Nghiên cứu khả năng chịu hạn liên quan đến hình thái rễ và cấu trúc khí khổng của 12 giống lúa mùa (Oryza sativa L) trong điều kiện hạn nhân tạo

27 Khoa học Nông nghiệp 63(2) 2.2021 Đặt vấn đề Được dự báo là một trong số những quốc gia bị ảnh hưởng nhiều nhất của biến đổi khí hậu, Việt Nam nói chung và Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) nói riêng đã phải gánh chịu những tổn thất nặng nề do hạn hán và lũ lụt gây ra. Kể từ năm 2000 đến nay, tình trạng hạn hán đã liên tục xảy ra vào các năm 2002, 2004, 2005, 2006, 2009, 2015 và 2016 [1]. Đặc biệt, đợt hạn hán và xâm nhập mùa khô năm 2016 đã gây thiệt hại nặng nề nhất, toàn vùng ĐBSCL có đến 208.000 ha lúa bị thiệt hại, trong đó 60% bị thiệt hại nặng và nhiều vùng mất trắng. Từ thực tế cho thấy, chọn tạo và sử dụng giống lúa chịu hạn trong canh tác là một trong những giải pháp hiệu quả và bền vững đối với những vùng sinh thái thường xuyên bị hạn hán như ĐBSCL. Tuy có tiềm năng đa dạng về số lượng và chủng loại giống lúa mùa địa phương nhưng việc đánh giá cải tiến giống lúa chịu hạn còn rất ít, chưa đáp ứng kịp yêu cầu sản xuất hiện nay. Đối với cây lúa, thiếu nước có ảnh hưởng lớn đến hình thái ở giai đoạn sinh trưởng và sinh sản. Tuy nhiên, nhiều báo cáo đã cho rằng, để chống chịu hạn, một số giống lúa đã phát triển kiểu hình có bộ rễ dài ăn sâu, giúp tăng cường khả năng hút nước từ tầng đất sâu và giảm mất nước qua lá bằng cách thay đổi cấu trúc khí khổng [2, 3]. Để nâng cao chất lượng và sản lượng nhằm giảm thiệt hại do hạn hán gây ra, việc nghiên cứu chọn tạo giống lúa chịu hạn mới dựa trên hình thái nhằm bổ sung vào nguồn vật liệu di truyền lúa chịu hạn là vấn đề cấp thiết hiện nay. Nghiên cứu này nhằm đánh giá những đặc điểm hình thái rễ và khí khổng trên nhiều giống lúa mùa khác nhau để chọn ra giống mang tính trạng thích nghi với môi trường hạn, phục vụ công tác lai tạo và chọn giống lúa chịu hạn tốt cho vùng ĐBSCL. Vật liệu và phương pháp nghiên cứu Vật liệu, địa điểm, thời gian nghiên cứu Nghiên cứu sử dụng 12 giống lúa mùa có nguồn gốc tại Tây Ninh (Xương gà đỏ, Xương gà trắng, Ông từng đỏ, Lăng nhây trắng, Bằng nâu, Tiêu mỡ đỏ) và An Giang (Một bụi đỏ, Thái Lan, Sophinh, Macri 1, Bông gừng trắng, Nàng coi) được trồng từ tháng 8/2019 tại nhà lưới có mái che thuộc Bộ môn Di truyền và Chọn giống cây trồng, Trường Đại học Cần Thơ. Nghiên cứu khả năng chịu hạn liên quan đến hình thái rễ và cấu trúc khí khổng của 12 giống lúa mùa (Oryza sativa L.) trong điều kiện hạn nhân tạo Trần Ngọc Sơn*, Võ Công Thành, Võ Lan Hương, Đặng Thị Yến Nhi, Trần Thị Thùy Dương, Nguyễn Lam Đình, Từ Thị Diễm My Khoa Nông nghiệp, Trường Đại học Cần Thơ Ngày nhận bài 25/9/2020; ngày chuyển phản biện 29/9/2020; ngày nhận phản biện 13/11/2020; ngày chấp nhận đăng 20/11/2020 Tóm tắt: Chọn giống lúa chịu hạn để canh tác là biện pháp hiệu quả nhất hiện nay nhằm tránh những ảnh hưởng do hạn hán đang có những diễn biến phức tạp. Thí nghiệm được bố trí kiểu khối hoàn toàn ngẫu nhiên một nhân tố, gồm 12 giống lúa mùa trong điều kiện gây hạn nhân tạo, 3 lần lặp lại. Các chỉ tiêu được đánh giá qua hình thái, cấu trúc giải phẫu rễ và khí