Luận văn thạc sĩ phát triển vật liệu lúa cẩm theo hướng tăng khả năng quang hợp và kháng bệnh bạc lá

Nghiên cứu sự di truyền và biểu hiện một số tính trạng đặc trưng ở một số tổ hợp lai giữa các giống nếp cẩm và dòng đẳng gen 3.3.. DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ADN Axit dezoxyribo nucleic AFLP

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

HÀ NỘI, 2015

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS.TS NGUYỄN VĂN HOAN

2 PGS.TS PHẠM VĂN CƯỜNG

HÀ NỘI, 2015

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 bảo vệ để 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 ghi rõ nguồn gốc

Hà Nội, ngày tháng năm 2015

Tác giả luận án

Ngô Thị Hồng Tươi

LỜI CẢM ƠN Tác giả luận án xin chân thành cảm ơn:

Học viện Nông nghiệp Việt Nam, Ban Quản lý đào tạo, Khoa Nông học,

Bộ môn Di truyền và Chọn giống cây trồng, Viện Nghiên cứu và Phát triển cây trồng thuộc Học viện Nông nghiệp Việt Nam; Dự án Việt – Bỉ, Dự án JICA – JST thuộc Học viện Nông nghiệp Việt Nam đã tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành luận án này

Đặc biệt Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Văn Hoan và PGS.TS Phạm Văn Cường đã trực tiếp hướng dẫn và giúp đỡ hết sức tận tình trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu để tôi hoàn thành luận án này

Tôi xin cảm ơn:

Các thầy cô, các đồng nghiệp trong khoa Nông học đã quan tâm giúp đỡ, động viên và đóng góp nhiều ý kiến cho việc hoàn thành bản luận án này

Các cộng tác viên và kỹ thuật viên tại Viện nghiên cứu và Phát triển cây trồng, Phòng thí nghiệm JICA đã giúp đỡ tôi trong quá trình làm thí nghiệm Các thành viên trong gia đình, bạn bè đã tạo điều kiện và động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án

Tác giả luận án

Ngô Thị Hồng Tươi

1.2 Nghiên cứu đa dạng di truyền trong chọn tạo giống lúa 71.2.1 Các phương pháp nghiên cứu đa dạng di truyền 71.2.2 Ứng dụng chỉ thị phân tử trong chọn tạo giống lúa 131.2.3 Một số kết quả nghiên cứu về đa dạng di truyền ở lúa 15

1.3.1 Mối quan hệ giữa quang hợp và năng suất lúa 191.3.2 Một số kết quả nghiên cứu về quang hợp ở cây lúa 20

1.4.1 Di truyền một số tính trạng chất lượng gạo 22

1.4.2 Di truyền tính trạng màu sắc vỏ trấu 25

1.4.4 Di truyền tính trạng về góc và chiều dài lá đòng, lá công năng 28

1.5.4 Mối quan hệ ký sinh –ký chủ, thuyết “gen đối gen” 32

2.3.1 Thí nghiệm đánh giá các đặc điểm nông sinh học của các mẫu

2.3.9 Phương pháp đánh giá chất lượng cảm quan cơm bằng cho điểm 50

3.1 Thu thập và đánh giá nguồn vật liệu lúa cẩm 52

3.1.1 Kết quả thu thập và phân biệt nhóm lúa Nếp/Tẻ của các mẫu giống

3.2 Tìm hiểu biểu hiện di truyền của một số tính trạng đặc trưng ở lúa cẩm 81

3.2.3 Nghiên cứu sự di truyền và biểu hiện một số tính trạng đặc trưng ở

một số tổ hợp lai giữa các giống nếp cẩm và dòng đẳng gen

3.3 Kết quả lai tạo và chọn lọc dòng tẻ cẩm mới kháng bệnh bạc lá 95

3.3.2 Đặc điểm nông sinh học của các dòng tẻ cẩm mới 973.3.3 Đánh giá khả năng kháng bạc lá của các dòng tẻ cẩm mới 107

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

ADN Axit dezoxyribo nucleic

AFLP Amplified Fragment Length Polymorphism (Đa hình chiều dài các

đoạn ADN nhân bản chọn lọc)

bp Base pair (Cặp nucleotide)

CAPs Cleaved Amplification Polymorrphisms (Đa hình đoạn nhân bội bị

cắt giới hạn) CER Cacbondioxide Exchange Rate (Cường độ quang hợp)

cM Centimorgan (Đơn vị chiều dài bản đồ di truyền)

FAO Food and Agriculture Organization of the United Nations (Tổ chức

Lương thực và Nông nghiệp Liên Hiệp Quốc) IRRI International Rice Research Institute (Viện Nghiên cứu lúa Quốc tế) Isolate Chủng vi khuẩn

MAS Marker Assisted Selection (Chọn lọc nhờ chỉ thị phân tử)

NILs Nearly Isogenic Lines (Dòng đẳng gen)

IPGRI International Plant Genetic Resources Institute (Viện Tài nguyên di

truyền thực vật Quốc tế) RAPD Randomly Amplified Polymorphic DNAs (Đa hình các đoạn ADN

khuếch đại ngẫu nhiên) RFLP

diệp lục trong lá) SSR Simple Sequence Repeats (Những trình tự lặp lại đơn giản)

STS

RGA

Sequence Tagged Site (Vị trí được đánh dấu bởi trình tự) Resistance Gene Anolog (Vùng tương tự gen kháng)

PIC Polymorphic Information Content (Hàm lượng thông tin đa hình) UPI United Press International (Hãng thông tấn quốc tế của Hoa Kỳ)

DANH MỤC BẢNG

1.1 Các tính trạng quan trọng để phân biệt giống lúa 8

2.1 Đánh giá khả năng kháng/nhiễm theo chiều dài vết bệnh 45

2.2 Quá trình chọn tạo 46

2.3 Phân nhóm hàm lượng anthocyanin 48

2.4 Thang điểm đánh giá chất lượng cảm quan cơm 50

3.1 Kết quả phân biệt nhóm lúa nếp/tẻ của các mẫu giống lúa 52

3.2 Phân nhóm theo thời gian sinh trưởng của các mẫu giống 55

3.3 Phân nhóm theo khả năng đẻ nhánh của các mẫu giống 55

3.4 Phân nhóm theo chiều cao cây của các mẫu giống 56

3.5 Phân nhóm theo tỷ lệ hạt chắc của các mẫu giống 57

3.6 Phân nhóm theo hình dạng hạt của mẫu giống 58

3.7 Một số đặc điểm hình thái của các mẫu giống lúa cẩm vụ Mùa 2009 tại Gia Lâm – Hà Nội 59

3.8 Hàm lượng anthocyanin và phân nhóm hàm lượng anthocyanin của các mẫu giống lúa cẩm 62

3.9 Số alen và hệ số PIC của 35 cặp mồi SSR 64

3.10 Kết quả chạy PCR tìm gen kháng xa5 và Xa7 trên các mẫu giống lúa cẩm 69

3.11 Phản ứng của 3 dòng lúa đẳng gen với 3 isolate vi khuẩn Xanthomonas oryzae 72

3.12 Phản ứng của các mẫu giống lúa cẩm với các isolate vi khuẩn lây nhiễm 73

3.13 Cường độ quang hợp qua các giai đoạn sinh trưởng vụ Xuân 2010 tại Gia Lâm – Hà Nội 76

3.14 Chỉ số SPAD của các mẫu giống lúa cẩm vụ Xuân 2010 tại Gia Lâm – Hà Nội 77

3.15 Diện tích lá của các mẫu giống lúa cẩm vụ Xuân 2010

tại Gia Lâm – Hà Nội 78

3.16 Khối lượng chất khô tích lũy của các mẫu giống lúa cẩm vụ Xuân

2010 tại Gia Lâm – Hà Nội 80

3.17 Phân nhóm vật liệu lúa cẩm theo đặc điểm giá trị chọn giống 81

3.18 Đặc điểm của các mẫu giống lúa cẩm sử dụng trong các tổ hợp lai 82

3.19 Một số đặc điểm hình thái của các mẫu giống lúa cẩm sử dụng trong lai tạo 83

3.20 Sự di truyền và biểu hiện tính trạng chiều cao cây (cm) của bố mẹ và con lai F1 85

3.21 Sự di truyền và biểu hiện tính trạng chiều dài bông (cm) của bố mẹ và con lai F1 86

3.22 Sự di truyền và biểu hiện tính trạng số hạt/bông của bố mẹ và con lai F1 87

3.23 Sự di truyền và biểu hiện tính trạng chiều dài lá đòng và lá công năng (cm) của bố mẹ và con lai F1 88

3.24 Sự di truyền và biểu hiện tính trạng chiều rộng lá đòng và lá công năng (cm) của bố mẹ và con lai F1 89

3.25 Sự phân ly tính trạng góc lá đòng và góc lá công năng ở F2 90

3.26 Sự phân ly đồng thời hai tính trạng góc lá đòng và góc lá công năng 91

3.27 Kiểu hình ở F1 và sự phân ly ở F2 về tính trạng màu mày hạt 92

3.28 Kiểu hình ở F1 và sự phân ly ở F2 về tính trạng màu sắc vỏ trấu 93

3.29 Kiểu hình ở F1 và sự phân ly ở F2 về tính trạng màu sắc hạt gạo lật 94

3.30 Nguồn gốc và loại hình của các dòng tẻ cẩm mới 96

3.31 Đặc điểm sinh trưởng của các dòng tẻ cẩm mới vụ Xuân và vụ Mùa 2014 tại Gia Lâm - Hà Nội 97

3.32 Một số chỉ tiêu về quang hợp của các dòng tẻ cẩm mới vụ Mùa 2014 tại Gia Lâm - Hà Nội 98

3.33 Một số đặc điểm cấu trúc kiểu cây của các dòng tẻ cẩm mới

vụ Mùa 2014 tại Gia Lâm - Hà Nội 99

3.34 Mức độ nhiễm sâu bệnh hại tự nhiên của các dòng tẻ cẩm mới

vụ Mùa 2014 tại Gia Lâm - Hà Nội 101

3.35 Năng suất và các yếu tố cấu thành năng suất của các dòng tẻ cẩm

mới triển vọng vụ Mùa 2014 tại Gia Lâm - Hà Nội 101

3.36 Một số chỉ tiêu về kích thước và hình dạng hạt gạo của các dòng tẻ cẩm mới triển vọng trong vụ Mùa 2014 tại Gia Lâm - Hà Nội 102

