Mục tiêu cụ thể Chọn tạo được hai giống lúa có khả năng chống chịu khô hạn, phẩm chất tốt, chống chịu sâu bệnh và năng suất cao phục vụ cho vùng Đồng Bằng Sông Cửu Long.. Kỹ thuật hỗ trợ
BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN VIỆN KHOA HỌC NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM VIỆN LÚA ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG CHƯƠNG TRÌNH KHCN CẤP NHÀ NƯỚC BÁO CÁO TỔNG KẾT KẾT QUẢ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ĐỀ TÀI TẠO GIỐNG LÚA CHỊU HẠN BẰNG PHƯƠNG PHÁP DẤU CHUẨN PHÂN TỬ Cơ quan chủ trì đề tài: Viện Lúa Đồng Bằng Sông Cửu Long Chủ nhiệm đề tài: GS.TS Nguyễn Thị Lang 9784 Hà Nội - 2012 Chương GIỚI THIỆU 1.1 Đặt vấn đề Cách mạng xanh từ thập niên 1960 đưa suất trung bình lúa giới từ 1,5 tấn/ha lên 4,0 tấn/ha nay; tiết kiệm 250 triệu phá rừng trồng lúa để nuôi đủ số dân tăng trưởng với tốc độ nhanh Năm 2009 đánh dấu kiện 1.002 tỷ người đói hạn hán, lũ lụt Hơn tỷ người rơi vào tình cảnh nghèo khó Thách thức trước mắt: đất nông nghiệp giảm, thiếu nước, giá đầu vào tăng (chủ yếu nhiên liệu phân bón), thối hố đất trồng, đói nghèo suy dinh dưỡng Thay đổi khí hậu làm thay đổi mức thiệt hại khô hạn, nhiệt độ cao phổ gây hại sâu bệnh Chiến lược phát triển IRRI tập trung vào nội dung: (1) thích ứng thay đổi khí hậu, (2) cải tiến suất vượt trần, (3) tạo tảng đa dạng di truyền Để làm điều ấy, người ta phải thực nghiên cứu trình tự genome, xây dựng quỹ gen (genetic stocks), cải tiến phương pháp đánh giá kiểu hình Việc đầu tư nghiên cứu tập trung vào lúa C4 có tính kháng bền vững với sâu bệnh hại, có gen mở rộng (thuật ngữ GW: wide genome) Đa dạng di truyền lúa khái niệm chật hẹp có giới hạn; số gen quan trọng chuyển nạp thành cơng từ lồi khác; thí dụ lúa vàng giàu vitamin A Thế giới kêu gọi chương trình hợp tác quốc tế mạnh mẽ biến đổi khí hậu nước dâng lên cao mà Việt Nam Banglades nước chịu nặng nề “Rice Functional Genomics” vào năm 2020 Dự án thí điểm Oryza barthii có nguồn gốc Châu Phi Phục vụ cho chương trình lúa khơ hạn lúa ngập nước châu Á Kết triển khai đề tài “Tạo giống lúa chịu hạn phương pháp dấu chuẩn phân tử” (Nguyễn Thị Lang ctv, 2010)[5]: có nhiều kết nghiên cứu nguồn gen, nhiều giống lúa bổ sung vào vật liệu khởi đầu cải tiến đưa vào sản xuất 25 dòng, giống triển vọng, giống xin công nhận tạm thời chờ xin công nhận giống thức giống khảo nghiệm quốc gia vụ giống xin khảo nghiệm quốc gia vụ Nhiều cặp lai cho nhiều quầ thể phân ly đề tài cần tiếp tục thực chọn lọc giống thuần, ổn định, nghiên cứu cần thiết cho vùng sinh thái khác để chọn lọc hoàn chỉnh, đưa vào sản xuất 1.2 Mục tiêu nghiên cứu Tạo chọn giống chống chịu khô hạn thị phân tử có phẩm chất suất cao phục vụ cho vùng khô hạn Đồng Bằng Sông Cửu Long Mục tiêu cụ thể Chọn tạo hai giống lúa có khả chống chịu khơ hạn, phẩm chất tốt, chống chịu sâu bệnh suất cao phục vụ cho vùng Đồng Bằng Sông Cửu Long 1.3 Nội dung nghiên cứu đề tài năm hai năm 2011-2012 Hoạt động 1.1: So sánh giống triển vọng giai đoạn Hoạt động 1.2: So sánh dòng Hậu kỳ Hoạt động 1.3: Khảo nghiệm (nội bộ) Hoạt động 1.4: Trình diễn