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

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 Chọn giống trồng, Viện Nghiên cứu Phát triển trồng thuộc Học viện Nông nghiệp Việt Nam; Dự án Việt – Bỉ, Dự án JICA – JST thuộc Học viện Nông nghiệp Việt Nam tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành luận án Đặc biệt Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Văn Hoan PGS.TS Phạm Văn Cường trực tiếp hướng dẫn giúp đỡ tận tình suốt trình học tập, nghiên cứu để tơi hồn thành luận án Tơi xin cảm ơn: Các thầy cô, đồng nghiệp khoa Nông học quan tâm giúp đỡ, động viên đóng góp nhiều ý kiến cho việc hồn thành luận án Các cộng tác viên kỹ thuật viên Viện nghiên cứu Phát triển trồng, Phịng thí nghiệm JICA giúp đỡ tơi q trình làm thí nghiệm Các thành viên gia đình, bạn bè tạo điều kiện động viên suốt trình thực luận án Tác giả luận án Ngô Thị Hồng Tươi ii MỤC LỤC Trang Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh mục chữ viết tắt vi Danh mục bảng vii Danh mục hình x MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu nghiên cứu Nội dung nghiên cứu Những đóng góp luận án Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn Đối tượng phạm vi nghiên cứu 6.1 Đối tượng nghiên cứu 6.2 Phạm vi nghiên cứu Chương TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Nguồn gốc - phân biệt lúa nếp, lúa tẻ 1.1.1 Nguồn gốc lúa, lúa nếp 1.1.2 Phân biệt lúa nếp lúa tẻ 1.2 Nghiên cứu đa dạng di truyền chọn tạo giống lúa 1.2.1 Các phương pháp nghiên cứu đa dạng di truyền 7 1.2.2 Ứng dụng thị phân tử chọn tạo giống lúa 13 1.2.3 Một số kết nghiên cứu đa dạng di truyền lúa 15 1.3 Quang hợp suất lúa 19 1.3.1 Mối quan hệ quang hợp suất lúa 19 1.3.2 Một số kết nghiên cứu quang hợp lúa 20 Di truyền số tính trạng lúa 22 1.4.1 Di truyền số tính trạng chất lượng gạo 22 1.4 iii 1.4.2 Di truyền tính trạng màu sắc vỏ trấu 25 1.4.3 Di truyền tính trạng màu sắc hạt gạo lật 26 1.4.4 Di truyền tính trạng góc chiều dài địng, cơng 28 1.5 Di truyền tính kháng bệnh bạc lúa 29 1.5.1 Vi khuẩn gây bệnh bạc lúa 29 1.5.2 Đặc tính gây bệnh 30 1.5.3 Các chủng vi khuẩn 31 1.5.4 Mối quan hệ ký sinh –ký chủ, thuyết “gen đối gen” 32 1.5.5 Tổng hợp nghiên cứu bệnh bạc lúa 33 Chương PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 40 2.1 Vật liệu, thời gian địa điểm nghiên cứu 40 2.1.1 Vật liệu nghiên cứu 40 2.1.2 Địa điểm nghiên cứu 41 2.1.3 Thời gian nghiên cứu 41 2.2 Nội dung nghiên cứu 41 2.3 Phương pháp nghiên cứu 41 2.3.1 Thí nghiệm đánh giá đặc điểm nông sinh học mẫu giống lúa cẩm 41 2.3.2 Phương pháp thị phân tử 42 2.3.3 Phương pháp lây nhiễm vi khuẩn bạc nhân tạo 44 2.3.4 Phương pháp lai 45 2.3.5 Phương pháp bố trí thí nghiệm so sánh giống 46 2.3.6 Một số phương pháp xác định tiêu chất lượng 46 2.3.7 Một số phương pháp xác định tiêu quang