Luận án tiến sĩ Nông nghiệp: Ứng dụng chỉ thị phân tử chọn tạo các dòng đậu tương kháng bệnh gỉ sắt (Phakopsora pachyrhizi Sydow)

Chia sẻ: Co Ti Thanh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:144

Thêm vào BST

Báo xấu

49
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án được nghiên cứu với mục tiêu nhằm phát hiện được mẫu giống đậu tương kháng bệnh gỉ sắt ở Việt Nam bằng chỉ thị phân tử ADN, tiến hành lai và chọn tạo được một số dòng đậu tương tốt mang gen kháng bệnh hữu hiệu và kháng tốt với các chủng nấm gây bệnh gỉ sắt ở Việt Nam.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Nông nghiệp: Ứng dụng chỉ thị phân tử chọn tạo các dòng đậu tương kháng bệnh gỉ sắt (Phakopsora pachyrhizi Sydow)

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM NGUYỄN VĂN KHỞI ỨNG DỤNG CHỈ THỊ PHÂN TỬ CHỌN TẠO CÁC DÒNG ĐẬU TƯƠNG KHÁNG BỆNH GỈ SẮT (Phakopsora pachyrhizi Sydow) NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC NÔNG NGHIỆP – 2018
HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM NGUYỄN VĂN KHỞI ỨNG DỤNG CHỈ THỊ PHÂN TỬ CHỌN TẠO CÁC DÒNG ĐẬU TƯƠNG KHÁNG BỆNH GỈ SẮT (Phakopsora pachyrhizi Sydow) Chuyên ngành: Di truyền và chọn giống cây trồng Mã số: 9 62 01 11 Người hướng dẫn khoa học: GS.TS. Phan Hữu Tôn TS. Nguyễn Thanh Tuấn HÀ NỘI – 2018
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các kết quả nghiên cứu đƣợc trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chƣa từng sử dụng bảo vệ để lấy bất kỳ học vị nào. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án đã đƣợc cám ơn, các thông tin trích dẫn trong luận án này đều đƣợc ghi rõ nguồn gốc. Hà Nội, ngày....... tháng.......năm 2018 Tác giả luận án Nguyễn Văn Khởi i
LỜI CẢM ƠN Trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án, tôi đã nhận đƣợc sự hƣớng dẫn, chỉ bảo tận tình của các thầy cô giáo, sự giúp đỡ, động viên của bạn bè, đồng nghiệp và gia đình. Nhân dịp hoàn thành luận án, cho phép tôi đƣợc bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới GS.TS. Phan Hữu Tôn và TS. Nguyễn Thanh Tuấn đã tận tình hƣớng dẫn, dành nhiều công sức, thời gian và tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu hoàn thành luận án này. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới Ban Giám đốc, Ban Quản lý đào tạo, Bộ môn Di truyền và chọn giống cây trồng, Khoa Nông học – Học viện Nông nghiệp Việt Nam đã tận tình giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, thực hiện đề tài và hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể lãnh đạo Viện Cây lƣơng thực và Cây thực phẩm, các đồng nghiệp thuộc Bộ môn Công nghệ Sinh học, Viện Cây lƣơng thực và Cây thực phẩm đã tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện các thí nghiệm của luận án. Xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đã tạo mọi điều kiện thuận lợi, giúp đỡ và động viên, khuyến khích tôi trong suốt quá trình hoàn thành luận án. Tác giả luận án Nguyễn Văn Khởi ii
