Nghiên cứu đa dạng di truyền và sử dụng một số giống lúa màu triển vọng ở việt nam

Mục tiêu của đề tài Đánh giá được đa dạng di truyền của tập đoàn 90 mẫu giống lúa màu ở mức hình thái dựa vào một số chỉ tiêu chất lượng và khả năng chịu hạn và ở mức phân tử dựa vào

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

VIỆN KHOA HỌC NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ NÔNG NGHIỆP

Người hướng dẫn khoa học:

1 PGS.TS LÃ TUẤN NGHĨA

2 GS.TS HOÀNG TUYẾT MINH

Hà Nội - 2017

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

VIỆN KHOA HỌC NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

-

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan, đây là công trình nghiên cứu của tôi Các số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận án này là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ một công trình nào khác

Tôi xin cam đoan rằng, mọi sự giúp đỡ, hợp tác cho việc thực hiện luận án này

đã được cám ơn và các thông tin trích dẫn trong luận án này đều được chỉ dẫn rõ nguồn gốc

Tác giả luận án

Hoàng Thị Huệ

ii

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận án này, tôi đã nhận được sự quan tâm giúp đỡ nhiệt tình

của các Thầy, Cô giáo, các tập thể, cá nhân cùng bạn bè đồng nghiệp và gia đình

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới hai Thầy hướng dẫn PGS.TS Lã

Tuấn Nghĩa - Giám đốc Trung tâm Tài nguyên thực vật và GS.TS Hoàng Tuyết Minh

– Hội Giống cây trồng Việt Nam, và những Thầy Cô đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ

tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài cũng như hoàn thành luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Trung tâm Tài nguyên thực vật,

Bộ môn Đa dạng sinh học nông nghiệp, bạn bè đồng nghiệp trong Trung tâm Tài

nguyên thực vật đã tạo điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong quá trình học tập và thực

hiện đề tài

Tôi xin chân thành cảm ơn các tập thể, cá nhân thuộc Viện Bảo vệ thực vật,

Đại học Hiroshima, cán bộ và nông dân huyện Lộc Hà – Hà Tĩnh, huyện Con Cuông –

Nghệ An đã hợp tác, giúp đỡ và phối hợp trong quá trình thực hiện đề tài

Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô giáo, các anh, chị, em trong Ban Đào tạo sau đại học, Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam đã tận tình giúp đỡ

và chỉ bảo tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài

Cuối cùng tôi vô cùng biết ơn các thành viên trong gia đình đã luôn bên cạnh,

động viên khích lệ, tiếp thêm sức mạnh và nghị lực để tôi hoàn thiện công trình nghiên

cứu này

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng năm 2017

Hoàng Thị Huệ

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC VIẾT TẮT vi

DANH MỤC BẢNG viii

DANH MỤC HÌNH x

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu của đề tài 2

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

4 Những đóng góp mới của đề tài 2

5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài 2

CHƯƠNG I TỔNG QUAN TÀI LIỆU NGHIÊN CỨU 4

2.1 Giới thiệu chung về cây lúa màu 4

2.1.1 Nguồn gốc và phân bố 4

2.1.2 Giá trị sử dụng của cây lúa màu 5

2.2 Tình hình sản xuất và tiêu thụ lúa màu trên thế giới và Việt Nam 7

2.2.1 Trên thế giới 7

2.2.2 Ở Việt Nam 8

2.3 Tình hình nghiên cứu về cây lúa màu 9

2.3.1 Nghiên cứu bảo tồn và chọn tạo giống lúa màu 9

2.3.2 Nghiên cứu đa dạng di truyền cây lúa màu 13

2.3.3 Nghiên cứu khả năng kháng bệnh của cây lúa màu 20

2.3.4 Nghiên cứu khả năng chịu hạn của cây lúa màu 23

2.3.5 Nghiên cứu chất lượng cây lúa màu 27

2.3.6 Nghiên cứu kỹ thuật gieo trồng cây lúa màu 33

CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU…37 2.1 Vật liệu nghiên cứu 37

2.2 Nội dung nghiên cứu 42

2.2.1 Nghiên cứu đa dạng di truyền nguồn gen lúa màu ở Việt Nam 42

iv

2.2.2 Đánh giá đặc điểm nông sinh học chính và khả năng kháng bệnh của nguồn gen

lúa màu đại diện 42

2.2.3 Đánh giá hoạt tính chống oxy hóa và vi chất của giống lúa màu triển vọng 42

2.2.4 Nghiên cứu biện pháp kỹ thuật gieo trồng cho 2 giống lúa màu triển vọng 42

2.3 Địa điểm và thời gian nghiên cứu 43

2.4 Phương pháp nghiên cứu 43

2.4.1 Phương pháp nghiên cứu về chất lượng 43

2.4.2 Phương pháp nghiên cứu khả năng chịu hạn 49

2.4.3 Phương pháp nghiên cứu đa dạng di truyền sử dụng chỉ thị phân tử SSR 51

2.4.4 Phương pháp đánh giá đặc điểm nông sinh học của nguồn gen lúa màu 53

2.4.5 Phương pháp nghiên cứu khả năng kháng bệnh 54

2.4.6 Phương pháp nghiên cứu kỹ thuật gieo trồng giống lúa màu triển vọng 56

2.4.7 Phương pháp phân tích và xử lý số liệu 58

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 59

3.1 Đánh giá đa dạng di truyền nguồn gen lúa màu ở Việt Nam 59

3.1.1 Đánh giá đa dạng dựa trên chỉ tiêu chất lượng 59

3.1.2 Đánh giá đa dạng dựa trên khả năng chịu hạn 69

3.1.3 Đánh giá đa dạng di truyền sử dụng chỉ thị phân tử SSR 79

3.2 Đánh giá một số đặc điểm nông sinh học chính và khả năng kháng bệnh của nguồn gen lúa màu đại diện 97

3.2.1 Đánh giá một số đặc điểm nông sinh học chính của các mẫu giống lúa màu đại diện 97

3.2.2 Đánh giá khả năng kháng bệnh đạo ôn của các mẫu giống lúa màu đại diện 101

3.2.3 Đánh giá khả năng kháng bệnh bạc lá của các mẫu giống lúa màu đại diện 103

3.3 Đánh giá hoạt tính chống oxi hóa và hàm lượng vi chất của giống lúa màu triển vọng 104

3.3.1 Đánh giá hoạt tính chống oxi hóa của 2 giống lúa màu triển vọng 104

3.3.2 Đánh giá hàm lượng vi chất của 2 giống lúa màu triển vọng 106

3.4 Nghiên cứu xây dựng biện pháp kỹ thuật gieo trồng đối với giống lúa màu triển vọng 107

3.4.1 Nghiên cứu về thời vụ 107

3.4.2 Nghiên cứu về mật độ 109

v

3.4.3 Nghiên cứu về phân bón 112

A KẾT LUẬN 114

B ĐỀ NGHỊ 11 5 TÀI LIỆU THAM KHẢO 117 PHỤ LỤC 130

Deoxyribonucleic acid Amplified Fragment Length Polymorphism Base pair

Bảo vệ thực vật Center analysis services experimental Cường độ quang hợp

Cường độ thoát nước Cộng sự

Công thức Cetyl trimethylammonium bromide Đồng bằng sông Cửu Long

Docosa hexaenoic acid Deoxynucleotide triphosphates 1,1 – diphenyl – 2 – picrylhydrazyl Insertion Deletion

Indian Rice Collection International plant genetic resources institute International Rice Research Institute

Inter- Simple Sequence Repeat Khoa học và công nghệ

Khối lượng Ngân hàng gen Nông nghiệp Năng suất thực thu Phenylalaninamonia lyaza Polymerase Chain Reaction Polymorphism Information Content Parts per million

Phát triển nông thôn Quantitative trait locus

Random Amplified Polymorphic Randomized complete design Single Nucleotide Polymorphism Chỉ số tương quan với hàm lượng diệp lục Simple Sequence Repeats

Thời gian sinh trưởng Tổng hợp

Trách nhiệm hữu hạn Tài nguyên thực vật Thời vụ

World Health Organization

viii

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 1 Phân bố của nguồn gen lúa màu (black rice) trên thế giới 5

Bảng 1 2 Nhu cầu tiêu thụ gạo chất lượng (1.000 tấn) 8

Bảng 1 3 Tính trạng đặc biệt của các giống lúa màu (red varieties) điển hình tại Ấn Độ 11

Bảng 1 4 Một số giống lúa và gen kháng đạo ôn 21

Bảng 1 5 Một số giống lúa và gen kháng bạc lá 22

Bảng 2 1 Danh sách 90 mẫu giống lúa màu nghiên cứu 37

Bảng 2 2.Danh sách 40 chỉ thị phân tử SSR sử dụng trong nghiên cứu 40

Bảng 2 3.Thành phần cho một phản ứng PCR 51

Bảng 2 4 Các chỉ tiêu theo dõi đặc điểm nông sinh học 53

Bảng 3 1 Phân loài phụ Indica/Japonica và Nếp/Tẻ của các mẫu giống lúa màu 59

Bảng 3 2.Đánh giá các chỉ tiêu xay xát của các mẫu giống lúa màu 60

Bảng 3 3 Mối quan hệ giữa độ thơm với phân loài phụ Indica/Japonica và Nếp/Tẻ của các mẫu giống lúa màu 62

Bảng 3 4.Mối quan hệ giữa hàm lượng amylose với loài phụ Indica/Japonica và Nếp/Tẻ của các mẫu giống lúa màu 63

Bảng 3 5 Mối quan hệ giữa độ phân hủy kiềm, nhiệt độ hóa hồ với loài phụ Indica/Japonica và Nếp/Tẻ của các mẫu giống lúa màu 64

Bảng 3 6 Mối quan hệ giữa hàm lượng anthocyanin và màu sắc gạo lật của các mẫu giống lúa màu 66

Bảng 3 7 Đánh giá khả năng chịu hạn của các mẫu giống lúa nghiên cứu sau khi xử lý KClO3 3% 69

Bảng 3 8 Kết quả chiều dài thân và chiều dài rễ của một số mẫu giống có khả năng sinh trưởng 72

Bảng 3 9 Thông tin đa hình tại các locut SSR nghiên cứu của các mẫu giống lúa màu 84

Bảng 3 10 Tỷ lệ khuyết số liệu (M%) và dị hợp tử (H%) của các mẫu giống lúa màu nghiên cứu 88

Bảng 3 11 Danh sách các mẫu giống lúa màu được chọn sử dụng phần mềm hệ số chọn lọc 95

Bảng 3 12 Thông tin về 16 mẫu giống lúa màu đã chọn 96

ix

Bảng 3 13 Kết quả về chiều cao cây và số nhánh 98 Bảng 3 14 Một số đặc điểm đặc trưng của các mẫu giống lúa màu đại diện 99 Bảng 3 15 Đánh giá tính kháng bệnh đạo ôn của các mẫu giống lúa màu đại diện 102 Bảng 3 16 Đánh giá tính kháng bệnh bạc lá của các mẫu giống lúa màu đại diện 103Bảng 3 17 Hoạt tính chống oxi hoá của 2 giống lúa màu triển vọng……… 104 Bảng 3 18 Hàm lượng Phenolic tổng số của 2 giống lúa màu triển vọng………….105 Bảng 3 19 Hàm lượng Flavonoid tổng số của 2 giống lúa màu triển vọng……… 106 Bảng 3 20 Hàm lượng sắt và kẽm của 2 giống lúa màu triển vọng……… 107 Bảng 3 21 Ảnh hưởng của thời vụ đến một số đặc điểm chính của giống lúa Bát vụ

mùa 2015 và 2016 tại Hà Tĩnh 108 Bảng 3 22 Ảnh hưởng của thời vụ đến một số đặc điểm chính của giống lúa Khẩu

cẩm xẳng vụ Mùa 2015 và 2016 tại Nghệ An 109 Bảng 3 23 Ảnh hưởng của mật độ cấy đến một số tính trạng chính của giống lúa Bát

vụ Mùa 2015 và 2016 tại Hà Tĩnh 110 Bảng 3 24 Ảnh hưởng của mật độ cấy đến một số tính trạng chính của giống lúa

