Đề tài Đánh giá khả năng chịu hạn nhân tạo và sự sinh trưởng các dòng lúa Tám đột biến ở điều kiện nhà lưới

MỞ ĐẦU 1. TÝnh cÊp thiÕt cña ®Ò tµi Cây lúa (Oryza sativa L.) thuộc họ Hòa thảo (Gramineae) có nguồn gốc nhiệt đới, dễ trồng cho năng suất cao, trồng phổ biến ở nhiều nước trên thế giới. Lúa là một trong ba cây lương thực chủ yếu trên thế giới: lúa mì, lúa gạo và ngô. Khoảng 40% dân số trên thế giới coi lúa gạo là nguồn lương thực chính, 25% sử dụng lúa gạo trên 1/2 khẩu phần lương thực hàng ngày, chủ yếu tập trung ở các nước châu Á. Với điều kiện khí hậu nhiệt đới, Việt Nam cũng có thể xem là “cái nôi” hình thành cây lúa nước, cây lúa đã trở thành cây lương thực chủ yếu, có ý nghĩa trong nền kinh tế và xã hội của nước ta. Trải qua quá trình sản xuất lâu dài nhân dân ta đã chọn tạo, gìn giữ và lưu truyền được nhiều giống lúa địa phương có phẩm chất tốt, hương vị đặc biệt và một số giống đã trở thành sản phẩm nông nghiệp đặc sản đặc trưng cho mỗi vùng miền như: Tám xoan Hải Hậu, Tám Bằng Phú Thọ, Tám Đen Hải Phòng, Nếp Cái Hoa vàng, Dự Hương, Nàng Hương.... Tuy nhiên, đa số các giống lúa đặc sản có yêu cầu khắt khe về điều kiện ngoại cảnh, không thích hợp thâm canh, năng suất không cao nên bị các giống lúa mới, giống lúa lai năng suất cao cạnh tranh và dẫn tới nhiều giống lúa ở nhiều địa phương đang dần bị mất đi. Hiện nay diện tích trồng lúa đặc sản chiếm khoảng 3 - 5% tổng diện tích lúa ở Việt Nam. Nhiều chương trình, dự án đã và đang được thực hiện nhằm khôi phục, bảo tồn và phát triển lại các giống lúa đặc sản địa phương. Bằng con đường lai tạo, gây đột biến thực nghiệm… Hiện nay, nhu cầu lúa gạo cho con người ngày một tăng, theo dự báo của Tổ chức Nông lương thế giới (FAO) trong những năm 1990 - 2025 thì lúa gạo sản xuất phải tăng mỗi năm 21% là cần thiết để bảo đảm cho sự tăng dân số 1,7% mỗi năm. Nhưng trong 130 triệu ha đất trồng lúa hiện nay, có khoảng 20% diện tích đang canh tác trong điều kiện khô hạn hoặc phụ thuộc vào nước mưa tự nhiên. Sự khan hiếm về nước tưới phục vụ cho nông nghiệp đã được báo động trong nhiều nghiên cứu khoa học của thế giới gần đây. Khô hạn sẽ là yếu tố quan trọng bậc nhất ảnh hưởng đến an ninh lương thực của thế giới Hạn là yếu tố bất lợi của môi trường gây nên những thiệt hại nặng về mùa màng trên cả thế giới và Việt Nam. Vì vậy, nghiên cứu tính chịu hạn và chọn dòng chịu hạn luôn thu hút các nhà nghiên cứu trên toàn cầu. Mức độ thiệt hại nặng hay nhẹ của cây trồng tuỳ thuộc vào thời gian và giai đoạn cây bị hạn. Các cơ chế về khả năng chịu hạn được đề cập đó là: khả năng điều chỉnh thẩm thấu, vai trò của bộ rễ, hiệu quả sử dụng nước, vai trò của thành tế bào và màng cuticula, di truyền phân tử liên quan đến tính chịu hạn... Từ những lý do trên, chúng tôi thực hiện đề tài: “Đánh giá khả năng chịu hạn nhân tạo và sự sinh trưởng các dòng lúa Tám đột biến ở điều kiện nhà lưới” để chọn lọc những dòng lúa Tám đột biến ưu việt nhưng có khả năng chịu hạn tốt. 2. Môc tiªu - yªu cÇu- ý nghÜa cña ®Ò tµi nghiªn cøu 2.1. Môc tiªu Đánh giá khả năng chịu hạn giai đoạn lúa đẻ nhánh và sự sinh trưởng phát triển