Nghiên cứu đặc điểm của các dòng lúa bất dục đực tạo ra từ nuôi cấy bao phấn lúa f1 mang gen TGMS

Để sử dụng được hiện tượng ưu thế lai vào sản xuất, cácnhà khoa học đã tạo ra cây lúa bất dục đực để có thể sản xuất hạt lai F1 trên quy mô lớn mà không phải khử đực.. Diện tích trồng lú

đỡ tôi trong suốt thời gian học tập Cuối cùng, tôi xin được cảm ơn gia đình vàbạn bè đã luôn luôn bên cạnh quan tâm, động viên và giúp đỡ tôi trong nhữngthời gian qua.

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 5 năm 2014

Thịnh

Đặng Minh Thịnh

CHỮ CÁI VIẾT TẮT

ADP: Asian Development Bank- Ngân hàng Phát triển châu Á

Bộ NN & PPNT: Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn

CMS: Cytoplasmic Male Sterile- Dòng bất dục đực tế bào chất

CLRRI: Cuu Long Delta Rice Research Institute- Viện lúa đồng bằng sông CửuLong

ĐBSCL: Đồng bằng sông Cửu Long

GA3: Gibberellic acid

IRRI: International Rice Research Institute- Viện Nghiên cứu Lúa gạo Quốc tế.MAS: Maker Aisted Selection - Chọn giống nhờ trợ giúp của chỉ thị phân tử.MS: Male Sterile- Bất dục đực

NMS: Nuclear Male Sterile- Bất dục đực gen nhân

UNDP: United Nations Development Programme- Chương trình phát triển của Liên Hợp Quốc.

ƯTL: Ưu thế lai

WA: Wide Abortive -Bất dục đực dạng dại

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1: Đặc điểm cấu trúc hoa các dòng bất dục đực mới tạo ra

Bảng 3.2 : Đặc điểm trỗ hoa các dòng bất dục đực

Bảng 3.3: Đặc điểm hình thái các dòng bất dục đực

Bảng 3.4: Các yếu tố cấu thành năng suất các dòng bất dục đực

Bảng 3.5: Tỷ lệ kết hạt của các dòng bất dục đực khi lai thử

Bảng 3.6: Tỷ lệ hạt phấn hữu thụ của các dòng bất dục đực TGMS ở các giaiđoạn phân hoá đòng

DANH MỤC BIỂU ĐỒ

Biểu đồ 3.1: Tỷ lệ thò vòi nhụy của các dòng bất dục đực

Biểu đồ 3.2: Thời gian trỗ hoa các dòng bất dục đực

Biểu đồ 3.3: Chiều cao cây, dài bông và dài lá đòng của các dòng bất dục đực.Biểu đồ 3.4: Số bông/khóm của các dòng bất dục đực

Biểu đồ 3.5: Số hạt/bông các dòng bất dục đực

Biều đồ 3.6: Tỷ lệ kết hạt của các dòng bất dục đực

Biều đồ 3.7: Diễn biến nhiệt độ trung bình các ngày nghiên cứu ở khu vực Hà Nội

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Cây Lúa (Oryza sativa)

Hình 1.2: Sơ đồ sản xuất lúa lai hai dòng (TGMS)

Hình 3.3: Minh họa ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự chuyển hóa tính dục củadòng bất dục đực

Ảnh 3.1: Hình ảnh vòi nhụy thò ra ngoài của lúa bất dục đực

Ảnh 3.2: Hình ảnh hạt lai thử

Ảnh 3.3: Hình ảnh dòng lúa TG9(4)

Ảnh 3.4: Bao phấn rỗng không hạt phấn của các dòng TG9

Ảnh 3.5: Hạt phấn bất dục không nhuộm màu dung dịch (I2 + KI) 0,1%

Ảnh 3.6: Dòng TGMS xuất hiện hạt phấn hữu thụ khi gặp nhiệt độ lạnh – hạtphấn bắt màu với dung dịch (I2 + KI) 0,1%

MỞ ĐẦU

Lúa (Oryza sativa) là một trong những cây lương thực quan trọng nhất

của loài người, với gần 2/3 dân số thế giới nhất là các nước Châu Á, Châu Phi,

và Châu Mỹ La Tinh sử dụng lúa gạo là loại cây lương thực chính, và chủ yếulúa được sản xuất ở Châu Á chiếm hơn 90% lúa của thế giới Lúa gạo đóng gópmột vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an ninh lương thực và ổn định xã hộikhông những ở các nước Châu Á mà còn trên toàn thế giới Tuy nhiên, hiện naynhân loại đang có nguy cơ thiếu hụt lương thực do dân số tăng nhanh chóng, bêncạnh đó sản xuất lương thực còn bị ảnh hưởng nhiều bởi sự biến đổi khí hậu nhưbão, lũ lụt, hạn hán; hơn thế nữa diện tích gieo trồng ngày một thu hẹp do đô thịhóa, công nghiệp hóa Vì vậy, chọn tạo giống mới có năng suất cao, chất lượngtốt, chống chịu được sâu bệnh là nhiệm vụ cấp thiết đối với các nhà khoa họccủa mỗi quốc gia trên thế giới

Phương pháp truyền thống đã giúp tạo ra giống lúa có năng suất cao, làmlên cuộc cách mạng xanh, giải quyết vấn đề lương thực cho nhân loại.Tuy nhiênnăng suất lúa đã đến giới hạn “trần về năng suất” Để giải quyết năng suất vượttrần của cây lúa, các nhà chọn tạo giống lúa có các xu hướng cơ bản là sử dụng

ưu thế lai, tạo cây lúa theo mô hình lý tưởng, cải thiện bộ máy quang hợp C3 ởcây lúa theo con đường C4 (ở cây mía, ngô) bằng kỹ thuật di truyền Trong đó,