Khẩu cẩm xẳng vụ Mùa 2015 và 2016 tại Nghệ An 111 Bảng 3 25 Ảnh hưởng của phân bón phức hỗn hợp NPK đến một số tính trạng chính

của giống lúa Bát vụ Mùa 2015 và 2016 tại Hà Tĩnh 112 Bảng 3 26 Ảnh hưởng của phân bón phức hỗn hợp NPK đến một số tính trạng chính

của giống lúa Khẩu cẩm xẳng vụ Mùa 2015 và 2016 tại Nghệ An 113

x

DANH MỤC HÌNH

Hình 2 1 Sơ đồ cách tiếp cận nghiên cứu của luận án 44

Hình 2 2 Hình ảnh đặc trưng các điểm phân hủy kiềm và nhiệt độ hóa hồ 47

Hình 3 1 Đánh giá độ thơm của các mẫu giống lúa màu……… 63

Hình 3 2 Đánh giá hàm lượng amylose của các mẫu giống lúa màu 64

Hình 3 3 Đánh giá nhiệt độ hóa hồ của các mẫu giống lúa màu 65

Hình 3 4 Cây phả hệ biểu hiện mối quan hệ đa dạng của các mẫu giống lúa màu dựa trên chỉ tiêu chất lượng 68

Hình 3 5 Tỉ lệ nảy mầm của các mẫu giống lúa màu ở các mức chịu hạn sau khi xử lý KClO3 3% 70

Hình 3 6 Hình ảnh nảy mầm đại diện của một số mẫu giống lúa màu 71

Hình 3 7 Khả năng sinh trưởng của giống lúa Khẩu cẩm xẳng trong dung dịch KClO3 1% 73

Hình 3 8 Khả năng chịu hạn và phục hồi của các mẫu giống lúa màu sau 15 – 21 ngày gây hạn 75

Hình 3 9 Khả năng chịu hạn ở giai đoạn đẻ nhánh của một số giống điển hình trong nghiên cứu sau khi gây hạn nhân tạo 75

Hình 3 10 Cây phả hệ biểu hiện mối quan hệ đa dạng giữa các mẫu giống màu dựa trên khả năng chịu hạn 78

Hình 3 11 Ảnh điện di ADN tổng số của các mẫu giống lúa màu 79

Hình 3 12 Ảnh điện di sản phẩm PCR của các mẫu giống lúa màu bằng chỉ thị RM228 80

Hình 3 13 Ảnh điện di sản phẩm PCR của các mẫu giống lúa màu bằng chỉ thị RM1376 80

Hình 3 14 Ảnh điện di sản phẩm PCR của các mẫu giống lúa màu bằng chỉ thị RM339 81

Hình 3 15 Ảnh điện di sản phẩm PCR của các mẫu giống lúa màu bằng chỉ thị RM5647 81

Hình 3 16 Ảnh điện di sản phẩm PCR của các mẫu giống lúa màu bằng chỉ thị RM144 82

xi

Hình 3 17 Ảnh điện di sản phẩm PCR của các mẫu giống lúa màu bằng chỉ thị

RM208 82 Hình 3 18 Biến động kích thước alen tại các locut khảo sát nghiên cứu 83 Hình 3 19 Cây phả hệ biểu hiện mối quan hệ di truyền của 90 mẫu giống lúa màu sử dụng 40 chỉ thị SSR 94 Hình 3 20 Phân nhóm các mẫu giống lúa nghiên cứu theo TGST 97 Hình 3 21 Đường chuẩn cho đánh giá hàm lượng Phenolic tổng số sử dụng Gallic

Acid (GA) 105 Hình 3 22 Đường chuẩn cho đánh giá hàm lượng Flavonoid tổng số sử dụng Rutin

(R) 106

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Lúa (Oryza sativa L.) là loại cây trồng quan trọng bậc nhất, vừa cung cấp nguồn

lương thực chính, vừa là nông sản xuất khẩu có kim ngạch lớn hiện nay ở nước ta Cây lúa và hạt gạo gắn liền với đời sống và văn hoá của dân tộc ta từ hàng ngàn năm Mặc

dù sản lượng lúa gạo của nước ta lớn nhưng giá thành gạo xuất khẩu còn thấp do chất lượng gạo chưa cao Theo xu hướng của toàn thế giới hiện nay tập trung tăng sản lượng tiêu thụ gạo chất lượng và tăng giá trị xuất khẩu, gạo màu được xem là một trong những mặt hàng được quan tâm trong những năm gần đây vì lúa màu thuộc nhóm gạo chất lượng, có lợi cho sức khỏe con người

Giống lúa màu thường có màu sắc khác ở vỏ trấu, vỏ cám màu đen, tím, đỏ hay vàng; có giá trị dinh dưỡng cao, chứa hàm lượng các chất hữu cơ đặc thù như chất chống oxy hóa, anthoxyanin, vitamin, chất khoáng, vi lượng… có lợi cho sức khỏe (Chaudhary, 2003) Sắc tố anthocyanin trong gạo màu là hợp chất có hoạt tính sinh học quí là khả năng chống oxy hóa cao nên có tác dụng chống lão hóa, hạn chế sự suy giảm sức đề kháng; có tác dụng làm bền thành mạch, chống viêm, hạn chế sự phát triển của các tế bào ung thư; tác dụng chống các tia phóng xạ (Huỳnh Thị Kim Cúc và

cs, 2013) Nghiên cứu về lúa màu trên thế giới đã được tiến hành từ nhiều năm, chủ yếu về đánh giá đặc điểm hình thái, phân tử và thành phần các hoạt chất có lợi trong

gạo, chọn tạo giống có chất lượng, có khả năng chống chịu (Ahuja et al.,, 2007; Chaudhary, 2003; Sutharut và Sudarat, 2012; Gowda et al, 2012; Somsana et al.,, 2013; Siddhi et al., 2014; Keshavulu et al., 2015; Brara et al 2015) Tại Việt Nam,

mặc dù lúa màu đã được trồng trọt, bảo tồn và sử dụng từ lâu đời nhưng các nghiên cứu về chúng còn hạn chế, phần lớn tập trung vào việc tuyển chọn, phục tráng, phát triển vật liệu theo phương pháp truyền thống (Lê Vĩnh Thảo, 2009; Ngô Thị Hồng Tươi, 2015; Lâm Xuân Thái, 2015; Trần Hữu Phúc và cs, 2016)

Ở Việt Nam, nhiều giống lúa địa phương hạt có màu sắc như lúa cẩm, huyết rồng, lúa đỏ, nếp than có giá trị cao nhưng chưa được nghiên cứu một cách có hệ thống như đánh giá đa dạng di truyền, chất lượng, ảnh hưởng của điều kiện bất thuận (hạn hán), khả năng chống chịu sâu bệnh, kỹ thuật canh tác v.v ;chưa được quan tâm đúng mức; chưa có nhiều công trình nghiên cứu liên quan được công bố, có ít giống lúa màu triển vọng được giới thiệu ra sản xuất

2

Xuất phát từ những phân tích ở trên, chúng tôi đã thực hiện đề tài luận án:

”Nghiên cứu đa dạng di truyền và sử dụng một số giống lúa màu triển vọng ở Việt

Nam”

2 Mục tiêu của đề tài

Đánh giá được đa dạng di truyền của tập đoàn 90 mẫu giống lúa màu ở mức

hình thái (dựa vào một số chỉ tiêu chất lượng và khả năng chịu hạn) và ở mức phân tử (dựa vào chỉ thị SSR), chọn lọc được các nguồn vật liệu ưu tú;

Đánh giá được một số đặc điểm nông sinh học chính, tính chống chịu bênh đạo

ôn và bạc lá của các nguồn vật liệu ưu tú, xác định và giới thiệu một số giống lúa màu chất lượng, giàu dinh dưỡng, có khả năng chịu hạn, kháng sâu bệnh phục vụ cho sản xuất

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Ý nghĩa khoa học

Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ góp phần quan trọng vào việc tạo dựng cơ sở dữ liệu, vật liệu phục vụ cho công tác nghiên cứu, giảng dạy và bảo tồn, khai thác và sử dụng một cách chủ động và hiệu quả nguồn tài nguyên lúa màu của Việt Nam

Ý nghĩa thực tiễn

Các giống lúa màu được đánh giá về sinh trưởng, phát triển; năng suất, chất lượng

và khả năng chống chịu với sâu bệnh sẽ là nguồn vật liệu quý cho sử dụng khai thác trong chọn tạo giống phục vụ sản xuất

Hai giống lúa màu triển vọng được chọn lọc có chất lượng tốt, có khả năng chịu hạn, năng suất khá và được xây dựng biện pháp kỹ thuật gieo trồng sẽ góp phần làm tăng khả năng khai thác phát triển hai giống lúa màu và tạo ra sản phẩm lúa chất lượng, giàu dinh dưỡng, qua đó giúp người trồng lúa đa dạng hoá sản phẩm và nâng cao thu nhập

4 Những đóng góp mới của đề tài

Đề tài đã sử dụng một số kỹ thuật sinh học phân tử hiện đại kết hợp với các phương pháp truyền thống, phân tích các chỉ tiêu chất lượng, một số hoạt chất hóa sinh

để nghiên cứu về di truyền và chọn giống lúa màu

Đã đánh giá được đa dạng di truyền nguồn gen 90 mẫu giống lúa màu về các chỉ tiêu chất lượng, chịu hạn và sử dụng chỉ thị SSR Kết quả cho thấy các mẫu giống lúa

màu khá đa dạng dựa theo phân loại loài phụ Indica/Japonica, hàm lượng amylose, độ

3

thơm, nhiệt độ hóa hồ, khả năng chịu hạn và chỉ thị SSR Đặc biệt, đánh giá đa dạng hàm lượng anthocyanin cho thấy hàm lượng này tăng dần theo màu sắc gạo lật từ nâu đến tím, hàm lượng anthocyanin cao nhất ở các mẫu giống gạo lật màu tím (401–685 mg/100g), gạo lật màu tím từng phần (200–347 mg/100g), gạo lật màu đỏ (19 – 46 mg/100g) và gạo lật màu nâu (5 – 18 mg/100g)

Đã tuyển chọn được hai giống lúa màu triển vọng và phân tích các hoạt chất kháng oxy hóa (hàm lượng phenolic, flavonoid) và vi chất (sắt, kẽm) của hai giống này

để giới thiệu cho sản xuất Giống lúa Bát: TGST 165–168 ngày, là giống lúa cảm

quang, trồng vụ Mùa, kháng bạc lá (điểm 2), có khả năng chịu hạn, năng suất 3,4–3,8

tấn/ha Giống Khẩu cẩm xẳng: TGST 112–115 ngày, là giống lúa cảm ôn, kháng đạo

ôn (điểm 2-3), có khả năng chịu hạn, hàm lượng anthocyanin cao (685mg/100g), năng suất đạt 3,9 - 4,1 tấn/ha

5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng: Tập đoàn gồm 90 mẫu giống lúa màu đang được lưu giữ tại Trung tâm Tài nguyên thực vật (Bảng 2.1)

