Luận văn Thạc sỹ: Nghiên cứu đa dạng di truyền tập đoàn lúa kháng đạo ôn của Việt Nam bằng chỉ thị SSR

Luận văn thạc sỹ Đặng Đình Hoàn MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Lúa gạo (Oryza sativa L.) 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. Khoảng 40 % dân số trên thế giới sống bằng lúa gạo, sử dụng lúa gạo làm nguồn lương thực chính. 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. Trong những năm gần đây, dựa vào sự phát triển của khoa học kỹ thuật, chúng ta đã có những bước tiến vượt bậc về sản xuất lúa gạo, mang lại nhiều lợi ích cho người sản xuất nhờ vào việc sử dụng các giống lúa có năng suất cao cùng với việc thâm canh tăng vụ. Năng suất và sản lượng lúa của thế giới và Việt Nam không ngừng tăng lên. Riêng Việt Nam năng suất và sản lượng lúa không ngừng tăng lên, theo Tổng cục thống kê: năm 1990 năng suất lúa đạt 31,8 tạ/ha; năm 1995: 36,9 tạ/ha; năm 2000: 42,4 tạ/ha; năm 2006: 48,9 tạ/ha. Sản lượng lúa năm 1990 là 19,2 triệu tấn; năm 1995: 25,0 triệu tấn; năm 2000: 32,5 triệu tấn; năm 2006: 35,8 triệu tấn. Sản lượng lúa cả năm 2010 ước tính đạt gần 40 triệu tấn, tăng 1,04 triệu tấn so với năm 2009, chủ yếu do diện tích gieo trồng ước tính đạt 7513,7 nghìn ha, tăng 76,5 nghìn ha so với năm trước và năng suất đạt 53,2 tạ/ha, tăng 0,8 tạ/ha [4]. Tuy nhiên, việc sản xuất lúa gạo luôn bị ảnh hưởng của thiên tai và dịch bệnh. Trong đó, bệnh đạo ôn là một trong những bệnh gây hại chính và ngày càng trở nên nghiêm trọng đối với nền sản xuất lúa gạo trên thế giới, đặc biệt ở một số nước Châu Á như Nhật Bản, Ấn Độ, Phillipines và Việt Nam. Khi dịch bệnh xảy ra có thể gây hại và làm giảm năng suất từ 35 - 50% tổng sản lượng. Hiện nay, ở Việt Nam bệnh đạo ôn đã gây bệnh ở cả 8 vùng sinh thái nông nghiệp, đặc biệt ở Đồng 1 Luận văn thạc sỹ Đặng Đình Hoàn bằng Sông Hồng với khí hậu ẩm nhiệt đới càng làm tăng khả năng phát triển nấm bệnh [8]. Việc nghiên cứu đa dạng di truyền tập đoàn lúa kháng đạo ôn không chỉ có ý nghĩa trong việc bảo tồn mà còn có ý nghĩa quan trọng trong công tác chọn tạo giống lúa kháng đạo ôn. Ngày nay, chỉ thị phân tử được sử dụng rộng rãi như một công cụ hữu hiệu trong nghiên cứu di truyền và cho phép đánh giá một số lượng lớn locus trải khắp bộ gen của nhiều loài cây trồng. Có rất nhiều loại chỉ thị ADN khác nhau được sử dụng để giám định các loại cây trồng. Trong đó, chỉ thị SSR dễ thực hiện, có mức độ đa hình cao, biểu hiện với số lượng lớn các allele nên rất thích hợp cho việc phân tích và đánh giá các tập đoàn; nghiên cứu đa dạng di truyền; xây dựng bản đồ gen; nghiên cứu sự phát sinh loài và nghiên cứu sự tiến hóa. Trên thế giới, đã có nhiều nghiên cứu sử dụng chỉ thị SSR để nghiên cứu đa dạng di truyền cũng như phát hiện các allele hiếm để nhận dạng chính xác các giống lúa địa phương [28], [46], [52], [54]. Theo kết quả điều tra sơ bộ của các nhà khoa học trong nước đã cho thấy nhiều giống lúa địa phương của Việt Nam có khả năng kháng tốt với bệnh đạo. Chính vì vậy, chúng tôi đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu đa dạng di truyền tập đoàn lúa kháng đạo ôn của Việt Nam bằng chỉ thị SSR” nhằm đánh giá nguồn gen, chọn lọc các dòng/giống lúa ưu việt phục vụ cho công tác chọn, tạo giống lúa kháng đạo ôn. 2. Mục tiêu nghiên cứu Đánh giá mức độ đa dạng di truyền của tập đoàn giống lúa kháng đạo ôn 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 nguồn gen và sử dụng có hiệu quả trong các chương trình chọn tạo giống lúa kháng đạo ôn ở Việt Nam. 2 Luận văn thạc sỹ Đặng Đình Hoàn 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của Đề tài 3.1. Ý nghĩa khoa học Cung cấp thêm nhiều dữ liệu, thông tin khoa học hữu ích cho công tác nghiên cứu phân tích đa dạng di truyền của giống lúa kháng đạo ôn. Hiểu biết về đa dạng di truyền của các nguồn gen lúa kháng đạo ôn tạo cơ sở lý luận cho việc chọn lọc, phục tráng để nâng cao tiềm năng di truyền của các giống lúa kháng đạo ôn phục vụ trong sản xuất. Phát hiện sai khác di truyền của các giống lúa kháng đạo ôn 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 để định hướng cho công tác thu thập bảo tồn đa dạng nguồn gen lúa kháng đạo ôn 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 kháng đạo ôn, phù hợp với điều kiện canh tác và cơ cấu sản xuất lúa ở các vùng sinh thái Nông nghiệp của Việt Nam. 4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 4.1. Đối tượng Đối tượng nghiên cứu là tập đoàn 34 giống lúa kháng đạo ôn thu thập ở các vùng, các địa phương khác nhau của Việt Nam. 