Luận án Tiến sĩ Nghiên cứu chọn tạo giống lúa thơm kháng rầy nâu (Nilaparvata lugenes Stal) bằng dấu phân tử SSR

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ NGUYỄN TRÍ YẾN CHI NGHIÊN CỨU CHỌN TẠO GIỐNG LÚA THƠM (Oryza sativa L.) KHÁNG RẦY NÂU (Nilaparvata lugens Stal.) BẰNG DẤU PHÂN TỬ SSR LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP TIẾN SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ SINH HỌC 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ NGUYỄN TRÍ YẾN CHI NGHIÊN CỨU CHỌN TẠO GIỐNG LÚA THƠM (Oryza sativa L.) KHÁNG RẦY NÂU (Nilaparvata lugens Stal.) BẰNG DẤU PHÂN TỬ SSR LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP TIẾN SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ SINH HỌC CÁN BỘ HƯỚNG DẪN PGs.Ts TRƯƠNG TRỌNG NGƠN 2018 LỜI CẢM TẠ Tơi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Trương Trọng Ngôn - người hướng dẫn đề tài, người Thầy tận tình hướng dẫn, động viên, giúp đỡ, cung cấp tài liệu, kiến thức quý báo tạo điều kiện tốt để thực đề tài Xin gửi lời cám ơn đến Ban Lãnh đạo Viện Nghiên cứu Phát triển Công nghệ Sinh học cho phép, ủng hộ, tạo hội cho tơi học tập, nghiên cứu hồn thành luận án nghiên cứu sinh Xin chân thành cảm ơn PGS.TS Trần Nhân Dũng tạo điều kiện hổ trợ kinh phí cho q trình nghiên cứu Xin chân thành cảm ơn ThS Hồ Quang Cua cung cấp hai giống lúa thơm ST5 ST20 cho nghiên cứu Xin chân thành cảm ơn ThS Trần Thị Xuân Mai giúp đỡ, chia kinh nghiệm cho tơi góp ý chân thành q trình thực luận án Xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Thị Pha, ThS Đỗ Tấn Khang, CN Trần Văn Bé Năm - cán phịng Thí nghiệm Sinh học Phân tử anh chị cán ộ ph ng th nghiệm Viện Nghiên cứu Phát triển Công nghệ Sinh học dẫn tạo điều kiện thuận lợi để thực luận án Xin chân thành cám ơn ạn sinh viên anh chị nghiên cứu sinh làm phịng Thí nghiệm Sinh học Phân tử giúp đỡ, chia sẻ buồn vui q trình làm thí nghiệm Cuối cùng, xin gửi lời biết ơn đến gia đình, vơ iết ơn đến bố mẹ nuôi dạy ên con, động viên, hỗ trợ lúc khó khăn vất vả Cám ơn chồng u thương, thơng cảm, chia sẽ, an ủi, khích lệ tơi lúc khó khăn thực luận án, giúp tơi có thêm động lực để hồn thành chương trình học thực luận án nghiên cứu Xin chân thành cảm ơn! Nguyễn Trí Yến Chi i TÓM TẮT Đề tài “Nghiên cứu chọn tạo giống lúa thơm Oryza sativa L kháng rầy nâu (Nilaparvata lugenes Stal) dấu phân tử SSR” thực nhà lưới phịng thí nhiệm Sinh học Phân tử - Viện Nghiên cứu Phát triển Công nghệ Sinh học, Bộ môn Tài Nguyên Cây Trồng – Viện Nghiên cứu Phát triển Đồng sông Cửu Long – Trường Đại học Cần Thơ, Bộ môn Bảo vệ Thực vật – Viện lúa Đồng Sông Cửu Long từ tháng 7năm 2013 đến tháng năm 2017 Đề tài ứng dụng