Luận án Tiến sĩ Nông nghiệp: Nghiên cứu ứng dụng đột biến thực nghiệm và chỉ thị phân tử để cải tiến giống lúa ST19 và Q2

Chia sẻ: Chuheodethuong 09 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:150

Thêm vào BST

Báo xấu

15
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu và sử dụng thành công phương pháp đột biến thực nghiệm kết hợp với chỉ thị phân tử để cải tiến 2 giống lúa ST19 và Q2 cho vùng Đồng bằng Sông Hồng. Tạo ra vật liệu khởi đầu phong phú cho công tác chọn giống lúa. Chọn tạo được 1 dòng có triển vọng gửi khảo nghiệm tác giả.

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 đột biến thực nghiệm và chỉ thị phân tử để cải tiến giống lúa ST19 và Q2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM ..................................... HOÀNG THỊ LOAN NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐỘT BIẾN THỰC NGHIỆM VÀ CHỈ THỊ PHÂN TỬ ĐỂ CẢI TIẾN GIỐNG LÚA ST19 VÀ Q2 LUẬN ÁN TIẾN SĨ NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI, 2020
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM ..................................... HOÀNG THỊ LOAN NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐỘT BIẾN THỰC NGHIỆM VÀ CHỈ THỊ PHÂN TỬ ĐỂ CẢI TIẾN GIỐNG LÚA ST19 VÀ Q2 Chuyên ngành: Công nghệ sinh học Mã số: 9 42 02 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ NÔNG NGHIỆP Người hướng dẫn Khoa học: 1. GS.TS. Trần Trung 2. GS.TSKH. Trần Duy Quý HÀ NỘI, 2020
i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn GS.TS. Trần Trung, GS.TSKH. Trần Duy Quý- ngƣời hƣớng dẫn đề tài, ngƣời Thầy đã tận tình hƣớng dẫn, động viên, giúp đỡ, cung cấp tài liệu, kiến thức quý báu và tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi thực hiện đề tài. Xin gửi lời cảm ơn đến ban lãnh đạo Viện khoa học Nông nghiệp Việt Nam đã cho phép, ủng hộ, tạo cơ hội cho tôi học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án nghiên cứu sinh này. Xin gửi lời cảm ơn đến ban giám hiệu Trƣờng đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Hƣng Yên đã cho phép, ủng hộ, tạo cơ hội cho tôi học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án nghiên cứu sinh này. Xin chân thành cảm ơn đến ban lãnh đạo Viện di truyền nông nghiệp, các anh chị em bộ môn Kỹ thuật di truyền – Viện Di truyền Nông nghiệp đã tạo điều kiện và hỗ trợ trong quá trình nghiên cứu. Cuối cùng, xin gửi lời biết ơn đến gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã yêu thƣơng, thông cảm, chia sẻ, an ủi, khích lệ tôi trong những lúc khó khăn khi thực hiện luận án, giúp tôi có thêm động lực để hoàn thành chƣơng trình học và thực hiện luận án nghiên cứu. Xin chân thành cảm ơn! Tác giả luận án Hoàng Thị Loan
ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình "NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐỘT BIẾN THỰC NGHIỆM VÀ CHỈ THỊ PHÂN TỬ ĐỂ CẢI TIẾN GIỐNG LÚA ST19 VÀ Q2” đƣợc thực hiện bởi chính bản thân nghiên cứu sinh Hoàng Thị Loan với sự hƣớng dẫn của GS.TS. Trần Trung, GS.TSKH. Trần Duy Quý. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chƣa ai công bố trong bất kỳ công trình nào. Tác giả luận án Hoàng Thị Loan
iii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 2-AP 2-acetyl-1-pyrroline ASA Allele Specific Amplification CDS Coding sequence ADN Dezoxyribonucleic acid ĐBSCL Đồng Bằng Sông Cửu Long DES Diethylsulfate DMS Dimethylsulfate EAP External Antisense Primer ESP External Sense Primer GC Gas chromatography GLC Gas liquid chromatography IFAP Internal Fragrant Antisense Primer INSP Internal Non-fragrant Sense Primer IRRI International Rice Research Institute MABC Marker-Assisted Backcross MAS Marker Assisted Selection NCBI National Center for Biotechnology Information NIL Near - isogenic lines NST Nhiễm Sắc Thể PCR Polymerase Chain Reaction QTL Quantitative Trait Loci RAPD RADNom Amplified Polymorphic ADNs RFLP Restriction Fragment Length Polymorphisms SNP Single Nucleotide Polymorphism SSR Simple Sequence Repeats
iv STS Sequence Tagged Sites TGST Thời gian sinh trƣởng TLC Thin layer chromatography USDA United States Department of Agriculture
v MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................................... i LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................ ii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................................... iii MỤC LỤC ............................................................................................................................ v DANH MỤC BẢNG ........................................................................................................ viii DANH MỤC HÌNH ............................................................................................................ x MỞ ĐẦU ............................................................................................................................ xii 1. Tính cấp thiết của đề tài.....................................................................................xii 2. Mục tiêu của luận án........................................................................................ xiii 3. Ý nghĩa khoa học, thực tiễn và tính mới của của luận án. .............................. xiii CHƢƠNG I. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ........................................................................... 1 1.1. Nguồn gốc phân loại cây lúa ............................................................................ 1 1.2. Tình hình sản xuất lúa chất lƣợng trên thế giới và Việt Nam .......................... 3 1.3. Các yếu tố cấu thành năng suất, chất lƣợng của lúa ......................................... 4 1.4. Nghiên cứu về đột biến thực nghiệm và chọn tạo giống lúa chất lƣợng .......... 5 1.4.1. Tình hình nghiên cứu chọn tạo giống bằng phƣơng pháp đột biến thực nghiệm trên thế giới..............................................................................................5 1.4.2. Tình hình nghiên cứu chọn tạo giống bằng phƣơng pháp đột biến thực nghiệm ở Việt Nam. .............................................................................................9 1.4.3. Cơ sở khoa học của sự phát sinh đột biến trong chọn giống cây trồng ..........12 1.4.4. Một số phƣơng pháp trong chọn tạo giống lúa chất lƣợng ......................17 1.4.4.1. Phƣơng pháp chọn tạo giống đột biến .............................................17 1.4.4. 2. Nghiên cứu về lai tạo các giống lúa chất lƣợng ...............................19 1.4.4.3. Di truyền các tiêu chí năng suất, chất lƣợng của lúa ........................20 1.4.4.4. Chọn tạo giống lúa chất lƣợng bằng phƣơng pháp chuyển gen ........25 1.4.5. Sử dụng các chỉ thị phân tử trong chọn giống lúa chất lƣợng..................26 CHƢƠNG 2: VẬT LIỆU, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ....... 30 2.1. Vật liệu nghiên cứu ........................................................................................ 30
vi 2.2. Nội dung nghiên cứu ...................................................................................... 30 2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu: ............................................................................... 30 2.3.1. Xử lý đột biến ...........................................................................................30 2.3.2. Bố trí thí nghiệm.......................................................................................31 2.3.3. Phƣơng pháp chọn dòng đột biến .............................................................31 2.3.4. Phƣơng pháp đánh giá một số tính trạng nông học và yếu tố cấu thành năng suất. ............................................................................................................33 2.3.5. Phƣơng pháp phân tích thành phần sinh hóa trong gạo. ..........................35 2.3.6. Nghiên cứu đa dạng di truyền bằng chỉ thị ADN .....................................40 2.3.6.1. Phƣơng pháp tách chiết ADN tổng số ..............................................40 2.3.6.2. Phƣơng pháp PCR .............................................................................41 2.3.6.3. Phƣơng pháp điện di trên gel agarose 1%........................................42 2.3.6.4. Phƣơng pháp thôi gel theo kit Qiagen ................................................. 43 2.3.6.5. Giải trình tự .............................................................................................. 43 2.3.7. Phân tích và xử lý số liệu ........................................................................43 2.3.7.1. Phân tích số liệu kiểu hình ................................................................43 2.3.7.2. Phân tích số liệu kiểu gen .................................................................43 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................. 45 3.1. Ảnh hƣởng của tác nhân đột biến lên tỷ lệ sống sót qua các giai đoạn ở thế hệ M1.......................................................................................................................... 