Chọn tạo giống lúa chịu mặn có hàm lượng sắt trong gạo cao và amylose thấp

TRANG XÁC NHẬN CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC Luận án “Chọn tạo giống lúa chịu mặn có hàm lượng sắt trong gạo cao và amylose thấp” do nghiên cứu sinh Nguyễn Thị Mỹ Duyên thực hiện dưới s

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

-o0o -

NGUYỄN THỊ MỸ DUYÊN

CHỌN TẠO GIỐNG LÖA CHỊU MẶN CÓ HÀM

LƯỢNG SẮT TRONG GẠO CAO VÀ

AMYLOSE THẤP

LUẬN ÁN TIẾN SĨ CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ SINH HỌC

MÃ NGÀNH: 62 42 20 01

CẦN THƠ, 2019

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

-o0o -

NGUYỄN THỊ MỸ DUYÊN

CHỌN TẠO GIỐNG LÖA CHỊU MẶN CÓ HÀM

LƯỢNG SẮT TRONG GẠO CAO VÀ

AMYLOSE THẤP

LUẬN ÁN TIẾN SĨ CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ SINH HỌC

MÃ NGÀNH: 62 42 20 01

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS TRẦN THỊ CÖC HÕA

CẦN THƠ, 2019

TRANG XÁC NHẬN CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

Luận án “Chọn tạo giống lúa chịu mặn có hàm lượng sắt trong gạo

cao và amylose thấp” do nghiên cứu sinh Nguyễn Thị Mỹ Duyên thực hiện

dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Trần Thị Cúc Hòa

Người hướng dẫn khoa học Tác giả luận án

PGS.TS Trần Thị Cúc Hòa Nguyễn Thị Mỹ Duyên

LỜI CẢM ƠN

Chân thành cảm ơn Cô PGS.TS Trần Thị Cúc Hòa đã tận tình hướng dẫn khoa học, chỉ dạy cho tôi rất nhiều trong cách tiếp cận các kiến thức khoa học trong lĩnh vực nghiên cứu Cô đã giúp đỡ và hỗ trợ hóa chất, trang thiết

bị, cũng như kinh phí cho các nghiên cứu để giúp tôi hoàn thành tốt luận án Nghiên cứu sinh

Xin chân thành cảm ơn Ban Lãnh Đạo Viện Nghiên cứu & Phát triển Công nghệ Sinh học, Khoa Sau Đại Học và Ban Giám Hiệu Trường Đại học Cần Thơ đã tạo điều kiện thuận lợi trong thực hiện các thủ tục cho tôi trong suốt quá trình học tập Nghiên cứu sinh tại đây

Tôi xin chân thành cám ơn sự dạy dỗ nhiệt tình của Các Thầy, Cô tại Viện Nghiên cứu & Phát triển Công nghệ Sinh học, Trường Đại học Cần Thơ giúp tôi mở mang thêm kiến thức, hỗ trợ cho các nghiên cứu của tôi

Xin gởi lời chân thành biết ơn đến Ban Lãnh đạo Viện lúa Đồng Bằng Sông Cửu Long, anh chị em tại Bộ môn Công nghệ Sinh học và Bộ môn Di truyền chọn giống đã hỗ trợ giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong xuốt 4 năm thực hiện các nghiên cứu tại Viện

Chân thành cảm ơn Lãnh đạo Bộ môn CNSH, Ban chủ nhiệm Khoa Nông nghiệp & TNTN, BGH Trường Đại học An Giang đã ủng hộ và hỗ trợ cho tôi trong suốt thời gian đi học Cám ơn các em sinh viên Công nghệ Sinh học, Trường Đại học An Giang khóa DH11SH, DH12SH, DH13SH, DH14SH

và DH15SH đã hỗ trợ tôi trong quá trình thực hiện các thí nghiệm Nghiên cứu sinh

Sau cùng tôi xin được cảm ơn những người thân yêu trong gia đình đã luôn động viên, chia sẽ và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu

Nguyễn Thị Mỹ Duyên

TÓM TẮT

Xâm nhập mặn đã và đang là thách thức lớn đối với nông dân trồng lúa tại vùng Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) nói riêng và cả nước nói chung Đồng thời, thị hiếu của người tiêu dùng ngày càng cao, vấn đề phẩm chất gạo tốt, ngon cơm (có hàm lượng amylose thấp) và giàu vi chất (hàm lượng sắt cao) đang được quan tâm hàng đầu Do đó, cần thiết phải lai tạo và chọn lọc giống mới vừa có khả năng trồng được điểm nhiễm mặn mặn, vừa giàu sắt vừa có hàm lượng amylose thấp Mặt khác, nghiên cứu giống lúa có khả năng chịu mặn thông qua sự kết hợp giữa phương pháp lai tạo truyền thống và chọn lọc hiện đại bằng chỉ thị phân tử cho phép rút ngắn thời gian và tăng hiệu quả chọn tạo giống lúa Qua đánh giá 36 dòng/giống lúa triển vọng của Bộ môn Công nghệ Sinh học - Viện lúa ĐBSCL đã chọn được 4 dòng/giống có hàm lượng sắt cao và amylose thấp làm giống mẹ nhận gen (recipient) bao gồm OM238, OM5451, OM121 và OM231 để lai tạo với giống lúa có khả năng chịu mặn cao là Pokkali (donor, cho gen) Trong quá trình đánh giá và chọn lọc nhận thấy tổ hợp lai hồi giao OM121/Pokkali//OM121 nhiễm bệnh vàng lá

và ít có tiềm năng nên đã loại bỏ từ thế hệ BC1F1; 3 tổ hợp còn lại

OM5451/Pokkali//OM5451 được đánh giá tại Viện lúa ĐBSCL, trong đó thế

hệ BC3F4-5 còn được đánh giá ở 2 điểm chịu mặn Kiên Giang và Sóc Trăng để khảo sát khả năng thích nghi của từng dòng Kết quả cho thấy, thế hệ BC3F4,

đã chọn được 6 dòng lai ưu việt thuộc cả 3 tổ hợp với hàm lượng sắt trong gạo lức dao động từ 14,13 - 16,19 mg/kg, hàm lượng sắt trong gạo trắng dao động

từ 4,55 - 6,65 mg/kg; hàm lượng amylose đạt từ 18,12 - 19,95% Thế hệ

BC3F5, chọn được các dòng triển vọng mang gen chịu mặn có hàm lượng sắt cao và hàm lượng amylose thấp bao gồm: dòng BC3F5-5-1-1 thuộc tổ hợp OM231/Pokkali//OM231 với hàm lượng sắt đạt 16,15 mg/kg và 6,09 mg/kg trong gạo lức và gạo trắng, amylose đạt 17,90%; còn tổ hợp OM238/Pokkali//OM238 đã chọn được dòng BC3F5-22-1-1 với hàm lượng sắt trong gạo lức và gạo trắng lần lượt là 15,85 mg/kg và 6,02 mg/kg, amylose đạt 19,90%; và dòng BC3F5-22-1-3 có hàm lượng sắt gạo lức là 14,70 mg/kg còn hàm lượng sắt trong gạo trắng là 5,39 mg/kg, amylose đạt 18,66% Các dòng này có tiềm năng phát triển ở vùng ĐBSCL cũng như là nguồn vật liệu cho các nghiên cứu tiếp theo

Từ khóa: lúa chịu mặn, chỉ thị phân tử SSR, đoạn gen Saltol, hàm lượng sắt,

hàm lượng amylose

BC3F4 generation, 6 lines/varieties of three hybrid combinations were selected with the iron content in brown rice ranging from 14,13 to 16,19 mg/kg, the iron content in white rice ranged from 4,55 – 6,65 mg/kg; amylose content is from 18,12% to 19,95% In the BC3F5 generation, the potential lines/varieties carrying the salt-tolerant gene with high iron content and low amylose content include: rice line BC3F5-5-1-1 from the hybrid combinations OM231/Pokkali //OM231 with an iron content of 16,15 mg/kg and 6,09 mg/kg in brown rice and white rice, amylose content was 17,90%; and the hybrid combinations OM238/Pokkali//OM238 was selected rice line BC3F5-22-1-1 with iron content in brown rice and white rice respectively at 15,85 mg/kg and 6,02 mg/kg, amylose content was 19,90%; and rice line BC3F5-22-1-3 had brown iron content of 14,70 mg/kg and iron content in white rice was 5,39 mg/kg, amylose content was 18,66% These rice lines were considered to be ability to develop in the Mekong Delta as well as a valuable resource for further research.

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

MỤC LỤC

Trang xác nhận của người hướng dẫn khoa học i

Lời cảm ơn ii

Tóm tắt iii

Summary iv

Cam kết kết quả v

Mục lục vi

Danh sách hình x

Danh sách bảng xiii

Danh mục từ viết tắt xvii

Chương 1: Giới thiệu 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 2

1.3 Nội dung nghiên cứu 3

1.3.1 Nội dung 1: Đánh giá vật liệu di truyền để chọn bố mẹ sử dụng cho nghiên cứu 3

1.3.2 Nội dung 2: Lai tạo, lai hồi giao và đánh giá tuyển chọn dòng lai mang tính trạng mong muốn 3

1.3.3 Nội dung 3: Trồng khảo nghiệm các dòng lúa lai ưu tú có khả năng chịu mặn, gạo có sắt cao và amylose thấp tại 2 vùng sinh thái 3