phương pháp lai truyền thống lai hồi giao kết hợp với dấu phân tử để tạo nguồn vật liệu phục vụ công tác chọn tạo giống lúa thơm (Oryza sativa L) kháng rầy nâu (Nilaparvata lugenes Stal) với mục tiêu chọn lọc hai dòng lúa có triển vọng để phát triển thành giống lúa thơm mang gen kháng rầy nâu Các hệ lai F1 dòng lai hồi giao phát triển từ hai giống mang gen kháng rầy OM4103 (bph4 Bph10), OM10043 ( bph4 Bph18) ba giống lúa thơm ST5, ST20 VD20 phương pháp lai hồi giao Các giống bố mẹ, quần thể lai khảo sát mồi EAP, ESP, IFAP, INSP để xác định diện gene mùi thơm sáu cặp mồi RM225, RM586, RM17, RM260, RM7376, RM3331 để xác định diện gen kháng rầy nâu giống bố mẹ dòng phân ly hệ lai hồi giao Kết nghiên cứu tạo tổ hợp lai hồi giao để tạo dịng có mang gen thơm kháng rầy nâu dựa vào dấu phân tử Đã xác định dấu phân tử RM225 RM586 nhận diện gen kháng bph4, dấu phân tử RM17 RM260 nhận diện gen kháng Bph10, dấu phân tử RM7376 RM3331 nhận diện gen kháng rầy nâu Bph18 có độ tin cao Chọn tạo được12 dòng lai hồi giao BC3F2 mang gen thơm gen kháng rầy nâu, có dịng mang gen thơm hai gen kháng rầy nâu bph4, Bph10; dòng mang gen thơm hai gen kháng rầy nâu bph4, Bph18 Kết hợp đánh giá kiểu gen, kiểu hình đặc tính nơng học chọn 6/12 dịng có số đặc tính nơng sinh học tốt để khảo nghiệm đồng Kết khảo nghiệm chọn hai dòng B2-21 D1-6 đáp ứng với mục tiêu đề ra, có thời gian sinh trưởng 97 ngày (dịng D1-6.18) 103 ngày (dòng B2-21), suất đạt 7,16t/ha (dòng B2-21) 6,48t/ha (dòng D1-6), hàm lượng amylose thấp 20% (16,42% 17,39% tương ứng với dòng B2-21 D1-6), có phản ứng kháng với rầy nâu Từ khóa: dấu phân tử, hồi giao, lúa thơm, kháng rầy nâu ii ABSTRACT The research entitled “Study and selection aromatic rice verieties with brown planthopper resistance based on SSR marker” was carried out at (1) the Biotechnology Research and Development Insitute, (2) Cuu Long Delta Rice Research Insitute, (3) Mekong Delta Development Research Institute from July 2013 to June 2017 This study aims to select introgression rice lines for development of aromatic varieties with resistance to brown planthopper (BPH) by using marker-assisted backcrossing F1 and backcross hybrids were derived from paternal (OM4103 and OM10043) and maternal (ST5, ST20 and VD20) varieties These rice varieties/lines were tested for the presence of aromatic gene using primers (EAP, ESP, IFAP and INSP) and of BPH-resistance gene by using six primer pairs (RM225, RM586, RM17, RM260, RM7376 and RM3331) These results of experiment determinated the molecular markers of RM225 and RM586 linked with the bph4 resistant gene whilts molecular markes of RM17 and RM260 identified the Bph10 gene, and