khổng cây lúa phù hợp với môi trường hạn. Kết quả cho thấy 3 giống (Sophinh, Xương gà đỏ và Bằng nâu) có khả năng chịu hạn tốt nhất trong giai đoạn sinh trưởng dinh dưỡng (28 ngày sau khi ngắt nước). Giống Sophinh có mật độ và diện tích khí khổng nhỏ nhất (tương ứng 529,3 kk/mm2 và 88,6 µm2), giúp giảm mất nước qua quá trình thoát hơi nước khi cây thiếu nước. Giống Xương gà đỏ có tỷ lệ rễ sâu cao nhất (58,7%), có thể tăng khả năng lấy nước từ tầng đất sâu. Giống Bằng nâu có đường kính rễ dày 876,3 µm và diện tích lõi lớn (đạt 54,4x103 µm2), chứa nhiều hậu mộc và tổng diện tích hậu mộc lớn nhất (tương ứng 5,6 và 12x103 µm2), giúp tăng lực dẫn nước lên chồi. Mối quan hệ giữa số rễ, số mạch hậu mộc và mật độ khí khổng là tương quan nghịch; trong khi tương quan giữa đường kính rễ, số hậu mộc và tổng diện tích hậu mộc là tương quan thuận. Kết quả này sẽ giúp định hướng phát triển giống lúa theo cơ chế chịu hạn. Từ khóa: chịu hạn, khí khổng, lúa mùa, rễ. Chỉ số phân loại: 4.1 * Tác giả liên hệ: Email: ngocsonbiotech5011@gmail.com 28 Khoa học Nông nghiệp 63(2) 2.2021 Phương pháp nghiên cứu Bố trí thí nghiệm: Thí nghiệm được bố trí theo kiểu khối hoàn toàn ngẫu nhiên một nhân tố (giống lúa), 3 lần lặp lại. Tiến hành ngắt nước xử lý hạn sau 40 ngày gieo bằng cách ngưng tưới nước đến khi 50% số lá bị khô thì tưới nước phục hồi. Thí nghiệm được thực hiện theo phương pháp rổ nhựa (basket) (hình 1) [4, 5]. Hình 1. Sơ đồ mô tả phương pháp rổ nhựa (basket). Đất được phơi khô, làm nhuyễn, rây loại bỏ tạp chất, sau đó bổ sung thêm cát (tỷ lệ 6 đất/4 cát). Hỗn hợp đất cát pha được cho vào chậu kích thước 28x22x30 cm, đặt rổ nhựa cách mặt chậu 2 cm, các chậu sau đó được làm ẩm bằng cách tưới 4 ngày một lần với lượng nước đồng nhất đủ độ ẩm đồng ruộng (độ ẩm >80%) cho đến 40 ngày sau gieo. Hạt lúa sau khi ủ nảy mầm được gieo vào chậu, 1 cây/ chậu. Các chậu được bổ sung lượng phân bón 20 g urea, 35 g super lân và 10 g KCl tại 2 thời điểm bón lót và 15 ngày sau khi gieo. Chỉ tiêu theo dõi: Độ ẩm đất được đo 7 ngày 1 lần ở tất cả các chậu vào giờ trưa mỗi ngày bằng máy Takemura. Tổng số rễ (T R ) được tính dựa trên tổng số rễ chính của một bụi xuyên qua rổ nhựa. Tỷ lệ rễ sâu (RDR) được định nghĩa là số rễ xuyên qua phần mắt lưới 2 mm của rổ nhựa (tức là phần được xác định bởi một góc 50-90o theo phương ngang mặt đất tính từ gốc lúa) chia cho tổng số rễ. Thời điểm ghi nhận sau khi cây được tưới nước phục hồi 14 ngày. Cấu trúc rễ và các mạch xylem rễ được quan sát (n=5 rễ) phân tích theo phương pháp Terashima, et al. (1987) [6]. Quan sát mặt cắt ở vị trí cách gốc 3 cm để đo đường kính rễ (D R ), số mạch hậu mộc (latemetaxylem - LMX), diện tích lõi (S stele ) và tổng diện tích hậu mộc (S LMX ). Mật độ và kích thước khí khổng trên biểu bì lá lúa được khảo sát theo phương pháp Baloch, et al. (2013) [7] khi cây có biểu hiện cuốn lá trên thị trường vật kính 40X. Quan sát sự phân bố và đếm số lượng khí khổng thấy được trong Drought tolerance related to root morphology and stomatal structure of the 12 seasonal rice varieties (Oryza sativa L.) under artificial drought conditions Ngoc Son Tran*, Cong Thanh Vo, Lan Huong Vo, Thi Yen Nhi Dang, Thi Thuy Duong Tran, Lam Dinh Nguyen, Thi Diem My Tu College of Agriculture and Applied Biology, Can Tho University Received 25 September 2020; accepted 20 November 2020 Abstract: Drought-tolerant rice varieties are one of the best choices to avoid the effects of drought. A Randomized Complete Block Design (RCBD) with three replications was used for the experiment. 