MỤC LỤC Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh mục các chữ viết tắt vi Danh mục các bảng vii Danh mục các hình x Trích yếu của luận án xi Thesis abstract xiii PHẦN 1. MỞ ĐẦU 1 1.1. Tính cấp thiết của đề tài 1 1.2. Mục tiêu nghiên cứu 2 1.3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 2 1.4. Tính mới và những đóng góp của luận án 3 1.5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3 PHẦN 2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU NGHIÊN CỨU 4 2.1. Tình hình sản xuất đậu tƣơng 4 2.1.1. Tình hình sản xuất trên thế giới 4 2.1.2. Tình hình sản xuất đậu tƣơng ở Việt Nam 5 2.1.3. Một số yếu tố hạn chế sản xuất đậu tƣơng ở Việt Nam 6 2.2. Bệnh gỉ sắt, phân bố và tầm quan trọng 6 2.2.1. Triệu chứng bệnh 6 2.2.2. Phạm vi và tác hại của bệnh gỉ sắt 8 2.2.3. Tƣơng tác ký chủ - thể gây bệnh 9 2.2.4. Đa dạng và tính biến chủng của nấm Phakopsora pachyrhizi Sydow 9 2.2.5. Các phƣơng pháp đánh giá bệnh 13 2.3. Đánh giá nguồn gen đậu tƣơng 15 2.4. Di truyền tính kháng bệnh gỉ sắt ở đậu tƣơng và chỉ thị phân tử liên kết 18 2.4.1. Di truyền tính kháng và hiệu lực kháng của các gen 18 2.4.2. Chỉ thị phân tử liên kết với gen kháng bệnh gỉ sắt ở đậu tƣơng 21 iii
2.5. Ứng dụng chỉ thị phân tử trong chọn tạo giống cây trồng 24 2.5.1. Chỉ thị phân tử ADN 24 2.5.2. Ứng dụng chỉ thị phân tử ADN trong chọn tạo giống cây trồng 26 2.6. Một số thành tựu trong chọn tạo giống đậu tƣơng kháng bệnh gỉ sắt 30 PHẦN 3. VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 33 3.1. Địa điểm nghiên cứu 33 3.2. Thời gian nghiên cứu 33 3.3. Vật liệu nghiên cứu 33 3.4. Nội dung nghiên cứu 36 3.4.1. Nội dung 1. Đánh giá vật liệu khởi đầu phục vụ công tác lai tạo và chọn lọc các dòng đậu tƣơng năng suất cao, kháng bệnh gỉ sắt 36 3.4.2. Nội dung 2. Lựa chọn chỉ thị phân tử ADN liên kết chặt với gen kháng bệnh gỉ sắt ở đậu tƣơng 36 3.4.3. Nội dung 3. Lai tạo và chọn lọc dòng đậu tƣơng kháng bệnh gỉ sắt 36 3.5. Phƣơng pháp nghiên cứu 37 3.5.1. Đánh giá vật liệu khởi đầu phục vụ công tác lai tạo và chọn lọc các dòng đậu tƣơng năng suất cao, kháng bệnh gỉ sắt 37 3.5.2. Lựa chọn chỉ thị phân tử liên kết chặt với gen kháng bệnh gỉ sắt 42 3.5.3. Lai tạo và chọn lọc dòng đậu tƣơng kháng bệnh gỉ sắt 43 3.5.4. Phƣơng pháp xử lý số liệu 46 PHẦN 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 47 4.1. Kết quả đánh giá vật liệu khởi đầu phục vụ công tác lai tạo và chọn lọc dòng đậu tƣơng năng suất cao, kháng bệnh gỉ sắt 47 4.1.1. Đặc điểm hình thái, nông sinh học và năng suất các mẫu giống đậu tƣơng 47 4.1.2. Phát hiện nguồn gen đậu tƣơng kháng gỉ sắt bằng chỉ thị phân tử ADN 59 4.1.3. Xác định gen kháng hữu hiệu với bệnh gỉ sắt đậu tƣơng Việt Nam 63 4.1.4. Lựa chọn bố mẹ trong định hƣớng lai tạo 66 4.2. Kết quả lựa chọn chỉ thị phân tử liên kết với gen quy định tính kháng 67 4.2.1. Đa hình các mẫu giống đậu tƣơng sử dụng chỉ thị phân tử liên kết với gen quy định tính kháng bệnh gỉ sắt 68 4.2.2. Xác định độ liên kết giữa chỉ thị phân tử ADN với gen kháng gỉ sắt 69 4.3. Lai tạo và chọn lọc dòng đậu tƣơng theo mục tiêu 71 iv
4.3.1. Thiết lập các tổ hợp lai đậu tƣơng theo mục tiêu 72 4.3.2. Kết quả chọn tạo dòng đậu tƣơng kháng bệnh gỉ sắt ứng dụng MAS 73 4.3.3. Kết quả lai backcross và chọn lọc MABC 91 PHẦN 5. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 97 5.1. Kết luận 97 5.2. Đề nghị 98 Danh mục các công trình đã công bố có liên quan đến luận án 99 Tài liệu tham khảo 100 Phụ lục 116 v
