Theo dự báo, dân số thế giới sẽ tăng từ 7,6 tỷ (3/2018) lên khoảng 9 tỷ vào năm 2050, mà đa số xảy ra ở những nƣớc đang phát triển (https://en.wikipedia.org/wiki/World population). Việc đảm bảo cung cấp lƣơng thực, thực phẩm cho khoảng 9 tỷ ngƣời là một thách thức lớn trong bối cảnh nguồn tài nguyên thiên nhiên đang bị khai thác quá mức và sử dụng lãng phí, chƣa kể tác động ngày càng lớn của thiên tai. Biến đổi khí hậu có thể làm sản lƣợng nông sản, gây tổn thất đến 50% hoặc thậm chí mất trắng. Nếu không có các biện pháp đối phó, cũng nhƣ những hành động khẩn cấp, tích cực thì nền an ninh lƣơng thực sẽ bị đe dọa. Vì thế, nhiệm vụ cấp thiết đặt ra cho các nhà khoa học trong lĩnh vực nông nghiệp hiện nay đó là tạo ra các giống cây trồng mới thích ứng với biến đổi khí hậu và đảm bảo an ninh lƣơng thực. Ở miền Bắc nƣớc ta, bệnh bạc lá là một trong những đối tƣợng gây hại thƣờng xuyên và nghiêm trọng trên cây lúa. Một số giống đang đƣợc trồng phổ biến trong sản xuất bị nhiễm nặng bệnh bạc lá. Thƣờng thì các giống kháng bạc lá tốt thì năng suất và phẩm chất không đạt yêu cầu và ngƣợc lại, các giống có năng suất phẩm chất tốt lại không kháng bệnh. Trong những năm gần đây, có rất nhiều đề tài nghiên cứu chọn tạo giống lúa kháng bạc lá dựa trên các phép lai hữu tính và chỉ thị phân tử. Có nhiều sản phẩm của các đề tài là các dòng/giống lúa mang gen kháng bạc lá, thích ứng tốt với ngoại cảnh tuy nhiên năng suất và chất lƣợng chƣa thực sự đáp ứng nhu cầu của sản xuất cũng nhƣ thị hiếu tiêu dùng. Trong khi đó, đột biến đƣợc đánh giá là phƣơng pháp chọn tạo giống cây trồng dễ áp dụng, nhanh chóng và hiệu quả. Không giống nhƣ phƣơng pháp lai hữu tính, đột biến có ƣu điểm đó là giúp cải tiến một số đặc điểm của giống mà không làm mất đi các tính trạng tốt vốn có (Pathirana, 2011). Nếu sử dụng phƣơng pháp đột biến để cải tiến tính trạng năng suất, chất lƣợng của các dòng lúa mang gen kháng bạc lá, đồng thời dùng chỉ thị phân tử để hỗ trợ chọn lọc gen kháng sẽ tăng khả năng thành công. Chính vì vậy, luận án “Nghiên cứu nâng cao năng suất, chất lƣợng một số dòng lúa kháng bệnh bạc lá bằng phƣơng pháp đột biến và chỉ thị phân tử” đƣợc thực hiện với mong muốn chọn tạo đƣợc giống lúa kháng bạc lá, năng suất và chất lƣợng tốt phục vụ cho sản xuất. 1. Mục tiêu nghiên cứu Cải tiến năng suất (đạt 6 – 7 tấn /ha) và một hoặc nhiều chỉ tiêu chất lƣợng (mùi thơm, độ trắng, độ mềm dẻo, vị ngon) các dòng lúa kháng bạc lá bằng phƣơng pháp đột biến và chỉ thị phân tử.