45 3.2. Nghiên cứu ảnh hƣởng của các tác nhân gây đột biến đến một số đặc tính nông sinh học của cây lúa sau khi xử lý ở thế hệ M1, M2, M3. ........................... 49 3.2.1. Ảnh hƣởng của tác nhân đột biến đến chiều cao cây. ..............................49 3.2.2. Ảnh hƣởng của tác nhân đột biến đến khả năng đẻ nhánh. ......................54 3.2.3. Ảnh hƣởng của tác nhân đột biến đến thời gian sinh trƣởng. ..................57 3.2.4. Ảnh hƣởng của tác nhân đột biến đến các yếu tố cấu thành năng suất. ...60 3.3. Đánh giá một số chỉ tiêu chất lƣợng thế hệ M2, M3 ...................................... 63 3.3.1. Đánh giá các chỉ tiêu phẩm chất thế hệ M2 .............................................63 3.3.2. Đánh giá các chỉ tiêu phẩm chất thế hệ M3 .............................................67
vii 3.4. Đánh giá một số chỉ tiêu chính của các dòng đột biến thế hệ M4, M5, M6..7 0 3.5. Đa dạng di truyền của các dòng nghiên cứu và giống gốc dựa vào các đặc điểm hình thái. ....................................................................................................... 77 3.5.1. Đa dạng di truyền dựa vào các đặc điểm hình thái giống ST19 và các dòng đột biến ......................................................................................................77 3.5.2. Đa dạng di truyền dựa vào các đặc điểm hình thái giống Q2 và các dòng đột biến ...............................................................................................................78 3.6. Ứng dụng chỉ thị phân tử chọn lọc các dòng triển vọng ................................ 79 3.6.1. Kết quả tách chiết và tinh sạch ADN tổng số ..........................................79 3.6.2. Kết quả xác định hƣơng thơm của một số dòng lúa triển vọng ...............80 3.7. Đánh giá đa dạng di truyền ở mức độ phân tử các dòng đột biến triển vọng 84 3.7.1. Hệ số PIC, số alen và tổng số băng ADN thể hiện trên từng cặp mồi .....84 3.7.2. Tỷ lệ dị hợp tử (H%) và tỷ lệ khuyết số liệu (M%) của các dòng lúa nghiên cứu ..........................................................................................................87 3.7.3. Kết quả phân tích đa hình và mối quan hệ di truyền của các dòng lúa nghiên cứu ..........................................................................................................89 3.7.4. Kết quả giải trình tự một số dòng đột biến triển vọng………….... …….92 3.8. Kết quả khảo nghiệm dòng đột biến triển vọng ............................................. 96 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................................... 106 1. Kết luận ........................................................................................................... 106 2. Kiến nghị ......................................................................................................... 107 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ..... 108 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 109
viii DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1: Các bƣớc chọn dòng đột biến bằng hạt đối với cây trồng tự phấn ...........32 Bảng 2.2: Các tính trạng hình thái nông học và thang điểm theo IRRI, 1996 ..........34 Bảng 2.3. Hệ thống đánh giá chuẩn hàm lƣợng amylose cho lúa (IRRI, 1988) .......37 Bảng 2.4. Bảng phân cấp độ trở hồ (IRRI, 1979) .....................................................38 Bảng 2.5. Đánh giá độ trở hồ theo thang điểm của IRRI (1979) ..............................38 Bảng 2.6. Phân cấp độ bền thể gel theo thang đánh giá của IRRI (1996) ...............39 Bảng 2.7. Thành phần các chất dùng cho mỗi phản ứng PCR với mồi SSR ...........41 Bảng 2.8. Chƣơng trình chạy của phản ứng PCR .....................................................42 Bảng 2.9. Danh sách các mồi LOAN_qAC7_ amylose và LOAN_Wx ...................42 Bảng 3.1: Tỷ lệ sống sót qua các thời kì ở thế hệ M1 (Vụ xuân 2014) ....................45 Bảng 3.2. Tần số biến dị về chiều cao cây của các dòng lúa thế hệ M1 ...................50 Bảng 3.3. Tần số đột biến về chiều cao cây của các dòng lúa thế hệ M2 .................52 Bảng 3.4. Tần số đột biến về chiều cao cây của các dòng lúa thế hệ M3 .................53 Bảng 3.5. Tần số biến dị về số nhánh của các dòng lúa thế hệ M1 ..........................55 Bảng 3.6. Tần số đột biến về số nhánh của các dòng lúa thế hệ M2 ........................56 Bảng 3.7. Tần số đột biến về số nhánh của các dòng lúa thế hệ M3 ........................56 Bảng 3.8. Tần số biến dị về thời gian sinh trƣởng ở thế hệ M1 ................................57 Bảng 3.9. Tần số biến dị về thời gian sinh trƣởng ở thế hệ M2 ................................58 Bảng 3.10. Tần số đột biến về thời gian sinh trƣởng ở thế hệ M3 ............................59 Bảng 3.11 : Thành phần năng suất một số đột biến thu đƣợc thế hệ M2..................61 Bảng 3.12 : Thành phần năng suất một số đột biến thu đƣợc thế hệ M3..................62 Bảng 3.13. Độ bền thể gel của giống đối chứng và các đột biến thu đƣợc ở thế hệ M2 (Vụ mùa 2014) ....................................................................................................64 Bảng 3.14: Hàm lƣợng amylose và protein của giống đối chứng và các đột biến thu đƣợc ở thế hệ M2 (Vụ mùa 2014) .............................................................................66 Bảng 3.15: Độ bền thể gel của giống đối chứng và các đột biến thu đƣợc ở thế hệ M3 (Vụ xuân 2015) ...................................................................................................68
ix Bảng 3.16: Hàm lƣợng amylose và protein của giống đối chứng và các đột biến thu đƣợc ở thế hệ M3 (Vụ xuân 2015) ............................................................................69 Bảng 3.17: Một số chỉ tiêu chính của các dòng đột biến thế hệ M4 .........................70 Bảng 3.18: một số chỉ tiêu chính của các dòng đột biến thế hệ M5 .........................72 Bảng 3.19: một số chỉ tiêu chính của các dòng đột biến thế hệ M6 .........................73 Bảng 3.20. Hƣơng thơm của các dòng lúa ................................................................81 Bảng 3.21. Kết quả kiểm tra gen BAD2 của các dòng lúa nghiên cứu.....................83 Bảng 3.22. Số alen thể hiện và hệ số PIC của 30 cặp mồi SSR trên các dòng đột biến từ giống ST19 ....................................................................................................84 Bảng 3.23. Số alen thể hiện và hệ số PIC của 30 cặp mồi SSR trên các dòng đột biến từ giống Q2 ........................................................................................................86 Bảng 3.24. Tỷ lệ dị hợp tử (H%) và tỷ lệ số liệu khuyết (M%) của các dòng lúa đột biến từ giống ST19 ....................................................................................................87 Bảng 3.25. Tỷ lệ dị hợp tử (H%) và tỷ lệ số liệu khuyết (M%) của các dòng lúa đột biến từ giống Q2 ........................................................................................................88 Bảng 3.26. So sánh với giống tƣơng tự ĐC2 ............................................................98 Bảng 3.27. Đặc điểm sinh trƣởng của giống khảo nghiệm .......................................99 Bảng 3.28. Độ thuần đồng ruộng và các yếu tố cấu thành năng suất của giống khảo nghiệm .......................................................................................................................99 Bảng 3.29. Mức độ nhiễm sâu bệnh của giống khảo nghiệm .................................100 Bảng 3.30. Năng suất thực thu của giống khảo nghiệm tại các tỉnh .......................101 Bảng 3.31. Chỉ tiêu chất lƣợng gạo của giống lúa HY198 .....................................101 Bảng 3.32. Chỉ tiêu chất lƣợng cơm của giống lúa HY198 ....................................102 Bảng 3.33. Kết quả khảo nghiệm sản xuất giống HY198 tại các tỉnh Đồng bằng Sông Hồng ...............................................................................................................103 Bảng 3.34: Kết quả đánh giá mức độ nhiễm sâu bệnh của giống lúa HY198 tại các tỉnh Đồng bằng sông Hồng .....................................................................................104
x DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 : Sơ đồ tiến hoá của hai loài lúa trồng ..........................................................2 Hình 1.2: Biểu đồ mô tả các vị trí marker phân tử liên quan đến chất lƣợng dinh dƣỡng ngũ cốc của gạo phân phối trên 12 nhiễm sắc thể từ cuộc khảo sát tài liệu toàn diện. Dấu phân tử ở bên phải và vị trí của chúng (cM) ở bên trái của nhiễm sắc thể. (Màu đỏ), tính chất nấu ăn của CP (màu xanh), yếu tố dinh dƣỡng của NF (màu hồng), mùi thơm FRG của hạt gạo (màu xanh lá cây) (màu sắc cho biết các dấu hiệu liên quan đến các đặc điểm về chất lƣợng dinh dƣỡng trong gạo) ...........................29 Hình 3.1: Độ dài gel (cm) của giống đối chứng và các dòng đột biến của giống