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Chữ viết đầy đủ ADN Axit desoxiribonucleic AFLP Amplified Fragments Length Polymorphism (Đa hình chiều dài các đoạn ADN nhân bản chọn lọc) AUDPC Area Under Disease Progess Curve (Chỉ số nhiễm bệnh tích lũy theo thời gian) BNN&PTNT Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn bp Base pair (Cặp nucleotide) cM Centi Morgarn (Đơn vị chiều dài bản đồ di truyền) CTAB Cetyltrimethylammonium bromide CTP Cây thực phẩm dNTPs Deoxynucleotide Triphosphates Đ/c Đối chứng FAO Food and Agriculte Organization of the United Nations (Tổ chức Lƣơng thực và Nông nghiệp Liên hiệp quốc) MABC Marker Assisted Backcrossing (Lai lại nhờ chỉ thị phân tử) MAS Marker Assisted Selection (Chọn lọc nhờ chỉ thị phân tử) NST Nhiễm sắc thể KL Khối lƣợng KKN Khảo kiểm nghiệm PCR Polymerase Chain Reaction (Phản ứng chuỗi trùng hợp) TCN Tiêu chuẩn ngành TGST Thời gian sinh trƣởng RAPD Random Amplified Polymophic DNA (Đa hình các đoạn ADN khuếch đại ngẫu nhiên) RFLP Restriction Fragment Length Polymorphism (Đa hình chiều dài các đoạn phân cắt giới hạn) SNP Single Nucleotide Polymorphism (Đa hình các Nucleotide đơn) SSR Simple Sequence Repeats (Những trình tự lặp lại đơn giản) STS Sequence Tagged Site (Vị trí trình tự đƣợc đánh dấu) WVRDC World Vegetable Research Development Center (Trung tâm nghiên cứu và phát triển rau màu thế giới) vi
DANH MỤC CÁC BẢNG TT Tên bảng Trang 2.1. Tình hình sản xuất đậu tƣơng trên thế giới qua một số năm 4 2.2. Tình hình sản xuất đậu tƣơng ở Việt Nam qua một số năm 5 2.3. Chủng Phakopsora pachyrhizi phân lập đƣợc ở một số quốc gia 11 2.4. Nguồn gen đậu tƣơng kháng bệnh gỉ sắt châu Á (ASR) đƣợc công bố 17 2.5. Chỉ thị phân tử liên kết với gen kháng bệnh gỉ sắt đậu tƣơng đã đƣợc công bố 22 3.1. Danh sách các mẫu giống đậu tƣơng nghiên cứu 34 3.2. Danh sách chỉ thị phân tử liên kết gen kháng gỉ sắt ở đậu tƣơng 35 3.3. Danh sách mẫu nấm gỉ sắt phân lập sử dụng lây nhiễm nhân tạo 36 4.1. Phân nhóm theo đặc điểm hình thái các mẫu giống đậu tƣơng tại Viện Cây lƣơng thực và Cây thực phẩm 48 4.2. Phân nhóm theo các chỉ tiêu sinh trƣởng và phát triển các mẫu giống đậu tƣơng vụ xuân 2013, tại Viện Cây lƣơng thực và Cây thực phẩm 50 4.3. Phân nhóm theo khối lƣợng 1000 hạt các mẫu giống đậu tƣơng vụ Xuân 2013 tại Viện Cây lƣơng thực và Cây thực phẩm 55 4.4. Chất lƣợng hạt các mẫu giống đậu tƣơng vụ Xuân 2013 tại Viện Cây lƣơng thực và Cây thực phẩm 58 4.5. Kết quả phát hiện gen kháng bệnh gỉ sắt bằng ứng dụng chỉ thị phân tử ADN vụ Xuân 2013 tại Viện Cây lƣơng thực và Cây thực phẩm 61 4.6. Kết quả đánh giá tính kháng/nhiễm bệnh gỉ sắt bằng nhiễm bệnh nhân tạo năm 2013 tại Từ Liêm, Hà Nội 62 4.7. Phản ứng với bệnh gỉ sắt của các mẫu giống đậu tƣơng vật liệu mang gen kháng 64 4.8. Mẫu giống đậu tƣơng bố mẹ lai tạo có nông sinh học tốt năng suất cao 66 4.9. Mẫu giống đậu tƣơng bố mẹ lai tạo kháng bệnh gỉ sắt 67 4.10. Phân ly kiểu gen kháng xác định bằng chỉ thị phân tử ở thế hệ F2 70 4.11. Kết quả phân tích kiểu gen kháng bằng chỉ thị phân tử kết hợp với đánh giá kiểu hình bằng nhiễm bệnh nhân tạo trên quần thể phân ly F2 70 4.12. Một số kết quả xác định chỉ thị phân tử liên kết với gen kháng gỉ sắt đậu tƣơng đã đƣợc công bố 71 vii