1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 4

1.4.1 Ý nghĩa khoa học 4

1.4.2 Ý nghĩa thực tiễn 4

1.5 Tính khoa học của đề tài 4

1.6 Những đóng góp mới của đề tài 5

1.7 Tính ứng dụng của đề tài 5

1.8 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 6

Chương 2: Tổng quan tài liệu các nghiên cứu liên quan 7

2.1 Sự xâm nhập mặn và đất nhiễm mặn ở khu vực ĐBSCL 7

2.2 Sự ảnh hưởng của mặn lên cây lúa 7

2.2.1 Ảnh hưởng giai đoạn nảy mầm và đầu giai đoạn mạ 8

2.2.2 Ảnh hưởng của mặn lên chiều cao cây lúa 8

2.2.3 Ảnh hưởng của mặn lên độ hữu thụ của hạt phấn 8

2.3 Tính chống chịu mặn và đặc điểm di truyền của các giống lúa chịu

Mặn 9

2.3.1 Tính chống chịu mặn của cây lúa 9

2.3.2 Nghiên cứu đặc điểm di truyền giống lúa chống chịu mặn 10

2.4 Chỉ thị phân tử SSR 11

2.5 Sắt và vai trò của sắt 11

2.5.1 Nhu cầu sắt của cơ thể người và tác hại thiếu sắt .11

2.5.2 Thành phần sắt có trong hạt gạo 12

2.5.3 Cung cấp sắt cho cơ thể dựa vào thực phẩm chính từ gạo giàu sắt 13

2.6 Một số tiêu chí phân loại chất lượng gạo 14

2.6.1 Hàm lượng amylose 14

2.6.2 Các chỉ tiêu phẩm chất cơm liên quan đến hàm lượng amylose 17

2.7 Các nghiên cứu liên quan 18

2.7.1 Các nghiên cứu chọn tạo giống lúa giàu sắt 18

2.7.2 Các nghiên cứu về hàm lượng amylose trên các giống lúa 21

2.7.3 Một số thành tựu chọn tạo giống lúa chống chịu mặn 25

Chương 3: Phương pháp nghiên cứu 32

3.1 Địa điểm và thời gian nghiên cứu 32

3.1.1 Thanh lọc mặn 32

3.1.2 Sử dụng dấu phân tử SSR để nhận diện gen mặn 32

3.1.3 Phân tích phẩm chất hạt 32

3.1.4 Lai tạo các thế hệ lai mới (F1 đến BC3F1) 32

3.1.5 Đánh giá chọn dòng (BC3F2 đến BC3F3) 32

3.1.6 Trồng thử nghiệm các dòng lúa lai ưu tú thế hệ BC3F4 đến BC3F5 tại vùng sinh thái mặn 32

3.2 Phương tiện nghiên cứu 33

3.2.1 Vật liệu 33

3.2.2 Dụng cụ và hóa chất 34

3.3 Phương pháp nghiên cứu 35

3.3.1 Nội dụng 1 : Đánh giá vật liệu bố mẹ sử dụng trong nghiên cứu chọn tạo giống lúa chịu mặn - chất lượng cao 36

3.3.2 Nội dung 2: Lai hồi giao các tổ hợp lai tạo các dòng lúa mới mang tính trạng mong muốn 48

3.3.3 Nội dụng 3: Chọn tạo quần thể lai hồi giao có khả năng chịu mặn thông

qua thanh lọc mặn và kiểm tra gen mặn nhờ sử dụng chỉ thị phân tử SSR 52

3.3.4 Nội dung 4 và 5: Khảo nghiệm các dòng lúa lai ưu tú có khả năng chịu mặn, gạo có sắt cao và amylose thấp tại 2 vùng sinh thái vụ Hè Thu 2017 và Đông Xuân 2018 57

3.3.5 Phương pháp phân tích số liệu 64

Chương 4: Kết quả và thảo luận 62

4.1 Đánh giá vật liệu bố mẹ sử dụng trong nghiên cứu chọn tạo giống lúa chịu mặn - chất lượng cao 65

4.1.1 Đánh giá khả năng chịu mặn bằng phương pháp thanh lọc 65

4.1.2 Phân tích hàm lượng sắt trong gạo lức và gạo trắng 67

4.1.3 Phân tích nhiệt trở hồ, độ bền gel và hàm lượng amylose bằng phương pháp sinh hóa 69

4.1.4 Sử dụng chỉ thị phân tử SSR liên kết với gen chịu mặn để phát hiện vật liệu di truyền mang gen mong muốn 73

4.2 Lai hồi giao các tổ hợp lai tạo các dòng lúa mới mang tính trạng mong muốn 74

4.3 Chọn tạo quần thể lai hồi giao có khả năng chịu mặn thông qua thanh lọc mặn và kiểm tra gen mặn nhờ chỉ thị phân tử SSR 75

4.3.1 Giai đoạn các thế hệ cây F1, BC1-3F1 75

4.3.2 Giai đoạn hạt tự thụ thế hệ BC3F2 91

4.3.3 Giai đoạn hạt tự thụ thế hệ BC3F3 105

4.4 Khảo nghiệm các dòng lúa có khả năng chịu mặn, gạo có sắt cao và amylose thấp tại các vùng sinh thái vụ Hè Thu 2017 118

4.4.1 Đánh giá tính chống chịu mặn của các dòng lúa BC3F4 119

4.4.2 Đánh giá đặc tính nông học và năng suất 122

4.4.3 Đánh giá phẩm chất hạt các dòng lúa khảo nghiệm trong vụ Hè Thu 2017 126

4.5 Khảo nghiệm các dòng lúa có khả năng chịu mặn, gạo có sắt cao và amylose thấp các vùng sinh thái vụ Đông Xuân 2017 - 2018 130

4.5.1 Đánh giá tính chống chịu mặn của các dòng lúa BC3F5 131

4.5.2 Đánh giá đặc tính nông học và năng suất 133

4.5.3 Đánh giá phẩm chất hạt các dòng lúa khảo nghiệm trong vụ Đông Xuân 2017 - 2018 140

Chương 5: Kết luận và đề xuất 144

5.1 Kết luận 144

5.2 Đề xuất 149

Tài liệu tham khảo 150

Phụ lục 162

Hình 2.4 Bản đồ di truyền phân tử trên nhiễm sắc thể số 3, 5 và 6

Hình 2.5 Đoạn gen Saltol trên nhiễm sắc thể số 1 của cây lúa 27 Hình 3.1 Sơ đồ tổng quát tiến trình nghiên cứu 35

Hình 3.3 Sơ đồ tổng quát phân tích hàm lượng sắt trong hạt gạo 39

Hình 3.5 Qui trình phân tích hàm lượng amylose 44 Hình 3.6 Sự khác nhau của độ bền gel sau phân tích sinh hóa 45

Hình 3.8 Sơ đồ quy trình chuyển gen chịu mặn vào giống lúa có

Hình 3.10 Hạt lúa lai đã nảy mầm sau khi được ngâm, ủ 53 Hình 3.11 Thu lá lúa trích DNA kiểm tra gen mặn 54 Hình 4.1 Thanh lọc giai đoạn mạ nồng độ muối 4‰ (8 dS/m) các

Hình 4.2

Biểu đồ phân nhóm cấp chống chịu mặn của 36 dòng/giống lúa thanh lọc mặn giai đoạn mạ nồng độ muối 4‰ (8 dS/m)

bố mẹ Hình 4.9 Sơ đồ chọn tạo quần thể lai hồi giao

Hình 4.10 Sản phẩm PCR được nhân bản bởi RM1287(a) và

RM10694(b) của 13 cá thể F1 quần thể OM231/Pokkali 78 Hình 4.11

Sản phẩm PCR được nhân bản bởi RM1287(a) và RM10694(b) của 16 cá thể BC1F1 quần thể OM231/Pokkali//OM231

79

Hình 4.12

Sản phẩm PCR được nhân bản bởi RM1287(a) và RM10694(b) của 26 cá thể BC2F1 quần thể OM231/Pokkali//OM231

80

Hình 4.13

Sản phẩm PCR được nhân bản bởi RM1287(a) và RM10694(b) của 39 cá thể BC3F1 quần thể OM231/Pokkali//OM231

93

Hình 4.18

Sản phẩm PCR được nhân bản bởi RM1287 (a) và RM10694 (b) trên gel agarose 2,5% của 17 dòng BC3F3của OM231/Pokkali//OM231

108

Hình 4.19

Sản phẩm PCR được nhân bản bởi RM1287 (a) và RM10694 (b) của 20 dòng con lai BC3F3 thuộc tổ hợp OM238/Pokkali//OM238

110

Hình 4.20

Sản phẩm PCR được nhân bản bởi RM1287 (a) và RM10694 (b) của 18 dòng lúa BC3F3 thuộc tổ hợp OM5451/Pokkali//OM5451

115

Hình 4.21

Kết quả đánh giá gen mặn (Saltol) của các dòng con lai

của 3 tổ hợp hồi giao với RM1287 (a) và RM10694 (b) trên gel agarose 2,5%

121

Hình 4.22

Sản phẩm PCR cho gen qui định hàm lượng amylose

(gen Waxy) của các dòng con lai thế hệ BC3F4 với chỉ thị Wx-In1 trên gel agarose 2,5%

128 Hình 4.23 Kết quả đánh giá gen mặn (Saltol) của các dòng con lai 132

của 3 tổ hợp hồi giao với RM1287 (a) và RM10694 (b) trên gel agarose 2,5%OM5451/Pokkali//OM5451

141

Bảng 3.3 Tiêu chuẩn đánh giá (SES) tính chống chịu mặn theo tiêu

Bảng 3.6 Đường chuẩn để phân tích hàm lượng amylose 43 Bảng 3.7 Thang phân loại hàm lượng amylose theo Kumar and

Bảng 3.18 Phân loại tỷ lệ gạo lức theo IRRI (1996) 63 Bảng 3.19 Phân loại tỷ lệ gạo trắng theo IRRI (1996) 63 Bảng 3.20 Phân loại tỷ lệ gạo nguyên theo IRRI (1996) 64 Bảng 4.1 Cấp chống chịu mặn của 36 dòng/giống lúa thanh lọc 66 Bảng 4.2 Hàm lượng sắt trong gạo lức và gạo trắng của 36

Bảng 4.3 Hàm lượng amylose, độ bền gel và nhiệt trở hồ của 36

Bảng 4.4 Các đặc tính nông học của các giống lúa dự tuyển làm cá

thể mẹ qua phân tích hàm lượng amylose và hàm lượng 72

sắt trong hạt gạo Bảng 4.5 Kết quả lai tạo sau 21 ngày thu được hạt F1 trên 4 tổ hợp

OM5451/Pokkali//OM5451 thế hệ BC3F2 102 Bảng 4.20 Một số chỉ tiêu nông học của 18 dòng lúa tổ hợp lai

OM5451/Pokkali//OM5451 thế hệ BC3F2 103 Bảng 4.21 Đặc tính phẩm chất hạt của các dòng lúa chịu mặn 104 Bảng 4.22

Cấp chịu mặn các dòng lúa từ tổ hợp lai OM231/Pokkali/OM231 sau thanh lọc mặn ở nồng độ muối 4‰

105

Bảng 4.23 Kết quả chọn dòng lúa chịu mặn BC3F3 tổ hợp lai

tổ hợp lai OM231/Pokkali//OM231 Bảng 4.25 Đặc tính phẩm chất hạt của 6 dòng lúa chịu mặn thế hệ

BC3F3 của tổ hợp lai OM231/Pokkali//OM231 109 Bảng 4.26

Cấp chịu mặn các dòng lúa từ tổ hợp lai OM238/Pokkali//OM238 sau thanh lọc mặn ở nồng độ muối 4‰

Bảng 4.29 Đặc tính phẩm chất hạt của 5 dòng lúa chịu mặn thế hệ

BC3F3 của tổ hợp lai OM238/Pokkali//OM238 113 Bảng 4.30 Cấp chịu mặn các dòng lúa từ tổ hợp lai

OM5451/Pokkali//OM5451 ở nồng độ muối 4‰ 114 Bảng 4.31 Kết quả chọn dòng lúa chịu mặn thế hệ BC3F3 tổ hợp lai