hợp 49 2.3.8 Phương pháp phân biệt nhóm lúa Nếp/Tẻ 50 2.3.9 Phương pháp đánh giá chất lượng cảm quan cơm cho điểm 50 2.3.10 Một số công thức sử dụng 50 2.3.11 Phương pháp xử lý số liệu 51 Chương KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 52 Thu thập đánh giá nguồn vật liệu lúa cẩm 52 3.1 iv 3.1.1 Kết thu thập phân biệt nhóm lúa Nếp/Tẻ mẫu giống lúa cẩm 52 3.1.2 Đánh giá số đặc điểm nơng sinh học mẫu giống lúa cẩm 54 3.1.3 Đánh giá đa dạng di truyền mẫu giống lúa cẩm thị SSR 63 3.1.4 Đánh giá khả kháng bệnh bạc khả quang hợp 3.2 mẫu giống lúa cẩm 68 Tìm hiểu biểu di truyền số tính trạng đặc trưng lúa cẩm 81 3.2.1 Lựa chọn bố mẹ cho tổ hợp lai 81 3.2.2 Phương pháp lai tạo áp dụng 84 3.2.3 Nghiên cứu di truyền biểu số tính trạng đặc trưng số tổ hợp lai giống nếp cẩm dòng đẳng gen 3.3 IRBB21 84 Kết lai tạo chọn lọc dòng tẻ cẩm kháng bệnh bạc 95 3.3.1 Chọn lọc dòng cải tiến 95 3.3.2 Đặc điểm nơng sinh học dịng tẻ cẩm 97 3.3.3 Đánh giá khả kháng bạc dòng tẻ cẩm 107 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 111 Kết luận 111 Đề nghị 112 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CĨ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 113 TÀI LIỆU THAM KHẢO 114 PHỤ LỤC 126 v DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Chữ viết đầy đủ ADN Axit dezoxyribo nucleic AFLP Amplified Fragment Length Polymorphism (Đa hình chiều dài đoạn ADN nhân 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 đồ di truyền) FAO Food and Agriculture Organization of the United Nations (Tổ chức Lương thực 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 thị phân tử) NILs Nearly Isogenic Lines (Dòng đẳng gen) NST Nhiễm sắc thể Nu Nucleotide NSLT Năng suất lý thuyết NSTT Năng suất thực thu PCR Polymerase Chain Reaction (Phản ứng chuỗi trùng hợp) IPGRI International Plant Genetic Resources Institute (Viện Tài nguyên di truyền thực vật Quốc tế) RAPD Randomly Amplified Polymorphic DNAs (Đa hình đoạn ADN khuếch đại ngẫu nhiên) RFLP Restriction Fragment Length Polymorphism (Đa hình chiều dài mảng phân cắt giới hạn) SCAR Sequence Characterized Amplified Region (Vùng khuếch đại trình tự đặc trưng) SNPs Single Nucleotide Polymorphism (Đa hình nucleotide đơn) SPAD Soil and Plant Analyzer Development (Chỉ số ước tính hàm lượng diệp lục lá) SSR Simple Sequence Repeats (Những trình tự lặp lại đơn giản) STS Sequence Tagged Site (Vị trí đánh dấu trình tự) RGA Resistance Gene Anolog (Vùng tương tự gen kháng) Xoo Xanhthomonas oryzae pv Oryzae (Vi khuẩn gây bệnh bạc lá) PIC Polymorphic Information Content (Hàm lượng thơng tin đa hình) UPI United Press International (Hãng thơng quốc tế Hoa Kỳ) vi DANH MỤC BẢNG STT Tên bảng Trang 1.1 Các tính trạng quan trọng để phân biệt giống lúa 2.1 Đánh giá khả 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 