4.13. Các tổ hợp lai đậu tƣơng đƣợc thiết lập vụ xuân 2013 và xuân 2014 tại Viện Cây lƣơng thực và Cây thực phẩm 72 4.14. Kết quả chọn cá thể F2 tốt mang gen kháng từ các tổ hợp lai tại Viện Cây lƣơng thực và Cây thực phẩm vụ Thu Đông 2013 73 4.15. Kết quả chọn lọc vƣờn dòng đậu tƣơng kháng bệnh gỉ sắt thế hệ F3, F4 tại Viện Cây lƣơng thực và Cây thực phẩm vụ Xuân và Hè 2014 74 4.16. Kết quả chọn lọc vƣờn dòng đậu tƣơng kháng bệnh gỉ sắt thế hệ F5 tại Viện Cây lƣơng thực và Cây thực phẩm vụ Thu Đông 2014 75 4.17. Đặc điểm hình thái dòng đậu tƣơng chọn lọc vụ Xuân 2015 tại Viện Cây lƣơng thực và Cây thực phẩm 77 4.18. Đặc điểm sinh trƣởng, phát triển và chống chịu các dòng chọn lọc Xuân 2015 tại Viện Cây lƣơng thực và Cây thực phẩm 78 4.19. Năng suất và yếu tố cấu thành các dòng đậu tƣơng chọn lọc Xuân 2015 tại Viện Cây lƣơng thực và Cây thực phẩm 79 4.20. Kết quả kiểm tra lại gen mục tiêu các dòng triển vọng thế hệ F7 vụ Hè 2015 tại Viện Cây lƣơng thực và Cây thực phẩm 81 4.21. Đánh giá kiểu hình kháng bệnh gỉ sắt các dòng đậu tƣơng triển vọng Hè 2015 tại Viện Cây lƣơng thực và Cây thực phẩm 82 4.22. Đặc điểm hình thái các dòng đậu tƣơng triển vọng Hè 2015 tại Viện Cây lƣơng thực và Cây thực phẩm 84 4.23. Đặc điểm nông sinh học các dòng đậu tƣơng triển vọng Hè 2015 tại Viện Cây lƣơng thực và Cây thực phẩm 84 4.24. Mức độ nhiễm sâu bệnh đồng ruộng của các dòng đậu tƣơng triển vọng Hè 2015 tại Viện Cây lƣơng thực và Cây thực phẩm 85 4.25. Năng suất và các yếu tố cấu thành các dòng đậu tƣơng triển vọng Hè 2015 tại Viện Cây lƣơng thực và Cây thực phẩm 86 4.26. Một số đặc điểm chính 2 giống đậu tƣơng Đ9 và Đ10 vụ Thu Đông 2015 và Xuân 2016 tại Viện Cây lƣơng thực và Cây thực phẩm 87 4.27. Một số đặc điểm hình thái các giống đậu tƣơng khảo nghiệm 88 4.28. Đặc điểm sinh trƣởng phát triển các giống đậu tƣơng khảo nghiệm vụ đông 2015 và xuân 2016 88 viii
4.29. Khả năng chống chịu sâu bệnh đồng ruộng các giống đậu tƣơng khảo nghiệm vụ đông 2015 và xuân 2016 89 4.30. Yếu tố cấu thành năng suất các giống đậu tƣơng khảo nghiệm vụ đông 2015 và xuân 2016 89 4.31. Năng suất thực thu các giống đậu tƣơng khảo nghiệm vụ đông 2015 và xuân 2016 90 4.32. Kết quả lai tạo và chọn lọc MABC thế hệ BC3F2 vụ Xuân 2016 tại Viện Cây lƣơng thực và Cây thực phẩm 91 4.33. Kết quả chọn và tách dòng tổ hợp BC đến hè và thu đông 2016 tại Viện Cây lƣơng thực và Cây thực phẩm 92 4.34. Đặc điểm hình thái các dòng thế hệ BC3F4 vụ thu đông 2016 tại Viện Cây lƣơng thực và Cây thực phẩm 93 4.35. Đặc điểm nông sinh học một số dòng đậu tƣơng tiêu biểu thế hệ BC3F4 vụ Thu Đông 2016 tại Viện Cây lƣơng thực và Cây thực phẩm 94 4.36. Năng suất và yếu tố cấu thành dòng đậu tƣơng BC3F4, Thu Đông 2016 tại Viện Cây lƣơng thực và Cây thực phẩm 95 4.37. Kết quả kiểm tra gen và khả năng kháng chủng nấm gỉ sắt của các dòng BC3F5 vụ Xuân 2017 tại Viện Cây lƣơng thực và Cây thực phẩm 96 ix
DANH MỤC CÁC HÌNH TT Tên hình Trang 2.1. Các kiểu vết bệnh gỉ sắt đậu tƣơng 7 4.1. Ảnh điện di phát hiện gen kháng với chỉ thị Satt620, Satt288, Sat_275 60 x
