Luận án Tiến sĩ Nông nghiệp: Nghiên cứu ứng dụng chỉ thị phân tử trong chọn tạo giống lúa Bắc Thơm 7 chịu mặn

Chia sẻ: Minh Van Thuan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:251

Thêm vào BST

Báo xấu

468
lượt xem 164
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Nông nghiệp: Nghiên cứu ứng dụng chỉ thị phân tử trong chọn tạo giống lúa Bắc Thơm 7 chịu mặn nhằm nghiên cứu đánh giá và phát triển một số giống lúa chịu mặn có nguồn gốc nhập nội (từ IRRI, Ấn Độ) và trong nước được sử dụng trong nghiên cứu chọn tạo giống lúa; chọn giống hồi giao nhờ chỉ thị phân tử để chọn tạo giống lúa có khả năng chịu mặn cho một số vùng ven biển Đồng Bằng Sông Hồng.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Nông nghiệp: Nghiên cứu ứng dụng chỉ thị phân tử trong chọn tạo giống lúa Bắc Thơm 7 chịu mặn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM ******* ĐỒNG THỊ KIM CÚC NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CHỈ THỊ PHÂN TỬ TRONG CHỌN TẠO GIỐNG LÚA BẮC THƠM 7 CHỊU MẶN LUẬN ÁN TIẾN SĨ NÔNG NGHIỆP Hà Nội - 2014
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM ******* ĐỒNG THỊ KIM CÚC NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CHỈ THỊ PHÂN TỬ TRONG CHỌN TẠO GIỐNG LÚA BẮC THƠM 7 CHỊU MẶN Chuyên ngành: Di truyền và chọn giống cây trồng Mã số: 62.62.01.11 LUẬN ÁN TIẾN SĨ NÔNG NGHIỆP NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS, TS. Lê Huy Hàm 2.TS. Lê Hùng Lĩnh Hà Nội - 2014
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi và nhóm tác giả. Toàn bộ số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận án này là trung thực và chưa từng được sử dụng để công bố trong các công trình nghiên cứu để nhận học vị, các thông tin trích dẫn trong luận án này đều được chỉ rõ nguồn gốc. Hà Nội, ngày tháng năm 2014 Tác giả luận án Đồng Thị Kim Cúc
ii LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS. Lê Huy Hàm (Viện trưởng – Viện Di truyền Nông nghiệp), TS. Lê Hùng Lĩnh (Trưởng bộ môn Sinh học Phân tử) đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành công trình nghiên cứu này. Tôi xin chân thành cảm ơn Tập thể cán bộ Bộ môn Sinh học Phân tử, lãnh đạo và tập thể Trung tâm Thực nghiệm Sinh học Nông nghiệp Công nghệ cao (Viện Di truyền Nông nghiệp) nơi tôi thực hiện các nội dung chính trong đề tài luận án, đã tạo điều kiện và thời gian cho tôi hoàn thành luận án này. Hoàn thành luận án còn có sự động viên, khuyến khích giúp đỡ của các bạn bè đồng nghiệp và gia đình. Tất cả những sự giúp đỡ và tình cảm quý báu này là nguồn động lực lớn giúp tôi hoàn thành công trình nghiên cứu. Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2014 Tác giả luận án Đồng Thị Kim Cúc
