Phát triển các dòng thuần phục vụ chọn tạo giống ngô lai cho điều kiện canh tác nhờ nước trời của miền bắc việt nam luận án tiến sĩ

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Chữ viết đầy đủ/nghĩa tiếng Việt AFLP Amplified Fragment Length Polymorphism Đa hình khuyếch đại các đoạn chiều dài APSA Asia and Pacific Seed Associa

H ỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

NGUYỄN VĂN MƯỜI

ỨNG DỤNG CHO CHỌN TẠO GIỐNG LÚA LAI HAI

NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC NÔNG NGHIỆP - 2017

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng dùng để bảo vệ lấy bất kỳ học vị nào

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án đã được cám ơn, các thông tin trích dẫn trong luận án này đều được chỉ rõ nguồn gốc

Hà Nội, ngày 18 tháng 04 năm 2017

Tác giả luận án

Nguyễn Văn Mười

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án, tôi đã nhận được sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của các thầy cô giáo, sự giúp đỡ, động viên của bạn bè, đồng nghiệp và gia đình

Nhân dịp hoàn thành luận án, cho phép tôi được bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Thị Trâm (người hướng dẫn khoa học) đã tận tình hướng dẫn, dành nhiều công sức, thời gian và tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới Ban Giám đốc, Ban Quản lý đào tạo, Bộ môn Di truyền và chọn giống cây trồng, Ban chủ nhiệm Khoa Nông học, Học viện Nông nghiệp Việt Nam đã tận tình giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, thực hiện đề tài và hoàn thành luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể lãnh đạo, viên chức Viện Nghiên cứu và Phát triển cây trồng, đặc biệt là các đồng nghiệp Phòng Công nghệ lúa lai đã giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài

Xin chân thành cảm ơn cha mẹ, vợ, con gái, bạn bè, đồng nghiệp và sinh viên thực tập các khóa giúp đỡ tôi trong nghiên cứu khoa học cũng như trong đời sống góp phần thúc đẩy việc hoàn thành luận án này./

Hà Nội, ngày 18 tháng 04 năm 2017

Tác giả luận án

Nguyễn Văn Mười

MỤC LỤC

Trang

Lời cam đoan i

Lời cảm ơn ii

Mục lục iii

Danh mục chữ viết tắt vii

Danh mục bảng ix

Danh mục hình xiii

Trích yếu luận án xiv

Thesis abstract xvi

Phần 1 Mở đầu 1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Mục tiêu của đề tài 2

1.3 Phạm vi nghiên cứu 2

1.4 Những đóng góp mới của đề tài 3

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

Phần 2 Tổng quan tài liệu 5

2.1 Tình hình nghiên cứu và phát triển lúa lai trong và ngoài nước 5

2.1.1 Nghiên cứu và phát triển lúa lai trên thế giới 5

2.1.2 Nghiên cứu và phát triển lúa lai trong nước 9

2.2 Hệ thống bất dục đực sử dụng trong chọn giống lúa lai hai dòng 11

2.2.1 Bất dục đực di truyền nhân mẫn cảm nhiệt độ (TGMS) trên lúa 12

2.2.2 Bất dục di truyền nhân mẫn cảm ánh sáng (PGMS) ở lúa 14

2.3 Phương pháp chọn tạo các dòng bố mẹ lúa lai hai dòng 16

2.3.1 Phương pháp tạo dòng mẹ lúa lai hai dòng 16

2.3.2 Phương pháp tạo dòng bố lúa lai 19

2.4 Di truyền của một số tính trạng liên quan đến chất lượng ở lúa 21

2.4.1 Di truyền và các yếu tố ảnh hưởng đến tính thơm 21

2.4.2 Di truyền của kích thước hạt 25

2.4.4 Di truyền tính trạng hàm lượng protein 27

2.5 Di truyền của một số tính trạng liên quan đến năng suất lúa 28

2.5.1 Số hạt trên bông 28

2.5.2 Tỷ lệ hạt chắc 28

2.5.3 Khối lượng 1000 hạt 28

2.5.4 Năng suất hạt 29

2.6 Nghiên cứu về chọn tạo giống lúa lai chất lượng cao 30

2.7 Đánh giá khả năng kết hợp của các dòng bố và các dòng TGMS 32

2.8 Một số nghiên cứu về biện pháp kỹ thuật nhân dòng TGMS và sản xuất lúa lai F1 34

2.8.1 Một số nghiên cứu về phục tráng và nhân dòng TGMS 34

2.8.2 Một số nghiên cứu về kỹ thuật sản xuất hạt lai F1 37

Phần 3 Vật liệu và phương pháp nghiên cứu 43

3.1 Vật liệu nghiên cứu 43

3.2 Nội dung nghiên cứu 43

3.2.1 Nội dung 1: Lai tạo các dòng TGMS mới có mùi thơm và đánh giá đặc điểm nông sinh học, biểu hiện tính dục, năng suất và chất lượng của chúng 43

3.2.2 Nội dung 2: Đánh giá biểu hiện di truyền một số tính trạng liên quan đến chất lượng gạo từ bố mẹ đến các thế hệ con cái 44

3.2.3 Nội dung 3: Đánh giá khả năng kết hợp của các dòng bố mẹ và tuyển chọn tổ hợp lúa lai hai dòng mới có triển vọng 44

3.2.4 Nội dung 4: Nghiên cứu một số biện pháp kỹ thuật nhằm xây dựng quy trình nhân dòng mẹ và sản xuất hạt lai F1 44

3.3 Phương pháp nghiên cứu 44

3.3.1 Nội dung 1: Lai tạo bổ sung tính thơm cho các dòng mẹ bất dục ổn định để tạo các dòng TGMS thơm và ổn định trong điều kiện sản xuất của miền Bắc Việt Nam 44

3.3.2 Nội dung 2: Đánh giá mức độ biểu hiện một số tính trạng liên quan đến chất lượng gạo từ bố mẹ đến các thế hệ con cái 49

3.3.3 Nội dung 3: Đánh giá khả năng kết hợp của các dòng bố mẹ và tuyển chọn tổ hợp lúa lai hai dòng mới có triển vọng 50

3.3.4 Nghiên cứu một số biện pháp kỹ thuật nhằm xây dựng quy trình nhân dòng mẹ và sản xuất hạt lai F1 53

3.3.5 Phần mềm xử lý số liệu 55

Phần 4 Kết quả và thảo luận 56

4.1 Lai tạo, chọn lọc và đánh giá dòng TGMS thơm 56 4.1.1 Đặc điểm của các dòng bố mẹ tham gia lai và các dòng TGMS mới 56 4.1.2 Kết quả sử dụng chỉ thị phân tử để xác định gen quy định tính thơm

và tính dục của các dòng TGMS mới chọn 62 4.1.3 Kết quả sàng lọc cá thể của các dòng bất dục đực trong điều kiện nhân tạo 64 4.1.4 Kết quả đánh giá sự chuyển đổi tính dục của các dòng TGMS trong điều

kiện tự nhiên 65 4.1.5 Một số đặc điểm nông sinh học của các dòng TGMS trong điều kiện vụ

Xuân 2012 68 4.2 Đánh giá mức độ biểu hiện một số tính trạng liên quan đến chất lượng gạo

từ bố mẹ đến các thế hệ con cái 69 4.2.1 Nghiên cứu sự biểu hiện tính trạng về chiều dài hạt gạo lật trên mẫu hạt

thu từ cây F1 của một số tổ hợp lai từ các dòng bố mẹ của chúng 69 4.2.2 Nghiên cứu biểu hiện tỷ lệ gạo xát, gạo nguyên trên mẫu hạt thu ở cây F1

của một số tổ hợp lai từ các dòng bố mẹ của chúng 70 4.2.3 Nghiên cứu biểu hiện về hàm lượng protein trên mẫu hạt thu ở cây F1

của một số tổ hợp lai lúa 73 4.2.4 Nghiên cứu biểu hiện về độ bền thể gel ở con lai F1 của một số tổ hợp lai lúa 74 4.2.5 Nghiên cứu biểu hiện về hàm lượng amylose của mẫu hạt thu từ cây F1

của một số tổ hợp lai lúa 75 4.2.6 Nghiên cứu biểu hiện về mùi thơm ở F1, F2 của một số tổ hợp lai lúa 76 4.3 Đánh giá khả năng kết hợp của các dòng bố mẹ và tuyển chọn tổ hợp lúa

lai hai dòng mới có triển vọng 79 4.3.1 Đặc điểm của các dòng bố mẹ tham gia vào các tổ hợp lai 79 4.3.2 Đánh giá một số đặc điểm nông sinh học, năng suất và chất lượng của

các tổ hợp lai hai 80 4.3.3 Đánh giá khả năng kết hợp chung và khả năng kết hợp riêng của các

dòng bố mẹ 92 4.3.4 Kết quả phân tích chỉ số chọn lọc của các tổ hợp lai 99 4.3.5 Kết quả so sánh các tổ hợp lai có triển vọng 101

4.4 Nghiên cứu một số biện pháp kỹ thuật để thiết lập quy trình nhân dòng

mẹ và sản xuất hạt lai F1 104

4.4.1 Nghiên cứu một số biện pháp kỹ thuật nhân dòng mẹ AT27 104

4.4.2 Nghiên cứu một số biện pháp kỹ thuật nhằm xây dựng quy trình sản xuất hạt lai F1 tổ hợp TH6-6 108

Phần 5 Kết luận và đề nghị 114

5.1 Kết luận 114

5.2 Đề nghị 115

Danh mục công trình đã công bố 116

Tài liệu tham khảo 117

Phụ lục 128

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt Chữ viết đầy đủ/nghĩa tiếng Việt

AFLP Amplified Fragment Length Polymorphism

(Đa hình khuyếch đại các đoạn chiều dài) APSA Asia and Pacific Seed Association

(Hiệp hội hạt giống châu Á – Thái Bình Dương)

AT Aromatic TGMS line (Dòng TGMS thơm)

BAC Bacterial Artificial Chromosome

(Nhiễm sắc thể nhân tạo của vi khuẩn)

BT Bacillus Thuringensis

(Bất dục kiểu BT) BT7 Bắc thơm số 7 (giống lúa)

CMS Cytoplasmic Male Sterile

(Bất dục đực tế bào chất)

ĐBSCL Đồng bằng sông Cửu Long

DNA DeriboNucleic Acid

(Axit đêoxiribonuclei) EGMS Environment sensitive Genic Male Sterile

(Dòng bất dục đực di truyền nhân mẫn cảm với môi trường) FAO Food and Agriculture Oganization

(Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên Hiệp Quốc) GCA General Combining Ability

(Khả năng kết hợp chung)

HC Hương cốm (giống lúa)

IAARD Indonesian Agency for Agricaltural Research and Development

(Viện Nghiên cứu và Phát triển Nông nghiệp Indonesia) IRRI International Rice Research Institute

(Viện Nghiên cứu lúa Quốc tế )

NSTT Năng suất thực thu

PCR Polymerase Chain Reaction

(Phản ứng chuỗi trùng lặp)

Chữ viết tắt Chữ viết đầy đủ/nghĩa tiếng Việt

PGMS Photoperiod sensitive Genic Male Sterile

(Dòng bất dục đực chức năng di truyền nhân mẫn cảm ánh sáng) QTL Quantitative Trait Loci

(Phương pháp di truyền để tính toán khoảng cách giữa các tính trạng) RAPD Random Amplified Polymorphic DNA

(Đa hình các đoạn DNA được khuyếch đại ngẫu nhiên) RFLP Restriction Fragments Length Polymorphism

(Đa hình chiều dài đoạn cắt giới hạn) SCA Specific combining ability

(Khả năng kết hơp riêng) SSR Simple Sequence Repeates

(Các chuỗi lặp đơn giản) TGMS Thermosensitive Genic Male Sterile

(Dòng bất dục đực chức năng di truyền nhân mẫn cảm nhiêt độ) TGST Thời gian sinh trưởng

WCG Wide Compatility Gene

(Gen tương hợp rộng)

DANH MỤC BẢNG

2.1 Diện tích, năng suất lúa thuần và lúa lai của một số nước trồng lúa ở châu

Á trong năm 2012 8

2.2 Danh sách các gen tms và chỉ thị liên kết của các dòng TGMS 13

2.3 Tổng hợp kết quả chọn tạo các dòng bố mẹ và các tổ hợp lai của một số đơn vị nghiên cứu và phát triển lúa lai trong nước 13