3.37 Chất lượng xay xát của các dòng tẻ cẩm mới vụ Mùa 2014 tại Gia Lâm - Hà Nội 104

3.38 Chất lượng gạo của các dòng tẻ cẩm mới vụ Mùa 2014 tại Gia Lâm - Hà Nội 104

3.39 Chất lượng cảm quan cơm gạo lứt của các dòng tẻ cẩm mới

vụ Mùa tại Gia Lâm - Hà Nội (điểm) 106

3.40 Chất lượng cảm quan cơm gạo xát của các dòng tẻ cẩm mới

vụ Mùa tại Gia Lâm - Hà Nội (điểm) 106

3.41 Mức độ kháng/nhiễm của các dòng tẻ cẩm mới với các isolate

vi khuẩn gây bệnh bạc lá 110

DANH MỤC HÌNH

1.1 Mô tả tóm tắt tiến hóa của lúa dại thành lúa trồng 4

1.2 Cấu trúc hóa học của amylose và amylopectin (α-1,4 và α-1,6) 6

1.3 Nội nhũ của lúa nếp và lúa tẻ khi nhuộm KI 1% 7

3.1 Sản phẩm PCR của các mẫu giống lúa nghiên cứu với cặp mồi RM154 65

3.2 Sản phẩm PCR của các mẫu giống lúa nghiên cứu với cặp mồi RM162 65

3.3 Sản phẩm PCR của các mẫu giống lúa nghiên cứu với cặp mồi RM19 65

3.4 Sơ đồ hình cây về mối quan hệ di truyền của 43 mẫu giống lúa cẩm dựa trên phân tích ADN với 26 chỉ thị phân tử SSR 66

3.5 Điện di sản phẩm PCR gen xa5 của cặp mồi RM122 68

3.6 Điện di sản phẩm PCR gen Xa7 của cặp mồi RM5509 69

3.7 Phản ứng của các dòng đẳng gen khi lây nhiễm nhân tạo 72

3.8 Kết quả lây nhiễm của mẫu giống N1, N29 và đối chứng chuẩn nhiễm (IR 24) với isolate XooTH 73

3.9 Màu sắc vỏ trấu ở quần thể phân ly F2 94

3.10 Ảnh hạt thóc, hạt gạo lật và gạo xát 2 lần của các dòng tẻ cẩm mới 103

3.11 Ảnh cơm gạo lứt, cơm gạo xát của các dòng tẻ cẩm mới 105

3.12 Điện di sản phẩm PCR gen Xa7 của cặp mồi RM5509 107

3.13 Điện di sản phẩm PCR gen Xa21 của cặp mồi M2Xa21 108

3.14 Phản ứng của các dòng đẳng gen khi lây nhiễm nhân tạo với isolate XooTH 109

3.15 Kết quả lây nhiễm của các dòng TĐ1, TĐ2, TĐ4 và BT7 với isolate XooTH 109

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong những năm gần đây, số lượng gạo xuất khẩu của nước ta tăng đều đặn, đến năm 2012 lượng gạo xuất khẩu đạt tới 8,017 triệu tấn, thu về trên 3,5 tỷ đôla Số lượng xuất khẩu gạo của Việt Nam đứng thứ 2 trên thế giới sau Ấn Độ Như vậy, Việt Nam không còn phải lo việc đủ ăn nữa mà tiến tới ăn ngon, ăn vì sức khỏe và quan tâm hơn đến các giống lúa đặc sản

Lúa đặc sản là loại lúa cho sản phẩm chất lượng cao và mang tính đặc thù của từng vùng Lúa đặc sản bao gồm các giống lúa thơm, lúa nếp và một số giống

lúa Japonica được trồng ở các vùng sinh thái khác nhau của Việt Nam Trong các

giống lúa đặc sản thì các giống lúa nếp và nếp cẩm được trồng từ lâu đời và được

sử dụng với nhiều mục đích khác nhau trong đời sống hàng ngày ở nước ta cũng như các nước trên thế giới (Nguyễn Hữu Nghĩa và Lê Vĩnh Thảo, 2007) Gạo nếp cẩm có màu đen còn gọi là bổ huyết mễ, là loại gạo có hàm lượng giá trị dinh dưỡng cao như: hàm lượng protein trong gạo nếp cẩm cao hơn 6,8%, chất béo cao hơn 20% so với gạo khác, ngoài ra trong gạo nếp cẩm còn chứa caroten, 8 loại axit amin, chứa anthocyanin và các nguyên tố vi lượng (sắt, kẽm) cần thiết cho cơ thể (UPI, 2010) Tuy nhiên, các giống nếp cẩm địa phương thường có màu tím trên các bộ phận cây lúa, góc lá đòng và lá công năng ngang đến gập xuống nên khả năng quang hợp không cao, năng suất thấp, nhiễm bệnh bạc lá, cao cây, thời gian sinh trưởng dài và thường phản ứng với ánh sáng ngày ngắn nên chỉ trồng được một vụ trong năm Hơn nữa các giống lúa này đang dần mất

đi nên cần được nghiên cứu và bảo tồn Việc nghiên cứu đa dạng nguồn gen tập đoàn lúa cẩm không chỉ có ý nghĩa trong việc bảo tồn các giống lúa đặc sản bản địa mà còn có ý nghĩa trong công tác chọn tạo giống lúa cẩm mới

Các giống lúa có các màu sắc khác ở vỏ trấu và vỏ cám như màu đỏ, tía hoặc đen thường có hàm lượng các chất hữu cơ đặc thù như chất kháng oxy hóa anthocyanin, vitamin và vi lượng khác đã thu hút các nhà nghiên cứu trong

những năm gần đây, bởi vì nó có lợi cho sức khỏe của con người và có thể ngăn ngừa một số bệnh nguy hiểm Anthocyanin là chất có khả năng kháng oxy hóa cao và có hàm lượng cao trong lúa cẩm, hiện nay đang được nghiên cứu nhiều ở

các nước trồng lúa (Kristamtini et al., 2012)

Một vấn đề quan trọng khác là bộ giống lúa phải có khả năng chống chịu với điều kiện bất thuận sinh học và phi sinh học, trong đó bệnh bạc lá lúa do vi

khuẩn Xanthomonas oryzae pv oryzae là một bệnh gây hại nghiêm trọng ở các

vùng trồng lúa trên thế giới, bệnh có thể làm thiệt hại năng suất từ 20-30% (Suh

những nghiên cứu về di truyền và chọn giống lúa cẩm còn hạn chế Do vậy, để phát triển sản xuất lúa cẩm có hiệu quả cao cần thiết phải có những nghiên cứu chọn tạo giống lúa cẩm mới đáp ứng được đòi hỏi của thực tiễn sản xuất

Từ việc nghiên cứu và đánh giá nguồn vật liệu ban đầu về các tính trạng quan tâm trên tập đoàn lúa cẩm, ý tưởng tạo ra các vật liệu lúa cẩm có khả năng quang hợp cao và kháng bệnh bạc lá để tiến tới tạo ra các giống lúa tẻ cẩm năng suất cao, kháng bệnh bạc lá và có thể trồng được 2 vụ trong năm từ nguồn vật

liệu nếp cẩm địa phương đã cho chúng tôi có định hướng để thực hiện đề tài này

2 Mục tiêu nghiên cứu

Phát triển vật liệu lúa cẩm phục vụ cho công tác chọn tạo giống lúa cẩm

có khả năng quang hợp cao và kháng bệnh bạc lá

3 Nội dung nghiên cứu

- Thu thập và đánh giá một số đặc điểm nông sinh học, đa dạng di truyền, đánh giá khả năng kháng bệnh bạc lá và khả năng quang hợp của nguồn vật liệu

- Tìm hiểu biểu hiện di truyền của một số tính trạng đặc trưng ở lúa cẩm

- Phát triển vật liệu tạo giống lúa cẩm có khả năng quang hợp cao, kháng bệnh bạc lá và chọn tạo nguồn vật liệu lúa cẩm mới cải tiến

4 Những đóng góp mới của luận án

- Thu thập và đánh giá được mức độ đa dạng di truyền của nguồn vật liệu lúa cẩm mới

- Xác định được khả năng quang hợp và khả năng kháng bạc lá của tập đoàn lúa cẩm để phục vụ cho công tác chọn tạo giống lúa tẻ cẩm mới

- Chọn lọc được 3 dòng lúa tẻ cẩm có khả năng quang hợp cao và kháng bệnh bạc lá, góp phần vào công tác chọn tạo các giống lúa cẩm chất lượng ở Việt Nam

5 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

- Thu thập và phân tích đa dạng di truyền của nguồn vật liệu lúa cẩm từ các địa phương khác nhau

- Xác định khả năng quang hợp và khả năng kháng bệnh bạc lá làm cơ sở cho việc chọn tạo giống lúa cẩm chất lượng mới

- Chọn lọc được các dòng lúa tẻ cẩm có khả năng quang hợp cao và kháng bệnh bạc lá

6 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

6.1 Đối tượng nghiên cứu

Một số giống nếp cẩm địa phương và một số giống lúa cẩm cải tiến

Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 Nguồn gốc - phân biệt lúa nếp, lúa tẻ

1.1.1 Nguồn gốc cây lúa, cây lúa nếp

Có rất nhiều nghiên cứu khác nhau về nguồn gốc cây lúa Tuy nhiên, gần

đây phân tích gen sh4 về tính trạng rụng hạt cho thấy mức độ giảm rụng từ lúa

dại đến lúa trồng, như vậy có thể chúng có cùng một tổ tiên (Sang and Ge, 2007) Năm 2012, các nhà khoa học Trung Quốc đã chứng minh thông qua lập bản đồ

genome lúa đã cho rằng loài phụ O japonica lần đầu tiên được thuần hóa từ loài lúa dại O rufipogon ở miền Nam Trung Quốc Loài phụ O indica là kết quả phát triển từ lai giữa Japonica và lúa dại khi các giống lúa ban đầu phát triển đến

Đông Nam và Nam châu Á (Hình 1.1)

Hình 1.1 Mô tả tóm tắt tiến hóa của lúa dại thành lúa trồng

Nguồn: Huang et al (2012)

