Luận án Tiến sĩ Nông nghiệp: Nghiên cứu giống lúa thơm trong điều kiện phèn và phèn mặn

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:157

Thêm vào BST

Báo xấu

14
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài nghiên cứu nhằm chọn lọc được giống/dòng lúa thơm ngắn ngày phát triển được trong điều kiện phèn và phèn mặn. Để hiểu rõ hơn về đề tài, mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết luận án!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Nông nghiệp: Nghiên cứu giống lúa thơm trong điều kiện phèn và phèn mặn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ NGUYỄN PHÚC HẢO NGHIÊN CỨU GIỐNG LÚA THƠM TRONG ĐIỀU KIỆN PHÈN VÀ PHÈN MẶN LUẬN ÁN TIẾN SĨ NÔNG NGHIỆP NGÀNH KHOA HỌC CÂY TRỒNG MÃ NGÀNH: 62 62 01 10 2020
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ NGUYỄN PHÚC HẢO NGHIÊN CỨU GIỐNG LÚA THƠM TRONG ĐIỀU KIỆN PHÈN VÀ PHÈN MẶN LUẬN ÁN TIẾN SĨ NÔNG NGHIỆP NGÀNH KHOA HỌC CÂY TRỒNG MÃ NGÀNH: 62 62 01 10 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN PGS.TS. VÕ CÔNG THÀNH 2020
LỜI CẢM TẠ Xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS. Võ Công Thành đã tận tình hướng dẫn, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho những lời khuyên và kinh nghiệm hết sức quí báu trong việc nghiên cứu để tôi hoàn thành luận án này. GS.TS. Hà Thanh Toàn, NGND.PGS.TS. Huỳnh Thanh Nhã và ThS. Nguyễn Thành Long đã động viên, tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học nghiên cứu sinh. Xin chân thành cám ơn Ban Giám Hiệu Trường Đại học Cần Thơ, Ban Chủ nhiệm Khoa Nông Nghiệp, khoa Sau Đại học. Quý Thầy Cô, anh chị em Bộ môn Di truyền Giống Cây trồng và Khoa học Cây trồng. PGS. TS. Lê Việt Dũng, GS.TS. Nguyễn Bảo Vệ, PGS.TS. Trần Kim Tính, GS.TS. Lê Văn Hòa và TS. Nguyễn Thành Hối đã hướng dẫn, gợi ý, góp ý và cung cấp rất nhiều thông tin để tôi có thể hoàn thành tốt luận án này. Các anh chị, cán bộ Trung tâm khuyến nông tỉnh Long An đã nhiệt tình giúp đỡ tạo mọi điều kiện thuận lợi tại địa phương để tôi có thể hoàn thành tốt phần thí nghiệm ngoài đồng trong luận án này. Chân thành cảm ơn các bạn sinh viên Công nghệ giống cây trồng khoá 39, 40 và 41 đã đồng hành cùng tôi trong quá trình thực hiện các thí nghiệm. Xin chân thành cám ơn gia đình tôi đã ủng hộ cho tôi cả về mặt vật chất lẫn tinh thần, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi để tôi có thể yên tâm học tập và công tác. Xin trân trọng ghi nhớ tất cả những đóng góp chân tình, sự động viên, giúp đỡ nhiệt tình của bè bạn và các anh em mà tôi không thể liệt kê hết trong trang cảm tạ này. Tác giả Nguyễn Phúc Hảo i
TÓM TẮT Cây lúa mùa ở Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) thường được canh tác ở những vùng nhiễm phèn, mặn nhưng chỉ trổ được ở mùa vụ có thời gian chiếu sáng ngày ngắn. Vì vậy, việc làm mất ảnh hưởng của quang kỳ trên các giống lúa mùa nhưng vẫn duy trì được tính thích nghi, có phẩm chất gạo thơm ngon và chống chịu được phèn, mặn là yêu cầu cấp thiết hiện nay nhằm phục vụ cho sản xuất ở các vùng đất nhiễm phèn, mặn ở ĐBSCL, đặc biệt, trong điều kiện hạn hán gần như xuất hiện mỗi năm làm đất canh tác bị xì phèn hay hiện tượng mặn xâm nhập nhiều làm đất nhiễm mặn ngày càng trầm trọng. Với vật liệu ban đầu là giống lúa mùa Nàng Thơm Chợ Đào (NTCĐ) thu thập tại Cần Đước, Long An - bằng cách xử lý 1.000 hạt vào giai đoạn hạt nảy mầm ở nhiệt độ 500C trong suốt thời gian 5 phút, với mục đích gây sốc nhiệt nhằm tạo ra những biến đổi nhất định trên hạt lúa. Những hạt đã xử lý (Mo) được trồng và chọn dòng từ thế hệ M1 đến M5 trong nhà lưới trong điều kiện thời gian ngày dài và ngày ngắn xen kẽ. Kết quả cho thấy xử lý nhiệt độ gây sốc nhiệt có tần số xuất hiện những biến đổi là 2‰, chiều dài hạt thay đổi so với giống gốc (tăng 0,1 - 0,2 mm). Tổng cộng 4 dòng lúa mới được chọn, mất quang kỳ, có thời gian sinh trưởng ngắn (6 tấn/ha. Kết quả PCR với các mồi chuyên biệt cho thấy LA15 và LA16 có gen thơm đồng hợp lặn fgr. Quá trình chọn lọc mùi thơm của các dòng lúa mới có sử dụng marker phân tử protein liên kết với tính thơm với trọng khối 16kDA, cho hiệu quả chọn lọc cao và chính xác. Từ khóa: Lúa chịu mặn, sốc nhiệt, lúa chịu phèn, lúa không quang kỳ. ii