một số dòng lúa Tám đột biến để chọn được các dòng lúa ưu việt như: không cảm quang, thấp cây, năng suất cao, có khả năng chịu hạn tốt phục vụ công tác chọn tạo giống lúa năng suất và chất lượng tốt. 2.2. Yêu cầu: - Đánh giá được sự khả năng chịu hạn giai đoạn lúa đẻ nhánh của các dòng lúa nghiên cứu bằng phương pháp gây hạn nhân tạo - Theo dõi đánh giá sự sinh trưởng và phát triển các dòng lúa nghiên cứu trong điều kiện nhà lưới 2.3. Ý nghÜa khoa häc vµ thùc tiÔn: * Ý nghÜa khoa häc: - KÕt qu¶ cña ®Ò tµi lµ tµi liÖu tham kh¶o cho nh÷ng nghiªn cøu tiÕp theo vÒ viÖc chọn lọc những dòng lúa Tám đột biến. - Trên cơ sở đánh giá một số chỉ tiêu chống chịu hạn, xác định được hệ số tương quan giữa một số tính trạng nông sinh học với khả năng chống chịu hạn; đồng thời đề xuất được phương pháp và chỉ tiêu đánh giá giống lúa chịu hạn * Ý nghĩa thực tiễn: - KÕt qu¶ cña ®Ò tµi góp phần phong phú vào quỹ gen của những giống lúa chịu hạn. - Đánh giá nhanh được nguồn vật liệu chọn giống trên cơ sở xác định khả năng chống chịu hạn giai đoạn lúa đẻ nhánh. - Chọn lọc được những dòng lúa có nhiều đặc điểm ưu việt như thấp cây, thời gian sinh trưởng ngắn, năng suất cao, chất lượng gạo khá, có khả năng chống chịu khá với các điều kiện bất lợi của môi trường như hạn, mặn, sâu bệnh… Các dòng này sẽ tiếp tục được sử dụng như là nguyên liệu để chọn tạo giống. 2.4. Phạm vi, địa điểm và thời gian thực hiện - Phạm vi nghiên cứu: Đánh giá khả năng chịu hạn giai đoạn lúa đẻ nhánh và sự sinh trưởng phát triển của 10 dòng/giống lúa nghiên cứu. - §Þa ®iÓm: Trại Thực nghiệm sinh học - Viện Công nghệ sinh học, Cổ Nhuế, Từ Liêm, Hà Nội. - Thêi gian: Tõ ngµy 23 th¸ng 2 ®Õn 22 th¸ng 5 n¨m 2011 PHẦN 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Cơ sở khoa học của đề tài 1.1. Khái niệm về hạn và phân loại hạn 1.1.1. Khái niệm về hạn Bất cứ một loại cây trồng nào cũng cần phải có nước để duy trì sự sống, mức độ cần nhiều hay ít nước tuỳ thuộc vào từng loại cây trồng và từng giai đoạn sinh trưởng phát triển của chúng. Hạn đối với thực vật là khái niệm dùng để chỉ sự thiếu nước của thực vật do môi trường gây nên trong suốt cả quá trình hoặc trong từng giai đoạn làm ảnh hưởng đến sinh trưởng và phát triển. Mức độ tổn thương của cây trồng do khô hạn gây ra có nhiều mức khác nhau: chết, chậm phát triển hoặc phát triển tương đối bình thường. Những cây trồng có khả năng duy trì sự phát triển và cho năng suất tương đối ổn định trong điều kiện khô hạn được gọi là cây chịu hạn và khả năng của thực vật có thể giảm thiểu mức độ tổn thương do thiếu hụt nước gây ra gọi là tính chịu hạn (Đinh Thị Phòng, 2001). Tuy nhiên khó có thể xác định được thế nào là một trạng thái hạn đặc trưng vì mức độ khô hạn do môi trường gây nên khác nhau theo từng mùa, từng năm, từng vùng địa lý và không thể dự đoán trước được. Theo Hsiao (1980) thì: "Hạn là sự mất cân bằng nước của thực vật thể hiện trong sự liên quan hữu cơ giữa đất - thực vật - khí quyển". Theo Nguyễn Đức Ngữ (2002) đã định nghĩa: “Hạn hán là hiện tượng lượng mưa thiếu hụt nghiêm trọng, kéo dài, làm giảm hàm lượng ẩm trong không khí và hàm lượng nước trong đất, làm suy kiệt dòng chảy sông suối, hạ thấp mực nước ao hồ, mực nước trong các tầng chứa nước dưới đất, gây ảnh hưởng xấu đến sinh trưởng và phát dục của cây trồng, làm mùa màng thất bát, môi trường suy thoái, gây ra đói nghèo và dịch bệnh”. 