ưu thế lai là sự lựa chọn đem lại hiệu quả cao, với năng suất cao hơn lúa thuần

từ 15-20% [21], phương pháp này đơn giản và đỡ tốn kém hơn so với cácphương pháp còn lại Để sử dụng được hiện tượng ưu thế lai vào sản xuất, cácnhà khoa học đã tạo ra cây lúa bất dục đực để có thể sản xuất hạt lai F1 trên quy

mô lớn mà không phải khử đực

Việt Nam tiếp cận công nghệ lúa lai từ những năm 1991 chậm sau TrungQuốc gần 30 năm Diện tích trồng lúa lai đạt 595 nghìn ha vào năm 2011 [20].Trong sản xuất lúa lai vấn đề mấu chốt quyết định là phải tạo ra các dòng mẹ cónền di truyền đa dạng cùng với tính trạng bất dục đực, thích nghi với thụ phấn

chéo và có tiềm năng cho năng suất cao Việc ứng dụng công nghệ tạo dòng đơnbội kép bằng kỹ thuật Invitro qua nuôi cấy lúa lai hai dòng sẽ rút ngắn quá trìnhchọn tạo các dòng bất dục đực mang gen TGMS (dòng bất dục đực di truyềncảm ứng với nhiệt độ), làm phong phú nguồn vật liệu cho chọn tạo giống lúa lai

ở nước ta Tuy nhiên các dòng bất dục đực TGMS tạo ra bằng kỹ thuật Invitrocần phải có những đặc điểm như: Có đặc điểm nông sinh học tốt, cấu trúc hoathích nghi với thụ phấn chéo như tỷ lệ thò vòi nhụy, độ dài thò vòi nhụy, ngưỡngchuyển đổi tính dục theo nhiệt độ phù hợp với vai trò là dòng mẹ để tạo đượccác tổ hợp lúa F1 có ưu thế lai

Vì vậy chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu đặc điểm

của các dòng lúa bất dục đực tạo ra từ nuôi cấy bao phấn lúa F1 mang gen TGMS”.

Mục tiêu của đề tài: Thông qua việc đánh giá các dòng lúa thuần bất dụcđực tạo ra bằng kỹ thuật đơn bội về các đặc tính nông sinh học, tính trạng bấtdục đực di truyền nhân cảm ứng với nhiệt độ (TGMS), đặc điểm cấu trúc hoaphù hợp với tư cách dòng mẹ bất dục trong sản xuất lúa lai Để từ đó có thể tìm

ra các dòng có đặc điểm tốt để sử dụng làm cây mẹ tạo hạt lúa lai F1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 Giới thiệu về cây lúa

Hình 1.1: Cây Lúa (Oryza sativa)

Lúa (Oryza sativa L.) là một trong năm loại cây lương thực chính của thế giới, cùng với ngô (Zea Mays L.), lúa mì (Triticum sp tên khác: tiểu mạch), sắn (Manihot esculenta Crantz, tên khác khoai mì) và khoai tây (Solanum

tuberosum L.); có nguồn gốc ở vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới khu vực đông

nam Châu Á và Châu Phi Hai loài lúa đã được thuần hoá là lúa Châu Á (Oryza

sativa) và lúa Châu Phi (Oryza glaberrima) [8] Cây lúa trồng Oryza sativa L là

một loài cây thân thảo, sinh sống hàng năm Thời gian sinh trưởng của các giốngdài, ngắn khác từ 60- 250 ngày Về phương diện thực vật học, lúa trồng hiện nay

là do lúa dại hình thành thông qua quá trình chọn lọc nhân tạo lâu dài

Phân loại lúa người ta dựa vào các đặc tính khác nhau của cây lúa:Phânloại cây lúa theo hệ thống phân loại thực vật:

Ngành: Angiospermae – Thực vật có hoa

Lớp: Monocotyledoneae – Lớp 1 lá mầm

Bộ: Poales (Graminales) – Hòa thảo có hoa

Họ: Poaceae (Gramineae) – Hòa thảo

Họ phụ: Pooideae – Hòa thảo ưa nước

Chi: Oryza – lúa

Loài: Oryza sativa – lúa trồng châu Á, Oryza glaberrima – lúa trồng châu Phi

Chi Oryza có khoảng hơn 20 loài phân bố chủ yếu ở vùng nhiệt đới ẩm

của Châu Phi, Nam và Đông Nam Châu Á, Nam Trung Quốc, Nam và Trung

Mỹ và một phần ở Châu Úc (Chang, 1976 theo De Datta, 1981) Loài lúa trồng

là cây hằng năm có tổng số nhiễm sắc thể 2n=24

Hiện nay, các nhà chọn tạo giống đã phân loại cây lúa theo hệ thống nhưsau: Theo loại hình sinh thái địa lí, theo đặc tính thực vật học, theo điều kiệnmôi trường canh tác, theo đặc tính của hình thái cây lúa,…

1.2 Tình hình sản xuất lúa gạo ở Việt Nam và trên thế giới

1.2.1 Sản xuất lúa gạo trên thế giới

Lúa là cây lương thực quan trọng cho gần 2/3 dân số thế giới Cây lúa làloài thực vật có diện tích phân bố khá rộng, kéo dài từ vĩ độ 40 độ Nam đến 50

độ Bắc Khoảng 90% diện tích trồng lúa trên thế giới tập trung ở châu Á, còn lại

là ở châu Phi, châu Mỹ, châu Âu, châu Đại Dương

Diện tích trồng và sản lượng lúa có xu hướng tăng lên trong những nămgần đây Theo cơ quan FAO đã đánh giá năm 2011, sản lượng lúa đạt đến 721triệu tấn hay 481 triệu tấn gạo, tăng 24 triệu tấn so với năm 2010 [15] Năm

2011, dân số trên thế giới tiêu thụ 450 tấn gạo Dự kiến đến năm 2020, dân sốtrên thế giới sẽ tiêu thụ khoảng 490 triệu tấn gạo và khoảng 650 triệu tấn vàonăm 2050 (Roderick và cộng sự , 2012)

Điều này cho thấy nhu cầu tiêu thụ gạo của con người trong tương lai sẽngày một tăng, góp phần vào đảm bảo vững chắc an ninh lương thực thế giới

1.2.2 Sản xuất lúa gạo ở Việt Nam

Cây lúa là cây lương thực chính trong mục tiêu phát triển nông nghiệp củaViệt Nam để đảm bảo vững chắc an ninh lương thực quốc gia và xuất khẩu Câylúa chiếm trên 50% diện tích đất nông nghiệp và trên 60% diện tích đất gieotrồng hằng năm Sản xuất lúa gạo chỉ tập trung chủ yếu ở đồng bằng sông Hồng

và ĐBSCL Sản xuất lúa gạo xuất khẩu và chuyển đổi mục đích sử dụng đấthiện nay còn nhiều vấn đề.