iii MỤC LỤC Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh mục chữ viết tắt viii Danh mục bảng biểu x Danh mục hình vẽ xii MỞ ĐẦU 1 1. Tính cấp thiết của đề tài 1 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 2 2.1. Mục tiêu chung 2 2.2. Mục tiêu cụ thể 3 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 3 3.1. Ý nghĩa khoa học 3 3.2. Ý nghĩa thực tiễn 3 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài 4 4.1. Đối tượng nghiên cứu 4 4.2. Địa điểm và thời gian nghiên cứu 4 5. Những đóng góp mới của luận án 4 CHƯƠNG I 5 TỔNG QUAN TÀI LIỆU VÀ CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI 1.1. Ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đến sản xuất nông nghiệp trên thế 5 giới và Việt Nam 1.1.1. Ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đến sản xuất nông nghiệp trên thế giới 5 1.1.2. Ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đến sản xuất nông nghiệp ở Việt Nam 6 1.2. Đất nhiễm mặn và các vùng nhiễm mặn ở Việt Nam 8 1.2.1. Đất nhiễm mặn 8 1.2.2. Giới thiệu chung về đặc điểm các vùng lúa nhiễm mặn ở Việt Nam 9 1.2.2.1. Vùng lúa Đồng bằng Sông Cửu Long 9 1.2.2.2. Vùng lúa nhiễm mặn Đồng bằng Sông Hồng 12 1.3. Nghiên cứu di truyền về giống lúa chịu mặn 13 1.3.1. Cơ chế chống chịu mặn của cây lúa 14 1.3.2. Di truyền tính chống chịu mặn 19
iv 1.3.2.1. Nghiên cứu di truyền số lượng tính chống chịu mặn 19 1.3.2.2. Nghiên cứu di truyền phân tử tính chống chịu mặn 21 1.3.3. Sự thể hiện gen chống chịu mặn 22 1.4. Chỉ thị phân tử và ứng dụng của chỉ thị phân tử 24 1.4.1. Chỉ thị phân tử 24 1.4.2. Một số chỉ thị phân tử thường dùng 26 1.4.3. Một số ứng dụng của chỉ thị phân tử 31 1.4.3.1 Nghiên cứu đa dạng di truyền 31 1.4.3.2. Nghiên cứu lập bản đồ di truyền 34 1.4.3.3. Nghiên cứu trong chọn giống cây trồng 37 1.4.4. Chọn giống hồi giao nhờ chỉ thị phân tử (Marker Assited Backcrossing 40 - MABC) 1.5. Một số kết quả và thành tựu trong chọn tạo giống lúa chịu mặn 42 1.5.1. Một số kết quả và thành tựu trong chọn tạo lúa chịu mặn trên thế giới 42 1.5.2. Ứng dụng chỉ thị phân tử trong chọn tạo giống lúa chống chịu mặn 47 1.5.3. Một số kết quả và thành tựu trong chọn tạo giống lúa chống chịu mặn ở 50 Việt Nam 1.5.3.1. Sử dụng các chỉ thị SSR liên kết chặt với QTL chịu mặn Saltol trong 50 chọn tạo lúa chịu mặn 1.5.3.2. Nghiên cứu lai tạo trong chọn tạo giống lúa chịu mặn 52 1.5.3.3. Một số kết quả chọn tạo và đánh giá khả năng chịu mặn ở lúa 52 CHƯƠNG II 54 VẬT LIỆU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Vật liệu nghiên cứu 54 2.2. Địa điểm nghiên cứu 57 2.3. Nội dung nghiên cứu 58 2.3.1. Nội dung 1: Nghiên cứu, đánh giá khả năng chịu mặn và đặc điểm nông 58 sinh học các dòng/giống lúa mang locus gen Saltol chịu mặn nhập nội từ IRRI và giống lúa thuần trồng đại trà trong nước làm cơ sở trong việc chọn tạo giống lúa chịu mặn tại một số tỉnh ven biển miền Bắc Việt Nam 2.3.1.1. Đánh giá khả năng chịu mặn của các dòng/giống lúa trong điều kiện 58 nhân tạo 2.3.1.2. Đánh giá khả năng sinh trưởng, phát triển của một số giống lúa có 58 khả năng chịu mặn tại vùng ven biển ĐBSH 2.3.2. Nội dung 2: Nghiên cứu ứng dụng phương pháp chọn giống bằng chỉ 58
