Đất nhiễm mặn là một trong những yếu tố chính làm khó khăn trong chiến lược phát triển sản lượng nông sản, năng suất / ha,và thử thách lớn trong mục tiêu an toàn lương thực, trong điều kiện khí hậu toàn cầu đang thay đổi, băng tan ở hai cực, nước biển sẽ dâng lên đe dọa các vùng canh tác đất thấp ở ven biển. Đất mặn có thể được phân chia làm hai nhóm chính dựa theo nguồn gốc phát sinh mặn: mặn ven biển (coastal salinity), hoặc vùng cửa sông do nước biển xâm nhập vào...
Chương CƠ SỞ DI TRUYỀN TÍNH CHỐNG CHỊU MẶN Đất nhiễm mặn yếu tố làm khó khăn chiến lược phát triển sản lượng nông sản, suất / ha, thử thách lớn mục tiêu an toàn lương thực, điều kiện khí hậu tồn cầu thay đổi, băng tan hai cực, nước biển dâng lên đe dọa vùng canh tác đất thấp ven biển Đất mặn phân chia làm hai nhóm dựa theo nguồn gốc phát sinh mặn: mặn ven biển (coastal salinity), vùng cửa sông nước biển xâm nhập vào mùa khơ, trồng trọt bình thường mùa mưa mặn bên đất mao dẫn từ tầng lên (inland salinity) phá rừng, khơng có tán che phủ Trong nhiều năm qua, người ta cố gắng cải tiến nhiều giống trồng có tính chống chịu mặn tốt Tuy nhiên, chưa hiểu cách đầy đủ chất, chế chống chịu khả di truyền tính trạng chống chịu mặn (Mishra ctv 1998) Thành tựu đạt chọn tạo giống chống chịu mặn chậm nguyên nhân sau: • • • • • kiến thức di truyền tính chống chịu cịn hạn chế tính chất phức tạp chế chống chịu mặn (Yeo Flowers 1986) kỹ thuật lọc chưa hoàn thiện hiệu qủa chọn lọc thấp tương tác tính trạng chống chịu mặn với môi trường chưa hiểu rõ (Akbar 1986) Đối với lúa, tính trạng chống chịu mặn tiến trình sinh lý phức tạp, thay đổi theo giai đoạn sinh trưởng khác (Akbar Yabuno 1972, 1975, 1977) Tính trạng bất thụ bơng lúa bị stress mặn điều khiển mốt số gen trội, gen không tiếp tục thể hệ sau Phân tích diallel tính trạng chống chịu mặn, người ta ghi nhận hai hoạt động gen cộng tính khơng cộng tính với hệ số di truyền thấp (19,18%), ảnh hưởng môi trường lớn (Moeljopawirio Senadhira 1993, Akbar ctv 1985, Gregorio Senadhira 1993) Mức độ có ý nghĩa hoạt động gen cộng tính khơng cộng tính Mishra ctv ghi nhận (1996) Năng suất tính chống chịu mặn giai đoạn phát dục thể khác giống lúa so với tính chống chịu mặn giai đoạn mạ (Ikehashi Ponnamperuma 1978, Akbar ctv 1985, Mishra ctv 1990) Hiện có thơng tin kiểu hình chống chịu mặn giai đoạn trưởng thành lúa giai đoạn mạ Hầu hết thí nghiệm tiến hành giai đoạn mạ, với qui mô quần thể hạn chế số Na/K thường dùng giá trị thị (Mishra ctv 1998) Cây lúa nhiễm mặn có xu hướng hấp thu Na nhiều chống chịu Ngược lại chống chịu mặn hấp thu K nhiều nhiễm Ngưỡng chống chịu NaCl lúa EC=4dS/m (Sathish ctv 1997) Trong qúa trình bị nhiễm mặn, nồng độ ion K+ tế bào điều tiết tương thích với chế điều tiết áp suất thẩm thấu khả