phân biệt nhóm lúa nếp/tẻ mẫu giống lúa 52 3.2 Phân nhóm theo thời gian sinh trưởng mẫu giống 55 3.3 Phân nhóm theo khả đẻ nhánh mẫu giống 55 3.4 Phân nhóm theo chiều cao mẫu giống 56 3.5 Phân nhóm theo tỷ lệ hạt mẫu giống 57 3.6 Phân nhóm theo hình dạng hạt mẫu giống 58 3.7 Một số đặc điểm hình thái mẫu giống lúa cẩm vụ Mùa 2009 Gia Lâm – Hà Nội 59 3.8 Hàm lượng anthocyanin phân nhóm hàm lượng anthocyanin mẫu giống lúa cẩm 62 3.9 Số alen hệ số PIC 35 cặp mồi SSR 64 3.10 Kết chạy PCR tìm gen kháng xa5 Xa7 mẫu giống lúa cẩm 69 3.11 Phản ứng dòng lúa đẳng gen với isolate vi khuẩn Xanthomonas oryzae 72 3.12 Phản ứng mẫu giống lúa cẩm với isolate vi khuẩn lây nhiễm 73 3.13 Cường độ quang hợp qua giai đoạn sinh trưởng vụ Xuân 2010 Gia Lâm – Hà Nội 76 3.14 Chỉ số SPAD mẫu giống lúa cẩm vụ Xuân 2010 Gia Lâm – Hà Nội 77 3.15 Diện tích mẫu giống lúa cẩm vụ Xuân 2010 Gia Lâm – Hà Nội 78 vii 3.16 Khối lượng chất khơ tích lũy mẫu giống lúa cẩm vụ Xuân 2010 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 mẫu giống lúa cẩm sử dụng tổ hợp lai 82 3.19 Một số đặc điểm hình thái mẫu giống lúa cẩm sử dụng lai tạo 83 3.20 Sự di truyền biểu tính trạng chiều cao (cm) bố mẹ lai F1 85 3.21 Sự di truyền biểu tính trạng chiều dài (cm) bố mẹ lai F1 86 3.22 Sự di truyền biểu tính trạng số hạt/bơng bố mẹ lai F1 87 3.23 Sự di truyền biểu tính trạng chiều dài địng công (cm) bố mẹ lai F1 88 3.24 Sự di truyền biểu tính trạng chiều rộng địng cơng (cm) bố mẹ lai F1 89 3.25 Sự phân ly tính trạng góc địng góc cơng F2 90 3.26 Sự phân ly đồng thời hai tính trạng góc địng góc cơng 91 3.27 Kiểu hình F1 phân ly F2 tính trạng màu mày hạt 92 3.28 Kiểu hình F1 phân ly F2 tính trạng màu sắc vỏ trấu 93 3.29 Kiểu hình F1 phân ly F2 tính trạng màu sắc hạt gạo lật 94 3.30 Nguồn gốc loại hình dòng tẻ cẩm 96 3.31 Đặc điểm sinh trưởng dòng tẻ cẩm vụ Xuân vụ Mùa 2014 Gia Lâm - Hà Nội 97 3.32 Một số tiêu quang hợp dòng tẻ cẩm vụ Mùa 2014 Gia Lâm - Hà Nội 98 3.33 Một số đặc điểm cấu trúc kiểu dòng tẻ cẩm vụ Mùa 2014 Gia Lâm - Hà Nội 99 3.34 Mức độ nhiễm sâu bệnh hại tự nhiên dòng tẻ cẩm vụ Mùa 2014 Gia Lâm - Hà Nội 101 viii 3.35 Năng suất yếu tố cấu thành suất dòng tẻ cẩm triển vọng vụ Mùa 2014 Gia Lâm - Hà Nội 101 3.36 Một số tiêu kích thước hình dạng hạt gạo dịng tẻ cẩm triển vọng vụ Mùa 2014 Gia Lâm - Hà Nội 102 3.37 Chất lượng xay xát dòng tẻ cẩm vụ Mùa 2014 Gia Lâm - Hà Nội 104 3.38 Chất lượng gạo dòng tẻ cẩm vụ Mùa 2014 Gia Lâm - Hà Nội 104 3.39 Chất lượng cảm quan cơm gạo lứt dòng tẻ cẩm vụ Mùa Gia Lâm - Hà Nội (điểm) 106 3.40 Chất lượng cảm quan cơm gạo xát dòng tẻ cẩm vụ Mùa Gia Lâm - Hà Nội (điểm) 106 3.41 Mức độ kháng/nhiễm dòng tẻ cẩm với isolate vi khuẩn gây bệnh bạc 110 ix DANH MỤC HÌNH STT Tên hình Trang 1.1 Mơ tả tóm tắt tiến hóa lúa dại thành lúa trồng 1.2 Cấu