v thị phân tử và lai trở lại quy tụ locus gen Saltol chịu mặn vào giống lúa Bắc Thơm7 2.3.2.1. Xác định vật liệu bố mẹ trong chọn tạo giống lúa mang locus gen 58 Saltol chịu mặn 2.3.2.2. Ứng dụng chỉ thị phân tử và phương pháp lai trở lại trong chọn tạo 58 giống lúa Bắc thơm 7 chịu mặn 2.3.3. Nội dung 3: Đánh giá một số đặc tính nông sinh học chính, yếu tố thành 58 năng suất và khả năng chịu mặn của các dòng được tạo ra mang QTL Saltol trong điều kiện nhà lưới và ngoài đồng ruộng 2.4. Phương pháp nghiên cứu 58 2.4.1. Phương pháp thí nghiệm đồng ruộng 61 2.4.2. Phương pháp thí nghiệm lúa chịu mặn 61 2.4.3. Một số kỹ thuật sử dụng trong phòng thí nghiệm 63 2.4.3.1 Tách chiết ADN tổng số 63 2.4.3.2. Kiểm tra nồng độ và độ tinh sạch của ADN tách chiết bằng phương 64 pháp điện di trên gel agarose 2.4.3.3 Nhân ADN bằng kỹ thuật SSR-PCR 65 2.4.3.4. Ghi nhận, xử lý và phân tích số liệu cho phản ứng điện di sản phẩm 66 PCR biến tính trên gel polyacrylamide 2.5. Khảo nghiệm các giống lúa 67 2.6. Phương pháp xử lý số liệu 67 CHƯƠNG III 68 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1. Nghiên cứu đánh giá vật liệu sử dụng trong nghiên cứu và chọn tạo 68 giống lúa chịu mặn 3.1.1. Đánh giá khả năng chịu mặn của các dòng/giống lúa trong điều kiện 68 nhân tạo 3.1.2. Đánh giá khả năng sinh trưởng, phát triển của một số giống lúa nhập 73 nội trong điều kiện tự nhiên. 3.1.2.1. Kết quả đánh giá khả năng sinh trưởng, phát triển của một số giống 73 lúa nhập nội tại Thanh Trì, Hà Nội năm 2010 3.1.2.2. Kết quả đánh giá khả năng sinh trưởng, phát triển của một số giống 81 lúa nhập nội tại Giao Thủy, Nam Định năm 2010 3.1.3. Đánh giá mức độ sâu bệnh hại chính trong thí nghiệm. 86 3.2. Nghiên cứu ứng dụng phương pháp chọn giống bằng chỉ thị phân tử 88
vi và lai trở lại chọn tạo giống lúa Bắc Thơm7 chịu mặn 3.2.1. Kết quả nghiên cứu xác định vật liệu bố mẹ trong chọn tạo giống lúa 88 mang QTL Saltol 3.2.2. Kết quả nghiên cứu ứng dụng phương pháp chọn giống bằng chỉ thị 89 phân tử và lai trở lại quy tụ QTL Saltol chịu mặn vào giống lúa BT7 3.2.2.1. Kết quả xác định chỉ thị phân tử liên kết Saltol và đa hình giữa giống 89 lúa BT7 và dòng FL478 3.2.2.2. Kết quả xác định chỉ thị phân tử đa hình ngoài vùng locus gen Saltol 93 giữa giống lúa BT7 và dòng FL478 trên 12 NST 3.2.3. Kết quả cải tiến giống lúa BT7 chịu mặn bằng phương pháp chỉ thị 108 phân tử và lai trở lại 3.2.3.1. Kết quả lai tạo tạo con lai F1 của tổ hợp lai FL478/BT7 108 3.2.3.2. Kết quả chọn lọc các cá thể trong quần thể BC1F1 bằng phương pháp 109 chỉ thị phân tử 3.2.3.3. Kết quả chọn lọc các cá thể trong quần thể BC2F1 bằng phương pháp 112 chỉ thị phân tử 122 3.2.3.4. Kết quả chọn lọc các cá thể trong quần thể BC3F1 bằng phương pháp chỉ thị phân tử 3.3. Đánh giá một số đặc tính nông sinh học chính, yếu tố cấu thành năng 133 suất và khả năng chịu mặn của các dòng được tạo ra mang QTL Saltol trong điều kiện nhà lưới và ngoài đồng ruộng 3.3.1. Kết quả đánh giá một số đặc tính nông sinh học và yếu tố cấu thành 133 năng suất của các dòng Bắc thơm 7- Saltol trong điều kiện nhà lưới. 3.3.2. Kết quả đánh giá khả năng chịu mặn trong điều kiện mặn nhân tạo đối 139 với các dòng BT7-Saltol(thế hệ BC3F3) 3.3.3. Kết quả đánh giá một số đặc tính nông sinh học các dòng Bắc thơm 7- 141 Saltol (thế hệ BC3F3) ngoài đồng ruộng. 3.4. Kết quả đánh giá một số đặc tính nông sinh học,năng suất của các 146 dòng Bắc thơm 7- Saltol (thế hệ BC3F4) ngoài đồng ruộng 3.5. Kết quả đánh giá chất lượng gạo của các dòng BT7 – Saltol 149 CHƯƠNG IV 152 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 4.1. Kết luận 152 4.2. Đề nghị 153
