Luận án Tiến sĩ Nông nghiệp: Nghiên cứu nâng cao năng suất, chất lượng một số dòng lúa kháng bệnh bạc lá bằng phương pháp đột biến và chỉ thị phân tử

Chia sẻ: Chuheodethuong 09 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:168

Thêm vào BST

Báo xấu

21
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của luận án là cải tiến năng suất (đạt 6 – 7 tấn /ha) và một hoặc nhiều chỉ tiêu chất lượng (mùi thơm, độ trắng, độ mềm dẻo, vị ngon) các dòng lúa kháng bạc lá bằng phương pháp đột biến và chỉ thị phân tử.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Nông nghiệp: Nghiên cứu nâng cao năng suất, chất lượng một số dòng lúa kháng bệnh bạc lá bằng phương pháp đột biến và chỉ thị phân tử

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN VIỆN KHOA HỌC NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM --------------------***-------------------- NGUYỄN THỊ HỒNG NGHIÊN CỨU NÂNG CAO NĂNG SUẤT, CHẤT LƯỢNG MỘT SỐ DÒNG LÚA KHÁNG BỆNH BẠC LÁ BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỘT BIẾN VÀ CHỈ THỊ PHÂN TỬ LUẬN ÁN TIẾN SĨ NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI – 2020
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN VIỆN KHOA HỌC NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM --------------------***-------------------- NGUYỄN THỊ HỒNG NGHIÊN CỨU NÂNG CAO NĂNG SUẤT, CHẤT LƯỢNG MỘT SỐ DÒNG LÚA KHÁNG BỆNH BẠC LÁ BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỘT BIẾN VÀ CHỈ THỊ PHÂN TỬ Chuyên ngành : Di truyền và Chọn giống cây trồng Mã số : 9.62.01.11 LUẬN ÁN TIẾN SĨ NÔNG NGHIỆP NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC GS. TS. LÊ HUY HÀM HÀ NỘI – 2020
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu này do tôi trực tiếp thực hiện; các kết quả đƣợc trình bày trong luận án là trung thực; khách quan và chƣa từng đƣợc công bố. Mọi sự hỗ trợ, giúp đỡ đều đã đƣợc gửi lời cảm ơn đầy đủ; các thông tin trích dẫn đều đƣợc chỉ rõ nguồn gốc. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những điều cam đoan ở trên. Hà Nội, ngày 12 tháng 03 năm 2020 Tác giả luận án Nguyễn Thị Hồng
ii LỜI CẢM ƠN Trƣớc hết, tôi xin đƣợc cảm ơn cơ sở đào tạo Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam, với cơ vật chất hiện đại, đội ngũ cán bộ khoa học, giáo sƣ, phó giáo sƣ, tiến sỹ giỏi về chuyên môn cũng nhƣ tâm huyết với ngành nông nghiệp, đã tận tình đào tạo, hƣớng dẫn và giúp đỡ các cán bộ trẻ nhƣ tôi trên con đƣờng nghiên cứu. Đặc biệt, tôi xin đƣợc bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS.TS. Lê Huy Hàm, ngƣời thầy đã định hƣớng cũng nhƣ hết lòng hƣớng dẫn, động viên, khuyến khích, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh cho tới nay. Tôi xin gửi lời cảm ơn tới TS. Võ Thị Minh Tuyển, Trƣởng Bộ môn Đột biến & Ƣu thế lai, đã luôn tạo điều kiện cũng nhƣ đƣa ra nhiều góp ý quý báu về lĩnh vực chọn giống lúa. Tôi xin cám ơn TS. Yoshikazu Tanaka, Trung tâm nghiên cứu Năng lƣợng Wakasa-wan, Fukui, Nhật Bản đã tận tình giúp đỡ, chỉ bảo các kiến thức chuyên môn thuộc lĩnh vực sinh học phân tử. Lời cảm ơn từ đáy lòng xin đƣợc gửi tới bạn bè, đồng nghiệp và ngƣời thân đã luôn ở bên động viên, sẻ chia mọi khó khăn cũng nhƣ hỗ trợ mọi mặt để tôi hoàn thành bản luận án này. Luận án đƣợc thực hiện dựa trên đề tài KC.05.09/11-15 "Nghiên cứu kỹ thuật chiếu xạ tia gamma kết hợp với công nghệ sinh học tạo vật liệu khởi đầu cho chọn tạo giống lúa" của Bộ Khoa học & Công nghệ, do Viện Di truyền Nông nghiệp chủ trì; một phần đƣợc thực hiện tại Trung tâm nghiên cứu Năng lƣợng Wakasa-wan, Fukui, Nhật Bản với sự tài trợ của Chƣơng trình học bổng “Fukui International Human Resourses Development Center For Atomic Energy (FIHRDC)/FY 2016. Tác giả xin đƣợc trân trọng cảm ơn!
