Luận văn thực hiện với mục tiêu đánh giá mức độ đa dạng di truyền của tập đoàn giống lúa chịu mặn bản địa của Việt Nam ở mức phân tử và xác định mối quan hệ di truyền giữa các nguồn gen ở các địa phương khác nhau phục vụ cho công tác bảo tồn, khai thác và sử dụng có hiệu quả các nguồn gen lúa chịu mặn bản địa của Việt Nam. Mời các bạn cùng tham khảo.
Luận văn thạc sỹ Bùi Văn Hiệu MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Lúa gạo lương thực quan trọng người Trên giới lúa xếp vào vị trí thứ hai sau lúa mì diện tích sản lượng Ở Châu Á, lúa gạo coi lương thực quan trọng nhất, chiếm diện tích 135 triệu tổng số 148,4 triệu trồng lúa toàn giới Trong tương lai, xu sử dụng lúa gạo tăng loại lương thực sử dụng phổ biến, dễ bảo quản, dễ chế biến cho lượng cao Theo tính toán Peng cộng sự, đến năm 2030 sản lượng lúa giới cần phải đạt 800 triệu đáp ứng nhu cầu lương thực người [52] Với tình hình dân số tăng nhanh, giới phải đối mặt với nguy thiếu lương thực Theo nghiên cứu Lobell, đến năm 2030 sản lượng lương thực châu Á giảm khoảng 10%, đặc biệt sản phẩm lúa gạo [38] Nguyên nhân suất sản lượng lúa gạo giảm ảnh hưởng thiên tai, sâu bệnh yếu tố mơi trường Trong đó, yếu tố đáng ý tượng đất nhiễm mặn Trên giới, đất trồng trọt bị ảnh hưởng mặn ước khoảng 380 triệu ha, chiếm 1/3 tổng diện tích đất canh tác [3] Việt Nam với đường bờ biển dài 3.620 km trải dài từ Bắc vào Nam, hàng năm vùng trồng lúa ven biển chịu ảnh hưởng nhiều xâm thực biển Theo số liệu thống kê, diện tích đất ngập mặn năm 1982 494.000 ha, đến năm 2000 606.792 [9] Theo báo cáo Cục trồng trọt, đồng sông Cửu Long, xâm ngập mặn ảnh hưởng đến 620.000 ha/1.545.000 lúa đông xuân 20092010, chiếm 40% diện tích tồn vùng (tại tỉnh ven biển Tiền Giang, Trà Vinh, Sóc Trăng, Bạc Liêu, Cà Mau, Kiên Giang Bến Tre) Trong đó, diện tích có nguy bị xâm ngập mặn cao khoảng 100.000 ha/650.000 ha, chiếm 16% diện tích canh tác lúa tỉnh Đặc biệt, điều kiện khí hậu toàn cầu thay đổi, tượng băng tan hai cực, nước biển dâng lên đe dọa vùng đất canh tác thấp ven biển Như vậy, đất nhiễm mặn yếu tố gây khó khăn cho chiến lược phát triển sản lượng lúa gạo thử thách lớn mục tiêu đảm bảo an ninh lương thực xuất lúa gạo Việt nam Chính vậy, việc chọn tạo giống lúa chịu mặn đặt cấp bách cần thiết Luận văn thạc sỹ Bùi Văn Hiệu Trong tập đoàn quĩ gen lúa Việt Nam có nhiều nguồn gen lúa chịu mặn thích nghi với điều kiện sinh thái địa phương khác nhau, chưa nghiên cứu đánh giá cách đầy đủ Hầu hết giống chịu mặn có suất thấp Một số giống lúa cải tiến, lai tạo chọn lọc chưa đáp ứng nhu cầu sản xuất Chính vậy, chúng tơi tiến hành đề tài: “Nghiên cứu đa dạng di truyền tập đồn lúa có khả chịu mặn Việt Nam thị SSR” nhằm cung cấp thông tin nguồn gen lúa chịu mặn phục vụ công tác bảo tồn chọn tạo giống lúa chịu mặn Mục đích nghiên cứu Đánh giá mức độ đa dạng di truyền tập đoàn giống lúa chịu mặn địa Việt Nam mức phân tử xác định mối quan hệ di truyền nguồn gen địa phương khác phục vụ cho công tác bảo tồn, khai thác