Trong vòng 30 năm trở lại đây, công tác nghiên cứu, chọn tạo các giống lúa cạn, lúa chịu hạn đang là một mục tiêu quan trọng ở nhiều viện, trung tâm nghiên cứu quốc tế cũng nh− trong các ch−ơng trình chọn tạo giống quốc gia.
Năm 1970, Viện nghiên cứu lúa quốc tế (IRRI) thành lập ngành lúa cạn do tiến sĩ T.T. Chang đứng đầu [55].
Năm 1973, IRRI bắt đầu đ−a ra “Ch−ơng trình đánh giá và ứng dụng di truyền (GEU)”. Một trong những mục tiêu chính của ch−ơng trình này là thu thập nguồn gen, nghiên cứu vật liệu và chọn tạo giống lúa chống chịu hạn. Đây là một
ch−ơng trình lớn, có sự đóng góp của rất nhiều ch−ơng trình nghiên cứu lúa ở các n−ớc sản xuất lúa gạo, đặc biệt là các n−ớc ở Châu á. Châu Phi và Mỹ Latin cũng thành lập những trung tâm quốc tế nghiên cứu về lúa cạn, lúa chịu hạn nh−
IRAT, IITA, WARDA và CIAT [54],[55].
Do yêu cầu về an toàn l−ơng thực, vào năm 1983, UREDCO, là tên gọi của ban điều hành của các trung tâm nghiên cứu lúa cạn, đ−ợc thành lập. Từ đây, các ch−ơng trình nghiên cứu lúa cạn ở các n−ớc đ−ợc mở rộng, trích dẫn qua [21], [30]. Một loạt các kết quả nghiên cứu về lúa cạn thu đ−ợc nh− sau:
2.2.3.1.1 Nghiên cứu về đặc tr−ng hình thái và sinh tr−ởng
Hasegawa (1963), trích dẫn qua [56], tổng hợp số liệu từ nhiều nguồn khác nhau và rút ra kết luận: trong giai đoạn nảy mầm, hạt lúa cạn có khuynh h−ớng hút n−ớc nhanh hơn các giống lúa n−ớc. Theo Chang và Bardenas (1965) [44], các giống lúa cạn vùng nhiệt đới nảy mầm rất nhanh sau khi hạt đ−ợc gieo vào đất và sức nẩy mầm của hạt giống khoẻ nên giúp chúng cạnh tranh hiệu quả với cỏ dại.
Theo T.T. Chang và cộng sự (1972), trích dẫn qua [56], ở hầu hết các giống lúa cạn địa ph−ơng th−ờng có thân to và dày, bị già cỗi nhanh chóng khi lúa chín nên chúng dễ đổ vào giai đoạn chín.
Một nghiên cứu về chiều cao cây của 252 giống lúa cạn trong mùa m−a cho thấy: chiều cao cây dao động từ 80 cm ở các giống lúa cạn Nhật Bản đến 175 cm ở một vài giống lúa n−ơng Thái Lan. Các giống lúa cạn châu Phi và Philippin nhìn chung cao trên 150 cm khi trồng trong điều kiện ruộng cạn [56].
Các thí nghiệm ở IRRI về khả năng đẻ nhánh ở giai đoạn 60 ngày sau gieo (Chang và Bardenas 1965; Ono 1971; Chang 1972; De Datta và Beachell 1972; Kawano 1972; Krupp 1972), trích dẫn qua [56],[31],[44], đều cho thấy các giống lúa cạn đẻ đ−ợc ít nhánh hơn so với lúa n−ớc. Theo Chang, T.T. (1972) [45], khả năng đẻ nhánh kém và biến động ở các giống lúa cạn làm hạn chế năng suất của chúng ngay trong điều kiện canh tác phù hợp. Ngoài ra, Hasegawa (1963), trích dẫn qua [56], thấy rằng nhánh cấp 1 đầu tiên của các giống lúa cạn th−ờng xuất hiện ở nách lá thật đầu tiên. Trong khi ở các giống lúa n−ớc, nó xuất hiện ở nách lá thật thứ hai.