vii TÀI LIỆU THAM KHẢO 155 PHỤ LỤC 1 PHỤ LỤC 2 PHỤ LỤC 3
viii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT TT Chữ viết tắt Nghĩa của chữ viết tắt 1 ADN Axit Deoxyribonucleic 2 AFLP (Amplified Fragment Length Đa hình chiều dài các đoạn được Polymorphism) nhân bản chọn lọc 3 APS Amonium Persulfate 4 ARN Axit Ribonucleic 5 Bp (Base pair) Cặp bazơ nitơ 6 Bộ TNMT Bộ Tài nguyên Môi trường 7 Ctv Cộng tác viên 8 CTAB Cetyltrimethyl Amonium Bromide 9 CTPT Chỉ thị phân tử 10 BĐKH Biến đổi khí hậu 11 ĐBSH Đồng bằng sông Hồng 12 ĐBSCL Đồng bằng sông Cửu Long 13 DNTPs Deoxynucleotide triphosphate 14 EDTA Ethylenediaminetetra Acetic Acid 15 IRRI (International rice research Viện nghiên cứu lúa quốc tế institute) 16 Kb Kilo base 17 MABC (Marker assisted Chọn giống hồi giao nhờ chỉ thị phân backcrossing) tử 18 NST Nhiễm sắc thể 19 PCR (Polymerase Chain Reaction) Phản ứng trùng hợp chuỗi 20 RAPD (Random Amplification of Đa hình AND được nhân bản ngẫu Polymorphic DNA) nhiên 21 RFLP (Restriction Fragment Đa hình chiều dài đoạn phân cắt giới Length Polymorphisms) hạn
ix 22 RIL (Recombinant Inbred Line) Cận giao tái tổ hợp 23 SDS Sodium Dodecyl Sulphate 24 SNPs (Single nucleotide Đa hình của các nucleotit đơn polymorphisms) 25 SSR (Simple Sequence repeat) Sự lặp lại của trình tự đơn giản 26 STS (Sequence Tagged Site) Điểm trình tự được đánh dấu 27 Submergence 1 ( Sub 1) Gen chịu ngập 1 28 TBE Tris – Bric Acid - EDTA 29 Tt Thứ tự 30 TE Tris – EDTA
x DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Tên bảng Trang 1.1 Kịch bản nước biển dâng ở Việt Nam so với thời kỳ 1980 – 1999 7 1.2 Diện tích bị nhiễm mặn ở ĐBSCL tháng 4 (1991 – 2000) 11 Sự tương quan giữa số thế hệ BCnF1 với tỷ lệ kiểu gen của dòng ưu tú 1.3 41 (nhận gen mong muốn) được đưa vào con lai BCnF1 2.1 Danh sách các dòng/giống lúa tham gia thí nghiệm 54 Tiêu chuẩn đánh giá (SES) ở giai đoạn tăng trưởng và phát triển 2.2 62 (IRRI, 1997) 2.3 Thành phần dung dịch đệm chiết EB (Extraction Buffer) 63 2.4 Thành phần dung dịch đệm CTAB (CTAB buffer) 64 2.5 Thành phần dung dịch đệm TE (Tris EDTA) (10;0,1) 64 2.6 Thành phần phản ứng PCR 65 2.7 Chế độ nhiệt của phản ứng PCR 65 Kết quả thanh lọc mặn nhân tạo sau 2 tuần xử lý có bổ sung 6g/l NaCl 3.1 69 (EC=12dS/m) Kết quả thanh lọc mặn nhân tạo sau 3 tuần có bổ sung 6g/l NaCl 3.2 70 (EC=12dS/m) Một số đặc điểm nông học và hình thái của các giống lúa tham gia thí 3.3 74 nghiệm tại Thanh Trì, Hà Nội năm 2010 Năng suất và các yếu tố cấu thành năng suất của các giống tham gia thí 3.4 78 nghiệm tại Thanh Trì, Hà Nội năm 2010 Một số đặc điểm nông học và hình thái của các giống lúa tham gia thí 3.5 81 nghiệm tại Giao Thủy, Nam Định năm 2010 Năng suất và các yếu tố cấu thành năng suất của các giống tham gia thí 3.6 84 nghiệm tại Giao Thủy, Nam Định năm 2010 Mức độ nhiễm sâu bệnh của các giống tham gia thí nghiệm năm 2010 3.7 87 tại Nam Định và Hà Nội Cơ cấu và năng suất giống lúa BT7 đang trồng tại một số tỉnh thành ở 3.8 89 vùng ĐBSH 3.9 Danh sách các chỉ thị phân tử đa hình tại vị trí gen Saltol 92
