Phát triền nguồn vật liệu đậu cô ve (Phaseolus vulgaris L.) phục vụ chương trình chọn tạo giống năng suất cao, chịu nóng và chống bệnh gỉ sắt (LA tiến sĩ)

Phát triền nguồn vật liệu đậu cô ve (Phaseolus vulgaris L.) phục vụ chương trình chọn tạo giống năng suất cao, chịu nóng và chống bệnh gỉ sắt (LA tiến sĩ)Phát triền nguồn vật liệu đậu cô ve (Phaseolus vulgaris L.) phục vụ chương trình chọn tạo giống năng suất cao, chịu nóng và chống bệnh gỉ sắt (LA tiến sĩ)Phát triền nguồn vật liệu đậu cô ve (Phaseolus vulgaris L.) phục vụ chương trình chọn tạo giống năng suất cao, chịu nóng và chống bệnh gỉ sắt (LA tiến sĩ)Phát triền nguồn vật liệu đậu cô ve (Phaseolus vulgaris L.) phục vụ chương trình chọn tạo giống năng suất cao, chịu nóng và chống bệnh gỉ sắt (LA tiến sĩ)Phát triền nguồn vật liệu đậu cô ve (Phaseolus vulgaris L.) phục vụ chương trình chọn tạo giống năng suất cao, chịu nóng và chống bệnh gỉ sắt (LA tiến sĩ)Phát triền nguồn vật liệu đậu cô ve (Phaseolus vulgaris L.) phục vụ chương trình chọn tạo giống năng suất cao, chịu nóng và chống bệnh gỉ sắt (LA tiến sĩ)Phát triền nguồn vật liệu đậu cô ve (Phaseolus vulgaris L.) phục vụ chương trình chọn tạo giống năng suất cao, chịu nóng và chống bệnh gỉ sắt (LA tiến sĩ)Phát triền nguồn vật liệu đậu cô ve (Phaseolus vulgaris L.) phục vụ chương trình chọn tạo giống năng suất cao, chịu nóng và chống bệnh gỉ sắt (LA tiến sĩ)Phát triền nguồn vật liệu đậu cô ve (Phaseolus vulgaris L.) phục vụ chương trình chọn tạo giống năng suất cao, chịu nóng và chống bệnh gỉ sắt (LA tiến sĩ)Phát triền nguồn vật liệu đậu cô ve (Phaseolus vulgaris L.) phục vụ chương trình chọn tạo giống năng suất cao, chịu nóng và chống bệnh gỉ sắt (LA tiến sĩ)Phát triền nguồn vật liệu đậu cô ve (Phaseolus vulgaris L.) phục vụ chương trình chọn tạo giống năng suất cao, chịu nóng và chống bệnh gỉ sắt (LA tiến sĩ)Phát triền nguồn vật liệu đậu cô ve (Phaseolus vulgaris L.) phục vụ chương trình chọn tạo giống năng suất cao, chịu nóng và chống bệnh gỉ sắt (LA tiến sĩ)Phát triền nguồn vật liệu đậu cô ve (Phaseolus vulgaris L.) phục vụ chương trình chọn tạo giống năng suất cao, chịu nóng và chống bệnh gỉ sắt (LA tiến sĩ)Phát triền nguồn vật liệu đậu cô ve (Phaseolus vulgaris L.) phục vụ chương trình chọn tạo giống năng suất cao, chịu nóng và chống bệnh gỉ sắt (LA tiến sĩ)Phát triền nguồn vật liệu đậu cô ve (Phaseolus vulgaris L.) phục vụ chương trình chọn tạo giống năng suất cao, chịu nóng và chống bệnh gỉ sắt (LA tiến sĩ)Phát triền nguồn vật liệu đậu cô ve (Phaseolus vulgaris L.) phục vụ chương trình chọn tạo giống năng suất cao, chịu nóng và chống bệnh gỉ sắt (LA tiến sĩ)Phát triền nguồn vật liệu đậu cô ve (Phaseolus vulgaris L.) phục vụ chương trình chọn tạo giống năng suất cao, chịu nóng và chống bệnh gỉ sắt (LA tiến sĩ)

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

PHẠM THỊ NGỌC

PHÁT TRIỂN NGUỒN VẬT LIỆU ĐẬU CÔ VE

(PHASEOLUS VULGARIS L.) PHỤC VỤ CHƯƠNG TRÌNH

CHỌN TẠO GIỐNG NĂNG SUẤT CAO, CHỊU NÓNG

VÀ CHỐNG BỆNH GỈ SẮT

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC NÔNG NGHIỆP - 2017

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

PHẠM THỊ NGỌC

PHÁT TRIỂN NGUỒN VẬT LIỆU ĐẬU CÔ VE

(PHASEOLUS VULGARIS L.) PHỤC VỤ CHƯƠNG TRÌNH

CHỌN TẠO GIỐNG NĂNG SUẤT CAO, CHỊU NÓNG

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 dùng để bảo vệ 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 chỉ rõ nguồn gốc

Hà Nội, ngày… tháng… năm 2017

Tác giả luận án

Phạm Thị Ngọc

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án, tôi đã nhận được sự hướng 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 được bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới GS.TS Vũ Văn Liết đã tận tình hướng dẫn, dành nhiều công sức, thời gian và tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài

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, cán bộ viên chức Viện nghiên cứu và phát triển cây trồng, Dự án JICA-DCG, Bộ môn Công nghệ vi sinh – Khoa Công nghệ sinh học đã giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài

Xin chân thành cảm ơn gia đình, người thân, bạn bè, đồng nghiệp và các em sinh viên thực tập tốt nghiệp đã tạo mọi điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tôi về mọi mặt, động viên khuyến khích tôi hoàn thành luận án./

Hà Nội, ngày tháng năm 2017

Nghiên cứu sinh

Phạm Thị Ngọc

2.1.3 Đa dạng di truyền đậu cô ve trồng (giống bản địa và giống cải tiến) 7 2.1.4 Khai thác nguồn gen hoang dại và họ hàng hoang dại 10

2.3.1 Đặc điểm của nấm U appendiculatus gây hại trên đậu cô ve 20

2.3.3 Di truyền và đa dạng nguồn gen kháng bệnh gỉ sắt ở đậu cô ve 26

2.3.6 Chọn giống đậu cô ve kháng bệnh gỉ sắt 30

3.5.1 Nội dung 1: Thu thập và đánh giá đánh giá nguồn vật liệu đậu cô ve 36 3.5.2 Nội dung 2: Đánh giá năng suất và khả năng chịu nóng của các mẫu

3.5.3 Nội dung 3: Lai tạo và chọn lọc dòng đậu cô ve năng suất, chịu nóng 42 3.5.4 Nội dung 4: Sàng lọc và tạo nguồn vật liệu đậu cô ve kháng bệnh gỉ sắt 42

4.1.1 Đánh giá một số đặc điểm nông sinh học chính của các mẫu giống đậu cô ve 47 4.1.2 Đánh giá đa dạng di truyền của các mẫu giống đậu cô ve thu thập dựa

4.2 Đánh giá khả năng sinh trưởng phát triển, năng suất và khả năng chịu

4.2.1 Đặc điểm sinh trưởng phát triển của 15 mẫu giống đậu cô ve tuyển chọn 60 4.2.2 Đặc điểm hình thái quả của 15 mẫu giống đậu cô ve 62 4.2.3 Đặc điểm hình thái hạt của các mẫu giống đậu cô ve tuyển chọn 63 4.2.4 Năng suất và các yếu tố cấu thành năng suất quả tươi của 15 mẫu giống

4.2.5 Đánh giá khả năng chống chịu với sâu bệnh hại tự nhiên của các mẫu

4.2.6 Đánh giá khả năng chịu nóng của các mẫu giống đậu cô ve tuyển chọn 68 4.3 Kết quả lai tạo và chọn lọc dòng đậu cô ve năng suất, chịu nóng 79

4.3.2 Đánh giá biến động di truyền của một số tính trạng liên quan đến năng

4.3.4 Đặc điểm nông sinh học của các dòng đậu cô ve mới 83 4.3.5 Đặc điểm hình thái, chất lƣợng quả của các dòng đậu cô ve mới lai tạo 85 4.3.6 Đặc điểm hình thái hạt của các dòng đậu cô ve mới lai tạo 87 4.3.7 Năng suất và các yếu tố cấu thành năng suất của các dòng đậu cô ve mới

4.3.8 Đánh giá khả năng chịu nóng của các dòng đậu cô ve mới lai tạo 90 4.3.9 Khả năng chống chịu sâu bệnh hại trên đồng ruộng của các dòng đậu cô

4.4 Sàng lọc và tạo nguồn vật liệu đậu cô ve kháng bệnh gỉ sắt 94 4.4.1 Nghiên cứu, sàng lọc mẫu giống đậu cô ve kháng bệnh gỉ sắt bằng lây

4.4.2 Đánh giá phản ứng với nấm gỉ sắt trên đồng ruộng của các mẫu giống

4.4.3 Kiểm tra sự có mặt của các gen kháng gỉ sắt bằng chỉ thị phân tử 99

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Chữ viết đầy đủ

AFLP Amplified Fragment Length Polymorphism

(Đa hình chiều dài các đoạn ADN nhân bản chọn lọc)

bp Base pair (Cặp nucleotit – bazơ ni tơ)

BPGV Portuguese Bank of Plant Germplasm

(Ngân hàng nguồn gen cây trồng Bồ Đào Nha) cDNA complementary DNA (DNA bổ sung)

CGIAR Consultative Goup for International Agicultural

(Tổ chức tư vấn nông nghiệp quốc tế)

CIAT International Central for Topical Agiculture

(Trung tâm Nông nghiệp nhiệt đới quốc tế)

cM Centimorgan (Đơn vị chiều dài bản đồ di truyền)

DNA Deoxyribonucleic Acid (Axit deoxyribonucleic

EDTA Ethylene Diamine Tetra Acetic

FAO Food and Agiculture Organization of the United Nations

(Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên Hiệp Quốc) GCV Genotypic Coefficient of Variation (Hệ số biến động kiểu gen) GMP Geometric Mean Productivity (Năng suất trung bình hình học) HII Heat Intensity Index (Chỉ số cường độ nhiệt)

HSI Heat Susceptibility Index (Chỉ số mẫn cảm nóng)

Hsps Heat-shock proteins (Protein sốc nhiệt)

HTI Heat Tolerance Index (Chỉ số chịu nóng)

iPBS Interprimer binding sites

IPCC Intergoverment Panel on Climate Change

(Ủy ban Liên Chính phủ về biến đổi khí hậu)

IPGRI International Plant Genetic Resources Institute

(Viện Tài nguyên di truyền thực vật Quốc tế) Isolate Mẫu bệnh thu thập

JICA Japan International Cooperation Agency

(Cơ quan hợp tác quốc tế Nhật Bản)

MAS Marker Assisted Selection (Chọn lọc nhờ chỉ thị phân tử)

MP Mean Productivity (Năng suất trung bình)

NILs Nearly Isogenic Lines (Dòng đẳng gen)

OP Open pollinated (Thụ phấn tự do)

PCR Polymerase Chain Reaction (Phản ứng chuỗi trùng hợp)

PCV Phenotypic Coefficient of Variation (Hệ số biến động kiểu hình)

PIC Polymorphic Information Content (Hàm lượng thông tin đa hình) QTL Quantitative Trait Loci (Vị trí tính trạng số lượng)

RAPD Randomly Amplified Polymorphic DNAs

(Đa hình các đoạn ADN khuếch đại ngẫu nhiên) RCBD Randomized Complete Block Designs (Khối ngẫu nhiên hoàn chỉnh)

RFLP Restriction Fragment Length Polymorphism

(Đa hình chiều dài mảng phân cắt giới hạn)

SCAR Sequence Characterized Amplified Region

(Vùng khuếch đại trình tự đặc trưng)

SNPs

Single Nucleotide Polymorphism (Đa hình của các nucleotide đơn) SSR Simple Sequence Repeats (Những trình tự lặp lại đơn giản)

TOL Tolerance (Chỉ số chống chịu)

