Nghiên cứu ứng dụng đột biến thực nghiệm và chỉ thị phân tử để cải tiến giống lúa ST19 và q2

Vì những lý do trên, chúng tôi lựa chọn đề tài "Nghiên cứu ứng dụng đột biến thực nghiệm và chỉ thị phân tử để cải tiến giống lúa ST19 và Q2”, nhằm tạo ra những dòng lúa mới có năng suấ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

VIỆN KHOA HỌC NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

VIỆN KHOA HỌC NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

HOÀNG THỊ LOAN

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐỘT BIẾN THỰC NGHIỆM VÀ

CHỈ THỊ PHÂN TỬ ĐỂ CẢI TIẾN GIỐNG LÚA ST19 VÀ Q2

Chuyên ngành: Công nghệ sinh học

i

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn GS.TS Trần Trung, GS.TSKH Trần Duy Quý- người hướng dẫn đề tài, người Thầy đã tận tình hướng dẫn, động viên, giúp đỡ, cung cấp tài liệu, kiến thức quý báu và tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi thực hiện đề tài

Xin gửi lời cảm ơn đến ban lãnh đạo Viện khoa học Nông nghiệp Việt Nam

đã cho phép, ủng hộ, tạo cơ hội cho tôi học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án nghiên cứu sinh này

Xin gửi lời cảm ơn đến ban giám hiệu Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên đã cho phép, ủng hộ, tạo cơ hội cho tôi học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án nghiên cứu sinh này

Xin chân thành cảm ơn đến ban lãnh đạo Viện di truyền nông nghiệp, các anh chị em bộ môn Kỹ thuật di truyền – Viện Di truyền Nông nghiệp đã tạo điều kiện và hỗ trợ trong quá trình nghiên cứu

Cuối cùng, xin gửi lời biết ơn đến gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã yêu thương, thông cảm, chia sẻ, an ủi, khích lệ tôi trong những lúc khó khăn khi thực hiện luận án, giúp tôi có thêm động lực để hoàn thành chương trình học và thực hiện luận án nghiên cứu

Xin chân thành cảm ơn!

Tác giả luận án

Hoàng Thị Loan

ii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan công trình "NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐỘT BIẾN

THỰC NGHIỆM VÀ CHỈ THỊ PHÂN TỬ ĐỂ CẢI TIẾN GIỐNG LÚA ST19

VÀ Q2” được thực hiện bởi chính bản thân nghiên cứu sinh Hoàng Thị Loan với sự

hướng dẫn của GS.TS Trần Trung, GS.TSKH Trần Duy Quý Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa ai công bố trong bất kỳ công trình nào

Tác giả luận án

Hoàng Thị Loan

IFAP Internal Fragrant Antisense Primer

INSP Internal Non-fragrant Sense Primer

IRRI International Rice Research Institute

NCBI National Center for Biotechnology Information

RFLP Restriction Fragment Length Polymorphisms

iv

USDA United States Department of Agriculture

v

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT iii

MỤC LỤC v

DANH MỤC BẢNG viii

DANH MỤC HÌNH x

MỞ ĐẦU xii

1 Tính cấp thiết của đề tài xii

2 Mục tiêu của luận án xiii

3 Ý nghĩa khoa học, thực tiễn và tính mới của của luận án xiii

CHƯƠNG I TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1

1.1 Nguồn gốc phân loại cây lúa 1

1.2 Tình hình sản xuất lúa chất lượng trên thế giới và Việt Nam 3

1.3 Các yếu tố cấu thành năng suất, chất lượng của lúa 4

1.4 Nghiên cứu về đột biến thực nghiệm và chọn tạo giống lúa chất lượng 5

1.4.1 Tình hình nghiên cứu chọn tạo giống bằng phương pháp đột biến thực nghiệm trên thế giới 5

1.4.2 Tình hình nghiên cứu chọn tạo giống bằng phương pháp đột biến thực nghiệm ở Việt Nam 9

1.4.3 Cơ sở khoa học của sự phát sinh đột biến trong chọn giống cây trồng 12

1.4.4 Một số phương pháp trong chọn tạo giống lúa chất lượng 17

1.4.4.1 Phương pháp chọn tạo giống đột biến 17

1.4.4 2 Nghiên cứu về lai tạo các giống lúa chất lượng 19

1.4.4.3 Di truyền các tiêu chí năng suất, chất lượng của lúa 20

1.4.4.4 Chọn tạo giống lúa chất lượng bằng phương pháp chuyển gen 25

1.4.5 Sử dụng các chỉ thị phân tử trong chọn giống lúa chất lượng 26

CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 30

2.1 Vật liệu nghiên cứu 30

vi

2.2 Nội dung nghiên cứu 30

2.3 Phương pháp nghiên cứu: 30

2.3.1 Xử lý đột biến 30

2.3.2 Bố trí thí nghiệm 31

2.3.3 Phương pháp chọn dòng đột biến 31

2.3.4 Phương pháp đánh giá một số tính trạng nông học và yếu tố cấu thành năng suất 33

2.3.5 Phương pháp phân tích thành phần sinh hóa trong gạo 35

2.3.6 Nghiên cứu đa dạng di truyền bằng chỉ thị ADN 40

2.3.6.1 Phương pháp tách chiết ADN tổng số 40

2.3.6.2 Phương pháp PCR 41

2.3.6.3 Phương pháp điện di trên gel agarose 1% 42

2.3.6.4 Phương pháp thôi gel theo kit Qiagen 43

2.3.6.5 Giải trình tự 43

2.3.7 Phân tích và xử lý số liệu 43

2.3.7.1 Phân tích số liệu kiểu hình 43

2.3.7.2 Phân tích số liệu kiểu gen 43

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 45

3.1 Ảnh hưởng của tác nhân đột biến lên tỷ lệ sống sót qua các giai đoạn ở thế hệ M1 45

3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của các tác nhân gây đột biến đến một số đặc tính nông sinh học của cây lúa sau khi xử lý ở thế hệ M1, M2, M3 49

3.2.1 Ảnh hưởng của tác nhân đột biến đến chiều cao cây 49

3.2.2 Ảnh hưởng của tác nhân đột biến đến khả năng đẻ nhánh 54

3.2.3 Ảnh hưởng của tác nhân đột biến đến thời gian sinh trưởng 57

3.2.4 Ảnh hưởng của tác nhân đột biến đến các yếu tố cấu thành năng suất 60

3.3 Đánh giá một số chỉ tiêu chất lượng thế hệ M2, M3 63

3.3.1 Đánh giá các chỉ tiêu phẩm chất thế hệ M2 63

3.3.2 Đánh giá các chỉ tiêu phẩm chất thế hệ M3 67

vii 3.4 Đánh giá một số chỉ tiêu chính của các dòng đột biến thế hệ M4, M5, M6 7 0 3.5 Đa dạng di truyền của các dòng nghiên cứu và giống gốc dựa vào các đặc

điểm hình thái 77

3.5.1 Đa dạng di truyền dựa vào các đặc điểm hình thái giống ST19 và các dòng đột biến 77

3.5.2 Đa dạng di truyền dựa vào các đặc điểm hình thái giống Q2 và các dòng đột biến 78

3.6 Ứng dụng chỉ thị phân tử chọn lọc các dòng triển vọng 79

3.6.1 Kết quả tách chiết và tinh sạch ADN tổng số 79

3.6.2 Kết quả xác định hương thơm của một số dòng lúa triển vọng 80

3.7 Đánh giá đa dạng di truyền ở mức độ phân tử các dòng đột biến triển vọng 84 3.7.1 Hệ số PIC, số alen và tổng số băng ADN thể hiện trên từng cặp mồi 84

3.7.2 Tỷ lệ dị hợp tử (H%) và tỷ lệ khuyết số liệu (M%) của các dòng lúa nghiên cứu 87

3.7.3 Kết quả phân tích đa hình và mối quan hệ di truyền của các dòng lúa nghiên cứu 89

3.7.4 Kết quả giải trình tự một số dòng đột biến triển vọng………… …….92

3.8 Kết quả khảo nghiệm dòng đột biến triển vọng 96

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 106

1 Kết luận 106

2 Kiến nghị 107

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 108

TÀI LIỆU THAM KHẢO 109

viii

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1: Các bước chọn dòng đột biến bằng hạt đối với cây trồng tự phấn 32

Bảng 2.2: Các tính trạng hình thái nông học và thang điểm theo IRRI, 1996 34

Bảng 2.3 Hệ thống đánh giá chuẩn hàm lượng amylose cho lúa (IRRI, 1988) 37

Bảng 2.4 Bảng phân cấp độ trở hồ (IRRI, 1979) 38

Bảng 2.5 Đánh giá độ trở hồ theo thang điểm của IRRI (1979) 38

Bảng 2.6 Phân cấp độ bền thể gel theo thang đánh giá của IRRI (1996) 39

Bảng 2.7 Thành phần các chất dùng cho mỗi phản ứng PCR với mồi SSR 41

Bảng 2.8 Chương trình chạy của phản ứng PCR 42

Bảng 2.9 Danh sách các mồi LOAN_qAC7_ amylose và LOAN_Wx 42

Bảng 3.1: Tỷ lệ sống sót qua các thời kì ở thế hệ M1 (Vụ xuân 2014) 45

Bảng 3.2 Tần số biến dị về chiều cao cây của các dòng lúa thế hệ M1 50

Bảng 3.3 Tần số đột biến về chiều cao cây của các dòng lúa thế hệ M2 52

Bảng 3.4 Tần số đột biến về chiều cao cây của các dòng lúa thế hệ M3 53

Bảng 3.5 Tần số biến dị về số nhánh của các dòng lúa thế hệ M1 55

Bảng 3.6 Tần số đột biến về số nhánh của các dòng lúa thế hệ M2 56

Bảng 3.7 Tần số đột biến về số nhánh của các dòng lúa thế hệ M3 56

Bảng 3.8 Tần số biến dị về thời gian sinh trưởng ở thế hệ M1 57

Bảng 3.9 Tần số biến dị về thời gian sinh trưởng ở thế hệ M2 58

Bảng 3.10 Tần số đột biến về thời gian sinh trưởng ở thế hệ M3 59

Bảng 3.11 : Thành phần năng suất một số đột biến thu được thế hệ M2 61

Bảng 3.12 : Thành phần năng suất một số đột biến thu được thế hệ M3 62

Bảng 3.13 Độ bền thể gel của giống đối chứng và các đột biến thu được ở thế hệ M2 (Vụ mùa 2014) 64

Bảng 3.14: Hàm lượng amylose và protein của giống đối chứng và các đột biến thu được ở thế hệ M2 (Vụ mùa 2014) 66

