Khóa luận tốt nghiệp đại học: Nghiên cứu khả năng tái sinh in vitro và tiếp nhận gen của một số giống lúa Việt Nam (JO2, Bắc thơm 07, LP5, Khang dân, Bao thai)

Chia sẻ: Trương Yến | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:75

Thêm vào BST

Báo xấu

39
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Khóa luận tốt nghiệp đại học: Nghiên cứu khả năng tái sinh in vitro và tiếp nhận gen của một số giống lúa Việt Nam (JO2, Bắc thơm 07, LP5, Khang dân, Bao thai) được thực hiện với mục tiêu nhằm xác định được khả năng tái sinh và tiếp nhận gen của một số giống lúa Việt Nam thông qua vi khuẩn A. tumefaciens. Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Khóa luận tốt nghiệp đại học: Nghiên cứu khả năng tái sinh in vitro và tiếp nhận gen của một số giống lúa Việt Nam (JO2, Bắc thơm 07, LP5, Khang dân, Bao thai)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM ----------o0o--------- NGUYỄN SĨ HOÀNG ANH Tên đề tài: “NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG TÁI SINH IN VITRO VÀ TIẾP NHẬN GEN CỦA MỘT SỐ GIỐNG LÚA VIỆT NAM (JO2, BẮC THƠM 07, LP5, KHANG DÂN, BAO THAI)” KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Hệ đào tạo : Chính quy Ngành/ chuyên ngành : Công nghệ sinh học Khoa : CNSH - CNTP Khoá học : 2016 - 2020 Thái Nguyên, tháng 7 năm 2020
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM ----------o0o--------- NGUYỄN SĨ HOÀNG ANH Tên đề tài: “NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG TÁI SINH IN VITRO VÀ TIẾP NHẬN GEN CỦA MỘT SỐ GIỐNG LÚA VIỆT NAM (JO2, BẮC THƠM 07, LP5, KHANG DÂN, BAO THAI)” KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Hệ đào tạo : Chính quy Ngành/ chuyên ngành: Công nghệ sinh học Lớp : K48 - CNSH Khoa : CNSH - CNTP Khoá học : 2016 - 2020 Ngƣời hƣớng dẫn : 1. TS. Bùi Tri Thức 2. TS. Nguyễn Tiến Dũng Thái Nguyên, tháng 7 năm 2020
i LỜI CẢM ƠN Khóa luận tốt nghiệp là sản phẩm nghiên cứu khoa học đầu đời của mỗi sinh viên, thành quả của quá trình học tập và rèn luyện trong trường đại học. Chính vì thế, việc hoàn thành khóa luận đòi hỏi rất nhiều công sức, sự chuyên tâm, nhiệt huyết cũng như thời gian của người viết. Tuy nhiên, một trong những yếu tố không nhỏ tạo nên “sản phẩm trí tuệ” này là sự hướng dẫn, giúp đỡ của giảng viên hướng dẫn, các thầy cô đã giảng dạy cũng như sự ủng hộ của gia đình và bạn bè. Trước hết, em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới thầy TS. Bùi Tri Thức và thầy TS. Nguyễn Tiến Dũng, hai thầy trực tiếp hướng dẫn em trong quá trình làm thí nghiệm. Không chỉ gợi ý và hướng dẫn em trong quá trình tìm hiểu, đọc tài liệu và lựa chọn đề tài, thầy còn tận tình chỉ bảo em những kĩ năng phân tích, khai thác tài liệu để có được những lập luận phù hợp với nội dung của khóa luận. Hơn nữa, thầy còn rất nhiệt tình trong việc đốc thúc quá trình viết khóa luận, đọc và đưa ra những nhận xét, góp ý để em có thể hoàn thành luận văn một cách tốt nhất. Bên cạnh đó, em cũng xin gửi đến các thầy cô giáo đã và đang công tác, giảng dạy tại khoa CNSH & CNTP, Đại học Nông Lâm Thái Nguyên lòng biết ơn sâu sắc về những kiến thức và kĩ năng mà các thầy cô đã truyền đạt cho em trong suốt quá trình học tập và rèn luyện. Em xin cảm ơn thầy TS. Nguyễn Văn Duy, trưởng khoa CNSH & CNTP về những lời khuyên răn, chỉ bảo của thầy trong suốt 4 năm học. Em xin cảm ơn cô ThS. Nguyễn Thị Tình, người đã truyền cho em cảm hứng nghiên cứu khoa học, dìu dắt em trong những bước đi đầu đời, cùng với tất cả những thầy cô giáo khác trong khoa CNSH & CNTP đã giúp đỡ em rất nhiều về mặt tài liệu cũng như đóng góp những ý kiến cho việc hoàn thành khóa luận của em. Cuối cùng, em xin được gửi đến bố mẹ, gia đình và bạn bè lời cảm ơn và lòng biết ơn sâu sắc vì những sự động viên, ủng hộ và cổ vũ tinh thần trong suốt quá trình gian nan và vất vả này. Thái Nguyên, ngày…..tháng…..năm 2020 Sinh viên thực hiện
ii DANH MỤC TỪ VÀ THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Từ, thuật ngữ Nghĩa đầy đủ của từ, thuật ngữ viết tắt (cả tiếng Anh và tiếng Việt) 2,4D 2,4-Dichlorophenoxy acetic acid A Adenine A. tumefaciens Agrobacterium tumefaciens ANOVA ANalysis Of VAriance BAP 6 – Benzyl Amino Purin C Cytosine CNSH Công nghệ sinh học Cs Cộng sự CT Công thức CV Coeficient of Variation – Hệ số biến động DNA Deoxyribonucleic acid EtOH Ethyl alcohol FAO Tổ chức nông lương Liên hợp quốc G Guanine GMC Genetically Modified Crop GMF Genetically Madified Foods GMO Genetically Modified Organism GUS Beta-glucuronidase HSD Honestly Significant Difference IRRI Viện nghiên cứu lúa quốc tế KHKT Khoa học kĩ thuật
