Đề tài Sử dụng bức xạ gamma và chỉ thị phân tử liên kết với tính chịu hạn để tạo giống lúa chịu hạn

Mở đầu Lúa là một trong những cây lương thực quan trọng của con người. Trên thế giới cây lúa được xếp vào vị trí thứ hai sau cây lúa mỳ về sản lượng và diện tích. ở Châu á lúa được coi là cây lương thực quan trọng nhất chiếm diện tích 135 triệu ha trong tổng số 148,4 triệu ha của toàn thế giới. Mặc dù sản lượng lúa gạo hàng năm đều tăng, tuy nhiên theo thông báo của FAO hiện có 39 nước đang thiếu lương thực trong đó có 25 nước ở Châu Phi. Trong các yếu tố khí hậu, đất đai, cỏ dại và dịch bệnh, hạn hán là một trong những yếu tố khốc liệt nhất ảnh hưởng lên năng suất cây trồng. Đặc biệt là đối với cây lúa một cây bán thuỷ sinh thì hạn hán là yếu tố chính làm giảm năng suất thậm chí làm mất mùa tuỳ vào cường độ cũng như thời gian tác động lên quá trình sinh trưởng và phát triển. Theo số liệu thống kê năm 2002 diện tích gieo trồng lúa hàng năm ở nước ta biến thiên từ 7,3-7,5 triệu ha trong đó 1,5-1,8 triệu ha đang bị thiếu nước và 1,5-2,0 triệu ha cần phải đầu tư để chống úng khi gặp mưa to và mưa tập trung. Điển hình cho hạn hán ở nước ta phải kể đến hai năm 1993 và 1998. Trong năm 1993 hạn hán kéo dài ở miền Trung và Nam bộ làm năng suất lúa giảm từ 4 tấn xuống 2 tấn/ ha. Năm 1998 do hạn nặng ở cả hai vụ (Xuân và Mùa) đã làm các tỉnh ở miền Trung như Nghệ An, Quảng Trị… hầu như không được thu hoạch ( Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn). Vì vậy việc nghiên cứu tính chịu hạn và chọn tạo những giống lúa có khả năng chịu hạn đã trở thành một trong những nội dung nghiên cứu quan trọng ở cả Việt Nam và trên thế giới. Các phương pháp tạo giống truyền thống trong một thời gian dài đã mang đến những giá trị nhất định trong thực tiễn sản xuất song còn nhiều hạn chế. Ngày nay việc sử dụng đột biến nhân tạo là một trong những phương pháp có giá trị trong chọn giống cây trồng, thuận lợi chủ yếu của phương pháp này là kiểu gen của giống ít bị thay đổi hơn so với việc lai tạo hai giống khác biệt mà vẫn có thể cải thiện được một số đặc tính và rút ngắn được thời gian chọn lọc. Trong số các tác nhân vật lý gây đột biến thì tia gamma được sử dụng nhiều trong nghiên cứu chọn giống với mục đích cải thiện các đặc tính nông học của cây trồng (Nguyễn Hữu Đống) [6]. Cùng với sự trợ giúp của chỉ thị phân tử (MAS-Marker Assisted Selecsion) liên kết chặt với các gen đặc hiệu đã cho phép các nhà chọn tạo giống phát hiện ra sự có mặt hay vắng mặt của các gen quan tâm mà không cần đánh giá kiểu hình, vì thế mà chọn tạo giống đã trở nên nhanh hơn và hiệu quả hơn. ở lúa chỉ thị STS, SSR liên kết với tính trạng hình thái rễ đang được sử dụng để chọn dòng chịu hạn. Xuất phát từ những phân tích trên chúng tôi chọn đề tài: “Sử dụng bức xạ gamma và chỉ thị phõn tử liờn kết với tớnh chịu hạn để tạo giống lỳa chịu hạn”. Với mục đích nghiên cứu ảnh hưởng của phóng xạ lên khả năng nảy mầm, sự sinh trưởng và phát triển của cây mạ, đánh giá sự thay đổi trong hệ gen của các dòng chiếu xạ, bước đầu chọn lọc những dòng có thể mang tính chịu hạn phục vụ cho công tác chọn giống tiếp theo. Chương 