SUMMARY Traditional rice in the Mekong Delta are often cultivated in acidic and saline soils, but they can only flower in season with short-day period due to its photoperiod sensitive. Therefore, deflecting the photoperiod sensitive of these good quality, good adaptability and salinity tolerance seasonal rice varieties is an urgent requirement, to providing seed for production in the acidic and salty soils in the Mekong Delta. Especially, in drought conditions that almost occurs every year, makes the soil become contaminated with alum, or the phenomenon of salinity intrusion, makes the soil more and more salty. This study was carried out with a traditional rice variety: “Nang Thom Cho Dao”, by treating 1.000 seeds in the germination stage at temperature is 500C during 5 minutes to create heat shock, from which a certain change occurs in the grain. The treated seeds (M0) were planted and clone from generation M1 to M5 in the greenhouse with long - day and short - day lighting time alternating condition. The results showed that, heat shock treatment had frequency of changes was 2‰, the rice grain length changed in compared to the original variety (increased 0.1 to 0.2 mm). Four of new rice lines were selected, photoperiod insensitive, with short duration ( 6 tons/ha. The PCR results with specific primers suggested that LA15 and LA16 lines have homozygous aromatic genes. The aroma selection process of new rice lines using the aroma-linked protein molecule marker, with a molecular weight is 16kDA, gives high selection efficiency and accuracy. Keywords: Salinity tolerant rice variety, temperature shock method, acid- tolerant rice, non - photoperiod muatant rice. iii
MỤC LỤC Mục Nội dung Trang Lời cảm tạ i Tóm tắt Tiếng Việt ii Sumary iii Trang cam kết kết quả iv Mục lục v Danh sách bảng ix Danh sách hình xi Danh mục từ viết tắt xii Chương 1: GIỚI THIỆU 1.1 Tính cấp thiết 1 1.2 Mục tiêu nghiên cứu 2 1.2.1 Mục tiêu chung 2 1.2.1 Mục tiêu cụ thể 2 1.3 Đối tượng nghiên cứu 2 1.4 Phạm vi nghiên cứu 2 1.5 Nội dung nghiên cứu 2 1.6 Ý nghĩa khoa học của luận án 3 1.7 Ý nghĩa thực tiễn của luận án 3 1.8 Điểm mới của luận án 3 Chương 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1 Thực trạng nghiên cứu và canh tác lúa thơm ở ĐBSCL 4 2.2 Đất phèn và phèn nhiễm mặn 6 2.2.1 Đất phèn 6 2.2.2 Đất phèn nhiễm mặn 8 2.3 Ảnh hưởng của pH đất; ngưỡng chịu phèn và cơ sở di 9 truyền tính chống chịu phèn của cây lúa 2.3.1 Vai trò của pH đất 9 2.3.2 Độc nhôm và cơ sở di truyền của tính chống chịu độ độc nhôm 10 (phèn nhôm) 2.3.3 Độc sắt và cơ sở di truyền tính chống chịu độ độc sắt (phèn sắt) 12 2.4 Ảnh hưởng của mặn và khả năng chống chịu mặn của lúa 15 2.4.1 Ảnh hưởng của mặn đối với cây trồng 15 2.4.2 Ảnh hưởng của mặn lên quá trình sinh trưởng và phát triển của 17 cây lúa 2.4.3 Ngưỡng chống chịu mặn của lúa 19 2.5 Một số kết quả nghiên cứu về tính chống chịu phèn và mặn 20 của lúa 2.5.1 Kết quả nghiên cứu về tính chống chịu phèn 20 2.5.2 Kết quả nghiên cứu về tính chống chịu mặn 21 2.6 Mùi thơm và các yếu tố cấu thành mùi thơm của gạo 23 v
