Tài liệu đánh giá đặc điểm sinh trưởng, năng suất và hàm lượng anthocyanin của một số dòng lúa đen mới chọn tạo

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM ĐÀO THỊ NHƯ QUỲNH ĐÁNH GIÁ ĐẶC ĐIỂM SINH TRƯỞNG, NĂNG SUẤT VÀ HÀM LƯỢNG ANTHOCYANIN CỦA MỘT SỐ DÒNG LÚA ĐEN MỚI CHỌN TẠO Ngành: Công nghệ sinh học Mã số: 60 42 02 01 Người hướng dẫn khoa học: GS.TS. Phan Hữu Tôn NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC NÔNG NGHIỆP - 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan, các số liệu và kết quả nghiên cứu trình bày trong khóa luận tốt nghiệp là trung thực và chưa hề được sử dụng để bảo vệ bất kỳ một học vị nào. Tôi xin cam đoan, mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện khóa luận tốt nghiệp này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc. Hà Nội, Ngày 31 tháng 10 năm 2017 Tác giả luận văn Đào Thị Như Quỳnh i LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành báo cáo tốt nghiệp này, ngoài sự nỗ lực phấn đấu của bản thân, tôi còn nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, hướng dẫn tận tình của các cá nhân, tập thể và đơn vị khác. Nhân dịp hoàn thành luận văn cho phép tôi được bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến GS.TS. Phan Hữu Tôn (người hướng dẫn khoa học) và thầy giáo ThS. Nguyễn Quốc Trung đã dành nhiều thời gian, tâm huyết chỉ bảo, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới Ban Giám đốc, Ban quản lý đào tạo, thầy giáo, cô giáo và các cán bộ Bộ môn Sinh học phân tửvà CNSH ứng dụng-Khoa Công nghệ sinh học-Học viện Nông nghiệp Việt Nam, Trung tâm nghiên cứu cây trồng Việt Nam-Nhật Bản đã tạo mọi điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong trường Học viện Nông nghiệp Việt Nam đã tận tình dạy bảo tôi trong suốt 2 năm học qua. Tôi xin chân thành cảm ơn các bạn sinh viên (Tống Thị Khánh DươngK58CHSNB; Phan Thị Kiều Anh-K58CNSHE) nhóm nghiên cứu khoa học bộ môn sinh phân tửvà CNSH ứng dụngđã tham gia giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình thực hiện đề tài. Cuối cùng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới những người thân trong gia đình và toàn thể bạn bè đã luôn ở bên, chăm sóc, động viên, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn Thạc sĩ này. Hà Nội, Ngày 31 tháng 10 năm 2017 Tác giả luận văn Đào Thị Như Quỳnh ii MỤC LỤC Lời cam đoan ..................................................................................................................... i Lời cảm ơn ........................................................................................................................ ii Mục lục ........................................................................................................................... iii Danh mục chữ viết tắt ....................................................................................................... v Danh mục bảng ................................................................................................................ vi Danh mục đồ thị, hình, sơ đồ, ảnh .................................................................................. vii Trích yếu luận văn ........................................................................................................... ix Thesis abstract................................................................................................................... x Phần 1. Mở đầu ............................................................................................................... 1 1.1. Tính cấp thiết của đề tài ...................................................................................... 1 1.2. Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................................... 2 1.3. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................................ 2 1.4. Những đóng góp mới, ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn ............................ 2 Phần 2. Tổng quan tài liệu ............................................................................................. 