TRÍCH YẾU CỦA LUẬN ÁN Tên tác giả: Nguyễn Văn Khởi Tên Luận án: Ứng dụng chỉ thị phân tử chọn tạo các dòng đậu tƣơng kháng bệnh gỉ sắt (Phakopsora pachyrhizi Sydow) Chuyên ngành: Di truyền và Chọn giống cây trồng Mã số: 9 62 01 11 Tên cơ sở đào tạo: Học viện Nông nghiệp Việt Nam Mục đích nghiên cứu Phát hiện đƣợc mẫu giống đậu tƣơng kháng bệnh gỉ sắt ở Việt Nam bằng chỉ thị phân tử ADN, tiến hành lai và chọn tạo đƣợc một số dòng đậu tƣơng tốt mang gen kháng bệnh hữu hiệu và kháng tốt với các chủng nấm gây bệnh gỉ sắt ở Việt Nam Phƣơng pháp nghiên cứu - Đề tài sử dụng 70 mẫu giống đậu tƣơng, 3 chủng nấm bệnh gỉ sắt đại diện 3 vùng sinh thái của Việt Nam và 12 chỉ thị SSR liên kết với gen kháng bệnh gỉ sắt đã đƣợc công bố. - Đánh giá đặc điểm nông sinh học, năng suất, chất lƣợng và khả năng chống chịu của tập đoàn mẫu giống đậu tƣơng: Bố trí thí nghiệm tuần tự không nhắc lại, mỗi giống trồng 10m2, đối chứng là DT84. Chỉ tiêu theo dõi và phƣơng pháp đánh giá theo quy phạm khảo nghiệm 10 TCN 339-2006 và QCVN 01-58: 2011/BNNPTN. - Xác định khả năng chứa gen kháng bằng chỉ thị phân tử SSR và đánh giá tính kháng bằng lây nhiễm nhân tạo. Lây nhiễm nhân tạo theo Nguyễn Thị Bình và cs. (1990). - Sử dụng các chỉ thị phân tử SSR liên kết với gen kháng bệnh gỉ sắt ở đậu tƣơng đã công bố, lựa chọn chỉ thị liên kết chặt, rồi ứng dụng trong chọn lọc các thế hệ con lai. - Lai đơn, lai backcross và ứng dụng chỉ thị phân tử chọn lọc các cá thể từ quần thể phân ly. Kết quả chính và kết luận - Bằng chỉ thị phân tử ADN đã phát hiện có 28/70 mẫu giống đậu tƣơng mang gen kháng từ Rpp1 – Rpp5. - Xác định đƣợc 3 gen kháng hữu hiệu với các chủng nấm gây bệnh gỉ sắt đậu tƣơng ở Việt Nam là Rpp2, Rpp4 và Rpp5. - Đã lựa chọn đƣợc 3 chỉ thị phân tử liên kết chặt với 3 gen kháng hữu hiệu là chỉ thị Satt620 liên kết chặt với gen Rpp2 với khoảng cách 3,33 cM; chỉ thị Satt288 với gen xi
Rpp4 là 2,50 cM và Sat_275 với gen Rpp5 là 4,16 cM. - Chọn tạo thành công 2 dòng đậu tƣơng triển vọng (Đ9 và Đ10) mang gen kháng hữu hiệu Rpp2, có năng suất khá, thời gian sinh trƣởng ngắn, góp phần đa dạng hóa bộ giống đậu tƣơng của Việt Nam. xii
THESIS ABSTRACT PhD candidate: Nguyen Van Khoi Thesis title: Application of molecular marker for breeding soybean lines resistant to rust disease (Phakopsora pachyrhizi Sydow) Major: Plant Genetics and Breeding Code: 9 62 01 11 Educational organization: Vietnam National University of Agriculture (VNUA) Research Objectives Detecting soybean accessions resistant to soybean rust disease in Vietnam using molecular markers and artificial inoculation and developing some promising lines, which carry the effective resistance genes conferring high level of resistance to different isolates of rust fungi in Vietnam. Materials and Methods - Materials: i) 70 soybean accessions ii) 3 isolates of soybean rust fungi collected from three different ecological areas of Vietnam and iii) 12 SSR markers linked to rust resistance genes. - Assessment of some main agronomical and biological traits and yield of the soybean germplasm. The experiments were carried out with non-replication with the plot area for each accession 10m2. DT84 was used as a control variety. The details were described in 10 TCN. 339-2006 and QCV 01-58:2011/BNNPTN. - Detection of the effective resistance genes using SSR markers, and assessment of