Nghiên cứu tính đối kháng cỏ dại của 5 dòng lúa TK1, TK3, TK5, TS6, TS8 được tạo ra bằng lai hữu tính và đột biến thực nghiệm

Cho đến nay đã có hàng trăm QTL/gen liên quan đến các tính trạng nông học quý đã được xác định, nhân bản từ các dòng/giống lúa được tạo ra bằng lai hữu tính giữa lúa hoang dại và lúa th

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

LUẬN VĂN THẠC SĨ SINH HỌC

Người hướng dẫn khoa học: TS TRẦN ĐĂNG KHÁNH

HÀ NỘI, NĂM 2017

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành bản luận văn này, tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ từ Quý thầy, cô và các bạn Trước hết, tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu

sắc và kính trọng tới thầy hướng dẫn là TS Trần Đăng Khánh đã tận tình chỉ

bảo, hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Tôi xin được cảm ơn tập thể cán bộ Bộ môn Kĩ thuật Di truyền - Viện Di truyền Nông nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi về thiết bị, phương tiện để tôi có thể hoàn thành luận văn này

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới các thầy, cô trong Ban Giám hiệu trường ĐHSP Hà Nội 2; Ban Chủ nhiệm khoa Sinh – KTNN trường ĐHSP Hà Nội 2; Phòng Sau đại học trường ĐHSP Hà Nội 2 đã tạo mọi điều kiện thuận lợi trong thời gian tôi học tập chương trình thạc sĩ

Tôi xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè những người đã luôn động viên, góp ý cho tôi trong thời gian qua

Hà Nội, tháng 7 năm 2017 Học viên

ĐẶNG BẢO SƠN

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài “Nghiên cứu tính đối kháng với cỏ dại của 5 dòng lúa TK1, TK3, TK5, TS6, TS8 đƣợc tạo ra bằng lai hữu tính và đột biến thực nghiệm” là công trình nghiên cứu của tôi Những số liệu và kết quả

nghiên cứu trong luận văn này là trung thực, không trùng lặp với các đề tài khác Tôi cũng xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc

Tác giả

Đặng Bảo Sơn

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN

LỜI CAM ĐOAN

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG

DANH MỤC HÌNH

BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT

PHẦN 1 MỞ ĐẦU 1

PHẦN 2: NỘI DUNG 4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 4

1.1 Đặc điểm thực vật học của lúa 4

1.2 Giới thiệu chung về cỏ dại 6

1.2.1 Định nghĩa 6

1.2.2 Đặc tính của cỏ dại 7

1.2.3 Tác hại của cỏ dại đối với lúa 7

1.2.4 Đặc điểm cỏ lồng vực 8

1.3 Tính đối kháng (allelopathy) 8

1.3.1 Định nghĩa 8

1.3.2 Chất đối kháng (allelochemicals) và cơ chế tác dụng 9

1.3.3 Một số đặc điểm quy định tính trạng đối kháng thực vật ở lúa 12

1.4 Giới thiệu chung về chỉ thị phân tử 13

1.4.1 Khái niệm 13

1.4.2 Chỉ thị SSR 15

1.4.3 Tính ưu việt của việc sử dụng chỉ thị phân tử 15

1.4.4 Ứng dụng của chỉ thị phân tử trong nghiên cứu sinh học 16

1.5 Tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước về tiềm năng đối kháng thực vật 16

1.5.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 16

1.5.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 26

CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

29

2.1 Vật liệu nghiên cứu 29

2.1.1 Vật liệu thực vật 29

2.1.2 Hóa chất và thiết bị nghiên cứu 33

2.2 Thời gian và địa điểm nghiên cứu 34

2.2.1 Thời gian nghiên cứu 34

2.2.2 Địa điểm nghiên cứu 34

2.3 Nội dung nghiên cứu 34

2.4 Phương pháp nghiên cứu 34

2.4.1 Phương pháp đánh giá tính đối kháng cỏ dại trong điều kiện phòng thí nghiệm 34

2.4.2 Phương pháp đánh giá tính đối kháng cỏ dại trong điều kiện nhà lưới] 37

2.4.3 Nghiên cứu trên điều kiện đồng ruộng 38

2.4.4 Ứng dụng chỉ thị phân tử 39

2.5 Xử lý số liệu thống kê 43

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 44

3.1 Kết quả nghiên cứu đánh giá khả năng ức chế cỏ lồng vực của 5 dòng lúa trong điều kiện phòng thí nghiệm 44

3.1.1 Kết quả đánh giá tính đối kháng cỏ dại của 5 dòng lúa lên khả năng sinh trưởng và phát triển của cỏ lồng vực trong điều kiện phòng thí nghiệm 44

3.1.2 Kết quả đánh giá tính đối kháng cỏ dại từ dịch chiết của các dòng lúa thí nghiệm trên cỏ lồng vực 47

3.2 Kết quả nghiên cứu đánh giá khả năng ức chế cỏ lồng vực của 5 dòng lúa trong điều kiện nhà lưới 56

3.2.1 Kết quả đánh giá tính đối kháng cỏ dại của các dòng lúa thí nghiệm trên đất tự nhiên trong điều kiện nhà lưới 56

3.2.2 Kết quả đánh giá tính đối kháng cỏ dại của các dòng lúa thí nghiệm trên đất khử trùng trong điều kiện nhà lưới 58

3.3 Kết quả nghiên cứu đánh giá khả năng ức chế cỏ lồng vực của 5 dòng lúa

trên đồng ruộng 61

3.4 Kết quả ứng dụng chỉ thị phân tử để đánh giá tính đối kháng của 5 dòng lúa với cỏ lồng vực 64

PHẦN 3: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 70

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 73

PHỤ LỤC 80

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Một số phương pháp đánh giá hoạt tính đối kháng ở lúa 19

Bảng 2.1: Tên và nguồn gốc các tổ hợp lai sử dụng trong nghiên cứu 29

Bảng 2.2: Thông tin về các dòng/giống lúa sử dụng trong thí nghiệm 30

Bảng 2.3: Thành phần của phản ứng PCR 41

Bảng 2.4: Danh sách các cặp mồi dùng trong nghiên cứu 41

Bảng 2.5: Các thành phần của 1 bản gel 42

Bảng 3.1: Ảnh hưởng của các dòng lúa nghiên cứu lên cỏ lồng vực trong điều kiện phòng thí nghiệm 45

Bảng 3.2: Tính đối kháng thực vật trên cỏ lồng vực từ dịch chiết lá 5 dòng lúa ở các nồng độ khác nhau 48

Bảng 3.3 Kết quả đánh giá tính đối kháng cỏ dại của 3 dòng lúa trên đất tự nhiên trong điều kiện nhà lưới 57

Bảng 3.4 Kết quả đánh giá tính đối kháng cỏ dại của 2 dòng lúa trên đất tự nhiên trong điều kiện nhà lưới 57

Bảng 3.5: Kết quả đánh giá tính đối kháng cỏ dại của 3 dòng lúa trên đất khử trùng trong điều kiện nhà lưới 59

Bảng 3.6 Kết quả đánh giá tính đối kháng cỏ dại của 2 dòng lúa trên đất khử trùng 61

Bảng 3.7 Kết quả nghiên cứu đánh giá khả năng ức chế 5 dòng lúa trên cỏ lồng vực trong điều kiện tự nhiên ngoài đồng ruộng 62

Bảng 3.8: Tổng hợp kết quả chạy điện di với từng chỉ thị 69

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Lịch sử tiến hóa của các loài lúa trồng 5

Hình 1.2: Kiểu hình lúa hoang dại 6

Hình 1.3 Các con đường giải phóng chất ức chế vào môi trường 11

Hình 1.4 Giống lúa có khả năng ức chế cỏ dại và giống lúa không có khả năng ức chế cỏ dại trong điều kiện tự nhiên 13

Hình 2.1: Kiểu hình dạng hạt của 5 dòng lúa sử dụng trong nghiên cứu 29

Hình 2.2: Tóm tắt sơ đồ lai hữu tính, đột biến thực nghiệm và các nội dung đánh giá tính đối kháng của các dòng lúa thí nghiệm 32

Hình 2.3: Sơ đồ trồng xen hạt lúa thí nghiệm và hạt chỉ thị 35

Hình 2.4: Cỏ lồng vực được gieo trong đĩa petri được chuyển vào tủ điều tiết sinh trưởng 36

Hình 2.5: Sơ đồ gieo hạt lúa thí nghiệm và hạt chỉ thị 37

Hình 2.6: Sơ đồ bố trí thí nghiệm trong điều kiện ngoài đồng ruộng 38

Hình 2.7: Sơ đồ trồng xen kẽ lúa – cỏ lồng vực trên đồng ruộng 39

Hình 3.1: Số liệu trung bình của các nhân tố đánh giá khả năng ức chế của 5 dòng lúa trên cỏ lồng vực trong điều kiện phòng thí nghiệm 46

Hình 3.2: Hình ảnh đánh giá tính đối kháng trên cổ lồng vực của 5 dòng lúa trên đĩa petri 47

Hình 3.3: Chiều dài rễ trung bình của cỏ lồng vực ở các nồng độ khác nhau so với đối chứng 50

Hình 3.4: Chiều dài thân trung bình của cỏ lồng vực ở các nồng độ khác nhau so với đối chứng 51

Hình 3.5: Khối lượng khô trung bình của cỏ lồng vực ở các nồng độkhác nhau so với đối chứng 52

Hình 3.6: Ảnh hưởng của dịch chiết lá của dòng TK1 ở các nồng độ trêncỏ lồng vực so với đối chứng 53

Hình 3.7: Ảnh hưởng của dịch chiết lá của dòng TK3 ở các nồng độ trêncỏ lồng vực so với đối chứng 54