Tổ tiên chung

Nam và Đông Nam châu Á Tây Phi

Loài dại lâu năm

Loài dại hàng năm

Lúa trồng

O rufipogon

O nivara

O sativa Indica

O longistaminata

O breviligulata

O glaberrima

O sativa Japonica

Lúa nếp có thể thích ứng với nhiều điều kiện khí hậu khắc nghiệt như lạnh, khô hanh Lúa nếp nương là dạng khởi nguồn của lúa trồng vì nó được tìm thấy đầu tiên ở Assam - Yunna, nơi lúa nếp chiếm ưu thế

Watabe (1967) cho rằng lúa nếp có nguồn gốc từ Lào, vùng Đông Bắc và Bắc Thái Lan Có một số vùng quan trọng khác đối với việc canh tác lúa nếp bao gồm: vùng Shan và Kachin của Myanmar, vùng Kwangsichuang và Yunnan của Trung Quốc, vùng giáp biên giới giữa Campuchia, Thái Lan và Lào, vùng núi của Việt Nam giáp với Lào Giống lúa nếp được phát hiện ở những nước vùng Đông Nam châu Á và đã có lịch sử lâu đời về việc canh tác giống lúa

Các tác giả Chaudhary and Tran (2001) cho rằng: Lào và Đông Bắc Thái Lan là trung tâm xuất xứ của lúa nếp và Lào là nước sản xuất và tiêu thụ lúa nếp lớn nhất thế giới với khoảng 85% sản lượng lúa nếp hàng năm

Lúa cẩm (lúa đen) là một trong các loại lúa được coi là thực phẩm chức năng có lợi cho sức khỏe con người Lúa cẩm có chứa nhiều anthocyanin ở vỏ

hạt gạo và thường có màu tím (Sosana et al., 2013) Sắc tố anthocyanin có tác

dụng làm giảm cholesterol trong cơ thể con người So với lúa trắng lúa cẩm chứa nhiều khoáng chất hơn, bao gồm Fe, Zn, Mn và P Nguồn gốc của lúa cẩm vẫn chưa rõ ràng nhưng có thể có nguồn gốc từ các nước châu Á bao gồm

Trung Quốc (Mingwei et al., 1995), Nhật Bản (Natsumi and Noriko, 1994) và

ở Việt Nam (Quan, 1999) Chaudary and Tran (2001) cho rằng lúa cẩm có nguồn gốc từ Sri Lanka, Philippin, Bangladesh, Thailand, Myanmar và Indonesia Lúa cẩm đa dạng về màu sắc vỏ hạt do hàm lượng sắc tố anthocyanin và khác nhau về hình thái

Lúa cẩm chưa được biết rõ về nguồn gốc, nhưng hầu hết các nghiên cứu đều cho rằng lúa cẩm có nguồn gốc từ các nước châu Á Lúa cẩm chủ yếu là lúa

nếp và có ở cả hai loài phụ Indica và Japonica (Mingwei et al., 1995)

1.1.2 Phân biệt lúa nếp và lúa tẻ

Từ lâu, các nhà khoa học dựa vào nội nhũ để phân biệt các giống lúa nếp hay lúa tẻ, các đặc điểm hình thái, sinh lý để nhận biết các dạng lúa Theo IRRI

(2002), gạo nếp thường có hàm lượng amylose <3% Theo Chena et al (2008)

hàm lượng amylose của gạo nếp khoảng từ 0 - 5% Việc phân biệt nội nhũ của các giống địa phương giúp cho các nhà quản lý nguồn gen xác định kỹ thuật bảo quản nguồn gen đó

Căn cứ chủ yếu để phân chia lúa nếp và tẻ dựa trên cấu tạo tinh bột của nội nhũ Nội nhũ của lúa tẻ tích lũy tinh bột dạng amylose gồm 200 đến 1000 đơn vị gluco, nối với nhau bởi các nối α - 1,4 glocozit với khối lượng phân tử từ 10.000 đến 100.000 đơn vị gluco Phân tử có cấu trúc xoắn với 6 gluco nối thành vòng, amylose nhuộm màu xanh với I ốt

Amylopectin

Hình 1.2 Cấu trúc hóa học của amylose và amylopectin (α-1,4 và α-1,6)

Nội nhũ lúa nếp được tích lũy dưới dạng amylopectin có phân tử lớn hơn gồm 20 đến 25 đơn vị gluco sắp xếp thành nhánh liên kết với nhau bởi cả hai nối

α - 1,4 và α - 1,6 glucozit với khối lượng phân tử 50.000 đến 1.000.000 đơn vị

gluco, phản ứng với Iốt chuyển màu đỏ tía Để phân biệt lúa nếp và lúa tẻ, nhuộm tinh bột bằng dung dịch KI 1%

Hình 1.3 Nội nhũ của lúa nếp và lúa tẻ khi nhuộm KI 1%

1.2 Nghiên cứu đa dạng di truyền trong chọn tạo giống lúa

1.2.1 Các phương pháp nghiên cứu đa dạng di truyền

1.2.1.1 Nghiên cứu đa dạng di truyền thông qua các tính trạng hình thái

Đây là phương pháp cổ điển nhưng hiện nay vẫn được sử dụng rộng rãi vì không đòi hỏi trang thiết bị đắt tiền nhưng vẫn đảm bảo hiệu quả nhất định, giúp các nhà nghiên cứu có thể phân biệt các giống, các vật liệu một cách nhanh chóng trên đồng ruộng (Nguyễn Văn Vương, 2013)

Qua kết quả mô tả các tính trạng hình thái, đặc điểm nông sinh học (chiều cao cây, thời gian sinh trưởng, số bông/khóm, màu sắc các bộ phận của cây, chiều dài, chiều rộng lá,…) cũng được sử dụng trong công tác khảo nghiệm giống cây trồng và bảo hộ quyền tác giả ở Việt Nam Hiện nay, có thể sử dụng hai bảng mô tả tính trạng cây lúa trong công tác nghiên cứu: Bảng mô tả cây lúa (Descriptor for Rice) của IPGRI (International Plant Genetic Resources Institute) hoặc bảng mô tả các tính trạng đặc trưng của giống lúa của Trung tâm Khảo kiểm nghiệm giống, sản phẩm cây trồng Quốc gia, Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn Có tới 65 tính trạng về mặt hình thái cây lúa (Phụ lục 1) trong đó có 33 tính trạng quan trọng để phân biệt giống theo Tiêu chuẩn ngành, 10TCN 395: 2006 Nguồn gen càng phong phú về các tính trạng thì việc ứng dụng trong chọn giống càng có hiệu quả

Bảng 1.1 Các tính trạng quan trọng để phân biệt giống lúa

đánh giá

Phương pháp đánh giá

4 Sự phân bố sắc tố Antoxian ở lá Chuẩn bị làm đòng Quan sát

13 Trạng thái phiến lá đòng

(quan sát sớm)

Bông trỗ hoàn toàn Quan sát

14 Trạng thái phiến lá đòng (quan sát muộn) Bông trỗ hoàn toàn Quan sát

15 Thời gian trỗ (số ngày từ gieo đến

19 Chiều cao thân (cm)

(không tính bông) Chín sữa/Thu hoạch Đo từ mặt đất đến cổ bông

21 Chiều dài trục chính của bông (cm) Gié đầu bông chín/

Thu hoạch Đo từ cổ bông đến đầu bông

22 Trạng thái trục chính của bông Gié đầu bông chín Quan sát

24 Sự phân bố của râu trên bông Gié đầu bông chín Quan sát

theo chiều thẳng đứng

27 Thời gian chín (số ngày từ gieo đến

85% số hạt chín)

Gié đầu bông chín Đo đếm

xác định mức độ gối lên nhau của các hạt liền kề

Nguồn: Bộ NN và PTNN (2006)

Các đặc điểm hình thái trong phân loại được sử dụng từ rất sớm Nguyên tắc cơ bản của phương pháp này là: Hai đơn vị phân loại (taxon) càng có nhiều đặc điểm chung, càng giống nhau thì quan hệ giữa hai đơn vị phân loại càng gần gũi nhau Người ta thường kết hợp nhiều đặc điểm để làm tăng giá trị tin cậy của kết quả so sánh Phương pháp dựa trên các tính trạng hình thái đưa đến thành công còn phụ thuộc rất nhiều vào kinh nghiệm và sự khéo léo của các nhà chọn giống, hơn nữa phương pháp này nhiều khi không chính xác vì có hiện tượng đồng quy tính trạng và không phân biệt được các loài đồng hình

Zhao et al (2010) đã nghiên cứu tính đa dạng kiểu gen và ứng dụng trong

công tác chọn tạo giống lúa tẻ cũng như lúa nếp Tác giả cho rằng: nguồn gen càng phong phú về các tính trạng thì việc ứng dụng trong chọn tạo giống lúa càng có hiệu quả

1.2.1.2 Nghiên cứu đa dạng di truyền thông qua các chỉ thị enzyme

Enzyme là một dạng protein có khả năng xúc tác cho những phản ứng hóa sinh học, có tính đặc thù cao và hoạt tính có thể điều khiển được Isoenzyme hay isozyme còn được gọi cách khác là các đẳng men, thực chất là những trạng thái khác nhau của một enzyme Các isozyme của một enzyme đều xúc tác cho một phản ứng, chỉ khác ở một số tính chất như nồng độ cơ chất hay độ pH mà ở đó nó

có hoạt tính cao nhất (Solits et al., 1990)

Việc phân tích isozyme cho biết những alen đồng trội, là phương pháp tương đối rẻ, dễ tiến hành hơn các phương pháp phân tích ADN Tuy nhiên do số lượng các isozyme ít và chúng chỉ thể hiện ở một giai đoạn nhất định của quá trình phát triển cá thể và là sản phẩm của gen nên chưa phản ánh chính xác bản

chất di truyền của các cá thể (Solits et al., 1990)

1.2.1.3 Nghiên cứu đa dạng di truyền thông qua các chỉ thị phân tử

Chỉ thị phân tử ADN là những chỉ thị có bản chất là đa hình ADN Đặc điểm của chỉ thị phân tử ADN (Bùi Chí Bửu và cs., 2004) là:

- Rất đa hình;

- Là đồng trội hoặc trội;