sử dụng có hiệu nguồn gen lúa chịu mặn địa Việt Nam Ý nghĩa khoa học thực tiễn Đề tài 3.1 Ý nghĩa khoa học Hiểu biết đa dạng di truyền nguồn gen lúa chịu mặn tạo sở lý luận cho việc chọn lọc, phục tráng để nâng cao tiềm di truyền giống lúa chịu mặn sản xuất Phát sai khác di truyền giống lúa chịu mặn có ý nghĩa quan trọng việc xác định allele hiếm, allele đặc trưng để nhận dạng xác nguồn gen ưu tú phục vụ nghiên cứu lai tạo giống định hướng cho công tác thu thập bảo tồn đa dạng nguồn gen lúa chịu mặn mức phân tử 3.2 Ý nghĩa thực tiễn Nghiên cứu đa dạng di truyền thơng qua thị phân tử góp phần nâng cao hiệu công tác bảo tồn chọn tạo giống lúa có phẩm chất gạo tốt, suất cao, có khả chịu mặn, phù hợp với điều kiện canh tác lúa vùng nhiễm mặn cấu sản xuất lúa vùng nhiễm mặn Việt Nam Luận văn thạc sỹ Bùi Văn Hiệu Đối tượng phạm vi nghiên cứu 4.1 Đối tượng: Đối tượng nghiên cứu cứu tập đoàn 38 giống lúa có đặc tính chịu mặn thu thập nhiều địa phương khác nhau, giống lưu giữ bảo tồn ngân hàng gen Cây trồng Quốc gia (Trung tâm Tài nguyên Thực vật) ngân hàng gen Viện Lúa đồng sông Cửa Long 4.2 Phạm vi nghiên cứu: Đề tài nghiên cứu, đánh giá nguồn gen mức phân tử thị SSR; Các thí nghiệm tiến hành Bộ mơn Kĩ thuật Di truyền - Viện Di Truyền Nông nghiệp Luận văn thạc sỹ Bùi Văn Hiệu CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Vài nét sơ lược lúa 1.1.1 Nguồn gốc phân bố lúa Tổ tiên lúa tồn từ đầu kỷ Phấn trắng Vào kỷ này, xuất loại nguyên thuỷ thuộc tộc Oryzae, loại Streptochasta Schrad Đến cuối kỷ Phấn trắng xuất loại tre (Bambusa) loại lúa (Oryza) Một số loại khác xuất muộn vào kỷ thứ ba, thời kỳ phát triển mạnh họ Hoà thảo (Gramineae) Các lồi lúa Oryza spp có tổ tiên chung vào thời địa cầu Gondwanaland, sau trái đất tách rời thành năm lục địa cách khoảng 85-90 triệu năm [4] Theo Chang, lúa trồng Oryza sativa tiến hoá từ lúa dại hàng năm Oryza nivara Do thích ứng với điều kiện khí hậu, đặc biệt nhiệt độ, lúa Oryza sativa lại tiếp tục tiến hố làm ba nhóm: Indica thích hợp với khí hậu nhiệt đới, Japonica thích ứng với khí hậu lạnh cho suất cao Javanica có đặc tính trung gian [18] Theo Oka (1988) lại cho Oryza sativa có nguồn gốc từ lúa dại lâu năm Oryza rufipogon [50] Tác giả Cheng nghiên cứu di truyền tiến hoá 101 giống lúa, bao gồm lúa trồng lúa dại cho thấy loài lúa trồng Oryza sativa chia thành hai nhóm tương ứng với hai lồi phụ Indica Japonica Trong Oryza rufipogon chia thành bốn nhóm, nhóm Oryza rufipogon hàng niên ba nhóm Oryza rufipogon đa niên Kết cho thấy giống lúa Japonica có quan hệ gần gũi với nhóm Oryza rufipogon đa niên, giống lúa Indica có quan hệ gần với nhóm lúa Oryza rufipogon hàng niên [20] Ở châu Phi hai loài lúa dại Oryza longistaminata (đa niên) Oryza brevigulata (hàng niên) diện, vậy, nhiều tác giả cho Oryza breviligulata nguồn gốc Oryza glaberrima [4] Hiện nay, nhiều chuyên gia lúa gạo đồng ý lúa glaberrima lúa sativa có chung nguồn thủy tổ vào thời kỳ lục địa nguyên thuỷ Gondwanaland, sau lục địa tách rời