1. Tổng Quan Tài Liệu 1.1. Đại cương về cây lúa 1.1.1. Nguồn gốc và phân loại lúa trồng Cây lúa là cây trồng có từ lâu đời, gắn liền với quá trình phát triển của xã hội loài người. Lúa trồng hiện nay có nguồn gốc từ lúa hoang dại do quá trình chọn lọc tự nhiên và chọn lọc nhân tạo lâu dài mà nên. Qua các công trình nghiên cứu của nhiều tác giả cho thấy nguồn gốc của cây lúa là từ vùng đầm lầy nóng ẩm Đông Nam á, sau đó được lan truyền ra nhiều nơi. Theo đặc điểm sinh vật học và quá trình diễn biến thì lúa trồng thuộc họ Graminae (nay là Poaceae), chi Oryza, loài Oryza-sativa L. Chi Oryza có 23 loài trong đó có hai loài lúa trồng là Oryza sativa phổ biến ở Châu á và Oryza glaberrima phổ biến ở Tây Phi (Oka, 1958). Oryza sativa có 3 loài phụ là Indica (lúa tiên), Japonica (lúa cánh), và Javanica (lúa bù lu). Indica là loại hình lúa được trồng ở các vùng nhiệt đới, Japonica là lúa được trồng ở vùng ôn đới, còn loại hình trung gian Javanica là Japonica nhiệt đới (Glaszman, 1987) [10]. Lúa trồng hiện nay chủ yếu là Oryza sativa, đây là loại lúa được trồng ở điều kiện ruộng nước, trong quá trình sống và phát triển chịu sự tác động của chọn lọc tự nhiên và chọn lọc nhân tạo mà hình thành nên nhiều loài lúa phù hợp với điều kiện sinh thái như: lúa nước, lúa nương, lúa nổi… Cây lúa Việt Nam (Oryza sativa L) còn được gọi là lúa Châu á vì nó được thuần hoá từ lúa dại từ 3 trung tâm đầu tiên ở Châu á: Assam (ấn Độ), biên giới Thái Lan-Myanma, và Trung Du Tây Bắc Việt Nam. Theo đặc điểm lúa trồng việt Nam thì chủ yếu là các giống Indica (Bùi Huy Đáp, 2000) [5]. 1.1.2. Tình hình sản xuất lúa ở Việt Nam và trên thế giới Lúa là cây lương thực quan trọng trong đời sống con người. Lúa cung cấp lương thực cho 1/2 dân số thế giới, trên 2/3 lượng calo cho 3 tỷ dân Châu á , 1/3 lượng calo cho 1,5 tỷ dân Châu Phi và Mỹ La Tinh. Trong cơ cấu sản xuất lương thực của thế giới, lúa mỳ chiếm 30,5%, lúa gạo 26,5%, ngô 24% còn lại là các loại ngũ cốc khác. Trên thế giới diện tích trồng lúa ở Châu á chiếm 89,5% tổng diện tích và sản lượng chiếm 91,1% tổng sản lượng. Trong đó ấn Độ là nước có diện tích trồng lúa lớn nhất thế giới (42 triệu ha với sản lượng 121,3 triệu tấn), Trung Quốc là nước có sản lượng lúa cao nhất thế giới (187,45 triệu tấn), còn Thái Lan là nước xuất khẩu gạo đứng đầu thế giới chiếm hơn 30% thị phần của thị trường thế giới. ở Việt Nam lúa là cây trồng chính của hơn 70% dân số. Diện tích trồng lúa không tăng nhưng sản lượng lúa hàng năm đều tăng lên rõ rệt. Đặc biệt 10 năm trở lại đây (1993-2003) sản lượng lúa bình quân tăng một triệu tấn một năm (Bộ nông nghiệp và phát triển nông thôn). Hiện nay Việt Nam là nước xuất khẩu gạo đứng thứ hai thế giới, điển hình là năm 1999 kỷ lục xuất khẩu gạo là 4,55 triệu tấn. Tuy nhiên ở nước ta năng suất lúa còn chưa ổn định do điều kiện khí hậu và địa hình không bằng phẳng, đồng thời chưa chú trọng nhiều đến chất lượng nên còn nhiều vấn đề bất cập. Vì thế cần phải đầu tư hơn nữa để tạo ra các giống lúa cho năng suất cao, ổn định; phẩm chất tốt; sức chống chịu khá… thích nghi với các vùng sinh thái khác nhau. 1.2. Đại cương về tính chịu hạn ở