Hình 3.8: Ảnh hưởng của dịch chiết lá của dòng TK5 ở các nồng độ trêncỏ lồng vực

so với đối chứng 55Hình 3.9: Ảnh hưởng của dịch chiết lá của dòng TS6 và TS8 ở các nồng độ trên cỏ lồng vực so với đối chứng 56Hình 3.10: Khối lượng khô trung bình của các dòng lúa nghiên cứu so với giống đối chứng 58Hình 3.11: Số liệu trung bình bao gồm chiều dài thân, chiều dài rễ, khối lượng khô của cỏ lồng vực so với đối chứng trong điều kiện nhà lưới 60Hình 3.12 So sánh chiều dài thân, chiều dài rễ cỏ lồng vực so với đối chứng BTLĐB

và KDĐB 61Hình 3.13 Hình ảnh bố trí thí nghiệm ngoài đồng ruộng 63Hình 3.14: Kết quả kiểm tra ADN tổng số của các dòng lúa sử dụng trong nghiên cứu tách chiết theo phương pháp CTAB trên gel agarose 0.8% 65Hình 3.15 Hình ảnh chạy điện di trên gel polyacrylamide với chỉ thị RM252 66

BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ADN Axit Deoxyribonucleotid

AFLP Amplified Fragment Length Polymorphism - Đa hình chiều dài

các đoạn ADN nhân bản chọn lọc

BTL ĐB Bao Thai lùn đột biến

CAPs Cleaved Amplification Polymorphisms - Đa hình độ dài mảnh

cắt giới hạn

CTAB Cetyl trimethyl ammonium bromide

dNTP deoxyribonucleotide triphosphats

GC-MS Phương pháp kết hợp sắc kí khí với khối phổ kế

HPLC High-performance liquid chromatography - Sắc ký lỏng hiệu

năng cao

IR Infrared - hồng ngooại

IRRI International Rice Research Institute – Viện nghiên cứu lúa

quốc tế

KD ĐB Khang Dân đột biến

LC-MS Liquid chromatography–mass spectrometry - Phương pháp sắc

ký lỏng ghép đầu dò khối phổ NMR Nuclear magnetic resonance - cổng hưởng từ hạt nhân

PCR Polymerase Chain Reaction - Phản ứng chuỗi polymerase QTL Di truyền tính trạng số lượng

RAPD Randomly Amplified Polymorphic DNAs - Đa hình các đoạn

ADN khuếch đại ngẫu nhiên

RFLP Restriction fragment length polymorphism - Đa hình chiều dài

đoạn cắt giới hạn RGA Resistance Gene Analog - Vùng tương đồng gen kháng

SDS Sodium Dodecyl Sulfate

SSR SSR (Simple sequence repeats - Sự lặp lại những trình tự đơn

giản STS Sequence Tagged Site - Xác định vị trí trình tự đã được đánh

dấu TBE Tris base, Boric acid, EDTA

TEMED Tetramethylethylenediamine

ƯCTB Ức chế trung bình

ƯCTB-CNT Ức chế trung bình các nhân tố

PHẦN 1 MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Lúa (Oryza sativa L.) không những là cây lương thực quan trọng ở Việt

Nam mà còn là thực phẩm ổn định của các nước Châu Á và nhiều khu vực trên thế giới Tuy nhiên, thị trường xuất khẩu gạo chính của Việt Nam lại là các quốc gia Đông Nam Á (chiếm khoảng 40-50%), các quốc gia Châu Phi (chiếm khoảng 20-30%), ngoài ra còn có các thị trường khác như Trung Đông

và Bắc Mỹ

Việt Nam là một trong những nước xuất khẩu gạo lớn đứng thứ hai trên thế giới sau Thái Lan Diện tích đất canh tác lúa năm 2016 chiếm 7.8 triệu hecta, cung cấp sản lượng ước đạt 44.6 triệu tấn thóc, xuất khẩu khoảng 4.88 triệu tấn gạo, giảm 25.8% về khối lượng và giảm 21.2% về giá trị so với năm 2015 (Bộ Nông nghiệp & Phát triển nông thôn, 2016)[2] Một trong những nguyên nhân khiến cho thị trường xuất khẩu gạo ở Việt Nam bị giới hạn là do tác động của các yếu tố bất lợi sinh học và phi sinh học làm giảm năng suất cũng như chất lượng lúa gạo (giảm khoảng 46% sản lượng lúa ở Đồng bằng sông Cửu Long) (Khanh và cs, 2006)[38] Trong số các yếu tố bất lợi đó, cỏ dại là một hạn chế sinh học lớn đối với sản lượng lúa gạo tại Việt Nam Đặc biệt là gia tăng thiệt hại về kinh tế một cách nghiêm trọng (Khanh và cs 2007) [36]

Sử dụng thuốc diệt cỏ tổng hợp có thể giảm thiểu đáng kể thời gian kiểm soát cỏ dại và ổn định năng suất lúa Tuy nhiên, việc quá lạm dụng hay phụ thuộc vào thuốc diệt cỏ để phòng trừ cỏ dại hiện đang là một vấn đề nghiêm trọng tại nước ta, dẫn đến ô nhiễm môi trường đặc biệt là môi trường đất (mất cân bằng hệ vi sinh vật đất, thay đổi tính chất lý hóa cũng như giảm các chất dinh dưỡng trong đất), các sản phẩm nông nghiệp không an toàn và ảnh hưởng đến sức khỏe con người, ngoài ra đã xuất hiện một số loại cỏ dại có khả năng kháng thuốc diệt cỏ Theo thống kê từ năm 1990-2003, tỷ lệ phần trăm thuốc diệt cỏ trong tổng số thuốc trừ sâu đã tăng gấp 10 lần, tương đương tăng 30,2% Nghiêm trọng hơn theo số liệu thống kê của Cục Bảo vệ Thực vật - Bộ Nông nghiệp & Phát triển Nông thôn, từ năm 2011 đến 2015, nước ta đã nhập và sử dụng 70.000 – 100.000 tấn thuốc bảo vệ thực vật, riêng thuốc diệt cỏ tổng hợp

đã tăng 44.4% (Cục bảo vệ thực vật, 2016)[3] Do đó cần phải đa dạng nhiều

phương thức quản lý cỏ dại

Ức chế cỏ dại thông qua đối kháng thực vật (allelopathy) là một trong những giải pháp tối ưu nhất để giảm thiểu sự lệ thuộc vào thuốc diệt cỏ tổng hợp Như vậy, bằng giải pháp này có thể ổn định năng suất, chất lượng cây trồng mà đồng thời giảm thiểu chi phí môi trường Trong thập kỷ qua, đã có nhiều nghiên cứu đánh giá hoạt tính đối kháng của một số tập đoàn giống lúa địa phương, dòng/giống lúa cải tiến thu thập ở nhiều quốc gia khác nhau Kết quả đã xác định được hàng trăm dòng có tiềm năng đối kháng ức chế cỏ dại trong điều kiện ngoài đồng ruộng (Khánh và cs, 2014) [5] Tuy nhiên khả năng đối kháng của các dòng giống lúa này vẫn còn ở mức hạn chế, chưa đưa vào thực tiễn sản xuất và vẫn cần

sự can thiệp của thuốc diệt cỏ tổng hợp

Lúa hoang dại (Oryza rufipogon) có nguồn gốc từ khu vực Đông Nam Á,

hệ gen (genome) của loài lúa hoang này là AA, tương tự với lúa trồng Oryza

sativa Cho đến nay đã có hàng trăm QTL/gen liên quan đến các tính trạng nông

học quý đã được xác định, nhân bản từ các dòng/giống lúa được tạo ra bằng lai hữu tính giữa lúa hoang dại và lúa thuần như tính trạng chịu hạn, chịu ngập, chịu mặn, chống chịu sâu bệnh hại… Tuy nhiên, ở nước ta cũng như trên thế giới, hầu như chưa có nghiên cứu nào đánh giá về tiềm năng đối kháng thực vật của một số dòng/giống lúa lai giữa loài lúa hoang dại và lúa thuần Như vậy, trong khuôn khổ của luận văn, bằng các nghiên cứu, đánh giá sàng lọc tính đối kháng thực vật trong điều kiện phòng thí nghiệm, nhà lưới và trên thực địa đồng ruộng cũng như bước đầu kết hợp chỉ thị phân tử sẽ mở ra triển vọng về các giống cây trồng với khả năng ức chế cỏ dại trong đó có cây lúa

Vì lý do nêu trên, chúng tôi lựa chọn đề tài “Nghiên cứu tính đối kháng

cỏ dại của 5 dòng lúa TK1, TK3, TK5, TS6, TS8 đƣợc tạo ra bằng lai hữu tính và đột biến thực nghiệm”

2 Mục đích nghiên cứu

- Đánh giá khả năng ức chế cỏ dại của 5 dòng lúa được tạo ra bằng lai hữu tính và đột biến thực nghiệm trên cỏ lồng vực (Echinochloa crus-galli) trong điều kiện phòng thí nghiệm, nhà lưới và trên đồng ruộng

- Ứng dụng chỉ thị phân tử để xác định tính đối kháng với cỏ dại của 5 dòng lúa nghiên cứu

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

 Đánh giá tính đối kháng cỏ dại của 5 dòng lúa được tạo ra bằng lai hữu tính và đột biến thực nghiệm trong điều kiện phòng thí nghiệm

 Đánh giá tính đối kháng cỏ dại của dịch chiết từ 5 dòng lúa trong điều kiện phòng thí nghiệm

 Đánh giá tính đối kháng cỏ dại của 5 dòng lúa được tạo ra bằng lai hữu tính và đột biến thực nghiệm trong điều kiện nhà lưới

 Đánh giá tính đối kháng cỏ dại của 5 dòng lúa được tạo ra bằng lai hữu tính và đột biến thực nghiệm trong điều kiện trên đồng ruộng

 Bước đầu ứng dụng chỉ thị phân tử để xác định tính đối kháng với cỏ dại của 5 dòng lúa được tạo ra bằng lai hữu tính và đột biến thực nghiệm có tiềm năng ức chế cỏ dại