tăng trưởng tế bào (Ben-Hayyim ctv 1987) Nhiều loài thực vật thuộc nhóm halophyte phần nhóm glycophyte thực hoạt động điều tiết áp suất thẩm thầu làm cản trở ảnh hưởng gây hại mặn Hoạt động giúp trì lượng lớn K+ hạn chế hấp thu Na+ 2-1 ĐẤT MẶN Đất mặn xem đất có vấn đề phổ biến giới, làm hạn chế suất trồng Tính chất vật lý hóa học đất mặn đa dạng Biến thiên tùy thuộc vào nguồn gốc tượng mặn, pH đất, hàm lượng chất hữu đất, chế độ thủy văn, nhiệt độ (Akbar Ponnamperuma 1982) Đất mặn chứa lượng muối hòa tan nước vùng rễ cây, làm thiệt hại đến hoạt động sinh trưởng trồng Mức độ gây hại đất mặn tùy thuộc vào loài trồng, giống cây, thời gian sinh trưởng, yếu tố môi trường kèm theo nó, tính chất đất Do đó, người ta khó định nghĩa đất mặn cách xác đầy đủ Hội Khoa Học Đất Mỹ (SSSA 1979) xác định đất mặn đất có độ dẫn điện (EC) lớn dS/m, không kể đến hai gía trị khác : tỉ lệ hấp thu sodium (SAR) pH Tuy nhiên, hầu hết định nghĩa khác chấp nhận đất mặn đất có độ dẫn điện EC cao 4dS/m điều kiện nhiệt độ 250C, phần trăm sodium trao đổi ESP 15, pH nhỏ 8,5 (US Salinity Laboratory Staff 1954) Đất mặn phổ biến vùng sa mạc cận sa mạc Muối tích tụ mao dẫn lên đất mặt, 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 (Bhumbla Abrol 1978) Đất mặn bị ảnh hưởng mặn chiếm 7% diện tích đất tồn giới Đất bị ảnh hưởng mặn khơng phải có khả canh tác giống nhau, mà chia thành nhóm khác để sử dụng đất hợp lý Đất bị ảnh hưởng mặn đại lục thuộc Châu Âu Bắc Mỹ có khả trồng trọt Ở Châu Á, 80% đất bị ảnh hưởng mặn có khả trồng trọt, khai thác cho sản xuất nông nghiệp Ở Châu Phi Nam Mỹ, khoảng 30% đất bị nhiễm mặn có khả trồng trọt Hiện tượng nhiễm mặn mối đe dọa lớn đến việc gia tăng sản lượng lương thực quốc gia Chấu Á (Abrol 1986) 2-2 CƠ CHẾ CHỐNG CHỊU MẶN Cơ chế chống chịu mặn lúa biết thơng qua nhiều cơng trình nghiên cứu tiếng (Akbar ctv 1972, Korkor Abdel-Aal 1974, Maas Hoffman 1977, Mori ctv 1987) Mặn ảnh hưởng đến hoạt động sinh trưởng lúa mức độ thiệt hại khác giai đoạn sinh trưởng phát triển khác (Maas Hoffman 1977) Nhiều nghiên cứu ghi nhận tính chống chịu mặn xảy giai đoạn hạt nẩy mầm, sau trở nên mẫn cảm giai đoạn mạ (tuổi 2-3), trở nên chống chịu giai đoạn tăng trưởng, nhiễm thời kỳ thụ phấn thụ tinh, cuối thể phản ứng chống chịu thời kỳ hạt chín (Pearson ctv 1966, IRRI 1967) Tuy nhiên, vài nghiên cứu ghi nhận giai đoạn lúa trổ, khơng mẫn cảm với stress mặn (Kaddah ctv 1975) Do đó, người ta phải chia nhiều giai đoạn để nghiên cứu cách đầy đủ chế chống chịu mặn trồng Thiệt hại mặn thể trước hết giảm diện tích Trong điều kiện thiệt hại nhẹ, trọng lượng khơ có xu hướng tăng lên thời gian, sau giảm nghiêm trọng suy giảm diện tích Trong điều kiện thiệt hại nặng hơn, trọng lượng khô chồi rễ suy giảm tương ứng với mức