4.1.1. Đặc điểm thu đƣợc qua thông tin hồ sơ mẫu giống
Phân tích thông tin hồ sơ thu thập mẫu giống của Trung tâm Tài nguyên Thực vật chúng tôi nhận thấy: 214 mẫu giống lúa đƣợc lựa chọn có nguồn gốc từ 36 tỉnh thành trong cả nƣớc, trải dài từ Bắc vào Nam, từ Hà Giang đến Cà Mau (Hình 4.1). Các mẫu giống này đã đƣợc gieo trồng ở nhiều vùng có điều kiện tự nhiên, đất đai, khí hậu khác nhau ở Việt Nam, tạm chia thành 8 vùng là: 1) Vùng Đồng bằng Sông Hồng (RRD), 2) Vùng Đồng bằng Sông Cửu Long (MRD), 3) Vùng Duyên hải Bắc Trung Bộ (NCC), 4) Vùng Duyên hải Nam Trung Bộ (SCC), 5) Vùng Đông Nam Bộ (SE), 6) Vùng Đông Bắc Bộ (NE), 7) Vùng Tây Bắc Bộ (NW), 8) Vùng Tây Nguyên (CH). Phân tích đặc điểm phân bố của các mẫu giống theo vùng chúng tôi nhận thấy vùng có số mẫu giống đƣợc lựa chọn nhiều nhất là Tây Bắc Bộ (chiếm 20,56%), tiếp đến là Vùng Đồng bằng sông Cửu Long (khoảng 19,16%), Vùng Duyên hải Nam Trung Bộ chiếm khoảng 16,82%, hai Vùng Đồng bằng Sông Hồng và Đông Bắc Bộ lần lƣợt chiếm khoảng 14,02 và 12,15 % (Hình 4.1). Vùng có ít mẫu tham gia bộ sƣu tập nhất là vùng Tây Nguyên, với 3 giống tham gia chiếm khoảng hơn 1,40%, còn lại là các giống không có đầy đủ thông tin để xác định nguồn gốc. Sự phân bố của 214 mẫu giống lúa Việt Nam trên 8 vùng điều kiện tự nhiên địa lý và khí hậu khác nhau hứa hẹn sẽ mang đến mức độ đa dạng cao cho tập đoàn giống nghiên cứu.
Kết quả phân tích thông tin hồ sơ của các giống nghiên cứu cũng cho thấy có 4 điều kiện gieo trồng khác nhau cho tất cả các mẫu giống, 44 mẫu giống không có đủ thông tin đánh giá. Các điều kiện canh tác chủ yếu của các mẫu giống trong tập đoàn theo thứ tự tăng dần là: 1) điều kiện ngập mặn ven biển (ký hiệu MG, có 5 mẫu giống), 2) canh tác chủ động tƣới tiêu (ký hiệu IR, có 44 mẫu giống), 3) canh tác bằng nƣớc trời trên đất thấp (ký hiệu RL, có 51 mẫu giống), 4) canh tác nƣơng rẫy chiếm nhiều nhất (ký hiệu UP, có 70 mẫu giống) chiếm khoảng 33%, các giống còn lại không có dữ liệu thông tin (u) (Phụ lục 1a). Trong 214 giống có tới 203 giống đƣợc cho là các giống bản địa của Việt Nam
(traditional – T), chỉ có 10 giống thuộc nhóm giống cải tiến (improvement –I), và 1 giống không có thông tin ghi chú về điều này (Phụ lục 1a).
Chú thích: A) Chấm đỏ là địa phƣơng có giống đƣợc thu thập trên bản đồ Việt Nam; B) Tỷ lệ phần trăm giống lúa chia theo vùng tự nhiên và khí hậu, trong đó MRD = Vùng Đồng bằng Sông Cửu Long; SE = Vùng Đông Nam Bộ; CH = Vùng Tây Nguyên; SCC = Vùng Duyên hải Nam Trung Bộ; NCC = Vùng Duyên hải Bắc Trung Bộ; RRD = Vùng Đồng bằng Sông Hồng; NW = Vùng Tây Bắc Bộ; NE = Vùng Đông Bắc Bộ, u = không biết thông tin; C) Số lƣợng các mẫu giống phân bố theo điều kiện gieo trồng, trong đó IR = Điều kiện chủ động tƣới tiêu; RL = Canh tác nƣớc trời ở vùng đất thấp; UP = Canh
tác nƣơng rẫy; na = Không có thông tin.