nhau, lúa sativa glaberrima tự tiến hố từ lồi lúa dại địa hai châu lục châu Á châu Phi (Khush, 1997) [36] Luận văn thạc sỹ Bùi Văn Hiệu Hình 1.1 Sơ đồ tiến hố hai lồi lúa trồng (Khush, 1997) [36] Việc hoá lúa diễn bán đảo Trung Ấn bắt đầu khoảng 10.000 - 15.000 năm trước, lúa trồng xuất châu Á cách khoảng 8.000 năm [19,39] Theo tác giả Chang O sativa hóa Nam Himalaya, vùng núi Đông Nam Á Đông Nam Trung Quốc Từ trung tâm phát sinh, lúa theo thời gian di thực nhiều vùng sinh thái Qua trình chọn lọc tự nhiên nhân tạo, lúa có khả thích nghi ngày rộng Hiện nay, lúa trồng điều kiện sinh thái khí hậu khác Lúa trồng Tây Bắc Trung Quốc (50 o vĩ Bắc), miền Trung Xumatra đường xích đạo New South Wales, châu Úc (35 o vĩ Nam) Lúa trồng từ vùng thấp mực nước biển, Kerala (Ấn Độ) đến vùng có độ cao 2000 mét Kasmia (Ấn Độ) trồng cạn điều kiện nước sâu tới 1,5 - mét [8] Luận văn thạc sỹ Bùi Văn Hiệu 1.1.2 Phân loại Cây lúa trồng thuộc họ Poaceae, trước gọi họ Hoà thảo (Gramineae), họ phụ Pryzoideae, tộc Oryzae, chi Oryza, loài Oryza sativa Oryza glaberrima Loài Oryza sativa lúa trồng châu Á Oryza glaberrima lúa trồng châu Phi Năm 1753, Lineaeus người mô tả xếp loài lúa sativa thuộc chi Oryza Dựa vào mày hạt dạng hạt tác giả phân chi Oryza thành bốn nhóm sativa, granulata, coarctala, rhynchoryza chi Oryza gồm tất 19 loài [4] Morinaga người sử dụng kỹ thuật phân tích genome để định danh lồi lúa dại Cơng trình nghiên cứu dựa sở khoa học giúp phân tích lồi lúa xác [4] Hội nghị Di truyền lúa Quốc tế họp Philippines năm 1963 thống chia chi Oryza thành 19 loài Tại Hội nghị di truyền lúa Quốc tế Viện nghiên cứu lúa Quốc tế Philippines (năm 1967) lại khẳng định chi Oryza có 22 lồi có 20 lồi lúa dại hai loài lúa trồng [19] Sau này, Vaughan phát thêm loài lúa dại Papua New Ginea loài Oryza rhizomatis, đưa số loài chi Oryza lên 23 lồi chia thành bốn nhóm genome Danh sách loài, số lượng nhiễm sắc thể, gen loài Bảng 1.1 (Vaughan, 1994) [62] Ngày nay, nhà phân loại học trí chi Oryza có 23 lồi 21 lồi hoang dại hai loài lúa trồng Oryza sativa Oryza glaberrima thuộc loại nhị bội 2n = 24 có gen AA Loài Oryza glaberrima phân bố chủ yếu Tây Trung Phi lồi Oryza sativa gieo trồng khắp giới chia thành hai loài phụ Indica Japonica Tác giả Vitte cho hai loài phụ Indica Japonica phân hoá độc lập với nhau, cách khoảng 200.000 năm [63] Trong tác giả Jianxin dựa vào kết phân tích ADN nhân tế bào lại cho lúa Indica lúa Japonica tách từ tổ tiên chung, cách khoảng 440.000 năm [34] Theo Tateoka (1963, 1964) Oryza phân thành 22 loài Trong đó, tác giả thống lồi lúa trồng O sativa L O glaberrima Steud, xem dạng lúa Châu Phi (O perennis Moench) loài riêng, dạng lúa Châu Á Châu Luận văn thạc sỹ Bùi Văn Hiệu Mỹ thuộc loài O rufipogon Griff Tateoka bổ sung loài O longiglumis Jansen O angustifolia Hubbard (Bảng 1) [59,60] Bảng 1.1 Các loài Oryza theo Takeoka (1963) với số nhiễm sắc thể, kiểu gen phân bố địa lý Nhóm/lồi Nhóm Oryzae Sativa L Rufipogon Griff Barthii A Chev glaberrima Steud