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN VIỆN KHOA HỌC NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM *** NGUYỄN THỊ HỒNG NGHIÊN CỨU NÂNG CAO NĂNG SUẤT, CHẤT LƯỢNG MỘT SỐ DÒNG LÚA KHÁNG BỆNH BẠC LÁ BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỘT BIẾN VÀ CHỈ THỊ PHÂN TỬ LUẬN ÁN TIẾN SĨ NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI – 2020 iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU vi DANH MỤC BẢNG vii DANH MỤC HÌNH x CHƢƠNG TỔNG QUAN TÀI LIỆU VÀ CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI 1.1 Đột biến nghiên cứu, chọn tạo giống trồng 1.1.1 Phân loại tác nhân gây đột biến 1.1.2 Bức xạ ion beam chọn tạo giống trồng 1.1.3 Thành tựu chọn giống đột biến giới 1.1.4 Thành tựu chọn giống đột biến nước 12 1.2 Bệnh bạc lúa 17 1.2.1 Nguyên nhân triệu chứng bệnh 17 1.2.2 Quy luật phát sinh, phát triển bệnh 18 1.2.3 Đặc điểm truyền lan bảo tồn 19 1.2.4 Các chủng sinh lý 20 1.2.5 Một số thống kê thiệt hại bệnh bạc gây lúa 23 1.3 Chỉ thị phân tử chọn giống đột biến 24 1.3.1 Chỉ thị phân tử phân loại 24 1.3.2 Chỉ thị phân tử phân tích đa dạng di truyền 27 1.3.3 Chỉ thị phân tử chọn giống lúa kháng bạc 28 1.4 Một số gen quy định suất hạt 32 1.4.1 Một số gen quy định nên tính trạng hạt .32 1.4.2 Gen Ghd7 37 iv 1.5 Một số thông tin quan trọng nhận xét rút từ tổng quan 39 CHƢƠNG 41 VẬT LIỆU, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 41 2.1 Vật liệu nghiên cứu 41 2.1.1 Dòng, giống lúa 41 2.1.2 Các thị phân tử 41 2.1.3 Vi khuẩn gây bệnh bạc 42 2.2 Nội dung nghiên cứu 42 2.3 Phƣơng pháp nghiên cứu 43 2.3.1 Phương pháp chọn giống đột biến (FAO/IAEA, 2011) 43 2.3.2 Phương pháp đánh giá dòng triển vọng 44 2.3.3 Phương pháp thị phân tử 47 2.3.4 Phương pháp đánh giá nhân tạo bệnh bạc (JICA, 2003) 48 CHƢƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 49 3.1 Đánh giá, chọn lọc nguồn vật liệu khởi đầu 49 3.1.1 Tính kháng bạc dòng vật liệu 49 3.1.2 Đặc điểm nơng sinh học dòng lúa vật liệu chiếu xạ 53 3.2 Tạo vật liệu khởi đầu lúa chiếu xạ tia gamma 54 3.2.1 Ảnh hưởng liều lượng chiếu xạ đến tỷ lệ sống sót 54 3.2.2 Ảnh hưởng liều chiếu xạ đến hệ M1 60 3.2.3 Ảnh hưởng liều lượng chiếu xạ đến hệ M2 64 3.2.4 Chọn dòng đột biến có ý nghĩa cho chọn giống 69 3.3 Chỉ thị phân tử nghiên cứu chọn giống lúa đột biến 75 3.3.1 Chọn dòng lúa đột biến kháng bệnh bạc 75 3.3.2 Nghiên cứu sai khác di truyền dòng lúa đột biến 81 3.4 Đánh giá số dòng lúa đột biến kháng bệnh bạc có triển vọng 89 3.4.1 Đánh giá dòng lúa đột biến triển vọng từ chiếu xạ tia gamma 90 v 3.4.2 Đánh giá dòng lúa đột biến triển vọng D14 từ chiếu xạ ion beam 96 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 107 CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 