3 2.1. Đặc điểm sinh trưởng và phát triển của cây lúa ................................................. 3 2.1.1. Giới thiệu cây lúa................................................................................................ 3 2.1.2. Cây lúa đen ......................................................................................................... 7 2.1.3. Các giai đoạn phát triển ...................................................................................... 8 2.1.4. Năng suất và các yếu tố ảnh hưởng tới năng suất............................................... 9 2.2. Anthocyanin...................................................................................................... 11 2.2.1. Cấu tạo hạt lúa .................................................................................................. 11 2.2.2. Giới thiệu chung về anthocyanin ...................................................................... 12 2.2.3. Cấu trúc hóa học của anthocyanin .................................................................... 13 2.2.4. Tính chất của anthocyanin ................................................................................ 14 2.2.5. Sự tổng hợp anthocyain ở gạo .......................................................................... 16 2.2.6. Vai trò của anthocyanin .................................................................................... 19 2.2.7. Sự phân bố của anthocyanin ............................................................................. 22 2.3. Cơ sở di truyền của quá trình tổng hợp anthocyanin ........................................ 24 2.4. Công tác chọn tạo giống lúa đen ...................................................................... 27 2.4.1. Tình hình chọn tạo giống lúa đen ở thế giới và Việt Nam ............................... 27 iii Phấn 3. Vật liệu và phương pháp ................................................................................ 31 3.1. Vật liệu, hóa chất, và trang thiết bị nghiên cứu ................................................ 31 3.1.1. Vật liệu nghiên cứu ........................................................................................... 31 3.2. Thời gian và địa điểm nghiên cứu .................................................................... 32 3.2.1. Thời gian ........................................................................................................... 32 3.2.2. Địa điểm ........................................................................................................... 32 3.3. Nội dung nghiên cứu ........................................................................................ 32 3.4. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................. 32 3.4.1. Thí nghiệm ngoài đồng ruộng .......................................................................... 32 3.4.2. Đánh giá các đặc điểm nông sinh học và đo năng suất .................................... 33 3.4.3. Phương pháp đo anthocyanin ........................................................................... 35 3.4.4. Phương pháp xác định gen Rc và Rd ................................................................ 35 3.4.5. Phương pháp đo mức độ chống oxy hóa .......................................................... 37 Phần 4. Kết quả và thảo luận ....................................................................................... 40 4.1. Kết quả đánh giá đặc điểm nông sinh học ........................................................ 40 4.2. Kết quả đánh giá năng suất ............................................................................... 43 4.3. Kết quả xác định hàm lượng anthocyanin ........................................................ 48 4.3.1. Màu sắc thân, lá, vỏ, hạt lúa. ............................................................................ 48 4.3.2. Kết quả đánh giá hàm lượng anthocyanin ........................................................ 51 4.4. Kết quả xác định gen Rc và gen Rd .................................................................. 58 4.4.1. Kết quả xác định gen Rc ................................................................................... 