- Về thời gian: Đề tài được thực hiện từ năm 2012 đến năm 2017

4

CHƯƠNG I TỔNG QUAN TÀI LIỆU NGHIÊN CỨU 2.1 Giới thiệu chung về cây lúa màu

2.1.1 Nguồn gốc và phân bố

Theo Chaudhary (2003), khái niệm lúa màu hay lúa có màu (colored rice)

(Oryza sativa L.) đề cập đến loại gạo có màu đỏ, tím hoặc màu đen; màu sắc của gạo

được tạo nên do màu của anthocyanin phân bố ở các lớp của vỏ trấu, vỏ hạt gạo và nội nhũ

Các giống lúa gạo màu đỏ, tím hay đen được trồng trọt từ rất lâu đời ở Châu Á

(Ahuja et al., 2007) Lúa đỏ phân bố ở rất nhiều quốc gia châu Á, tuy nhiên, phổ biến

nhất là ở phía Tây Nam và phía Đông của Trung Quốc, lúa đỏ đa số thuộc nhóm

Indica Lúa đen được phát hiện ở cả hai dạng Indica và Japonica (Chaudhary, 2003)

Từ thời xa xưa, lúa màu (red rice) chiếm một vị trí quan trọng ở Ấn Độ, trong lịch sử ghi chép từ thời các ông tổ sáng lập Ayurveda – Susruta (400 năm trước công nguyên - BC), Charaka (700 năm trước công nguyên - BC) và Vagbhata (700 năm sau công nguyên - AD) đã đề cập đến giá trị y học của lúa đỏ (Ahuja et al., 2007) Tại Hàn Quốc, lúa màu được trồng trọt từ lâu đời, ghi nhận về lúa đỏ dại và lúa trồng trọt được tìm thấy trong tượng phật của một ngôi đền 1.300 tuổi (Suh et al., 1994)

Lúa đỏ Japonica được trồng trọt ở Nhật Bản từ thời kỳ tiền Nara (710 năm sau công nguyên) Loại lúa đỏ hạt dài Indica được nhập nội từ Trung Quốc vào Nhật Bản

trong những năm từ thế kỷ 11 - 14 (Itani và Ogawa, 2004)

Theo thống kê của Tang (1995), phân bố của nguồn gen lúa màu trên thế giới

chủ yếu tập trung ở các nước thuộc khu vực châu Á, tập trung nhiều ở nhất ở Trung Quốc và rải rác ở các nước khác như Indonesia, Nepal, Ấn Độ v.v (bảng 1.1)

Theo số liệu thống kê của Trung tâm Tài nguyên thực vật, ở Việt Nam lúa màu được trồng chủ yếu bởi các dân tộc ít người thuộc các tỉnh miền núi phía Bắc, Trung

Bộ và Tây Nguyên Trong số khoảng 3.000 mẫu nguồn gen lúa cạn mà Trung tâm Tài nguyên thực vật đang lưu giữ có khoảng 800 mẫu nguồn gen có đặc điểm gạo màu (dựa theo tiêu chí mô tả của IRRI, 1996)

5

Bảng 1 1 Phân bố của nguồn gen lúa màu (black rice) trên thế giới

2.1.2 Giá trị sử dụng của cây lúa màu

Gạo màu được ghi nhận và khuyến khích sử dụng như thực phẩm chức năng có

chứa chất chống oxy hóa (antioxidant) (Yawadio et al., 2007) Trong số các giống lúa

màu, gạo đỏ phổ biến ở Nhật Bản như thực phẩm chức năng do có chứa hàm lượng cao của các hoạt chất polyphenol và anthocyanin (Itani và Ogawa, 2004) Lúa đỏ thường thích nghi tốt hơn với các điều kiện môi trường bất thuận đồng thời chứa hàm lượng dinh dưỡng cao của Fe và Zn (Chaudhary, 2003) Hàm lượng vi chất sắt và kẽm cao trong gạo đỏ cao gấp 2 - 3 lần so với gạo trắng (Ramaiah và Rao., 1953)

Theo kết quả nghiên cứu của nhiều nhà khoa học đã công bố, gạo màu (nguyên cám) có chứa nhiều dinh dưỡng có giá trị cho sức khỏe con người hơn gạo trắng Dinh dưỡng trong hạt lúa màu như protein, các nguyên tố vi lượng (Ca, P, Fe, Zn) và hàm lượng chất xơ cao hơn lúa màu trắng (không màu) Đặc biệt gạo màu đỏ và màu tím chứa chất anthocyanin; đây là hợp chất màu hữu cơ tự nhiên tan trong nước, thuộc nhóm flavonoid, có màu đỏ, đỏ tía, tím hoặc xanh đậm Các nhà khoa học khẳng định, anthocyanin tốt cho tim mạch và giúp cơ thể con người phòng chống các gốc tự do, một trong những thành phần quan trọng gây ra ung thư và một số bệnh nguy hiểm khác cho con người

Tại Trung Quốc, gạo màu được sử dụng như thực phẩm chức năng (functional food) và thường được sử dụng dưới dạng chất tạo màu thực phẩm trong sản phẩm bánh mỳ, kem, rượu, dấm, mỹ phẩm (Yoshinaga, 1986)

6

Gạo màu đen là món ăn ưa thích của hoàng gia Trung Quốc, trong khi đó các loại gạo đỏ được người dân ở nhiều nơi như Ấn Độ, Sri Lanka và Bhutan ưa chuộng hơn (Ahuja et al., 2007)

Tại nhiều vùng ở Ấn Độ, gạo đỏ được coi là sản phẩm dinh dưỡng cao và là thuốc chữa bệnh Người dân sử dụng ăn nguyên cả hạt lúa đỏ; riêng giống lúa đỏ Gunja thường được chế biến thành bánh mỳ và chapati (Rani và Krishnaiah, 2001) Giống lúa đỏ Matali và Lal dhan của vùng Himachal Pradesh, Ấn Độ được sử dụng để chữa huyết áp và sốt Giống Kafalya, nguồn gốc vùng đồi của Himachal Pradesh và Uttar Pradesh, Ấn Độ được sử dụng để điều trị các biến chứng về nạo phá thai và điều trị bệnh huyết trắng leucorrhea (Arumugasamy et al., 2001)

Người Nhật Bản sử dụng gạo đỏ để nấu rượi sake, mỳ tôm màu hay làm bánh trong dịp lễ hội đặc biệt hay làm thuốc (Ahuja et al., 2007 )

Đối với nước Sri Lanka, gạo màu được sử dụng ưa thích tạo màu thực phẩm và đôi khi được dùng làm thuốc (Ahuja et al., 2007)

Ở nước ta, gạo màu được người dân sử dụng từ rất lâu đời, ví dụ gạo cẩm (gạo có màu tím) chủ yếu sử dụng để nấu xôi, nấu rượu, làm bánh chưng nhân dịp tết cổ truyền của người dân tộc hay làm thuốc chữa bệnh Đối với người dân sống ở khu vực miền núi, gạo cẩm được sử dụng làm lương thực hàng ngày Hiện nay, sản phẩm sữa chua nếp cẩm được sản xuất và bán phổ biến tại các thành phố lớn và được người tiêu dùng ưa chuộng như thực phẩm dinh dưỡng tốt cho hệ tiêu hóa cũng như sức khỏe

Gạo lứt là một trong những sản phẩm phổ biến của gạo màu hiện nay Gạo lứt đen có lượng đường thấp nhưng lại có rất nhiều chất xơ và hợp chất thực vật tốt cho sức khoẻ, giúp chống bệnh tim và ung thư Gạo lứt đỏ tốt cho người ăn chay, ăn kiêng

hỗ trợ nhu cầu giảm cân, làm đẹp mà vẫn đủ dinh dưỡng, lành cả với người già yếu, trẻ

em, bệnh tiểu đường, tim mạch, huyết áp Hiện nay trên thị trường đang phổ biến sản phẩm gạo lứt nẩy mầm, món ăn này không chỉ đem lại nhiều chất dinh dưỡng mà còn nấu rất dễ dàng và cung ứng cho chúng ta một khẩu vị hơi ngọt vì các enzymes đã tác động vào các chất đường và chất đạm trong hạt gạo Ngoài ra món trà gạo lứt cũng được đông đảo người dân đón nhận và tin dùng Trà gạo lứt có hương vị thơm ngon đặc trưng, lại có công dụng tốt cho sức khỏe giúp chống béo phì, giảm đông máu, hạ cholesterol, thanh lọc gan, bảo vệ thận.v.v

7

Ngoài ra, các sản phẩm khác từ gạo màu như cốm dinh dưỡng, bột dinh dưỡng, bột cám gạo hay gạo rang v.v được một số doanh nghiệp chế biến và thương mại trong những năm gần đây

Ngoài các giá trị của gạo màu tốt đối với sức khỏe con người, gạo màu còn có giá trị phi vật thể trong tôn giáo và văn hóa Người Nhật quan niệm màu đỏ và màu trắng là màu may mắn, vào ngày sinh nhật đầu tiên trong đời, em bé được ăn bánh làm

từ gạo đỏ và gạo trắng (Ahuja et al., 2007 ) Ở Việt Nam, cụ thể là người dân tộc Thái, gạo cẩm và các sản phẩm kèm theo như rượu cẩm, bánh chưng nếp cẩm là những món

ăn không thể thiếu nhân dịp tết cổ truyền hay ngày lễ hội của dân tộc

Chính vì những lợi ích quý giá đó của gạo màu đã hấp dẫn người tiêu dùng sử dụng gạo màu trên thế giới và ở Việt Nam ngày một tăng lên, đặc biệt ở bộ phận người tiêu dùng khá giả

2.2 Tình hình sản xuất và tiêu thụ lúa màu trên thế giới và Việt Nam

2.2.1 Trên thế giới

Lúa là cây ngũ cốc chính ở các nước đang phát triển, là nguồn lương thực nuôi sống trên hơn ½ dân số thế giới Mặc dù lúa gạo được tiêu thụ chính là gạo trắng nhưng vẫn có rất nhiều giống lúa gạo màu như màu đen, đỏ, màu nâu được tiêu thụ trên thị trường (Chaudhary, 2003)

Theo tác giả Chaudhary (2003) diện tích trồng lúa màu ở Trung Quốc vào khoảng 0,4 triệu ha, chiếm 1,26% tổng diện tích trồng lúa của nước này Gạo màu thường được sử dụng trong những dịp lễ quan trọng và trong công nghiệp chế biến; các sản phẩm phổ biến từ gạo màu là bánh, cháo, bánh bao, bánh qui, mỳ tôm, rượu.v.v

Hàn Quốc là một trong những quốc gia quan tâm nhiều đến gạo màu Người Hàn Quốc có sở thích trộn gạo đen với gạo trắng trong khi nấu cơm, do đó trong những năm gần đây sản lượng gạo màu và các công bố liên quan đến gạo màu đã và đang tăng dần lên Trong nghiên cứu của mình nhóm tác giả Jin - Cheol và đồng nghiệp năm 2007 cũng chỉ ra một sản phẩm bánh gạo nổi tiếng của Hàn Quốc mà nguyên liệu chính của bánh này làm từ gạo màu nâu.Nhu cầu về gạo chất lượng, trong

đó có màu theo dự đoán sẽ ngày một tăng lên (bảng 1.2), cụ thể gạo màu sẽ có nhu cầu tăng lên do quốc gia phát triển như Mỹ và EU quan tâm đến giá trị của chúng đối với sức khỏe và thực phẩm hữu cơ