Diện tích và sản lượng lúa trong những năm gần đây có xu hướng tănglên, tuy nhiên về năng suất lại có phần sụt giảm Sản lượng lúa cả năm 2013 ướctính đạt 44,1 triệu tấn, tăng 338,3 nghìn tấn so với năm 2012, trong đó diện tíchgieo trồng ước tính đạt 7,9 triệu ha, tăng 138,7 nghìn ha, năng suất đạt 55,8tạ/ha, giảm 0,6 tạ/ha [17]

Năm 2013 là một năm khó khăn của nhiều ngành, nhiều lĩnh vực kinh tế

Và mặc dù xuất khẩu được đánh giá là điểm sáng của bức tranh kinh tế 2013song xuất khẩu gạo lại sụt giảm mạnh mẽ Bộ NN & PTNT cho biết, năm 2013,xuất khẩu gạo đã giảm cả lượng và chất Khối lượng xuất khẩu gạo của ViệtNam năm 2013 ước đạt 6,61 triệu tấn, với tổng giá trị là 2,95 tỷ USD, giảm17,4% về khối lượng và giảm 19,7% về giá trị so với năm 2012 [16] Nguyênnhân là do chất lượng gạo thấp, do cạnh tranh xuất khẩu…

Để nâng cao chất lượng, giá trị gạo xuất khẩu nói riêng cũng như sự pháttriển của ngành nông nghiệp nói chung, cần phải nâng cao chất lượng giống lúa,tăng khả năng cạnh tranh cao trên thị trường trong nước và xuất khẩu, đồng thờichủ trương thực hiện giảm diện tích đất trồng lúa, chuyển sang trồng các loạicây trồng khác có giá trị cao hơn

1.3 Nghiên cứu về tăng năng suất của cây lúa

Nghiên cứu về tăng năng suất của cây lúa đã được thực hiện từ rất nhiềunăm trước đây Tuy nhiên, phương pháp truyền thống đã tạo ra giống lúa giớihạn “trần về năng suất” Trong khi đó, lương thực luôn là vấn đề cấp thiết hàngđầu không chỉ hiện tại mà còn cả trong tương lai Để giải quyết bài toán năngsuất của cây lúa, dưới đây đề cập tới một số hướng nghiên cứu về tăng năng suấtvượt trần của cây lúa như sau:

• Các hướng nghiên cứu về tăng năng suất vượt trần của cây lúa

- Tạo cây lúa theo mô hình lý tưởng

Đối với cây lúa lý tưởng theo Matsushima (1970) thì phải đạt các tiêuchuẩn như: Có đủ số hạt cần thiết, thân thấp, bông ngắn, có nhiều bông để chống

đổ ngã, ba lá trên cùng phải ngắn, dày và thẳng đứng, duy trì khả năng hấp thụNitơ, có càng nhiều lá xanh trên thân càng tốt và trổ lúc thời tiết thuận lợi để cóthể tăng sản phẩm quang hợp ở thời kỳ chín Nhưng thực tế các nhà khoa họcvẫn chưa thể tạo ra cây lúa có thể hội tụ được tất cả các đặc điểm trên để có thểtạo ra cây lúa lý tưởng cho việc tăng năng suất vượt trần.[3]

- Tăng năng suất cây lúa bằng cách hay đổi bộ máy quang hợp C3 thành C4 sử dụng kỹ thuật di truyền.

Trong hơn 50 năm qua nhờ cuộc cách mạng xanh lần thứ nhất là đưa câylúa lai cải tiến vào thay thế cây lúa mùa địa phương Nhưng hiện nay cây lúa thếgiới, đúng hơn là cây lúa C3 đã đụng trần về sản lượng và trên đà sụt giảm dobiến đổi khí hậu Nhược điểm của cây lúa C3 là có hiện tượng quang hô hấpmạnh, năng suất tụt giảm rõ rệt khi nhiệt độ trên 300C, nơi mà các đồng bằngtrồng lúa chủ yếu đang hứng phải hiện nay và trong thời gian tới Do cây lúa C3hiện nay đã đụng trần về sản lượng, trước nguy cơ của biến đổi khí hậu và đô thịhoá ở các nước đang phát triển, kể cả một phần diện tích đất trồng lúa bị cạnhtranh do cây trồng cung cấp năng lượng hoá học trong nhiều thập kỷ tới nên diệntích trồng lúa thế giới sẽ tụt giảm nghiêm trọng Trước nguy cơ đó đặt ra vấn đềphải mở ra cuộc cách mạng xanh lần thứ 2 đó là thay cây lúa C3 bằng cây lúaC4 trong thế kỷ 21 Để đảm bảo an ninh lương thực trên thế giới, các nhà khoahọc IRRI đã nhận định đến năm 2020 năng suất cây lúa nước trên thế giới phảiđạt được năng suất bình quân khoảng 7 tấn/ha/vụ Như vậy đòi hỏi cây lúa phải

có tiềm năng 12 tấn/ha/vụ trong mùa khô và 8-9 tấn/ha/vụ trong mùa mưa nhưvậy năng suất ngoài đồng bình quân phải đạt trên 70% tiềm năng của giống Đếnnăm 2025 phải đạt trên 771 triệu tấn, đến năm 2030 phải đạt 830 triệu tấn và đếnnăm 2050 trở đi phải đạt sản lượng từ 900-1000 triệu tấn mới giải quyết đượcvấn đề an ninh lương thực toàn cầu Trước vấn đề đó cây lúa C3 hiện nay chỉ cóthể trụ vững trong vòng 20 năm nữa và đến năm 2030 trở đi cây lúa C4 phảichiếm lĩnh ưu thế trong sản lượng lúa gạo thế giới Việc tạo ra cây lúa C4 để đưavào sản xuất đại trà thay thế cây lúa C3 là tất yếu vì ưu thế tạo năng suất của cây

lúa C4 có thể tăng từ 30-50 % so với cây lúa C3 Tuy nhiên việc tạo ra cây lúaC4 còn gặp nhiều trở ngại về rào cản kỹ thuật và sự e ngại dùng giống lúachuyển đổi gen đang còn là vấn đề do dự trên chính các nước trồng lúa truyềnthống [14].