- Không ảnh hưởng bởi môi trường

Chỉ thị phân tử có nhiều loại, đa dạng và ổn định trong mọi giai đoạn của sinh vật Chỉ thị phân tử có ưu điểm hơn nhiều so với chỉ thị hình thái và chỉ thị hóa sinh

Chỉ thị phân tử chia làm 4 loại chính:

- Chỉ thị dựa trên cơ sở lai ADN;

- Chỉ thị dựa trên nguyên tắc nhân bội ADN bằng PCR;

- Chỉ thị dựa trên cơ sở những chuỗi có trình tự lặp lại;

- Các chỉ thị khác

* Chỉ thị dựa trên cơ sở lai ADN:

- RFLP (Restriction Fragment Length Polymorphism - Đa hình chiều dài mảnh phân cắt giới hạn)

Năm 1980, chỉ thị RFLP được ứng dụng đầu tiên bởi Bitstein để xây dựng bản đồ liên kết di truyền ở người (Bùi Chí Bửu và cs., 2004) RFLP cũng được ứng dụng để nghiên cứu di truyền trên nhiều đối tượng thực vật như: lúa, ngô, cà chua, bông

Chỉ thị RFLP là chỉ thị đồng trội, tức là có khả năng biểu hiện tất cả các alen của cùng một locus gen Do vậy, có thể phân biệt được các cá thể đồng

hợp tử AA hoặc aa và các cá thể dị hợp tử Aa Do sử dụng mẫu dò mang tính

đặc hiệu nên chỉ thị này có độ chính xác cao, dùng để kiểm tra các chỉ thị phân

tử khác Tuy nhiên hạn chế của phương pháp này là tốn thời gian, sức lực và khối lượng công việc lớn

* Các chỉ thị phân tử dựa trên kỹ thuật PCR

- Chỉ thị RAPD (Radomly Amplyfied Polymorphic DNA - Đa hình các đoạn ADN khuyếch đại ngẫu nhiên)

RAPD là kỹ thuật nhân ngẫu nhiên đa hình các đoạn ADN, được phát hiện bởi William vào năm 1990 RAPD dựa trên nguyên lý PCR, sử dụng những đoạn mồi ngắn (khoảng 10 nucleotide) được tổng hợp ngẫu nhiên Trong phản ứng,

các mồi RAPD gắn ngẫu nhiên vào ADN khuôn ở bất kỳ vị trí nào có trình tự bổ sung với nó Sản phẩm PCR được chạy điện di trên gel agarose 2% nhuộm cùng EtBr (Ethidium bromide) để phân tách các băng ADN và phát hiện các băng dưới tia sáng của đèn cực tím Do tính chất ngẫu nhiên nên có thể có rất nhiều đoạn ADN đa hình có kích thước khác nhau được nhân bản sau phản ứng PCR RAPD dùng trong đánh giá đa dạng di truyền chính là dựa vào việc phân tích, so sánh các đoạn ADN đa hình của các đối tượng nghiên cứu để thấy được sự giống và khác nhau trong cấu trúc genome của nó

Chỉ thị RAPD là chỉ thị trội bởi nó biểu hiện sự có mặt hay không có mặt những băng ADN đặc trưng Vì vậy không phân biệt được thể dị hợp tử

Chỉ thị RAPD có ưu điểm là không cần biết trước thông tin về trình tự ADN để thiết kế mồi, rẻ tiền, nhanh Tuy nhiên, nhược điểm của nó là do sử dụng mồi ngắn và nhiệt độ bắt cặp thấp (34 - 370C) nên độ chính xác không cao

RAPD phù hợp cho phân tích đa dạng di truyền và lập bản đồ những dòng nhị bội, những dòng cận phối và các quần thể lai trở lại

- Chỉ thị AFLP (Amplified Fragment Length Polymorphism - Đa hình chiều dài các đoạn ADN nhân bản chọn lọc)

AFLP là đa hình độ dài các đoạn ADN được khuếch đại chọn lọc do Vos lần đầu tiên giới thiệu vào năm 1975 (Bùi Chí Bửu và cs., 2004)

Kỹ thuật này cũng dựa trên nguyên lý PCR để nhân bản những đoạn ADN đã được cắt bằng enzyme cắt giới hạn Kỹ thuật này phải thiết kế mồi PCR đặc trưng

Kỹ thuật này là sự kết hợp của kỹ thuật RFLP và phản ứng PCR để nhân các đoạn giới hạn đặc trưng Sản phẩm PCR của mỗi mồi ở mỗi mẫu nghiên cứu

sẽ xuất hiện băng ADN đặc trưng nếu không có đột biến tại điểm cắt của enzyme giới hạn tương ứng với vị trí bắt cặp của mồi, ngược lại sẽ không xuất hiện băng ADN đặc trưng

AFLP là chỉ thị trội và vị trí trên NST của chúng chưa được xác định, do vậy nếu dùng để lập bản đồ gen ở quần thể F2 thì cần phải kết hợp với các chỉ thị khác

- Chỉ thị SSR (Simple Sequence Repeats - Trình tự lặp lại đơn giản)

SSR là kỹ thuật khuếch đại các đoạn trình tự lặp lai đơn giản (hay còn gọi

là phương pháp chỉ thị vi vệ tinh - Microsatellite) do Lit and Luty giới thiệu năm

1989 khi nghiên cứu về genome ở một số sinh vật đã phát hiện ra những đoạn ADN có chiều dài khác nhau, phân bố một cánh ngẫu nhiên mà trình tự của nó bao gồm các nhóm nucleotide lặp lại một cách có trình tự

Vi vệ tinh là những đoạn ADN lặp lại một cách có trật tự, gồm những đơn

vị lặp lại từ 2 - 6 nucleotide, theo kiểu lặp lại ngắn và vài chục lần

Ưu điểm của chỉ thị SSR là tương đối đơn giản, dễ thực hiện, không tốn kém Nhưng quá trình thiết kế mồi rất tốn kém và mỗi mồi lại chỉ đặc trưng cho một loài Người ta sử dụng SSR để phân tích hệ gen trong chọn giống, xây dựng bản đồ liên kết gen, trong chọn lọc tính kháng bệnh, nghiên cứu một số tính trạng liên quan đến năng suất cây trồng, các bệnh hại và sử dụng trong việc đánh giá sự sai khác giữa các giống trong cùng một loài phụ do khả năng cho phép đánh giá mức độ alen thuộc một locus (Caldo and Sebatian, 1998)

- Chỉ thị SNP (Single Nucleotide Polymorphism - Đa hình của các Nucleotide đơn)

Chỉ thị này có thể phân biệt sự khác nhau trong phân tử ADN ở mức độ từng nucleotide

Chỉ thị SNP được tìm ra đầu tiên khi nghiên cứu về bộ gen người Đây là loại chỉ thị có số lượng lớn và đa dạng nhất trong từng cá thể riêng rẽ của cùng một loài Chỉ thị SNP rất thích hợp cho các phân tích với số lượng lớn và có tính

ổn định rất cao về mặt di truyền

- Chỉ thị STS (Sequence Tagged Site - Vị trí được đánh dấu bởi trình tự)

Chỉ thị STS do Olson đề xuất năm 1989, STS là một đoạn ADN ngắn gồm

khoảng 60 - 1000bp có thể phát hiện bằng kỹ thuật PCR Nó cho phép xác định những vị trí được đánh dấu bằng cách sử dụng các trình tự nucleotide đã biết trước của ADN trong genome STS là chỉ thị nhân bản trực tiếp những locus đã biết bằng việc sử dụng cặp mồi PCR được thiết kế theo trình tự đoạn đầu và đoạn cuối của những locus đặc trưng này Các đoạn mồi STS chứa khoảng 20 nucleotide nên có tính đặc hiệu cao với PCR

Ưu điểm của phương pháp này dễ thực hiện, không tốn kém, kết quả ổn định Nhược điểm là phải biết trình tự hai đầu của các mẫu dò mới có thể tiến hành được, tính chất đa hình thấp (Bùi Chí Bửu và cs., 2004)

nhân bội bị cắt giới hạn)

Chỉ thị này dựa trên đa hình độ dài mảnh cắt giới hạn của các sản phẩm PCR Các enzyme sử dụng trong việc tìm loại chỉ thị này thường enzyme cắt 4 Sản phẩm cắt được phân giải trên gel agarose hoặc gel polyacrylamit

Các loại chỉ thị phân tử khác:

- SCAR (Sequence Characterized Amplified Region - Vùng khuếch đại trình tự đặc trưng)

- RGA (Resistance Gene Analog - Vùng tương tự gen kháng)

1.2.2 Ứng dụng chỉ thị phân tử trong chọn tạo giống lúa

1.2.2.1 Phân tích đa dạng di truyền

Hiện nay chỉ thị phân tử được sử dụng rộng rãi như một công cụ hữu hiệu trong nghiên cứu di truyền, những thông tin về đa dạng di truyền ở mức độ ADN

có thể phát hiện sự khác biệt ở mức nhỏ nhất giữa các giống, giúp ta có thể nhanh chóng và xác định chính xác những tính trạng quý hiếm trong tập đoàn nghiên cứu (Bhat, 2006; Rinehart, 2007)

Nhờ chỉ thị phân tử trong phân tích đa dạng di truyền nên đã rút ngắn thời gian nghiên cứu, thời gian chọn lọc đối với các tính trạng khó đánh giá bằng kiểu hình

Sử dụng chỉ thị phân tử trong chọn tạo giống lúa lai có thể xác định sự đa dạng của nguồn vật liệu, đồng thời cũng giúp các nhà chọn giống lựa chọn các cặp bố mẹ của tổ hợp lai cho ưu thế lai cao

Có rất nhiều chỉ thị được ứng dụng để đánh giá đa dạng di truyền như: RFLP, RAPD, AFLP, SSR….Hiện nay có hơn 25.000 chỉ thị phân tử SSR đã

được tạo ra và ứng dụng trong phân tích kiểu gen của các giống lúa (McCouch et

al., 2002)

1.2.2.2 Tìm chỉ thị phân tử liên kết gen và lập bản đồ

Chỉ thị phân tử ADN là những chỉ thị tốt cho nghiên cứu lập bản đồ liên kết gen, nó sẽ cho biết vị trí của gen liên kết nằm trên nhiễm sắc thể nào của đối tượng nghiên cứu