xi Các thông tin chi tiết chỉ thị cho đa hình tại vị trí vùng QTL/gene 3.10 95 Saltol và trên NST1 giữa giống Bắc Thơm 7 và FL478 3.11 Thông tin các chỉ thị đa hình trên NST3 96 3.12 Thông tin các chỉ thị phân tử đa hình trên NST5, NST10 và NST12 97 3.13 Thông tin chi tiết chỉ thị đa hình trên NST2, NST7 và NST9 99 Thông tin chi tiết các chỉ thị chi kết quả đa hình trên NST4, NST6, 3.14 102 NST8 và NST11 Kết quả xác định cá thể tái tổ hợp từ các chỉ thị RM1287, RM10694, 3.15 116 RM562 và RM7075 Các marker đa hình không liên kết với vùng gen Saltol dùng để sàng 3.16 118 lọc nền di truyền các cá thể mang QTLs/gen ở thế hệ BC2F1 Chỉ tiêu sinh trưởng và đặc điểm hình thái của các dòng BT7- Saltol 3.17 134 (thế hệ BC3F2) trong vụ xuân 2012 tại Thanh Trì- Hà Nội Một số yếu tố cấu thành năng suất của các dòng BT7 - Saltol 3.18 137 (thế hệ BC3F2) trong vụ xuân 2012 tại Thanh Trì - Hà Nội Đánh giá khả năng chịu mặn (sau 3 tuần) của một số cá thể BT7 - 3.19 Saltol (thế hệ BC3 F3) - Vụ Mùa 2012 140 Chỉ tiêu sinh trưởng và phát triển của một số dòng BT7–Saltol (thế hệ 3.20 142 BC3F3) - Vụ Mùa 2012 tại Giao Thủy –Nam Định Năng suất và các yếu tố cấu thành năng suất của các dòng Bắc Thơm 7 3.21 144 chịu mặn (thế hệ BC3 F3) - Vụ Mùa 2012 tại Giao Thủy - Nam Định Chỉ tiêu sinh trưởng và đặc điểm hình thái của các dòng BT7- Saltol 3.22 147 (thế hệ BC3F4) trong vụ xuân 2013 tại Giao Thuỷ - Nam Định Năng suất và một số yếu tố cấu thành năng suất của các dòng BT7 – 3.23 148 Saltol (thế hệ BC3F4) trong vụ xuân 2013 tại Giao Thuỷ - Nam Định 3.24 Chất lượng lúa gạo của dòng Bắc Thơm 7 – Saltol 150 3.25 Đánh giá chất lượng cơm của dòng Bắc Thơm 7 – Saltol 150
xii DANH MỤC CÁC HÌNH Hình Tên hình Trang 1.1 Dự báo khí hậu toàn cầu và mực nước biển dâng trong thế kỷ 21 5 Diện tích và nồng độ mặn vùng ĐBSCL, ứng với kịch bản 1.2 11 nước biển dâng thêm 1,0 m so với hiện nay Giới hạn xâm nhập mặn 4% tương ứng với các kịch bản khác 1.3 12 nhau của nước biển dâng 1.4 Các cơ chế chịu mặn ưu thế ở cây lúa 19 1.5 Vị trí các gen liên quan đến tính kháng mặn 45 Đoạn gen Saltol trên nhiễm sắc thể số 1 của lúa, vị trí xác định 1.6 49 của các SSR marker. Bản đồ QTL của những tính trạng mục tiêu liên quan đến hiện 1.7 tượng chống chịu mặn trên quần thể F8 (RIL) của tổ hợp lai 51 Tenasai 2/CB Thí nghiệm thanh lọc mặn giai đoạn mạ trong điều kiện nhân tạo 3.1 71 của các dòng/giống sử dụng làm vật liệu Thí nghiệm thanh lọc mặn nhân tạo của một số dòng/giống vật 3.2 72 liệu Kết quả kiểm tra đa hình giữa giống BT7 và FL478 với 3 chỉ thị 3.3 90 RM493, RM3421b, RM140 Kết quả kiểm tra đa hình giữa giống BT7 và FL478 với 3 chỉ thị 3.4 90 G1a, SCK1b, SCK1d 3.5 Bản đồ locus gen Saltol và các chỉ thị phân tử đa hình trên NST1 91 Kết quả khảo sát đa hình các chỉ thị phân tử trên NST1 giữa 3.6 94 giống BT7 và FL478 bằng gel Polyacrylamide 6% Kết quả khảo sát chỉ thị phân tử đa hình giữa giống BT7 và 3.7 104 FL478 trên NST1, NST2, NST3, NST4, NST5, NST8, NST9 và