UPGMA Unweighted Pair Group Method using Arithmetic Averages (Phương

pháp nhóm cặp không trọng số trung bình toán học) USDA United States Department of Agriculture (Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ)

2.2 Danh sách và hệ thống danh pháp phân loại chủng sinh lý của nấm gỉ sắt

Uromyces appendiculatus tại Hội thảo Quốc tế lần thứ 3 năm 2002 tại

2.3 Thang điểm đánh giá mức độ nhiễm bệnh gỉ sắt trên đối tượng đậu cô ve

2.4 Thang điểm đánh giá mức độ nhiễm bệnh gỉ sắt dưới điều kiện đồng ruộng

theo phương pháp của Van Schoonhoven and Pastor-Corrales, 1987 26

3.2 Phân nhóm hình dạng Quả dựa theo chiều dài và chiều rộng quả 38

3.4 Phân nhóm hình dạng hạt dựa theo tỉ lệ chiều dài/chiều rộng hạt 39 3.5 Thang điểm đánh giá mức độ nhiễm bệnh thối gốc, lở cổ rễ 40

4.1 Phân nhóm các mẫu giống đậu cô ve trong tập đoàn theo mục đích sử dụng 47 4.2 Phân nhóm các mẫu giống đậu cô ve trong tập đoàn theo một số đặc điểm

4.6 Danh sách 15 mẫu giống đậu cô ve được chọn lọc năm 2013 tại Gia Lâm,

4.7 Thời gian qua các giai đoạn sinh trưởng của 15 mẫu giống đậu cô ve

trong vụ Đông 2013 và vụ Xuân 2014 tại Gia Lâm, Hà Nội 60

4.8 Một số đặc điểm sinh trưởng phát triển và hình thái của 15 mẫu giống

4.9 Đặc điểm hình thái quả của 15 mẫu giống đậu cô ve nghiên cứu 62 4.10 Một số đặc điểm hình thái hạt của 15 mẫu giống đậu cô ve nghiên cứu 64 4.11 Các yếu tố cấu thành năng suất của 15 mẫu giống đậu cô ve leo nghiên

cứu trong vụ Đông 2013 và vụ Xuân 2014 tại Gia Lâm, Hà Nội 65 4.12 Khả năng chống chịu sâu bệnh hại tự nhiên của các mẫu giống đậu cô ve

tuyển chọn trong vụ Đông 2013 và vụ Xuân 2014 tại Gia Lâm, Hà Nội 67 4.13 Một số đặc điểm và tính trạng liên quan đến khả năng chịu nóng của 15

dòng đậu cô ve nghiên cứu trong vụ Xuân Hè năm 2013 và 2014 tại Gia

4.14 Độ hữu dục của hạt phấn của 15 mẫu giống đậu cô ve nghiên cứu trong

4.15 Các chỉ số chịu nóng của các mẫu giống đậu cô ve dựa trên năng suất quả

4.16 Các chỉ số chống chịu nóng của các mẫu giống đậu cô ve tính theo năng

suất hạt khô trong năm 2013 và 2014 tại Gia Lâm, Hà Nội 74 4.17 Hệ số tương quan giữa các chỉ số chống chịu nóng tính theo năng suất cá

4.18 Hệ số tương quan giữa các chỉ số chống chịu nóng tính theo năng suất cá

4.19 Hệ số tương quan giữa các tính trạng liên quan đến khả năng chịu nóng

với năng suất hạt khô và các chỉ số chống chịu nóng 78 4.20 Hệ số tương quan giữa các tính trạng liên quan đến khả năng chịu nóng

với năng suất quả tươi và các chỉ số chống chịu nóng 78 4.21 Một số đặc điểm của các mẫu giống chọn lọc là bố mẹ 79 4.22 Một số mô tả thống kê và thông số biến động di truyền của một số tính

trạng liên quan đến năng suất của các các dòng bố mẹ 80 4.23 Hệ số tương quan giữa phương sai kiểu gen (nửa phía trên) và phương sai

kiểu hình (nửa phía dưới) với các tính trạng năng suất 81 4.24 Đặc điểm hình thái của các dòng đậu cô ve thế hệ F4 83

4.25 Thời gian qua các giai đoạn sinh trưởng và đặc điểm sinh trưởng của các

dòng đậu cô ve thế hệ F4 trong vụ Xuân và Xuân Hè 2016 tại Gia Lâm,

4.32 Khả năng chống chịu sâu bệnh hại trên đồng ruộng của các dòng đậu cô

ve mới lai tạo trong vụ Xuân và Xuân Hè 2016 tại Gia Lâm, Hà Nội 93 4.33 Kết quả lây nhiễm nhân tạo bào tử nấm gỉ sắt trên các mẫu giống đậu cô

ve nghiên cứu trong vụ Xuân 2015 tại Gia Lâm, Hà Nội 96 4.34 Đánh giá mức độ nhiễm bệnh gỉ sắt dựa trên diện tích lá bị bệnh 97 4.35 Đánh giá cấp độ bệnh gỉ sắt theo kích thước cụm bào tử 98 4.36 Kết quả chạy PCR tìm 8 gen kháng gỉ sắt trên các mẫu giống đậu cô ve 103 4.37 Kết quả chạy PCR kiểm tra gen kháng Ur-11 ở các dòng đậu cô ve thế hệ F4 106 4.38 Một số đặc điểm nông sinh học của 2 dòng đậu cô ve F4 mang gen kháng

DANH MỤC HÌNH

2.2 Sơ đồ tóm tắt phản ứng của thành tế bào với bất thuận nóng 14

2.5 Vị trí chỉ thị OX11630 và OF101,050, biểu hiện khoảng cách di truyền (cM)

2.6 Một phần bản đồ liên kết của đậu cô ve phát triển bằng chỉ thị AFLP và

2.7 Gen kháng trên nhóm di truyền 4, 8 và 11 của đậu cô ve 30 4.1 Sơ đồ quan hệ di truyền 60 mẫu giống nghiên cứu dựa trên chỉ thị hình thái 54 4.2 Kết quả chạy điện di sản phẩm PCR của 60 mẫu giống đậu cô ve nghiên

4.5 Biều đồ năng suất cá thể của 11 dòng đậu cô ve mới lai tạo trong vụ

4.8 Ảnh điện di PCR 10 chỉ thị SCAR liên kết với 8 gen kháng gỉ sắt 100 4.9 Ảnh điện di sản phẩm PCR của 28 dòng đậu cô ve thế hệ F4 với chỉ thị

TRÍCH YẾU CỦA LUẬN ÁN Tên tác giả: Phạm Thị Ngọc

Tên Luận án: Phát triển nguồn vật liệu đậu cô ve (Phaseolus vulgaris L.) phục vụ

chương trình chọn tạo giống năng suất cao, chịu nóng và chống bệnh gỉ sắt

Chuyên ngành: Di truyền và Chọn giống cây trồng Mã số: 62 62 01 11

Tên cơ sở đào tạo: Học viện Nông nghiệp Việt Nam

Mục đích nghiên cứu

Tạo lập tập đoàn công tác, phát triển và cung cấp nguồn vật liệu di truyền ưu tú cho chương trình chọn tạo giống đậu cô ve năng suất cao, chịu nóng và chống bệnh gỉ sắt cho các tỉnh phía Bắc Việt Nam

Phương pháp nghiên cứu

- Các đặc điểm nông sinh học, đa dạng di truyền của nguồn vật liệu được đánh giá theo phương pháp đánh giá nguồn gen của IPGRI, 2001 Thí nghiệm được bố trí theo phương pháp khảo sát tập toàn, 2 lần nhắc lại, diện tích ô thí nghiệm 5m2

- Thí nghiệm đánh giá khả năng chịu nóng của 15 mẫu giống đậu cô ve tuyển chọn

từ tập đoàn được trồng trong 3 vụ là vụ Đông 2013, vụ Xuân 2014 và vụ Xuân Hè 2014 Phương pháp đánh giá theo CIAT, 2012

- Thí nghiệm đánh giá phản ứng nhiễm bệnh gỉ sắt trên đồng ruộng của 15 mẫu giống đậu cô ve tuyển chọn từ tập đoàn được trồng trong vụ Xuân 2015 Phương pháp đánh giá theo phương pháp của Van Schoonhoven and Pastor-Corrales (1987)

- Thí nghiệm đánh giá các dòng đậu cô ve thế hệ F4 mới lai tạo được trồng trong vụ Xuân và vụ Xuân Hè 2016

Các thí nghiệm được bố trí theo khối ngẫu nhiên hoàn chỉnh (RCBD), 2 lần lặp lại, mỗi ô 5m2

- Phương pháp chỉ thị phân tử: sử dụng chỉ thị phân tử SSR đánh giá đa dạng di truyền, chỉ thị SCAR dò tìm gen kháng bệnh gỉ sắt, ADN được chiết tách theo phương pháp của Doyle and Doyle (1990) có cải tiến, phản ứng PCR khuyếch đại và điện di trên gel agarose 4%

- Phương pháp lây nhiễm nấm gỉ sắt nhân tạo: được thực hiện theo phương pháp

của Ariarathne và Pradeep Nuwan (2001) và có thay đổi cho phù hợp với điều kiện thí nghiệm

- Phương pháp lai: lai tạo theo phương pháp truyền thống: Lai hữu tính, lai đơn khử đực và thụ phấn bằng tay, cách ly bằng bao cách ly

Các kết quả chính và kết luận:

1) Thu thập được 60 mẫu giống đậu cô ve khá đa dạng bao gồm 2 loại hình sinh trưởng là thân bụi (22 mẫu giống) và thân leo (38 mẫu giống) với 2 loại hình sử dụng: ăn quả tươi và ăn hạt, 3 nhóm màu sắc quả (xanh, vàng, tím) và 8 nhóm màu sắc hạt Trên cơ

sở dữ liệu đặc điểm nông sinh học kết hợp với sử dụng chỉ thị phân tử SSR đã phân nhóm

di truyền của của 60 mẫu giống trong tập đoàn công tác Dựa trên dữ liệu về đặc điểm nông sinh học đã phân chia tập đoàn thành 4 nhóm với hệ số tương đồng di truyền dao động từ 0,1 đến 0,5 Dựa trên 15 chỉ thị phân tử SSR cho đa hình đã phân chia 22 mẫu giống đậu cô

ve thân bụi thành 2 nhóm với hệ số tương đồng di truyền từ 0,52 đến 1,0 và 38 mẫu giống đậu cô ve thân leo cũng được phân thành 2 nhóm với hệ số tương đồng di truyền từ 0,55 đến 1,0 Đây là nguồn vật liệu di truyền khá đa dạng phục vụ chương trình chọn giống đậu

cô ve ở Việt Nam

2) Chọn được 15 mẫu giống từ tập đoàn thu thập để đánh giá sàng lọc cho chọn giống Đã nhận biết 3 mẫu giống có tiềm năng năng suất cao là CV05, CV07 và CV22; 4 mẫu giống có khả năng chịu nóng khi trồng trong vụ Xuân Hè là CV41, CV42, CV67 và CV69; 1 mẫu giống kháng với mẫu bệnh gỉ sắt thu thập là DLO22

3) Từ kết quả đánh giá mức độ phản ứng với nấm bệnh gỉ sắt của 15 mẫu giống đậu

cô ve tuyển chọn từ tập đoàn thu thập thông qua thí nghiệm lây nhiễm nhân tạo, khảo sát trên đồng ruộng kết hợp với kiểm tra sự có mặt của các gen kháng gỉ sắt bằng 10 chỉ thị

SCAR cho thấy Ur-11 là gen kháng với các mẫu bệnh gỉ sắt thu thập tại Việt Nam

4) Sử dụng các dòng đậu cô ve chịu nóng trong lai giống, đã chọn được 5 dòng đậu

cô ve thế hệ F4 là BH1, BH2, BH3, BH4 và BH11 có năng suất cao và chịu nóng, thích hợp với vụ Xuân Hè ở miền Bắc

