Luận văn Thạc sĩ Sinh học: Nghiên cứu ứng dụng chỉ thị phân tử để đưa gen fea* làm tăng số hàng hạt vào các dòng bố, mẹ giống ngô lai LVN 10 phục vụ công tác tạo giống ngô lai năng suất cao

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:79

Thêm vào BST

Báo xấu

26
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn trình bày cải tiến được dòng bố mẹ của LVN10 mang gen fea* bằng phương pháp chỉ thị phân tử và lai trở lại, từ đó chọn được dòng bố mẹ cải tiến ưu tú, lai tạo được dòng F1 mới tăng lên 2 hàng hạt, năng suất cao hơn giống LVN10 thương mại hiện nay ít nhất 10%.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Sinh học: Nghiên cứu ứng dụng chỉ thị phân tử để đưa gen fea* làm tăng số hàng hạt vào các dòng bố, mẹ giống ngô lai LVN 10 phục vụ công tác tạo giống ngô lai năng suất cao

BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Họ và tên: Phạm Thùy Chi NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CHỈ THỊ PHÂN TỬ ĐỂ ĐƢA GEN fea* LÀM TĂNG SỐ HÀNG HẠT VÀO CÁC DÒNG BỐ, MẸ GIỐNG NGÔ LAI LVN 10 PHỤC VỤ CÔNG TÁC TẠO GIỐNG NGÔ LAI NĂNG SUẤT CAO LUẬN VĂN THẠC SĨ SINH HỌC THỰC NGHIỆM Hà Nội – Năm 2021
BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Họ và tên: Phạm Thùy Chi NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CHỈ THỊ PHÂN TỬ ĐỂ ĐƢA GEN fea* LÀM TĂNG SỐ HÀNG HẠT VÀO CÁC DÒNG BỐ, MẸ GIỐNG NGÔ LAI LVN 10 PHỤC VỤ CÔNG TÁC TẠO GIỐNG NGÔ LAI NĂNG SUẤT CAO Chuyên ngành: Sinh học thực nghiệm Mã số: 8420114 LUẬN VĂN THẠC SĨ: SINH HỌC THỰC NGHIỆM NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: Cán bộ hƣớng dẫn 1 Cán bộ hƣớng dẫn 2 PGS. Ts Khuất Hữu Trung Ts. Đỗ Tiến Phát Hà Nội - 2021
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan bản luận văn này là kết quả nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Khuất Hữu Trung và TS. Đỗ Tiến Phát. Các số liệu và tài liệu được trích dẫn trong luận văn là trung thực. Kết quả nghiên cứu này không trùng với bất cứ công trình nào đã được công bố trước đó. Tôi xin chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình. Hà Nội, ngày 25 tháng 05 năm 2021 Tác giả Phạm Thùy Chi
LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến những thành viên đã giúp đỡ và hƣớng dẫn tôi hoàn thành luận văn: Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Khuất Hữu Trung – Phó viện trƣởng – Viện Di truyền Nông nghiệp đã hƣớng dẫn, tạo động lực và đƣa ra những lời khuyên quý báu cho tôi trong quá trình làm thí nghiệm và thực hiện đề tài. Tôi xin đƣợc cảm ơn TS Đỗ Tiến Phát – Phụ trách Phòng Công nghệ tế bào thực vật, Viện Công nghệ sinh học, ngƣời đã tận tình giúp đỡ, hƣớng dẫn tôi hoàn thành luận văn này. Tôi xin đƣợc cảm ơn các giảng viên của Viện Khoa học và Công nghệ nơi tôi theo học và tập thể cán bộ Bộ môn Kĩ thuật Di truyền - Viện Di truyền Nông nghiệp luôn động viên, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất - trang thiết bị để tôi có thể hoàn thành khóa học và thực hiện luận văn này. Đồng thời, tôi xin cảm ơn tập thể nhóm nghiên cứu Bộ môn Kĩ thuật Di truyền - Viện Di truyền Nông nghiệp đã đồng ý cho tôi đƣợc tham gia vào đề tài: “ Nghiên cứu ứng dụng chỉ thị phân tử để đưa gen fea* làm tăng số hàng hạt vào các dòng bố mẹ của Việt Nam phục vụ tạo giống ngô lai năng suất cao”. Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn vô cùng sâu sắc tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp những ngƣời đã luôn bên cạnh, động viên, góp ý cho tôi trong suốt quá trình học tập. Hà Nội, ngày 25 tháng 05 năm 2021 Tác giả Phạm Thùy Chi
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT BC 1,2,3... Backcross, lai trở lại lần thứ 1,2,3... BC5F1 Đời con lai F1 của dòng lai trở lại lần thứ 5 BC5F2 Đời con lai F2 của dòng lai trở lại lần thứ 5 BC6F1 Đời con lai F1 của dòng lai trở lại lần thứ 6 BL10 Dòng đƣợc chọn làm bố trong phép lai tạo LVN10 dCAP Derived Cleavage Amplified Polymorphism dNTPs Deoxynucleoside triphosphates DMSO Dimethyl sulfoxide (CH3)2SO. Allele đột biến lặn của gen FASCITED EAR2 có tác fea* dụng tăng hàng hạt ở ngô. Marker assisted backcross (lai trở lại có hỗ trợ của chỉ thị MABC phân tử) MAS Marker-assisted selection (chọn lọc nhờ chỉ thị phân tử) ML10 Dòng đƣợc chọn làm mẹ trong phép lai tạo LVN10 PCR Polymerase chain reaction. Phản ứng nhân theo chuỗi
DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Bắp giống ngô LVN10 ở công ty giống cây trồng Thái Bình................................................................................................................. 9 Hình 1.2: So sánh ảnh hƣởng của đột biến fea* lên bắp ngô..........................11 Hình 1.3: Quá trình backcross qua các thế hệ và tỷ lệ phần trăm gen có trong các đời backcross............................................................................................. 16 Hình 2.1. Sơ đồ và kế hoạch lai tạo backcross................................................21 Hình 2.2. Chu kỳ nhiệt PCR với cặp mồi OSV1 và OSV2.............................25 Hình 3.1. Kết quả khảo sát đa hình các chỉ thị phân tử trên NST1 giữa các dòng ML10, BL10, và W223 ........................................................................ 34 Hình 3.2. Kết quả khảo sát đa hình các chỉ thị phân tử trên NST2 giữa các dòng ML10, BL10, và W22 .................................................................... .....34 Hình 3.3. Kết quả khảo sát đa hình các chỉ thị phân tử trên NST3 giữa các dòng ML10, BL10, và W22 .......................................................................... 35 Hình 3.4. Kết quả khảo sát đa hình các chỉ thị phân tử trên NST4 giữa các dòng ML10, BL10, và W22 .......................................................................... 35 Hình 3.5. Kết quả khảo sát đa hình các chỉ thị phân tử trên NST5 giữa các dòng ML10, BL10, và W22 .......................................................................... 36 Hình 3.6. Kết quả khảo sát đa hình các chỉ thị phân tử trên NST6 giữa các dòng ML10, BL10, và W22 .......................................................................... 36 Hình 3.7. Kết quả khảo sát đa hình các chỉ thị phân tử trên NST7 giữa các dòng ML10, BL10, và W22 .......................................................................... 37 Hình 3.8. Kết quả khảo sát đa hình các chỉ thị phân tử trên NST8 giữa các dòng ML10, BL10, và W22 .......................................................................... 37
Hình 3.9. Kết quả khảo sát đa hình các chỉ thị phân tử trên NST9 giữa các dòng ML10, BL10, và W22 .......................................................................... 38 Hình 3.10 Kết quả khảo sát đa hình các chỉ thị phân tử trên NST9 giữa các dòng ML10, BL10, và W22 .......................................................................... 38 Hình 3.11: Ảnh sản phẩm PCR các cá thể BC5F1 của tổ hợp lai ML10/W22 sử dụng cặp mồi OVS1-OVS2........................................................................... 39 Hình 3.12: Ảnh sản phẩm PCR các cá thể BC5F1 của tổ hợp lai BL10/W22 sử dụng cặp mồi OVS1-OVS2........................................................................... 40 Hình 3.13. Kết quả kiểm tra nền di truyền nhóm cá thể BC5F1 của 31 chỉ thị trên 10 nhiễm sắc thể..................................................................................... 44 Hình 3.14. Kết quả kiểm tra nền di truyền của các cá thể BC5F1 thuộc nhóm 3 với các chỉ thị umc1160 và umc1166 ....................................................... 45 Hình 3.15. Kết quả kiểm tra nền di truyền nhóm các cá thể BC5F1 của 26 chỉ thị trên 10 nhiễm sắc thể ............................................................................... 48 Hình 3.16. Kết quả kiểm tra nền di truyền của các cá thể BC5F1 thuộc nhóm 1 và nhóm 3 với các chỉ thị umc1160 và phi070 .......................................... 48 Hình 3.17: Ảnh sản phẩm PCR các cá thể BC5F2 của tổ hợp lai ML10/W22 sử dụng cặp mồi OVS1-OVS2........................................................................... 50 Hình 3.18: Ảnh sản phẩm PCR các cá thể BC5F2 của tổ hợp lai BL10/W22 sử dụng cặp mồi OVS1-OVS2........................................................................... 51 Hình 3.19: Hình thái các dòng ngô trên đồng ruộng Thái Bình vụ Xuân 2020 ở giai đoạn tung phấn .................................................................................... 54 Hình 3.20: Hình thái các dòng ngô trên đồng ruộng Thái Bình vụ Xuân 2020 ở giai đoạn tung phấn .................................................................................... 55
Hình 3.21: Biểu đồ mối tƣơng quan năng suất cá thể của các dòng cải tiến BC5F3 và dòng gốc ....................................................................................... 58 Hình 3.22: Ảnh bắp sau thu hoạch của các dòng ngô thu tại Thái Bình vụ Xuân 2020 ..................................................................................................... 59 Hình 3.23: Ảnh bắp sau thu hoạch của các dòng ngô thu tại Thái Bình vụ Xuân 2020 ..................................................................................................... 60
DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1. Các thông tin chi tiết chỉ thị cho đa hình trên 10 nhiễm sắc thể giữa dòng ML10 và W22…................................................................................…31 Bảng 3.2. Các thông tin chi tiết chỉ thị cho đa hình trên 10 nhiễm sắc thể giữa dòng BL10 và W22…....................................................................................33 Bảng 3.3: Kết quả kiểm tra kiểu gen của các dòng BC5F1 vụ Xuân 2019.................................................................................................................40 Bảng 3.4: Tỉ lệ nền di truyền của các cá thể BC5F1 so với dòng nhận gen ML10...............................................................................................................43 Bảng 3.5. Tỉ lệ nền di truyền của các cá thể BC5F1 so với dòng nhận gen BL10................................................................................................................47 Bảng 3.6: Một số đặc điểm hình thái nông học của các dòng cải tiến BC5F3 và dòng bố mẹ gốc...............................................................................................53 Bảng 3.7: Năng suất cá thể của các dòng cải tiến BC5F3 và dòng gốc............57
MỤC LỤC MỞ ĐẦU ................................................................................................ 1 1. Lý do chọn đề tài ................................................................................ 1 2. Mục đích nghiên cứu ......................................................................... 3 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ...................................................... 4 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ........................................................... 4 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU.............................................. 5 1.1. TÌNH HÌNH SẢN XUẤT VÀ CHỌN TẠO GIỐNG NGÔ TRÊN THẾ GIỚI VÀ TẠI VIỆT NAM ................................................................................ 5 1.1.1. Tình hình sản xuất ngô trên thế giới và Việt Nam ............... 5 1.1.1.1. Sản xuất ngô trên thế giới .............................................. 5 1.1.1.2. Sản xuất ngô tại Việt Nam ............................................. 6 1.1.2. Phƣơng pháp chọn tạo giống ngô ......................................... 7 1.1.2.1. Phƣơng pháp chọn tạo giống ngô trên thế giới .............. 7 1.1.2.2. Nghiên cứu chọn tạo giống trong nƣớc ......................... 7 1.2. GIỚI THIỆU VỀ GIỐNG NGÔ LVN10 .................................................. 8 1.3. KHÁI QUÁT VỀ GEN FEA* ................................................................... 9 1.3.1. Các nghiên cứu trên thế giới về QTLs quy định tính trạng năng suất ngô và gen liên quan đến số hàng hạt trên bắp ngô .................. 9 1.3.2. Gen FEA2 và allele fea* ..................................................... 10 1.4. SỬ DỤNG CHỈ THỊ PHÂN TỬ TRONG PHÉP LAI TRỞ LẠI ............ 11 1.4.1. Nghiên cứu ứng dụng chỉ thị phân tử trong chọn tạo giống cây trồng .................................................................................................. 11 1.4.2. Phƣơng pháp chọn giống nhờ chỉ thị phân tử kết hợp với lai hồi giao (Marker Assited Backcrossing - MABC) ................................. 15 CHƢƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .. 19 2.1. VẬT LIỆU .............................................................................................. 19 2.1.1. Vật liệu nghiên cứu ............................................................. 19 2.1.2. Các loại hóa chất ................................................................. 19
2.1.3. Máy móc thiết bị sử dụng ................................................... 20 2.2. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .......................................................... 20 2.2.1. Bố trí thí nghiệm lai trở lại (BC) ........................................ 21 2.2.2. Các phƣơng pháp sinh học phân tử .................................... 22 2.2.2.1. Phƣơng pháp tách chiết DNA- CTAB ......................... 22 2.2.2.2.Phƣơng pháp PCR bằng mồi dCAPs ............................ 23 2.2.2.3. Phƣơng pháp sử dụng enzyme cắt giới hạn PstI .......... 24 2.2.2.4.Phƣơng pháp PCR với mồi SSR ................................... 25 2.2.2.5. Phƣơng pháp điện di trên gel poly-acrylamide ........... 26 2.2.2.6. Phƣơng pháp điện di trên gel Agarose ........................ 26 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................... 28 3.1. KẾT QUẢ ............................................................................................... 