Theo T.T. Chang và Benito S. Vergara (1975), trích dẫn qua[39], phần lớn các giống lúa cạn nhiệt đới có bộ lá màu xanh nhạt th−ờng đi kèm với đặc điểm lá dài và rủ xuống. Các giống lúa cạn châu Phi và Philippin có góc lá lớn, th−ờng gấp đôi góc lá của các giống bán lùn. Tuy nhiên, một vài giống lúa địa ph−ơng, ví dụ giống Jappeni Tunkungo, lại có bộ lá dài, đứng và xanh thẫm. Ngoài ra, Chang (1972) [45] nhận thấy các giống lúa cạn địa ph−ơng có diện tích lá lớn hơn giống lúa bán lùn, nh−ng động thái sinh tr−ởng và số lá của các giống lúa cạn lại kém hơn lúa n−ớc.
Hasegawa (1963), trích dẫn qua [56], làm thí nghiệm về bộ rễ lúa cạn Nhật Bản thấy rằng: hai giống lúa cạn có bộ rễ ăn sâu hơn 20 cm trong khi chỉ có một vài rễ của 2 giống lúa n−ớc làm thí nghiệm đạt tới độ sâu này.
Các nghiên cứu ở IRRI (1971) và nhiều tác giả khác khẳng định: rễ của một số giống lúa cạn sẽ phát triển dài hơn và dầy hơn khi xảy ra khủng hoảng về độ ẩm. Những nghiên cứu lúa ở giai đoạn sinh thực trong điều kiện trồng cạn cho thấy: bộ rễ của các giống lúa cạn (nh− OS4 hay Palawan) vừa dài, vừa to mập còn các giống lúa bán lùn (IR8 hay IR20) lại có số rễ ít và nhỏ, trích dẫn qua [31],[37],[43],[44], [45],[48],[53],[54],[55].
Theo Loresto và Chang (1972) [45], sự tổ hợp của hai hoặc nhiều hơn các đặc tr−ng bộ rễ d−ới đây đã hình thành nên các giống lúa cạn chịu hạn tốt nh−: tỉ lệ các rễ to cao, bộ rễ dài và to, hệ thống rễ dày đặc và hệ thống rễ nhánh, rễ phụ phát triển đồng đều xung quanh các rễ chính.
IRRI (1974) [55] đã so sánh bộ rễ của 25 giống lúa với bộ rễ của ngô và lúa miến, là hai loại cây trồng có khả năng chịu hạn khá hơn lúa. Tỷ lệ rễ/thân lá của ngô (146 mg/g) và lúa miến (209 mg/g) cao hơn nhiều so với các giống lúa. Tuy nhiên, giống lúa khác nhau thì tỉ lệ này cũng khác nhau. Chẳng hạn, giống lúa mẫn cảm với hạn IR20 có tỉ lệ rễ/thân lá rất thấp (49 mg/g) trong khi phần lớn các giống lúa cạn chịu hạn (OS4; E425; Palawan; Dular; M1-48…) có tỉ lệ này gần t−ơng đ−ơng với ngô (101-120 mg/g). Theo Chang (1972); Kobata và cộng sự (1996), trích dẫn qua [56],[31], tỉ lệ rễ/thân lá của các giống lúa cạn cao hơn lúa n−ớc và đáng tin cậy ở cả hai điều kiện đủ n−ớc và hạn.
Bashar, Chang và cộng sự (1989), trích dẫn qua [31], nghiên cứu về di truyền tính chịu hạn cho rằng: các đặc điểm bộ rễ có liên quan đến khả năng chịu
hạn ở các giống lúa cạn và lúa n−ơng rẫy là kích th−ớc bộ rễ lớn, số mạch dẫn trong rễ nhiều. Còn Namuco và cộng sự (1993), trích dẫn qua [31], nghiên cứu t−ơng quan giữa đ−ờng kính bộ rễ với tính chịu hạn đã kết luận: đ−ờng kính rễ lớn nhất ở các giống chịu khô và nhỏ nhất ở các giống mẫn cảm. Độ dày đặc của rễ cũng có t−ơng quan cao với tính chống chịu hạn. Kết quả phân tích ph−ơng sai đã chỉ ra rằng mật độ rễ và số mạch dẫn trực tiếp điều chỉnh tính chống chịu hạn
Yu L.X., Ray, O’Toole và Nguyễn H.T. (1995), trích dẫn qua [31], tiến hành thí nghiệm về khả năng đâm xuyên qua màng sáp nhân tạo của rễ lúa nhận xét: Rễ lúa chịu hạn có khả năng đâm xuyên qua màng lớn hơn lúa n−ớc về số l−ợng và chiều dài rễ.
