chọn giống. Trong năm 1982, có trên 4000 dòng, giống được IRRI gửi tới thí nghiệm tại các nước cho việc đánh giá chọn lọc phù hợp cho mỗi vùng sinh thái hạn [15][2].
Thông qua chương trình thử nghiệm quốc tế có tên là INGER, các đợt thử nghiệm được tiến hành hàng năm có tên: IRLYN-M; IURYN-E; IURYN- M; IURON; IRDTN diễn ra ở nhiều vị trí thuộc các nước như: Ấn Độ; Mianma; Nepal; Nigieria; Philippines; Thái Lan; Brazil; Bờ Biển Ngà, Việt Nam…và ngay tại IRRI. Đặc biệt mở rộng với quy mô lớn từ năm 1990 [15].
2.4.2. Nghiên cứu về kiểm soát di truyền một số tính trạng của các giống lúa chịu hạn lúa chịu hạn
2.4.2.1. Nghiên cứu kiểm soát di truyền tính chịu hạn
Theo các chuyên gia của CGIAC (Nhóm tư vấn về nghiên cứu nông nghiệp quốc tế), bản đồ gen là yêu cầu trước 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 [1].
Theo John C. O’Toole (1989), trích dẫn qua [32], một kỹ thuật mới xuất hiện trong chọn tạo giống ngô và lúa chịu hạn là kỹ thuật RFLP (Restriction Fragment Length Polymorphism) - 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 phương pháp chọn lọc dựa trên kinh nghiệm hoặc trong phương pháp chọn giống có kiểu hình lý tưởng liên quan đến tính chịu hạn ở cây trồng. Ví dụ, các đặc điểm sinh trưởng hoặc các đặc trưng sinh lý có liên quan đến khả năng chịu hạn của ngô và lúa nói ở trên sẽ được làm sáng tỏ bằng kỹ thuật RFLP.
Cũng theo O’Toole (1989), trích dẫn qua [32], các nhà nghiên cứu thuộc trường 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 tưởng ứng các điều kiện môi trường khác nhau.
Các tính trạng chống chịu với khô hạn, mặn hay lạnh…là các tính trạng số
lượng (Quanlity Traits Locus). Do vậy, phải tiến hành xây dựng bản đồ tính trạng số lượng (QTL mapping). Người 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, người ta xác định những khu vực giả định có chứa các gen điều khiển tính trạng số lượng mà ta cần nghiên cứu, dựa vào sự
biến động của tính trạng kết hợp với sự thay đổi của các marker tương ứng. Những vị trí được xác định như 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 lượng. Đối với cây lúa, thuận lợi lớn nhất trong ứng dụng marker là bản đồ genome của nó đã cơ bản được giải mã, marker không còn là vấn đề.
Các marker được 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). Người ta cũng chuẩn bị đưa 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 được thiết kế ước 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 [1].
Nhờ nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật bản đồ gen, nhiều nhà khoa học đã xác định được vị trí và vai trò của một số vùng gen liên quan đến khả năng chống chịu hạn. Các đặc tính như bộ rễ khoẻ, ăn sâu, khả năng điều chỉnh áp suất thẩm thấu, khả năng duy trì thế nước ở lá trong điệu kiện khô hạn… đều quyết định quan trọng đến khả năng chịu hạn của cây trồng [1][31][75].
Bằng việc sử dụng marker trợ giúp chọn lọc (MAS), các vùng gen có liên quan đến các tính trạng này được định vị trên trên nhiễm sắc thể số 1, 2, 3, 4, 5, 9 và 11 của cây lúa [75]. Một vùng gen trên nhiễm sắc thể số 4 được xác định là chứa các locus tính trạng số lượng chính quyết định chiều cao cây, năng suất hạt, số hạt trên bông trong điều kiện thiếu nước.
Bên cạnh đó, bằng việc so sánh sự trùng khớp ngẫu nhiên của các locus tính trạng số lượng với một số tính trạng đặc biệt khác, người ta đã phân tích kỹ mối liên hệ tự nhiên giữa tính trạng bộ rễ và khả năng điều chỉnh tính thấm với tính trạng năng suất trong điều kiện hạn. Nghiên cứu này chứng minh vùng gen kí hiệu RG 939-RG 476-RG 214 trên nhiễm sắc thể số 4 quyết định quan hệ của bộ rễ với tính chịu hạn (Babu, 2003) [31].