Bảng 3.15: Độ bền thể gel của giống đối chứng và các đột biến thu được ở thế hệ M3 (Vụ xuân 2015) 68

ix Bảng 3.16: Hàm lượng amylose và protein của giống đối chứng và các đột biến thu

được ở thế hệ M3 (Vụ xuân 2015) 69

Bảng 3.17: Một số chỉ tiêu chính của các dòng đột biến thế hệ M4 70

Bảng 3.18: một số chỉ tiêu chính của các dòng đột biến thế hệ M5 72

Bảng 3.19: một số chỉ tiêu chính của các dòng đột biến thế hệ M6 73

Bảng 3.20 Hương thơm của các dòng lúa 81

Bảng 3.21 Kết quả kiểm tra gen BAD2 của các dòng lúa nghiên cứu 83

Bảng 3.22 Số alen thể hiện và hệ số PIC của 30 cặp mồi SSR trên các dòng đột biến từ giống ST19 84

Bảng 3.23 Số alen thể hiện và hệ số PIC của 30 cặp mồi SSR trên các dòng đột biến từ giống Q2 86

Bảng 3.24 Tỷ lệ dị hợp tử (H%) và tỷ lệ số liệu khuyết (M%) của các dòng lúa đột biến từ giống ST19 87

Bảng 3.25 Tỷ lệ dị hợp tử (H%) và tỷ lệ số liệu khuyết (M%) của các dòng lúa đột biến từ giống Q2 88

Bảng 3.26 So sánh với giống tương tự ĐC2 98

Bảng 3.27 Đặc điểm sinh trưởng của giống khảo nghiệm 99

Bảng 3.28 Độ thuần đồng ruộng và các yếu tố cấu thành năng suất của giống khảo nghiệm 99

Bảng 3.29 Mức độ nhiễm sâu bệnh của giống khảo nghiệm 100

Bảng 3.30 Năng suất thực thu của giống khảo nghiệm tại các tỉnh 101

Bảng 3.31 Chỉ tiêu chất lượng gạo của giống lúa HY198 101

Bảng 3.32 Chỉ tiêu chất lượng cơm của giống lúa HY198 102

Bảng 3.33 Kết quả khảo nghiệm sản xuất giống HY198 tại các tỉnh Đồng bằng Sông Hồng 103

Bảng 3.34: Kết quả đánh giá mức độ nhiễm sâu bệnh của giống lúa HY198 tại các tỉnh Đồng bằng sông Hồng 104

x

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 : Sơ đồ tiến hoá của hai loài lúa trồng 2 Hình 1.2: Biểu đồ mô tả các vị trí marker phân tử liên quan đến chất lượng dinh dưỡng ngũ cốc của gạo phân phối trên 12 nhiễm sắc thể từ cuộc khảo sát tài liệu toàn diện Dấu phân tử ở bên phải và vị trí của chúng (cM) ở bên trái của nhiễm sắc thể (Màu đỏ), tính chất nấu ăn của CP (màu xanh), yếu tố dinh dưỡng của NF (màu hồng), mùi thơm FRG của hạt gạo (màu xanh lá cây) (màu sắc cho biết các dấu hiệu liên quan đến các đặc điểm về chất lượng dinh dưỡng trong gạo) 29 Hình 3.1: Độ dài gel (cm) của giống đối chứng và các dòng đột biến của giống Q2, ST19 65 Hình 3.2 Một số hình ảnh giống ST19 và các dòng đột biến triển vọng 76 Hình 3.3 Sơ đồ hình cây về mối quan hệ di truyền của 35 dòng lúa đột biến từ giống ST19 78 Hình 3.4 Sơ đồ hình cây về mối quan hệ di truyền của 5 dòng lúa nghiên cứu từ giống Q2 79 Hình 3.5 Kiểm tra nồng độ và chất lượng ADN trên gel agarose 1% 80 Hình 3.6 Ảnh điện di sản phẩm PCR của các dòng lúa nghiên cứu với mồi BADH2 82 Hình 3.7 Ảnh điện di sản phẩm PCR của các dòng lúa nghiên cứu với cặp mồi RM246 89 Hình 3.8 Ảnh điện di sản phẩm PCR của các dòng lúa nghiên cứu với cặp mồi RM234 89 Hình 3.9 Sơ đồ hình cây về mối quan hệ di truyền của 35 dòng lúa nghiên cứu 91 Hình 3.10 Ảnh điện di sản phẩm PCR của các dòng lúa nghiên cứu với cặp mồi wx 92 Hình 3.11 Ảnh điện di sản phẩm PCR của các dòng lúa nghiên cứu với cặp mồi qac7 92 Hình 3.12 Một đoạn giản đồ có các đỉnh với bốn màu sắc khác nhau tương ứng với bốn loại nucleotide 93 Hình 3.13 Kết quả giải trình tự của các dòng lúa nghiên cứu với cặp mồi wx 93 Hình 3.14 Kết quả giải trình tự của các dòng lúa nghiên cứu với cặp mồi qac7 94

xi

Hình 3.15 Kết quả giải trình tự của các dòng lúa Q2 với cặp mồi qac7 95

Hình 3.16 Sơ đồ hình cây về mối quan hệ di truyền của 03 dòng lúa Q2 dựa vào kết quả giải trình tự 95

Hình 3.17 Sơ đồ chọn tạo giống lúa HY198 97

Biểu đồ 3.1: Tỷ lệ sống sót qua các thời kì ở thế hệ M1 của giống Q2 47

Biểu đồ 3.2: Tỷ lệ sống sót qua các thời kì ở thế hệ M1 của giống ST19 47

xii

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Lúa gạo là một trong những loại cây lương thực chủ yếu trên thế giới, có vai trò rất quan trọng ở cả lĩnh vực kinh tế và vấn đề an ninh lương thực Lúa được trồng rộng khắp từ 30o Nam vĩ tuyến đến 40o

Bắc vĩ tuyến Diện tích trồng lúa chiếm khoảng 1/10 diện tích các giống cây trồng trên thế giới, khoảng 91% diện trích trồng lúa là ở Châu Á, khoảng 9% còn lại được phân bố ở Châu Âu, Châu Mỹ, Châu Phi Lúa gạo là một trong những nguồn lương thực quan trọng cho khoảng 2/3 dân số trên thế giới và là nguồn cung cấp lương thực chủ yếu của châu Á Do đó, các chương trình chọn tạo giống lúa luôn được chú trọng và phát triển nhằm tăng năng suất và chất lượng lúa, đáp ứng nhu cầu tiêu thụ trên toàn cầu

Việt Nam là quốc gia xuất khẩu gạo lớn thứ hai thế giới, sản lượng lúa gạo của Việt Nam đóng vai trò quan trọng đối với an ninh lương thực ở khu vực Châu

Á (FAO, 2018) Để đáp ứng nhu cầu tiêu thụ do bùng nổ dân số, đô thị hoá và những ảnh hưởng của biến đổi khí hậu, dự đoán đến năm 2040 sản lượng gạo cần tăng thêm 20% (IRRI, 2018) Do đó, việc nâng cao năng suất lúa gạo trở thành mục tiêu quan trọng đối với các quốc gia trồng lúa

Khi bắt đầu thực hiện cuộc cách mạng xanh, hầu hết các chương trình chọn giống lúa đều tập trung phát triển các giống lúa có tính trạng chống chịu sâu bệnh và cho năng suất cao Phần lớn các giống có mùi thơm thường có năng suất thấp nên người dân đã ngừng trồng các giống lúa thơm đặc sản của địa phương và thay thế chúng bằng các giống ngắn ngày, kháng sâu bệnh, năng suất cao và không

thơm (Bhattacharjee P et al., 2002) [36] Điều này dẫn đến sự tổn hại về mặt đa

dạng di truyền của các giống lúa thơm, có nhiều giống lúa thơm địa phương đã bị

cạnh tranh và thất lạc (Singh RK el al., 2000 ) [103], (Bhattacharjee P et al., 2002) [36], (Garg AK et al., 2006) [50]

Hiện nay, các chương trình phát triển và bảo tồn giống lúa chất lượng đang là vấn đề được rất nhiều nước trên thế giới quan tâm Tuy nhiên, việc chọn tạo các giống lúa chất lượng bằng các phương pháp truyền thống là rất khó khăn, bởi sự di truyền đa gen và tương tác của môi trường là những yếu tố gây khó khăn trong việc

xiii cải tiến các tính trạng chất lượng Đối với những giống lúa thơm, phương pháp đột biến tỏ ra hiệu quả vì gây ra những đột biến điểm Mặt khác, những hiểu biết về mặt

đa dạng di truyền nguồn gen là một điều kiện tiên quyết để kế thừa và sử dụng một cách có hiệu quả trong các phương pháp chọn tạo giống lúa chất lượng

Vì những lý do trên, chúng tôi lựa chọn đề tài

"Nghiên cứu ứng dụng đột biến thực nghiệm và chỉ thị phân tử để cải

tiến giống lúa ST19 và Q2”, nhằm tạo ra những dòng lúa mới có năng suất cao,

chất lượng tốt, chống chịu sâu bệnh khá thích ứng được với các điều kiện môi trường biến đổi khí hậu phức tạp hiện nay và góp phần bảo đảm an ninh lượng thực trong nước và trên thế giới

2 Mục tiêu của luận án

- Nghiên cứu và sử dụng thành công phương pháp đột biến thực nghiệm kết hợp với chỉ thị phân tử để cải tiến 2 giống lúa ST19 và Q2 cho vùng Đồng bằng Sông Hồng

- Tạo ra vật liệu khởi đầu phong phú cho công tác chọn giống lúa

- Chọn tạo được 1 dòng có triển vọng gửi khảo nghiệm tác giả

3 Ý nghĩa khoa học, thực tiễn và tính mới của của luận án

* Ý nghĩa khoa học của luận án

Cung cấp thông tin và cơ sở khoa học cho việc lựa chọn tác nhân gây đột biến, ứng dụng chỉ thị phân tử trong đánh giá sai khác di truyền của các dòng lúa được tạo ra do đột biến

* Ý nghĩa thực tiễn của luận án

Tạo ra nguồn vật liệu khởi đầu phong phú phục vụ công tác chọn tạo giống,

và chọn tạo thành công giống lúa thuần HY198 có thời gian sinh trưởng ngắn, năng suất khá, chất lượng khá phục vụ sản xuất lúa chất lượng cao ở các tỉnh phía Bắc

* Những đóng góp mới của luận án

- Xác định được các biến dị di truyền ở thế hệ M2, M3 phụ thuộc chặt chẽ vào bản chất di truyền của giống, liều lượng và kiểu tác nhân gây đột biến

xiv

- Thông qua giải trình tự gen các dòng đột biến xác định chính xác kiểu đột biến gen do mất đoạn hoặc thay thế nucleotid để tạo nên kiểu gen mới Và khẳng định chắc chắn các đột biến dấu hiệu hình thái có liên quan tới cấu trúc phân tử