Nghiên cứu thời gian sinh tr−ởng của 284 giống lúa cạn chịu hạn ở IRRI thấy có sự biến động từ 80 đến hơn 170 ngày trong mùa m−a. Ví dụ, giống lúa cạn Rikuto Norin 21 có thời gian sinh tr−ởng 95 ngày còn C22 là 125 ngày. Với những giống không phản ứng ánh sáng, thời gian sinh tr−ởng biến động từ 90 đến 145 ngày trong mùa khô. Theo Chang T.T. và Benito S.V. (1975), lúa cạn th−ờng trỗ muộn từ 1-15 ngày trong điều kiện ruộng cạn, trích dẫn qua [56].
Theo Chang và Benito (1975), trích dẫn qua[56], phần lớn các giống lúa cạn có kiểu bông to, dài và khoe bông, có khả năng chống chịu với tác nhân gây hại. Theo các tác giả, đây là đặc tính mong muốn của bất kì giống lúa trồng cạn nào. Nhìn chung, hạt lúa cạn th−ờng tròn và to nên khối l−ợng 1000 hạt cao. Mặc dù vậy vẫn có loại hạt thon dài.
Theo Jana và De Datta (1971); Chang (1974), trích dẫn qua[56], một đặc điểm rất dễ nhận biết ở lúa cạn là khả năng tập trung để tạo ra các bông hữu hiệu với các hạt hoàn hoàn đầy chắc. Chính điều này góp phần làm cho năng suất các giống lúa cạn chịu hạn ổn định, cho dù không cao.
Hàm l−ợng Amilose trong phần lớn giống lúa cạn châu Phi và Đông Nam á là cao trung bình, từ 22-26%. Nhiệt độ hồ hoá biến động từ thấp đến cao nh−ng hầu hết là trung bình. Riêng các giống lúa cạn Nhật Bản có hàm l−ợng amilose thấp (15%) (IRRI 1974) [31],[56].
Về tiềm năng năng suất và tính ổn định của các giống lúa cạn, những nghiên cứu của Jana và De Datta (1971); IRRI (1971,1972,1973), trích dẫn qua [56],[31], đều cho thấy: khi xảy ra hạn nghiêm trọng, năng suất của tất cả các
giống lúa đều thấp cho dù có đầy đủ dinh d−ỡng kết hợp với trừ cỏ hiệu quả. Vì vậy, năng suất hạt thuần chỉ phản ánh mức độ tránh hạn hơn là tính chịu hạn, đặc biệt nếu lúa đ−ợc thu hoạch tr−ớc khi thời kì hạn kết thúc (Levitt 1972). Nh−ng nếu hạn kết thúc tr−ớc khi thu hoạch thì năng suất hạt lại phụ thuộc nhiều hơn vào khả năng phục hồi của giống lúa, trích dẫn qua [39],[56].
Kết quả thí nghiệm của IRRI (1971); Jana và De Datta (1971); Abifarin (1972); Chang (1972); De Datta và Beachell (1972); Kawano (1972), đều cho rằng: khả năng đẻ nhánh thấp của phần lớn các giống lúa cạn là trở ngại chính cho năng suất. Ngoài ra, Ono (1971) nhận thấy năng suất của các giống lúa cạn Nhật Bản thấp là do kiểu cây cao và dễ đổ của chúng. Một nguyên nhân khác phải kể đến đó là tính mẫn cảm cao với bệnh bạc lá, khô vằn, và bệnh virus, mặc dù chúng có khả năng chống bệnh đạo ôn. Nh−ng bù lại, năng suất lúa cạn vẫn t−ơng đối ổn định do chúng có khả năng tạo ra các bông hữu hiệu, to và hạt chắc ngay trong điều kiện hạn, trích dẫn qua [37],[56].
Từ kết quả nghiên cứu tập đoàn 4000 giống lúa cạn địa ph−ơng, các nhà khoa học IRRI tổng kết: các giống lúa cạn địa ph−ơng th−ờng cao cây; bộ rễ ăn sâu và phân nhánh dày đặc; khả năng đẻ nhánh kém và không tập trung; bộ lá màu xanh nhạt, lá dài, rộng bản và rủ xuống, chỉ số diện tích lá không cao; bông to và dài; hầu nh− không phản ứng với ánh sáng. Thời gian sinh tr−ởng từ 95-140 ngày. Hạt to, tròn, hàm l−ợng tinh bột từ thấp đến cao trung bình (18-25%); nhiệt độ hoá hồ trung bình. Tỷ lệ lép thấp. Chống chịu giỏi với hạn, bệnh đạo ôn; mẫn cảm với rầy và bệnh virus. Chống chịu với điều kiện đất thiếu lân, thừa nhôm và mangan. Chịu phân kém đặc biệt là phân đạm. Năng suất rất thấp nh−ng ổn định, trích dẫn qua [7],[56],[31], [44],[45],[48].