the resistance/susceptibility to the isolates of soybean rust fungi by artificial inoculation. The detail method is described by Binh et al. (1990). - Developing new soybean lines by hybridization of two imbred lines and backcrossing. Elit individual plants selected from the F2 segregating population using MAS and MABC for backcrossing populations. Main findings and conclusions - 28 out of 70 soybean accessions are identified carrying the resistance genes from Rpp1 to Rpp5. - Three genes Rpp2, Rpp4 and Rpp5 identified strongly and effectively resistance to the isolates of soybean rust fungi in Vietnam (Rpp2 and Rpp4) and Rpp5 can resist xiii
effectively to only the ones collected from the South of Vietnam). - Finding three molecular markers: Satt620, Satt288 and Sat_275 closely linked to three effective resistance genes Rpp2,Rpp4 and Rpp5 respectively. - Developing two promising lines of soybean, namely Đ9 and Đ10 carrying the effective resistance gene (Rpp2) with high yield and short growth duration, contribution to the diversity of the soybean varietal collection in North Vietnam. xiv
PHẦN 1. MỞ ĐẦU 1.1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Đậu tƣơng (Glycine max L. Merill) là cây công nghiệp ngắn ngày có giá trị kinh tế và chiếm vị trí quan trọng trong cơ cấu cây trồng ở nƣớc ta. Sản phầm hạt đậu tƣơng đƣợc dùng làm thức ăn cho ngƣời và gia súc, dùng để chế biến dầu thực vật. Ngoài ra, đậu tƣơng còn là cây trồng lý tƣởng trong công thức luân canh, che phủ đất, chống xói mòn, có khả năng cố định đạm nên làm tăng độ phì cho đất. Vì vậy, từ lâu việc trồng đậu tƣơng đã đƣợc quan tâm và phát triển mạnh ở nhiều quốc gia trên thế giới, trong đó có Việt Nam. Tuy nhiên, trong những năm gần đây ngành sản xuất đậu tƣơng ở nƣớc ta bị giảm về cả diện tích và sản lƣợng, vì thế đã không đáp ứng đƣợc nhu cầu của xã hội, nhiều năm qua nƣớc ta phải nhập khẩu đậu tƣơng với số lƣợng lớn. Một trong những nguyên nhân dẫn đến ngành sản xuất đậu tƣơng của nƣớc ta kém phát triển là do chƣa có giống tốt, nhiều giống trồng hiện nay có năng suất rất thấp chỉ đạt 1,5 - 2 tấn/ha trong khi đó trên thế giới đã đạt ngƣỡng 2,5 – 3 tấn/ha (FAO, 2017). Trong đó, phần lớn các giống có khả năng chống chịu với sâu bệnh, đặc biệt là bệnh gỉ sắt kém. Bệnh gỉ sắt do nấm Phakopsora pachyrhizi Sydow gây ra, là một trong những bệnh hại chính trên cây đậu tƣơng, làm giảm nghiêm trọng đến năng suất ở nhiều nƣớc châu Á trong đó có Việt Nam (Nguyễn Thị Bình và cs., 2007). Để phòng chống bệnh có nhiều biện pháp khác nhau, trong đó chọn tạo và trồng giống kháng bệnh mang lại hiệu quả kinh tế cao, không gây ô nhiễm môi trƣờng, tạo nông sản sạch. Hiện nay, các nhà khoa học đã phát hiện 7 gen kháng bệnh đƣợc ký hiệu lần lƣợt là Rpp1, Rpp2, Rpp3, Rpp4, Rpp5, Rpp6 và Rpp1b (Bromfield and Hartwig, 1980; McLean and Byth, 1980; Bromfield and Melching, 1982; Hartwig and Bromfield, 1983; Hartwig, 1986; Garcia et al., 2008; Li et al., 2012; Hossain et al., 2014). Phần lớn các gen kháng này cũng đã đƣợc lập bản đồ và xác định các chỉ thị phân tử ADN liên kết. Theo đó, gen kháng Rpp1 đƣợc xác định nằm trên nhiễm sắc thể (NST) số 18 và liên kết với 2 chỉ thị Sct_187 và Sat_064 với khoảng cách di truyền là 0,4 cM (Hyten et al., 2007); Rpp2 nằm trên NST số 16, liên kết với chỉ thị Sat_255, Satt620 và Satt215 với khoảng cách di truyền lần lƣợt là 8,1 cM, 4,3 cM và 4,3 cM (Abdelnoor et al., 2009); Rpp3 nằm trên NST số 6, liên kết với các chỉ thị Satt460, Sat_263 và 1
