Nghiên cứu ứng dụng chỉ thị phân tử trong chọn tạo giống lúa bắc thơm 7 chịu mặn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM ******* ĐỒNG THỊ KIM CÚC NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CHỈ THỊ PHÂN TỬ TRONG CHỌN TẠO GIỐNG LÚA BẮC THƠM 7 CHỊU MẶN LUẬN ÁN TIẾN SĨ NÔNG NGHIỆP Hà Nội - 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM ******* ĐỒNG THỊ KIM CÚC NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CHỈ THỊ PHÂN TỬ TRONG CHỌN TẠO GIỐNG LÚA BẮC THƠM 7 CHỊU MẶN Chuyên ngành: Di truyền và chọn giống cây trồng Mã số: 62.62.01.11 LUẬN ÁN TIẾN SĨ NÔNG NGHIỆP NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS, TS. Lê Huy Hàm 2.TS. Lê Hùng Lĩnh Hà Nội - 2014 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi và nhóm tác giả. Toàn bộ số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận án này là trung thực và chưa từng được sử dụng để công bố trong các công trình nghiên cứu để nhận học vị, các thông tin trích dẫn trong luận án này đều được chỉ rõ nguồn gốc. Hà Nội, ngày tháng năm 2014 Tác giả luận án Đồng Thị Kim Cúc ii LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS. Lê Huy Hàm (Viện trưởng – Viện Di truyền Nông nghiệp), TS. Lê Hùng Lĩnh (Trưởng bộ môn Sinh học Phân tử) đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành công trình nghiên cứu này. Tôi xin chân thành cảm ơn Tập thể cán bộ Bộ môn Sinh học Phân tử, lãnh đạo và tập thể Trung tâm Thực nghiệm Sinh học Nông nghiệp Công nghệ cao (Viện Di truyền Nông nghiệp) nơi tôi thực hiện các nội dung chính trong đề tài luận án, đã tạo điều kiện và thời gian cho tôi hoàn thành luận án này. Hoàn thành luận án còn có sự động viên, khuyến khích giúp đỡ của các bạn bè đồng nghiệp và gia đình. Tất cả những sự giúp đỡ và tình cảm quý báu này là nguồn động lực lớn giúp tôi hoàn thành công trình nghiên cứu. Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2014 Tác giả luận án Đồng Thị Kim Cúc iii MỤC LỤC Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh mục chữ viết tắt viii Danh mục bảng biểu x Danh mục hình vẽ xii MỞ ĐẦU 1 1. Tính cấp thiết của đề tài 1 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 2 2.1. Mục tiêu chung 2 2.2. Mục tiêu cụ thể 3 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 3 3.1. Ý nghĩa khoa học 3 3.2. Ý nghĩa thực tiễn 3 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài 4 4.1. Đối tượng nghiên cứu 4 4.2. Địa điểm và thời gian nghiên cứu 4 5. Những đóng góp mới của luận án 4 CHƯƠNG I 5 TỔNG QUAN TÀI LIỆU VÀ CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI 1.1. Ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đến sản xuất nông nghiệp trên thế giới và Việt Nam 5 1.1.1. Ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đến sản xuất nông nghiệp trên thế giới 5 1.1.2. Ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đến sản xuất nông nghiệp ở Việt Nam 6 1.2. Đất nhiễm mặn và các vùng nhiễm mặn ở Việt Nam 8 1.2.1. Đất nhiễm mặn 8 1.2.2. Giới thiệu chung về đặc điểm các vùng lúa nhiễm mặn ở Việt Nam 9 1.2.2.1. Vùng lúa Đồng bằng Sông Cửu Long 9 1.2.2.2. Vùng lúa nhiễm mặn Đồng bằng Sông Hồng 12 1.3. Nghiên cứu di truyền về giống lúa chịu mặn 13 1.3.1. Cơ chế chống chịu mặn của cây lúa 14 1.3.2. Di truyền tính chống chịu mặn 19 iv 1.3.2.1. Nghiên cứu di truyền số lượng tính chống chịu mặn 19 1.3.2.2. Nghiên cứu di truyền phân tử tính chống chịu mặn 21 1.3.3. Sự thể hiện gen chống chịu mặn 22 1.4. Chỉ thị phân tử và ứng dụng của chỉ thị phân tử 24 1.4.1. Chỉ thị phân tử 24 1.4.2. Một số chỉ thị phân tử thường dùng 26 1.4.3. Một số ứng dụng của chỉ thị phân tử 31 1.4.3.1 Nghiên cứu đa dạng di truyền 31 1.4.3.2. Nghiên cứu lập bản đồ di truyền 34 1.4.3.3. Nghiên cứu trong chọn giống cây trồng 37 1.4.4. Chọn giống hồi giao nhờ chỉ thị phân tử (Marker Assited Backcrossing - MABC) 40 1.5. Một số kết quả và thành tựu trong chọn tạo giống lúa chịu mặn 42 1.5.1. Một số kết quả và thành tựu trong chọn tạo lúa chịu mặn trên thế giới 42 1.5.2. Ứng dụng chỉ thị phân tử trong chọn tạo giống lúa chống chịu mặn 47 1.5.3. Một số kết quả và thành tựu trong chọn tạo giống lúa chống chịu mặn ở Việt Nam 50 1.5.3.1. Sử dụng các chỉ thị SSR liên kết chặt với QTL chịu mặn Saltol trong chọn tạo lúa chịu mặn 50 1.5.3.2. Nghiên cứu lai tạo trong chọn tạo giống lúa chịu mặn 52 1.5.3.3. Một số kết quả chọn tạo và đánh giá khả năng chịu mặn ở lúa 52 CHƯƠNG II 54 VẬT LIỆU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Vật liệu nghiên cứu 54 2.2. Địa điểm nghiên cứu 57 2.3. Nội dung nghiên cứu 58 2.3.1. Nội dung 1: Nghiên cứu, đánh giá khả năng chịu mặn và đặc điểm nông sinh học các dòng/giống lúa mang locus gen Saltol chịu mặn nhập nội từ IRRI và giống lúa thuần trồng đại trà trong nước làm cơ sở trong việc chọn tạo giống lúa chịu mặn tại một số tỉnh ven biển miền Bắc Việt Nam 58 2.3.1.1. Đánh giá khả năng chịu mặn của các dòng/giống lúa trong điều kiện nhân tạo 58 2.3.1.2. Đánh giá khả năng sinh trưởng, phát triển của một số giống lúa có khả năng chịu mặn tại vùng ven biển ĐBSH 58 2.3.2. Nội dung 2: Nghiên cứu ứng dụng phương pháp chọn giống bằng chỉ 58 v thị phân tử và lai trở lại quy tụ locus gen Saltol chịu mặn vào giống lúa Bắc Thơm7 2.3.2.1. Xác định vật liệu bố mẹ trong chọn tạo giống lúa mang locus gen Saltol chịu mặn 58 2.3.2.2. Ứng dụng chỉ thị phân tử và phương pháp lai trở lại trong chọn tạo giống lúa Bắc thơm 7 chịu mặn 58 2.3.3. Nội dung 3: Đánh giá một số đặc tính nông sinh học chính, yếu tố thành năng suất và khả năng chịu mặn của các dòng được tạo ra mang QTL Saltol trong điều kiện nhà lưới và ngoài đồng ruộng 58 2.4. Phương pháp nghiên cứu 58 2.4.1. Phương pháp thí nghiệm đồng ruộng 61 2.4.2. Phương pháp thí nghiệm lúa chịu mặn 61 2.4.3. Một số kỹ thuật sử dụng trong phòng thí nghiệm 63 2.4.3.1 Tách chiết ADN tổng số 63 2.4.3.2. Kiểm tra nồng độ và độ tinh sạch của ADN tách chiết bằng phương pháp điện di trên gel agarose 64 2.4.3.3 Nhân ADN bằng kỹ thuật SSR-PCR 65 2.4.3.4. Ghi nhận, xử lý và phân tích số liệu cho phản ứng điện di sản phẩm PCR biến tính trên gel polyacrylamide 66 2.5. Khảo nghiệm các giống lúa 67 2.6. Phương pháp xử lý số liệu 67 CHƯƠNG III 68 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1. Nghiên cứu đánh giá vật liệu sử dụng trong nghiên cứu và chọn tạo giống lúa chịu mặn 68 3.1.1. Đánh giá khả năng chịu mặn của các dòng/giống lúa trong điều kiện nhân tạo 68 3.1.2. Đánh giá khả năng sinh trưởng, phát triển của một số giống lúa nhập nội trong điều kiện tự nhiên. 73 3.1.2.1. Kết quả đánh giá khả năng sinh trưởng, phát triển của một số giống lúa nhập nội tại Thanh Trì, Hà Nội năm 2010 73 3.1.2.2. Kết quả đánh giá khả năng sinh trưởng, phát triển của một số giống lúa nhập nội tại Giao Thủy, Nam Định năm 2010 81 3.1.3. Đánh giá mức độ sâu bệnh hại chính trong thí nghiệm. 86 3.2. Nghiên cứu ứng dụng phương pháp chọn giống bằng chỉ thị phân tử 88 vi và lai trở lại chọn tạo giống lúa Bắc Thơm7 chịu mặn 3.2.1. Kết quả nghiên cứu xác định vật liệu bố mẹ trong chọn tạo giống lúa mang QTL Saltol 88 3.2.2. Kết quả nghiên cứu ứng dụng phương pháp chọn giống bằng chỉ thị phân tử và lai trở lại quy tụ QTL Saltol chịu mặn vào giống lúa BT7 89 3.2.2.1. Kết quả xác định chỉ thị phân tử liên kết Saltol và đa hình giữa giống lúa BT7 và dòng FL478 89 3.2.2.2. Kết quả xác định chỉ thị phân tử đa hình ngoài vùng locus gen Saltol giữa giống lúa BT7 và dòng FL478 trên 12 NST 93 3.2.3. Kết quả cải tiến giống lúa BT7 chịu mặn bằng phương pháp chỉ thị phân tử và lai trở lại 108 3.2.3.1. Kết quả lai tạo tạo con lai F1 của tổ hợp lai FL478/BT7 108 3.2.3.2. Kết quả chọn lọc các cá thể trong quần thể BC1F1 bằng phương pháp chỉ thị phân tử 109 3.2.3.3. Kết quả chọn lọc các cá thể trong quần thể BC2F1 bằng phương pháp chỉ thị phân tử 112 3.2.3.4. Kết quả chọn lọc các cá thể trong quần thể BC3F1 bằng phương pháp chỉ thị phân tử 122 3.3. Đánh giá một số đặc tính nông sinh học chính, yếu tố cấu thành năng suất và khả năng chịu mặn của các dòng được tạo ra mang QTL Saltol trong điều kiện nhà lưới và ngoài đồng ruộng 133 3.3.1. Kết quả đánh giá một số đặc tính nông sinh học và yếu tố cấu thành năng suất của các dòng Bắc thơm 7- Saltol trong điều kiện nhà lưới. 133 3.3.2. Kết quả đánh giá khả năng chịu mặn trong điều kiện mặn nhân tạo đối với các dòng BT7-Saltol(thế hệ BC3F3) 139 3.3.3. Kết quả đánh giá một số đặc tính nông sinh học các dòng Bắc thơm 7- Saltol (thế hệ BC3F3) ngoài đồng ruộng. 