Quốc gia đang phát triển 21,985 29,570 33,259 51

số lượng gạo xuất khẩu đạt 6,56 triệu tấn, được xếp thứ 3 sau Ấn Độ (10,23 triệu tấn)

và Thái Lan (9,55 triệu tấn) Gạo xuất khẩu gạo của nước ta chủ yếu là gạo trắng, tỷ lệ gạo nếp và các loại gạo khác, trong đó có gạo màu chiếm tỷ lệ thấp Riêng đối với gạo màu, chưa có thống kê cụ thể về lượng sản xuất và tiêu thụ hiện nay nhưng xu hướng chung là đời sống của người dân được nâng cao nên nhu cầu về gạo chất lượng, đặc biệt là gạo dinh dưỡng ngày càng được sản xuất và tiêu thụ nhiều hơn

Hiện nay các giống gạo màu được sản xuất và tiêu thụ trên thị trường chủ yếu là các giống địa phương có nguồn gốc từ nhiều vùng trên cả nước chủ yếu do bà con nông dân chọn tạo, phù hợp với điều kiện địa phương, tập trung chủ yếu ở khu vực các tỉnh miền núi phía Bắc, Trung Bộ và Tây Nguyên Theo thống kê của Trung tâm Tài nguyên thực vật, lúa màu được trồng nhiều ở miền núi Tây Bắc và một số nơi như: Con Cuông, Tương Dương, Nghệ An, Lộc Hà, Hà Tĩnh, Nho Quan Ninh Bình, huyện Bảo Thắng tỉnh Lào Cai, huyện Đà Bắc tỉnh Hòa Bình, tỉnh Điện Biên, Quảng Nam, vùng Đồng bằng sông Cửu Long, tỉnh Long An, Tiền Giang và Cần Thơ v.v

9

Trên thị trường trong thời gian gần đây đã có một số công ty sản xuất, chế biến các sản phẩm gạo màu như Trung tâm nghiên cứu ứng dụng khoa học nông nghiệp và môi trường ở Hà Nội; Công ty cổ phần giống cây trồng Trung ương, Công ty giống cây trồng và con nuôi Ninh Bình, Công ty TNHH Thái Hòa ở Nghệ An, Công ty TNHH Trung Hưng Việt ở Quảng Nam, Công ty TNHH Nông tím Quảng Ngãi, Công

ty TNHH thực phẩm thảo dược Việt ở thành phố Hồ Chí Minh

Hiện chưa có nhiều giống lúa màu được xây dựng thương hiệu trên thị trường, chỉ có một số giống phổ biến như gạo đen LĐ 1 của Viện Cây lương thực và cây thực phẩm, gạo Phúc Thọ của công ty cổ phần giống cây trồng Trung ương (Vinaseed), gạo huyết rồng có màu đỏ có nguồn gốc từ Đồng Tháp, gạo tím thảo dược Vĩnh Hòa, gạo tím thảo dược Nông Lâm của trường Đại học Nông Lâm thành phố Hồ Chí Minh, gạo thảo dược R2 của Công ty TNHH thực phẩm thảo dược Việt

2.3 Tình hình nghiên cứu về cây lúa màu

2.3.1 Nghiên cứu bảo tồn và chọn tạo giống lúa màu

2.3.1.1 Tình hình nghiên cứu bảo tồn lúa màu

Bảo tồn nguồn gen lúa là một vấn đề cấp bách mang tính toàn cầu Trong bối cảnh bùng nổ dân số và sự thay đổi không thuận lợi của khí hậu, an toàn lương thực và thực phẩm là mối quan tâm hàng đầu của thế giới hiện nay Mặt khác, do áp lực của nền kinh tế thị trường và nhu cầu tiêu dùng thực phẩm tăng nhanh, đáp ứng với sự tăng dân số trên thế giới nên đòi hỏi những giống có năng suất cao để sản xuất trên các vùng đất có diện tích không thay đổi Vì vậy rất cần thiết bảo tồn nguồn gen cây lúa nói chung và nguồn gen cây lúa màu nói riêng để giảm thiểu tình trạng nguồn gen cây trồng bản địa đang có nguy cơ bị mất đi nhanh chóng

Trung Quốc là quốc gia có số lượng nguồn gen lúa màu lớn nhất thế giới; theo thống kê của Ngân hàng gen cây trồng Bắc Kinh năm 1990, nguồn gen lúa gạo đỏ chiếm tới 20,7% tổng số lượng nguồn gen lúa (31.663 mẫu giống) (Juliano và Villareal, 1993)

Theo một thống kê khác của Tang, năm 1995: dựa trên con số 46.000 mẫu nguồn gen lúa trong Ngân hàng gen Trung Quốc và 75.000 mẫu nguồn gen tại Viện lúa quốc tế (IRRI) cho thấy Trung Quốc là quốc gia có nguồn gạo màu (black rice) lớn nhất thế giới, chiếm 61,6%, theo sau đó là Nepal 8,6%, Indonesia 7,2%, Ấn độ 5,1%,

2.3.1.2 Tình hình nghiên cứu chọn tạo giống lúa màu

Màu hạt lúa là một tính trạng quan trọng đối với mục tiêu chọn tạo và cải tiến giống cây trồng Các chỉ thị phân tử đã được phát triển để nhận biết các gen liên quan đến tổng hợp sinh học của các hợp chất anthocyanin và tiền anthocyanin (Pas); các nhà chọn giống đã nhận biết 5 gen mã hóa biểu hiện màu ở các giống lúa hạt màu trắng (non pigment), màu đen và màu đỏ; các chỉ thị CHS, CHI, F3H, DFR và ANS được công bố để nhận biết màu ở hạt lúa (Lim & Ha, 2013)

Chất anthocyanin có lợi cho sức khỏe và là chất chống oxy hóa cao, có tiềm năng hoạt động chống ung thư, ngăn bệnh tim mạch, béo phì, giảm tiểu đường và kháng viêm nhiễm Mục đích chính của các nhà chọn giống là nâng cao năng suất, tuy nhiên, nhận thấy việc cải thiện sinh kế thông qua tăng thành phần các hoạt chất sinh học, đặc biệt anthocyanin trong lương thực, thực phẩm cũng là một trong những mong muốn trong chiến lược chọn giống

Trung Quốc đã phát triển được trên 54 giống lúa đen có năng suất, chất lượng

và chống chịu tốt (Chaudhary, 2003)

Chaudhary & Tran (2001) đã tổng kết, giống lúa màu đỏ ở Ấn Độ phù hợp với nhiều điều kiện sinh thái khác nhau Lúa màu có khả năng chống chịu đối với hạn hán, lụt, ngập, kiềm, mặn, côn trùng và bệnh cây, kết quả tóm tắt nghiên cứu liên quan đến chọn tạo các giống lúa màu ở Ấn Độ được trình bày trong bảng 1.3

11

Bảng 1 3.Tính trạng đặc biệt của các giống lúa màu (red varieties)

điển hình tại Ấn Độ Tính trạng

đặc biệt

Chịu lạnh Jatu, Matali

Majehra, Jhaildu Lal nakanda 41

Himachal Pradesh Uttar Pradesh Punjab

Chịu ngâp M 142

Br 6 Bhetiasia, Dhal pattia Bhutmuri, Dhairal Vaigunda

Ptb 4, Ptb 10 Halga Red Ptb 1

Assam Bihar Orissa West Bengal Tamil Nadu Kerala Maharashtra Kerala Chịu hạn Mtu 17, Mtu 18 (),

Kalla modan, Chennellu, Ptb 35, Ptb 28, Ptb 12, Ptb 7, Ptb 2 Kuzhiyadichan, Kullakar, Pisni, Puzhuthi samba, Puzhuthikkar, Vaigunda, Tkm 1 Boro ponko

Andhra Pradesh Kerala

Tamil Nadu Orissa

Chịu mặn Bhura ratta, Kala ratta, Halga red

Kagga Adt 1 Ptb 7

Maharashtra Karnataka Tamil Nadu Kerala

Maharashtra Kerala Chín sớm Ptb 49, Ptb 35 (),

Konakkuruvai, Asd 8 (),

C 203-3 (),

Hr 33 (), Tipakhia ()

Kerala Tamil Nadu Assam Andhra Uttar Pradesh Làm thuốc Matali, Neelam samba, Kuzhiyadichan

Atikaya, Kari kagga Nivaru

Tamil Nadu Karnataka Kerala

Nguồn: Ahuja et al., 2007

12

Tại Việt Nam, nguồn gen lúa nói chung được nghiên cứu nhiều trên nhiều lĩnh vực, tập trung nhiều trong chọn tạo giống, tuy nhiên so với lúa gạo màu trắng, lúa màu

ít được quan tâm hơn, chỉ có một số ít các công trình công bố liên quan đến chọn tạo

và phát triển lúa màu

Một trong những công trình đầu tiên nghiên cứu về lúa màu là của Viện cây lương thực và cây thực phẩm trong khuôn khổ đề tài cấp Bộ thực hiện từ năm 2006 đến 2008, tác giả Lê Vĩnh Thảo và cộng sự đã nghiên cứu chọn tạo và phát triển một

số giống lúa cẩm năng suất cao, chất lượng tốt Đề tài đã nghiên cứu các đặc điểm nông sinh học, tìm hiểu ảnh hưởng của điều kiện ngoại cảnh đến chất lượng các giống lúa cẩm, xây dựng cơ sở khoa học chọn tạo các giống lúa chất lượng cao, giới thiệu được 3 dòng lúa cẩm (LĐ1, LĐ2, LĐ16) triển vọng (năng suất đạt 4,2-5,5 tấn/ha; hàm lượng sắt cao gấp 3-4 lần giống Khang Dân), trong đó giống lúa LĐ1 đã được Bộ NN

và PTNT công nhận sản xuất thử năm 2008

Lê Vĩnh Thảo (2008) đã đánh giá khả năng thích ứng của các giống lúa (trong

đó có giống lúa đen) có giá trị cao ở các vùng gieo trồng thí nghiệm, mở rộng trồng thử ở 1 số vùng trồng lúa của tỉnh Vĩnh Phúc nhằm đánh giá khả năng ứng dụng giống lúa mới trong sản xuất Đề tài cũng xây dựng quy trình canh tác thích hợp nhằm khai thác tối đa tiềm năng năng suất giống lúa triển vọng mới trên đất Vĩnh Phúc

Lâm Xuân Thái (2015) đã công bố kết quả “Nghiên cứu xác định một số giống lúa mới có năng suất chất lượng cao cho các tỉnh phía Nam vùng Bắc Trung Bộ” Nội dung liên quan đến nghiên cứu xác định một số giống lúa mới có năng suất chất lượng cao cho các tỉnh phía Nam vùng Bắc Trung Bộ bằng phương pháp nghiên cứu khả năng thích ứng, độ ổn định về năng suất, đã xác định được 7 giống lúa gồm: 4 giống lúa tẻ HT18, HT13, BM125, HV3; 2 giống nếp N34, N208 và 1 giống lúa cẩm LĐ2 Các giống này có tiềm năng cho năng suất cao, chất lượng tốt, có tính ổn định cao và thích nghi rộng tại các tỉnh phía Nam vùng Bắc Trung Bộ (Hà Tĩnh, Quảng Trị và Thừa Thiên Huế)

Năm 2015, Ngô Thị Hồng Tươi đã nghiên cứu đánh giá đặc điểm nông sinh học, đa dạng di truyền và phát triển vật liệu và giới thiệu được giống lúa cẩm có khả năng quang hợp cao và kháng bạc lá phục vụ cho công tác chọn tạo giống

Trần Hữu Phúc và cs (2016) đã công bố kết quả “Nghiên cứu phục tráng giống lúa đặc sản Huyết Rồng Vĩnh Hưng, tỉnh Long An” Gạo Huyết Rồng là giống lúa quý

