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

Header Page of 258 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM NGÔ THỊ HỒNG TƯƠI PHÁT TRIỂN VẬT LIỆU LÚA CẨM THEO HƯỚNG TĂNG KHẢ NĂNG QUANG HỢP VÀ KHÁNG BỆNH BẠC LÁ CHUYÊN NGÀNH: DI TRUYỀN VÀ CHỌN GIỐNG CÂY TRỒNG MÃ SỐ: 62 62 01 11 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÀ NỘI, 2015 Footer Page of 258 Header Page of 258 Công trình hoàn thành tại: HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Nguyễn Văn Hoan PGS TS Phạm Văn Cường Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Thị Trâm Hội Giống trồng Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Trí Hoàn Viện Cây lương thực Cây thực phẩm Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Tấn Hinh Bộ Nông nghiệp Phát triển nông thôn Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Học viện họp Học viện Nông nghiệp Việt Nam Vào hồi: ngày tháng năm 2015 Có thể tìm hiểu Luận án thư viện: - Thư viện Quốc gia - Thư viện Học viện Nông nghiệp Việt Nam Footer Page of 258 Header Page of 258 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Gạo nếp cẩm có màu đen 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) Các giống nếp cẩm địa phương thường có màu tím phân lúa, góc đòng công ngang đến gập xuống nên khả quang hợp không cao, suất thấp, nhiễm bệnh bạc lá, cao thời gian sinh trưởng dài thường phản ứng với ánh sáng ngày ngắn nên trồng vụ năm Các giống lúa nếp cẩm 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 có lợi cho sức khỏe người ngăn ngừa số bệnh nguy hiểm nên thu hút nhiều nhà nghiên cứu năm gần Anthocyanin chất có khả kháng oxy hóa cao có hàm lượng cao lúa cẩm, nghiên cứu nhiều nước trồng lúa (Kristamtini et al., 2012) Một giống lúa để đưa sản xuất suất, giá trị dinh dưỡng cần phải có khả chống chịu với điều kiện bất thuận sinh học phi sinh học, bệnh bạc lúa vi khuẩn Xanthomonas oryzae pv oryzae bệnh gây hại nghiêm trọng vùng trồng lúa giới, bệnh làm thiệt hại suất từ 20-30% (Suh et al., 2013) Lúa cẩm sản xuất hầu hết giống địa phương, nghiên cứu di truyền chọn giống lúa cẩm hạn chế Do vậy, để phát triển sản xuất lúa cẩm có Footer Page of 258 Header Page of 258 hiệu cao cần thiết phải có nghiên cứu chọn tạo giống lúa cẩm đáp ứng đòi hỏi thực tiễn sản xuất Từ việc nghiên cứu đánh giá nguồn vật liệu ban đầu tính trạng quan tâm tập đoàn lúa cẩm, ý tưởng tạo vật liệu lúa cẩm có khả quang hợp cao kháng bệnh bạc để tiến tới tạo giống lúa tẻ cẩm suất cao, kháng bệnh bạc trồng vụ năm từ nguồn vật liệu nếp cẩm địa phương gợi cho có định hướng để thực đề tài Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu phát triển, tạo vật liệu lúa cẩm phục vụ cho công tác chọn tạo giống lúa cẩm có khả quang hợp cao kháng bệnh bạc Nội dung nghiên cứu - Thu thập đánh giá số đặc điểm nông sinh học, đa dạng di truyền, đánh giá khả kháng bệnh bạc khả quang hợp số nguồn vật liệu - Tìm hiểu biểu di truyền số tính trạng đặc trưng lúa cẩm - Phát triển vật liệu tạo giống lúa cẩm có khả quang hợp cao, kháng