- Chọn tạo thành công giống lúa thuần HY198 có thời gian sinh trưởng ngắn, năng suất cao, chất lượng khá, phù hợp điều kiện canh tác tại các tỉnh đồng bằng sông Hồng Giống lúa HY198 đã được công nhận sản xuất thử nghiệm theo Quyết định số 30/QĐ-TT-CLT, ngày 25/01/2019 của Cục Trồng trọt

1

CHƯƠNG I TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Nguồn gốc phân loại cây lúa

Tổ tiên cây lúa đã tồn tại từ đầu kỷ Phấn trắng Vào giữa kỷ này, xuất hiện

một trong những loài nguyên thuỷ nhất thuộc họ Oryzae, đó là loại Streptochasta Schrad Đến cuối kỷ Phấn trắng xuất hiện các loại tre (Bambusa) và lúa (Oryza)

Một số loại khác xuất hiện muộn hơn vào kỷ thứ ba, thời kỳ phát triển mạnh nhất

của họ Hoà thảo (Gramineae) Các loài lúa Oryza spp có cùng tổ tiên chung xuất

hiện vào thời địa cầu GondwanalADN, sau khi trái đất tách rời thành năm lục địa (Trần Văn Đạt, 2005) [6]

Ở Châu Phi cũng thấy xuất hiện cả hai loài lúa dại Oryza longistaminata (đa niên) và Oryza brevigulata (hàng niên), do đó nhiều tác giả cho rằng Oryza

glaberrima có nguồn gốc từ Oryza breviligulata (Trần Văn Đạt, 2005) [6]

Cho đến nay, nhiều nhà khoa học đã đồng ý rằng lúa Glaberrima và lúa

Sativa có cùng chung nguồn thủy tổ vào thời kỳ lục địa nguyên thuỷ Gondwanal

ADN Sau khi các lục địa tách rời nhau, lúa Sativa và Glaberrima tự tiến hoá từ các

loài lúa dại bản địa ở hai châu lục là Châu Á và Châu Phi (hình 1)(Michael J

Kovach et al., 2009) [80]

Do những ảnh hưởng khắc nghiệt của môi trường như khô hạn, nhiệt độ thay đổi quá lớn… nhiều loài lúa dại nguyên thủy đa niên đã trở thành loài lúa hàng niên

để thích ứng với đất đai địa phương và khí hậu gió mùa Về phương diện sinh thái

và địa dư, cây lúa châu Á đã trải qua quá trình tiến hóa lâu dài để thích ứng với môi

trường khác nhau và được phân chia thành 3 nhóm chính: Indica, Japonica (hay Sinica) và Javanica (Japonica nhiệt đới) Mặc dù các phân tích phát sinh loài này

đều chỉ ra rằng Indica và Japonica có nguồn gốc độc lập, một số phân tích khác nhằm vào các gen đã thuần hoá ở hai loài này lại chỉ ra rằng các gen này được cố định ở cùng allen trong hệ gen, các phân tích đa hình SNP cũng cung cấp thông tin cho rằng Indica và Japonica có cùng một nguồn gốc

2

Lục địa GondwanalADNs

Tổ tiên chung

Nam và Đông Nam Á Tây Châu Phi

Lúa dại đa niên O rufipogon O longistaminata

Lúa dại hàng niên O nivara O breviligulata

Lúa trồng O Sativa O sativa O glaberrima

Indica Japonica

Ôn đới Nhiệt đới

Hình 1.1 : Sơ đồ tiến hoá của hai loài lúa trồng

Hiện nay lúa Indica được trồng trên 80% diện tích trồng lúa trên thế giới và

cung cấp nguồn lương thực cho hơn 3 tỷ người, chủ yếu các nước đang phát triển,

còn lại hai loại lúa Japonica và Javanica chỉ chiếm tương đương 11% và 9% Ba

loại lúa này được nhận biết qua sự khác nhau về hình thái như thân, lá, hạt và thành phần cấu tạo hạt, đặc biệt là hàm lượng amylose, amylopectin, khả năng chống hạn, chịu lạnh, v.v

- Lúa Japonica (hay Sinica): Có hạt tròn, ngắn, thường không có đuôi, gié

ngắn, nhiều chồi thẳng đứng, cây thấp giàn, chịu lạnh tốt và kém chịu hạn, hàm lượng amylose thấp (14 - 17%) và thường được trồng ở các vùng ôn đới

- Lúa Indica: Có hạt dài thon, có hàm lượng amylose trung bình (trên 21%),

không có đuôi, gié trung bình, thân cây tỏa rộng, cao giàn, kém chịu lạnh, chịu hạn hán khá và được trồng rất phổ biến ở các vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới

3

- Lúa Javanica (Japonica nhiệt đới): Có tính chất trung gian giữa lúa Japonica

và lúa Indica Lúa Javanica có hạt to rộng, hàm lượng amylose cao, thường có đuôi,

trấu có lông dài, ít chồi, gié dài, thân cây dày thẳng đứng, cây rất cao giàn, chịu hạn hán nhưng kém chịu lạnh và được trồng ở Indonesia, chủ yếu Java và Sumatra

1.2 Tình hình sản xuất lúa chất lượng trên thế giới và Việt Nam

Lúa chất lượng là giống lúa không những có kích thước, hình dạng hạt thon dài mà còn có phôi nhũ, hàm lượng amylose thấp và đặc biệt các giống lúa chất lượng có mùi thơm đặc trưng

Các giống lúa thơm thường được trồng phổ biến ở châu Á, riêng giống lúa Basmati được gieo trồng khoảng 2 triệu ha chủ yếu ở các nước Ấn Độ, Pakistan và Nepan Gạo thơm có hạt nhỏ, thon và dài từ 6,8 đến 7,0 mm, tỉ lệ chiều dài và chiều rộng từ 3,5 đến 3,7mm và có hàm lượng amylose trung bình 20-22%

Ở Ấn Độ có hàng trăm giống lúa thơm địa phương, tuy nhiên chỉ có giống lúa thơm Basmati được ưa chuộng nhất Gạo thơm Basmati có hai đặc tính quan trọng : mùi thơm đặc trưng và cơm nở dài, có từ 22 - 25% amylose, gạo vẫn giữ được đặc tính này sau khi nấu Ở Thái Lan có hai giống lúa thơm nổi tiếng là Khao Dak Mali

105 và Jasmine 85 Gạo thơm Khaw Dawk Mali 105 có hàm lượng amylose thấp hơn 20% nên hạt cơm sau khi nấu hạt còn hơi dính vào nhau

Ở Philippin có giống Milsagrosa và ở Trung Quốc có các giống Bắc thơm, Quế hương chiêm, Qua dạ hương và Chi ưu hương là các giống lúa chất lượng nổi tiếng trên thế giới

Giống lúa Koshihikari là giống lúa cổ truyền của Nhật, thuộc loài phụ

Japonica, có chất lượng cao, hương vị rất được ưa thích trong những bữa ăn chính

của người Nhật Giống lúa Koshihikari được xem như là lúa Basmati của Nhật với diện tích gieo trồng chiếm khoảng 30% tổng diện tích trồng lúa ở nước này

Ở Việt Nam, có rất nhiều các giống lúa thơm thuộc loại lúa địa phương như Nàng Thơm Chợ Đào ở miền Nam, tám thơm Mễ Trì, Tám thơm Hải Hậu, tám Ấp Bẹ ở miền Bắc, lúa Dự, lúa Di, miền Trung có lúa Gié (hoặc De) như Gié An Cựu

ở Huế và các giống lúa nương

4

1.3 Các yếu tố cấu thành năng suất, chất lượng của lúa

Chất lượng của lúa phụ thuộc nhiều yếu tố như hàm lượng amylose, dạng nội nhũ, hàm lượng protein và đặc biệt là hương thơm…

Hương thơm của lúa thường có mùi thơm nhẹ hoặc thơm ngát của các loại lúa Basmati hoặc Jasmine Phân tích hóa học trên một phổ rộng các giống lúa thơm và không thơm cho thấy có rất nhiều các thành phần khác nhau và có sự thay đổi của các thành phần này trong quá trình bảo quản

Tính trạng dẻo của gạo được quyết định bởi hàm lượng amyloza có trong nội nhũ hạt, amylose chiếm khoảng 2-30% trong tinh bột gạo và nó là yếu tố quyết định của tính dẻo, dính và trắng bóng của hạt gạo Gạo có hàm lượng amylose cao thường cứng và khô cơm, khi nấu hạt gạo rời nhau Gạo có hàm lượng amylose thấp thường dẻo, dính và bóng cơm Sự tổng hợp của amylose là do sự thủy phân của enzym granule-bound starch synthaza (GBSS), enzym này được mã hóa bởi gen

Wx Các giống lúa phi sáp (không dẻo) có chứa 2 alen ở locus waxy được gọi là Wx a

và Wx b Alen Wx a chủ yếu có mặt trong các giống lúa Indica trong khi đó alen Wx b

là trội trong giống lúa Japonica

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

Số bông/đơn vị diện tích, số hạt/bông, tỷ lệ hạt chắc/bông và khối lượng nghìn hạt

(Phạm Xuân Hội et al., 2019) [10]

Số bông/đơn vị diện tích hình thành bởi 3 yếu tố: mật độ cấy, số nhánh (số dảnh hữu hiệu), điều kiện ngoại cảnh và yếu tố kỹ thuật (như phân bón, nhiệt độ, ánh sáng ) Mật độ cấy là cơ sở của việc hình thành số bông/đơn vị diện tích Tùy vào giống lúa và các điều kiện thâm canh như: đất đai, nước, phân bón, thời vụ

mà quyết định mật độ cấy thích hợp để có thể tăng tối đa số bông trên một đơn vị diện tích Một yếu tố cũng hết sức quan trọng là điều chỉnh sao cho số bông hữu hiệu/đơn vị diện tích là cao nhất và thích hợp nhất, biện pháp tối ưu là hiệu số giữa

số nhánh/cây và số nhánh hữu hiệu/cây bằng không (http://www.vaas.org.vn/)

Nâng cao năng suất cây trồng là một trong những ưu tiên hàng đầu trong chương trình chọn tạo giống Trong đó, cải thiện cấu trúc bông lúa đã được chứng minh là một chiến lược thành công Cấu trúc bông lúa được quyết định bởi số lượng

5 spikelet (SD), chiều dài trục bông (PL), số gié sơ cấp (PBN), số gié thứ cấp

(SBN)… ( Li et al., 2018) [69] được di truyền theo tính trạng số lượng và thường

được kiểm soát bởi một số lượng lớn các gen và định lượng đặc điểm loci (QTLs),

số lượng gié thứ cấp là yếu tố chính quyết định số hạt/bông (Bai et al., 2016) [33]

Năng suất lúa là một tính trạng phức tạp được kiểm soát bởi các locus đặc điểm định lượng (QTLs) Trong nhiều thập kỷ qua, hàng ngàn QTL cho các đặc điểm năng suất lúa đã được phát hiện, nhưng chỉ có một tỷ lệ rất nhỏ được sao chép cho đến nay, vì việc xác định các QTL đòi hỏi một sự đầu tư đáng kể về thời

gian và tiền bạc (Wu et al., 2016) [121] Nhiều QTL liên quan đến các tính trạng

năng suất như khối lượng 1000 hạt, số lượng bông/khóm, số gié sơ cấp trên bông,

số gié thứ cấp trên bông, dài trục bông, số nhánh/bông, số hạt/bông đã được công

bố trong vài năm gần đây, trong đó một số loci chứa các gen đã được biết đến có

ảnh hưởng tới cấu trúc bông (Bai et al., 2016) [33]

1.4 Nghiên cứu về đột biến thực nghiệm và chọn tạo giống lúa chất lượng

1.4.1 Tình hình nghiên cứu chọn tạo giống bằng phương pháp đột biến thực nghiệm trên thế giới

Từ lâu, gây đột biến thực nghiệm để làm vật liệu khởi đầu cho chọn giống đã được coi là một trong những kỹ thuật ứng dụng cao trong nông nghiệp Phương pháp này được biết đến vào năm 1925 khi Natxon và Philippôp phát hiện rằng tia Rơnghen có khả năng gây ra đột biến di truyền ở nấm bậc thấp Nhưng phải sau các công trình nổi tiếng của Muller, Xapegin, Delone… cũng phát hiện ra hiệu quả này của tia Rơn ghen ở trên ruồi giấm và ngô (1926 - 1935) Các tác giả đã rút ra kết luận: Các đột biến do tia X gây ra là những vật liệu rất tốt để chọn tạo giống mới Đồng thời các nhà khoa học thời đó còn đi sâu vào nghiên cứu cơ chế của quá trình đột biến ở mức độ tế bào và nhiễm sắc thể và giải thích được những hiện tượng này theo các thuyết “Bia” và thuyết “Trao đổi” (Trần Duy Quý, 1999) [16]

Ngay từ những năm 1970, Cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế (IAEA) và

Tổ chức nông lương thế giới (FAO) đã tài trợ mở rộng hướng nghiên cứu gây đột biến nhằm cải tạo những giống cây nông nghiệp và cây công nghiệp nhiều nước trên

6 thế giới để tạo ra hàng loạt giống mới như: lúa, lúa mỳ, lúa mạch, táo, chanh, mía, chuối và những loại cây trồng khác

Chương trình chọn giống đột biến được xây dựng ở trường Đại học Nông nghiệp Sokoine (SUA), Morogoro, Tanzania với mục tiêu giảm được chiều cao cây

và thời gian chín của các giống đang được trồng phổ biến ở nước này mà vẫn giữ nguyên được các đặc tính tốt của chúng A Luzi-Kihupi và các cs đã đem hạt khô của các giống lúa bản địa này được xử lý chiếu xạ tia gamma từ Co60 tại phòng thí nghiệm của Cơ quan Năng lượng nguyên tử Quốc tế năm 1987, 1994, 2001 với các

liều lượng 170, 210, 240 và 250 Gy (A Luzi-Kihupi et al., 2009) [27] Các hạt qua

xử lý chiếu xạ được gieo trồng tại SUA và tiến hành chọn lọc theo phương pháp phả

hệ (pedigree), chỉ tiêu chọn là chiều cao cây và chín sớm Ngoài ra, phương pháp chọn lọc đơn cá thể (Single Seed Descent – SSD) cũng được sử dụng Theo phương pháp này, từ mỗi cây của thế hệ M2 chọn ra một hạt ngẫu nhiên gieo trồng nên thế

hệ M3 Một số giống đột biến được tạo ra từ nghiên cứu trên đã được sử dụng trong chương trình lai tạo giống Những giống chọn lọc được đã có sự cải tiến về dạng cây và vẫn giữ nguyên các giá trị ban đầu, được nông dân trồng nhiều Các đột biến chọn lọc được bằng phương pháp chọn lọc cá thể có thời gian chín rất sớm và kháng được bệnh virut vàng lá lúa Sau vài năm khảo nghiệm ở các vùng sinh thái khác nhau, giống SSD 35 được đưa ra sản xuất với tên Mwangaza Mặt khác, các giống đột biến chọn được có nguồn gốc từ giống “Salama” thường được lai với các giống

có tiềm năng năng suất cao và kháng bệnh virut vàng lá lúa Giống đột biến Supa thấp cây, M-100 được lai trở lại với Supa, kết quả chọn được một dòng cho năng suất cao, được đề nghị trồng ở Zanzibar Một số dòng khi lai giữa các giống đột biến với một số giống khác đã có tính kháng với bệnh virut vàng lá, cho tiềm năng năng suất cao và chất lượng hạt tương đối tốt

Ở Trung Quốc và Đài Loan, hai giống lúa lùn đầu tiên được tạo ra ở Đài Loan năm 1957, một giống thông qua sử dụng trực tiếp thể đột biến là Shuang Chiang 30–21 và giống LH1 qua chọn giống lai giữa thể đột biến này với Taichung Native 1 (Hu, 1986) Trường hợp thành công nhất trong số các giống đột biến với tính chín sớm nhờ cải tiến của Yuangfen Zao, được sản xuất năm 1971 Từ năm

7

1985 đến nay, nó được xếp vào một trong số ba giống lớn nhất ở Trung Quốc, được trồng trên 1 triệu hecta dọc theo sông Dương Tử (Ukai, 1997) Một giống chín sớm nổi tiếng khác là Zhefu 802 được trồng trên 1.400.000 ha năm 1989 Trung Quốc luôn là nước đứng đầu về số lượng các giống lúa và cây trồng đột biến

Ở Nhật Bản, các dòng đột biến Sakai 64 và Fukei 53 được tạo ra đầu tiên trong các năm 1958 và 1959, sau đó là Sakai 65 và Fukei 54 Từ năm 1966, Futsuhara và cs cho sản xuất giống lúa đột biến đầu tiên ở Nhật là giống bán lùn Reimei bắt nguồn từ Fujiminori do chiếu xạ tia gamma Giống lúa nổi tiếng này được trồng ở miền Bắc, trên diện tích 1.410.000 ha năm 1969 Hơn nữa, nó cũng được sử dụng làm bố mẹ rất thành công trong các chương trình chọn giống lai Theo Sato (1982, 1983), trong số 9 giống được tạo ra bằng phương pháp chiếu xạ, đáng

kể nhất là giống Akihikara (Reimei x Tpyonisiki) được trồng tới 136.375 ha năm

1970, xếp hàng thứ 4 về diện tích gieo trồng ở Nhật

Ở Srilanka, lúa gạo có diện tích gieo trồng 870.000 ha, chiếm 34% diện tích đất nông nghiệp và hiện nay sản xuất được 2.7 triệu tấn mỗi năm, đáp ứng được 95% nhu cầu nội địa Lúa gạo cung cấp 45% lượng calo và 40% lượng protein trong khẩu phần ăn hàng ngày của người dân (IRRI, 2008) Việc phát triển các giống lúa thơm phục vụ cho xuất khẩu và tăng thu nhập cho nông dân là rất quan trọng đối với đất nước này R Pathirana và các cs đã đem hai giống lúa thơm Au 27789 và

IR Basmati đi xử lý chiếu xạ tia gamma (nguồn 60Co) ở các liều lượng 200 và 300

Gy (R Pathirana et al., 2009) [95] Dựa trên các đặc điểm nông sinh học cơ bản, tác

giả đã chọn ra 635 cá thể M2 để phát triển thành quần thể M3 và 60 cá thể con từ phép lai giữa các giống bố mẹ không bị xử lý chiếu xạ để làm đối chứng Khi so sánh với đối chứng cho thấy cả 2 liều lượng xử lý đều có hiệu quả tác động rõ rệt, làm đa dạng các kiểu gen quy định các tính trạng nông học và có tính di truyền cao

từ thế hệ M2 sang M3 Kết quả chọn được ba dòng đột biến với dạng cây đứng gọn, bản lá rộng, bông to, chất lượng tương đối tốt và khi đem khảo nghiệm qua 4 vụ ở 5 vùng sinh thái khác nhau so với 2 giống đối chứng thì đều thể hiện là các dòng có năng suất cao nhất Dòng đột biến 22/3 có mùi thơm trung bình, năng suất đạt 2.5 tấn/ha (năng suất trung bình của các giống trồng ở vùng đất trũng là 1.5 – 2 tấn/ha)

8 Hơn nữa dòng này còn có dạng bông chụm, góc lá hẹp cho phép tăng mật độ trồng nên có thể nâng cao thêm năng suất Ngoài ra dạng hạt của chúng đều là dạng hạt dài, tỷ lệ dài/rộng lớn, đó đều là các đặc điểm quan trọng của loại gạo thơm hạt dài

Các giống lúa thơm ở Ấn Độ rất đa dạng và phân bố rộng Giống lúa thơm nổi tiếng nhất của Ấn Độ là Basmati, chiếm phần lớn diện tích trồng lúa thơm của nước này Hầu hết các giống lúa thơm của Ấn Độ, bao gồm cả Basmati, được xếp vào nhóm V, là các giống ưa sáng, cao cây, chín muộn và năng suất thấp Hầu hết các nghiên cứu đều tập trung vào việc cải tiến giống Basmati và các giống khác nhằm làm tăng giá trị xuất khẩu của chúng Và nhờ vào việc mở rộng diện tích trồng các giống lúa chất lượng cao mà Ấn Độ không những tự cung cấp đủ lương thực mà còn chuyển từ nước phải nhập khẩu lúa gạo sang đất nước xuất khẩu gạo đứng thứ hai trên Thế Giới Với mức sống của người dân ngày càng được cải thiện thì thị trường của các giống lúa thơm ngày càng ổn định bởi trước đây các giống lúa thơm, ngon cơm chỉ phục vụ cho một nhóm người tiêu dùng đặc biệt Hướng đi của việc cải tiến giống chính là thay đổi một số đặc tính như thời gian sinh trưởng và chiều cao cây mà vẫn bảo tồn được các đặc tính chất lượng đặc trưng của mỗi giống Theo phương pháp chọn lọc phả hệ thì rất khó để có thể tái tổ hợp được các tính trạng như ban đầu nhưng bằng phương pháp gây đột biến thì có thể Giống Ambemohar, giống đột biến từ Maharashtra là một ví dụ, giống này đã được đưa vào sản xuất ở một số bang khác nhau của Ấn Độ A Patnaik và G.J.N Rao đã tiến hành thu thập mười hai giống từ các vùng khác nhau gồm: Kalanamak, Dubraj, Tulsiphool, RADNhunipagal, Badshahbhog, Katrani, Improved Raskadam, Kalajeera, Pimpudibasa, Chinikamini, Dhusara và Kalajoha đem sử dụng làm vật liệu để xử lý chiếu xạ tia Gamma và tiến hành chọn lọc ở thế hệ M2 với chỉ tiêu thời gian sinh trưởng ngắn hơn 10 ngày và chiều cao cây thấp hơn 20% so với các giống gốc (A Patnaik, G.J.N Rao, 2009) [30]