58 4.4.2. Kết quả xác định gen Rd ................................................................................... 59 4.5. Kết quả xác định khả năng chống oxi hóa ........................................................ 64 4.6. Thảo luận .......................................................................................................... 68 Phần 5. Kết luận và kiến nghị ...................................................................................... 69 5.1. Kết luận............................................................................................................. 70 5.2. Kiến nghị .......................................................................................................... 70 Tài liệu tham khảo .......................................................................................................... 71 Phụ lục .......................................................................................................................... 75 iv DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Nghĩa tiếng Việt AC Anthocyanin bHLH Basic helix-loop-helix CT Công thức DFR Dihydroflavonol-4-reductase DNA Deoxyribonucleic acid DPPH 2,2 -diphenyl -1-picrylhydrazyl MAS Marker Assisted-Selection PCR Polymerase Chain Reaction QTL Quantitative trait loci RFLP Restriction Fragment Length Polymorphism SD Standard Deviation- Độ lệch chuẩn SSR Simple Sequence Repeat v DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1. Màu sắc anthocyanin trong các môi trường pH khác nhau ....................... 15 Bảng 2.2. Các anthocyanin trong một số nguồn thực vật .......................................... 23 Bảng 2.3. Các gen lúa tham gia vào tổng hợp flavonoid........................................... 24 Bảng 3.1. Danh sách 36 dòng/giống lúa nghiên cứu ................................................. 31 Bảng 3.2. Trình tự primer PCR ................................................................................. 37 Bảng 3.3. Điều kiện nhiệt độ trong các chu kỳ PCR ................................................. 37 Bảng 4.1. Các đặc điểm nông sinh học của các dòng................................................ 40 Bảng 4.2. Các yếu tố cấu thành nên năng suất .......................................................... 43 Bảng 4.3. Năng suất của các dòng ............................................................................. 47 Bảng 4.4. Các nhóm dòng phân theo màu sắc vỏ lụa ................................................ 51 Bảng 4.5. Kết quả xác định hàm lượng anthocyanin trong 36 dòng lúa đen............. 52 Bảng 4.6. Nhóm mẫu giống phân theo hàm lượng anthocyanin (%) ........................ 54 Bảng 4.7. Hàm lượng anthocyanin và màu sắc vỏ lụa của 36 dòng lúa đen ............. 56 Bảng 4.8. Bảng so sánh tương quan giữa sự có mặt của gen Rc với hàm lượng anthocyanin ............................................................................................... 60 Bảng 4.9. Phần trăm loại bỏ DPPH 10 dòng lúa đen ................................................ 65 Bảng 4.10. Giá trị IC50 ở 10 mẫu AC lúa đen ............................................................. 66 vi DANH MỤC ĐỒ THỊ, HÌNH, SƠ ĐỒ, ẢNH Hình 2.1. Mô hình cây lúa........................................................................................... 3 Hình 2.2. Hình dạng của các hạt thóc ......................................................................... 5 Hình 2.3. Cánh đồng lúa nếp than Yên Bái - Hà Giang .............................................. 8 Hình 2.4. Sơ đồ phát triển cây lúa ............................................................................... 8 Hình 2.5. Cấu tạo hạt lúa........................................................................................... 11 Hình 2.6. Hình Cấu tạo vỏ trấu ................................................................................. 12 Hình 2.7. Cấu trúc cơ bản của anthocyanidin của anthocyanin ................................ 13 Hình 2.8. Thay đổi về cấu trúc, màu sắc anthocyanin trong môi trường pH khác nhau .................................................................................................. 15 Hình 2.9. Con đường sinh tổng hợp anthocyanin ..................................................... 17 Hình 2.10. Sự tạo phức giữa cyanidin và DNA .......................................................... 20 Hình 2.11. Kiểu hình và bản đồ chi tiết của Rc........................................................... 25 Hình 2.12. Sơ đồ mô tả vị trí tương đối và các marker DNA trên locus Rc trên nhiễm sắc thể số 7 ..................................................................................... 26 Hình 2.13. Gạo đen Trung Quốc ................................................................................. 27 Hình 2.14. Kết quả của phép lai giữa giống Koshihikari với giống Hong Xie Nuo ............................................................................................................ 28 Hình 2.15. Giống Nếp cẩm mới ĐH6 ......................................................................... 30 Hình 3.1. Phản ứng trung hòa DPHH ....................................................................... 38 Hình 4.1. Biểu đồ thể hiện ngày trỗ của các dòng .................................................... 41 Hình 4.2. Biểu đồ thể hiện chiều cao cây cuối cùng các dòng.................................. 41 Hình 4.3. Biểu đồ thể hiện chiều dài lá đòng của các dòng ...................................... 42 Hình 4.4. Biểu đồ thể hiện chiều rộng lá đòng của các dòng.................................... 42 Hình 4.5. Biểu đồ thể hiện tổng số hạt/bông của các dòng ....................................... 44 Hình 4.6. Biểu đồ thể hiện chiều dài bông lúa của các dòng .................................... 45 Hình 4.7. Biểu đồ thể hiện tỉ lệ hạt chắc/bông (%) của các dòng ............................. 45 Hình 4.8. Biều đồ thể hiện khối lượng 1000 hạt (g) của các dòng ........................... 45 Hình 4.9. Biểu đồ thể hiện năng suất của các dòng .................................................. 48 Hình 4.10. Cây lúa đen có gốc tím đen, thân và lá màu xanh ..................................... 49 vii Hình 4.11. Sự khác biệt về màu sắc hạt lúa của các dòng khác nhau. ........................ 49 Hình 4.12. Màu sắc vỏ trấu của 36 dòng lúa đen ........................................................ 49 Hình 4.13. Màu sắc vỏ lụa của 36 dòng lúa đen ......................................................... 50 Hình 4.14. Hàm lượng anthocyanin 36 dòng lúa đen ................................................ 53 Hình 4.15. Hình ảnh 2 dòng có hàm lượng athocyanin cao nhất ................................ 54 Hình 4.16. Hình ảnh 2 dòng có hàm lượng anthocyanin thấp nhất............................. 54 Hình 4.17. Hình ảnh 5 dòng không đo được hàm lượng anthocyanin ........................ 55 Hình 4.18. Mẫu phân tích BR14, BR17, BR11, BR15, BR26, BR29, BR27, BR3 và BR4 để đo quang phổ ................................................................... 55 Hình 4.19. Kết quả điện di sản phẩm PCR của 36 mẫu dòng với mồi qPC7.............. 58 Hình 4.20. Sơ đồ biểu diễn của các locus trong tổng hợp pro-anthocyanidin trong hạt gạo.............................................................................................. 59 Hình 4.21. Kết quả điện di sản phẩm PCR của 36 mẫu dòng với mồi RM11292 ..... 60 Hình 4.22. Hình ảnh dịch chiết AC thu được từ 10 dòng ........................................... 65 Hình 4.23. DPPH sau khi ủ 30 phút trong bóng tối .................................................... 65 Hình 4.24. Biểu đồ thể hiện khả năng loại bỏ gốc tự do của 10 mẫu AC ................... 