Bảng 4.32 Một số chỉ tiêu nông học của 6 dòng chịu mặn thế hệ

BC3F3 của tổ hợp lai OM5451/Pokkali//OM5451 117 Bảng 4.33 Đặc tính phẩm chất hạt của 6 dòng lúa chịu mặn thế hệ

BC3F3 của tổ hợp lai OM5451/Pokkali//OM5451 118 Bảng 4.34 Các dòng lúa thế hệ con lai BC3F4 được tự thụ từ các

Bảng 4.35 Cấp chịu mặn các dòng lúa BC3F4 từ các tổ hợp lai hồi

Bảng 4.37 Độ mặn mẫu nước và đất tại ruộng trần đề-sóc trăng 123 Bảng 4.38 Năng suất thực tế của các dòng lúa BC3F4 tại các điểm

Bảng 4.39 Hàm lượng sắt và hàm lượng amylose của các dòng lúa

Bảng 4.40 Kết quả so sánh kiểu hình và kiểu gen liên quan tính

trạng hàm lượng amylose của các dòng lúa thế hệ BC3F4 129 Bảng 4.41 Phẩm chất xay chà của các dòng lúa triển vọng 130 Bảng 4.42 Các dòng lúa thế hệ con lai BC3F5 được tự thụ từ các

Bảng 4.43 Cấp chịu mặn các dòng lúa BC3F5 từ các tổ hợp lai hồi

Bảng 4.45 Độ mặn nước biển đo tại ruộng thí nghiệm 134 Bảng 4.46 Độ mặn mẫu nước và đất tại ruộng Trần Đề - Sóc Trăng 134 Bảng 4.47 Năng suất thực tế của các dòng lúa BC3F5 tại các điểm

khảo nghiệm trong vụ Đông Xuân 2017 - 2018 136 Bảng 4.48 Chỉ số thích nghi và chỉ số ổn định của các dòng lúa con

Bảng 4.49 Hàm lượng sắt và hàm lượng amylose của các dòng lúa

Bảng 4.50 Kết quả so sánh kiểu hình và kiểu gen liên quan tính

trạng hàm lượng amylose của các dòng lúa thế hệ BC3F5 142 Bảng 4.51 Phẩm chất xay chà của 3 dòng lúa BC3F5 ưu tú nhất trong

EDTA EthyleneDiamineTetraacetic Acid

GBSS Granule bound starch synthase

IRRI International Rice Research Institute

MAGE MetaPhor agarose gel electrophoresis

NN &PTNT Nông Nghiệp và Phát Triển Nông Thôn

PAGE Polyacrylamide gel electrophoresis

QTLs Quantitative trait loci

RAPD Randomly Amplified Polymosphic DNA RFLP Restriction Fragment Length Polymorphism

STS Sequence - tagged sites

TN & MT Tài nguyên & Môi trường

Tp HCM Thành phố Hồ Chí Minh

USDA The United States Department of Agriculture

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1.1 Đặt vấn đề

Lúa nước (Oryza satiava L.) là nguồn lương thực chủ yếu của hơn một

nửa dân số thế giới, đặc biệt là các quốc gia ở Châu Á, Châu Phi và Mỹ La Tinh Ở Việt Nam, lúa là cây nông nghiệp chính Năm 2015, Việt Nam đứng thứ 3 trên thế giới về xuất khẩu lúa gạo sau Ấn Độ và Thái Lan Trong đó, ĐBSCL là nơi xuất khẩu gạo lớn nhất cả nước Theo số liệu thống kê sơ bộ của Tổng Cục thống kê, diện tích đất trồng lúa cả năm 2017 trên cả nước ước đạt 7,72 triệu ha (giảm 26,1 nghìn ha so với năm 2016), năng suất ước đạt 55,5 tạ/ha (giảm 0,2 tạ/ha so với năm 2016), sản lượng ước đạt 42,8 triệu tấn (giảm 318,3 nghìn tấn so với năm 2016) (Vietnam Business Monitor, 2017)

Điều này là do sản xuất nông nghiệp đang phải đứng trước thách thức lớn của biến đổi khí hậu, trong đó mặn là yếu tố quan trọng thứ 2 sau hạn Khoảng 1/5 diện tích đất trồng trọt có tưới trên thế giới bị ảnh hưởng mặn và trên 800 triệu héc-ta đất bị chịu mặn Chỉ tính riêng tại vùng ĐBSCL từ cuối năm 2015 đến cuối năm 2016 phạm vi ảnh hưởng của ranh nước mặn 4 g/l (độ mặn không thể lấy nước sinh hoạt hay sản xuất) đã ảnh hưởng đến 10/13 tỉnh ĐBSCL với tổng diện tích lúa thiệt hại gần 139.000 ha Trong đó, 86.000 ha thiệt hại trên 70% năng suất, 43.000 ha thiệt hại từ 30 - 70% năng suất (Vtv.vn, 2016) Theo Tổng cục Thủy lợi, Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn (Bộ NN & PTNT), dòng chảy sông Mê Kông về ĐBSCL đang biến động phức tạp, giảm mạnh so với thời điểm đầu mùa khô, khả năng gây gia tăng xâm nhập mặn ở mức cao hơn cùng kỳ năm 2017 (Bích Hồng, 2018) Như vậy, với sự ảnh hưởng của biến đổi khí hậu toàn cầu, diện tích đất trồng lúa vùng ĐBSCL chịu mặn ngày càng tăng, dẫn đến sản lượng gạo Việt Nam có thể giảm một cách nghiêm trọng

Đối mặt với vấn đề trên, việc chọn tạo giống lúa chịu mặn đã được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu Đây cũng là một trong những giải pháp được đưa ra trong đề xuất của Bộ NN & PTNT năm 2015 (TTO, 2015) Ngoài một số giống chống chịu mặn đã được chọn tạo và canh tác hiệu quả ở một số nước trên thế giới Nhiều nguồn giống lúa mùa địa phương như Nona Bokra, Bura Rata chống chịu tốt với điều kiện mặn tương đương giống Pokkali đã được xác định Vào những năm cuối thế kỷ 20, các nhà chọn tạo giống đã sử dụng những biến đổi di truyền để tạo ra những giống lúa có tiềm năng năng suất cao, chất lượng gạo tốt, kháng một số sâu bệnh chính và chống chịu với những điều kiện bất lợi như khô hạn, ngập úng, mặn Tại ĐBSCL, các giống

lúa trồng ở vùng chịu mặn có các hạn chế như: các giống lúa cao sản có khả năng chống chịu mặn thấp hoặc trung bình, hay chất lượng gạo thấp; các giống lúa địa phương chịu mặn như Tép Hành, Một Bụi Đỏ có thời gian sinh trưởng dài, năng suất thấp và cứng cơm Vì vậy, cần có các giống lúa chịu mặn ở ngưỡng độ mặn trung bình (EC 4 dS/m) và chịu mặn cao (EC trên 6 dS/m) trở lên và có các đặc tính cần thiết khác như thời gian sinh trưởng ngắn, năng suất cao và khả năng chống chịu tốt với sâu bệnh hại

Hiện nay thị hiếu tiêu dùng ngày càng cao hơn, vấn đề phẩm chất gạo tốt, ngon cơm (có hàm lượng amylose thấp) và giàu vi chất đang được quan tâm hàng đầu Việc tạo ra được các giống lúa có hàm lượng sắt cao trong gạo nhằm góp phần giảm tỷ lệ các bệnh liên quan đến thiếu sắt, đặc biệt là nông dân nghèo vùng sâu, vùng xa là hết sức cần thiết Do đó, việc nghiên cứu lai tạo những giống lúa vừa có khả năng thích nghi tốt với điều kiện môi trường chịu mặn, vừa cho năng suất cao, phẩm chất gạo tốt, ngon cơm (hàm lượng amylose thấp) và giàu dinh dưỡng rất được quan tâm Hơn thế, ngày nay nhờ

sự phát triển vượt bậc của công nghệ sinh học, đặc biệt là kỹ thuật di truyền phân tử, đã hỗ trợ đắc lực cho công tác chọn giống cây trồng mới, giúp cho việc chọn lựa con lai chính xác hơn, rút ngắn thời gian chọn tạo giống Trong

đó, chỉ thị phân tử SSR (Simple sequence repeats) được nhiều nhà khoa học chọn sử dụng do nó có tính chất đồng trội (codominan), mức độ tin cậy cao (Nguyễn Thị Lang và Bùi Chí Bửu, 2011)

Năm 2011, Viện lúa ĐBSCL đã cho ra đời giống lúa giàu sắt là OM6976

có khả năng chịu mặn trung bình nhưng amylose cao và giống OM5451 có hàm lượng amylose thấp (18%) nhưng chịu mặn chưa cao Hiện nay, chưa có giống lúa nào vừa có khả năng chịu mặn khá, vừa có hàm lượng sắt cao và

amylose thấp Do đó, đề tài “Chọn tạo giống lúa chịu mặn có hàm lượng sắt

trong gạo cao và amylose thấp” được thực hiện sử dụng phương pháp lai hồi

giao và phát hiện gen chịu mặn bằng chỉ thị phân tử SSR, nhằm chọn tạo được giống lúa vừa có khả năng chịu mặn tốt, vừa có chất lượng cao, ngon cơm (hàm lượng amylose thấp) và giàu chất sắt đáp ứng nhu cầu sản xuất và thị trường lúa gạo trong khu vực

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu, chọn tạo được các dòng/giống lúa có khả năng thích nghi

và phát triển tốt tại điểm nhiễm mặn chịu mặn, có hàm lượng sắt trong gạo cao (sắt lức > 14 mg/kg và sắt trắng ≥ 6 mg/kg) và hàm lượng amylose trong hạt gạo ≤ 20% dựa vào phương pháp lai hồi giao và chọn giống bằng chỉ thị phân

1.3 Nội dung nghiên cứu

1.3.1 Nội dung 1: Đánh giá vật liệu di truyền để chọn bố mẹ sử dụng

cho nghiên cứu

Mục đích: Nhằm chọn được bố, mẹ sử dụng cho nghiên cứu lai tạo thông qua việc đánh giá bộ giống lúa triển vọng của Bộ môn Công nghệ sinh học- Viện lúa ĐBSCL

1 Hàm lượng sắt trong gạo lức và gạo trắng: bằng phương pháp sinh hóa

2 Phân tích nhiệt trở hồ, độ bền gel và hàm lượng amylose bằng phương

pháp sinh hóa

3 Đánh giá khả năng chịu mặn của vật liệu

- Đánh giá khả năng chịu mặn bằng phương pháp thanh lọc mặn giai đoạn mạ trong khay

- Sử dụng chỉ phân tử SSR liên kết với tính chịu mặn để đánh giá và tuyển chọn giống lúa mang gen chịu mặn

1.3.2 Nội dung 2: Lai hồi giao các tổ hợp lai tạo các dòng lúa mới

mang tính trạng mong muốn

Tiến hành lai giữa giống lúa chịu mặn quốc tế là Pokkali với các dòng/giống lúa ưu tú (OM231, OM238, OM5451, OM121) có hàm lượng amylose thấp và sắt cao để tạo ra hạt lai F1