Trên toàn thế giới có khoảng 3800 giống đột biến, trong đó trên 2900 giống cây lương thực như lúa, lúa mỳ và các loại ngũ cốc, ngoài ra là các loại rau, hoa (IAEA, 2018) đã được tạo ra bằng gây đột biến thực nghiệm trên phạm vi hơn 70 nước Việc ứng dụng kỹ thuật hạt nhân để cải tiến cây trồng đã mang lại hiệu quả

9 cực kỳ to lớn về kinh tế nông nghiệp Ước tính hàng trăm tỷ đô la và hàng trăm triệu hecta gieo trồng bằng những giống cây trồng được tạo ra từ đột biến

1.4.2 Tình hình nghiên cứu chọn tạo giống bằng phương pháp đột biến thực nghiệm ở Việt Nam

Các nghiên cứu di truyền và chọn tạo giống ở Việt Nam được tiến hành chậm hơn nhiều so với thế giới, lĩnh vực này đã được cố giáo sư Lương Đình Của khởi xướng từ những năm 1960

Năm 1966, các nghiên cứu về ảnh hưởng của tia Gamma, nguồn coban 60, DES, DMS đến các đột biến di truyền ở lúa, dâu tằm tại bộ môn Di truyền khoa Sinh Đại Học Tổng Hợp Hà Nội (Trịnh Bá Hữu, Phan Phải, Lê Duy Thành) Từ

năm 1968 trên đậu hà lan của Trần Minh Nam, trên Nigenladamastica của Phan

Phải (1969-1972), trên lúa Chân Châu lùn và Trung Quốc 2 của Lê Duy Thành, Trần Duy Quý (1969-1970), tiếp theo là các nghiên cứu trên cây cà chua, táo, lúa ở Viện cây lương thực và thực phẩm (Vũ Tuyên Hoàng và cs 1975-1980)

Sau giải phóng Miền Nam các nghiên cứu chọn tạo giống đột biến phát triển mạnh ở nhiều viện nghiên cứu và các trường Đại học: Đại học Tổng Hợp Hà Nội, Đại học sư phạm Hà nội I, II, Đại học Nông nghiệp I, Viện Di truyền Nông Nghiệp, Viện lúa Đồng Bằng sông Cửu Long, Viện Khoa Học kĩ thuật Nông Nghiệp Miền Nam, Viện Cây Lương thực và cây thực phẩm, Viện Nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt… Đặc biệt trong những năm gần đây các Viện đi tiên phong và có những thành tựu suất sắc trong nghiên cứu di truyền và chọn giống đột biến ở các cây trồng khác nhau như lúa, ngô, đậu tương, rau hoa: Viện Di truyền Nông Nghiệp (Phan Phải, Trần Duy Quý, Nguyễn Hữu Đống, Mai Quang Vinh, Bùi Huy Thủy, Đào Thanh Bằng và các cs., 1984- 2013), Viện Khoa học Nông nghiệp Miền Nam (Đỗ Khăc Thịnh và các cs., 1995-2012), Viện nghiên cứu lúa ĐB sông Cửu Long (Đoàn Văn

Ro, Bùi Chí Bửu và các cs., 1990-2013), Viện Cây Lương thực và thực phẩm (Vũ Tuyên Hoàng và cs., 1990-2009), Trường đại học sư pham Hà nội I (Nguyễn Minh Công và cs 1990-2012), Viện nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt (Lê Xuân Thám và cs, 1998-2009)

10 Nguyên tắc cơ bản để gây tạo đột biến thành công là dựa vào đặc điểm sinh trưởng, phát triển của cây trồng để chọn phương pháp và tác nhân gây đột biến thích hợp Đột biến có thể xuất hiện ở bất cứ tế bào nào của cơ thể Tuy nhiên những cây sinh sản bằng hạt thì chỉ có những đột biến nào xuất hiện trong tế bào của phôi hay

từ những tế bào soma thông qua hàng loạt phân chia để hình thành các tế bào sinh dục thì mới được di truyền cho đời sau Theo tác giả Trần Duy Quý (1999) thì không phải tất cả các đột biến mới đều có thể phát hiện ngay ở con cháu, bởi vì đa

số các trường hợp, các đột biến xảy ra là lặn, do đó ở thế hệ M1 alen đột biến bị alen trội lấn áp do đó dấu hiệu đột biến do alen lặn kiểm tra sẽ không thể hiện ra bên ngoài, trừ trường hợp đột biến là trội và trội không hoàn toàn Nó chỉ phát hiện ra ở

M2, M3 và các thế hệ sau khi cho tự thụ khi đột biến lặn ở trạng thái đồng hợp tử Tuy vậy không phải bao giờ cũng phát hiện được đột biến trội và nửa trội vì có một

số tính trạng được quy định bởi sự tác động của đa gen Các gen riêng rẽ thì không

đủ để biểu hiện dấu hiệu đó như tính trạng năng suất hạt, tính chống chịu…Nhưng

đó lại là những đột biến nhỏ rất có giá trị về phương diện chọn giống

Đối với cây lúa, bằng phương pháp gây đột biến, nhiều giống mới đã được tạo trong một thập kỷ qua Chẳng hạn, bằng cách xử lý DMS các thể tái tổ hợp thu được từ các tổ hợp lai (Xuân số 2 x 2765) và (NN8 x Xuân số 2), GS VS Vũ Tuyên Hoàng và cs đã tạo ra các giống Xuân số 5 và Xuân số 6 Các giống này được đưa

ra năm 1991 (Trần Đình Long, chủ biên - 1997)

Ở Viện Di truyền Nông nghiệp, nhiều giống lúa mới được chọn trực tiếp từ các thể đột biến hoặc qua lai tạo các thể đột biến với nhau hay giữa thể đột biến với

bố mẹ Chẳng hạn, bằng chiếu xạ tía γ vào hạt của giống lúa nhập nội C4 – 63 đã tạo được các giống DT 10 và DT11 có chiều cao 90 – 100 cm, năng suất cao, chống

đổ tốt, chịu rét Các giống này được tạo ra năm 1990 và 1995 (Trần Duy Quý, Bùi Huy Thủy và cs, 2000) [2] Sau đó, DT 10 được dùng làm mẹ để lai với CR203 và kết quả là chọn tạo được giống DT13 (Bùi Huy Thủy và Trần Duy Quý, 1999) Bằng phương pháp chiếu xạ tia γ 20 krad, các giống DT 33 và CM1 đã được tạo ra

và đưa vào sản xuất năm 1994 và 1999 Giống A20 được tạo ra năm 1993 là kết quả xử lý NMU 0,015% và chọn giống lai giữa hai cá thể đột biến thu được (H20 x

11 H30) Bùi Huy Thủy, Trần Duy Quý đã chọn được các giống triển vọng DT16, DT17 nhờ sử dụng A20 làm mẹ trong chọn giống lai Nguyễn Văn Bích và Trần Duy Quý đã tạo được các giống mới DT21 và DT22 nhờ kết hợp chiếu xạ tia γ và lai hữu tính Giống lúa Khang dân làm vật liệu ban đầu với 2 phương thức chiếu xạ: chiếu xạ hạt khô và chiếu xạ hạt ướt các tác giả Đào Thanh Bằng và Đỗ Hữu Ất đã tạo ra 3 giống đột biến DT38, DT39 Quế Lâm và Khang dân đột biến có những đặc tính khác biệt nhau và khác biệt so với giống gốc

Hiệu quả của việc chiếu xạ tia γ 15 krad vào hạt nảy mầm ở thời điểm 69 giờ

là sự biến mất tính cảm quang ở các giống lúa Tám thơm Hải Hậu, Tài nguyên đục

và Tép Hành Nhờ vậy, các thể đột biến tạo ra có thể trồng 2 vụ trong năm Tám thơm đột biến hoàn toàn mất cảm quang, có thời gian sinh trưởng ngắn hơn nhưng vẫn giữ được mùi thơm, chịu rét và cho năng suất tương đương giống gốc và có khả năng thích ứng rộng (Đỗ Hữu Ất và cs, 2000) [2] Tép hành đột biến có nhiều ưu điểm như mất cảm quang, thời gian sinh trưởng và chiều cao cây đều rút ngắn gần 50% của giống gốc nhưng năng suất cao gấp đôi

Hoàng Quang Minh và cs cũng đã từng tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của tia gamma (nguồn Co60) ở các liều lượng khác nhau lên hạt lúa và những biến đổi di truyền trong thế hệ M1 và M2 (Hoàng Quang Minh, Nguyễn Như Toản, 2005) [14] Trong nghiên cứu của mình, Phan Quốc Hiển và cộng sự đã cho thấy hầu hết các giống gây đột biến bằng chiếu xạ tia gamma như Basmati ĐB, Tám ĐB, VN 121… đều có thể sinh trưởng, phát triển tốt, có khả năng chống chịu sâu bệnh, cũng như các điều kiện bất thuận và cho năng suất cao nhưng nồng độ các chất thơm như 2-

AP, nonanal, hexanal… trong hạt thay đổi đáng kể sau khi gây đột biến bằng chiếu

xạ tia gamma cũng như khi trồng trong các điều kiện sinh thái khác nhau (Phan Quốc Hiển, 2007) [9]

Tình hình nghiên cứu và chọn giống đột biến lúa ở nước ta trong 15 năm qua

đã đạt được những thành tựu to lớn Việt Nam được IAEA/FAO xếp thứ bảy thế giới về số lượng giống lúa đột biến và đứng thứ 4 trong khu vực Châu Á - Thái Bình Dương với 40 giống bao gồm 27 giống lúa, 2 giống ngô, 2 giống lạc, 10 giống đậu tương, 2 giống cà chua, 2 giống táo, 3 giống cúc VCM1, VCM2, VCM3

Bức xạ hạt

Là những dòng nguyên tử và hạt sơ cấp chuyển động với tốc độ thay đổi, được đặc trưng bằng khối lượng điện tích và tốc độ

Các dạng phóng xạ chia ra ba nhóm:

 Nhóm hạt sơ cấp nhẹ, những dòng điện tử, pozitron

 Nhóm hạt nặng mang điện tích: proton, detron, α (proton – hạt cơ bản bền vững, m = 1836 e, điện tích e+; detron – nhân của đồng vị phóng xạ H2; hạt α– nhân của He ( 2He4) gồm 2 proton, 2 neutron, điện tích 2e+)

 Nhóm hạt trung bình (neutron) không mang điện, có thể xâm nhập vào mọi hạt nhân nguyên tử

Bức xạ sóng điện từ

Là sóng điện từ phát ra trong không gian ở dạng dao động điện từ và từ trường, ví dụ như tia Rơnghen (tia X), tia γ (Lê Duy Thành, 2001) [17]

Nhóm phóng xạ không gây ion hóa

Đại diện cho nhóm này là tia tử ngoại ( = 10-7 – 10-5) Khi xuyên qua các

mô sống của cơ thể sinh vật, nó không gây ion hóa mà chỉ gây kích động phân tử, sức xuyên thấu yếu nên thường dùng để xử lý hạt phấn và bào tử

Các dạng phóng xạ ứng dụng trong chọn giốngTia X

Tia X là sóng điện từ có bước sóng  = 10-9 – 10-12m, được ứng dụng nhiều rất sớm và rộng rãi vào chọn giống vì:

 Thiết bị sản sinh ra tia X đơn giản, dễ sắm và thao tác không phức tạp

 Chiếu tia X trên hạt và các bộ phận khác của cây dễ dàng

 Tính liều lượng dễ

 Khi sử dụng không gặp phải những hạn chế như khi sử dụng neutron

13 hoặc hóa chất (Lê Duy Thành, 2001) [17]

Neutron

Gustafsson và Mackey (1948), Ehrenberg và Nybom (1954) đã nghiên cứu neutron nhanh, Caldecott (1954) đã nghiên cứu neutron nhiệt và thấy tác dụng của neutron khác với tia X Ở neutron, người ta nhận thấy:

 Ảnh hưởng đối với hạt tương đối đồng nhất (biểu hiện ở sinh trưởng của cây con và tỉ lệ sống sót)

 Tỉ lệ sống sót ở M1 tương đối cao

 Biến dị NST và tần số đột biến cao

Caldecott cho rằng: số lượng đột biến thu được do tia X và neutron sản sinh

ra sai khác nhau không nhiều Tia X và neutron gây ra những đột biến đứt đoạn NST với số lượng như nhau (Lê Duy Thành, 2001) [17]

Các chất đồng vị phóng xạ

Những chất này tác động vào quá trình trao đổi chất của nhân tế bào và có khả năng gây đột biến, thường dùng P32 và S35 (có chu kỳ phân hủy ngắn nên ít nguy hiểm hơn các nguyên tố có chu kỳ phân giải dài) Tuy nhiên, chúng vẫn dễ gây nguy hiểm nên đến nay ít được dùng trong chọn giống

Cơ chế gây đột biến của tia phóng xạ

Cơ chế gây đột biến của tia phóng xạ có ba giả thuyết:

14 Thuyết này giải thích chưa thỏa đáng vì một số loài có kích thước NST lớn nhưng lại có độ cảm ứng phóng xạ thấp hơn so với loài có NST nhỏ

- Thuyết các gốc tự do

Theo một số tác giả không chỉ có các cơ quan tử, các NST trong tế bào mới

là bia mà phải kể tới các phân tử nước vì nước chiếm tỉ lệ cao trong tế bào

Khi chiếu xạ vào cơ thể hay tế bào, nước hấp thu năng lượng dễ bị mất đi 1eion (+): H2O  H2O+ + 1e-

-Điện tử giải phóng được phân tử nước khác hấp thu  ion (-): H2O + 1e-

H2O- H2O+, H2O- không bền, phân hủy nhanh chóng tạo ra các gốc tự do H + và OH- cùng các ion bền vững H+ và OH- H2O+ OH+ + OH - ; H2O- OH- + OH-

Các gốc tự do H + và OH- phối hợp với oxi trong tế bào hoặc kết hợp với nhau tạo các phân tử peroxyd vô cơ:

số lượng, cấu trúc NST

Thuyết hiện đại

Trong cơ thể tồn tại các hợp chất hữu cơ ở trạng thái lỏng có nồng độ khác nhau tùy thuộc vào trạng thái sinh lý của cơ thể Nếu nồng độ các chất cao thì sự va chạm của lượng tử vào các phân tử nhiều hơn, hiệu quả tác động bia nhiều hơn Nếu nồng độ các chất thấp thì các lượng tử của tia phóng xạ tác động lên phân tử nước theo thuyết tự do  thuyết hiện đại dung hòa hai thuyết trên

Tần số đột biến phụ thuộc vào liều lượng phóng xạ, nhưng chỉ đến một mức

độ nhất định thì liều lượng gần như không có tác dụng nữa Đặc biệt là hiệu quả tác

15 dụng của tia tử ngoại phụ thuộc rất lớn vào độ dài của bước sóng, bước sóng trong khoảng 2500 – 2800Å có hiệu quả tác dụng lớn nhất

Tác dụng của tia gamma (Co 60 ) lên vật chất di truyền

Tác dụng của tia gamma lên vật chất di truyền ở cấp độ phân tử (ADN)

Theo Oganhexian (1969), tính đặc thù của sự phát sinh đột biến có liên quan đến đặc điểm của quá trình từ thời điểm bắt đầu xâm nhập của tác nhân vào tế bào, vận động đến một thời điểm nào đó trên NST rồi gây ra biến đổi cấu trúc phân tử của gen cho đến lúc trở thành đột biến thực sự

Khi phóng xạ tia γ vào dung dịch ADN sẽ gây ra những biến đổi chủ yếu sau:

- Gây đứt đoạn đơn: đứt một mạch của ADN, làm phân tử ADN biến dạng, tạo cuộn, giảm thể tích phân tử

- Gây đứt kép (đứt tương đồng): phân tử ADN bị giảm chiều dài, giảm cả độ nhớt của dung dịch

- Tạo cầu giữa các phân tử: làm tăng khối lượng phân tử, tăng độ nhớt, giảm

độ hòa tan và tạo ra các búi không tan

- Tạo các phân tử phân nhánh do sự gắn một số đoạn của các phân tử bị đứt vào các phân tử khác còn nguyên vẹn

- Tạo liên kết prôtêin – ADN, làm cho prôtêin bị biến tính hay liên kết giữa bazơ pirimidin biến tính với các acid amin

- Phá hủy cấu trúc không gian của ADN (biến tính ADN)

- Gây hiện tượng nhị trùng phân Timin (dimer thymine)

- Phá hủy gốc dị vòng chứa nitơ

- Hydrat hóa các bazơ chứa nitơ

- Gây ra hiện tượng hỗ biến: tia γ làm thay đổi vị trí của nguyên tử hydrô, dẫn tới sự hình thành gốc lactin hoặc imin Hậu quả là sự sao chép sai của ADN, tạo ADN đột biến ở các thế hệ sau

Tác dụng của tia gamma lên vật chất di truyền ở cấp độ tế bào (NST)

Ở cấp độ tế bào, tia γ (Co60) có thể làm biến đổi cấu trúc NST và hủy hoại quá trình phân chia tế bào (nguyên phân và giảm phân)

16 Theo Xvenson, bức xạ ion hóa có thể gây nên sự phân đoạn của NST Có hai kiểu phân đoạn NST là:

- Loại đứt thật: đứt rời thành từng khúc

- Loại tiềm tàng: chưa đứt rời mà ở trạng thái tiềm tàng, có thể chuyển sang đột biến sau một thời gian nhất định hoặc phục hồi lại trạng thái ban đầu (Đỗ Hữu Ất, 1996) [1]

Crogodin và Lutxomic (Lê Duy Thành 2001) [17] lại cho rằng: phóng xạ ion hóa có thể hủy hoại NST một cách trực tiếp hoặc kéo dài

Nếu có các điều kiện tương ứng hoặc đủ về thời gian thì sự hủy hoại tiềm tàng có thể trở thành hiện thực và đột biến bắt đầu xuất hiện trong cấu trúc NST

Nói chung khi xử lý các tác nhân phóng xạ ion hóa ở liều lượng trung bình cho tới liều lượng không quá ngưỡng chịu đựng của tế bào thì ở kỳ sau của nguyên phân thấy xuất hiện cầu, đoạn, vòng khuyên,… Hiện tượng chuyển đoạn lớn và nhỏ hoặc đảo đoạn thường được phát hiện trong giảm phân, đó là các sai hình NST Mức độ sai hình NST thể hiện bằng các kiểu cấu trúc lại NST tăng dần theo liều xạ (Đỗ Hữu Ất, 1996) [1]

Tác dụng của tia gamma lên quá trình phân bào

Đối với nguyên phân

Tia γ có thể gây nên các hiệu quả sau:

 Kìm hãm hay dừng tạm thời quá trình nguyên phân (kéo dài một pha nào

đó trong chu kỳ tế bào)

 Làm dừng hoàn toàn quá trình nguyên phân nhưng không gây chết tế bào

mà làm mất khả năng phân chia tế bào

 Làm tăng độ nhớt và kết dính NST dẫn đến sự chết tế bào

 Gây hiện tượng “hậu kỳ đa cực” và hậu quả của nó là gây hiện tượng sai hình NST một cách phức tạp (tạo cầu, đoạn, vòng, …)

 Đôi khi bức xạ liều lượng thấp lại kích thích sự phân bào

Đối với giảm phân

Khi dùng tia X gây bức xạ ion hóa ở Longiflorum, Mistra (1958) thu được

kết quả như sau:

17 + Gây sai hình NST ở diplonem Các bivalent có thể kết dính với nhau tạo thành vòng NST lớn, phần lớn các vòng này đều do chuyển đoạn phức tạp tạo nên

 Gây sai hình NST ở hậu kỳ I hoặc II Các kiểu sai hình NST trong giảm phân thường thấy là đứt NST, tạo một hoặc hai đoạn NST và cầu NST; đứt nhiễm sắc tử (cromatid), tạo ra sự lặp đoạn; tạo cầu nhiễm sắc tử, vòng và hai đoạn do chuyển đoạn; đứt nhiễm sắc tử tạo nên cầu nhiễm sắc tử, vòng nhiễm sắc tử ở trạng thái kép; tạo NST có hai tâm và hai đoạn, hình thành các đoạn riêng lẽ và cầu nhiễm sắc

tử ở kỳ sau I

1.4.4 Một số phương pháp trong chọn tạo giống lúa chất lượng

1.4.4.1 Phương pháp chọn tạo giống đột biến

Từ những năm 1970, Cơ quan Năng lượng nguyên tử quốc tế (IAEA) và Tổ chức Nông Lương Thế giới (FAO) đã hỗ trợ và mở rộng hướng nghiên cứu gây đột biến, cải tạo những giống cây nông nghiệp và cây công nghiệp ở nhiều nước trên thế giới và đã chọn tạo thành công hàng loạt giống mới đối với lúa, lúa mỳ, lúa mạch, táo, chanh, đường, chuối, hoa, cây cảnh và một số các cây trồng khác