cây trồng 1.2.1. Hạn và tác hại của hạn lên thực vật 1.2.1.1. Khái niệm và phân loại hạn Nước có vai trò quan trọng đối với thực vật, do vậy thiếu nước sẽ gây nên những hậu quả lớn cho hoạt động sống của cây. Trước tiên là ảnh hưởng đến cân bằng nước trong cây, sau đó ảnh hưởng đến quang hợp, hô hấp, trao đổi chất, sinh trưởng và phát triển của cây. Nguyên nhân gây nên thiếu nước ở cây trồng thường là hạn hán. Hạn là khái niệm dùng để chỉ sự thiếu nước ở thực vật do môi trường gây nên trong suốt quá trình hay trong từng giai đoạn làm ảnh hưởng đến sự phát triển. Những cây có khả năng duy trì sự phát triển bình thường và cho năng suất ổn định trong điều kiện khô hạn gọi là cây chịu hạn. Và khả năng của thực vật để ngăn ngừa sự tổn thương do sự thiếu hụt nước gây ra gọi là tính chịu hạn . Về mặt cân bằng nước trong cây thì hạn hán được chia làm hai giai đoạn chính: Hạn không khí và hạn đất. Hạn không khí thường xẩy ra khi không khí môi trường có nhiệt độ cao (39-42oC) và độ ẩm thấp (dưới 65%). ở nước ta hiện tượng này thường gặp ở những tỉnh khu Bốn vào những tháng có gió Tây Nam và ở vùng Bắc bộ vào cuối thu và đầu đông. Đối với thực vật nói chung và cây lúa nói riêng thì hạn không khí thường gây ra hiện tượng héo tạm thời vì làm cho các bộ phận non của cây bị thiếu nước. Mức độ phản ửng của cây với sự thiếu hụt nước tuỳ thuộc từng giai đoạn phát triển của cây. Đối với cây lúa, hạn không khí ảnh hưởng nghiêm trọng trong giai đoạn bắt đầu hình thành cơ quan sinh sản đến lúc kết thúc quá trình thụ phấn. Nguy hại nhất là vào giai đoạn lúa phơi màu. Vì nhiệt độ cao và độ ẩm thấp làm cho hạt phấn không có khả năng nảy mầm , quá trình thụ phấn không diễn ra làm hạt bị lép. Hạn không khí kéo dài sẽ làm khô đất và dẫn đến hạn đất. Hạn đất sẽ làm mức áp suất thẩm thấu của cây không cạnh tranh được với lực giữ nước của đất khiến cây không thể lấy nước vào tế bào qua rễ, và làm toàn bộ cây bị thiếu nước dẫn đến cây bị héo lâu dài. Hạn đất phụ thuộc nhiều vào sự bốc hơi nước bề mặt và khả năng giữ nước của đất. Đất thịt nặng có khả năng giữ nước cao nhất (57%), còn đất cát là giữ nước kém nhất (19%), (McKersie & Cs, 1994). Nói chung hạn không khí và hạn đất thường đi song song với nhau và được gọi là hạn kết hợp. Đây là loại hạn khốc liệt nhất, nếu kéo dài sẽ làm cây héo vĩnh viễn không có khả năng phục hồi. Tuy nhiên, cũng có lúc trong đất đủ nước mà cây vẫn bị héo như: khi gặp nhiệt độ quá thấp, thiếu oxy, hay cây bị ngập mặn hoặc bị bón phân hoá học quá đậm đặc…làm hoạt động của rễ bị giảm sút. Trường hợp này gọi là hạn sinh lý. 1.2.1.2. Tác hại của hạn lên thực vật Hạn có tác hại rất lớn. Trước tiên nó phá vỡ cân bằng nước trong cây, từ đó ảnh hưởng đến các hoạt động sinh lý khác của cây như: Hô hấp, quang hợp, dinh dưỡng khoáng, vận chuyển và tích luỹ các chất hữu cơ… Hạn ảnh hưởng tổng hợp lên sinh trưởng và phát triển của cây, làm giảm năng suất và thu hoạch. Hạn kết hợp với gió nóng, khô làm chết phần lớn lá, nhất là những lá ở tầng dưới ( ở cây hoà thảo làm khô đầu lá, cây gỗ thì gây chết ở đỉnh cành). Hạn gây ra sự mất nước, để bù lại phần nào lượng nước mất đi lá phải