Sản xuất lúa gạo Đồng bằng Sông Cửu Long đang bị đe dọa bởi sự gia tăng của nhiệt độ cao và hạn hán. Hạn hán và stress nhiệt ảnh hưởng xấu đến các đặc tính hình thái, sinh lý, sinh hóa của lúa, dẫn đến năng suất giảm, thậm chí gây chết. Các cách tiếp cận khác nhau để hiểu biết và quản lý căng thẳng nhiệt độ cao trên cây lúa là cần thiết.
Căng thẳng nhiệt do khí hậu nóng lên nhanh chóng đã trở thành mối đe dọa nghiêm trọng đối với an ninh lương thực toàn cầu. Lúa (Oryza sativa L.) là cây lương thực chủ yếu của hơn một nửa dân số thế giới, năng suất và chất lượng của bị ảnh hưởng rất lớn bởi sự gia tăng của nhiệt đô. Các nhà khoa học ước tính rằng cứ tăng nhiệt độ trung bình toàn cầu 10C, thì năng suất lúa sẽ giảm 3,2%, năng suất ngô giảm 7,4%, năng suất lúa mì giảm 6% và năng suất đậu nành 3,1% (Qian Zhao et al., 2017)
Vòng đời của cây lúa được chia thành hai giai đoạn: giai đoạn sinh dưỡng gồm sự nảy mầm của hạt, mạ và đẻ nhánh và giai đoạn sinh sản gồm làm đòng, ra hoa và tạo hạt, chín và thu hoạch.
Tăng trưởng sinh dưỡng bao gồm sự nảy mầm của hạt, sự phát triển của cây con giai đoạn mạ và đẻ nhánh. Khả năng nảy mầm và sự phát triển sớm của cây con là những thành phần chính tạo nên sức sống của cây con. Nhiệt độ tăng kéo dài làm giảm khả năng nảy mầm của hạt và dẫn đến tỷ lệ nảy mầm và sức sống của cây con kém, nhiệt độ cao kéo dài có thể phá hủy màng tế bào, ức chế quá trình quang hợp và tăng tổn thương oxy hóa, dẫn đến cây lúa tăng mất nước nhiều hơn, lá khô và vàng héo, ảnh hưởng đến sự phát triển của rễ, cây con kém phát triển và thậm chí làm cây con chết.
Để giảm thiểu những tác động do căng thẳng nhiệt độ cao gây ra, có thể thêm các chất bón rễ như canxi, silic, các hormone ngoại sinh chẳng hạn như Auxin, Cytokinin và Axit abscisic (ABA),…trong quá trình gieo hạt để cải thiện tỷ lệ nảy mầm của hạt và phun dưới dạng qua lá để thúc đẩy sự phát triển của rễ và giảm tác động của nhiệt độ cao lên phát triển của rễ dưới áp lực nhiệt.
Khả năng chịu được nhiệt độ của cây lúa ở giai đoạn mạ thay đổi tùy theo giống và di truyền, lúa thuộc loài Indica có khả năng chịu nhiệt tốt hơn Japonica, ảnh hưởng của strees nhiệt đến số nhánh và số bông ở lúa Japonica nghiêm trọng hơn lúa Indica, do đó khi canh tác nhóm giống lúa Japonica cần lưu ý tránh gieo sạ vào thời điểm nhiệt độ quá cao, nhiệt độ sinh trưởng tối ưu của lúa ở giai đoạn mạ là 25–280C. Lúa sau khi tiếp xúc với nhiệt độ 450C trong 72 giờ, cây con của giống Japonica Nipponbare gần như bị héo (Jianping Liu et al., 2016), trong khi cây con của giống Indica HT54 có thể chịu được nhiệt độ lên tới 480C trong 79 giờ (He Wei et al., 2012)
Cây lúa bị nhiễm stress nhiệt ở giai đoạn đẻ nhánh cho thấy các triệu chứng hình thái khác nhau, chẳng hạn như héo lá, quăn và vàng lá, đồng thời giảm số nhánh và sinh khối. Lúa có số bông thấp hơn khoảng 35% và tổng năng suất trên mỗi cây thấp hơn 86% (ngày 400C/đêm 350C) trong15 ngày so với ở nhiệt độ bình thường 280C (Neelam Soda et al., 2018).
Cây lúa ở giai đoạn sinh sản, stress nhiệt độ cao làm suy yếu quá trình hình thành bông và phát triển bông, dẫn đến các cơ quan hoa bị biến dạng, đồng thời làm giảm số lượng và kích thước bông.
