Chọn tạo các dòng lúa chịu mặn bằng lai hồi giao với giống lúa chịu mặn Pokkali và chọn bằng chỉ thị phân tử.. Vào những năm cuối thế kỷ 20, các nhà chọn tạo giống đã sử dụng những biến
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ Chuyên ngành: Công Nghệ Sinh Học
Mã ngành: 62 42 20 01
NGUYỄN THỊ MỸ DUYÊN
CHỌN TẠO GIỐNG LÖA CHỊU MẶN
CÓ HÀM LƯỢNG SẮT TRONG GẠO CAO
VÀ AMYLOSE THẤP
Cần Thơ, 2019
Trang 2CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
Người hướng dẫn chính: PGS.TS TRẦN THỊ CÚC HÒA
Luận án được bảo vệ trước hội đồng chấm luận án tiến sĩ cấp trường
Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
Trung tâm Học liệu, Trường Đại học Cần Thơ
Thư viện Quốc gia Việt Nam
Trang 3DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
1 Nguyễn Thị Mỹ Duyên, Vũ Anh Pháp và Trần Thị Cúc Hòa,
2018 Đánh giá vật liệu di truyền giống lúa có hàm lượng sắt
trong gạo cao và amylose thấp, độ bền gel thấp Tạp chí Nông nghiệp & Phát triển nông thôn, Số 1, trang 24-28
2 Nguyễn Thị Mỹ Duyên, Vũ Anh Pháp và Trần Thị Cúc Hòa,
2018 Chọn tạo các dòng lúa chịu mặn bằng lai hồi giao với giống lúa chịu mặn Pokkali và chọn bằng chỉ thị phân tử
Tạp chí Nông nghiệp & Phát triển nông thôn, Số 11, trang
11-16
3 Nguyễn Thị Mỹ Duyên, Vũ Anh Pháp, Trần Thị Bích Xuân
và Trần Thị Cúc Hòa, 2018 Cải thiện chất lượng của tổ hợp
lai OM5451/Pokkali bằng phương pháp lai hồi giao Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ, tập 54, Số 7B, trang 6-
12
4 Nguyễn Thị Mỹ Duyên, Vũ Anh Pháp và Trần Thị Cúc Hòa
Lai tạo và Tuyển chọn các dòng lúa chịu mặn từ tổ hợp lai
hồi giao OM238/Pokkali Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ, (Đã được cán bộ thẩm định thông qua và đang chờ
đăng)
Trang 4Chương I MỞ ĐẦU
1 Tính cấp thiết của luận án
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 nhiễm mặn Chỉ tính riêng tại vùng ĐBSCL từ cuối năm 2015 đến cuối năm 2016 phạm vi ảnh hưởng của ranh nước mặn 4g/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 nhiễm 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
Trang 5Nhiều 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 nhiễm 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 nhiễm 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,
Trang 6đề tài “Chọn tạo giống lúa chịu mặn có hàm lƣợng 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
2 Mục tiêu
2.1 Mục tiêu chung Nghiên cứu, chọn tạo được các
dòng/giống lúa có khả năng thích nghi và phát triển tốt tại các vùng sinh thái nhiễm mặn, có hàm lượng sắt trong gạo cao và hàm lượng amylose trong hạt gạo ≤ 20% dựa vào phương pháp lai hồi giao và chọn giống bằng chỉ thị phân tử
2.2 Mục tiêu cụ thể
Nghiên cứu, chọn tạo được 1 - 2 dòng lúa bằng phương pháp truyền thống kết hợp với chỉ thị phân tử có khả năng thích nghi và phát triển tốt tại các vùng sinh thái nhiễm mặn (~ 4‰); có phẩm chất tốt (hàm lượng amylose ≤ 20% và hàm lượng sắt trong gạo thuộc nhóm cao (sắt lức > 14 mg/kg và sắt trắng ≥ 6 mg/kg)
3 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Các giống lúa cao sản từ Ngân hàng gen của Bộ môn Công nghệ sinh học, Viện Lúa Đồng Bằng Sông Cửu Long
4 Thời gian và địa điểm thí nghiệm
Các thí nghiệm được thực hiện tại Viện Lúa ĐBSCL, Kiên Giang (Minh Lương - Hè Thu và An Biên - Đông Xuân) và Sóc Trăng (Trần Đề) Thời gian thực hiện từ tháng 01/2014 đến tháng 02/2018
5 Những đóng góp mới của luận án
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 tốt nổi tiếng Pokkali Đây là giống chịu ảnh hưởng của quang kỳ, chiều cao cây đến hơn 150 cm, phẩm chất hạt rất xấu và năng suất không cao Tuy nhiên, 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