• Yếu tố cấu thành năng suất và biện pháp kỹ thuật tăng năng suất của cây lúa

- Giai đoạn sinh trưởng của cây lúa

Nghiên cứu về sinh trưởng của cây lúa đã từng được thực hiện từ nhữngnăm thập niên 20-30 của thế kỷ trước, có nhiều ý kiến khác nhau, tuy nhiên sauhội nghị di truyền về cây lúa lần thứ nhất được tổ chức ở IRRI (1981) thì cácnhà khoa học đã đạt được sự thống nhất Thời gian sinh trưởng của cây lúa đượcchia thành ba thời kỳ: Thời kỳ sinh trưởng sinh dưỡng, thời kỳ sinh trưởng sinhthực và thời kỳ từ trỗ đến chín Muốn giống có năng suất cao thì từng thời giansinh trưởng cây lúa phải thực hiện tốt các chức năng đẻ nhánh và tích lũy củamình

Những giống lúa có thời gian sinh trưởng 100-130 ngày thường đạt năngsuất cao hơn, vì nó cân đối giữa thời gian sinh trưởng sinh dưỡng và thời giansinh trưởng sinh thực Đồng thời quá trình từ phân hóa đến chín nó gặp điềukiện thuận lợi hơn (Bùi Huy Đáp, 1980) [5]

Trong cùng một điều kiện ngoại cảnh, sự thay đổi của thời gian sinhtrưởng không nhiều, do vậy nhiều tác giả đã dùng thời gian sinh trưởng để phânchia các giống lúa theo nhiều nhóm:

+ Nhóm cực ngắn, có thời gian sinh trưởng < 90 ngày

+ Nhóm ngắn ngày có thời gian sinh trưởng 90-120 ngày

+ Nhóm trung bình có thời gian sinh trưởng 120-140 ngày

+ Nhóm dài ngày có thời gian sinh trưởng 140 ngày

Trong điều kiện miền Bắc Việt Nam thời gian sinh trưởng của các giốnglúa phụ thuộc rất lớn vào vụ gieo cấy Do đặc điểm của tổng tích ôn hữu hiệu màmột giống được gieo cấy ở mùa vụ luôn có thời gian sinh trưởng ngắn hơn khigieo cấy ở vụ xuân (Đinh Văn Lữ - 1978) [6]

- Yếu tố cấu thành năng suất và biện pháp kỹ thuật tăng năng suất của cây lúa

Trong quá trình sản xuất lúa, cái người ta quan tâm nhất chính là năngsuất hạt, năng suất hạt do nhiều yếu tố cấu thành như: Số bông trên đơn vị diệntích, số hạt/bông, tỷ lệ hạt chắc, trọng lượng 1000 hạt Các yếu tố tương quan tỷ

lệ với nhau Sự tương quan giữa các yếu tố cấu thành năng suất còn phụ thuộcnhiều vào điều kiện ngoại cảnh trong quá trình hình thành chúng

Trong phạm vi giới hạn, bốn yếu tố này càng tăng thì năng suất lúa càngcao, cho đến lúc bốn yếu tố này đạt được cân bằng tối ưu thì năng suất lúa sẽ tối

đa Vượt lên mức cân bằng này, nếu một trong bốn yếu tố cấu thành năng suấttăng lên nữa sẽ ảnh hưởng xấu đến các thành phần còn lại, làm giảm năng suất.Mức cân bằng tối ưu giữa các yếu tố năng suất để đạt năng suất cao thay đổi tùytheo giống lúa, điều kiện đất đai, thời tiết và kỹ thuật canh tác Hơn nữa, ảnhhưởng của mỗi yếu tố năng suất đến năng suất lúa không chỉ khác nhau về thờigian nó được xác định mà còn do sự góp phần của nó trong năng suất hạt Đểbiết tầm quan trọng tương đối của mỗi yếu tố cấu thành năng suất đối với năngsuất hạt, Yoshida và Parao (1976) đã phân tích tương quan hồi qui nhiều chiều,

sử dụng phương trình log Y = log N + log W + log F + R Phương trình này

được rút ra từ phương trình năng suất rút gọn như sau: Y= N * W * F * 10-5

Trong đó, Y là năng suất hạt (T/ha), N là tổng số hạt/m2, W là trọng lượng 1000hạt (g), F là tỷ lệ hạt chắc và R là hằng số Số hạt trên đơn vị diện tích là yếu tốquan trọng nhất Nhưng trong điều kiện thời tiết bất ổn định, tỷ lệ hạt chắc lạiđóng vai trò quan trọng giới hạn năng suất lúa hơn là số hạt trên đơn vị diện tích[3] Tóm lại, các yếu tố cấu thành năng suất có tương quan chặt chẽ với nhau,muốn đạt được năng suất cao phải đảm bảo các yêu cầu của chúng để chúngkhông bị hạn chế lẫn nhau.

+ Số bông trên đơn vị diện tích [3]: Được quyết định vào giai đọan sinhtrưởng ban đầu của cây lúa, nhưng chủ yếu là giai đoạn từ khi cấy đến khoảng

10 ngày trước khi có chồi tối đa Số bông trên đơn vị diện tích tùy thuộc vào mật

độ sạ cấy và khả năng nở bụi của lúa Mật độ sạ cấy và khả năng nở bụi của lúathay đổi tùy theo giống lúa, điều kiện đất đai, thời tiết, lượng phân bón nhất làphân đạm và chế độ nước Số bông trên đơn vị diện tích có ảnh hưởng thuận vớinăng suất hạt

Các biện pháp kỹ thuật cần lưu ý để tăng số bông trên đơn vị diện tíchnhư sau: Làm mạ tốt để có cây mạ to khỏe, có chồi ngạnh trê, xanh tốt và khôngsâu bệnh; chuẩn bị đất chu đáo, mềm, sạch cỏ và giữ nước thích hợp; cấy đúngtuổi mạ, đúng khoảng cách thích hợp cho từng giống, cấy cạn để lúa nở bụikhỏe; đối với lúa sạ thì ngâm ủ đúng kỹ thuật và sạ với mật độ thích hợp; bónphân lót đầy đủ, bón thúc sớm để lúa chóng hồi phục và nở bụi sớm mau đạtchồi tối đa và chồi khỏe cho nhiều bông sau này; làm cỏ, sục bùng đúng lúc, giữnước vừa phải và liên tục để điều hòa nhiệt độ và khống chế cỏ dại; phòng trừsâu bệnh kịp thời