2.6.1 Mùi thơm của gạo 23 2.6.2 Các hợp chất tạo nên mùi thơm của gạo 23 2.6.3 Một số nghiên cứu trong và ngoài nước về mùi thơm của lúa 26 2.7 Ứng dụng kỹ thuật điện di protein SDS-PAGE trong công 28 tác chọn tạo giống lúa thơm 2.7.1 Các công cụ và kỹ thuật proteomics 28 2.7.2 Các kỹ thuật phân tách protein 29 2.8 Phẩm chất hạt gạo 31 2.8.1 Tổng quan về phẩm chất hạt gạo 31 2.8.2 Chiều dài, hình dạng hạt gạo 31 2.8.3 Độ bạc bụng 31 2.8.4 Hàm lượng protein 32 2.8.5 Hàm lượng amylose 32 2.8.6 Độ trở hồ 33 2.8.7 Độ bền thể gel 33 2.9 Đột biến 34 2.9.1 Đột biến gen và cơ chế của đột biến 34 2.9.2 Các phương pháp gây đột biến trên lúa 35 2.9.3 Cơ sở khoa học của phương pháp xử lý nhiệt độ gây sốc nhiệt 37 2.9.4 Một số kết quả nghiên cứu liên quan đến phương pháp xử lý 39 nhiệt độ gây sốc nhiệt 2.10 Đặc điểm giống lúa Nàng Thơm Chợ đào địa phương và đặc 41 điểm của vùng nghiên cứu 2.10.1 Một số đặc điểm giống lúa Nàng Thơm Chợ đào địa phương 42 2.10.2 Vị trí địa lý 42 2.10.3 Điều kiện khí hậu thời tiết 43 2.10.4 Đất đai 43 2.10.5 Tài nguyên nước và chế độ thủy văn của vùng 44 Chương 3: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1 Thời gian, phương tiện nghiên cứu 46 3.1.1 Thời gian và địa điểm 46 3.1.2 Vật liệu thí nghiệm 46 3.1.3 Thiết bị, hoá chất 47 3.2 Nội dung nghiên cứu 48 3.3 Phương pháp nghiên cứu 49 3.3.1 Phương pháp xử lý nhiệt độ gây sốc nhiệt 49 3.3.2 Phương pháp chọn dòng 50 3.3.3 Phương pháp đánh giá khả năng chịu mặn NaCl của các giống 51 lúa trong điều kiện nhà lưới 3.3.4 Phương pháp đánh giá khả năng chịu phèn nhôm Al2(SO4)3 của 52 các giống lúa trong điều kiện nhà lưới vi
3.3.5 Phương pháp đánh giá khả năng chịu phèn sắt FeSO4 của các 54 giống lúa trong điều kiện nhà lưới 3.3.6 Phương pháp đánh giá phẩm chất hạt gạo 56 3.3.7 Đánh giá sơ khởi trong nhà lưới ở thế hệ M5 60 3.3.8 Khảo nghiệm cơ bản (Quy phạm khảo nghiệm giống VCU của 64 Bộ Nông Nghiệp và Phát Triển Nông Thôn, 2011) 3.3.9 Phương pháp điện di protein SDS-PAGE (Laemmli, 1970) 71 3.3.10 Nhận diện gen thơm bằng chỉ thị phân tử ADN (Rogers and 72 Bendich, 1994) có cải tiến 3.4 Phương pháp xử lý số liệu 72 Chương 4: KẾT QUẢ - THẢO LUẬN 4.1 Kết quả tạo dòng lúa mới bằng phương pháp xử lý nhiệt độ 73 gây sốc nhiệt và chọn dòng phân ly từ thế hệ M1 đến M4 4.1.1 Kết quả xử lý nhiệt độ gây sốc nhiệt (thế hệ M1) 73 4.1.2 Thế hệ M2 đến thế hệ M4 73 4.2 Kết quả đánh giá các dòng triển vọng ở thế hệ M5 75 4.2.1 Đặc tính nông học và thành phần năng suất, năng suất các dòng 75 thế hệ M5 4.2.2 Đánh giá một số chỉ tiêu chất lượng hạt các dòng lúa NTCĐ 78 mới chọn lọc ở thế hệ M5 4.2.3 Đánh giá khả năng chống chịu mặn các dòng NTCĐ mới chọn 80 lọc ở thế hệ M5 4.2.4 Kết quả đánh giá khả năng chống chịu phèn của các dòng 85 NTCĐ mới chọn lọc ở thế hệ M5 4.3 Kết quả khảo nghiệm cơ bản vụ Đông Xuân 2016-2017 và 91 vụ Hè Thu 2017 tại Mộc Hoá và thị xã Kiến Tường, tỉnh Long An 4.3.1 Khả năng chống chịu phèn của các giống/dòng lúa qua 2 vụ 91 Đông Xuân 2016-2017 và vụ Hè Thu 2017 tại Tân Thành, Mộc Hóa, Long An 4.3.2 Khả năng chống chịu phèn của các giống/dòng lúa qua 2 vụ 97 Đông Xuân 2016-2017 và vụ Hè Thu 2017 tại thị xã Kiến Tường, Long An 4.3.3 Kết quả đánh giá khả năng chống chịu phèn ngoài đồng 102 4.4 Kết quả ứng dụng chỉ thị phân tử trong đánh giá độ thuần 104 và mùi thơm của các dòng triển vọng 4.4.1 Đánh giá độ thuần bằng kỹ thuật điện di protein SDS-PAGE 104 4.4.2 Kết quả xác định dấu chỉ thị protein (polypeptide) liên kết với 106 tính thơm của lúa 4.4.3 Kết quả nhận diện gen thơm của các giống/dòng lúa thí nghiệm 111 bằng chỉ thị phân tử ADN Chương 5: KẾT LUẬN – ĐỀ NGHỊ 5.1 Kết luận 113 vii
5.2 Đề nghị 113 Các công trình công bố kết quả nghiên cứu của luận án 115 Tài liệu tham khảo 116 Bảng phân tích phương sai 124 Một số hình ảnh thí nghiệm 137 viii