hút nước từ các nụ, hoa và chồi non gây hại trực tiếp cho các bộ phận này. Làm rụng nụ, hoa và quả non, làm giảm năng suất thu hoạch. Nếu hạn muộn hơn vào giai đoạn cuối làm ảnh hưởng đến sự tạo và vận chuyển dinh dưỡng về hạt làm hạt bị lép ( Trần Nguyên Tháp, 2001) [19] Về ảnh hưởng của hạn đến cấu trúc và chức năng sinh lý của tế bào thì hàng loạt các nghiên cứu của Maximop, Ratne, Moise… đều thống nhất rằng khi cây bị héo thì trạng thái chất nguyên sinh của tế bào bị thay đổi mạnh. Độ phân tán của hệ thống keo bị giảm , làm giảm khả năng trương nước và tính đàn hồi của keo sinh chất. Các biến đổi trong cây chuyển từ chiều hướng tổng hợp sang phân giải và hoàn toàn bất lợi cho trao đổi chất của tế bào. Hạn còn ảnh hưởng pha sinh trưởng giãn của tế bào. Nếu tế bào đang ở giai đoạn giãn mà bị thiếu nước thì tế bào sẽ ngừng sinh trưởng và cây còi cọc. Vì vậy người ta có thể điều khiển sinh trưởng của cây thông qua việc điều tiết nước. 1.2.2. Cơ chế chống chịu hạn Trong cùng một điều kiện hạn, một số cây trồng vẫn sinh trưởng phát triển và hình thành năng suất, trong khi đó một số cây trồng thì không cho thu hoạch. Nguyên nhân là do chúng có những cơ chế chống chịu hạn khác nhau. Có ba kiểu chống chịu hạn chính ở cây trồng là: lẩn tránh hạn (trốn hạn), chịu hạn ở thế nước trong mô cao và chịu hạn ở thế nước trong mô thấp. 1.2.2.1. Cơ chế lẩn tránh hạn Lẩn tránh hạn là khả năng cây có thể hoàn thành chu kỳ sống của chúng trước khi sự thiếu hụt nước nghiêm trọng xảy ra. Thực vật thuộc nhóm này thường là những cây hàng năm, hay những cây đoản sinh trưởng sống ở xa mạc. Chúng có thời gian sinh trưởng ngắn. Hạt giống của chúng nảy mầm khi bắt đầu có mưa đất ẩm, sau đó chúng sinh trưởng và phát triển nhanh chóng, hình thành hạt và chết trước khi mùa khô hạn đến. Nói chung những thực vật này không có những đặc trưng thích ứng cho chống chịu hạn. Song chúng thường có thế thẩm thấu thấp nên có thể chống chịu sự thiếu hụt nước của môi trường. 1.2.2.2. Cơ chế chịu hạn ở thế nước trong mô cao Để duy trì trạng thái nước luôn cao trong mô khi sự bay hơi nước mạnh và độ thiếu hụt nước trong đất lớn thì cây trồng cần có hai đặc trưng cơ bản sau: Hạn chế sự thoát hơi nước và duy trì việc cung cấp nước. Cây giảm sự thoát hơi nước bằng ba đường hướng sau: - Điều chỉnh sự đóng mở của khí khổng: Khí khổng được đặt trong một biểu bì không thấm nước và hoạt động như van điều chỉnh giữa độ ẩm của lá và độ khô của không khí, tạo ra cơ chế chính kiểm soát tốc độ mất nước. Đây là cơ chế sinh lý hiệu quả nhất để hạn chế sự mất nước. Những cây mọng nước thường đóng khí khổng để giảm mất nước. Khí khổng của chúng rất nhạy cảm với sự giảm thế nước tổng số và có khuynh hướng mở khí khổng vào ban đêm khi sự thoát hơi nước là thấp nhất để tiếp nhận co2. Khí khổng của chúng có thể không mở liên tục, thậm chí đến 40 ngày như ở cây xương rồng khi thế nước của đất còn thấp hơn thế nước của cây. Giá trị thế nước gây ra sự đóng khí khổng ở những cây khác nhau là rất khác nhau, phụ thuộc vào tuổi lá và điều kiện môi trường. Ví dụ khí khổng ở lá dâu đóng ở thế nước -8 bar, còn ở bông là -28 bar… Tuy sự đóng