2.4 Nguồn gốc một số dòng PGMS đã được phát hiện và sử dụng 14

2.5 Mười alen được phát hiện kiểm soát mùi thơm của các giống lúa 23

2.6 Kiểu gen kiểm soát di truyền hàm lượng amylose 26

2.7 Mức độ đóng góp của các yếu tố vào năng suất lúa 30

3.1 Các chỉ thị phân tử DNA liên kết với gen mùi thơm fgr 46

3.2 Tên, trình tự và nhiệt độ gắn của các chỉ thị phân tử sử dụng trong phản ứng PCR 47

3.3 Nhiệt độ, ánh sáng và độ ẩm trong xử lý ngưỡng của các dòng TGMS 48

3.4 Công thức thí nghiệm đánh giá sự chuyển đổi tính dục của các dòng TGMS 48

3.5 Điểm đánh giá các chỉ tiêu chất lượng nấu nướng theo tiêu chuẩn 10TCN 590-2004 51

3.6 Công thức thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của thời vụ đến sinh trưởng, phát triển và năng suất nhân dòng mẹ AT27 ở vụ Xuân 2012 53

3.7 Công thức thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của thời vụ đến sinh trưởng, phát triển và năng suất sản xuất hạt lai F1 ở vụ Mùa 2013 54

4.1 Một số đặc điểm nông sinh học, chất lượng và đặc điểm hạt phấn của các dòng bố mẹ tham gia lai tạo dòng TGMS mới ở vụ Mùa 2008 57

4.2 Thời gian từ gieo đến trỗ, đặc điểm nông sinh học, kiểu bất dục và mùi thơm của các dòng TGMS trong vụ Mùa 2011 và Xuân 2012 58

4.3 Kết quả xác định gen kiểm soát tính thơm, gen quy định tính dục của các dòng TGMS 62

4.4 Kết quả sàng lọc cá thể có ngưỡng nhiệt độ chuyển đổi tính dục ≤ 240C vụ Mùa 2011 65

4.5 Tỷ lệ hữu dục hạt phấn của các dòng TGMS trong điều kiện vụ Xuân và

vụ Mùa 2012 66

4.6 Một số đặc điểm nông sinh học của các dòng TGMS mới trong điều kiện vụ Xuân 2012 69

4.7 Biểu hiện tính trạng chiều dài hạt gạo lật thu mẫu hạt từ cấy F1 của một số tổ hợp lai 70

4.8 Đánh giá mức độ trội về tỷ lệ gạo xát và gạo nguyên của con lai có mẹ là AT8 71

4.9 Đánh giá mức độ trội về tỷ lệ gạo xát và gạo nguyên của con lai có mẹ là AT19 72

4.10 Đánh giá mức độ trội về tỷ lệ gạo xát và gạo nguyên của con lai có mẹ là T1S-96 72

4.11 Biểu hiện tính trạng hàm lượng protein (%) ở bố mẹ và mẫu thóc thu từ cây F1 73

4.12 Biểu hiện tính trạng độ bền thể gel (mm) ở bố mẹ và con lai F1 75

4.13 Biểu hiện tính trạng hàm lượng amylose (%) ở bố mẹ và con lai F1 76

4.14 Sự biểu hiện tính trạng mùi thơm trên lá ở F1 của một số tổ hợp lúa lai 77

4.15 Sự biểu hiện tính trạng mùi thơm trên hạt gạo F2 của một số tổ hợp lúa lai 78

4.16 Một số đặc điểm nông sinh học, chất lượng và đặc điểm hạt phấn của các dòng bố mẹ tham gia lai ở vụ Mùa 2011 80

4.17 Đặc điểm nông sinh học của các tổ hợp lai trong vụ Xuân 2012 81

4.18 Một số đặc điểm nông sinh học của các tổ hợp lai trong vụ Mùa 2012 82

4.19 Các yếu tố cấu thành năng suất và năng suất của các tổ hợp lai trong vụ Xuân 2012 84

4.20 Các yếu tố cấu thành năng suất và năng suất của các tổ hợp lai trong vụ Mùa 2012 85

4.21 Một số tính trạng liên quan đến chất lượng thương trường của các tổ hợp lai trong vụ Mùa 2012 87

4.22 Một số tính trạng liên quan đến chất lượng dinh dưỡng của các tổ hợp lai trong vụ Mùa 2012 89

4.23 Điểm đánh giá các chỉ tiêu chất lượng cơm của các tổ hợp lai trong vụ Mùa 2012 91

4.24 Giá trị khả năng kết hợp chung của các dòng bố mẹ trên một số tính trạng năng suất vụ Mùa 2012 92

4.25 Giá trị khả năng kết hợp riêng trên tính trạng số hạt chắc trên bông của

các dòng bố mẹ ở vụ Mùa 2012 94 4.26 Giá trị khả năng kết hợp riêng trên tính trạng khối lượng 1000 hạt của các

dòng bố mẹ ở vụ Mùa 2012 94 4.27 Giá trị khả năng kết hợp riêng trên tính trạng năng suất thực thu của các

dòng bố mẹ ở vụ Mùa 2012 95 4.28 Giá trị khả năng kết hợp chung của các dòng bố mẹ trên một số tính trạng

chất lượng ở vụ Mùa 2012 96 4.29 Giá trị khả năng kết hợp riêng trên tính trạng tỷ lệ gạo xát của các dòng

bố mẹ ở vụ Mùa 2012 97 4.30 Giá trị khả năng kết hợp riêng trên tính trạng tỷ lệ gạo nguyên của các

dòng bố mẹ ở vụ Mùa 2012 97 4.31 Giá trị khả năng kết hợp riêng trên tính trạng hàm lượng amylose của các

dòng bố mẹ ở vụ Mùa 2012 98 4.32 Giá trị khả năng kết hợp riêng trên tính trạng mùi thơm cơm của các

dòng bố mẹ ở vụ Mùa 2012 98 4.33 Các chỉ tiêu phân tích chỉ số chọn lọc của các tổ hợp lai trong điều kiện

vụ Mùa 2012 99 4.34 Kết quả phân tích chỉ số chọn lọc trên một số tính trạng của các tổ hợp lai

trong điều kiện vụ Mùa 2012 100 4.35 Năng suất và các yếu tố cấu thành năng suất của các tổ hợp lai trong điều

kiện vụ Xuân 2013 101 4.36 Năng suất và các yếu tố cấu thành năng suất của các tổ hợp lai trong điều

kiện vụ Mùa 2013 102 4.37 Đặc điểm của hai tổ hợp lúa lai hai dòng mới TH4-6 và TH6-6 103 4.38 Ảnh hưởng của thời vụ đến đặc điểm nông sinh học của dòng mẹ AT27 ở

vụ Xuân 2012 104 4.39 Ảnh hưởng của thời vụ đến các yếu tố cấu thành năng suất và năng suất

của dòng mẹ AT27 ở vụ Xuân 2012 105 4.40 Ảnh hưởng của mật độ và lượng phân bón đến đặc điểm nông sinh học

của dòng mẹ AT27 ở vụ Xuân 2014 106 4.41 Ảnh hưởng của mật độ và lượng phân bón đến các yếu tố cấu thành năng

suất và năng suất lý thuyết của dòng mẹ AT27 ở vụ Xuân 2014 107 4.42 Ảnh hưởng của mật độ và lượng phân bón đến năng suất thực thu của

dòng mẹ AT27 ở vụ Xuân 2014 108

4.43 Ảnh hưởng của thời vụ đến sinh trưởng, phát triển của các dòng bố mẹ

trong điều kiện vụ Mùa 2013 109 4.44 Ảnh hưởng của tỷ lệ hàng bố mẹ và lượng phân bón đến các yếu tố cấu

thành năng suất và năng suất lý thuyết hạt F1 ở vụ Mùa 2014 111 4.45 Ảnh hưởng của tỷ lệ hàng bố mẹ và lượng phân bón đến năng suất thực

thu hạt F1 ở vụ Mùa 2014 112 4.46 Ảnh hưởng của lượng GA3 đến đặc điểm nông sinh học và năng suất thực

thu hạt F1 ở vụ Mùa 2015 113

DANH MỤC HÌNH

2.1 Vị trí gen PGMS trên bản đồ liên kết của lúa 15

2.2 Minh hoạ ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự chuyển hoá tính dục của dòng TGMS 35

3.1 Quá trình lai tạo chọn lọc dòng TGMS thơm 45

4.1 Ảnh điện di sản phẩm PCR phát hiện gen thơm fgr bằng các cặp mồi 63

4.2 Ảnh điện di sản phẩm PCR phát hiện gen tms2 bằng chỉ thị RM11 63

4.3 Ảnh điện di sản phẩm PCR phát hiện gen tms5 bằng chỉ thị C365-1 64

TRÍCH YẾU LUẬN ÁN

Tên tác giả: Nguyễn Văn Mười

Tên Luận án: Nghiên cứu gây tạo các dòng bố mẹ thơm ứng dụng cho chọn tạo giống

lúa lai hai dòng chất lượng cao

Chuyên ngành: Di truyền và Chọn giống cây trồng Mã số: 62 62 01 11

Tên cơ sở đào tạo: Học viện Nông nghiệp Việt Nam

Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu, lai tạo và sử dụng các dòng TGMS để tạo giống lúa lai hai dòng có thời gian sinh trưởng ngắn, năng suất cao, chất lượng tốt, đặc biệt là mùi thơm phục vụ cho sản xuất

Phương pháp nghiên cứu

- Lai tạo và chọn dòng theo sơ đồ lai tạo dòng TGMS (Nguyễn Thị Trâm, 2000)

- Đánh giá đặc điểm nông sinh học, đặc điểm hình thái, sâu bệnh và năng suất theo phương pháp của Viện Nghiên cứu lúa quốc tế (2002)

- Đánh giá tính dục: kiểm tra tính dục bằng phương pháp hiển vi quang học (lấy bao phấn nhuộm trong dung dịch I-KI 1%, soi trên kính hiển vi), chọn những cá thể có

phấn bất dục 100% (Yuan et al., 1995)

- Đánh giá mùi thơm trên lá theo phương pháp của Sood and Siddip (1978) và cho điểm theo thang điểm của IRRI (2002) Đánh giá mùi thơm của nội nhũ và cho điểm

theo phương pháp Kibria et al (2008)

- Tách chiết DNA theo phương pháp CTAB rút gọn (De la Cruz, 1997)

- Phương pháp phát hiện gen thơm theo phương pháp của Bradbury, 2005

- Quy trình PCR để xác định gen tms (Dẫn theo Phạm Văn Thuyết (2015))

- Chất lượng xay xát: Đánh giá tỷ lệ gạo xay, tỷ lệ gạo xát, tỷ lệ gạo nguyên, tỷ lệ trắng trong thực hiện theo phương pháp của (Govindewami and Ghose, 1969)

- Hàm lượng amylose được phân tích dựa trên máy quang phổ theo phương pháp của Sadavisam and Manikam (1992) và phân loại theo Kumar and Khush (1987) Hàm lượng protein phân tích theo Kjeldahl Độ bền thể gel được xác định dựa vào chiều dài

thể gel (Tang et al 1991) và phân loại theo “Hệ thống tiêu chuẩn đánh giá cây lúa” của

trong điều kiện nhân tạo (phytotron) và sự chuyển hóa tính dục trong điều kiện tự nhiên

đã chọn được 5 dòng có ngưỡng chuyển đổi tính dục là 240C, bất dục từ không hạt phấn đến ít phấn trong điều kiện nhiệt độ thời kỳ cảm ứng trên 260C 5 dòng mẹ này có mùi thơm trên lá đạt điểm 2, mùi thơm nội nhũ đạt điểm 4 (thơm đậm), có khả năng nhận phấn ngoài tốt cho con lai có thời gian sinh trưởng ngắn Các dòng mẹ đó là AT1; AT5; AT9; AT24 và AT27 Đánh giá khả năng kết hợp chung của 4 dòng mẹ mới (AT1; AT5; AT24; AT27) và hai dòng mẹ ban đầu (T1S-96; T7S) với 5 dòng bố cho thấy dòng mẹ AT24 và AT27 có khả năng kết hợp chung cao với các dòng bố nghiên cứu về các tính trạng số hạt trên bông, số hạt chắc trên bông, khối lượng 1000 hạt, năng suất thực thu (các tính trạng liên quan năng suất), tỷ lệ gạo xát, tỷ lệ trắng trong, hàm lượng protein, độ ngon cơm (các tính trạng liên quan đến chất lượng)