1.3.3 Nội dung 3: Chọn tạo quần thể lai hồi giao có khả năng chịu mặn thông qua thanh lọc mặn và kiểm tra gen mặn nhờ sử dụng chỉ thị phân tử SSR

1 Trồng các cá thể đã tuyển chọn để tiến hành lai hồi giao đến thế hệ

BC3F1 và tự thụ đến thế hệ BC3F5

2 Đánh giá khả năng chịu mặn của vật liệu lai:

+ Đánh giá khả năng chịu mặn của con lai ở các giai đoạn từ F1 đến

BC3F5 bằng phương pháp thanh lọc mặn

+ Dùng chỉ thị phân tử SSR để nhận diện một số dòng lúa lai giai đoạn từ

BC3F1 đến BC3F5 có gen chịu mặn cho việc tuyển chọn dòng lúa nghiên cứu

1.3.4 Nội dung 4 và 5: Khảo nghiệm các dòng lúa có khả năng chịu

mặn, gạo có sắt cao và amylose thấp tại các vùng sinh thái vụ Hè Thu

2017 và Đông Xuân 2018

* Mục đích: Đánh giá và lựa chọn được dòng lai ưu tú ở thế hệ BC3F4(vụ Hè Thu 2017) và thế hệ BC3F5 (vụ Đông Xuân 2018) tại vùng sinh thái mặn (2 điểm Kiên Giang và Sóc Trăng) và vùng sinh thái phù sa ngọt (ruộng giống tại Viện lúa ĐBSCL) (đối chứng) Nhằm tuyển chọn được 1 – 2 dòng thuần triển vọng (chịu mặn, giàu sắt, hàm lượng amylose trong gạo ≤ 20%)

Nghiên cứu lựa chọn hai điểm chịu mặn là Kiên Giang và Sóc Trăng để tiến hành thí nghiệm bởi trong 13 tỉnh ĐBSCL thì hai tỉnh này chịu thiệt hại nặng nhất bởi xâm nhập mặn trong gần 10 năm qua Chỉ tính riêng tại Kiên Giang trong 2 vụ Hè Thu và Đông Xuân 2016 đã có đến 3.500 ha lúa chết khô

do mặn, trong đó các huyện bị ảnh hưởng nặng nề nhất là An Biên, Kiên Lương, U Minh Thượng … (Trọng Đạt, 2016) Còn tại tỉnh Sóc Trăng, cũng

đã công bố tình trạng thiên tai do xâm nhập mặn trên địa bàn tỉnh trong năm

2016 Với 11.000 ha lúa đang canh tác đều bị thiệt hại do khô hạn và xâm nhập mặn Có đến 6/11 đơn vị huyện, thị xã trên địa bàn tỉnh đã bị mặn xâm nhập với độ mặn cao nhất hơn 10‰ Các địa bàn bị ảnh hưởng gồm huyện Long Phú, Trần Đề, Thạnh Trị, thị xã Ngã Nam, Cù Lao Dung, Mỹ Xuyên…, trong đó huyện Trần Đề có đến 390 ha lúa bị thiệt hại trắng do đồng ruộng khô cạn,… Ước tổng thiệt hại gần 40 tỉ đồng (Chí Quốc, 2016)

 Nội dung nghiên cứu:

1 Đánh giá khả năng chịu mặn bằng phương pháp thanh lọc và kết hợp với phân tích SSR liên kết tính chịu mặn

2 Đánh giá các đặc tính hình thái, nông học, năng suất, thành phần năng suất

3 Phân tích hàm lượng sắt trong gạo lức và gạo trắng: bằng phương pháp sinh hóa

4 Phân tích nhiệt trở hồ, độ bền gel, hàm lượng amylose: bằng phương

pháp sinh hóa Đồng thời, kết hợp sử dụng chỉ thị phân tử Wx-In1 để phát hiện gen quy định hàm lượng amylose trên các dòng lúa thế hệ BC3F4-5

5 Phân tích tương tác giữa kiểu gen và môi trường theo mô hình của Finlay và Wikinson (1963), Eberhart và Russell (1966): Yij = µi + βIj + δij (thế hệ BC3F5)

1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

1.4.1 Ý nghĩa khoa học

Khai thác nguồn gen một cách hiệu quả thông qua việc lựa chọn nguồn vật liệu lai tạo từ giống lúa mùa chịu mặn tốt với giống lúa cao sản chất lượng cao Kết quả thu được đáng kể, đã chọn lọc được một số dòng con lai ưu việt vừa mang gen chịu mặn của giống bố vừa mang phẩm chất tốt của giống mẹ Nghiên cứu, chọn tạo các giống/dòng lúa có phẩm chất tốt và năng suất cao kết hợp chọn giống truyền thống với phương pháp hiện đại bằng chỉ thị phân tử nhằm khắc phục những hạn chế của phương pháp truyền thống, rút

1.4.2 Ý nghĩa thực tiễn

Việc ứng dụng chỉ thị phân tử vào trong chọn giống nhằm khai thác triệt

để nguồn gen, nâng cao hiệu quả chọn tạo, rút ngắn thời gian và tăng hiệu suất chọn lọc cũng như hiệu quả kinh tế

Sản phẩm của đề tài đã chọn tạo ra được các dòng lúa triển vọng vừa mang gen và chịu được mặn, vừa có phẩm chất tốt giàu sắt và amylose thấp để

bổ sung vào cơ cấu giống chất lượng cao nhằm đáp ứng kịp thời nhu cầu thị trường và tình hình biến đổi khí hậu hiện nay

Ngoài ra, công trình nghiên cứu của đề tài là nguồn dữ liệu hữu ích phục

vụ cho công tác nghiên cứu và giảng dạy

1.5 Tính khoa học của đề tài

Ứng dụng các kỹ thuật hiện đại để hỗ trợ hết sức tích cực cũng như giải quyết các hạn chế cho phương pháp lai tạo giống truyền thống

Kế thừa các nghiên cứu trước trong việc lựa chọn vật liệu lai và chỉ thị phân tử để đánh giá gen mặn

Các dòng lúa được chọn tạo trong đề tài là kết quả khoa học có khả năng ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu và sản xuất giống lúa chịu mặn và chất lượng cao ở vùng ĐBSCL

1.6 Những đóng góp mới của đề tài

Đề tài đã khai thác nguồn gen một cách hiệu quả thông qua việc lựa chọn nguồn vật liệu lai tạo cho gen mặn là giống lúa mùa chịu mặn nổi tiếng là Pokkali, đây là giống lúa tuy chịu mặn tốt nhưng có rất nhiều tính trạng xấu như cao cây (> 150 cm), phẩm chất hạt xấu (bạc bụng nhiều, amylose rất cao)

và năng suất thấp Việc chọn giống lúa Pokkali làm bố trong công tác lai tạo là hết sức mạnh dạn mà trước đây ít có nghiên cứu nào thực hiện

Nhờ ứng dụng hiệu quả phương pháp lai hồi giao với giống mẹ (nhận gen) kết hợp đánh giá chọn dòng bằng phương pháp truyền thống với hiện đại bằng chỉ thị phân tử SSR Kết quả đề tài đã chọn ra được một số dòng/giống vừa mang gen chịu mặn, vừa có hàm lượng sắt trong gạo cao và amylose thấp (≤ 20%) Bên cạnh đó, các dòng được chọn này ngoài việc đạt được mục tiêu

đề ra còn có kiểu hình cây đẹp, hạt gạo thon dài, ít bạc bụng và thích nghi tốt với điểm nhiễm mặn nên cho năng suất cao và đặc biệt ít bệnh hại

1.7 Tính ứng dụng của đề tài

Đề tài được thực hiện thông qua phương pháp lai tạo truyền thống kết hợp phương pháp chọn lọc hiện đại bằng chỉ thị phân tử Thông qua kết quả đề

tài cũng cho thấy tính hiệu quả của việc ứng dụng các kỹ thuật mới vào chọn tạo giống truyền thống

Sản phẩm của đề tài đã chọn tạo ra được một số dòng lúa triển vọng và

sẽ được tiếp tục trồng thử nghiệm diện rộng để đánh giá tính thích nghi Nhằm chọn ra được giống mới vừa mang gen và chịu được mặn, vừa có phẩm chất tốt giàu sắt và amylose thấp để bổ sung vào cơ cấu giống chất lượng cao nhằm đáp ứng kịp thời nhu cầu thị trường và tình hình biến đổi khí hậu hiện nay

Đề tài cung cấp một chương trình chọn tạo giống hiệu quả, mang giá trị tham khảo cao

1.8 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

Giống lúa mùa chịu mặn tốt là Pokkali và các giống cao sản từ Ngân hàng gen của Bộ môn Công nghệ Sinh học, Viện lúa ĐBSCL

Phòng phân tích phẩm chất, Phòng Sinh học phân tử, Nhà lưới, Ruộng thí nghiệm của Viện lúa ĐBSCL, và ruộng lúa giống tại 2 điểm nhiễm mặnKiên Giang và Sóc Trăng

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1 Sự xâm nhập mặn và đất chịu mặn ở khu vực ĐBSCL

Nóng hạn và nhiễm mặn có thể làm diện tích lúa ở vùng ĐBSCL giảm đi

từ 40 - 45% vào mùa khô (khoảng 1,5 triệu héc-ta) do nước mặn từ biển xâm nhập theo thủy triều biển Đông (Lê Anh Tuấn, 2012) Mức độ xâm nhập mặn tùy thuộc vào sự xâm nhập của nước biển và tùy vào mùa trong năm, cao điểm vào các tháng có lượng mưa thấp, khoảng tháng 3 – 4 âm lịch

Theo tính toán của Bộ Tài nguyên và Môi trường (TN & MT) trong dự thảo “Chiến lược quốc gia về biến đổi khí hậu” là nếu mực nước biển dâng cao 1 mét, sẽ có khoảng 40% diện tích ĐBSCL, 11% diện tích Đồng bằng sông Hồng (ĐBSH) và 3% diện tích của các tỉnh khác thuộc vùng ven biển bị ngập Ngoài diện tích bị ngập lụt, một diện tích khá lớn tại ĐBSH và ĐBSCL

sẽ bị nhiễm mặn, sản lượng lương thực của nước ta có thể bị giảm tới hàng

chục phần trăm do phải chịu ảnh hưởng này (Lưu Thị Ngọc Huyền và ctv.,

2015) Nhiều địa phương sẽ bị chìm trong nước Cụ thể, Bến Tre mất 1.131

km2 (hơn 50% diện tích), Long An mất 2.169 km2 (gần 50%), Trà Vinh mất 1.021 km2 (gần 46%), Sóc Trăng mất 1.425 km2 (gần 44%), Vĩnh Long mất

606 km2 (gần 40%)… thời gian ngập úng có thể kéo dài từ 4 đến 5 tháng, 38% diện tích đồng bằng bị nhấn chìm, 90% diện tích đồng bằng có thể bị chịu mặn (Lê Thị Hồng Hạnh và Trương Văn Tuấn, 2014) Theo thống kê của Cục Quản lý tài nguyên nước (2013), trong 30 năm tới, diện tích đất lớn nhất có thể bị ảnh hưởng bởi độ mặn lớn hơn 4‰ khoảng 1.605.200 héc-ta, chiếm 41% diện tích toàn ĐBSCL, tăng 255.100 héc-ta so với thời kỳ 1991-2000; diện tích chịu ảnh hưởng của độ mặn lớn hơn 1‰ khoảng 2.323.100 héc-ta, chiếm 59% diện tích tự nhiên, tăng 193.200 héc-ta

2.2 Sự ảnh hưởng của mặn lên cây lúa

Mặn ảnh hưởng đến hoạt động sinh trưởng của cây lúa dưới những mức

độ thiệt hại khác nhau ở từng giai đoạn sinh trưởng phát triển khác nhau (Hoai

et al., 2003) Cây lúa chịu được mặn trong quá trình nảy mầm, nhưng trở nên

rất nhạy cảm trong thời kỳ mạ non Mặc dù chịu được mặn trong suốt thời gian sinh trưởng sinh dưỡng và chín, cây lúa lại rất nhạy cảm với độ mặn trong thời gian thụ phấn và thụ tinh (Lauchli and Grattan, 2007), lại chống

chịu tốt ở giai đoạn chín (Castillo et al., 2003) Tuy nhiên, một vài nghiên cứu

ghi nhận ở giai đoạn lúa trổ, nó không mẫn cảm với stress do mặn

Mặn gây ra những triệu chứng chính cho cây lúa như: đầu lá trắng theo sau bởi sự cháy chóp lá (đất mặn), màu nâu của lá và chết lá (đất sodic), sinh trưởng của cây bị ức chế, số chồi thấp, sinh trưởng của rễ kém, lá cuộn lại, tăng số hạt bất thụ, số hạt trên bông thấp, giảm trọng lượng 1.000 hạt, thay đổi khoảng thời gian trổ, chỉ số thu hoạch thấp, năng suất hạt thấp (IRRI, 2000) Ngô Đình Thức (2006) cho rằng nguyên nhân gây tổn hại cho cây lúa trong môi trường mặn là do sự tích lũy quá nhiều ion Na+ và ion này trực tiếp gây độc trên cây trồng, làm cho Cl- trở thành anion chiếm ưu thế trong cây

2.2.1 Ảnh hưởng giai đoạn nảy mầm và đầu giai đoạn mạ

Các giống lúa chống chịu được mặn trong thời gian nảy mầm, do vậy nhiều nghiên cứu tính chống chịu mặn được bố trí ở giai đoạn cây con

(Mohammadi et al., 2008; Sabouri and Sabouri, 2009)

Ở giai đoạn này, nồng độ mặn cao sẽ ức chế hoạt động một số enzyme làm cho cây lúa không thể sử dụng các chất dự trữ trong hạt để phát triển bình thường được (Pongprayoon, 2007)

2.2.2 Ảnh hưởng của mặn lên chiều cao cây lúa

Chiều cao cây thay đổi đáng kể với mức độ mặn khác nhau, chiều cao cây giảm khi mức độ mặn tăng Một trong những lý do giảm chiều cao cây có thể là do nồng độ cao thật sự của muối hòa tan trong đất và áp suất thẩm thấu

đã tạo ra sự xáo trộn trong việc hấp thu nước và các chất dinh dưỡng khác

(Gain et al., 2004)

2.2.3 Ảnh hưởng của mặn lên độ hữu thụ của hạt phấn

Độ hữu thụ của hạt phấn là một tác nhân đóng góp quan trọng đối với năng suất hạt Độ hữu thụ của hạt bị giảm có thể là do sự hình thành hạt thất

bại gây ra mất khả năng sống của hạt phấn (Hasamuzzaman et al., 2009) Độ

hữu thụ của hạt bị ảnh hưởng nhiều bởi mức độ mặn Theo Singh (2006), sự suy giảm mạnh mẻ độ hữu thụ của hạt được khảo sát với việc gia tăng mức độ mặn Kết quả cho thấy, có sự giảm tối đa độ hữu thụ của hạt được quan sát ở

90 và 120 mM NaCl

2.2.4 Ảnh hưởng của mặn lên chiều dài bông và năng suất lúa

Tất cả các đặc tính đóng góp cho năng suất như khả năng sinh sản, số chồi, số bông và chiều dài bông đều giảm đáng kể dưới điều kiện mặn

(Shereen et al., 2005) Trong đó, chiều dài bông lúa bị giảm đáng kể ở độ mặn

30 mM NaCl trở đi Còn số chồi/bông và trọng lượng 1.000 hạt lại giảm mạnh

lũy của carbohydrate và các chất khác thấp hơn Do đó, Gain et al (2004) cho

rằng ảnh hưởng của stress mặn làm giảm năng suất của các giống lúa Bởi vì, stress mặn làm ảnh hưởng đến độ hữu thụ của hạt phấn, chiều dài bông và số hạt chắc trên bông là các đặc tính quan trọng đóng góp vào năng suất hạt

(Hasamuzzaman et al., 2009) Tại ngưỡng mặn 4 dS/m đã làm giảm năng suất

lúa từ 10 - 15% và lớn hơn 10 dS/m năng suất lúa giảm trên 50% (Dobermann and Thomas, 2000)

Mặt khác, trong thời kỳ sinh sản, mặn ảnh hưởng đến sự hình thành gié

và hoa, giảm số hoa hữu hiệu/bông, làm cho tỷ lệ lép gia tăng (Trịnh Thị Sen, 2016) Đặc biệt ở giai đoạn trổ , Na+

tích luỹ nhiều trong các bộ phận của cơ quan sinh sản, ngăn cản hoạt động tổng hợp và vận chuyển tinh bột ở giai đoạn vào chắc, làm cho hạt bị lép và lửng cao, do đó làm giảm năng suất lúa (Ngô Đình Thức, 2006)

2.3 Tính chống chịu mặn và đặc điểm di truyền của các giống lúa chịu mặn

2.3.1 Tính chống chịu mặn của cây lúa

Hiện chúng ta có rất ít thông tin về kiểu hình chống chịu mặn ở giai đoạn trưởng thành của cây lúa Hầu hết các thí nghiệm đều được tiến hành trên giai đoạn mạ với quy mô quần thể hạn chế và chỉ số Na/K thường được dùng như

một giá trị chỉ thị (Hoai et al., 2003) Cây lúa chịu mặn có xu hướng hấp thu

Na nhiều hơn cây chống chịu Ngược lại, cây chống chịu mặn hấp thu K nhiều hơn cây nhiễm Ở Pokkali (giống chịu mặn) có hàm lượng Na ở chồi trung bình thấp hơn trong IR22 (giống chịu mặn) Trong quá trình bị chịu mặn, nồng

độ ion K+

trong tế bào được điều tiết tương thích với cơ chế điều tiết áp suất thẩm thấu và khả năng tăng trưởng tế bào Nhiều loài thực vật thuộc nhóm halophyte và một phần của nhóm glycophyte thực hiện hoạt động điều tiết áp suất thẩm thấu làm cản trở ảnh hưởng gây hại của mặn Hoạt động này sẽ giúp cây duy trì một lượng lớn K+ và hạn chế hấp thu Na+ (Munns, 2002)

Đối với cây lúa, tính chống chịu mặn là một tiến trình sinh lý phức tạp,

thay đổi theo các giai đoạn sinh trưởng khác nhau của cây (Hoai et al., 2003)

Phân tích diallele về tính trạng chống chịu mặn, người ta ghi nhận cả hai hoạt động của gen cộng tính và gen không cộng tính với hệ số di truyền thấp (19,18%) và ảnh hưởng của môi trường rất lớn (Tuberosa and Salvi, 2007) Rất nhiều nghiên cứu cho rằng, yếu tố di truyền tính chống chịu mặn biến động rất khác nhau giữa các giống lúa Vì vậy, muốn chọn giống lúa chống chịu mặn có hiệu quả, cần nghiên cứu sâu về cơ chế di truyền tính chống chịu

mặn, từ đó loại bỏ ngay từ những thế hệ đầu những dòng không đáp ứng được yêu cầu của nhà chọn giống

2.3.2 Nghiên cứu đặc điểm di truyền giống lúa chống chịu mặn

Trước đây, việc lai tạo giống lúa chịu mặn theo phương pháp truyền thống thường là dựa trên việc thanh lọc mặn nhân tạo và đánh giá kiểu hình Phương pháp này có nhược điểm chính là cần nhiều thời gian để tạo ra một giống lúa chịu mặn tốt Thông thường thì 6 - 8 lần hồi giao cần được thực hiện, tương đương với 3 - 4 năm lai tạo Một khó khăn khác thường gặp trong lai tạo giống mới là đôi khi có mối liên kết khá chặt chẽ giữa tính trạng chống chịu mặn với các tính trạng xấu, không mong muốn, thường được lai chuyển vào con lai cùng lúc sẽ ảnh hưởng xấu đến biểu hiện của con lai Do đó, lai tạo cho tính trạng chống chịu mặn trong vài trường hợp kéo dài từ 10 đến 15 năm

để phát triển một giống lúa mới (Collard and Mackill, 2008) Việc lai tạo giống lúa chống chịu mặn còn gặp khó khăn do bản chất đa gen (QTL) của

tính trạng chống chịu mặn (Singh et al., 2001) Biểu hiện tính chống chịu mặn

của một giống lúa bị ảnh hưởng rất lớn bởi điều kiện môi trường ngoại cảnh

(Gregorio et al., 2002) Theo Islam (2004) thì do hệ số di truyền của tính

chống chịu mặn thấp, nên tính chống chịu mặn của các dòng con lai thường không cao như bố mẹ Từ đó, việc chọn lọc giống lúa chịu mặn tốt mà chỉ dựa vào biểu hiện của kiểu hình (phenotype) sẽ kém hiệu quả và kéo dài thời gian lai tạo chọn lọc Vì vậy, việc kết hợp giữa sự can thiệp của môi trường với sử dụng các chỉ thị phân tử là tốt nhất, và đã được chấp nhận rộng rãi cho việc lai

tạo giống lúa, đặc biệt là stress phi sinh học (Islam et al., 2011) Chỉ thị phân

tử (markers) liên kết với hệ gen quyết định tính chịu mặn của cây lúa ở các quần thể con lai phân ly sẽ giúp xác định sớm, chính xác các dòng con lai mang nguồn gen mong muốn Nhiều loại chỉ thị phân tử được sử dụng bao gồm dấu RFLP, RAPD, SSR, và STS Trong đó, chỉ thị phân tử SSR có nhiều