iii LMO Living Modified Organisms LSD Least Singnificant Difference Test – Sai khác nhỏ nhất có ý nghĩa MT Môi trường NAA α– Naphthalen Acetic Acid NN-PTNT Nông nghiệp – Phát triển nông thôn O. fatua Oryza fatua O. granulata Oryza granulata O. nivara Oryza nivara O. ridleyi Oryza ridleyi O. rufipogon Oryza rufipogon O. sativa Oryza sativa PCR Polymerase Chain Reaction PEG Polyethylene glycol PTNT Phát triển nông thôn QĐ-TTg Quyết định của thủ tướng QPL Quantitative trait loci RNA Acid Ribo Nucleic S. tuberosum Solanum tuberosum T Thymine TN Thí nghiệm TT-BNNPTNT Thông tư của Bộ nông nghiệp phát triển nông thôn TT-BTNMT Thông tư của Bộ tài nguyên môi trường USD United States Dollar
iv DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1. Thị trường gạo năm 2019 .................................................................4 Bảng 4.1. Kết quả nghiên cứu khả năng tạo callus của một số giống lúa Việt Nam. ........................................................................................29 Bảng 4.2. Kết quả nghiên cứu khả năng tạo chồi của một số giống lúa Việt Nam .........................................................................................32 Bảng 4.3. Kết quả nghiên khả năng nhân nhanh của một số giống lúa Việt Nam. …………………………………………………………35 Bảng 4.4. Kết quả nghiên cứu khả năng ra rễ của một số g iống lúa Việt Nam. ………………………………………………………...38 Bảng 4.5. Kết quả nghiên cứu khả năng tạo cây hoàn chỉnh của một số giống lúa Việt Nam. ................................................................................................. 40 Bảng 4.6. Kết quả nghiên cứu khả năng tiếp nhận gen của một số giống lúa Việt Nam (sau 14 ngày) ..................................................................................43
v DANH MỤC BIỂU ĐỒ, HÌNH, SƠ ĐỒ Hình 1. Chủng loại gạo xuất khẩu năm 2019 ................................................... 3 Hình 2. Quá trình tiến hoá của lúa trồng .......................................................... 8 Hình 3.1. Sơ đồ quy trình chuyển gen lúa thông qua qúa trình tiếp nhận gen bằng vi khuẩn A. tumefaciens [30] ................................................................ 27 Hình 4.1. Kết quả nghiên cứu khả năng tạo callus của giống lúa JO2 (A,B,C,D,E là chất lượng mẫu theo thứ tự tạo callus tốt giảm dần) .............. 31 Hình 4.2. Kết quả nghiên cứu khả năng tạo chồi của một số giống lúa JO2 (A,B,C,D,E là chất lượng mẫu theo thứ tự tạo chồi tốt giảm dần)34 Hình 4.3. Kết quả nghiên khả năng nhân nhanh của giống lúa JO2. (A,B,C,D,E là chất lượng mẫu theo thứ tự nhân nhanh chồi tốt giảm dần) .. 37 Hình 4.4. Kết quả nghiên cứu cứu khả năng ra rễ của giống lúaJO2. ........... 39 Hình 4.5. Kết quả nghiên cứu khả năng tạo cây hoàn chỉnhcủa giống lúa JO2 (A,B,C,D,E là chất lượng mẫu theo thứ tự tạo cây hoàn chỉnh tốt giảm dần)… 42
vi MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .................................................................................................... i DANH MỤC TỪ VÀ THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ............................................ ii DANH MỤC CÁC BẢNG............................................................................... iv DANH MỤC BIỂU ĐỒ, HÌNH, SƠ ĐỒ ......................................................... iv MỤC LỤC .........................................................................................................v Phần 1. MỞ ĐẦU ............................................................................................ 1 1.1 Đặt vấn đề ....................................................................................................1 1.2 Mục tiêu của đề tài ...................................................................................... 2 1.2.1 Mục tiêu tổng quát ................................................................................... 2 1.2.2 Mục tiêu cụ thể ......................................................................................... 2 1.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn .....................................................................2 Phần 2. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ................................. 3 2.1 Tổng quan tình hình trong nước và trên thế giới ........................................ 3 2.1.1 Tình hình sản xuất lúa gạo trong nước..................................................... 3 2.1.2 Tình hình sản xuất lúa trên thế giới ......................................................... 5 2.2 Nguồn gốc cây lúa ....................................................................................... 7 2.3 Phân loại cây lúa ......................................................................................... 8 2.3.1 Phân loại theo loại hình canh tác ............................................................. 9 2.3.2 Phân loại theo điều kiện sinh thái ............................................................ 9 2.4 Giá trị và chất lượng dinh dưỡng .............................................................. 10 2.4.1 Giá trị dinh dưỡng .................................................................................. 10 2.4.2 Chất lượng dinh dưỡng .......................................................................... 11 2.5 Tái sinh in vitro cây lúa ............................................................................. 13 2.6 Cây trồng tiếp nhận gen ............................................................................ 18