Trang 7phân 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 vùng sinh thái nên cho năng suất cao và đặc biệt ít bệnh hại
6 Bố cục của luận án
Luận án dài 146 trang, gồm phần giới thiệu, tổng quan tài liệu, phương pháp nghiên cứu, kết quả thảo luận và phần kết luận
và đề xuất, và phần phụ lục Luận án có 74 bảng, 44 hình và 142 mục tài liệu tham khảo
Trang 8Chương 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1 Vật liệu thí nghiệm
Giống lúa: 36 dòng/giống lúa cao sản và các đối chứng (Pokkali, IR29, IR68144, KDML105, IR64, OM6976, OM5199) thuộc ngân hàng gen của Bộ môn Công nghệ Sinh học - Viện Lúa ĐBSCL
Chỉ thị phân tử: cho gen mặn Saltol trên NST1 (RM1287,
Bảng 2.1 Tiêu chuẩn đánh giá (SES) tính chống chịu mặn
1 Tăng trưởng bình thường, không có vết
cháy lá
Chống chịu tốt
3 Gần như bình thường, nhưng đầu lá hoặc
vài lá có vết trắng, lá hơi cuốn lại Chống chịu
5 Tăng trưởng chậm lại, hầu hết lá bị khô,
một vài chồi bị chết Chống chịu trung bình
7 Tăng trưởng bị ngưng lại hoàn toàn, hầu
hết lá bị khô, một vài chồi bị chết
Nhiễm
Thanh lọc mặn nhân tạo giai đoạn mạ trong khay với dung dịch Yoshida (1976) có muối theo phương pháp đề xuất của IRRI (1997) có cải tiến
2.2.1.2 Phân tích hàm lượng amylose, độ bền gel và nhiệt trở hồ bằng phương pháp sinh hóa
Đánh giá hàm lượng amylose trong hạt gạo theo phương pháp của Graham (2002)
Phân tích độ bền gel và nhiệt trở hồ theo phương pháp IRRI (1996)
Trang 92.2.1.3 Phân tích hàm lượng sắt trong gạo lức và gạo trắng
Đánh giá hàm lượng sắt trong hạt gạo được thực hiện theo phương pháp của Hossain và Virk (IRRI, 2006)
2.3.1.4 Sử dụng chỉ thị phân tử SSR liên kết với gen chịu mặn để phát hiện vật liệu di truyền mang gen mong muốn
Ly trích DNA bằng phương pháp CTAB, phản ứng PCR,
điện di sản phẩm PCR của Kumar et al (2007)
2.2.2 Nội dung 2: Lai hồi giao các tổ hợp lai tạo các dòng lúa mới mang tính trạng mong muốn
* Mục tiêu: Tạo ra con lai vừa có khả năng chịu và mang gen
mặn, vừa có phẩm chất tốt
* Nội dung: Lai giữa giống bố chịu mặn Pokkali với giống
mẹ có hàm lượng amylose thấp và sắt cao để tạo ra thế hệ con lai đến F1
2.2.3 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
* Mục tiêu: Để rút ngắn thời gian và gia tăng sự chính xác
trong việc chọn ra các dòng lai mang gen chịu mặn, sau mỗi thế hệ
lai các dòng phân ly sẽ được chọn lọc nhờ chỉ thị phân tử
* Nội dung:
Lai tạo các quần thể con lai đến thế hệ BC3 (Hình 2.1) Chọn lọc cá thể ở mỗi thế hệ dựa trên:
- Thanh lọc mặn giai đoạn mạ trong khay
- Sử dụng chỉ thị phân tử SSR để nhận diện và tuyển chọn các dòng lúa lai có gen chịu mặn
- Đánh giá đặc tính nông học và năng suất
- Đánh giá hàm lượng amylose và hàm lượng sắt trong hạt gạo
Trang 10Hình 2.1 Sơ đồ quy trình chuyển gen chịu mặn vào giống lúa có
hàm lượng amylose thấp và sắt cao (P1 là giống lúa tái tục – recurrent; P2 là giống cho – donor)
2.2.4 Nội dung 4 và 5: Khảo nghiệm các dòng lúa lai ƣu việt 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
* Mục tiêu: Các dòng lúa lai ưu việt thế hệ BC3F4 và BC3F5
được trồng khảo nghiệm tại hai vùng sinh thái (phù sa ngọt - Viện Lúa ĐBSCL, mặn - Sóc Trăng và Kiên Giang) trong vụ Hè Thu
2017 và Đông Xuân 2018 để đánh giá và tuyển chọn dòng ưu tú có khả thích nghi tốt vùng mặn và có các đặc tính hình thái, nông học, năng suất và phẩm chất hạt tốt
* Nội dung:
- Thanh lọc mặn giai đoạn mạ trong khay
Trang 11- Sử dụng chỉ thị phân tử SSR để nhận diện và tuyển chọn các dòng lúa lai có gen chịu mặn
- Đánh giá đặc tính nông học và năng suất
- Phân tích tương tác giữa kiểu gen và môi trường theo mô hình của Finlay và Wikinson (1963), Eberhart và Russell (1996)
- Đánh giá hàm lượng amylose và hàm lượng sắt trong hạt gạo
2.2.5 Phương pháp phân tích số liệu
Phân tích số liệu thu thập được bằng phần mềm Microsoft Excel 2010
Kết quả các thí nghiệm được phân tích thống kê bằng phần mềm SAS 9.1.3
Trang 12Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1 Nội dung 1: ĐÁNH GIÁ VẬT LIỆU BỐ MẸ SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU CHỌN TẠO GIỐNG LÖA CHỊU MẶN, CHẤT LƯỢNG CAO
3.1.1 Đánh giá khả năng chịu mặn của các giống vật liệu bằng phương pháp thanh lọc trong môi trường nhân tạo
Kết quả thanh lọc mặn 36 giống/dòng lúa cho thấy 7 giống/dòng lúa có cấp chịu mặn nhóm I (cấp 1,0 - 2,9), cùng nhóm với Pokkali là OM107, OM6976, OM109, OM9577, SH1317, SH333-91, OM108-200 Bên cạnh đó, có 19 giống/dòng chịu mặn nhóm II (cấp 3,0 - 4,9) là SH62, OM11, SH200, SH1-12, OM5451, OM241-5, OM40, OM326, OM121, OM10636, OM232, OM9584, SH514, OM241-7, OM240, SH713, SH891, OM239, OM9581 Các giống/dòng còn lại thuộc nhóm III (trên cấp 5,0) , cùng nhóm với IR29 bao gồm OM259, OM238, OM231, OM193, SH893-4, OM236, SH921, OM178, OM238-2, OM238-3
3.1.2 Phân tích hàm lượng amylose, nhiệt trở hồ và độ bền gel bằng phương pháp sinh hóa
Kết quả phân tích hàm lượng amylose ghi nhận 15/36 giống/dòng có hàm lượng amylose thấp (≤ 20%) là OM238, OM231, OM5451, OM241-5, OM326, OM121, OM193, OM232, SH514, OM241-7, OM240, SH713, SH333-91, OM238-2 và OM238-3 Tất cả các dòng/giống này đều có chiều dài độ bền gel
từ 72,7 - 100,0 mm, thuộc nhóm thấp (mềm cơm), cùng nhóm với KDML105 Trong khi đó, 9 giống/dòng có nhiệt trở hồ ở mức cao (điểm 1-3) là OM238, OM231, OM326, OM121, OM193, OM232, OM241-7, OM240 và SH333-91 Năm (5) giống/dòng có nhiệt trở
hồ ở mức trung bình (điểm 4-5) là OM5451, OM241-5, SH514, SH713 và OM238-2 Chỉ có 1 dòng là OM238-3 nhiệt trở hồ ở mức thấp (điểm 6)
3.1.3 Phân tích hàm lượng sắt trong gạo lức và gạo trắng
Hàm lượng sắt trong gạo trắng của 36 giống/dòng lúa phân tích biến động từ 3,04 - 6,74 mg/kg Dòng OM121 lại có hàm
Trang 13lượng sắt cao nhất (6,74 mg/kg) Các giống/dòng khác giàu sắt trong gạo trắng (≥ 6,5 mg/kg) gồm OM11, OM5451, OM121, OM6976 và SH514 Xét trong 36 giống/dòng lúa, 12 giống/dòng có hàm lượng sắt trong gạo trắng ở mức cao (6 - 8 mg/kg) xếp cùng nhóm với giống IR68144, chiếm 33%
Như vậy, dựa trên tính chịu mặn, Pokkali được chọn làm giống bố cho gen mặn Saltol Các giống OM238, OM231, OM5451
và OM121 được chon làm mẹ vì có hàm lượng amylose thấp, hàm lượng sắt cao trong hạt
3.1.4 Sử dụng chỉ thị phân tử SSR liên kết với gen chịu mặn để phát hiện vật liệu di truyền mang gen mong muốn
Đánh giá đa hình kiểu gen bố và mẹ với gen Saltol bằng với 7
chỉ thị phân tử là RM140, RM310, RM1287, RM3412b, RM7075, RM490 và RM10694 Trong đó, hai chỉ thị phân tử RM1287 (150 -
175 bp) và RM10694 (250 - 350 bp) được chọn làm chỉ thị cho gen
mặn Saltol trong chọn lọc các dòng lúa chịu mặn trong các thí
nghiệm tiếp theo vì cho kết quả đa hình giữa hai nhóm giống bố và giống mẹ
3.2 LAI HỒI GIAO CÁC TỔ HỢP LAI TẠO CÁC DÕNG LÖA MỚI MANG TÍNH TRẠNG MONG MUỐN
Kết quả cá thể F1 ở tổ hợp OM231/Pokkali ta thu được 52 hạt, OM 238/Pokkali là 60 hạt, OM5451/Pokkali là 80 hạt và tổ hợp OM121/Pokkali là 48 hạt
3.3 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
3.3.1 Giai đoạn các thế hệ cây F 1 , BC 1-3 F 1
3.3.1.1 Kết quả lai tạo quần thể lai hồi giao OM231/Pokkali//OM231