66 viii TRÍCH YẾU LUẬN VĂN Tên tác giả: Đào Thị Như Quỳnh Tên Luận văn: Đánh giá đặc điểm sinh trưởng, năng suất và hàm lượng anthocyanin của một số dòng lúa đen mới chọn tạo. Ngành: Công nghệ sinh học Mã số: 60 42 02 01 Tên cơ sở đào tạo: Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam Mục đích nghiên cứu Đề tài nhằm chọn lọc được những dòng lúa đen mới có năng suất và hàm lượng anthocyanin cao từ 36 dòng lúa đen mới chọn tạo tại Trung tâm nghiên cứu cây trồng Việt Nam và Nhật Bản (CIPR); nhằm phát triển ra sản xuất các giống lúa có giá trị dược liệu. Gạo đen là loại gạo có hàm lượng dinh dưỡng cao: protein, chất béo, caroten, axit amin, anthocyanin và các nguyên tố vi lượng cần thiết cho cơ thể. Anthocyanin là chất có khả năng kháng oxy hóa cao và có hàm lượng cao trong lúa đen, ngoài ra có lợi cho sức khỏe của con người và ngăn ngừa một số bệnh nguy hiểm. Phương pháp nghiên cứu Để tiến hành đề tài ta thực hiện các thí nghiệm sử dụng phương pháp bố trí thí nghiệm để đánh giá năng suất và các chỉ tiêu nông sinh học thu được. Tiếp tục xác định hàm lượng anthocyanin của 36 mẫu gạo đen dựa theo Yang et al. (2009). Đồng thời thực hiện các nghiên cứu di truyền phân tử để phân tích di truyền các gen tham gia quá trình tổng hợp anthocyanin. Kết quả chính và kết luận Kết quả thu được các dòng lúa đen có hàm lượng anthocyanin cao nhất: BR14, BR17, BR30, BR6, BR35, BR8, BR1, BR5, trong đó năng suất thực thu của 4 dòng khá cao: BR6 (6,05 tấn/ha), BR8 (8,67 tấn/ha), BR1 (4,43 tấn/ha), BR17 (4,51 tấn/ha). Kết quả xác định gen bằng chỉ thị phân tử đã xác định được 14 dòng mang gen Rc, 14 dòng mang gen Rd và 17 dòng không mang gen Rc và Rd. Kết hợp việc thực hiện đánh giá khả năng chống oxi hóa bằng DPPH của 10 dòng điển hình kết quả cuối cùng thu được dòng BR6 và BR8 có năng suất, hàm lượng anthocyanin và hoạt tính chống oxi hóa cao có thể ứng dụng vào trong sản xuất. Các số liệu thu được trong nghiên cứu này cung cấp những thông tin quan trọng cho việc chọn lọc giống lúa dược liệu đặc sản và chất lượng áp dụng vào sản xuất. Từ khóa: lúa đen, hàm lượng anthocyanin, chống oxi hóa, năng suất, nông sinh học. ix THESIS ABSTRACT Master candidate: Dao Thi Nhu Quynh Thesis title:Characterization of growth, productivity and anthocyanin content of some new selected black rice lines. Major: Biotechnology Code:60 42 02 01 Educational organization: Vietnam National University of Agriculture (VNUA) Research Objectives The goal of our research is to select the new black rice lines with high productivity and anthocyanin content from 36 new black rice lines at Center of International Plant Research Vietnam and Japan; to develop new lines with medical value. Black rice is rich in nutritions such as protein, lipid, caroten, amino acid, anthocyanin and essential micro-elements which are good for health. Anthocyanin is highly antioxidant and high content in black rice, which is beneficial to human health and prevent some serious diseases. Materials and Methods In our reserch, we have performed experiments to evaluate productivity and agro-biological traits. Then, total anthocyanin extraction of 36 samples of black rice lines was estimated according to Yang et al., 2009. We also conducted experiments using molecular tools to screen genes involving in anthocyanin biosynthesis. Main findings and conclusions As the results, we have obtained some lines with highest anthocyanin content such as BR14, BR17, BR30, BR6, BR35, BR8, BR1 and BR5. Some of them have relatively high harvesting productivity such as BR6 (6.05 tons/ha), BR8 (8.67 tons/ha), BR1 (4.43 tons/ha) and BR17 (4.51 tons/ha). Using molecular markers we have identified 14 lines containing Rc gen, 14 lines containing Rd gene and 17 lines not containing Rc and Rd gene. To evaluating antioxidant ability of 10 typical obtained lines using DPPH as oxidant chemical, we have selected 2 lines with high productivity, anthocyanin content and antioxidant are BR6 and BR8 that are potential for commercial production. Key words: black rice, anthocyanin content, antioxidant, productivity, agro-biological traits. x PHẦN 1. MỞ ĐẦU 1.1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Lúa gạo không những được sử dụng như một loại lương thực chính trong bữa ăn hằng ngày mà còn được coi như một loại dược liệu quý. Nó được sử dụng dụng như một loại thực phẩm chức năng do trong gạo có nhiều chất dinh dưỡng cao: chất khoáng đa lượng, vi lượng, chất xơ cao và một số loại vitamin, axit amin cần thiết cho sức khỏe con người, đặc biệt là anthocyanin – chất chống oxy hóa, có tiềm năng chống lại bệnh ung thư, tim mạch và nhiều bệnh khác. Anthocyanin là chất có khả năng kháng oxy hóa cao và có hàm lượng cao trong lúa đen, hiện nayđang được các nhà khoa học trên thế giới quan tâm nghiên cứu và khai thác những đặc tính quý. Anthocyanin thuộc nhóm hợp chất flavonoid tan tốt trong dung môi phân cực; anthocyanin còn tham gia vào việc tạo nên đa sắc màu cho hoa quả. Một số loại rau, quả, hạt có màu từ đỏ đến tím: quả nho, quả dâu, bắp cải tím, lá tía tô, đậu đen, quả cà tím, gạo nếp than, gạo đỏ… đều thuộc họ màu phổ biến anthocyanin.Quá trình sinh tổng hợp anthocyanin đòi hỏi vật liệu khởi đầu đi từ quá trình quang hợp, pH tối thích của enzyme tham gia vào con đường tổng hợp flavonoid là pH trung tính. Hai nhóm nghiên cứu Furukawa et al., (2007); Sweeney et al. (2006) đồng thời xác định được gen Rc nằm trên NST số 7 mã hóa cho protein bHLH tham gia tổng hợp anthocyanin. Với khả năng chống oxi hóa cao, anthocyanin được dùng để chống lão hóa, chống viêm, chống tia phóng xạ, hạn chế sự phát triển của các tế bào ung thư; điều này mở ra triển vọng về sản xuất các thực phẩm chức năng. Việt Nam là nước có nguồn gen đa dạng, nhiều giống lúa đen hay lúa cẩm đã được sử dụng từ lâu đời từ các địa phương khác nhau. Các sản phẩm từ lúa đen có thể được sử dụng tùy từng mục đích khác nhau trong đời sống như : nấu chè, nấu xôi, nấu rượu. Việc khai thác nguồn gen lúa đen ở Việt Nam mới chỉ được quan tâm ở các sản phẩm chế biến. Trong khi các nghiên cứu chọn tạo giống thì ít được đề cập tới.Nghiên cứu của Nguyễn Quốc Trung và cs. (2016): “Nghiên cứu ứng dụng của DNA Marker phát hiện gen Rc tổng hợp Anthocyanin ở lúa cẩm”. Kết quả của đề tài nhằm phục vụ công tác bảo tồn và chọn tạo giống lúa cẩm bằng DNA marker. Các nghiên cứu trước đây không đề cập đến công tác chọn tạo giống dựa 1 trên hàm lượng anthocyanin của các dòng, chính vì vậy việc thực hiện đề tài “Đánh giá đặc điểm sinh trưởng, năng suất và hàm lượng anthocyanin của một số dòng lúa đen mới chọn tạo” sẽ tuyển chọn được các dòng lúa đen mới dựa trên năng suất, hàm lượng anthocyanin và khả năng chống oxi hóa cao để đưa vào sản xuất các giống lúa thảo dược. 1.2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Chọn lọc được dòng lúa đen mới có năng suất và hàm lượng anthocyanin cao. 1.3. PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đánh giá đặc điểm nông sinh học, năng suất của 36 dòng lúa đen được tiến hành tại khu ruộng thử nghiệm – Trung tâm nghiên cứu giống cây trồng Việt Nam và Nhật Bản (CIPR), Học viện Nông nghiệp Việt Nam. Xác định hàm lượng anthocyanin của 36 dòng lúa đen, khả năng chống oxi hóa của một số dòng điển hình, được tiến hành tại phòng thí nghiệm chọn giống- Trung tâm nghiên cứu giống cây trồng Việt Nam và Nhật Bản (CIPR), Học viện Nông nghiệp Việt Nam. Thời gian nghiên cứu từ tháng 01 đến tháng 10 năm 2017. 1.4. NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI, Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN Đóng góp mới: đánh giá đặc điểm nông sinh học, hàm lượng anthocyanin để xác định tiềm năng ứng dụng trong sản xuất. Ý nghĩa khoa học: xác định được đặc điểm nông sinh học, hàm lượng anthocyanin, kiểu gen Rc, Rd và khả năng chống oxi hóa của nguồn vật liệu nghiên cứu là 36 dòng lúa đen mới chính là cơ sở khoa học để chọn lọc được giống lúa đen mới có giá trị dược liệu. Ý nghĩa thực tiễn: chọn lọc được một số dòng lúa đen có năng suất, hàm lượng anthocyanin và khả năng chống oxi hóa cao, góp phần vào công tác chọn tạo giống lúa đen ở Việt Nam. 2 PHẦN 2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1.