vii Phần 3. ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ………………………………........ 23 3.1 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu .......................................... 23 3.2 Nội dung nghiên cứu ................................................................................. 23 3.2.1 Nội dung 1: Nghiên cứu khả năng tái sinh của một số giống lúa Việt Nam .........................................................................................23 3.2.2 Nội dung 2: Nghiên cứu khả năng tiếp nhận gen của một số giống lúa Việt Nam .................................................................................................. 23 3.3 Phương pháp nghiên cứu ..........................................................................23 3.3.1 Nội dung 1: Nghiên cứu khả năng tái sinh của một số giống lúa Việt Nam .........................................................................................23 3.3.2 Nội dung 2: Nghiên cứu khả năng tiếp nhận gen của một số giống lúa Việt Nam ......................................................................................................... 26 3.4 Các phương pháp xử lý số liệu .................................................................. 28 Phần 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN .............................29 4.1 Kết quả nghiên cứu khả năng tạo callus của một số giống lúa Việt Nam. 29 4.2 Kết quả nghiên cứu khả năng tạo chồi của một số giống lúa Việt Nam ... 32 4.3 Kết quả nghiên khả năng nhân nhanh của một số giống lúa Việt Nam. ... 35 4.4 Kết quả nghiên cứu cứu khả năng ra rễ của một số giống lúa Việt Nam. 38 4.5 Kết quả nghiên cứu Nghiên cứu khả năng tạo cây hoàn chỉnh của một số giống lúa Việt Nam. ........................................................................................ 40 4.6 Kết quả nghiên cứu khả năng tiếp nhận gen của một số giống lúa Việt Nam .........................................................................................43 Phần 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................44 5.1 Kết luận ..................................................................................................... 44 5.2 Kiến nghị ................................................................................................... 44 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................45 PHỤ LỤC
1 Phần 1 MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề Lúa (Oryza sativa L.) là một trong ba loại cây lương thực chính quan trọng hàng đầu của con người, cung cấp từ 60 đến 70% calories [29]. Trên thế giới, cây lúa được xếp vào vị trí thứ 2 sau cây lúa mì về diện tích và sản lượng. Ở Việt Nam, cây lúa có vai trò đặc biệt quan trọng đóng góp sản lượng lương thực cho con người. Điều kiện tự nhiên phù hợp với phát triển nền nông nghiệp lúa nước, diện tích đồng bằng ven sông lớn như đồng bằng sông Cửu Long 4.081,63 ha và đồng bằng Sông Hồng 2.126 ha, lượng mưa trung bình vào khoảng 700 – 5.000 mm,…là những thế mạnh giúp chúng ta phát triển lĩnh vực nông nghiệp. Thế nhưng, khi đi sâu vào thực tế, gạo Việt Nam vẫn còn tồn đọng một số hạn chế nhất định bên cạnh những ưu điểm vang danh bấy lâu [9]. Diện tích canh tác 5 năm gần đây giảm 358 ha do sự phát triển của công nghiệp hoá, đất nông nghiệp bình quân/hộ chỉ vào khoảng 0,46 ha và trung bình được chia thành 2,83 (Tổng Cục Thống Kế, 2019). Cùng với áp lực dân số và biến đổi khí hậu đòi hỏi cần phải tạo ra bộ giống có năng suất cao, chất lượng tốt, chống chịu được hạn hán, bất lợi của môi trường là yêu cầu cấp thiết và góp phần giữ ổn định an ninh lương thực quốc gia. Sự phát triển của công nghệ sinh học cho phép chọn tạo ra những giống cây trồng, vật nuôi mới phù hợp với mục đích sử dụng. Ở Việt Nam, công tác chọn tạo giống lúa đang được đặc biệt quan tâm trong đó việc áp dụng kỹ thuật mới như chuyển gen đột biến, chỉnh sửa gen được xem là công cụ hỗ trợ hiệu quả trong chọn tạo giống. Cho đến nay, phương pháp dùng để chuyển gen thông qua vi khuẩn A. tumefaciens không được xem là có hiệu quả với cây một lá mầm trong đó có cây lúa mặc dù đã có những thành công nhất định trong nghiên cứu chuyển gen, chỉnh sửa gen ở cây lúa. Tuy nhiên, sự thành công của phương pháp phụ thuộc vào nhiều yếu tố như kiểu gen, môi trường, kỹ thuật. Việc xây dựng hệ thống tái sinh in vitro ở cây lúa có vai trò quan trọng cho hiệu quả chuyển gen.
