gia về công bằng xã hội, phát triển bền vững và bình ổn (Lê Quốc Doanh, 2011). Do tình trạng ấm toàn cầu hiện nay, nên hiệu ứng của nhiệt độ, nồng độ carbon dioxide và nhu cầu nước cho sự tăng trưởng cây lúa được đặc biệt chú ý, bao gồm việc thiết lập và cải tiến các mô hình tăng trưởng cho cây lúa liên quan tới sự thay đổi của các yếu tố này. Thí dụ, để đạt năng suất cao của lúa trong tương lai, cần có các mô hình về ảnh hưởng của nhiệt độ đêm lẫn ngày đối với hô hấp, nồng độ carbon dioxide đối với sự mở khí khẩu và quang hợp, hay stress nước do tác động bởi các quá trình tự nhiên và con người (Cho and Oki, 2012). 2 Đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về lúa như nâng cao năng suất, chất lượng, khả năng chống chịu..., sự tăng dần hàm lượng Proline khi cây lúa bị thiếu nước, hay xác định gen ESTs liên quan đến việc kháng lại hiện tượng thiếu nước ở vùng cao (Wang et al, 2007). Vấn đề này cũng đã được thảo luận rất kĩ trong hội nghị Quốc tế về vấn đề “Salt & Water Stress in Plants” diễn ra vào tháng 6/2012 tại Trung Quốc. Với suy nghĩ trên, chúng tôi đã chọn đề tài "Sự tăng trưởng in vitro của cây mầm lúa Oryza sativa L. trong điều kiện stress nước" nhằm tìm hiểu sự thay đổi tăng trưởng của cây mầm lúa khi bị stress nước, từ đó, mong muốn tìm ra biện pháp giúp cây lúa có khả năng thích nghi tốt hơn trong điều kiện khô hạn. 3 Chương 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Khái quát về cây lúa (Oryza sativa L.) 1.1.1. Phân loại Giới : Plantae Ngành : Angyospermae Lớp : Monocotyledones Bộ : Poales Họ : Poaceae Chi : Oryza Loài : Oryza sativa L. Loài phụ: indica (loài phụ Ấn Độ), japonica (loài phụ Nhật Bản) và javanica (Java – tên của một đảo ở Indonesia) (Nguyễn Văn Luật, 2009). 1.1.2. Nguồn gốc xuất phát cây lúa trồng Chi Oryza Kuth, tổ tiên đã tồn tại từ kỉ phấn trắng, bao gồm các loại lúa dại và lúa trồng. Vào giữa kỉ này xuất hiện một trong những loại nguyên thủy nhất thuộc chi Oryza, đó là loại Stretochasta Shrad. Đến cuối kỷ phấn trắng xuất hiện tre (Bambusa) và loại lúa (Oryza). Một số loại khác xuất hiện muộn hơn vào kỷ thứ ba, thời kì phát triển mạnh của họ Hòa thảo (Gramineae) (Nguyễn Văn Luật, 2009). Chi Oryza bao gồm khoảng 20 loài hoang dã, hai loại lúa trồng chính là Oryza sativa L. có nguồn gốc châu Á, và Oryza glaberrima có nguồn gốc châu Phi thuộc loài nhị bội 2n = 24 có bộ gen là AA (Khush, 1997). Cây lúa trồng Oryza sativa được thuần hóa ở châu Á, nên được gọi là lúa trồng châu Á. Cây lúa trồng Oryza glaberrima được thuần hóa ở châu Phi nên gọi là lúa trồng châu Phi (Nguyễn Văn Luật, 2009). Chi Oryza có nguồn gốc trong lục địa Gondwanaland và sau quá trình phân chia của lục địa, thì nó trở nên phân bố rộng rãi ở vùng nhiệt đới ẩm ướt của châu Phi, Nam Mỹ, Nam và Đông Nam Á, và Châu Đại Dương. Hai loài canh tác đã có một tổ tiên chung trong quá khứ xa xôi, song song và độc lập trong quá trình tiến 4 hóa xảy ra ở châu Phi và châu Á. Các loài lúa dại cũng góp phần vào sự khác biệt của lúa trồng hàng năm. Lúa trồng Oryza sativa châu Á được tiến hóa từ cây lúa dại hàng năm Oryza nivara (Chang, 1976). Theo Khush (1997), có 2 loài lúa trồng và 21 loài hoang dã của loài Oryza. Trong đó loài lúa châu Á được trồng trên toàn