28 3.1.1. Kết quả xác định chỉ thị đa hình giữa các dòng ML10, BL10 và dòng W22 trên 10 NST ...................................................................... 28 3.1.1.1. Kết quả xác định chỉ thị phân tử đa hình ngoài vùng gen fea* giữa dòng ML10 và dòng W22 ..................................................... 28 3.1.1.2. Kết quả xác định chỉ thị phân tử đa hình ngoài vùng gen fea* giữa dòng BL10 và dòng W22 ...................................................... 30 3.1.2. Kết quả chọn lọc các cá thể trong quần thể BC5F1 mang gen fea* bằng phƣơng pháp chỉ thị phân tử ............................................. 38 3.1.2.1. Kết quả chọn lọc các cá thể trong quần thể BC5F1 ở dòng ML10 .......................................................................................... 38 3.1.2.2. Kết quả chọn lọc các cá thể trong quần thể BC5F1 ở dòng BL10 ........................................................................................... 38 3.1.3. Kết quả đánh giá nền di truyền các cá thể mang gen fea * trong quần thể BC5F1 ............................................................................. 40 3.1.3.1. Kết quả đánh giá nền di truyền các cá thể mang gen fea* trong quần thể BC5F1 ở dòng lai ML10 ............................................. 40 3.1.3.2. Kết quả đánh giá nền di truyền các cá thể mang gen fea* trong quần thể BC5F1 ở dòng lai BL10 .............................................. 43
3.1.4. Kết quả chọn lọc các cá thể trong quần thể BC5F2 mang gen fea* bằng chỉ thị phân tử ................................................................... 46 3.1.4.1. Kết quả chọn lọc các cá thể trong quần thể BC5F2 ở dòng ML10 .......................................................................................... 47 3.1.4.2. Kết quả chọn lọc các cá thể trong quần thể BC5F2 ở dòng BL10 ........................................................................................... 48 3.1.5. Đặc điểm hình thái nông sinh học của các dòng BC5F3 mang gen fea* trong vụ Thu Đông năm 2019 ......................................... 49 3.1.5.1. Đặc điểm hình thái nông học của các dòng BC3F3 ..... 49 3.1.5.2. Đánh giá sơ bộ về năng suất của các dòng cải tiến BC5F3 và dòng bố mẹ gốc .................................................................. 53 CHƢƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................... 59 4.1. KẾT LUẬN ............................................................................................ 59 4.2. KIẾN NGHỊ ............................................................................................ 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................. 61
1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Ngô (Zea mays L.) thuộc chi Zea, tông Androppogoneae, họ Poaceae, bộ Poales. Ngô là cây ngũ cốc quan trọng trong nền kinh tế toàn cầu vì nó nuôi sống ít nhất 30% dân số thế giới và là cây lƣơng thực đứng thứ 3 sau lúa mì và lúa. Ngô là nguồn cung cấp lƣơng thực và an ninh dinh dƣỡng chủ yếu cho hàng triệu ngƣời ở các nƣớc đang phát triển, đặc biệt là ở Châu Phi và Châu Mỹ Latinh. Ngô có thể đƣợc sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau nhƣ đƣợc dùng làm thực phẩm, thức ăn chăn nuôi và sản xuất công nghiệp (nguyên liệu cho sản xuất nhiên liệu sinh học). Theo số liệu thống kê của USDA (United States Department of Agriculture) (tháng 1 năm 2017), Mỹ và Trung Quốc vẫn là hai cƣờng quốc sản xuất ngô lớn nhất thế giới với sản lƣợng lần lƣợt là 384 triệu tấn và 219 triệu tấn (http://worldofcorn.com). Năng suất trung bình ngô của Mỹ là 11.7 tấn/ ha (2016). Ở Việt Nam, ngô là cây lƣơng thực quan trọng đứng thứ 2 sau cây lúa và là cây màu quan trọng nhất đƣợc trồng ở nhiều vùng sinh thái khác nhau, đa dạng về mùa vụ gieo trồng và hệ thống canh tác. Cây ngô không những cung cấp lƣơng thực cho ngƣời, làm thức ăn cho vật nuôi mà còn giúp xóa đói giảm nghèo tại các tỉnh có điều kiện kinh tế khó khăn. Tuy nhiên, ngô lại chỉ đƣợc trồng ở những khu vực không có lợi cho việc trồng cây công nghiệp. Do ngô chủ yếu đƣợc gieo trồng trong điều kiện không thuận lợi nên sản lƣợng mặt hàng này của Việt Nam đang rất thấp.Theo số liệu thống kê của tổng cục thống kê (http://www.gso.gov.vn/) năm 2016, năng suất ngô trung bình cả nƣớc vào khoảng 45,3 tạ/ha, sản lƣợng đạt khoảng 5,23 triệu tấn trên diện tích gieo trồng khoảng 1,15 triệu ha. Theo thống kê của FAO, Hoa Kỳ và Trung Quốc là hai nƣớc sản xuất ngô hàng đầu thế giới với lần lƣợt là 377,5 triệu tấn và 224,9 triệu tấn.