Q2, ST19 ..........................................................................................................................65 Hình 3.2. Một số hình ảnh giống ST19 và các dòng đột biến triển vọng .................76 Hình 3.3. Sơ đồ hình cây về mối quan hệ di truyền của 35 dòng lúa đột biến từ giống ST19 ................................................................................................................78 Hình 3.4. Sơ đồ hình cây về mối quan hệ di truyền của 5 dòng lúa nghiên cứu từ giống Q2 ....................................................................................................................79 Hình 3.5. Kiểm tra nồng độ và chất lƣợng ADN trên gel agarose 1% .....................80 Hình 3.6. Ảnh điện di sản phẩm PCR của các dòng lúa nghiên cứu với mồi BADH2.... 82 Hình 3.7. Ảnh điện di sản phẩm PCR của các dòng lúa nghiên cứu với cặp mồi RM246 .......................................................................................................................89 Hình 3.8. Ảnh điện di sản phẩm PCR của các dòng lúa nghiên cứu với cặp mồi RM234 .......................................................................................................................89 Hình 3.9. Sơ đồ hình cây về mối quan hệ di truyền của 35 dòng lúa nghiên cứu ....91 Hình 3.10. Ảnh điện di sản phẩm PCR của các dòng lúa nghiên cứu với cặp mồi wx .... 92 Hình 3.11. Ảnh điện di sản phẩm PCR của các dòng lúa nghiên cứu với cặp mồi qac7 ...........................................................................................................................92 Hình 3.12. Một đoạn giản đồ có các đỉnh với bốn màu sắc khác nhau tƣơng ứng với bốn loại nucleotide ....................................................................................................93 Hình 3.13. Kết quả giải trình tự của các dòng lúa nghiên cứu với cặp mồi wx ........93 Hình 3.14. Kết quả giải trình tự của các dòng lúa nghiên cứu với cặp mồi qac7 .....94
xi Hình 3.15. Kết quả giải trình tự của các dòng lúa Q2 với cặp mồi qac7 ..................95 Hình 3.16. Sơ đồ hình cây về mối quan hệ di truyền của 03 dòng lúa Q2 dựa vào kết quả giải trình tự .........................................................................................................95 Hình 3.17. Sơ đồ chọn tạo giống lúa HY198 ............................................................97 Biểu đồ 3.1: Tỷ lệ sống sót qua các thời kì ở thế hệ M1 của giống Q2 ....................47 Biểu đồ 3.2: Tỷ lệ sống sót qua các thời kì ở thế hệ M1 của giống ST19 ................47
xii MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Lúa gạo là một trong những loại cây lƣơng thực chủ yếu trên thế giới, có vai trò rất quan trọng ở cả lĩnh vực kinh tế và vấn đề an ninh lƣơng thực. Lúa đƣợc trồng rộng khắp từ 30o Nam vĩ tuyến đến 40o Bắc vĩ tuyến. Diện tích trồng lúa chiếm khoảng 1/10 diện tích các giống cây trồng trên thế giới, khoảng 91% diện trích trồng lúa là ở Châu Á, khoảng 9% còn lại đƣợc phân bố ở Châu Âu, Châu Mỹ, Châu Phi. Lúa gạo là một trong những nguồn lƣơng thực quan trọng cho khoảng 2/3 dân số trên thế giới và là nguồn cung cấp lƣơng thực chủ yếu của châu Á. Do đó, các chƣơng trình chọn tạo giống lúa luôn đƣợc chú trọng và phát triển nhằm tăng năng suất và chất lƣợng lúa, đáp ứng nhu cầu tiêu thụ trên toàn cầu. Việt Nam là quốc gia xuất khẩu gạo lớn thứ hai thế giới, sản lƣợng lúa gạo của Việt Nam đóng vai trò quan trọng đối với an ninh lƣơng thực ở khu vực Châu Á (FAO, 2018). Để đáp ứng nhu cầu tiêu thụ do bùng nổ dân số, đô thị hoá và những ảnh hƣởng của biến đổi khí hậu, dự đoán đến năm 2040 sản lƣợng gạo cần tăng thêm 20% (IRRI, 2018). Do đó, việc nâng cao năng suất lúa gạo trở thành mục tiêu quan trọng đối với các quốc gia trồng lúa. Khi bắt đầu thực hiện cuộc cách mạng xanh, hầu hết các chƣơng trình chọn giống lúa đều tập trung phát triển các giống lúa có tính trạng chống chịu sâu bệnh và cho năng suất cao. Phần lớn các giống có mùi thơm thƣờng có năng suất thấp nên ngƣời dân đã ngừng trồng các giống lúa thơm đặc sản của địa phƣơng và thay thế chúng bằng các giống ngắn ngày, kháng sâu bệnh, năng suất cao và không thơm (Bhattacharjee P et al., 2002) [36]. Điều này dẫn đến sự tổn hại về mặt đa dạng di truyền của các giống lúa thơm, có nhiều giống lúa thơm địa phƣơng đã bị cạnh tranh và thất lạc (Singh RK el al., 2000 ) [103], (Bhattacharjee P et al., 2002) [36], (Garg AK et al., 2006) [50]. Hiện nay, các chƣơng trình phát triển và bảo tồn giống lúa chất lƣợng đang là vấn đề đƣợc rất nhiều nƣớc trên thế giới quan tâm. Tuy nhiên, việc chọn tạo các giống lúa chất lƣợng bằng các phƣơng pháp truyền thống là rất khó khăn, bởi sự di truyền đa gen và tƣơng tác của môi trƣờng là những yếu tố gây khó khăn trong việc