Yinong Yang và Lizhong Xiang (2003) [40],[77] công bố gen MAPK5 (Mitogen-activated protein kinase 5) có vai trò tăng cường sức chống chịu của cây lúa với các khủng hoảng môi trường trong đó có hạn.
Theo Ray Wu và Ajay Garg (2003) [76] thuộc trường Đại học tổng hợp Cornell (Mỹ), hợp chất có khả năng cải tiến tính chống chịu hạn, chịu mặn và nhiệt độ thấp ở cây lúa là một loại đường đơn, gọi là trehalose. Trehalose có thể hoạt động như nước thay thế trên bề mặt của các protêin ở lớp màng tế
bào khi xảy ra thiếu hụt nước trầm trọng, ngăn chặn sự kết tinh hay biến chất các protêin, giữ cho các hoạt động sinh hoá, sinh lí diễn ra bình thường. Các gen mã
hoá enzyme tổng hợp trehalose là trehalose-6-phosphate synthase (TPS) và trehalose-6-phosphate photphatase (TPP).
Ngoài trehalose, Robert Locy và Narendra Singh (1996) thuộc Đại học Auburn (Mỹ) cho rằng, còn nhiều hợp chất hoá học khác có vai trò tương tự trehalose trong việc bảo vệ cây trồng chống lại hạn như: các axit amin (proline), polyamine, protein, glycine betaine, sorbitol, marnitol… Các loài thực vật khác nhau thì sử dụng loại hoá chất khác nhau, trích dẫn qua [65].
Tuy nhiên, các nhà khoa học chưa hiểu rõ yếu tố nào chi phối hiện tượng và đóng góp tích cực nhất vào tính chống chịu khô hạn ở thực vật. Hiện nay, tiến độ cải tiến giống chống chịu hạn chậm nhưng khả thi. Trở ngại chính là tính trạng năng suất cao và tính trạng chống chịu có khả năng tương hợp thấp. Một câu hỏi đang được các nhà khoa học đặt ra: Liệu có sự đối kháng giữa năng suất và tính trạng chống chịu hay không?
Để đánh giá và chọn giống chịu hạn, theo Arraudeau (1989), trích dẫn qua [32], có thể áp dụng kỹ thuật nuôi cấy mô, dùng các biến thể soma vô tính để chọn lọc theo hướng chống chịu hạn. Đối với lúa, người ta đã sử dụng kỹ
thuật này để chọn giống chống chịu mặn nên cũng có nhiều triển vọng khi áp dụng cho hướng chống hạn. Một bằng chứng cụ thể hơn, người ta đã công bố
sự thành công trong việc chọn giống yến mạch chịu mặn thông qua nuôi cấy mô (Nabors, 1983).
2.4.2.2. Nghiên cứu về kiểm soát di truyền thời gian sinh trưởng
Hầu hết các giống lúa cạn (lúa nương rẫy) truyền thống phân bố chủ yếu ở
vùng Đông Nam Á có thời gian sinh trưởng từ 115 đến 130 ngày. Giống aus ở
bang Tây Bengal và một số giống ở phía Bắc miền trung Ấn Độ (được biết với giống Goral), phía Bắc Bangladesh có thời gian sinh trưởng ngắn hơn từ 95 đến 105 ngày. Cả hai nhóm giống này đều là giống chịu hạn. Đặc điểm hình thái
tương tự như giống bulu và gundil của Indonesia vốn được biết đến là loại hình sinh thái địa lý thuộc nhóm javaniaca. Tuy nhiên, các giống thuộc nhóm javanica thường có thời gian sinh trưởng tương đối dài (từ 150 đến 160 ngày).
Khi tiến hành lai giữa giống aus và một số giống lúa cạn đưa ra dạng phân bố một chiều của con lai F2 và chủ yếu thiên về hướng trội. Khi lai giữa giống Aus 252 và Khao Lo cho thấy sự phân nhóm rõ ràng, điều này xảy ra do hiện tượng gen không tương đồng - dãy Ef. Sự phân bố của F2 được nhận biết khi lai giữa dạng mẫm cảm với ánh sáng và dạng không mẫn cảm với ánh sáng dưới điều kiện ngày ngắn [38], có 2 - 3 gen trội cùng kiểm soát để quy định thời gian sinh trưởng sinh dưỡng ngắn. Một số gen không tương đồng có thể khác nhau ở mức độảnh hưởng của từng gen đến tính trạng.