Hình 4.1. Đặc điểm phân bố của 214 mẫu giống lúa Việt Nam sử dụng làm vật liệu nghiên cứu
4.1.2. Đặc điểm nông sinh học cơ bản
4.1.2.1. Thời gian sinh trưởng
Thời gian sinh trƣởng của cây lúa (TGST) đƣợc tính từ khi gieo mạ đến khi lúa chín 85%. Nhiệt độ thấp sẽ làm thời gian sinh trƣởng kéo dài, và ngƣợc lại, nhiệt độ cao sẽ là rút ngắn thời gian sinh trƣởng của cây lúa. Ở Miền Bắc nƣớc ta, trong một năm thƣờng có hai vụ lúa (vụ xuân và vụ mùa). Vụ xuân, thời gian
sinh trƣởng của cây lúa biến động phụ thuộc vào điều kiện nhiệt độ không khí và trà lúa. Còn vụ mùa, có nhiệt độ cao, phù hợp cho sự tích ôn và sinh trƣởng của cây lúa, vì vậy thời gian sinh trƣởng của cây lúa trong vụ mùa ổn định hơn. Tuy nhiên, do đặc điểm hầu hết các giống lúa Việt Nam trong tập đoàn giống nghiên cứu là các giống địa phƣơng, chƣa đƣợc cải tiến nên TGST thƣờng ở mức trung đến dài ngày. Đặc biệt có một số giống lúa có phản ứng quang chu kỳ nên thời gian trỗ rất muộn (có thể vào tháng 10, 11). Một vài giống đến tháng 12 vẫn chƣa thấy trỗ bông, có do điều kiện thí nghiệm không cho phép nên hiện nay nhóm nghiên cứu cũng chƣa có cơ sở đầy đủ để xác định nguyên nhân không ra hoa, có thể là giống có phản ứng với ánh sáng ngày dài hoặc giống yêu cầu tổng tích ôn cao mà điều kiện ở Miền Bắc Việt Nam không thể đáp ứng đƣợc.
Bảng 4.1. Phân nhóm mẫu giống theo thời gian sinh trƣởng
Phân nhóm Tiêu chuẩn Số mẫu giống Tỷ lệ (%)
Nhóm cực ngắn ngày ≤ 105 22 8,15 Nhóm ngắn ngày 105 - 115 87 32,22 Nhóm trung ngày 116 - 135 86 31,85 Nhóm dài ngày 136-165 40 14,82 Nhóm cực dài ngày >165 35 12,96 Tổng 270 100,00
Vì phần lớn các mẫu giống lúa Việt Nam đƣợc lựa chọn là các giống địa phƣơng (giống cũ) do đó chúng tôi chỉ tiến hành thí nghiệm vào vụ mùa để đảm bảo thu đƣợc số lƣợng mẫu giống lớn nhất. Kết quả đánh giá thời gian sinh trƣởng của 270 mẫu giống lúa cho thấy: thời gian sinh trƣởng của các mẫu giống biến động trong khoảng từ 94 đến 186 ngày trong vụ thí nghiệm. Theo thang đánh giá chuẩn của IRRI, 270 mẫu giống lúa này đƣợc chia làm 5 nhóm TGST khác nhau: 22 mẫu giống có thời gian sinh trƣởng ngắn hơn 105 ngày thuộc nhóm cực ngắn ngày (8,15%), 87 mẫu giống có thời gian sinh trƣởng từ 105 đến 115 ngày thuộc nhóm ngắn ngày (32,22%), 86 mẫu giống có thời gian sinh trƣởng từ 116 đến 135 ngày thuộc nhóm trung ngày (31,85%), 40 mẫu giống có thời gian sinh trƣởng từ 135 đến 165 ngày thuộc nhóm dài ngày (14,82%), và 35 mẫu giống có thời gian sinh trƣởng trên 165 ngày đƣợc xếp vào nhóm cực dài ngày (12,96%) (Bảng 4.1).
4.1.2.2. Khả năng đẻ nhánh và số nhánh hữu hiệu
Khả năng đẻ nhánh liên quan đến số nhánh hữu hiệu và số bông trên cây lúa, cũng là một trong những yếu tố cấu thành năng suất lúa. Khả năng đẻ nhánh của các mẫu giống lúa đã đƣợc chúng tôi đánh giá và ghi nhận ở Bảng 4.2 theo thang đánh giá chuẩn của IRRI, trong đó trên 70% các mẫu giống nghiên cứu có khả năng đẻ nhánh ở mức trung bình (10-19 nhánh) và tốt (20 -25 nhánh).
