Chọn Tạo Giống Lúa Chịu Mặn Có Hàm Lượng Sắt Trong Gạo Cao Và Amylose Thấp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ -o0o - NGUYỄN THỊ MỸ DUYÊN CHỌN TẠO GIỐNG LƯA CHỊU MẶN CĨ HÀM LƢỢNG SẮT TRONG GẠO CAO VÀ AMYLOSE THẤP LUẬN ÁN TIẾN SĨ CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÃ NGÀNH: 62 42 20 01 CẦN THƠ, 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ -o0o - NGUYỄN THỊ MỸ DUYÊN CHỌN TẠO GIỐNG LÖA CHỊU MẶN CÓ HÀM LƢỢNG SẮT TRONG GẠO CAO VÀ AMYLOSE THẤP LUẬN ÁN TIẾN SĨ CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÃ NGÀNH: 62 42 20 01 NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS TRẦN THỊ CÖC HÕA CẦN THƠ, 2019 TRANG XÁC NHẬN CỦA NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC Luận án “Chọn tạo giống lúa chịu mặn có hàm lƣợng sắt gạo cao amylose thấp” nghiên cứu sinh Nguyễn Thị Mỹ Duyên thực hướng dẫn PGS.TS Trần Thị Cúc Hòa Ngƣời hƣớng dẫn khoa học Tác giả luận án PGS.TS Trần Thị Cúc Hòa Nguyễn Thị Mỹ Duyên i LỜI CẢM ƠN Chân thành cảm ơn Cơ PGS.TS Trần Thị Cúc Hòa tận tình hướng dẫn khoa học, dạy cho tơi nhiều cách tiếp cận kiến thức khoa học lĩnh vực nghiên cứu Cô giúp đỡ hỗ trợ hóa chất, trang thiết bị, kinh phí cho nghiên cứu để giúp tơi hồn thành tốt luận án Nghiên cứu sinh Xin chân thành cảm ơn Ban Lãnh Đạo Viện Nghiên cứu & Phát triển Công nghệ Sinh học, Khoa Sau Đại Học Ban Giám Hiệu Trường Đại học Cần Thơ tạo điều kiện thuận lợi thực thủ tục cho tơi suốt q trình học tập Nghiên cứu sinh Tôi xin chân thành cám ơn dạy dỗ nhiệt tình Các Thầy, Cơ Viện Nghiên cứu & Phát triển Công nghệ Sinh học, Trường Đại học Cần Thơ giúp mở mang thêm kiến thức, hỗ trợ cho nghiên cứu Xin gởi lời chân thành biết ơn đến Ban Lãnh đạo Viện lúa Đồng Bằng Sông Cửu Long, anh chị em Bộ môn Công nghệ Sinh học Bộ môn Di truyền chọn giống hỗ trợ giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho xuốt năm thực nghiên cứu Viện Chân thành cảm ơn Lãnh đạo Bộ môn CNSH, Ban chủ nhiệm Khoa Nông nghiệp & TNTN, BGH Trường Đại học An Giang ủng hộ hỗ trợ cho suốt thời gian học Cám ơn em sinh viên Công nghệ Sinh học, Trường Đại học An Giang khóa DH11SH, DH12SH, DH13SH, DH14SH DH15SH hỗ trợ tơi q trình thực thí nghiệm Nghiên cứu sinh Sau xin cảm ơn người thân u gia đình ln động viên, chia tạo điều kiện thuận lợi cho tơi suốt q trình học tập nghiên cứu Nguyễn Thị Mỹ Duyên ii TÓM TẮT Xâm nhập mặn thách thức lớn nông dân trồng lúa vùng Đồng sông Cửu Long (ĐBSCL) nói riêng nước nói chung Đồng thời, thị hiếu người tiêu dùng ngày cao, vấn đề phẩm chất gạo tốt, ngon cơm (có hàm lượng amylose thấp) giàu vi chất (hàm lượng sắt cao) quan tâm hàng đầu Do đó, cần thiết phải lai tạo chọn lọc giống vừa có khả trồng điểm nhiễm mặn mặn, vừa giàu sắt vừa có hàm lượng amylose thấp Mặt khác, nghiên cứu giống lúa có khả chịu mặn thông qua kết hợp phương pháp lai tạo truyền thống chọn lọc đại thị phân tử cho phép rút ngắn thời gian tăng hiệu chọn tạo giống lúa Qua đánh giá 36 dòng/giống lúa triển vọng Bộ mơn Cơng nghệ Sinh học - Viện lúa ĐBSCL chọn dòng/giống có hàm lượng sắt cao amylose thấp làm giống mẹ nhận gen (recipient) bao gồm OM238, OM5451, OM121 OM231 