2 Việc nghiên cứu khả năng tái sinh và tiếp nhận gen của một số giống lúa Việt Nam phục vụ cho chương trình cải tạo giống lúa chuyển gen đáp ứng nhu cầu thực tiễn sản xuất là cần thiết. Tái sinh in vitro giống lúa Việt Nam là khâu rất quan trọng để thực hiện thành công các kỹ thuật chuyển gen trong công tác chuyển gen chỉnh sửa gen, chọn dòng biến dị soma. Trong đó, tái sinh tạo callus từ hạt là một trong những phương pháp cho được hiệu quả tạo chồi cao trong nuôi cấy in vitro, không chỉ đơn thuần là chọn tạo giống thông thường mà ngay cả trong chọn tạo giống công nghệ sinh học và tạo cây chuyển gen. Xuất phát từ những vấn đề trên chúng tôi đã hình thành lên đề tài: “Nghiên cứu khả năng tái sinh in vitro và tiếp nhận gen của một số giống lúa Việt Nam (JO2, Bắc thơm 07, LP5, Khang dân, Bao thai)”. 1.2 Mục tiêu của đề tài 1.2.1 Mục tiêu tổng quát Xác định được khả năng tái sinh và tiếp nhận gen của một số giống lúa Việt Nam thông qua vi khuẩn A. tumefaciens 1.2.2 Mục tiêu cụ thể - Xác định được khả năng tạo callus của một số giống lúa Việt Nam - Xác định được khả năng tạo chồi của một số giống lúa Việt Nam - Xác định được khả năng nhân nhanh của một số giống lúa Việt Nam - Xác định được khả năng ra rễ của một số giống lúa Việt Nam - Xác định được khả năng tạo cây hoàn chỉnh một số giống lúa Việt Nam - Xác định được khả năng tiếp nhận gen của một số giống lúa Việt Nam 1.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn - Xây dựng và hoàn thiện được quy trình tái sinh cây phục vụ chuyển gen nghiên cứu chuyển gen của một số giống lúa Việt Nam
3 - Giúp sinh viên tiếp cận với nghiên cứu khoa học, ứng dụng lý thuyết vào thực tiễn, nâng cao năng lực nghiên cứu và kỹ năng thực hành trong phòng thí nghiệm. Phần 2 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 2.1 Tổng quan tình hình trong nƣớc và trên thế giới 2.1.1 Tình hình sản xuất lúa gạo trong nước Sản xuất gạo trong nước có nhiều biến động, nguồn cung gạo toàn cầu liên tục dự báo tăng và ở mức cao, trong khi đó, nhập khẩu gạo từ các nước dự báo giảm gây áp lực đối với xuất khẩu gạo của Việt Nam. Tuy vậy, xuất khẩu gạo của Việt Nam năm 2019 vẫn đạt được kết quả tích cực, góp phần tiêu thụ thóc, gạo cho người nông dân trồng lúa. (Đơn vị tính: Nghìn tấn) 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 5% 5451 TẤM JAPONICA JASMINE ĐÀI THƠM 8 NẾP KHÁC (Nguồn: Tính toán từ số liệu sơ bộ của Tổng cục Hải quan) Hình 1. Chủng loại gạo xuất khẩu năm 2019 Năm 2019 xuất khẩu gạo đạt 6,37 triệu tấn, trị giá đạt 2,80 tỷ USD, tăng 4,2% về lượng nhưng giảm 8,3% về trị giá so với năm 2018. Trong bối cảnh thị trường khó
4 khăn, xuất khẩu gạo Việt Nam vẫn duy trì được mức tăng về lượng. Tuy nhiên, giá xuất khẩu bình quân ở mức 441 USD/tấn, giảm 12,1% tương đương mức giảm 60 USD/tấn [9]. Bảng 2.1. Thị trƣờng gạo năm 2019 (Đơn vị tính: Nghìn tấn) Tăng/giảm so với Năm 2019 năm 2018 Thị Trƣờng Lƣợng (tấn) Kim ngạch Tỷ trọng Lƣợng Kim ngạch (USD) (%) (tấn) Tổng 6.366.469 2.805.353.946 100 4,2 -8,3 Philippines 2.131.668 884.947.516 33,5 110,6 93,6 Malaysia 551.583 884.947.516 8,7 16,1 0,9 Trung Quốc 447.127 240.391.971 7,0 -66,5 -64,8 Bờ Biển Ngà 583.579 252.633.047 9,2 113,3 61,4 Ghana 427.187 212.648.202 6,7 150,1 -0,7 Hồng Kông 120.760 63.310.183 1,9 35,0 25,1 (Trung Quốc) Singapore 100.474 53.390.628 1,6 21,0 14,6 Indonesia 40.1508 18.396.076 0,6 -94,8 -94,9 Đài loan 25.443 11.931.575 0,4 32,9 26,3 Algeria 16.394 6.281.035 0,3 41,9 20,8 Angola 16.253 6.071.324 0,3 255,4 135,2 Nam Phi 8.735 4.308.502 0,1 117,7 91,2 Bangladesh 5.262 1.948.587 0,1 -76,0 -79,4