molecular markers of RM7376 and RM3331 identified the Bph18 gene with the high reliability The result of genotypic evaluation had chosen five hybrids carrying the aromatically recessive gene and two BPH-resistant genes of bph4 and Bph10, and seven hybrid bringing the two BPH-resistant genes of bph4 and Bph18 Based on phenotypic and genotypic characterizations, of the 12 lines showing good agronomic traits were further chosen for field evaluation Under field conditions, two lines including B2-21.8 D1-6.18 performing desirable characteristics, i.e., maturing in 97–103 days, grain yield of 6.48–7.16 tons/ha, amylose content of 16,42–17,39% and moderate resistance to BPH Keywords: aromatic rice, brown planthopper resistance, backcross, moclecular marker iii CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc -LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình “Nghiên cứu chọn tạo giống lúa thơm Oryza sativa L kháng rầy nâu (Nilaparvata lugenes Stal) dấu phân tử SSR” thực thân nghiên cứu sinh Nguyễn Trí Yến Chi với hướng dẫn PGs.Ts Trương Trọng Ngôn Các số liệu, kết nêu luận án trung thực chưa công ố cơng trình Tác giả luận án Nguyễn Trí Yến Chi iv MỤC LỤC LỜI CẢM TẠ i TÓM TẮT ii ABSTRACT iii Trang cam kết kết iv DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ix DANH SÁCH BẢNG x DANH SÁCH HÌNH xii CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 T nh cấp thiết đề tài 1.2 Mục tiêu 1.3 Ý nghĩa khoa học thực tiễn 1.3.1 Ý nghĩa khoa học 1.3.2 Ý nghĩa thực tiễn 1.4 Phạm vi nghiên cứu 1.5 Những đóng góp luận án CHƢƠNG 2:TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1 Nguồn gốc, phân loại tiến hóa giống lúa 2.1.1 Nguồn gốc 2.1.2 Phân loại 2.1.3 Sự tiến hóa giống lúa 2.2 Giới thiệu giống lúa thơm 2.3 Chọn tạo giống ằng phương pháp lai hồi giao kết hợp với dấu phân tử 10 2.3.1 Lai hồi giao 10 2.3.2 Phương pháp lai hồi giao có hổ trợ dấu phân tử (Maker-Assisted Backcross Method – MABC) 11 2.3.3 Một số kết ứng dụng dấu phân tử chọn giống lúa thơm kháng ệnh 12 2.4 Tính trạng mùi thơm lúa 14 2.4.1 Những hợp chất tạo mùi thơm biểu chúng phận lúa 14 2.4.2 Gen quy định t nh trạng mùi thơm lúa 18 2.4.3 Di truyền t nh trạng mùi thơm lúa 21 2.4.3.1 Mùi thơm lúa gen kiểm soát 21 2.4.3.2 Mùi thơm lúa đa gen kiểm soát 22 2.4.3.3 Phương pháp đánh giá mùi thơm từ phần khác lúa 24 a Định tính 24 b Kỹ thuật sinh học phân tử 24 v 2.5 Nghiên cứu gen kháng rầy nâu dấu phân tử liên kết với gen kháng rầy nâu lúa 28 2.5.1 Nguồn gốc phân loại 28 2.5.2 Các kiểu sinh học (biotype) rầy nâu 29 2.5.3 Đặc điểm truyền ệnh 30 2.5.4 Những nghiên cứu gen kháng rầy lúa 30 2.5.5 Những nghiên cứu giống lúa kháng rầy nâu 32 2.6 