13

được trồng ở vùng nước ngập sâu như Đồng Tháp Mười, Vĩnh Hưng, Tân Hưng Phục tráng giống lúa Mùa đặc sản “Huyết Rồng” sử dụng phương pháp ứng dụng kỹ thuật điện di SDS-PAGE protein và chọn lọc những hạt có hàm lượng amylose thấp dựa trên mức độ ăn màu của băng waxy và một số kỹ thuật khác nhằm rút ngắn thời gian chọn lọc giống

2.3.2 Nghiên cứu đa dạng di truyền cây lúa màu

2.3.2.1 Tầm quan trọng của đa dạng di truyền

Đa dạng di truyền là biểu hiện sự đa dạng của các biến dị có thể di truyền trong một loài, một quần xã hoặc giữa các loài, các quần xã Xét cho cùng, đa dạng di truyền chính là sự biến dị của việc tổ hợp của bốn cặp bazơ cơ bản, thành phần axit nucleic tạo thành mã di truyền (Cục Bảo vệ môi trường, 2007)

Đa dạng di truyền là cơ sở cho việc tuyển chọn lai tạo những giống, loài mới;

đa dạng về loài thường là đối tượng khai thác phục vụ mục đích kinh tế; đa dạng về hệ sinh thái có chức năng bảo vệ môi trường sống; đồng thời các hệ sinh thái được duy trì

và bảo vệ chính là nhờ sự tồn tại của các quần thể loài sống trong đó Phần đa dạng sinh học do con người khai thác sử dụng gọi là đa dạng sinh học nông nghiệp (Lưu Ngọc Trình, 2007)

Giá trị của đa dạng di truyền thể hiện ở ba mặt chính (FAO, 1997):

- Giá trị ổn định (Portfolio Value): Đa dạng di truyền tạo ra sự ổn định cho các

hệ thống nông nghiệp ở quy mô toàn cầu, Quốc gia và địa phương Sự thiệt hại của một giống cây trồng cụ thể được bù đắp bằng năng suất của các giống hoặc cây trồng khác

- Giá trị lựa chọn (Option Value): Đa dạng di truyền tạo ra bảo hiểm sinh học cần thiết chống lại những thay đổi bất lợi của môi trường do việc tạo ra những tính trạng hữu ích như tính kháng sâu bệnh hay tính thích nghi Giá trị của đa dạng di truyền được thể hiện thông qua việc sử dụng và khai thác các tính trạng quý, hiếm của tài nguyên di truyền thực vật như tính chống chịu, năng suất, chất lượng và khả năng thích nghi

- Giá trị khai thác (Exploration Value): Đa dạng di truyền được xem là kho dự trữ tiềm năng các tài nguyên chưa biết đến Đây cũng là lý do cần phải duy trì cả các

hệ sinh thái hoang dã lẫn các hệ thống nông nghiệp truyền thống

14

Ngoài ra, đa dạng di truyền còn có giá trị về thẩm mỹ (thưởng thức, giải trí) và giá trị

về đạo đức (Nguyễn Hoàng Nghĩa, 1999)

2.3.2.2 Các phương pháp nghiên cứu đa dạng di truyền

Nghiên cứu đa dạng di truyền được tiến hành thông qua nhiều phương pháp khác nhau, mỗi phương pháp cung cấp cho người sử dụng thông tin khác nhau, việc lựa chọn phương pháp đánh giá phụ thuộc vào mục đích của nghiên cứu Có hai phương pháp được sử dụng rộng rãi để nghiên cứu đa dạng di truyền đó là thông qua các chỉ thị hình thái (kiểu hình, phenotyping) và thông qua chỉ thị phân tử (kiểu gen, genotyping)

Nghiên cứu đa dạng di truyền thông qua các tính trạng hình thái là phương pháp

cổ điển, hiện nay vẫn được sử dụng phổ biến Phương pháp này giúp các nhà nghiên cứu nhận biết và phân biệt các giống khác nhau bằng mắt thường trên thực địa một cách nhanh chóng Các đặc điểm chính về hình thái như dạng thân cây, dạng lá, hình dạng, màu sắc, kích thước, dạng hoa, hạt v.v được xem như là các tính trạng cơ bản để nhận biết giữa các giống với nhau Những tính trạng chất lượng thường là những cặp tính trạng tương phản được di truyền đơn gen, mỗi tính trạng có hai hay nhiều các dạng tương phản xen kẽ (Trần Duy Quý, 2002)

Trong nhiều năm qua, Viện Tài nguyên di truyền thực vật Quốc tế (IPGRI) và Viện Nghiên cứu Lúa Quốc tế (IRRI) đã xuất bản các biểu mẫu mô tả (descriptors) để thống nhất chung form mẫu mô tả trên toàn thế giới để phân biệt đánh giá giữa các giống với nhau trong phạm vi loài (Nguyễn Thị Quỳnh, 2004)

Nghiên cứu đa dạng di truyền thông qua các chỉ thị phân tử là nghiên cứu, đánh giá ở mức độ phân tử Các phân tử được sử dụng chủ yếu trong nghiên cứu là các phân

tử protein và ADN Các chỉ thị phân tử được sử dụng phổ biến trong đánh giá đa dạng

di truyền ở lúa là chỉ thị đẳng men và chỉ thị ADN

Nhờ có chỉ thị ADN, ngày nay việc đánh giá đa dạng di truyền lúa đã trở nên dễ dàng và hiệu quả hơn nhiều, tuy nhiên các kỹ thuật có liên quan đến chỉ thị ADN đòi hỏi phải đầu tư lớn và tốn kém Có rất nhiều chỉ thị ADN đang được sử dụng và liên tục được phát triển như chỉ thị AFLP (Amplified Fragment Length Polymorphism), chỉ thị RAPD (Random Amplified Polymorphic), chỉ thị SSR (Simple Sequence Repeats), chỉ thị ISSR (Inter- Simple Sequence Repeat), chỉ thị SNP (Single Nucleotide Polymorphism) Đối với cây lúa, SSR là chỉ thị phổ biến nhất, theo thống kê của tác

15

giả McCouch et al., (2002), đã có 2740 chỉ thị SSR được công bố trên toàn thế giới và như vậy trung bình cứ 157 kb của phân tử ADN có một chỉ thị SSR

Chỉ thị SSR (Simple Sequence Repeats, Sự lặp lại trình tự đơn giản), còn gọi là

Microsatellite, được Litt và Luty (1989) phát triển thành một kỹ thuật chỉ thị phân tử Nguyên lý của kỹ thuật SSR dựa trên những đoạn DNA lặp lại một cách có trật tự, hiện tượng này tương đối phổ biến với các sinh vật nhân chuẩn, tùy thuộc vào từng loài mà số lượng các nucleotide trong mỗi đơn vị lặp lại có thể thay đổi Các đoạn SSR thường nằm ở vùng gần tâm động hoặc ở đầu mút của nhiễm sắc thể và có thể có vai trò điều hòa hoạt động của gen

Trong các nghiên cứu về đa dạng di truyền, chỉ thị SSR là một trong những chỉ thị được dùng phổ biến nhất bởi kỹ thuật đơn giản và cho độ chính xác cao

SSR hay còn gọi là vi vệ tinh, là những đoạn trình tự DNA đơn giản lặp lại nối tiếp và chỉ gồm 1-6 bp (Litt và Luty, 1989) Tuy nhiên, tuỳ từng loài mà số lượng các nucleotit trong mỗi đơn vị lặp lại có thể thay đổi từ một đến hàng chục và số lượng đơn vị lặp lại có thể biến động từ hai đến hàng chục lần hoặc nhiều hơn Thông thường

có ba kiểu lặp lại: Lặp lại hoàn toàn, các đơn vị lặp lại sắp xếp nối tiếp nhau; lặp lại không hoàn toàn, xen kẽ vào các đơn vị lặp lại là một hoặc một số nucleotit khác; lặp lại phức tạp, xen kẽ giữa các đơn vị lặp lại khác nhau

Bản chất đa hình của SSR có thể được sinh ra do sự nhân bội từ DNA tổng số của hệ gen nhờ sử dụng hai đoạn mồi bổ trợ với trình tự gần kề hai đầu của vùng lặp lại Sự khác nhau về độ dài ở locus SSR được phát hiện bởi sự nhân đoạn DNA nhờ phản ứng PCR Kích thước của sản phẩm PCR được xác định một cách chính xác bằng điện di trên gel agarose hoặc gel polyacrylamide với sự khác nhau về độ dài có thể rất nhỏ (2 bp) Chỉ thị SSR dùng để đánh giá đa dạng di truyền, xác lập quan hệ di truyền của cây trồng, chọn lọc tính kháng bệnh, một số tính trạng có quan hệ chặt chẽ với năng suất ở cây lúa, lập bản đồ, nghiên cứu locus tính trạng số lượng (QTL)

Thuận lợi của phân tích SSR là phương pháp này biểu hiện số lượng lớn sự đa hình Hơn nữa, khả năng phân biệt các cá thể khi có sự kết hợp các locus được kiểm tra làm cho phương pháp này rất hữu dụng trong các thí nghiệm xác định cây trồng và phân tích mối quan hệ di truyền

SSR được sử dụng rộng rãi và hiệu quả trong nghiên cứu cấu trúc di truyền lúa

trồng O sativa, nghiên cứu quá trình tiến hóa, làm rõ độ thuần của vật liệu lai tạo

16

giống , do đây là chỉ thị đồng trội cho đa hình cao và ổn định Hiện nay, hơn 15.000 chỉ thị SSR đã được thiết lập (www.gramene.org, 2006), phủ kín trên bản đồ liên kết

di truyền của lúa (Giarroccoa et al., 2007)

2.3.2.3 Nghiên cứu đa dạng di truyền cây lúa màu trên thế giới

Như đã đề cập ở trên, phương pháp đánh giá đa dạng di truyền sử dụng chỉ thị ADN có thể sử dụng nhiều loại chỉ thị khác nhau, trong số các chỉ thị phân tử, chỉ thị SSR (simple sequence repeate) được sử dụng rộng rãi và hiệu quả trong nghiên cứu đa dạng di truyền ở lúa bởi vì đây là chỉ thị đồng trội cho đa hình cao và ổn định

Le & Yang (2005) đã nghiên cứu về hình thái và hàm lượng anthocyanin của 19 giống lúa cẩm thu thập từ các vùng khác nhau trên thế giới Kết quả cho thấy 8 giống

có màu tím trên các bộ phận như lá, thân, tai lá và có vỏ cám màu nâu; 5 giống có vỏ cám màu tím, nâu hoặc đen Về hàm lượng anthocyanin, những giống có màu vỏ cám đen cho hàm lượng anthocyanin cao nhất

Theo Bounphanousay (2007), khi phân tích đa dạng di truyền của 74 mẫu giống

lúa của Lào bằng 24 chỉ thị SSR, kết quả thu được 4 nhóm: Indica nhóm 1 (G1) bao gồm

24 mẫu giống nếp cẩm và 5 mẫu giống gạo trắng Hầu hết các mẫu giống trong nhóm này

có thân dày, phiến lá rộng, hình dạng hạt lớn và có màu tím trên tất cả bộ phận của cây