1.1.2. Phân loại hạn Theo tài liệu dịch của Vũ Văn Liết (2008) thì những kiểu hạn chính được nhận thấy ở đất thấp canh tác nhờ nước trời là: + Hạn xảy ra thời gian đầu trong giai đoạn sinh trưởng sinh dưỡng.+ Hạn giữa vụ không liên tục xảy ra ở giai đoạn giữa đẻ nhánh đến kết hạt.+ Hạn muộn xảy ra trong thời kỳ trỗ đến chắc hạt. Theo một các chuyên gia của WMO (Tổ chức Khí tượng thế giới) phân chia thành 4 loại hạn là: hạn khí tượng, hạn nông nghiệp, hạn thuỷ văn và hạn kinh tế xã hội (Nguyễn Đức Ngữ, 2002), Theo Nguyễn Văn Hiển và cs (2000) thì có 3 loại hạn cần quan tâm trong sản xuất nông nghiệp: - Hạn đất: đặc trưng là xảy ra từ từ, khi đó lượng muối và dinh dưỡng trong rễ ở mức độ bị vô hiệu hóa, cây không có đủ nước để hút, mô cây bị khô đi nhiều và sự sinh trưởng trở nên rất khó khăn. Hạn đất sẽ làm cho áp suất thẩm thấu của đất tăng cao đến mức cây không cạnh tranh được nước của đất làm cho cây không thể lấy nước vào tế bào qua rễ, chính vì vậy, hạn đất thường gây nên hiện tượng cây héo lâu dài. Hạn đất có thể xẩy ra ở bất kỳ vùng đất nào và thường xảy ra nhiều ở những vùng có điều kiện khí hậu, địa hình địa chất thổ nhưỡng đặc thù như sa mạc ở châu Phi; đất trống đồi trọc của châu Á; mùa ít mưa và nhiệt độ thấp ở châu Âu. - Hạn không khí: xảy ra một cách đột ngột, độ ẩm tương đối của không khí giảm xuống 10 - 20% hoặc thấp hơn. Hạn không khí ảnh hưởng trực tiếp lên các bộ phận của cây trên mặt đất như hoa, lá, chồi non… Đối với thực vật nói chung và cây lúa nói riêng thì hạn không khí thường gây ra hiện tượng héo tạm thời, vì khi nhiệt độ cao, ẩm độ thấp làm cho tốc độ bốc thoát hơi nước quá mức bình thường, lúc đó rể hút nước không đủ để bù đắp lượng nước mất, cây lâm vào trạng thái mất cân bằng về nước. Nếu hạn kéo dài dể làm cho nguyên sinh chất bị đông kết và cây nhanh chóng bị chết, còn gọi là “cảm nắng’’. Ở lúa, hạn không khí gây hại nhất ở giai đoạn lúa phơi màu và thậm chí gây nên mất mùa nếu gặp phải đợt nhiệt độ cao và độ ẩm không khí thấp (mặc dù nước trong đất không thiếu) làm cho hạt phấn không có khả năng nảy mầm, quá trình thụ tinh không xảy ra và hạt lép. - Hạn tổng hợp: là hiện tượng khi có cả hạn đất và hạn không khí xảy ra cùng một lúc. Hạn tổng hợp đặc biệt có hại vì lúc này hiện tượng thiếu nước đi kèm với không khí nóng. Trong trường hợp này cùng với sự mất nước do không khí làm cho hàm lượng nuowcstrong lá giảm nhanh dẩn đến nồng độ dịch bào tăng lên, mặc dù sức hút nước từ rễ của cây cũng tăng lên nhưng lượng nước trong đất đã cạn kiệt không đủ cung cấp cho cây. Hạn toàn diện thường dẫn đến hiện tượng héo vĩnh viển, cây không có khả năng phục hồi. Theo một số tác giả khác đã chia hạn thành 4 dạng chính bao gồm: hạn không khí, hạn đất, hạn kết hợp và hạn sinh lý. Trong đó, hạn sinh lý là kiểu hạn mà khi có đầy đủ nước mà cây vẩn không thể hút được