Trong phép lai giữa giống lúa cạn và giống bulu khác nhau về thời gian sinh trưởng, sự phân bố của con lai F2 cho thấy khá rộng. Tuy nhiên, sự phân bố đó cũng thiên về một hướng, trong đó dạng có thời gian sinh trưởng ngắn chiếm ưu thế. Kết quả này cũng cho thấy cặp bố mẹ giữa giống lúa cạn và giống bulu có sự
khác nhau vế số gen Ef hơn cặp lai giữa giống aus và giống lúa cạn.
Sự phân bố của con lai F2 trong các phép lai trên là khác với những kết quả thu được từ phép lai diallel liên quan đến 4 giống bố mẹ có sự khác nhau về tính mẫn cảm với quang chu kỳ. Kết quả phép lai diallel này chỉ ra rằng có sự phân bố một chiều và bình thường và kết quả cũng cho thấy có ít nhất 4 nhóm gen có ảnh hưởng đến sự phân bố đó. Trong một phép lai diallel 5 x 5 khác, thời gian ra hoa của con lai F1 cho thấy các allel trội vượt các allel lặn 2,2 lần. Sự ảnh hưởng của dãy Ef tỏ ra có hiệu quả hơn trong phép lai diallel.
2.4.2.3. Nghiên cứu về kiểm soát di truyền khả năng đẻ nhánh
Các giống bulu và aus có số dảnh nằm ở dạng trung gian giữa các giống lúa cạn và các giống lúa nước indica truyền thống.
Trong cả 2 phép lai giữa giống lúa cạn với giống aus và bulu với giống lúa cạn, thế hệ F2 có biểu hiện số dảnh ít là chủ yếu và sự phân bố của con lai F2 là một chiều và thiên về hướng trội. Chỉ một vài cá thể F2 có số dảnh cao hơn các giống bố mẹ, chứng tỏ số dảnh thấp là tính trạng trội.
Các kết quả này tương đối khác với những kết quả thu được khi tiến hành phép lai diallel giữa 4 giống lúa nước. Trong phép lai đó, sự phân bố về
số bông về cơ bản là bình thường và có xu hướng thiên về số dảnh nhiều hơn trong 6 phép lai đó [55]. Số dảnh nhiều cũng thể hiện là tính trạng trội trong phép lai diallel 5 x 5 giữa các giống lúa nước, trích dẫn qua [46]. Kết quả này cho thấy 3 nhóm giống có sự tích lũy gen cho việc quy định tính trạng số
dảnh thấp.
2.4.2.4. Nghiên cứu về kiểm soát di truyền chiều cao cây
Trong 3 nhóm giống, các giống aus có kiểu hình thấp hơn. Trong khi cả
giống lúa cạn và giống bulu có kiểu hình cao cây. Thế hệ F2 cho thấy có sự
phân bố về chiều cao cây là bình thường và có xu hướng thiên lặn. Các kết quả này cũng cho thấy chiều cao cây do nhiều gen quy định. Các kết quả này cũng tương tự như các nghiên cứu của nhiều tác giả khác trong phép lai diallel [55], trích dẫn qua [49].
Các nghiên cứu của Reddy và Ram Rao (2004) [64] cho thấy khi lai giữa các giống lúa cao cây với các giống lúa thấp cây có chứa gen sd1, con lai F1 có kiểu hình cao cây. Ở thế hệ F2 chúng phân ly theo tỷ lệ 3 cao : 1 trung gian. Trong một số trường hợp thế hệ F2 phân ly theo tỷ lệ 9:6:1 hoặc 9:7.
Ngoài ra, các nghiên cứu của Guliaep (1975), trích dẫn qua [13] cho rằng có 4 gen kiểm soát chiều cao cây. Khi nghiên cứu các dạng lùn tự nhiên và
đột biến, ông nhận thấy có trường hợp tính lùn được kiểm soát bởi 1 cặp gen lặn, có trường hợp bởi 2 cặp gen lặn và đa số trường hợp do 8 gen lặn kiểm tra là d1, d2, d3, d4, d5, d6, d7, d8.
Còn các nghiên cứu của các tác giả Trung Quốc, trích dẫn qua [13] rằng các giống lúa lùn lặn có nguồn gốc Dee-geo-Woo-gen, I-geo-tze và Taiching native-1 chỉ làm ngắn thân mà không ảnh hưởng đến chiều dài bông.
2.4.2.5. Nghiên cứu về kiểm soát di truyền bộ rễ
Các giống lúa cạn truyền thống ở Đông Nam Á và châu Phi (thuộc dạng
O.sativa) được đặc trưng bởi số rễ thấp, có rễ phát triển dài và dày, và tỷ lệ
khối lượng rễ trên thân lá cao [29] và trích dẫn qua [49]. Còn một số dạng lúa nước thấp cây có số rễ nhiều, mỏng và phát triển nông [37] [62]. Các giống aus và bulu có bộ rễ ở dạng trung gian giữa hai dạng trên. Trong khi giống aus có bộ rễ dày hơn và số rễ nhiều hơn giống lúa dạng bulu, trích dẫn qua [46]. Sử dụng kỹ thuật canh tác khí canh để nghiên cứu về bộ rễ lúa. Kết quả
cho thấy khả năng sinh trưởng của bộ rễ trong vòng 50 ngày [56].
Trong một phép lai diallel 8 x 8 với 3 giống lúa cạn, 1 giống lúa nước truyền thống và 4 giống bố mẹ dạng bố mẹ bán lùn, kết quả phân tích ở con lai F1 cho thấy:
- Chiều dài rễ tối đa: Độ sâu bộ rễ được kiểm soát bởi các allel trội ở
trong các giống lúa bố mẹ châu Phi và các allel lặn ở 2 giống bố mẹ khác (một giống lúa nước và một giống thuộc nhóm bán lùn). Mặt khác, 2 giống lúa bán lùn có allel trội kiểm soát tính trạng ăn nông của bộ rễ (IR8 và IR20).
- Độ dày của bộ rễ: Trong 3 giống lúa cạn châu Phi, 2 giống được kiểm soát bởi các allel lặn và một giống được kiểm soát bởi các allel trội (giống OS4). 2 giống lúa thuộc nhóm bán lùn và một giống lúa nước indica (MGL-2) có các allel trội kiểm soát cho tính trạng bộ rễ dày trong khi giống IR8 có các
allel lặn kiểm soát tính trạng bộ rễ mỏng.
- Số rễ: Số rễ nhiều được kiểm soát bởi các allel trội trong các giống thuộc nhóm bán lùn và giống MGL-2, trong khi các giống lúa cạn châu Phi có biểu hiện số rễ ít và tính trạng đó được kiểm soát bởi các allel lặn.
- Tỷ lệ rễ trên thân lá: Ở hầu hết các giống lúa bố mẹ tỷ lệ rễ trên thân lá được cho là do các allel lặn quy định, trong khi đó giống lúa cạn châu Phi - Moroberekan tính trạng này được kiểm soát bởi các allel trội. Tuy nhiên theo Armenta-Soto và cs. (1983) thì tính trạng tỷ lệ rễ trên thân lá thấp là do các allel trội quy định [29].
Các số liệu phân tích trên thế hệ F2 của 2 thí nghiệm trên cho thấy:
- Chiều dài rễ tối đa: ở phép lai giữa giống lúa cạn và giống lúa bán lùn, sự biểu hiện của tính trạng này do cả hiệu ứng cộng và hiệu ứng trội quy định. - Độ dày của bộ rễ: Thế hệ con lai F2 khi quan sát tính trạng độ dày của bộ rễ cho thấy có sự biến động giữa các cặp lai. Trong 4 phép lai giữa các giống lúa cạn châu Phi và giống IR20, sự phân bố của F2 có biểu hiện trội ở
mức thấp với cặp lai IR20/20A, trong khi đó các cặp lai OS4/IR20, Moroberekan/IR20 và Kinandang Patong/IR20 thì tính trạng độ dày bộ rễ
không biểu hiện trội hoặc trội không đáng kể. Trong các cặp lai trên, các giống bố mẹ có sự sai khác 0,4 - 0,7 mm về độ dày bộ rễ, trong đó phép lai IR20/MGL-2 (sai khác giữa các giống bố mẹ là 0,3 mm) con lai F2 có sự phân bố về cơ bản là bình thường, trích dẫn qua [46]. Mặt khác, chỉ có duy nhất phép lai OS4/IR8, tính trạng bộ rễ mỏng có biểu hiện trội (Armenta-Soto 1983 [29].
- Số rễ: Sự phân bố con lai F2 là bình thường và nhiều dạng phân ly có xu hướng cao hơn. Một số ít các con lai F2 có sự biểu hiện số rễ thấp hơn các giống bố mẹở tất cả 6 cặp lai được quan sát.