môi sinh của các sinh vật trên Trái đất, trong đó có con người. Khái niệm đa dạng sinh học được hiểu theo nhiều cấp, đó có thể là sự đa dạng của các quần xã sinh vật trong hệ sinh thái, là sự đa dạng giữa các loài trong quần xã hay sự đa dạng ở cấp độ di truyền giữa các cá thể trong cùng một loài. Mặc dù là cấp độ thấp nhất, nhưng đa dạng di truyền lại có vai trò vô cùng quan trọng trong tiến hóa và thích nghi của các sinh vật, mọi biến động ở cấp độ đa dạng di truyền đều có những tác động đến những cấp độ cao hơn và cuối cùng là ảnh hưởng đến đa dạng sinh học
Đa dạng di truyền có vai trò và ý nghĩa hết sức quan trọng trong công nghệ sinh học nông nghiệp. Từ những kết quả đánh giá đa dạng di truyền, các nhà khoa học có thể quy hoạch và bảo tồn các nguồn gen quý nhằm duy trì đa dạng sinh học hoặc hỗ trợ quá trình lai – chọn tạo giống thông qua chọn lựa các cặp bố mẹ trong phép lai nhằm thu được ưu thế lai cao nhất. Trên nhiều đối tượng thực vật, nghiên cứu đa dạng di truyền đã được thực hiện từ khá lâu với nhiều phương pháp tiếp cận khác nhau, thông qua các dữ liệu kiểu hình (chỉ thị hình thái), thành phần protein hay hoạt chất (chỉ thị hóa sinh) hay sự khác biệt (đa hình) trong DNA (chỉ thị DNA). Mỗi loại chỉ thị đều có những ưu – nhược điểm cũng như khả năng đánh giá mức độ đa dạng di truyền khác nhau. Trong đó, chỉ thị hình thái được sử dụng sớm nhất và là cơ sở ban đầu trong đánh giá phân loại sinh vật. 2.3.1. Đặc điểm nông sinh học
a) Rễ
Rễ lúa thuộc loại rễ chùm, có hai loại: (1) Rễ mầm mọc từ phôi hạt, có tác dụng hút nước và chất dinh dưỡng đến lúc cây có 3 lá; (2) Rễ đốt: mọc ra từ các đốt thân nằm dưới mặt đất, có tác dụng hút chất dinh dưỡng nuôi cây, trao đổi không khí, giữ cho cây lúa đứng vững.
Rễ non có màu trắng sữa, rễ trưởng thành có màu vàng nâu và nâu đậm, rễ già có màu đen. Bộ rễ đạt giá trị tối đa vào thời kỳ trỗ bông. Số lượng rễ có thể đạt tới 500 – 800 cái. Chiều dài rễ đạt 2- 3 km/cây khi cây được trồng riêng trong chậu.
b) Thân
Thân lúa thuộc loại thân thảo, gồm nhiều mắt và lóng. Thời kỳ mạ và lúa non: thân lúa do các bẹ lá tạo thành. Sau khi làm đốt, thân lúa do các lóng và đốt tạo thành, bên ngoài có bẹ lá bao bọc. Số lóng trên mỗi thân phụ thuộc vào giống: giống dài ngày 7-8 lóng, giống trung ngày 6-7 lóng và giống ngắn ngày có 4-5 lóng.
Cây lúa có thể đẻ nhánh khi có 4-5 lá thật. Ở ruộng lúa cấy, sau khi bén rễ hồi xanh cây lúa bắt đầu đẻ nhánh. Lúa kết thúc đẻ nhánh vào thời kỳ làm đốt, làm đòng. Từ cây mẹ đẻ ra nhánh con (cấp 1), nhánh cấp 1 đẻ nhánh cấp 2, nhánh cấp 2 đẻ nhánh cấp 3. Những nhánh hình thành vào giai đoạn cuối thường là nhánh vô hiệu.