Sat_251 với khoảng cách di truyền lần lƣợt là 0,5 cM, 0,9 cM và 4,1 cM (David et al., 2009); Rpp4 trên NST số 18, liên kết với chỉ thị Satt288 và Sat_191 với khoảng cách di truyền lần lƣợt là 1,19 cM và 6,24 cM (Abdelnoor et al., 2009) và gen kháng Rpp5 nằm trên NST số 3, liên kết với chỉ thị Sat_275 và Sat_280 với khoảng cách di truyền là 4,6 cM và 6,3 cM (Gacia et al., 2008; Khanh et al., 2013). Tuy nhiên, vì mỗi tác giả sử dụng những vật liệu mẫu giống để xác định chỉ thị phân tử liên kết có khác nhau nên khoảng cách di truyền mỗi chỉ thị với mỗi gen cũng có thể khác nhau. Ngoài ra, khoảng cách di truyền của gen có thể thay đổi theo từng genome, đồng thời khi áp dụng trong chọn giống phân tử còn tùy thuộc vào loại chỉ thị và điều kiện cơ sở vật chất trang thiết bị để chọn giống phân tử. Vì thế, trƣớc khi tiến hành chọn giống phân tử nói chung và chọn giống kháng bệnh gỉ sắt nói riêng thì cần phải lựa chọn đƣợc những chỉ thị có liên kết chặt với gen kháng hữu hiệu với các chủng nấm bệnh quan tâm và là loại chỉ thị dễ thực hiện. Để chọn tạo thành công giống đậu tƣơng Việt nam kháng bệnh gỉ sắt bằng ứng dụng chỉ thị phân tử ADN thì cần thiết phải có nguồn gen kháng phong phú, tiếp đến phải đánh giá nguồn gen, xác định đƣợc các gen kháng hữu hiệu đối với các chủng nấm gỉ sắt Việt Nam và lựa chọn đƣợc những chỉ thị phân tử có liên kết chặt với mỗi gen kháng rồi tiến hành lai quy tụ nhiều gen kháng hoặc gen kháng hữu hiệu vào giống tốt để tạo ra các dòng, giống kháng bệnh bền vững là việc làm cần thiết và cấp bách hiện nay. 1.2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU - Xác định đƣợc mẫu giống đậu tƣơng chứa gen kháng bệnh gỉ sắt và chỉ thị phân tử ADN liên kết chặt với các gen kháng hữu hiệu. - Chọn tạo đƣợc một số dòng/giống đậu tƣơng tốt, chứa gen kháng bệnh gỉ sắt hữu hiệu với các mẫu nấm gây bệnh gỉ sắt ở Việt Nam bằng ứng dụng chỉ thị phân tử ADN. 1.3. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 1.3.1. Đối tƣợng nghiên cứu Một số giống đậu tƣơng thu thập, nhập nội và chọn tạo trong nƣớc, chủng nấm bệnh gỉ sắt phân lập ở Việt Nam, các gen kháng bệnh gỉ sắt và chỉ thị phân tử ADN liên kết. 2
1.3.2. Phạm vi nghiên cứu - Đề tài thực hiện tại Viện Cây lƣơng thực và Cây thực phẩm và Viện Bảo vệ thực vật từ năm 2013 đến năm 2017 - Khảo sát một số đặc điểm nông sinh học, năng suất, chất lƣợng và khả năng kháng bệnh gỉ sắt của tập đoàn 70 mẫu giống đậu tƣơng và các thế hệ con lai; 3 chủng nấm bệnh gỉ sắt thu thập và phân lập từ các địa phƣơng khác nhau ở Việt Nam; 5 gen kháng bệnh gỉ sắt Rpp1, Rpp2, Rpp3, Rpp4, Rpp5 và các chỉ thị phân tử liên kết đã đƣợc công bố. 1.4. TÍNH MỚI VÀ NHỮNG ĐÓNG GÓP CỦA LUẬN ÁN - Phát hiện đƣợc một số mẫu giống đậu tƣơng tốt và 28 mẫu giống chứa từ 1 đến 3 gen kháng bệnh gỉ sắt trong tập đoàn 70 mẫu giống, làm cơ sở dữ liệu giúp các nhà chọn tạo giống đậu tƣơng kháng bệnh gỉ sắt tham khảo sử dụng. - Xác định đƣợc 3 gen