bệnh bạc chọn tạo nguồn vật liệu lúa cẩm cải tiến Những đóng góp luận án - Đã thu thập đánh giá đa dạng di truyền nguồn vật liệu lúa cẩm - Xác định khả quang hợp khả kháng bạc tập đoàn lúa cẩm để phục vụ cho công tác chọn tạo giống lúa tẻ cẩm - Chọn lọc dòng lúa cẩm có khả quang hợp cao kháng bệnh bạc lá, góp phần vào công tác chọn tạo giống lúa cẩm chất lượng Việt Nam Footer Page of 258 Header Page of 258 Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn - Thu thập phân tích đa dạng di truyền vật liệu lúa cẩm từ địa phương khác - Xác định khả quang hợp khả kháng bệnh bạc làm sở cho việc chọn tạo giống lúa cẩm chất lượng - Chọn lọc dòng lúa tẻ cẩm có khả quang hợp cao kháng bệnh bạc Đối tượng phạm vi nghiên cứu 6.1 Đối tượng nghiên cứu Một số giống nếp cẩm địa phương số giống lúa cẩm cải tiến 6.2 Phạm vị nghiên cứu Đề tài thực Học viện Nông nghiệp Việt Nam năm 2009 đến năm 2014 Tập trung nghiên cứu đặc điểm nông sinh học, đa dạng di truyền, khả quang hợp kháng bệnh bạc nguồn vật liệu thu thập hệ phân ly sau lai hữu tính Chương TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Nguồn gốc – phân biệt lúa nếp, lúa tẻ 1.1.1 Nguồn gốc lúa, lúa nếp Lúa nếp thích ứng với nhiều điều kiện khí hậu khắc nghiệt lạnh, khô hanh Lúa nếp nương dạng khởi nguồn lúa trồng tìm thấy Assam - Yunna, nơi lúa nếp chiếm ưu Nguồn gốc lúa cẩm (lúa đen) chưa rõ ràng có nguồn gốc từ nước châu Á bao gồm Trung Quốc (Mingwei et al., 1995), Nhật Bản (Natsumi and Noriko, 1994) Việt Nam (Quan, Footer Page of 258 Header Page of 258 1999) Chaudary and Tran (2001) cho lúa đen có nguồn gốc từ Sri Lanka, Philippin, Bangladesh, Thailand, Myanmar Indonesia Lúa cẩm chưa biết rõ nguồn gốc, hầu hết nghiên cứu cho lúa cẩm có nguồn gốc từ nước châu Á Lúa cẩm chủ yếu lúa nếp có hai loài phụ Indica Japonica (Mingwei et al., 1995) 1.1.2 Phân biệt lúa nếp lúa tẻ Căn chủ yếu để phân chia lúa nếp tẻ dựa cấu tạo tinh bột nội nhũ Nhuộm tinh bột dung dịch KI1% để 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 - Chỉ thị hình thái - Chỉ thị enzyme - Chỉ thị phân tử 1.2.2 Ứng dụng thị phân tử chọn tạo giống - Phân tích đa dạng di truyền - Tìm thị phân tử liên kết gen lập đồ - Chọn giống nhờ thị phân tử 1.2.3 Một số kết nghiên cứu đa dạng di truyền Trên giới Việt Nam ứng dụng thị hình thái, enzyme, phân tử nghiên cứu đa dạng di truyền Đã phân nhóm nhiều nguồn vật liệu nghiên cứu ban đầu, giúp cho công tác chọn tạo giống nhanh hiệu 1.3 Quang hợp suất lúa 1.3.1 Mối quan hệ quang hợp suất lúa Quang hợp trình định đến suất trồng Dựa vào mối quan hệ quang hợp suất, để tăng Footer Page of 258 Header Page of 258 suất trồng cần phối hợp nhiều biện pháp tác động vào nhiều nhân tố sinh thái cách hợp lý trình quang hợp xảy mức tối ưu Tăng suất trồng thông qua điều khiển quang hợp tăng diện tích lá, tăng hiệu suất quang hợp, thời gian quang hợp 1.3.2 Một số kết nghiên cứu vềquang hợp lúa - Mối quan hệ hàm lượng diệp lục quang hợp - Mối quan hệ cường độ quang hợp suất Đã có nhiều nghiên cứu