5) Sử dụng dòng đậu cô ve kháng bệnh gỉ sắt trong lai giống đã chọn được 2 dòng F4

mang gen kháng gỉ sắt Ur-11 đó là BR8/15/16 và BR11/38/27 có khả năng chống chịu với

chủng gỉ sắt ở miền Bắc Việt Nam

THESIS ABSTRACT PhD candidate: PHAM THI NGỌC

Thesis title: Development of the common bean (Phaseolus vulgaris L.) germplasm for

variety breeding with high yield, heat tolerance and rust resistance

Major: Plant Genetics and Breeding Code: 62.62.02.11

Education organization: Vietnam National University of Agriculture

Research Objectives: To creat common bean working collection to develop common

bean germplasm to identify new promising lines with high yield, tolerance to heat temperature and rust resistance for common bean breeding in the North of Vietnam

Materials and Methods:

Characterization of gene resources using method of IPGRI, 2001 (International Plant Genetic Resources Institute) including 60 accessions from domestic and exotic germplasm collection

Evaluation of germplasm accessions in the field experiment which is laid out as the simple lattice design with 2 replications, the area of plots: 5 m2 (1 x 5m)

Characterization and screening for heat tolerance genotypes on the field experiment is used by method of CIAT (2012)

Evaluation of genotypes for rust resistant on the field experiment is used by method of Van Schoonhoven and Pastor-Corrales (1987)

Evaluation of genotypes for rust resistant in geenhouse was implemented by Ariarathne and Pradeep Nuwan (2001) method with modifying

Using SSR marker to evaluated diversity, and SCAR marker detected genes resistance to rust, DNA was extracted according to Doyle and Doyle method (1990) with modified, amplified DNA fragments and Amplification products were separated in 4% agarose gel containing 10 µg ethidium bromide/ml, visualized under UV light Hybridization method is single cross between two parents and emasculated and pollinated technique by hand and utilization isolated by bag

Statistical analysis: the quantitative traits were analysed for various statistical parameters mean, range, variances, correlations etc Phenotypic and genotypic coefficients of variation (PCV and GCV) for each trait were computed as PCV = (σ2P/ mean) x 100, GCV = (σ2

G/ mean) x 100 as per (Burton, 1952) Broad sense heritability was estimated as h2(bs) = (σ2

G / σ2P) x 100 as per Lush (1940) Heat Toletance Index is calculated by method of Fernandez (1993) Genetic similarity according to Nei and Li (1979) Software used are EXCEL 2013, IRRISTAT ver.5.0, and NTSYS-pc version 2.1

(Rohlf, 2000)

Main findings and Conclusions

Scientific and practical significance:

- Evaluated and identified genetic diversity of common bean germplasm collected from domestic and exotic

- Identifying for heat tolerance and rust resistance in common bean germplasm which were collected from domestic and exotic and utilized for breeding progam of common bean

- Selected the elite lines from crosses with character of heat tolerance and rust resistance

Conclusions:

- There were selected 60 accessions of common bean with two kinds of gowth

habit (bush and climbing habit) and two kinds of consumption produce (snap bean and dry bean) with 3 goups of pod color (geen, purple and yellow) and 8 goups of seed color This is valuable germplasm using for common bean breeding progam

- Identified bio-agonomical characteristics of collecting materials, classified genetic goups by phonotypical and molecular markers This is basis data using for breeding of common bean

- Screening germplasm and selected 15 best accessions from germplasm among them there are 3 high yield accessions (CV05, CV07, CV22); 4 heat tolerant accessions (CV41, CV42, CV67 and CV69); 1 rust resistant accession (DLO22)

- Combination of checked rust resistance genes to detect on the genome of 15 selected common bean accessions with the results of evaluation rust resistant accessions

in geenhouse and in the field showed that Ur-11 gene can resist to rust isolates, that

collected in the North of Vietnam

- Crossing and segment selecting were selected 5 high yield, heat tolerant lines which adapted with Spring – summer season in North of Vietnam including BH1, BH2, BH3, BH4 and BH11

- Selected 2 lines from F4 populations (BR8/15/16 and BR11/38/27) which

contained Ur-11 gene resistance to rust isolates collecting from the North of Vietnam.

PHẦN 1 MỞ ĐẦU 1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Đậu cô ve (Phaseolus vulgaris L.) đã được thuần hóa khoảng 8000 năm

trước đây ở châu Mỹ và ngày nay trở thành một loại thực phẩm chính trên phạm

vi toàn thế giới Bên cạnh việc cung cấp năng lượng, đậu cô ve còn là nguồn protein và dinh dưỡng vi lượng cho con người Nó được sử dụng rộng rãi ở các nước đang phát triển bởi giá thành rẻ hơn protein động vật, lại có thể tồn trữ, bảo quản được thời gian dài hơn Cũng như các loài cây họ đậu khác, đậu cô ve còn

có giá trị to lớn về kinh tế và môi trường do nó có khả năng cố định đạm nên trong quá trình canh tác loài cây trồng này có thể giảm bớt việc sử dụng phân bón hóa học - chìa khóa của vệ sinh an toàn thực phẩm và phát triển nông nghiệp bền

vững (Castro-Guerrero et al., 2016)

Với những giá trị to lớn của cây trồng này, đậu cô ve đã trở thành cây họ đậu quan trọng được trồng rộng rãi khắp trên thế giới, là nguồn dinh dưỡng của hơn 300 triệu người, đặc biệt ở Đông Phi và Mỹ La Tinh đậu cô ve cung cấp 85%

lượng protein và 32% năng lượng sinh học (Petry et al., 2015) Với sản lượng

hàng năm khoảng 12 triệu tấn, Châu Mỹ La tinh là khu vực đứng đầu về sản xuất đậu cô ve, trong đó hai nước sản xuất lớn nhất là Brazil và Mexico Châu Phi là vùng quan trọng thứ 2, sản xuất khoảng 2,5 triệu tấn/năm, tập trung ở các nước Uganda, Kenya, Rwanda, Burundi, Tanzania, và Congo Ở châu Á, hai nước có sản lượng lớn nhất là Ấn Độ và Trung Quốc với khoảng hơn 4 triệu tấn/năm Ở

Mỹ, đậu cô ve là cây trồng kinh tế quan trọng với diện tích trồng đậu cô ve lấy

hạt là 769 nghìn ha năm 2012 và đã đem lại giá trị 1,5 triệu đô la (Petry et al.,

2015; CGIAR, 2016)

Theo CIAT (1991), cây đậu cô ve có đặc điểm chung là năng suất không ổn định do các yếu tố bất thuận phi sinh học như khí hậu thời tiết và đất đã ảnh hưởng đến sinh trưởng và phát triển của cây Cây đậu cô ve thường được trồng dưới điều kiện canh tác nhờ nước trời, trong điều kiện đó bệnh hại là một yếu tố khiến năng suất thấp và không ổn định Nông dân thường trồng muộn hoặc sớm hơn để tránh bệnh hại và điều đó đã do đó ảnh hưởng đến khả năng đậu quả của cây đậu cô ve do thời gian ra hoa rơi vào thời điểm thời tiết khí hậu không phù dẫn tới giảm tỉ lệ đậu quả khiến năng suất thấp

Luque and Creamer (2014) đã phối hợp với CIAT nghiên cứu nhận biết

những trở ngại chính và xu hướng sản xuất, tiêu thụ trong sản xuất đậu cô ve Các tác giả đã đề xuất rằng cần chọn lọc giống với một số tính trạng như chống chịu điều kiện bất thuận, cải tiến năng suất, kháng sâu bệnh và sản phẩm phù hợp

với yêu cầu thị trường, cải tiến chất lượng dinh dưỡng Lima et al., 2015 cho

rằng một giống đậu cô ve triển vọng phải tổ hợp được một số tính trạng mà người sản xuất và người tiêu dùng chấp nhận Ở Brazil, người sản xuất yêu cầu phải có năng suất cao, cấu trúc cây phù hợp, kháng một số sâu bệnh chính và dạng hạt phù hợp với thị trường, trong khi đó người tiêu dùng quan tâm đến tính trạng chất lượng hạt Do vậy, một chương trình chọn tạo giống cố gắng đáp ứng được

những yêu cầu thị trường (Lima et al., 2015)

Nghiên cứu của Singh (2001) cũng kết luận sản xuất đậu cô ve trên thế giới

bị hạn chế do gặp bất thuận sinh học và phi sinh học Nền di truyền của các giống thương mại ở mức hẹp và không phù hợp cho chống chịu bất thuận sinh học và phi sinh học Để sản xuất đậu cô ve bền vững cần chọn tạo giống đậu cô ve có năng suất cao, chất lượng tốt, giảm phụ thuộc vào nước tưới, phân bón, thuốc trừ sâu bệnh và chi phí công lao động Yêu cầu này đặt ra mục tiêu cải tiến giống bằng quy tụ các alen phù hợp từ các giống trồng, họ hàng hoang dại vào giống thương mại ưu tú Cách tiếp cận của chương trình tạo giống đậu cô ve gồm: (i) chuyển gen từ nguồn gen vào giống phổ biến trong sản xuất, (ii) quy tụ các allele phù hợp từ các nguồn khác nhau, và (iii) cải tiến đồng thời một số tính trạng năng suất, chất lượng và chống chịu Ngày nay, với sự hỗ trợ của kỹ thuật phân tử có thể nhận biết và quy tụ gen chống chịu từ loài dại và giống bản địa vào nền di

truyền ưu tú một cách dễ dàng hơn (Gujaria-Verma et al., 2016) Griffiths (2009)

khuyến cáo rằng đậu cô ve ăn quả là một cây trồng rất quan trong ở nhiều nước,

nó đem lại giá trị kinh tế và dinh dưỡng cho người dân Mặc dù vậy, bệnh gỉ sắt

(Uromyces appendiculatus) và bất thuận phi sinh học như nhiệt độ cao đã hạn

chế sản xuất đậu cô ve ở nhiều khu vực vùng nhiệt đới Nâng cao khả năng chống chịu với nhiều chủng gỉ sắt cũng như thích nghi với nhiệt độ cao là chiến lược chìa khóa trong tạo giống đậu cô ve ở các nước nhiệt đới

Ở Việt Nam, Ngô Thế Dân và cs (1999), Nguyễn Văn Thiết và cs (2002), Trần Thị Trường và cs (2013) đã chỉ ra rằng sâu bệnh hại, thiếu giống cho năng suất cao, giống có khả năng chống chịu với sâu bệnh hại là những yếu tố chính gây hạn chế sản xuất cây đậu đỗ Với cây đậu cô ve, công tác chọn tạo và phát triển giống còn rất hạn chế Tính đến năm 2009 mới có 3 giống đậu cô ve được

công nhận giống là: giống đậu cô ve leo do Công ty Giống cây trồng miền Nam tuyển chọn từ giống đậu nhập nội của Đài Loan, được trồng phổ biến từ năm 1996; giống đậu cô ve leo hạt trắng, do Công ty Cổ phần Giống cây trồng miền Nam chọn lọc quần thể từ giống OP nhập nội của Ấn Độ, mở rộng sản xuất năm 2000; giống đậu cô ve lùn hạt trắng do Công ty cổ phần Giống cây trồng miền Nam chọn lọc quần thể từ giống OP nhập nội; mở rộng vào sản xuất năm 2000 (Phạm Đồng Quảng và cs., 2009) Viện nghiên cứu Rau quả cũng đã nhập nội và tuyển chọn được 2 giống đậu cô ve thân leo TL1 và giống đậu cô ve tím CVT02 (Trần Văn Lài và cs., 2005) Những giống có trong sản xuất hiện nay chủ yếu là giống nhập nội hoặc do các công ty nước ngoài cung cấp, khả năng thích ứng với điều kiện nóng ẩm cũng như khả năng chống chịu bệnh kém (Phạm Đồng Quảng

và cs., 2009)