DANH SÁCH BẢNG Bảng Tựa bảng Trang 2.1 Bảng đánh giá độ mặn dựa vào chỉ tiêu Cl và tỷ lệ muối - 16 hòa tan 2.2 Thang đánh giá cho đặc tính độ dẫn điện của đất Western 16 Agricultural Laboratories, 2002 (trích dẫn từ Ngô Ngọc Hưng, 2004) 2.3 Tạo đột biến bằng việc sử dụng các tác nhân vật lý 35 2.4 Tạo đột biến bằng các tác nhân hoá học 36 3.1 Một số đặc tính của vật liệu thí nghiệm 47 3.2 Tiêu chuẩn đánh giá mức độ chống chịu mặn NaCl (SES) 52 ở giai đoạn tăng trưởng và phát triển (IRRI, 1997) 3.3 Thang đánh giá mức độ chống chịu ngộ độc nhôm (SES) 53 ở giai đoạn tăng trưởng (IRRI, 1997) 3.4 Thang đánh giá mức độ chống chịu ngộ độc sắt (SES) ở 54 giai đoạn tăng trưởng (IRRI, 1997) 3.5 Chuẩn bị dung dịch mẹ của môi trường Yoshida (Yoshida 55 và ctv., 1976) 3.6 Thang đánh giá hàm lượng amylose (IRRI, 1988) 57 3.7 Bảng phân cấp độ độ trở hồ (Jennings và ctv., 1979) 59 3.8 Phân cấp độ bền thể gel (IRRI, 1996) 60 3.9 Tiêu chuẩn đánh giá chiều dài và hình dạng hạt gạo theo 60 IRRI (Juliano và ctv., 1993) 3.10 Lịch bón phân và lượng phân nguyên chất bón (tính cho 62 100 m diện tích thí nghiệm) 2 3.11 Lượng phân thương mại sử dụng và thời điểm bón (tính 62 cho 100 m diện tích thí nghiệm) 2 3.12 Một số đặc tính của bộ giống/dòng lúa thí nghiệm (LA11 65 đến LA18 ghi nhận ở thế hệ M5) 3.13 Lịch bón phân và lượng phân nguyên chất bón (tính cho 66 1.000 m ruộng thí nghiệm) 2 3.14 Lượng phân thương mại sử dụng và thời điểm bón (tính 67 cho 1.000 m ruộng thí nghiệm) 2 3.15 Các giai đoạn sinh trưởng của cây lúa 68 3.16 Chỉ tiêu và phương pháp đánh giá (Bộ Nông Nghiệp và 68 Phát Triển Nông Thôn, 2011) có hiệu chỉnh để phù hợp với diện tích ruộng thí nghiệm 3.17 Thang đánh giá khả năng chống chịu phèn của lúa trong 69 điều kiện canh tác ngoài đồng (IRRI, 2002) 3.18 Phương pháp phân tích các chỉ tiêu đất 70 3.19 Công thức pha dung dịch tạo 1 gel 71 3.20 Bốn primer nhận diện gen thơm fgr 72 4.1 Chỉ tiêu nông học và thành phần năng suất thế hệ M2 74 ix
4.2 Tổng hợp các dòng triển vọng chọn được từ thế hệ M2 đến 75 thế hệ M4 4.3 Thời gian sinh trưởng, cao cây các dòng lúa NTCĐ mới 76 chọn lọc ở thế hệ M5 4.4 Thành phần năng suất, năng suất của các dòng lúa NTCĐ 77 mới chọn lọc ở thế hệ M5 4.5 Một số chỉ tiêu chất lượng hạt các dòng lúa NTCĐ mới 79 chọn lọc ở thế hệ M5 4.6 Cấp chống chịu mặn của các dòng lúa NTCĐ mới chọn lọc 84 ở thế hệ M5 4.7 Bảng mã hoá và tách dòng các dòng lúa NTCĐ mới chọn 85 lọc để thanh lọc phèn 4.8 Kết quả đánh giá khả năng chống chịu phèn nhôm 87 Al2(SO4)3 của các giống/dòng lúa thí nghiệm 4.9 Kết quả đánh giá khả năng chống chịu phèn sắt FeSO4 của 90 các giống/dòng lúa thí nghiệm 4.10 Kết quả một số chỉ tiêu trong đất tại xã Tân Thành, Mộc 92 Hóa, Long An 4.11 Khả năng nảy chồi của các dòng lúa thí nghiệm qua các vụ 94 (chồi) 4.12 Thành phần năng suất và năng suất của 8 giống/dòng lúa 96 thí nghiệm vụ Đông Xuân 2016-2017 và vụ Hè Thu 2017 tại Tân Thành, Mộc Hóa, Long An 4.13 Kết quả phân tích một số chỉ tiêu trong đất tại thị xã Kiến 98 Tường, Long An 4.14 Khả năng nảy chồi của các dòng lúa thí nghiệm qua các vụ 99 4.15 Thành phần năng và năng suất và năng suất của 8 100 giống/dòng lúa thí nghiệm vụ Đông Xuân 2016-2017 và vụ Hè Thu 2017 tại Thị xã Kiến Tường, Long An 4.16 Một số chỉ tiêu phẩm chất của 8 giống/dòng lúa khảo 102 nghiệm và giống NTCĐ đối chứng 4.17 Kết quả đánh giá khả năng chống chịu phèn trong điều 103 kiện canh tác ngoài đồng (cấp) 4.18 So sánh một số chỉ tiêu giữa giống NTCĐ gốc và 2 dòng 103 lúa ưu tú mới chọn lọc 4.19 Kết quả đánh giá mùi thơm các giống/dòng lúa bằng KOH 106 1,7% x