2 Sản xuất ngô cả nƣớc qua các năm không ngừng tăng về diện tích,năng suất, sản lƣợng: năm 2001 tổng diện tích ngô là 730.000 ha, đến năm 2005 đã tăng lên 1 triệu ha, năm 2010 diện tích ngô cả nƣớc là 1126,9 nghìn ha, năng suất đạt 40,9 tạ/ha, sản lƣợng trên 4,6 triệu tấn. Tính đến thời điểm năm 2016, diện tích cả nƣớc gieo trồng giảm chủ yếu do hạn hán không gieo trồng đƣợc, năng suất ngô năm 2016 đạt 46 tạ/ha (tăng 1,2 tạ/ha so với 2015). Sản lƣợng ƣớc đạt 5,1 triệu tấn. Năm 2020 , sản lƣợng chỉ còn 4,5 triệu tấn do giảm mạnh diện tích gieo trồng cả nƣớc ảnh hƣởng của mƣa, bão, lũ lụt tại các địa phƣơng phía Bắc. [1] Giống ngô LVN10 của Viện nghiên cứu Ngô, là giống ngô cho năng suất cao nhất hiện nay ở nƣớc ta, màu sắc và dạng hạt đẹp, độ đồng đều cao, chịu hạn, chịu chua phèn, chống đổ tốt, ít nhiễm sâu bệnh. Đây là giống thích ứng với mọi vùng sinh thái trong cả nƣớc. Giống LVN10 có trung bình 10-12 hàng hạt/bắp, bắp dài 18-22cm, năng suất trung bình 55-65 tạ/ha, thâm canh tốt có thể đạt 80-90 tạ/ha.[2] Do có nhiểu đặc tính tốt và năng suất cao mà LVN10 đƣợc trồng khá phổ biến ở nƣớc ta. Nhận thấy tiềm năng phát triển của chúng, chúng tôi chọn cách tiếp cận tăng năng suất ngô hơn nữa bằng cách làm tăng số hàng hạt trên một bắp ngô nhờ sử dụng đột biến fea* có khả năng làm giảm họat tính của gen kiểm soát sự phân chia của đỉnh sinh trƣởng ở bắp ngô.[3] FEA2 (FASCIATED EAR2) là gene điều khiển kích thƣớc mô phân sinh, do đó có ảnh hƣởng đến số hàng hạt trên bắp ngô. Bommert và cộng sự đã phát hiện ra 4 đột biến điểm ở gene FEA2, trong đó có một đột biến lặn fea* làm giảm hoạt tính của gene FEA2 và tăng số hàng hạt trên bắp nhƣng không gây ảnh hƣởng đến các tính trạng khác trên bắp ngô. Cho đến nay, ở Việt Nam chƣa tìm thấy kết quả nghiên cứu nào trong nƣớc công bố về tăng năng suất ngô bằng cách tăng số hàng hạt. Các gen quy định số hàng hạt trên bắp mới bắt đầu đƣợc phát hiện và làm rõ chức năng.