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ........................................................................................... ii MỤC LỤC ................................................................................................ iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU ....................................... vi DANH MỤC BẢNG ............................................................................... vii DANH MỤC HÌNH .................................................................................. x CHƢƠNG 1............................................................................................... 4 TỔNG QUAN TÀI LIỆU VÀ CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI ........ 4 1.1. Đột biến trong nghiên cứu, chọn tạo giống cây trồng........................ 4 1.1.1. Phân loại các tác nhân gây đột biến ............................................... 4 1.1.2. Bức xạ ion beam trong chọn tạo giống cây trồng ........................... 5 1.1.3. Thành tựu của chọn giống đột biến trên thế giới ............................ 8 1.1.4. Thành tựu của chọn giống đột biến trong nước............................ 12 1.2. Bệnh bạc lá lúa ................................................................................. 17 1.2.1. Nguyên nhân và triệu chứng bệnh ................................................ 17 1.2.2. Quy luật phát sinh, phát triển bệnh............................................... 18 1.2.3. Đặc điểm truyền lan và bảo tồn .................................................... 19 1.2.4. Các chủng sinh lý .......................................................................... 20 1.2.5. Một số thống kê thiệt hại do bệnh bạc lá gây ra trên lúa ............. 23 1.3. Chỉ thị phân tử trong chọn giống đột biến ....................................... 24 1.3.1. Chỉ thị phân tử và phân loại ......................................................... 24 1.3.2. Chỉ thị phân tử trong phân tích đa dạng di truyền ....................... 27 1.3.3. Chỉ thị phân tử trong chọn giống lúa kháng bạc lá ...................... 28 1.4. Một số gen quy định năng suất hạt....................................................32 1.4.1. Một số gen quy định nên tính trạng hạt.........................................32 1.4.2. Gen Ghd7......................................................................................37
iv 1.5. Một số thông tin quan trọng và nhận xét rút ra từ tổng quan ......... 39 CHƢƠNG 2............................................................................................. 41 VẬT LIỆU, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU........... 41 2.1. Vật liệu nghiên cứu .......................................................................... 41 2.1.1. Dòng, giống lúa ............................................................................. 41 2.1.2. Các chỉ thị phân tử ........................................................................ 41 2.1.3. Vi khuẩn gây bệnh bạc lá .............................................................. 42 2.2. Nội dung nghiên cứu ........................................................................ 42 2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu .................................................................. 43 2.3.1. Phương pháp chọn giống đột biến (FAO/IAEA, 2011) ................. 43 2.3.2. Phương pháp đánh giá các dòng triển vọng ................................. 