DANH SÁCH HÌNH Hình Tựa hình Trang 2.1 Phẫu diện đất phèn tại Long An và các đặc tính đi kèm 5 2.2 (a) Đất phèn tiềm tàng; (b) Đất phèn hoạt động có tầng sinh 7 phèn nằm gần mặt đất 2.3 Sơ đồ điện di protein SDS-PAGE 29 2.4 Sơ đồ phân tích protein bằng điện di 2 - DE 30 2.5 Biến thiên nhiệt độ và hoạt động của enzyme (McDonald, 38 1999) 3.1 Sơ đồ chọn lọc dòng thuần qua các thế hệ 51 3.2 Sơ đồ bố trí thí nghiệm đánh giá sơ khởi các dòng M5 trong 61 điều kiện nhà lưới 3.3 Sơ đồ bố trí thí nghiệm khảo nghiệm cơ bản các giống/dòng 64 lúa trong điều kiện canh tác ngoài đồng tại Mộc Hoá và thị xã Kiến Tường, tỉnh Long An vụ Đông Xuân 2016-2017 và Hè Thu 2017 4.1 Đánh giá khả năng chống chịu mặn của các giống/dòng lúa 81 mới chọn lọc ở thế hệ M5 ở 3 dSm và 6 dSm -1 -1 4.2 Đánh giá khả năng chống chịu mặn của các giống/dòng lúa 83 mới chọn lọc ở thế hệ M5 ở 9 dSm và 12 dSm -1 -1 4.3 Khả năng chống chịu phèn nhôm của các giống/dòng lúa ở 86 các nồng độ thử nghiệm 4.4 Khả năng chống chịu phèn sắt của các giống/dòng lúa ở các 89 nồng độ thử nghiệm 4.5 Diễn biến pH nước vụ ĐX 2016-2017 và vụ HT 2017 tại xã 92 Tân Thành, huyện Mộc Hóa, Long An 4.6 Diễn biến pH nước vụ ĐX 2016-2017 và vụ HT 2017 tại thị 97 xã Kiến Tường 4.7 Phổ điện di protein tổng số các dòng lúa thí nghiệm 104 4.8 Phổ điện di protein tổng số các dòng lúa thí nghiệm 105 4.9 Phổ điện di protein tổng số các dòng lúa khảo nghiệm 105 4.10 Phổ điện di protein thành phần giống/dòng lúa thơm và 107 không thơm 4.11 Phổ điện di protein thành phần các giống/dòng lúa thơm 108 4.12 Phổ điện di protein thành phần các giống/dòng lúa không 109 thơm 4.13 Phổ điện di protein thành phần của các giống/dòng lúa có 110 marker 4.14 Phổ điện di các giống/dòng với 4 mồi EAP, ESP, INSP, 111 IFAP xi
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Nghĩa đầy đủ ABRE Abscisic acid response element Bộ NN & PTNT Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn CEC Cation Exchange Capacity (khả năng trao đổi cation CK Giống chuẩn kháng ĐBSCL Đồng Bằng Sông Cửu Long ĐC Giống đối chứng EC Electrical Conductivity (Độ dẫn điện) ECe Electrical Conductivity of the extract (Độ dẫn điện bão hòa) EDTA Etylen Diamin Tetra Acetic acid FAO Food and Agriculture Organization of the United Nations (Tổ chức thực phẩm và nông nghiệp của Liên hợp quốc) IRRI International Rice Research Institute (Viện nghiên cứu lúa gạo quốc tế) LEA Late embryogenesis abundant proteins là protein có trọng lượng phân tử khoảng 10-30 kDa NTCĐ Nàng Thơm Chợ Đào NSC Ngày sau cấy PCR Polymerase Chain Reaction (phản ứng khuyếch đại gen) QTL Quantitative Trait Loci (Các locus tính trạng đo đếm được) SAR Sodium absorb ratio (Tỉ lệ natri hấp thu) SDS-PAGE Sodium dodecyl sulphate - Polyacrylamide gel electrophoresis SES Standard Evaluation Score (Cấp đánh giá tiêu chuẩn) SSSA The Soil Science Society of America TGST Thời gian sinh trưởng xii
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1.1 Tính cấp thiết Hầu hết các vùng lúa nước sâu ở Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) là đất phèn, nồng độ sắt và nhôm cao, gây độc hại cho cây lúa nhất là ở giai đoạn mạ trước khi ngập, đặc biệt trong điều kiện mưa nắng thất thường. Những năm gần đây, hạn hán xuất hiện với tần suất dày hơn, làm cho những vùng đất sử dụng nước để ém phèn, nay lại xì phèn. Hạn hán làm cho hiện tượng xâm nhập mặn ở một số vùng đất ven biển, thậm chí những vùng xa cửa sông trở nên trầm trọng hơn (mùa khô năm 2015, ở ĐBSCL chỉ có tỉnh Đồng Tháp là không bị nhiễm mặn), tạo nên quá trình mặn trong đất, ảnh hưởng rất lớn lên canh tác lúa. Cây lúa sống trong điều kiện có độc chất sắt, nhôm hoặc mặn trong đất sẽ chịu nhiều tác động cùng lúc, chẳng hạn như sự thiếu hụt lân, thừa sắt nhôm, và các hợp chất có chứa lưu huỳnh (S), lá teo tóp, khô, cây lúa có thể ngừng sinh trưởng… Các biểu hiện về triệu chứng gây độc này rất phức tạp, vì tác động và tính chất tổng hợp của nó. Vài thập niên trở lại đây, trong công tác chọn giống ở Việt Nam, các nhà chọn giống đã cố gắng để chọn tạo ra nhiều giống lúa mới có khả năng canh tác được trên vùng đất phèn, phèn mặn, điều này càng phù hợp với nhu cầu hiện nay, nhất là trong bối cảnh biến đổi khí hậu, mặn xâm nhập nhiều, ảnh hưởng nặng nề đến canh tác lúa, khi những vùng trước đây vốn có khả năng ém phèn lại trở thành vùng phèn hoạt động, vùng đất không mặn lại trở thành vùng