ĐẶC ĐIỂM SINH TRƯỞNG VÀ PHÁT TRIỂN CỦA CÂY LÚA 2.1.1. Giới thiệu cây lúa 2.1.1.1. Giới thiệu chung Họ (Family) : Poaceae/Gramieae (Hòa thảo) Phân họ (Subfamily) : Oryzoideae Tộc (Tribe) : Oryzeae Chi (Genus) : Oryza Loài (Species) : Oryza sativar L. Hình 2.1. Mô hình cây lúa Cây lúa thích hợp sinh trưởng ở nơi đầmlầy, khí hậu nhiệt đới chị ảnh hưởng của gió mùa. Cây lúa được canh tác từ vĩ tuyến 40˚ phía nam bán cầu đến vĩ tuyến 53˚ của bắc bán cầu, và được trồng từ mặt đất thấp hơn mặt nước biển cho đến độ cao 2000mét trên mặt nước biển. Trên thế giới có 20 loài lúa hoang sống rải rác trên thế giới và 2 loại lúa canh tác. Các nhà khoa học công nhận rằng cây lúa được thuần hóa từ cây lúa hoang dại. Cây lúa trồng ngày nay do sự tiến hóa liên tục của cây lúa dại dưới sự tác động của con người và thiên nhiên qua nhiều thiên nhiên kỷ. Dưới tác động 3 của môi trường khắc nghiệt như khô hạn hoặc nhiệt độ thay đổi quá lớn hàng năm, một số giống lúa dại cổ đã tiến hóa dần để thích nghi với điều kiện phong thổ địa phương. Hiện nay có hai loại lúa đã được thuần hóa là lúa Châu Á(Oryza sativa L.) và lúa Châu Phi(Oryza glaberrima Steud). Cây lúa hiện tại được canh tác đại trà để cung cấp lương thực cho con người trên thế giới là Oryza sativa L. ở châu Á, có năng suất cao và được ưa chuộng. Giống lúa Oryza glaberrima Steud được canh tác ít hơn ở tây Châu Phi, có năng suất và chỉ số thu hoạch thấp hơn O.sativa. 2.1.1.2. Phân loại * Theo điều kiện sinh thái Kato (1930) chia lúa trồng thành 2 nhóm lớn là Japonica (lúa cánh) và Idica (lúa tiên). Lúa tiên: cây cao, lá nhỏ màu xanh nhạt, bông xòe, hạt dài, vỏ trấu mỏng. Gạo cho cơm khô và nở nhiều. Cây phân bố các vùng vĩ độ thấp như Ấn Độ, Nam Trung Quốc, Việt Nam, Indonexia. Cây có năng suất không cao. Lúa cánh: cây thấp, lá to màu xanh đậm, bông chụm, hạt ngắn, vỏ trấu dày. Gạo cho cơm dẻo và ít nở. Cây phân bố ở các vùng vĩ độ cao như Nhật Bản, Triều Tiên, Bắc Trung Quốc và một số nước Châu Âu. Lúa cánh thích nghi với điều kiện thâm canh và cho năng suất cao. * Theo thời gian sinh trưởng Ở Việt Nam thì chia thành lúa chim và lúa mùa. Các giống lúa lai ngắn ngày được lai tạo hay nhập khẩu để trồng tăng vụ, trái vụ, và tăng năng suất lúa. Các giống này phản ứng trung tính với ánh sáng nên trồng rộng rãi vào các vụ xuân, hè thu, đông xuân ở Nam Bộ. * Theo điều kiện tưới và gieo cấy Quá trình thuần hóa cây lúa diễn ra trong thời gian dài, cây lúa thích nghi dần từ môi trường nước lên môi trường cạn. Lúa cạn là lúa trồng tại các vùng đồi nương, không cần nước trên mặt đất. Lúa có thể chịu nước sâu với mức ngập nước là 1m và cả giống lúa nổi chịu ngập đến 3-4m. *Theo cấu tạo hạt - Theo thành phần hóa học 4 Lúa nếp có thành phần tinh bột chủ yếu là amylopectine (98%). Lúa tẻ có tỷ lệ amylose từ 13 – 35%. - Theo hình dạng hạt thóc Hạt rất dài : Chiều dài hạt trên 7,5 mm. Hạt dài : Chiều dài hạt từ 6,6 mm – 7,5 mm. Hạt trung bình : Chiều dài hạt từ 5,5 mm – 6,5 mm. Hạt ngắn : Chiều dài hạt ngắn hơn 5,5 mm. Hình 2.2. Hình dạng của các hạt thóc Nguồn: Nguyễn Bảo Hiệp và cs. (2013) 2.1.1.3. Vai trò Lúa gạo trong nền kinh tế thế giới Theo đà phát triển của sức sản xuất và phân công lao động quốc tế, nhu cầu của con người ngày càng phong phú, đa dạng. Tuy nhiên, nhu cầu về ăn và mặc vẫn là nhu cầu cần thiết hơn cả, trong đó nhu cầu về ăn uống lại đóng vai trò số một trong đời sống hàng ngày. Bởi vậy, lương thực trở thành yếu tố được chú trọng hàng đầu. Thực tế trong nhiều thập kỷ qua, thế giới luôn quan tâm, lo lắng đến vấn đề lương thực như một đề tài thời sự cấp bách. Nhiều sách báo, nhiều tổ 5 chức và cá nhân, nhiều cuộc hội thảo quốc gia và quốc tế thường xuyên đề cập đến chương trình an ninh lương thực quốc gia và toàn cầu. Lương thực luôn là mối quan tâm lớn của cả nhân loại, do nguy cơ nạn đói nghiêm trọng đang đe dọa nhiều dân tộc. Do đó, Hội nghị Dinh dưỡng Quốc tế đã đi đến kết luận rằng: giải quyết kịp thời vấn đề lương thực là trung tâm của mọi cố gắng hiện nay để phát triển kinh tế xã hội. Theo thống kê nông nghiệp của FAO, các loại cây lương thực được sản xuất và tiêu thụ trên thế giới bao gồm trước hết là 5 loại cụ thể: lúa gạo, lúa mì, ngô, lúa mạch và kê… Trong đó lúa gạo và lúa mì là 2 loại được sản xuất và tiêu dùng nhiều nhất. Tuy sản lượng lúa gạo thấp hơn lúa mì một chút, nhưng căn cứ vào tỷ lệ hư hao trong khâu thu hoạch, lưu thông và chế biến, căn cứ vào giá trị dinh dưỡng của mỗi loại, riêng lúa gạo đang nuôi sống hơn một nửa dân số trên thế giới. Gần nửa dân số còn lại được đảm bảo bằng lúa mì và các loại lương thực khác. Điều này chỉ rõ vị