để lai tạo với giống lúa có khả chịu mặn cao Pokkali (donor, cho gen) Trong trình đánh giá chọn lọc nhận thấy tổ hợp lai hồi giao OM121/Pokkali//OM121 nhiễm bệnh vàng có tiềm nên loại bỏ từ hệ BC1F1; tổ hợp lại OM231/Pokkali//OM231, OM238/Pokkali//OM238 OM5451/Pokkali//OM5451 đánh giá Viện lúa ĐBSCL, hệ BC3F4-5 đánh giá điểm chịu mặn Kiên Giang Sóc Trăng để khảo sát khả thích nghi dòng Kết cho thấy, hệ BC3F4, chọn dòng lai ưu việt thuộc tổ hợp với hàm lượng sắt gạo lức dao động từ 14,13 - 16,19 mg/kg, hàm lượng sắt gạo trắng dao động từ 4,55 - 6,65 mg/kg; hàm lượng amylose đạt từ 18,12 - 19,95% Thế hệ BC3F5, chọn dòng triển vọng mang gen chịu mặn có hàm lượng sắt cao hàm lượng amylose thấp bao gồm: dòng BC3F5-5-1-1 thuộc tổ hợp OM231/Pokkali//OM231 với hàm lượng sắt đạt 16,15 mg/kg 6,09 mg/kg gạo lức gạo trắng, amylose đạt 17,90%; tổ hợp OM238/Pokkali//OM238 chọn dòng BC3F5-22-1-1 với hàm lượng sắt gạo lức gạo trắng 15,85 mg/kg 6,02 mg/kg, amylose đạt 19,90%; dòng BC3F5-22-1-3 có hàm lượng sắt gạo lức 14,70 mg/kg hàm lượng sắt gạo trắng 5,39 mg/kg, amylose đạt 18,66% Các dòng có tiềm phát triển vùng ĐBSCL nguồn vật liệu cho nghiên cứu Từ khóa: lúa chịu mặn, thị phân tử SSR, đoạn gen Saltol, hàm lượng sắt, hàm lượng amylose iii SUMMARY Salt intrusion has been a major challenge for rice farmers in the Mekong Delta in particular and the whole country in general At the same time, tastes of higher consumption, good quality rice, delicious rice (low amylose content) and rich in micronutrients (high iron content) are of prime concern Therefore, it is necessary to breed and select new varieties and be able to plant on salinity land with high iron content and low amylose content In addtion, research on the salt-tolerant rice varieties through a combination of traditional crossing and modern selection methods by molecular markers to shorten the time and increase the efficiency of selecting good quality rice varieties Based on the evaluation of 36 potential rice lines/varieties of the Department of Biotechnology- Mekong Delta Rice Institute has selected lines/varieties with high iron content and low amylose as the recipient gene, including OM238-1, OM5451, OM121 and OM231 for hybridization with high salttolerant rice variety is Pokkali (donor, for gene) During the evaluation and selection the hybrid combinations OM121/ Pokkali//OM121 was infected with leaf yellow disease and had little potential to be removed at the BC 1F1 generation; three hybrid combinations (OM231/Pokkali//OM231, OM238/Pokkali//OM238 OM5451/Pokkali//OM5451) were selected at the Mekong Delta Rice Research Institute while the BC3F4-5 generation was also evaluated in two saline areas at Kien Giang and Soc Trang The result, the BC3F4 generation, lines/varieties of three hybrid combinations were selected with the iron content in brown rice ranging from 14,13 to 16,19 mg/kg, the iron content in white rice ranged from 4,55 – 6,65 mg/kg; amylose content is from 18,12% to 19,95% In the BC3F5 generation, the potential lines/varieties carrying the salt-tolerant gene with high iron content and low amylose content