Khả năng đẻ nhánh của cây lúa phụ thuộc vào giống, nhất là điều kiện chăm sóc, ngoại cảnh... Thường thì các giống lúa mới khả năng đẻ nhánh cao, tỷ lệ nhánh hữu hiệu cũng cao hơn các giống lúa cũ, cổ truyền. Cây lúa có nhiều nhánh, tỷ lệ nhánh hữu hiệu cao, năng suất sẽ cao.
c) Lá
Lá lúa có 2 loại: lá mầm và lá thật. Lá mầm mọc trong quá trình ngâm ủ và thời gian đầu sau khi gieo. Lá thật là lá mọc trong quá trình sinh trưởng sinh dưỡng của cây lúa và tồn tại trong suốt quá trình sinh trưởng của cây lúa. Số lá trên cây phụ thuộc vào giống: giống dài ngày ≥ 20 lá, giống trung ngày 16-18 lá, giống ngắn ngày 12-15 lá.
Lá lúa được hình thành từ các mầm lá ở mắt thân. Lá đầu tiên khi hạt nảy mầm hình thành là lá không hoàn toàn (không có phiến lá) còn gọi là bao mầm, người ta không tính lá này. Lá mọc tiếp theo đó được tính là lá thật đầu tiên.
Một lá của cây lúa bao gồm đầy đủ các bộ phận: bẹ lá, cổ lá, gốc bản lá, thìa lìa, tai lá, phiến lá. Các lá cỏ dại cũng có cổ lá nhưng chỉ có thể có hoặc thìa lìa hoặc tai lá, hoặc không có gì cả.
Các lá trên cây lúa phát triển liên tục từ dưới gốc lên trên, mỗi lá phát triển cách nhau một bước. Lá cuối cùng mọc ra gọi là lá đòng. Thông thường trên cây lúa có khoảng 5-6 lá xanh cùng hoạt động, sau giai đoạn hoạt động thì các lá dưới gốc chuyển vàng rồi chết đi, các lá mới lại tiếp tục hoạt động.
Các lá lúa trên thân chính phát triển kế tiếp nhau từ dưới lên và được sắp xếp so le nhau (mọc cách). Mỗi một lá mới được tạo ra (theo các bước nói trên) trung bình mất 7 ngày.
d) Hoa
Có nhiều hoa trên một bông lúa. Các hoa trên cùng một bông lúa trỗ không đồng thời hoa lúa nở theo quy luật từ trên xuống dưới, từ ngoài vào trong. Thời gian nở hoa phụ thuộc vào điều kiện khí hậu, thời tiết: nếu thuận lợi, nhiệt độ
thích hợp, đủ nắng, trời quang mây, gió nhẹ hoa nở rộ vào 8-9 giờ sáng; nếu trời nắng nóng hoa lúa sẽ nở sớm vào lúc 7-8 giờ sáng; nếu trời âm u, thiếu ánh sáng hoặc gặp rét hoa lúa sẽ trỗ muộn từ 12-14 giờ trưa. Thời gian phơi màu, thụ tinh của hoa lúa từ khi nở vỏ trấu đến lúc khép lại khoảng 50-60 phút.
đ) Hạt
Hạt lúa thường gọi là hạt thóc, mỗi một hạt thóc được hình thành từ một hoa lúa. Các hạt lúa xếp xít và gối lên nhau tạo thành bông lúa. Tuỳ vào các giống lúa khác nhau mà độ dài bông, số lượng hạt cũng như mật độ xếp hạt của bông lúa khác nhau.
2.3.2. Chỉ thị hình thái
Trước đây, sự đa dạng giữa các cá thể trong quần thể và giữa các quần thể được xác định thông qua đánh giá các đặc điểm hình thái nổi trội (hình dạng, kích thước, đặc điểm các bộ phân…). Với ưu điểm như dễ tiếp cận và nghiên cứu, không đòi hỏi thiết bị đặc biệt cũng như quy trình thực hiện phức tạp, chỉ thị hình thái được sử dụng khá rộng rãi trong nghiên cứu đa dạng di truyền thực vật. Trong đánh giá và chọn tạo giống truyền thống, chỉ thị hình thái được áp dụng phổ biến và khá hiệu quả ở một số loại cây trồng như lúa, ngô, đậu tương…
Hiện nay, tuy chỉ thị DNA được sử dụng phổ biến hơn nhưng chỉ thị hình thái vẫn được áp dụng khá hiệu quả trong đánh giá đa dạng di truyền hoặc trong nghiên cứu lập bản đồ liên kết phục vụ chọn tạo giống cây trồng như ở lúa [33], [55], [70] …
PHẦN 3. VẬT LIỆU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
3.1. VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU
Vật liệu nghiên cứu của đề tài bao gồm 50 mẫu giống lúa gạo màu có nguồn gốc thuộc khu vực phía Bắc đang được lưu giữ tại Ngân hàng gen cây trồng Quốc gia (Phụ lục 1).