5 (Nguồn: Tính toán từ số liệu sơ bộ của Tổng cục Hải quan năm 2019) Năm 2019, xuất khẩu gạo của Việt Nam gặp nhiều diễn biến bất lợi về thị trường. Các thị trường nhập khẩu gạo lớn, truyền thống như Trung Quốc, Indonesia, Bangladesh đồng loạt giảm nhập khẩu. Xuất khẩu gạo Việt Nam năm 2019 được bù đắp từ nhu cầu thị trường Philippines, Hồng Kông (Trung Quốc), Singapore và một số thị trường châu Phi như Bờ Biển Ngà, Ghana. Trong năm 2019, châu Á vẫn là khu vực thị trường xuất khẩu lớn nhất của gạo Việt Nam, đạt 3,68 triệu tấn, chiếm 58% tổng lượng gạo xuất khẩu. Trong đó, Philippines trở thành thị trường xuất khẩu lớn nhất của Việt Nam, đạt 2,13 triệu tấn, chiếm 33,5% trong tổng xuất khẩu cả nước. Nhu cầu từ Philippines đã bù đắp sự sụt giảm xuất khẩu mạnh của một số thị trường truyền thống của Việt Nam. Châu Phi là thị trường khu vực lớn thứ hai, đạt 1,39 triệu tấn, chiếm 21,9%. Trong đó, Bờ Biển Ngà (583.579 tấn, chiếm 9,2%) và Ghana (427.187 tấn, chiếm 6,7%) là 2 thị trường tiêu biểu [9]. Theo quyết định số 11/2006/QĐ-TTg ngày 12/01/2006 của Thủ tướng Chính phủ về Chương trình trọng điểm phát triển và ứng dụng CNSH trong lĩnh vực nông nghiệp và PTNT đến năm 2020 đã nêu rõ. Mục tiêu giai đoạn 2011-2015: Đưa một số giống cây trồng biến đổi gen vào sản xuất (cây bông, cây ngô, đậu nành). Tầm nhìn đến 2020: Diện tích trồng trọt các giống cây trồng mới tạo ra bằng các kỹ thuật của CNSH chiếm trên 70%, trong đó diện tích trồng trọt các giống cây trồng biến đổi gen chiếm 30 - 50%. Thông tư 08/2013/TT-BTNMT của Bộ Tài nguyên Môi trường ngày 16/5/2013 Quy định trình tự, thủ tục cấp và thu hồi giấy chứng nhận an toàn sinh học đối với cây trồng biến đổi gen. Thông tư 02/2014/TT-BNNPTNT của Bộ NN-PTNT ngày 14/01/2014 về quy định trình tự, thủ tục cấp và thu hồi giấy xác nhận thực vật biến đổi gen đủ điều kiện sử dụng làm thực phẩm, thức ăn chăn nuôi. 2.1.2 Tình hình sản xuất lúa trên thế giới Hiện nay, vẫn chưa có nhiều loại lúa gạo biến đổi gen nào được chấp nhận sử dụng trên toàn thế giới, tuy nhiên đã phát hiện một số loại lúa gạo biến đổi gen (đặc
6 biệt có nguồn gốc từ Trung Quốc) xuất hiện trên thị trường 1, 2, 3, 4]. Cho đến nay, trên thế giới có trên 700 công ty giống cây trồng áp dụng công nghệ nuôi cấy mô, cơ quan và tế bào thực vật để sản xuất hàng trăm triệu giống cây trồng sạch bệnh mỗi năm (cây dược liệu, cây ăn quả, cây lương thực, cây hoa, cây cảnh, cây rừng) và đã mang lại hiệu quả kinh tế cao so với việc sử dụng các phương pháp truyền thống khác, góp phần bảo vệ an ninh lương thực và chống biến đổi khí hậu toàn cầu [8]. Dự báo về sản lượng gạo toàn cầu 2020, uớc tính con số tiêu thụ gạo toàn cầu năm 2019-2020 vào khoảng 516,8 triệu tấn (Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên Hiệp Quốc). Cải dầu (Brassica napus ), khoai tây (S. tuberosum), lúa mì (Triticum spp.) là ba loại cây trồng biến đổi gen về sinh học được kiểm soát an toàn