nhiễm mặn; hay quá trình khai thác các vùng đất phèn cũng có nhu cầu cao về các giống lúa này. Các nhà chọn giống đã sử dụng nhiều công cụ như lai tạo, xử lý đột biến bằng các tác nhân vật lý hoặc hoá học, khai thác nguồn gen của các giống lúa bản địa… để tạo ra những giống lúa mới cho mục tiêu trên. Trong các phương pháp chọn giống đó, xử lý nhiệt độ gây sốc nhiệt nhằm tạo ra những biến đổi nhất định trên hệ thống tái sinh của thực vật (đối với lúa là giai đoạn hạt nảy mầm) cũng được quan tâm. Song song đó, việc kết hợp thanh lọc khả năng chống chịu phèn và mặn trong môi trường dung dịch dinh dưỡng cũng như kết hợp các phương pháp để đánh giá và chọn lọc các đặc tính về phẩm chất trong quá trình chọn lọc giống mới là một bước đi quan trọng và cần thiết trong công tác chọn các giống lúa chống chịu phèn, mặn này. Đó là cơ sở để đánh giá khả năng chống chịu trước khi có những thí nghiệm trong điều kiện canh tác tại các vùng phèn, mặn điển hình ở Đồng bằng sông Cửu Long cũng như duy trì và phát huy những đặc tính tốt về phẩm chất của các giống mới chọn lọc. 1
Xuất phát từ các yêu cầu trên, hướng nghiên cứu: “Nghiên cứu giống lúa thơm trong điều kiện phèn và phèn mặn” được đặt ra, nhằm chọn lọc được các giống lúa canh tác tốt trong điều kiện phèn và phèn mặn mà vẫn duy trì được tính thơm cũng như giữ được những đặc tính tốt của giống. 1.2 Mục tiêu nghiên cứu 1.2.1 Mục tiêu chung Chọn lọc được giống/dòng lúa thơm phát triển được trong điều kiện phèn và phèn mặn. 1.2.2 Mục tiêu cụ thể Chọn được giống/dòng lúa thơm ngắn ngày (≤ 110 ngày), chịu phèn, chống chịu mặn (≤ 9 dSm-1), năng suất cao (≥ 5 tấn/ha), hàm lượng amylose (< 20%). 1.3 Đối tượng nghiên cứu Sử dụng giống lúa mùa Nàng Thơm Chợ Đào thu thập tại Long An làm vật liệu nghiên cứu. 1.4 Phạm vi nghiên cứu Chọn lọc ra giống, dòng lúa thơm mới, có khả năng phát triển được trong điều kiện đất bị nhiễm phèn, phèn mặn bằng biện pháp xử lý nhiệt độ gây sốc nhiệt vào giai đoạn nảy mầm. Quá trình chọn lọc kết hợp phân tích các chỉ tiêu phẩm chất, sử dụng chỉ thị protein liên kết với tính thơm để tăng hiệu quả chọn lọc. Khảo nghiệm ở điều kiện canh tác thực tế khi các dòng lúa mới chọn tạo có biểu hiện thuần. Xử lý nhiệt độ gây sốc nhiệt trên vật liệu ban đầu nhằm tạo ra những biến đổi nhất định, từ đó chọn lọc các dòng lúa mới theo các mục tiêu đặt ra (từ thế hệ M1 đến thế hệ M5), đồng thời thanh lọc khả năng chống chịu phèn và mặn của các dòng trong dung dịch dinh dưỡng. Khảo nghiệm cơ bản các dòng lúa mới chọn lọc ưu tú tại vùng đất nhiễm phèn và phèn mặn Mộc Hoá và Thị xã Kiến Tường, tỉnh Long An. Thời gian thực hiện các thí nghiệm từ tháng 1/2015 đến tháng 9/2017. 1.5 Nội dung nghiên cứu Xử lý đột biến trên vật liệu ban đầu bằng phương pháp xử lý nhiệt độ gây sốc nhiệt, chọn dòng đột biến (từ thế hệ M1 đến thế hệ M5), đồng thời thanh lọc khả năng chống chịu phèn và mặn của các dòng trong dung dịch dinh dưỡng. Xác định chỉ thị protein (là polypeptide liên kết với tính thơm của lúa) để áp dụng trong quá trình chọn lọc các giống lúa thơm nhằm rút ngắn thời gian và nâng cao hiệu quả chọn lọc. 2
Phân tích các chỉ tiêu phẩm chất, nông học và thành phần năng suất của các dòng lúa mới chọn lọc để có cơ sở chọn dòng khảo nghiệm thực tế ngoài đồng. Khảo nghiệm cơ bản các dòng lúa mới chọn lọc tại vùng đất nhiễm phèn và phèn mặn ở Long An. 1.6 Ý nghĩa khoa học của luận án Chỉ thị protein (polypeptide liên kết với tính thơm của lúa) có thể sử dụng như một công cụ trong việc xác định nhanh những giống/dòng lúa thơm, tăng hiệu quả và rút ngắn được thời gian chọn lọc. Qui trình hoàn chỉnh chọn lọc dòng lúa mới qua các thế hệ được xử lý nhiệt độ gây sốc nhiệt vào giai đoạn nảy mầm, áp dụng trên giống lúa mùa bị ảnh hưởng bởi quang kỳ là một công cụ hữu hiệu, có thể áp dụng trên những nghiên cứu