+ Số hạt trên bông [3]: Được quyết định từ lúc tượng cổ bông đến 5 ngàytrước khi trổ, nhưng quan trọng nhất là thời kỳ phân hóa hoa và giảm nhiễm tíchcực Số hạt/bông tùy thuộc vào số hoa được phân hóa và số hoa bị thoái hóa Haiyếu tố này bị ảnh hưởng bởi giống lúa, kỹ thuật canh tác và điều kiện thời tiết

Các biện pháp kỹ thuật cần lưu ý để tăng số hạt/bông như sau: Chọngiống tốt, loại hình bông to, nhiều hạt, nở bụi sớm (chồi ra càng sớm càng có

khả năng cho bông to); ức chế sự gia tăng của chồi vô hiệu vào thời kỳ phân hóađồng để tập trung dinh dưỡng nuôi chồi hữu hiệu; bón phân đón đòng (khi bắtđầu phân hóa đòng) để tăng số hoa phân hóa và bón phân nuôi đòng (18-20 ngàytrước khi trổ) để giảm số hoa bị thoái hóa; bảo vệ khỏi bị sâu bệnh hại tấn công;chọn thời vụ thích hợp để cây lúa phân hóa đòng lúc thời tiết thuận lợi, khôngmưa bão.

+ Tỷ lệ hạt chắc (tính bằng phần trăm hạt chắc trên tổng số hạt) [3]: Đượcquyết định từ đầu thời kỳ phân hóa đòng đến khi cây lúa vào chắc (giảm nhiễm,trổ bông, phơi màu, thụ phấn, thụ tinh và vào chắc) Tỷ lệ hạt chắc tùy thuộc sốhoa trên bông, đặc tính sinh lý của cây lúa và chịu ảnh hưởng lớn của điều kiệnngoại cảnh Thường số hoa trên bông nhiều dẫn đến tỷ lệ hạt chắc thấp Muốn

có năng suất cao, tỷ lệ hạt chắc phải trên 80%

Các biện pháp kỹ thuật cần lưu ý để tăng tỷ lệ hạt chắc: Chọn giống tốt,trổ gọn, khả năng thụ phấn cao, số hạt/bông vừa phải; sạ cấy đúng thời vụ để lúatrổ và chin trong thời tiết tốt, với mật độ sạ cấy vừa phải, tránh lúa bị lốp đổ;bón phân nuôi đòng (18-20 ngày trước khi trổ) và nuôi hạt (khi lúa trổ đều) đầy

đủ và cân đối để lúa trổ bông, thụ phấn, thụ tinh và tạo hạt đầy đủ; chăm sóc chuđáo, tránh cho lúa bị hạn hoặc bị sâu bệnh trong thơi gian này

+Trọng lượng 1000 hạt [18]: Được quyết định từ thời kỳ phân hóa hoađến khi lúa chín Yếu tố này biến động không nhiều do điều kiện dinh dưỡng vàngoại cảnh mà chủ yếu phụ thuộc vào yếu tố giống Trọng lượng 1000 hạt phụthuộc bởi trọng lượng vỏ trấu (thường chiếm khoảng 20%) và trọng lượng hạtgạo (thường chiếm khoảng 80%) Vì vậy muốn trọng lượng 1000 hạt cao, phảitác động vào cả hai yếu tố này

Các biện pháp cần lưu ý để tăng trọng lượng hạt [3]: Chọn giống có cỡ hạtlớn, trổ tập trung; bón phân nuôi đòng để tăng cỡ hạt đến đúng mức di truyềncủa giống và bón phân nuôi hạt, giữ nước đầy đủ, bảo vệ lúa không bị ngã đổhoặc sâu bệnh phá hoại, bố trí thời vụ cho lúa ngậm sữa vào chắc trong điềukiện thuận lợi để tăng sự tích lũy vào hạt làm hạt chắc và mẩy

1.4 Nghiên cứu, phát triển lúa lai trên thế giới và Việt Nam.

1.4.1 Nghiên cứu phát triển lúa lai trên thế giới

Lúa là cây tự thụ phấn Việc nghiên cứu và khai thác ưu thế lai trên câylúa được nghiên cứu thành công đầu tiên trên thế giới bởi một nhà khoa họcTrung Quốc, ông Yaun Longping Ông đã phát hiện được dòng bất dục đực tếbào chất từ lúa hoang Kỹ thuật tạo giống ưu thế lai ba dòng được ông nghiêncứu và sử dụng thành công Để có hạt ưu thế lai, một dòng bất dục đực tế bàochất (dòng A) được lai với một dòng duy trì (dòng B) có nhị đực hữu thụ để tạo

ra được hạt F1 bất dục đực Sau đó hạt F1 này được trồng thành cây và lai vớimột dòng phục hồi (dòng R) để tạo ra hạt ưu thế lai Trong quá trình tạo giốnglai hai dòng, chỉ cần lai một lần giữa dòng phục hồi (dòng R) và một dòng bấtdục đực là có được hạt ưu thế lai

Với sự phát minh ra lúa ưu thế lai, Trung Quốc đã giải quyết được vấn đềthiếu hụt lương thực Trung Quốc đã tiến hành chương trình “siêu lúa lai” giaiđoạn I (1996 – 2000) và đạt 10,5 T/ha trên các lô trình diễn; giai đoạn II (2000-2005) năng suất đạt 12 T/ha Năm 1979, kỹ thuật lúa lai đã trở thành bản quyền

kỹ thuật nông nghiệp đầu tiên của Trung Quốc xuất khẩu sang Hoa Kỳ

Trong tạo giống cây trồng, việc sử dụng cường lực giống lai ở hạt thuộcthế hệ thứ nhất (hoặc F1) đã được biết đến một cách rộng rãi từ lâu Tuy nhiêncho đến khoảng 30 năm trước đây việc ứng dụng trên cây lúa vẫn còn giới hạnbởi vì đặc tính tự thụ phấn của loài cây trồng này Sự phát triển của kỹ thuật ưuthế lai đã đưa đến kết quả là lúa ưu thế lai hai dòng có ưu thế về năng suất hơn

từ 5-10% so với lúa ưu thế lai ba dòng

Trong vòng hơn một thập niên, tổ chức Lương thực và Nông nghiệp củaLiên Hiệp Quốc (FAO), viện nghiên cứu lúa quốc tế IRRI, chương trình Pháttriển của Liên Hiệp Quốc (UNDP) và ngân hàng Phát triển Châu Á (ADB) đãủng hộ một cách mạnh mẽ để nâng cao năng lực quốc gia trong tạo giống lúa ưuthế lai, sản xuất giống F1 và cung cấp các trang thiết bị nghiên cứu cho nhiềuquốc gia