xiii cải tiến các tính trạng chất lƣợng. Đối với những giống lúa thơm, phƣơng pháp đột biến tỏ ra hiệu quả vì gây ra những đột biến điểm. Mặt khác, những hiểu biết về mặt đa dạng di truyền nguồn gen là một điều kiện tiên quyết để kế thừa và sử dụng một cách có hiệu quả trong các phƣơng pháp chọn tạo giống lúa chất lƣợng. Vì những lý do trên, chúng tôi lựa chọn đề tài "Nghiên cứu ứng dụng đột biến thực nghiệm và chỉ thị phân tử để cải tiến giống lúa ST19 và Q2”, nhằm tạo ra những dòng lúa mới có năng suất cao, chất lƣợng tốt, chống chịu sâu bệnh khá thích ứng đƣợc với các điều kiện môi trƣờng biến đổi khí hậu phức tạp hiện nay và góp phần bảo đảm an ninh lƣợng thực trong nƣớc và trên thế giới. 2. Mục tiêu của luận án - Nghiên cứu và sử dụng thành công phƣơng pháp đột biến thực nghiệm kết hợp với chỉ thị phân tử để cải tiến 2 giống lúa ST19 và Q2 cho vùng Đồng bằng Sông Hồng. - Tạo ra vật liệu khởi đầu phong phú cho công tác chọn giống lúa. - Chọn tạo đƣợc 1 dòng có triển vọng gửi khảo nghiệm tác giả. 3. Ý nghĩa khoa học, thực tiễn và tính mới của của luận án. * Ý nghĩa khoa học của luận án Cung cấp thông tin và cơ sở khoa học cho việc lựa chọn tác nhân gây đột biến, ứng dụng chỉ thị phân tử trong đánh giá sai khác di truyền của các dòng lúa đƣợc tạo ra do đột biến. * Ý nghĩa thực tiễn của luận án Tạo ra nguồn vật liệu khởi đầu phong phú phục vụ công tác chọn tạo giống, và chọn tạo thành công giống lúa thuần HY198 có thời gian sinh trƣởng ngắn, năng suất khá, chất lƣợng khá phục vụ sản xuất lúa chất lƣợng cao ở các tỉnh phía Bắc. * Những đóng góp mới của luận án - Xác định đƣợc các biến dị di truyền ở thế hệ M2, M3 phụ thuộc chặt chẽ vào bản chất di truyền của giống, liều lƣợng và kiểu tác nhân gây đột biến.
xiv - Thông qua giải trình tự gen các dòng đột biến xác định chính xác kiểu đột biến gen do mất đoạn hoặc thay thế nucleotid để tạo nên kiểu gen mới. Và khẳng định chắc chắn các đột biến dấu hiệu hình thái có liên quan tới cấu trúc phân tử. - Chọn tạo thành công giống lúa thuần HY198 có thời gian sinh trƣởng ngắn, năng suất cao, chất lƣợng khá, phù hợp điều kiện canh tác tại các tỉnh đồng bằng sông Hồng. Giống lúa HY198 đã đƣợc công nhận sản xuất thử nghiệm theo Quyết định số 30/QĐ-TT-CLT, ngày 25/01/2019 của Cục Trồng trọt.
1 CHƢƠNG I. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Nguồn gốc phân loại cây lúa Tổ tiên cây lúa đã tồn tại từ đầu kỷ Phấn trắng. Vào giữa kỷ này, xuất hiện một trong những loài nguyên thuỷ nhất thuộc họ Oryzae, đó là loại Streptochasta Schrad. Đến cuối kỷ Phấn trắng xuất hiện các loại tre (Bambusa) và lúa (Oryza). Một số loại khác xuất hiện muộn hơn vào kỷ thứ ba, thời kỳ phát triển mạnh nhất của họ Hoà thảo (Gramineae). Các loài lúa Oryza spp có cùng tổ tiên chung xuất hiện vào thời địa cầu GondwanalADN, sau khi trái đất tách rời thành năm lục địa (Trần Văn Đạt, 2005) [6]. Ở Châu Phi cũng thấy xuất hiện cả hai loài lúa dại Oryza longistaminata (đa niên) và Oryza brevigulata (hàng niên), do đó nhiều tác giả cho rằng Oryza glaberrima có nguồn gốc từ Oryza breviligulata (Trần Văn Đạt, 2005) [6]. Cho đến nay, nhiều nhà khoa học đã đồng ý rằng lúa Glaberrima và lúa Sativa có cùng chung nguồn thủy tổ vào thời kỳ lục địa nguyên thuỷ Gondwanal ADN. Sau khi các lục địa tách rời nhau, lúa Sativa và Glaberrima tự tiến hoá từ các loài lúa dại bản địa ở hai châu lục là Châu Á và Châu Phi (hình 1)(Michael J. Kovach et al., 2009) [80]. Do những ảnh hƣởng khắc nghiệt của môi trƣờng nhƣ khô hạn, nhiệt độ thay đổi quá lớn… nhiều loài lúa dại nguyên thủy đa niên đã trở thành loài lúa hàng niên để thích ứng với đất đai địa phƣơng và khí hậu gió mùa. Về phƣơng diện sinh thái và địa dƣ, cây lúa châu Á đã trải qua quá trình tiến hóa lâu dài để thích ứng với môi trƣờng khác nhau và đƣợc phân chia thành 3 nhóm chính: Indica, Japonica (hay Sinica) và Javanica (Japonica nhiệt đới). Mặc dù các phân tích phát sinh loài này đều chỉ ra rằng Indica và Japonica có nguồn gốc độc lập, một số phân tích khác nhằm vào các gen đã thuần hoá ở hai loài này lại chỉ ra rằng các gen này đƣợc cố định ở cùng allen trong hệ gen, các phân tích đa hình SNP cũng cung cấp thông tin cho rằng Indica và Japonica có cùng một nguồn gốc.