Để tạo tổ hợp lai có chất lượng gạo tốt và có mùi thơm phục vụ cho sản xuất cần chọn

bố mẹ có chiều dài hạt đối lập nhau về kích thước hoặc hai bố mẹ có chiều dài tương đối gần nhau thì F1 có chiều dài hạt gần với bố hoặc mẹ có kích thước hạt trội hơn Tỷ lệ gạo xát và tỷ lệ gạo nguyên phụ thuộc nhiều vào bản chất của giống và điều kiện ngoại cảnh khi lúa chín và thu hoạch Tuy nhiên để tạo tổ hợp lai có tỷ lệ gạo xát và tỷ lệ gạo nguyên cao cần chọn bố hoặc mẹ có tỷ lệ gạo xát và gạo nguyên cao Độ trội của hai tính trạng này

là trội dương đến siêu trội dương Cải tạo hàm lượng amylose cần phải chọn những dòng vật liệu lai có hàm lượng amylose thấp và tương đối gần nhau về tỷ lệ amylose của các dòng bố mẹ Về mùi thơm cần phải chọn cả hai bố mẹ mang gen thơm và mùi thơm nội nhũ đạt từ điểm 3 trở lên Riêng có hàm lượng protein là khó cải tạo bởi vì phân tích độ trội về hàm lượng protein trong hạt gạo của các tổ hợp lai đều có giá trị trội âm

Từ 30 tổ hợp lai được lai theo sơ đồ lai đỉnh từ 6 dòng mẹ (4 dòng thơm; 2 dòng không thơm) và 5 dòng bố (3 dòng thơm; 2 dòng không thơm) đã tuyển chọn được 6 tổ hợp lai ưu tú Các tổ hợp lai đó là AT24/RA28; AT1/RA28; AT27/RA29; AT24/R12-1 và AT24/RA29 Từ 6 tổ hợp lai thông qua thí nghiệm so sánh giống đã chọn được 2 tổ hợp lai triển vọng Hai tổ hợp lai đó là: AT24/RA28 (TH4-6) và AT27/RA28 (TH6-6) Hai tổ hợp lai này có thời gian sinh trưởng vụ Xuân từ 121-122 ngày, vụ Mùa từ 102-103 ngày Chiều cao cây thuộc dạng bán lùn, bông to dài, hạt xếp sít, hình dạng hạt thon dài, khối lượng 1000 hạt từ 24,3-25,3 gam Năng suất thực thu đạt từ 7,4-7,6 tấn/ha (vụ Xuân), từ 6,92-6,94 tấn/ha (vụ Mùa) Cả 2 tổ hợp lai này đều có chất lượng gạo tốt như: tỷ lệ gạo xát và tỷ lệ gạo nguyên cao, hạt thon dài, hàm lượng amylose từ 16,4-16,6%, hàm lượng protein từ 8,9-9,1% Cơm ngon, mềm, vị đậm và có mùi thơm đậm

Nhân dòng mẹ AT27 trong vụ Xuân ở miền Bắc cần gieo mạ từ 14-23/12, lượng phân bón là 120kg N/ha với tỷ lệ phân N:P:K là 1:1:0,75 Mật độ cấy là 50 khóm/m2 Trong sản xuất hạt lai F1 tổ hợp TH6-6 thì thời vụ gieo dòng bố 1 từ 13-18/6, dòng bố 2 gieo sau dòng bố 1 là 5 ngày, dòng mẹ gieo sau dòng bố 1 là 10 ngày Tỷ lệ cấy hàng bố

mẹ là 2 bố 16 mẹ Đường công tác là 30cm, hàng bố 1 cách hàng bố 2 là 20cm, hàng bố cách hàng mẹ là 20cm, cây bố cách cây bố là 20cm Hàng mẹ cách hàng mẹ là 15cm, cây mẹ cách cây mẹ là 12cm Lượng phân bón sử dụng là 110kg N + 110kg P2O5 + 82,5kg K2O/ha Lượng GA3 là 210 gam/ha, phun 2 ngày liên tiếp

THESIS ABSTRACT

PhD candidate: Nguyen Van Muoi

Thesis title: The breeding aromatic parents for developing two-line hybrid rice with high quality

Major: Plant Genetics and Breeding Code: 62 62 01 11

Education organization: Vietnam National University of Agriculture

Research Objectives

Breeding and using TGMS lines for developing two-line hybrid rice with short growth duration, high yield, good quality and aromatic grain

Materials and Methods

- Breeding TGMS lines have been described by Nguyen Thi Tram, 2002

- The evaluation of agronomical characteristics are used by IRRI (2002) method

- Evaluation fertility characteristics by Yuan et al., 1995.

- The aromatic leaves is evaluated by Sood and Siddip (1978) The aromatic

endosperm is evaluated by Kibria et al (2008)

- The DNA production was extracted by modifying CTAB method (De la Cruz, 1997)

- The fragance gene was detected by Bradbury (2005) method

- PCR protocolto determine tms gene by Pham Van Thuyet (2015) method

- Milling rice quality: Brown rice ratio, milling rice ratio and head rice ratio, rice chalkiness are evaluated Govindewami and Ghose (1969) method

- Theamylose content was evaluated by Sadavisam and Manikam (1992) method and classified by Kumar and Khush (1987) The protein content was evaluated Kjeldahl

method The gel consistency was evaluated by Tang et al (1991) method

- The cooking quality was evaluated by standard 10TCN 590-2004 of MARD

- The General combination ability (GCA) line x tester was analyzed by Singh and Chaundhary (1996) method

- Statistical analysis of variance was made by IRRISTAT ver 5.0, Select the advance combination by Selection Index Program of Nguyen Dinh Hien (1995)

Main findings and Conclusions

Twenty three new TGMS lines were selected from the crossing between three TGMS lines (T1S-96; T7S and T23S) and good quality pollinators (BT7; Basmati and Huongcom) Five TGMS lines are showed critical temperature for inducing sterility at

240C were selected after evaluation in artificial (phytotron) and in natural condition, they exhibited from none-pollen sterile to rare pollen sterile at 260C at sensitive growth stage These five TGMS lines were score 2 for aroma trait in the leaves, scored 4 in the endosperm (strong aromatic), good out-crossing ability and their F1 showed short growth duration These TGMS lines are AT1; AT5; AT9; AT24 and AT27 Among 4 new TGMS lines (AT1; AT5; AT24 and AT27), AT24 and AT27 showed high GCA

with male lines in number of grain per panicle, filling grain per panicle, 1000 grains weight, actual yield (yield components), milling rice ratio, grain chalkiness ratio, protein content, good cooking quality (qualitative traits)

In order to breed good quality, aromatic combination for rice production, it is necessary to select the parents have opposite or similar length grain As a consequence, F1 grain will have the length and width of the grain tend to similar to its of dominant parent Milling rice ratio and heading rice ratio depend on its genetic background and environmental condition at maturity stage and harvesting stage However, in order to breed high milling rice ratio and heading rice ratio, it is necessary to select parental lines with high milling rice and heading rice ratio This dominance of this trait varies from positive dominance to super positive dominance It is necessary to select low and equal amylose content of parental lines to improve amylose content About aromatic trait, both male and female lines are aromatic lines and its aromatic of endorsperm score at least from 3 point In particular, it is difficult to improve protein content since results of genetic analysis protein content trait of all combinations were showed dominance negative

Six promising combinations were selected from thirty combinations of six female lines (4 aromatic lines, 2 none-aromatic lines) and five male lines (3 aromatic lines; 2 none-aromatic lines) The combinations are AT24/RA28; AT1/RA28; AT27/RA29; AT24/R12-1 and AT24/RA29 Two promising combinations were selected from above six combinations after carried out comparison experiment Two combinations are AT24/RA28 (TH4-6) and AT27/RA28 (TH6-6) These new two combinations have growth duration from 121-122 days in spring season and 102-103 days in summer season Semi-drawft plant height, long panicle, compact seed setting, long and slender grain, 1000 grain weight vary from 24,3g-25,3g Actual yield in spring season and summer season are 7,4-7,6 ton per hectare and 6,9 ton per hectare, respectively Both of two combinations show good milling rice quality: high milling rice ratio and head rice ratio, long and slender grain, amylose content vary from 16.1% to 16,6%, protein content varies from 8,9-9,1%, good cooking rice with soft grain and strong aroma

Multiplication female line AT27 at spring season in North of Vietnam must sowing from 14 to 24 of December Fertilizer application are 120kg N/ha with ratio of N:P:K is 1:1:0.75 transplanting density is 50 hills/m2 In order to F1 seed production of TH6-6 combination, 1st male line was sowed from 13-16 of June, 2nd male line was showed 5 days after 1st male Female line was sowed 10 days after male line Ratio of transplanting male line and female line is 2:16 Working pathway wide 30cm, the distance of 1st male line and 2nd male line is 20cm, the distance of male line and female line is 20cm, the distance between male lines is 20cm The distance between female line

is 15cm Fertilizer application were 110kg N+110kg P205 + 82.5kg K20/ha Total GA3 application is 210 gram/hectare, spray in two days

PHẦN 1 MỞ ĐẦU

1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Hàng ngày, trên thế giới có 3 tỷ người được cung cấp hơn 20% lượng calo

từ lúa gạo Hạt gạo chứa 80% tinh bột, 7,5% protein, vitamin và các chất khoáng cần thiết cho con người (Trần Văn Đạt, 2005) Chất lượng gạo trở thành mối quan tâm chính của người sản xuất và người tiêu dùng hiện nay Mặc dù vậy, nhu cầu sử dụng gạo chất lượng cao có sự khác biệt rất lớn giữa các vùng, các nước

và người tiêu dùng Các tính trạng liên quan đến chất lượng gạo chủ yếu gồm: kích thước hạt, độ bạc bụng, tỷ lệ gạo xay, tỷ lệ gạo xát, tỷ lệ gạo nguyên, hàm lượng amylose, độ bền thể gel và protein (Brar and Singh, 2011) Gạo chất lượng cao có giá trị rất lớn trên thị trường thế giới Năm 2011, có tới 15-17% trên tổng lượng gạo xuất khẩu là gạo chất lượng và gạo thơm (Giraud, 2013) Tuy nhiên, các chương trình chọn tạo giống lúa hiện nay mới tập trung nhằm cải tiến tính trạng chống chịu điều kiện bất thuận sinh học và phi sinh học Các nước sản xuất lúa và xuất khẩu gạo tiếp tục đối mặt với sự cạnh tranh và những thay đổi nhu cầu chất lượng của người tiêu dùng Vì vậy, chiến lược mới trong chọn tạo giống lúa là phải tập trung phát triển các giống lúa chất lượng Các giống lúa chất lượng có giá bán cao trên thị trường là những giống lúa thơm, hàm lương amylose thấp đến trung bình, giàu dinh dưỡng (vitamin, anthocyanin, sắt) (Orachos, 2012)