Nghiên cứu về đa dạng di truyền nguồn gen và bệnh gỉ sắt trên cây đậu đỗ ở Việt Nam Chu Hoàng Mậu và cs (2011) đã nghiên cứu đa dạng nguồn vật liệu di truyền và kháng bệnh gỉ sắt trên cây đậu tương hay nghiên cứu của Vũ Thanh Trà và cs (2011) về mối quan hệ di truyền của một số giống đậu tương Việt Nam

có phản ứng khác nhau với bệnh gỉ sắt Tuy nhiên, nghiên cứu vật liệu di truyền

và kháng bệnh trên đậu cô ve còn rất hạn chế

Từ những đòi hỏi thực tiễn trên, việc phát triển vật liệu đậu cô ve để phục vụ cho công tác chọn giống có năng suất cao, chống chịu tốt với điệu kiện bất thuận

và sâu bệnh là chiến lược quan trọng trong chọn tạo giống đậu cô ve ở Việt Nam

1.2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

Tạo lập tập đoàn công tác các mẫu giống đậu cô ve, chọn lọc và phát triển các dòng đậu cô ve mới theo hướng năng suất, chịu nóng và kháng bệnh gỉ sắt cho các tỉnh phía Bắc Việt Nam

- Phát triển nguồn vật liệu các dòng đậu cô ve mới có khả năng chịu nóng

và kháng bệnh gỉ sắt tại miền Bắc Việt Nam

1.4 NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA ĐỀ TÀI

- Thu thập và đánh giá được mức độ đa dạng di truyền của tập đoàn công tác bao gồm 60 mẫu giống đậu cô ve mới trong nước và nhập nội ở điều kiện miền Bắc Việt Nam Đây là nguồn vật liệu di truyền có giá trị trong chọn tạo giống và phát triển sản xuất đậu cô ve

- Đã xác định được 4 mấu giống đậu cô ve trong tập đoàn nghiên cứu có khả năng chịu nóng tốt (CV41, CV42, CV67, CV69), nhiều dòng đậu cô ve mang

một số gen kháng bệnh gỉ sắt khác nhau, trong đó đã xác định được gen Ur-11 có

ý nghĩa quan trọng nhất trong phản ứng kháng bệnh gỉ sắt đậu cô ve ở miền Bắc Việt Nam

- Chọn lọc được 5 dòng đậu cô ve thế hệ F4 có khả năng chịu nóng khi

trồng trái vụ (vụ Xuân Hè) và 2 dòng mang gen kháng gỉ sắt Ur-11 góp phần vào

công tác chọn tạo giống đậu cô ve ở Việt Nam

1.5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

1.5.1 Ý nghĩa khoa học

Đề tài đã phân tích, đánh giá mức độ đa dạng di truyền của nguồn vật liệu đậu cô ve thu thập trong nước và nhập nội, phân lập các nhóm vật liệu theo các tính trạng mục tiêu làm cơ sở dữ liệu cho công tác chọn tạo giống đậu cô ve năng suất, chịu nóng và kháng bệnh gỉ sắt

Thông qua lây nhiễm nhân tạo kết hợp với sử dụng chỉ thị phân tử ADN để xác định gen kháng hiệu quả với các mẫu bệnh thu thập đã xác định được gen

Ur-11 có ý nghĩa quan trọng nhất trong phản ứng kháng bệnh gỉ sắt ở đậu cô ve ở

miền Bắc Việt Nam

1.5.2 Ý nghĩa thực tiễn

Tạo lập tập đoàn mẫu giống khá phong phú góp phần cho công tác bảo tồn, khai thác và phát triển giống đậu cô ve ở Việt Nam

Chọn tạo được 5 dòng đậu cô ve mới (thế hệ F4) có khả năng chịu nóng,

thích hợp với trồng vụ Xuân Hè và 2 dòng mang gen kháng gỉ sắt Ur-11 góp

phần vào công tác chọn tạo giống đậu cô ve ở Việt Nam

PHẦN 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1 ĐA DẠNG DI TRUYỀN NGUỒN GEN CÂY ĐẬU CÔ VE

2.1.1 Nguồn gốc và phân bố

Gepts (1998) đã công bố về nguồn gốc và tiến hóa của đậu cô ve

(Phaseolus vulgaris L 2n = 2x =22) rằng, cây trồng này được trồng ở tất cả các lục

địa trừ Nam Cực Cây đậu cô ve có 3 loại sản phẩm thu hoạch: loại ăn hạt (dry beans), thu hoạch khi hạt chín hoàn toàn; loại thu quả (shell beans), thu hoạch khi hạt chín sinh lý và loại thu quả xanh (geen hoặc snap beans), thu hoạch quả trước khi hạt phát triển

Đậu cô ve (Phaseolus vulgaris L.) thuộc họ đậu hoặc họ cánh bướm (Fabaceae or Leguminosae family) Tổ tiên hoang dại của đậu cô ve ở khu vực

Trung và Nam Mỹ Những dạng tổ tiên của đậu cô ve tìm thấy ở các vùng khí hậu

từ nóng trung bình, khí hậu khô cằn đến nhiệt đới đất thấp ẩm và ngay cả tại khu

vực mát hơn như vùng núi Nam Mỹ Trong số các cây họ đậu đỗ thì chi Phaseolus

là chi lớn nhất, với hơn 70 loài có nguồn gốc từ Trung Mỹ và Bắc Mỹ (Freytag and

Debouck, 2002) Năm loài trong số này đã được thuần hóa là P vulgaris; P

dumosus, P coccineus, P acutifolius, P lunatus và thêm một vài loài đang bắt đầu

được thuần hóa (Delgado-Salinas et al., 2006) Trong số 5 loài này thì 2 loài có nguồn gốc Mesoamerica (P dumosus và P coccineus) là có quan hệ gần gũi nhất với P vulgaris Giữa ba loài này có thể xảy ra lai xa Dựa trên dữ liệu giải trình tự gen tổng hợp chất ức chế α – amylase thì P vulgaris tách ra từ P dumosus và P

coccineus cách đây khoảng 2 triệu năm (Gepts et al., 1999)

Những kiến thức về nguồn gốc và tiến hóa của loài cây trồng có ý nghĩa quan trọng cho nghiên cứu bảo tồn và khai thác sử dụng chọn tạo vật liệu di

truyền hiệu quả Bitocchi et al (2012) đã nghiên cứu nguồn gốc đậu cô ve bằng

phương pháp đánh giá đa dạng nucleotit tại 5 locus gen của số lượng lớn mẫu thu thập đại diện cho các khu vực phân bố sinh thái địa lý của các dạng đậu cô ve dại Kết quả chỉ ra rằng, Mesoamerica (khu vực Trung và phía Nam Bắc Mỹ) là nguồn gốc của đậu cô ve

Nước ta chưa có tài liệu nào công bố chi tiết về sự hiện diện của đậu cô ve vào thời gian nào chỉ biết các thương gia đem đậu cô ve (Haricot vert) quả màu xanh và đậu cô bơ (Haricot beurre) quả màu vàng vào nước ta hàng trăm năm nay (Tạ Thu Cúc, 2006)

2.1.2 Đa dạng di truyền nguồn gen đậu cô ve hoang dại

Nhiều bằng chứng cho thấy đậu cô ve dại có nguồn gốc ở hai vùng địa lý sinh thái khác biệt và đã hình thành nên vốn nguồn gen di truyền hoang dại khác nhau (Mesoamerica và Andean), nó phân tách từ quẩn thể đậu cô ve hoang dại tổ tiên hơn 100.000 năm trước đây Từ các vốn gen hoang dại này, gần 8.000 năm trước đậu cô ve đã được thuần hóa độc lập và hình thành đậu cô ve Mexico và

Nam Mỹ ngày nay (Mamidi et al., 2013; Bitocchi et al., 2013)

Các giống thuần hóa thích nghi địa phương đã phát triển thành các giống bản địa có các đặc điểm khác biệt Đậu cô ve bản địa Mexico thuần hóa cùng thời gian với ngô và là một phần trong hệ thống canh tác ‗milpa‘ (hệ thống canh tác gồm đậu cô ve, ngô với bí xanh), hệ thống này thích nghi khắp châu Mỹ Sự thuần hóa đã dẫn đến những thay đổi về hình thái của cây đậu cô ve như tăng số hạt, kích thước lá, thay đổi tập tính sinh trưởng, phản ứng quang chu kỳ và biến

động về màu sắc vỏ hạt (Singh et al., 1991; McClean et al., 2002; Villarreal et al., 2010)

Zizumbo-Hình 2.1 Phân bố địa sinh thái hai vốn gen đậu cô ve

Nguồn: Schmutz et al (2014)

Đậu cô ve hoang dại lần đầu được mô tả ở Argentina (Burkart, 1941; Burkart and Brucher, 1953) và Guatemala (McBryde, 1947), sau đó được Gept

và Debouk tổng hợp năm 1991 Gần đây, Debouk et al (1993) và Freyre et al

(1996) đã mô tả chi tiết hơn về tập tính và mối quan hệ di truyền của đậu cô ve hoang dại ở Ecuador-Comlombia và Bolivia Trên cơ sở những kiến thức hiện có

đã cho thấy đậu cô ve được trồng ở phạm vi rất rộng, từ miền Bắc Mexico (380

N) đến Tây Bắc Argentina (350

S), ở độ cao 500 đến 2000m và lượng mưa 500 đến

1800mm Hai nhóm phụ đã được mô tả là P vulgaris var aborigineus và P

vulgaris var mexicanus (Delgado-Salinas, 1985) Chúng được phân biệt cả về

hình thái và ở mức độ phân tử rất rõ rệt (Gepts, 1998)

Một hội nghị quốc tế về sử dụng nguồn gen đậu cô ve hoang dại và họ hàng hoang dại để cải tiến giống đậu cô ve đã được tổ chức vào năm 2012 tại Trung tâm nông nghiệp nhiệt đới CIAT, bởi vì đây là cây họ đậu quan trọng trên thế giới nhưng bất thuận sinh học và phi sinh học đã hạn chế năng suất đậu cô ve đến 600kg/ha, giảm thu nhập ở các nước sản xuất Năng suất thấp cũng ảnh hưởng đến an ninh lương thực trong tình trạng nhu cầu tăng tương ứng với tỷ lệ tăng dân số, đặc biệt với sự đe dọa của biến đổi khí hậu Biến đổi khí hậu liên quan đến các bất thuận như nhiệt độ cao, hạn và bệnh hại ảnh hưởng mạnh đến đậu cô

ve Để vượt qua những bất thuận này, những biến dị di truyền mới đã được nhận biết và sử dụng trong chương trình tạo giống Đa dạng di truyền hiện nay của các loài đậu trồng rất hẹp trong khi các loài dại và họ hàng hoang dại chưa sử dụng

có mức đa dạng rất lớn (Porch et al., 2013) Cải tiến nền di truyền của các giống

đậu cô ve bằng cách sử dụng nguồn gen chưa từng được sử dụng, đó là các loài đậu cô ve hoang dại và họ hàng hoang dại là một hướng quan trọng trong công tác chọn tạo giống ứng phó với biến đổi khí hậu Bằng cách lai quy tụ gen từ các

loài dại và họ hàng hoang dại như P acutifolius, P coccineus, P costaricensis

và P dumosus vào loài trồng dưới sự hỗ trợ của những công cụ di truyền phân tử

mới đã đem lại thành công

2.1.3 Đa dạng di truyền đậu cô ve trồng (giống bản địa và giống cải tiến)

Những bằng chứng khảo cổ đã chứng minh rằng đậu cô ve được biết đến từ

khoảng 7.000 năm trước và là cây lâu đời nhất ở Địa Trung Hải (Aguilar et al., 2012)

Đậu cô ve lấy hạt được trồng ở Mỹ La tinh, tại những vùng có nhiệt độ trung bình từ 17,5 đến 250C, hầu hết các vùng trồng có nhiệt độ trung bình 210C

Sự tiến hóa của đậu cô ve trong quá trình thuần hóa đã khiến chúng thích nghi được với điều kiện ấm hơn và quang chu kỳ ngày dài Ví dụ như đậu cô ve trồng

ở California với nhiệt độ trung bình trong mùa vụ trồng là 270C Đậu cô ve lấy hạt cũng trồng được ở miền Bắc châu Âu (Gepts, 1998)

Mức độ da dạng của giống đậu cô ve bản địa là rất lớn và đã được nhiều nghiên cứu công bố Nghiên cứu đa dạng nguồn gen đậu cô ve ở Italy của Raggi

et al (2013) đã chỉ ra rằng đậu cô ve là loài cây trồng quan trọng có nguồn gốc từ