ưu điểm: đơn giản, dễ thực hiện, nhanh, chính xác, độ đa hình cao và kinh tế Việc xác định gen kháng bằng chỉ thị phân tử nghĩa là sử dụng các chỉ thị phân tử liên kết chặt với các gen kháng và các QTLs để chọn được các cá thể mang gen kháng trong quần thể phân li Độ chính xác của phương pháp này có thể lớn hơn 99,75% khi gen kháng kẹp giữa hai chỉ thị liên kết với gen kháng

đó và khoảng cách di truyền từ chỉ thị phân tử đến gen kháng nhỏ hơn 5 cM Bằng cách chọn lọc này, các tổ hợp gen kháng khác nhau được chọn lọc là dựa

trên kiểu gen thay vì dựa trên kiểu hình (Zeng et al., 2004)

Cùng với sự phát triển của chỉ thị phân tử và bản đồ gen cây lúa trong

khiển tính chống chịu mặn của cây, hiện diện trên các nhiễm sắc thể khác nhau Nhiều báo cáo sau này đã giúp thiết lập được bản đồ gen rất chi tiết cho

QTL Saltol hiện diện trên nhiễm sắc thể số 1, quyết định tới khoảng 40 - 65% tính chống chịu mặn của cây lúa (Phạm Trung Nghĩa và ctv., 2010)

2.4 Chỉ thị phân tử ssr

Chỉ thị phân tử SSR là tập hợp các đoạn chuỗi mã di truyền có ký tự đơn giản, lặp lại nhiều lần (chỉ 1-5 bp trên một đơn vị lặp lại) Chiều dài của marker ngắn khoảng 100 - 200 bp (Nguyễn Thị Lang và Bùi Chí Bửu, 2012) Được sử dụng để khuếch đại các đoạn DNA lặp lại Dựa vào kết quả thu được

độ dài các đoạn lặp DNA khác nhau, số lượng các đoạn lặp DNA khác nhau

có thể xác định được mức độ đa dạng di truyền của các mẫu so sánh (Khuất Hữu Thanh, 2006)

Chỉ thị phân tử SSR này có tính chất đồng trội (codominan), nên nó được

sử dụng để phát hiện các cá thể dị hợp tử, và lập bản đồ gen khi sử dụng quần thể F2 Mức độ tin cậy cao và khả năng dò tìm tính đa hình (polymorphism, là nguyên tắc ghi nhận sự khác biệt của alen lặn và trội) khá nhạy trên genome Thể tích cần cho một phản ứng PCR của SSR là 15 - 50 µl, điều quan trọng là đoạn DNA phải được kiểm tra về số lượng và chất lượng, nồng độ DNA dùng cho SSR từ 30 - 35 ng/µl (Nguyễn Thị Lang và Bùi Chí Bửu, 2011)

Trong bộ gen cây lúa có khoảng 5.700 - 10.000 SSR có trình tự khác nhau 2, 3 hoặc 4 đơn vị lặp lại, các đơn vị lặp lại có thể là “di-nucleotide” (GA, GT) hoặc “tri-nucleotide” (CAT, CTT) Với số lượng lớn SSR sẽ rất thuận lợi cho việc ứng dụng lập bản đồ gen (Nguyễn Thị Lang và Bùi Chí Bửu, 2011)

2.5 Sắt và vai trò của sắt

2.5.1 Nhu cầu sắt của cơ thể người và tác hại thiếu sắt

Theo Vũ Ngọc Ruẩn (2005), trong cơ thể, sắt có trong mọi tế bào, nhiều nhất là trong máu Sắt trong cơ thể chia thành 2 loại sắt chức năng và sắt không chức năng Sắt chức năng tham gia vào quá trình sinh hóa của cơ thể, chiếm trên 2/3 tổng số, đa số nằm trong thành phần hemoglobin, một phần nhỏ gắn với myoglobin, với các metanlloenzym tham gia vào các phản ứng xúc tác

tế bào Sắt không chức năng nằm trong phần dự trữ ở gan, lách và xương Do

đó, thiếu sắt sẽ gây ra tình trạng máu thiếu sắt và ảnh hưởng đến hoạt động chuyển hóa của tế bào do thiếu hụt các men chứa sắt Ngược lại, quá tải sắt trong cơ thể cũng gây ra ứ đọng sắt tại các mô như tim, gan, tuyến nội tiết,…dẫn đến rối loạn trầm trọng chức năng các cơ quan này

Nhu cầu sắt của cơ thể thay đổi và phụ thuộc vào tuổi tác, giới tính và tình trạng sức khỏe Nhìn chung, liều cần mỗi ngày của nam giới là 1mg, phụ

nữ là 1,4 mg Tuy nhiên, hàng ngày nên cung cấp cho cơ thể nhiều hơn, tức khoảng 10 - 20 mg, bởi chỉ duy nhất khoảng 10% sắt được hấp thụ ở đại trực tràng và ruột non Đa số còn lại bị đào thải ra ngoài (Tâm Hòa, 2013)

Tuy nhiên hiện nay, theo Tổ Chức Y tế Thế giới (WHO, 2008), hơn hai

tỷ người, chiếm 30% dân số thế giới chủ yếu là phụ nữ và trẻ em đang chịu đựng tình trạng suy dinh dưỡng do thiếu sắt Bệnh thiếu máu do thiếu sắt là một trong những căn bệnh mang tính toàn cầu Phụ nữ mang thai và trẻ em là những đối tượng dễ bị mắc căn bệnh này nhất (phần lớn là ở các nước đang

phát triển) (Wirth et al., 2009) Cũng theo Nguyễn Văn Hợp (2006), thiếu sắt

là sự thiếu hụt vi chất dinh dưỡng phổ biến nhất trên thế giới, làm khổ sở 3,5 tỉ người, đặc biệt là ở các nước đang phát triển Ước tính khoảng 56% phụ nữ ở các nước đang phát triển thiếu máu, đa phần là thiếu sắt Hậu quả của thiếu sắt

sẽ làm lượng hemoglolin giảm, khả năng cung cấp oxy cho các cơ quan bị hạn

chế, do đó, hoạt động thể lực và trí óc sẽ bị giảm (Wirth et al., 2009)

Không chỉ trên thế giới, Việt Nam cũng không ngoại lệ, bệnh thiếu máu thiếu sắt là một bệnh dinh dưỡng có tầm quan trọng lớn, tuy ít khi gây tử vong, nhưng nó làm hàng triệu người ở trong tình trạng yếu, sức khỏe kém Trẻ em học kém do thiếu máu gây buồn ngủ và kém tập trung Người lớn giảm khả năng lao động vì chóng mệt phải nghỉ luôn và nghỉ kéo dài Phụ nữ mang thai

bị thiếu máu dễ bị sinh non, bào thai bị suy dinh dưỡng trong tử cung hoặc thường bị băng huyết sau khi sinh và nhiễm trùng hậu sản Đặc biệt, những phụ nữ trong thời kỳ mang thai, nếu bị thiếu máu, thiếu sắt sẽ gây khiếm khuyết ống thần kinh ở thai nhi và đó là nguyên nhân dẫn đến trẻ bị bại liệt Một khiếm khuyết khác cũng thường gặp đối với trẻ sơ sinh là bị teo một phần não Những khiếm khuyết này có thể gây tử vong đối với trẻ sơ sinh ngay khi trẻ mới đẻ do thai vô sọ, nứt cột sống (Phạm Thị Hồng và Võ Thị Hồng Nhung, 2010)

Ủy ban thường trực về dinh dưỡng của Liên hiệp quốc (UNSCN) nhận xét rằng tỷ lệ thiếu máu qua nhiều năm cải thiện chưa nhiều, thậm chí không giảm được bao nhiêu so với các thiếu hụt dinh dưỡng khác (SCN, 2010) Một trong những nguyên nhân thường gặp nhất là do thiếu sắt trong chế độ ăn

(Wirth et al., 2009).

2.5.2 Thành phần sắt có trong hạt gạo

Tình trạng thiếu sắt và vitamin A đã và đang xảy ra đáng báo động

làm ức chế sự hấp thu sắt ở ruột non, do thiếu acid amin giàu lưu huỳnh trong

gạo, mà acid này kích thích sự hấp thu sắt ở ruột non (Potrykus et al., 1999

trích dẫn của Ngô Phước Thiện, 2006)

Trong khi theo Nguyễn Ngọc Đệ (2009) thành phần Fe chứa trong gạo lức chiếm 3 mg/100 g (tương đương với bắp là 4 mg/100 g) Trong khi đó, thành phần Fe chứa trong gạo trắng là 0,67 mg/100 g và trong cám là 15,7 mg/100 g (Eggum, 1979 trích dẫn của Nguyễn Ngọc Đệ, 2009)

Đồng thời, hàm lượng sắt trong hạt (gạo lức và gạo trắng) của cùng một giống lúa bị ảnh hưởng bởi kỹ thuật xay chà Xu hướng hướng chung là khi độ xay chà tăng (tăng độ trắng hạt gạo) thường làm giảm hàm lượng sắt ở gạo trắng Khoảng 2/3 hàm lượng sắt mất đi qua xay chà từ gạo lức đến gạo trắng

Sự mất hàm lượng sắt qua gạo nấu có xảy ra nhưng không đáng kể (Trần Thị Cúc Hòa và Nguyễn Thị Phong Lan, 2004)

2.5.3 Cung cấp sắt cho cơ thể dựa vào thực phẩm chính từ gạo giàu sắt

Nhiều giải pháp phòng chống thiếu máu do thiếu sắt được đề ra, trong đó việc tăng cường vi chất vào thực phẩm được xem là khả thi nhất Chương trình tăng cường sắt vào thực phẩm đã được triển khai rộng rãi ở nhiều nơi trên thế giới Hơn 20 quốc gia ở Châu Mỹ La Tinh đã triển khai chương trình tăng cường sắt vào thực phẩm trên quy mô lớn, hầu hết liên quan đến các loại thực

phẩm như lúa mì và bột ngô (Dary et al., 2002) Theo đánh giá của Tổ chức

Lương thực và Nông nghiệp Liên Hiệp Quốc (Food and Agriculture Organization of the United Nations - FAO), năm 2013, ở khu vực châu Á, nhu cầu đáp ứng calo phụ thuộc chính vào gạo, bởi vì người dân ở đây không đủ điều kiện để tiếp cận với các thực phẩm bổ sung giàu dinh dưỡng như trái cây, rau củ, trứng, sữa, thịt, cá, Do đó, chỉ cần một sự gia tăng, thậm chí dù rất nhỏ, trong thành phần dinh dưỡng hạt gạo cũng có thể tác động đáng kể đến sức khỏe con người (Quang Hiển, 2013)

Gạo là nguồn thực phẩm chính của nhiều người trên thế cũng như tại Việt Nam Tuy nhiên, gạo giàu năng lượng nhưng lại nghèo vi chất dinh dưỡng Do đó, việc nghiên cứu chọn tạo ra giống lúa có hàm lượng sắt cao góp phần vào khả năng chiến thắng với sự kiện thiếu dinh dưỡng sắt, đặc biệt

ở các nước đang phát triển thuộc Châu Á và Châu Phi, ở đó, lúa gạo là nguồn

năng lượng chính Theo Wirth et al (2009), nhờ vào kỹ thuật di truyền của

cây trồng để tăng hàm lượng sắt đã nổi lên như một sự thay thế cho sự gia tăng sắt sinh học Hạt gạo giàu dinh dưỡng sắt được thể hiện bởi 2 gen điều khiển, sản sinh ra enzyme nicotianamin synthase, làm hoạt hoá sắt và protein ferritin,

chúng dự trữ sắt và đã tăng hàm lượng sắt trong nội nhũ gạo hơn sáu lần Theo các nhà nghiên cứu, hoạt động trợ lực như vậy của protein nói trên cho phép

cây lúa hấp thu nhiều sắt hơn từ đất và dự trữ chúng trong hạt gạo (Wirth et al., 2009)

Vấn đề đặt ra là khi ăn gạo giàu sắt có giúp tăng lượng sắt trong cơ thể hay không? Theo nghiên cứu của Haas and Jere (2011) tại Philippin với 137

nữ tu ăn gạo giống giàu sắt quốc tế được sản xuất tại Viện Nghiên cứu Lúa Quốc tế (IRRI) là IR68144 trong 9 tháng Kết quả cho thấy, 68/137 người ăn gạo giàu sắt thì có lượng sắt trong cơ thể tăng 6,03 mg/kg so với 69 người không ăn là 4,99 mg/kg, tức tăng hơn 20%

2.6 Một số tiêu chí phân loại chất lƣợng gạo

Chất lượng gạo được đánh giá chủ yếu thông qua chất lượng cơm và chất lượng dinh dưỡng Và các thông số dùng để đánh giá là hàm lượng amylose và

độ trở hồ

2.6.1 Hàm lƣợng amylose (AC – Amylose content)

2.6.1.1 Cấu trúc phân tử của amylose

Trong tinh bột có 2 loại: amylose và amylopectin

- Amylose là polysaccharide tan trong nước, cho phản ứng màu xanh với iod Cấu tạo hóa học có dạng chuỗi dài không phân nhánh (Hình 2.1), dài khoảng 300 đến 1000 gốc glucose nối với nhau bằng liên kết α-1,4 glucosit Chuỗi này xoắn theo kiểu lò xo, mỗi xoắn có 6 gốc glucose Amylose thường được phân bố bên trong hạt tinh bột Dung dịch amylose có độ nhớt thấp hơn

amylosepectin (Nguyễn Phước Nhuận và ctv., 2007)

- Amylopectin là một trong hai thành phần cấu thành tinh bột, có dạng

Hình 2.1 Cấu trúc amylose (Nguyễn Ngọc Đệ, 2009)

trúc phân tử gồm một nhánh trung tâm (chứa α-1,4 glucosit), từ đó phát sinh ra các nhánh phụ có chiều dài khoảng vài chục gốc glucose Amylopectin phân

bố ở mặt ngoài hạt tinh bột Dung dịch amylopectin có độ nhớt cao (Nguyễn

Phước Nhuận và ctv., 2007)

2.6.1.2 Đặc điểm của hàm lƣợng amylose trong hạt lúa

- Hàm lượng amylose được xem là hợp phần quan trọng trong phẩm chất cơm vì nó quyết định tính chất của hạt như: dẻo, mềm hay cứng Các giống lúa

có hàm lượng amylose thấp thường có cơm ướt, dẻo và bóng láng khi nấu chín, gạo có hàm lượng amylose cao khi nấu chín thường khô và xốp nhưng trở nên cứng khi nguội lại, gạo có hàm lượng amylose trung bình khi nấu chín cơm xốp, còn gạo có hàm lượng amylose thấp thì cơm vẫn còn mềm khi nguội (Trần Hữu Phúc, 2008)

- Trong gạo hàm lượng amylose phổ biến từ 15 - 35% Phần lớn các quốc gia trồng lúa thích loại gạo có hàm lượng amylose trung bình, ngoài trừ các giống japonica có hàm lượng amylose thấp (Nguyễn Ngọc Đệ, 2009) Tùy theo lượng amylose trong tinh bột hạt gạo, người ta phân biệt lúa nếp và lúa tẻ

Ta biết rằng tinh bột có hai dạng amylose và amylopectin Hàm lượng amylopectin trong thành phần tinh bột hạt gạo càng cao, tức hàm lượng amylose càng thấp thì gạo càng dẻo

- Hàm lượng amylose biến thiên giữa các cây lúa trong cùng một giống ít hơn 2%, nhưng giữa các bông lúa trên cùng một cây là 3 - 7% Mặt khác, hàm lượng amylose giữa hai vụ Hè Thu và Đông Xuân ở các tỉnh ĐBSCL có chỉ số

Hình 2.2 Cấu trúc amylopectin (Nguyễn Ngọc Đệ, 2009)

ổn định được ghi nhận và sự biến động xảy ra là rất thấp (Nguyễn Thị Lang và Bùi Chí Bửu, 2011)

- Hàm lượng amylose thay đổi theo từng vị trí trên bông, hàm lượng amylose cao nhất ở phần chót bông và sau đó giảm dần đến phần cổ bông trên giống lúa MTL250 (Nguyễn Thành Tâm và Nguyễn Diệu Tánh, 2012) Các giống lúa cải tiến có hàm lượng amylose ổn định hơn so với các giống lúa truyền thống Đồng thời, hàm lượng amylose cao và trung bình có tính ổn định qua các mùa vụ gieo trồng (Abeysekera, 2017)

- Dựa vào hàm lượng amylose trong gạo, các giống lúa được phân ra làm hai nhóm waxy (1 - 2%) và nonwaxy > 2% Đối với nonwaxy người ta chia làm 3 nhóm: hàm lượng amylose thấp, trung bình và cao Tất cả các giống Basmati của Ấn Độ và Pakistan, giống Sadri được xếp chung vào nhóm hàm lượng amylose trung bình Trong khi đó, một phần lớn của gạo từ Việt Nam, Thái Lan, Myanmar và tiểu lục địa Ấn Độ có hàm lượng amylose cao (Trương

Bá Thảo, 2006)

2.6.1.3 Cơ sở di truyền của tính trạng hàm lượng amylose

- Ở lúa, hàm lượng amylose được kiểm soát bởi gen chính định vị trên

nhiễm sắc thể số 5 và 6 với gen Wx (Nguyễn Thị Lang và ctv., 2004) Các

dạng thể hiện khác nhau (cấu trúc phân tử của gene) của Wx sẽ cho các hàm lượng amylose khác nhau

- Hàm lượng amylose cao có tính trội không hoàn toàn so với hàm lượng amylose thấp, nó do một gen điều khiển kèm theo một số modifiers (gen phụ

có tính chất cải tiến) (Nguyễn Thị Lang và Bùi Chí Bửu, 2011) Hay nói cách khác, alen Wxa quy định hàm lượng amylose cao, trội không hoàn toàn so với alen Wxb quy định hàm lượng amylose thấp Wxa hiện diện ở hầu hết lúa Indica và Wxb ở lúa Japonica (Zhao et al., 2010)

- Hàm lượng amylose được kiểm soát trực tiếp bởi ảnh hưởng cộng tính (A) và các ảnh hưởng tương tác của gen cộng tính với gen cộng tính (AE) Ảnh hưởng tế bào chất tuy nhỏ nhưng rất quan trọng đến hàm lượng amylose Tính chất trội (D) và Dm ảnh hưởng tương tác môi trường có ý nghĩa Do đó,

có thể cải tiến hàm lượng amylose trong thế hệ đầu tiên trong chọn giống (Shi

et al., 1997 trích dẫn của Nguyễn Thị Lang và Bùi Chí Bửu, 2011)

2.6.1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến hàm lượng amylose

- Theo Nguyễn Thị Lang và Bùi Chí Bửu (2011), các yếu tố có khả năng làm thay đổi hàm lượng amylose như sau:

+ Trong thời gian hạt vào chắc, amyose giảm khi nhiệt độ tăng đối với

nhóm Japonica, trái lại amylose tăng khi nhiệt độ thấp hơn 29 oC đối với

nhóm Indica

+ Hàm lượng amylose hơi giảm nhẹ với việc bón phân N nuôi hạt

+ Hàm lượng amylose có thể tăng theo mức độ xay chà

- Hàm lượng amylose còn thay đổi theo thời gian tồn trữ gạo Amylose

có xu hướng tăng theo thời gian tồn trữ (Bùi Chí Bửu và Nguyễn Thị Lang, 2000)

2.6.2 Các chỉ tiêu phẩm chất cơm liên quan đến hàm lƣợng amylose 2.6.2.1 Nhiệt độ trở hồ (GT - Gelatinization Temperature)

- Nhiệt độ trở hồ (GT) là đặc tính vật chất của tinh bột Là nhiệt độ mà ở

đó 90% các hạt phân tử tinh bột bị phá vỡ hoặc phồng lên trong nước nóng và không hoàn nguyên trở lại Do đó, GT xác định thời gian thực hiện để nấu cơm GT của các giống lúa khác nhau thì dao động khoảng từ 50 - 79 0

C, và được phân loại thành 3 nhóm là thấp (55 - 69 0

C), trung bình (70 - 74 0C) và cao (75 - 79 0C) (Nguyễn Ngọc Đệ, 2009)

- Đặc tính vật lý của cơm liên quan nhiều tới nhiệt độ hóa hồ hơn là hàm lượng amylose của tinh bột Gạo có nhiệt độ hóa hồ cao ít nở, cần nhiều nước

và thời gian nấu chín nhiều hơn do vậy nó làm cho hạt hạt cơm đổ lông khi nấu đồng thời nó còn phản ánh độ cứng của hạt tinh bột và phôi nhũ cho nên

có thể ít bị hại do côn trùng và khuẩn tấn công (Nguyễn Thị Lang và Bùi Chí Bửu, 2011) Nhiệt trở hồ có liên quan một phần với hàm lượng amylose, nhiệt trở hồ thấp không liên hệ với lượng amylose cao, thấp hay trung bình Trong phòng thí nghiệm, nhiệt độ trở hồ được đánh giá qua mức độ lan rộng và trong suốt của hạt gạo khi xử lý với dung dịch KOH 1,7% ở 30 oC sau 24 giờ Độ trở hồ biến thiên từ cấp 1 đến cấp 7 theo tiêu chuẩn đánh giá của IRRI (1996) Gạo có độ trở hồ cao phẩm chất nấu kém, có khuynh hướng rả nhừ khi nấu chín (IRRI, 1996) Các giống có nhiệt trở hồ trung bình là tiêu chuẩn tối hảo cho phẩm chất gạo tốt (Bùi Chí Bửu và Nguyễn Thị Lang, 2000)