108 vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU ADN : Axit Deoxyribonucleic FAO : Food Agriculture Oganization FNCA: Forum of Nuclear Cooporative Asia HTX : Hợp tác xã IAEA : International Atomic Energy Agency IRRI : International Rice Research Institute JICA : Japan International Cooperation Agency MAS : Marker Assited Selection NST : Nhiễm sắc thể PCR : Polymerase Chain Reaction QTL : Quantitative Trait Locus EXON : Vùng mã hóa INTRON : Vùng khơng mã hóa CTPT : Chỉ thị phân tử NSLT : Năng suất lý thuyết NSTT : Năng suất thực thu vii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Tác động số tác nhân gây đột biến khác lên hệ gen Arabidopsis Thaliana Bảng 1.2 Danh sách dòng NILs sử dụng cho nghiên cứu bệnh bạc 21 Bảng 2.1 CTPT liên kết gen kháng bạc sử dụng nghiên cứu 41 Bảng 2.2 Thông tin chủng vi khuẩn gây bệnh bạc 42 Bảng 2.3 Phân cấp chiều dài hạt gạo 45 Bảng 2.4 Phân cấp hình dạng hạt gạo 45 Bảng 2.5 Thang điểm với tiêu hạt gạo 46 Bảng 2.6 Xếp hạng chất lƣợng cảm quan cơm 46 Bảng 3.1 Phản ứng dòng vật liệu với bệnh bạc (vụ Mùa 2012, HTX Thƣợng Cát) 52 Bảng 3.2 Đặc điểm nơng sinh học dòng lúa vật liệu chiếu xạ (vụ Mùa 2012, HTX Thƣợng Cát ) 53 Bảng 3.3 Ảnh hƣởng liều chiếu xạ đến tỷ lệ sống sót hệ M1 chiếu xạ hạt khô 56 Bảng 3.4 Ảnh hƣởng liều chiếu xạ đến tỷ lệ sống sót hệ M1 chiếu xạ hạt ƣớt 58 Bảng 3.5 Ảnh hƣởng liều chiếu xạ đến biến dị hệ M1 (vụ Mùa 2012, HTX Thƣợng Cát) 61 Bảng 3.6 Ảnh hƣởng liều chiếu xạ đến tần số đột biến số tính trạng hình thái hệ M2 (vụ Xuân 2013, HTX Thƣợng Cát) 66 Bảng 3.7 Ảnh hƣởng liều chiếu xạ đến tần số đột biến yếu tố cấu thành suất hệ M2 (vụ Xuân 2013, HTX Thƣợng Cát) 68 Bảng 3.8 Chọn lọc đột biến có ý nghĩa qua hệ 70 Bảng 3.9 Đặc điểm 52 dòng đột biến có ý nghĩa cho chọn giống (vụ xuân 2015, HTX Thƣợng Cát) 71 viii Bảng 3.10 Chọn lọc dòng đột biến mang gen kháng bệnh bạc 77 Bảng 3.11 Phản ứng gen kháng với vi khuẩn gây bệnh 78 Bảng 3.12 Khả kháng/nhiễm bệnh bạc dòng đột biến (vụ Xuân 2014 HTX Thƣợng Cát) 80 Bảng 3.13 Các dòng lúa đột biến sử dụng phân tích sai khác di truyền thị SSR 81 Bảng 3.14 Khảo sát cặp mồi SSR với nhóm lúa 82 Bảng 3.15 Các tiêu allele, số đa dạng PIC locus SSR đa hình nhận biết 41 dòng lúa Nhóm I 84 Bảng 3.16 Các tiêu allele, số đa dạng PIC locus SSR đa hình nhận biết 10 dòng lúa Nhóm II 85 Bảng 3.17 Đặc điểm hình thái, nơng sinh học dòng đột biến triển vọng từ BT62.1 (vụ Mùa 2017) 91 Bảng 3.18 Đặc điểm hình thái, nơng sinh học dòng đột biến triển vọng từ HC62.2 (vụ Mùa 2017) 92 Bảng 3.19 Năng suất thực thu dòng đột biến triển vọng từ BT62.1 (vụ Mùa 2017) 94 Bảng 3.20 Năng