3.2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Nội dung 1: Đánh giá đa dạng di truyền đặc điểm nông sinh học của nguồn gen lúa cạn gạo màu.
Đánh giá đa dạng đặc điểm nông sinh học với 10 chỉ tiêu cơ bản trên lúa: Chiều dài lá, chiều rộng lá, chiều cao cây, số bông/khóm, dài bông, độ trỗ thoát cổ bông, số hạt trên bông, tỷ lệ hạt chắc, thời gian sinh trưởng, năng suất.
Trên cơ sở đánh giá đặc điểm nông sinh học sẽ phân tích sự đa dạng của các giống lúa dựa trên các chi tiêu này.
Nội dung 2: Đánh giá đa dạng di truyền đặc điểm chất lượng của nguồn gen lúa cạn gạo màu.
Đánh giá đặc điểm chất lượng sử dụng 7 chỉ tiêu chất lượng cơ bản của lúa: Màu vỏ hạt, độ bạc bụng, độ thơm, phân biệt nếp tẻ, hàm lượng amylose, phân hủy kiềm, phân biệt japonica và indica.
Nội dung 3: So sánh đa dạng di truyền đặc điểm nông học và đặc điểm chất lượng của nguồn gen lúa cạn gạo màu.
Sử dụng kết quả đánh giá đa dạng đặc điểm nông sinh học và đa dang đặc điểm chất lượng để so sánh.
Nội dung 4: Giới thiệu một số nguồn gen lúa cạn gạo màu có tiềm năng cho chọn tạo giống và sản xuất
3.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.3.1. Phương pháp thí nghiệm đồng ruộng 3.3.1. Phương pháp thí nghiệm đồng ruộng
Thí nghiệm được bố trí theo phương pháp đánh giá tập đoàn, tuần tự không nhắc lại, diện tích ô thí nghiệm 8 m2 (2x4m) khoảng cách giữa các ô là 0,4 m, mật độ cấy: 20x15cm, cấy 1 dảnh/khóm.
Địa điểm tiến hành thí nghiệm: tại An Khánh, Hoài Đức, Hà Nội
- Lượng phân bón cơ bản cho 1 ha: 4 tấn phân chuồng + 50 kg N + 35 kg P2O5 + 25 kg K2O/ha.
- Các chỉ tiêu theo dõi và phương pháp đánh giá
Các chỉ tiêu theo dõi được đánh giá theo “Biểu mẫu mô tả nguồn gen lúa” do Trung tâm Tài nguyên thực vật biên soạn trên cơ sở tài liệu hướng dẫn của IRRI và IPGRI (Bảng 3.1)
Bảng 3.1. Các chỉ tiêu theo dõi
TT Chỉ tiêu theo dõi TT Chỉ tiêu theo dõi
1 Chiều dài lá (cm) 24 Trục bông (điểm)
2 Chiều rộng lá (cm) 25 Độ rụng hạt (điểm)
3 Độ phủ lông của lá (điểm) 26 Độ dai hạt (điểm)
4 Màu phiến lá (điểm) 27 Râu đầu hạt (điểm)
5 Màu gốc bẹ lá (điểm) 28 Màu râu (điểm)
6 Góc lá (điểm) 29 Màu mỏ hạt (điểm)
7 Góc lá đòng (điểm) 30 Màu nhụy cái (điểm)
8 Dài thìa lìa (mm) 31 Màu vỏ trấu (điểm)
9 Màu sắc thìa lìa (điểm) 32 Độ phủ lông vỏ trấu (điểm)
10 Dạng thìa lìa (điểm) 33 Màu mày hạt (điểm)
11 Màu cổ lá (điểm) 34 Chiều dài mày hạt (điểm)
12 Màu tai lá (điểm) 35 Độ thụ phấn của bông (điểm)
13 Số ngày từ khi gieo đến trỗ (ngày) 36 Số hạt trên bông
14 Chiều cao cây (cm) 37 Số hạt chắc trên bông
15 Số dảnh 38 Khối lượng 1.000 hạt (g)
16 Góc thân (điểm) 39 Chiều dài hạt (mm)
17 Đường kính ống rạ (mm) 40 Chiều rộng hạt (mm)
18 Màu sắc ống rạ (điểm) 41 Tỷ lệ dài/rộng hạt
19 Độ cứng cây (điểm) 42 Màu vỏ gạo (điểm)
20 Dài bông (cm) 43 Dạng nội nhũ (điểm)
21 Dạng bông (điểm) 44 Hương thơm (điểm)
22 Phân nhánh thứ cấp trên bông (điểm) 45 Độ tàn lá (điểm)
3.3.2. Phương pháp phân tích các chỉ tiêu liên quan đến chất lượng gạo Đánh giá một số đặc điểm liên quan đến chất lượng như: màu vỏ gạo, Đánh giá một số đặc điểm liên quan đến chất lượng như: màu vỏ gạo, hương thơm, hàm lượng amylose và độ phân huỷ kiềm, độ bạc bụng, phân loại nếp tẻ, loài phụ indica và japonica.