- Độ trở hồ là tính trạng dễ bị thay đổi bởi nhiệt độ ở giai đoạn lúa vào chắc Nhiệt độ cao trong giai đoạn tạo hạt sẽ làm cho tinh bột có độ trở hồ cao (Nguyễn Ngọc Đệ, 2009) Mùa vụ không ảnh hưởng lên độ trở hồ của các giống lúa thí nghiệm

2.6.2.2 Độ bền thể gel (GC – Gel consistency)

- Mặc dù hàm lượng amylose là yếu tố quyết định đến chất lượng nấu nướng, nhưng sự khác nhau của độ bền gel cũng góp phần tham gia đến phẩm

chất (Nguyễn Thị Lang và ctv., 2005) Độ bền thể gel được thử nghiệm nhằm

cung cấp thông tin tốt nhất trong chỉ số nấu nướng bằng cách đo lường đặc tính chảy của hồ tinh bột trong dung dịch KOH 0,2 N sau khi để nguội theo chiều ngang và tính bằng mm trong ống nghiệm 13x100 mm Theo IRRI (1996), độ bền gel được phân thành 3 nhóm: Nhóm 1 có chiều dài gel nhỏ hơn hoặc bằng 40 mm (cơm cứng), nhóm 2 có chiều dài gel từ 41 - 60 mm (mềm cơm trung bình), nhóm 3 (mềm cơm)

- Độ bền thể gel đo lường xu hướng cứng cơm khi để nguội, là một đặc tính góp phần xác định kết cấu của hạt cơm Phạm Văn Ro (2003) có nhận định rằng trong cùng một nhóm có hàm lượng amylose giống nhau, giống lúa nào có độ bền thể gel mềm hơn, giống lúa đó sẽ được ưa chuộng hơn

- Yếu tố ảnh hưởng đến độ bền gel (GC) là nhiệt độ Độ bền gel mềm hay tinh bột gạo kéo dài ra nếu nhiệt độ cao trong thời gian gạo tích luỹ và chín hạt Mặt khác, chất cám bám dính vào hạt gạo cũng làm GC mềm hơn

(Nguyễn Thị Lang và ctv., 2005)

2.7 Các nghiên cứu liên quan

2.7.1 Các nghiên cứu chọn tạo giống lúa giàu sắt

có thể tăng mạnh đến 36,7%, 194,1% và 37,1% so với đối chứng nhưng không ảnh hưởng đến năng suất và protein Khi tiến hành thí nghiệm trên giống Ninggeng 1 trong điều kiện bón phân tối ưu thì hàm lượng của Zn, Se và Fe có

thể tăng đến 17,4 mg/kg, 0,123 mg/kg và 14,2 mg/kg (Fang et al., 2008) Zhang et al (2008) cũng đã nghiên cứu các mức ảnh hưởng của nồng độ phân

bón N đến hàm lượng sắt và kẽm sau khi hạt được đánh bóng Kết quả cho thấy nồng độ N tối ưu cho giống indica Zhenong 952 và giống japonica Bing

98 110 lần lượt là 1,0 g N/chậu và 1,50 g N/chậu với hàm lượng sắt tăng tương

Tuy nhiên, hướng nghiên cứu được quan tâm nhiều đó là chọn tạo giống lúa có hàm lượng sắt trong gạo cao Năm 2004, Bộ Nông nghiệp Thái Lan đã xác định hai dòng lúa được chọn lọc từ 45 dòng lúa Thái có khả năng tích lũy sắt, đó là dòng lúa Korkhor 23, hàm lượng sắt đạt 36,67 mg/kg trong gạo lức,

và trong gạo trắng là 22,5 mg/kg; và Khao Hom Phitsanulok 1 có hàm lượng sắt trong gạo lức là 25 mg/kg, và gạo trắng là 22,5 mg/kg Lúa được trồng ở các khu vực khác nhau thì khả năng tích lũy sắt khác nhau (ISIS, 2004) Cũng tại Thái Lan, một giống lúa giàu sắt đã được nghiên cứu thành công có hàm lượng sắt cực cao có tên gọi chưa chính thức là “Jao Hon Nin 3” được lai tạo giữa giống lúa Khao Dawk Mali và giống lúa Hon Nin (gạo màu đỏ tía) Theo chuyên gia công nghệ sinh học Apichart Vanavijit ở Trung tâm Kỹ thuật di truyền và CNSH Thái Lan thì giống lúa mới này có hàm lượng sắt là 0,6 mg/100 g gạo, cao gấp 30 lần so với gạo của những giống lúa thường Ngoài

ra, nó cũng chứa protein, kẽm và những tác nhân chống oxy hóa (ĐQ, 2009) Trong khi đó tại Viện Nghiên cứu lúa Quốc tế (IRRI) đã tạo giống lúa giàu sắt IR68144 từ tổ hợp lai giữa giống IR42 và giống lúa địa phương Zawa Bonday Nghiên cứu ở Philippines cho thấy, nhóm người ăn giống lúa giàu sắt IR68144 tăng 20% lượng hấp thu sắt trong bữa ăn so với nhóm đối chứng (Haas, 2011) Nhiều nước đã sử dụng giống IR68144 làm nguồn vật liệu lai

tạo giống lúa giàu sắt (Trần Thị Cúc Hòa và ctv., 2011) Từ giống gạo giàu sắt

IR68144 này, Sala và Geetha (2015) đã nghiên cứu lai tạo giữa giống gạo thương mại cho năng suất cao là ADT37 (có hàm lượng sắt 3,48 - 3,71 mg/kg) với giống giàu sắt là IR68144-3B-2-2-3 (có hàm lượng sắt 4,39 - 4,42 mg/kg) Các con lai ở thế hệ F4 khi phân tích thấy hàm lượng sắt cải thiện đáng kể (4,215 mg/kg)

Một số nghiên cứu giúp gia tăng hàm lượng sắt trong nội nhũ hạt gạo

bằng việc biểu hiện gen ferritin (Lucca et al., 2001; Trung tâm Công nghệ

Sinh học, 2012) Các nhà khoa học thuộc Đại học Calcutta đã phát triển thành công giống lúa giàu sắt thông qua biểu hiện gen ferritin trong nội nhũ hạt gạo,

gen Osfer2 Nhà sinh học phân tử Soumitra et al đã phân lập và chuyển gen

này từ cây lúa và cho biểu hiện hoàn toàn dưới kiểm soát của promoter GlutelinA2 (OsGluA2) (chuyên biệt trong nội nhũ) Sau khi biến nạp vào giống Pusa-sugandi II, một giống lúa thơm thuộc loại hình indica, kết quả thu được hạt lúa chuyển gen có hàm lượng ferritin gấp 8 lần bình thường, làm gia tăng đáng kể hàm lượng sắt và kẽm trong gạo (Trung tâm Công nghệ Sinh

học, 2012) Lucca et al (2001) cũng cho rằng gen ferritin liên quan đến việc

tăng hàm lượng sắt trong nội nhũ hạt gạo Đồng thời, nhóm nghiên cứu cũng

giới thiệu một phytase chịu nhiệt từ Aspergillus fumigatus chuyển vào nội nhũ

gạo và peptides cysteine được coi là một chất tăng cường hấp thu sắt lớn Gạo phytase cao, với một hàm lượng sắt tăng và giàu cysteine-peptide, có tiềm năng để cải thiện dinh dưỡng sắt trong các quần thể lúa ăn Cũng thông qua phương pháp chuyển gen, các nhà khoa học trong nhóm nghiên cứu đa ngành thuộc các viện, trường của Philippines, Colombia, Indonesia, Hoa Kỳ, Úc, và Nhật Bản đã chuyển thành công cùng lúc gen mã hóa “nicotianamine synthase” từ cây lúa và gen mã hóa “ferritin” từ cây đậu nành vào giống lúa IR64 và lai chọn thành các giống lúa indica khác với hàm lượng sắt (Fe) tăng lên đến 15 micrograms, và hàm lượng kẽm (Zn) lên đến 45,7 micrograms trên một gram hạt gạo trắng đã đánh bóng, mà hàm lượng các vi chất dinh dưỡng này tế bào người có thể hấp thu được (Ebron, 2016)

Trong khi đó, Sharma et al (2013) nghiên cứu sử dụng một số chủng

PGPR nhằm tăng hàm lượng sắt trong hạt gạo Sau khi phân lập các chủng

PGPR (Pseudomonas putida, Pseudomonas fluorescens, Azospirillum lipoferum, B15, B17, B19, BN17 và BN30) chúng được nuôi cấy trong môi

trường lỏng cho đến khi đủ mật độ có thể sử dụng Rễ mạ 21 ngày tuổi của ba giống lúa Jaya, PA6444, và Pusa Basmati-1 được nhúng vào môi trường vi khuẩn qua đêm rồi đem trồng Kết quả cho thấy, hiệu quả chuyển vị của sắt từ

rễ sang chồi đến hạt cũng được tăng cường trên nghiệm thức sử dụng PGPRs

Trong đó, ba chủng P putida, B17 và B19 có hàm lượng sắt tăng gấp đôi

trong hạt Do đó, có thể kết luận việc áp dụng các chủng PGPR là một chiến lược quan trọng để chống lại vấn đề thiếu sắt trong lúa và cho con người

Để làm phong phú và đa dạng hơn nguồn vật liệu lai tạo, Anuradha et al

(2012) đã chọn được một số giống lúa Annada, ASD16, CH45, HKR126,

Nagina22 từ loài hoang dại O nivara và O Rufipogon có hàm lượng sắt hơn

30 mg/kg có thể được sử dụng làm vật liệu cho quá trình chọn tạo giống lúa

giàu sắt trong tương lai; hay nghiên cứu của Jahan et al (2013) từ 52 giống

lúa ở Bangladesh cũng đã xác định được giống Lal Gotal có hàm lượng sắt cao nhất (100,45 mg/kg) và một số giống có hàm lượng sắt cao như BR 11, BRRI dhan 29 và BRRI dhan 57 dùng làm vật liệu lai tạo

2.7.1.2 Trong nước

Từ chương trình chọn tạo giống lúa giàu sắt tại Viện lúa đồng bằng sông Cửu Long (đề tài khoa học do Bộ NN & PTNT, với nguồn tài trợ của Ngân hàng Châu Á - ADB) đã chọn tạo ra được một số giống lúa giàu sắt (Trần Thị Cúc Hòa và Bùi Bá Bổng, 2005) Kết quả nghiên cứu đã xác định được 4 giống có hàm lượng sắt từ 14 -15 mg/kg là Ngọc Nữ, Khang dân, OM2490,