3 Do đó mà nguồn vật liệu mang những đột biến tiềm năng trong việc tăng năng suất ngô bằng cách tăng số hàng hạt là chƣa phổ biến và khó tiếp cận. Việc sử dụng chỉ thị phân tử ở ngô đã đƣợc sử dụng rất thành công trên thế giới để chọn tạo giống ngô nhƣng chƣa đƣợc áp dụng ở Việt Nam. Do vậy, việc ứng dụng chỉ thị phân tử trong việc nghiên cứu đƣa gen fea* làm tăng số hàng hạt của các dòng ngô bố mẹ ƣu tú sẽ nhanh chóng tạo ra giống ngô lai có năng suất cao phục vụ cho sản xuất là thực sự cần thiết. Bằng cách lai tạo chuyển đột biến lặn fea* vào các dòng bố mẹ của tổ hợp lai ngô LVN10 thông qua phƣơng pháp lai trở lại (MABC: marker assisted backcross) có thể cải tiến năng suất của giống ngô này. MABC đã đƣợc áp dụng cho lai tạo ngô trên thế giới [4], là phƣơng pháp lai chuyển một vài tính trạng ƣu việt (đã biết chỉ thị phân tử) từ dòng cho gene sang dòng nhận gene (là dòng muốn cải tiến) bằng lai trở lại có sử dụng chỉ thị phân tử để chọn lọc con lai. Qua mỗi thế hệ lai trở lại (backcross-BC), trong hệ gene của cây lai thành phần gene (genetic component) của cây cho gene sẽ giảm đi một nửa 50% (F1) , 75% (BC1), 87.5% (BC2), 93.75% (BC3), 96.88% (BC4), 98.43% (BC5). Vì thế, độ giống nhau của cây lai so với dòng nhận gene sẽ tăng dần qua các thế hệ BC. Dòng BC6F1, BC6F2 mang di truyền của giống ngô LVN10, mang thêm gen đột biến fea* có độ đồng hợp cao (>98%) cho năng suất cao hơn so với dòng bố, mẹ. Tổ hợp lai F1 giữa các dòng bố mẹ cải tiến mang gen fea* se cho năng suất vƣợt trội giống ngô lai LVN10. Chính vì vậy chúng tôi tiến hành đề tài “Nghiên cứu ứng dụng chỉ thị phân tử để đƣa gen fea* làm tăng số hàng hạt vào các dòng bố, mẹ giống ngô lai LVN10 phục vụ công tác tạo giống ngô lai năng suất cao”. 2. Mục đích nghiên cứu Mục tiêu chung : Đánh giá khả năng làm tăng hàng hạt và tăng năng suất của gen fea* trong giống ngô LVN10 phục vụ chọn tạo giống ngô mới có
4 năng suất cao hơn. Mục tiêu cụ thể : Cải tiến đƣợc dòng bố mẹ của LVN10 mang gen fea* bằng phƣơng pháp chỉ thị phân tử và lai trở lại, từ đó chọn đƣợc dòng bố mẹ cải tiến ƣu tú, lai tạo đƣợc dòng F1 mới tăng lên 2 hàng hạt, năng suất cao hơn giống LVN10 thƣơng mại hiện nay ít nhất 10% 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Đối tƣợng nghiên cứu: dòng ngô LVN10 của Việt Nam và 2 dòng bố mẹ Thời gian nghiên cứu: từ tháng 09/2018 tới tháng 10/2020. Phạm vi nghiên cứu: nghiên cứu thực nghiệm ngoài đồng ruộng tiến hành tại ruộng ngô Đông Anh, Hà Nội và ruộng ngô tại Viện nghiên cứu cây trồng- Tập đoàn Thái Bình Seed. Các thí nghiệm sinh học phân tử đƣợc thực hiện, tại Bộ môn Kỹ thuật di truyền, Viện Di truyền Nông nghiệp. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Ý nghĩa khoa học: Thiết kế các chỉ thị phân tử để xác định gen đích và các gen đồng hợp có mặt trong nền di truyền của cá thể chính xác hơn so với chọn lọc rút dòng bằng mắt thƣờng, từ đó xây dựng quy trình nghiên cứu trên các thí nghiệm tƣơng tự để chọn lọc dòng hiệu quả. Phƣơng pháp chọn lọc dòng dựa trên chỉ thị phân tử nhanh và chính xác hơn, khắc phục đƣợc những nhƣợc điểm của phƣơng pháp chọn lọc dòng truyền thống. Ý nghĩa thực tiễn: Chọn đƣợc dòng bố mẹ cải tiến LVN10 mang gen fea*, từ đó lai tạo đƣợc dòng F1 mới tăng lên 2 hàng hạt, năng suất cao hơn giống LVN10 thƣơng mại, năng suất tăng ít nhất 10%. Góp phần làm tăng sản lƣợng ngô cả nƣớc và tạo ra một giống ngô mới đƣa ra thị trƣờng, tạo tiền đề cho các nghiên cứu lai tạo giống ngô mới ở Việt Nam.