Kỹ thuật ưu thế lai đã cung cấp cho nông dân năng suất cao hơn, tiết kiệmđược đất đai cho các hoạt động đa dạng hóa sản xuất nông nghiệp và tạo công ănviệc làm tại nông thôn Mặc dù kỹ thuật này vẫn còn mới mẻ, nhưng nhiều quốcgia đã thể hiện sự quan tâm đầu tư áp dụng để góp phần đảm bảo an ninh lươngthực quốc gia Tới nay, nghiên cứu lúa lai đã được phát triển tại hơn 100 quốcgia trên toàn thế giới, trong đó có Ấn Độ, Nhật Bản, Bangladesh, Việt Nam…Tuy nhiên sự phát triển lúa lai của Trung Quốc ở nước ngoài vẫn còn ở quy môhạn chế.

1.4.2 Nghiên cứu và phát triển lúa lai tại Việt Nam

Nghiên cứu lúa lai ở Việt Nam bắt đầu từ cuối những năm 1970 tại ViệnKhoa học Nông nghiệp Việt Nam Từ năm 1983, Viện lúa quốc tế (IRRI) vàViện lúa đồng bằng sông Cửu Long (CLRRI) đã hợp tác để phát triển công nghệlúa lai ở các tỉnh đồng bằng sông Cửu Long Kết quả thực nghiệm cho thấy rằnglúa lai tăng năng suất 18-45% (Nguyễn Văn Luật, 1994) Năm 1992, Chính phủViệt Nam kêu gọi FAO hỗ trợ để phát triển công nghệ lúa lai Với sự hỗ trợ củaFAO cung cấp thông qua các dự án TCP/VIE/2251(A), tiến bộ đáng kể đã đượcthực hiện kể từ đó trong canh tác lúa lai và sản xuất giống lúa lai Diện tích lúalai tăng lên nhanh chóng từ 20 ha năm 1990 lên 595.000 ha vào năm 2011 với sựgia tăng năng suất từ 15 - 20% so các giống cải tiến đang sản xuất đại trà Hiệnnay, các tổ chức tham gia vào nghiên cứu lúa lai gồm Trung tâm nghiên cứu lúalai - trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội, Viện nghiên cứu lúa gạo ĐBSCL,Viện di truyền nông nghiệp Các nhà khoa học Việt Nam đã lựa chọn và sảnxuất các dòng bố, mẹ với nguồn gen trong nước, chẳng hạn như các dòng 103S,T1S-96, T4S, T23S, T70S, T100, AMS27S Những dòng này được sử dụng đểsản xuất hạt giống F1 của Việt Nam như VL20, VL24, TH3-3, TH3-4, HYT83,HYT100 Theo Nguyễn Thị Trâm (2007), kết quả chọn giống lúa lai của Việnsinh học Nông nghiệp: Chọn được các dòng bất dục đực di truyền cảm ứng vớinhiệt độ (TGMS) có ngưỡng chuyển đổi tính dục ổn định, nhạy cảm GA3, nhậnphấn tốt, nhân dòng và sản xuất hạt lai có năng suất cao Chọn được dòng bất

dục đực cảm ứng quang chu kỳ ngắn (PGMS), góp phần đa dạng nguồn vật liệu

để phát triển lúa lai hai dòng

1.5 Cơ sở khoa học công nghệ sản xuất lúa lai

1.5.1 Ưu thế lai và hệ thống bất dục đực

Ưu thế lai (heterosis) là hiện tượng con lai của 2 dòng thuần có tính trạng

vượt trội so với bố mẹ về các tính trạng hình thái, khả năng sinh trưởng, sứcsống, sức sinh sản, khả năng chống chịu và thích nghi, năng suất chất lượng hạt

và các đặc tính khác Nhờ ứng dụng ưu thế lai mà con người đã tạo ra nhiều loạicây trồng đặc biệt là các cây lương thực, cây thực phẩm cho năng suất cao, chấtlượng tốt, phục vụ nhu cầu của con người Tuy nhiên, lúa là cây tự thụ phấn điểnhình, tỷ lệ giao phấn thấp do đó khai thác ưu thế lai ở lúa đặc biệt khó khăntrong sản xuất hạt lai F1 Do đó để có thể sản xuất hạt lai dễ dàng và thuận tiệnhơn người ta đã tạo ra lúa có đặc điểm thích nghi với thụ phấn chéo và gây bấtdục hạt phấn để nhận được phấn từ cây bố cần lai

Hiện nay, trong nghiên cứu lúa lai bao gồm cả lúa lai hai dòng và lúa lai

ba dòng thì thường sử dụng các dòng bất dục đực để tạo ra cây lai F1 Kiểu bấtdục phổ biến nhất ở cây trồng là bất dục đực tế bào chất (CMS) và bất dục đựcgen nhân (NMS), ở cây lúa là bất dục đực cảm ứng với điều kiện môi trường(EGMS)

1.5.2 Các phương pháp tạo lúa bất dục [2]

• Phương pháp nhập nội

Nhập các dòng sẵn có từ các trung tâm nghiên cứu quốc tế hoặc từ cácquốc gia khác Nếu là dòng bất dục đưc TGMS: Khi lúa ở vào thời kỳ phân hóađòng cần đưa một số cây vào buồng khí hậu nhân tạo và có thể điều khiển đượcnhiệt độ lên cao trên 250C để kiểm tra hạt phấn bất dục và nhiệt độ thấp dưới

240C để kiểm tra tính hữu dục Từ đó đánh giá dòng bất dục nhập vào Nếu làdòng bất dục đực PGMS thì cần phải tiến hành xử lý ánh sáng trong phytotron

để phát hiện dòng cần tìm

Các dòng vật liệu được nhập nội vào Việt Nam cần được tiến hành nghiêncứu chọn lọc, phân lập, đánh giá khả năng thích ứng của chúng để đưa chúngvào sử dụng có hiệu quả Do vậy nhập nội giống là phương pháp chọn giống mất