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 Việt Nam. 3 Luận văn thạc sỹ Đặng Đình Hoàn CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Vài nét sơ lƣợc về cây lúa 1.1.1. Nguồn gốc và sự phân bố của cây lúa Cây lúa trồng thuộc họ Poaceae, trước đây gọi là họ Hoà thảo (Gramineae), họ phụ Pryzoideae, tộc Oryzae, chi Oryza, loài Oryza sativa và Oryza glaberrima. Loài Oryza sativa là lúa trồng ở Châu Á và Oryza glaberrima là lúa trồng ở Châu Phi. Năm 1753, Lineaeus là người đầu tiên đã mô tả và xếp loài lúa sativa thuộc chi Oryza. Dựa vào mày hạt và dạng hạt tác giả đã phân chi Oryza thành bốn nhóm là sativa, granulata, coarctala, rhynchoryza và chi Oryza gồm tất cả 19 loài [1]. Trong đó, chỉ có 2 loài là lúa trồng, còn lại là lúa hoang hằng niên và đa niên. Lúa dại hàng niên là cây lúa thẳng đứng hoặc oằn cong, mang các gié lúa với hình dạng và kích thước khác nhau. Các hạt lúa có chiều dài và hình dạng khác nhau, nhưng thường dài hơn rộng và hầu hết có đuôi. Bao phấn của chúng chỉ bằng phân nửa hoặc ngắn hơn của chiều dài hoa lúa. Lúa dại này giống như rufipogon hàng niên. Lúa dại đa niên là loại cây lúa nước sống nhiều vùng khác nhau, cây thẳng và bông lúa nhánh thưa, mang các hạt lúa mỏng, xéo nghiêng và đỉnh hạt có đuôi. Bao phấn chỉ bằng hai phần ba hoặc hơn của chiều dài bông lúa. Lúa dại này cũng giống như rufipogon đa niên. Ngoài ra, còn có loại “lúa cỏ” sống chung với lúa ruộng hoặc vùng kế cận, gây ra thất thoát lúa sau khi thu hoạch, ảnh hưởng đến chất lượng lúa gạo nếu quần thể cao. Loại lúa này còn gọi là “lúa đỏ” ở châu á, châu Phi, châu Âu và châu Mỹ. Hạt lúa cỏ rụng sớm hơn lúa trồng và sẽ mọc mầm lại mùa sau. Lúa cỏ thường có thụ phấn chéo với lúa trồng trong cùng thửa ruộng, vì thế, lúa trồng và lúa cỏ rất khó phân biệt nhau cho đến trước khi trổ bông. Đặc tính của loại lúa cỏ này có tính chất trung gian giữa lúa trồng và lúa dại. Loài lúa trồng quan trọng nhất, thích nghi rộng rãi và chiếm đại bộ phận diện tích lúa thế giới là Oryza sativa L. Loài này hầu như có mặt ở khắp nơi từ đầm lầy 4 Luận văn thạc sỹ Đặng Đình Hoàn đến sườn núi, từ vùng xích đạo, nhiệt đới đến ôn đới, từ khắp vùng phù xa nước ngọt đến vùng đất cát sỏi ven biển nhiễm mặn, phèn… Một loài lúa trồng khác là Oryza glaberrima Steud, chỉ được trồng giới hạn ở một số quốc gia Tây Châu Phi và hiện đang bị thay thế dần bởi Oryza sativa L [10]. Năm 1928 - 1930, các nhà nghiên cứu Nhật Bản đã phân loại lúa trồng thành 2 nhóm “Indica” và “Japonica” dựa trên cơ sở phân bố địa lý, hình thái cây và hạt, độ bất dục khi lai tạo và phản ứng huyết thanh (Serological reaction). Các nhà nghiên cứu Nhật Bản sau đó đã thêm một nhóm thứ 3 “Javanica” để đặt tên cho giống lúa cổ truyền của Indonesia là “bulu” và “gundil”. Tên gọi của 3 nhóm thể hiện nguồn gốc xuất phát của các giống lúa từ 3 vùng địa lý khác nhau. Từ “Janvanica” có gốc từ chữ Java là tên của một đảo của Indonesia. Từ “Japonica” có lẽ xuất xứ từ chữ Japan là tên nước Nhật Bản. Còn “Indica” có lẽ có nguồn gốc từ India (Ấn Độ). Hội nghị di truyền lúa Quốc tế đã tổ chức họp tại Viện nghiên cứu lúa Quốc tế, Philippines năm 1967 khẳng định chi Oryza có 22 loài trong đó có 20 loài lúa dại và hai loài lúa trồng. Sau khi Vaughan D. A. (1994) phát hiện thêm một loài lúa dại mới ở Papua New Ginea là loài Oryza rhizomatis, đưa số loài của chi Oryza lên 23 loài và chia thành bốn nhóm genome. Danh sách các loài, số lượng nhiễm sắc thể, bộ gen của từng loài được ghi ở Bảng 1.1 [61]. 1.1.2. Phân loại Bảng 1.1. Phân loại chi Oryza Bộ gen AA 24 AA 24 AA 24 Tên khác Số nhiễm sắc thể 24 Nhóm/loài AA I. Nhóm O. sativa 1. O. sativa L 2. O. nivara Shama et Shastry 3. O. rufipogon Griff O. rufipogon O. perennis, O. rufipogon 4. O. glaberrima Steud 5