Các nhà khoa học nghiên cứu cho thấy rằng số bông của giống Indica IR64 giảm 66% sau khi tiếp xúc với nhiệt (400C ngày/350C đêm) ở giai đoạn trước khi ra hoa trong 15 ngày, so với điều kiện tăng trưởng bình thường 280C. Quá trình phát triển bao phấn, đặc biệt là ở giai đoạn phân bào của tế bào mẹ phấn hoa, có thể dẫn đến sự thoái hóa và phân hủy sớm của các tế bào cuống phấn, làm suy giảm nguồn cung cấp dinh dưỡng của vi bào tử và sự hình thành của thành phấn hoa và gây ra hiện tượng không thụ hạt phấn hoa, tỷ lệ sống sót của phấn hoa giảm 78,8% và tỷ lệ đậu hạt 48,5% khi cây lúa tiếp xúc với nhiệt độ cao (ngày 400C/đêm 300C) ở giai đoạn phân bào của tế bào nhụy phấn hoa trong 10 ngày so với giá trị trong điều kiện bình thường (ngày 300C/đêm 240C) (Baohua Feng et al., 2018). Giai đoạn vi bào tử đầu tiên sau quá trình giảm phân là giai đoạn nhạy cảm nhất đối với stress nhiệt độ cao và khả năng sinh sản của bông con bị mất hoàn toàn vào thời điểm (ngày 390C/đêm 300C) trong 7 ngày, trong quá trình tổng hợp dẫn đến hình dạng bao phấn bị thay đổi, giảm khả năng nứt bao phấn, khả năng sống sót của phấn hoa kém, số lượng phấn hoa giảm trên nhụy giảm, giảm sưng phấn, hạt phấn nảy mầm kém trên nhụy, ức chế sự kéo dài của ống phấn và giảm độ dài đầu nhụy, tất cả đều ảnh hưởng nghiêm trọng và làm suy yếu quá trình thụ phấn và thụ tinh, do đó cuối cùng giảm khả năng sinh sản của bông (Wanju Shi et al., 2018). Sự lấp đầy hạt là sự hoàn tất quá trình sinh trưởng và phát triển của cây lúa và liên quan đến việc vận chuyển và tổng hợp carbohydrate, protein và lipid trong hạt. Sau khi tiếp xúc đến nhiệt độ cao (ngày 380C/đêm 300C) trong quá trình đóng hạt cho 20 ngày liên tiếp khối lượng hạt giảm 24,6% và 39,1% tương ứng cho N22 và IR64, so với mức bình thường điều kiện (ngày 31 C/đêm 23 C), stress nhiệt ở giai đoạn đóng hạt dẫn đến chất lượng gạo kém, thể hiện ở việc giảm độ ngon miệng, hình dạng hạt không mong muốn và tăng độ bạc bụng và giảm tỷ lệ gạo xay xát
Chiến lược quản lý
Một số chiến lược quản lý đã được chứng minh là có hiệu quả trong việc giảm bớt hoặc tránh thiệt hại do nhiệt ở cây lúa.
Việc áp dụng đúng cách các chất điều hòa sinh trưởng như cytokinin (CTK), axit salicylic (SA), brassinosteroids (BR) và tiền chất ethylene có thể làm giảm thiệt hại do stress nhiệt độ cao gây ra cho cây lúa như rụng phấn hoa, giảm trọng lượng hạt trên bông và tỷ lệ đậu hạt kém. Chất chống oxy hóa, chất bảo vệ thẩm thấu và polyamine thực vật cũng đã được báo cáo là có hiệu quả trong việc giảm thiểu tổn thương do nhiệt. Axit ascorbic nội sinh làm giảm sự tích tụ các gốc ROS và duy trì chức năng của lá, dẫn đến quang hợp tốt trong điều kiện nhiệt độ cao. Việc tăng vừa phải sử dụng nitơ kết hợp than sinh học và photpho cũng đã được chứng minh làm giảm tổn thất năng suất lúa do nhiệt gây ra ở giai đoạn sinh sản.