khí khổng là rất quan trọng để duy trì trạng thái nước của mô. Nhưng nó gây ra hiệu ứng kèm theo là giảm sự trao đổi khí quang hợp, giảm quang hợp và năng suất. Và khi mất nước quá nhiều thì khí khổng không còn khả năng đóng dẫn đến cây mất nước ồ ạt và chết (Bohnert & Jensen, 1996) [22]. - Giảm sự hấp thụ bức xạ mặt trời: Cây có thể giảm sự hấp thu bức xạ mặt trời bằng cách lá vận động song song với tia sáng để nhận ánh sáng ít nhất, đặc biệt là vào buổi trưa. Lá có góc nghiêng 70 độ làm giảm nhiệt độ lá ở điều kiện khắc nhiệt xuống 2-30C và giảm thoát hơi nước 8-12% (Jone & Cs, 1981) [27]. Ngoài ra sự cuộn tròn lá, sự cụp lá, sự phủ một lớp lông dày hoặc một lớp sáp dày hay lớp tinh thể muối trên lá cũng tránh được sự bay hơi nước. Trong một số loài cây nghiên cứu thì lớp sáp ở lúa mỳ là có hiệu quả cao nhất, và lớp sáp ở lúa nước là thấp nhất trong họ Graminae (bằng khoảng 1/5 so với lúa mỳ) và hầu như không có liên quan đến sự thoát hơi nước (O’Toole & Cruz, 1983; Jordan & Cs, 1983) [28] [34]. - Giảm bề mặt bay hơi nước: Sự thiếu hụt nước sẽ làm giảm sự sinh trưởng của lá, giảm diện tích lá. Ngoài ra một số lá bị chết đi hoặc bị rụng khi thiếu nước cũng làm giảm sự bay hơi nước. ở lúa mỳ, những giống có bộ lá hẹp đã làm giảm sự bốc thoát hơi nước có hiệu quả (Jone & Cs, 1981). Sự giảm diện tích lá cùng với sự đóng khí khổng, giảm năng luợng hấp thu đều làm giảm quang hợp, sinh trưởng và năng suất. Cây duy trì duy trì sự hấp thu nước : Để duy trì trạng thái nước cao trong mô thì hệ rễ của cây phải được tăng mạnh về số lượng và mật độ. Bộ rễ phải ăn sâu hơn để lấy nước ở những tầng đất sâu khi khô hạn . Vì thế mà tỷ lệ rễ/ thân tăng lên khi gặp hạn. Ngoài ra để tăng dòng vận chuyển nước từ rễ lên lá thì đường kính rễ và số lượng mạch dẫn phải tăng. Hơn nữa một hệ thống rễ phát triễn ngoài việc giải quyết được vấn đề hạn còn cải thiện được sự cạnh tranh với cỏ dại và dành được dinh dưỡng (Mambani & Lal, 1983) [31]. 1.2.2.3. Cơ chế chịu hạn ở thế nước trong mô thấp Một đặc tính thích nghi quan trọng khi cây bị hạn là khả năng duy trì sức trương của tế bào khi thế nước của chúng giảm. Các quá trình sinh lý, sinh hoá và phát sinh hình thái của cây đều chịu ảnh hưởng của sức trương tế bào. Cơ chế này ở cây có thể được thực hiện nhờ sự điều chỉnh áp suất thẩm thấu và tính mềm dẻo của mô tế bào. - Điều chỉnh áp suất thẩm thấu: Khi thực vật tồn tại trong môi trường thiếu nước thì sẽ bị mất cân bằng về thẩm thấu. Để chống lại cây đã có những cơ chế đặc biệt liên quan đến những thay đổi tinh vi trong sinh hoá tế bào dẫn đến sự tích luỹ các chất tan bao gồm: các loại đường, protein, axit amin, ion K+…Các chất này có chức năng điều chỉnh và bảo vệ thẩm thấu loại bỏ gốc tự do khi cây bị thiếu nước. Bảng1. Các sản phẩm được tích luỹ và chức năng của chúng trong việc chống chịu sự thiếu nước (Bohnert & Jensen, 1996) [22]. Nhóm chất Tên chất và hợp chất Chức năng Ion K+ Điều chỉnh thẩm thấu, loại bỏ và thu nhận Na+ , điều tiết các chất dinh dưỡng chính Protein LEA/dehydrin Osmotin SOD/catalase Bảo vệ thẩm thấu Các protein hình thành ở điều kiện bất lợi Phân giải gốc tự do Acid