trúc hóa học amylose amylopectin (α-1,4 α-1,6) 1.3 Nội nhũ lúa nếp lúa tẻ nhuộm KI 1% 3.1 Sản phẩm PCR mẫu giống lúa nghiên cứu với cặp mồi RM154 65 3.2 Sản phẩm PCR mẫu giống lúa nghiên cứu với cặp mồi RM162 65 3.3 Sản phẩm PCR mẫu giống lúa nghiên cứu với cặp mồi RM19 65 3.4 Sơ đồ mối quan hệ di truyền 43 mẫu giống lúa cẩm dựa phân tích ADN với 26 thị phân tử SSR 66 3.5 Điện di sản phẩm PCR gen xa5 cặp mồi RM122 68 3.6 Điện di sản phẩm PCR gen Xa7 cặp mồi RM5509 69 3.7 Phản ứng dòng đẳng gen lây nhiễm nhân tạo 72 3.8 Kết lây nhiễm mẫu giống N1, N29 đối chứng chuẩn nhiễm (IR24) với isolate XooTH 73 3.9 Màu sắc vỏ trấu quần thể phân ly F2 94 3.10 Ảnh hạt thóc, hạt gạo lật gạo xát lần dòng tẻ cẩm 103 3.11 Ảnh cơm gạo lứt, cơm gạo xát dòng tẻ cẩm 105 3.12 Điện di sản phẩm PCR gen Xa7 cặp mồi RM5509 107 3.13 Điện di sản phẩm PCR gen Xa21 cặp mồi M2Xa21 108 3.14 Phản ứng dòng đẳng gen lây nhiễm nhân tạo với isolate XooTH 109 3.15 Kết lây nhiễm dòng TĐ1, TĐ2, TĐ4 BT7 với isolate XooTH 109 x MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Trong năm gần đây, số lượng gạo xuất nước ta tăng đặn, đến năm 2012 lượng gạo xuất đạt tới 8,017 triệu tấn, thu 3,5 tỷ đôla Số lượng xuất gạo Việt Nam đứng thứ giới sau Ấn Độ Như vậy, Việt Nam khơng cịn phải lo việc đủ ăn mà tiến tới ăn ngon, ăn sức khỏe quan tâm đến giống lúa đặc sản Lúa đặc sản loại lúa cho sản phẩm chất lượng cao mang tính đặc thù vùng Lúa đặc sản bao gồm giống lúa thơm, lúa nếp số giống lúa Japonica trồng vùng sinh thái khác Việt Nam Trong giống lúa đặc sản giống lúa nếp nếp cẩm trồng từ lâu đời sử dụng với nhiều mục đích khác đời sống hàng ngày nước ta nước giới (Nguyễn Hữu Nghĩa Lê Vĩnh Thảo, 2007) Gạo nếp cẩm có màu đen cịn gọi bổ huyết mễ, loại gạo có hàm lượng giá trị dinh dưỡng cao như: hàm lượng protein gạo nếp cẩm cao 6,8%, chất béo cao 20% so với gạo khác, gạo nếp cẩm chứa caroten, loại axit amin, chứa anthocyanin nguyên tố vi lượng (sắt, kẽm) cần thiết cho thể (UPI, 2010) Tuy nhiên, giống nếp cẩm địa phương thường có màu tím phận lúa, góc địng cơng ngang đến gập xuống nên khả quang hợp không cao, suất thấp, nhiễm bệnh bạc lá, cao cây, thời gian sinh trưởng dài thường phản ứng với ánh sáng ngày ngắn nên trồng vụ năm Hơn giống lúa dần nên cần nghiên cứu bảo tồn Việc nghiên cứu đa dạng nguồn gen tập đoàn lúa cẩm khơng có ý nghĩa việc bảo tồn giống lúa đặc sản địa mà cịn có ý nghĩa công tác chọn tạo giống lúa cẩm Các giống lúa có màu sắc khác vỏ trấu vỏ cám màu đỏ, tía đen thường có hàm lượng chất hữu đặc thù chất kháng oxy hóa anthocyanin, vitamin vi lượng khác thu hút nhà nghiên cứu Phụ lục 18 Kết chọn lọc cá thể theo tính trạng mục tiêu từ hệ F2 đến F7 tổ hợp lai Các tính trạng mục tiêu N5/IRBB21 F2 F3 F4 F5 N7/IRBB21 F6 F7 N13/IRBB21 149 F2 F3 F4 F5 F2 F3 F4 F5 F6 F7 TGST