Chọn tạo giống lúa lai đã thu được nhiều thành công, góp phần tăng năng suất, sản lượng và nhu cầu dinh dưỡng hàng ngày của con người Ở Trung Quốc, diện tích gieo cấy lúa lai năm 2012 là 17 triệu ha, chiếm 55,6% diện tích trồng lúa của cả nước Năng suất bình quân của lúa lai đạt 7,5 tấn/ha, cao hơn lúa thuần 0,76 tấn/ha Ở Ấn Độ, diện tích lúa lai năm 2012 đạt 2,5 triệu ha, chiếm 5,9% diện tích trồng lúa của cả nước Năng suất bình quân của lúa lai đạt 4,79 tấn/ha, cao hơn lúa thuần 1,2 tấn/ha Ở Việt Nam, diện tích lúa lại năm 2012 đạt 0,61 triệu ha, chiếm 7,9% diện tích trồng lúa của cả nước Năng suất bình quân của lúa lai đạt 6,4 tấn/ha, cao hơn lúa thuần 0,77 tấn/ha (Dasgupta and Roy, 2014) Trong những năm tới, giống có năng suất và chất lượng cao là mục tiêu chủ yếu

của chọn tạo giống lúa lai (Qian et al., 2016) Theo Mudasir et al (2015) cũng

cho rằng chọn tạo giống lúa lai và kháng bệnh là hướng ưu tiên của Trường Đại

học Khoa học và Công nghệ Kashmir ở Ấn Độ

Nghiên cứu và chọn tạo lúa lai của Việt Nam cũng thu được những thành tựu to lớn Đến năm 2013, Cục Trồng trọt-Bộ Nông nghiệp và PTNT đã công nhận 71 giống, trong đó nhập nội là 52 giống và chọn tạo trong nước là 19 giống Trong số các giống đã công nhận có 60 giống là giống lúa lai ba dòng, 11 giống

là giống lúa lai hai dòng Các giống lúa lai hai dòng được công nhận chủ yếu là những giống được chọn tạo trong nước như: VL20, TH3-3, TH3-4, TH3-5, VL24, LC270, LC212, TH7-2, HC1 đã góp phần nâng cao năng suất và sản lượng lúa của Việt Nam (Phạm Văn Thuyết và cs., 2015) Dòng mẹ của các giống lúa lai hai dòng được chọn tạo trong nước chủ yếu là dòng bất dục đực chức năng di truyền nhân mẫn cảm với nhiệt độ (Thermosensitive Genic Male Sterile-TGMS) (Trần Văn Quang và cs., 2013)

Chất lượng lúa lai là hạn chế lớn cần được khắc phục trong chương trình

chọn tạo giống lúa dài hạn (Bai et al., 2008) Theo Li et al (2008) để tạo giống

lúa lai chất lượng gạo tốt thì bố mẹ phải có gạo chất lượng cao hoặc mùi thơm, trong đó dòng bố mẹ mang gen thơm là quan trọng nhất Các dòng giống lúa thuần mang gen thơm nhiều như: Hoa sữa, Sén cù, ST19, Hương cốm, Hương cốm 2, Hương cốm 3 (Trần Mạnh Cường và cs., 2014) Các dòng RA27, RA28, RA29 có ưu thế lai tốt, gạo chất lượng cao và có mùi thơm Trong khi đó các dòng TGMS mang gen thơm còn hạn chế vì vậy các giống lúa lai hai dòng được chọn theo hướng chất lượng, gạo có mùi thơm còn ít (Trần Văn Quang và cs., 2013) Vì vậy, chúng tôi tập trung nghiên cứu gây tạo các dòng TGMS thơm, từ

đó lai tạo chọn lọc với các dòng bố có ưu thế lai cao, chất lượng tốt và có mùi thơm để tạo giống lúa lai hai dòng chất lượng Sau đây là những kết quả nghiên cứu về những vấn đề này

1.2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

Nghiên cứu chọn tạo và sử dụng các dòng TGMS thơm mới để tạo giống lúa lai hai dòng có thời gian sinh trưởng ngắn, năng suất cao, chất lượng tốt để phát triển sản xuất

1.3 PHẠM VI NGHIÊN CỨU

1.3.1 Đối tượng nghiên cứu

Đề tài có sử dụng các dòng TGMS không thơm lai đơn với các giống lúa thơm cải tiến để chọn tạo dòng TGMS thơm Từ các dòng TGMS thơm lai với

các dòng R thơm để tạo tổ hợp lai hai dòng chất lượng cao Các dòng R thơm có

sự kế thừa các kết quả nghiên cứu của Viện Nghiên cứu và Phát triển cây trồng

1.3.2 Thời gian nghiên cứu

Thời gian thực hiện đề tài từ tháng 6/2008 đến tháng 11/2015

1.3.3 Địa điểm nghiên cứu

Các thí nghiệm trên đồng ruộng được bố trí tại Viện Nghiên cứu và Phát triển cây trồng, Học viện Nông nghiệp Việt Nam Phân tích các chỉ tiêu chất lượng tại Viện Cây lương thực và Cây thực phẩm, Trung tâm Khảo kiểm giống, sản phẩm cây trồng Quốc gia và Phòng thí nghiệm, Khoa công nghệ thực phẩm, Học viện Nông nghiệp Việt Nam Ứng dụng của chỉ thị phân tử để xác định sự

hiện diện của gen quy định tính thơm (fgr), các gen quy định tính dục (tms) tại

Phòng thí nghiệm thuộc Dự án JICA, Học viện Nông nghiệp Việt Nam

1.4 NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA ĐỀ TÀI

Chọn tạo dòng bất dục mới bằng phương pháp lai, chọn lọc cá thể và chọn lọc nhờ chỉ thị phân tử (MAS) Đề tài đã sử dụng 3 dòng TGMS (T1S-96; T7S; T23S) lai với các dòng giống lúa thơm cải tiến để tạo dòng TGMS có chất lượng gạo tốt, có mùi thơm Trong quá trình chọn lọc, ngoài việc đánh giá kiểu hình, mùi thơm trên lá, nội nhũ, đề tài có sử dụng chỉ thị phân tử (MAS) để sàng lọc

dòng mang gen fgr và tms Kết quả đã chọn lọc được 23 dòng TGMS mới, trong

đó có 22 dòng mang gen thơm (fgr) Các dòng chọn lọc mang gen bất dục đực di truyền nhân mẫn cảm với nhiệt độ (tms2 và tms5)

Chọn tạo thành công 2 dòng TGMS mới là dòng AT24 và AT27 Hai dòng TGMS này có ngưỡng chuyển đổi tính dục là 240C, bất dục ổn định khi nhiệt độ ở thời kỳ cảm ứng trên 260C và có khả năng nhận phấn ngoài tốt, trên 65% AT24 và AT27 có khả năng kết hợp chung cao với các dòng bố nghiên cứu về các tính trạng như: số hạt/bông, số hạt chắc/bông, khối lượng 1000 hạt, năng suất thực thu, tỷ lệ gạo xát, tỷ lệ trắng trong, hàm lượng protein, độ ngon và mùi thơm cơm

Chọn tạo thành công hai tổ hợp lai mới, TH4-6 (AT24/RA28) và TH6-6 (AT27/RA28) Hai tổ hợp lai này có TGST vụ Xuân từ 121-122 ngày, vụ Mùa từ 102-103 ngày Chiều cao cây thuộc dạng bán lùn, bông to dài, hạt xếp sít, hình dạng hạt thon dài, khối lượng 1000 hạt từ 24,3-25,3 gam Năng suất thực thu đạt

từ 7,41-7,56 tấn/ha (vụ Xuân), từ 6,92-6,94 tấn/ha (vụ Mùa) Cả 2 tổ hợp lai này đều có chất lượng gạo tốt: tỷ lệ gạo xát và tỷ lệ gạo nguyên cao, hạt thon dài, hàm lượng amylose từ 16,4-16,6%, hàm lượng protein từ 8,9-9,1% Cơm ngon,

mềm, vị đậm, có mùi thơm đậm Hai tổ hợp này được gửi trong hệ thống khảo nghiệm Quốc gia từ vụ Xuân 2016

1.5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

1.5.1 Ý nghĩa khoa học của đề tài

Trong nghiên cứu tạo dòng TGMS thơm, đề tài đã sử dụng kỹ thuật chỉ thị phân tử (Market Assisted Selection - MAS) để phân tích di truyền khi lai chuyển

gen fgr vào dòng TGMS Ngoài ra, đề tài đã xác định được vật liệu tạo dòng bất dục đực mang gen tms2 và tms5

Đánh giá biểu hiện di truyền một số tính trạng chất lượng từ bố mẹ sang con lai F1 (hạt F2 hoặc hạt thương phẩm) ở các tổ hợp nghiên cứu nhận thấy: Chiều dài hạt gạo dài biểu hiện di truyền cộng tính đến trội dương theo bố/mẹ có hạt dài hơn; Tỷ lệ gạo xát và tỷ lệ gạo nguyên cao biểu hiện siêu trội dương theo bố/mẹ có tỷ lệ gạo xát và tỷ lệ gạo nguyên cao hơn

Hàm lượng protein trong hạt gạo của con lai biểu hiện trội âm đến siêu trội âm theo bố/mẹ có hàm lượng protein thấp, nghĩa là tính trạng này bị suy giảm do lai; Hàm lượng amylose ở đa số tổ hợp nghiên cứu biểu hiện trung gian đến trội dương theo bố mẹ có hàm lượng amylose cao, vì vậy muốn tạo giống lai

có hàm lượng amylose thấp, phù hợp với nhu cầu tiêu dùng cần chọn bố/mẹ có

có hàm lượng amylose thấp (từ 15-20%); Hương thơm trong lô hạt gạo lai không đồng đều do phân ly, độ thơm chịu ảnh hưởng của dòng mẹ nhiều hơn dòng bố

1.5.2 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Đề tài đã tuyển chọn được 02 tổ hợp lai có triển vọng Hai tổ hợp lai này

có thời gian sinh trưởng ngắn, phù hợp với cơ cấu mùa vụ (2 vụ lúa + 1-2 cây vụ đông) Các tổ hợp lai này có năng suất cao, chất lượng tốt, cơm ngon, mềm vị đậm và mùi thơm đậm Hai tổ hợp lúa lai này, sau khi nghiên cứu hoàn thiện quy trình và mở rộng sản xuất sẽ góp phần bổ sung giống lúa mới vào bộ giống lúa lai nói chung, bộ giống lúa lai chất lượng cao nói riêng để phục vụ sản xuất

Đề tài đã xây dựng được 02 quy trình (quy trình nhân dòng AT27 và quy trình sản xuất hạt lai F1 tổ hợp TH6-6) áp dụng cho các tỉnh miền Bắc Việt Nam

PHẦN 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

2.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN LÚA LAI TRONG

VÀ NGOÀI NƯỚC

2.1.1 Nghiên cứu và phát triển lúa lai trên thế giới

Trung Quốc bắt đầu nghiên cứu về cây lúa lai từ năm 1964, họ phát hiện

được cây lúa dại bất dục trong loài lúa dại Oryzae fatuaspontanea tại đảo Hải

Nam, sau đó đã chuyển được tính bất dục đực hoang dại này vào lúa trồng và tạo

ra những vật liệu di truyền mới giúp cho việc khai thác ưu thế lai ở lúa Đến năm

1973, lô hạt giống F1 đầu tiên được sản xuất với sự tham gia của 3 dòng là: dòng bất dục đực di truyền tế bào chất (Cytoplasmic Male Sterile-CMS), dòng duy trì bất dục (Maintainer-B), dòng phục hồi hữu dục (Restorer-R) (Hoàng Tuyết Minh, 2002) Năm 1973, Trung Quốc cũng bắt đầu nghiên cứu sử dụng gen

tương hợp rộng (WCG) Đồng thời phát hiện gen p(t)ms đã mở ra một hướng

nghiên cứu mới về tạo giống lúa lai là nghiên cứu tạo giống lúa lai hai dòng Dùng phương pháp lai chuyển gen các nhà khoa học đã tạo ra nhiều dòng EGMS mới mang gen tương hợp rộng (WCG), làm cơ sở tạo ra các tổ hợp lai xa có ưu thế lai cao Chính thành công này đã mở rộng khả năng khai thác ưu thế lai trên

phổ di truyền rộng ở lúa (Qu et al., 2012) Những nghiên cứu sử dụng các dòng

bất dục đực di truyền nhân cảm ứng môi trường (EGMS) tỏ ra khả quan (Nguyễn

Công Tạn và cs., 2002; Dung Nguyen Tien et al., 2013) Điều này thể hiện khi

Shi (1973) đã phát hiện một số cây lúa bất dục trong quần thể của giống Nongken 58, chúng bất dục đực ở độ dài ngày trên 14 giờ và hữu dục ở độ dài ngày dưới 13 giờ 45 phút Qua nghiên cứu ông thấy tính trạng này do một cặp gen lặn trong nhân điều khiển Theo Yuan (1986), giống Nongken 58S đặc trưng cho dạng bất dục PGMS cảm ứng mạnh với ánh sáng và cảm ứng yếu với nhiệt