Mesoamerica Các giống bản địa của Italy được phân chia rõ ràng thành 3 nhóm

và không gắn với các vốn gen gốc Cấu trúc quan sát được cũng có thể do sự thích nghi với môi trường, cũng có thể do ảnh hưởng bởi độ cao so với mực nước biển Sự phối hợp sử dụng số liệu hình thái, hóa sinh và phân tử đã nhận biết sự khác biệt rõ ràng ở hầu hết các giống bản địa Kết quả thu được có thể giúp cho công tác bảo tồn nội vi các giống bản địa ở Italy cũng như sử dụng để đăng ký trong danh mục bảo tồn và chỉ dẫn địa lý ở châu Âu, phục vụ cho mục đích thương mại và phân phối hạt giống đậu cô ve bản địa tốt hơn Sử dụng đa dạng di truyền nguồn gen bản địa còn phục vụ cho công tác chọn tạo giống, ứng dụng

trong hệ thống canh tác hữu cơ và canh tác truyền thống (Raggi et al., 2013) Đến năm 2001, bộ mẫu nguồn gen đậu (Phaseolus) có khoảng 65.000 mẫu trong các ngân hàng gen giống cây trồng, trong đó hơn 90% là P vulgaris Trung

tâm nông nghiệp nhiệt đới quốc tế (CIAT) có bộ sưu tập lớn nhất thế giới, bao gồm hơn 40.000 mẫu, trong đó có 26.500 là đậu cô ve trồng (thuần hóa), khoảng 1.300 mẫu là loại đậu cô ve hoang dã và phần còn lại là họ hàng xa của đậu cô ve (CIAT, 2001)

Vùng cao nguyên Đông Phi là vùng sản xuất đậu cô ve quan trọng và các

giống đậu cô ve ở đây có sự đa dạng cao Asfaw et al (2009) đã đánh giá mức độ

đa dạng và cấu trúc quần thể của 192 giống bản địa của Ethiopia và Kenya cùng với 4 kiểu gen đối chứng thông qua phân tích đặc điểm kiểu hình (morphological phenotyping) và sử dụng chỉ thị phân tử SSR Nguồn gen đem phân tích là đại diện cho các vùng sinh thái sản xuất đậu cô ve khác nhau và các dạng hạt của đậu

cô ve của các nước này Kết quả cho thấy, các giống bản địa biểu hiện đa dạng và thuộc hai vốn gen Andean và Mesoamerica, tuy nhiên có rất ít sự chuyển gen giữa 2 nhóm này Các kiểu gen Mesoamerica chiếm ưu thế ở Ethiopia trong khi các kiểu gen Andean lại có ưu thế ở Kenya Giống bản địa của cùng một nước có

xu hướng nằm trong cùng một nhóm, điều này chỉ ra rằng nguồn gen khác biệt ở

mức quốc gia Các tác giả cũng quan sát thấy mức độ đa dạng di truyền ở các giống bản địa của Ethiopia cao hơn so với Kenya, điều này có nghĩa là kiểu gen Mesoamerica có mức độ đa dạng cao hơn kiểu gen Andean

Các nhà khoa học của Thổ Nhĩ Kỳ đã sử dụng chỉ thị phân tử SRAP (trình

tự quan hệ khuyếch đại đa hình-Sequence Related Amplified Polymorphism), POGP (đa hình gen oxy hóa - Peroxidase Gene Polymophism (POGP), và cpSSR (trình tự lặp đơn lục lạp - Chloroplast Simple Sequence Repeats) trong nghiên cứu đa dạng nguồn gen đậu cô ve trồng của nước này Kết quả sơ đồ phả hệ hình cây biểu hiện mối quan hệ di truyền giữa các giống đậu cô ve phân chia thành 2 nhóm, có thể đại diện cho 2 vốn gen chính khác biệt Bằng việc sử dụng 3 hệ thống chỉ thị phân tử đã dò tìm được194 alen trong đó 118 alen là đa hình

(Ceylan et al., 2014)

Tại Trung Quốc, Zhang et al (2008) đã nghiên cứu đánh giá mức độ đa

dạng của 229 mẫu giống đậu cô ve bản địa Trung Quốc bằng 30 chỉ thị phân tử SSR Tổng cộng có 166 alen đã được phát hiện với mức trung bình là 5,5 alen mỗi locus cho tất cả các chỉ thị Các giống bản địa đã được phân thành hai nhóm Mức độ đa dạng cho các giống bản địa của Trung Quốc có nguồn gốc từ nguồn Andean cao hơn so với các giống bản địa của Trung Quốc có nguồn gốc Mesoamerica

Các nhà khoa học Brazil đánh giá, phân tích các mẫu nguồn gen đậu cô ve dựa trên các tính trạng hình thái, các đặc điểm nông học và chỉ thị phân tử SSR theo phương pháp Ward-MLM (Ward clustering method và Modified location model) Tổng số 57 mẫu nguồn gen trong ngân hàng gen của Brazil đã được sử dụng cho nghiên cứu, trong đó có 31 giống bản địa ở cộng đồng Fortaleza ở Brazil; 20 mẫu nguồn gen của Embrapa Trigo; và 6 giống thương mại Đánh giá trên 5 tính trạng nông học (chu kỳ sinh trưởng của cây, số hạt trên quả, số quả trên cây, khối lượng 100 hạt và năng suất hạt); 5 tính trạng hình thái (dạng hình sinh trưởng, kích thước cây, dạng hạt, màu sắc hạt và nhóm thương mại) và sử dụng 16 chỉ thị SSR để đánh giá đa dạng Kết quả cho thấy có sự biến dị di truyền cao về tính trạng nông học, hình thái và ở cấp độ phân tử của 57 mẫu giống nghiên cứu Phương pháp Ward-MLM đã phân chia các mẫu giống thành 5 nhóm Các mẫu nguồn gen có nguồn gốc từ Andean có khối lượng hạt nặng hơn các nguồn khác Phương pháp phân tích Ward-MLM là kỹ thuật rất hữu ích để đánh giá nguồn gen khi đồng thời sử dụng được số liệu hình thái, nông học và chỉ

Các nhà khoa học Thổ Nhĩ Kỳ đã sử dụng 47 mồi của chỉ thị iPBS (interprimer binding sites) để xác định mức độ đa dạng di truyền của 67 mẫu nguồn gen đậu cô ve Kết Quả đã thu được tổng số 180 alen đa hình, trung bình thu được 4 alen đa hình trên một mồi, hệ số tương đồng di truyền của các mẫu nguồn gen trong phạm vi từ 0,09 đến 0,99 và chỉ số PIC của chỉ thị iPBS là 0,73 Qua phân tích đám đã phân các mẫu nguồn gen nghiên cứu được chia thành 4 quần thể khác nhau Kết quả này chỉ ra rằng, sử dụng chỉ thị iPBS có thể xác định

thành công mức đa dạng di truyền của các mẫu nguồn gen đậu cô ve (Nemli et

al., 2015)

Như vậy có thể thấy công tác đánh giá mức độ da dạng di truyền của nguồn gen đậu cô ve đã được các nước tiến hành rất đầy đủ ở tất cả các cấp độ từ kiểu hình (các tính trạng hình thái, nông học) đến mức phân tử (sử dụng các loại chỉ thị phân tử) Kết quả đã cho thấy cây đậu cô ve có mức độ đa dạng di truyền cao và đều có nguồn gốc từ 2 vốn gen Mesoamerica và Andean

2.1.4 Khai thác nguồn gen hoang dại và họ hàng hoang dại

Các loài đậu cô ve hoang dại được phân bố từ Mexico đến Argentina Do phân bố tại nhiều vùng sinh thái như thế nên các loài cô ve hoang dại có nhiều tính trạng thích nghi và rất đa dạng Mặc dù vậy, việc sử dụng nguồn gen hoang dại trong các chương trình chọn giống còn hạn chế, bởi vì sự biệt lập trong sinh sản giữa các vốn gen thuần hóa Andean và Mesoamerica Lai giữa loài dại và dạng thuần hóa của cùng vốn gen đem đến tiềm năng lớn hơn trong việc nâng cao biến dị di truyền của loài cây trồng này Đánh giá các mẫu nguồn gen hoang dại cho thấy biểu hiện kháng sâu và bệnh, hàm lượng N, Fe, và Ca trong hạt cao hơn, điều này sẽ đóng góp cơ bản để cải tiến chất lượng dinh dưỡng và năng suất

ở đậu cô ve Phương pháp lai trở lại và chọn lọc chu kỳ đã được sử dụng để chuyển hai nhóm tính trạng số lượng và chất lượng, đặc biệt là tính trạng năng suất và khối lượng 100 hạt, từ loài dại vào đậu cô ve đã được thuần hóa (Acosta-

Galleggos et al., 2007)

Một số tính trạng có lợi có trong quần thể hoang dại (bảng 2.1) nhưng lại không có trong quần thể trồng do nó mất đi trong quá trình thuần hóa như tính kháng vi khuẩn, kháng mọt hạt, hạt có thành phần khoáng Ca, N, Fe, Zn cao Đậu

cô ve có phổ di truyền rộng, có thể trồng ở nhiều điều kiện sinh thái từ vùng khô hạn đến vùng ẩm nhiệt đới, do vậy có khả năng mang các tính trạng thích nghi,

tuy nhiên một vài trong số đó đã bị mất trong quá trình thuần hóa

(Acosta-Galleggos et al., 2007)

Các nhà khoa học ở Trung tâm nông nghiệp nhiệt đới quốc tế CIAT đã sử dụng phương pháp lai trở lại để chuyển gen từ loài cô ve hoang dại vào nguồn gen đã thuần hóa từ các vốn gen khác nhau Ví dụ phát triển quần thể lai trở lại giữa giống đậu đen ưu tú Nego Tacaná của Mexico và mẫu nguồn gen hoang dại

G24423 của Colombia (Salinas et al., 1997) Tổ hợp lai được thực hiện ở CIAT

và thế hệ phân ly được đánh giá trong chương trình hợp tác giữa Mexico và Mỹ Một dòng tạo ra ở thế hệ BC2F4:7 có năng suất cao nhất trong thí nghiệm ở Đại học Michigan (5790 kg/ ha) và cao hơn bố mẹ Nego Tacaná 27% (Kelly, 2004)

Bảng 2.1 Một số tính trạng quan trọng tìm thấy trong các loài cô ve

thuần hóa và loài dại

Kháng bệnh đốm lá P coccineus và P dumosus Mahuku et al., 2003

Kháng bệnh loét P coccineus và P dumosus Mahuku et al., 2003

Kháng rệp đậu P acutifolius Singh and Muñoz, 1999

Kháng thối rễ P coccineus Silbernagel and Hannan, 1992 Chịu lạnh P angustissimus A Gay Balasubramanian et al., 2004 Kháng virus khảm vàng P coccineus Osorno et al., 2003

Nguồn: Acosta-Galleggos et al (2007)

Nguồn gen hoang dại đã được sử dụng để chuyển gen tính trạng chất lượng vào loài trồng, như tính trạng kháng sâu bệnh Chuyển gen arcelin kháng với mọt hạt trong bảo quản từ loài dại vào loài trồng là một đóng góp cải tiến chống chịu của đậu cô ve Các tính trạng khác như bệnh thối rễ cũng đã chuyển từ loài dại vào loài trồng thành công (Navarrete-Maya and Gallegos, 1999)

Nhiều loài côn trùng và tuyến trùng gây hại đậu cô ve và là nguyên nhân làm giảm năng suất (35 đến 100%) và chất lượng đậu cô ve toàn cầu ở cả hai nhóm: đậu cô ve ăn hạt và ăn quả Chiến lược nghiên cứu và chọn giống kháng

sâu ở châu Mỹ đã thành công và cũng phát triển giống kháng đa côn trùng và tuyến trùng Các phương pháp sử dụng hiệu quả trong chọn tạo giống kháng sâu bệnh là lai trở lại, phả hệ, hỗn hợp - phả hệ (Backcross, pedigee, and bulk-pedigee breeding method)