dịng lúa triển vọng Hoạt động 1.5: Đánh giá giống có triển vọng nhiều vùng sinh thái khác Hoạt động 1.6: Phân tích tính trạng liên sinh học liên quan đến khô hạn Hoạt động 1.7: Khảo nghiệm DUS Hoạt động 1.8: Khảo nghiệm quốc gia dòng triển vọng giai đoạn Hoạt động 1.9: Phân tích giống nhiều vùng đất khác Chương TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 2.1 Chọn giống thị phân tử (MAS) Sự phát triển kỹ thuật di truyền công nghệ sinh học tạo thành công lớn cho công tác tạo chọn giống trồng Việc ứng dụng kỹ thuật mức độ phân tử cho phép chuyển gen mong muốn hay xác định cá thể có mang gen mong muốn Kỹ thuật hỗ trợ cho việc chọn giống thường sử dụng marker phân tử RAPD, RFLP, SSR, STS, AFLP,… liên kết chặt với tính trạng mong muốn dựa quần thể F2 quần thể hồi giao (BC-backcross), quần thể dòng cận giao tái tổ hợp (RILrecombinant), quần thể dòng gần đẳng gen (NIL- nearly isogenic lines), quần thể đơn bội kép (DH - double haploid) (Bùi Chí Bửu Nguyễn Thị Lang, 1999)[1] Một mục tiêu chung công tác chọn giống trồng chuyển gen mục tiêu vào giống trồng mong muốn Phương pháp hồi giao nhà chọn tạo giống lúa sử dụng rộng rãi, tiết kiệm 1-2 hệ, giúp cho việc cải tiến trồng đáp ứng với sản xuất sớm nhiều Trong phương pháp hồi giao, tính trạng chuyển sang giống cải tiến cách dùng cha mẹ để lai lại nhiều lần (Nguyễn Thị Lang ctv, 2002)[2] Hiện nay, với trợ giúp nhờ DNA marker người ta phát triển tiềm hồi giao nghiên cứu ứng dụng du nhập gen từ loài hoang dại, thẩm định khả du nhập bước (introgression) từ loài hoang dại sang trồng (Bùi Chí Bửu Nguyễn Thị Lang, 1999)[1] Thơng qua sử dụng số chọn lọc kết hợp với đánh giá phân tử đánh giá kiểu hình, chọn giống nhờ đánh dấu phân tử làm gia tăng hiệu chọn lọc cao so với phương pháp chọn giống cổ truyền Nó cịn tạo nên hội để gia tăng cường độ chọn lọc hệ đầu, phương pháp cổ truyền gần khơng có chọn lọc chọn lọc mắt yếu để loại bỏ dòng xấu (Bùi Chí Bửu Nguyễn Thị Lang, 1999)[1] 2.2 Khái niệm tương tác kiểu gen môi trường khô hạn Sự biểu kiểu hình có tương tác nhiều gen thể kiểu gen hệ thống phức tạp có quan hệ chặc chẽ gen với với môi trường Gen mơi trường có mối quan hệ định họat động chúng Bất thay đổi mơi trường có tác động nhiều đến gen Tương tác kiểu gen môi trường kí hiệu GxE Một gen A tỏ ưu gen B mơi trường đó; lại tỏ gen B điều kiện mơi tường khác Loại hình biến dị này bắt nguồn từ phản ứng kiểu gen điều kiện định môi trường gọi tương tác kiểu gen môi trường Sự biểu kiểu hình ln thay đổi thơng qua môi trường khác Mức độ thay đổi tuỳ thuộc vào tính chất ổn định nhiều kiểu gen Mức thay đổi tuỳ thuộc vào tính chất thích nghi nhóm mơi trường kiểu gen Kiểu gen kiểu hình Kiểu gen tồn kiến trúc di truyền sinh vật, sinh vật truyền từ hệ sang hệ khác Thuật ngữ tiếng anh kiểu gen “genotype” hiểu dịng, giống, đơn vị cá thể có genome độc lập Đơn vị vật chất di truyền ngày gọi gen hay DNA Mơ hình cấu trúc xoắn kép DNA Watson–Crick khám phá năm 1953 Thuật ngữ “gen” đề nghị sử dụng William Bateson năm 1906 Trong sinh vật bậc cao loài đặc trưng nhiểm sắc thể, biểu genome chúng thường trạng