khác với giống lúa mùa. 1.7 Ý nghĩa thực tiễn của luận án Chọn được giống/dòng lúa thơm mới không bị ảnh hưởng bởi quang kỳ, có năng suất cao, chất lượng tốt, phù hợp với điều kiện canh tác ở những vùng khó khăn, bị nhiễm phèn và phèn mặn ở đồng bằng sông Cửu Long. 1.8 Điểm mới của luận án Tính mới của nghiên cứu này là: + Ứng dụng kỹ thuật điện di protein SDS-PAGE xác định được marker phân tử liên kết với tính thơm của các giống lúa thơm, làm cơ sở để nhanh chóng phát hiện và chọn lọc được giống lúa thơm. + Qui trình chọn lọc dòng lúa mới bằng phương pháp xử lý nhiệt độ gây sốc nhiệt qua các thế hệ, có thể chọn lọc được các dòng lúa mới với năng suất và phẩm chất phù hợp mục tiêu chọn lọc, áp dụng cho các giống lúa mùa (bị ảnh hưởng bởi quang kỳ). 3
CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1 Thực trạng nghiên cứu và canh tác lúa thơm ở ĐBSCL Không kể hải đảo, ĐBSCL có diện tích tự nhiên là 3.933.132 ha, chia ra 3 nhóm đất chiếm diện tích lớn nhất là đất phèn và phèn nhiễm mặn (1.600.263 ha), đất phù sa (1.184.857 ha) và đất mặn (744.547 ha) (Nguyễn Bảo Vệ và ctv., 2005). Do có đường bờ biển dài nên diện tích trồng lúa bị nhiễm mặn và phèn ở Đồng Bằng Sông Cửu Long rất lớn, diện tích đất trồng lúa bị nhiễm phèn mặn này ngày càng gia tăng do ảnh hưởng của hiện tượng biến đổi khí hậu toàn cầu, nước biển ngày càng xâm nhập sâu vào đất liền. Những vùng chịu ảnh hưởng nặng nề của phèn mặn có thể kể đến là Cà Mau, Bạc Liêu, Kiên Giang, Trà Vinh, Long An…đây là những vùng phát triển rất mạnh các mô hình canh tác trồng trọt hoặc nuôi thủy sản, với mô hình canh tác lúa - tôm phổ biến với tính khả thi cao đã thu hút được sự quan tâm đặc biệt và có sức hấp dẫn mạnh đối với người dân, trở thành phương thức sản xuất của nhiều hộ nông dân (Nguyễn Thanh Tường và ctv. 2005). Sau một thời gian thực hiện mô hình lúa - tôm, một số vấn đề về môi trường bắt đầu nảy sinh và gây ra mối quan ngại về tính bền vững của mô hình này (Phan Minh Quang, 2009). Sự gia tăng nhanh chóng diện tích canh tác lúa - tôm theo nhu cầu của nông dân, việc áp dụng kỹ thuật canh tác theo kinh nghiệm, giống lúa chống chịu phèn mặn còn thiếu, cũng như chưa được quan tâm nghiên cứu đúng mức (Nguyễn Văn Cường và Võ Công Thành, 2012) sẽ là những nguyên nhân gây ra sự mặn hóa của đất, vật liệu sinh phèn bị oxy hóa mạnh, làm đất bị nhiễm phèn, làm suy thoái môi trường đất canh tác, ảnh hưởng đến năng suất lúa và gây ra những tổn thất không nhỏ về kinh tế của hộ nông dân trong vùng canh tác lúa - tôm ở Bạc Liêu. Trong những năm gần đây, việc ứng dụng các kỹ thuật chọn lọc giống chống chịu phèn mặn ngày càng được ứng dụng rộng rãi, đặc biệt là kỹ thuật điện di ADN (microsatelite) để chọn được những giống có khả năng chống chịu phèn mặn (Nguyễn Thị Lang và ctv., 2001), đồng thời yêu cầu thực tiễn cũng đặt ra cần có sự kết hợp giữa sử dụng giống chống chịu phèn mặn với việc nghiên cứu để tìm biện pháp kỹ thuật canh tác thích hợp nhằm hạn chế tác hại của phèn mặn ảnh hưởng đến năng suất cây lúa, đồng thời duy trì được tính bền vững của môi trường đất canh tác. Các nhà khoa học cũng đánh giá rằng, trong tình trạng biến đổi khí hậu hiện nay, phèn mặn là một trong những yếu tố quan trọng làm giảm năng suất và sản lượng lúa hiện nay và trong những năm tới. Trong khi đó các giống lúa đang được sản xuất tại các vùng nhiễm phèn mặn Đồng bằng sông Cửu Long chưa được nghiên cứu sâu, chưa đáp ứng nhu cầu sản xuất. 4