nhằm tìm ra tiềm năng chuyển gen trong cácloài cây trồng. Lúa (O. sativa) chuyển gen vẫn đang là loại cây trồng thứ tư được kiểm soát nghiêm ngạ t nhất trên thế giới. Cây trồng biến đổi gen được bắt đầu trồng thương mại đại trà từ năm 1996. Tuy nhiên, đến nay các sản phẩm có nguồn gốc từ sinh vật biến đổi gen (thực phẩm biến đổi gen) vẫn đang còn là một cuộc tranh luận toàn cầu về những nguy cơ tiềm tàng của chúng để đi tới những giải pháp bảo đảm an toàn cho cây trồng biến đổi gen. Nhờ công nghệ sinh học hiện đại - công nghệ gen, GMO đã xuất hiện hơn 2 thập kỷ nay. Việc thử nghiệm trồng cây đầu tiên ngoài đồng ruộng là cây thuốc lá biến đổi gen kháng thuốc diệt cỏ, được tiến hành ở Mỹ và Pháp vào năm 1986 [31].Việc cung cấp lương thực cho toàn thế giới đã trở thành vấn đề toàn cầu, nó cũng là chương trình đang được chú trọng hàng đầu của tổ chức Nông lương Liên Hợp Quốc - FAO. Sản lượng thực phẩm toàn cầu cần phải tăng đến 70% vào năm 2050 để cung cấp đủ cho 9,2 tỉ dân. Với sự thành công của cuộc cách mạng xanh và sự tiến bộ của công nghệ sinh học, sản lượng nông nghiệp đã tăng lên đáng kể trong vòng 40 năm qua. Sản lượng lương thực chính (lúa mạch, lúa, bắp) tăng từ 100 - 200% từ cuối những năm 1960 [30].
7 Theo bản báo cáo mới nhất về an ninh lương thực thế giới [30], báo cáo này đã trình bày một cách tính mới về số người thiếu ăn trên toàn thế giới dựa trên một phương pháp sửa đổi và cải tiến. Thống kê mới nhất của FAO trên thế giới vẫn còn 870 triệu người tương đương với một phần tám dân số thế giới vẫn còn trong tình trạng đói kém và xóa đói vẫn là một thách thức lớn cho toàn cầu. Giá lương thực qua các năm có sự gia tăng mạnh đối với nhiều loại thực phẩm, đặc biệt là lúa mì, ngô, gạo, đậu nành và bông. Ở các nước phát triển mạnh thì giá của thực phẩm vẫn thấp, vì vậy việc tăng giá thực phẩm ít tác động đến nền kinh tế. Trong khi vấn đề này đối với các nước đang phát triển thì rất khác biệt. Khi một nửa tiền lương của người dân được dùng cho việc mua thực phẩm và giá thực phẩm lại tăng 30 - 40%, chính vì vậy người dân phải gặp rất nhiều khó khăn trong việc lựa chọn. Do đó, bất chấp các nỗ lực của chính phủ và nhiều tổ chức phi chính phủ mà số người đói (số người suy dinh dưỡng) thực tế vẫn còn rất nhiều. Có nhiều vấn đề xảy ra khi hầu hết các nguồn thực phẩm dư thừa được sản xuất ở các vùng rất xa khu vực cần được hỗ trợ thực phẩm. Một lượng lớn thực phẩm sản xuất mỗi năm bị lãng phí do hư hỏng, côn trùng và do các vấn đề khác. Các vấn đề khí hậu hàng năm như hạn hán (gần đây đã được chứng kiến ở Ukraina) và lũ lụt (Pakistan và Australia) có thể giảm sản lượng lương thực một lượng đáng kể [31]. 2.2 Nguồn gốc cây lúa Cho đến nay, đã có rất nhiều giả thiết khác nhau về nguồn gốc của chi lúa trên trái đất, nhưng hầu hết đều thừa nhận rằng các loài lúa hoang dại đã xuất hiện từ thời tiền sử của trái đất (thời Gondwana). Theo công bố của Chang và cs (1984) [22], O. sativa xuất hiện đầu tiên ở dãy Himalaya, Miến Điện, Lào, Việt Nam và Trung Quốc. Từ các trung tâm trên lúa Indica phát tán đến lưu vực sông Hoàng Hà và sông Dương Tử rồi sang Nhật Bản, Triều Tiên và từ đó biến thành chủng Japonica. Lúa được hình thành ở Indonesia và là sản phẩm của quá trình chọn lọc từ Indica.