kháng hữu hiệu (Rpp2, Rpp4 và Rpp5), kháng tốt với các chủng nấm gây bệnh gỉ sắt đậu tƣơng ở Việt Nam và lựa chọn đƣợc 3 chỉ thị phân tử ADN liên kết chặt với 3 gen kháng hữu hiệu là: Satt620 liên kết chặt với gen Rpp2 với khoảng cách di truyền là 3,33cM; Satt288 với gen Rpp4 là 2,50cM và Sat_275 với gen Rpp5 là 4,16 cM. - Chọn tạo thành công 13 dòng đậu tƣơng tốt chứa 1 hoặc 2 gen kháng hữu hiệu với các chủng nấm gây bệnh gỉ sắt ở Việt Nam. Trong đó, 2 dòng VD1-2-1 (Đ9) và VD1-9-1 (Đ10), triển vọng có nhiều đặc điểm tốt đã gửi khảo nghiệm Quốc gia. 1.5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 1.5.1. Ý nghĩa khoa học - Kết quả nghiên cứu của đề tài là cơ sở khoa học góp phần khẳng định thêm tính hiệu quả của phƣơng pháp chọn tạo giống cây trồng có sự hỗ trợ của chỉ thị phân tử ADN. - Sản phẩm của đề tài là dữ liệu về nguồn gen kháng hữu hiệu, chỉ thị phân tử ADN liên kết chặt với gen kháng, các dòng/giống đậu tƣơng chứa 1-2 gen kháng hữu hiệu với bệnh gỉ sắt là dữ liệu khoa học tham khảo cho các nghiên cứu tiếp sau về chọn tạo giống kháng bệnh gỉ sắt ở đậu tƣơng. 1.5.2. Ý nghĩa thực tiễn Hai dòng/giống đậu tƣơng (Đ9 và Đ10) có nhiều đặc điểm nông sinh học tốt, ngắn ngày, năng suất đạt ≥ 2,5 tấn/ha ở vụ Xuân, chứa gen kháng hữu hiệu Rpp2 kháng đƣợc nhiều chủng nấm bệnh gỉ sắt ở Việt Nam, góp phần đa dạng hóa bộ giống đậu tƣơng ở phía Bắc Việt Nam. 3
PHẦN 2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU NGHIÊN CỨU 2.1. TÌNH HÌNH SẢN XUẤT ĐẬU TƢƠNG 2.1.1. Tình hình sản xuất trên thế giới Ngành sản xuất đậu tƣơng trên thế giới trong những năm gần đây tăng mạnh cả về diện tích, năng suất và sản lƣợng. Kết quả thống kê của FAO (bảng 2.1), cho thấy từ năm 1960 đến năm 2016, diện tích gieo trồng, năng suất và sản lƣợng đậu tƣơng trên thế giới đều tăng, đặc biệt tăng mạnh từ năm 2000 đến nay. Cây đậu tƣơng có nguồn gốc ở Trung Quốc và vùng Đông Nam châu Á, nhƣng 45% diện tích gieo trồng và 55% sản lƣợng đậu tƣơng của thế giới hiện nay lại nằm ở Mỹ. Nƣớc Mỹ trong năm 2000 đã sản xuất đƣợc 75 triệu tấn đậu tƣơng, trong đó hơn một phần ba dùng để xuất khẩu. Các nƣớc sản xuất đậu tƣơng lớn khác là Brazil, Argentina, Trung Quốc và Ấn Độ. Phần lớn sản lƣợng đậu tƣơng của Mỹ dùng để chế biến làm thức ăn nuôi gia súc, gia cầm hoặc để xuất khẩu, mặc dù lƣợng tiêu thụ đậu tƣơng trên đầu ngƣời của nƣớc này đang tăng lên. Dầu đậu tƣơng chiếm tới 80% lƣợng dầu ăn đƣợc tiêu thụ ở Mỹ. Bảng 2.1. Tình hình sản xuất đậu tƣơng trên thế giới qua một số năm Năm Diện tích (triệu ha) Năng suất (tạ/ha) Sản lƣợng (triệu tấn) 1960 21,00 12,00 25,20 1990 54,34 19,17 104,19 2000 74,34 21,70 151,41 2010 101,37 24,70 249,93 2011 101,97 24,60 251,29 2012 109,32 24,60 268,77 2013 113,33 25,00 283,74 2014 118,06 26,90 318,60 2015 119,73 26,10 312,36 2016 122,14 26,50 323,70 Nguồn: FAO (2017) Trƣớc những năm 1970, Mỹ và Trung Quốc là hai nƣớc sản xuất đậu tƣơng nhiều nhất thế giới. Trong đó, tốc độ sản xuất đậu tƣơng của Mỹ nhanh hơn của Trung Quốc. Sản lƣợng đậu tƣơng của Mỹ tăng từ 60% năm 1960 lên đỉnh cao là 75% năm 1969, trong khi sản lƣợng của Trung Quốc lại giảm từ 32% xuống còn 16% trong cùng kỳ. Hiện Mỹ vẫn là nƣớc sản xuất đậu tƣơng đứng đầu thế giới 4