độ, giới hạn chuyển hoá là 13 giờ 45 phút (điều kiện 23-460C) Nhận định của Shi (1973) thì thời kỳ mẫn cảm là phân hoá gié cấp 1 đến hình thành tế bào mẹ hạt phấn (10-12 ngày trước trỗ) (dẫn theo Nguyễn Công Tạn và cs., 2002) Năm

1976, Trung Quốc đã có 140.000 ha gieo cấy lúa lai thương phẩm (Nguyễn Công Tạn và cs., 2002) Giống lúa lai 2 dòng đầu tiên trồng đại trà ở Trung Quốc là Peiai64S/Teqing có năng suất cao nhất đạt 17,1 tấn/ha (Nguyễn Trí Hoàn, 2003) Các nhà khoa học Trung Quốc đã mở ra một kỷ nguyên lúa lai trên thế giới

Nghiên cứu phát triển lúa lai tại Trung Quốc được Chang (2008) tổng kết

và chia thành 4 giai đoạn từ 1964-2008 như sau:

- Giai đoạn 1 (1964-1975): Phát hiện kiểu bất dục hoang dại (WA), tạo dòng bất dục đực (A), dòng duy trì bất dục (B) tương ứng, phát hiện dòng phục hồi (R), hoàn thiện công nghệ cho lúa lai “ba dòng” gồm: Nhân dòng A/B; Sản xuất hạt lai F1 A/R và Sản xuất lúa lai thương phẩm

- Giai đoạn 2 (1976-1990): Phát triển nhanh, diện tích lúa lai mở rộng từ 0,14 triệu ha (1976) lên 15 triệu ha năm 1990, tăng năng suất hạt F1, tạo thêm nhiều

tổ hợp mới

- Giai đoạn 3 (1990-2000): Giai đoạn phát triển chiến lược, đã tổng kết chiến lược lúa lai “ba dòng”, “hai dòng”, “một dòng”; Đề xuất chiến lược lai xa giữa loài phụ; Khởi sướng siêu lúa lai năm 1996

- Giai đoạn 4 (2001-2009): Phát triển siêu lúa lai đạt 16-19 tấn/ha ở diện tích nhỏ, 10-13 tấn/ha diện tích lớn; Tăng số lượng giống và diện tích lúa lai hai,

ba dòng Năm 2009 có 10 tỉnh phát triển lúa lai lớn chiếm 90% tổng diện tích lúa lai Trung Quốc; Các công ty tư nhân tham gia mạnh vào chọn tạo giống mới và sản xuất, kinh doanh hạt lai (Chang, 2008)

Đến năm 2013, Trung Quốc đã có hơn 80 giống lúa lai siêu cao sản được đưa vào sản xuất, trong số đó có những giống năng suất bình quân trồng đại trà đạt

12 tấn/ha Lý do chính để các giống lúa lai này đạt năng suất cao là: số hạt/bông

và kích thước bông tăng; chỉ số diện tích lá tăng, thời gian lá xanh dài, khả năng quang hợp cao hơn, chống đổ tốt, tích lũy chất khô ở giai đoạn trước trỗ cao, vận chuyển carbohydrat từ thân lá vào hạt mạnh, bộ rễ lớn hơn và hoạt động hút dinh dưỡng của rễ khỏe hơn Tuy nhiên, có hai vấn đề chính đối với lúa lai siêu cao sản là các hoa nở sau không vào chắc, tỷ lệ đậu hạt thấp và không ổn định

(Jing et al., 2013)

Dựa trên những thành tựu đạt được và tiềm năng năng suất của lúa, Trung Quốc đã xây dựng bổ sung kế hoạch giai đoạn 4 cho chọn giống lúa lai siêu cao sản với năng suất 15,0 tấn/ha/vụ ở quy mô lớn vào năm 2020 Theo lý thuyết, cây lúa có thể chuyển đổi 5% năng lượng bức xạ mặt trời thành chất hữu cơ nên chỉ cần sử dụng hiệu quả 2,5% thì năng suất lúa có thể đạt 22,5 tấn/ha Thực nghiệm cho thấy các giống lúa có chiều cao 1,3m có thể đạt được năng suất 15-16 tấn/ha, với kiểu cây cao khoảng 1,5m có thể đạt năng suất 17-18 tấn/ha Do vậy để đạt

được năng suất 18-20 tấn/ha thì chiều cao cây của các giống siêu lúa lai phải đạt

từ 1,8-2,0m Theo Yuan (2014), để đạt được điều đó thì những giống siêu lúa lai phải có kiểu hình đẹp, đẻ nhánh gọn, khỏe, tập trung, sự khác biệt giữa bông chính

và bông phụ thấp Chính vì thế, cần giải quyết vấn đề đổ ngã của siêu lúa lai bằng việc lai khác loài để có bộ rễ khỏe và lai với các nguồn gen có cổ bông to, thân đặc, đốt dưới gốc ngắn và to Theo Bộ Nông nghiệp Trung Quốc, kế hoạch bổ sung giai đoạn 4 được khởi động từ tháng 4 năm 2013 và giống lúa lai đầu tiên được thử nghiệm là Y Liangyou 900, trồng trong vụ Mùa đạt năng suất 14,8 tấn/ha tại huyện Long Hải tỉnh Hồ Nam, với kết quả ban đầu như vậy, Trung Quốc có thể đưa năng suất siêu lúa lên 15,0 tấn/ha/vụ vào năm 2015 (Yuan, 2014)

Tổng hợp năng suất của các tổ hợp lai khác nhau, Yuan (2008) nhận định

xu hướng ưu thế lai từ cao đến thấp như sau: ưu thế lai về năng suất cao nhất khi

lai Indica/Japonica và giảm dần: Indica/Javanica > Japonica/Javanica

> Indica/Indica > Japonica/Japonica Như vậy, để chọn tạo được giống lúa lai

siêu năng suất cần phải lai giữa Indica và Japonica Tuy nhiên, con lai

Indica/Japonica thường có tỷ lệ lép cao do không tương hợp di truyền, để khắc

phục vấn đề này cần chuyển gen tương hợp rộng (WC) Sn5 vào dòng bố hoặc dòng mẹ làm cầu nối Cũng theo ông, giống siêu lúa lai thường có cây cao hơn là

do lai khác loài phụ Vì vậy, để khắc phục hiện tượng lúa đổ ngả cần lai chuyển gen lùn vào dòng bố làm cho đường kính thân của cây lai lớn (>1,1cm), bó mạch nhiều và dầy hơn, bộ rễ khỏe hơn Tuy nhiên, muốn cải thiện chất lượng gạo của các tổ hợp siêu lúa lai do lai khác loài phụ trên nên chọn bố mẹ dạng trung gian

giữa Javanica-Japonica

Năm 1993, Viện Nghiên cứu lúa Bangladesh bắt đầu nghiên cứu lúa lai dưới sự trợ giúp của Viện Nghiên cứu lúa Quốc tế Đến năm 2001, một số tổ hợp lúa lai mới được trồng thử nghiệm Đến năm 2014, có 115 giống lúa lai được thử nghiệm tại Bangladesh, trong đó có 89 giống từ Trung Quốc, 15 giống từ Ấn Độ,

01 giống từ Phillipine và 04 giống chọn tạo trong nước (Azim et al., 2014) Năm

2014, diện tích lúa lai của Bangladesh đạt 670 nghìn ha, năng suất trung bình đạt 6,8 tấn/ha Bangladesh đưa ra chiến lược phát triển lúa lai giai đoạn 2020-2030 là: 1- phát triển các dòng CMS và R có khả năng kết hợp cao và ổn định, nhận phấn ngoài tốt; 2- phát triển các giống lúa lai có hàm lượng amylose < 25%, chất lượng cao, hạt thon dài; 3- chọn tạo các giống lúa lai chống chịu sâu bệnh và điều kiện bất thuận; 4- mở rộng diện tích lúa lai đặc biệt ở các vùng nhờ nước trời

Bảng 2.1 Diện tích, năng suất lúa thuần và lúa lai của một số nước

trồng lúa ở châu Á trong năm 2012 Nước

Diện tích (triệu ha)

Năng suất (tấn/ha)

Diện tích (triệu ha)

Năng suất (tấn/ha)

Nguồn: Dasgupta and Roy (2014)

Ở Ấn Độ, đến năm 2014 đã đánh giá 3.500 tổ hợp và đã chọn được 70 tổ hợp lai để phát triển sản xuất, trong đó có 31 tổ hợp lai do các đơn vị nhà nước chọn tạo và 39 tổ hợp lai do các công ty tư nhân chọn tạo Ấn Độ đưa ra chiến lược nghiên cứu là: 1- phát triển các dòng bố mẹ có ưu thế lai cao; 2- chuyển gen ưu thế lai từ ngô sang lúa; 3- đa dạng nguồn CMS; 4- xác định vùng sản xuất hạt lai tối ưu; 5- phát triển nguồn nhân lực cho chọn tạo và phát triển lúa lai

(Hari-Prasad et al., 2014)

Nghiên cứu lúa lai ở Indonesia được bắt đầu từ năm 1983 Cho đến những năm 1990, những nghiên cứu của họ vẫn chưa thành công như mong đợi, khó khăn trong việc tạo dòng CMS ổn định với tỷ lệ lai xa cao (≥ 25%) và thích nghi với môi trường Indonesia Từ năm 2001, Viện Nghiên cứu và Phát triển nông nghiệp Indonesia (IAARD) đã tăng cường hợp tác với IRRI, FAO và những nơi khác Từ năm 2004 đến năm 2011, IAARD đã công nhận nhiều giống cho năng suất cao, có khả năng kháng sâu bệnh và một trong số đó là giống lúa thơm như: Hipa3, Hipa4, Hipa5 Ceva, Hipa6 Jete, Hipa7, Hipa8, Hipa9, Hipa10, Hipa11, Hipa12 SBU, Hipa13, Hipa14 SBU, Hipa Jatim1, Hipa Jatim2, Hipa Jatim3 (Satoto and Made, 2011) Indonesia đưa ra chiến lược phát triển lúa lai giai đoạn 2020-2030 là: 1- xã hội hóa phát triển lúa lai, ưu tiên các công ty tư nhân tham gia chọn tạo và phát triển lúa lai; 2- chọn tạo các giống lúa lai kháng rầy nâu, bạc lá; 3- phát triển các dòng bố mẹ mới thông qua hợp tác với IRRI và các nước khác; 4- chính phủ khuyến khích không chỉ chọn tạo trong nước còn có thể nhập công nghệ lúa lai của nước ngoài

Ở Phillipine, đến năm 2013 có 53 giống lúa lai được công nhận và mở rộng sản xuất, trong đó nổi bật là các giống như: Magat, Panay, Mestizo 1 and Mestiso 2

to Mestiso 51, có năng suất trung bình từ 6,5-7,3 tấn/ha (Dindo et al., 2014)

Năm 2011, Thái Lan đã chọn tạo thành công giống lúa lai RDH1 và đến năm 2013 chọn tạo được giống lúa lai RDH3 có năng suất 8,84 tấn/ha Thái Lan tập trung vào nghiên cứu lúa lai hai dòng, khởi đầu là nhập dòng TGMS từ IRRI

về lai thử với các giống lúa của Thái Lan và đã tuyển chọn được 8 tổ hợp lai có năng suất trên 6,5 tấn/ha Thái Lan đưa ra chiến lược chọn giống lúa lai giai đoạn 2020-2030 là: 1- phát triển các dòng bố mẹ phù hợp với điều kiện Thái Lan; 2- sản xuất hạt lai với giá thành hạ; 3- sử dụng công nghệ sinh học để hỗ trợ cho

chọn tạo giống lúa lai (Suniyum et al., 2014)

Theo Hiệp hội hạt giống châu Á - Thái Bình Dương, lúa lai chiếm khoảng 12% diện tích trồng lúa trên thế giới, có năng suất cao hơn lúa thuần từ 15-35%, sinh trưởng phát triển tốt, đặc biệt trong điều kiện biến đổi khí hậu hiện nay APSA (2014) cũng dự tính, diện tích lúa lai tăng lên 14% vào năm 2020 và 30% vào năm 2030