thế giới. Ở châu Phi Oryza glaberrima được trồng với quy mô nhỏ ở Tây Phi. Oryza có thể có nguồn gốc khoảng 130 triệu năm trước đây trong Gondwanaland và các loài khác nhau đã phân phối vào châu lục khác nhau. Các loài trồng có nguồn gốc từ một tổ tiên chung với bộ gen AA. Tổ tiên lâu năm và hàng năm của Oryza sativa là Oryza rufipogon và Oryza nivara và Oryza glaberrima Oryza longistaminata của Oryza breviligulata và Oryza glaberrima có thể thuần hóa ở đồng bằng sông Niger. Oryza sativa được phân thành sáu nhóm trên cơ sở di truyền. Biết đến rộng rãi là Oryza indica tương ứng với nhóm I và Oryza japonicas nhóm VI. Người ta ước tính có khoảng 120.000 giống lúa tồn tại trong thế giới. Ở Việt Nam nền văn minh lúa nước đã có từ hơn 4000 năm nay kể từ thời vua Hùng, đã phát triển suốt chiều sâu của lịch sử và chiều dài của đất nước, từ cao nguyên Đồng Văn gần biên giới Việt Trung đến bán đảo Cà Mau ở Nam Bộ (Nguyễn Văn Luật, 2009). 1.1.3. Đặc điểm hình thái và sự sinh trưởng của cây lúa Osyza sativa là cây sống hằng năm thẳng đứng, bò dài hay sống ngập được trong nước, có bộ nhiễm sắc thể 2n = 24. Thân dài 0,6-1,5 m, gồm những đoạn gọi là lóng, hình trụ rỗng. Hai lóng dính nhau tại mắt. Các lóng ở dưới thân thì ngắn, lóng ở trên thì dài ra (Phạm Hoàng Hộ, 2003). Cây lúa có kích thước thay đổi từ những cây đột biến thấp chỉ 0,3 đến những cây lúa nổi cao hơn 7 m. Phần lớn các giống lúa thương mại cao từ 1-2 m. Giống lúa cổ truyền có lá dài và rũ, đẻ chồi thấp, thân cao (120 - 150 cm) và mảnh khảnh, 12 – 15 bông/ bụi, bông to (Bùi Chí Bửu và Nguyễn Thị Lang, 1995). Lá phẳng, hình dài, nhọn, đầu ráp trên cả bề mặt lẫn mép lá dài 30-60 cm, bẹ lã nhẵn, mép ráp, hình mũi máp chẻ đôi. Cụm hoa là chùm thưa thẳng hẹp đầu hơi 5 cong xuống, dài 15-30 cm. Cuống chung lớn, có rãnh ráp. Bông chép hình bầu dục, thuôn có râu hay không có. Mày thuôn hình mũi mác, nhọn, nguyên hay chia răng ở đỉnh. Mày hoa khá dài, dai, màu hồng, vàng hay hơi tím có lông mu cứng, rất dài, thẳng, nhị 6 cánh, bao phấn hình dải. Bầu có vòi nhụy ngắn, hai đầu nhụy có lông thò ra ngoài bông chét. Quả thuôn, hẹp, bao trong mày hoa, nhiều bột (Võ Văn Chi, 2004 ). Lúc trưởng thành, cây lúa có một thân chính và một số lượng chồi. Mỗi gốc lúa được tạo thành từ một loạt các mắt và lóng. Các lóng khác nhau về chiều dài tùy thuộc vào giống và điều kiện môi trường, nhưng nói chung tăng từ thấp đến phần trên của thân cây. Mỗi mắt trên mang một chiếc lá và chồi. Số lượng các mắt thay đổi 13-16 mắt. Theo sự gia tăng nhanh chóng trong mực nước biển, một số giống lúa nước sâu cũng có thể làm tăng chiều dài lóng lên tới 30 cm. Phiến lá được gắn ở nút bởi các bẹ lá, bao quanh gốc. Chồi phát triển từ thân cây chính được gọi là chồi chính. Đây có thể tạo ra chồi thứ cấp, mà có thể lần lượt tạo ra các chồi bên. Có nhiều yếu tố môi trường cũng ảnh hưởng đến giai đoạn đẻ nhánh bao gồm cả khoảng cách, ánh sáng, dinh dưỡng và nước (Bogor, 2012). Về hình thái có thể phân chia: giai đoạn mạ, giai đoạn đẻ nhánh, giai đoạn làm đòng, giai đoạn làm hạt. Về kĩ thuật lại có thể thêm các giai đoạn nảy mầm, giai đoạn đẻ nhánh hữu hiệu, giai đoạn tượng đòng, giai đoạn trổ, giai đoạn thụ phấn, giai đoạn chín sữa, giai đoạn chín hoàn toàn (Nguyễn Văn Luật, 2009). Theo đánh giá của viện khoa học kĩ thuật nông nghiệp Việt Nam thì có khoảng 19% giống lúa muộn, 73% lúa lỡ, 6% lúa mùa sớm, nhóm lúa nổi khoảng gần 3% ( Nguyễn Văn Hoan, 2009). 