Mặc dù là cây họ đậu quan trọng nhưng năng suất của đậu cô ve lại hạn chế, chỉ khoảng 600kg/ha, do những bất thuận sinh học và phi sinh học Tuy nhiên nhu cầu sử dụng các sản phẩm từ loại cây trồng này ngày càng tăng Do vậy cải tiến di truyền đậu cô ve bằng cách sử dụng khai thác đa dạng nguồn gen hoang dại và họ hàng hoang dại có quan hệ gần loài trồng là một hướng đi quan trọng trong thời gian tới Công tác cải tiến và chuyển gen từ các loài cô ve dại

như P acutifolius, P coccineus, P costaricensis và P dumosus vào loài trồng bước đầu đã đạt được những thành công (Porch et al., 2013)

2.2 CHỌN GIỐNG ĐẬU CÔ VE CHỊU NÓNG

Trong chu kỳ sống, cây trồng chịu tác động của nhiều loại bất thuận của môi trường Các loại bất thuận có thể phân thành 2 nhóm chính là bất thuận sinh học và bất thuận phi sinh học Bất thuận phi sinh học như hạn, ngập, mặn, kim loại nặng, chua, phèn, thiếu hụt dinh dưỡng, bất thuận nhiệt độ cao, thấp ảnh

hưởng đến năng suất và khả năng sống sót của cây trồng (Shaik et al., 2014) Bất

thuận phi sinh học làm giảm sản lượng nông nghiệp, do vậy phát triển các kiểu gen

mới thích nghi với môi trường bất thuận là rất cần thiết (Wang et al., 2011; Wu et

al., 2014; Dolferus, 2014) Hiện tượng ấm lên toàn cầu làm tăng nhiệt độ là dạng

bất thuận phi sinh học chủ yếu đối với cây trồng khiến chúng cần phải điều chỉnh

để sống sót Bất thuận nóng là sự tăng nhiệt độ vượt qua điểm thích ứng của cây trồng (10 - 15°C là nhiệt độ cơ bản cây bắt đầu sinh trưởng phát triển) Điễm bắt đầu gây bất thuận nóng tùy thuộc vào từng loài cây trồng và kiểu gen trong mỗi loài Cây bắt đầu thay đổi về hình thái, sinh lý, sinh hóa khi gặp bất thuận nóng đã

được ghi nhận ở cây Arabidopsis, ngô và lúa mỳ (Hossain et al., 2013)

Biến đổi khí hậu toàn cầu đặc biệt là nhiệt độ cao (HT) được dự đoán nhiệt

độ sẽ tăng lên 1–3°C vào giữa thế kỷ 21 và khoảng 2–5°C vào cuối thế kỷ

(Eitzinger et al., 2010, IPCC, 2012) Đây là yếu tố chính liên quan đến sản xuất nông nghiệp (Hatfield et al., 2011; Lobell et al., 2011) bởi vì nó ảnh hưởng đến

sinh trưởng, phát triển và năng suất của cây trồng (Ahmad and Prasad, 2012) Do vậy chọn các dòng chịu nóng và nghiên cứu các chuỗi phản ứng sinh hóa tổng hợp giúp hiểu biết về sự phản ứng như thế nào của cây trồng khi nhiệt độ tăng lên

và cơ chế bảo vệ của chúng trong điều kiện nhiệt độ cao để từ đó có thể cải tiến

cơ chế chịu nóng khác nhau (Halford, 2009)

Bất thuận nóng, đặc biệt là trong giai đoạn sinh trưởng sinh thực, là nguyên nhân làm giảm năng suất đậu cô ve nghiêm trọng, bởi vì cây trồng này tiến hóa ở điều kiện mát của vùng Trung và Nam Mỹ, nơi nhiệt độ trung bình trung của mùa vụ trồng là 12 đến 24°C (Debouck and Tohme, 1989) Điều kiện bất thuận nóng ảnh hưởng đến toàn bộ sự sinh trưởng phát triển của cây đậu cô ve như quang hợp, cố định đạm, có thể gây hại đến màng sinh chất và ảnh hưởng đến

năng suất (Shonnard et al., 1994)

2.2.1 Phản ứng chịu bất thuận nóng ở cây trồng

Bất thuận nóng ảnh hưởng đến sinh trưởng và phát triển của cây qua các con đường khác nhau Nhiều nghiên cứu đã chứng minh rễ là cơ quan mẫn cảm với bất thuận nóng hơn các cơ quan khác, điều này cho thấy nhiệt độ cao của đất ảnh hưởng

mạnh hơn nhiệt độ cao trong không khí vì nó ảnh hưởng đến toàn bộ cây (Liu et al.,

2005) Để duy trì khả năng sinh trưởng phát triển, cây trồng có những cơ chế chống chịu đặc thù Mặc dù thành tế bào không thay đổi về cấu trúc dưới điều kiện sốc nhiệt nhưng nhiều nghiên cứu cho thấy nó cũng bị ảnh hưởng ở nhiều mức khác nhau khi gặp bất thuận nóng như thay đổi thành phần đường, hemicellulose và cellulose Những thay đổi này cho thấy thành phần màng tế bào cũng bị ảnh hưởng của bất thuận nóng và có sự khác nhau giữa các kiểu gen Như vậy, bất thuận nóng

là nguyên nhân thay đổi quá trình trao đổi chất của màng tế bào và đây là cơ chế

sinh lý quan trọng của chống chịu nóng ở cây trồng (Le Gall et al., 2015)

Bất thuận nóng là nguyên nhân làm tăng đột ngột biểu hiện của các protein

để phản ứng chống chịu bằng cách kích thích hàng rào bảo vệ của cây trồng Protein sốc nhiệt (Heat-shock proteins -Hsps) và enzyme kháng ô xy hóa (antioxidant enzymes) là các chỉ số đánh giá khả năng chống chịu với bất thuận nóng của cây trồng Protein sốc nhiệt được tổng hợp và tích lũy từ các protein đặc thù, những protein này được gọi là HSP Phản ứng ô xy hóa liên quan đến một số chuỗi phản ứng như chu kỳ nước, chu kỳ ô xy liên quan đến oxy già H2O2 (Halliwell–Asada), enzyme (glutathione peroxidase), phân tách OH (Haber–Weiss) và chất phản ứng (Fenton reactions) giúp bảo vệ cây trồng chống lại

những độc tố

Hình 2.2 Sơ đồ tóm tắt phản ứng của thành tế bào với bất thuận nóng

Ghi chú: XTH: xyloglucan endo-β-transglucosylases/hydrolases; AGP: arabinogalactan protein.

Nguồn: Le Gall et al (2015)

2.2.2 Di truyền tính chịu nóng ở cây trồng

Di truyền chống chịu nóng được xác định khi một kiểu gen có năng suất hơn kiểu gen khác khi môi trường xảy ra bất thuận nóng (Fischer and Maurer, 1978) ảnh hưởng bất thuận đến năng suất (Y) trong đó tham số xác định mẫn cảm với bất thuận (S) và tăng bất thuận (D) và năng suất tiềm năng (Yp)

S = (1 - Y/Yp)/D = (Yp - Y)/(Yp x D)

Trong đó, D là hằng số của thí nghiệm đặc thù, S là mức năng suất giảm do bất thuận quan hệ với năng suất tiềm năng, giá trị S thấp là không mong muốn

Vì vậy S là ngược với chịu nóng Khi sử dụng S để xác định khả năng thích nghi với bất thuận xảy ra một số trường hợp: S có tương quan dương với Yp Điều này

có nghĩa là các giống có S thấp cũng có thể có khả năng chịu bất thuận thấp (Y)

Di truyền khả năng chịu nóng ở cây trồng rất phức tạp, có cả hiệu ứng cộng, trội, siêu trội là lấn át gen Di truyền quan trọng nhất là gen điều khiển tổng hợp

các protein sốc nhiệt (HSP), những công bố về gen hin điều khiển tổng hợp

protein này, với các protein sốc nhiệt khác nhau như HSP60, HSP70, HSP100…

có các gen khác nhau như Athsf1, Athsf3, AtHsfA2, OsHSFA2e, HsfA1, HSF3,

TLHS1 và hsp17.7 (Singh and Gover, 2008)

Ở lúa, hai QTLs chính chịu nóng ở lúa là qHTSF1.1 (R2

= 12.6%) và

F2 của tổ hợp lai IR64 x N22 (Ye et al., 2012) Gần đây một nghiên cứu trên 90

dòng chuyển gen cung cấp 5 QTL chịu nóng giả thích 6.83–14.63% phương sai

kiểu hình Dòng chuyển gen Y106 mang hai QTLs chịu nóng là qHTS1-1 và

qHTS3 đã nhận biết khi chuyển gen từ lúa dại (O rufipogon Giff.) và lúa trồng

Y106 (Lei et al., 2013)

Ở lúa mỳ, đánh giá các tính trạng liên quan đến độ tàn lá nhân biết 9 QTL

qua NST số 2A, 6A, 6B, 3A, 3B và 7A (Vijayalakshmi et al., 2010) Chỉ số mẫn

cảm nóng (HSI) đã xây dựng sử dụng các tham số như năng suất hạt và giảm nhiệt (TD) của bông kết quả cúng nhận biết có 14 QTLs liên kết với chịu nóng

được khám phá (Mason et al., 2011)

Ở cao lương, 4 QTL (Stg1–4) liên quan đến khả năng duy trì lá xanh trên ba nhóm liên kết LGs là A, D và J Mức độ quan trọng trên QTL là Stg1 và Stg2 với

các gen quang hợp và chịu nóng trên nhóm liên kết LG A phản ứng cả với bất

thuận nóng và hạn (Xu et al., 2000)

Ở đậu adzuki, hai QTL là HQTL1 và HQTL2 đã nhận biết là có khả năng làm tăng sức sống hạt phấn dưới bất thuận nóng (Kaga et al., 2003; Vaughan et

al., 2005) Lucas et al (2013) đã công bố 5 vùng genome quan trọng với chịu

nóng ở đậu bò

Ở cà chua, đã xác định được 6 QTL liên kết với khả năng đậu quả trong điều kiện bất thuận nóng và nghiên cứu nhận biết gen và QTL liên kết với khả

năng chịu nóng ở nhiều loài cây trồng đã được công bố (Jha et al., 2014)

Nhiệt độ tăng cao trên toàn cầu ở mức độ nghiêm trọng như hiện nay là tiếng chuông đe dọa loài người Bằng chứng rõ ràng đó là sự sụt giảm năng suất lớn của nhiều loài cây trồng Tác động leo thang của bất thuận nóng đặt an ninh lương thực cũng như dinh đưỡng toàn cầu vào mức rủi ro rất lớn Thực chất, cây trồng phản ứng với bất thuận nhiệt độ cao bằng việc khởi động một số lớn các gen phản ứng với bất thuận Mặc dù vậy, quá trình này rất phức tạp và hiểu biết

cơ chế chống chịu nóng (HT) còn nghèo nàn Giới hạn đánh giá dự đoán qua các

kỹ thuật phân tích kiểu hình, đánh giá tương tác kiểu gen x môi trường (G x E)

được coi là nút thắt chính trong chương trình chọn giống cải tiến khả năng chống chịu bất thuận nóng (HT) Do vậy, nên tập trung đánh giá đa dạng cây trồng và các tính trạng sinh lý-hình thái và thích ứng mục tiêu để chọn lọc Một việc quan trong không kém nữa đó là đưa nhanh và chính xác gen hoặc QTL liên quan đến chịu nóng HT-related gene(s)/QTLs vào các giống mẫn cảm nóng để tăng khả năng chịu nóng của một kiểu gen Đây là một phần của chọn giống phân tử, chức năng genome và kỹ thuật chuyển gen là những hỗ trợ tăng cường cho đánh giá

kiểu hình thế hệ tiếp theo (Jha et al., 2014)