Hình 2.1 Phẫu diện đất phèn tại Long An và các đặc tính đi kèm (nguồn: Bảo tàng đất Việt Nam, 1997) Mặc khác, nhu cầu lúa gạo của thị trường trong những năm gần đây đặc biệt chú trọng đến các giống lúa có chất lượng cao. Gạo có chất lượng cao được xác định bởi rất nhiều yếu tố như: hình dạng hạt, giá trị dinh dưỡng, hương thơm, chất lượng sau khi chế biến…Trong đó, hương thơm được xem là một trong những đặc tính quan trọng. Trong khi giá gạo của các giống lúa truyền thống suy giảm, các loại lúa gạo đặc sản, nhất là những loại gạo thơm vẫn giữ được giá cao và ổn định. Năm 2006 giá gạo không thơm là từ 250 - 300 USD/tấn và giá gạo thơm Jasmine là 400 USD/tấn trong khi đó giá gạo thơm Basmati được bán là 850 USD/tấn. Do vậy, phát triển các loại gạo chất lượng vừa giúp mở rộng thị trường nội địa và phục vụ xuất khẩu vừa tạo cơ hội để nâng cao hiệu quả kinh tế cho người nông dân và mang ngoại tệ về cho đất nước. Hiện nay, các chương trình phát triển và bảo tồn giống lúa chất lượng đang là vấn đề được rất nhiều nước trên thế giới quan tâm. Tuy nhiên, việc chọn tạo các giống lúa chất lượng bằng các phương pháp truyền thống là khá khó khăn, bởi sự di truyền đa gen và tương tác của môi trường là những yếu tố gây khó khăn trong việc cải tiến các tính trạng chất lượng. Chọn tạo giống lúa chất lượng đòi hỏi vật liệu ban đầu (dòng bố mẹ) có sự đa dạng di truyền rất rộng. Những hiểu biết về mặt đa dạng di truyền nguồn gen là một điều kiện tiên quyết để kế tục và sử dụng một cách có hiệu quả trong các phương pháp chọn tạo giống lúa chất lượng. 5
Những nghiên cứu về các giống lúa thơm cho thấy, các giống lúa thơm sẽ có khuynh hướng biểu hiện mùi thơm tốt hơn trong các điều kiện bất lợi (thiếu dinh dưỡng, khô hạn, phèn mặn…), vì trong các điều kiện này, khả năng tổng hợp các hợp chất có mùi (chứa vòng benzen và phenol), sẽ mạnh mẽ hơn, những chất biến dưỡng này có vai trò trong việc giúp cây lúa tồn tại tốt trong điều kiện khắc nghiệt. Những năm gần đây, lúa mùa ở các tỉnh ven biển Đồng bằng sông Cửu Long không thể cấy đúng lịch thời vụ được. Nguyên nhân, do trời nắng hạn kéo dài, nền ruộng bị nhiễm mặn và phèn trong quá trình nuôi tôm nhưng không có nước ngọt để rửa mặn hay hạn hán làm trầm trọng thêm hiện tượng xì phèn và xâm nhập mặn. Nếu cấy lúa xuống, cây lúa không thể chịu được độ mặn và phèn cao sẽ chết và nếu cấy trễ thì mặn vào cuối vụ cây lúa cũng sẽ cho năng suất thấp. Chính vì những vấn đề nêu trên, việc nghiên cứu để phát triển các giống lúa trong điều kiện phèn mặn, nhất là các giống lúa thơm là yêu cầu rất cấp thiết để giải quyết nhanh những vấn đề của những vũng canh tác bị nhiễm phèn mặn ở ĐBSCL, góp phần gia tăng giá trị sản xuất của vùng, thích ứng với biến đổi khí hậu và bảo đảm an ninh lương thực quốc gia. 2.2 Đất phèn và phèn nhiễm mặn 2.2.1 Đất phèn 2.2.1.1 Khái niệm Nhóm đất phèn, tên theo phân loại của FAO là Thionic Fluvisols là tên gọi dùng để chỉ nhóm đất có chứa các vật liệu mà kết quả của các tiến trình sinh hoá xảy ra là axít sulfuric được tạo thành hoặc sẽ sinh ra với một số lượng có ảnh hưởng lâu dài đến những đặc tính chủ yếu của đất. 2.2.1.2 Nguồn gốc và quá trình hình thành đất phèn Các loại đất và trầm tích dễ trở thành đất phèn nhất là các loại được hình thành trong thời gian 10.000 năm trở lại đây, sau sự kiện dâng lên của nước biển (biển tiến) lớn nhất gần đây. Khi mực nước biển dâng lên và làm ngập đất, sulfat trong nước biển trộn lẫn với các trầm tích đất chứa các ôxít sắt và các chất hữu cơ. Trong các điều kiện yếm khí này, các vi khuẩn ưa phân hủy các chất vô cơ như Thiobacillus ferrooxidans (là những loại vi khuẩn có khả năng oxi hóa các khoáng chất bằng ôxy của không khí) phân hủy các sulfua sắt (chủ yếu là dạng pyrit) để tạo thành sunphat và axit sunphuric, đây là những thành tố tạo thành đất phèn có hàm lượng sunphat cao và bị chua (do axit sunphuric). Nhiệt độ ấm và ôxy của không khí là điều kiện thích hợp cho các vi khuẩn này phát triển và hoạt động mạnh, tạo ra một tiềm năng lớn hơn cho quá trình phân hủy sulfua sắt (ở dạng pyirit) thành sunphat sắt và axit sunphuric. Các môi trường ngập nước vùng nhiệt đới, chẳng hạn các khu rừng đước hay các khu vực cửa 6