xiii NST11 3.8 Kết quả khảo sát chỉ thị phân tử đa hình giữa giống BT7 và 105 FL478 Kết quả khảo sát chỉ thị phân tử đa hình giữa giống BT7 và 3.9 106 FL478 trên NST3, NST6, NST7, NST8 và NST12 Bản đồ các chỉ thị phân tử đa hình giữa giống FL478 và Bắc 3.10 107 thơm 7 3.11 Kết quả chạy điện di với chỉ thị RM7643 109 Kết quả chạy điện di trên 94 cá thể BC1F1 (sử dụng chỉ thị 3.12 110 phân tử RM493) Kết quả chạy điện di trên 94 cá thể BC1F1 (sử dụng chỉ thị 3.13 111 phân tử RM3412b) Kết quả điện di gel Polyacrylamide 6%, của tổ hợp lai 3.14 112 BT7/FL478 (BC2F1) với chỉ thị RM3412b Kết quả điện di gel Polyacrylamide 6%của tổ hợp lai BT7/FL478 3.15 113 (BC2F1) với chỉ thị RM493 Kết quả điện di gel Polyacrylamide 6%, của tổ hợp lai 3.16 114 BT7/FL478 (BC2F1) với chỉ thị RM1287 Kết quả điện di gel Polyacrylamide 6%, của tổ hợp lai 3.17 115 BT7/FL478 (BC2F1) với chỉ thị RM10694 Kết quả điện di gel Polyacrylamide 6%, của tổ hợp lai 3.18 115 BT7/FL478 (BC2F1) với chỉ thị RM562 Kết quả điện di gel Polyacrylamide 6%, của tổ hợp lai 3.19 115 BT7/FL478 (BC2F1) với chỉ thị RM7075 Kết quả kiểm tra di truyền các cá thể BC2F1 trên điện di gel 3.20 Polyacrylamide 6%, bằng chỉ thị RM490, RM20783, S08121a, 117 RM25181 3.21 Kết quả xử lý phần mềm GGT2 của 10 cá thể mang Saltol trong 119
xiv quần thể BC2F1 3.22 Kết quả xử lý phần mềm GGT2 của 10 cá thể trên 12 nhiễm sắc 120 thể Bản đồ di truyền của cá thể số 8 được xử lý bằng phần mềm 3.23 121 GGT2 Kết quả điện di gel Polyacrylamide 6%, của tổ hợp lai 3.24 123 BT7/FL478 (BC3F1) với chỉ thị RM3412 Kết quả điện di gel Polyacrylamide 6%, của tổ hợp lai 3.25 124 BT7/FL478 (BC3F1) với chỉ thị RM493 Kết quả xác đánh giá di truyền các cá thể trong quần thể BC3F1 3.26 126 bằng chỉ thị phân tử S11049, RM17, RM202 Kết quả xác đánh giá di truyền các cá thể trong quần thể BC3F1 3.27 127 bằng chỉ thị phân tử RM3753, R4M30,RM423 Kết quả xác đánh giá di truyền các cá thể trong quần thể BC3F1 3.28 128 bằng chỉ thị phân tử RM30, RM5338, S11055A Kết quả xác đánh giá di truyền các cá thể trong quần thể BC3F1 3.29 129 bằng chỉ thị phân tử S07011, S01091, RM23662, RM5789 Kết quả phân tích nền di truyền của 88 cá thể BC3F1 trên 12 3.30 130 nhiễm sắc thể bằng phần mềm GGT2 3.31 Bản đồ di truyền của cá thể số IL-30 131 3.32 Bản đồ di truyền của cá thể số IL-32 132
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Lúa gạo là một trong những cây lương thực có vai trò quan trọng đối với con người. Trên thế giới cây lúa được xếp vào vị trí thứ hai sau cây lúa mì về diện tích và sản lượng. Ở Châu Á, lúa gạo được coi là cây lương thực quan trọng nhất, chiếm diện tích 135 triệu ha trong tổng số 148,4 triệu ha trồng lúa của toàn thế giới. Trong tương lai, xu thế sử dụng lúa gạo sẽ còn tăng hơn vì đây là loại lương thực dễ bảo quản, dễ chế biến và cho năng lượng khá cao. Theo tính toán của Peng và cộng sự, đến năm 2030 sản lượng lúa của thế giới phải đạt 800 triệu tấn mới có thể đáp ứng được nhu cầu lương thực của con người [88]. Trong tình trạng nguồn lương thực khan hiếm và giá lương thực tăng như hiện nay, thế giới sẽ phải đối mặt với nguy cơ thiếu lương thực. Theo một nghiên cứu của trường Đại học Stanford, đến năm 2030 sản lượng lương thực ở Châu Á sẽ giảm 10% hoặc hơn, đặc biệt là sản phẩm lúa gạo. Năng suất và sản lượng lúa luôn