12 seasonal rice were tested under artificial drought conditions. The criteria were assessed through the morphology, root anatomical structure, and stomatal leaves that were suitable for the drought environment. The results showed that 3 seasonal rice were well adapted to this condition.Sophinh had the smallest density and area of stomata (529.3 stomata/mm2 and 88.6 µm2 respectively), they helped reduce water loss. Xuong ga do had the highest ratio of deep roots 58.7% which could increase the ability to take water from the deep soil layer. Bang nau had a thick root diameter of 876.3 µm and a stele root area of 54.4x103 µm2 containing a high number and more areas of late metaxylems (5.6 and 12x103 µm2 respectively). These factors helped increase water flux from root to shoot. Correlation among the density of stomata, number of roots, and the number of late metaxylem were negative while correlation among diameter of roots, number of late metaxylem, and total areas of late metaxylem were positive. These results were useful for developing drought-tolerant rice varieties. Keywords: drought avoidance, root, seasonal rice, stomata. Classification number: 4.1 29 Khoa học Nông nghiệp 63(2) 2.2021 diện tích tại 3 vị trí đầu, giữa và chóp lá của 2 mặt lá. Mật độ khí khổng (D kk ) được tính theo số lượng khí khổng/mm2. Đo kích thước chiều dài (L kk ) và chiều rộng (W kk ) tế bào khí khổng (n=30 khí khổng). Diện tích khí khổng tính bằng cách nhân chiều dài và rộng trung bình của khí khổng. Phân tích thống kê: Số liệu giải phẫu khí khổng và rễ được đo bằng phần mềm OptikalSview. Dữ liệu được phân tích thống kê bằng SPSS 23.0 dùng kiểm định Duncan ở mức ý nghĩa 5% để so sánh các giá trị trung bình và phân tích hệ số tương quan Pearson. Kết quả và thảo luận Diễn biến độ ẩm đất Diễn biến độ ẩm của đất được trình bày ở hình 2. Hình 2. Diễn biến giá trị trung bình độ ẩm đất. Ghi chú: q: Thời điểm cuốn lá; s: Thời điểm cháy lá. Kết quả ở hình 2 cho thấy, diễn biến giá trị trung bình độ ẩm đất giữa các chậu thay đổi giảm dần tại thời điểm ngắt nước kể từ 40 NSG. Theo đó, độ ẩm bắt đầu giảm nhanh xuống còn 72,5% vào 47 NSG, sau đó độ ẩm tiếp tục giảm đến mức thấp nhất ghi nhận được là 7,5% tại thời điểm 68 NSG. Trong đó với mức độ ẩm đạt 14% cây bắt đầu cho thấy có biểu hiện cuốn lá. Đến mức độ ẩm còn 7,5% sự tổn thương do hạn gây ra các vết cháy lá trên cây lúa biểu hiện thấy rõ. Kết quả này phù hợp với nghiên cứu của Trần Nguyên Tháp (2001) [8] khi thực hiện thí nghiệm hạn trên lúa, rằng cây biểu hiện stress hạn bằng biểu hiện cuốn lá khi độ ẩm dưới 14%. So sánh kết quả nghiên cứu lúa chịu hạn, Zu, et al. (2017) [9] cũng thấy rằng khi độ ẩm đất đạt 15% những giống lúa rẫy bắt đầu cuốn lá, đạt 10% lá héo khô