- Hương thơm (mùi) được đánh giá theo phương pháp của Jin và ctv (1996) [57]: Mỗi mẫu nguồn gen lúa sử dụng 10 hạt gạo đã xát trắng cho vào ống nghiệm, sau đó cho vào đó 5ml dung dịch KOH 0,1N trong thời gian 5 phút, ở nhiệt độ 500C. Sau đó đánh giá bằng cảm quan.
Thang điểm đánh giá : Điểm 0: Không thơm. Điểm 1: Hơi thơm (thơm ít). Điểm 2: Thơm.
- Xác định hàm lượng amylose
Hàm lượng amylose xác định theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5716 - 2. 2008 [41]: Nghiền gạo thành bột mịn để phá vỡ cấu trúc nội nhũ nhằm hỗ trợ sự phân tán và gelatin hóa hoàn toàn. Phần mẫu thử được hòa vào dung dịch Natri hydroxit, sau đó lấy một phần của dung dịch chiết này và cho thêm dung dịch iôt. Sử dụng máy quang phổ để đo độ hấp thụ của phức màu tạo thành ở bước sóng 720nm. Xác định hàm lượng amylose của mẫu dựa vào đường chuẩn.
Hàm lượng amylose chia thành các mức: Trên 25% Cao
Từ 20% đến 25% Trung bình Dưới 20% Thấp
- Xác định độ phân huỷ kiềm: Mỗi mẫu nguồn gen lúa sử dụng 10 hạt, bóc vỏ và ngâm vào 10 ml dung dịch KOH 1,7% trong 23 giờ, ở 300C. Sau đó xác định độ tan của hạt theo thang điểm từ 1 – 7 theo phương pháp của IRRI (1996) [56].
- Phân loại lúa nếp, tẻ theo phương pháp của IRRI (1996) [56].
Dựa vào phản ứng của của nội nhũ hạt trong dung dịch KI - I2 loãng (KI 2% và I2 0,2%) để xác định lúa nếp, tẻ. Quan sát thấy tinh bột chuyển màu nâu đỏ là dạng tinh bột của lúa nếp và màu xanh đen là dạng tinh bột của lúa tẻ.
- Phân loại loài phụ Indica và Japonica theo phương pháp phân loại nhanh, dựa vào phản ứng của hạt gạo với dung dịch Phenol [47], [61], [65].
Mỗi mẫu nguồn gen lúa sử dụng 10 hạt thóc, ngâm trong dung dịch phenol C6H5OH (1,5%) trong 6 giờ. Sau đó được làm khô ở nhiệt độ 300C trong hai ngày để xác định sự bắt màu của hạt thóc. Những giống có hạt thóc chuyển sang màu nâu đỏ là lúa Indica, không chuyển màu là lúa Japonica.
3.3.3. Phương pháp xử lý số liệu
Số liệu được xử lý bằng chương trình thống kê trong Excel và chương trình IRRISTART 5.0.
Sử dụng phần mềm NTSYS pc 2.0 [63] để thiết lập bảng hệ số tương đồng và xây dựng sơ đồ mối quan hệ giữa các mẫu nguồn gen lúa cạn gạo màu.