bị đe dọa bởi thiên tai, sâu bệnh và các yếu tố môi trường. Trong đó, yếu tố đáng chú ý là hiện tượng đất nhiễm mặn. Đất trồng trọt bị ảnh hưởng mặn ước tính khoảng 380 triệu ha, chiếm 1/3 diện tích đất trồng trên toàn thế giới. Việt Nam với đường bờ biển dài 3.620 km trải dài từ Bắc vào Nam, hàng năm những vùng trồng lúa ven biển chịu ảnh hưởng rất nhiều do sự xâm thực của biển. Theo thống kê, diện tích đất ngập mặn năm 1992 là 494.000 ha, đến năm 2000 là 606.792 ha [1]. Theo báo cáo mới nhất của Cục trồng trọt, tại ĐBSCL, xâm nhập mặn đã ảnh hưởng đến 620.000 ha/1.545.000 ha lúa đông xuân 2009 - 2010, chiếm 40% diện tích toàn vùng, tại các tỉnh ven biển như Tiền Giang, Trà Vinh, Sóc Trăng, Bạc Liêu, Cà Mau, Kiên Giang và Bến Tre. Trong đó, diện tích có nguy cơ bị xâm nhập mặn cao khoảng 100.000 ha/650.000 ha, chiếm 16% diện tích canh tác lúa của các tỉnh trên. Đặc biệt, trong điều kiện khí hậu toàn cầu đang thay đổi, hiện tượng băng tan ở hai cực, và hệ lụy của nó là nước biển dâng lên đe dọa các vùng đất canh tác thấp ven
2 biển. Như vậy, đất nhiễm mặn là một trong những yếu tố chính gây khó khăn cho chiến lược phát triển sản lượng lúa gạo và ảnh hưởng xa hơn là mục tiêu đảm bảo an ninh lương thực sẽ khó hoàn thành [124]. Do đó, việc hạn chế mức độ gây hại của sự nhiễm mặn đến năng suất lúa gạo là một vấn đề cần được quan tâm nghiên cứu. Để đáp ứng được yêu cầu này, việc chọn tạo các giống lúa chịu mặn là rất cần thiết. Nghiên cứu cải thiện giống lúa chịu mặn hiện nay chia ra làm hai hướng chính. Thứ nhất, tạo giống chuyển gen hoặc giống có gen biểu hiện ở mức độ khác với gen sẵn có để thay đổi khả năng chịu mặn. Tuy nhiên, hiện nay các nghiên cứu về chuyển gen và thay đổi biểu hiện của gen để tăng khả năng chịu mặn vẫn chưa đạt được nhiều thành công. Do đó, trong chọn tạo giống lúa, hướng nghiên cứu khai thác sự đa dạng tự nhiên về nguồn gen giữa các dòng bố mẹ để dùng trong lai tạo là một định hướng có hiệu quả. Thứ hai, khai thác sự đa dạng tự nhiên về nguồn gen chịu mặn qua chọn lọc trực tiếp trong điều kiện mặn hoặc chọn lọc di truyền các tính trạng số lượng, chọn lọc nhờ sự trợ giúp của các chỉ thị phân tử. Chỉ thị phân tử là những chỉ thị có bản chất là đa hình ADN. Thông qua việc phát hiện những đoạn ADN liên kết chặt với gen đích cho phép chúng ta khẳng định sự có mặt hay vắng mặt của gen chịu mặn. Việc sử dụng chỉ thị phân tử có thể giúp xác định nhanh sự có mặt của gen chống chịu mặn, giúp các nhà chọn giống chủ động trong việc chọn lựa các tổ hợp lai hiệu quả. Nhờ đó, quá trình chọn tạo giống chống chịu mặn trở nên nhanh, hiệu quả, tiết kiệm thời gian, công sức và tiền của. Xuất phát từ những vấn đề trên, chúng tôi tiến hành đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng chỉ thị phân tử trong chọn tạo giống lúa Bắc Thơm 7 chịu mặn”. 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 2.1. Mục tiêu chung Nghiên cứu ứng dụng phương pháp chọn giống bằng chỉ thị phân tử và lai trở lại để cải tiến giống lúa trồng đại trà quy mô lớn trong sản xuất về đặc tính