2.2.3.1.2 Nghiên cứu về cấu tạo giải phẫu và hoạt động sinh lý chống chịu hạn
Theo John C. O’Toole (1982), trích dẫn qua [39], vai trò lớp sáp cutin nh− là một hàng rào ngăn cản sự mất n−ớc không qua con đ−ờng khí khổng, mặc dù ch−a có mối liên hệ rõ ràng với khả năng tránh hạn ở cây lúa.
Nhiều tác giả cho rằng, sự đóng khí khổng ở thực vật khi xảy ra hạn là một đặc điểm thích ứng. Henzell (1975) và Kaul (1971) lại nhận thấy ở các dòng lúa mì và lúa mạch chống hạn nhất có tế bào khí khổng không mẫn cảm. Những nghiên cứu của Ludlow (1980) khẳng định thêm rằng: phần lớn các gen kháng
mất n−ớc không làm đóng khí khổng. Theo tác giả, ở đây có sự điều chỉnh áp suất thẩm thấu của tế bào khí khổng trong điều kiện hạn, trích dẫn qua [31].
Các nhà sinh lý cho rằng áp suất thẩm thấu đóng vai trò quan trọng, tạo nên khả năng chống chịu hạn ở cây trồng. Trong điều kiện hạn, cây trồng có áp suất thẩm thấu cao luôn duy trì đ−ợc l−ợng n−ớc trong tế bào, sự mở của khí khổng, đồng thời duy trì quá trình hô hấp và quang hợp. Vì thế, chúng chống chịu đ−ợc sự khô hạn, trích dẫn qua [6],[29],[34],[39],[40],[41].
Theo F.W.G. Baker (1989) [39], vai trò của áp suất thẩm thấu liên quan ở mức có ý nghĩa với năng suất lúa mì trồng trong điều kiện thiếu n−ớc và hạn. Những nghiên cứu gần đây khẳng định: áp suất thẩm thấu cũng liên quan đến tỉ lệ nảy mầm và đề nghị có thể sử dụng để xác định những kiểu gen mà có áp suất thẩm thấu cao.
Morgan (1999) [6] kết luận: ngâm hạt phấn vào dung dịch PEG (polyethylen glycol) 50% cùng với 10 mà KCl, những giống lúa mì có áp suất thẩm thấu thấp thì sự co thể tích tế bào hạt phấn xảy ra có ý nghĩa; giống có áp suất thẩm thấu cao thì kích th−ớc hạt phấn không co, thậm chí có chiều h−ớng tăng. áp suất thẩm thấu của tế bào hạt phấn đ−ợc xác định làm cơ sở trong chọn tạo giống lúa mì chịu hạn. Những giống lúa mì chịu hạn sẽ có áp suất thẩm thấu cao và ng−ợc lại.
Một trong những nhân tố tạo nên cơ chế chống hạn của thực vật là quá trình hình thành và tích luỹ proline. Nhiều tác giả nh− Singh (1973); Blum và Ebercon (1976); Withers và King (1979); Hanson (1980); Stewart và Hanson (1980); Rajagopal và Sinha (1980) [42],[32],[49],[61],[62],[64],[66] đã nghiên cứu và chứng minh vai trò của proline trong việc cân bằng n−ớc và giữ n−ớc ở các mô tế bào. Bernand (1989) đã xây dựng đ−ợc ph−ơng pháp xác định hàm l−ợng proline trong lá lúa [40]
Theo những nghiên cứu của Perrier (1961); Gates (1968); Blum (1980)… trên cây lúa mì, trích dẫn qua [31],[39], một bộ lá hẹp và xu h−ớng giảm diện tích lá là sự thích nghi với tình trạng thiếu n−ớc của cây, làm hạn chế tối đa nhu cầu sử dụng n−ớc.
Bewley (1979) [41] cho rằng, màng tế bào tạo thành vị trí trung tâm cho quá trình trao đổi chất, vì vậy tính chống chịu sự mất n−ớc của màng tế bào rất quan trọng.