có thể do: nhiệt độ quá thấp hoặc phần xung quanh rễ có quá nhiều chất gây độc cho rễ hoặc nồng độ dinh dưỡng quanh rễ qua cao (Trần Nguyên Tháp, 2000), 1.2. Tính chịu hạn của thực vật 1.2.1. Tác động của hạn lên thực vật Nước là yếu tố giới hạn đối với cây trồng, là sản phẩm quan trọng khởi đầu, trung gian và cuối cùng của các quá trình chuyển hoá sinh hoá, là môi trường để các phản ứng trao đổi chất xảy ra. Nước có ý nghĩa sinh thái và sinh lý quyết định trong đời sống thực vật. Thiếu nước là một trong những nguyên nhân chính làm giảm năng suất cây trồng. Do vậy tính chịu hạn của cây trồng và vấn đề chống chịu hạn thường xuyên được quan tâm. Hạn là tác động của môi trường xung quanh đủ để gây mất nước ở thực vật. Hiện tượng mất nước có thể là tác động sơ cấp, là kết quả của sự thiếu nước của môi trường, hoặc là tác động thứ cấp được gây nên bởi nhiệt độ thấp, sự đốt nóng hoặc tác động của muối. Chống lại khô hạn cây có thể giữ không để mất nước hoặc nhanh chóng bù lại sự thiếu nước thông qua những biến đổi về hình thái. Duy trì áp suất thẩm thấu nội bào có tác dụng bảo vệ hoặc duy trì sức sống của tế bào chất ngay cả khi bị mất nước cực đoan. Đó là khả năng chịu hạn của thực vật. 1.2.2. Cơ chế chịu hạn của thực vật và khả năng khắc phục Thực vật chống mất nước là dựa trên khả năng làm tăng áp lực nội tại, tăng tính đàn hồi của màng tế bào, giảm kích thước tế bào... Những khả năng này cần thiết cho việc duy trì sức trương của tế bào là yếu tố cơ bản để quá trình trao đổi chất, quá trình sinh trưởng và phát triển diễn ra bình thường khi cân bằng nước ở thực vật bị thay đổi. Có hai cơ chế chính liên quan đến khả năng chịu hạn của thực vật được thảo luận tới nhiều: 1.2.2.1. Vai trò của bộ rễ Bộ rễ có hình thái khỏe, dài, mập, có sức xuyên sâu giúp cho cây hút được nước ở những vùng sâu, vùng xa. Hình thái và chức năng của bộ rễ thường liên quan nhiều đến khả năng chịu hạn của cây trồng cạn, trong đó có giống lúa cạn. Khi gặp điều kiện hạn, axit abcisic (ABA) được tăng cường tổng hợp ở rễ, sau đó vận chuyển lên lá, đẩy nhanh tốc độ già hóa của lá, đóng khí khổng làm giảm sự thoát hơi nước. Bên cạnh đó, ABA được tăng cường trên lá làm mức độ héo tăng lên giúp cây tránh bớt được mức độ bức xạ mặt trời trên, giảm sử dụng nước và hiện tượng tăng nhiệt độ bề mặt lá. Khi gặp hạn rể mọc dài hơn, phân bố rộng và sâu hơn vào các lớp đất giúp cây lúa tận dụng nước dưới sâu. Khi bắt đầu gặp điều kiện hạn ở giai đoạn cây con, khối lượng rể và tỉ lệ rể/thân lá tăng lên; sinh nhiều rể đốt vì rể đốt có thể đâm xuyên lớn hơn vào các lớp đất, do đó tăng cường khả năng hấp thu nước. Một số nghiên cứu chỉ ra rằng: khi gặp hạn, tốc độ dài rễ lớn hơn tốc độ dài lá, ở các giống lúa chịu hạn thì chiều dài rễ, số rễ/cây, trọng lượng khô của rễ/cây và tốc độ hút nước của ở các giống chịu hạn cao hơn rất nhiều giống đối chứng khi có nước trở lại. Điều này có ý nghĩa khi cây lúa gặp điều kiện hạn. Bên cạnh đó ở lúa chiu hạn , tế bào rể có áp suất thẩm thấu cao, sức hút nước lớn… (Nguyễn Đình Giao và cs, 1997). 