5 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. TÌNH HÌNH SẢN XUẤT VÀ CHỌN TẠO GIỐNG NGÔ TRÊN THẾ GIỚI VÀ TẠI VIỆT NAM 1.1.1. Tình hình sản xuất ngô trên thế giới và Việt Nam 1.1.1.1. Sản xuất ngô trên thế giới Ngô là cây ngũ cốc nuôi sống gần 1/3 dân số thế giới. Ở các nƣớc trồng ngô, nó đƣợc sử dụng làm lƣơng thực với các mức độ khác nhau. Đặc biệt ngô là cây lƣơng thực đóng vai trò chủ lực tại các nƣớc Nam Á (42.6%), Trung Mỹ (66.3%) và Châu Phi (75%) [5]. Ngoài việc đƣợc sử dụng làm lƣơng thực, ngô ngày nay còn có thể đƣợc sử dụng nhƣ là nguồn thực phẩm cho con ngƣời với nhiều cách chế biến khác nhau, hoặc thức ăn cho gia súc và tạo sinh khối, hay trong công nghiệp sản xuất cồn, bánh kẹo, tinh bột. Gần đây, ngô còn đƣợc chú trọng hơn trong công nghiệp vì đƣợc sử dụng làm nguyên liệu sản xuất xăng sinh học thay thế cho các nguồn nhiên liệu hóa thạch đang cạn kiệt dần. Theo số liệu thống kê của FAOSTAT năm 2018, Mỹ vẫn đứng đầu trong các cƣờng quốc sản suất ngô trên thế giới với sản lƣợng 392.5 triệu tấn (million metric tons) và đóng vai trò rất quan trọng đóng góp cho nên kinh tế nƣớc này. Khoảng 20% sản lƣợng ngô hàng năm đƣợc Mỹ xuất khẩu. Diện tích chuyên canh cho cây ngô ở Mỹ là khoảng 96 triệu ha phân bố ở hầu hết các bang của Mỹ. Cƣờng quốc thứ hai là Trung Quốc với sản lƣợng là 257.3 triệu tấn (million metric tons) (năm 2018). Mặc dù lúa gạo là thực phẩm chính của quốc gia này, nhƣng mấy năm trở lại đây, sản lƣợng ngô đã tăng lên là do nhu cầu sử dụng ngô trong chăn nuôi tăng lên. Hơn 25 năm qua, sản lƣợng ngô đã tăng 125%, trong khi sản lƣợng lúa chỉ tăng 7%, và hiện nay, khoảng 60% lƣơng thực đƣợc sử dụng cho chăn nuôi. Brazil cũng là cƣờng quốc thứ ba trong sản xuất ngô với sản lƣợng hàng năm đạt gần 83 triệu tấn (million metric tons). Tiếp theo là Ấn Độ, với sản lƣợng ngô hàng
6 năm là 42,3 triệu tấn.Tiếp theo trong bảng xếp hạng là Argentina (40 triệu tấn), Ukraine (39.2 triệu tấn), Mexico (32,6 triệu tấn), Indonesia (19 triệu tấn, đứng đầu trong các nƣớc ASEAN, sau đó là Philippines và Việt Nam), Pháp (17,1 triệu tấn), và Nam Phi (15,5 triệu tấn) [6]. Theo thống kê của ETC Group và NGO, tốp 7 công ty hạt giống chi phối 71% thị trƣờng hạt giống trên thế giới bao gồm Monsanto, DuPont Pioneer, Syngenta, Vilmorin, WinField, KWS, và Bayer (theo số liệu báo cáo năm 2013). Trong đó ba công tyMonsanto, DuPont Pioneer, và Syngenta chiếm 60% thị trƣờng hạt giống cho bông, đậu tƣơng, và ngô. 1.1.1.2. Sản xuất ngô tại Việt Nam Tại Việt Nam, ngô là cây lƣơng thực chính chỉ đứng thứ hai sau lúa gạo. Cùng với cám gạo, sắn, ngô là nguyên liệu quan trọng trong công nghiệp sản xuất thức ăn chăn nuôi. Từ 1990 đến nay, sản xuất ngô trong nƣớc có những bƣớc nhảy vọt đáng kể do đƣa những giống ngô lai thay thế giống bản địa ngày càng nhiều, thay đổi phƣơng pháp canh tác phù hợp với các giống ngô lai. Năng suất ngô Việt Nam có tốc độ tăng nhanh hơn tốc độ trung bình thế giới trong suốt 20 năm qua. Tuy nhiên, 70% ngô đƣợc trồng trên các vùng có địa hình phức tạp, đất cao, phụ thuộc vào nƣớc trời, ít đầu tƣ thâm canh, bị hạn chế việc áp dụng khoa học kĩ thuật vào sản xuất, hoặc trồng xen canh cùng những cây trồng có giá trị cao, do đó năng suất ngô vẫn còn thấp. Cùng với đó, côn trùng dịch bệnh gây hại cũng ảnh hƣởng rất nhiều làm giảm sản lƣợng dẫn đến việc năng suất ngô tại Việt Nam thấp, chƣa đủ đáp ứng nhu cầu sử dụng ngày càng tăng của ngƣời dân. Do sản lƣợng ngô trong nƣớc không đủ đáp ứng nhu cầu của thị trƣờng nên mỗi năm nhà nƣớc phải chi hàng tỉ đồng nhập khẩu ngô từ Ấn Độ, Brazil, Argentina, Campuchia, Lào và Thái Lan. Theo Bộ Nông nghiệp và Phát triển