44 2.3.3. Phương pháp chỉ thị phân tử......................................................... 47 2.3.4. Phương pháp đánh giá nhân tạo bệnh bạc lá (JICA, 2003) ......... 48 CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ................ 49 3.1. Đánh giá, chọn lọc nguồn vật liệu khởi đầu .................................... 49 3.1.1. Tính kháng bạc lá của các dòng vật liệu ...................................... 49 3.1.2. Đặc điểm nông sinh học chính của dòng lúa vật liệu chiếu xạ .... 53 3.2. Tạo vật liệu khởi đầu ở lúa bằng chiếu xạ tia gamma. .................... 54 3.2.1. Ảnh hưởng của liều lượng chiếu xạ đến tỷ lệ sống sót ................. 54 3.2.2. Ảnh hưởng của liều chiếu xạ đến thế hệ M1 ................................. 60 3.2.3. Ảnh hưởng của liều lượng chiếu xạ đến thế hệ M2 ...................... 64 3.2.4. Chọn dòng đột biến có ý nghĩa cho chọn giống............................ 69 3.3. Chỉ thị phân tử trong nghiên cứu và chọn giống lúa đột biến.......... 75 3.3.1. Chọn dòng lúa đột biến kháng bệnh bạc lá .................................. 75 3.3.2. Nghiên cứu sai khác di truyền giữa các dòng lúa đột biến .......... 81 3.4. Đánh giá một số dòng lúa đột biến kháng bệnh bạc lá có triển vọng ................................................................................................................. 89 3.4.1. Đánh giá dòng lúa đột biến triển vọng từ chiếu xạ tia gamma .... 90
v 3.4.2. Đánh giá dòng lúa đột biến triển vọng D14 từ chiếu xạ ion beam ................................................................................................................. 96 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ................................................................... 107 CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 108
vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU ADN : Axit Deoxyribonucleic FAO : Food Agriculture Oganization FNCA: Forum of Nuclear Cooporative Asia HTX : Hợp tác xã IAEA : International Atomic Energy Agency IRRI : International Rice Research Institute JICA : Japan International Cooperation Agency MAS : Marker Assited Selection NST : Nhiễm sắc thể PCR : Polymerase Chain Reaction QTL : Quantitative Trait Locus EXON : Vùng mã hóa INTRON : Vùng không mã hóa CTPT : Chỉ thị phân tử NSLT : Năng suất lý thuyết NSTT : Năng suất thực thu
vii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Tác động của một số tác nhân gây đột biến khác nhau lên hệ gen của Arabidopsis Thaliana ................................................................... 7 Bảng 1.2. Danh sách dòng NILs sử dụng cho nghiên cứu bệnh bạc lá .. 21 Bảng 2.1. CTPT liên kết gen kháng bạc lá sử dụng trong nghiên cứu ... 41 Bảng 2.2. Thông tin các chủng vi khuẩn gây bệnh bạc lá ...................... 42 Bảng 2.3. Phân cấp chiều dài hạt gạo ..................................................... 45 Bảng 2.4. Phân cấp hình dạng hạt gạo .................................................... 45 Bảng 2.5. Thang điểm với từng chỉ tiêu hạt gạo ..................................... 46 Bảng 2.6. Xếp hạng chất lƣợng cảm quan của cơm............................... 46 Bảng 3.1. Phản ứng của các dòng vật liệu với bệnh bạc lá (vụ Mùa 2012, HTX Thƣợng Cát) ................................................................................... 52 Bảng 3.2. Đặc điểm nông sinh học chính của dòng lúa vật liệu chiếu xạ (vụ Mùa 2012, HTX Thƣợng Cát ) ......................................................... 