Lai tạo lúa chịu nhiệt của IRRI
Cây lúa nhạy cảm nhất với nhiệt ở giai đoạn ra hoa và chín. Cả năng suất và chất lượng hạt đều bị ảnh hưởng xấu. Các nhà khoa học của IRRI đang tìm kiếm loại gạo có thể chịu được nhiệt độ cao bằng cách sàng lọc các giống lúa truyền thống và cải tiến. Những nhà tài trợ này được sử dụng trong một chương trình lai tạo để kết hợp khả năng chịu nhiệt độ cao vào các dòng lúa ưu tú, sau đó được kiểm tra khả năng chịu nhiệt ở các quốc gia ‘nóng và khô’ và ‘nóng và ẩm’. Một cơ chế khác giúp lúa chịu nóng là ra hoa vào sáng sớm, thoát khỏi nhiệt độ cao vào giữa trưa. Người ta phát hiện ra rằng O. glaberrima , một loài lúa hoang, là nguồn gen hữu ích vì nó có tập tính ra hoa vào sáng sớm và thoát hơi nước cao khi có đủ nước, cả hai đều là những đặc điểm thuận lợi để tránh stress nhiệt. Các nhà khoa học của IRRI đang tìm hiểu nguyên nhân của đặc điểm hữu ích này thông qua các nghiên cứu về sinh lý và di truyền.
- Trong điều kiện nhiệt độ và hạn hán gay gắt, có thể gieo sạ lúa vào sáng sớm, chiều mát hoặc gieo thẳng hoặc điều chỉnh lịch thời vụ để tránh gieo sạ vào thời điểm nắng nóng;
- Tăng cường việc sử dụng phân hữu cơ hoặc phân chuồng có thể giảm thiểu sự thoát hơi nước, tạo ẩm độ tốt, điều hòa nhiệt độ đất và cung cấp chất dinh dưỡng cho cây lúa;
- Các biện pháp làm đất bảo tồn có thể tăng cường bảo tồn nước, bảo vệ bề mặt đất khỏi các điều kiện thời tiết khắc nghiệt và giảm sự thoát hơi nước, từ đó duy trì sức khỏe của đất;
- Làm đất sâu có thể cải thiện độ thấm và độ xốp của đất, cho phép hấp thụ nước tối đa;
- Có thể thực hiện luân canh cây trồng để nâng cao khả năng giữ nước và cải thiện cấu trúc đất trong suốt các mùa;
- Thêm phân xanh vào đất có thể cải thiện khả năng giữ ẩm và nâng cao chất lượng đất;
Wanju Shi, Xiang Li, Ralf C. Schmidt, Paul C. Struik, Xinyou Yin, S.V. Krishna Jagadish, (2018), Pollen germination and in vivo fertilization in response to high-temperature during flowering in hybrid and inbred rice. Plant Cell Environ. 41 (2018) 1287–1297. First published: 15 January 2018. DOI: 10.1111/pce.13146
Jianping Liu, Cuicui Zhang, Chuchu Wei, Xin Liu, Mugui Wang, Feifei Yu, Qi Xie, and Jumin Tu., (2016). The RING Finger Ubiquitin E3 Ligase OsHTAS Enhances Heat Tolerance by Promoting H2O2-Induced Stomatal Closure in Rice. Plant Physiol. 2016 Jan; 170(1): 429–443. Published online 2015 Nov 12. DOI: 10.1104/pp.15.00879.
He Wei, Jianping Liu, Ya Wang, Nongrong Huang, Xiaobo Zhang, Liangchao Wang, Jiwen Zhang, Jumin Tu, Xuhua Zhong., (2012), A dominant major locus in chromosome 9 of rice (Oryza sativa L.) confers tolerance to 480C high temperature at seedling stage, J. Hered. 104 (2012), pages 287–294. PMID: 23258571 DOI: 10.1093/jhered/ess103.
Neelam Soda, Brijesh K. Gupta, Khalid Anwar, Ashutosh Sharan, Govindje, Sneh L. Singla-Pareek &Ashwani Pareek., (2018), Rice intermediate filament, OsIF, stabilizes photosynthetic machinery and yield under salinity and heat stress. Scientific Reports volume 8, Article number: 4072 (2018). DOI: 10.1038/s41598-018-22131-0.
Qian Zhao, Lujian Zhou, Jianchao Liu, Xiaoxia Du, Muhammad-Asad-Ullah Asad, Fudeng Huang, Gang Pan, Fangmin Cheng., (2018). Relationship of ROS accumulation and superoxide dismutase isozymes in developing anther with floret fertility of rice under heat stress. Plant Physiol. Biochem. 122, 90–101. DOI: 10.1016/j.plaphy.2017.11.009.
Baohua Feng, Caixia Zhang, Tingting Chen, Xiufu Zhang, Longxing Tao and Guanfu Fu., (2018), Salicylic acid reverses pollen abortion of rice caused by heat stress. BMC Plant Biol. 2018; 18: 245. Published online 2018 Oct 19. DOI: 10.1186/s12870-018-1472-5.
TS. Lê Văn Dũng