7 Nông thôn Việt Nam và Hiệp hội chăn nuôi Việt Nam năm 2013, nƣớc ta phải nhập khẩu 2,19 triệu tấn ngô. Đến năm 2018, kim ngạch nhập khẩu ngô là 3 triệu tấn. 1.1.2. Phƣơng pháp chọn tạo giống ngô 1.1.2.1. Phương pháp chọn tạo giống ngô trên thế giới Để tạo đƣợc một giống ngô lai thƣờng trải qua 3 bƣớc: phát triển dòng thuần, thử khả năng kết hợp giữa các dòng thuần, tạo con lai giữa các dòng thuần ƣu tú. Phƣơng pháp tạo các dòng thuần từ truyền thống đến hiện đại: rút dòng tự thụ phấn, nuôi cấy bao phấn và noãn chƣa thụ tinh, dùng cây kích đơn bội (haploid inducer) đƣợc các nhà lai tạo và chọn giống áp dụng để tạo ra dòng thuần. Trong đó, các phƣơng pháp hiện đại nhƣ nuôi cấy bao phấn và noãn chƣa thụ tinh, và đặc biệt công nghệ inducer rất phát triển, làm rút ngắn thời gian tạo ra dòng thuần. Từ những năm 2007-2010, với sự ra đời của công nghệ giải mã genome, việc chọn tạo giống ngô đã có nhiều bƣớc ngoặt lớn. Nhiều tính trạng số lƣợng (QTLs) đƣợc tìm ra, ứng dụng chỉ thị phân tử để đƣa các QTL này vào dòng bố mẹ tốt bằng lai trở lại. Chọn lọc trên cả hệ gen (Genomic selection) đƣợc đƣa vào ứng dụng mạnh. Chọn lọc trên cả hệ gen (Genomic selection) là một dạng của chọn lọc dựa trên marker, trong đó có hàng chục, hàng trăm, hàng nghìn marker bao phủ toàn bộ hệ gen đƣợc sử dụng. Genomic selection là chiến lƣợc lai tạo giống đầy hứa hẹn cho việc cải tiến nhanh chóng các tính trạng phức tạp. 1.1.2.2. Nghiên cứu chọn tạo giống trong nước Hiện nay, ở Việt Nam, chọn tạo giống ngô vẫn chủ yếu bằng phƣơng pháp rút dòng và lai tạo truyền thống. Gần đây, kĩ thuật nuôi cấy bao phấn và
8 noãn chƣa thụ tinh, dùng cây kích đơn bội (haploid inducer) đã đƣợc áp dụng để nhanh chóng tạo ra dòng thuần, nhƣng kết quả vẫn còn khá khiếm tốn. Ngô lai ở Việt Nam đƣợc chọn tạo cho đến nay chủ yếu dựa vào 4 phƣơng pháp chính: Rút dòng bằng tự thụ phấn, tạo dòng thuần kết hợp với chọn lọc: từ các phép lai giữa các dòng thuần, hoặc từ các dòng F1 thƣơng mại của nƣớc ngoài, qua việc tự thụ phấn 8 thế hệ kết hợp với chọn lọc dòng thuần và lai thử (testcross) sẽ chọn ra những dòng bố mẹ để tham gia vào tổ hợp lai mới. Rút dòng bằng nuôi cấy bao phấn: Phấn của cây ngô tạo ra từ các phép lai giữa các dòng thuần, hoặc từ các dòng F1 thƣơng mại của nƣớc ngoài sẽ đƣợc nuôi cấy và đa bội hóa để tạo ra dòng thuần sau 1-2 thế hệ. Tạo dòng thuần bằng inducer: Bất kì một cây ngô nào khi nhận phấn của các dòng tạo đơn bội (female haploid inducer) này có thể tạo ra các hạt đơn bội (8% số hạt sẽ là đơn bội). Cây từ hạt này sẽ đƣợc xử lí đa bội hóa để tạo ra cây nhị bội thuần chủng 100%. Dùng các chỉ thị SSR để xác định khoảng cách di truyền giữa các dòng bố mẹ tiềm năng: Dùng các chỉ thị phân tử để xác định mối quan hệ về di truyền giữa các dòng ngô từ đó có thể giới hạn chỉ tiến hành lai những dòng ngô nào xa cách về di truyền để có thể tạo ƣu thế lai. 1.2. GIỚI THIỆU VỀ GIỐNG NGÔ LVN10 Giống ngô lai LVN10 của Viện nghiên cứu Ngô đƣợc Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn cho phép khu vực hoá và quy trình sản xuất hạt lai LVN10 đƣợc công nhận là tiến bộ ky thuật mới vào tháng 8/1994. Giống LVN10 thuộc nhóm chín muộn, thời gian sinh trƣởng vụ xuân 125 - 135ngày, vụ hè thu 95 - 100 ngày, vụ thu đông 110 - 120 ngày. Cây cao 200 - 240cm, cao đóng bắp 100 - 140cm có 20 - 21 lá. Bắp dài trung bình 18 -