53 Bảng 3.3. Ảnh hƣởng của liều chiếu xạ đến tỷ lệ sống sót ở thế hệ M1 khi chiếu xạ hạt khô ................................................................................ 56 Bảng 3.4. Ảnh hƣởng của liều chiếu xạ đến tỷ lệ sống sót ở thế hệ M1 khi chiếu xạ hạt ƣớt ................................................................................. 58 Bảng 3.5. Ảnh hƣởng của liều chiếu xạ đến biến dị ở thế hệ M1 (vụ Mùa 2012, HTX Thƣợng Cát) ......................................................................... 61 Bảng 3.6. Ảnh hƣởng của liều chiếu xạ đến tần số đột biến một số tính trạng hình thái ở thế hệ M2 (vụ Xuân 2013, HTX Thƣợng Cát) ............ 66 Bảng 3.7. Ảnh hƣởng của liều chiếu xạ đến tần số đột biến các yếu tố cấu thành năng suất ở thế hệ M2 (vụ Xuân 2013, HTX Thƣợng Cát).... 68 Bảng 3.8. Chọn lọc đột biến có ý nghĩa qua các thế hệ .......................... 70 Bảng 3.9. Đặc điểm chính của 52 dòng đột biến có ý nghĩa cho chọn giống (vụ xuân 2015, HTX Thƣợng Cát)................................................ 71
viii Bảng 3.10. Chọn lọc dòng đột biến mang gen kháng bệnh bạc lá .......... 77 Bảng 3.11. Phản ứng của gen kháng với vi khuẩn gây bệnh .................. 78 Bảng 3.12. Khả năng kháng/nhiễm bệnh bạc lá của các dòng đột biến (vụ Xuân 2014 HTX Thƣợng Cát) ................................................................ 80 Bảng 3.13. Các dòng lúa đột biến sử dụng trong phân tích sai khác di truyền bằng chỉ thị SSR........................................................................... 81 Bảng 3.14. Khảo sát các cặp mồi SSR với các nhóm lúa ....................... 82 Bảng 3.15. Các chỉ tiêu về allele, chỉ số đa dạng PIC của các locus SSR đa hình nhận biết trên 41 dòng lúa Nhóm I............................................. 84 Bảng 3.16. Các chỉ tiêu về allele, chỉ số đa dạng PIC của các locus SSR đa hình nhận biết trên 10 dòng lúa Nhóm II ........................................... 85 Bảng 3.17. Đặc điểm hình thái, nông sinh học của dòng đột biến triển vọng từ BT62.1 (vụ Mùa 2017) .............................................................. 91 Bảng 3.18. Đặc điểm hình thái, nông sinh học của dòng đột biến triển vọng từ HC62.2 (vụ Mùa 2017) .............................................................. 92 Bảng 3.19. Năng suất thực thu các dòng đột biến triển vọng từ BT62.1 (vụ Mùa 2017) ......................................................................................... 94 Bảng 3.20. Năng suất thực thu các dòng đột biến triển vọng từ HC62.2 (vụ Mùa 2017) ......................................................................................... 95 Bảng 3.21. Chất lƣợng cơm các dòng lúa triển vọng từ chiếu xạ tia gamma ..................................................................................................... 96 Bảng 3.22. Phản ứng của dòng lúa đột biến triển vọng D14 với ba chủng vi khuẩn gây bệnh bạc lá ......................................................................... 98 Bảng 3.23. Đặc điểm hình thái, nông sinh học của dòng lúa đột biến triển vọng D14 (vụ Mùa 2017) ........................................................................ 99 Bảng 3.24. Năng suất thực thu dòng lúa đột biến triển vọng D14 (vụ Mùa 2017) ............................................................................................. 101 Bảng 3.25. Chất lƣợng gạo dòng lúa đột biến triển vọng D14 ............. 102
ix Bảng 3.26. Chất lƣợng cơm dòng lúa đột biến triển vọng D14 ............ 103 Bảng 3.27. Phân tích sai khác trên vùng mã hóa của gen Ghd7 ........... 106