độ thiệt hại Ở giai đoạn mạ, già khả sống sót sớm non (Akita 1986) Thiệt hại mặn gây cân áp suất thẩm thấu tích tụ nhiều ion Cl- (Iwaki ctv 1953, Ota Yasue 1958, Shimose 1963, Tagawa Ishizaki 1963, Murty Janardhan 1971) Thiệt hại mặn ghi nhận tượng hấp thu lượng qúa thừa sodium, độc tính sodium làm cho clor trở thành anion trơ (neutral), có tác dụng bất lợi với phổ rộng nồng độ (Clarkson Hanson 1980) Sự cân Na-K yếu tố làm hạn chế suất (Devitt cvt 1981) Ion kali có vai trị quan trọng làm kích hoạt enzyme đóng mở khí khổng tương ứng với tính chống chịu mặn trồng, thơng qua tượng tích lũy lượng kali chồi thân (Ponnamperuma 1984) Yeo Flower (1984) tổng kết chế chống chịu mặn lúa theo nội dung sau: • • • • • • Hiện tượng ngăn chận muối - Cây không hấp thu lượng muối dư thừa nhờ tượng hấp thu có chọn lọc Hiện tượng tái hấp thu - Cây hấp thu lượng muối thừa tái hấp thu mô libe Na+ không chuyển vị đến chồi thân Chuyển vị từ rễ đến chồi – Tính trạng chống chịu mặn phối hợp với mức độ cao điện phân rễ lúa, mức độ thấp điện phân chồi, làm cho chuyển vị Na+ trở nên từ rễ đến chồi Hiện tượng ngăn cách từ đến - Lượng muối dư thừa chuyển từ non sang già, muối định vị già khơng có chức năng, chuyển ngược lại Chống chịu mô – Cây hấp thu muối ngăn cách không bào (vacuoles) lá, làm giảm ảnh hưởng độc hại muối hoạt động sinh trưởng Ảnh hưởng pha loãng – Cây hấp thu muối làm loãng nồng độ muối nhờ tăng cường tốc độ phát triển nhanh gia tăng hàm lượng nước chồi Tất chế nhằm hạ thấp nồng độ Na+ mơ chức năng, làm giảm tỉ lệ Na+/K+ chồi (< 1) Tỉ lệ Na+/K+ chồi xem tiêu chọn lọc giống lúa chống chịu mặn (Gregorio Senadhira 1993) Mỗi giống lúa có hai chế nêu trên, khơng phải có tất (Yeo Flowers 1984) Phản ứng trồng tính chống chịu mặn vơ phức tạp, tượng tổng hợp từ yếu tố riêng lẽ Yeo Flowers (1984) kết luận phản ứng tốt làm gia tăng tính chống chịu mặn phải gắn liền với việc tối ưu hóa nhiều đặc điểm sinh lý, có tính chất độc lập tương Do vậy, mục tiêu phối hợp tất chế sinh lý vào giống lúa cải tiến tính chống chịu mặn Abscisic acid (ABA) xem yếu tố quan trọng trồng phản ứng với stress gây mặn, nhiệt độ cao (Gupta ctv 1998) Do ABA cịn xem gen cảm ứng (inducible genes) chế chống chịu mặn trồng 2-3 DI TRUYỀN TÍNH CHỐNG CHỊU MẶN 2-3-1 Nghiên cứu di truyền số lượng tính chống chịu mặn Nghiên cứu di truyền số lượng cho thấy hai ảnh hưởng hoạt động gen cộng tính gen khơng cộng tính có ý nghĩa di truyền tính chống chịu mặn (Mishra ctv 1990, Gregorio Senadhira 1993, Lee 1995) Trong giai đoạn mạ lúa, tính trạng chiều dài chồi, hàm lượng Na K chồi, trọng lượng khô chồi rễ thể khác biệt có ý nghĩa giống kháng giống nhiễm, tính trạng chủ yếu điều khiển hoạt động nhóm gen cộng tính Hệ số di truyền tính chống chịu thơng qua tính