Năng suất lúa 35 2.6.1 Yếu tố cấu thành suất lúa 36 2.6.2 Sự tương quan suất yếu tố cấu thành suất lúa 38 2.7 Đặc t nh số giống lúa làm nguyên liệu 39 2.7.1 Giống lúa ST5 39 2.7.1.1 Nguồn gốc 39 2.7.1.2 Những đặc t nh chủ yếu 39 2.7.2 Giống lúa ST20 40 2.7.2.1 Nguồn gốc 40 2.7.2.2 Những đặc t nh chủ yếu 40 2.7.3 Giống lúa VD20 40 2.7.3.1 Nguồn gốc 40 2.7.3.2 Những đặc t nh chủ yếu 40 2.7.4 Giống lúa OM4103 40 2.7.4.1 Nguồn gốc 40 2.7.4.2 Những đặc t nh chủ yếu 40 2.7.5 Giống lúa OM10043 41 2.7.5.1 Nguồn gốc 41 2.7.5.2 Những đặc t nh chủ yếu 41 CHƢƠNG 3: PHƢƠNG TIỆN VÀ PHƢƠNG PHÁP 42 3.1 Địa điểm thời gian nghiên cứu 42 3.1.1 Địa điểm nghiên cứu 42 3.1.2 Thời gian nghiên cứu 42 3.2 Phương tiện nghiên cứu 42 3.2.1 Vật liệu 42 3.2.2 Dụng cụ 43 3.2.3 Hóa chất 43 3.3 Phương pháp nghiên cứu 43 3.3.1 Nội dung 1: Lai tổ hợp lai tạo d ng lúa theo mục tiêu 43 3.3.2 Nội dung 2: Sử dụng dấu phân tử để nhận diện gen thơm kháng rầy từ hệ phân ly kết hợp với đánh giá kiểu hình để chọn dịng lúa theo mục tiêu 44 vi 3.3.2.1 Sử dụng dấu phân tử để nhận diện gen thơm kháng rầy từ hệ phân ly 45 3.3.2.2 Đánh giá kiểu hình 47 3.3.3 Nội dung 3: Khảo nghiệm d ng lai ưu tú điều kiện đồng ruộng 48 3.3.3.1 Bố trí thí nghiệm 49 3.3.3.2 Ghi nhận tiêu 49 3.3.3.3 Đánh giá khả kháng rầy nâu điều kiện nhân tạo 50 3.3.3.4 Xử lý số liệu 51 CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ THẢO LUẬN 53 4.1 Kết lai tổ hợp lai chọn giống lúa thơm kháng rầy nâu 53 4.2 Sử dụng dấu phân tử để nhận diện gen thơm gen kháng rầy nâu dòng lai kết hợp với đánh giá kiểu hình 54 4.2.1 Kết ly trích ADN tổng số 54 4.2.2 Xác định diện gen thơm giống bố mẹ lai 55 4.2.3 Xác định diện gen kháng rầy nâu giống bố mẹ lai 60 4.2.3.1 Nhận diện gen kháng rầy nâu bph4 giống bố mẹ dòng lai hồi giao BC1, BC2 BC3 60 4.2.3.2 Nhận diện gen kháng rầy nâu Bph10 giống bố mẹ dòng lai hồi giao BC1, BC2 BC3 63 4.2.3.3 Nhận diện gen kháng rầy nâu Bph18 giống bố mẹ dòng lai hồi giao BC1, BC2 BC3 66 4.2.4 Kết đánh giá kiểu gen kiểu hình lai BC3F2 chọn lọc d ng lúa thơm kháng rầy nâu 70 4.2.4.1 Đánh giá kiểu hình 70 4.2.4.2 Kết sử dụng dấu phân tử chọn lọc d ng lúa thơm kháng rầy nâu 76 4.2.5 Kết đánh giá kiểu hình lai quần thể BC3F3 81 4.3 Khảo nghiệm d ng lai ưu tú Long Phú Sóc Trăng 85 4.3.1 Đánh giá mùi thơm khả kháng rầy nâu điều kiện nhân tạo 86 4.3.1.1 Kết đánh giá cảm quan mùi thơm hạt 86 4.3.2 Kết đánh giá khả kháng rầy nâu điều kiện nhân tạo 87 4.3.3 Kết đánh giá tiêu nông học 88 4.3.3.1 Các đặc t nh sinh trưởng 88 4.3.3.2 Các đặc tính nơng học 90 4.3.3.3 Các tiêu chất lượng 97 Chƣơng 5:KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 101 5.1 Kết luận 101 vii 5.2 Đề xuất 