mối quan hệ hàm lượng diệp lục quang hợp, cường độ quang hợp suất lúa tẻ, lúa cẩm chưa nghiên cứu nhiều 1.4 Di truyền số tính trạng lúa - Di truyền kích thước hạt gạo - Hàm lượng amylose - Nhiệt hóa hồ - Hàm lượng protein tổng số - Độ bền thể gel - Di truyền tính trạng màu sắc vỏ trấu - Di truyền tính trạng màu sắc hạt gạo lật - Di truyền tính trạng góc chiều dài đòng, công 1.5 Di truyền tính kháng bệnh bạc lúa 1.5.1 Vi khuẩn gây bệnh bạc lúa Vi khuẩn gây bệnh bạc lúa có tên gọi Xanthomonas oryzae pv oryzae thuộc chi Xanthomonas, họ Pseusomonadaceae, Eubacteriales, lớp Schizomycetes (Eubacteria) 1.5.2 Đặc tính gây bệnh Về đặc tính gây bệnh vi khuẩn, nghiên cứu có liên quan đến nhóm gen: hrp, avr hrpX Footer Page of 258 Header Page of 258 1.5.3 Các chủng vi khuẩn Hiện nay, nhà khoa học giới công bố có 30 chủng vi khuẩn Xoo gây bệnh lúa (Xia et al., 2012) Nhật Bản xác định 12 chủng, Philippine xác định có chủng, Indonesia có chủng, Ấn Độ xác định chủng (Swamy et al., 2006) Việt Nam có 13 nhóm chủng 1.5.4 Mối quan hệ ký sinh - ký chủ, thuyết “gen đối gen” Năm 1956 thuyết “gen đối gen” Flor rằng: gen R quy định tính kháng giống ký chủ có gen a quy định độc tính chủng ký sinh, không trước sau gen độc a tương ứng vượt qua gen kháng R dẫn đến tình trạng nhiễm bệnh Đồng thời gen kháng R giống ký chủ có gen A tương ứng ký sinh để kích hoạt ký chủ hình thành phản ứng tự vệ chống lại gen A dẫn đến tình trạng không nhiễm bệnh 1.5.5 Tổng hợp nghiên cứu bệnh bạc lúa Hiện nay, giới Việt Nam có nhiều nghiên cứu bệnh bạc lúa Đã có nhiều thành tựu chọn tạo giống lúa kháng bệnh bạc lá, đặc biệt giống lúa tẻ Còn giống nếp cẩm tẻ cẩm chưa nghiên cứu nhiều Chương PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Vật liệu, thời gian địa điểm nghiên cứu 2.1.1 Vật liệu nghiên cứu 2.1.1.1 Các mẫu giống lúa sử dụng làm vật liệu - Các mẫu giống lúa cẩm thu thập địa phương khác Trung tâm Tài nguyên di truyền thực vật số Viện nghiên cứu cung cấp Footer Page of 258 Header Page of 258 - Dòng đẳng gen IRBB21: dòng cho gen Xa21; Giống IR24: làm giống chuẩn nhiễm bệnh bạc lá; Các dòng đẳng gen IRBB5, IRBB7, IRBB21: làm chuẩn kháng bệnh bạc lá; Giống BT7 làm đối chứng cho dòng chọn lọc 2.1.1.2 Các isolate vi khuẩn gây bệnh bạc Sử dụng isolate vi khuẩn Xanthomonas oryzae ký hiệu XooND, XooTH XooTN 2.1.1.3 Các thị phân tử sử dụng nghiên cứu - 35 cặp mồi SSR sử dụng đánh giá đa dạng di truyền nguồn vật liệu - Các mồi thị liên kết với gen kháng hữu hiệu với vi khuẩn gây bệnh bạc lúa: Xác định gen xa5 dùng mồi RM122, xác định gen Xa7 dùng mồi RM5509 (McCouch, 2002), xác định gen Xa21 dùng mồi M2Xa21 (Vu, 2008) 2.1.2 Địa điểm nghiên cứu Thí nghiệm đồng ruộng Khu thí nghiệm đồng ruộng Khoa Nông học - Học viện Nông nghiệp Việt Nam, Gia Lâm, Hà Nội Thí nghiệm phân tử Phòng thí nghiệm Dự án Jica, Học viện Nông nghiệp Việt Nam, Gia Lâm, Hà Nội 2.1.3 Thời gian nghiên cứu Từ 2/2009 đến 11/2014 2.2 Nội dung nghiên cứu - Thu thập đánh giá số đặc điểm nông sinh học, đa dạng di truyền, đánh