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

4.1 Ý nghĩa khoa học

- Ở Việt Nam, việc nghiên cứu về tính đối kháng thực vật là một lĩnh vực mới chưa được nghiên cứu nhiều Vì vậy, đề tài này mở ra định hướng mới

trong chọn tạo giống cây trồng có tiềm năng ức chế cỏ dại

- Đánh giá được một số dòng lúa có tiềm năng ức chế cỏ dại Tạo tiền đề

cho các nghiên cứu tiếp theo về tính đối kháng thực vật (allelopathy)

4.2 Ý nghĩa thực tiễn

- Sự kết hợp của các dòng lúa có tính đối kháng cao kết hợp với các phương pháp diệt cỏ truyền thống thay vì sử dụng thuốc diệt cỏ tổng hợp sẽ làm giảm thiểu ô nhiễm môi trường, tăng chất lượng nông sản và bảo vệ sức khoẻ con

người với mục tiêu phát triển các sản phẩm nông nghiệp bền vững

- Những dòng lúa có hoạt tính đối kháng cỏ dại cao được chọn lọc trong đề tài này sẽ là nguồn vật liệu khởi đầu quý giá phục vụ cho công tác chọn tạo

giống lúa có khả năng ức chế cỏ dại

- Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ cơ sở dữ liệu và nguồn vật liệu cho các nghiên cứu khoa học tiếp theo về tính đối kháng trên cây lúa, đồng thời góp phần vào công tác chọn tạo giống lúa có khả năng ức chế cỏ dại, phù hợp với điều kiện canh tác lúa ở Việt Nam, giúp người trồng lúa tăng thêm thu nhập,

giảm đói nghèo và đảm bảo sức khỏe con người

PHẦN 2: NỘI DUNG CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Đặc điểm thực vật học của lúa

Loài Lúa trồng có tên khoa học là Oryza sativa L thuộc chi Lúa (Ozyza),

họ Hòa thảo (Poaceae), bộ Hòa thảo (Poales), giới Thực vật (Plantae) [9]

Đặc điểm hình thái: Lúa thuộc cây hàng niên, cao 0,5 – 1,7m, lá có phiến

dài, bẹ dài, có mép cao, trắng, tai cong, có lông Chuỳ bao gồm nhiều bông, mang các bông nhỏ màu vàng vàng Mày hoa có lông gai, 1 hoa, 6 nhị Quả thóc dính chặt với mày hoa (trấu), ta quen gọi là hạt lúa Hạt là loại quả thóc (hạt nhỏ, cứng của các loại cây ngũ cốc) dài 5-12 mm và dày 2-3 mm [4]

Sinh học và sinh thái: thời gian sinh trưởng của các giống lúa dài ngắn

khác nhau từ 60-250 ngày

Nguồn gốc và phân bố: Căn cứ vào các tài liệu lịch sử, di tích khảo cổ, đặc

điểm sinh thái học của cây lúa trồng và sự hiện diện rộng rãi của các loài lúa hoang dại trong khu vực, nhiều người đồng ý rằng nguồn gốc cây lúa là ở vùng đầm lầy Đông Nam Á, rồi từ đó lan dần đi các nơi Phân bố chủ yếu ở vùng nhiệt đới ẩm của Châu Phi, Nam và Đông Nam Châu Á, Nam Trung Quốc,

Nam và Trung Mỹ và một phần ở Châu Úc Theo Chang (1974) [13], Oryza

sativa L - tiêu biểu nhóm lúa trồng Châu Á có tổ tiên trực tiếp là Oryza nivara,

một loài lúa hoang hằng niên Oryza glaberrima Steud cũng tiến hoá từ một loài lúa hoang hằng niên khác, thường gọi là Oryza breviligulata Chev et Poehr hoặc là Oryza barthii A Chev Hai loài cỏ hằng niên Oryza spontanea và

Oryza stapfii cũng có thể lai tạp với các loài lúa hoang tổ tiên để cho ra các loài

lúa trồng tương ứng (Hình 1.1) Hiện nay, nhiều người tỏ ra đồng ý với quan điểm và giả thuyết này Oka (1964) [50] cũng cho 1 sơ đồ tương tự, nhưng cho

rằng loài trung gian là Oryza perennis thay vì Oryza rufipogon và Oryza

longistaminata

Hình 1.1 Lịch sử tiến hóa của các loài lúa trồng (Chang, 1975)[12]

(AA, AbAb, AgAg): Ký hiệu loại nhiễm sắc thể

Giá trị sử dụng: Sản phẩm thu được từ cây lúa là thóc Sau khi xát bỏ lớp

vỏ ngoài thu được sản phẩm chính là gạo và các phụ phẩm là cám, tấm và trấu Gạo là nguồn lương thực chủ yếu dùng để chế biến cơm, nhiều loại bánh, làm môi trường để nuôi cấy niêm khuẩn, men, mẻ, rượu, cồn,… Cám chứa nhiều protein, chất béo, chất khoáng, vitamin, nhất là vitamin nhóm B, nên được dùng làm bột dinh dưỡng trẻ em và điều trị người bị bệnh phù thũng Cám là thành phần cơ bản trong thức ăn gia súc, gia cầm và trích lấy dầu ăn… Trấu ngoài công dụng làm chất đốt, chất độn chuồng còn dùng làm ván ép, vật liệu cách nhiệt, cách âm, chế tạo carbon và silic…

Loài Lúa hoang có tên khoa học là Oryza rufipogon Griff 1851 hay còn

gọi là lúa trời, lúa tiên; thuộc chi Lúa (Ozyza), họ Hòa thảo (Poaceae), bộ Hòa thảo (Poales), giới Thực vật (Plantae) [9]

Đặc điểm hình thái: là loại cỏ sống nhiều năm, cao 1.5-4m, thân to 4-6mm,

lóng dài vào 10cm Lá có phiến dài vài 20cm, rộng khoảng 1cm; mép các lá dưới cao hơn 1.5-3cm, có rìa lông Chùm tụ tán đứng cao 10-15cm; gié hóa dài 7-9.5mm, rộng 1.8-1.9mm, có lông gai dài đến 11cm; dĩnh mỏng, cao 3mm mọc

ở ven bờ mương, ngòi, kênh, rạch, ruộng nước sâu [4]

Sinh học và sinh thái: có ở các vùng có nhiệt độ trung bình > 170C và ở độ cao < 1750m Trong mùa mưa thân cây vươn dài theo mức độ nước dâng cao (ngoi lên theo nước ngập)

Phân bố: Ở Việt Nam phân bố chủ yếu ở Long An, Tiền Giang, Đồng

Tháp, Cà Mau Trên thế giới, lúa hoang có ở Ấn Độ, Trung Quốc, Thái Lan

Giá trị sử dụng: Lúa hoang hầu như ít có giá trị về năng suất, song theo

một số nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới, trong lúa hoang chứa một

số gen quy định các tính trạng quý quy định tính chống chịu sâu bệnh hại, chịu

ngập, chịu mặn

Hình 1.2: Kiểu hình lúa hoang dại (Oryza rufipogon) [50]

1.2 Giới thiệu chung về cỏ dại

1.2.1 Định nghĩa

Để có thể quản lý tốt cỏ dại, trước hết chúng ta cần phải hiểu thế nào là

cỏ dại Hiện có rất nhiều định nghĩa khác nhau về cỏ dại tùy thuộc vào từng trường hợp cụ thể nơi cỏ dại xuất hiện và đối tượng cây trồng liên quan Theo Booth và cs (2003)[11] đã tổng hợp một số định nghĩa thông dụng về cỏ dại như sau: Cỏ dại là thực vật gây phiền toái cho con người hay những thực vật mọc ở nơi con người không mong muốn hoặc là những thực vật ngoại lai xâm lấn Hay nói cách khác, cỏ dại là tất cả những cây không được trồng mà lại có trên ruộng

“ dại” ở đây không có nghĩa là độc hay nguy hiểm cho con người mà có nghĩa là mọc bừa bãi, mọc ở những nơi mà con người không muốn chúng mọc Danh từ

“Cỏ dại” vì vậy cũng rất tương đối Ngoài những cây không có lợi ích gì, không được con người trồng trọt hoặc sử dụng, có cả các loại cây có ích cho con người nhưng chúng lại tự mọc xen vào ruộng được trồng cây khác cũng bị coi là cỏ dại Rau muống, rau cần nước, rau ngổ… mọc tự nhiên trong ruộng lúa, rau má… mọc xen vào ruộng trồng đậu, trồng rau đều bị coi là cỏ dại Tuy vậy, phần lớn cỏ dại vẫn là những cây không có ích lợi gì cho con người Có thể coi

cỏ dại trong ruộng lúa là những cây không được con người trồng mà tự mọc xen vào ruộng lúa, làm ảnh hưởng đến sinh trưởng và năng suất của lúa

1.2.2 Đặc tính của cỏ dại

- Khả năng sinh sản, nhân giống và duy trì giống cao

- Hạt dễ rụng, có nhiều hình thức lan truyền

- Có khả năng chống chịu ngoại cảnh cao

- Cỏ dại có khả năng chịu ngập, chịu hạn cao hơn cây trồng

1.2.3 Tác hại của cỏ dại đối với lúa

Cỏ dại là một trong bốn nhóm dịch hại quan trọng nhất trên ruộng lúa, cùng với sâu bệnh và chuột Thiệt hại do cỏ dại gây ra đối với lúa là rất lớn Theo thống kê ở các nước trồng lúa Châu Á, cỏ dại có thể làm giảm tới 60% năng suất lúa, trong đó nhóm cỏ cói lác chiếm trên 50% thiệt hại Theo Holm