1.2.2.2. Khả năng điều chỉnh áp suất thẩm thấu Khả năng điều chỉnh áp suất thẩm thấu của tế bào thực vật, đặc biệt là tế bào rễ có mối liên quan trực tiếp đến khả năng cạnh tranh nước của tế bào rễ cây đối với đất. Trong điều kiện hạn, áp suất thẩm thấu được điều chỉnh tăng lên giúp cho tế bào rễ thu nhận được những phân tử nước có rất ít trong đất. Bằng cơ chế như vậy thực vật có thể vượt qua được tình trạng hạn cục bộ. Đối với những giống lúa nước tính chịu hạn cục bộ có một ý nghĩa quan trọng cho những vùng chưa chủ động được nước tưới (Bùi Chí Bửu và cs, 2003). Khi tế bào bị mất nước dần dần các chất hòa tan sẽ được tích lũy trong tế bào chất nhằm chống lại việc giảm tiềm năngg nước và tăng khả năng giữ nước của nguyên sinh chất. Các chất hòa tan có liên quan bao gồm: Các loại đường, các axit hữu cơ, các loại axit amin, các loại rượu đa chức hay các ion (chủ yếu là ion K+ ). Hầu hết các lọai chất tan hữu cơ có tác dụng điều chỉnh áp suất thẩm thấu được sinh ra ngay trong quá trình đồng hóa và quá trình trao đổi chất (Lê Trần Bình và cs, 1998). 1.3. Tính chịu hạn ở cây lúa Những thực vật tồn tại trên môi trường thiếu nước làm cho chúng bị mất cân bằng về thẩm thấu, để chống lại những điều kiện khắc nghiệt đó đòi hỏi cây trồng phải có những cơ chế đặc biệt. Tránh mất nước và chịu mất nước là hai cơ chế tồn tại ở những cây chịu hạn. Cơ chế tránh mất nước phụ thuộc vào khả năng thích nghi đặc biệt của cấu trúc và hình thái của rễ và chồi. Cơ chế chịu mất nước liên quan đến những thay đổi tinh vi trong sinh hoá tế bào dẫn đến sự tích luỹ các chất hoà tan, các protein và amino acid đặc biệt như proline, mannitol, fructan, glycine betaine, ion K+, các enzym phân hủy gốc tự do... Nhiều các chất mới được tổng hợp để tạo sức kháng cho cơ thể cây trồng. Hiện tượng này có thể diễn ra rất nhanh khi gặp sự mất cân bằng thẩm thấu. Vai trò và chức năng của các chất xuất hiện khi thực vật bị thiếu hụt nước có nhiệm vụ chính là điều chỉnh và bảo vệ thẩm thấu, loại bỏ gốc tự do (Bohnert và cs, 1996). Phản ứng đầu tiên khi cây lúa gặp hạn là khí khổng đóng lại, ngăn chặn sự thoát hơi nước ra ngoài. Quá trình đóng mở khí khổng là rất phức tạp liên quan đến hàng loạt các quá trình như quang hợp, hô hấp, trao đổi ion, hút dinh dưỡng... Khi mất nước nhiều, khí khổng không còn khả năng đóng, nước ồ ạt thoát ra ngoài cuối cùng dẫn đến tình trạng héo và chết (Bohnert và CS, 1996). Trong điều kiện đủ nước khó có thể phân biệt được giống lúa chịu hạn và không chịu hạn, nhưng khi khô hạn xẩy ra thì những kiểu gene liên quan tính chịu hạn được biểu hiện rõ ràng: i) giống có khả năng chịu hạn là những giống có khả năng duy trì sức trương của tế bào và dễ dàng vượt qua thời kỳ khô hạn; ii) giống không có khả năng chịu hạn sẽ bị héo và khô ngay khi có khó khăn về nước. Trong quá trình sinh trưởng và phát triển, cây lúa tiêu thụ một lượng nước rất lớn. Nhìn chung trong các loại cây trồng thì lúa nước là loại cây kém chịu hạn nhất. Giai đoạn phân hoá đòng, ôm đòng, trỗ và phơi màu là những giai đoạn mẫn cảm nhất của cây lúa với nước. Nước thâm nhập vào cây ở trạng thái tự do qua bộ rễ. Khả năng cung cấp nước tuỳ thuộc vào từng