Năm 1963, nhà khoa học Nagao và Takashuki lập bản đồ di truyền đầu tiên ở lúa Những năm 70 của thế kỷ 20 lập bản đồ di truyền ở lúa thông qua các thể ba, sau đó được thiết lập trên cơ sở các chỉ thị đột biến hình thái và các chỉ thị isozyme Bản đồ di truyền lúa thứ hai cũng do các nhà nghiên cứu Nhật Bản thiết

kế gồm 3.000 chỉ thị, chủ yếu là các chỉ thị RFLP từ các dòng ADN hệ gen và

ADN bổ trợ (Caldo et al., 1998)

Sự xuất hiện của phương pháp xác suất thống kê trên cơ sở chỉ thị phân tử đã cho phép lập bản đồ QTL Các kỹ thuật phân tử đã cho phép lập bản đồ hàng loạt các gen và các locus kiểm soát các tính trạng có ý nghĩa ở

cây trồng (Yan et al., 2009)

Nhờ chỉ thị phân tử người ta đã lập bản đồ gen kháng bệnh bạc lá, rầy nâu,

đạo ôn ở lúa…, các gen bất dục đực mẫn cảm với nhiệt độ (như gen tms2/NST số

7, tms4/NST số 4, tms5/NST số 9…) (Dong et al., 2000), các gen bất dục phản ứng với quang chu kỳ (rpms1 và rpms2) ở lúa (Peng et al., 2008)

1.2.2.3 Chọn giống nhờ chỉ thị phân tử (MAS - Marker Assisted Selection)

Với chỉ thị hình thái các nhà chọn giống phải đánh giá kiểu hình của cả một quần thể nhằm phát hiện những cá thể chứa gen mong muốn Tuy nhiên, để thành công phụ thuộc rất nhiều vào kinh nghiệm cũng như may mắn của nhà chọn giống Trong phương pháp chọn giống truyền thống, người ta đưa tính trạng mong muốn vào một giống nào đó bằng phương pháp hồi giao liên tục qua nhiều thế hệ, hoặc chọn lọc cá thể trong quần thể phân ly từ thế hệ F2 Với phương pháp truyền thống, việc đưa gen lặn vào tổ hợp lai hoặc cùng một lúc chuyển vài gen mong muốn vào một giống ưu việt gặp rất nhiều khó khăn hoặc đôi khi không thực hiện được Còn đối với chọn giống nhờ MAS, thay vì đánh giá kiểu hình các cá thể con lai, người ta xác định các cá thể mang gen mới thông qua chỉ

thị liên kết chặt với gen đó (Chen et al., 2000)

Collard and Mackill (2006) cho rằng, chọn giống dựa trên chỉ thị phân tử

là sử dụng chỉ thị ADN liên kết chặt với locus mục tiêu thay cho chọn lọc đánh giá kiểu hình Những ưu điểm của MAS trong chọn tạo giống lúa:

- Ứng dụng tốt với những tính trạng khó đánh giá và chọn lọc dựa trên kiểu hình

- Tiết kiệm thời gian và nguồn lực cho quá trình chọn lọc

- Rất quan trọng với một số tính trạng

- Có thể chọn lọc sớm

- Không chịu ảnh hưởng của môi trường

- Phân biệt được đồng hợp, dị hợp và chọn lọc từng cây

Ứng dụng của chọn giống nhờ chỉ thị phân tử nhằm mục đích: Phát hiện gen quan tâm trong các quần thể; Xác định nhanh các cá thể phù hợp nhất trong các quần thể dựa trên thành phần của gen hay toàn bộ genome; Chuyển một vùng gen, đối với các tính trạng quan tâm được quy định bởi đơn gen hay do một gen chính

MAS rất có hiệu quả với các tính trạng được điều khiển bởi một số lượng hạn chế các gen như tính kháng sâu, bệnh Nhiều chương trình trong chiến lược chọn giống nhờ MAS ở lúa tập trung vào quy tụ gen kháng bệnh như: bạc lá, rầy nâu, đạo ôn… (Koebner, 2003)

Theo IRRI (2002) có 4 phương pháp tiếp cận MAS:

- Lai trở lại dựa trên chỉ thị phân tử (Marker Assisted Backcrossing)

- Quy tụ gen (Pyramiding)

- Chọn lọc những thế hệ đầu (Early Generation Selection)

- Tiếp cận phối hợp (Combined Approaches)

Như vậy, chọn giống nhờ chỉ thị phân tử kết hợp với chọn giống truyền thống

sẽ rất có hiệu quả, tiết kiệm công sức và rút ngắn đáng kể thời gian chọn tạo giống

1.2.3 Một số kết quả nghiên cứu về đa dạng di truyền ở lúa

Trên thế giới, Zeng et al (2007) đã tiến hành đánh giá đa dạng di truyền

của 6.121 mẫu giống lúa bản địa thu thập tại các vùng sinh thái của Trung Quốc

Kết quả được đánh giá dựa trên 41 chỉ tiêu hình thái và 12 đa hình về enzyme đồng đẳng, phân thành 6 nhóm theo vùng sinh thái

Seetharan et al (2009), đã đánh giá đa dạng di truyền của 30 mẫu giống

lúa bản địa của Ấn Độ và các mẫu giống được phân thành 4 nhóm dựa vào đặc điểm khả năng chịu hạn

Ovung (2012), đánh giá 70 mẫu giống lúa trên cơ sở phân tích kiểu hình của

13 tính trạng chất lượng và phân ra thành 9 nhóm trong đó các tính trạng về chiều cao cây, số hạt/bông, năng suất sinh vật học có đa dạng di truyền cao

Theo Kristamtini et al (2012), lúa đen (black rice) được coi là thực phẩm

chức năng vì có chứa anthocyanin, vitamin và khoáng chất Thông qua đánh giá kiểu hình của 11 giống lúa đen và 2 giống lúa trắng đã phân thành 5 nhóm: nhóm

I bao gồm giống lúa đen từ Sragen (T) và từ Bantul (O); nhóm II bao gồm giống lúa đen từ Banjarnegara (Y) và từ Wonosobo (W), giống lúa đen không râu từ Magelang (S) và có râu từ Magelang (R); nhóm III gồm Pari Ireng (D), lúa đen

từ NTT (E), Cempo Ireng (C) và Jlitheng (B); nhóm IV bao gồm giống lúa trắng

từ Inpari 6 (I) và Situbagendit (G); và nhóm V gồm 1 giống lúa đen từ Melik (A)

Behera (2012) thuộc Trung tâm Nghiên cứu lúa Ấn Độ đã tiến hành đánh giá

đa dạng di truyền của 33 mẫu giống lúa thuốc Kết quả phân ra 2 nhóm với tương đồng di truyền là 0,43

Lin et al (2012), thuộc Trường Đại học Quốc gia Đài Loan, tiến hành đánh giá 80 mẫu giống lúa (52 mẫu lúa Japonica và 28 mẫu lúa Indica) bằng 114

chỉ thị SSR và 5 chỉ thị STS và đã kết luận: các mẫu giống lúa thuộc nhóm

dạng cao hơn và phân thành 5 nhóm

Kristamtini (2012), thuộc Trường Đại học Gadjah Mada (UGM), Yogyakarta, Indonesia đã đánh giá dựa trên đặc điểm hình thái của 11 giống lúa đen ở Yogyakarta và các vùng lân cận kết quả đã phân thành 5 nhóm

Le and Yang (2005), đã nghiên cứu về hình thái và hàm lượng anthocyanin của 19 giống lúa cẩm thu thập từ các vùng khác nhau trên thế giới, kết quả cho thấy 8 giống có màu tím trên các bộ phận như lá, thân, tai lá và có vỏ

cám màu nâu; 5 giống có vỏ cám tím, nâu hoặc đen Về hàm lượng anthocyanin thì những giống có màu vỏ cám đen cho hàm lượng anthocyanin cao nhất

Ở Lào, thu thập 431 mẫu giống lúa đen, hầu hết trong số đó là lúa nếp, chỉ có 10 mẫu giống là lúa tẻ Và hầu hết các mẫu giống lúa đen được thu thập ở vùng cao (315 mẫu giống), 116 mẫu còn lại được thu thập ở các vùng đất thấp (Bonphanousay, 2007)

Theo Bonphanousay (2007), khi phân tích đa dạng di truyền của 74 mẫu

giống lúa của Lào bằng 24 chỉ thị SSR, kết quả chia làm 4 nhóm: Indica nhóm 1

(G1) bao gồm 24 mẫu giống nếp cẩm và 5 mẫu giống gạo trắng Hầu hết các mẫu giống trong nhóm này có thân dày, phiến lá rộng, hình dạng hạt lớn và có màu

tím trên tất cả các bộ phận của cây Nhóm indica 3 (G3) gồm 25 mẫu giống nếp

cẩm, nhóm này có thân mảnh, lá hẹp ngắn, mép lá màu tím và có sọc tím trên

phiến lá và bẹ lá Nhóm indica 4 (G4) bao gồm 8 mẫu giống gạo trắng, có màu xanh trên tất cả các bộ phận của cây Nhóm Japonica (G2) gồm 5 mẫu giống gạo

trắng, 4 mẫu giống nếp cẩm và 3 giống đối chứng (Khao Kai Noi Leuang, Azucena và LiJiang-Xin-Hei-Gu)

Ở Việt Nam, Trần Danh Sửu (2008) đã đánh giá đa dạng di truyền của 35 mẫu giống lúa tám đặc sản của Việt Nam Kết quả 36,6% các mẫu giống thuộc

loài phụ Japonica và 20 mẫu giống có mùi thơm Trần Danh Sửu và cs (2010),

nghiên cứu đa dạng di truyền của 45 mẫu giống lúa nếp địa phương ở các tỉnh đồng bằng Bắc Bộ bằng 50 chỉ thị SSR, kết quả cho thấy 45 chỉ thị cho các băng ADN đa hình tại 46 locus Trong đó, 18 locus SSR cho nhận dạng đặc trưng với