141 3.4. Kết quả đánh giá một số đặc tính nông sinh học,năng suất của các dòng Bắc thơm 7- Saltol (thế hệ BC3F4) ngoài đồng ruộng 146 3.5. Kết quả đánh giá chất lượng gạo của các dòng BT7 – Saltol 149 CHƯƠNG IV KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 152 4.1. Kết luận 152 4.2. Đề nghị 153 vii TÀI LIỆU THAM KHẢO 155 PHỤ LỤC 1 PHỤ LỤC 2 PHỤ LỤC 3 viii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT TT Chữ viết tắt Nghĩa của chữ viết tắt 1 ADN Axit Deoxyribonucleic 2 AFLP (Amplified Fragment Length Polymorphism) Đa hình chiều dài các đoạn được nhân bản chọn lọc 3 APS Amonium Persulfate 4 ARN Axit Ribonucleic 5 Bp (Base pair) Cặp bazơ nitơ 6 Bộ TNMT Bộ Tài nguyên Môi trường 7 Ctv Cộng tác viên 8 CTAB Cetyltrimethyl Amonium Bromide 9 CTPT Chỉ thị phân tử 10 BĐKH Biến đổi khí hậu 11 ĐBSH Đồng bằng sông Hồng 12 ĐBSCL Đồng bằng sông Cửu Long 13 DNTPs Deoxynucleotide triphosphate 14 EDTA Ethylenediaminetetra Acetic Acid 15 IRRI (International rice research institute) Viện nghiên cứu lúa quốc tế 16 Kb Kilo base 17 MABC (Marker assisted backcrossing) Chọn giống hồi giao nhờ chỉ thị phân tử 18 NST Nhiễm sắc thể 19 PCR (Polymerase Chain Reaction) Phản ứng trùng hợp chuỗi 20 RAPD (Random Amplification of Polymorphic DNA) Đa hình AND được nhân bản ngẫu nhiên 21 RFLP (Restriction Fragment Length Polymorphisms) Đa hình chiều dài đoạn phân cắt giới hạn [...]... chống chịu mặn trở nên nhanh, hiệu quả, tiết kiệm thời gian, công sức và tiền của Xuất phát từ những vấn đề trên, chúng tôi tiến hành đề tài: Nghiên cứu ứng dụng chỉ thị phân tử trong chọn tạo giống lúa Bắc Thơm 7 chịu mặn 2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 2.1 Mục tiêu chung Nghiên cứu ứng dụng phương pháp chọn giống bằng chỉ thị phân tử và lai trở lại để cải tiến giống lúa trồng đại trà quy mô lớn trong. .. gen Saltol chịu mặn vào giống Bắc Thơm 7 Đáp ứng nhu cầu giống lúa chất lượng, chịu mặn cho vùng ven biển Đồng Bằng Sông Hồng 3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 3.1 Ý nghĩa khoa học - Những thành công trong công tác chọn giống bằng chỉ thị phân tử và lai trở lại nhằm đưa QTL chịu mặn vào lúa sẽ mở ra khả năng ứng dụng rộng rãi trong công tác chọn tạo giống nói chung, không chỉ đối với tính chịu mặn mà còn... chỉ thị phân tử đa hình giữa giống BT7 và FL 478 Kết quả khảo sát chỉ thị phân tử đa hình giữa giống BT7 và 105 106 FL 478 trên NST3, NST6, NST7, NST8 và NST12 3.10 Bản đồ các chỉ thị phân tử đa hình giữa giống FL 478 và Bắc thơm 7 3.11 Kết quả chạy điện di với chỉ thị RM7643 3.12 3.13 3.14 3.15 3.16 3. 17 3.18 3.19 Kết quả chạy điện di trên 94 cá thể BC1F1 (sử dụng chỉ thị phân tử RM493) Kết quả chạy điện... góp mới của luận án - Ứng dụng phương pháp chọn giống bằng chỉ thị phân tử và lai trở lại (MABC) là một trong những công trình nghiên cứu đầu tiên trong nghiên cứu cải tiến giống lúa Bắc Thơm 7 về đặc tính chịu mặn cho vùng ven biển Đồng Bằng Sông Hồng - Sử dụng phương pháp chọn giống bằng phương pháp MABC có thể chuyển được locus gen/gen đích vào giống trong khoảng 2-3 thế hệ, trong khi sử dung phương... giống BT7 và FL 478 với 3 chỉ thị G1a, SCK1b, SCK1d Bản đồ locus gen Saltol và các chỉ thị phân tử đa hình trên NST1 Kết quả khảo sát đa hình các chỉ thị phân tử trên NST1 giữa giống BT7 và FL 478 bằng gel Polyacrylamide 6% Kết quả khảo sát chỉ thị phân tử đa hình giữa giống BT7 và FL 478 trên NST1, NST2, NST3, NST4, NST5, NST8, NST9 và 90 90 91 94 104 xiii NST11 3.8 3.9 Kết quả khảo sát chỉ thị phân tử đa... thị phân tử Chỉ thị phân tử là những chỉ thị có bản chất là đa hình ADN Thông qua việc phát hiện những đoạn ADN liên kết chặt với gen đích cho phép chúng ta khẳng định sự có mặt hay vắng mặt của gen chịu mặn Việc sử dụng chỉ thị phân tử có thể giúp xác định nhanh sự có mặt của gen chống chịu mặn, giúp các nhà chọn giống chủ động trong việc chọn lựa các tổ hợp lai hiệu quả Nhờ đó, quá trình chọn tạo giống. .. trong chọn giống, rút ngắn thời gian và ứng dụng nhanh vào thực tiễn sản xuất 3.2 Ý nghĩa thực tiễn - Thành công trong việc chuyển locus gen Saltol nhờ sử dụng chỉ thị phân tử sẽ mở ra khả năng ứng dụng rộng rãi trong công tác chọn tạo giống - Những dòng /giống lúa Bắc Thơm 7 mang locus gen Saltol chọn lọc được trong đề tài sẽ được nhân rộng, đặc biệt cho các tỉnh đồng bằng ven biển ở 4 Miền Bắc - Việt... của sự nhiễm mặn đến năng suất lúa gạo là một vấn đề cần được quan tâm nghiên cứu Để đáp ứng được yêu cầu này, việc chọn tạo các giống lúa chịu mặn là rất cần thiết Nghiên cứu cải thiện giống lúa chịu mặn hiện nay chia ra làm hai hướng chính Thứ nhất, tạo giống chuyển gen hoặc giống có gen biểu hiện ở mức độ khác với gen sẵn có để thay đổi khả năng chịu mặn Tuy nhiên, hiện nay các nghiên cứu về chuyển... đặc tính 3 chịu mặn cho một số vùng ven biển Đồng Bằng Sông Hồng 2.2 Mục tiêu cụ thể - Xác định được khả năng chịu mặn và đặc điểm hình thái các dòng /giống mang locus gen Saltol chịu mặn (dòng sử dụng làm vật liệu cho gen) nhập nội từ Viện nghiên cứu lúa quốc tế và xác định giống lúa trồng phổ biến sử dụng làm giống được cải tiến (nhận gen) - Ứng dụng phương pháp chọn giống bằng chỉ thị phân tử và lai... khác, ứng phó kịp thời đối với sự biến đổi khí hậu trong tương lai - Ứng dụng phương pháp chọn giống phân tử kết hợp với truyền thống để chọn lọc nhanh và chính xác nguồn gen chịu mặn, quy tụ vào giống lúa Bắc Thơm 7 đang được trồng phổ biến tại miền Bắc Việt Nam giúp khắc phục được những hạn chế của chọn giống truyền thống đặc biệt là đối với các QTL chịu mặn khi ở trạng thái dị hợp, giảm chi phí trong . tựu trong chọn tạo giống lúa chịu mặn 42 1.5.1. Một số kết quả và thành tựu trong chọn tạo lúa chịu mặn trên thế giới 42 1.5.2. Ứng dụng chỉ thị phân tử trong chọn tạo giống lúa chống chịu mặn. chỉ thị phân tử trong chọn tạo giống lúa Bắc Thơm 7 chịu mặn . 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 2.1. Mục tiêu chung Nghiên cứu ứng dụng phương pháp chọn giống bằng chỉ thị phân tử và lai trở. chính trong thí nghiệm. 86 3.2. Nghiên cứu ứng dụng phương pháp chọn giống bằng chỉ thị phân tử 88 vi và lai trở lại chọn tạo giống lúa Bắc Thơm7 chịu mặn 3.2.1. Kết quả nghiên cứu xác