(1997)[29], cỏ lồng vực Echinochloa crus-galli và Echinochloa colona đứng

hàng thứ ba và thứ tư trong số các loài cỏ gây hại lớn nhất trên thế giới Kết quả các thí nghiệm trước đây cho thấy sự giảm sút năng suất lúa tỷ lệ với mật độ cỏ dại Cứ 100 cây cỏ/m2 làm giảm 17% năng suất, từ 100-200 cây cỏ/m2 thì năng suất giảm thêm 10% Năm 1991, Nhật Bản đã chi 530 triệu đôla cho thuốc trừ

cỏ lúa, bình quân 265 đôla/ ha

- Nguyên nhân dẫn đến sự thiệt hại do cỏ gây ra trên lúa:

+ Cỏ dại cạnh tranh ánh sáng, phân bón và nước của cây lúa

+ Cỏ dại là nơi tồn tại, lan truyền nhiều loại sâu, bệnh và chuột phá hại lúa + Cỏ dại làm giảm chất lượng và giá trị của lúa gạo

+ Ngoài những ảnh hưởng trực tiếp trên đây, cỏ dại còn làm giảm độ màu

mỡ của đất trồng do hút chất dinh dưỡng trong đất, việc phòng trừ cỏ dại làm tăng chi phí sản xuất lên rất nhiều

1.2.4 Đặc điểm cỏ lồng vực

Cỏ lồng vực có tên khoa học là Echinochloa crus-galli thuộc họ Hòa thảo

(Poaceae), bộ Hòa thảo (Poales), giới Thực vật (Plantae) là loại cỏ hại lúa khá phổ biến ở Việt Nam, còn có ở các nước vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới trên thế giới Cỏ lồng vực là loại cỏ một năm, cao 50-120cm, mọc trong ruộng lúa nước, ven bờ mương, kênh, ngòi, rạch, ruộng [9]

Cỏ lồng vực có hình thái giống cây lúa và có thể mọc, sinh trưởng và phát triển ở mọi loại đất trồng lúa Ở Việt Nam cỏ lồng vực mọc phổ biến ở khắp mọi nơi: trên bờ ruộng, ruộng lúa, ven bờ mương…

Cỏ lồng vực thường ra hoa kết quả trước lúa Khi hạt cỏ chín thì rụng xuống đất và giữ sức nảy mầm trong thời gian dài Hạt cỏ lồng vực sở dĩ ít bị phá hoại trong điều kiện tự nhiên là vì hạt được bao bọc bởi một lớp vỏ bằng sáp vững chắc, không thấm nước và không khí, chỉ nảy mầm khi có điều kiện thuận lợi, thường độ ẩm đất từ 80 - 90%

Cỏ lồng vực có khả năng đẻ nhánh và kết hạt khá cao Mỗi thân cây thường có nhiều nhánh, những nhánh này đều cho bông Bông cỏ lồng vực nhỏ

có thể cho tới 200 hạt, bông lớn có khả năng cho tới 400-500 hạt

1.3 Tính đối kháng (allelopathy)

1.3.1 Định nghĩa

Thuật ngữ “allelopathy” có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp, từ allelon có nghĩa là “của nhau” và pathos có nghĩa là “đau khổ”, thuật ngữ này được đưa ra lần đầu tiên bởi nhà sinh lý học thực vật Hans Molisch, đại học Vienna - Áo trong năm 1937 Định nghĩa được trình bày như sau: Tính đối kháng của cây trồng (allelopathy) như là sự tương quan hoá sinh giữa các thực vật với nhau (kể

cả vi sinh vật) Sau đó Rice (1984) [58] đã định nghĩa “Tính đối kháng là một

tác động trực tiếp hay gián tiếp và có lợi hoặc bất lợi bởi một cây trồng lên cây trồng khác, thông qua việc sản sinh ra các hợp chất hoá học vào môi trường sống”

1.3.2 Chất đối kháng (allelochemicals) và cơ chế tác dụng

Thực vật xanh sản xuất nhiều sinh chất thứ cấp được gọi là chất đối kháng thực vật, nhiều chất trong số này có khả năng ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của những thực vật bên cạnh (phụ lục 1) Cây trồng và cỏ dại đều sở hữu những hợp

chất như thế Ngay cả lúa (Oryza sativa) cũng sản xuất chất độc hại để cạnh

tranh với cỏ dại trên ruộng lúa (phụ lục 1) Olofsdotter (1999) [55] đã phát hiện

ra một số giống lúa có tác dụng làm ức chế mạnh sự sinh trưởng của cỏ dại

Trong một số đánh giá về việc sử dụng tiềm năng của chất đối kháng (allelochemicals) như thuốc diệt cỏ tách chiết từ tự nhiên, Putnam (1988) [56]

đã liệt kê chất ức chế ra thành 6 nhóm cụ thể là: alkaloids, benzoxazinones, flavonoids dẫn xuất của axit cinnamic, hợp chất cyanogenic, ethylene và các chất kích thích nảy mầm hạt giống Các hợp chất này được tách chiết từ hơn 30 quần thể cây trồng trên cạn và dưới nước Tất cả các hợp chất này có độc tố thực vật thực sự là chất đối kháng thực vật tiềm năng

Theo Rice (1984) [58] có hàng chục ngàn các chất thứ cấp trong số hàng trăm các hợp chất có trọng lượng phân tử thấp, của quá trình trao đổi chất được biết đến ngày hôm nay nhưng chỉ có một số ít đã được công nhận là chất đối kháng (allelochemicals)

Cơ chế đối kháng được mặc nhiên công nhận là một trong những cơ chế

ức chế cỏ dại, làm ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của cây trồng và nó xảy ra rộng rãi ở các quần thể thực vật trong tự nhiên (Bell và Koeppe, 1972; Gressel

và Holm, 1964; Whittaker và Feeny, 1971) [10], [25], [63]

Các hóa chất có tiềm năng đối kháng tồn tại trong hầu hết tất cả các mô thực vật bao gồm cả lá, hoa, quả, thân, rễ, và hạt Các chất đối kháng được giải phóng ra môi trường bởi các quá trình như bay hơi, tiết dịch gốc, lọc và phân

hủy tàn dư thực vật và đã được chứng minh trong khoảng 90 loài thực vật (Rice, 1984; Putnam, 1986) [58] [57]

 Các con đường giải phóng chất ức chế vào môi trường:

+ Bay hơi: Thực vật đối kháng giải phóng hóa chất dưới hình thức hơi độc

qua các lỗ hở nhỏ trong lá của chúng, các chất này thoát vào môi trường làm cho thực vật khác bị ức chế sự phát triển hoặc bị chết do quá trình hô hấp Ngoài ra, các hơi độc còn được ngưng tụ trong sương sau đó rơi xuống đất làm cho các cây trồng bên cạnh hấp thụ dẫn đến kém phát triển hoặc chết

+ Rò rỉ: Hầu như tất cả thực vật đều rụng lá Một số thực vật lưu trữ hoá chất bảo vệ trong lá cây khi chúng rụng Khi những chiếc lá rơi xuống mặt đất, chúng phân hủy và tạo ra các hóa chất bảo vệ thực vật Mùa thu lá có xu hướng giải phóng các hợp chất ức chế mạnh hơn lá tươi và lá rụng vào mùa xuân Các độc tố thực vật (Phytotoxins) tan trong nước có thể được lọc từ rễ hoặc các bộ phận của cây trên mặt đất hoặc chúng có thể chủ động tiết ra từ rễ sống Ví dụ như lúa mạch đen giải phóng hóa chất ức chế từ thân rễ hoặc lá cắt

+ Tiết dịch: Một số thực vật giải phóng hóa chất bảo vệ vào đất thông qua

rễ của chúng Các chất hóa học giải phóng được hấp thụ bởi các gốc cây gần

đó Các chất tiết ra có xu hướng ức chế sự phát triển

Hình 1.3 Các con đường giải phóng chất ức chế vào môi trường

(Chick và Kielbaso, 1998) [15]

 Phương thức hoạt động của các hợp chất chất đối kháng (allelochemicals)

Một số chất đối kháng làm cây trồng tăng trưởng chậm hoặc ức chế sự nảy mầm bằng cách phá vỡ sự phân chia tế bào Một số chất can thiệp vào bộ máy hô hấp và các quá trình trao đổi năng lượng khác Nhiều chất làm ảnh hưởng đến dinh dưỡng của thực vật như các chất ức chế trong nước và sự hấp thu các chất dinh dưỡng Trong một số trường hợp, chất ức chế ngăn cản hình thành các cây mới hoặc giết chết các cây mới sinh ra, nhưng thông thường nó chỉ làm giảm sự phát triển của thực vật

 Lợi ích tiềm năng của các hợp chất đối kháng

- Các hợp chất đối kháng (allelochemicals) đóng vai trò như diệt trừ cỏ dại tự nhiên hay thuốc bảo vệ thực vật, mở ra triển vọng thay thế hóa chất tổng hợp và thúc đẩy nông nghiệp bền vững

- Trong tương lai việc sử dụng thực vật có chứa các hợp chất ức chế sẽ giảm chi phí về thời gian, công sức, hướng tới phát triển các sản phẩm nông

nghiệp bền vững

- Sử dụng các loại cây trồng có tiềm năng đối kháng (ví dụ: lúa mạch đen)

để diệt trừ cỏ dại có thể giảm thiểu sự phụ thuộc vào thuốc diệt cỏ

- Sự hiểu biết về mối quan hệ thực vật/hợp chất có thể cho thấy lợi ích thiết thực của "trồng đồng hành", nhằm kiểm soát cỏ dại mà hiện nay có chi phí

ít hơn nếu nó được dựa trên nghiên cứu cơ sở khoa học

- Sản xuất thuốc diệt cỏ tự nhiên, thân thiện với môi trường

1.3.3 Một số đặc điểm quy định tính trạng đối kháng thực vật ở lúa

Hoạt tính đối kháng ở lúa biểu hiện mức độ đa dạng khác nhau phụ thuộc vào giống, nguồn gốc giống, dạng hạt, chiều cao cây, các giai đoạn phát triển của lúa Dựa trên các đặc điểm này với mục đích phát triển các giống lúa mới có hoạt tính đối kháng cao, năng suất, chất lượng được người dân chấp nhận Các giống lúa bản địa và giống lúa cải tiến đều có hoạt tính đối kháng nhưng biểu hiện ở mức độ khác nhau (Dilday và cs, 1991; Kato-Noguchi và cs, 2002) [19] [33] Jung và cs (2004) [30] chỉ ra rằng các giống lúa có thời gian sinh trưởng trung ngày thường có hoạt tính đối kháng cao hơn các giống lúa ngắn ngày Các giống có vỏ hạt trấu ít sắc tố có khả năng ức chế sinh trưởng cỏ lồng vực cao hơn cá giống lúa vỏ trấu có màu