28 alen duy nhất của 16 giống trong số 45 giống lúa nếp nghiên cứu Hệ số tương đồng di truyền giữa các giống lúa nếp dao động từ 0,10 đến 0,98 Thấp nhất (0,10) là giữa giống Nếp bà lão (6195) và giống Nếp hạt chanh (7055) và cao nhất (0,98) là giữa giống Nếp sấp (6236) và Nếp quắn (7060) Trong số 45 giống

lúa nếp được nghiên cứu, 43 giống thuộc loài phụ Japonica và 2 giống (Nếp nõn tre và Nếp hạt chanh) thuộc loài phụ Indica dựa trên ADN lục lạp

Lã Tuấn Nghĩa và Lê Thị Thu Trang (2012), đánh giá 40 mẫu giống lúa

thu thập tại các tỉnh ven biển phía Bắc và miền Trung về khả năng chịu mặn, kết quả chia thành 3 nhóm: nhóm chịu mặn cao gồm 3 giống; nhóm chịu mặn trung bình có 14 gống và nhóm chịu mặn kém có 13 giống

Vũ Thị Thu Hiền (2013), đánh giá đa dạng di truyền của 41 mẫu giống lúa thu thập có nguồn gốc khác nhau dựa trên 14 tính trạng kiểu hình, kết quả 41 mẫu giống với sự sai khác 0,08 phân thành 10 nhóm cách biệt di truyền Vũ Thị Thu Hiền và Phạm Văn Cường (2012), đánh giá đa dạng di truyền của 64 mẫu giống lúa canh tác nhờ nước trời Kết quả chia ra làm 7 nhóm với các mức chịu hạn khác nhau

Dương Xuân Tú và cs (2013), đánh giá đa dạng di truyền của 51 mẫu giống lúa, trong đó 31 mẫu giống lúa thơm và 18 mẫu giống lúa kháng bệnh bạc

lá Kết quả nghiên cứu chia ra làm 8 nhóm với hệ số tương đồng 0,63

Theo Trần Thị Lương và cs (2013), phân tích quan hệ di truyền 60 giống lúa đặc sản, chất lượng ở Việt Nam với 40 chỉ thị SSR Tổng cộng có 180 alen được phát hiện bởi 33 chỉ thị cho đa hình với trung bình 5,45 alen/locus Trong số 33 locus đa hình, tìm thấy 61 alen hiếm và 14 alen đặc trưng ở 11 locus Kết quả cho thấy, các alen đặc trưng có thể nhận dạng đặc điểm phân tử ADN của 12 giống lúa nghiên cứu Hệ số đa hình di truyền (PIC) dao động từ 0,06 đến 0,83 với giá trị trung bình là 0,6 Hệ số tương đồng di truyền của 60 giống lúa nghiên cứu dao động từ 0,056 đến 0,77; hai giống có hệ số tương đồng di truyền thấp nhất là Jamin 85 (DS28) và LC93-1; hai giống có hệ số tương đồng di truyền cao nhất là Q5ĐB (DS42) và KDĐB (DS43) Các giống lúa đặc sản và chất lượng có xu hướng xếp thành các nhóm riêng rẽ, trong đó

có 1 giống Nếp cẩm đen (DS2)

Theo Đoàn Thị Thùy Linh và cs (2013), khi đánh giá 50 mẫu giống lúa có nguồn gốc khác nhau cho thấy các mẫu giống trong tập đoàn chủ yếu là các giống trung ngày (chiếm 88%), thuộc loại bán lùn và trung bình, có khả năng đẻ nhánh ít, khối lượng trung bình hạt đạt từ trung bình đến cao chiếm đa số và hạt gạo là loại hạt dài, đây là đặc điểm quý Kích thước lá, chiều dài bông rất đa dạng, tuy nhiên góc độ lá đòng rất lớn, đây là một hạn chế của các giống lúa địa

phương Dựa trên các tính trạng kiểu hình, qua phân tích cho thấy 50 mẫu giống được chia thành 14 nhóm khác nhau cách biệt về di truyền Như vậy các mẫu giống lúa khá đa dạng, có một số đặc điểm quý và có thể sử dụng để chọn tạo các giống lúa thuần năng suất, chất lượng

Theo Nguyễn Thị Minh Nguyệt và cs (2013), tập đoàn giống lúa chịu hạn bản địa của Việt Nam khá đa dạng về thành phần alen Kết quả phân tích 23 chỉ thị phân tử SSR với 39 giống chịu hạn và giống IR64 thu được tổng số 82 loại alen, trung bình 3,57 alen/locus, hệ số PIC dao động từ 0,22 đến 0,77 Mức độ đa dạng di truyền giữa các giống lúa chịu hạn rất cao, hệ số tương đồng di truyền dao động 0,02 đến 0,91

1.3 Quang hợp và năng suất ở lúa

1.3.1 Mối quan hệ giữa quang hợp và năng suất lúa

Quang hợp là quá trình cơ bản quyết định đến năng suất cây trồng Dựa vào mối quan hệ giữa quang hợp và năng suất, để tăng năng suất cây trồng cần phối hợp nhiều biện pháp tác động vào nhiều nhân tố sinh thái một cách hợp lý

để cho quá trình quang hợp xảy ra ở mức tối ưu

Tăng năng suất cây trồng thông qua điều khiển quang hợp như:

Tăng diện tích lá: Chọn giống có hệ số lá tối ưu cao là một hướng quan trọng Chỉ số diện tích lá là rất cần thiết để đón nhận được nhiều năng lượng ánh sáng mặt trời Tuy vậy, để quang hợp của lá đặt tối đa thì hướng lá là quan trọng hơn cả, bởi nó sẽ quyết định đến khả năng đâm xuyên của ánh sáng trong tán Lá đứng, góc lá nhỏ cho phép ánh sáng đâm xuyên sâu hơn (Yoshida, 1981)

Tăng hiệu suất quang hợp: Chọn giống có hiệu suất quang hợp cao, đây là hướng chọn tạo dựa trên hoạt động sinh lý của cây Để hiệu suất quang hợp cao thì hàm lượng diệp lục trong lá quyết định nhiều Hàm lượng diệp lục có liên quan chặt chẽ tới cường độ quang hợp (Makino, 2011; Huang et al., 2013) Một

số nghiên cứu đã công bố các giống lúa có năng suất cao đều có cường độ quang hợp và hàm lượng diệp lục cao hơn các giống có năng suất thấp Để xác định hàm lượng diệp lục trong lá người ta sử dụng máy đo hấp thu ánh sáng của dải

quang phổ trên lá tươi thông qua chỉ số SPAD (Soil and Plant Analyzer

Development) để ước tính hàm lượng diệp lục trong lá (Kumagai et al., 2009)

Phương pháp xác định hàm lượng diệp lục trong lá thông qua chỉ số SPAD là phương pháp đơn giản, dễ làm, nhanh hơn phương pháp tách chiết bằng dung môi hữu cơ

Thời gian quang hợp: tuổi thọ của lá được xem là thời gian quang hợp của cây trồng Đối với lúa, trong các lá thì các lá cuối cùng (lá đòng và lá công năng) có ý nghĩa rất quan trọng vì hầu như sản phẩm quang hợp của chúng được vận chuyển tích lũy vào các cơ quan kinh tế Vì vậy hình thái lá, góc lá đòng và

lá công năng quyết định đáng kể đến năng suất lúa

1.3.2 Một số kết quả nghiên cứu về quang hợp ở cây lúa

1.3.2.1 Mối quan hệ giữa hàm lượng diệp lục và quang hợp

Diệp lục là một sắc tố quang hợp và đóng vai trò trung tâm trong việc hấp thu năng lượng ánh sáng trong suốt quá trình quang hợp Một số nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng, hàm lượng diệp lục có liên quan chặt chẽ đến cường độ quang

hợp (Huang et al., 2013) Peng et al (2008) đã công bố rằng, các giống lúa mới có

năng suất cao đều có cường độ quang hợp và hàm lượng diệp lục cao hơn các giống lúa cũ có năng suất thấp Vì vậy, tăng hàm lượng diệp lục trong cây lúa có thể là cách làm hiệu quả để tăng năng suất sinh vật học và năng suất hạt

Vai trò của diệp lục đối với quang hợp còn phụ thuộc vào ánh sáng Trong điều kiện đủ ánh sáng, hàm lượng diệp lục hầu như không ảnh hưởng đến cường độ quang hợp Trong điều kiện thiếu ánh sáng, hàm lượng diệp lục

có thể làm hạn chế quang hợp bởi vì tốc độ phản ứng ánh sáng có thể làm hạn chế toàn bộ quá trình quang hợp (Peng, 2000) Kết quả nghiên cứu của Paulsen (1972) đã chứng ming rằng, cường độ quang hợp và hàm lượng diệp lục có mối liên hệ chặt chẽ với nhau trong điều kiện ánh sáng thấp, nhưng trong điều kiện ánh sáng cao thì hàm lượng diệp lục không có tương quan với cường độ quang hợp (Peng, 2000)

Ở giai đoạn lúa đẻ nhánh hữu hiệu, trỗ và chín sáp, cường độ quang hợp của lúa lai F1 trong điều kiện ánh sáng 1200µmol/m/s, nồng độ CO2 trong không khí

từ 370-380ppm và nhiệt độ lá 30 ± 1oC có tương quan thuận ở mức ý nghĩa với

chỉ số SPAD (Pham et al., 2004) Mối quan hệ giữa hàm lượng diệp lục trong lá

và cường độ quang hợp của các giống lúa lai: Việt lai 20, TH 2-1, TH3-3 và TH5-1 cũng cho kết quả tương tự (Phạm Văn Cường và cs., 2005) Nghiên cứu đặc tính quang hợp liên quan đến tính chịu hạn Phạm Văn Cường (2009) đã công

bố, ở giai đoạn trước khi xử lý hạn 4 ngày, sau khi phục hồi 4 ngày, chỉ số SPAD của hai lá trên cùng giai đoạn đẻ nhánh có tương quan thuận ở mức ý nghĩa với cường độ quang hợp ở cường độ ánh sáng 1500µmol/m/s, nồng độ CO2 370ppm

và nhiệt độ lá 30oC; tuy nhiên, trong thời gian xử lý hạn chỉ số SPAD tương quan nghịch nhưng ở mức không ý nghĩa với cường độ quang hợp (Pham, 2009) Kết

quả nghiên cứu của Kumagai et al (2009) cho thấy, ở điều kiện ánh sáng 1000

µmol/m/s, nhiệt độ lá 30 ± 0,4oC, nồng độ CO2 380 ±13µL/L và độ ẩm tương đối 60±2,6%; chỉ số SPAD có tương quan chặt với cường độ quang hợp của lá đòng (r = 0,67) Tuy nhiên, một số nghiên cứu gần đây lại công bố rằng cường độ

quang hợp lá không bị ảnh hưởng bởi hàm lượng diệp lục (Kiran et al., 2013; Zhao et al., 2010)