x DANH MỤC HÌNH Hình 3.1. Kiểm tra gen Xa4 (a), Xa7 (b) và Xa21(c) dòng lúa vật liệu .. 50 Hình 3.2. Phản ứng của dòng lúa vật liệu với chủng vi khuẩn gây bệnh bạc lá (vụ Mùa 2013) ............................................................................... 51 Hình 3.3. Ảnh hƣởng của liều chiếu xạ đến sinh trƣởng, phát triển và tỷ lệ sống sót giai đoạn mạ .......................................................................... 55 Hình 3.4. Ảnh hƣởng của liều chiếu xạ đến tỷ lệ sống sót khi chiếu xạ hạt khô dòng BT62.1 ............................................................................... 57 Hình 3.5. Ảnh hƣởng của liều chiếu xạ đến tỷ lệ sống sót khi chiếu xạ hạt khô dòng HC62.2 .............................................................................. 57 Hình 3.6. Ảnh hƣởng của liều chiếu xạ đến tỷ lệ sống sót khi chiếu xạ hạt ƣớt dòng BT62.1 ............................................................................... 59 Hình 3.7. Ảnh hƣởng của liều chiếu xạ đến tỷ lệ sống sót khi chiếu xạ hạt ƣớt dòng HC62.2 ............................................................................... 59 Hình 3.8. Một số đột biến ghi nhận ở các thế hệ .................................... 65 Hình 3.9. Chọn lọc các dòng đột biến mang gen kháng Xa7 và Xa21 ... 77 Hình 3.10. Phản ứng của các dòng đẳng gen với vi khuẩn gây bệnh bạc lá (chủng 3).............................................................................................. 79 Hình 3.11. Phản ứng của các dòng đột biến trên đồng ruộng ................. 80 Hình 3.12. Sản phẩm PCR của các dòng đột biến nhóm I (a) và nhóm II (b) với chỉ thị SSR trên gel agarose 2,5% ............................................... 83 Hình 3.13. Mối quan hệ di truyền giữa các dòng lúa đột biến từ BT62.1 ............................................................................................................... 887 Hình 3.14. Mối quan hệ di truyền giữa các dòng lúa đột biến từ HC62.2 ................................................................................................................. 88 Hình 3.15. Kiểm tra gen kháng bạc lá dòng lúa đột biến triển vọng ...... 97
xi Hình 3.16. Phản ứng của dòng lúa đột biến triển vọng D14 với vi khuẩn gây bệnh bạc lá ........................................................................................ 97 Hình 3.17. Dòng lúa đột biến triển vọng D14 tại HTX Dục Tú - Đông Anh - Hà Nội (vụ mùa 2017) ................................................................ 101 Hình 3.18. Hạt thóc và hạt gạo của dòng đột biến triển vọng D14....... 102 Hình 3.19. Giải trình tự gen Ghd7 ........................................................ 104 Hình 3.20. Sai khác trên vùng mã hóa 1 của gen Ghd7 ........................ 105 Hình 3.21. Sai khác trên vùng mã hóa 2 của gen Ghd7 ........................ 105
1 MỞ ĐẦU Theo dự báo, dân số thế giới sẽ tăng từ 7,6 tỷ (3/2018) lên khoảng 9 tỷ vào năm 2050, mà đa số xảy ra ở những nƣớc đang phát triển (https://en.wikipedia.org/wiki/World population). Việc đảm bảo cung cấp lƣơng thực, thực phẩm cho khoảng 9 tỷ ngƣời là một thách thức lớn trong bối cảnh nguồn tài nguyên thiên nhiên đang bị khai thác quá mức và sử dụng lãng phí, chƣa kể tác động ngày càng lớn của thiên tai. Biến đổi khí hậu có thể làm sản lƣợng nông sản, gây tổn thất đến 50% hoặc thậm chí mất trắng. Nếu không có các biện pháp đối phó, cũng nhƣ những hành động khẩn cấp, tích cực thì nền an ninh lƣơng thực sẽ bị đe