trạng thấp (Teng 1994) Trong giai đoạn trưởng thành lúa, tính trạng chiều cao cây, suất điều kiện xử lý mặn điều khiển nhóm gen cộng tính (Moeljopawiro Ikehashi 1981, Akbar ctv 1986, Mishra ctv 1990) Trong phân tích di truyền số lượng thông qua lai diallel 6x6, suất lúa thể tính hoạt động nhóm gen cộng tính khơng có ý nghĩa điều kiện bình thường, trở nên có ý nghĩa điều kiện xử lý mặn (Narayanan ctv 1990) Năng suất lúa bị giảm ảnh hưởng mặn Một giống lúa có ưu hoạt động gen cộng tính suất điều kiện thuận lợi cho chọn lọc giống môi trường mặn Trong phân tích di truyền số lượng thơng qua lai diallel 9x9, tính trạng chống chịu mặn xem xét qua tỉ lệ thấp Na / K chồi, tính trạng kiểm soát hoạt động hai nhóm gen cộng tính khơng cộng tính Tính trạng Na / K thấp thể ảnh hưởng siêu trội điều khiển hai nhóm gen trội Ảnh hưởng mơi trường có ý nghĩa hệ số di truyền thấp (19,18%) (Gregorio Senadhira 1993) Từ đó, tác giả đề nghị quần thể lai phải thật lớn, việc tuyển chọn nên thực hệ sau cùng, điều kiện mặn kiểm soát chặt chẽ, giảm thiểu thấp ảnh hưởng biến động môi trường Trong nghiên cứu di truyền tính chống chịu mặn bao gồm bố mẹ có tính trạng tương phản nhau: giống CSR10 CSR11 chọn làm bố (có tính trạng chống chịu mặn), giống Basmati 370 chọn làm mẹ (khơng có gen kháng mặn) (Mishra ctv 1998) Thế hệ F1 xử lý độ mặn có EC=10dS/m, điều kiện trồng chậu Thế hệ F2 trong điều kiện bình thường đồng ruộng, chọn theo phương pháp trồng dồn (bulk) Thế hệ F3 xử lý mặn giai đoạn mạ (EC=10dS/m) Quần thể trồng cặp lai chia thành nhóm tùy theo phản ứng chống chịu mặn điểm 1, 3, 5, 7, Giá trị trung bình tính theo cơng thức μ = G + I U = G + I ( ΣfU/n) G = số nhóm I = quãng nhóm f = tần suất nhóm U = mã số n = tổng số Phân bố chuẩn ghi nhận quần thể F3, với phép thử Z = (X- μ) / σx μ = trung bình nhóm σx = độ lệch chuẩn Ứng dụng phép thử χ2 để xác định độ phân chuẩn giá trị quần thể, từ suy hệ số “skewness” theo công thức sau νb1 = g1 = m3 / (m2 νm2) m2 = moment thứ cấp = h2 – h12 m3 = moment tam cấp = h3 – 3h2 + 2h13 h1 = ΣfU/n h2 = ΣfU2/n h3 = ΣfU3/n Ứng dụng phép thử “Kurtosis” theo công thức sau g2 = b2 –3 = (m4 / m22) – m4 = moment tứ cấp = h4 – 4h1h3 + 6h12h2 – 3h14 h4 = ΣfU4 / n Bảng 1: Kết qủa thử nghiệm F1 môi trường mặn (Mishra ctv 1998) Tổ hợp lai Bas 370 / CSR10 Bas 370 / CSR11 Pak Bas / CSR10 Điểm chống chịu mặn 5, 5, 7, 7, 5, 5, 3, 5, 7, 5, 7, 7, Trung bình 29/5 = 5,8 23/5 = 4,6 31/5 = 6,2 Bảng 2: Thử nghiệm Z χ2 tổ hợp Bas 370 / CSR10 (Mishra ctv 1998) Điểm Số Giá trị Z 68 426 768 276 247 Z1 = -1,5511 Z2 = -0,5916 Z3 = 0,3679 Z4 = 1,3274 X = 5,233 1,000 Vùng phân bố chuẩn (0-Z) 0-Z1 = 0,4397 0-Z2 = 0,2230 0-Z3 = 0,1435 0-Z4 = 0,4073 Vùng hai giá trị cận (-∞)–Z1= 0,0603 Z1-Z2 = 0,2167 Z2-Z3 = 0,3665 Z3-Z4 = 