amin Proline Ectoine Điều chỉnh áp suất thẩm thấu Bảo vệ thẩm thấu Đường Sucrose Fructan Điều chỉnh thẩm thấu Bảo vệ thẩm thấu, dự trữ carbon Polyol Manitol Pinitol Dự trữ carbon, điều chỉnh thẩm thấu Điều chỉnh và bảo vệ thẩm thấu, loại bỏ gốc tự do Polyamin Spermine Spermidine Cân bằng ion, bảo vệ chất nhiễm sắc Amin bậc 4 Glycine betaine β- Alanine betaine Dimethyl sylfonio –propionate Bảo vệ thẩm thấu Bảo vệ thẩm thấu Bảo vệ thẩm thấu Sắc tố và carotenoid Carotenoid, anthocyanin betalaine Bảo vệ quang ức chế - Sự mềm dẻo của mô: tính mềm dẻo của mô cũng liên quan đến sự điều chỉnh sức trương của mô tế bào. Tế bào càng nhỏ, tính dẻo dai của mô càng cao thì duy trì sức trương của chúng tốt hơn. 1.2.2.4. Cơ chế phục hồi sau hạn Cơ chế phục hồi là khả năng huy động các cơ chế sửa chữa khi tái hấp thụ nước đem lại sự phục hồi các tổn hại trong quá trình khô hạn. Tham gia vào cơ chế phục hồi này là các protein và các chất tan khác. Các protein có bản chất là protease phân giải các protein bị phá huỷ không thể sửa chữa do tác động của khô hạn (Guerrero & Cs, 1990) [25]. Các protein sốc nhiệt HPS (Heat Shock Protein) là các protein kèm có chức năng sửa chữa, giúp các protein khác phục hồi lại cấu trúc tự nhiên sau khi bị biến tính hoặc bị tháo xoắn khi có hạn (Kiyosue & Cs, 1994) [30]. Nhiều chất tan trong điều chỉnh thẩm thấu của tế bào trong điều kiện bất lợi cũng có tác dụng trong quá trình phục hồi của cây. Sự tích luỹ protein khi thiếu nước có thể có chức năng khác như bảo vệ Enzym và giữ ổn định màng sinh học. Sự phân giải proline có thể tăng năng luợng của tế bảo phục hồi (Saradhi, 1991) [36]. 1.2.3. Các biện pháp khắc phục nâng cao tính chịu hạn Để khắc phục và nâng cao khả năng chống chịu hạn của cây trồng, hiện nay có những biện pháp sau: Biện pháp kỹ thuật: Sử dụng phương pháp tôi hạt giống của Ghenken, xử lý hạt giống bằng các nguyên tố vi lượng (Mo, Zn, Cu, Bo…). Những nghiên cứu gần đây trên các vùng hạn nặng ở Châu Phi cho thấy, có khả năng sử dụng các chế phẩm hoá học đặc hiệu để làm tăng tính chịu hạn cho cây. Cơ sở khoa học của biện pháp này là sử dụng các chất chống thoát hơi nước. Các chất thường sử dụng là: Axit usnic, usanat amon, axetat phenyl đồng… Thực nghiệm cho thấy khi sử dụng axit usnic bón vào đất trước khi gieo hạt đã làm tăng năng suất đậu đỗ lên đáng kể so với đối chứng cùng trồng trong điều kiện khô hạn. Khi bón 12,5 kg axit usnic năng suất hạt tăng 37,7% [12]. Biện pháp thứ hai là chọn tạo và sử dụng các giống chịu hạn. Đây là biện pháp tích cực, lâu dài và cho hiệu quả cao nhất. Đặc trưng cơ bản là tính chín sớm, tuy năng suất của chúng thấp nhưng lại có khả năng sử dụng nước rất tiết kiệm. Để chọn giống chịu hạn nguời ta thường dựa vào các đặc điểm hình thái như: Các đặc trưng về bộ rễ, khí khổng, độ rắn và độ dày của lá, hình dạng màu sắc lá, sự định hướng của lá, độ dày của tầng cutin…Ngoài ra còn căn cứ vào chỉ tiêu sinh lý, sinh hoá và quá trình trao đổi chất khi gặp hạn như: Khả năng quang hợp, sự tích luỹ protein, hàm lượng axit absicic… Cùng với sự ra đời của các chỉ thị phân tử liên kết với các đặc trưng chống chịu hạn, đã tạo