Dưới điều kiện nóng cây trồng tích lũy các hợp chất trao đổi chất khác nhau như các hợp chất kháng ô xy hóa, các chất bảo vệ áp suất thẩm thấu, các protein sốc nhiệt (heat-shock proteins -Hsps) và các hợp chất trao đổi chất từ các chuỗi phản ứng khác (Bokszc-zanin and Fragkostefanakis, 2013) Hsps đóng vai trò truyền tín hiệu bất thuận, bảo vệ và sửa chữa protein bị gây hại, bảo vệ quang hợp cũng như điều chỉnh phản ứng ô xy hóa khử của tế bào Sự biểu hiện của rất nhiều Hsps được biết như là chiến lược để thích nghi chống chịu nóng Phản ứng sốc nhiệt được điều khiển ở hai cấp độ sao mã và dịch mã Một trình tự cis-acting DNA, yếu tố sốc nhiệt (heat-shock element (HSE) được xác định là cần thiết cho quá trình sao mã (Nover and Baniwal, 2006) Yếu tố sốc nhiệt HSE có trình tự thống nhất chung –GAA—TTC – và là đa sao chép ngược của tất cả các gen điều

khiển chống chịu bất thuận nóng Khurana et al (2013) đã đề cập đến mức độ quan trọng của chất hoạt hóa 5‘-UTR của sHsp26, ông nhấn mạnh có thể vai trò

không hoàn hảo của hộp CCAAT hoặc yếu tố cis-element mới phản ảnh bất thuận nóng Sự biểu hiện của gen HS là gián tiếp gắn chất hoạt hóa sao mã, yếu

tố sao mã bất thuận nóng (HSFs) Một số nghiên cứu đã chứng minh các HSFs là

tới hạn của bất thuận nhiệt độ, một số khác đóng vai trò nhỏ hơn (Hsp101,

HSA32, HSFA1 và HSFA3)

Phân loại protein sốc nhiệt Hsp: trên cơ sở khối lượng phân tử, chức năng

và trình tự amino acid, protein sốc nhiệt HSPs có thể phân thành 5 loại chính là

Hsp100, Hsp90, Hsp70, Hsp60 và sHSPs (Kotak et al., 2007; Gupta et al., 2010;

sao mã sốc nhiệt (Singh and Gover, 2008) Nghiên cứu gen protein sốc nhiệt ở

đậu cô ve, Simões-Araújo et al (2003) đã công bố rằng thực vật phản ứng với

bất thuận nhiệt độ bằng cách tổng hợp một bộ protein sốc nhiệt (HSPs), các protein có thể chống chịu lại với bất thuận nhiệt Trong nghiên cứu của các tác giả, các protein sốc nhiệt nhỏ (small HSPs - sHSPs) đã được tạo ra trong 8 giống đậu cô ve và đánh giá bằng phân tích Northern blot sử dụng W HSP 16.9 cDNA như đoạn dò Đậu bò được sử dụng làm đối chứng dương trồng cùng với đậu cô

ve dưới điều kiện nhiệt độ cao của vùng bán khô hạn của Brazil Sau thời gian sinh trưởng, các cây được xử lý sốc nhiệt trong 2 giờ ở nhiệt độ 40oC Tất cả các giống thí nghiệm có thể tạo ra sHSP mRNAs lai với đoạn dò W HSP 16.9 cDNA

2.2.3 Di truyền tính chịu nóng ở đậu cô ve

Cơ sở di truyền chịu nóng thời kỳ sinh trưởng sinh thực ở đậu cô ve đã được nghiên cứu khi lai tổ hợp lai đậu cô ve chịu nóng x mẫn cảm nóng Bố mẹ, con lai F1, F2 và lai trở lại của một tổ hợp lai dòng đậu cô ve chịu nóng ―Cornell 503‖ với dòng mẫn cảm nóng là giống Majestic được trồng trong điều kiện điều khiển môi trường nhiệt độ cao (320C ngày và 280C đêm), bắt đầu khi cây bắt đầu

ra hoa liên tục đến khi tàn cây Trong thời kỳ ra hoa, mỗi cây của tất cả các thế

hệ được theo dõi tỉ lệ và cho điểm mức độ thui chột của cơ quan sinh sản Phân

bố mức độ thui chột của các thế hệ phân ly (F2 và lai trở lại) đã chỉ ra rằng tỷ lệ thui chột của cơ cơ quan sinh sản cao trong điều kiện nhiệt độ cao được điều khiển bằng đơn gen lặn của giống Majestic Sự thui chột các cơ quan sinh sản là chỉ tiêu cơ bản để đánh giá khả năng chịu nóng và sự ảnh hưởng đến năng suất của nhiều loài cây họ đậu hàng năm Đây là báo cáo đầu tiên về đơn gen phản ứng với điều kiện bất thuận nóng ở đậu cô ve và những cây họ đậu tương tự Kết quả gợi ý rằng dòng Cornell 50 có thể cải tiến khả năng chịu nóng của các giống mẫn cảm nóng, và khả năng chống chịu nóng ở đậu cô ve có thể ảnh hưởng bởi một gen chính (Rainey and Giffiths, 2005)

2.2.4 Nguồn gen đậu cô ve chịu nóng

Sử dụng các loài hoang dại hay họ hàng hoang dại cho chọn giống chống chịu bất thuận theo nhiều nhà chọn giống là một cách tiếp cận quan trọng Những locus di truyền trong nguồn gen cây trồng và họ hàng hoang dại hiện nay có thể đảm bảo để vượt qua những thách thức của môi trường bất thuận Các loài và họ hàng hoang dại của chúng có khả năng thích nghi cực kỳ cao với môi trường, do

vậy có thể chọn lọc và tổ hợp những locus có lợi để cải tiến năng suất cây trồng trong môi trường bất thuận Điều này đã được chứng minh trong lịch sử phát triển nông nghiệp thế giới Một điển hình về hiệu quả của sử dụng nguồn gen họ hàng hoang dại là nhận biết di truyền đặc hiệu chống chịu bất thuận mà thực vật

đã hình thành và tiến hóa trong tự nhiên để chuyển vào dòng, giống ưu tú thành công Những locus này thường liên quan với điều khiển hoặc chức năng phân

biệt, sao chép hoặc các gen duy trì cân bằng ở thực vật (Mickelbart et al., 2015)

Đánh giá nguồn gen, nhận biết kiểu gen chịu nóng là bước quan trọng phục

vụ công tác chọn giống đậu cô ve chịu nóng ứng phó với biến đổi khí hậu toàn cầu Mẫn cảm nóng là yếu tố hạn chế chính đến năng suất và chất lượng đậu cô

ve và hướng đến cải tiện khả năng chịu nóng sẽ tăng năng suất ổn định đậu cô ve

Cajiao et al (2015) đã đánh giá khả năng chịu nóng của các dòng ưu tú từ

chương trình tạo giống với mục đích là nhận biết kiểu gen khác nhau chống chịu bất thuận nóng dưới điều kiện đồng ruộng Các bộ nguồn gen khác nhau với hơn

1000 dòng đậu cô ve đã được phát triển để cải tiến khả năng chịu hạn, dinh dưỡng thấp và chịu nóng tại Đại học Tolima ở Armero, Colombia

Ribeiro et al (2015) đã tiến hành thí nghiệm đánh giá khả năng chịu nóng

trong điều kiện thiếu nước trên 5 giống đậu cô ve là A320, A222, Carioca, BAT477 và Ouro Nego Những phát hiện của các tác giả chỉ ra rằng phương sai kiểu gen có ý nghĩa trong chịu nhiệt của đậu cô ve, một tính trạng quan trọng cần phải quan tâm trong các chương trình chọn giống cây trồng

Đậu cô ve là một cây lương thực quan trọng ở Sudan Hạn và nóng là yếu tố chính ảnh hưởng đến năng suất Các tác giả đánh giá 9 kiểu gen đậu cô ve để xác định kiểu gen có năng suất ổn định dưới các ngày gieo trồng và chế độ nước khác nhau, thực hiện trên ba ruộng thí nghiệm ở 10 điều kiện môi trường đại diện cho các vùng có tổ hợp bất thuận hạn và nóng Các kiểu gen là Bellenber-1, COWU-3-94-9, S/Hashim/98 và kiểu gen hạt nhỏ DB 190-74-1 biểu hiện ổn định nhất Như vậy có thể sử dụng những kiểu gen này để cải tiến khả năng chịu hạn và

nóng của đậu cô ve ở Sudan (Khalifa et al., 2013)

2.2.5 Công tác chọn giống đậu cô ve chịu nóng

Theo Beebe et al (2011), tiềm năng chọn giống chịu hạn và chịu nóng là rất

lớn bởi vì hiện nay có tới 6,7 triệu ha diện tích trồng cây họ đậu không phù hợp

do bất thuận Chính vì vậy chọn tạo giống chống chịu hạn và nóng là mục tiêu quan trọng trong cải tiến di truyền

Mục tiêu lâu dài của chọn tạo giống đậu cô ve chịu nóng là phát triển nguồn gen cải tiến mức độ chống chịu trên đồng ruộng dưới điều kiện nhiệt độ biến biến động Nhiệt độ ban ngày cao hơn 30°C và ban đêm cao hơn 20°C làm giảm năng suất ở đậu cô ve Nhiệt độ cao ban đêm tại thời kỳ ra hoa là nguyên nhân rụng hoa rụng quả, giảm sức sống hạt phấn, giảm khả năng kéo dài của ống phân trong vòi nhụy, giảm kích thước hạt Những tính trạng này đã được sử dụng để thanh lọc kiểu gen chống chịu nóng trong các chương trình chọn giống đậu cô ve

(Salem et al., 2007)

Trong điều kiện nóng năng suất hạt của đậu cô ve tương quan dương với hệ

số thu hoạch quả, hệ số thu hoạch, sinh khối tán, khối lượng 100 hạt, số quả/đơn

vị diện tích và số hạt/đơn vị diện tích Các kiểu gen chống chịu bất thuận nóng có khả năng đậu quả, hạt, chắc hạt dưới điều kiện nóng, Biến dị di truyền tính chịu

nóng có sẵn ở đậu ăn hạt ở Mexico (Phaseolus acutifolius A Gay) đã được khai

thác trong chọn giống đậu cô ve chịu nóng tại CIAT Chọn tạo giống bằng lai xa giữa đậu cô ve và đậu ăn hạt Mexico đã tạo được các dòng giống đậu cô ve có

năng suất cao hơn và chịu nóng (Gaur et al., 2015)

Ảnh hưởng chính của nhiệt độ cao đến đậu cô ve là độ hữu dục của hạt phấn Các thí nghiệm đồng ruộng đã cho thấy rằng các giống đậu cô ve chịu nóng

có thể duy trì sức sống hạt phấn ở điều kiện nhiệt độ ban đêm cao hơn đến 5oC so với nhiệt độ bình thường Một mô hình ước lượng lợi ích của khả năng chịu nóng

và nhận biết những giống chịu nóng có thể bảo tồn di truyền trong phạm vi nhiệt

độ ban đêm cao hơn bình thường là 3oC đã được thực hiện Những kết quả nghiên cứu đã gợi ý rằng nâng cao khả năng chịu nóng của đậu cô ve đến khoảng 30oC là

một chiến lược chọn giống đậu cô ve thích nghi của toàn cầu (Beebe et al., 2013) Omae et al (2012) đã tổng kết và nghiên cứu đậu cô ve ở 4 mức nhiệt độ

ngày đêm là 24/20, 27/23, 30/26, và 33/29◦C thông qua theo dõi hàm lượng chất khô (tỷ lệ khối lượng khô của các bộ phận cây so với tổng lượng chất khô) Haibushi là một giống chịu nóng có số quả/cây, khối lượng quả/cây, khối lượng trung bình quả và tỷ lệ đậu quả cao hơn, nhưng tỷ lệ sinh khối lá, thân, rễ thấp hơn giống Kentucky Wonder là giống mẫn cảm nóng Qua các mức độ nhiệt cho thấy, ở mức độ nhiệt ngày đêm 33/29◦C các chỉ tiêu theo dõi giảm nghiêm trọng Với phạm vi nhiệt độ 24/20 đến 30/26◦C, giống chịu nhiệt Haibushi có các chỉ tiêu cao hơn giống mẫn cảm Kentucky Wonder, trong khi giống mẫn cảm có các chỉ tiêu cao hơn tại nhiệt độ 27/23◦C Kết quả nghiên cứu cho thấy sinh khối, tỷ

lệ đậu quả ở các cành với rất nhiều giống đậu cô ve bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, giống chịu nóng cho hệ số thu hoạch cao hơn giống mẫn cảm