Bên cạnh việc đánh giá khả năng đẻ nhánh của các mẫu giống ở giai đoạn đẻ nhánh cực đại, chúng tôi cũng tiến hành đánh giá số nhánh hữu hiệu của các mẫu giống lúa trong tập đoàn. Kết quả đánh giá cho thấy, số nhánh hữu hiệu thấp nhất là 7 nhánh/khóm; số nhánh hữu hiệu cao nhất là 35 nhánh/khóm (Nipponbare); phần lớn các mẫu giống trong tập đoàn nghiên cứu có số nhánh hữu hiệu trong khoảng từ 10 đến 25 nhánh. Kết quả đƣợc trình bày cụ thể hơn ở Bảng 4.2.
Bảng 4.2. Phân nhóm mẫu giống theo số nhánh hữu hiệu Số nhánh
hữu hiệu/khóm
Đánh giá theo thang chuẩn
của IRRI Số mẫu Tỷ lệ (%)
< 5 Rất thấp 0 0,00 5-10 Thấp 46 20,18 11-15 Trung bình 110 48,25 16 - 20 Trung bình 62 27,19 21- 25 Tốt 7 3,07 26 - 30 Rất tốt 1 0,44 31 - 35 Rất tốt 1 0,44 36 - 40 Rất tốt 1 0,44 Tổng 228 100
4.1.2.3. Chiều cao cây
Chiều cao cây là một chỉ tiêu hình thái quan trọng đặc trƣng cho giống đồng thời cũng phản ánh ảnh hƣởng của điều kiện môi trƣờng đến quá trình sinh trƣởng phát triển của giống. Theo dõi chiều cao cây của các mẫu giống trong tập đoàn tại thời điểm cây đạt chiều cao tối đa (giai đoạn chín) chúng tôi nhận thấy: tập đoàn các mẫu giống nghiên cứu có phổ chiều cao cây biến động rất lớn, giống thấp nhất cho chiều cao cây chỉ là 63 cm trong khi giống có chiều cao cây cao
nhất đạt tới 216 cm; chiều cao cây trung bình đạt 160,7 cm. Sử dụng biểu đồ histogram để hình ảnh hóa tần suất phân bố của các mẫu giống ở các mức chiều cao cây khác nhau, kết quả đƣợc thể hiện ở Hình 4.2. Qua hình 4.2 có thể thấy trên hầu hết các mẫu giống trong tập đoàn có chiều cao cây trung bình từ 150 cm (tần số 0,72), đặc biệt nhiều mẫu giống có chiều cao cây trên 2,0 m (tần số 0,2). Kết quả này có thể là do các mẫu giống đƣợc nghiên cứu trong tập đoàn hầu hết là các giống lúa bản địa, chƣa đƣợc cải tiến để thích nghi với điều kiện thâm canh cao.
Hình 4.2. Biểu đồ tần số phân bố mẫu giống lúa theo chiều cao cây
4.1.2.4. Đặc điểm về hạt của các mẫu giống
Tiến hành thí nghiệm quan sát đặc điểm về hình dạng và tính chất nội nhũ của hạt thu đƣợc từ các mẫu giống lúa Việt Nam (Hình 4.3) cho thấy phần lớn các mẫu giống đƣợc chọn là lúa tẻ (NG), chiếm 60,28%. Số lƣợng lúa nếp ít hơn, chỉ bằng một nửa số lúa tẻ (33,18%). Ngoài ra còn có một số mẫu giống chƣa xác định đƣợc tính chất nội nhũ (u, chiếm 6,54%), có thể phải cần những phân tích tinh vi hơn để xác định chính xác chủng loại và thành phần nội nhũ của chúng. Cũng có thể đây là các
giống trung gian giữa hai dạng lúa nếp, lúa tẻ nên phản ứng diễn ra tƣơng đối không đặc trƣng nhƣ trong từng nhóm riêng biệt. Số liệu đƣợc trình bày qua đồ thị Hình 4.3.
Trong đó: NG = lúa tẻ; G = lúa nếp; u = không xác định.
Hình 4.3. Tỷ lệ và số lƣợng các mẫu giống chia theo tính chất nội nhũ
Về hình dạng hạt, sau khi đo và tính toán tỷ lệ chiều dài hạt/ chiều rộng hạt chúng tôi thu đƣợc kết quả trình bày ở Bảng 4.3.