loại đất. Nghiên cứu khả năng giữ nước và độ ẩm gây héo cho cây lúa cho thấy đất thịt nặng có khả năng giữ nước tốt nhất và kém nhất là đất cát (McKersie và cs, 1994). Bảng 1. Khả năng giữ ẩm của đất và độ ẩm gây héo cho cây Loại đất  Sức chứa ẩm đồng ruộng (%)  Độ ẩm gây héo (%)  Lượng nước cây sử dụng được (%)   Đất thịt nặng Đất thịt Đất phù sa Cát  57 48 29 19  28 25 16 15  29 23 13 4   Theo Nguyen và cs (1997) tính chịu hạn của cây lúa phụ thuộc vào một hoặc nhiều các cơ chế sau: Cây sử dụng nước một cách hợp lý trong điều kiện thiếu nước thông qua việc làm giảm diện tích lá và rút ngắn thời gian sinh trưởng. Khả năng đâm sâu của rễ để khai thác nguồn nước ở độ sâu đảm bảo cho nhu cầu thoát hơi nước. Duy trì sức trương của tế bào thông qua khả năng điều chỉnh áp suất thẩm thấu để bảo vệ các chồi non khỏi khô hạn trong điều kiện mất nước cực đoan. Kiểm soát mức độ thoát nước trên bề mặt của lá. Phản ứng chống lại sự thiếu hụt về nước ở thực vật là rất phức tạp, được tham gia bởi hàng loạt các quá trình trao đổi chất khác nhau. Khả năng giữ nước phụ thuộc chủ yếu vào sự đóng mở của khí khổng ở lá, còn khả năng thu nhận nước chủ yếu phụ thuộc vào chức năng của bộ rễ. 1.4. Di truyền phân tử liên quan đến tính chịu hạn ở cây lúa Các kết quả nghiên cứu sinh lý cho phép người ta khẳng định khả năng hút nước từ các tầng đất sâu để đáp ứng nhu cầu thoát hơi nước và khả năng điều chỉnh áp suất thẩm thấu của bộ rễ là những đặc điểm chính quyết định tính chịu hạn ở lúa. Vì vậy, đặc điểm xuyên sâu của bộ rễ để thu nhận nước từ tầng đất sâu và khả năng điều chỉnh áp suất thẩm thấu là những đặc điểm quan trọng trong chương trình chọn tạo tính chịu hạn ở cây lúa. Tuy nhiên để chọn ra được các tính trạng này thì cần phải có các thí nghiệm lặp lại chuẩn xác trong điều kiện thiếu nước ở nhà kính hoặc trên đồng ruộng. Hiện nay các nhà nghiên cứu đang tập trung tìm kiếm gene liên quan đến tính chịu hạn ở mức độ phân tử. Bản đồ vật lý (Physical map) cho tính trạng số lượng đang được lập trên cây lúa và đã phát hiện ra các dấu chuẩn phân tử. Các dấu chuẩn này sẽ cho phép các nhà chọn giống nhận biết những vị trí của các gene kiểm soát tính chịu hạn bỏ qua việc đánh giá kiểu hình. Ít nhất đã có hai bản đồ khá đầy đủ của lúa được công bố (Cause và cs, 1994). Những bản đồ gene trên đã cung cấp cho các nhà nghiên cứu về lúa gần 2000 chỉ thị dấu chuẩn phân tử phân bố trong hệ genom với mật độ khoảng 0,9 cM. Những tiến bộ gần đây trong kỹ thuật sinh học phân tử như AFLP và RFLP đang làm tăng mật độ chỉ thị. Bản đồ gene của một số đặc điểm số lượng liên quan đến tính trạng hình thái của rễ như độ dày rễ, tỉ lệ giữa rễ/thân, trọng lượng khô rễ/nhánh và chiều dài tối đa của rễ đã được nhận biết khi tiến hành phân tích các dòng tự phối trong điều kiện nhà kính. Champoux và cs (1995) đã lập được bản đồ liên kết một số tính trạng số lượng liên quan đến khả năng tránh hạn dựa trên đặc điểm cuộn lá dưới điều kiện thiếu nước trong ba giai đoạn phát triển khác nhau. Đặc biệt nhóm nghiên cứu này đã phát hiện ra rằng có hơn 50% các tính trạng số lượng liên quan đến tính tránh