0,2638 Z4-(+∞) = 0,0927 n= 1785 χ2 = 159,18 (P = 0,000) df = 5-3 = Hệ số skewness (g1) = 0,2980 (SD = 0,0579) Hệ số Kurtosis (g2) = -0,4789 (SD = 0,1159) F1 tất cặp lai nằm gần điểm phân bố hình chng, cho thấy tính trội khơng hồn tồn phản ứng nhiễm phản ứng chống chịu Nhưng điểm chống chịu F1 5,8 (tổ hợp 1) 4,6 (tổ hợp 2) cho thấy ảnh hưởng thay bố (CSR10 CSR11) mẹ gần giống Tổ hợp có mức độ nghiêng (skewness) phân bố chuẩn có ý nghĩa thống kê tổ hợp 3, phân bố nghiêng khơng có ý nghĩa, chứng tỏ có vài gen chủ lực tác động với nhiều gen thứ yếu điều khiển tính chống chịu mặn (bàng 2) Thí nghiệm cho thấy tính trạng chống chịu mặn tính trạng di truyền đa gen, khơng có ảnh hưởng mẹ (Mishra ctv 1998) 2-3-2 Nghiên cứu di truyền phân tử tính chống chịu mặn Bản đồ QTL (quantitative trait loci) áp dụng trường hợp tính trạng mục tiêu đa gen điều khiển (thí dụ tính chống chịu mặn) Di truyền số lượng truyền thống phát QTL loci riêng biệt gắn với tính trạng số lượng nghiên cứu, vị trí nhiễm sắc thể liên kết với gen khác Bản đồ di truyền phân tử với mật độ cao số lượng marker phủ toàn nhiễm thể genome trồng cung cấp cho cơng cụ có khả nghiên cứu tính trạng di truyền số lượng phức tạp, định vị gen nhiễm thể, xác định gen mục tiêu liên kết với gen khác • • Bản đồ QTL phân tích QTL phát triển theo trình tự sau: Trên sở marker hình thái di truyền tế bào, người ta tính tốn giá trị khác biệt kiểu hình liên kết với tính trạng số lượng loci riêng biệt quần thể phân ly theo lý thuyết Thoday (1961), phương pháp phổ biến phân tích QTL vào thập niên 1980 Một phương pháp khác có thuật ngữ “phân tích QTL sở tính trạng” (traitbased QTL analysis), dựa mối tương quan marker tính trạng số lượng (Stuber ctv 1980) Lý thuyết theo giả định rằng: áp lực chọn lọc làm thay đổi cách có ý nghĩa tần suất gen QTL riêng biệt, mà QTL liên kết chặt chẽ với marker tương ứng đồ Lebownitz ctv (1987) gọi phương pháp phân tích “ba loại hình bố trí thí nghiệm” (three kinds of experimental designs) Thuận lợi phương pháp nói tạo điều kiện tốt cho việc đánh dấu gen chọn giống mờ marker phân tử (MAS) chương trình chọn • • • • tạo giống cải tiến, làm gia tăng hiệu qủa chọn lọc Mối tương quan marker QTL phân tích dựa phương pháp “ANOVA chiều” Phương pháp ANOVA chiều phát QTL định vị gần marker tương ứng Do đó, mật độ marker phủ genome quần thể phân ly bị hạn chế, đặc biệt trường hợp marker hình thái Sự phát triển RFLP, gần microsatellite marker vơ phong phú, thoả mãn u cầu phủ kín genome trồng Các quần thể sử dụng cho phân tích QTL đơn bội kép (Snape 1988), hồi giao (Patersons ctv 1991), F2 kèm với hồi giao (Zhang ctv 1992) Phương pháp mô tối đa (maximum livelihood) phát triển để ước đoán tần suất tái tổ hợp marker QTL, sở tính tốn giá trị kiểu gen phương