Luận văn Thạc sỹ: Nghiên cứu đa dạng di truyền tập đoàn lúa có khả năng chịu mặn của Việt Nam bằng chỉ thị SSR

Luận văn thạc sỹ Bùi Văn Hiệu MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Lúa gạo là cây lương thực 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 được sử dụng khá phổ biến, 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 cần phải đạt 800 triệu tấn mới có thể đáp ứng được nhu cầu lương thực của con người [52]. Với tình hình dân số tăng nhanh, thế giới sẽ phải đối mặt với nguy cơ thiếu lương thực. Theo một nghiên cứu của Lobell, đến năm 2030 sản lượng lương thực ở châu Á sẽ giảm khoảng 10%, đặc biệt là sản phẩm lúa gạo [38]. Nguyên nhân năng suất và sản lượng lúa gạo giảm đi do ảnh hưởng bởi thiên tai, sâu bệnh và các yếu tố môi trường. Trong đó, yếu tố đáng chú ý là hiện tượng đất nhiễm mặn. Trên thế giới, đất trồng trọt bị ảnh hưởng mặn ước khoảng 380 triệu ha, chiếm 1/3 tổng diện tích đất canh tác [3]. 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 số liệu thống kê, diện tích đất ngập mặn năm 1982 là 494.000 ha, đến năm 2000 là 606.792 ha [9]. Theo báo cáo mới nhất của Cục trồng trọt, tại đồng bằng sông Cửu Long, xâm ngập mặn đã ảnh hưởng đến 620.000 ha/1.545.000 ha lúa đông xuân 20092010, 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 ngập 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, nước biển dâng lên đe dọa các vùng đất canh tác thấp ven 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 là một thử thách lớn của mục tiêu đảm bảo an ninh lương thực và xuất khẩu lúa gạo của Việt nam. Chính vì vậy, việc chọn tạo giống lúa chịu mặn đang được đặt ra là hết sức cấp bách và cần thiết. 1 Luận văn thạc sỹ Bùi Văn Hiệu Trong tập đoàn quĩ gen lúa của Việt Nam có rất nhiều nguồn gen lúa chịu mặn thích nghi với điều kiện sinh thái ở các địa phương khác nhau, nhưng chưa được nghiên cứu và đánh giá một cách đầy đủ. Hầu hết các giống chịu mặn có năng suất còn rất thấp. Một số giống lúa được cải tiến, lai tạo và chọn lọc vẫn chưa đáp ứng được nhu cầu của sản xuất. Chính vì vậy, chúng tôi tiến hành đề tài: “Nghiên cứu đa dạng di truyền tập đoàn lúa có khả năng chịu mặn của Việt Nam bằng chỉ thị SSR” nhằm cung cấp các thông tin về các nguồn gen lúa chịu mặn phục vụ công tác bảo tồn và chọn tạo giống lúa chịu mặn. 2. Mục đích nghiên cứu Đánh giá mức độ đa dạng di truyền của tập đoàn giống lúa chịu mặn bản địa của Việt Nam ở mức phân tử và xác định mối quan hệ di truyền giữa các nguồn gen ở các địa phương khác nhau phục vụ cho công tác bảo tồn, khai thác và sử dụng có hiệu quả các nguồn gen lúa chịu mặn bản địa của Việt Nam. 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của Đề tài 3.1. Ý nghĩa khoa học Hiểu biết về đa dạng di truyền của các nguồn gen lúa chịu mặn tạo cơ sở lý luận cho việc chọn lọc, phục tráng để nâng cao tiềm năng di truyền của các giống lúa chịu mặn trong sản xuất. Phát hiện sai khác di truyền của các giống lúa chịu mặn có ý nghĩa quan trọng trong việc xác định các allele hiếm, allele đặc trưng để nhận dạng chính xác các nguồn gen ưu tú phục vụ nghiên cứu lai tạo giống và định hướng cho công tác thu thập bảo tồn đa dạng nguồn gen lúa chịu mặn ở mức phân tử. 3.2. Ý nghĩa thực tiễn Nghiên cứu đa dạng di truyền thông qua các chỉ thị phân tử góp phần nâng cao hiệu quả công tác bảo tồn và chọn tạo giống lúa có phẩm chất gạo tốt, năng suất cao, có khả năng chịu mặn, phù hợp với điều kiện canh tác lúa vùng nhiễm mặn và cơ cấu sản xuất lúa vùng nhiễm mặn ở Việt