và lá tổn thương nặng khi độ ẩm đất đạt 5%. Độ ẩm đất có vai trò quan trọng trong việc kiểm soát hạn hán, khi độ ẩm đất thấp hơn một giới hạn nào đó, thực vật không hút đủ nước thì sẽ bị hạn [1]. Giới hạn này phụ thuộc vào khả năng giữ nước của đất và khả năng lấy nước của cây. Cấu trúc khí khổng lá lúa trong điều kiện hạn Cấu trúc khí khổng lá lúa trong điều kiện hạn được thể hiện ở bảng 1. Bảng 1. Mật độ phân bố và kích thước khí khổng của 12 giống lúa mùa trong điều kiện hạn. TT Giống D kk (kk/mm2) L kk (µm) W kk (µm) S kk (µm2) 1 Xương gà đỏ 577,3def 14,6bcd 6,3e 91,6de 2 Xương gà trắng 547,0ef 14,3cd 6,4de 91,3de 3 Ông từng đỏ 662,3abc 14,1d 6,5cde 91,5de 4 Lăng nhây trắng 616,7a-d 16,2a 6,9ab 109,6ab 5 Bằng nâu 620,3a-d 15,5ab 6,7bcd 103,4bc 6 Tiêu mỡ đỏ 604,3cde 16,4a 6,8bc 110,8ab 7 Sophinh 529,3f 14,3cd 6,3e 88,6e 8 Một bụi đỏ 675,7ab 15,0bcd 6,7bcd 98,8cd 9 Thái Lan 608,7b-e 15,2bc 6,6cde 99,1cd 10 Nàng coi 644,0a-d 16,2a 7,1a 114,8a 11 Macri 1 683,0a 14,5bcd 6,9ab 100,1c 12 Bông gừng trắng 652,0abc 16,4a 7,1a 115,6a F * * * * CV(%) 5,9 3,5 2,7 4,2 Chú thích: *: khác biệt mức ý nghĩa 5%. Trong cùng một cột, các số theo sau có cùng ký tự chữ cái thì khác biệt không ý nghĩa qua phép thử Duncan. D kk : mật độ khí khổng, L kk : dài khí khổng, W kk : rộng khí khổng, S kk : diện tích khí khổng. Kết quả ở bảng 1 cho thấy, mật độ và kích thước khí khổng khác biệt có ý nghĩa thống kê ở mức 5% giữa các giống lúa. Mật độ khí khổng trung bình phân bố trên bề mặt lá dao động từ 529,3-683 kk/mm2. Giống có mật độ phân bố khí khổng cao nhất là Macri 1 (683 kk/mm2) và ít nhất là Sophinh (529,3 kk/mm2), khác biệt có ý nghĩa so với các giống còn lại (hình 3). Hình 3. Cấu trúc khí khổng mặt trên (A1-B1) và mặt dưới (A2-B2) lá của Sophinh và Bằng nâu. 30 Khoa học Nông nghiệp 63(2) 2.2021 Nghiên cứu của Xiong, et al. (2002) [10] cho rằng, trong điều kiện hạn lá cây cần giảm bớt việc thoát hơi nước khi đóng mở khí khổng, vì vậy giảm số lượng khí khổng ở 2 mặt biểu bì lá góp phần hạn chế mất nước khi cây đang trong điều kiện thiếu nước. Sự gia giảm mật độ khí khổng để đối phó với hạn hán khác nhau giữa các loài thực vật và phụ thuộc vào mức độ nghiêm trọng của tình trạng thiếu nước [11]. Để đối phó với sự thay đổi môi trường, thực vật có thể điều chỉnh sự phát triển của khí khổng ở những chiếc lá mới [12]. Khi lá trưởng thành cảm nhận được điều kiện môi trường thay đổi, mật độ khí khổng sẽ được điều chỉnh ngay trong quá trình phát triển lá [13]. Đã có nhiều báo cáo cho rằng, những đột biến làm giảm mật độ khí khổng đã giúp tăng cường khả năng chịu hạn của thực vật [14, 15]. Kết quả này cũng phù hợp với nghiên cứu của Lưu Hoài Nam (2019) [16], sự giảm khí khổng ở biểu bì trên và dưới lá giúp cho lá lúa hạn chế được sự mất nước qua khí khổng, đồng thời tích trữ nước cung cấp cho hoạt động trao đổi chất của lá. Xét về kích thước khí khổng ở bảng 1 cho thấy, trung bình chiều dài khí khổng biến thiên từ 14,1-16,4 µm và chiều rộng từ 6,3-7,1 µm. Trong đó 2 giống Bông gừng trắng và Nàng coi có chiều dài khí khổng dài nhất (tương ứng 16,4 và 16,2 µm) và chiều rộng cũng lớn nhất (7,1 µm). Chính vì