Giống đậu cô ve chịu nóng SEN52 đã được chọn tạo thành công và đưa ra sản xuất Đây là một dòng hạt đen bắt nguồn từ tổ hợp lai [(SXB 123 x DOR 677) x SEN 34] và đã được chọn lọc trong chương trình nghiên cứu của CGIAR (Consultative Goup for International Agicultural Research) Năm 2005 giống này đạt năng suất là 908 kg/ha và năng suất trung bình là 738 kg/ha, vượt 185 kg/ha

so với đối chứng là giống thương mại DOR 390 SEN 52 được mã hóa dòng và phân bổ cho các thành viên ở Trung Mỹ, SEN 52 đạt tiến bộ nhanh trong các chương trình đánh giá quốc gia và hoàn thành đánh giá năm 2013 SEN 52 cũng

đã được đưa vào đánh giá chịu nóng ở Armero, Colombia Kết quả SEN 52 là một trong số ít dòng kết hạt được khi nhiệt độ ban đêm trung bình trên 22°C

(Hernández et al., 2014)

2.3 CHỌN GIỐNG ĐẬU CÔ VE KHÁNG BỆNH GỈ SẮT

Sự tấn công của sâu, bệnh là một trong những nguyên nhân chính làm giảm năng suất và chất lượng của đậu cô ve trên toàn thế giới (Stavely, Pastor- Corrales, 1989) Một trong những bệnh gây hại nghiêm trọng đối với cây đậu cô

ve đó là bệnh gỉ sắt gây ra bởi nấm Uromyces appendiculatus (Pers.) Unger var

appendiculatus Bệnh gỉ sắt ở cây đậu cô ve xuất hiện trên toàn thế giới nhưng

gây hậu quả nghiêm trọng đối với các nước trong khu vực nhiệt đới ẩm và khu

vực cận nhiệt đới (Souza et al., 2008, Souza et al., 2013)

Theo Lindgen et al (1995), cứ tăng 1% mức độ nhiễm bệnh gỉ sắt sẽ làm

giảm năng suất của đậu cô ve khoảng 19 kg/ha Không có biện pháp đơn lẻ nào có thể kiểm soát hiệu quả nhằm ngăn ngừa khả năng lây nhiễm bệnh gỉ sắt trong tất

cả vùng hay khu vực khác nhau trên toàn thế giới Các biện pháp thực nghiệm quản lý dịch bệnh được khuyến cáo để kiểm soát bệnh gỉ sắt ở đậu cô ve bao gồm: luân canh cây trồng, trồng đúng thời vụ theo khuyến cáo, trồng giống kháng bệnh

và phun thuốc diệt nấm kịp thời (Mmbaga et al., 1996; Souza et al., 2008)

2.3.1 Đặc điểm của nấm U appendiculatus gây hại trên đậu cô ve

2.3.1.1 Giai đoạn vô tính (Asexual stage)

Nấm U appendiculatus thuộc dạng ký sinh chuyên tính, nó ký sinh đơn chủ

(đồng chủ), sinh trưởng theo chu kỳ lớn (tạo đủ 5 loại bào tử trong cả vòng đời, theo trình tự là bào tử giống – bào tử xuân – bào tử hạ - bào tử đông - bào tử

đảm) và hoàn thành chu kỳ sống trên đậu cô ve (Harter and Zaumeyer, 1941) Trong điều kiện đủ ẩm, bào tử hạ nảy mầm và xâm nhập qua biểu bì trên của lá hoặc các bộ phận phía trên mặt đất của cây và hình thành sợi nấm đơn bội trong

mô lá Trong mô lá, sợi nấm phát triển trong gian bào và hình thành vòi hút bên

trong tế bào để hấp thụ dinh dưỡng (Wynn, 1976; Allen et al., 1991) Các mẫu

giống đậu cô ve kháng bệnh gỉ sắt thường có cơ chế chống lại sự xuất hiện của vòi hút của nấm bằng một phản ứng siêu nhạy (hypersensitive reaction - HR) đó

là tiêu hủy các tế bào bị nhiễm bệnh hoặc vòi hút của nấm Vì vậy, nấm gỉ sắt thường bị tiêu diệt trước khi sinh sản bào tử (Wingard, 1935; Mendgen, 1978) Sau khi xâm nhập được vào ký chủ, sợi nấm tập hợp lại thành dạng ổ bào tử Khoảng 7-10 ngày sau nhiễm, lớp biểu bì lá bị phá vỡ sẽ làm lộ ra các bào tử đang phát triển Những đốm có màu từ vàng đến nâu quế là đặc điểm đặc trưng của các bào tử hạ, chúng xuất hiện ở cả mặt trên và dưới của lá nhưng phổ biến hơn là mặt dưới lá Ổ bào tử hạ có đường kính khoảng 0,2-0,9 mm, nhưng có thể đạt 2 mm và thậm chí 4,8 mm (Yarwood, 1961) Tùy thuộc vào độ ẩm tương đối (RH) trong thời gian hình thành bào tử, một ổ bào tử hạ tiềm năng có thể sản sinh hơn

20.000 bào tử mỗi ngày (Aust et al., 1984) Các bào tử hạ chủ yếu phát tán nhờ

gió (Hirst, 1953; Ferrandino and Aylor, 1987) Chúng có thể nảy mầm ngay khi chín và hoàn thành chu kỳ sinh sản vô tính trong khoảng 10 đến 15 ngày sau khi

tái nhiễm lên cây ký chủ (Harter et al., 1935; Zaumeyer and Thomas, 1957)

2.3.1.2 Giai đoạn hữu tính (Sexual stage)

Theo Waters (1928), các yếu tố môi trường như cường độ ánh sáng, nhiệt

độ, và độ ẩm, hoặc đơn lẻ hoặc kết hợp, gián tiếp ảnh hưởng đến chu kỳ sống của

nấm gỉ sắt, trong đó có nấm U appendiculatus Những yếu tố này ảnh hưởng đến

sự trao đổi chất của cây ký chủ (đặc biệt là khi các cây ký chủ đang suy yếu) và dẫn đến sự chuyển đổi từ bào tử hạ sang bào tử đông Các yếu tố như tuổi cây, tuổi lá, và sự phản ứng của cây ký chủ cũng có thể đóng một vai trò trong sự chuyển đổi này (Stavely and Pastor-Corrales, 1989) Sự thay thế bào tử hạ bằng bào tử đông xảy ra vào cuối mùa hè trên lá già và thường gặp ở vùng có khí hậu

ôn hoà hơn, chẳng hạn như các bang ở phía bắc của Hoa Kỳ (Zaumeyer and

Thomas, 1957; Linde et al., 1990; Schwartz et al., 1990; McMillan et al., 2003),

Australia (Ogle and Johnson, 1974) Hầu hết các chủng thu thập từ các khu vực này có thể gây tạo dạng bào tử đông trong nhà kính bằng cách điều khiển sự trao

đổi chất của cây ký chủ (Waters, 1928; Harter et al., 1935) Bào tử đông cũng đã

được tìm thấy ở vùng nhiệt đới Nam và Trung Mỹ (JR Steadman, pers Commun) Bào tử đông là thể đơn bào, mịn và có vách tế bào dày với một cuống nhỏ trong suốt (Laundon and Waterston, 1965) Sự nảy mầm của bào tử đông (để tạo thành đảm) cần có 1 giai đoạn ngủ (Zaumeyer and Thomas, 1957) Hiện tượng dung hợp 2 nhân đơn bội của nấm gỉ sắt diễn ra trong bào tử đông còn hiện tượng giảm phân diễn ra trong đảm hình thành 4 bảo tử đơn bội gọi là bào tử đảm (Moore-Landecker, 1982; Gold and Mendgen, 1983, 1984)

Hình 2.3 Chu kỳ sống của nấm gỉ sắt đậu cô ve

Nguồn: Schwartz (1990) Bào tử đảm nảy mầm trên bề mặt các bộ phận phía trên mặt đất của cây đậu, hình thành sợi nấm đơn bội trong mô lá Trong mô lá, sợi nấm phát triển trong gian bào và hình thành vòi hút trong tế bào để hấp thụ dinh dưỡng Từ mạng lưới sợi nấm này ổ bào tử giống được hình thành Đó là những đốm nhỏ màu vàng sậm với kích thước 0,5 - 1,0mm, chúng xuất hiện 4 - 5 ngày sau khi cây bị lây nhiễm (Gold and Mendgen, 1984) Sau 6 - 7 ngày, các lớp biểu bì bị

vỡ và ổ bào tử giống đạt kích thước 3-5mm Các bào tử giống (dạng + hoặc -) có hình dạng từ hình trứng tới hình elip, có vỏ nhẵn và trong suốt, dài khoảng 7,6mm Quá trình sinh sản hữu tính bắt đầu khi bào tử giống khác kiểu (dạng + ghép cặp, tiếp xúc và dung hợp với sợi tiếp nhận dạng -) Ổ bào tử xuân được hình thành sau 10 - 12 ngày dưới dạng đám tròn với đường kính từ 2 - 4mm

(Schwartz et al., 1990) Ổ bào tử giống thường hình thành ở lớp biểu bì trên của

lá còn ổ bào tử xuân hình thành ở biểu bì dưới Bào tử xuân giải phóng khỏi ổ bào tử xuân, phát tán nhờ gió, tiếp xúc, xâm nhập vào mô lá, thân và hình thành sợi nấm 2 nhân trong mô Sợi nấm 2 nhân sẽ hình thành các ổ bào tử hạ chứa

nhiều bào tử hạ 2 nhân Bào tử hạ tiếp tục phát tán và tạo ra nhiều chu kỳ xâm nhiễm mới

2.3.1.3 Triệu chứng của bệnh gỉ sắt

Bệnh có thể được tìm thấy trên tất cả các bộ phận trên mặt đất của cây đậu cô

ve nhưng phổ biến nhất là ở lá (hình 2.4) Triệu chứng ban đầu là trên bề mặt lá xuất hiện những vết chấm nhỏ màu trắng hoặc màu kem dưới lớp biểu bì lá Các đốm gỉ sắt hình thành khi các ổ bào tử hạ phá vỡ lớp biểu bì lá ở cả mặt trên và mặt dưới lá nhưng phổ biến hơn là mặt dưới Các ổ bào tử hạ có kích thước từ 0,3 – 0,8mm Những đốm gỉ sắt lớn thường được bao xung quanh bởi một quầng màu vàng nâu Trên đồng ruộng, các loại đốm bào tử hạ (dạng đốm lớn và nhỏ) xuất hiện trên cùng một loại cây ký chủ, điều này cho thấy rằng, các chủng khác nhau của nấm gây bệnh gỉ sắt có mặt trên cùng một loại đậu Các đốm mụn gỉ sắt trên vỏ quả và thân cây thường có kích thước dài hơn Đến mùa hè hoặc cuối giai đoạn sinh trưởng của cây các ổ bào tử hạ có thể được thay thế bằng các ổ bào tử đông màu đen (Zaumeyer and Thomas, 1957)

Hình 2.4 Triệu chứng bệnh trên lá, thân và quả đậu cô ve

Nguồn: Pastor-Corrales and Liebenberg (2010)

2.3.2 Đa dạng và phân loại bệnh gỉ sắt trên đậu cô ve

2.3.2.1 Đa dạng chủng bệnh

Trong số những tác nhân gây bệnh cho cây trồng thì nấm U appendiculatus

là một trong những loài có nhiều biến chủng nhất về tính độc Có tới hơn 300

chủng gây bệnh gỉ sắt đã được thống kê (Mmbaga et al., 1996; Araya et al.,

2004) Các chủng này được phân lập dựa trên phổ gây độc bằng cách sử dụng hệ thống đánh giá sự có mặt và kích thước của ổ bào tử hạ sau khi được lây nhiễm trên các dòng/giống khác nhau Mỗi chủng được coi là một dạng độc tính của bệnh trên cây đậu cô ve (Hauter and Zaumeyer, 1941) Những chủng nhận biết đã được sử dụng làm cơ sở trong chọn giống và nâng cao nguồn gen kháng bệnh gỉ

sắt ở đậu cô ve (Araya et al., 2004)