2.1.2 Nghiên cứu và phát triển lúa lai trong nước

Việc nghiên cứu lúa lai ở Việt Nam được bắt đầu vào năm 1986 tại Viện Khoa học Kỹ thuật Nông nghiệp Việt Nam, Viện lúa Đồng bằng sông Cửu Long

và Viện Di truyền Nông nghiệp với nguồn vật liệu chủ yếu được nhập từ Viện Nghiên cứu lúa Quốc tế Tuy nhiên, những nghiên cứu này mới ở giai đoạn tìm hiểu Năm 1989, hạt giống lúa lai F1 được nhập khẩu qua biên giới Việt Trung và gieo trồng ở một số tỉnh vùng núi phía Bắc như Lạng Sơn, Cao Bằng, Hà Giang, Lào Cai… kết quả cho năng suất khá cao Năm 1990, Bộ Nông nghiệp và Công nghiệp thực phẩm (nay là Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn) đã cho phép nhập một số tổ hợp lúa lai của Trung Quốc gieo trồng thử trong vụ Xuân ở đồng bằng Bắc bộ, kết quả cho thấy, các tổ hợp lúa lai đều cho năng suất cao hơn hẳn

so với lúa thuần

Sau đó, chương trình nghiên cứu lúa lai được sự quan tâm và tham gia của nhiều cơ quan nghiên cứu khác như: Viện Cây lương thực và Cây thực phẩm, Trường Đại học Nông nghiệp I (nay là Học viện Nông nghiệp Việt Nam), Viện Bảo vệ thực vật, Viện Nông hóa thổ nhưỡng và Trung tâm Khảo kiểm nghiệm giống, sản phẩm cây trồng Quốc gia Kết quả là nhiều tổ hợp lúa lai ba dòng có

triển vọng đã được chọn tạo và đưa vào sản xuất thử như: HR1, H1, H2, UTL1, UTL2, HYT51, HYT53, HYT54, HYT55, HYT56, HYT57, HYT8… (Nguyễn Trí Hoàn, 2003) Theo tổng kết của Cục Trồng trọt - Bộ Nông nghiệp và PTNT, đến năm 2012 nước ta đã chọn tạo và tuyển chọn được 26 dòng bất dục (CMS, TGMS), 10 dòng duy trì, nhiều dòng phục hồi, đặc biệt các nhà chọn tạo giống lúa lai trong nước đã chọn tạo được một số dòng TGMS thích hợp với điều kiện Việt Nam, bất dục ổn định, nhận phấn ngoài rất tốt; một số dòng bố có khả năng kháng bệnh bạc lá, khả năng kết hợp và cho ưu thế lai cao Đồng thời đã lai tạo, đánh giá, đưa vào khảo nghiệm nhiều tổ hợp lai có triển vọng và phát triển làm

cơ sở để công nhận giống mới Đến cuối năm 2014, Cục Trồng trọt đã công nhận chính thức 10 giống lúa lai ba dòng, 12 giống lúa lai hai dòng để phát triển sản xuất (Cục Trồng trọt, 2014) Đặc điểm nổi bật của các giống lúa lai chọn tạo trong nước là có thời gian sinh trưởng ngắn, năng suất cao phù hợp cho trà lúa Mùa sớm, Xuân muộn như TH3-3, VL20, TH3-4, TH3-5, CT16 (Nguyễn Thị Trâm, 2016) Một số đơn vị nghiên cứu đã chọn tạo các tổ hợp lai có khả năng kháng bệnh bạc lá, một bệnh nguy hiểm đối với lúa lai trong vụ Mùa ở Việt Nam

Một số tổ hợp lúa lai kháng bạc lá mang gen Xa21, Xa7, kháng mạnh và ổn định

với nhiều chủng nòi vi khuẩn bạc lá của miền Bắc đang được phát triển mạnh vào sản xuất như Bắc ưu 903 KBL, Việt lai 24, TH3-7 (Nguyễn Thị Trâm và cs., 2015) Các giống lúa lai dễ sản xuất hạt giống F1, năng suất sản xuất hạt giống F1 cao như: TH3-3, TH3-4, TH3-5, CT16… góp phần hạ giá thành sản xuất và tăng khả năng cạnh tranh với hạt giống F1 nhập nội (Nguyễn Thị Trâm và cs., 2010)

Lúa lai có ưu thế về sinh trưởng, phát triển, cứng cây, chống đổ, chịu rét tốt, nhiễm bệnh đạo ôn và khô vằn nhẹ, cho năng suất cao nên được nông dân ưa chuộng Chính vì vậy, diện tích trồng lúa lai ở Việt Nam tăng nhanh Sau khi cấy thử lúa lai trong vụ Mùa năm 1990 trên diện tích 100ha, đến vụ Đông Xuân 1991-1992, lúa lai đã đưa vào sử dụng đại trà và từng bước mở rộng ra 36 tỉnh đại diện cho các vùng sinh thái khác nhau, bao gồm cả miền núi, đồng bằng, trung du Bắc bộ, duyên hải miền Trung, Tây nguyên và Đồng bằng sông Cửu Long Đến nay, diện tích trồng lúa lai ở Việt Nam được phát triển khá nhanh, từ 11.094ha năm 1992 tăng lên 435.508ha năm 2000 và 613.117 ha năm 2012 Tổng kết nhiều năm cho thấy năng suất lúa lai cao hơn lúa thuần từ 10-20% trong cùng điều kiện canh tác Năng suất trung bình đạt 6,5 tấn/ha (lúa thuần là 5,27 tấn/ha) Nhiều diện tích lúa lai đạt 9-10 tấn/ha, nơi cao nhất đã đạt 11-14 tấn/ha

Nhiều tỉnh có diện tích lúa lai cao đều là những tỉnh có sản lượng lúa tăng nhanh Đặc biệt là 2 tỉnh Nghệ An và Thanh Hóa nhờ đưa mạnh lúa lai, năng suất lúa năm 2004 so với năm 1992 đã tăng gần 2 lần, góp phần đưa bình quân lương thực trên đầu người của Thanh Hoá đạt 420 kg/người và Nghệ An 360 kg/người, đảm bảo an ninh lương thực của tỉnh Nam Định mặc dù có 4 huyện điều kiện sản xuất khó khăn, năng suất luôn thấp nhưng nhờ đẩy mạnh gieo cấy lúa lai nên năng suất đã tăng trên 2 tấn/ha, sấp sỉ với năng suất của Thái Bình, tỉnh có trình

độ thâm canh cao nhất cả nước (Cục Trồng trọt, 2012)

Chọn tạo các giống lúa lai ở Việt Nam cũng được thúc đẩy mạnh mẽ Các đơn vị nghiên cứu đã tập trung vào việc thu thập, đánh giá các dòng bất dục đực nhập nội, sử dụng các phương pháp chọn giống truyền thống như lai hữu tính, đột biến để tạo ra các dòng bất dục đực và dòng phục hồi mới phục vụ cho công tác chọn giống lúa lai Các kết quả nghiên cứu đã xác định được nhiều vật liệu bố

mẹ tốt, thích ứng với điều kiện sinh thái miền Bắc và có khả năng cho ưu thế lai cao như các dòng mẹ: Bo A-B, IR58025A-B, VN-01, 11S, TGMS7, TGMS11, TGMSVN1, T1S-96, 103S, TGMS6; các dòng bố R3, R4, R5, R20, R24, RTQ5… (Cục Trồng trọt, 2012) Quá trình nghiên cứu của các tác giả cho thấy nguồn vật liệu mang gen thơm là rất quan trọng và cũng chỉ ra rằng bố mẹ có chất lượng cao hoặc mang gen thơm có vai trò rất lớn để tạo tổ hợp lai có chất

lượng gạo tốt (Li et al., 2008)

2.2 HỆ THỐNG BẤT DỤC ĐỰC SỬ DỤNG TRONG CHỌN GIỐNG LÚA LAI HAI DÒNG

Bất dục đực là hiện tượng cây không có khả năng sản sinh ra hạt phấn, hoặc sản sinh ra hạt phấn nhưng lại không có khả năng giải phóng hạt phấn, hoặc sản sinh ra các hạt phấn bất dục, hạt phấn bất dục thường dị dạng và quan trọng nhất

là chúng không có khả năng nảy mầm trên đầu nhụy, vì vậy không thể thực hiện được quá trình thụ tinh Tính bất dục của các dòng mẹ của lúa lai hai dòng được kiểm soát bởi các gen trong nhân mẫm cảm môi trường

Bất dục đực di truyền nhân mẫn cảm môi trường (EGMS) phổ biến sử dụng

là dạng bất dục đực di truyền nhân mẫn cảm nhiệt độ (TGMS) và bất dục đực di truyền nhân mẫn cảm ánh sáng (PGMS) Phát hiện bất dục đực di truyền nhân mẫn cảm nhiệt độ (TGMS) trên ớt (Martin and Crawford, 1951), ngô (Duvick, 1966), lúa

(Zhou et al., 1988; dẫn theo Virmani et al., 1997) Nguồn bất dục di truyền nhân

mẫn cảm môi trường phát hiện và sử dụng thành công trên lúa tại Trung Quốc

những năm 1980 đã mở ra hướng phát triển và sử dụng dạng bất dục này trong

chọn tạo giống lúa ưu thế lai hệ hai dòng Virmani et al (1997), phân thành 5

dạng bất dục đực di truyền nhân cảm ứng nhiệt độ và ánh sáng như sau:

- Bất dục đực di truyền nhân cảm ứng nhiệt độ (TGMS)

2.2.1 Bất dục đực di truyền nhân mẫn cảm nhiệt độ (TGMS) trên lúa

Dạng bất dục TGMS do yếu tố nhiệt độ tác động ở nhiệt độ cao bất dục,

nhưng ở nhiệt độ thấp hữu dục bình thường (Chen et al., 2010; Hai et al., 2012)

Di truyền TGMS do cặp gen lặn tms trong nhân kiểm soát (Peng et al., 2010; Huang et al., 2015; Dung Nguyen Tien et al., 2013)

Các nhà khoa học cũng xác định các gen ký hiệu là tms1, tms2, tms3,

tms4(t), tms5, tms6, tmsX kiểm soát tính trạng bất dục đực mẫn cảm nhiệt độ Gen

tms1 phát sinh nhờ đột biến tự nhiên, do Sun and Yang (1989) phát hiện ở giống

lúa IR54, nằm trên nhiễm sắc thể thứ 8 Gen tms2 do Maruyama (1994) tạo ra bằng

phương pháp gây đột biến bằng tia Gamma ở giống lúa Reimei, nằm trên nhiễm

sắc thể số 7 Gen tms3 do Virmani and Subudhi (1995) tạo ra bằng phương pháp

gây đột biến bằng tia gamma ở giống lúa IR32364 nằm trên nhiễm sắc thể số 6 Ở Việt Nam, Nguyễn Văn Đồng (2000) đã sử dụng kỹ thuật sinh học phân tử (phương pháp phân tích BSA kết hợp với kỹ thuật AFLP và RFLP) để định vị gen

tms4(t) từ dòng TGMSVN1, gen này nằm cạnh tâm động trên vai ngắn của nhiễm sắc thể số 4 Wang (1995) sử dụng phương pháp phân ly theo nhóm ở thế hệ F2

của tổ hợp 5460S/Hồng vân 52 để xác định chỉ thị RAPD liên kết với gen tms1 Yamaguchi (1997) đã phát hiện ra sự liên kết của chỉ thị phân tử với gen tms2 Các tác giả nghiên cứu locus tms2 bằng phương pháp sử dụng chỉ thị phân tử (RFLP) ở quần thể F2 của tổ hợp lai Norin PL12 và giống Dular Kết quả cho thấy gen tms2

ở vị trí giữa chỉ thị R643 và R1440 trên nhiễm sắc thể thứ 7 Sử dụng kỹ thuật SSR

đã xác định chỉ thị phân tử RM11 liên kết chặt với gen tms2 định vị trên nhiễm sắc thể số 7 Gen tms2 được IRRI sử dụng tạo nhiều dòng TGMS mới phục vụ phát

triển lúa lai cho vùng nhiệt đới (dẫn theo Yubin, 2010)