vậy mà cả 2 giống có diện tích khí khổng (tương ứng 115,6 và 114,8 µm2) lớn hơn so với các giống còn lại. Riêng giống Sophinh, bên cạnh mật độ khí khổng thấp là kích thước chiều dài, chiều rộng (tương ứng 14,3 và 6,3 µm) và cả diện tích khí khổng đạt nhỏ nhất (88,6 µm2) so với các giống lúa mùa được khảo sát. Sự trao đổi khí qua lá bị ảnh hưởng rất lớn bởi số lượng cũng như kích thước khí khổng [17]. Độ ẩm trong đất giảm, làm giảm lượng nước trong lá, các tế bào bảo vệ bị mất nước gây mất áp lực sức trương, từ đó làm cho kích thước khí khổng giảm xuống hoặc gây đóng khí khổng [18]. Sự suy giảm kích thước khí khổng là sự thích nghi của thực vật để đáp ứng với sự thiếu hụt nước và nhiệt độ cao [19]. Theo Gupta (1997) [20], thực vật trong điều kiện khô hạn thường có khí khổng nhỏ hơn so với thực vật sống trong điều kiện đủ nước. Như vậy, để tối đa hóa hoạt động quang hợp đồng thời giảm thiểu sự mất nước trong điều kiện khô hạn, cây trồng cần phải điều chỉnh cả về số lượng và kích thước của khí khổng cũng như khả năng đóng mở [21]. Có thể thấy Sophinh có đặc điểm khí khổng gần như phù hợp trong việc hạn chế mất nước trong điều kiện hạn khi có mật độ và kích thước khí khổng nhỏ nhất so với các giống khác. Hình thái rễ lúa trong điều kiện hạn Hình thái cũng như số lượng và sự phân bố rễ của các giống lúa mùa trong điều kiện hạn được trình bày ở bảng 2. Bảng 2. Số lượng, sự phân bố và hình thái giải phẫu rễ của 12 giống lúa mùa trong điều kiện hạn. TT Giống T R RDR (%) D R (µm) S stele (x 103 µm2) LMX S LMX (x 103 µm2) 1 Xương gà đỏ 19,3bc 58,7a 867,7a 41,2bcd 4,5bc 7,9def 2 Xương gà trắng 19,7bc 45,8bc 389,9c 29,5e 5,6a 3,9h 3 Ông từng đỏ 11,0e 33,5d 888,2a 42,7bcd 4,5bc 7,6ef 4 Lăng nhây trắng 21,0b 50,7b 827,5a 41,7bcd 5,1ab 8,8cd 5 Bằng nâu 25,3a 23,8e 876,3a 54,4a 5,6a 12,0a 6 Tiêu mỡ đỏ 14,0d 35,8d 703,4b 38,1cde 4,4c 8,4de 7 Sophinh 18,3c 25,5e 844,5a 47,4ab 5,1ab 11,4a 8 Một bụi đỏ 8,0f 37,9cd 906,1a 49,7abc 4,4c 9,8bc 9 Thái Lan 14,7d 45,6bc 851,3a 45,6abc 4,6bc 9,9b 10 Nàng coi 19,3bc 44,9bc 866,3a 41,7bcd 4,3c 7,1fg 11 Macri 1 14,7d 25,0e 709,4b 33,6de 3,3d 6,1g 12 Bông gừng trắng 16,0d 21,0e 911,5a 45,3abc 4,3c 7,9def F * * * * * * CV(%) 6,7 11,6 7,7 13,1 8,1 7,4 Chú thích: *: khác biệt mức ý nghĩa 5%. Trong cùng một cột, các số theo sau có cùng ký tự chữ cái thì khác biệt không ý nghĩa qua phép thử Duncan. T R : tổng số rễ, RDR: tỷ lệ rễ sâu, D R : đường kính rễ, LMX: số mạch hậu mộc, S stele : diện tích lõi, S LMX : tổng diện tích mạch hậu mộc. Kết quả bảng 2 cho thấy, các đặc điểm hình thái rễ có sự khác biệt ý nghĩa thống kê ớ mức 5%. Tổng số rễ ghi nhận trong môi trường hạn biến thiên từ 8,0-25,3, giống lúa Bằng nâu có nhiều rễ nhất với số rễ đạt 25,3 và Một bụi đỏ có số rễ ít nhất là 8,0. Tuy nhiên, sự phân bố rễ sâu lại có sự khác biệt nhau, cụ thể Xương gà đỏ có sự phân bố rễ ăn sâu nhiều nhất với tỷ lệ 58,7%, riêng nhóm Bằng nâu (23,8%), Sophinh (25,5%), Macri 1 (25%) và Bông gừng trắng (21%) có mức độ phát triển rễ sâu thấp (hình 4). Hình 4. Hình thái rễ giống lúa Xương gà đỏ (A), Bông gừng trắng (B) và cấu trúc giải phẫu rễ giống lúa Bằng nâu (C), Một bụi đỏ (D).