Nhóm Indica 3 (G3) gồm 25 mẫu giống nếp cẩm, nhóm này có thân mảnh, lá hẹp ngắn, mép lá màu tím, có sọc tím trên phiến lá và bẹ lá Nhóm Indica 4 (G4) gồm 8 mẫu giống gạo trắng, có màu xanh trên tất cả bộ phận của cây Nhóm Japonica (G2) gồm 5 mẫu

giống gạo trắng, 4 mẫu giống nếp cẩm và 3 mẫu giống đối chứng

Trong một nghiên cứu của tác giả Ji et al., (2007) đăng trên tạp chí của đại học Kyushu về đánh giá đa dạng di truyền 34 giống lúa màu dựa trên các đặc tính hình thái

và chỉ thị phân tử SSR Kết quả phân tích cây phân loại của 34 giống lúa màu dựa trên chỉ thị phân tử đó được so sánh với kết quả cây phân loại hình thái ví dụ như màu sắc của bụng, vỏ hạt, sự xuất hiện và độ dài của râu Thông tin về đa dạng di truyền giữa các dòng lúa nghiên cứu được sử dụng trong chương trình chọn giống và tìm kiếm mối quan hệ liên kết; trong 34 dòng nghiên cứu đã chọn được các dòng lúa màu tiềm năng cho năng suất cao, cụ thể là CNU71, CNU73, CNU83, CNU91 và CNU48

Gowda et al., (2012) đánh giá đa dạng di truyền của 45 giống lúa màu thu thập tại Ấn Độ Các giống lúa được đánh giá ở 2 địa điểm khác nhau với 12 đặc điểm hình thái nông học và 50 chỉ thị SSR Phân tích bằng chỉ thị SSR cho thấy tổng số alen thu

17

được là 123, trung bình 2,4 alen trên một locus Giá trị PIC ở mức cao trung bình là 0,84 Trong 45 giống có tới 31 giống cho nồng độ không đáng kể của Fe và Zn 14 giống lúa còn lại, 5 giống có nồng độ 100 -170 µg/g Fe Nồng độ Zn tương đối cao (lớn hơn 100 µg/g) là giống IC1104 (125 µg/g), theo sau là IC86570 (70,0 µg/g) và EC205000 (68 µg/g)

Theo Siddhi et al., (2014) về phân tích đa dạng di truyền của 19 giống lúa có màu

và màu trắng sử dụng 14 chỉ thị SSR và 21 chỉ thị INDEL (Insertion Deletion) Với 14 chỉ thị SSR kết quả thu được giá trị PIC dao động từ 0,36 (RM484) đến 0,78 (RM 167)

Hệ số đa dạng di truyền dao động từ 0,36 (RM484) tới 0,78 (RM 167) và 0,50 (R9M20) tới 0,81 (R9M10) đối với chỉ thị SSR và tương ứng đối với chỉ thị INDEL

Faiz Ahmad và cs tại Đại học Putra Malaysia năm 2015 đã công bố nghiên cứu

về tính khác biệt di truyền và đặc tính di truyền của 42 mẫu giống lúa cạn màu sử dụng

bộ 25 chỉ thị phân tử SSR và chỉ thị hình thái (15 tính trạng) Kết quả 21/25 chỉ thị cho thấy tính khác biệt đa hình, các tính trạng cũng chỉ ra sự sai khác có ý nghĩa ở mức (p

≤ 0,05) và (p ≤ 0,01) Nghiên cứu này đã chọn lọc, giới thiệu được các mẫu giống triển vọng C, Chirikata 2, Ble Chu Cau, and IR 9669 - PP 836 -1 để tiếp tục đánh giá sâu hơn và sử dụng trong chương trình chọn tạo cải tiến giống theo hướng giá trị dinh dưỡng và năng suất cao

Trong một nghiên cứu công bố năm 2015, tác giả Keshavulu et al., đã đánh giá

đa dạng di truyền của 24 dòng lúa phổ biến có nguồn gốc Ấn Độ (trong đó có giống lúa màu) sử dụng 24 chỉ thị hình thái và 86 chỉ thị phân tử SSR Nghiên cứu chỉ ra rằng có mối tương quan giữa đa dạng hình thái và phân tử và kết quả này rất có ý nghĩa trong việc phân loại lúa

Trong nghiên cứu về mối tương quan giữa kích thước alen của chỉ thị phân tử microsattelite với đặc điểm nông học và các các chất vi lượng (sắt, kẽm) của tác giả

Brara et al., (2015) dựa trên 48 chỉ thị phân tử trong 14 giống gạo (Basmati, Japonica

và Indica) Kết quả nghiên cứu cho thấy đa hình ở tất cả 48 locus cho 258 alen, số

lượng các alen dao động từ 2-9, trung bình đạt 5,14 alen trên mỗi locus Kích thước của sản phẩm PCR dao động từ 73- 585 bp, hệ số PIC dao động từ 0,245 (RM256) đến 0,862 (RM21) với trung bình 0,701 mỗi locus

18

2.3.2.4 Nghiên cứu đa dạng di truyền cây lúa màu ở Việt Nam

Đánh giá đa dạng di truyền các nguồn vật liệu mẫu giống lúa địa phương, nhập nội và giống cải tiến, thiết lập mối quan hệ giữa chúng dựa vào kiểu hình, kiểu gen hay phối hợp giữa kiểu hình và kiểu gen là mục tiêu nghiên cứu được tập trung nhiều nhằm phục vụ cho công tác chọn tạo giống lúa thuần có năng suất và chất lượng (Vũ Thị Thu Hiền, 2012)

Hiện nay, ở nước ta việc đánh giá đa dạng di truyền cây lúa nói chung đã được tiến hành từ khá lâu Lúa là cây trồng được nghiên cứu đánh giá di truyền nhiều nhất

cả trên hai khía cạnh chiều rộng và chiều sâu; hầu hết các tính trạng của lúa như: năng suất, chất lượng, khả năng chống chịu.v.v đều được nghiên cứu ở mức độ rất sâu như đánh giá đa dạng di truyền, lập bản đồ phân tử.v.v (Lã Tuấn Nghĩa và cs., 2012; La Hoang Anh et al., 2014)

Trần Danh Sửu (2008) đã đánh giá đa dạng di truyền của lúa tám đặc sản Việt

Nam kết quả phát hiện 36,6% mẫu giống thuộc loài phụ Japonica, trong đó có 20/21

giống có mùi thơm là nguồn tài nguyên cực kì quý hiếm trên thế giới

Vũ Thị Thu Hiền và cs (2012) đã tiến hành đánh giá đặc điểm nông sinh học và

đa dạng di truyền của 41 mẫu giống lúa mới thu thập và chọn tạo để sử dụng trong chọn giống lúa thuần năng suất và chất lượng Kết quả cho thấy dựa trên 14 tính trạng kiểu hình, 41 mẫu giống lúa nghiên cứu với sự sai khác 0,08 phân thành 10 nhóm cách biệt di truyền

Lê Thị Thu Trang và cs (2012) đã đánh giá chất lượng và đa dạng di truyền của một số giống lúa địa phương Việt Nam Kết quả phân tích 32 chỉ thị SSR với 55 giống lúa có tiềm năng chất lượng cho thấy sự đa dạng di truyền cao với tổng số alen phát hiện tại 32 locut là 188 alen (trung bình đạt 5,88 alen/locut), xuất hiện 23 alen hiếm và

4 alen đặc trưng ở 4 locut Hệ số đa hình di truyền (PIC) dao động từ 0,28 (RM60) đến 0,85 (RM215) với giá trị trung bình là 0,67 Hệ số tương đồng di truyền giữa các giống dao động trong khoảng từ 0,45 đến 0,94 Ở hệ số tương đồng di truyền 0,50; 55 giống lúa có tiềm năng chất lượng được chia thành hai nhóm lớn

Khuất Hữu Trung và cs (2013) đã công bố tập đoàn lúa chất lượng bản địa nghiên cứu rất đa dạng Tổng số alen thống kê được trên 31 cặp mồi SSR là 123 alen, trung bình 2,46 alen/cặp mồi Hệ số PIC trung bình của 31 cặp mồi nghiên cứu là 0,32 trong đó có 2 cặp mồi chỉ thể hiện một alen có hệ số PIC = 0 Hệ số PIC đạt giá trị cao

19

nhất (0,73) ở cặp mồi RM515 với 8 alen thể hiện Các giống lúa chất lượng có độ thuần di truyền rất khác nhau tỉ lệ dị hợp của các mẫu nghiên cứu dao động từ 0% đến 14,29% (trung bình là 2,12)

Trong một nghiên cứu đánh giá đa dạng di truyền một số giống lúa bằng kỹ thuật SSR phục vụ cho chọn cặp lai tạo giống mới chịu hạn, tác giả Vũ Thị Bích Huyền và cs (2013) đã sử dụng 22 cặp mồi SSR để phân tích đa dạng di truyền của 75 giống lúa Tất cả 22 cặp mồi đều thể hiện tính đa hình với 90 alen, số alen trên mỗi cặp mồi dao động từ 2 - 8 alen, trung bình là 4,09 Hệ số tương đồng di truyền dao động từ 0,026 đến 0,826 và tập đoàn được chia thành hai nhóm Từ kết quả nghiên cứu đa dạng

di truyền kết hợp với đặc tính chịu hạn của các giống lúa, đã xác định được 8 cặp lai

có thể có ý nghĩa cho chọn tạo giống chịu hạn

Hien et al., (2016) nghiên cứu đa dạng di truyền của 40 giống lúa nước Việt Nam, sử dụng 30 chỉ thị SSR phân bố trên tất các các nhiễm sắc thể Tổng cộng có 11 alen được phát hiện, trung bình 3,7 alen trên mỗi locus Số lượng alen đa hình phát hiện bởi mỗi chỉ thị SSR dao động từ 2 đến 6, kích thước của alen dao động từ 85 đến

650 bp Giá trị PIC trong khoảng 0,335 – 0,774, trung bình 0,594 Hệ số tương đồng di truyền giữa các giống lúa biến động từ 0,03 – 0,97, trung bình 0,27

Mặc dù ở Việt Nam, các kết quả nghiên cứu về đa dạng di truyền trên cây lúa tương đối phổ biến, tuy nhiên, nghiên cứu về đa dạng di truyền cây lúa màu còn rất hạn chế Năm 2014, tác giả Ngô Thị Hồng Tươi và cộng sự đã tiến hành phân tích đa dạng di truyền 46 mẫu giống lúa cẩm Thí nghiệm sử dụng 35 chỉ thị phân tử SSR, trong đó có 9 chỉ thị đơn hình và 26 chỉ thị đa hình với tổng số 68 alen đa hình chiếm

tỷ lệ trung bình 2,62 alen trên một locus Hệ số đa dạng di truyền (PIC) dao động từ 0,08 đến 0,74 với giá trị trung bình là 0,46 Kết quả phân tích đã chia nguồn vật liệu nghiên cứu thành 2 nhóm chính Các số liệu thu được trong nghiên cứu này cung cấp những thông tin quan trọng cho việc nghiên cứu chọn tạo các giống lúa đặc sản và chất lượng bằng chỉ thị phân tử

Như vậy, ở trên thế giới và Việt Nam, trên đối tượng cây lúa màu, đã có một số nghiên cứu về đa dạng di truyền dựa vào chỉ thị hình thái, nhiều nghiên cứu phân tích

đa dạng di truyền sử dụng chỉ thị phân tử, trong đó phổ biến nhất là chỉ thị SSR và nhiều nghiên cứu tập trung sử dụng kết hợp cả chỉ thị hình thái và phân tử để đánh giá

20

đa dạng di truyền cây lúa màu cung cấp vật liệu và thông tin cho công tác lai tạo chọn giống lúa màu góp phần bảo tồn, sử dụng và phát triển lúa bền vững ở Việt Nam