thái lưỡng bội (2n nhiễm sắc thể) Thí dụ: lúa có 12 cặp nhiễm sắc thể (2n=24), ruồi giấm có cặp nhiễm sắc thể (2n=8) Vật chất di truyền phân bố nhiễm sắc thể dạng dây thẳng gọi locus Sự biểu bên kiểu gen gọi kiểu hình, trạng thái vật chất sinh vật (Nguyễn Thị Lang, 2006)[3] Kiểu hình biểu nhiều tính trạng hình thái, sinh lí… Mỗi sinh vật có kiểu gen kiểu hình, kiểu gen cho kiểu hình khác điều kiện mơi trường, ngược lại kiểu hình giống từ kiểu gen khác (Phạm Thành Hổ, 2000)[6] Sau lý thuyết chọn dòng cuả W.Johannsen, trọng lượng hạt đậu Hà Lan khác lúc mua chợ tác động môi trường, thực chất kiểu gen Tuy nhiên thay đổi mơi trường có liên quan ảnh hưởng đến tính trạng khơng vượt q tầm kiểm soát kiểu gen kiểu gen Mối quan hệ gen tính trạng khơ hạn giống lúa Nhà chọn giống luôn quan tâm đến mối quan hệ gen tính trạng, mối quan hệ kiểu gen kiểu hình Đối với trồng thuộc sinh vật bậc cao, chấp nhận: tất ảnh hưởng kiểu hình khơng liên quan đến gen theo cách thức đơn giản Nó kết qủa chuỗi kiện phản ứng sinh lý, sinh hóa, tương tác gen điều khiển, chúng điều khiển thông qua tập hợp chuỗi kiện, kiện bị kiểm soát cải biên gen khác, cộng thêm ảnh hưởng ngoại cảnh đến kiểu hình cuối mà nhà chọn giống quan sát Có tính trạng di truyền bên chi phối với hệ số di truyền cao; có tính trạng hai yếu tố di truyền ngoại cảnh chi phối nhau, với hệ số di truyền trung bình; có tính trạng bị chi phối ngoại cảnh, với hệ số di truyền thấp Trong di truyền kinh điển, gen chất lượng có nhiều bộc lộ kiểu hình Thí dụ đột biến mắt trắng ruồi Drosophila melanogaster, khơng có ảnh hưởng màu sắc mắt, mà cịn ảnh hưởng đến màng dịch hồn, hình dáng túi nhận tinh, tuổi thọ, sức sống cá thể Trường hợp đặc biệt gây ý nhà chọn giống Suneson ctv (1948)[14] mơ tả sau: suất lúa mì bị ảnh hưởng cặp gen điều khiển tính trạng võ trấu có râu khơng râu Nếu người ta thực hồi giao tái tục với giống lúa mì Onas có râu; giống khơng râu làm tăng suất khoảng 7% trọng lượng giạ (bushel) tăng khoảng pound (0,456 kg) So với giảm suất dịng lúa mì khơng râu có nguồn gốc từ giống Baart, người ta ghi nhận kết qủa tương tự (Allard, 1960)[7] 2.3 Tương tác kiểu gen mơi trường di truyền số lượng Tính trạng chất lượng tính trạng số lượng Di truyền số lượng hiểu: tính trạng di truyền khác biệt cá thể với mức độ số lượng chất lượng Theo Darwin, khác biệt cá thể chọn lọc tự nhiên xảy tích tụ dần q trình tiến hố Tính trạng chất lượng biểu thị biến thiên gián đoạn Bất tính trạng đặc tính thể hệ phát triển lập lại sở tác động qua lại gen với môi trường chúng Song điều kiện bên ngồi mà thể phát triển lúc ổn định, nên tính trạng lại biểu mức độ khác Trong tính trạng chất lượng kiểm sốt cách nghiêm ngặc gen Chúng có ổn định cao, phát triển chúng phụ thuộc tương đối vào thay đổi điều kiện mơi trường mang tính chất liên tục Do vậy, dễ dàng phân biệt cá thể thành dạng hình khác mức độ khơng có kiểu gen liên kết dạng trung gian Ngược lại, tính trạng số lượng biểu thị biến thiên liên tục từ giá trị thấp đến giá trị cao có nhiều dạng trung gian Các tính trạng số lượng thường nhiều gen qui định có hiệu ứng nhỏ mang tính chất tích luỹ đa gen nhiều luci bị kiểm sốt gen Những tính trạng ổn định, phát triển phụ thuộc vào biến đổi điều kiện môi trường nên mang tính chất gián đoạn Mức độ biến dị tính trạng số lượng chất lượng thực vật ảnh hưởng điều kiện bên ngồi có khác nhau: tính trạng biến dị lớn cịn tính trạng Phần lớn tính trạng quan trọng thực vật tính trạng số lượng: suất, phẩm chất… Theo G.V Guliaep Iu.L.Gujop (1978)[9], nhà chọn giống ngiên cứu tính đa dạng đặc tính hình thái lồi, dạng giống cần biết nhận xét điều kiện sau: • Mức độ biến dị di truyền tính trạng đặc tính dạng giống khác • Mức độ biến dị tính trạng xác định giống (mức phản ứng nó) ảnh hưởng điều kiện chăm sóc khác Tính trạng chất lượng kiểu gen biểu không phụ thuộc vào hiệu ứng riêng rẽ gen mà phụ thuộc vào tương tác chúng Đối với tính trạng đơn gen (một locus), tương tác bên locus gọi tương tác allelic hay trội Trội biểu từ khơng hồn tồn đến trội hồn tồn Các tính trạng chất lượng nhiều locus kiểm sốt Ngồi tương tác alen nội locus cịn có tương tác alen locus khác gọi tương tác non-allelic Phân tích đa biến tương tác GxE Phương pháp phân tích hữu dụng phương pháp dựa phân bố đơn biến, tương quan mơi trường vơ quan trọng, đặc biệt trường hợp phải xác định môi trường phù hợp cho giống trồng Phân tích phương sai cho dự đốn tương tác kiểu gen môi trường mà không cho biết đóng góp vơ đặc biệt kiểu gen mơi trường Phân tích tuyến tính cịn cung cấp cho ta so sánh thích nghi giống trồng với môi trường, thông qua tương tác kiểu gen môi trường đường thẳng Tuy nhiên, GxE cần có mơ hình tốt đáp ứng kiểu gen môi trường để khẳng định lại nguồn gốc mối tương tác Khái niệm phân tích đa biến nhằm giải thích nhiều biến thiên nhiều chiều để định tính làm rõ tương tác GxE thông qua môi trường khác Phương pháp thông dụng phương pháp xếp nhóm, phương pháp phân tích thần phần chính, phương pháp phân tích yếu tố, phương pháp AMMI (additive main effects and multiplicative interaction) Ramagosa Fox (1993)[12] đề xuất Tạo nguồn phục vụ chọn lọc khảo ngiệm Trong chọn tạo giống trồng, nội dung quan trọng sáng tạo nguồn biến dị chọn lọc dòng tái tổ hợp để đánh giá tiềm số lớn kiểu gen mong muốn Việc chọn lọc dòng lai tiến trình có tính chất nhiều giai đoạn Cuối nhà chọn giống phải khẳng định hiệu chọn lọc tìm khuyến khuyết để rút kinh nghiệm cho chương trình khác Khi khảo nghiệm suất tập đoàn quan sát so sánh so khởi, người ta thường tập trung nhiều dịng triển vọng, khó thực thí nghiệm qui với lơ thí nghiệm rộng lớn, mà phải sử dụng lơ thí nghiệm nhỏ Do tương tác kiểu gen mơi trường chưa phản ánh đầy đủ chất kiểu gen Sau loại bỏ kiểu gen khơng mong muốn, tập đồn so sánh hậu kì tập trung vào số dịng hơn, vừa đủ để quan sát, cuối khảo nghiệm với qui mô lớn nhiều địa điểm phản ánh đầy đủ thông qua tương tác kiểu gen môi trường, để nhà chọn giống định phát triển giống sản xuất Người ta mong muốn sai số chuẩn (SE: standard error) nhỏ tốt để khẳng định tiềm một giống triển vọng Có hai hai thuật ngữ: thích nghi đặc biệt thích nghi rộng Sự thích nghi đặt biệt hàm ý giống trồng tương thích với mơi trường