1.3.2.2 Mối quan hệ giữa cường độ quang hợp và năng suất

Nghiên cứu đặc điểm quang hợp và tích lũy chất khô của lúa lai F1 từ dòng mẹ bất dục mẫn cảm với nhiệt độ được cấy trong điều kiện đất có dinh dưỡng đạm khác nhau đã cho thấy, cường độ quang hợp của lá đòng giai đoạn 3 -5 ngày sau trỗ có liên quan mật thiết với năng suất cá thể ở F1 (r = 0,93) và bố

mẹ (r = 0,87) ở P = 0,01 (Pham et al., 2003) Nghiên cứu ưu thế lai về khả năng

quang hợp trên 3 tổ hợp lai là Việt Lai 20, TH3-3, TH2-1, cường độ quang hợp của giai đoạn đẻ nhánh hữu hiệu và giai đoạn trỗ có tương quan thuận ở mức ý nghĩa với năng suất hạt; cường độ quang hợp giai đoạn trỗ có tương quan nghịch ở mức không ý nghĩa trên cả 3 tổ hợp lai và dòng bố (Phạm Văn Cường

và cs., 2005)

Phạm Văn Cường và cs (2008), đã phân tích mối quan hệ giữa cường độ quang hợp giai đoạn trỗ và sau trỗ 7 ngày đối với năng suất hạt của giống lúa lai Việt Lai 24 ở các mức bón kali khác nhau trên nền phân đạm thấp, kết quả phân tích đã thể hiện mối tương quan thuận ở mức ý nghĩa ở cả hai thời điểm theo dõi Nghiên cứu đặc điểm quang hợp của lá đòng 3 ngày và 5 ngày sau trỗ trên

hai giống lúa Yangdao 6 và Nanjing 43, Xie et al (2011)đã công bố rằng cường

độ quang hợp của lá đòng có tương quan chặt với năng suất hạt với hệ số tương quan r = 0,94 (ở p = 0,01)

Trên đây là các kết quả nghiên cứu về quang hợp trên lúa tẻ, còn trên lúa nếp và lúa cẩm thì chưa có nhiều nghiên cứu được công bố Vì vậy, việc tiến hành nghiên cứu về quang hợp và năng suất là rất cần thiết cho công tác chọn tạo giống lúa nếp nói chung và lúa cẩm nói riêng

1.4 Di truyền một số tính trạng ở cây lúa

1.4.1 Di truyền một số tính trạng chất lượng gạo

1.4.1.1 Di truyền về kích thước hạt gạo

Kích thước hạt gạo là tính trạng ổn định nhất, ít chịu ảnh hưởng của yếu tố môi trường Kích thước hạt quyết định đến khối lượng hạt, là một trong ba thành phần tạo nên năng suất Kích thước hạt gồm chiều dài, chiều rộng và độ dày hạt

Về di truyền kích thước hạt, Singh et al (2000) đã trích dẫn các tác giả trước đó nghiên cứu về chiều dài hạt như: Ramiah et al (1931) cho rằng chiều dài hạt gạo

do 1 gen kiểm soát; Bollich (1957) cho rằng 2 gen; Ramiah và Parthasarathy (1933) cho rằng do 3 gen; đa gen (Chang, 1974); đa gen có tích chất cộng và trội

(Somrith et al., 1979) Quan điểm của Fu et al cũng cho rằng kích thước hạt do

đa gen có tính chất cộng và trội (Fu et al., 2010)

Tính trạng kích thước hạt là tính trạng di truyền số lượng (Takeda, 1984)

McKenzie et al (1983) đã nghiên cứu 6 tổ hợp lại giữa SD7/72-3764,

CI9858/DDI, L- 201/M7, 7601014/ED7, 7803012/M-101, SD7/B18355 Ở thế hệ

F2 đã có sự phân ly vượt trội hơn bố mẹ cả về chiều dài, chiều rộng, như vậy chiều dài và chiều rộng được kiểm soát bởi di truyền số lượng Còn theo Kato

(1989) chiều dài hạt được kiểm soát bởi các alen trội có xu hướng là chiều dài hạt của con lai ngắn hơn so với trung bình chiều dài hạt của bố mẹ

Takamure and Kinoshita (1987) đã chứng minh hạt ngắn là trội hoàn

toàn so với hạt dài, còn Yoshimura et al (1982) lại nhận thấy hạt ngắn là tính

trạng lặn

Rao et al (1989) phân tích tổ hợp lai giữa Basmati x IR 1469 cho thấy hạt

F1 có giá trị trung gian của bố mẹ Ở tổ hợp Basmati x Pairam 242 cho chiều rộng, độ dầy và trọng lượng hạt có giá trị trung gian của bố mẹ Từ đó kết luận rằng, chiều dài, chiều rộng hạt di truyền độc lập và được kiểm soát bởi các gen khác nhau, độ dầy phụ thuộc vào tương quan của chiều dài và chiều rộng hạt

Về khả năng chọn lọc giống theo kích thước hạt, Jennings et al (1979)

cho rằng chiều dài và hình dạng hạt là di truyền số lượng Hạt F1 có kích thước trung bình giữa hai bố mẹ, và F2 có sự phân ly vượt trội cả về hạt dài và hạt tròn, chiều dài và hình dạng hạt ổn định rất sớm trong các thế hệ phân ly Nếu kiểu hạt mong muốn không xuất hiện ở F2 thì khó có thể tìm ra dạng tốt hơn ở F3 Nếu kiểu hạt mong muốn xuất hiện ở F2 thì ít khi phân ly ở thế hệ kết tiếp Vì vậy, để chọn được hình dạng hạt như mong muốn thì phải rất khắt khe chọn lọc kỹ ở thế

hệ F2 của các cặp lai đơn hay ở F1 của các cặp hồi giao, lai ba, lai kép Về sau nhiều nhà khoa học cũng đồng quan điểm với Jennings để chọn giống theo kích thước hạt có thể chọn được ở thế hệ phân ly sớm

1.4.1.2 Hàm lượng amylose

Hàm lượng amylose và nhiệt hóa hồ là các chỉ tiêu có ý nghĩa quyết định

đến độ mềm của cơm Singh et al (2000) cho thấy hàm lượng amylose được

kiểm soát bởi một gen và một gen phụ bổ sung, hai gen bổ sung hoặc ảnh hưởng của số lượng alen

Huang and Li (1990) xác định hàm lượng amylose được kiểm soát bởi một gen chính và các gen phụ Hàm lượng amylose cao và trung bình trội hoàn

toàn với hàm lượng amylose thấp Trong tổ hợp lai giữa Indica có hàm lượng

amylose thấp và lúa nếp thì tính di truyền amylose được kiểm tra bởi gen số

lượng Tính dẻo được kiểm soát bởi một gen lặn wx, nội nhũ của lúa nếp chỉ chứa

amylopectin với kiểu gen là 3n= wxwxwx, còn gạo tẻ cả amylose và amylopectin

được kiểm soát bởi gen trội Wx Hoạt động tính trội của Wx không bị ảnh hưởng

do thay đổi hàm lượng amylose của cây bố, nhưng liều lượng alen trội Wx ảnh

hưởng đến hàm lượng amylose trong nội nhũ (Heu and Park, 1976)

Zhang and Peng (1996), nghiên cứu di truyền về hàm lượng amylose của

7 bố mẹ có màu vỏ cám đen, nâu, đỏ và trắng và hàm lượng amylose từ 0,93 đến 30,13%, đã chỉ ra có ảnh hưởng cộng trội đến di truyền của hàm lượng amylose

Theo Kumar and Khush (1986) để chọn giống với tính trạng về hàm lượng amylose nên tiến hành ở các thế hệ ban đầu là có hiệu quả tốt nhất, chọn lọc con lai phân ly có hàm lượng amylose trung bình sẽ không có hiệu quả

Hàm lượng amylose chịu ảnh hưởng của yếu tố môi trường, có thể biến đổi khi trồng ở vụ này hay vụ khác, nơi này hay nơi khác, phụ thuộc vào nhiệt độ trong thời gian lúa vào chắc

1.4.1.3 Nhiệt hóa hồ

Kết quả nghiên cứu về di truyền của nhiệt hóa hồ cho thấy: Nhiệt hóa hồ

do một gen quy định (Choi et al., 1980, McKenzie and Rutger, 1983) Một số

nghiên cứu khác như Heu and Park (1976) lại cho rằng nhiệt hóa hồ được điều

khiển bởi một gen chính và vài gen phụ bổ sung, còn Chen et al., (1992), cho

rằng hai gen điều khiển nhiệt hóa hồ Heda and Reddy (1986), lại cho tính trạng này do đa gen

Theo Chen et al (1992) nhiệt hóa hồ cao trội hoàn toàn so với nhiệt hóa

hồ thấp Còn Choi et al (1980) lại cho rằng nhiệt hóa hồ cao lặn so với nhiệt hóa

hồ thấp

Vậy, từ các kết quả nghiên cứu trên cho thấy không có sự ổn định về số gen điều khiển tính trạng nhiệt hóa hồ cũng như mối quan hệ trội - lặn Sự khác nhau giữa các nhiệt hóa hồ cao, trung bình và thấp được điều khiển bởi

một dãy alen cùng locus, cộng với một vài gen phụ bổ sung Alen trội Alk quyết định nhiệt hóa hồ cao, alen alk b lặn quyết định hình thành nhiệt hóa hồ

trung bình và alk a lặn tạo nhiệt hóa hồ thấp Hơn nữa nhiệt hóa hồ còn là tính trạng chịu nhiều ảnh hưởng của môi trường, nhiệt độ trong giai đoạn hạt vào

chắc (Heu et al., 1976)