1.1.4. Đặc điểm sinh lí cây lúa Cây lúa phát triển mạnh trong khoảng nhiệt độ từ 20 – 300C. Nhiệt độ trên 400C hoặc dưới 170C, cây lúa tăng trưởng chậm lại. Dưới 130C cây lúa ngừng sinh trưởng, nếu kéo dài 1 tuần cây lúa có thể chết (Nguyễn Ngọc Đệ, 2009). 6 Lúa là cây có hình thức quang hợp theo chu trình C 3 , sản phẩm quang hợp tạo ra đầu tiên là hợp chất có 3 nguyên tử cacbon. Quá trình hô hấp diễn ra cả trong bóng tối và ngoài ánh sáng ( Isi và cs, 1977). Cường độ quang hợp thuần của lá lúa thay đổi theo vị trí, hướng lá, tình trạng dinh dưỡng, nước và giai đoạn sinh trưởng của cây, hàm lượng CO 2 trong không khí và cấu tạo quần thể ruộng lúa. Trong điều kiện ánh sáng bão hòa cường độ quang hợp thuần vào khoảng 40 – 50 mg CO 2 / dm2/ giờ. Cây lúa bắt đầu quang hợp được ngay khi cường độ ánh sáng ở 400 lux. Quang hợp gia tăng theo cường độ ánh sáng và đạt mức cao nhất khi cường độ ánh sáng lên đến 40000 – 60000 lux (Nguyễn Ngọc Đệ, 2009). Oxi cần thiết cho sự nảy mầm và tăng trưởng của cây mầm. Trong thời gian này nếu hàm lượng oxi cao sẽ tăng cường độ hô hấp. Ở cây lúa có thể nảy mầm trong điều kiện không có oxi, tuy nhiên cây mầm yếu và phát triển không bình thường. Khi CO 2 cao hơn 0,03% làm chậm sự nảy mầm nhưng lại tốt cho quang hợp của cây mầm (Nguyễn Như Khanh, 2002). Nhiệt độ ban ngày ấm, ban đêm lạnh hạn chế tiêu hao năng lượng do hô hấp, cây lúa phát triển thuận lợi, tích lũy nhiều chất khô nuôi cây và tích lũy nhiều vật chất trong hạt, năng suất gia tăng. Gió nhẹ tạo điều kiện khuyếch tán các chất khí trong ruộng lúa, giúp quá trình quang hợp, hô hấp thuận lợi hơn (Nguyễn Ngọc Đệ, 2009). Người ta phân biệt hai loại hô hấp: hô hấp sinh trưởng và hô hấp duy trì. Mac Cri (1970) đã đề nghị công thức sau: R= k * Pg + (Hô hấp sinh trưởng) c*W (Hô hấp duy trì) Trong đó: R = Hô hấp tổng cộng của toàn cây trong 24 giờ. K = Hệ số hô hấp sinh trưởng (# 0,25). Pg = Quang hợp tổng số trong 12 giờ (ban ngày). C = Hệ số hô hấp duy trì (# 0,015). 7 W = Trọng lượng khô toàn cây (Nguyễn Ngọc Đệ, 2009). Khi cây lúa còn non, sinh trưởng mạnh thì hô hấp sinh trưởng là chủ yếu, trong khi cây lúa càng già thì hô hấp duy trì lại càng chiếm ưu thế. Để tổng hợp ra 1g hạt lúa cần 1,20 (g) chất hữu cơ. Tổng chi phí hô hấp duy trì ước tính khoảng 15 – 25 mg glucose/ g chất khô/ ngày đối với cây lúa. Ngoài hô hấp tối, ở cây lúa còn có thể xảy ra hiện tượng hô hấp ánh sáng khi cường độ ánh sáng và nhiệt độ môi trường quá cao. Đây là một hạn chế và có ảnh hưởng xấu đến sinh trưởng của cây lúa (Nguyễn Ngọc Đệ, 2009). Để phát triển, cây lúa cần nhiều loại dưỡng chất. Ba loại dưỡng chất chính cây lúa cần dùng nhiều là đạm, lân, kali. Đạm là chất tạo hình cây lúa, là thành phần chủ yếu của protein và chất diệp lục làm cho lá xanh tốt, gia tăng chiều cao cây, số chồi và kích thước lá. Ở giai đoạn sinh trưởng ban đầu, đạm được tích luỹ chủ yếu trong thân lá. Lân là chất sinh năng, là thành phần của ATP, NADP... thúc đẩy việc sử dụng và tổng hợp các chất trong cây. Từ lúc hạt lúa nảy mầm cho đến khi hình thành lá thứ ba, lân được sử dụng chủ yếu là loại lân dự trữ trong hạt giống. Kali giúp cho quá trình vận chuyển và tổng hợp cho các chất trong cây, duy trì sức trương của tế bào, giúp cây cứng cáp, tăng khả năng chống sâu bệnh, chống ngã đổ, chịu hạn, tăng số hạt chắc trên bông (Nguyễn Văn Luật, 2009). 