Chọn giống lúa đột biến được bắt đầu từ những năm 1960 và cho đến năm

2006 đã có rất nhiều giống lúa đột biến được đưa ra sản xuất trên thế giới Năm

1966, Nhật Bản đã đưa ra sản xuất giống lúa Remei - là một giống đột biến của từ giống lúa địa phương chịu lạnh Fujiminori - có đặc điểm thấp cây, chống đổ, được

ưa chuộng và thường được sử dụng trong việc lai tạo với các giống lúa khác

Trung Quốc đã ứng dụng năng lượng nguyên tử trong chọn giống vào những năm 1960 và cho đến những năm cuối thế kỉ 20 đã có 78 giống lúa đột biến được

đưa ra sản xuất (Chen, X., et al., 2006) [45], hầu hết các giống lúa đột biến này

được trồng ở các tỉnh Chiết Giang, Hồ Nam, Giang Tô Hai giống lúa của Trung

Quốc là ZhongHua11 thuộc lúa Japonica và Shuang Ke Zao thuộc lúa Indica được

xử lý đột biến bằng tia gamma nguồn 60Co và đã tạo ra được hơn 700 dòng đột biến

về hình thái và sinh lý Các dòng đột biến này được sử dụng làm nguồn vật liệu cho chọn giống

Tại Ấn Độ, ba giống lúa chất lượng là Basmati 370, Pusa Basmati 1 và Pakistan Basmati được sử dụng làm vật liệu cho chọn giống đột biến Các giống này

18 được xử lý chiếu xạ bằng tia gamma với liều chiếu 100, 150 và 200 Gray Qua thế

hệ M7 đã chọn lọc được 15 dòng đột biến từ giống Basmati 370, 07 dòng đột biến

từ giống Pusa Basmati 1 và 10 dòng đột biến từ giống lúa Pakistan Basmati Trong

số các dòng đột biến nhận được, thấy xuất hiện một dòng đột biến triển vọng là CR2007, có nguồn gốc từ Basmati 370 Dòng CR2007 có chất lượng tương tự như giống Basmati gốc, nhưng có năng suất vượt trội so với giống gốc và còn có đặc

tính kháng đạo ôn cổ bông, bệnh đốm nâu (Patnaik et al., 2006) [89]

Theo Sompong và cs (2017), khi xử lý hạt thóc nảy mầm bằng các liều tia gamma khác nhau đã quan sát thấy sự gia tăng đáng kể hàm lượng 2AP ở tất cả các liều lượng chiếu xạ [105] Kong và Zao xử lý cây mạ 15 ngày tuổi cuả giống Kam bằng 120mg/l axit jasmonic (một loại phytohormone) thấy hàm lượng 2 AP và các

chất bây hơi khác tăng lên trong giai đoạn làm chắc hạt (Wakte K et al., 2017)

[115]

Ở Việt Nam, chọn giống lúa thơm bằng phương pháp đột biến đã được ứng dụng trên giống lúa Tám thơm và khai thác biến dị tế bào soma trên giống Khao Dawk Mali 105 (KDML 105) (Tạ Minh Sơn và cộng sự, 2006) [16] Viện Lúa Đồng bằng Sông Cửu Long cũng đã tiến hành nghiên cứu đột biến gen bằng phương pháp đồng vị phóng xạ trên giống Tám xoan của Nam Định, kết quả ghi nhận có hai dòng:

+ Tám xoan 1, không cảm quang, thời gian sinh trưởng là 110 ngày, amylose trung bình, năng suất 6 tấn/ha, nhưng không thơm

+ Tám xoan 2, không cảm quang, thời gian sinh trưởng là 130 ngày, amylose trung bình, thơm ít, năng suất 4 tấn/ha

Trong giai đoạn 2001 - 2005, Viện Cây Lương thực và Cây Thực phẩm đã nhập nội và tiến hành lai tạo được một số giống lúa thơm như HT1, LT2, Ngoài

ra, Viện cũng đã tiến hành phục tráng và đưa vào sản xuất hạt giống siêu nguyên chủng giống lúa Tám xoan cho các địa phương (Tạ Minh Sơn và cs, 2006) [16], dòng lúa tẻ thơm T10 ngắn ngày, năng suất cao (đạt 56,1 tạ/ha) (Nguyễn Thanh Tuyền và cs, 2005) [24]

19

1.4.4 2 Nghiên cứu về lai tạo các giống lúa chất lượng

Viện Nghiên cứu lúa Quốc tế bắt đầu phát triển giống lúa thơm Basmati năng suất cao vào đầu năm 1970 Nghiên cứu được thực hiện trên những cặp lai đầu tiên,

giữa giống lúa Basmati 370 và các dòng lúa Indica cải tiến có hàm lượng amylose

trung bình và nhiệt độ hóa hồ trung bình Những dòng thấp cây từ quần thể con lai được chọn lọc, những dòng này có mức độ hữu thụ khác nhau và dạng cây khác nhau Sau khi tiến hành lai chéo các dòng này thu được các dạng cây và độ hữu thụ khác nhau Những cây có dạng khỏe và độ hữu thụ cao được chọn ra để phân tích hàm lượng amylose, nhiệt độ hóa hồ và hương thơm Những dòng có dạng cây xấu,

độ hữu thụ thấp, chất lượng hạt kém và độ thơm thấp được loại bỏ qua các thế hệ Sau một số chu kỳ lai và chọn lọc những dòng có dạng cây khỏe, thấp cây, đáp ứng được các đặc điểm về chất lượng như Basmati được chọn lọc và tiến hành khảo nghiệm tại IRRI, Ấn Độ và Pakistan (Chaudhary R.C and D.V.Tran, 2001) [43] Một phương pháp lai tạo giống khác đã được các nhà chọn giống Myanma và Thái Lan thực hiện đó là phương pháp chọn lọc liên kết với chỉ thị phân tử (MAS)

Để cải tiến giống lúa Manawthukha, một giống không thơm và hàm lượng amylose cao được trồng với một diện tích lớn ở Myanma Các nhà nghiên cứu đã sử dụng giống Basmati 370 là dòng bố mẹ để lai nhập các gen mùi thơm vào giống Manawthukha bằng phương pháp Marker Assisted Backcrossing (MAB) Bốn dòng lai nghịch và một dòng gốc được làm vật dẫn truyền để chuyển các alen badh2 và

Wx từ giống Basmati vào giống Manawthukha Hai mươi dòng lúa ở thế hệ BC4F2

đã chọn lọc mang các alen đồng hợp của giống Basmati, được trồng ở các địa điểm khác nhau ở Myanma và Thái Lan và được kiểm tra các đặc điểm nông học, chất lượng gạo Lúa thu hoạch được ở các dòng cải tiến đã có đặc tính mùi thơm và chất lượng gạo tương tự như giống Basmati nhưng có đặc điểm nông học giống như giống Manawthukha ban đầu Các dòng lúa cải tiến có đặc điểm cây cao trung bình,

đẻ nhánh tốt, bông dày, chống đổ và có năng suất cao Những tổ hợp lai 3 dòng đầu tiên của Trung Quốc gồm có Wei-you 2, Wei-you 3, Wei-you 6, Shan-you 2, Shan-you 3, Shan-you 6, Nam-you 2, Nam-you 3, Si-you 2, Si-you 3 và Si-you 6 (Mao

20

CX, 1993) [74] Các tổ hợp lai của IRRI, Ấn Độ, Philippines, Bangladesh,

Indonesia và Việt Nam đều có chất lượng tương đối cao

Các nhà chọn giống lúa Việt Nam đã cố gắng lai tạo giống cao sản có hương thơm với các vật liệu bố mẹ cho gen thơm từ giống Basmati và Khao Dawk Mali, tuy nhiên vẫn chưa thành công Có một số ứng dụng đột biến gen trên giống Nàng thơm Chợ Đào, Tám thơm, hoặc sử dụng chúng làm bố mẹ trong lai tạo Có thể do khả năng kết hợp kém nên việc chọn lọc con lai rất khó khăn Đặc biệt trong trường hợp tổ hợp lai OM1262 = MTL61/Basmati 370, OM1277 = OM86-9/Basmati, OM1262 = IR66/Basmati, con lai được chọn ở thế hệ thứ 10, 11 vẫn chưa cho quần thể ổn định, mặc dù dạng hình chấp nhận (PACP) khá tốt, hàm lượng amylose trung bình, gạo hạt thon dài (Lê Vĩnh Thảo và cs, 2004) [19]

1.4.4.3 Di truyền các tiêu chí năng suất, chất lượng của lúa

Năm 2016, nhóm nghiên cứu Nhật Bản đã tiến hành phân tích đối với mỗi tính trạng của 176 giống lúa Nhật Bản và nhanh chóng phát hiện ra 4 gen trong 12 nghiễm sắc thể của cây lúa NST số 1 chứa 1 gen quyết định ngày ra hoa; NST số

4 chứa 1 gen có ảnh hưởng tới số bông, bề rộng lá và số hạt lúa; NST số 8 chứa 1 gen ảnh hưởng đến chiều dài râu đầu hạt thóc (một yếu tố ảnh hưởng tới việc thu hoạch); và một gen trên NST số 11 quyết định ngày ra hoa, chiều cao cây và chiều dài bông (Trung tâm công nghệ sinh học Thành Phố Hồ Chí 2016)

Các QTL liên quan đến chiều dài bông nằm trên nhiễm sắc thể số 4, 9, 10,

trong đó có QTL PL9 là QTL chính có khả năng làm tăng chiều dài bông từ giống lúa O.minuta (Z Zhu et al., 2018) [129] QTL xác định chiều dài hạt là qPL2 nằm ở

và hơn 400 gen tiềm năng và 37 giống lúa ưu tú từ tập đoàn 523 giống lúa indica

21 liên quan đến 12 tính trạng nông học có thể sử dụng cho các chương trình cải tạo giống