giá khả kháng bệnh bạc khả quang hợp nguồn vật liệu - Tìm hiểu biểu di truyền số tính trạng đặc trưng lúa cẩm Footer Page of 258 Header Page 10 of 258 - Phát triển vật liệu tạo giống lúa cẩm có khả quang hợp cao, kháng bệnh bạc chọn tạo nguồn vật liệu lúa cẩm cải tiến 2.3 Phương pháp nghiên cứu 2.3.1 Thí nghiệm đánh giá đặc điểm nông sinh học dòng giống lúa Thí nghiệm bố trí theo phương pháp khảo sát tập đoàn, không nhắc lại, mẫu giống 10m2 Thời gian: vụ mùa 2009 vụ xuân 2010 2.3.2 Phương pháp thị phân tử Tách chiết ADN Doyle et al (1987), kỹ thuật PCR, điện di Thời gian thực hiện: Vụ mùa 2009 vụ mùa 2014 2.3.3 Phương pháp lây nhiễm vi khuẩn bạc nhân tạo Sử dụng phương pháp lây nhiễm nhân tạo bệnh bạc Furuya et al (2002) Thời gian: vụ mùa 2009, vụ xuân – vụ mùa 2011 vụ mùa 2014 2.3.4 Phương pháp lai Lai tạo theo phương pháp truyền thống: Lai hữu tính, lai đơn Các thí nghiệm chọn dòng bố trí theo kiểu tuần tự, không nhắc lại 2.3.5 Phương pháp bố trí thí nghiệm so sánh giống Thời gian: vụ Mùa 2014 Thí nghiệm bố trí theo khối ngẫu nhiên hoàn chỉnh, lần lặp lại, ô 10m2, cấy dảnh/khóm, khoảng cách 15cm x 20cm Các tiêu theo dõi lấy mẫu đánh giá theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia khảo kiểm nghiệm giá trị canh tác giá trị sử dụng giống lúa: theo quy chuẩn QCVN01 -55-2011 Bộ Nông nghiệp Phát triển nông thôn Footer Page 10 of 258 Header Page 13 of 258 3.1.2.2 Thời gian trỗ Kết theo dõi 43 mẫu giống giống lúa có thời gian trỗ dao động - ngày (vụ mùa) từ - 11 ngày (vụ xuân) 3.1.2.3 Khả đẻ nhánh Khả đẻ nhánh 43 mẫu giống: vụ xuân 55,8% mẫu giống thuộc nhóm đẻ nhánh thấp, 37,2% mẫu giống thuộc nhóm đẻ nhánh trung bình 7,0% mẫu giống thuộc nhóm đẻ nhánh nhiều Trong vụ mùa có 48,8% mẫu giống xếp vào nhóm đẻ nhánh thấp, 46,5% mẫu giống xếp vào nhóm đẻ nhánh trung bình 4,7% mẫu giống xếp vào nhóm đẻ nhánh nhiều Theo tiêu chuẩn đánh giá IRRI, mẫu giống nghiên cứu phân nhóm bảng 3.2 Bảng 3.2 Phân nhóm theo khả đẻ nhánh mẫu giống Số Theo tiêu chuẩn nhánh/khóm IRRI Vụ xuân Vụ mùa Số mẫu Tỷ lệ Số mẫu Tỷ lệ giống % giống % 9 Đẻ nhánh nhiều 4,7 Qua tiêu khả đẻ nhánh thấy mẫu giống N13 N17 thuộc nhóm đẻ nhánh nhiều vụ mùa; mẫu giống N38, N39 N43 mẫu giống thuộc nhóm đẻ nhánh nhiều vụ xuân 3.1.2.4 Chiều cao Kết đánh giá chiều cao mẫu giống tập đoàn vật liệu, cho thấy: vụ mùa mẫu giống có chiều cao dao động từ 94,8 cm (N44) đến 169,8 cm (N4), vụ xuân dao động 95,2 cm (N44) đến 170,5 cm (N4) Footer Page 13 of 258 11 Header Page 14 of 258 3.1.2.5 Các yếu tố cấu thành suất suất Tỷ lệ hạt đưa bảng 3.3: Các mẫu giống có tỷ lệ hạt dao động 80 % (N23) đến 96,4 % (N21) điều kiện vụ xuân 66,9% (N36) đến 95,8 % (N7) điều kiện vụ mùa Bảng 3.3 Phân nhóm theo tỷ lệ hạt mẫu giống Vụ mùa Vụ xuân Tỷ lệ Phân nhóm hạt theo tiêu chuẩn Số mẫu Tỷ lệ Số mẫu Tỷ lệ (%) IRRI giống (%) giống (%) ≥90 Chắc cao 18 41,8 17 39,5 75-89 Chắc 24 55,8 26 60,5 50-74 Lép trung bình 2,4 0 3,0 2,1-3,0 1,1-2,0 Thon dài Trung bình Bầu 36 9,3 83,7 7,0 125 cm) Cây cao trung bình (