breviligulata A Chev et Roehr australiensis Domin eichingeri A Peter punctata Kotschy officinalis Wall minuta J.S Presl latifolia Desv alta Swallen grandiglumis Prod Nhóm Schlechterianae schlechteri Pilger Nhóm Granulatae meyeriana Baill Nhóm Ridleyanae ridleyi Hook F longiglumis Jansen Nhóm Angustifoliae brachyantha A Chev et Roehr angustifolia Hubbard perrieri A Camus Tisseranti A Chev Nhóm Coarctatae Coarctata Roxb Nguồn: Oka, 1988 2n Kiểu gen 24 24 24 24 24 24 24 24, 48 24 48 48 48 48 AA AA AA AA AA EE CC BB, BBCC CC BBCC CCDD CCDD CCDD Phân bố địa lý Khắp giới, lúa trồng Châu Á, Châu Mỹ Châu Phi Châu Phi, lúa trồng Châu Phi Châu Úc Châu Phi Châu Phi Châu Á Châu Á Châu Mỹ Châu Mỹ Châu Mỹ New Guinea 24 Châu Á 48 48 Châu Á New Guinea 24 24 24 24 FF 48 Châu Phi Châu Phi Malagasy Châu Phi Châu Á Luận văn thạc sỹ Bùi Văn Hiệu Bảng 1.2 Đặc trưng hình thái sinh lý tổng quát nhóm giống lúa Đặc tính INDICA Thân - Thân cao Chồi - Nở bụi mạnh Lá - Lá rộng, xanh nhạt JAPONICA - Thân thấp - Nở bụi trung bình - Lá hẹp, xanh đậm Hạt - Hạt tròn, ngắn - Hạt khơng tới có dài - Trấu có lơng dài dầy - Ít rụng hạt JAVANICA - Thân cao trung bình - Nở bụi thấp - Lá rộng, cứng, xanh nhạt - Hạt thon dài, dẹp - Hạt to, dầy - Hạt khơng - Hạt khơng có có có dài - Trấu lơng lơng - Trấu có lơng dài ngắn - Ít rụng hạt - Hạt dễ rụng Sinh học -Tính quang cảm - Tính quang cảm - Tính quang cảm thay thay đổi yếu đổi Nguồn: Chang, 1965 Hiện nay, diện tích trồng lúa chiếm 1/10 diện tích đất trồng trọt giới có 15 nước giới trồng lúa với diện tích hơn triệu (trong có tới 13 nước thuộc Châu Á) Riêng Trung Quốc Ấn Độ chiếm khoảng 50% diện tích trồng lúa 56% sản lượng lúa toàn cầu Bangladesh, Indonexia, Thái Lan nước có diện tích trồng lúa lớn tổng diện tích trồng lúa tất nước Mĩ La tinh Cả châu Phi có diện tích trồng lúa gần diện tích trồng lúa Việt Nam, sản lượng lúa lại thấp Việt Nam từ 2-3 lần [12] 1.2 Đất nhiễm mặn Đất mặn xem vấn đề cần quan tâm giới, ảnh hưởng lớn đến diện tích suất trồng Tính chất vật lý hoá học đất mặn đa dạng, biến thiên tuỳ thuộc vào nguồn gốc tượng mặn, độ pH đất, hàm lượng chất hữu đất, chế độ thuỷ văn nhiệt độ [24] Đất mặn chứa lượng muối hoà tan nước vùng rễ cây, làm ảnh hưởng đến hoạt động sinh trưởng trồng Mức độ gây hại đất mặn tuỳ thuộc vào loài trồng, giống cây, thời gian sinh trưởng, yếu tố môi trường kèm tính chất đất Do đó, người ta khó định nghĩa đất mặn cách xác đầy đủ Hội Khoa học Đất Mỹ (SSSA) xác định đất mặn đất có độ dẫn điện (EC) lớn dS/m, không kể đến hai giá trị khác: tỉ lệ hấp thu sodium (SAR) pH Luận văn thạc sỹ Bùi Văn Hiệu Tuy nhiên, hầu hết định nghĩa khác chấp nhận đất mặn đất có độ dẫn điện EC cao dS/m điều kiện nhiệt độ 250C, tỉ lệ phần trăm sodium trao đổi ESP 15, pH nhỏ 8,5 [6] Đất mặn phổ biến vùng sa mạc cận sa mạc Muối tích tụ mao dẫn lên, chảy tràn mặt đất theo kiểu rửa trơi Đất mặn phát triển vùng nóng ẩm, cận nóng ẩm giới điều kiện thích hợp vùng ven biển; mặn nước biển xâm nhập triều cường, lũ lụt; mặn