Sullivan (1972)[65] đã tiến hành nghiên cứu và phát triển ph−ơng pháp đánh giá tỷ lệ tổn hại của màng tế bào bị mất n−ớc ở cây lúa miến thông qua kỹ thuật đo dẫn điện Invitro từ đĩa lá. Ph−ơng pháp này đã đ−ợc nhiều nhà khoa học (Blum, Ebercon…) áp dụng cho các loại cây trồng khác, trong đó có cây lúa.
2.2.3.1.3 Nghiên cứu về di truyền tính chịu hạn
Theo các chuyên gia của CGIAC (Nhóm t− vấn về nghiên cứu nông nghiệp quốc tế), bản đồ gen là yêu cầu tr−ớc hết cho phân tích di truyền tính trạng chống chịu với các stress phi sinh học (abiotic stresses) bao gồm hạn, úng, lạnh… và đồng thời nó là tiêu chuẩn trong chọn giống cây trồng hiện đại [2].
Theo John C. O’Toole (1989), trích dẫn qua [39], một kỹ thuật mới xuất hiện trong chọn tạo giống ngô và lúa chịu hạn là kỹ thuật RFLP (Restriction Fragment Length Polymorphism technology)-kỹ thuật về tính đa hình của chiều dài các đoạn cắt hạn chế. Bản đồ RFLP cung cấp các chỉ thị phân tử có thể ứng dụng trong ph−ơng pháp chọn lọc dựa trên kinh nghiệm hoặc trong ph−ơng pháp chọn giống có kiểu hình lý t−ởng liên quan đến tính chịu hạn ở cây trồng. Ví dụ, các đặc điểm sinh tr−ởng hoặc các đặc tr−ng sinh lý có liên quan đến khả năng chịu hạn của ngô và lúa nói ở trên sẽ đ−ợc làm sáng tỏ bằng kỹ thuật RFLP.
Cũng theo O’Toole (1989), trích dẫn qua [39], các nhà nghiên cứu thuộc tr−ờng Đại học Cornell (Mỹ) đã tiến hành nghiên cứu kỹ thuật lập bản đồ RFLP (RFLP mapping) trên cây lúa từ năm 1985. Kết quả nghiên cứu bộ gen cây lúa kết hợp với chỉ thị RFLP giúp hình thành nên nhiều mô hình kiểu cây lí t−ởng ứng các điều kiện môi tr−ờng khác nhau.
Các tính trạng chống chịu với khô hạn, mặn hay lạnh…là các tính trạng số l−ợng (Quanlity traits locus). Do vậy, phải tiến hành xây dựng bản đồ tính trạng số l−ợng (QTL mapping). Ng−ời ta quan sát từ đầu đến cuối bộ genome với những marker bao phủ toàn bộ các nhiễm sắc thể, mật độ trung bình 10 cM giữa hai marker. Thông qua đó, ng−ời ta xác định những khu vực giả định có chứa các gen điều khiển tính trạng số l−ợng mà ta cần nghiên cứu, dựa vào sự biến động của tính trạng kết hợp với sự thay đổi của các marker t−ơng ứng. Những vị trí
đ−ợc xác định nh− vậy vô cùng cần thiết cho công trình chọn giống nhờ marker trợ giúp (MAS) đối với tính trạng chống chịu và rất cần thiết cho kỹ thuật cloning trên cơ sở bản đồ di truyền của những gen thuộc về tính trạng số l−ợng. Đối với cây lúa, thuận lợi lớn nhất trong ứng dụng marker là bản đồ genome của nó đã cơ bản đ−ợc giải mã, marker không còn là vấn đề.
Các marker đ−ợc ứng dụng trong chọn giống cây trồng phải có liên kết chặt với gen mục tiêu, trên cơ sở bản đồ phân tích di truyền. Hiện nay, marker hiệu quả đáng tin cậy là “microsatellite”(SSR). Ng−ời ta cũng chuẩn bị đ−a vào sử dụng rộng rãi marker SNP (single nucleotide polymorphisms) trong vài năm tới. Theo Goff và 30 tác giả khác (2002), chuỗi kí tự của SSR và SNP hiện đ−ợc thiết kế −ớc khoảng 40.000 marker, kể cả các phân tử mất đoạn hay xen đoạn. Theo Gale (2002), đây là những chuỗi mã đồng nhất ở mức độ 1%, mật độ 24 cM trên mỗi gen, trích dẫn qua [2].