Nam. 2 Luận văn thạc sỹ Bùi Văn Hiệu 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4.1. Đối tượng: Đối tượng nghiên cứu là cứu là tập đoàn 38 giống lúa có đặc tính chịu mặn được thu thập ở nhiều địa phương khác nhau, các giống này đang được lưu giữ và bảo tồn tại ngân hàng gen Cây trồng Quốc gia (Trung tâm Tài nguyên Thực vật) và ngân hàng gen của Viện Lúa đồng bằng sông Cửa Long 4.2. Phạm vi nghiên cứu: Đề tài nghiên cứu, đánh giá nguồn gen ở mức phân tử bằng chỉ thị SSR; Các thí nghiệm được tiến hành tại Bộ môn Kĩ thuật Di truyền - Viện Di Truyền Nông nghiệp. 3 Luận văn thạc sỹ Bùi Văn Hiệu CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Vài nét sơ lược về cây lúa 1.1.1. Nguồn gốc và sự phân bố của cây lúa Tổ tiên cây lúa đã tồn tại từ đầu kỷ Phấn trắng. Vào giữa kỷ này, xuất hiện một trong những loại nguyên thuỷ nhất thuộc tộc Oryzae, đó là loại Streptochasta Schrad. Đến cuối kỷ Phấn trắng xuất hiện loại tre (Bambusa) và loại 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 vào thời địa cầu Gondwanaland, sau khi trái đất tách rời thành năm lục địa cách đây khoảng 85-90 triệu năm [4]. Theo Chang, lúa trồng Oryza sativa được tiến hoá từ cây lúa dại hàng năm Oryza nivara. Do thích ứng với điều kiện khí hậu, đặc biệt là nhiệt độ, lúa Oryza sativa lại tiếp tục tiến hoá làm ba nhóm: Indica thích hợp với khí hậu nhiệt đới, Japonica thích ứng với khí hậu lạnh và cho năng suất cao và Javanica có đặc tính trung gian [18]. Theo Oka (1988) lại cho rằng Oryza sativa có nguồn gốc từ cây lúa dại lâu năm Oryza rufipogon [50]. Tác giả Cheng khi nghiên cứu di truyền tiến hoá của 101 giống lúa, bao gồm cả lúa trồng và lúa dại cho thấy loài lúa trồng Oryza sativa chia thành hai nhóm tương ứng với hai loài phụ là Indica và Japonica. Trong khi đó Oryza rufipogon chia thành bốn nhóm, một nhóm là Oryza rufipogon hàng niên và ba nhóm Oryza rufipogon đa niên. Kết quả cho thấy các giống lúa Japonica có quan hệ gần gũi với một nhóm Oryza rufipogon đa niên, còn các giống lúa Indica có quan hệ gần với nhóm lúa Oryza rufipogon hàng niên [20]. Ở châu Phi cả hai loài lúa dại Oryza longistaminata (đa niên) và Oryza brevigulata (hàng niên) đều hiện diện, vì vậy, nhiều tác giả cho rằng Oryza breviligulata là nguồn gốc của Oryza glaberrima [4]. Hiện nay, nhiều chuyên gia lúa gạo đồng ý rằng lúa glaberrima và lúa sativa có cùng chung nguồn thủy tổ vào thời kỳ lục địa nguyên thuỷ Gondwanaland, nhưng 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 (Khush, 1997) [36]. 4 Luận văn thạc sỹ Bùi Văn Hiệu Hình 1.1. Sơ đồ tiến hoá của hai loài lúa trồng (Khush, 1997) [36] Việc thuần hoá cây lúa diễn ra ở bán đảo Trung Ấn và được bắt đầu khoảng 10.000 - 15.000 năm trước, còn cây lúa trồng đã xuất hiện ở châu Á cách đây khoảng 8.000 năm [19,39]. Theo tác giả Chang thì O. sativa được thuần hóa ở Nam Himalaya, vùng núi Đông Nam Á và Đông Nam Trung Quốc. Từ trung tâm phát sinh, cây lúa theo thời gian đã được di thực đi nhiều vùng sinh thái mới. Qua quá trình chọn lọc tự nhiên và nhân tạo, cây lúa có khả năng thích nghi ngày càng rộng. Hiện nay, cây lúa được trồng trong những điều kiện sinh thái và khí hậu rất khác nhau. Lúa được trồng ở Tây Bắc Trung Quốc (50 o vĩ Bắc), ở miền Trung Xumatra trên đường xích đạo và ở cả New South Wales, châu Úc (35 o vĩ Nam). Lúa cũng được trồng từ những vùng thấp hơn mực nước biển, ở Kerala (Ấn Độ) đến những vùng có độ cao 2000 mét ở Kasmia (Ấn Độ) và có thể trồng trên cạn hoặc điều kiện nước sâu tới 1,5 - 5 mét [8]. 5