1.1.5. Giá trị kinh tế của lúa Lúa, gạo là thành phần quan trọng trong bữa ăn của nhân dân ta, bồi bổ trong cơ thể và đem lại sự cân bằng cho cơ thể. Hạt thóc đã ngâm cho nảy mầm rồi phơi khô gọi là cốc nha dùng thay cho mạch nha, giúp cho sự tiêu hóa tốt hơn và là thức ăn có tinh bột có tác dụng rất tốt cho những người ăn uống kém tiêu, không muốn ăn, ngoài ra còn chữa các bệnh phụ do thiếu vitamin (Võ Văn Chi, 2004 ). Gạo là một nguồn lớn chứa carbohydrate phức tạp, chất xơ (gạo nâu), protein và vitamin. Các lớp cám của gạo lức có chứa protein với các acid amin thiết yếu, ngoài canxi, phốt pho, kali, chất xơ, vitamin B, vitamin E và dầu tự nhiên. Dầu gạo chứa ba loại khác nhau chứa chất chống oxy hóa tocopherols và tocotrienols (tocochromanols) và oryzanols (feruloylsteroltype). 8 Gạo lâu năm dùng trị đau bụng và trị lỵ. Gạo nếp dùng trị các chứng đau bụng, nôn mửa và tiểu tiện ra chất nhờn (dưỡng trấp). Ở Campuchia, Philippin, nó được dùng để điều chế thuốc phòng và chữa bệnh thiếu vitamin B. Dầu Cám dùng trộn với rau để ăn. Rễ và thân rễ của lúa làm thuốc lợi tiểu. Quả thóc chưa bóc vỏ dùng làm thuốc đắp cho dịu vết thương (Võ Văn Chi, 2004). Sản phẩm gạo ngoài công dụng nấu cơm còn được dùng để nấu rượu( rượu Xa kê của Nhật Bản, rượu lúa mới của Việt Nam) và để chế biến tinh bột. Gạo, bột gạo cùng với tấm, cám, rơm, rạ còn dùng làm thức ăn chăn nuôi, làm nguyên liệu cho các nghành công nghiệp chế biến (Nguyễn Ngọc Đệ, 2009).. Trung bình xay một tấn lúa cho ra khoảng 70 – 100 kg tấm và khoảng 50 – 70 kg cám. Phần lớn nông dân dùng tấm để nuôi gia súc hay xay ra để làm bánh, bún, rượu. Ngoài ra hiện nay người ta dùng tấm để nấu cơm tấm với giá trị cao. Cám được dùng để chăn nuôi và sản xuất dầu cám. Một số dầu cám cao cấp còn được dùng để chế tạo các mỹ phẩm. Trấu của lúa cũng có thể được dùng để sản xuất điện vì người ta ức tính trong 1 kg trấu có ẩm độ 10% cho ra được 11 MJ so với 29 MJ từ 1 kg than bùn hay 36,3 MJ từ một lít dầu hôi (Nguyễn Văn Ngưu, 2007). So với lúa mì, gạo có thành phần tinh bột và protein hơi thấp hơn, nhưng năng lượng tạo ra thì cao hơn do chứa nhiều chất béo hơn. Giả sử một người trung bình cần 3200 calo mỗi ngày thì một hecta lúa có thể nuôi 2055 người/ngày hay 5,63 người/năm (Nguyễn Ngọc Đệ, 2009). Đối với người Việt Nam, lúa gạo không chỉ là lương thực mà còn là một phần thiết yếu trong đời sống văn hóa, chính trị của xã hội, (Lê Quốc Doanh, 2011). Xuất khẩu gạo của chúng ta đã đứng hàng thứ hai thế giới chỉ sau Thái Lan. Sản lượng xuất khẩu gạo năm 2009 là 5,8 triệu tấn đạt kim ngạch 2,6 tỉ USD (Nguyễn Văn Cường, 2011). 1.1.6. Mối quan hệ giữa stress nước với năng suất cây lúa Một trong những vấn đề chính của trồng lúa là thiếu nguồn tài nguyên nước, đặc biệt là trong suốt thời gian lượng mưa thấp ảnh hưởng đến tốc độ tăng trưởng thực vật ảnh hưởng đến số lượng và sản lượng (Mostajeran và Eichi, 2009). Nó là