ra bước tiến mới trong công tác chọn giống cây trồng. ở lúa những nghiên cứu về đặc điểm hình thái, chỉ tiêu sinh lý, sinh hoá của hai nhóm: lúa nước, lúa cạn và lúa chịu hạn cho thấy: - Bộ rễ của nhóm lúa cạn và lúa chịu hạn ăn sâu hơn đáng kể so với nhóm lúa nước. Sự phân bố khối lượng rễ của nhóm lúa nước tập trung chủ yếu ở lớp đất mặt 0-20 cm ( đạt khoảng 85-91%). Còn đối với nhóm lúa cạn và lúa chịu hạn ở tầng đất 61-80 cm vẫn còn đạt 3,6-7,3%. - Lá của nhóm lúa cạn và lúa chịu hạn dày hơn, mật độ khí khổng ít hơn, màu sắc lá xanh nhạt hơn do hàm lượng diệp lục a, b ít hơn và hàm lượng sắc tố carotenoid nhiều hơn nhóm lúa nước. - Các số liệu phân tích về hàm lượng proline cho thấy trong điều kiện đủ nước thì hàm lượng proline của hai nhóm trên là như nhau. Nhưng trong điều kiện thiếu nước hàm lượng proline trong lá của nhóm lúa cạn và chịu hạn tăng lên, còn nhóm lúa nước lại giảm đi rõ rệt. Điều này cho thấy hàm lượng proline trong lá là nhân tố quan trọng trong việc giữ nước và cân bằng nước trong mô tế bào (Nguyễn Tấn Hinh, Trương văn Kính, 2002) [3]. 1.3. Một số phương pháp tạo dòng chịu hạn 1.3.1. Chọn dòng chịu hạn thông qua kỹ thuật chọn dòng tế bào Kỹ thuật chọn dòng tế bào chống chịu với điều kiện bất lợi của môi trường thông qua kỹ thuật nuôi cấy mô tế bào thực vật đang là công cụ có hiệu quả cao trong chọn giống cây trồng. Sự xuất hiện các biến dị soma xảy ra trong nuôi cấy đặc biệt là dưới tác động của tác nhân và điều kiện chọn lọc, đã giúp các nhà khoa học phân lập ra các tế bào có khả năng chịu hạn khá. Các chất gây áp suất thẩm thấu như PEG, Manitol, Sorbitol, Sucrose… được xem như tác nhân gây khô hạn trong môi trường nuôi cấy. Các chất kìm hãm sinh trưởng như axit abcisic, được coi là nhân tố tác động để tăng cường khả năng giử nước và chịu mất nước của mô. 1.3.2. Chọn dòng chịu hạn bằng kỹ thuật chuyển gen Có thể nói chịu được hạn và hình thành năng suất trong điều kiện hạn là kết quả tổng hợp của sự tác động đa gen trong các thời kỳ sinh trưởng và phát triển (bao gồm sinh trưởng của bộ rễ, đặc điểm chống chịu hạn của thân lá, khả năng phục hồi sau hạn, các yếu tố cấu thành năng suất…). Hiện nay các nhà khoa học đã tìm ra các nhóm gen chịu các điều kiện bất lợi về nước như: Nhóm gen LEA của cây lúa mạch mã hoá protein trong giai đoạn muộn của qúa trình hình thành phôi, giúp bảo vệ phôi trong quá trình ngủ nghỉ và chịu hạn của phôi trong hạt khô (Xu & Cs, 1996). Nhóm gen RAB (Responsive to Absicis acid) của cây lúa nước, phản ứng với ABA nội sinh và ngoại sinh cho ra những protein có chức năng ức chế và bảo vệ thẩm thấu (Claes, 1990; Yamaguchi 1989). Nhóm gen thuộc chu trình sinh tổng hợp proline, các gen liên quan đến điều chỉnh áp suất thẩm thấu…[13]. 