suất thực thu dòng đột biến triển vọng từ HC62.2 (vụ Mùa 2017) 95 Bảng 3.21 Chất lƣợng cơm dòng lúa triển vọng từ chiếu xạ tia gamma 96 Bảng 3.22 Phản ứng dòng lúa đột biến triển vọng D14 với ba chủng vi khuẩn gây bệnh bạc 98 Bảng 3.23 Đặc điểm hình thái, nơng sinh học dòng lúa đột biến triển vọng D14 (vụ Mùa 2017) 99 Bảng 3.24 Năng suất thực thu dòng lúa đột biến triển vọng D14 (vụ Mùa 2017) 101 Bảng 3.25 Chất lƣợng gạo dòng lúa đột biến triển vọng D14 102 ix Bảng 3.26 Chất lƣợng cơm dòng lúa đột biến triển vọng D14 103 Bảng 3.27 Phân tích sai khác vùng mã hóa gen Ghd7 106 x DANH MỤC HÌNH Hình 3.1 Kiểm tra gen Xa4 (a), Xa7 (b) Xa21(c) dòng lúa vật liệu 50 Hình 3.2 Phản ứng dòng lúa vật liệu với chủng vi khuẩn gây bệnh bạc (vụ Mùa 2013) 51 Hình 3.3 Ảnh hƣởng liều chiếu xạ đến sinh trƣởng, phát triển tỷ lệ sống sót giai đoạn mạ 55 Hình 3.4 Ảnh hƣởng liều chiếu xạ đến tỷ lệ sống sót chiếu xạ hạt khơ dòng BT62.1 57 Hình 3.5 Ảnh hƣởng liều chiếu xạ đến tỷ lệ sống sót chiếu xạ hạt khơ dòng HC62.2 57 Hình 3.6 Ảnh hƣởng liều chiếu xạ đến tỷ lệ sống sót chiếu xạ hạt ƣớt dòng BT62.1 59 Hình 3.7 Ảnh hƣởng liều chiếu xạ đến tỷ lệ sống sót chiếu xạ hạt ƣớt dòng HC62.2 59 Hình 3.8 Một số đột biến ghi nhận hệ 65 Hình 3.9 Chọn lọc dòng đột biến mang gen kháng Xa7 Xa21 77 Hình 3.10 Phản ứng dòng đẳng gen với vi khuẩn gây bệnh bạc (chủng 3) 79 Hình 3.11 Phản ứng dòng đột biến đồng ruộng 80 Hình 3.12 Sản phẩm PCR dòng đột biến nhóm I (a) nhóm II (b) với thị SSR gel agarose 2,5% 83 Hình 3.13 Mối quan hệ di truyền dòng lúa đột biến từ BT62.1 887 Hình 3.14 Mối quan hệ di truyền dòng lúa đột biến từ HC62.2 88 Hình 3.15 Kiểm tra gen kháng bạc dòng lúa đột biến triển vọng 97 xi Hình 3.16 Phản ứng dòng lúa đột biến triển vọng D14 với vi khuẩn gây bệnh bạc 97 Hình 3.17 Dòng lúa đột biến triển vọng D14 HTX Dục Tú - Đông Anh - Hà Nội (vụ mùa 2017) 101 Hình 3.18 Hạt thóc hạt gạo dòng đột biến triển vọng D14 102 Hình 3.19 Giải trình tự gen Ghd7 104 Hình 3.20 Sai khác vùng mã hóa gen Ghd7 105 Hình 3.21 Sai khác vùng mã hóa gen Ghd7 105 ... 20 1.2.5 Một số thống kê thiệt hại bệnh bạc gây lúa 23 1.3 Chỉ thị phân tử chọn giống đột biến 24 1.3.1 Chỉ thị phân tử phân loại 24 1.3.2 Chỉ thị phân tử phân tích đa dạng... luận án Nghiên cứu nâng cao suất, chất lƣợng số dòng lúa kháng bệnh bạc phƣơng pháp đột biến thị phân tử đƣợc thực với mong muốn chọn tạo đƣợc giống lúa kháng bạc lá, suất chất lƣợng tốt phục... liều lượng chiếu xạ đến hệ M2 64 3.2.4 Chọn dòng đột biến có ý nghĩa cho chọn giống 69 3.3 Chỉ thị phân tử nghiên cứu chọn giống lúa đột biến 75 3.3.1 Chọn dòng lúa đột biến kháng bệnh bạc