hạn dựa vào hình thái của rễ là nằm trên cùng nhiễm sắc thể. Tính trạng số lượng liên quan với khả năng xuyên sâu của rễ lúa cũng đã được xác định bằng cách sử dụng hệ thống sáp nến như là những lớp đất cứng. Ở lúa, nhiều nghiên cứu đã xác định được vị trí của gen liên quan đến điều chỉnh ASTT (áp suất thẩm thấu) nằm trên nhiễm sắc thể số 8. Các nhóm gene số lượng (QTL) liên quan đến những đặc tính khác như hình thái rễ, tính tránh hạn và khả năng điều chỉnh ASTT đã được xác định là chúng nằm gần như trên cùng một vùng của nhiễm sắc thể số 8. Price và cs (1997) đã sử dụng quần thể F2 (Bala x Azucena, giống Bala là giống không chịu hạn, bộ rễ phát triển kém, giống Azucena giống chịu hạn tốt có bộ rễ phát triển) để phân tích kiểu gen chịu hạn liên quan đến bộ rễ khi trồng trong dung dịch hydroponic và phát hiện được 71 nhóm chỉ thị phân làm 17 nhóm bao trùm 1280 cM. Việc nghiên cứu các chỉ thị phân tử để so sánh bản đồ gene giữa các loài họ hàng đang được quan tâm nghiên cứu. Ở họ hoà thảo (Graminae) như lúa mì, lúa mạch, mạch đen (Secale cereale L), yến mạch (Avena sativa L.), ngô và cao lương thì lúa được coi trọng nhất. Khi bản đồ liên kết so sánh đã được thiết lập thì bất kể gene nào cũng có thể được tách ra dựa trên sự tương đồng giữa bản đồ gene của lúa và loài họ hàng. Điều này có ý nghĩa trong công nghệ gen và hy vọng các gene chống chịu sẽ được phân lập từ các loài họ hàng để chuyển vào lúa. Có khá nhiều nghiên cứu ở mức phân tử đã được tiến hành để xác định kiểu biểu hiện gene ở thực vật bao gồm cả lúa trong điều kiện thiếu nước. Nhiều cDNA biểu hiện trong điều kiện khô hạn mã hoá các loại protein khác nhau như LEA, RAB (sản phẩm của ABA) và các protein dẫn truyền ion đã được phân lập, nhưng vai trò của những gene này trong việc chống chịu với các điều kiện bất lợi và những chức năng sinh lý của chúng vẫn chưa được xác định rõ ràng. Bản đồ di truyền và dấu chuẩn phân tử về tính chịu hạn có ý nghĩa quan trọng trong di truyền chọn giống, nó cho phép tìm ra mối quan hệ giữa: gene-tính trạng-môi trường. Trên cơ sở đó các nhà tạo giống có thể đưa ra những phương pháp chọn tạo thích hợp có định hướng tính chống chịu với các điều kiện bất lợi của môi trường cho các giống cây trồng. 1.5. Tăng cường tính chịu hạn bằng công nghệ sinh học 1.5.1. Tăng cường tính chịu hạn thông qua kỹ thuật chọn dòng tế bào Cùng với phương pháp tạo giống truyền thống, kỹ thuật chọn dòng tế bào chống chịu với các điều kiện bất lợi của môi trường thông qua kỹ thuật nuôi cấy mô tế bào thực vật đang là những công cụ có hiệu quả cao trong việc cải tạo giống cây trồng. Dựa trên tính toàn năng của tế bào thực vật, sự xuất hiện các biến dị soma xẩy ra trong nuôi cấy, đặc biệt dưới tác nhân và điều kiện chọn lọc mà các nhà nghiên cứu thực nghiệm có thể phân lập ra được những tế bào có khả năng chịu khá với điều kiện khô hạn. Có khá nhiều nghiên cứu tập trung vào việc nâng cao tính chịu hạn ở cây trồng (lúa, thuốc lá, cà chua...) ở mức độ in vitro. Các chất như PEG (polyethylene glycol), manitol, sorbitol, saccharose... được dùng như một tác nhân gây khô hạn trong môi