dọa. Vì thế, nhiệm vụ cấp thiết đặt ra cho các nhà khoa học trong lĩnh vực nông nghiệp hiện nay đó là tạo ra các giống cây trồng mới thích ứng với biến đổi khí hậu và đảm bảo an ninh lƣơng thực. Ở miền Bắc nƣớc ta, bệnh bạc lá là một trong những đối tƣợng gây hại thƣờng xuyên và nghiêm trọng trên cây lúa. Một số giống đang đƣợc trồng phổ biến trong sản xuất bị nhiễm nặng bệnh bạc lá. Thƣờng thì các giống kháng bạc lá tốt thì năng suất và phẩm chất không đạt yêu cầu và ngƣợc lại, các giống có năng suất phẩm chất tốt lại không kháng bệnh. Trong những năm gần đây, có rất nhiều đề tài nghiên cứu chọn tạo giống lúa kháng bạc lá dựa trên các phép lai hữu tính và chỉ thị phân tử. Có nhiều sản phẩm của các đề tài là các dòng/giống lúa mang gen kháng bạc lá, thích ứng tốt với ngoại cảnh tuy nhiên năng suất và chất lƣợng chƣa thực sự đáp ứng nhu cầu của sản xuất cũng nhƣ thị hiếu tiêu dùng. Trong khi đó, đột biến đƣợc đánh giá là phƣơng pháp chọn tạo giống cây trồng dễ áp dụng, nhanh chóng và hiệu quả. Không giống nhƣ phƣơng pháp lai hữu tính, đột biến có ƣu điểm đó là giúp cải tiến một số đặc điểm của giống mà không làm mất đi các tính trạng tốt vốn có
2 (Pathirana, 2011). Nếu sử dụng phƣơng pháp đột biến để cải tiến tính trạng năng suất, chất lƣợng của các dòng lúa mang gen kháng bạc lá, đồng thời dùng chỉ thị phân tử để hỗ trợ chọn lọc gen kháng sẽ tăng khả năng thành công. Chính vì vậy, luận án “Nghiên cứu nâng cao năng suất, chất lƣợng một số dòng lúa kháng bệnh bạc lá bằng phƣơng pháp đột biến và chỉ thị phân tử” đƣợc thực hiện với mong muốn chọn tạo đƣợc giống lúa kháng bạc lá, năng suất và chất lƣợng tốt phục vụ cho sản xuất. 1. Mục tiêu nghiên cứu Cải tiến năng suất (đạt 6 – 7 tấn /ha) và một hoặc nhiều chỉ tiêu chất lƣợng (mùi thơm, độ trắng, độ mềm dẻo, vị ngon) các dòng lúa kháng bạc lá bằng phƣơng pháp đột biến và chỉ thị phân tử. 2. Đối tƣợng nghiên cứu Các dòng/giống lúa kháng bệnh bạc lá, nhƣng còn hạn chế về năng suất và chất lƣợng. 3. Phạm vi nghiên cứu Các nghiên cứu thuộc lĩnh vực Khoa học Nông nghiệp, chuyên ngành Di truyền và Chọn giống cây trồng. 4. Địa điểm thực hiện đề tài luận án - Viện Di truyền Nông nghiệp, Bắc Từ Liêm, Hà Nội, Việt Nam - Trung tâm nghiên cứu Hạt nhân Wakasa-wan, Fuikui, Nhật Bản - Các thí nghiệm đồng ruộng đƣợc thực hiện tại Hà Nội và Thái Bình 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án a. Ý nghĩa khoa học của luận án Từ các kết quả thu đƣợc, nổi bật nhất là các dòng lúa triển vọng kháng bạc lá, có năng suất và chất lƣợng đƣợc cải thiện đã khẳng định tính hiệu quả của việc kết hợp phƣơng pháp đột biến và chỉ thị phân tử
3 trong cải tiến giống cây trồng, từ đó tạo cơ sở để các nhà chọn giống đột biến khác có thể nghiên cứu và áp dụng. b. Ý nghĩa thực tiễn của luận án Đề tài đã chọn tạo đƣợc 5 dòng lúa đột biến triển vọng kháng bạc lá, năng suất cao (6- 7 tấn/ha), một số chỉ tiêu chất lƣợng đƣợc cải thiện. Ngoài ra, kết quả gồm 52 dòng đột biến có ý nghĩa cho chọn giống sẽ là nguồn vật liệu giá trị, có thể đƣợc khai thác, sử dụng cho các mục đích chọn tạo giống khác nhau. 6. Đóng góp mới của luận án Đóng góp lớn nhất của luận án cho thực tiễn sản xuất và nghiên cứu đó là 5 dòng lúa đột biến kháng bệnh bạc lá có triển vọng (năng suất 6 – 7 tấn/ha, chất lƣợng đƣợc cải tiến) và tập đoàn 52 dòng đột biến vật liệu. Ngoài ra, luận án cũng đã phân tích đƣợc sai khác giữa các dòng đột biến ở mức độ phân tử thông qua nghiên cứu đánh giá bằng chỉ thị SSR và giải trình tự gen.