Trong các giống lúa chất lượng ở Châu Á, tính trạng hương thơm được đánh giá là một trong những tính trạng quan trọng về chất lượng Đa số các nghiên cứu tập trung về tính trạng hương thơm trong cây lúa được xác định là do một gen lặn điều khiển [64], trong khi các nghiên cứu khác đã xác định có 2, 3 hoặc 4 locus có liên quan tới hương thơm của lúa [91] Bản chất của những mâu thuẫn trong các báo cáo có thể là do các tác giả đã nghiên cứu trên các giống lúa khác nhau hoặc đã sử dụng các phương pháp khác nhau để đánh giá hương thơm Một số phương pháp sử dụng hệ nhị phân đơn giản của các giống thơm/không thơm để phân loại kiểu hình mùi thơm [64], [91] Không loại trừ khả năng đa locus di truyền ảnh hưởng đến độ thơm, Berner và Hoff (1986) đã xác định rằng mùi thơm trong giống lúa thơm Della

là do một gen lặn quy định Ahn và cs (1992) sử dụng 126 chỉ thị phân tử để lập bản

đồ vị trí của gen thơm fgr trong giống lúa thơm Lemont (thu nhận được từ giống lúa

thơm Della), kết quả đã xác định được gen ở vị trí 4,5cM trên NST số 8 bằng chỉ thị RFLP (RG28) Sự liên kết của RG28 với hương thơm đã được kiểm chứng bằng cách sử dụng quần thể F3 cách ly Sử dụng phân tích sắc kí khí về 2AP và thang đánh giá cảm quan, cùng với phân tích sự liên kết của 16 chỉ thị đa dạng phân chia không lớn hơn 25cM dọc theo nhiễm sắc thể số 8 trong quần thể của 135 dòng lúa

đơn bội kép, Lorieux và cs (1996) đã định vị được bản đồ của gen fgr khi nhóm nghiên cứu xác định gen fgr được chặn bởi chỉ thị phân tử RG28 và RG1, ở khoảng

cách lần lượt là 6,4±2,6 và 5,3 ±2.7 cM

Corderio và cs (2002) đã sử dụng số liệu giải trình tự bộ gen để nhận dạng một

chỉ thị SSR có khoảng cách với gen fgr khoảng 4cM Locus này có tính đa hình cao,

có 13 alen được xác định, trong đó 8 alen được tìm thấy ở các cây thơm và 8 alen có trong các cây không thơm và có 3 alen tìm thấy được ở trong cả hai loại thơm và không thơm Phân tích trình tự ADN của gần 500bp ở đầu 5‟ của 14 gen được lựa chọn dựa trên mối quan hệ gần với RG28 chỉ tìm được 1 SNP (RSP04) giữa giống Kyeema (lúa thơm) và Doongara (lúa không thơm) [64] SNP này được đánh giá sự

liên kết với fgr bằng phân tích trình tự của SNP trong 164 cá thể F2 từ quần thể lai

tính trạng thơm cho tất cả các giống lúa thơm, bởi gen này không quy định tính

trạng trội về mùi thơm ở một dòng lúa đột biến SA0420 (Kuo SM et al., 2005) [66]

Tuy vậy, cũng có thể xác định được là trong phần lớn các giống lúa có hương thơm

được điều khiển bởi đơn gen lặn định vị trên NST số 8 của O sativa [67]

Gen frg có kích thước khoảng 69 kb Theo Gaur và cs (2016) [51], nghiên

cứu so sánh trình tự gen và trình tự các axit amin của kiểu gen kiểm soát tổng hợp

2AP và gen kiểm soát tổng hợp enzyme BADH2, đã nhận định rằng frg và BADH2

thực chất chỉ là một gen Theo Karami N và cs (2016) [65], dựa trên bản đồ gen,

người ta xác định kích thước trình tự gen BADH2 là 6153 bp ở vị trí giữa

20.372.582 bp và 20.378.734 bp, gen có 15 exon, 14 intron và mã hóa protein

BADH2 gồm 503 axit amin Theo Hinge và cs (2016) [55] phân tích biểu hiện gen badh2 đã báo cáo rằng các sản phẩm phiên mã của gen badh2 ở hạt và lá trong các

giống lúa thơm ít hơn từ 9-20 lần so với giống không thơm và giảm 9-30 lần ở giống lúa thơm so với giống không thơm trong tất cả các giai đoạn phát triển của lúa

Để đánh giá gen fgr trong giống lúa Azucena, là một trong số ít các giống lúa

Japonica thơm F Bourgis và cs đã sử dụng quần thể RIL (dòng nội phối tái tổ hợp)

từ lai chéo giữa hai giống Azucena và IR64, là một giống lúa Indica không thơm Bên cạnh đó có tham khảo trình tự genome của giống Nipponbare (Japonica) và giống 93-11 (Indica) cũng như thư viện BAC Azucena để xác định gen thơm chủ

đạo trong Azucena Do đó, đã nhận thấy gen betain aldehyde dehydrogenase

(badh2) là một locus quy định về hương thơm của lúa, nó biểu hiện chính xác các

đột biến tương tự như xác định ở giống lúa thơm Basmati và Jasmine Các phân tích

so sánh bộ gen đã cho thấy sự bảo thủ về trình tự cao giữa BAHD2 của Azucena và

23 Nipponbare và một MITE đã được xác định trong vùng promoter của alen BAHD2 trong giống 93-11 [39]

Trong nghiên cứu của mình, Weiwei Shi và cs đã phát hiện allen badh2 và sự phát triển của các chỉ thị chức năng của locus badh2 Tổng số 24 giống lúa thơm và

10 giống lúa không thơm đã được nghiên cứu và giải trình tự locus badh2/badh2

của chúng Nghiên cứu này đã phát hiện được trong 12 giống lúa thơm nghiên cứu,

tại alen badh2 có thiếu 8bp và SNPs ở đoạn exon7, các giống khác có một alen mới không phải là badh2 (badh2- E2), alen này có trình tự giống hệt với alen badh2 ở đoạn exon7 nhưng thiếu 7bp ở đoạn exon2 Alen không thuộc badh2 này cũng quy

định tính trạng thơm của lúa Dựa trên sự khác biệt về trình tự giữa hai alen, Weiwei Shi và cs đã phát triển các chỉ thị phân tử này như một dạng marker để có thể dễ dàng phân biệt các giống lúa thơm và các giống lúa không thơm, cũng như để phân biệt giữa hai nhóm lúa thơm Các chỉ thị chức năng này sẽ mang lại hiệu quả cao trong chương trình chọn tạo các giống lúa thơm qua phương pháp chọn lọc liên

kết phân tử (MAS) (Weiwei Shi et al.,2008) [119]

Để xác định nguồn gốc hương thơm và quá trình tiến hóa về tính trạng hương thơm của lúa, Micheal.J Kovach và các cộng sự đã kiểm tra sự có mặt của alen

badh2 trong 280 giống lúa dại (O rufipogon/O nivara), nghiên cứu cho thấy tất cả

các giống lúa dại đều không chứa alen này ngoại trừ có một giống mang alen dị hợp Giống lúa dại mang alen dị hợp này có biểu hiện một số tính trạng tương tự như các giống lúa thuần như là có vỏ trấu màu trắng, do đó đã dẫn đến một giả

thuyết đây có thể là kết quả của sự lai hóa với một giống lúa thơm O.sativa Tiếp

đó, 176 giống lúa O.sativa cũng đã được đem ra khảo sát sự có mặt của alen badh2

bằng cách sử dụng bộ chỉ thị SSR và SNP trên toàn bộ hệ gen Nhìn chung, các alen thơm được tìm thấy trong 17 giống, chiếm 10% trong các giống nghiên cứu và được phát hiện với tần số cao nhất trong nhóm lúa thơm và tần số thấp nhất ở nhóm giống temperate japonica và aus [80]

Các giống lúa thơm trong nhóm lúa Indica có mang gen badh2 sau khi phân

tích, được phân nhóm trong cùng nhóm với các giống thuộc Jap-GH, làm nảy sinh

một mâu thuẫn về sự phát sinh chủng loại của gen badh2 giữa các giống Mâu thuẫn

24 này được giải thích bằng việc giải trình tự 24 băng khuếch đại trong vùng gen

badh2 có chiều dài khoảng 3,2Mb ở mạch xuôi và 2,1Mb ở mạch ngược của 242

giống O.sativa Ở vùng bị chặn 5.3Mb badh2 có tổng số 242 SNP (bị chèn hoặc mất

nu) và các đa hình SSR đã được xác định dọc theo trình tự 13kb Trong 24 giống

lúa Indica có mang alen badh2.1, vùng alen này được giới hạn bởi các điểm đứt tái

tổ hợp khoảng 330bp ở mạch xuôi và 650bp ở mạch ngược với các vùng bị chặn

giống với các giống lúa Indica cổ Điều này được bổ trợ cho giả thuyết rằng alen

badh2.1 được chuyển vào lúa Indica qua con đường lai nhập Kết quả nghiên cứu

thu được đã làm sáng tỏ mối quan hệ giữa các giống lúa thơm và đưa ra những thách thức với quan niệm truyền thống là tính trạng hương thơm của lúa phát sinh

từ các giống lúa thuộc Indica [80]

Shao G.N và cs (2011) cũng đã có những nghiên cứu về alen thơm trên giống

Zaimiaoxiangnuo và cho thấy gen thơm thuộc alen bahd2-E7 (gen Badh2 mất 8bp

trong đoạn exon7) Giải trình tự và phân tích BLAST alen này cho thấy giống Zaimiaoxiangnuo là một thể đột biến mới, nghĩa là bị mất 803 bp giữa đoạn exon 4

và 5 Cùng với hai chỉ thị đã được công bố trước đây, chỉ thị FMbadh2-E4-5 được phát triển để phát hiện vị trí mất đoạn mới trong gen thơm và đánh giá di truyền của gen thơm trong 22 giống lúa thơm và 4 giống lúa không thơm Sự mất đoạn này không có mặt trong tất cả các giống lúa không thơm nhưng có 4 giống lúa thơm đã cho kết quả dương tính với chỉ thị FMbadh2-E4-5 Phát hiện ra chỉ thị này cũng được xem là rất hữu hiệu trong việc chọn tạo các giống lúa thơm [97]

Phát triển dòng cận đẳng gen (NIL) là một chiến lược hiệu quả để xác kiểm tra

QTL (Sasaki et al., 2017; Sun et al., 2017) [96], [107] Dòng NIL bao gồm các

vùng QTL mục tiêu phân ly trong một nền di truyền dạng đồng hợp Nói chung, dòng NIL được phát triển bằng thực hiện lai trở lại liên tục với dòng mẹ hồi quy bằng chọn lọc nhờ chỉ thị phân tử (MAS) Trong đó, chỉ chọn lọc các cá thể mang QTL mục tiêu của nền di truyền của dòng mẹ, sau đó để phát triển dòng NIL Nhiều QTL kiểm soát các tính trạng năng suất đã được kiểm tra bằng phương pháp cổ điển này Tuy nhiên, lai trở lại kết hợp với chọn lọc nhờ chỉ thị phân tử (MAS) sẽ giảm được thời gian và công sức sàng lọc (Lê Huy Hàm và Trần Đăng Khánh, 2015) [8]