PHẦN 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
4.1. ĐÁNH GIÁ ĐA DẠNG DI TRUYỀN ĐẶC ĐIỂM NÔNG HỌC CỦA NGUỒN GEN LÚA CẠN GẠO MÀU NGUỒN GEN LÚA CẠN GẠO MÀU
4.1.1. Đặc điểm hình thái và sinh trưởng của các mẫu nguồn gen lúa gạo màu gạo màu
4.1.1.1. Đặc điểm hình thái của lúa gạo màu
Đặc điểm hình thái là một trong những cơ sở ban đầu để nhận biết và phân biệt các nguồn gen lúa. Việc phân biệt nguồn gen qua các đặc điểm hình thái không những có ý nghĩa cao trong công tác nghiên cứu, mà còn có ý nghĩa lớn trong sản xuất và công tác chọn tạo giống. Nghiên cứu các đặc điểm hình thái của 50 mẫu nguồn gen lúa gạo màu cho thấy mỗi đặc điểm có mức biểu hiện khác nhau.
* Đặc điểm của thân
Đề tài đã tiến hành nghiên cứu các đặc điểm của thân cây lúa: chiều cao cây, đường kính ống rạ, màu sắc ống rạ, góc thân, độ cứng cây của 50 mẫu nguồn gen. Kết quả nghiên cứu chi tiết được liệt kê trong Phụ lục 5, kết quả tổng hợp được thể hiện ở Bảng 4.1, Hình 4.1 và Hình 4.2.
- Chiều cao cây
Chiều cao cây là một đặc điểm sinh học quan trọng của cây lúa. Chiều cao cây có mối tương quan nghịch với khả năng chống đổ của cây lúa. Thực tế cho thấy các giống lúa thấp cây có khả năng chống đổ tốt hơn các giống cao cây.
Kết quả nghiên cứu chiều cao cây của 50 mẫu nguồn gen cho thấy chiều cao cây trung bình của các mẫu nguồn gen là 124,42 cm; mẫu nguồn gen có chiều cao cây thấp nhất là Pì theo cù (SĐK 2600), cao 86,6 cm; mẫu nguồn gen có chiều cao cây lớn nhất là Tẻ ruộng (SĐK 13009), cao 157,60 cm (Phụ lục 5).
Bảng 4.1. Đặc điểm thân của các mẫu nguồn gen lúa gạo màu, 2015
TT Đặc điểm Mức biểu hiện Số mẫu nguồn
gen biểu hiện Tỷ lệ (%)
1 Chiều cao cây
(cm) Thấp cây (< 85) 0 0,00 Nửa thấp cây (85-109) 6 12,00 Trung bình (110-130) 30 60,00 Cao cây (> 130) 14 28,00 2 Đường kính ống rạ (mm) Nhỏ (< 5,0) 35 70,00 Trung bình (5,0 - 9,0) 15 30,00 To (> 9,0) 0 0,00 3 Màu sắc ống rạ Xanh 14 28,00 Vàng nhạt 36 72,00 Sọc tím 0 0,00 Tím 0 0,00 4 Độ cứng cây Cứng 5 10,00 Cứng trung bình 18 36,00 Trung bình 16 32,00 Yếu 10 20,00 Rất yếu 1 2,00 5 Góc thân Đứng (< 30o) 25 50,00 Trung gian (= 45 o) 21 42,00 Mở (= 60 o) 4 8,00 Tòe (> 60 o) 0 0,00 Bò lan 0 0,00
Theo kết quả ở Bảng 4.1, tất cả 50 mẫu nguồn gen lúa gạo màu trong nghiên cứu này đều có chiều cao cây thuộc loại hình cao trung bình đến cao cây, trong đó loại hình cao trung bình chiếm ưu thế (30 mẫu nguồn gen tương ứng với 60,00%), có 14 mẫu nguồn gen thuộc loại hình cao cây. Kết quả nghiên cứu chiều cao cây của đề tài tương đồng với những nghiên cứu trước đây: lúa gạo phần lớn là các giống có chiều cao cây trung bình. Đây cũng là một ưu điểm của các nguồn gen lúa gạo màu vì các giống lúa được ưa chuộng hiện nay thường là các giống lúa thấp cây.
Hình 4.1. Chiều cao cây, đường kính ống rạ của các mẫu nguồn gen lúa cạn gạo màu
- Đường kính ống rạ
Đường kính ống rạ có liên quan đến độ cứng cây và tính chống đổ của cây lúa. Những giống có ống rạ to thường cứng cây và chống đổ tốt hơn.
Đường kính ống rạ trung bình của 50 mẫu nguồn gen lúa gạo màu trung