Tiềm năng đối kháng ở lúa có thể do đa gen quy định, mối tương quan giữa các đặc tính khác của lúa vẫn còn gây tranh cãi (Dilday và cs, 1991)[19]

Do vậy, các giống lúa cải tiến thường biểu hiện hoạt tính đối kháng thấp, nguyên nhân có thể là do quá trình chọn tạo, các nhà chọn giống chưa có áp lực chọn lọc các đặc tính đối kháng tiềm năng (Khanh và cs, 2007)[35] Một số đặc điểm nông học khác của lúa cũng biểu hiện tiền năng đối kháng khác nhau Ví dụ, như giống lúa Zhefu 802 và các dòng đẳng gen IG1, IG4, IG5 và IG6 có nền di

truyền cơ bản giống nhau nhưng hình thái khác nhau và biểu hiện tiềm năng đối kháng cũng khác nhau (Yu và cs, 2005)[65] Trong đó, dòng IG1 và IG4 với chiều cao cây, góc lá rộng hơn, bộ rễ yếu hơn dòng IG25 và IG26 và biểu hiện 15-17% ức chế cỏ lồng vực Chứng tỏ rằng khả năng cạnh tranh của các dòng đẳng gen này với cỏ dại là tương quan tích cực với chiều cao cây và góc lá nhưng lại tương quan tiêu cực với khả năng phát triển của rễ (Yu và cs, 2005)[65] Hình 1.4 mô tả giống lúa có khả năng ức chế cỏ dại và giống lúa không có khả năng ức chế cỏ dại trong điều kiện tự nhiên

Giống lúa không có khả năng ức chế cỏ dại Giống lúa có khả năng ức chế cỏ dại

Hình 1.4 Giống lúa có khả năng ức chế cỏ dại và giống lúa không

có khả năng ức chế cỏ dại trong điều kiện tự nhiên (Khánh và cs, 2015)[6] 1.4 Giới thiệu chung về chỉ thị phân tử

1.4.1 Khái niệm

Chỉ thị phân tử có thể hiểu đơn giản chúng như là các cột mốc nằm trên trình tự ADN trong hệ gen Sự hiện diện của các cột mốc và khoảng cách tương đối giữa chúng phản ánh mức độ biến dị giữa các cá thể, giống hay một loài trong quần thể Chỉ thị phân tử cho phép xác định được các chỉ tiêu trực tiếp của kiểu gen thông qua việc xác định các trình tự nhất định của các gen hay các trình

tự đặc hiệu liên kết chặt với các gen mang các tính trạng mong muốn Bằng việc

sử dụng các chỉ tiêu phân tích trực tiếp kiểu gen ta có thể khắc phục ảnh hưởng của các yếu tố môi trường, theo dõi và phát hiện được các gen mong muốn, sự biến đổi của chúng qua các thế hệ khi chưa có sự biểu hiện ra kiểu hình Điều này giúp công tác chọn tạo giống một cách chính xác, rút ngắn thời gian và chi phí

Chỉ thị phân tử ADN rất phong phú do sự đa dạng của ADN, có tính ổn định và không lệ thuộc vào các yếu tố môi trường cũng như giai đoạn phát triển của sinh vật

Một chỉ thị ADN lý tưởng phải đạt các yêu cầu sau: Bản chất cho đa hình cao, di truyền đồng trội, xuất hiện nhiều trong genome, dễ tiếp cận, phân tích nhanh và dễ dàng Tuy nhiên, gần như không thể tìm thấy một chỉ thị phân tử nào có thể thỏa mãn tất cả những điều kiện trên Tùy thuộc vào những nghiên cứu mà người ta sử dụng một hệ thống chỉ thị thỏa mãn được một số điều kiện cần thiết (Nguyễn Duy Bảy và cs, 2001)[1]

Chỉ thị phân tử được chia làm 3 loại chính:

- Chỉ thị dựa trên cơ sở lai ADN hay chỉ thị RFLP (Restriction Fragment

Length Polymorphism - Đa hình chiều dài mảnh phân cắt giới hạn)

- Các chỉ thị dựa trên kỹ thuật PCR:

+ Chỉ thị RAPD (Randomly Amplified Polymorphic DNAs - Đa hình các đoạn ADN khuếch đại ngẫu nhiên)

+ Chỉ thị AFLP (Amplified Fragment Length Polymorphism - Đa hình chiều dài các đoạn ADN nhân bản chọn lọc)

+ Chỉ thị STS (Sequence Tagged Site - Xác định vị trí trình tự đã được đánh dấu)

+ Chỉ thị CAPs (Cleaved Amplification Polymorphisms - Đa hình độ dài mảnh cắt giới hạn)

+ Chỉ thị RGA (Resistance Gene Analog - Vùng tương đồng gen kháng)

- Chỉ thị dựa trên cơ sở những chuỗi có trình tự lặp lại: Chỉ thị SSR

(Simple sequence repeats - Sự lặp lại những trình tự đơn giản)

1.4.2 Chỉ thị SSR

SSR (Simple sequence repeats) là kỹ thuật khuếch đại các đoạn lặp lại đơn giản Phương pháp này được Lit và Luty giới thiệu năm 1989 khi nghiên cứu genome của một số sinh vật đã phát hiện ra những đoạn ADN có chiều dài khác nhau phân bố một cách ngẫu nhiên mà trình tự của nó bao gồm các nhóm nucleotide lặp lại một cách có trình tự

Chỉ thị SSR dựa trên phản ứng PCR, sử dụng các mồi có trình tự bổ trợ với hai đầu đoạn lặp lại đơn giản để khuếch đại các đoạn ADN lặp lại Từ kết quả thu được về độ dài các đoạn lặp ADN khác nhau, số lượng đoạn lặp khác nhau,

ta có thể xác định mức độ đa dạng di truyền của các mẫu nghiên cứu SSR có trình tự đặc trưng ở 2 đầu cho mỗi đoạn nên đã được sử dụng để thiết kế mồi cho phản ứng PCR Ưu điểm chính của chỉ thị phân tử SSR là đơn giản, thuận tiện, mặt khác do chỉ thị này đồng trội nên được sử dụng để phát hiện các cá thể

dị hợp tử và lập bản đồ gen sử dụng quần thể F2

1.4.3 Tính ƣu việt của việc sử dụng chỉ thị phân tử

 Tìm và phát hiện những cá thể có chứa một gen nhất định nào đó trong quần thể đang phân li, trên cơ sở tìm sự có mặt của một mẫu ADN đánh dấu liên kết chặt chẽ với gen đó chứ không phải dựa vào kiểu hình của nó

 Đánh giá từng cá thể trong quần thể ở bất kì giai đoạn sinh trưởng nào, trong bất kì điều kiện, môi trường đánh giá nào, cùng một lúc đánh giá được nhiều tính trạng khác nhau trên một cá thể sinh vật

 Loại trừ được ảnh hưởng của mối tương tác giữa các alen khác nhau của một locus hoặc giữa các locus khác nhau lên sự biểu hiện tính trạng

 Làm tăng cường hiệu quả và độ chính xác của chọn lọc đặc biệt đối với những tính trạng khó biểu hiện ra kiểu hình

 Giúp cho nhà chọn giống phân biệt được sự sai khác rất nhỏ giữa hai cá thể sinh vật có họ hàng gần nhau, thậm chí khác nhau chỉ do đột biến nhỏ hoặc do tái tổ hợp, phân biệt giữa các alen, các chủng sinh lí gây bệnh

 Là công cụ hữu hiệu để khẳng định quyền tác giả đối với các loại giống cây trồng, vật nuôi, phát hiện các loại bệnh di truyền trong y tế, phát hiện tội phạm

1.4.4 Ứng dụng của chỉ thị phân tử trong nghiên cứu sinh học

Chỉ thị phân tử hiện được ứng dụng rộng rãi ở nhiều lĩnh vực:

 Giám định gen (ở người)

 Nghiên cứu đa dạng di truyền

 Lập bản đồ phân tử

 Chọn giống nhờ chỉ thị phân tử (Marker-assisted selection)

1.5 Tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước về tiềm năng đối kháng thực vật

1.5.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

 Sàng lọc các giống lúa có hoạt tính đối kháng tiềm năng

Các nhà nghiên cứu đã phát triển nhiều phương pháp sàng lọc nhằm xác định hoạt tính đối kháng ở lúa, trong đó một vài phương pháp sử dụng vật liệu đơn giản, dễ thực hiện, khả năng tin cậy cao đánh được trình bày tóm tắt trong Bảng 1.1 Sàng lọc, đánh giá để xác định các giống lúa có hoạt tính đối kháng tiềm năng là công việc không thể thiếu được trước khi khởi động trương trình chọn giống Garrity và cs (1992)[24] đã đề xuất một số một số đặc điểm của các giống lúa có hoạt tính đối kháng cao bao gồm: (a) có tiềm năng năng suất và ít

cỏ dại phát triển ở dưới tán lá hơn các giống lúa khác; (b) có chiều cao thân và diện tích lá vừa phải Các phương pháp sàng lọc hoạt tính đối kháng ở lúa cần phải đáp ứng một số yêu cầu sau: (a) có độ chính xác cao trong việc đánh giá tiềm năng đối kháng thực tế ở lúa để hạn chế khả năng cạnh tranh như ánh

sáng, nước, dinh dưỡng và một số nhân tố vi lượng khác; (b) khả năng sàng lọc đánh giá được một số lượng lớn cá thể/giống trong điều kiện thời gian và không gian hẹp; (c) phương pháp, vật liệu phải đơn giản, sẵn có và dễ thực hiện; (d) khả năng thực hiện được ở bất kì thời gian nào trong năm