Bảng 4.3. Đặc điểm hình dạng hạt của các mẫu giống lúa Việt Nam trong bộ sƣu tập giống nghiên cứu
STT Nhóm Tiêu chuẩn Số lƣợng Tỷ lệ (%) 1 A L/W > 3,0 60 28,04 2 B 2,5 < L/W ≤ 3,0 85 39,72 3 C L/W ≤ 2,5 64 29,90 4 na Thiếu dữ liệu 5 2,33 Tổng 214 100
Theo kết quả trình bày trong Bảng 4.3, trong bộ sƣu tập 214 mẫu giống lúa Việt Nam đƣợc cung cấp bởi Trung tâm tài nguyên Thực vật, số mẫu giống có dạng hạt bầu chiếm 39,72%, nhiều nhất trong các nhóm, tiếp đến là các giống thuộc nhóm C có dạng hạt khá tròn, chiếm 29,90%. Nhóm hạt dài (A) chiếm tỷ lệ ít hơn (28,04%). Tuy nhiên không có sự chênh lệch quá lớn giữa các nhóm về số lƣợng mẫu giống.
4.2. KẾT QUẢ PHÂN TÍCH ĐA DẠNG DI TRUYỀN VỚI CHỈ THỊ DART 4.2.1. Kết quả phân tích đa hình và cấu trúc di truyền 4.2.1. Kết quả phân tích đa hình và cấu trúc di truyền
Phân tích kết quả lai giữa ADN của các mẫu giống nghiên cứu với 6144 DArT marker, kết quả thu đƣợc có 619 marker cho đa hình trong tập đoàn mẫu giống lúa nghiên cứu, chiếm khoảng 9,6% tổng số marker sử dụng. Trong 619 marker có 451 marker có độ tái lập (khả năng kết quả đƣợc đọc lập lại chính xác) trên 99%, và chỉ số chất lƣợng (Q-value) trên 80%, trong đó có 300 marker có chỉ số phát tín hiệu đạt trên 90% (tỷ lệ khuyết dữ liệu dƣới 10%). Sau khi rà soát có 59 nhóm marker có nhiều hơn 1 marker cùng cho ra trình tự kết quả giống hệt nhau. Các marker giống nhau bị loại bỏ, chỉ 1 marker trong mỗi nhóm này đƣợc giữ lại. Kết quả cuối cùng còn 241 marker có chất lƣợng tốt và không bị trùng lặp đƣợc giữa lại cho các phân tích cấu trúc di truyền tiếp theo. Hàm lƣợng thông tin đa hình (PIC) của các marker này dao động từ 5% đến 50%, trung bình là 40%. Các DArT marker này phân bố đều trong toàn bộ genome, số lƣợng marker trên mỗi nhiễm sắc thể tỷ lệ thuận với kích thƣớc tƣơng đối của chúng tính bằng bp (hệ số tƣơng quan r = 0,78).
Một ma trận dữ liệu đƣợc tạo thành từ 241 DArT marker và 270 mẫu giống lúa đã đƣợc đƣa vào phân tích cấu trúc di truyền sử dụng phần mềm STRUCTURE v2.3.1 (Prichard et al., 2000). Kết quả cho thấy có 168 mẫu giống có nền di truyền
giống với giống đối chứng indica từ 80 đến 100%, nghĩa là giống đó thuộc loài phụ indica; 88 mẫu giống có nền di truyền giống với đối chứng japonica từ 80 đến 100%,
đƣợc xếp vào nhóm loài phụ japonica; còn lại là các mẫu giống có nền di truyền trung gian giữa hai loài phụ này. Một biểu đồ đã đƣợc thiết lập dựa vào tỷ lệ phần trăm nền di truyền giống với đối chứng của 2 loài phụ indica và japonica của mỗi mẫu giống nghiên cứu, kết quả đƣợc trình bày ở Hình 4.4. Trong Hình 4.4, màu xanh lá cây biểu diễn tỷ lệ nền di truyền của nhóm indica, màu đỏ biểu diễn tỷ lệ nền di truyền của
Chú thích: Trục tung biểu diễn tỷ lệ nền di truyền giữa hai loài phụ indica và japonica, trục hoành biểu diễn số thứ tự của các mẫu giống lúa. Màu xanh lá cây đại diện cho nền di truyền thuộc nhóm loài phụ indica; màu đỏ đại diện cho nền di truyền thuộc nhóm loài phụ japonica; các mẫu giống có chữ “m” là dạng trung gian giữa hai loài phụ này. Vị trí 1 và 159 là đối chứng của IR64 (135), vị trí 2 là đối chứng của APO (132), vị trí 3 là đối
chứng của Azucena (153), vị trí 148 là đối chứng của Nipponbare (168), vị trí 155 là đối chứng của DOM SOFID (150), đối chứng đƣợc sử dụng là ADN đƣợc chiết tách từ các mẫu giống lúa tƣơng ứng nhƣng đƣợc
trồng và bảo quản tại Ngân hàng gen của CIRAD. Vị trí số 170 là giống GC14 thuộc Oryza glaberrima.