1.4.1.4 Hàm lượng protein tổng số

Hàm lượng protein là một chỉ tiêu quan trọng đối với chất lượng dinh dưỡng của hạt lúa Protein trong gạo được đánh giá cao hơn so với các loại ngũ cốc khác, lượng lysine chiếm khoảng 4% Hàm lượng protein của lúa thường khoảng 7% ở gạo chà trắng và 8% ở gạo lức Phẩm chất protein của gạo tùy thuộc vào lượng protein trong hạt Về mặt dinh dưỡng gạo có hàm lượng protein

cao tốt hơn gạo có hàm lượng protein thấp (Jennings et al., 1979) Theo Chang

and Somrith (1979), cho biết di truyền tính trạng protein do đa gen điều khiển có

hệ số di truyền khá thấp, có thể do ảnh hưởng tương tác mạnh mẽ giữa kiểu gen

điều khiển độ bền thể gel mềm Ông cũng cho rằng độ bền thể gel được điều khiển bởi đơn gen và nhiều gen phụ bổ sung Độ bền thể gel biến động rất lớn giữa hai vụ Xuân và vụ Mùa, giữa các môi trường canh tác khác nhau (Bùi Chí Bửu và Nguyễn Thị Lang, 2000)

1.4.2 Di truyền tính trạng màu sắc vỏ trấu

Màu sắc vỏ trấu rất đa dạng và có nhiều kiểu khác nhau Jenning et al

(1979) xác định được 2 trong số các màu cơ bản thường gặp ở các giống lúa trồng phổ biến là: màu vàng và vàng rơm, trong đó màu vàng rơm trội so với màu vàng Phan Phải và Trần Duy Quý (1986) phát hiện được một số đột biến

trội vỏ trấu màu tím đen di truyền đơn gen do gen Pr nằm trên NST 11 thuộc

nhóm liên kết 4 quy định Theo Khush and Toeniessen (1991) có tới 13 locus

khác nhau thuộc 7 NST chi phối tính trạng màu sắc vỏ trấu Trong số 13 locus trên có 8 locus trực tiếp chi phối màu sắc vỏ trấu là:

Gen Bf: quy định tính trạng rãnh màu nâu trên vỏ trấu

Gen I-Bf: ức chế gen Bf

Gen Bh: quy định vỏ trấu màu đen, có 3 alen là Bh-a, Bh-b và Bh-c thuộc

NST 11 Chúng là các gen tương tác bổ trợ

Gen Wh: nằm trên NST 11 quy định tính trạng vỏ trấu trắng

Gen Pr: nằm trên NST 11 quy định tính trạng vỏ trấu tím

Gen gf: nằm trên NST số 6 quy định tính trạng vỏ trấu màu vàng

Gen Bp: nằm trên NST số 10 quy định màu vỏ cám màu nâu

Gen Rd: nằm trên NST số 3 quy định vỏ trấu và vỏ cám màu đỏ

Gen gh1: nằm trên NST số 2, gen gh2 và gh3 nằm trên NST số 8, cả 3 gen

này đều quy định tính trạng vỏ trấu màu vàng

1.4.3 Di truyền tính trạng màu sắc hạt gạo lật

Gạo có nhiều màu sắc khác nhau từ trắng, nâu, đỏ và đen do các loại sắc tố khác nhau Trong đó gạo đen (gạo cẩm) có chứa anthocyanin trong lớp aleurone (Sutharut and Sudarat, 2012) Anthocyanin là chất màu tự nhiên có nhiều trong trái cây, rau, hoa, quả và hạt có màu từ đỏ đến tím như: nho, dâu tây, tía tô, gạo cẩm…

nó rất quan trong đối với sức khỏe của con người, đóng vai trò ngăn chặn tác động nguy hại của các gốc tự do và tăng cường hoạt động chống oxy hóa và bảo vệ quá trình trao đổi chất (Stoner, 2009) Trong những năm gần đây, tác dụng bảo vệ của anthocyanin đã được nghiên cứu và kết quả cho thấy: có tác dụng chống oxy hóa, chống dị ứng, chống viêm, chống virus, chống vi khuẩn, chống ung thư, bảo vệ tim mạch, phòng chống bệnh tiểu đường … Ngoài lợi ích đối với sức khỏe con người, anthocyanin còn ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và phát triển của bệnh bạc lá lúa do

vi khuẩn Xanthomonas oryzae gây ra (Gandikota et al., 2001)

Về tính chất di truyền, màu sắc hạt gạo đen ít nhất do 3 cặp gen kiểm soát

Cơ chế di truyền liên quan đến quá trình chuyển đổi vỏ hạt gạo màu đen

từ lúa dại (Oryza rufipogon và Oryza nivara) vào lúa có vỏ hạt màu trắng (Oryza

sativa ) trong quá trình chín của hạt vẫn chưa được biết Theo Zhu et al (2013) cho rằng vỏ màu đen của O rufipogon được kiểm soát bởi gen Black hull 4 (Bh4), trên nhiễm sắc thể số 4 khi lai giữa O rufipogon W1943 (vỏ đen) với O

còn gen bh4 cho vỏ hạt trắng Nghiên cứu chuyển gen cho thấy Bh4 có thể khôi

phục lại các sắc tố đen ở giống Guangluai 4 và Kasalath

Các màu sắc vỏ hạt màu tím ở gạo được điều khiển bởi hai gen bổ sung

Pb và Pp Khi lai giống 'Heugnambyeo' với ba giống lúa có vỏ hạt gạo màu trắng

đã đưa ra tỷ lệ phân ly là 9 tím: 3 nâu: 4 trắng Kiểu gen PpPp cho màu tím xẫm, kiểu gen Pppp cho màu tím vừa và pppp cho màu nâu hoặc trắng với tỷ lệ 1PPPP

: 2 Pppp : 1pppp Theo Ramahn et al (2012) chỉ ra rằng Pp là trội không hoàn toàn so với pp Trong số các hạt màu tím, lượng cyanidin-3-O-glucoside trong

các hạt màu tím sẫm (Pb-PpPp) cao hơn so với các hạt màu tím vừa (Pb-Pppp) Hơn nữa, không thấy có cyanidin-3-glucoside trong hạt màu nâu (Pb-pppp) hoặc hạt màu trắng (pbpbpppp) Những phát hiện này chỉ ra rằng mức độ của

cyanidin-3-glucoside được xác định bằng số lượng bản sao của các alen Pp Điều

tra kiểu gen ở thế hệ F3 cho thấy alen Pb có mặt trong vỏ hạt màu tím hoặc màu nâu Những phát hiện này cho thấy sự hiện diện của ít nhất một alen Pb là một yếu tố cần thiết cho sự phát triển màu sắc ở hạt gạo Các alen Pp là trội không hoàn toàn so với alen pp Do đó, số lượng các alen trội Pp xác định nồng độ của

cyanidin-3-O-glucoside trong gạo đen

Phát triển màu sắc ở hạt gạo rất phức tạp, sự hình thành sắc tố anthocyanin

được điều khiển bởi một hệ thống di truyền, hệ thống gen CAP Gen cơ bản tạo

ra sắc tố là C, trong khi A điều khiển phục hồi anthocyanin P biến động xác định

vị trí biểu hiện màu sắc (như Pg, Pm, Ps, Px… tùy theo vị trí), gen điều khiển biểu hiện màu sắc vỏ hạt như Black hull 4 (Bh4) (Vigueira and Olsen, 2013)

Theo Sosana et al (2013), khi nghiên cứu ảnh hưởng của kiểu gen, môi

trường, tương tác giữa kiểu gen và môi trường đến hàm lượng anthocyanin ở 7 giống lúa đen của Thái Lan cho thấy: tương tác giữa kiểu gen và môi trường

đóng góp 42,79% thay đổi hàm lượng anthocyanin trong đó kiểu gen đóng góp 14,94% và môi trường đóng góp 22,46%, trong nghiên cứu này có hai giống ULR238 và ULR046 có mức ổn định cao nhất về hàm lượng anthocyanin khi trồng ở 8 môi trường khác nhau

1.4.4 Di truyền tính trạng về góc và chiều dài lá đòng, lá công năng

Trên một nhánh lúa, các lá lúa ra kế tiếp nhau và sắp xếp so le Số lượng

lá trên thân chính tùy thuộc vào giống Các giống có thời gian sinh trưởng dài thì

số lá càng nhiều và ngược lại

Trong đời sống cây lúa, lá hình thành đầu tiên là lá nguyên thủy, lá này chỉ

có bẹ lá mà chưa có phiến lá Lá hình thành cuối cùng là lá đòng Trong quá trình phát triển, lá thứ hai tính từ trên xuống luôn hoạt động mạnh nhất nên lá này được gọi là lá công năng Lá đòng là lá ra cuối cùng và trên một nhánh lúa thì nó

là lá trên cùng, vì vậy nó tiếp nhận nhiều ánh sáng nhất Từ sau khi trỗ, lá đòng hoạt động không kém lá công năng, nhưng do ra sau, trẻ hơn và ở phía trên nên

nó có vai trò lớn trong nuôi dưỡng bông lúa Đối với các nhà chọn giống nắm được các đặc điểm của bộ lá cũng như cơ chế di truyền về góc, chiều dài, chiều rộng lá đòng và lá công năng sẽ có phương pháp thích hợp để chọn tạo giống lúa mới có bộ lá hữu hiệu nhất, hướng tới đạt năng suất cao nhất

Bộ lá có vai trò quyết định >50% năng suất lúa Để cho lá tiếp xúc trực tiếp với ánh sáng thì nhà chọn giống cần chuyển từ dạng lá truyền thống (lá cong) sang dạng lá thẳng để giảm độ che cớm và làm cho ánh sáng xuyên xuống được các tầng lá phía dưới

Qua rất nhiều nghiên cứu người ta thấy rằng, tính trạng góc lá đòng và tính trạng góc lá công năng được kiểm soát bởi hai hệ thống gen khác nhau Góc

lá đòng rộng là trội so với góc lá đòng hẹp, ngược lại góc lá công năng hẹp là trội

so với góc lá công năng rộng

Chaudhary (2001) từ những kết quả thu được ở 6 tổ hợp lai để phân tích di truyền góc lá, chiều dài và chiều rộng lá cho biết: tính trạng góc lá di truyền độc lập với chiều dài và chiều rộng của lá, góc lá rộng có xu hướng trội

Mặt khác, người ta còn thấy sự liên quan giữa góc lá và thân, cây cao thường kèm theo lá dài và rủ, cây thấp thường kèm theo lá mọc đứng