 Sàng lọc tính đối kháng thực vật trong phòng thí nghiệm

Đánh giá hoạt tính đối kháng trong phòng thí nghiệm là nhiệm vụ cần thiết và không thể thiếu được trong nghiên cứu về hoạt tính đối kháng ở lúa Các phương pháp đánh giá cần phải đơn giản, hiệu quả, chi phí rẻ tiền, đồng thời đánh giá được nhiều giống trong phạm vi thời gian và không gian hẹp, có thể thực hiện được bất kì thời gian nào trong năm Một số cây chỉ thị được sử

dụng để đánh giá hoạt tính đối kháng ở lúa chẳng hạn như rau riếp (Lactuca

sativa L.), cải củ (Raphanus sativa), cải xoong (Lepidium sativum L.)… Tuy

nhiên, các cây chỉ thị này thường quá mẫn cảm với hoạt chất đối kháng ở nồng

độ thấp, do vậy có thể dẫn đến đánh giá chưa chính xác về khả thực tế hoạt tính đối kháng Do đó, một số cây rau củ như hành, vừng, đậu đỗ có thể là sự lựa chọn tốt hơn để đánh giá hoạt tính đối kháng (Xuan và cs, 2005)[64] Hơn nữa,

cỏ lồng vực (Echinochloa-crus-galli), cỏ chân vịt (Monochoria vaginalis) là cỏ

dại quan trọng trực tiếp canh tranh và giảm năng suất lúa trong môi trường tự nhiên, cần được sử dụng làm cây chỉ thị để đánh giá hoạt tính đối kháng thực vật ở lúa

Trong số các phương pháp sàng lọc đánh giá hoạt tính đối kháng trình bày ở (Bảng 1.1), phương pháp “Plant Box” và phương pháp “Sandwich” là đơn giản và có hiệu quả nhất Tuy nhiên, phương pháp “Plant Box” có một số nhược điểm là cần nhiều thời gian gieo cây con (mạ) trong môi trường nhân tạo và cần hộp chứa dinh dưỡng, do vậy gây khó khăn trong việc đánh giá một tập đoàn giống lớn Phương pháp “Relay seeding” có thể thực hiện nhanh chóng, rẻ tiền, đồng thời đánh giá được một số lượng lớn giống Tuy nhiên, nhược điểm là rễ của cây chỉ thị thường bám rất chặt vào giấy thấm, có xu hướng làm đứt rễ, dẫn đến đo đếm kết quả không chính xác Một số phương

pháp khác như sử dụng máy sắc khí (HPLC), máy sắc ký khí ghép khối phổ (GC-MS) để đánh giá tiềm năng đối kháng phóng thích từ rễ lúa ra môi trường (Mattice và cs, 2001; Song và cs, 2004)[47][62] Tiềm năng đối kháng của lúa tương ứng với số lượng độc tố tiết ra từ rễ, thường được xác định thuộc các nhóm phenolic, momilacton A, B Tuy nhiên, sử dụng các công cụ phân tích này rất phức tạp và tốn kém Phương pháp đánh giá, phân lập và xác định hoạt tính đối kháng phóng thích từ rễ lúa được phát triển bởi Rimando và cs (2001)[59] Kết quả của tác giả cho thấy số liệu đánh giá ở điều kiện trong phòng có thể tương quan với thí nghiệm đánh giá ngoài đồng ruộng Tuy phương pháp này không phù hợp để đánh giá vai trò hoạt tính đối kháng ở lúa trong môi trường tự nhiên nhưng lại hiệu quả trong việc xác định hoạt chất đối kháng giữa các giống lúa trồng trong điều kiện môi trường được kiểm soát Hạn chế này là do không sử dụng nguồn đất trực tiếp trên đồng ruộng, rễ khô của lúa được chiết xuất với acetone không đánh giá được hết các hợp chât đối kháng có trong rễ lúa (Inderjit và Nilsen, 2003)[30] Một số phương pháp khác được Lee và cs (2003, 2004) [41][42] phát triển, chẳng hạn như phương pháp thủy canh, phương pháp ratoon, có thể đánh giá được hoạt tính đối kháng nhưng có một số hạn chế do thay đổi môi trường dinh dưỡng từ đất sang thủy canh có thể chưa đánh giá được đầy đủ về khả năng đối kháng trong mỗi giống lúa Trong khi đó phương pháp ratoon có thể gây tổn thương trong việc phóng thích các hợp chất đối kháng, ảnh hưởng đáng kể đến đánh giá chính xác đồng thời hoạt tính đối kháng ở lúa Có thể nói, khả năng ức chế cỏ dại từ các tích hợp của hoạt chất đối kháng và các nhân tố cạnh trạnh như ánh sáng, môi trường dinh dưỡng vẫn chưa được loại bỏ

Bảng 1.1: Một số phương pháp đánh giá hoạt tính đối kháng ở lúa

Relay seeding Hạt cỏ lồng vực, hạt lúa, hộp

vuông, thạch dinh dưỡng

Trồng lúa: 7; Cỏ: 10 Tổng: 17 ngày Thủy canh Hạt cỏ lồng vực, hạt lúa, đất khử

trùng, đĩa petri

Trồng lúa: 20; Lúa mọc trong môi trường thủy canh: 10

Tổng: 36 Ratoon Hạt lúa và cỏ lồng vực Trồng lúa: 36; Trồng xen

cỏ: 20 Tổng: 50 Rơm rạ và đất Hạt cỏ lồng vực, rơm rạ các

giống lúa, hộp nhựa vuông, đất khử trùng

Trồng lúa và cỏ: 25 Tổng: 25

Chiết xuất lá, vỏ

trấu và rơm rạ

Lá, vỏ trấu, rơm rạ các giống lúa, hạt cỏ lồng vực, giấy thấm, đĩa petri

Trồng lúa và cỏ: 9 Tổng: 9

Trồng xen Máy đo diện tích lá, hạt cỏ lồng

vực và lúa, tủ ấm, lô đất thí nghiệm, khay mạ

Gieo mạ: 45; Trồng lúa: 14+53

Trồng cỏ: 40 + 53 Tổng: 112

Đánh giá trong

nhà kính

Rơm rạ (lá, thân) các giống lúa, cát khử trùng, hộp nhựa, môi trường trồng thủy canh

Trồng lúa: 28; Trồng cỏ:

20 Tổng: 48

GC-MS Giống lúa có hoạt tính đối kháng

cao, hạt cỏ lồng vực, máy

GC-MS

Gieo mạ: 12; Trồng lúa: 30; Trồng cỏ: 5

Tổng: 47 Plant Box Hộp nhựa, ống nhựa, dinh

dưỡng agar (0.5%), hạt rau diếp

Gieo mạ: 30; Trồng rau diếp: 5

Tổng: 35 Sandwich Hộp nhựa sáu lỗ, lá lúa, hạt rau

diếp

Trồng rau diếp: 3; Trồng lúa: 10

Tổng: 13 HPLC Máy quang phổ HPLC và hóa

chất liên quan

Lúa trồng: 10 Tổng: 10 Đánh giá phát

triển rễ

Hộp nhựa, hạt lúa, hạt cỏ lồng vực, đất khử trùng

Trồng lúa và cỏ: 35 Tổng: 35

Đánh giá hợp

phóng thích chất

bằng GC-MS

Hạt cỏ lồng vực, hạt lúa, máy GC-MS

Trồng lúa: 45; Trồng cỏ 32 Tổng: 77

 Đánh giá hoạt tính đối kháng trong nhà lưới và trên đồng ruộng

Các nghiên cứu về hoạt tính đối kháng ở lúa được thực hiện vào đầu thập niên 70 (Muller, 1970)[49] Hiện nay, nhìn chung các nghiên cứu đã được xây dựng bài bản hơn, tuy nhiên vẫn còn một số bất cập đã được đề cập trong nghiên cứu của Putnam và Tang, 1986; Rizvi và Rizvi, 1992; Khanh và cs, 2007 [57][60][35] Một số phương pháp đánh giá hoạt tính đối kháng được thực hiện trong nhà lưới, nhà kính và trên đồng ruộng (Bảng 1.1) Phần lớn các phương pháp sử dụng cây chỉ thị là cỏ lồng vực, trồng xen với lúa hoặc thu thập và cỏ tự

nhiên dưới tán lúa trên đồng ruộng (Dilday và cs, 2001)[21] Phương pháp đánh giá trong điều kiện nhà kính, sử dụng rơm rạ các giống lúa nghiên cứu, trộn với đất khử trùng, sau đó trồng cỏ lồng vực (Lee và cs, 2003)[41] Dilday và cs (2001)[21] công bố rằng khối lượng rễ của lúa tương quan với hoạt tính đối kháng Tuy nhiên, trở ngại chính trong các nghiên cứu trong điều kiện nhà kính

và trên đồng ruộng là làm sao giảm thiểu và phân biệt được các nhân tố cạnh tranh (Olofsdotter, 2001)[53]

 Các nghiên cứu về đánh giá tính đối kháng ở lúa

Cây trồng đã được biết có hoạt chất đối kháng và biểu hiện khác nhau

trong điều kiện tự nhiên trong đó có dưa chuột (Cucumis sativus), cỏ linh lăng (Medicago sativa), lúa mì (Triticum aestivum) (Xuan và cs, 2005)[64] Ở lúa,

các nỗ lực nghiên cứu của các nhà khoa học để xác định các hoạt tính đối kháng giữa các giống lúa đã được thực hiện Đây là nguồn thông tin quan trọng và hữu ích cho các nghiên cứu tiếp theo về phân tích di truyền, lập bản đồ phân tử các tính trạng liên quan đến hoạt tính đối kháng, lai tạo, chọn ra những dòng lúa có hoạt tính đối kháng cao, năng suất và chất lượng tốt Các giống lúa khác nhau

có biểu hiện sự khác nhau về tiềm năng đối kháng (Dilday và cs 1992) [20]