Hình 4.4. Thành phần kiểu gen của các mẫu giống nghiên cứu 4.2.2. Xây dựng cây phân loại cho các mẫu giống lúa nghiên cứu 4.2.2. Xây dựng cây phân loại cho các mẫu giống lúa nghiên cứu
Sử dụng DarWin5 để phân tích kết quả đa hình thu đƣợc từ DArTsoft, (241 marker x 270 mẫu giống nghiên cứu, giống CG14 là đối chứng thuộc loài lúa trồng Châu Phi – Oryza glaberrima) chúng tôi đã xây dựng đƣợc cây phân loại
cho các mẫu giống trong tập đoàn nghiên cứu (Neighbor Joining Tree). Kết quả đƣợc thể hiện ở Hình 4.5.
Trong hình chấm màu đen biểu diễn các mẫu giống lúa Việt Nam đƣợc cung cấp bởi Trung tâm tài nguyên Thực vật và các mẫu giống lúa đƣợc cung cấp bởi Viện Di truyền Nông nghiệp. Chấm màu đỏ biểu diễn cho các giống đối chứng thuộc nhóm indica. Chấm màu xanh lục biểu diễn cho các giống đối
chứng thuộc nhóm japonica. Chấm màu xanh lá cây biểu diễn cho các giống đối chứng thuộc nhóm
Sadri/Basmati. Chấm màu cam biểu diễn cho các giống đối chứng thuộc nhóm Aus/Bro. Chấm màu hồng biểu diễn vị trí của giống CG14 thuộc loài Oryza glaberrima, một giống lúa trồng Châu Phi.
Hình 4.5 thể hiện một cây phân loại có cấu trúc lƣỡng cực với hai nhóm chính, nhóm chính thứ nhất có các mẫu giống chỉ thị màu đỏ là nhóm I – nhóm
indica; nhóm chính thứ hai có mẫu giống chỉ thị màu xanh lục, là nhóm VI –
nhóm japonica theo phân loại isozyme của Glasmanz et al. (1987). Giữa hai
nhóm này có hai nhóm nhỏ tƣơng ứng với nhóm II và nhóm V theo phân loại isozyme của Glasmanz et al. (1987), trong kết quả phân tích cấu trúc di truyền
với chỉ thị DArT bằng phần mềm STRUCTURE đây là các mẫu giống có thành phần genome dạng trung gian (m). Nhóm có các mẫu giống chỉ thị màu xanh lá cây là Sadri/Basmati (nhóm V) có nền di truyền gần với nhóm japonica hơn
trong khi các mẫu giống thuộc nhóm nhỏ màu da cam là Aus/Boro (nhóm II) lại có khoảng cách gần hơn với các mẫu giống thuộc nhóm indica.
Chúng tôi nhận thấy một số giống lúa đặc sản của Việt Nam với các đặc tính nhƣ: hạt cơm dẻo, có mùi thơm đặc trƣng đều thuộc nhóm Sadri/Basmati, ví dụ nhƣ các giống: Tám Thơm, Tám Ấp Bẹ (Ninh Bình), Tám Xoan Hải Hậu… (Phụ lục 2). Phần lớn các mẫu giống thuộc nhóm japonica là các giống đang
đƣợc gieo trồng ở các vùng núi cao trong điều kiện thiếu nƣớc hoặc canh tác nhờ nƣớc trời. Phần lớn các mẫu giống thuộc nhóm indica là các giống đang đƣợc
gieo trồng ở các vùng đồng bằng, đồng bằng ven biển, hay các tỉnh Nam bộ có khí hậu ấm áp và luôn có đủ nƣớc (Phụ lục 1 và 2).