Bảng 2.2 Danh sách các gen tms và chỉ thị liên kết của các dòng TGMS

TT Gen Dòng NST Chỉ thị liên kết Khoảng

6 tms5 Annong S-1 2 RM174, R394 0; 2,5 Wang et al., 2003

7 tms6-1 Annong S-1 2 Wang et al., 2003

8 tms6-2 Sokcho-MS 5 RM3476 Lee et al., 2005

9 tmsX 2 T1, T2 0;0 Peng et al., 2009

Nguồn: Yubin (2010) Theo Sheng et al (2013), dòng Zhu1 là dòng TGMS có ngưỡng chuyển đổi

tính dục thấp, khả năng kết hợp cao, xác định gen quy định tính mẫm cảm với

nhiệt độ là một gen lặn với tên gọi là tms9 nằm trên NST số 2 Lập bản đồ gen

tms9 cho thấy nó nằm ở đoạn chèn vào-mất đi (Indel) của 2 chỉ thị Indel 37 và

Indel 57, khoảng cách di truyền từ gen tms9 đến 2 chỉ thị là 0,12 và 0,31cM

Khoảng cách vật lý giữa 2 chỉ thị khoảng 107,2kb

Theo Nguyễn Văn Giang và cs (2011), ứng dụng chỉ thị phân tử DNA để xác định, sàng lọc gen tms trong các dòng TGMS và trong quần thể phân ly F2, kết quả thu được dòng 103S, Pei ai 64S và 25S chứa gen tms2

Bảng 2.3 Tổng hợp kết quả chọn tạo các dòng bố mẹ và các tổ hợp lai của một số đơn vị nghiên cứu và phát triển lúa lai trong nước

R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9, R10, R11, R12, R15, R16, R18, R20, R50, R75

VL20, VL24, TH3-3, TH3-4, TH3-5, TH5-1, TH7-2, TH8-3, VL50, TH7-5, TH3-7 (2 dòng)

2

Trung tâm Nghiên

cứu và PT lúa

lai-Viện cây lương

thực và CTP

D51S, D52S, D59S, D60S, D116S

RTQ5, R527, Q99, PM3, R242, GR10, R108

HYT102, HYT103, HYT108, HYT106

Nguồn: Cục Trồng trọt (2012)

Ngày nay, hiện tượng bất dục đực TGMS đã được ứng dụng rộng rãi và có hiệu quả trong công tác tạo giống và sản xuất lúa lai hệ hai dòng ở Trung Quốc cũng như Việt Nam Nhiều tổ hợp lai có giá trị đã được tạo ra nhờ ứng dụng hiện tượng bất dục TGMS như Bồi tạp sơn thanh, Bồi tạp 49, Việt lai 20, TH3-3, TH3-4; TH3-5; Việt lai 24; TH7-2; TH3-7 (Nguyễn Thị Trâm và cs., 2010, 2011, 2015; Trần Văn Quang và cs., 2013; Vũ Văn Liết và cs., 2013)

2.2.2 Bất dục di truyền nhân mẫn cảm ánh sáng (PGMS) ở lúa

Hiện tượng bất dục đực di truyền nhân mẫn cảm ánh sáng (PGMS) được Shi Ming Song phát hiện đầu tiên trên quần thể lúa Nongken 58S ở Hồ Bắc, Trung Quốc, nơi có vĩ độ là 30o27’N Khi giống lúa Nongken 58S trồng trong điều kiện có thời gian chiếu sáng trong ngày ngắn hơn 14 giờ thì hạt phấn của chúng hữu dục, khi trồng trong điều kiện có thời gian chiếu sáng trong ngày dài

hơn 14 giờ (14-16 giờ) hạt phấn của giống lúa này bất dục (Wang et al., 2011; Robin et al., 2010)

Nguồn bất dục PGMS đến nay đã phát hiện và chọn tạo có độ dài chiếu sáng trong ngày để chuyển hóa tính dục như trình bày tại bảng 2.4

Bảng 2.4 Nguồn gốc một số dòng PGMS đã được phát hiện và sử dụng

giống Nguồn gốc

Độ dài ngày chuyển hóa tính dục, tác giả, năm Nongken 58S Japonica Tự đột biến, Trung Quốc 14h00’–13h45’

Shi and Deng (1986) MSr 54A (B) Japonica Tự đột biến, Trung Quốc 14h00’–13h00’

Lu and Wang (1988) CIS 28-10S Indica Tự đột biến, Trung Quốc 14h00’–12h00’

Huang and Zhang (1991)

26 Zhai Zao Indica Chọn tạo, Trung Quốc 14h00’–12h00’

Shen et al (1994)

EGMS Japonica Chọn tạo, Mỹ 14h00’–13h00’

Rutger and Schaeffer (1989) M201 Japonica Chọn tạo, Mỹ 14h00’–12h00’

Oard and Hu (1995) Nguồn: Virmani (2003) Bằng chỉ thị phân tử đã chứng minh gen chính bất dục di truyền nhân mẫn

cảm ánh sáng ở Nongken 58S (Cặp lai Nongken 59S với dòng PTGMS Indica 3200S phát hiện hai locus gen pms1 và pms2 được nằm trên NST số 7 và 3 Hai locus khác ở cặp lai Nongken 58S với bố mẹ PTGMS có pms1 và pms3 nằm trên

NST số 12 như minh họa hình 2.1

Hình 2.1 Vị trí gen PGMS trên bản đồ liên kết của lúa

Nguồn: Zhang et al (1994)

Các gen kiểm soát bất dục PTGMS ở các dòng Japonica có nguồn là Nongken 58S mang alen của Nongken 58S, nhưng một số dòng Indica không

mang alen bất dục của Nongken 58S

Trong các dòng PTGMS có nguồn gốc khác nhau có sự khác nhau cặp gen

lặn điều khiển bất dục (Weerachai et al., 2011), tính dục do nhiều nhân tố tác động nhưng chủ yếu là do nhiệt độ và độ dài chiếu sáng (Kubo et al., 2011; Reflinur et al., 2012; Jihua et al., 2012)

Theo Hai et al (2012), dòng P/TGMS được ứng dụng nhiều trong nghiên

cứu chọn tạo giống lúa lai hai dòng Tuy nhiên cơ chế phân tử về bất dục của các dòng P/TGMS chưa được giải thích trọn vẹn Trong nghiên cứu của mình, tác giả

đã lập bản đồ locus p/tms12-1 trên NST số 12 của dòng PGMS Japonica 58S (NK58S) và dòng TGMS Indica Peiai 64S (PA64S được phân lập từ NK58S) Một đoạn 2.4-kb DNA chứa allele dạng dại P/TMS12-1 có thể phục hồi hạt phấn

hữu dục của dòng NK58S và PA64S P/TMS12-1 thuộc đoạn RNA không mã hóa protein (noncoding RNA) có 21-nucleotide nhỏ được đặt tên là osa-

smR5864w Có sự thay thế nucleotide C bằng G trong p/tms12-1, cho sự đa hình

đối với P/TMS12-1, đoạn có sự đột biến đặt tên là osa-smR5864m Hơn nữa, trình tự với 375-bp của P/TMS12-1 của những cây NK58S và PA64S chuyển gen

cũng có osa-smR5864w và phục hồi hạt phấn hữu dục RNA có kích thước nhỏ

và không mã hóa protein biểu hiện rõ ở các bông non nhưng không ảnh hưởng bởi nhiệt độ và quang chu kỳ Nghiên cứu chỉ ra rằng có sự đột biến mất chức năng của osa-smR5864m là nguyên nhân chính để các dòng PGMS và TGMS có tính bất dục đực mẫm cảm môi trường

Tính bất dục do hiện tượng bất dục đực di truyền nhân mẫm cảm ánh sáng có tính ổn định khá cao do sự ổn định về thời gian chiếu sáng trong ngày ở các mùa vụ hay từng địa phương cụ thể Tuy nhiên, độ dài chiếu sáng trong ngày của Việt Nam rất khó sử dụng được những dòng bất dục đã có, dòng bất dục PGMS sử dụng trong điều kiện Việt Nam độ dài ngày chuyển hóa tính bất dục trong phạm vi 12 giờ 16 phút đến 12 giờ 30 phút là phù hợp (Vũ Văn Liết và cs., 2013)

2.3 PHƯƠNG PHÁP CHỌN TẠO CÁC DÒNG BỐ MẸ LÚA LAI HAI DÒNG

2.3.1 Phương pháp tạo dòng mẹ lúa lai hai dòng

2.3.1.1 Nhập nội

Theo Virmani (2003), có 6 phương pháp tạo dòng EGMS: đánh giá tập đoàn các dòng giống hiện có, gây đột biến, lai và chọn lọc pedigree, nuôi cấy bao phấn và lai trở lại chọn lọc nhờ maker (MAS) Trong đó nhập nội là phương pháp nhanh nhất, phù hợp với những nơi chọn tạo giống lúa lai còn gặp nhiều khó khăn về kinh tế và điều kiện nghiên cứu

Nhập nội các dòng EGMS sẵn có từ các đơn vị nghiên cứu như Viện Nghiên cứu lúa Quốc tế (IRRI), các Viện nghiên cứu lúa lai, các Trường Đại học nghiên cứu nông nghiệp của Trung Quốc là đón đầu những thành tựu khoa học mới của thế giới Tuy nhiên mỗi dòng có khả năng thích nghi với điều kiện sinh thái từng vùng nên sau khi nhập nội cần phải đánh giá chọn lọc lại Trên cơ sở đó tuyển chọn những dòng ưu tú phù hợp với điều kiện sinh thái và tìm biện pháp khai thác thích hợp Thí nghiệm đánh giá bố trí như sau: gieo mỗi mẫu giống khoảng 100-200 hạt (hoặc gieo 1/2 số lượng hạt nhập về giữ lại 1/2 để nghiên cứu tiếp), sau khi mọc, tiến hành quan sát, ghi chép các chỉ tiêu sinh trưởng, phát triển ở từng giai đoạn, tình hình nhiễm sâu bệnh, số lá trên thân chính, thời gian

từ gieo đến bắt đầu trỗ bông, đặc điểm đẻ nhánh, mô tả đặc điểm hình thái

Nếu là dòng TGMS: khi lúa ở thời kỳ phân hoá đòng cuối bước 3 bứng cây đưa vào buồng khí hậu nhân tạo (nếu có) và điều khiển nhiệt độ trên 270C để kiểm tra phấn bất dục, đồng thời đưa một số cây khác vào điều kiện nhiệt độ thấp

< 240C để kiểm tra hạt phấn hữu dục Dựa trên kết quả kiểm tra sẽ xác định được

ngưỡng chuyển hoá và thời điểm chuyển hoá tính dục của các dòng Từ kết quả

đánh giá này có thể tìm biện pháp sử dụng thích hợp nhất cho từng dòng nhập nội Các vật liệu nhập nội thường phân ly do nhiều nguyên nhân khác nhau như: điều kiện ngoại cảnh thay đổi phát sinh biến dị; bản thân các dòng khi nhập chưa thuần Từ quần thể đa dạng này có thể chọn ra nhiều biến dị thích ứng tốt với điều kiện mới để sử dụng vào chương trình phát triển lúa lai hai dòng Nếu nguồn nhập là các dòng PGMS thì tiến hành xử lý ánh sáng trong buồng khí hậu nhân tạo để phát hiện dòng cần tìm (cách làm tương tự như xử lí nhiệt độ) (Nguyễn Công Tạn và cs., 2002)

2.3.1.2 Sàng lọc vật liệu EGMS trong tự nhiên

Trong tập đoàn vật liệu chọn giống lúa có thể tồn tại các dòng bất dục đực

do đột biến tự nhiên gây nên Muốn chọn được cần gieo trồng cẩn thận, quan sát vào thời kỳ lúa trỗ bông để phát hiện cây bất dục Khi chọn được cá thể bất dục, nhổ cả gốc đem trồng trong chậu hoặc trong ô xây để cho cây mọc chồi chét Chờ đến khi gặp điều kiện ngoại cảnh thuận lợi lúa chét có thể sẽ phục hồi hữu dục Lúc đó xác định xem tính hữu dục chịu ảnh hưởng bởi yếu tố nào: nhiệt độ hay quang chu kỳ hoặc không phải là dòng bất dục EGMS mà chỉ đơn giản là bất dục đực OGMS Trường hợp cơ sở nghiên cứu có buồng khí hậu nhân tạo thì có thể tiến hành xác định nhanh tính cảm ứng với điều kiện ngoại cảnh của các cá thể bất dục được chọn Cách làm như sau: trồng cây bất dục vào chậu hoặc túi nilon, cắt bỏ các bông bất dục đã trỗ, sau 7-10 ngày các chồi mới mọc lên thành cây, chuyển chậu (hoặc túi) vào buồng xử lí nhiệt độ (hoặc quang chu kì) từ 10-12 ngày, sau đó chuyển ra nhà lưới, khi lúa trỗ tiến hành kiểm tra hạt phấn, trên cơ

sở số liệu thu được xác định dòng đó là dòng bất dục đực thuộc loại nào và tiến hành nhân dòng để nghiên cứu tiếp (Nguyễn Công Tạn và cs., 2002)