Hoạt tính đối kháng ở lúa thường biểu hiện khả năng ức chế sinh trưởng

và phát triển của cây chỉ thị Các nghiên cứu của Dilday và cs (1994, 2001)[21][22] đã đánh giá tiềm năng đối kháng của hàng nghìn giống lúa trên toàn thế giới Trong tổng số 12.000 giống lúa thu thập, có 412 giống có hoạt chất đối kháng ức chế khả năng sinh trưởng và phát triển của cỏ chân vịt trong điều kiện tự nhiên Một số nghiên cứu khác xác định được 94 giống lúa trong

5000 giống thu thập có hoạt tính đối kháng ức chế cỏ lồng vực Một số giống lúa khác có hoạt tính đối kháng cao đã được xác định như giống PI321777 và PI338046 Các nghiên cứu này chỉ ra rằng nguồn gen lúa từ Trung Quốc và Nhật Bản có hoạt tính đối kháng cao hơn các giống lúa khác (Dilday và cs, 1989)[17] Olofsdotter và cs (1997)[52] đã xác định được 45 giống trong tổng số 1000 giống thu thập có hoạt tính đối kháng cao, ức chế sinh trưởng của cỏ lồng vực và cỏ chân vịt Trong đó có 5 giống ức chế cả 2 loại cỏ dại Khoảng 20-40% trong số 1000 giống lúa thu thập tại Ai Cập có hoạt tính đối kháng (Hassan và cs, 1998)[26] Ở

Nhật Bản, 24 giống trong tổng số 189 giống thu thập có hoạt tính đối kháng, trong

đó 72 giống Japonica, 18 giống Indica, 32 giống ôn đới, 29 giống Trung Quốc, và 4 giống châu Phi, và 34 giống chưa rõ nguồn gốc cho hoạt tính đối kháng cao ức chế 75% sinh trưởng của cây chỉ thị Các giống lúa châu Phi và Japonica á nhiệt đới có tiềm năng đối kháng cao hơn các giống khác, trong đó giống Japonica cao hơn giống Indica, đặc biệt các giống lúa cải tiến thường có hoạt tính đối kháng thấp (Fujii, 1992) [23] Theo nghiên cứu của Lee và cs (2004) [42] đã đánh giá hoạt tính đối kháng của 598 giống dựa trên khả năng ức chế sinh trưởng của cỏ lồng vực Các giống lúa thu thập và phân ra thành 4 nhóm: giống Indica (51 giống), Japonica (311 giống), Indica-Japonica (26 giống), lúa cải tiến (210 giống) Tất cả 4 nhóm giống đều có hoạt tính đối kháng ức chế sinh trưởng rễ của cỏ lồng vực Nghiên cứu này cũng chỉ ra rằng các giống lúa Japonica có khả năng ức chế cỏ dại hơn lúa Indica và lúa lai Indica-Japonica Tác giả cũng kết luận rằng các giống lúa có thời gian sinh trưởng dài ngày thường có hoạt tính đối kháng cao hơn các giống lúa ngắn ngày

 Hoạt chất đối kháng (allelochemical) và hoạt tính đối kháng

Các hoạt chất đối kháng thực vật (allelochemicals) là các hợp chất thứ cấp đóng vai trò quan trọng trong mối tương tác giữa cây trồng với cây trồng, cây trồng

và vi sinh vật, cây trồng và côn trùng Trong tự nhiên, phần lớn các hợp chất này liên quan đến hoạt tính đối kháng, hoạt động trao đổi thông qua quá trình sinh tổng hợp axit shikimic và axit acetate (Rice, 1984; Rizvi & Rizvi, 1992)[58][60]

Việc xác định các hoạt chất đối kháng có thể giúp giải thích được cơ chế hoạt động của hoạt tính đối kháng ở lúa Các hợp chất đối kháng tiềm năng có thể được tận dụng và khai thác làm thuốc diệt cỏ sinh học hoặc chất điều hòa sinh trưởng hoặc có thể sử dụng cho các nghiên cứu tiếp theo, nhằm tổng hợp được thuốc diệt cỏ từ môi trường tự nhiên Nhiều hoạt chất đối kháng ở lúa đã được thanh lọc, xác định thường thuộc nhóm dẫn xuất phenolic, cytokinin, axit béo, indo và terpenes, được trình bày tóm tắt trong phụ lục 1

Trong số các hoạt chất đối kháng xác định thuộc nhóm phenolic, hydroxybenzoic, vanillic, p-coumaric và axit béo có thể là hoạt chất đối kháng phổ biến nhất ở lúa (Rice, 1984; Mattice và cs, 1998; Khanh và cs,

p-2007)[58][48][36] Các công cụ phân tích hóa học hiện đại như GC-MS,

LC-MS, NMR và IR đã cho phép xác định và tầm soát các hoạt tính đối kháng thuộc các nhóm khác nhau như cytokinin, phenol, indole, terpen, phenylalkanoic, sterol, benzaldehydes, nhóm dẫn xuất benzen, ester và ketone (Khanh và cs, 2007; Seal và cs, 2004)[35][61] Gần đây một số hợp chất đối kháng đã được công bố thuộc nhóm oryzalexin, flavone, diterpenoid glucoside, steroid, cyclohexenone và stigmastanol (phụ lục 1) Hay nói cách khác, các giống lúa có hoạt tính đối kháng chứa ít nhất nhiều hơn một hợp chất đối kháng và đóng vai trò chính đối với khả năng ức chế cỏ dại trên đồng ruộng

Gần đây, Kong và cs (2004)[40] đã công bố hoạt chất flavone trihydroxy-3’,5’-dimethoxyflavone) ADN cyclohexenone (3-isopropyl-5-acetoxycyclohexene-2-one-1) có trong một số giống lúa liên quan đến sự xuất hiện của cỏ lồng vực Đây là nghiên cứu đầu tiên công bố về sự hoạt chất đối kháng tổng hợp liên quan đến xuất hiện một số loài cỏ dại Tương tự, Macias và

(5,7,4’-cs (2006)[46] đã thành công thanh lọc và xác định hoạt chất đối kháng thuộc nhóm steroid, ergosterol peroxide ADN 7-oxo-stigmasterol từ thân, lá của giống lúa có hoạt tính đối kháng cao nhất Hoạt chất này có khả năng ức chế khả năng sinh trưởng và phát triển cỏ lồng vực Đây cũng là nghiên cứu đầu tiên về hoạt tính đối kháng của nhóm hoạt chất steroid trên cỏ dại Đến nay, nhiều hợp chất đối kháng đã được xác định ở lúa, nồng độ của các hoạt chất này ức chế sự sinh trưởng và phát triển cỏ dại trong môi trường tự nhiên cũng chưa được xác định

Ví dụ, Olofsdotter và cs (2002)[54] đã công bố lượng hoạt chất thuộc nhóm phenolic phóng thích từ lúa chưa đạt đến mức gây độc để ức chế cỏ dại trên đồng ruộng

 Các nghiên cứu sinh học phân tử về hoạt tính đối kháng và công tác

chọn tạo giống

Có thể nói lĩnh vực ứng dụng sinh học phân tử tìm hiểu về cơ chế của hoạt tính đối kháng ở lúa được thực hiện chậm nhất so với các ngành khoa học cây trồng khác Tính cạnh tranh ở thực vật có thể hiểu như khả năng xâm lấn các

nguồn dinh dưỡng bao gồm ánh sáng, quang hợp, nước, phụ thuộc vào một số đặc điểm sinh lý và điều kiện môi trường, và tính đối kháng là do đa gen quy định (Olofsdotter, 2001)[53] Để chọn tạo được giống lúa có tiềm năng đối kháng, điều quan trọng là phải xác định được các gen, vị trí định vị trên nhiễm sắc thể liên quan đến khả năng cạnh tranh và hoạt tính đối kháng Chọn tạo các giống lúa có tính đối kháng cao thông qua các chương trình chọn giống truyền thống kết hợp với chọn giống phân tử hiện đại, có thể sẽ tạo được các giống lúa

có hoạt tính đối kháng, năng suất và chất lượng cao Do vậy, các nhà chọn giống phân tử cần phải xác định rõ các gen liên kết với tính đối kháng, từ đó chuyển vào các giống lúa ưu tú bằng kỹ thuật phân tử

 Phân tích hệ gen và lập bản đồ di truyền liên quan đến tính đối kháng

Các nghiên cứu về di truyền tính đối kháng mới được khởi động vào năm

1996 (Courtois và Olofsdotter, 1998)[16] Dilday và cs (1998)[18] đã tiến hành lai giữa giống lúa có hoạt tính đối kháng cao PI312777 với giống lúa không có hoạt tính đối kháng Lemont Kết quả cho thấy ở quần thể F2 biển hiện khả năng

ức chế cỏ dại, chứng tỏ hoạt tính đối kháng có tính di truyền số lượng Tương tự Jensen và cs (2001)[31] nghiên cứu lập bản đồ QTL sử dụng quần thể với 142 cá thể tái tổ hợp từ cặp lại giữa IAC165 (giống lúa nương janonica) và CO39 (giống indica vùng trũng) Bốn QTL đã được xác định, định vị trên nhiễm sắc thể (NST) số 2, 3 và 8, biểu hiện 35% biến dị kiểu hình của hoạt tính đối kháng trên cỏ lồng vực Okuno và Ebana (2003)[51] đã xác định được 7 QTL liên quan đến hoạt tính đối kháng, định vị trên NST số 1, 3, 5, 6, 7,11 và 12 Nghiên cứu này đã xác định được 125 chỉ thị RFLP đa hình giữa cặp lai bố mẹ trong tổng số