4 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU VÀ CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI 1.1. Đột biến trong nghiên cứu, chọn tạo giống cây trồng 1.1.1. Phân loại các tác nhân gây đột biến Nhìn chung, các tác nhân gây đột biến có thể chia thành ba loại sau: các tác nhân hóa học (bao gồm hợp chất vô cơ, hữu cơ, các hóa chất gây ung thƣ, khói thuốc, các loại thuốc chữa bệnh...); các tác nhân vật lý (các bức xạ ion hóa – tia gamma, tia Rơnghen…; bức xạ điện từ; điện trƣờng; sóng siêu âm; nhiệt độ; khói bụi….); các tác nhân sinh học (các hormone tăng trƣởng, các tác nhân xâm nhiễm nhƣ nấm, vi khuẩn, virut….). Dựa vào khả năng ion hóa vật chất bị nhiễm xạ, có thể chia tác nhân gây đột biến thành 2 nhóm: 1) Nhóm bức xạ ion hóa: là bức xạ gây phản ứng hóa phóng xạ, tạo ra các cặp ion hóa trong môi trƣờng mà chúng thâm nhập hoặc gây ra sự kích động phân tử nhƣ: bức xạ điện tử electron, proton, tia α hay bức xạ không mang điện nơtron, tia Gamma (γ), tia Rơnghen (tia X).... 2) Nhóm bức xạ không gây ion hóa: Đại diện cho nhóm này là tia tử ngoại, có độ dài bƣớc sóng từ 10-7 – 10-5 A0. Do có năng lƣợng thấp, sức xuyên thấu yếu nên khi xuyên qua các mô của cơ thể sinh vật, nó không gây ion hóa mà chỉ kích động phân tử và thƣờng đƣợc dùng để xử lý hạt phấn và bào tử. Thậm chí, trong những năm gần đây, Trung Quốc còn đƣa ra khái niệm “đột biến vũ trụ”. Theo đó, các nhà khoa học Trung Quốc đã đƣa hạt giống lên tàu vệ tinh Shijian 8, và giải thích rằng dựa vào tác động của các bức xạ vũ trụ, môi trƣờng không trọng lực, chân không và siêu sạch, sẽ tạo nên các thay đổi của vật liệu nghiên cứu (Liu và cs., 2004). Các tác nhân hoá học đa dạng hơn nhiều về chủng loại so với tác nhân lý học, nhƣng nhƣợc điểm của chúng là phức tạp trong xử lý và
5 không an toàn cho ngƣời sử dụng. Vì vậy, hiện nay, các tác nhân vật lý ngày càng đƣợc ƣu tiên nghiên cứu và sử dụng hơn (FAO/IAEA, 2011). 1.1.2. Bức xạ ion beam trong chọn tạo giống cây trồng Ngoài một số tác nhân phổ biến nhƣ tia X, tia gamma, hạt α, hạt nơtron... thì ngày nay, các nhà khoa học trong lĩnh vực này đã bắt đầu tìm hiểu, nghiên cứu và ứng dụng bức xạ ion của các nguyên tố Li, C, H, Ar, He, Ne... trong lĩnh vực chọn tạo giống (Shikazono và cs., 2003; Tanaka và cs., 2010; Yu và cs., 2013). Đi đầu trong việc áp dụng phƣơng pháp này phải kể đến Nhật Bản và Trung Quốc, theo đó đã có thống kê thấy rằng các nhà khoa học Nhật Bản đã bắt đầu các thử nghiệm ion beam trên đối tƣợng cây trồng từ năm 1993. Các nhà khoa học Nhật Bản, Trung Quốc đã có nhiều nghiên cứu về liều lƣợng chiếu cũng nhƣ ảnh hƣởng của các liều chiếu đến việc tạo ra các đột biến. Các nghiên cứu đa phần sử dụng ion beam của nguyên tử C, He hoặc Ne và kết quả cho thấy ở liều từ 10-60Gy thì tạo ra đƣợc các đột biến mong muốn (Tanaka và cs., 2010). Nhiều nghiên cứu sâu về sự thay đổi ở mức độ phân tử đều nhận định rằng ion beam là dạng bức xạ có hệ số truyền năng lƣợng cao, có khả năng tạo ra sự xáo trộn lớn trong hệ gen, tạo nên những thiệt hại lớn trên ADN mà cơ thể không thể tự sửa chữa (Isikawa và cs., 2012; Yu và cs., 2013). Việc so sánh hiệu quả gây đột biến giữa tia gamma và bức xạ ion beam đã đƣợc rất nhiều tác giả nghiên cứu và cho rằng chiếu xạ bằng bức xạ ion beam tạo ra phổ đột biến rộng hơn so với chiếu xạ bằng tia gamma (Shikazono và cs., 2003), nhƣng về tần số đột biến thì chƣa thấy tác giả đề cập đến. Ứng dụng bức xạ ion trong chọn tạo giống cây trồng: bức xạ ion đƣợc cho rằng tạo ra nhiều đột biến đồng thời không ảnh hƣởng nhiều