8 Ở Việt Nam, theo các kết quả khảo sát nguồn gen cây lúa trong những năm gần đây nhiều công trình khoa học đã chỉ ra rằng các loài lúa dại mọc hoang dã nhiều ở vùng Tây Bắc, Nam Trung bộ, đồng bằng sông Cửu Long, Tây Nguyên là các loài O. granulata, O. nivara, O. ridleyi, O. rufipogon. Với những điều kiện khí hậu nhiệt đới, Việt Nam cũng có thể là cái nôi hình thành cây lúa nước. Từ lâu, cây lúa đã trở thành cây lương thực chủ yếu có ý nghĩa quan trọng trong nền kinh tế và xã hội của nước ta. Lúa trồng hiện nay có nguồn gốc từ lúa dại. Việc xác định trực tiếp tổ tiên của cây lúa trồng ở Châu Á (O. sativa) vẫn còn khá nhiều ý kiến tranh cãi khác nhau. Một số tác giả như Đinh Dĩnh, Bùi Huy Đáp, Đinh Văn Lữ…cho rằng: O. fatua là loài lúa dại gần nhất và được coi là tổ tiên của lúa trồng hiện nay. 2.3 Phân loại cây lúa Viện Nghiên cứu lúa Quốc tế (IRRI) trước đây đã nghiên cứu và xếp lúa trồng ở châu Á (O. sativa) thuộc họ hòa thảo (Graminae) và có bộ nhiễm sắc thể là 2n = 24. Theo Trần Văn Đạt (2005) [1], Kato là người đầu tiên xây dựng các luận cứ khoa học về phân loại dưới loài của lúa trồng châu Á dựa trên các đặc điểm hình thái. Tùy theo các đặc điểm và tiêu chí khác nhau mà các nhà khoa học phân loại cây lúa theo các quan điểm khác nhau, phân loại cây lúa nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho việc sử dụng nguồn gen để phục vụ cho mục tiêu chọn tạo giống cây trồng. Nhiều tư liệu đưa ra cơ sở tiến hóa của các loài lúa trồng hiện nay, tuy nhiên theo Khush (1997) [23], sự tiến hóa của hai loại lúa trồng phổ biến hiện nay trên thế giới được thể hiện trong sơ đồ, như sau:
9 Hình 2. Quá trình tiến hoá của lúa trồng 2.3.1 Phân loại theo loại hình canh tác Quá trình thuần hóa và thích nghi với điều kiện sống và điều kiện canh tác khác nhau, cây lúa trồng được phân thành các nhóm. Lúa có tưới, loại lúa được trồng trên những cánh đồng có công trình thủy lợi, chủ động về nước tưới trong suốt thời gian sinh trưởng và phát triển. Lúa nước sâu, được trồng trên những cánh đồng thấp, không có khả năng rút nước sau mưa hoặc lũ. Tuy nhiên, nước không ngập quá 10 ngày và nước không cao quá 50 cm. Lúa nổi: lúa được gieo trồng trước mùa mưa, khi mưa lớn, cây lúa đã đẻ nhánh, khi nước lên cao cây lúa vươn khỏi mặt nước khoảng 10 cm/ ngày để ngoi theo. Lúa cạn: lúa được trồng trên đất cao, không có khả năng giữ nước, cây lúa sống hoàn toàn nhờ nước trời trong suốt quá trình sinh trưởng, phát triển. Ở Việt Nam, tồn tại cả 4 nhóm lúa như nêu trên. Theo Nguyễn Văn Hoan (2006),
10 cho đến nay phân loại lúa theo hệ thống phân loại học thực vật của loài lúa trồng Oryza sativa L. đã đạt được sự thống nhất [2]. Theo nhiều tài liệu nghiên cứu: loài Oryza sativa L. gồm 3 loại phụ, 8 nhóm biến chủng và 284 biến chủng. Theo cấu tạo của tinh bột còn phân biệt lúa nếp (Glutinosa) và lúa tẻ (Utilissma). Tuy nhiên, theo định luật về dãy biến dị tương đồng của Vavilov. N. I thì cây lúa vẫn tiếp tục tiến hóa và nhiều biến chủng mới vẫn tiếp tục xuất hiện. Vì vậy, các nhà khoa học đang tiếp tục nghiên cứu, tập hợp và bổ sung thêm cho hệ thống phân loại này. 2.3.2 Phân loại theo điều kiện sinh thái Lúa trồng thành hai nhóm lớn là Japonica (lúa cánh) và Indica (lúa tiên). Lúa tiên thường phân bố ở vĩ độ thấp như: Trung Quốc, Ấn Độ, Việt Nam, Indonesia,... là loại hình cây