trường nuôi cấy; hoặc bổ sung ABA là chất kìm hãm sinh trưởng làm nhân tố tác động để tăng cường khả năng giữ nước và chịu mất nước của mô. Phòng Công nghệ tế bào thực vật, Viện Công nghệ sinh học đã sử dụng kỹ thuật thổi khô mô sẹo lúa làm mô mất 85% (so trọng lương tươi ban đầu) kết quả tạo được 2 giống lúa DR1, DR2 và dòng triển vọng DR3 có khả năng chịu hạn khá và cho năng suất ổn định ở vùng khó khăn về nước (Đinh Thị Phòng, 2001). Adkin và cs (1995) sử dụng chất PEG 8000 (polyethylene glycol) để làm tác nhân gây mất nước trong môi trường nuôi cấy mô sẹo. Kết quả là chọn được dòng lúa chịu hạn từ mô sẹo giống lúa Khao Dawk Mali 105. Các tính trạng nông sinh học quan trọng và khả năng chịu hạn đã duy trì và ổn định khi phân tích ở thế hệ R2. 1.5.2.. Tăng cường tính chịu hạn bằng kỹ thuật chuyển gene Mặc dù cơ chế chống chịu với điều kiện bất lợi về nước còn đang trong thời kỳ quá độ, nhưng cho đến nay một số chất liên quan đến tính chịu hạn đã được khẳng định (chẳng hạn sự tích luỹ nhiều proline, glycinebetaine, fructant, manitol...). Việc nghiên cứu những sản phẩm của gene được hình thành trong điều kiện khô hạn đang có ý nghĩa ứng dụng nhằm tạo ra những giống lúa có khả năng chịu hạn tốt. Những nghiên cứu thăm dò về công nghệ gene chịu các điều kiện bất lợi về nước đang tập trung vào các nhóm: Nhóm thứ nhất: Nhóm gen LEA (Late Embryogenic Abundant) của cây lúa mạch mã hoá những protein xuất hiện vào thời kỳ muộn của quá trình hình thành phôi sau khi thụ phấn. Đó là những protein góp phần bảo vệ phôi trong quá trình ngủ và chịu hạn của phôi trong hạt khô. Nhóm thứ 2: Nhóm RAB (Responsive to Absicis acid) của cây lúa nước liên quan đến tác động ức chế sinh trưởng tế bào của ABA khi thực vật gặp điều kiện bất lợi. Các gene RAB phản ứng với ABA nội sinh và ngoại sinh cho ra những protein có chức năng ức chế và bảo vệ thẩm thấu. Nhóm thứ 3: Gene thuộc chu trình sinh tổng hợp proline. Phòng sinh học phân tử, Trường đại học Tự do Bỉ đang tiến hành chuyển gene mã hoá cho enzym P5CS (enzyme tham gia vào quá trình tổng hợp proline) vào một số giống lúa indica. Tuy nhiên gene này đã được chuyển thành công vào thuốc lá và nhận được kết quả tốt. Lượng proline tăng lên 8-10 lần so với cây đối chứng. Nhóm thứ 4: Các gene liên quan đến điều chỉnh ASTT, glycine betain, manitol synthase... Các nhà khoa học Trung Quốc đã chuyển gene HVAI (gene sản xuất protein giai đoạn cuối trong quá trình tạo phôi được tách từ lúa mạch) vào lúa và nhận thấy khả năng chống chịu thiếu nước và muối cao khi phân tích cây lúa chuyển gene. Ở Nhật Bản, một nhóm nghiên cứu đã dùng gen codA (gen oxy hoá clo) tách từ Arthrobacter globifornis dưới sự điều kiển của promoter 35S để chuyển vào lúa, kết quả phân tích cho thấy ở những cây lúa chuyển gene có sự tích luỹ nhiều glycine betaine. Một nghiên cứu khác đã chuyển gene betA mã hoá cho 2 enzyme tham gia vào quá trình tổng hợp glycine betaine vào cây lúa, kết quả nhận được hàm lượng tích luỹ glycine betaine tăng ở rễ và lá là 5,1 và 1,2 (mol/gFW. Hướng nghiên cứu chuyển gene tăng cường tính chịu hạn, lạnh, chịu muối... như sau: