Luận án tiến sĩ nông nghiệp nghiên cứu cải tiến năng suất một số dòng giống lúa bằng chỉ thị phân tử

NPT New plant type Dạng hình mới NSLT Năng suất lý thuyết NSTT Năng suất thực thu MAS Marker assisted selection Chọn lọc nhờ chỉ thị phân tử MABC Marker assisted backcrossing Chọn lọc nh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

VIỆN KHOA HỌC NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

NGUYỄN THỊ THÚY ANH

NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN NĂNG SUẤT MỘT SỐ

DÒNG/GIỐNG LÚA BẰNG CHỈ THỊ PHÂN TỬ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ NÔNG NGHIỆP

HÀ NỘI, 2018

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

VIỆN KHOA HỌC NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

NGUYỄN THỊ THÚY ANH

NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN NĂNG SUẤT MỘT SỐ

DÒNG/GIỐNG LÚA BẰNG CHỈ THỊ PHÂN TỬ

Chuyên ngành: Công nghệ sinh học

Mã số: 9 42 02 01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ NÔNG NGHIỆP

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi và nhóm tác giả Toàn

bộ số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận án này là trung thực và chƣa từng đƣợc

sử dụng để công bố trong các công trình nghiên cứu nhận học vị, các thông tin trích dẫn trong luận án này đều đƣợc chỉ rõ nguồn gốc

Hà Nội, ngày tháng năm 2018

Tác giả luận án

Nguyễn Thị Thúy Anh

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin được bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới GS.TS.Trần Trung, PGS.TS.Trần Đăng Khánh, những người thầy đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành công trình nghiên cứu này Luận án nhận được sự hỗ trợ về kinh phí từ đề tài độc lập cấp Nhà nước mã số ĐTĐL.2012-G36 và đề tài KC.06.12/11-15

Tôi trân trọng cảm ơn Ban lãnh đạo Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam, tập thể lãnh đạo và cán bộ Ban đào tạo sau đại học đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu

Đặc biệt, tôi xin chân thành cảm ơn tập thể cán bộ Bộ môn Sinh học Phân tử,

Bộ môn Kỹ thuật Di truyền - Viện Di truyền Nông nghiệp, nơi tôi thực hiện các nội dung chính trong luận án, đã giúp đỡ tôi và đóng góp nhiều ý kiến quý báu trong quá trình thực hiện và hoàn thành luận án

Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Lãnh đạo trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên, các đồng nghiệp Khoa Công nghệ Hóa học và Môi trường đã hỗ trợ, giúp đỡ và động viên tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè và người thân

đã luôn bên cạnh chia sẻ, động viên, giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CHỮ 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 nghiên cứu 2

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

5 Những đóng góp mới của luận án 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 4

1.1 Ứng dụng chỉ thị di truyền trong chọn tạo giống lúa 4

1.1.1 Khái niệm và phân loại chỉ thị di truyền 4

1.1.2 Ứng dụng chỉ thị phân tử trong nghiên cứu và chọn giống 9

1.2 Ứng dụng chỉ thị phân tử cải tiến năng suất lúa 16

1.2.1 Khái quát về năng suất và các yếu tố cấu thành năng suất 16

1.2.2 Các QTL/gen liên kết với các tính trạng năng suất 17

1.2.3 Ứng dụng chỉ thị phân tử cải tiến năng suất lúa 29

1.3 Nghiên cứu ứng dụng chỉ thị phân tử trong chọn tạo giống lúa ở Việt Nam 40

CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 43

2.1 Vật liệu 43

2.1.1 Các dòng/giống lúa làm vật liệu nghiên cứu 43

2.1.2 Chỉ thị phân tử dùng trong nghiên cứu 44

2.1.3 Hóa chất và thiết bị 45

2.1.4 Địa điểm và thời gian nghiên cứu 45

2.2 Nội dung nghiên cứu 45

2.2.1 Đánh giá nguồn vật liệu phục vụ cho công tác chọn tạo giống lúa 45

2.2.2 Sử dụng chỉ thị phân tử để khảo sát đa hình ADN giữa dòng/giống cho và nhận QTL/gen tăng số hạt trên bông trên các nhiễm sắc thể 45

2.2.3 Cải tiến năng suất giống lúa trồng đại trà cho đồng bằng sông Hồng và dòng NPT1 (Dạng hình mới) triển vọng bằng chỉ thị phân tử và lai trở lại 46

2.2.4 Trồng thử nghiệm và đánh giá một số dòng/giống triển vọng 46

2.3 Phương pháp nghiên cứu 46

2.3.1 Phương pháp bố trí thí nghiệm đồng ruộng 46

2.3.2 Phương pháp lai hữu tính, lai trở lại giữa giống cho và nhận QTL/gen 46

2.3.3 Phương pháp chọn giống nhờ chỉ thị phân tử 47

2.3.4 Các chỉ tiêu và phương pháp đánh giá khả năng chống chịu của các dòng, giống lúa nghiên cứu 49

2.3.5 Các chỉ tiêu và phương pháp đánh giá đặc điểm sinh trưởng, hình thái và năng suất, yếu tố cấu thành năng suất……… 50

2.3.6 Một số kỹ thuật sử dụng trong phòng thí nghiệm 52

2.3.7 Phương pháp phân tích kết quả và xử lý số liệu 57

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 58

3.1 Đánh giá nguồn vật liệu phục vụ cho công tác chọn tạo giống lúa 58

3.1.1 Đánh giá chỉ tiêu hình thái sinh trưởng và phát triển, chỉ tiêu năng suất và các yếu tố cấu thành năng suất các dòng/giống lúa dùng làm dòng cho gen 58

3.1.2 Đánh giá các chỉ tiêu hình thái sinh trưởng phát triển, chỉ tiêu năng suất và các yếu tố cấu thành năng suất các dòng/giống lúa dùng làm dòng nhận gen 61

3.2 Sử dụng chỉ thị phân tử khảo sát đa hình ADN giữa dòng/giống cho và nhận QTL/gen tăng số hạt trên bông trên các nhiễm sắc thể 62

3.2.1 Kết quả xác định chỉ thị phân tử đa hình tại vị trí QTL/gen quy định tính trạng tăng số hạt trên bông giữa dòng/giống cho và nhận QTL/gen 62

3.2.2 Kết quả khảo sát đa hình trên 12 NST giữa dòng/giống cho và nhận QTL/gen quy định tính trạng tăng số hạt trên bông 64

3.3 Cải tiến năng suất giống lúa trồng đại trà cho đồng bằng sông Hồng và dòng

NPT1 (dạng hình mới) triển vọng bằng chỉ thị phân tử và lai trở lại 69

3.3.1 Kết quả sử dụng chỉ thị phân tử đa hình chọn lọc cá thể con lai của tổ hợp lai Khang dân 18/KC25 69

3.3.2 Kết quả sử dụng chỉ thị phân tử đa hình chọn lọc cá thể con lai của tổ hợp lai NPT1/KC25 86

3.4 Trồng thử nghiệm và đánh giá một số dòng/giống triển vọng 100

3.4.1 Kết quả trồng thử nghiệm và đánh giá một số dòng/giống triển vọng của tổ hợp KD18 x KC25 100

3.4.2 Kết quả trồng thử nghiệm và đánh giá một số dòng/giống triển vọng của tổ hợp NPT1 x KC25 110

3.4.3 Kết quả đánh giá dòng K2 (thế hệ BC3F5 của tổ hợp KD18/KC25) và dòng N8 (thế hệ BC3F5 của tổ hợp NPT1/KC25) 119

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 123

Kết luận 123

Kiến nghị 123

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 124

TÀI LIỆU THAM KHẢO 125

PHỤ LỤC 138

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

ADN Axit deoxyribonucleic

ARN Axit ribonucleic

AFLP Amplified fragment length polymophism (Đa hình chiều dài

đoạn được nhân bản)

BC Backcross (Lai trở lại)

B/K Số bông/khóm

CCC Chiều cao cây

CV% Coefficient of variation (Hệ số biến động)

DP Donor parent (Cây cho gen)

HVNN Học viện Nông nghiệp

HC/B Hạt chắc/bông

HD Heading day (Thời gian sinh trưởng)

HI Haverst index (Chỉ số thu hoạch)

HL/B Hạt lép/bông

GGT Graphical Genotypes

GN Grain number (Số hạt trên bông)

GL Grain length (Chiều dài hạt)

GS Grain size (Kích thước hạt)

GW Grain weight (Khối lượng hạt)

IRRI International rice research institute (Viện Nghiên cứu lúa Quốc

tế) KD18 Khang dân 18

LSD Least significant difference (Sự sai khác có ý nghĩa)

NIL Near-isogenic line (Dòng cận đẳng gen)

NPT New plant type (Dạng hình mới)

NSLT Năng suất lý thuyết

NSTT Năng suất thực thu

MAS Marker assisted selection (Chọn lọc nhờ chỉ thị phân tử)

MABC Marker assisted backcrossing (Chọn lọc nhờ chỉ thị phân tử và

lai trở lại)

KL1000 Khối lƣợng nghìn hạt

PBP Branches per panicle (Số nhánh trên bông)

PCR Polymerase chain reaction (Chuỗi phản ứng trùng hợp)

PL Panicle length (Chiều dài bông)

PN Panicle number (Số bông)

QTL Quantitative trait locus (Locus tính trạng số lƣợng)

RAPD Randomly amplified polymorphic DNA (Đa hình các đoạn

ADN khuyếch đại ngẫu nhiên)

RFLP Restriction fragment length polymorphism (Đa hình chiều dài

đoạn phân cắt giới hạn)

RP Recipient parent (Cây nhận gen)

DANH MỤC BẢNG

TT

1.1 Kết quả dự kiến chương trình MABC kết hợp sử dụng chọn lọc

1.2 Các QTL/gen kiểm soát tính trạng đẻ nhánh ở lúa 19 1.3 Các QTL/gen liên kết tính trạng số hạt trên bông 25 1.4 Các QTL/gen quy định tính trạng hình dạng hạt 27

1.5 Tóm tắt một số nghiên cứu ứng dụng chỉ thị phân tử để cải tiến

2.1 Danh sách 13 dòng dùng làm dòng cho QTL/gen 43 2.2 Tên và trình tự nucleotide của các mồi được sử dụng 44 2.3 Thành phần và hàm lượng tham gia phản ứng PCR 53

3.1

Kết quả theo dõi các chỉ tiêu hình thái sinh trưởng phát triển,

các yếu tố cấu thành năng suất và năng suất thực thu của các

dòng cho gen vụ Xuân 2013 tại Từ Liêm - Hà Nội

58

3.2

Kết quả đánh giá mức độ nhiễm sâu bệnh, chống đổ và độ thuần

đồng ruộng của các dòng thí nghiệm vụ Xuân 2013 tại Từ Liêm

- Hà Nội

60

3.3

Kết quả theo dõi các chỉ tiêu hình thái sinh trưởng, các yếu tố

cấu thành năng suất và năng suất của các dòng nhận gen vụ

Xuân 2013 tại Từ Liêm - Hà Nội

KD18/KC25

3.9 Các cá thể đồng hợp tử giống bố thế hệ BC3F2 tổ hợp

3.10 Đặc điểm sinh trưởng và hình thái của các dòng triển vọng (tổ

hợp KD18/KC25) vào vụ Xuân 2016 tại Hoài Đức - Hà Nội 101

3.11 Mức độ nhiễm sâu, bệnh hại của các dòng triển vọng (tổ hợp

KD18/KC25) vụ Xuân 2016 tại Hoài Đức - Hà Nội 102

3.12 Các yếu tố cấu thành năng suất của các dòng triển vọng (tổ hợp

KD18/KC25) vụ Xuân 2016 tại Hoài Đức - Hà Nội 103

3.13 Đặc điểm sinh trưởng và hình thái của các dòng triển vọng (tổ

hợp KD18/KC25) vào vụ Mùa 2016 tại Hoài Đức - Hà Nội 106

3.14 Mức độ nhiễm sâu, bệnh hại của các dòng triển vọng (tổ hợp

KD18/KC25) vụ Mùa 2016 tại Hoài Đức - Hà Nội 107

3.15 Các yếu tố cấu thành năng suất của các dòng triển vọng (tổ hợp

KD18/KC25) vụ Mùa 2016 tại Hoài Đức - Hà Nội 108

3.16 Đặc điểm sinh trưởng và hình thái của các dòng triển vọng (tổ

hợp NPT1/KC25) vụ Xuân 2016 tại Hoài Đức - Hà Nội 111 3.17 Mức độ nhiễm sâu, bệnh hại của các dòng triển vọng (tổ hợp

NPT1/KC25) vụ Xuân 2016 tại Hoài Đức - Hà Nội 112 3.18 Các yếu tố cấu thành năng suất của các dòng triển vọng (tổ hợp

NPT1/KC25) vụ Xuân 2016 tại Hoài Đức - Hà Nội 113 3.19 Đặc điểm sinh trưởng và hình thái của các dòng triển vọng (tổ

hợp NPT1/KC25) vụ Mùa 2016 tại Hoài Đức - Hà Nội 115 3.20 Mức độ nhiễm sâu, bệnh hại của các dòng triển vọng (tổ hợp

NPT1/KC25) vụ Mùa 2016 tại Hoài Đức - Hà Nội 116 3.21 Các yếu tố cấu thành năng suất của các dòng triển vọng (tổ hợp

NPT1/KC25) vụ Mùa 2016 tại Hoài Đức - Hà Nội 117 3.22 Đặc điểm sinh trưởng và hình thái của dòng K2 và dòng N8 tại

3.23 Mức độ nhiễm sâu bệnh của dòng K2 và dòng N8 vụ Xuân 2017

3.24 Yếu tố cấu thành năng suất và năng suất thực thu của dòng K2

và dòng N8 vụ Xuân 2017 tại Hoài Đức - Hà Nội 121

DANH MỤC HÌNH

TT

hình

1.1 Bảng phân bổ một số QTL/gen đã đƣợc nhân bản liên kết với

1.2 Bản đồ liên kết vị trí của yd7 trên nhiễm sắc thể số 7 24

2.1 Hình ảnh bông và cấu trúc bông của dòng cho QTL/gen tăng số

2.2 Sơ đồ cải tiến năng suất giống lúa nhờ chỉ thị phân tử và lai trở

3.2 Kết quả khảo sát đa hình ADN giữa giống cho và nhận QTL/gen

3.10 Kết quả điện di xác định nền di truyền của 32 cá thể mang

QTL/gen yd7 trong quần thể BC1F1 (tổ hợp KD18/KC25) 71

3.11 Tỷ lệ các cá thể mang nền di truyền giống mẹ ở thế hệ BC1F1 (tổ

3.16 Kết quả điện di sàng lọc nền di truyền của 15 cá thể mang

QTL/gen yd7 trong quần thể BC2F1 (tổ hợp KD18/KC25) 77

3.17 Tỷ lệ các cá thể mang nền di truyền giống mẹ ở thế hệ BC2F1 (tổ

3.40 Kết quả điện di sàng lọc nền di truyền cá thể thể BC3F1 (tổ hợp

3.45 Năng suất thực thu của các dòng triển vọng (tổ hợp

KD18/KC25) so với giống đối chứng vụ Xuân 2016 105

3.46 Năng suất thực thu của các dòng triển vọng (tổ hợp

KD18/KC25) so với giống đối chứng vụ Mùa 2016 109 3.47 Bông lúa dòng triển vọng và giống đối chứng Khang dân 18 109

3.48 Năng suất thực thu của các dòng triển vọng (tổ hợp

NPT1/KC25) so với giống đối chứng vụ Xuân 2016 114

3.49 Năng suất thực thu của các dòng triển vọng (tổ hợp

NPT1/KC25) so với giống đối chứng vụ Mùa 2016 118

3.51 Năng suất thực thu của dòng K2 và dòng N8 so với giống đối

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của luận án

Lúa (Oryza sativa L.) là cây lương thực quan trọng nhất ở Việt Nam, đồng

thời cũng là nguồn cung cấp thức ăn chính cho hơn một nửa dân số thế giới Tuy nhiên, theo báo cáo của Quỹ Nông lương Liên hợp Quốc, năm 2017, thế giới đang

có nguy cơ khủng hoảng lương thực do nhiều nguyên nhân như biến đổi khí hậu toàn cầu, dân số tăng nhanh, diện tích đất nông nghiệp giảm Năm 2017, có khoảng 815 triệu người bị đói, tập trung ở hai khu vực chính là châu Á và châu Phi Nhu cầu cần thêm lúa gạo toàn cầu khoảng 763 triệu tấn vào năm 2020 và tiếp tục tăng lên 852 triệu tấn vào năm 2035 Sản xuất lúa gạo phải gia tăng 25% mới đáp ứng nhu cầu gia tăng dân số đáng kể Mặt khác, sản xuất lúa gạo tiếp tục bị đe dọa bởi các điều kiện bất lợi sinh học và phi sinh học như sâu bệnh hại, khô hạn, ngập, mặn Vì vậy, chọn tạo giống lúa có năng suất cao là hết sức cần thiết và có ý nghĩa cho an ninh lương thực [29], [33], [51]

Để cải tiến năng suất lúa, từ lâu các nhà chọn giống đã sử dụng các phương pháp truyền thống như chọn giống bằng ưu thế lai, chọn tạo giống siêu lúa hoặc phát triển lúa C4 Tuy nhiên, những năm gần đây, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ sinh học hiện đại, nhiều chỉ thị phân tử liên kết với các tính trạng cấu thành năng suất đã được xác định Các nhà khoa học bắt đầu quan tâm nhiều hơn tới vấn đề ứng dụng chỉ thị phân tử trong chọn tạo giống nhằm rút ngắn thời gian và hiệu quả chọn giống

Chọn giống nhờ chỉ thị phân tử và lai trở lại (Marker assisted MABC) là phương pháp hữu hiệu trong việc chuyển locus gen quy định tính trạng

backcrossing-di truyền số lượng (Quantitative trait locus - QTL) vào giống mới Phương pháp này cho phép rút ngắn quá trình chọn lọc, chọn lọc được những tính trạng khó hay nhiều tính trạng cùng lúc Chọn giống nhờ chỉ thị phân tử (Marker assisted Selection-MAS) là phương tiện trợ giúp đắc lực cho chọn giống truyền thống Bởi vì, MAS cho phép chọn lọc trực tiếp hệ gen của từng cá thể trong quần thể Bằng phương pháp chọn giống nhờ chỉ thị phân tử, kết hợp lai trở lại từ 2 đến 3 thế hệ là có thể

thu được cá thể với nền di truyền của dòng mẹ và mang gen chuyển Trên thế giới

đã có nhiều nghiên cứu ứng dụng chỉ thị phân tử trong chọn tạo giống lúa, các nhà chọn giống đã sử dụng các chỉ thị phân tử liên kết với những QTL/gen mục tiêu để cải tiến thành công năng suất lúa, tăng năng suất bình quân từ 5,7% - 36% [79], [102]

Việt Nam là nước xuất khẩu gạo đứng thứ 2 trên thế giới sau Thái Lan, chiếm khoảng 50% tổng sản lượng gạo thương mại trên thế giới Nguồn thu ngoại tệ lớn nhất của nền nông nghiệp xuất khẩu Việt Nam là lúa gạo, đồng thời là nguồn thức ăn chính cho hơn 90 triệu dân số trong nước Vì vậy, lúa gạo có vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an ninh lương thực và ổn định xã hội

Xuất phát từ những vấn đề nêu trên, chúng tôi thực hiện luận án: “Nghiên cứu cải tiến năng suất một số dòng/giống lúa bằng chỉ thị phân tử”

2 Mục tiêu nghiên cứu

Sử dụng phương pháp chọn giống nhờ chỉ thị phân tử và lai trở lại để lai

chuyển QTL/gen yd7 quy định tính trạng tăng số hạt trên bông, từ đó nhằm cải tiến

năng suất một số dòng/giống lúa đang trồng đại trà và dòng lúa mới, triển vọng cho vùng đồng bằng sông Hồng

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

3.1 Ý nghĩa khoa học của đề tài

Kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp thêm nhiều thông tin, dẫn liệu khoa học phục

vụ công tác chọn tạo giống lúa bằng phương pháp ứng dụng chỉ thị phân tử và lai trở lại

Những thành công trong công tác chọn giống bằng phương pháp MABC nhằm

chuyển QTL/gen yd7 quy định tính trạng tăng số hạt trên bông vào một số

dòng/giống lúa sẽ mở ra khả năng ứng dụng rộng rãi trong công tác chọn tạo giống lúa nói chung

3.2 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Sử dụng phương pháp chọn giống nhờ chỉ thị phân tử và lai trở lại đã chọn lọc nhanh chóng và chính xác nguồn QTL/gen tăng số hạt trên bông, quy tụ vào giống

lúa đang được trồng phổ biến tại đồng bằng sông Hồng và dòng lúa mới triển vọng, nhờ vậy có thể rút ngắn thời gian chọn lọc trên đồng ruộng, giúp khắc phục được những hạn chế của phương pháp chọn giống truyền thống

Những dòng/giống lúa triển vọng được chọn lọc trong đề tài này sẽ là nguồn vật liệu khởi đầu quan trọng phục vụ cho công tác chọn tạo giống, cải tiến năng suất lúa cho vùng đồng bằng sông Hồng, giúp đảm bảo an ninh lương thực và tăng thu nhập cho người trồng lúa

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

4.1 Đối tượng nghiên cứu

Là các giống lúa thuần mang locus gen yd7 được nhập nội, các dòng/giống

lúa thuần đang được trồng đại trà, dòng lúa mới triển vọng và các chỉ thị phân tử có liên quan được sử dụng trong nghiên cứu

4.2 Địa điểm và thời gian nghiên cứu

- Thí nghiệm được triển khai tại: Bộ môn Sinh học Phân tử, Bộ môn Kĩ thuật

Di truyền - Viện Di truyền Nông nghiệp, Trung tâm Chuyển giao Công nghệ và Khuyến nông - Thanh Trì - Hà Nội, khu đồng ruộng thí nghiệm thuộc xã Tây Mỗ -

Từ Liêm - Hà Nội; xã Lại Yên - Hoài Đức - Hà Nội

- Thời gian nghiên cứu: Từ năm 2013 đến 2017

5 Những đóng góp mới của luận án

- Đây là một trong những công trình nghiên cứu đầu tiên ở Việt Nam ứng dụng chỉ thị phân tử và phương pháp lai trở lại đã lai chuyển thành công QTL/gen

yd7 quy định tính trạng tăng số hạt trên bông để cải tiến năng suất lúa

- Nghiên cứu đã xác định được chỉ thị đa hình giữa giống cho gen và

dòng/giống nhận gen tại vị trí QTL/gen yd7 để chọn lọc cá thể mang gen mục tiêu

và các chỉ thị đa hình trải đều trên 12 NST để chọn lọc nền di truyền

- Cải tiến thành công năng suất một số dòng/giống lúa nhờ chỉ thị phân tử và lai trở lại mà không làm thay đổi các tính trạng quý của giống gốc Trong đó, chọn tạo được dòng K2 có năng suất tăng 28,3% so với giống đối chứng Khang dân 18, dòng N8 có năng suất tăng 9,4% so với dòng đối chứng NPT1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Ứng dụng chỉ thị di truyền trong chọn tạo giống lúa

1.1.1 Khái niệm và phân loại chỉ thị di truyền

1.1.1.1 Khái niệm

Chỉ thị di truyền là vị trí đặc biệt trên nhiễm sắc thể, được sử dụng cho phân tích hệ gen, để phân biệt các cá thể khác nhau của một loài Các chỉ thị di truyền thường liên kết với gen và được di truyền theo các qui luật di truyền [17], [54]

Theo Paterson và cộng sự (1996), chỉ thị di truyền là bất kỳ tính trạng, đặc điểm hay thuộc tính nào nếu chúng hội đủ hai điều kiện: Có thể di truyền cho thế hệ sau và có thể sử dụng được để đánh giá, so sánh, phân biệt các cá thể, quần thể hay các nhóm quần thể

Chỉ thị di truyền được dùng trong nghiên cứu phả hệ để xác định khoảng cách di truyền giữa các cá thể hay quần thể Chỉ thị di truyền rất hữu ích trong việc nghiên cứu những dấu hiệu di truyền và sự biến đổi của chúng trong quần thể Vì vậy chúng được sử dụng trong nhận dạng cá thể, nghiên cứu đa dạng di truyền, phân loại học, lập bản đồ di truyền Đặc biệt những chỉ thị liên quan đến tính trạng nông sinh học có lợi cho con người được sử dụng như phương tiện trợ giúp đắc lực cho công tác chọn giống cây trồng [8], [85]

1.1.1.2 Phân loại chỉ thị di truyền

Chỉ thị di truyền có thể chia thành hai loại: chỉ thị truyền thống và chỉ thị ADN Chỉ thị truyền thống gồm chỉ thị hình thái; chỉ thị tế bào và chỉ thị sinh hóa Tuy nhiên, từ cuối thế kỷ 20, khi chỉ thị ADN ngày càng trở nên phổ biến và lấn át các chỉ thị di truyền khác, các nhà khoa học đã phân loại chỉ thị di truyền thành 3 nhóm: chỉ thị hình thái; chỉ thị sinh hóa; chỉ thị phân tử ADN (hay gọi tắt là chỉ thị phân tử) [17], [47]

* Chỉ thị hình thái

Chỉ thị hình thái là loại chỉ thị có thể nhìn thấy hoặc đo đếm được, là những tính trạng hoặc đặc điểm hình thái cụ thể như màu hoa, kiểu hình hạt, đặc điểm sinh trưởng, sự biến đổi sắc tố Trước đây, sự đa dạng giữa các cá thể trong quần thể và

giữa các quần thể được xác định thông qua đánh giá các đặc điểm hình thái nổi trội Với ưu điểm như dễ dàng tiếp cận và nghiên cứu, không đòi hỏi thiết bị đặc biệt cũng như quy trình thực hiện phức tạp, chỉ thị hình thái được sử dụng khá rộng rãi trong nghiên cứu đa dạng di truyền thực vật Trong đánh giá và chọn tạo giống truyền thống, chỉ thị hình thái được áp dụng phổ biến và khá hiệu quả ở một số loại

cây trồng như lúa, ngô, đậu tương [8], [47]

Mặc dù có nhiều nhược điểm nhưng chỉ thị hình thái vẫn được áp dụng khá hiệu quả trong đánh giá đa dạng di truyền (đặc biệt đối với các đối tượng mà chỉ thị phân tử chưa có nhiều) hoặc trong nghiên cứu lập bản đồ liên kết phục vụ chọn tạo giống cây trồng như ở lúa, ngô [13], [76], [112]

* Chỉ thị sinh hóa

Chỉ thị sinh hóa là loại chỉ thị biểu hiện sự đa hình của các phân tử protein Các protein khác nhau có khối lượng phân tử và điểm đẳng điện khác nhau, vì vậy chúng có thể di chuyển với tốc độ khác nhau trong điện di trường một chiều hay hai chiều, tạo ra những đặc điểm đặc trưng trên gel điện di và có thể hiển thị bằng phương pháp nhuộm Những chỉ thị sinh hóa chỉ thể hiện ở những giai đoạn khác nhau của quá trình phát triển cá thể, tùy thuộc vào cơ chế phức tạp của sự đóng mở gen Bất kỳ một protein nào có mặt trong cơ thể sinh vật dù ở giai đoạn phát triển nào của cá thể thì cũng là sản phẩm của gen thông qua dòng thông tin di truyền từ ADN-ARN-Protein Nghiên cứu sự khác biệt trong thành phần của các sản phẩm này có thể giúp xác định những khác biệt về mặt di truyền giữa các cá thể và loài khác nhau [1], [ 2]

So với chỉ thị hình thái thì chỉ thị sinh hóa đáng tin cậy hơn bởi mỗi protein

là sản phẩm của một gen, do đó sự đa hình các protein cũng phản ánh gián tiếp sự

đa hình trong kiểu gen của sinh vật Tuy nhiên, đối với các cá thể có quan hệ di truyền gần gũi thì các sản phẩm biểu hiện gen (protein, enzym ) không cho sự đa hình rõ ràng Đây là một nhược điểm của chỉ thị sinh hóa cùng với tính không độc lập với điều kiện môi trường (do quá trình biểu hiện gen thay đổi ở các điều kiện sinh trưởng khác nhau) và số lượng chỉ thị đa hình không phong phú Bởi vậy trong

hầu hết những nghiên cứu đa dạng di truyền ngày nay, chỉ thị phân tử ADN được sử dụng phổ biến hơn cả [8]

* Chỉ thị phân tử

Chỉ thị phân tử là những chỉ thị có bản chất đa hình ADN Chỉ thị phân tử có thể được định nghĩa như một đoạn ADN đặc hiệu, biểu hiện khác biệt ở mức độ phân tử trong hệ gen (genome) Sinh vật có khả năng nhân bản ADN với độ chính xác cao nhưng vẫn có nhiều cơ chế xảy ra có thể làm biến đổi cấu trúc ADN, đơn giản như các cặp bazơ hay phức tạp như đảo đoạn, chuyển đoạn hoặc mất đoạn

Do đó chỉ thị phân tử được xem là công cụ cực kì hiệu quả trong việc đánh giá tính

đa dạng sinh học phục vụ cho công tác chọn tạo giống cây trồng [47], [54]

Chỉ thị phân tử được chia làm ba loại chính:

- Chỉ thị dựa trên cơ sở lai ADN: RFLP marker (Restriction fragment length polymorphism - Đa hình chiều dài đoạn phân cắt giới hạn)

Trong số các chỉ thị ADN, RFLP là chỉ thị thế hệ đầu tiên, được phát triển sớm nhất và được lần đầu sử dụng trong nghiên cứu di truyền ở người [28] Trong

hệ gen sinh vật thường xảy ra các quá trình làm thay đổi trình tự ADN như các đột biến điểm, đột biến thêm đoạn, mất đoạn ADN (với số lượng từ vài chục đến vài trăm cặp nucleotide) hay sự sắp xếp lại các đoạn nhiễm sắc thể trong quá trình phân ly-tái tổ hợp Những biến đổi này có thể làm tăng, giảm hoặc dịch chuyển các vị trí giới hạn (vị trí nhận biết của các enzym giới hạn) Khi sử dụng enzym giới hạn để phân cắt ADN hệ gen, những thay đổi của vị trí nhận biết sẽ tạo ra các mảnh ADN

có kích thước khác nhau, có thể được phát hiện bởi quá trình lai Southern với các mẫu dò đánh dấu phóng xạ và qua đó phát hiện được trình tự ADN mục tiêu sau khi điện di trên gel agarose [37], [83]

Các chỉ thị RFLP có mức đa hình cao, đồng trội (nên có thể phân biệt được các cá thể dị hợp tử và đồng hợp tử) và khả năng lặp lại cao Kỹ thuật RFLP cũng cho phép phân tích đồng thời nhiều mẫu Vì vậy, từ những năm 90 của thế kỷ trước, bằng việc sử dụng chỉ thị RFLP, bản đồ di truyền đã được thiết lập ở một số loài ngũ cốc như lúa mì, ngô [56] Tuy nhiên, hạn chế của phương pháp này là tiêu tốn

nhiều thời gian và công sức Đặc biệt là tiêu hao một lượng lớn ADN mà lượng đa hình thu được ít, thậm chí khó nhận được đa hình đối với một số locus gen ở một số loài [98]

- Chỉ thị dựa trên nguyên tắc nhân bội PCR (Amplification - based markers hoặc PCR - based markers)

* Chỉ thị AFLP (Amplified fragment length polymorphism - Đa hình chiều dài các đoạn ADN nhân bản chọn lọc)

Chỉ thị AFLP dựa trên nguyên tắc sử dụng enzym giới hạn cắt ADN hệ gen

và nhân bội các đoạn ADN chọn lọc bằng kỹ thuật PCR Kỹ thuật AFLP có bản chất mang đặc điểm trung gian giữa RFLP và PCR AFLP sử dụng các enzym giới hạn để cắt ADN, tiếp theo bởi bộ tiếp hợp (adaptor) thắt điểm dính cuối của các đoạn cắt giới hạn Một tập hợp con của đoạn cắt giới hạn sau đó được khuếch đại sử dụng các mồi bổ sung cho bộ tiếp hợp và một phần của vùng đoạn cắt giới hạn Các đoạn khuếch đại được quan sát trên gel polyacrylamide biến tính dưới đèn huỳnh

quang hoặc kỹ thuật chụp phóng xạ tự động [91]

* Chỉ thị RAPD (Randomly amplified polymorphic DNA - Đa hình các đoạn ADN khuyếch đại ngẫu nhiên)

RAPD là chỉ thị ADN đa hình khuếch đại ngẫu nhiên, trong đó phương pháp phân tích đa hình của các đoạn ADN được nhân bản do Williams và cộng sự nghiên cứu năm 1990 Cơ sở của kỹ thuật ADN đa hình khuếch đại ngẫu nhiên là khuếch đại PCR khác biệt của ADN trong hệ gen Xác định ADN đa hình tạo bởi sự “sắp xếp lại hoặc mất đoạn giữa các vùng liên kết mồi oligonucleotide trong hệ gen” sử dụng các trình tự oligonucleotide ngắn ngẫu nhiên [100]

Phương pháp này không yêu cầu thông tin trước của hệ gen đang phân tích Trong hệ thống chỉ thị RAPD, phản ứng PCR được thực hiện sử dụng một lượng mẫu ADN rất nhỏ (thậm chí ít hơn 10ng) và một mồi RAPD đơn Các mồi thường chỉ dài khoảng 10 nucleotide và là trình tự ngẫu nhiên Các sản phẩm khuếch đại được phân tách trên gel agarose và quan sát được dưới đèn tia cực tím Phân biệt các băng dựa trên sự có mặt hay vắng mặt của các băng đa hình [98]

Bên cạnh đó cũng còn một số hạn chế như: RAPD có tính chất ngẫu nhiên nên việc lặp lại phân tích, điện di để tìm liên kết gen thường không đồng nhất Số băng thu được khi sử dụng các mồi ngẫu nhiên còn rất lớn Để khắc phục những hạn chế đó, gần đây, các nhà khoa học đã phát triển một phương pháp RAPD cải thiện gọi là RAMP-PCR Phương pháp này sử dụng mồi có tỷ lệ GC cao hơn, kết quả làm gia tăng khả năng lặp lại số băng điện di và hiệu quả hơn trong nghiên cứu phân tích

đa hình [97]

* Chỉ thị SSR (Simple sequence repeates - Đoạn trình tự lặp lại đơn giản)

Chỉ thị SSR là những đoạn ADN lặp lại một cách có trật tự, gồm những đơn

vị lặp lại từ 2 đến 6 nucleotide, theo kiểu lặp lại ngắn vài chục lần Lặp lại trình tự đơn giản được đề cập như là các chỉ thị vi vệ tinh bao gồm các đơn vị lặp lại của ADN trong sinh vật có nhân và không nhân, nằm rải rác trên hầu hết các bộ gen có nhân điển hình Chỉ thị vi vệ tinh bao gồm lặp lại đơn (mono), hai (di), ba, (tri), bốn (tetra) hoặc năm (pentra) đơn vị nucleotide Chỉ thị phân tử SSR được sử dụng rộng rãi do được nhân bản và phân tích kết quả dễ dàng nhờ PCR [8]

Chỉ thị SSR có một số ưu việt hơn các chỉ thị khác như: i) Cho nhiều alen trong một locus; ii) Phân bố đều trong genom; iii) SSR cho thông tin cụ thể hơn so với di truyền ty thể theo đường mẹ (vì có mức đột biến cao) và di truyền theo cả bố

và mẹ; iv) Là chỉ thị đồng trội; v) Có tính đa hình và đặc thù cao; vi) Có thể lặp lại

ở các thí nghiệm, sử dụng ít ADN, rẻ và dễ thực hiện SSR có thể phân biệt các cá thể có mối quan hệ gần Điểm hạn chế quan trọng của kỹ thuật chỉ thị SSR là cần phải đọc trình tự genom để dựa vào đó có thể thiết kế các cặp mồi đặc thù và tối ưu hóa điều kiện các mồi cho từng loài trước khi sử dụng [17]

Hiện nay, với sự ra đời và phát triển nhanh chóng của các cơ sở dữ liệu di truyền (NCBI, EMB…) thì việc phân lập và phát triển chỉ thị SSR dựa trên cơ sở trình tự sẵn có đã trở thành hướng đi nhanh chóng, đơn giản, ít tốn kém và ngày càng phổ biến [30], [31], [89]

* Chỉ thị RGA (Resistance gene analog)

Khi so sánh trình tự ADN của những gen kháng đã phân lập từ nhiều loài thực vật khác nhau, các nhà khoa học đã thấy rằng những gen này có chung những vùng lặp lại, ví dụ như vùng nhắc lại giàu leucin (Leucine Rich Repeat: LRR), vùng

vị trí liên kết nucleotide (Nucleotide Binding Site: NBS) và vùng protein Những vùng này đã được sử dụng trong việc xây dựng một kỹ thuật dựa trên PCR, đó là kỹ thuật RGA Bản chất của kỹ thuật RGA là những cặp mồi ADN được thiết kế dựa vào những vùng bảo tồn nằm trong gen kháng Bởi vậy, sản phẩm nhận dạng ADN

có thể là một vùng hoặc toàn bộ gen kháng Kỹ thuật RGA đã được dùng để tách, lập bản đồ gen kháng và mô tả đa dạng di truyền [117]

* Chỉ thị SNP (Single nucleotide polymorphism)

Trong số nhiều dạng đột biến xảy ra tự nhiên trong hệ gen, sự thay đổi một nucleotide là một hiện tượng phổ biến, có số lượng rất lớn và phân bố trải đều thệ gen Về bản chất, khái niệm SNP mô tả những vị trí cặp base trong hệ gen của hai (hay nhiều hơn) cá thể mà tại đó có sự thay đổi trong trình tự, ví dụ SNP có thể thay đổi trình tự ADN từ AAGGCTAA sang ATGGCTAA SNP có thể xảy ra ở vùng không mang mã hoặc vùng mang mã trên hệ gen, trong đó nhiều SNP không gây ảnh hưởng tới tế bào nhưng cũng có những SNP gây ra những biến đổi bất lợi [43]

1.1.2 Ứng dụng chỉ thị phân tử trong nghiên cứu và chọn giống

1.1.2.1 Nghiên cứu đa dạng di truyền

Đa dạng di truyền là sự đa dạng về thành phần gen giữa các cá thể trong cùng một loài và giữa các loài khác nhau Sự đa dạng về gen có thể di truyền được trong một quần thể hoặc giữa các quần thể Nghiên cứu đa dạng di truyền giúp đánh giá nguồn tài nguyên di truyền của các tập đoàn giống cây trồng vật nuôi, giúp cho việc sử dụng nguồn tài nguyên di truyền hiệu quả hơn Đặc biệt nghiên cứu đa dạng

di truyền có thể giúp tiên đoán khả năng cho ưu thế lai giữa các cặp bố mẹ (cặp bố

mẹ nào có khoảng cách di truyền xa hơn thường cho ưu thế lai lớn hơn) [8]

Việc phát triển các kỹ thuật chỉ thị phân tử đã đặt nền móng cho phân tích một số lượng lớn đa dạng di truyền giữa các loài Điều này rất quan trọng để làm rõ mối quan hệ tiến hóa và phân loại, cũng như cung cấp thêm thông tin để am hiểu về

những thay đổi trong phạm vi hệ gen và giữa các loài với nhau Quan trọng hơn là khả năng đánh giá đa dạng di truyền của cây trồng để phát triển các chương trình chọn tạo giống bền vững [8]

Hiện nay các nhà khoa học đang trở lại tìm những nguồn gen từ trong các loài hoang dại (hiện được lưu trữ trong quỹ gen) Tại Viện Khoa học Nông nghiệp Trung Quốc đã tiến hành chương trình nghiên cứu “Sự đa dạng di truyền trong việc

tiếp cận giống lúa hoang dại O granulata từ khu vực Nam và Đông nam châu Á” Đối với cây lúa, người ta thu thập thành công gen kháng rầy nâu từ lúa hoang O

australiensis vào lúa trồng [71]

Ở Việt Nam, chỉ thị phân tử được ứng dụng rộng rãi trong phân tích đa dạng

di truyền động vật, thực vật và vi sinh vật Nghiên cứu đa dạng di truyền ở ngô, Lê Thị Minh Thảo và cộng sự (2014) đã sử dụng kết hợp chỉ thị hình thái và chỉ thị phân tử SSR để đánh giá đa dạng và phân nhóm di truyền của 24 dòng ngô nếp tự phối đời S8 đến S10 Sử dụng chỉ thị phân tử SSR với 19 cặp mồi đã dò thấy 75 alen trên 19 locus, trung bình 4 alen trên một chỉ thị và số alen/locus khá biến động

từ 2 đến 8 alen Kết quả làm cơ sở lựa chọn các dòng bố mẹ tạo tổ hợp lai có ưu thế lai và cho năng suất cao [15]

Vũ Văn Hiếu và cộng sự (2015) đã sử dụng 25 mồi RAPD và 5 mồi ISSR trong nghiên cứu đánh giá đa dạng di truyền giữa các mẫu giống cam sành Hà Giang, góp phần phục vụ công tác thu thập, phân loại, đánh giá và bảo tồn nguồn gen cũng như cung cấp thông tin về mối quan hệ di truyền giữa các giống cam sành làm cơ sở cho các chương trình chọn tạo giống [9]

1.1.2.2 Nghiên cứu lập bản đồ di truyền

Chỉ thị phân tử có thể được sử dụng trong các nghiên cứu di truyền, biến dị trong hệ gen, tiến hóa và chọn lọc liên kết giữa alen-alen và alen với tính trạng kiểu hình Ứng dụng của chỉ thị di truyền còn tùy thuộc vào đặc tính vật lý và vị trí trong

hệ gen, mức độ dễ sử dụng và khả năng tự động hóa Chỉ thị phân tử đã được ứng dụng thành công trong khoa học cây trồng đối với việc lập bản đồ di truyền và bản

đồ vật lý của hệ gen, xác định các gen kiểm soát kiểu hình (tính trạng liên kết), đa

dạng di truyền, phân tích tiến hóa và cải tiến giống cây trồng [8]

Bản đồ di truyền phân tử được thiết lập dựa trên cơ sở các loại chỉ thị phân tử ADN (các chỉ thị RFLP, STS, SSR, RAPD, AFLP, SNP…) Trong quá trình giảm phân, các gen trên cùng NST thường được phân ly cùng nhau như một nhóm liên kết gen Tuy nhiên, sự liên kết này không hoàn toàn do kết quả của quá trình trao đổi chéo giữa các NST tương đồng Kết quả của hiện tượng này là sự tái tổ hợp giữa các gen trong một cặp NST hay giữa các NST Tần số trao đổi chéo giữa hai gen nào đó phản ánh khoảng cách di truyền giữa chúng và cho phép lập bản đồ di truyền của NST biểu thị vị trí tương đối của các gen Sự liên kết của những gen nằm trên cùng một NST được xây dựng thành một bản đồ liên kết hay bản đồ NST, thể hiện trình tự tuyến tính của các gen dọc theo NST với khoảng cách giữa các gen cận biên

tỉ lệ thuận với tần số tái tổ hợp giữa chúng Đơn vị khoảng cách trong bản đồ liên kết được coi là đơn vị bản đồ, được xác định bằng phần trăm (%) tần số tái tổ hợp, trong đó 1 centiMorgan (cM) tương đương 1% tái tổ hợp Bản đồ di truyền phân tử được thiết lập trên cơ sở sự liên kết giữa các chỉ thị phân tử với các gen kiểm soát các tính trạng nghiên cứu Sự có mặt của gen quan tâm trong các cá thể nghiên cứu

có thể biểu hiện ở kiểu hình Khoảng cách di truyền giữa các chỉ thị và gen được thể hiện bằng tần số tái tổ hợp giữa chúng [8]

1.1.2.3 Nghiên cứu trong chọn giống cây trồng

* Chọn giống nhờ chỉ thị phân tử

Từ lâu, các nhà chọn giống đã quan tâm đến các chỉ thị hình thái liên kết với một số tính trạng nông học quan trọng và sử dụng chúng như một phương tiện hữu ích trong quy trình chọn tạo giống mới Ở đây, thay vì phải đánh giá kiểu hình của

cả một quần thể lớn nhằm phát hiện những cá thể chứa gen mong muốn, người ta chỉ cần đi tìm những cá thể riêng biệt mang các chỉ thị hình thái liên kết với các gen

đó Tuy nhiên các chỉ thị hình thái vốn có số lượng không nhiều, trong khi các đặc điểm hình thái chịu ảnh hưởng và tác động rất lớn từ môi trường cũng như phụ thuộc vào các giai đoạn sinh trưởng phát triển của đối tượng nghiên cứu Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ chỉ thị phân tử, các nhà chọn giống bắt đầu quan

tâm hơn tới vấn đề chọn giống nhờ chỉ thị phân tử với mục đích sử dụng các chỉ thị phân tử liên kết với các gen mong muốn trong công tác chọn tạo giống mới [90]

Trong những năm gần đây, MAS đã được một số nhà khoa học đề xuất và đưa ra phân tích tương đối đầy đủ Mackill và Collard (2006) đã đưa ra khái niệm chọn giống lúa dựa trên chỉ thị phân tử, là sử dụng các chỉ thị ADN liên kết chặt chẽ với locus mục tiêu để thay cho chọn lọc đánh giá kiểu hình với giả định chỉ thị ADN có thể dự đoán kiểu hình một cách đáng tin cậy [67]

MAS là một kỹ thuật ứng dụng chỉ thị phân tử không thay thế phương pháp chọn giống truyền thống, nhưng có thể trợ giúp phương pháp chọn giống truyền thống hiệu quả hơn Như vậy, chỉ thị phân tử làm tăng thêm hiệu quả sàng lọc trong các chương trình chọn giống với các ưu điểm sau:

Khả năng chọn lọc ngay từ giai đoạn cây con đang nảy mầm trong khi nhiều dấu hiệu chỉ có thể sàng lọc khi chúng được biểu hiện ở những giai đoạn muộn hơn trong quá trình sống nếu chỉ sử dụng phương pháp chọn giống cổ điển

Khả năng sàng lọc được những tính trạng khó đánh giá bằng kiểu hình

Có thể phân biệt trạng thái đồng hợp tử hay dị hợp tử của nhiều locus trong cùng một thế hệ mà không cần kiểm tra các thế hệ sau

Khả năng chọn lọc đồng thời vài tính trạng trong cùng một thời gian, do vậy

mà có thể đưa vào cùng lúc vài gen có giá trị về mặt nông học, ví dụ đưa vào cùng một lúc nhiều gen kháng bệnh hại khác nhau

* Chọn giống nhờ chỉ thị phân tử và lai trở lại

Chọn giống nhờ chỉ thị phân tử và lai trở lại (MABC) được xem như là một dạng đơn giản nhất của chọn giống nhờ ứng dụng chỉ thị Hiện nay, MABC là phương pháp được sử dụng rộng rãi, đạt được nhiều thành công nhất trong chọn tạo giống phân tử thực tế Mục đích của MABC là chuyển một hoặc một vài QTL/gen quan tâm từ một nguồn vật liệu di truyền nào đó vào các dòng/giống ưu tú để cải tiến tính trạng mục tiêu Không giống phương pháp lai trở lại truyền thống, MABC dựa trên các chỉ thị alen có mối quan hệ hoặc liên kết với QTL/gen quan tâm thay vì đánh giá kiểu hình tính trạng mục tiêu

Đối với phương pháp MABC có hai công đoạn được thực hiện: chọn lọc gen mục tiêu và chọn lọc nền di truyền [40]

- Chọn lọc gen mục tiêu: Mục đích là chọn được những cá thể có alen chỉ thị

của cây cho gen tại locus mục tiêu để duy trì locus mục tiêu ở trạng thái dị hợp tử cho tới khi lai trở lại được thực hiện hoàn chỉnh Tiếp đó các cá thể được chọn lọc

sẽ cho tự thụ và sau đó xác định các cá thể đồng hợp tử đối với alen cây cho gen Hiệu quả của chọn lọc gen mục tiêu lệ thuộc vào số lượng các locus/gen liên quan đến quá trình chọn lọc, mối liên hệ chỉ thị - QTL/gen hoặc khoảng cách liên kết và liên kết không mong muốn đối với QTL/gen mục tiêu

- Chọn lọc nền di truyền: Chọn lọc nền di truyền được thực hiện đối với các

alen chỉ thị của cây mẹ RP (recurrent parent) ở tất cả các vùng của hệ gen của các tính trạng mong muốn ngoại trừ locus mục tiêu Mục tiêu là nhằm đẩy nhanh sự phục hồi hay lấy lại hệ gen/nền di truyền của RP và loại bỏ các gen không mong muốn được đưa vào từ cây cho gen Ngoài ra, liên kết kéo theo có thể được khắc phục một cách hiệu quả bằng chọn lọc nền di truyền sử dụng chỉ thị ADN, trong khi điều này rất khó khắc phục bằng chương trình lai trở lại truyền thống

Chọn lọc gen đích và chọn lọc nền di truyền là mục tiêu chính của phương pháp chọn giống nhờ chỉ thị phân tử và lai trở lại với các locus khác nhau trong quá trình chọn lọc Trên thực tế, cả chọn lọc gen mục tiêu và chọn lọc nền di truyền thường được thực hiện trong cùng một chương trình, đồng thời hoặc liên tục

Dựa trên nghiên cứu mô phỏng của 1000 lần nhắc lại, Hospital (2003) công

bố kết quả dự kiến của một chương trình MABC điển hình Trong đó các cá thể dị hợp tử được chọn lọc cho gen mục tiêu ở mỗi thế hệ và alen RP được lựa chọn bằng hai chỉ thị trên dưới (chỉ thị cận biên) trên nhiễm sắc thể mục tiêu Như trình bày ở bảng 1.1, việc khôi phục nhanh chóng genom RP có thể đạt được bởi MABC với việc kết hợp chọn lọc gen mục tiêu và chọn lọc nền di truyền Do vậy, sử dụng chỉ thị trong chọn giống có thể tiết kiệm được thời gian công sức hơn so với phương pháp chọn giống truyền thống [34], [40]

Bảng 1.1: Kết quả dự kiến chương trình MABC kết hợp sử dụng

chọn lọc gen mục tiêu và chọn lọc nền di truyền

Tất cả nhiễm sắc thể khác MABC

Lai trở lại truyền thống

*MABC cải tiến tính chống chịu trong điều kiện bất thuận sinh học

Một gen kháng bạc lá hữu hiệu, Xa23 được phân lập từ loài lúa hoang dại O

rufipogon đã được lai chuyển vào 3 dòng phục hồi phổ biến (Minghui 63, YR293 và

Y1672) Chọn lọc gen mục tiêu với những cá thể mang gen Xa23 bằng MAS sử dụng một chỉ thị SSR RM260 liên kết chặt với khoảng cách 1,9 cM đến locus Xa23

[114], [116]

Tại Thái Lan, gen kháng bạc lá Xa21 từ giống lúa IR1188 đã được lai chuyển

vào giống lúa trồng phổ biến KDML105 bằng phương pháp MABC với 3 lần lai trở

lại và chọn lọc kiểu hình Phát triển các dòng cải tiến mang gen kháng bạc lá Xa21

cho thấy các đặc tính nông học tương tự như giống KDML105 Trong nghiên cứu này, 3 locus kháng ở giai đoạn mạ di truyền từ IR1188 được xác định trên nhiễm sắc thể số 1 (bằng chỉ thị RM302 và RM212), nhiễm sắc thể số 8 (chỉ thị RM210 và RM149) và nhiễm sắc thể số 11 (chỉ thị RM287 và RM224) [101]

Ở Trung Quốc, gen kháng bạc lá Xa7 và Xa21 từ giống lúa Huahui 20 đã

được lai chuyển vào dòng phục hồi phổ biến, Yihui 1577 sử dụng phương pháp MABC Đánh giá kiểu gen ở mỗi thế hệ BC được sàng lọc bằng chỉ thị SSR liên kết

chặt với gen kháng, xác định sự có mặt của gen kháng Xa7 bằng chỉ thị RM20582

để lập bản đồ ở khoảng cách 0,14 cM giữa chỉ thị RM20582 và RM20593 trên NST

số 6 Tại thế hệ BC3F1, các cá thể cho tự thụ để phát triển quần thể BC3F2 Các cá

thể dạng đồng hợp tử mang gen Xa7, Xa21 và cá thể mang cả 2 gen được lựa chọn

trong quần thể BC3F2 để phát triển quần thể BC3F3 [107]

*MABC cải thiện tính chống chịu điều kiện phi sinh học của cây trồng

Ở Việt Nam đã ứng dụng thành công phương pháp MABC để chuyển gen

Sub1 từ cây cho gen IR64-Sub1 vào giống lúa trồng phổ biến OM6976 Đã xác định

được cá thể mang gen cần chuyển bằng hai chỉ thị ART5 và SC3 Năm mươi ba chỉ thị đa hình được sử dụng để sàng lọc các cá thể trong trong các thế hệ lai trở lại

BC1F1, BC2F1 với nền di truyền của giống cây nhận gen đạt 87,5%; 93,75% Ở thế

hệ BC3F1, đã xác định được cá thể mang nền di truyền cao nhất đạt gần 100% [12]

- Chịu mặn

Gần đây, ở Việt Nam, QTL Saltol từ dòng đẳng gen có tính chịu mặn cao

FL478 đã được lai chuyển vào giống lúa trồng phổ biến AS996 bằng MABC Trong nghiên cứu này, ở mỗi thế hệ lai trở lại, ba chỉ thị AP3206, RM3412 và RM10793 được sử dụng để sàng lọc các cá thể dị hợp tử và sử dụng 63 chỉ thị đa hình trải đều trên 12 nhiễm sắc thể để chọn lọc nền di truyền Tất cả các cá thể được chọn lọc bằng chỉ thị phân tử đều biểu hiện tính chịu mặn đáng kể so với giống đối chứng

gốc Một nghiên cứu tương tự, Saltol QTL từ giống cho gen FL478 chịu mặn được

lai chuyển vào nền di truyền giống lúa Bắc thơm 7 Phân tích nền di truyền cho thấy các cá thể con lai chọn lọc sau 3 thế hệ đạt 96,8% đến 100% [3]

1.2 Ứng dụng chỉ thị phân tử cải tiến năng suất lúa

1.2.1 Khái quát về năng suất và các yếu tố cấu thành năng suất

Năng suất và yếu tố cấu thành năng suất lúa được tạo thành bởi các yếu tố:

số bông trên khóm, số hạt trên bông và khối lượng nghìn hạt Trong đó tính trạng số bông trên khóm lại phụ thuộc vào khả năng đẻ nhánh, số nhánh hữu hiệu và khả năng phát triển của hạt Số bông trên khóm phụ thuộc vào khả năng đẻ nhánh bao gồm nhánh sơ cấp, thứ cấp và tam cấp Số hạt trên bông cũng do 2 yếu tố cấu thành gồm: số nhánh con được xác định bởi nhánh sơ cấp và thứ cấp, và tỷ lệ tạo hạt của bông con Khối lượng nghìn hạt được xác định phần lớn là do kích thước hạt, được quy định bởi ba yếu tố, chiều dài, chiều rộng và độ dày hạt [45], [48], [78], [106]

Theo Nguyễn Văn Hoan (2006): Sự tương quan giữa năng suất và số bông/khóm ở mỗi giống lúa là khác nhau, ở những giống thuộc nhóm bán lùn có tương quan chặt (r = 0,85), nhóm lùn có tương quan vừa (r = 0,62) và nhóm cao cây

có tương quan vừa (r = 0,54) Sự tương quan giữa năng suất và số hạt trên bông thì ngược lại, nhóm cao cây có tương quan rất chặt (r = 0,96), nhóm bán lùn và lùn có tương quan vừa (r = 0,62-0,66) Mối quan hệ giữa các yếu tố cấu thành năng suất, năng suất thực thu thực chất là mối quan hệ giữa cá thể và quần thể [10]

Số bông có tính quyết định đến năng suất và hình thành sớm nhất, yếu tố này phụ thuộc nhiều vào mật độ gieo cấy, khả năng đẻ nhánh, khả năng chịu đạm Số bông có thể đóng góp 74% năng suất, trong khi đó số hạt và khối lượng hạt đóng góp 26%[4], [6], [21]

Số hạt trên bông nhiều hay ít tùy thuộc vào số gié, số hoa phân hoá, số hoa thoái hoá Toàn bộ quá trình này nằm trong thời kỳ sinh trưởng sinh thực (từ làm đòng đến trỗ) Số hoa phân hóa càng nhiều, số hoa thoái hóa càng ít thì tổng số hạt trên bông sẽ nhiều Tỷ lệ hoa phân hóa có liên quan chặt chẽ với chế độ chăm sóc

Số nhánh cấp 1, đặc biệt là số nhánh cấp 2 nhiều thì số hoa trên bông cũng nhiều

Số hoa trên bông nhiều là điều kiện cần thiết để đảm bảo cho tổng số hạt trên bông lớn [10], [21]

Tỷ lệ hạt chắc trên bông được quyết định ở thời kỳ sau trỗ, nếu gặp điều kiện bất lợi ở thời kỳ này tỷ lệ hạt lép sẽ rất cao Tỷ lệ hạt chắc có ảnh hưởng đến năng suất lúa rõ rệt, ngoài ra tỷ lệ hạt chắc còn phụ thuộc vào lượng tinh bột được tích luỹ trên cây và đặc điểm giải phẫu của cây Trước khi trỗ bông, nếu cây lúa sinh trưởng tốt, quang hợp thuận lợi thì hàm lượng tinh bột được tích lũy và vận chuyển lên hạt nhiều, làm cho tỷ lệ hạt chắc cao Mạch dẫn vận chuyển tốt thì quá trình vận chuyển tinh bột tích luỹ trong cây đến hạt được tốt làm tỷ lệ hạt chắc sẽ cao Tỷ lệ hạt chắc còn chịu ảnh hưởng của quá trình quang hợp sau khi trỗ bông Sau khi trỗ bông, quang hợp ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình tích lũy tinh bột trong phôi nhũ

Ở giai đoạn này, nếu điều kiện khí hậu không thuận lợi cho quá trình quang hợp thì

tỷ lệ hạt chắc giảm rõ rệt [10], [21]

Khối lượng nghìn hạt là yếu tố cuối cùng tạo năng suất lúa, yếu tố này ít biến động so với các yếu tố khác, ít chịu tác động của điều kiện môi trường và nó phụ thuộc chủ yếu vào đặc điểm di truyền của giống Sau khi lúa trỗ bông, cần tạo điều kiện cho cây sinh trưởng tốt để quang hợp được tiến hành mạnh mẽ, tích luỹ được nhiều tinh bột thì khối lượng hạt sẽ cao

Ngoài ra, chiều dài bông là một đặc điểm di truyền của giống, nó được tính

từ đốt cổ bông đến đầu mút bông Chiều dài bông là một tính trạng liên quan trực tiếp đến số hạt/bông, nó quyết định một phần năng suất của giống Chiều dài bông

do cả gen trội và gen lặn quy định Chiều dài cổ bông do các gen trội điều khiển và

có độ biến động rất lớn, có liên quan đến chiều dài lóng đốt cuối cùng và biểu hiện

ở tính trỗ thoát của bông Trong nghiên cứu về lúa lai các nhà khoa học đã phát hiện gen lặn có khả năng kéo dài lóng đốt cuối cùng mạnh nhất làm cổ bông dài ra nhưng không kéo dài các lóng ở bên dưới Những giống lúa có bông trỗ thoát hoàn toàn thường cho tỷ lệ hạt chắc cao hơn [21]

1.2.2 Các QTL/gen liên kết với các tính trạng năng suất

Tính trạng cấu thành năng suất là một tính trạng nông học phức hợp do nhiều gen quy định, và là tính trạng di truyền số lượng Phân tích cơ sở di truyền của các tính trạng này bằng việc lập bản đồ để chọn tạo ra các giống lúa cho năng suất cao

hiện đã và đang được nghiên cứu ở nhiều quốc gia trên thế giới Tuy nhiên, đây là việc không dễ dàng thực hiện vì rất khó phân lập các QTL này do mỗi QTL biểu hiện mức độ thấp trong biến dị kiểu hình và chịu ảnh hưởng lớn từ tác nhân môi trường Trong những năm gần đây, với nỗ lực ứng dụng khoa học công nghệ, nhiều QTL quy định yếu tố cấu thành năng suất đã được phân lập, xác định và phân tích chức năng cụ thể, làm rõ được chức năng của nhiều gen liên quan đến tính trạng năng suất, cung cấp về cơ chế phân tử của tính trạng cấu thành năng suất ở lúa [7]

Cho tới nay, hàng trăm QTL liên quan tới các tính trạng năng suất đã được xác định và phân bổ đều trên toàn bộ hệ gen lúa, thể hiện qua hình 1.1 dưới đây [45]

Hình 1.1: Bảng phân bổ một số QTL/gen đã được nhân bản liên kết với tính

trạng năng suất lúa [45]

Ghi chú: Màu xanh da trời và màu đen là QTL/gen quy định tính trạng số bông trên khóm và số hạt trên bông, màu tím là QTL/gen quy định tính trạng số bông trên khóm, số hạt trên bông và kích thước hạt, màu xanh lá cây là QTL/gen quy định tính trạng đẻ nhánh, màu cam là QTL/gen quy định tính trạng kích thước hạt, màu hồng và màu đỏ là QTL/gen quy định tính trạng kích thước hạt và khả năng làm chắc hạt

1.2.2.1 QTL/gen liên kết với tính trạng đẻ nhánh

Đẻ nhánh là một đặc tính sinh học của cây lúa liên quan chặt chẽ đến quá trình hình thành số bông và năng suất lúa Chồi lúa (nhánh lúa) gồm chồi bậc nhất (chồi sơ cấp) xuất phát từ thân chính, chồi bậc hai (chồi thứ cấp) là chồi xuất phát từ chồi bậc nhất, và chồi bậc ba (hay gọi là chồi tam cấp) Số nhánh lúa quyết định số bông trên khóm, và đây là một trong những yếu tố cấu thành năng suất quan trọng [96], [111] Phát triển nhánh trải qua hai quá trình cơ bản Quá trình thứ nhất là sự hình thành chồi trên mỗi nách lá, sau đó sẽ tạo ra một vài lá bên để tạo thành chồi bên Bước thứ hai là sự phát sinh chồi của búp chồi Bảng 1.2 tóm tắt các gen kiểm soát tính trạng đẻ nhánh và sản phẩm mã hóa của các gen đó

Bảng 1.2: Các QTL/gen kiểm soát tính trạng đẻ nhánh ở lúa

PN D3 Protein giàu leucine lặp lại Ishikawa và cộng sự,

2010 [68]

Ghi chú: PN (panicle number): Số bông trên khóm

Li và cộng sự đã có những nghiên cứu về sự kiểm soát quá trình đâm chồi ở

lúa vào năm 2003 Tác giả đã chỉ ra rằng locus MOC1 (Monoculm) nằm trên vai dài của nhiễm sắc thể số 6, giữa hai chỉ thị RM1559 và S1437 QTL/gen MOC1 đột biến làm cây lúa phát triển chỉ có một thân chính MOC1 mã hóa cho một họ protein

GRAS bao gồm GAI, RGA và SLR1 có chức năng thúc đẩy sự hình thành, phát

triển của chồi bên [60], [111]

Quá trình phát triển chồi lúa chịu sự kiểm soát, điều hòa của các hoocmon thực vật Auxin là hoocmon có vai trò điều khiển tính trội đỉnh và ức chế phát triển của chồi bên Trong khi đó, cytokinin có vai trò thúc đẩy kích thích phát triển chồi bên Gần đây, các nghiên cứu phát hiện ra một hoocmon có tên là strigolacton, là hocmon thuộc nhóm terpenoid Một số gen đã được phân lập và phân tích chức năng liên quan tới quá trình tổng hợp và đường truyền tín hiệu của strigolacton

Chúng bao gồm MAX1 mã hóa cho enzym cytochrom P450, MAX2 là một thành viên của họ yếu tố phiên mã LRR, MAX3 và MAX4 mã hóa cho enzym oxy hóa

phân cắt carotenoid CCD7 và CCD8 Gần đây, có hai gen mới được xác định là

D27 và D14, liên quan tới quá trình sinh tổng hợp và cơ chế truyền tín hiệu của

strigolacton D27 mã hóa cho một protein chứa Fe, hoạt động như một yếu tố quan trọng trong quá trình sinh tổng hợp strigolacton ở lúa Trong khi đó, D14 mã hóa

cho enzym thủy phân và có thể tham gia vào quá trình nhận biết của strigolacton [24], [63]

Số nhánh và góc lá nhánh là nhân tố quyết định chính của cấu trúc cây lúa Một số giống lúa dạng hình mới, có số nhánh hữu hiệu trung bình nhưng lại có năng suất cao Gần đây, có hai QTL có vai trò kiểm soát tính trạng đẻ nhánh đã được xác

định Một QTL là DEP1 ( Dense and erect panicle1) và một QTL khác là IPA (Ideal plant architecture) DEP1 mã hóa protein là PEP1 (phosphatidylethanolamine– binding protein) Dòng cận đẳng gen mang đột biến gen DEP1 biểu hiện tính trạng

đẻ nhánh nhiều hơn do tăng cường hoạt động của mô phân sinh và sự phân chia tế

bào IPA1 mã hóa cho OsSPL14 (Squamosa promoter binding protein like 14), là

một protein SBP –box bị kiểm soát bởi miRNA 156 OsSPL14 là một nhân tố phiên

mã, và khi OsSPL14 biểu hiện cao trong thời kỳ sinh trưởng thì nó sẽ thúc đẩy sự

đẻ nhánh và làm tăng năng suất Đột biến OsSPL14 không chỉ kiểm soát đẻ nhánh

mà còn kích thích kéo dài bông và sản sinh ra các bông với kích thước lớn, nhiều

hoa hơn Mặc dù DEP1 và IPA kiểm soát sự đẻ nhánh theo những cơ chế khác nhau, nhưng cả hai gen này đều ảnh hưởng đến hệ thống bó mạch của lúa DEP1 và

IPA có vai trò làm tăng cường hệ thống bó mạch, có thể góp phần làm tăng cường

sự vận chuyển nước và các chất dinh dưỡng, từ đó làm tăng năng suất lúa [41], [69], [96]

1.2.2.2 QTL/gen quy định số hạt trên bông

Số hạt trên bông là tính trạng nông học quan trọng để tăng năng suất lúa, được quy định bởi sự hình thành bông Số hạt trên bông thường tỷ lệ thuận với số nhánh trên bông Trong suốt hơn 2 thập kỉ qua, nhiều QTL/gen kiểm soát tính trạng phát triển bông đã được xác định và phân tích Bông lúa thuộc nhóm phát hoa chùm gồm một trục chính mang nhiều nhánh gié bậc nhất, bậc hai và đôi khi có nhánh gié bậc ba Số hạt lúa hữu hiệu trên bông quy định trực tiếp đến năng suất lúa Trong

đó, phát triển hoa quyết định sự hình thành hạt lúa [106]