ít thời gian và có hiệu quả cao đặc biệt đối với những nước nghèo chậm pháttriển, đầu tư nghiên cứu chưa đầy đủ

• Phương pháp lai

Phương pháp này được thực hiện khi đã có sẵn nguồn gen CMS, TGMShoặc PGMS được nhập nội hoặc tự tạo từ trước Để đa dạng hóa các dòng chứagen CMS cần lai với nhiều dòng giống lúa có đặc tính nông sinh tốt với tiềmnăng năng suất cao, chất lượng tốt, chống chịu sâu bệnh khỏe Đối với các dòng

có chứa gen EGMS thì khi thu được hạt lai F1 tiếp tục để tạo quần thể F2 sau đótiến hành xử lý điều kiện môi trường để xác định tính bất dục thuộc dòng nào vàtrong điều kiện nào

Phương pháp lai xa giữa các loài phụ hoặc lai lúa dại với lúa trồng: Mỗiloại bất dục đều do những nguyên nhân khác nhau gây nên, muốn tìm ra cácdạng bất dục đực di truyền tế bào chất trước hết cần chọn bố mẹ phù hợp

Phương pháp lai trở lại: Dùng khi có sẵn các dòng có nhiều đặc điểmnông sinh tốt đồng thời có gen EGMS cần thiết từ một dòng cho Vì tính bất dụccủa các dòng bất dục đực TGMS và PGMS đều được kiểm tra bởi gen lặn nênbắt đầu lai lại ngay từ F1 sẽ giữ được tính bất dục đến thế hệ sau Phương pháplai lại có thể chuyển được gen MS giữa các giống không cùng loài phụ hoặcgiữa các bố mẹ không tương hợp di truyền

• Phương pháp đột biến

Dùng phương pháp xử lý đột biến bằng các tác nhân vật lý, hóa học có thểtạo ra các dạng đột biến bất dục khác nhau trong quần thể Muốn tìm dòng CMStrong số các dạng bất dục đó cần phải lai thử các cá thể bất dục với dòng vật liệukhởi đầu (chưa xử lý đột biến) hoặc các giống lúa thường khác có những tínhtrạng mà nhà chọn giống mong đợi Các tổ hợp được chọn đem lai lại với dòng

bố, tiếp tục như vậy 5-6 lần rồi đánh giá độ thuần kiểu hình và độ thuần về tínhbất dục qua đó chọn được cặp có độ ổn định bất dục cao.

Khi dùng các tác nhân gây đột biến tác động lên hạt giống khô đang nảymầm để gây đột biến Trong hàng loạt các đột biến được tạo ra sẽ có thể tìmđược các đột biến là EGMS Ngoài các phương pháp tạo dòng EGMS truyềnthống người ta có thể quy tụ các gen hữu ích vào một dòng vật liệu làm cho tínhmẫn cảm ổn định hơn dựa vào bản đồ các gen của một số dòng TGMS, PGMS

• Phương pháp tạo dòng lúa bất dục đực bằng kỹ thuật di truyền

Sử dụng kỹ thuật cấy chuyển nhân: Lấy nhân tế bào của một giốngchuyển vào tế bào chất của giống khác để tạo dòng CMS mong muốn

Sử dụng kỹ thuật MAS để chọn tạo các dòng A, B, R phục vụ cho nghiêncứu chọn tạo giống lúa lai

1.5.3 Hệ thống lúa lai

• Lúa lai ba dòng

Là giống lai được tạo ra từ ba dòng:

- Dòng A (dòng bất dục đực tế bào chất- CMS): Là dòng có nhụy phát triển bình

thường nhưng hạt phấn bị thui chột hoàn toàn, nó không tự thụ phấn như lúathường mà muốn kết hạt phải nhờ vào dòng bố khác cho phấn Nếu nhuộm hạtphấn bằng I-ốt (dung dịch I2 + KI 0,1%) và soi trên kính hiển vi thì hạt phấnkhông nhuộm màu, có hình dạng bất thường(hình tam giác, hình thoi, hình trăngkhuyết ) Nhìn bằng mắt thấy bao phấn có màu trắng, rung cây lúc hoa nởkhông có phấn tung ra, nếu cách ly dòng A khi trỗ bông thì hạt bị lép hoàn toàn,nếu dùng phấn của cây lúa khác rũ vào nhụy hoa dòng A thì dòng A kết đượchạt Khi trỗ bông dòng A thường bị nghẹn đòng (1/3 bông nằm trong bẹ lá đòng)nên người ta phun GA3 giúp cho bông trỗ thoát Các dòng A chính đã đượcchọn tạo và sử dụng là: Trân sán 97A, BoA, V20A, Kim 23A, V41A, II32A, I-32A, U1A trong khoảng hơn 100 dòng A đã tìm được đến nay

- Dòng B (dòng duy trì bất dục) : Là dòng tự thụ phấn, khi dùng phấn của nó thụ

phấn cho dòng A thì hạt của dòng A thu được sẽ bất dục y hệt đặc tính dòng mẹ

của nó, nghĩa là cây lúa mọc từ hạt dòng A thế hệ sau lại bất dục phấn hoàntoàn Dòng B làm nhiệm vụ duy trì tính bất dục của dòng A Mỗi dòng A chỉ cómột dòng B duy trì tính bất dục với nó Các dòng B đã được chọn tạo và sử dụngnhư Trân sán 97B, BoB, V20B, Kim 23B, V41B, II-32B, I-32A, U1B Dòng Bđược nhân như lúa thuần.