include: rice line BC3F5-5-1-1 from the hybrid combinations OM231/Pokkali //OM231 with an iron content of 16,15 mg/kg and 6,09 mg/kg in brown rice and white rice, amylose content was 17,90%; and the hybrid combinations OM238/Pokkali//OM238 was selected rice line BC3F5-22-1-1 with iron content in brown rice and white rice respectively at 15,85 mg/kg and 6,02 mg/kg, amylose content was 19,90%; and rice line BC3F5-22-1-3 had brown iron content of 14,70 mg/kg and iron content in white rice was 5,39 mg/kg, amylose content was 18,66% These rice lines were considered to be ability to develop in the Mekong Delta as well as a valuable resource for further research Keywords: salt-tolerant rice, SSR (microsatellite) marker, Saltol gene, amylose content, iron content iv CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc CAM KẾT KẾT QUẢ Tôi xin cam kết luận án “Chọn tạo giống lúa chịu mặn có hàm lƣợng sắt gạo cao amylose thấp” hoàn thành dựa kết nghiên cứu hướng dẫn khoa học PGS.TS Trần Thị Cúc Hòa Các kết cơng trình nghiên cứu chưa dùng cho luận án cấp khác Tác giả luận án Nguyễn Thị Mỹ Duyên v MỤC LỤC Trang xác nhận người hướng dẫn khoa học i Lời cảm ơn ii Tóm tắt iii Summary iv Cam kết kết v Mục lục vi Danh sách hình x Danh sách bảng xiii Danh mục từ viết tắt xvii Chƣơng 1: Giới thiệu 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục tiêu nghiên cứu 1.3 Nội dung nghiên cứu 1.3.1 Nội dung 1: Đánh giá vật liệu di truyền để chọn bố mẹ sử dụng cho nghiên cứu 1.3.2 Nội dung 2: Lai tạo, lai hồi giao đánh giá tuyển chọn dòng lai mang tính trạng mong muốn .3 1.3.3 Nội dung 3: Trồng khảo nghiệm dòng lúa lai ưu tú có khả chịu mặn, gạo có sắt cao amylose thấp vùng sinh thái 1.4 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 1.4.1 Ý nghĩa khoa học .4 1.4.2 Ý nghĩa thực tiễn 1.5 Tính khoa học đề tài .4 1.6 Những đóng góp đề tài 1.7 Tính ứng dụng đề tài 1.8 Đối tượng phạm vi nghiên cứu Chƣơng 2: Tổng quan tài liệu nghiên cứu liên quan 2.1 Sự xâm nhập mặn đất nhiễm mặn khu vực ĐBSCL 2.2 Sự ảnh hưởng mặn lên lúa .7 2.2.1 Ảnh hưởng giai đoạn nảy mầm đầu giai đoạn mạ 2.2.2 Ảnh hưởng mặn lên chiều cao lúa .8 2.2.3 Ảnh hưởng mặn lên độ hữu thụ hạt phấn 2.2.4 Ảnh hưởng mặn lên chiều dài suất lúa vi 2.3 Tính chống chịu mặn đặc điểm di truyền giống lúa chịu Mặn 2.3.1 Tính chống chịu mặn lúa 2.3.2 Nghiên cứu đặc điểm di truyền giống lúa chống chịu mặn 10 2.4 Chỉ thị phân tử SSR 11 2.5 Sắt vai trò sắt 11 2.5.1 Nhu cầu sắt thể người tác hại thiếu sắt 11 2.5.2 Thành phần sắt có hạt gạo 12 2.5.3 Cung cấp sắt cho thể dựa vào thực phẩm từ gạo giàu sắt .13 2.6 Một số tiêu chí phân loại chất lượng gạo 14 2.6.1 Hàm lượng amylose .14 2.6.2 Các tiêu phẩm chất cơm liên quan đến hàm lượng amylose 17 2.7 Các nghiên cứu liên quan 18 2.7.1 Các nghiên cứu chọn tạo giống lúa giàu sắt 18 2.7.2 Các nghiên cứu hàm lượng amylose giống lúa 21 2.7.3 Một số thành tựu chọn tạo giống lúa chống chịu mặn 25 Chƣơng 3: Phƣơng pháp nghiên cứu 32 3.1 Địa điểm thời gian nghiên cứu .32 3.1.1 Thanh lọc mặn 32 3.1.2 Sử dụng dấu phân tử SSR để nhận diện gen mặn 32 3.1.3 Phân tích phẩm chất hạt 32 3.1.4 Lai tạo hệ lai (F1 đến BC3F1) 32 3.1.5 Đánh giá chọn dòng (BC3F2 đến BC3F3) .32 3.1.6 Trồng thử nghiệm dòng lúa lai ưu tú hệ BC 3F4 đến BC3F5 vùng sinh thái mặn 32 3.2 Phương tiện nghiên cứu 33 3.2.1 Vật liệu 33 3.2.2 Dụng cụ hóa chất .34 3.3 Phương pháp nghiên cứu 35 3.3.1 Nội dụng : Đánh giá vật liệu bố mẹ sử dụng nghiên cứu chọn tạo giống lúa chịu mặn - chất lượng cao .36 3.3.2 Nội dung 2: Lai hồi giao tổ hợp lai tạo dòng lúa mang tính trạng mong muốn 48 vii 3.3.3 Nội dụng 3: Chọn tạo quần thể lai hồi giao có khả chịu mặn thông qua lọc mặn kiểm tra gen mặn nhờ sử dụng thị phân tử SSR 52 3.3.4 Nội dung 5: Khảo nghiệm dòng lúa lai ưu tú có khả chịu mặn, gạo có sắt cao amylose thấp vùng sinh thái vụ Hè Thu 2017 Đông Xuân 2018 .57 3.3.5 Phương pháp phân tích số liệu .64 Chƣơng 4: Kết thảo luận 62 4.1 Đánh giá vật liệu bố mẹ sử dụng nghiên cứu chọn tạo giống lúa chịu mặn - chất lượng cao .65 4.1.1 Đánh giá khả chịu mặn phương pháp lọc 65 4.1.2 Phân tích hàm lượng sắt gạo lức gạo trắng .67 4.1.3 Phân tích nhiệt trở hồ, độ bền gel hàm lượng amylose phương pháp sinh hóa 69 4.1.4 Sử dụng thị phân tử SSR liên kết với gen chịu mặn để phát vật liệu di truyền mang gen mong muốn 73 4.2 Lai hồi giao tổ hợp lai tạo dòng lúa mang tính trạng mong muốn .74 4.3 Chọn tạo quần thể lai hồi giao có khả chịu mặn thơng qua lọc mặn kiểm tra gen mặn nhờ thị phân tử SSR 75 4.3.1 Giai đoạn hệ F1, BC1-3F1 .75 4.3.2 Giai đoạn hạt tự thụ hệ BC3F2 91 4.3.3 Giai đoạn hạt tự thụ hệ BC3F3 105 4.4 Khảo nghiệm dòng lúa có khả chịu mặn, gạo có sắt cao amylose thấp vùng sinh thái vụ Hè Thu 2017 118 4.4.1 Đánh giá tính chống chịu mặn dòng lúa BC3F4 119 4.4.2 Đánh giá đặc tính nơng học suất 122 4.4.3 Đánh giá phẩm chất hạt dòng lúa khảo nghiệm vụ Hè Thu 2017 126 4.5 Khảo nghiệm dòng lúa có khả chịu mặn, gạo có sắt cao amylose thấp vùng sinh thái vụ Đông Xuân 2017 - 2018 130 4.5.1 Đánh giá tính chống chịu mặn dòng lúa BC3F5 131 4.5.2 Đánh giá đặc tính nơng học suất 133 4.5.3 Đánh giá phẩm chất hạt dòng lúa khảo nghiệm vụ Đông Xuân 2017 - 2018 140 4.5.4 Đặc tính dòng chọn từ đề tài 143 viii CHƢƠNG KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 5.1 Kết luận Nghiên cứu chọn tạo giống lúa chịu mặn có hàm lượng sắt gạo cao amylose thấp thực nhằm chọn tạo giống lúa vừa có khả chịu mặn tốt, vừa cho suất cao, phẩm chất gạo tốt, ngon cơm (hàm lượng amylose thấp) giàu chất sắt đáp ứng nhu cầu sản xuất thị trường lúa gạo nước xuất đạt số kết sau: Thông qua đánh giá 36 giống/dòng lúa triển vọng thuộc ngân hàng gen Bộ môn Công nghệ Sinh học - Viện lúa ĐBSCL chọn giống lúa hội đủ điều kiện có hàm lượng sắt cao, hàm lượng amylose thấp độ bền gel thấp OM238, OM5451, OM121 OM231 làm giống mẹ (♀, recipient, nhận gen) lai tạo với giống lúa chịu mặn tốt Pokkali (♂, donor, cho gen) a Kết đánh giá dòng lai từ hệ F1 đến hệ BC3F3 Tổ hợp OM231/Pokkali//OM231: Các dòng lai đánh giá từ hệ F1 đến BC3F3, hệ BC3F3, 17 dòng lai sống sót sau lọc mặn kiểm tra kiểu gen thị phân tử RM1287 RM10694, đánh giá phẩm chất gạo đặc tính nơng học Kết chọn dòng BC3F3-5 BC3F3-11 có đặc tính nơng học phẩm chất hạt tốt, đặc biệt có hàm lượng amylose thấp (