nước thấm theo chiều đứng hay chiều ngang từ thủy cấp bị nhiễm mặn [53] Đất bị ảnh hưởng mặn chiếm 7% diện tích đất tồn giới (ước tính tỷ ha) Đất bị ảnh hưởng mặn đại lục thuộc châu Âu Bắc Mỹ có khả trồng trọt Ở châu Phi Nam Mỹ, khoảng 30% đất bị nhiễm mặn có khả trồng trọt Ở châu Á, 80% đất bị ảnh hưởng mặn có khả trồng trọt khai thác cho sản xuất nông nghiệp Hiện tượng đất nhiễm mặn mối đe dọa lớn đến việc gia tăng sản lượng lúa gạo [24] 1.3 Các vùng lúa nhiễm mặn Việt Nam Ở Việt Nam, tác động biển, vùng nhiễm mặn tập trung chủ yếu hai vùng châu thổ lớn đồng sông Hồng (ĐBSH) đồng sông Cửu Long (ĐBSCL) Ảnh hưởng nước biển vùng cửa sông đất liền ĐBSH khoảng 15 km, vùng ĐBSCL xâm nhập tới 40-50 km Nhóm đất mặn có diện tích khoảng triệu Căn vào nồng độ muối hồ tan với tỷ lệ clo đó, Hội Khoa học Đất Việt Nam chia đất mặn theo bảng sau Bảng 1.3 Phân loại đất mặn Độ mặn Tỷ lệ muốn hòa tan Nồng độ Cl (%) Rất mặn > 1,0 > 0,25 0,5 – 1,0 0,15 – 0,25 0,25 0,05 – 0,15 < 0,25 < 0,05 Mặn nhiều Mặn trung bình Mặn 1.3.1 Vùng lúa nhiễm mặn vùng đồng sông Hồng Ở đồng sông Hồng mùa khô, xâm nhập mặn trở nên phổ biến Luận văn thạc sỹ Bùi Văn Hiệu ảnh hưởng xấu đến sản xuất nông nghiệp, làm trở ngại cho nuôi trồng thủy hải sản Các sông bị xâm nhập mặn hàng năm lớn (bảng 1.4) Các vùng lúa nhiễm mặn ĐBSH thuộc tỉnh: Thái Bình, Hải Phòng, Nam Định, Ninh Bình, Thanh Hóa Một số vùng ven biển thuộc Hải Phòng bị nhiễm mặn khoảng 20.000 hai dạng nhiễm mặn tiềm tàng nhiễm mặn xâm nhiễm từ 0,3-0,5%, chủ yếu tập trung tạo huyện: Kiến Thuỵ, Tiên Lãng, Thủy Ngun, Vĩnh Bảo Tỉnh Thái Bình có khoảng 18.000 nhiễm mặn chủ yếu huyện Thái Thụy, Tiền Hải, Kiến Xương Tỉnh Nam Định có khoảng 10.000 chủ yếu huyện Nghĩa Hưng, Xuân Trường, Giao Thủy Tỉnh Thanh Hóa có khoảng 22.000 đất nhiễm mặn huyện Hậu Lộc, Nga Sơn, Hoằng Hóa, Hà Trung riêng huyện Hậu Lộc có 8.000 nước biển tràn vào sau mùa lũ năm 2005 [3] Bảng 1.4 Tình hình xâm nhập mặn số sông châu thổ sông Hồng Tên sông 0,1 L max.(km)* 0,1 L min.(km) 0,4 L max.(km) 27 22 18 15 10 11 15 12 12 10 10 - Kinh Thầy 40 - Lạch trà 30 - Vân úc 28 - Thái Bình 22 - Trà Lý 20 - Sơng Hồng 14 - Ninh Cơ 32 - Sông Đáy 40 Nguồn: Chu Đinh Hoàng, 1993 * 0,1%; 0,4% = độ mặn; Lmax = chiều dài xâm nhập tối đa; Lmin = Chiều dài xâm nhập tối thiểu Dọc theo ven biển tỉnh miền Trung đất bị nhiễm mặn Hà Tĩnh có khoảng 17.919 ha, Quảng Bình có 9.300 bị nhiễm mặn Ninh Thuận có gần 2.300 đất bị nhiễm mặn 1.3.2 Vùng lúa nhiễm mặn vùng đồng sơng Cửu Long Diện tích tự nhiên khoảng 3,96 triệu ha, chiếm 12% diện tích nước, đồng sơng Cửu Long giữ vai trò quan trọng kinh tế quốc dân Đây vùng đất có ưu lớn nơng nghiệp với diện tích đất sản xuất nơng nghiệp khoảng 2,9 triệu (sản lượng lương thực chiếm 50% tổng sản lượng lương thực nước) 10 Luận văn thạc sỹ Bùi Văn Hiệu Kết thu từ tiêu điện di sản phẩm PCR 30 cặp mồi SSR với tập đoàn 38 giống lúa chịu mặn thu tổng số 156 loại allele, xuất 14 allele 10 cặp mồi với 10 giống (allele xuất ở mẫu giống có tần số