2.3.3 Nghiên cứu khả năng kháng bệnh của cây lúa màu

Theo kết quả đánh giá sơ bộ về khả năng kháng sâu bệnh trên quỹ gen cây lúa màu đang lưu giữ tại Trung tâm Tài nguyên thực vật cho thấy cây lúa màu ít bị nhiễm rầy nâu hơn các bệnh phổ biến khác như bạc lá và đạo ôn Ngoài ra, trong khuôn khổ của luận án cũng như giới hạn về thời gian, do đó, luận án này chỉ tập trung nghiên cứu bài bản đánh giá tính kháng nhân tạo của hai loại bệnh chính thường gặp trên cây lúa màu đó bệnh đạo ôn và bệnh bạc lá

Bệnh đạo ôn

Đạo ôn ở lúa do nấm Pyricularia grisea Sacc gây ra Đây là bệnh có phổ phân

bố rộng, phổ biến gây tác hại nghiêm trọng trên cây lúa ở Việt Nam cũng như trên toàn thế giới Hiện tại, nấm bệnh đã xuất hiện ở hơn 80 quốc gia trồng lúa trên thế giới, đặc biệt là ở những quốc gia có khí hậu ôn hòa, độ ẩm cao, sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho nấm bệnh lan truyền và phát triển mạnh (Phạm Quang Chung, 2005)

Bệnh đạo ôn là bệnh có sức tàn phá mạnh nhất trong các bệnh hại lúa, đe dọa nghiêm trọng tới nguồn cung cấp lương thực, thực phẩm cho thế giới (thiệt hại hàng năm có thể lên tới 157 triệu tấn) (Vũ Triệu Mân và Lê Lương Tề, 2001) Bệnh có thể gây tổn thương cho tất cả các bộ phận của cây như: lá, lóng thân, cổ bông, gié và hạt Lúa bị nhiễm đạo ôn ở vị trí cổ bông có biểu hiện bệnh nặng nhất so với các vị trí khác trên cây (Ou, 1985) Bệnh này thường phát triển mạnh trong điều kiện khí hậu mát mẻ,

ấm độ cao, mưa nhỏ kéo dài, đêm sương mù nhiều Đặc biệt trong vụ lúa Đông Xuân tại vùng Đồng Bằng Sông Cửu Long vào tháng giêng - tháng hai dương lịch, bệnh này

sẽ gây hại trên diện rộng trùng vào lúc lúa đứng cái đến trỗ

Theo ước tính của FAO, thiệt hại do bệnh đạo ôn gây ra làm giảm năng suất lúa trung bình từ 0,7-17,5%, những nơi thiệt hại nặng có thể làm giảm đến 80% năng suất

Nghiên cứu về bệnh đạo ôn trên thế giới được nhiều nhà khoa học quan tâm và thu được nhiều kết quả đáng kể, dưới đây là bảng tổng hợp về liên quan đến gen kháng đạo ôn của nhiều tác giả trên thế giới

21

Bảng 1 4.Một số giống lúa và gen kháng đạo ôn

Gen kháng Giống mang

gen

Nhiễm sắc thể

Mối quan hệ giữa các gen

Tác giả

gen Pi - k

Mackill và Bonman, 1992; Inukai và cs., 1994

Pi-z5 {Pi - 2(t)} 5173 6 liên quan với

gen Pi - z

Mackill và Bonman, 1992;

Pi -11(t) (Pi - zh) Zhaiyeqing 8 Zhu (pers Comn.)

Nguồn: Kinoshita (1994)

Ở Việt Nam, Lã Tuấn Nghĩa và cs (2009) đã quy tụ và chọn lọc được dòng lúa mang hai gen kháng bệnh đạo ôn Pi - 1 và Pi - 5 nhờ sử dụng chỉ thị phân tử liên kết phục vụ cho chương trình chọn giống lúa tại Việt Nam Phạm Văn Dư và cs (2011) đã xác định được các chỉ thị phân tử liên kết với các gen kháng đạo ôn Pi1, Pi5(t), Piz và Pik-m, ứng dụng thành công trong chọn tạo giống lúa kháng bệnh, tạo ra 3 giống lúa kháng bệnh đạo ôn NB - 01, OM 10503 - 1 và OM 10511

Nguyễn Thị Thanh Nga và cs (2015) cũng đã chọn tạo thành công ba giống lúa NBT1, NBK và NBF mang gen kháng đạo ôn Pi - k cho Đồng Bằng Sông Hồng Các dòng/giống lúa đang được khảo nghiệm sản xuất ở các địa phương trên cả nước Bên cạnh đó, các nhà khoa học Việt Nam cũng tham gia tích cực vào mạng lưới nghiên cứu bệnh đạo ôn của thế giới và đã xây dựng được bản đồ phân bố nấm bệnh đạo ôn ở Việt Nam và xác định được những gen kháng bệnh đạo ôn hiệu quả nhất tại Việt Nam phục

vụ sản xuất lúa gạo bền vững (Nguyễn Thị Lang và cs., 2014; Hoang Hoa Long et al., 2014) Những gen kháng bệnh đạo ôn hiệu quả tại Việt Nam đang được sử dụng trong chương trình cải tạo tính kháng bệnh đạo ôn cho giống lúa BC15 do Trung tâm khuyến nông và công ty giống Thái Bình chọn tạo và triển khai thực hiện

Bệnh bạc lá

Bệnh bạc lá lúa do vi khuẩn Xanthomonas oryzae pv oryzae gây ra và là một

trong những bệnh nghiêm trọng và gây ảnh hưởng nặng nề đối với các quốc gia trồng

Theo số liệu thống kê của Cục Bảo vệ Thực vật, từ năm 1999 - 2003 diện tích lúa bị hại do bệnh bạc lá gây ra trong cả nước là 108.691,4 ha (miền Bắc là 86.429,2 ha; miền Nam là 22.262,2 ha), trong đó diện tích bị hại nặng nhất là 156,76 ha và diện tích mất trắng là 80 ha Theo một thống kê khác của Bộ Nông nghiệp và phát triển nông thôn năm 2016, tình trạng bệnh bạc lá lây lan rộng, khiến khoảng 57.000 ha lúa mùa tại các tỉnh đồng bằng sông Hồng, trung du miền núi phía Bắc bị thiệt hại nặng, tăng cao hơn nhiều so với năm 2015 và các năm trước

Bệnh bạc lá là một trong những bệnh được quan tâm nghiên cứu trên thế giới và

đã thu được những kết quả đáng kể, dưới đây là tổng hợp của NIAS (2010) về gen kháng bạc lá và các giống lúa điển hình

Bảng 1 5.Một số giống lúa và gen kháng bạc lá

TT Gen kháng Giống

mang gen

TT Gen kháng Giống

mang gen

Nguồn NIAS (2010)

Những gen kháng bạc lá chủ lực từ nhiều nguồn tài nguyên di truyền đã được

xác định, cho đến năm 2012 đã có 36 gen (ký hiệu từ Xa1 – Xa36) điều khiển tính

23

kháng bệnh bạc lá ở lúa được công bố (Xia et al., 2012) Các gen này được xác định nằm trên 10 nhiễm sắc thể của lúa Trong số các gen kháng phần lớn là gen trội (25

gen) và 10 gen lặn: xa5, xa8, xa11, xa13, xa15, xa19, xa20, xa24, xa28 và xa34; gen

xa27 biểu hiện trội không hoàn toàn

Giống lúa Tẻ tép được sử dụng là giống chuẩn kháng bạc lá nổi tiếng cả trong

và ngoài nước Ở Việt Nam, các giống lúa được giới thiệu kháng bạc lá như, Bắc ưu 253KBL (Công ty cổ phần giống cây trồng Hải Dương), Việt lai 24, HUA7, N91, BT7KBL (Học viện Nông nghiệp Việt Nam), giống DT45, DT47, DT57 (Viện Di truyền nông nghiệp), OM2492, OMCS2000 (Viện Lúa đồng bằng sông Cửu Long), giống lúa lai Bắc ưu 903KPL, Nam ưu 1 (Công ty giống cây trồng miền Nam) v.v

Nguyễn Văn Giang (2015) đã chọn tạo thành công 03 giống lúa nếp kháng bệnh bạc lá NV2, NV3, NV4 có chất lượng cao bằng công nghệ chọn giống nhờ chỉ thị phân

tử và nhiều giống lúa triển vọng khác đang được khảo nghiệm quốc gia và thử nghiệm tại các vùng sinh thái

Võ Thị Minh Tuyển và cs (2014) đã thành công trong việc chuyển đồng thời 2-

3 gen kháng bạc lá (Xa4, Xa7 và Xa 21) vào giống lúa BT7 và một số giống lúa chủ

lực khác Các dòng/giống triển vọng DT66, DT82, DT86 mang từ 1 - 3 gen kháng bạc

lá chính hiện đang được trồng thử nghiệm tại Hà Nam, Hải Dương, Thái Bình và Hà Nội… Các tác giả cũng đã xác định được các chỉ thị liên kết với các gen kháng bệnh

bạc lá Xa4, xa5, Xa7, Xa21 phục vụ cho các chương trình chọn giống trong nước

Trên đối tượng lúa cẩm, tác giả Ngô Thị Hồng Tươi (2015) đã đánh giá gen

kháng vi khuẩn bạc lá Xanthomoas oryzae pv Oryzae ở các mẫu giống lúa cẩm bằng chỉ thị phân tử thu đã phát hiện 9 mẫu giống mang gen xa5 là N1, N2, N3, N4, N5, N16, N17, N29 và 5 mẫu giống mang gen xa7 là N5, N7, N8, N10, N13 Kiểm tra qua

lây nhiễm nhân cho mức độ kháng/nhiễm phù hợp với kết quả kiểm tra gen kháng bằng chỉ thị phân tử Đây là những vật liệu rất có giá trị cho chương trình chọn giống lúa cẩm kháng bệnh bạc lá

2.3.4 Nghiên cứu khả năng chịu hạn của cây lúa màu

Khái niệm hạn và phân loại hạn

Tất cả các loại cây trồng đều cần nước để duy trì sự sống Mức độ cần nhiều hay ít tùy thuộc vào từng loại cây trồng và từng giai đoạn phát triển của chúng Hạn đối với thực vật là khái niệm dùng để chỉ sự thiếu nước của thực vật do môi trường

24

gây ra trong suốt quá trình hay trong từng giai đoạn làm ảnh hưởng đến sinh trưởng và phát triển Các tổn thương của cây trồng do khô hạn gây ra có nhiều mức độ khác nhau: chết, chậm phát triển hay phát triển tương đối bình thường Ở thực vật, những cây trồng có khả năng duy trì sự phát triển và cho năng suất tương đối ổn định trong điều kiện khô hạn được gọi là cây chịu hạn và khả năng thực vật có thể giảm thiểu mức độ tổn thương do thiếu hụt nước gây ra gọi là tính chịu hạn (Đinh Thị Phòng, 2001)

Đối với cây trồng, hạn được phân thành 3 dạng: hạn không khí, hạn đất và hạn sinh lý

- Hạn không khí: xảy ra khi độ ẩm không khí quá thấp (thấp hơn 65%) làm cho

quá trình thoát hơi nước của cây diễn ra mạnh, trong khi đó rễ không thể hút đủ lượng nước để bù đắp và dẫn đến mất cân bằng nước trong cây Hạn không khí ảnh hưởng trực tiếp lên các bộ phận của cây như hoa, lá, chồi non.v.v và hiện tượng này thường gặp ở Miền Trung – Việt Nam vào đợt gió Tây Nam và cuối Thu vùng Bắc Bộ, mùa khô ở Tây Nguyên