- Dòng R (dòng phục hồi) : Là dòng tự thụ phấn, dùng để thụ phấn cho phấn

dòng A để tạo ra hạt lai F1, cây lúa mọc từ hạt lai F1 có phấn hữu dục, đồngnhất về các tính trạng nông sinh học và có ưu thế lai Các dòng phục hồi đangđược sử dụng trong sản xuất đại trà như: Peiai 64S, Minh khôi 63, Quế 99, dòng838 Mức độ ưu thế lai của con lai F1 phụ thuộc rất lớn vào khả năng phục hồiphấn của dòng R và khả năng kết hợp giữa dòng A và dòng R Do vậy cần phảichọn lọc dòng R tốt nhất cho mỗi dòng A

Mặc dù lúa lai ba dòng có nhiều ưu điểm song cũng có một số nhượcđiểm như sau :

+ Do các dòng A, dòng B, dòng R có hiện tượng thoái hóa nên thườngxuyên phải chọn lọc lại dòng thuần tốn nhiều cồng sức

+ Có khoảng 95% số dòng A đang dùng thuộc kiểu bất dục dạng hoangdại, hiện tượng đồng tế bào chất dẫn đến tình trạng lúa lai 3 dòng mẫn cảm vớimột số bệnh nhất là bạc lá, rầy nâu…

+ Phạm vi lai của các tổ hợp lai còn hạn hẹp mới chỉ lai giống giữa cácloài phụ, chưa tìm được tổ hợp lai xa nên năng suất còn hạn chế

+ Tổ chức sản xuất hạt lai F1 phức tạp qua hai bước (duy trì dòng A vàsản xuất hạt lai F1) nên giá thành cao

• Lúa lai hai dòng

Lúa lai ba dòng đem lại nhiều lợi ích kinh tế cho ngành nông nghiệp củanhiều quốc gia trên thế giới, tạo ra nhiều tổ hợp lai có năng suất cao, cải tiếnchất lượng… Tuy nhiên vẫn còn một số hạn chế đó là sử dụng không đa dạng,

dễ gây sâu bệnh, công nghệ sản xuất phức tạp cồng kềnh, sản xuất bị động và

phải tốn nhiều lao động… Để khắc phục những hạn chế đó, các nhà khoa học đã

sử dụng lúa lai hai dòng[2]

Lúa lai hai dòng là giống lai giữa dòng mẹ bất dục đực di truyền nhâncảm ứng với nhiệt độ (TGMS) hoặc quang chu kỳ (PGMS) với dòng bố hữudục

Năm 1973, Thạch Minh Tùng (Hồ Bắc – Trung Quốc) phát hiện ở giốnglúa Nongken 58 có gen bất dục nhân mẫn cảm với môi trường Đặc điểm của cácgiống có gen bất dục nhân là : Nếu gieo cấy cho lúa phân hóa đòng bước 5 vàbước 6 (12 – 18 ngày trước trỗ) ở điều kiện nhiệt độ cao, ánh sáng ngày dài thìkhi trỗ cây lúa sẽ bất dục phấn Nghĩa là hạt phấn của nó sẽ bị thui chột hoàntoàn như dòng A của lúa lai "3 dòng", thời gian này dùng để sản suất hạt lai F1.Nếu gieo cấy cho lúa phân hóa đòng bước 5 và bước 6 (12 - 18 ngày trước trỗ) ởđiều kiện nhiệt độ thấp, ánh sáng ngày ngắn thì khi cây lúa trỗ, hạt phấn trở lạibình thường, cây lúa tự kết hạt, thời gian này dùng để sản xuất hạt dòng mẹ chođời sau Như vậy, một dòng này thay thế cho cả dòng A và B trong lúa lai "3dòng", nghĩa là nó vừa làm chức năng để sản xuất hạt lai F1 vừa làm chức năngduy trì hạt cho đời sau Dựa trên phản ứng với điều kiện môi trường mà người tachia ra hai loại dòng bất dục nhân mẫn cảm với môi trường là: Các dòng bất dụcđực di truyền nhân mẫn cảm với nhiệt độ TGMS trong lúa Indica dòng Peiai 64S(PA64S, xuất phát từ NK58S) Và các dòng bất dục nhân cảm ứng với quangchu kỳ PGMS trong dòng lúa japonica Nongken 58s (NK58S) [12] Dòng bấtdục đực TGMS, bất dục phấn khi gặp nhiệt độ > 250C và hữu dục ở nhiệt độ <

240C, ở Việt Nam chủ yếu sử dụng dòng này Dòng bất dục đực cảm ứng vớiquang chu kỳ (PGMS), bất dục phấn khi thời gian chiếu sáng dài > 14 giờ vàhữu dục khi thời gian chiếu sáng ngắn < 13 giờ Dòngmẹ trong lúa lai hai dòng

kí hiệu bằng chữ S Ví dụ: Bồi ải 64S, 7001S, An xianS Và một dòng phụchồi vẫn được gọi là dòng R

Hình 1.2: Sơ đồ sản xuất lúa lai hai dòng (TGMS).

Một chương trình nhân giống đã được triển khai tại Viện Nghiên cứu lúagạo quốc tế (IRRI) vào năm 1990 để phát triển dòng lúa bất dục cảm ứng vớinhiệt độ TGMS cho phát triển giống lúa lai hai dòng ở vùng nhiệt đới [11] Năm

1996, Trung Quốc đã nghiên cứu thành công lúa lai hai dòng Kết quả là tạo racác tổ hợp lai hai dòng cho năng suất cao và chất lượng gạo cao hơn lúa lai badòng Theo Nguyễn Văn Hoan (2000), việc ứng dụng các dòng EGMS để pháttriển lúa lai so với ứng dụng dòng CMS kinh điển có các ưu thế hơn hẳn sau:Quá trình phát triển hạt lai được đơn giản hoá, không phải tổ chức một lần lai đểduy trì dòng bất dục như hệ “ba dòng” vì không cần dòng Do tính bất dục đựcđược kiểm soát bởi các gen lặn nên hầu hết các giống lúa thường đều phục hồiphấn được cho các dòng EGMS Vì vậy việc chọn dòng phục hồi sẽ dễ dànghơn, phổ cập hơn, có thể mở rộng ra ngoài phạm vi của một loài phụ và khảnăng tạo ra các tổ hợp năng suất cao hơn được tăng lên đáng kể Kiểu gen củaEGMS dễ dàng được chuyển sang giống khác, để tạo ra các dòng bất dục mớivới nguồn di truyền khác nhau, tránh nguy cơ đồng tế bào chất và thu hẹp phổ ditruyền Tính bất dục của dòng EGMS không liên quan đến tế bào chất vì thế cácảnh huởng của kiểu bất dục dạng dại (WA) đã được khắc phục, khả năng kếthợp giữa năng suất cao và chất lượng tốt được mở rộng và hiện thực hơn

• Lúa lai một dòng

Lúa lai một dòng thực chất là vấn đề duy trì ưu thế lai của một tổ hợp lainào đó nhờ sử dụng thể vô phối (Apomixis) Sinh sản vô phối hay còn gọi là