Nghiên cứu về tính trạng số nhánh trên bông, Komatsu và cộng sự (2003) đã

phát hiện ra vai trò của gen LAX1 Các tác giả đã nhân dòng gen LAX1 thành công bằng cách sử dụng chỉ thị CAPS LAX1 mã hóa một chuỗi xoắn (bHLH) là yếu tố phiên mã rất cần cho quá trình duy trì mô phân sinh ở nhánh hoa LAX1 liên quan tới tất cả các kiểu phân chia chồi trong suốt quá trình phát triển của lúa LAX1 đột biến làm giảm số nhánh sơ cấp và thứ cấp LAX1 biểu hiện bắt đầu trong nách của

lá, và protein LAX1 sẽ được vận chuyển đến mô phân sinh để điều khiển sự phân chia chồi Trong nghiên cứu của nhóm tác giả trên, còn phát hiện ra gen SMALL

PANICLE (SPA), có vai trò điều chỉnh sự hình thành chồi bên Giống như gen

LAX1, khi xảy ra đột biến gen SPA, thì số nhánh sơ cấp và thứ cấp của lúa đều bị

giảm [53]

Sau đó, năm 2005, Ashikari và cộng sự đã xác định một QTL làm tăng số hạt

trên bông là Gn1a (Grain number) Trong nghiên cứu này, tác giả đã sử dụng một

dòng lúa Indica là Habataki, và một dòng Japonica là Koshihikari Số hạt trên bông

của hai dòng Habataki và Koshihikari là 300 hạt/bông và 160 hạt/bông Nghiên cứu

đã xác định được 5 QTL quy định tính trạng tăng số hạt trên bông, trong đó, Gn1a

định vị trên vai ngắn của nhiễm sắc thể số 1 dẫn đến sự khác biệt tới 44% số hạt

trên bông của hai dòng Habataki và Koshihikari Gn1a mã hóa cytokinin oxidase/ dehydrogenase (OsCKX2), là một enzym phá hủy cytokinin Khi hàm lượng enzym

này giảm, cytokinin được tích lũy trong mô phân sinh hoa, làm tăng số lượng hoa, kiểm soát số hạt trên bông, kết quả làm tăng số hạt trên bông và tăng năng suất hạt [26], [106]

Gần đây, Wang và cộng sự (2015) đã phân tích những biến dị di truyền của

Gn1a, một QTL/gen ảnh hưởng năng suất lúa thông qua kiểm soát số hạt trên bông

Những biến dị alen trong vùng promoter, vùng 5„ không dịch mã, và vùng trình tự

mã hóa của Gn1a được nghiên cứu trong 175 dòng lúa truyền thống và 21 dòng hoang dại Kết quả cho thấy, trong những dòng truyền thống, Gn1a có sự thay đổi

trình tự ít hơn, nhưng các dòng lúa hoang dại biểu hiện đa dạng về trình tự

nucleotide Có tổng số 14 alen, từ AP1 đến AP14 đã được xác định dựa trên sự khác biệt về trình tự axit amin của Gn1a Phân tích tổng hợp cũng chỉ ra rằng, số hạt và

năng suất hạt cũng khác nhau đáng kể giữa những alen khác nhau Phân tích cây

phát sinh chủng loại cho thấy, có ba alen chính bao gồm AP3, AP8 và AP9 trong những dòng lúa truyền thống có thể bắt nguồn từ một alen tổ tiên chung là AP1 từ

dòng lúa hoang dại [92]

Kích thước bông chủ yếu được xác định bởi số lượng và độ dài của các gié

sơ cấp và thứ cấp Nghiên cứu về cơ chế điều khiển sự phát triển nhánh lúa, Li và

cộng sự (2009) đã nhân dòng thành công gen SP1 (Short panicle 1) dựa trên phương pháp lập bản đồ SP1 mã hóa cho protein vận chuyển, thuộc họ protein vận chuyển (PTR) SP1 gây ra kiểu hình trùy ngắn, mã hóa một peptit vận chuyển giả định tham

gia vào quá trình dài bông ở lúa [59]

Cấu trúc bông chủ yếu được xác định bởi sự sắp xếp của các gié sơ cấp, thứ cấp và mật độ hạt Bông thẳng đứng là một tính trạng nông học quan trọng liên

quan chặt chẽ với năng suất hạt DEP1 mã hóa PEBP protein, kiểm soát gié, mật độ hạt và kiểu bông thẳng đứng DEP1 biểu hiện ở kiểu hình là tăng gié sơ cấp và thứ cấp và số hạt trên bông Trong khi đó, DEP2 mã hóa một protein cụ thể và biểu hiện đáng kể ở các bông non, kiểm soát sự phát triển và độ dài bông Đột biến DEP2

biểu hiện kiểu hình ở mật độ và bông thẳng [42]

Ghd7 là gen quy định tính trạng tăng số hạt trên bông đã được phát hiện từ

giống lúa Minghui 63 Ghd7 mã hóa cho một protein có domain là CCT, có ảnh

hưởng lớn tới nhiều tính trạng của lúa, bao gồm số hạt trên bông, chiều cao cây, và

thời gian sinh trưởng Sự biểu hiện tăng cường của Ghd7 trong điều kiện ngày dài làm giảm thời gian sinh trưởng, làm tăng chiều cao cây và kích thước bông Ghd7

nằm gần tâm động, trên nhiễm sắc thể số 7 Nghiên cứu về vai trò của QTL/gen

này, tác giả Xue (2008) chỉ ra rằng Ghd7 làm tăng 65,8% số hoa trên bông trên

giống Zhenshan97, tăng 40% chiều cao cây và giảm 30% thời gian sinh trưởng [108]

Nghiên cứu về tính trạng tăng số hạt trên bông, Lĩnh và cộng sự (2008) đã

xác định được một QTL mới quy định số hạt trên bông (yd7) nằm trên vai dài của nhiễm sắc thể số 7 Sử dụng quần thể được tạo thành từ việc lai dòng lúa hoang O

minuta và dòng lúa Japonica truyền thống Hwaseongbyeo Nghiên cứu đã lập bản

đồ QTL liên kết với tính trạng tăng năng suất từ dòng lúa hoang O minuta, yd7

được xác định nằm ở vùng 2,3 Mb, giữa hai chỉ thị RM500 và RM21615 Các dòng lúa mang QTL/gen này đã được lai chuyển thành công vào một số giống lúa ưu tú nhờ MAS, MABC Kết quả cho thấy, các giống nhận gen có năng suất tăng 15-20%

so với giống gốc, dòng cho năng suất cao nhất từ 70,0-80,0 tạ/ha Sự có mặt của yd7

làm tăng năng suất do tăng số nhánh sơ cấp trên bông, vì vậy làm tăng số hạt trên bông [27], [64]

Nhóm tác giả Lĩnh và cộng sự (2013) tiếp tục nghiên cứu lập bản đồ cho

QTL yd7 quy định tính trạng số hạt trên bông Nghiên cứu đã khẳng định QTL này

nằm vùng 28,6 kb trên nhiễm sắc thể số 7 và chứa bốn gen QTL này được xác định

nằm giữa hai chỉ thị RM4952 và RM21605 Bốn gen của QTL yd7 đã được xác

định và chỉ ra rằng: gen LOC- Os07g30150 mã hóa cho enzym vận chuyển

adenosine (APT adinine phosphoribosyl transferase), LOC-Os07g30154 là một gen

mã hóa cho protein POE12, LOC- Os07g30160 mã hóa cho trehalose phosphate, và

LOC-Os07g30171 mã hóa cho enzym nitrilase [27]

Hình 1.2: Bản đồ liên kết vị trí của yd7 trên nhiễm sắc thể số 7

B: Bản đồ di truyền QTL yd7, được xây dựng dựa trên phần mềm Mapmaker/EXP

3.0; C: Bản đồ vật lý của vùng QTL yd7 trên nhiễm sắc thể số 7 [27]

Các nhà nghiên cứu của trường Đại học Nông nghiệp Najing - Trung Quốc

(2016) nghiên cứu và xác định các gen quy định chiều dài bông ở lúa Các tác giả

đã sử dụng quần thể dòng tái tổ hợp lai giữa dòng Xiushui79 (bông ngắn) với dòng

C-bao (bông dài) Kết quả cho thấy có bốn QTL quy định chiều dài bông nằm trên

các nhiễm sắc thể số 4, số 6 và số 9 Trong đó, một locus chính nằm trên nhiễm sắc

thể số 9 với sự ảnh hưởng lớn nhất được xác định qua liên kết và lập bản đồ liên

kết LONG PANICLE 1 (LP1) được định vị trên vùng 90kb, nằm trên vai dài của

nhiễm sắc thể số 9 LP1 mã hóa cho protein Remorin-chứa C So sánh với dòng

Xiushui79, các dòng NIL-LP1 có năng suất tăng 13,73% do tăng 41,02% chiều dài

bông, 10,90% số hạt chắc trên bông, 2,70% độ rộng hạt và 1,05% khối lượng nghìn

hạt Vì vậy các tác giả đã khẳng định rằng, LP1 và một số alen ưu tú trong nghiên

cứu có thể được ứng dụng để cải thiện chiều dài bông lúa và cải thiện năng suất lúa

[65]

Bảng 1.3: Các QTL/gen liên kết tính trạng số hạt trên bông

Tính trạng QTL/gen Sản phẩm mã hóa Tác giả

[53]

PBP, GN qGY2-1 Enzym kinase có thụ thể vùng

lặp lại giàu leucine

[106]

PBP, GN Hd1 Protein vùng zinc finger Endo-Higashi và cộng sự,

2011 [31]

liên kết với hộp CCAAT

Miura và cộng sự, 2011 [70]

GN LP Protein liên kết hộp F lặp lại

Ghi chú: PBP: Số nhánh trên bông, GN: Số hạt trên bông, LP: Chiều dài bông