215 chỉ thị sử dụng Tác giả đã xây dựng bản đồ với 12 nhóm liên kết với khoảng cách di truyền là 1336.2 cM Các alen của biểu hiện của giống PI312777

có khả năng ức chế sinh trưởng của rau diếp hơn alen của giống Rexmont

Zeng và cs (2003)[66] đã sử dụng quần thể đơn bội kép từ cặp lai Japonica và Indica (ZYQ8/JX17) Bốn QTL liên quan đến hoạt tính đối kháng trên, định vị trên NST 3, 9, 10 và 12 đã được xác định với điểm LOD là 3.40,

2.68, 2.75 và 3.08 tương ứng Lee và cs (2005)[43] đã xác định được 9 QTL kiểm soát tính trạng đối kháng trên NST số 1,2,3,4,5,8,9 và 12 Trong số đó, QTL trên NST số 1 và 5 biểu hiện biến dị kiểu hình của tính đối kháng cao nhất đạt 36.5% Một thí nghiệm khác của nhóm tác giả Lin và cs (2005)[45] sử dụng chỉ thị SSR đánh giá về đa dạng di truyền và đã xác định được 57 giống lúa có tiềm năng đối kháng Ba mươi tư băng đa hình đã được xác định và chiếm 53.0% Các giống lúa thu thập cùng một vùng sinh thái có hoạt tính cao được xếp vào một nhóm, chứng tỏ các gen/QTL liên quan đến tính đối kháng ở lúa có thể là đồng dạng Tuy nhiên, một số giống biểu hiện mức độ đối kháng khác nhau đáng kể được phân thành nhóm có hoạt tính đối kháng thấp, có thể trong quá trình chọn tạo các nhà chọn giống chỉ tập trung vào các tính trạng cấu thành năng suất

 Chọn tạo giống mới có hoạt tính đối kháng

Để chọn tạo giống mới có hoạt tính đối kháng cao, ức chế được cỏ dại sẽ mang lại lợi ích không nhỏ cho người trồng lúa Trong các chương trình chọn giống, việc tích hợp chọn giống truyền thống và chọn giống phân tử có hoạt tính đối kháng là rất khả thi Courtois và Olofsdotter (1998)[16] chỉ ra rằng nếu số lượng lớn QTL có ảnh hưởng không đáng kể thì thực hiện bằng phương pháp truyền thống là phù hợp, trong đó cặp lai bố mẹ với các đặc tính trái ngược và dòng tái tổ hợp (RIL) thông qua phương pháp SSD (thu thập từng hạt trên mỗi

cá thể) Kim và Shin (2003)[39] đã tiến hành lai giống Donginbyeo (không có hoạt tính đối kháng, nhưng có năng suất và chất lượng tốt) với giống Kouketsumochi (có hoạt tính đối kháng cao, gần với loài hoang dại) bằng phương pháp SSD Thế hệ F5 biểu hiện tính đối kháng cao ở thí nghiệm trong phòng và hiện vẫn đang được đánh giá trong điều kiện tự nhiên

Lúa lai 3 dòng hiện được trồng khá phổ biến ở Trung Quốc, có thể đây là nguồn vật liệu tốt bởi vì khả năng sinh trưởng và sức sống của các dòng này nhanh hơn so với các dòng lúa thuần (Kim và Shin, 2003)[39] Lin và cs (2000)[44] đã đồng thời tiến hành lai trở lại và cho tự thụ để phát triển dòng lúa

có hoạt tính đối kháng Ba giống lúa Kouketsumochi, Rexmont và IR24 được sử dụng làm cây cho gen (có hoạt tính đối kháng), dòng không có hoạt tính và dòng phục hồi gen tương ứng Điều này cho thấy chiến lược phát triển các giống lúa lai có tiềm năng đối kháng đang được thực hiện Hay nói cách khác, ảnh hưởng của ưu thế lai cho tính đối kháng là rất khả thi Dòng lúa lai này biểu hiện khả năng ức chế cỏ dại rất triển vọng trên đồng ruộng (Lin và cs, 2000)[44] Tuy nhiên, khi khởi động chương trình chọn giống, cần lưu ý các tính trạng đối kháng và tính trạng chất lượng như một mục tiêu chính để phát triển các dòng/giống lúa mới Với sự hỗ trợ của công nghệ phân tích hệ gen hiện đại, hi vọng rằng trong thời gian sớm nhất sẽ thành công chọn lọc và phát triển các giống lúa triển vọng có hoạt tính đối kháng và chất lượng cao

1.5.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Ở nước ta, lĩnh vực phòng trừ cỏ dại bằng chất đối kháng (allelopathy) trong nông nghiệp nói chung và trên cây lúa nói riêng chưa được đi sâu nghiên cứu Trong nhiều năm qua chủ yếu chúng ta vẫn tập chung vào nghiên cứu tạo giống lúa mới năng suất cao, thành phần bệnh hại trên cây lúa ở các giai đoạn sinh trưởng và phát triển ngoài đồng ruộng… Trong những năm gần đây, việc lạm dụng quá mức nông dược tổng hợp để diệt trừ cỏ dại và sâu bệnh đã dẫn đến

ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, năng suất và chất lượng nông sản giảm, ảnh hưởng tới sức khỏe con người, ngoài ra còn gây ra hiện tượng kháng thuốc diệt

cỏ, kháng sâu Do đó cần tìm ra giải pháp tối ưu để kiểm soát cỏ dại

Theo Chau D.P.M và cs (2008) [14] đã nghiên cứu, đánh giá tiềm năng đối kháng thực vật (allelopathy) của 19 giống lúa Indica bằng thí nghiệm trong phòng thí nghiệm Tiềm năng đối kháng thực vật của các giống lúa này được

đánh giá dựa trên khả năng sinh trưởng của cây rau diếp (Lactuca sativa), cải

xoăn (Brassica oleracea) và lúa cỏ Kết quả nghiên cứu cho thấy có 8 giống lúa

đã phóng thích ra chất đối kháng thực vật làm giảm chiều dài rễ mầm và chiều dài thân mầm của xà lách, cải ngọt, lúa cỏ

Theo Ho Le Thi và cs (2008) [27] đã nghiên cứu tiềm năng đối kháng

thực vật của dưa leo (Cucumis sativus) trên cỏ lồng vực (Echinochloa

crus-galli) Công trình nghiên cứu này đã được tiến hành tại Viện lúa đồng bằng

Sông Cửu Long nhằm xác định tiềm năng đối kháng thực vật của giống dưa leo địa phương trên sự nảy mầm và phát triển của cỏ lồng vực trong điều kiện phòng thí nghiệm và nhà kính Kết quả nghiên cứu cho thấy dịch chiết từ dưa leo ức chế sự nảy mầm và sinh trưởng của cỏ lồng vực Sự ức chế này gia tăng theo thời gian ngâm nước cho đến 9 ngày và sự gia tăng hàm lượng dây dưa leo, liều lượng bột dưa leo Những kết quả này chỉ ra rằng chất ức chế sinh trưởng có thể được phóng thích ra từ thân lá dưa leo vào trong nước, vào trong đất hoạt động như là chất đối kháng thực vật Do đó, dây dưa leo có thể là một chất hữu dụng tiềm tàng trong chiến lược diệt trừ cỏ dại nông nghiệp, điều này cần được nghiên cứu kỹ lưỡng trên đồng ruộng để có thể áp dụng trên thực tế

Theo Khanh và cs (2009)[37] đã đánh giá tính đối kháng của 73 giống lúa cải tiến và giống lúa bản địa Việt Nam trong điều kiện phòng thí nghiệm, nhà lưới và ngoài đồng ruộng, đã xác định được 15 giống có khả năng ức chế cỏ lồng vực

Gần đây, Ho Le Thi và cs (2017)[7] đã công bố thanh lọc được hoạt chất đối kháng N-trans-cinnamoyltyramine (NTCT) thuộc nhóm chất phenylethylamine từ giống lúa OM 5930 bằng kỹ thuật phân tích sắc kí lỏng cao

áp (HPLC), sắc ký lỏng khối phổ (LCMS/MS) Kết quả đánh giá hoạt tính sinh học cho thấy chất NTCT có khả năng ức chế sinh trưởng một số cây chỉ thị như

có lồng vực, cỏ lông đuôi phụng (Leptochloa chinensis L Nees) ở nồng độ thấp

0.24 μM và ED50 (effective dose- nồng độ cần thiết để ức chế 50% quần thể cỏ dại) Kết quả này mở ra khả năng sử dụng NTCT như một chất đối kháng triển vọng để phát triển thuốc phòng trừ cỏ dại sinh học ứng dụng trong hệ thống canh tác lúa bền vững (Hồ Thi Lệ và cs 2017)[28]

Khang và cs (2016)[34] đã đánh giá tiềm năng đối kháng cỏ dại của giống lúa MNR2 trên sự sinh trưởng và phát triển của một số cây chỉ thị Nghiên cứu chỉ ra rằng tính đối kháng của hạt lúa bóc vỏ (dehulled seed) biểu hiện khả

năng đối kháng cao hơn hạt chưa bóc vỏ Nghiên cứu này cũng xác định được một số hoạt chất đối kháng thuộc nhóm phenolic như vanilic acid, vanillin quy định tính đối kháng của giống MNR2

Nói tóm lại, các nghiên cứu về tính đối kháng thực vật đối với cây lúa ở nước ta còn nhiều hạn chế, các nghiên cứu chỉ bước đầu đánh giá tính đối kháng của các dòng/giống lúa khác nhau Hiện chưa có nghiên cứu lai tạo, hay lập bản đồ gen/QTL cũng như ứng dụng chỉ thị phân tử trong chọn giống đối kháng ở lúa Đây sẽ là đề tài đầu tiên tại Việt Nam và trên thế giới nghiên cứu về tính đối kháng cỏ dại giữa giống lúa được tạo ra từ lúa hoang dại và lúa thuần áp dụng các phương pháp nghiên cứu trên các điều kiện khác nhau cũng như ứng dụng chỉ thị phân tử