1.3.3. Chọn dòng chịu hạn nhờ chỉ thị phân tử MAS MAS (Marker Assisted Selection) và bản đồ di truyền đã cho các nhà chọn giống thấy rõ mối quan hệ giữa tính trạng-gen-môi trường. Nhờ những chỉ thị phân tử liên kết chặt với các gen quan tâm cho phép chọn lọc các cá thể ngay ở giai đoạn sớm mà không cần đánh giá kiểu hình cũng như không phụ thuộc vào điều kiện môi trường. Đối với lúa MAS đã được ứng dụng với các gen kháng bệnh bạc lá, đạo ôn và ruồi đục thân. Bằng con đường MAS người ta đã qui tụ được một số dòng mang 2, 3 và 4 gen kháng bệnh bạc lá (Huang et al, 1997); qui tụ thành công 3 gen kháng nấm đạo ôn và đưa gen kháng ruồi đục thân Gm2, Gm4t, Gm7 vào các giống lúa có tiềm năng năng suất cao [17]. Đối với gen tính trạng số lượng (đặc biệt là các gen chống chịu điều kiện bất lợi) việc ứng dụng MAS còn nhiều khó khăn và đến nay mới đạt được những kết quả bước đầu như việc lập bản đồ và xây dựng QTL (Quantitative Trait Loci) cho một số tính trạng ở lúa như tính chịu hạn, tính chịu nhôm . Về tính chịu hạn thì MAS liên kết với tính trạng hình thái rễ như: độ dài rễ, số lượng rễ, tỷ lệ khối lượng khô của rễ trên thân, tỷ lệ khối lượng khô của rễ sâu trên thân... đang được quan tâm [9]. 1.4. Đột biến phóng xạ trong tạo giống 1.4.1. Các thành tựu về chọn tạo giống đột biến Tạo giống đột biến đã có lịch sử phát triển lâu đời và rộng lớn. Tuy nhiên, đến năm 1909 khi Hugo De Vries tiến hành nghiên cứu và đưa ra học thuyết đột biến thì nó mới được chấp nhận. Đến năm 1953 người ta đã tìm ra các hoá chất siêu đột biến như: Ethylenimine (EI), Ethylmethane sulphonate (EMS), Nitrozoethylurea (NEU), Diethylsulphonate (DES)… Những chất này có thể gây đột biến ở cây trồng, động vật, thậm chí ở cả vi sinh vật. Cùng với những khám phá về cấu trúc vật liệu di truyền của Watson và Crick đã mang lại nhiều tiến bộ mới trong nghiên cứu cơ chế đột biến ở mức độ phân tử, quá trình tự sửa chữa và tạo đột biến. Từ năm 1965 trở đi những nghiên cứu về đột biến tiếp tục phát triển. Tạo đột biến không chỉ là một phương pháp hữu hiệu để tạo giống cây trồng mà nó còn làm tăng tính đa dạng sinh học. Nhiều nước đã chú trọng áp dụng tác nhân gây đột biến nhân tạo trong chọn tạo giống mới như: Mỹ, Nhật Bản, Hàn Quốc, Indonesia, Philippine, Malaysia, ấn Độ, Trung Quốc, Bagladesh, Mianma, Thái Lan và Việt Nam. Một số giống lúa đột biến nổi tiếng đã được biết đến như: Reimei (Nhật Bản, 1966), Jagannath (ấn Độ, 1969), Calrose (Mỹ, 1976), RD-6 (Thái Lan, 1977), Basmati 615 (ấn Độ), Sheshu-802 (Trung Quốc)… Theo tài liệu của FAO/IAEA đến 7/2000 trên thế giới có hơn 2225 giống cây trồng trong sản xuất được chọn tạo bằng đột biến gen. Trung Quốc là nước dẫn đầu về số lượng đột biến nhân tạo được công nhận, chiếm 27,2% tổng số giống đột biến trên thế giới. ở Việt Nam đột biến thực nghiệm đã được khởi xướng vào năm 1960 bởi Lương Đình Của. Tuy nhiên nó chỉ phát triển từ năm 1980 bởi Phan Phải và đội nghiên cứu của ông. Sau đó nhiều nhà khoa học đã nghiên cứu đột biến ở nhiều loại cây trồng khác nhau như: Lúa, ngô, đậu, táo, cà chua, dưa hấu, lạc… Nhiều dòng cây đột biến có giá trị cao đã được tạo ra và chọn lọc để sử dụng trực tiếp trong sản xuất, hoặc gián tiếp cho việc lai tạo ra giống mới. Đến nay có nhiều giống đột biến đã được công nhận là giống quốc gia như: Giống lúa DT10, DT11, DT13, DT33, A20, Xuân số 5, Tám thơm, CM1, CM6…; Giống đậu phộng V70;Giống đậu nành DT84, DT95…; Giống bắp DT6, DT8; Giống cà chua số 7 và 214, giống đào tiên, giống táo má hồng…Các giống này có ưu điểm là cho sản lư