2 Lục địa GondwanalADNs Tổ tiên chung Nam và Đông Nam Á Tây Châu Phi Lúa dại đa niên O. rufipogon O. longistaminata Lúa dại hàng niên O. nivara O. breviligulata Lúa trồng O. Sativa O. sativa O. glaberrima Indica Japonica Ôn đới Nhiệt đới Hình 1.1 : Sơ đồ tiến hoá của hai loài lúa trồng Hiện nay lúa Indica đƣợc trồng trên 80% diện tích trồng lúa trên thế giới và cung cấp nguồn lƣơng thực cho hơn 3 tỷ ngƣời, chủ yếu các nƣớc đang phát triển, còn lại hai loại lúa Japonica và Javanica chỉ chiếm tƣơng đƣơng 11% và 9%. Ba loại lúa này đƣợc nhận biết qua sự khác nhau về hình thái nhƣ thân, lá, hạt và thành phần cấu tạo hạt, đặc biệt là hàm lƣợng amylose, amylopectin, khả năng chống hạn, chịu lạnh, v.v. - Lúa Japonica (hay Sinica): Có hạt tròn, ngắn, thƣờng không có đuôi, gié ngắn, nhiều chồi thẳng đứng, cây thấp giàn, chịu lạnh tốt và kém chịu hạn, hàm lƣợng amylose thấp (14 - 17%) và thƣờng đƣợc trồng ở các vùng ôn đới. - Lúa Indica: Có hạt dài thon, có hàm lƣợng amylose trung bình (trên 21%), không có đuôi, gié trung bình, thân cây tỏa rộng, cao giàn, kém chịu lạnh, chịu hạn hán khá và đƣợc trồng rất phổ biến ở các vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới.
3 - Lúa Javanica (Japonica nhiệt đới): Có tính chất trung gian giữa lúa Japonica và lúa Indica. Lúa Javanica có hạt to rộng, hàm lƣợng amylose cao, thƣờng có đuôi, trấu có lông dài, ít chồi, gié dài, thân cây dày thẳng đứng, cây rất cao giàn, chịu hạn hán nhƣng kém chịu lạnh và đƣợc trồng ở Indonesia, chủ yếu Java và Sumatra. 1.2. Tình hình sản xuất lúa chất lƣợng trên thế giới và Việt Nam Lúa chất lƣợng là giống lúa không những có kích thƣớc, hình dạng hạt thon dài mà còn có phôi nhũ, hàm lƣợng amylose thấp và đặc biệt các giống lúa chất lƣợng có mùi thơm đặc trƣng. Các giống lúa thơm thƣờng đƣợc trồng phổ biến ở châu Á, riêng giống lúa Basmati đƣợc gieo trồng khoảng 2 triệu ha chủ yếu ở các nƣớc Ấn Độ, Pakistan và Nepan. Gạo thơm có hạt nhỏ, thon và dài từ 6,8 đến 7,0 mm, tỉ lệ chiều dài và chiều rộng từ 3,5 đến 3,7mm và có hàm lƣợng amylose trung bình 20-22%. Ở Ấn Độ có hàng trăm giống lúa thơm địa phƣơng, tuy nhiên chỉ có giống lúa thơm Basmati đƣợc ƣa chuộng nhất. Gạo thơm Basmati có hai đặc tính quan trọng : mùi thơm đặc trƣng và cơm nở dài, có từ 22 - 25% amylose, gạo vẫn giữ đƣợc đặc tính này sau khi nấu. Ở Thái Lan có hai giống lúa thơm nổi tiếng là Khao Dak Mali 105 và Jasmine 85. Gạo thơm Khaw Dawk Mali 105 có hàm lƣợng amylose thấp hơn 20% nên hạt cơm sau khi nấu hạt còn hơi dính vào nhau. Ở Philippin có giống Milsagrosa và ở Trung Quốc có các giống Bắc thơm, Quế hƣơng chiêm, Qua dạ hƣơng và Chi ƣu hƣơng là các giống lúa chất lƣợng nổi tiếng trên thế giới. Giống lúa Koshihikari là giống lúa cổ truyền của Nhật, thuộc loài phụ Japonica, có chất lƣợng cao, hƣơng vị rất đƣợc ƣa thích trong những bữa ăn chính của ngƣời Nhật. Giống lúa Koshihikari đƣợc xem nhƣ là lúa Basmati của Nhật với diện tích gieo trồng chiếm khoảng 30% tổng diện tích trồng lúa ở nƣớc này. Ở Việt Nam, có rất nhiều các giống lúa thơm thuộc loại lúa địa phƣơng nhƣ Nàng Thơm Chợ Đào ở miền Nam, tám thơm Mễ Trì, Tám thơm Hải Hậu, tám Ấp Bẹ.. ở miền Bắc, lúa Dự, lúa Di, miền Trung có lúa Gié (hoặc De) nhƣ Gié An Cựu ở Huế và các giống lúa nƣơng.
4 1.3. Các yếu tố cấu thành năng suất, chất lƣợng của lúa Chất lƣợng của lúa phụ thuộc nhiều yếu tố nhƣ hàm lƣợng amylose, dạng nội nhũ, hàm lƣợng protein và đặc biệt là hƣơng thơm… Hƣơng thơm của lúa thƣờng có mùi thơm nhẹ hoặc thơm ngát của các loại lúa Basmati hoặc Jasmine. Phân tích hóa học trên một phổ rộng các giống lúa thơm và không thơm cho thấy có rất nhiều các thành phần khác nhau và có sự thay đổi của các thành phần này trong quá trình bảo quản. Tính trạng dẻo của gạo đƣợc quyết định bởi hàm lƣợng amyloza có trong nội nhũ hạt, amylose chiếm khoảng 2-30% trong tinh bột gạo và nó là yếu tố quyết định của tính dẻo, dính và trắng bóng của hạt gạo. Gạo có hàm lƣợng amylose cao thƣờng cứng và khô cơm, khi nấu hạt gạo rời nhau. Gạo có hàm lƣợng amylose thấp thƣờng dẻo, dính và bóng cơm. Sự tổng hợp của amylose là do sự thủy phân của enzym granule-bound starch synthaza (GBSS), enzym này đƣợc mã hóa bởi gen Wx. Các giống lúa phi sáp (không dẻo) có chứa 2 alen ở locus waxy đƣợc gọi là Wxa và Wxb. Alen Wxa chủ yếu có mặt trong các giống lúa Indica trong khi đó alen Wxb là trội trong giống lúa Japonica. Năng suất và yếu tố cấu thành năng suất lúa đƣợc tạo thành bởi các yếu tố: Số bông/đơn vị diện tích, số hạt/bông, tỷ lệ hạt chắc/bông và khối lƣợng nghìn hạt. (Phạm Xuân Hội et al., 2019) [10]. Số bông/đơn vị diện tích hình thành bởi 3 yếu tố: mật độ cấy, số nhánh (số dảnh hữu hiệu), điều kiện ngoại cảnh và yếu tố kỹ thuật (nhƣ phân bón, nhiệt độ, ánh sáng...). Mật độ cấy là cơ sở của việc hình thành số bông/đơn vị diện tích. Tùy vào giống lúa và các điều kiện thâm canh nhƣ: đất đai, nƣớc, phân bón, thời vụ... mà quyết định mật độ cấy thích hợp để có thể tăng tối đa số bông trên một đơn vị diện tích. Một yếu tố cũng hết sức quan trọng là điều chỉnh sao cho số bông hữu hiệu/đơn vị diện tích là cao nhất và thích hợp nhất, biện pháp tối ƣu là hiệu số giữa số nhánh/cây và số nhánh hữu hiệu/cây bằng không (http://www.vaas.org.vn/). Nâng cao năng suất cây trồng là một trong những ƣu tiên hàng đầu trong chƣơng trình chọn tạo giống. Trong đó, cải thiện cấu trúc bông lúa đã đƣợc chứng minh là một chiến lƣợc thành công. Cấu trúc bông lúa đƣợc quyết định bởi số lƣợng