to, lá nhỏ xanh nhạt, bông xòe, hạt dài, vỏ trấu mỏng, cơm khô nở nhiều, chịu phân kém, dễ lốp đổ nên có năng suất thấp. Lúa cánh thường phân bố ở vĩ độ cao như: Nhật Bản, Triều Tiên, Bắc Trung Quốc, châu Âu... là loại hình cây có lá to, xanh đậm, bông chụm, hạt ngắn, vỏ trấu dày, cơm thường dẻo, ít nở, thích nghi với điều kiện thâm canh, chịu phân tốt, thường thu hoạch cho năng suất cao. Phân loại theo địa lý Theo Nguyễn Văn Hoan (2006), phân chia lúa trồng thành các nhóm sinh thái địa lý, như sau [2]: Nhóm Đông Á: Bao gồm Triền Tiên, Nhật Bản, phía Bắc Trung Quốc. Đặc trưng của nhóm là chịu lạnh rất tốt và hạt khó rụng. Nhóm Trung Á: Bao gồm các nước Trung Á. Đặc điểm nổi bật của lúa vùng này là hạt to, khối lượng 1000 hạt đạt trên 32 gam, chịu lạnh và chịu nóng khá. Nhóm Iran: Gồm toàn bộ các nước Trung Đông xung quanh Iran. Đây là nhóm sinh thái địa lý với các loại hình chịu lạnh tốt, hạt gạo to, đục, cơm dẻo. Nhóm Nam Á: Bắt đầu từ Pakistan sang vùng bờ biển phía Nam Trung Quốc đến Bắc Việt Nam. Đặc điểm nổi bật của nhóm sinh thái địa lý này là chịu lạnh kém, phần lớn có hạt dài và nhỏ. Nhóm Philippin: Nhóm lúa điển hình nhiệt đới không chịu lạnh. Toàn bộ vùng Đông Nam Á, miền Nam Việt Nam nằm trong nhóm này. Nhóm châu Âu: Bao gồm các nước trồng lúa ở châu Âu như: Nga, Italia, Bungaria.... Đây là nhóm sinh thái với
11 các loại hình japonica chịu lạnh, hạt to, cơm dẻo, chịu nóng kém. Nhóm châu Phi: Nhóm lúa trồng thuộc loại Oryza glaberrima. Nhóm châu Mỹ La Tinh: Gồm các nước Trung Mỹ và Nam Mỹ. Nhóm lúa cao cây, thân to, hạt gạo lớn, gạo trong và dài, chịu ngập và chống đổ tốt. 2.4 Giá trị và chất lƣợng dinh dƣỡng 2.4.1 Giá trị dinh dưỡng Lúa gạo là lương thực chính của nhiều nước trên thế giới, 80% nhu cầu kalo của người dân châu Á lấy từ lúa gạo. Ở châu Âu và Nam Mỹ, lúa gạo cũng đang dần trở thành loại lương thực quan trọng. Theo FAO (2012) [27], thành phần hoá sinh trung bình của lúa gạo (% chất khô) được tính như sau: tinh bột 63%, protein 7%, dầu 2,3%, xellulose 12%, đường tan 3,6%, tro 6% và gluxit khác 2%. Ngoài thành phần hoá sinh kể trên, trong lúa gạo còn chứa 1,6-3,2% lipit và một số Vitamin như: Vitamin nhóm B (chủ yếu là B1), Vitamin PP, Vitamin E.... Ngoài ra, còn có nhiều chất khoáng. Protein trong lúa gạo có giá trị dinh dưỡng cao và có sự cân bằng giữa các axit amin không thay thế. Lúa gạo cung cấp lượng kalo nhiều nhất trong các loại cây ngũ cốc. Những chỉ tiêu chính được dùng để đánh giá giá trị dinh dưỡng của lúa gạo là: hàm lượng protein, amylose, chất khoáng và độ bền thể gen. Trong đó chỉ tiêu là: hàm lượng protein và amylose được quan tâm hàng đầu. Amylose của tinh bột có liên quan mật thiết đến đặc tính của cơm như: độ nở, độ cứng, độ bóng, độ mềm và độ dẻo dính. Các giống lúa nếp có hàm lượng protein cao hơn các giống lúa tẻ (trung bình đối với các giống lúa nếp khoảng 7,94%, biến động từ 7,25 - 8,56%). Điều này được giải thích bởi khả năng sinh tổng hợp và tích lũy protein trong hạt gạo nếp tốt hơn, dẫn đến hàm lượng protein trong gạo nếp cao hơn gạo tẻ. Nội nhũ của các giống lúa nếp chứa tinh bột chủ yếu ở dạng amylopectin có cấu tạo phân nhánh, còn tinh bột bình thường của gạo tẻ thì chủ yếu ở dạng amylose có cấu tạo không phân nhánh. Chính sự khác biệt trong cấu trúc của tinh bột gạo nếp và gạo tẻ đã gây ra sự khác