6 đến sức sinh trƣởng của cây trồng khi chiếu ở liều thấp, chính vì thế bức xạ ion beam là một công cụ tuyệt vời, cho hiệu quả cao trong chọn giống đột biến (Abe và cs., 2007).) và đã đƣợc ứng dụng thành công trong chọn giống lúa có hàm lƣợng Cadmium (Cd) thấp (Ishikawa và cs., 2012). Một số tác giả nghiên cứu hiệu quả của các bức xạ ionbeam (ion carbon có hệ số truyền năng lƣợng tuyến tính trung bình là 76 và 107 keV / mm) trên cây lúa bằng cách so sánh tỷ lệ chết, tỷ lệ lép, tỷ lệ đột biến và phổ đột biến đã kết luận rằng tỷ lệ đột biến của các bức xạ ion cao hơn của các tia gamma; tuy nhiên, không có sự khác biệt đáng kể giữa các tác nhân về tần suất và phổ đột biến (Yamaguchi và cs., 2009). Nghiên cứu tác động của bức xạ ionbeam lên cây trồng ở mức độ phân tử cho thấy các đột biến gây ra bởi bức xạ ionbeam có khá nhiều đột biến là các đột biến lớn trên cấu trúc ADN và chỉ có một số là đột biến điểm; các thiệt hại lớn trên ADN là không thể khắc phục, và các đột biến đó thƣờng không có ý nghĩa đối với chọn giống nhƣng lại có tiềm năng tạo ra các giống, loài mới (Tanaka và cs., 2010). Khi chiếu bức xạ ionbeam lên các vật liệu sống là hạt và mô của cây chỉ thị đã thu đƣợc hàng ngàn các đột biến khác nhau; điều đó cũng khẳng định, bức xạ ion cho phổ đột biến rất rộng nên việc ứng dụng bức xạ ion rất có ý nghĩa trong việc nghiên cứu chức năng gen mà còn trong lĩnh vực chọn giống cây trồng (Magori và cs., 2010). Xử lý đột biến hạt lúa khô bằng ionbeam (220 MeV carbon ions (LET 107 keV/µm) ở liều 10, 20, 30, 40, 50 và 60 Gy; 320 MeV carbon ions (LET 76 keV/µm) ở liều 20, 40, 60, 80, 100 và 150 Gy; 100 MeV helium ions (LET 9 keV/µm) ở liều 50, 100, 150, 200, 250 và 300 Gy) và tia gamma ở liều 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400 và 450 Gy (chiếu 10 Gy/giờ), sau đó tiến hành so sánh cho thấy, ở cả 3 dạng chiếu bằng
7 ionbeam đều cho phổ đột biến và tần số đột biến cao hơn so với chiếu xạ bằng tia gamma (Yamaguchi và cs., 2011). Khi nghiên cứu tác động của bức xạ ion trên cây chỉ thị Arabidopsis thaliana, kết quả chỉ ra rằng bức xạ ion đã gây ra nhiều biến đổi trên cấu trúc ADN của nhiễm sắc thể và nó rất có tiềm năng trong việc tạo ra nhiều sự tái tổ hợp khác nhau, là cơ sở để tạo nên một giống cây trồng mới (Hirano và cs., 2015). Dựa trên nghiên cứu của một số tác giả về tác động của một số tác nhân gây đột biến trên cây mô hình Arabidopsis Thaliana, các kết quả đƣợc tổng hợp và so sánh chi tiết trong bảng 1.1. Bảng 1.1. Tác động của một số tác nhân gây đột biến khác nhau lên hệ gen của Arabidopsis Thaliana Nguồn Carbon b) Đột biến Electron Neutron ion Đột biến tự phát a) b) nhanhc) (113 keV/mm) Thay thế bazơ nitơ 85% 33% 59% 7% Indel ≦ 2bp 11% 33% 20% 18% 3bp ≦Indel 2% 8% 19% 25% ≦100bp Indel > 100bp 2% 0% 1% 18% Sắp xếp lại 0% 25% 0% 32% a): Ossomski và cs., 2010, b): Shikazono và cs., 2005, c): Belfield và cs., 2012 (dẫn theo Tanaka, FNCA 2015) Từ bảng 1.2 có thể thấy, tác nhân bức xạ electron cho tỷ lệ các kiểu đột biến gần tƣơng tự nhất với đột biến tự phát so với các tác nhân khác (tỷ lệ đột biến nhỏ thay thế bazơ là chủ yếu, và ít có các đột biến lớn). Tuy nhiên, tác nhân bức xạ ion nguồn Carbon lại tạo ra đa dạng các