- Hạn đất: xảy ra khi lượng nước dự trữ cho cây hấp thụ trong nước bị cạn kiệt,

làm cho áp suất thẩm thấu của đất tăng cao đến mức cây không cạnh tranh được nước của đất để có thể hấp thụ vào tế bào qua rễ, vì vậy hạn đất thường gây nên hiện tượng cây héo lâu dài Hạn đất tác động trực tiếp đến rễ của cây làm ảnh hưởng nhiều đến quá trình sinh trưởng và phát triển của cây Hạn đất thường xảy ra ở các vùng có lượng mưa trung bình rất thấp, kéo dài nhiều tháng trong năm như miền Trung, Tây Nguyên vào mùa khô

- Hạn sinh lý: xảy ra do trạng thái sinh lý của cây không cho phép cây hút được

nước mặc dù trong môi trường không thiếu nước Rễ cây không thể hút nước trong khi quá trình thoát hơi nước vẫn diễn ra, dẫn đến cây bị mất cân bằng nước Ví dụ, khi đất yếm khí, rễ bị thiếu oxy để hô hấp nên không có khả năng để hút nước; hoặc khi nồng

độ muối trong đất quá cao vượt quá nồng độ dịch bào của rễ làm cây không hút được nước, hay trường hợp nhiệt độ của đất quá thấp cũng xảy ra hiện tượng hạn sinh lý Hạn sinh lý kéo dài cũng gây ra các tác động tương tự như hạn không khí và hạn đất Nếu hạn đất và hạn không khí cũng xảy ra (gọi là hạn toàn diện) thì mức độ tác hại đối với cây trồng tăng lên rất nhiều

Cơ chế chịu hạn ở lúa

25

Ở châu Á, stress hạn diễn ra khá phức tạp, hạn hán có thể xuất hiện vào bất kì thời điểm nào trong năm và có thể diễn ra từ năm này sang năm khác Đối với cây lúa, khi hạn hán xảy ra vào giai đoạn đầu của quá trình sinh trưởng (nảy mầm, giai đoạn

mạ, giai đoạn đẻ nhánh) sẽ gây cản trở đến quá trình phát triển (trên các đồng ruộng trũng) hoặc gây cản trở giai đoạn nảy mầm (trên ruộng nương), sinh trưởng chậm, giảm số bông/đơn vị diện tích và giảm kích thước bông Nếu hạn hán vào giai đoạn sinh sản (hình thành bông, ra hoa, tạo hạt) tạo ra bông vô tính và hạt lép với mức độ khác nhau Bởi vì lúa cực kì mẫn cảm với hạn tại giai đoạn sinh sản, nên vào thời kì cuối của giai đoạn stress, hạn hán sẽ gây mất mùa nghiêm trọng

Xét về cơ sở sinh lý, sinh hóa của tính chống chịu hạn: khi gặp hạn, phản ứng đầu tiên của cây lúa là đóng khí khổng để ngăn sự thoát hơi nước, nhằm tăng hiệu quả

sử dụng nước Khả năng chống chịu hạn của lúa được bộc lộ thông qua các biểu hiện như:

- Giảm diện tích lá và rút ngắn thời gian sinh trưởng nhằm giúp cây sử dụng nước hợp lý trong điều kiện thiếu nước

- Rễ đâm sâu và mật độ rễ rậm giúp lúa hút nước từ các tầng đất sâu hơn

- Duy trì sức trương của tế bào thông qua khả năng điều chỉnh áp suất thẩm thấu để bảo vệ chồi khỏi bị khô hạn

Sự thích nghi đặc biệt về cấu trúc và hình thái của rễ và chồi nhằm làm giảm tối

đa sự mất nước hoặc tự điều chỉnh áp suất thẩm thấu nội bào thông qua tích lũy các chất hòa tan, protein và axit amin để nhằm duy trì lượng nước tối thiểu trong tế bào

Đối với lúa, khả năng thu nhận nước chủ yếu phụ thuộc vào hệ thống rễ Hệ thống rễ dài ở lúa nương góp phần quan trọng đối với khả năng hút nước, nhưng đối với lúa nước thì khả năng chịu hạn của bộ rễ lại phụ thuộc vào mật độ Bộ rễ có hình thái khỏe, dài, mập, có sức đâm xuyên sâu sẽ hút được nước ở những vùng đất sâu hơn Ngoài ra, cây có hệ mạch phát triễn dẫn nước đến các cơ quan thoát hơi nước, hệ

mô bì phát triển sẽ hạn chế sự thoát hơi nước của cây (Đinh Thị Phòng, 2001; Lê Trần Bình & Lê Thị Muội, 1998)

Nghiên cứu chịu hạn trên cây lúa

Nhu cầu về nước cho nông nghiệp và cho dân sinh ngày càng cao, nhưng tài nguyên nước trên thế giới có xu hướng giảm nghiêm trọng Khô hạn sẽ là yếu tố quan trọng bậc nhất ảnh hưởng đến an toàn lương thực của thế giới, và điều này đã từng xảy

26

ra trong quá khứ Theo thống kê, muốn sản xuất được 01 kg thóc, người ta phải cần 5m3 nước Nhiều quốc gia như Ai Cập, Nhật Bản, Úc đã cố gắng cải tiến nhằm nâng cao hiệu qủa sử dụng nước, giảm xuống 1,3 m3/kg thóc

Theo công bố của IRRI (2009), tổng diện tích trồng lúa trên thế giới là 155,7 triệu ha; trong đó diện tích đất trồng lúa chịu hạn (lúa cạn-canh tác nhờ nước trời) đạt

~ 22 triệu ha, chiếm 14,12% tổng diện tích (IRRI, 2009) Tuy diện tích trồng lúa cạn không nhiều, nhưng lại đóng vai trò rất quan trọng trong việc cung cấp lương thực tại chỗ cho những vùng dân cư rất khó khăn về giao thông và các điều kiện khác

Các giống lúa chịu hạn được nghiên cứu và giới thiệu trong sản xuất như CH2, CH3, CH132, CH5, CH7 (Viện Cây lương thực và cây thực phẩm); Viện Khoa học nông nghiệp miền Nam đã chọn được các giống lúa địa phương chịu hạn tốt như LC 88-66, LC 88-67, LC90-14 v.v Trần Văn Thủy (1998) đã tuyển chọn được các giống lúa triển vọng chịu hạn tốt, năng suất cao như TN235, TN168 và TN167 Viện Bảo vệ thực vật đã lần lượt giới thiệu các giống lúa cạn mới như LC93-1, LC93-2, LC93-4

Nghiên cứu chịu hạn đã được tiến hành từ nhiều năm, sử dụng các phương pháp khác nhau trong điều kiện phòng thí nghiệm và trên đồng ruộng Mỗi phương pháp đều có những ưu nhược điểm nhất định, tuy nhiên tùy thuộc vào mục tiêu cụ thể mà nhà nghiên cứu sẽ chọn phương pháp phù hợp nhất Cho đến nay, đã có nhiều công trình nghiên cứu liên quan đến khả năng chịu hạn của cây lúa như nghiên cứu tuyển chọn, chọn tạo giống chịu hạn hay về cơ sở di truyền tính chịu hạn.v.v

Đối với cây lúa, giai đoạn khủng hoảng nước là giai đoạn trỗ, do đó về mặt lý thuyết, đánh giá khả năng chịu hạn sử dụng phương pháp ống rễ tỏ ra hiệu quả hơn Tuy nhiên, cây lúa màu chủ yếu có nguồn gốc ở miền núi, trồng trên đất cao, sử dụng nước trời nên thường gieo trồng vào đầu mùa mưa và thời điểm lúa trỗ thường là thời điểm mưa nhiều nên ít bị thiếu nước giai đoạn này Trong khuôn khổ của luận án, chúng tôi tập trung nghiên cứu khả năng chịu hạn của một số giống lúa màu triển vọng

ở giai đoạn nảy mầm, cây con và giai đoạn đẻ nhánh nhằm đánh giá ảnh hưởng của hạn đến giai đoạn trước trỗ Dưới đây là các công bố về nghiên cứu khả năng chịu hạn trong điều kiện phòng thí nghiệm và nhà lưới

Trần Nguyên Tháp (2002) đã đề xuất mô hình chọn giống chịu hạn khi đánh giá cây lúa trong điều kiện nhân tạo ở phòng thí nghiệm Tác giả đã khuyến cáo nên chọn nồng độ muối KClO3 3% hoặc nồng độ đường Saccarin 0,8 – 1,0 % để xử lý hạt

27

Vũ Văn Liết và cs (2004) trong nghiên cứu đánh giá khả năng chịu hạn của 66 mẫu giống lúa địa phương đã sử dụng dung dịch KClO3 3% ngâm hạt thóc trong 48 h trước khi cho nảy mầm và KClO3 1% xử lý rễ mạ để tiến hành thanh lọc các giống lúa chịu hạn Nghiên cứu đã xác định được khả năng chịu hạn và cung cấp nguồn vật liệu cho chọn tạo giống lúa chịu hạn, đồng thời tìm hiểu phương pháp đánh giá tính chịu hạn nhanh và đáng tin cậy trong quá trình chọn tạo giống lúa chịu hạn

Trong một nghiên cứu khác của Nguyễn Thị Hảo và cs (2013) về nhận biết các dòng, giống lúa địa phương chịu hạn để phát triển vật liệu di truyền và chọn tạo giống lúa thích nghi với điều kiện canh tác nhờ nước trời Thí nghiệm đã tiến hành đánh giá

42 dòng, giống lúa địa phương bằng các phương pháp: xử lý KClO3 hạt, đánh giá khả năng chịu hạn sử dụng phương pháp trồng trong ống rễ, thí nghiệm đánh giá trong điều kiện hạn

Nguyễn Văn Khoa và cs năm 2014 đã nghiên cứu đánh giá các đặc tính sinh lý liên quan đến tính chịu hạn ở thời kỳ đẻ nhánh và thời kỳ trỗ bông của một số giống lúa cạn thu thập từ vùng Tây Bắc Kết quả thí nghiệm cho thấy các chỉ tiêu quang hợp như: cường độ quang hợp (CĐQH), cường độ thoát nước (CĐTN) và chỉ số SPAD (một chỉ tiêu tương quan thuận với hàm lượng diệp lục) của các giống lúa cạn thấp hơn giống đối chứng ở cả hai giai đoạn đẻ nhánh và trỗ bông trong khi hạn, nhưng đều cao hơn giống đối chứng ở giai đoạn phục hồi Hạn giai đoạn đẻ nhánh làm giảm số bông/cây ở mức ý nghĩa, trong khi hạn lúc trỗ lại làm cho tỷ lệ chắc của các mẫu giống giảm nhiều nhất và hạn ở cả hai giai đoạn đều làm giảm năng suất hạt Cường độ quang hợp có sự tương quan chặt với cường độ thoát hơi nước ở tất cả các thời kỳ hạn

và phục hồi Trong khi đó tương quan thuận giữa CĐQH và SPAD chỉ có ý nghĩa ở giai đoạn trước khi hạn mà không ở mức ý nghĩa ở cả giai đoạn hạn và phục hồi

2.3.5 Nghiên cứu chất lượng cây lúa màu

Tương tự đối với gạo trắng, các chỉ tiêu chất lượng gạo được quan tâm nghiên cứu nhiều như chất lượng xay xát (khối lượng 1000 hạt, kích thước hạt gạo, màu hạt gạo lật); chất lượng nấu nướng (nhiệt độ hóa hồ, độ thơm, hàm lượng amylose) và chất lượng dinh dưỡng (hàm lượng anthocyanin, hoạt tính chống oxy hóa, hàm lượng phenolic và hàm lượng flavonoid tổng số, hàm lượng sắt và kẽm tổng số) Vì vậy, trong nghiên cứu này, chúng tôi tập trung vào đánh giá ba chỉ tiêu chất lượng là chất lượng xay xát, chất lượng nấu nướng và chất lượng dinh dưỡng trên nguồn gen lúa màu