2.3.1.3 Tạo dòng EGMS mới bằng phương pháp lai

Nếu trong vườn vật liệu đã có sẵn nguồn gen tms (hoặc pms), nhà chọn

giống có thể sử dụng ngay nguồn gen này làm dòng mẹ để lai với các dòng, giống lúa thường khác nhau, thu hạt lai, gieo và đánh giá con lai F1 Hạt F1 tự thụ tiếp tục gieo để có quần thể F2 (chú ý khi gieo F2 phải tính toán sao cho quần thể này phân hoá đòng từ cuối bước 3-6 đúng vào thời kỳ có nhiệt độ trung bình ngày cao > 270C hoặc pha sáng dài trên giới hạn gây bất dục) Khi lúa bắt đầu trỗ bông tiến hành quan sát phát hiện các cá thể bất dục (căn cứ vào đặc điểm trỗ

nghẹn đòng, bao phấn lép, không mở, hạt phấn khi nhuộm I-KI 1% không chuyển màu xanh đen) Chọn cá thể bất dục có kiểu hình đẹp, bứng cả gốc về trồng trong nhà lưới, cắt bỏ các bông bất dục, chăm sóc cẩn thận cho các chồi mới mọc ra từ các mắt ngủ Sau khi cắt thân chính từ 7-10 ngày các chồi mọc khá nhiều, khi chồi ra 1-3 lá, chuyển cây vào xử lý ở nhiệt độ thấp <240C (ánh sáng ngắn) trong 10-12 ngày liên tiếp sau đó chuyển ra nhà lưới ở điều kiện bình thường Khi lúa trỗ, tiến hành kiểm tra hạt phấn bằng phương pháp hiển vi quang học Nếu hạt phấn hữu dục chứng tỏ rằng dòng đó đã phục hồi trong điều kiện nhiệt độ thấp (ánh sáng ngắn), đó chính là dòng TGMS hoặc PGMS Trường hợp không có thiết bị để xử lý nhân tạo, đối với dòng TGMS có thể chuyển gốc rạ tươi của các cá thể bất dục đực lên vùng núi có độ cao >900m so với mặt biển, trồng trong mùa hè, tưới nước lạnh trên núi, các chồi mọc lên và trỗ bông, dòng nào khi trỗ có hạt phấn hữu dục và đậu hạt tự thụ chính là dòng TGMS Nếu không có điều kiện thực hiện cả hai cách nêu trên, có thể nhân các chồi mọc từ gốc rạ theo hệ vô tính liên tục chờ đến mùa đông, khi nhiệt độ tự nhiên giảm thấp xuống dưới 240C, hệ vô tính đó sẽ phục hồi hữu dục, thu được hạt tự thụ, đó chính là dòng TGMS (Nguyễn Công Tạn và cs., 2002)

Từ kết quả nghiên cứu của Fu et al (2010), dòng TGMS Xiangling 628S

được chọn lọc từ tổ hợp lai giữa dòng SV14S (chọn lọc từ dạng đột biến tế bào soma dòng Zhu1S) với giống lúa thuần kháng đạo ôn ZR02 Xiangling 628S có ngưỡng nhiệt độ chuyển đổi tính dục dưới 230C, bất dục ổn định, khả năng kết hợp cao, chất lượng cao, chống đổ tốt, chịu thâm canh

Sreewongchai et al (2014) đã chuyển gen tms sang các giống lúa của Thái

Lan bằng phương pháp lai trở lại với dòng TGMS (thể cho) và các giống lúa Thái Lan như ChaiNat 1, PathumThani 1 và SuphanBuri 1 (thể nhận) Thế hệ BC2F2

sử dụng chỉ thị phân tử SSR để chọn lọc các cá thể mang gen tms và kết quả chọn

được các dòng TGMS mới phục vụ cho phát triển lúa lai hai dòng ở Thái Lan

Wang et al (2012) cho rằng, những dòng bất dục đực phải bất dục hoàn toàn

khi sản xuất hạt lai F1 để đảm bảo độ thuần cao của hạt lai F1 Như vậy, khi nhiệt

độ thay đổi đột ngột trong thời gian phân hóa đòng có thể gây ra hiện tượng hữu dục một phần của hạt phấn và kết quả là độ thuần của hạt lai F1 giảm Những dòng bất dục đực mẫm cảm với thuốc trừ cỏ sẽ giải quyết được vấn đề trên khi sử dụng thuốc trừ cỏ phun ở giai đoạn mạ để loại bỏ các hạt do dòng mẹ tự thụ Có 2 dòng bất dục đực (1 dòng CMS và 1 dòng P/TGMS) mẫm cảm với thuốc trừ cỏ được

chọn tạo nhờ xử lý đột biến bằng tia gamma Gen liên quan đến đột biến có tên là CYP81A6 bị cắt 1bp, 2bp và 11bp bởi enzyme CYP81A6

Deng et al (2014) cho biết: các dòng PGMS được chuyển gen kháng thuốc

trừ cỏ sẽ giúp cho việc cơ giới hóa trong sản xuất hạt lai F1 và điều khiển cỏ dại

Để chuyển gen kháng thuốc trừ cỏ vào các dòng PGMS, nhóm tác giả đã sử dụng

gen Epsps chuyển vào dòng 7001S (dòng PGMS Japonica) bằng vi khuẩn

Agrobacterium.

2.3.2 Phương pháp tạo dòng bố lúa lai

Zhang et al (2013) cho rằng: sử dụng 3 quần thể được lai giữa dòng phục

hồi MH86 với ba giống năng suất cao (thể cho) là ZDZ057, Phúc khôi 838 và Tai chung đã chọn được 123 cá thể ưu tú ở thế hệ BC2F2 Thông qua đánh giá đã chọn được 12 dòng có năng suất cao hơn MH86 Trong nghiên cứu đã xác định

55 QTLs có liên quan đến năng suất, trong đó có 50 QTLs được xác định bằng phương pháp lai hồi quy từng bước

Theo Zhan et al (2012), đã tiến hành phép lai diallele giữa 5 mẫu giống

kháng đạo ôn với 5 mẫu giống kháng bạc lá Một trong cặp bố mẹ đó là DH146 lai với TM487, đều có sự đa hình đối với các chỉ thị để xác định gen kháng đạo

ôn Pi25 và 3 gen kháng bạc lá Xa21, xa13 và xa5 Các cá thể F2 của tổ hợp DH146/TM487 được kiểm tra bởi chỉ thị RM3330 cho gen Pi25 Các cá thể F2

có gen kháng đạo ôn Pi25 được lai quy tụ với cá thể có gen Xa21, xa13 và xa5,

sử dụng các chỉ thị pTA248, RM264 và RM153 để kiểm tra ở các thế hệ tiếp theo Cuối cùng, sau khi lựa chọn các tính trạng nông sinh học, khả năng phục hồi, trong số 12 dòng quy tụ đã chọn được dòng phục hồi R8012 có cả 4 gen

(Pi25+Xa21+xa13+xa5)

Zhou et al (2011) đã thành công khi chuyển gen kháng bệnh bạc lá Xa23 có nguồn gốc từ lúa dại (Oryza rufipogon) sang 3 dòng phục hồi Minghui63, YR293 và

Y1671, nhờ sử dụng chỉ thị phân tử chọn lọc ở các thế hệ lai lại đã chọn được 3

dòng phục hồi mới có mang gen kháng bạc lá Xa23 là Minghui63-Xa23,

YR293-Xa23 và Y1671-Xa23) Các tổ hợp lai của chúng với Zhenshan97A

(Shanyou63-Xa23 ), NongfengA (Fengyou293-Xa23) và Zhong9A (Zhongyou1671-Xa23) được

thử nghiệm có tính kháng bạc lá tốt

Theo Jakkrit et al (2014) khi phân tích ở quần thể F2 của tổ hợp

IR80151A/CH1 và IR80151A/CH4 cho thấy, tỷ lệ cá thể có hạt phấn hữu dục và bất dục là 15:1 Như vậy, có thể khẳng định gen quy định tính phục hồi hữu dục

do 02 cặp gen nhân điều khiển

Chen et al (2014) cho rằng: để cải thiện hiệu quả chọn lọc đối với dòng phục hồi hữu dục cho kiểu bất dục BT của dòng CMS trong lúa Japonica bằng

việc sử dụng chỉ thị InDel-Rf-1a dựa trên sự khác nhau về trình tự nucleotide của

locus Rf-1a giữa dòng CMS kiểu BT và dòng phục hồi Các giống lúa Indica cổ truyền, dòng phục hồi và dòng duy trì bị mất 574bp ở locus Rf-1a sẽ có khả năng

phục hồi cho dòng CMS kiểu BT Ngược lại, phần lớn các giống cổ truyền

Japonica với kiểu gen rf-1arf-1a nếu mấy 574bp sẽ duy trì bất dục cho các dòng

CMS kiểu BT

Patil et al (2013) có nhận xét: cách tốt nhất để kháng bệnh đạo ôn là chọn

tạo giống hoặc dòng bố mẹ (đối với lúa lai) kháng bệnh đạo ôn Giống lúa lai Pusa RH10 là giống lúa lai thơm, hạt đẹp được trồng nhiều ở Ấn Độ Giống lai này có dòng mẹ là Pusa 6A và dòng bố là PRR78, nhưng đều nhiễm bệnh đạo ôn

Sử dụng dòng CO39 đồng hợp tử về 2 gen kháng đạo ôn là Pi-1 và Piz-5 như một

thể cho để lai trở lại với dòng PRR78 Sử dụng 02 chỉ thị RM5926 và AP5659-5

để kiểm tra sự có mặt của gen Pi-1 và Piz-5 Kết quả đã chọn được dòng PRR78

kháng bệnh đạo ôn để phát triển giống lúa lai Pusa RH10 kháng bệnh đạo ôn

Pawan et al (2012), các giống lúa cổ truyền và các dòng Basmati là những

nguồn gen quý được sử dụng trong nghiên cứu lúa lai Tác giả đã sử dụng 80 giống cổ truyền, 05 dòng Basmati và 36 giống lúa cải tiến để đánh giá khả năng phục hồi, duy trì đối với dòng bất dục đực IR58025A Kết quả đánh giá 121 nguồn gen trên cho thấy có 18 mẫu giống có khả năng phục hồi và 16 mẫu giống

có khả năng duy trì

Tomohiko and Kinya (2014) cho rằng: gen ty thể gây bất dục ở dòng CMS

khó kiểm soát, kiểu bất dục này được phục hồi bởi gen Rf trong nhân Có khoảng

99% các giống lai F1 hiện đang trồng phổ biến ở sản xuất có dòng mẹ là dòng bất

dục đực dạng dại (WA-CMS) và gen phục hồi hữu dục là Rf Nhóm tác giả cũng phát hiện một gen ty thể mới là orf352 gây ra bất dục của dòng WA-CMS và xác định được gen Rf4 mã hóa hình thành protein trong ty thể (PPR) ức chế hoạt động của gen orf352 và phục hồi hạt phấn hữu dục

Lalitha et al (2010) cho rằng: các dòng phục hồi (KMR3 và PRR78) và 2 dòng duy trì (IR50825B và Pusa 6B) được quy tụ gen kháng bạc lá Xa4, xa5,

xa13 và Xa21 thông qua lai trở lại và chọn lọc bằng chỉ thị phân tử đã chọn được

các dòng phục hồi, duy trì kháng tốt với bệnh bạc lá