3 chịu mặn cho một số vùng ven biển Đồng Bằng Sông Hồng. 2.2. Mục tiêu cụ thể - Xác định được khả năng chịu mặn và đặc điểm hình thái các dòng/giống mang locus gen Saltol chịu mặn (dòng sử dụng làm vật liệu cho gen) nhập nội từ Viện nghiên cứu lúa quốc tế và xác định giống lúa trồng phổ biến sử dụng làm giống được cải tiến (nhận gen). - Ứng dụng phương pháp chọn giống bằng chỉ thị phân tử và lai trở lại (MABC) quy tụ locus gen Saltol chịu mặn vào giống Bắc Thơm 7. Đáp ứng nhu cầu giống lúa chất lượng, chịu mặn cho vùng ven biển Đồng Bằng Sông Hồng. 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 3.1. Ý nghĩa khoa học - Những thành công trong công tác chọn giống bằng chỉ thị phân tử và lai trở lại nhằm đưa QTL chịu mặn vào lúa sẽ mở ra khả năng ứng dụng rộng rãi trong công tác chọn tạo giống nói chung, không chỉ đối với tính chịu mặn mà còn đối với nhiều đặc tính nông học khác, ứng phó kịp thời đối với sự biến đổi khí hậu trong tương lai. - Ứng dụng phương pháp chọn giống phân tử kết hợp với truyền thống để chọn lọc nhanh và chính xác nguồn gen chịu mặn, quy tụ vào giống lúa Bắc Thơm 7 đang được trồng phổ biến tại miền Bắc Việt Nam giúp khắc phục được những hạn chế của chọn giống truyền thống đặc biệt là đối với các QTL chịu mặn khi ở trạng thái dị hợp, giảm chi phí trong chọn giống, rút ngắn thời gian và ứng dụng nhanh vào thực tiễn sản xuất. 3.2. Ý nghĩa thực tiễn - Thành công trong việc chuyển locus gen Saltol nhờ sử dụng chỉ thị phân tử sẽ mở ra khả năng ứng dụng rộng rãi trong công tác chọn tạo giống. - Những dòng/giống lúa Bắc Thơm 7 mang locus gen Saltol chọn lọc được trong đề tài sẽ được nhân rộng, đặc biệt cho các tỉnh đồng bằng ven biển ở
4 Miền Bắc - Việt Nam, nơi chịu ảnh hưởng rõ nét nhất của tác động biến đổi khí hậu. - Ý nghĩa quan trọng nhất là chọn tạo được giống lúa có nền di truyền giống Bắc Thơm 7 nhất, đồng thời mang locus gen Saltol, có khả năng sinh trưởng phát triển bình thường trong điều kiện mặn. 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài 4.1. Đối tượng nghiên cứu - Là các giống lúa thuần mang locus gen Saltol được nhập nội từ IRRI, các giống lúa thuần đang được trồng phổ biến ở miền Bắc Việt Nam và các chỉ thị phân tử có liên quan được sử dụng trong nghiên cứu. 4.2. Địa điểm và thời gian nghiên cứu - Thí nghiệm được triển khai tại: Phòng thí nghiệm Sinh học Phân tử thuộc Viện Di truyền Nông nghiệp (Từ Liêm, Hà Nội); Trung tâm Chuyển giao Công nghệ và Khuyến nông (Thanh Trì, Hà Nội); huyện Giao Thuỷ, Nam Định. - Thời gian nghiên cứu: Từ năm 2010 đến năm 2013. 5. Những đóng góp mới của luận án - Ứng dụng phương pháp chọn giống bằng chỉ thị phân tử và lai trở lại (MABC) là một trong những công trình nghiên cứu đầu tiên trong nghiên cứu cải tiến giống lúa Bắc Thơm 7 về đặc tính chịu mặn cho vùng ven biển Đồng Bằng Sông Hồng. - Sử dụng phương pháp chọn giống bằng phương pháp MABC có thể chuyển được locus gen/gen đích vào giống trong khoảng 2-3 thế hệ, trong khi sử dung phương pháp lai trở lai phải mất ít nhất 8 thế hệ. - Sử dụng phương pháp chọn giống bằng chỉ thị phân tử và lai trở lại đã quy tụ locus gen chịu mặn Saltol vào giống lúa Bắc Thơm 7 với đầy đủ các đặc tính quý của giống nhưng có thể chịu mặn đến 6 ‰.