sai (Weller 1986) Phương pháp tỏ có hiệu qủa trường hợp QTL có tính chất “codominant” so với trường hợp “dominant” Sau Lou Kearsey (1989, 1991) đề xuất phương pháp tương tự phương pháp Weller, tác giả thực phép tính tần suất tái tổ hợp theo giá trị dự đốn mơ tối đa Nhưng phương pháp thật hữu dụng trường hợp xác định locus riêng biệt đóng góp vào tính trạng số lượng, trường hợp hệ số di truyền lớn 10% Người ta tiếp tục đề xuất phương pháp sử dụng marker kế cận sở phương pháp mô tối đa để khắc phục nhược điểm nêu (Lander Botstein 1989, Jensen 1989, Knapp 1991) Thơng tin từ hai marker kế cận có tính chất “codominant” cho khái niệm liên kết khu vực nhiễm sắc thể Sau đó, Knott Haley (1992) tập họp so sánh hai phương pháp marker đơn marker kế cận, đề xuất cách tính xác ảnh hưởng vị trí QTL tính trạng nghiên cứu Knapp Bridges (1990) đề xuất mơ hình quần thể đơn bội kép (DH), cận giao tái tổ hợp (RI), hồi giao (BC), F2, F1 mơ hình tính trạng liên quan có phân bố chuẩn lọc với stress Phương pháp quan tâm đến hai marker lần xem xét Landers ctv (1987) thực phần mềm vơ hữu ích, MAPMARKER/QTL để sử dụng phân tích QTL Hầu hết mơ hình thiết lập đồ QTL xem xét ảnh hưởng cộng tính gen mục tiêu Carbonell ctv (1992) đề xuất phương pháp phát ảnh hưởng khơng cộng tính QTL quần thể F2 Lou Kearsey (1992) đề xuất phương pháp thống kê để phân tích quần thể F2 chứng minh kết qủa phương pháp thông qua mơ hình hóa computer Thơng thường người ta ghi nhận marker liên kết với gen, thực tế marker liên kết với nhiều gen thứ yếu ảnh hưởng đến tính trạng số lượng Do đó, giả định khác đề xuất: ước đóan kiểu gen thường sai lệch nên khó ước đốn ảnh hưởng epistasis di truyền số lượng Jensen (1992) đề xuất mơ hình phối hợp để khắc phục tình trạng này, xem xét trường hợp tính trạng liên quan không phân bố chuẩn lọc với stress, phương pháp gọi “multiple QTLs effect analysis” Teng (1994) sử dụng quần thể cận giao tái tổ tợp (RI) hệ F8 bao gồm 324 cá thể thuộc tổ hợp lai IR29 / Nona Broka để nghiên cứu di truyền tính chống chịu mặn lúa Các dòng RI lọc mặn nhà lưới điều kiện EC = 15 dS/m điều kiện đồng ruộng Phân tích RFLP với enzyme phân cắt hạn chế (DraI, EcoRV, HindIII, ScaI, XbaI) cho thấy có 266 RFLP marker, 117 thể đa hình (43,98%), phủ genome lúa với mật độ 15cM / quãng RG100 RZ323 ghi nhận cho đa hình rõ trường hợp DNA dòng chống chịu dòng nhiễm Mười ba marker định vị gần RG100 RZ323 nhiễm thể số sử dụng để xem xét liên kết gen Phân tích ANOVA chiều chứng minh Nona Broka mang alen kháng liên kết với RG100 RZ323 loci số lượng, với giá trị R2 17,6% 29,4% (p < 0,0001), theo thứ tự Phân tích ANOVA hai chiều, tác giả phát thêm RZ323 (nhiễm thể số 3) RG333 (trên nhiễm thể số 8) liên kết với QTL chống chịu mặn, với giá trị R2 40,2% (p