101 TÀI LIỆU THAM KHẢO .102 PHỤ LỤC 114 viii Cá thể Dòng E6-16 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 Số 10 14 7 10 8 10 12 12 4 8 10 5 7 11 8 11 10 4 12 5 10 6 Hạt/ 142,56 126,06 124,08 142,78 124,74 138,93 132,55 120,89 120,01 141,46 148,94 127,82 205,15 143,44 131,78 143,44 91,96 106,70 124,96 133,76 167,20 173,14 161,15 112,53 145,20 112,31 191,95 164,34 117,70 165,22 147,95 162,25 116,71 173,80 169,40 128,59 185,13 140,25 155,98 125,62 122,32 111,54 105,16 124,63 103,73 88,44 121,00 120,23 150,70 105,93 171,27 174,90 119,68 98,01 116,60 165,88 119,02 149,60 108,46 Năng suất (g/cây) 27,71 13,77 30,83 16,05 17,90 17,48 12,71 21,73 17,17 19,99 21,92 11,96 13,15 22,36 14,18 19,48 12,75 9,47 20,10 13,06 7,69 34,78 33,48 6,59 8,81 13,61 5,45 18,10 14,07 32,40 11,41 6,28 13,98 14,27 14,14 21,84 13,63 18,65 17,13 14,97 26,50 10,18 14,75 15,36 20,69 12,35 19,78 23,31 14,18 8,68 10,15 7,12 28,70 15,43 8,53 12,95 22,98 15,32 11,06 Dòng F13-13 Số 10 13 7 10 8 10 12 13 8 10 10 7 11 7 12 9 10 4 12 10 Hạt/ Bông 98,12 79,53 70,18 147,62 83,05 72,82 82,83 98,67 101,53 65,56 73,48 104,72 110,00 63,80 93,06 91,96 84,04 169,73 90,53 117,70 179,85 79,31 111,1 88,88 100,43 66,11 185,35 115,28 80,63 98,56 87,23 149,60 92,51 111,10 82,50 99,00 76,56 102,52 120,78 87,67 77,88 87,78 109,23 129,47 71,39 89,76 46,09 89,43 70,62 105,82 90,53 130,90 69,52 102,41 152,68 103,40 49,50 140,36 80,85 131 Dòng F18-21 Năng suất (g/cây) 19,34 11,31 19,03 18,63 15,03 9,23 11,81 18,68 16,70 9,50 14,23 12,12 10,49 10,71 10,60 18,24 13,51 16,68 15,15 12,24 9,06 20,48 7,27 23,83 6,74 9,70 8,98 11,45 12,34 18,36 7,79 10,96 13,63 10,82 9,68 16,17 8,69 14,23 15,58 12,85 15,97 11,66 15,42 15,69 17,73 14,54 8,76 16,39 9,81 12,12 6,89 7,59 18,06 18,33 12,67 11,33 10,21 15,20 9,42 Số 10 12 6 10 7 10 12 12 3 10 4 7 10 7 11 8 3 11 Hạt/ 124,42 129,80 105,11 103,62 129,65 136,84 141,90 94,72 158,76 114,21 118,65 98,73 137,50 99,19 128,92 65,02 97,35 125,40 112,62 112,20 143,55 110,10 96,60 163,90 143,00 114,59 141,90 122,10 104,97 135,54 112,94 174,35 152,12 116,60 168,66 115,78 138,24 171,60 64,90 143,91 94,96 141,90 124,66 138,96 117,37 162,95 163,27 148,92 171,16 100,10 171,05 165,00 114,73 157,15 141,16 122,65 72,33 132,55 157,96 Năng suất (g/cây) 23,61 14,92 21,87 9,90 21,67 12,54 14,50 13,07 21,45 14,04 17,09 8,16 7,46 12,67 10,74 9,92 13,05 6,53 16,26 9,88 5,57 23,10 21,54 8,07 5,61 14,06 6,05 10,60 15,16 27,39 6,95 6,95 20,48 6,89 10,45 18,28 7,48 17,27 7,37 15,42 13,07 14,48 11,77 18,37 24,16 20,39 20,35 20,66 17,25 7,11 6,71 7,00 27,04 18,17 8,23 7,73 10,98 10,21 15,97 Phụ lục 10: Phân loại tỷ lệ hạt theo IRRI Tỷ lệ hạt >90 75-89 50-74