trí của lúa gạo trong cơ cấu lương thực thế giới và trong đời sống kinh tế quốc tế. Vị trí của lúa gạo trong nền kinh tế nước Việt Nam Việt Nam là một trong những nước có nghề truyền thống trồng lúa nước cổ xưa nhất thế giới. Nông nghiệp trồng lúa vừa đảm bảo an ninh lương thực quốc gia, vừa là cơ sở kinh tế sống còn của đất nước. Lĩnh vực nông nghiệp trồng lúa thu hút đại bộ phận lực lượng lao động cả nước, đóng vai trò rất lớn trong nền kinh tế quốc dân. Bên cạnh đó, ưu thế lớn của nghề trồng lúa còn thể hiện rõ ở diện tích canh tác trong tổng diện tích đất nông nghiệp cũng như tổng diện tích trồng cây lương thực. Ngành trồng trọt chiếm 4/5 diện tích đất canh tác trong khi đó lúa giữ vị trí độc tôn, gần 85% diện tích lương thực. Xuất phát từ thực tiễn đó, Đảng và Nhà nước ta luôn nhấn mạnh vị trí của lúa gạo Việt Nam: lúa gạo đóng vai trò quyết định vấn đề cung cấp lương thực cho cả nước và chi phối sâu sắc sự phát triển kinh tế quốc dân. Từ đó, Chính phủ đã đề ra các chính sách phát triển nông nghiệp nói chung và lúa gạo nói riêng, như: chính sách đầu tư vật chất kỹ thuật thích đáng về thuỷ lợi, giống lúa, thâm canh, quảng canh lúa qua từng thời kỳ. Lúa gạo đã được đưa vào 2 trong 3 chương trình kinh tế lớn của quốc gia (như văn kiện Đại hội Đảng toàn quốc tháng 12/1986 đã nêu). Nhờ đó, từ năm 1989 đến nay kim ngạch xuất khẩu gạo 6 đã không ngừng tăng, mang lại nguồn thu ngoại tệ lớn góp phần không nhỏ cho công cuộc đổi mới và xây dựng đất nước. Cũng do thực hiện thực hiện chương trình lương thực, Việt Nam đã biến từ nước nhập lương thực hàng năm khoảng 1 triệu tấn thành nước xuất khẩu hơn 5 triệu tấn gạo hàng năm. 2.1.2. Cây lúa đen Phần lớn các loại lúa đều có đặc điểm hình thái lá xanh, hạt trắng. Tuy nhiên có một số giống có thân tím, lá tím, hạt tím, hạt đỏ hoặc hạt đen như ở lúa nếp đen và tẻ đen.Gạo nếp đen và tẻ đen còn gọi là bổ huyết mễ vì gạo nếp đen có giá trị dinh dưỡng cao. So với các loại gạo khác thì hàm lượng protein trong gạo nếp đen cao hơn 6,8%, chất béo cao 20%, ngoài ra trong gạo nếp đen còn carotin, 8 loại acid amin và các nguyên tố vi lượng cần thiết cho cơ thể. Lượng chất sắt trong gạo nếp đen rất cao. Ăn gạo nếp đen thường xuyên có thể phòng trị bệnh thiếu máu do thiếu chất sắt. Phụ nữ có thai hoặc đang trong thời gian cho con bú nếu ăn nhiều gạo nếp đen sẽ rất bổ máu, lợi sữa...Ngoài ra ăn gạo nếp đen kết hợp với một số thức ăn như rau xanh, hoa quả, thịt nạc sẽ có thể tăng sự hấp thu sắt cho cơ thể. Gạo nếp đen có thể nấu thành cơm xôi hoặc dùng nấu rượu, ủ rượu nếp cũng là một bài thuốc quý bổ máu huyết, trừ giun sán, kích thích tiêu hóa...Ngoài những món ăn truyền thống, thì hiện nay các loại thực phẩm được chế biến từ gạo nếp đen cũng khá đa dạng như: sữa chua nếp cẩm, bánh chưng nếp đen, bánh ít nếp đen… Ở Việt Nam, lúa nếp chiếm khoảng 10,9% sản lượng lúa (Báo cáo tình hình hoạt động tháng 12 năm 2013). Lúa đen (hay lúa cẩm) là giống lúa cổ truyền của Việt Nam, là giống lúa phản ứng với ánh sáng ngày ngắn nên chỉ trồng được một vụ trong năm và được trồng chủ yếu ở vùng núi Tây bắc như: Hoà Bình, Sơn La, rải rác ở các vùng khác như: Phú Thọ, Ninh Bình và vùng Đồng bằng sông Cửu Long với 2 tính Long An và Cần Thơ. Nếp than là giống lúa quang cảm được trồng nhiều ở miền Tây Nam Bộ vùng Đồng Bằng Sông Cửu Long. Nếp than có tên khoa học là Oryza sativa L. Glutinosa Tanaka. Về mặt phân loại thực vật, cây lúa thuôc họ Gramineae (hòa thảo), tộc Oryzeae, chi Oryza. (Nguyễn Ngọc Đệ, 2008). Tuy nhiên, giống lúa này có năng suất thấp và chỉ trồng duy nhất một mùa trong năm nên chưa đáp ứng được nhu cầu xã hội ngày càng cao hiện nay. 7 Hình 2.3. Cánh đồng lúa nếp than Yên Bái- Hà Giang 2.1.3. Các giai đoạn phát triển Hình 2.4. Sơ đồ phát triển cây lúa Thời kỳ sinh trưởng sinh dưỡng: tính từ lúc hạt thóc nảy mầm đến khi bắt đầu vào giai đoạn phân hóa hoa lúa (trên thực tế người ta tính từ gieo mạ, cấy lúa, cây lúa đẻ nhánh đến số nhánh tối đa). Thời kỳ sinh trưởng sinh thực: tính từ lúc bắt đầu phân hóa hoa lúa đến lúc lúa trỗ bông và thụ tinh (bao gồm từ: làm đòng – phân hóa đòng, đến trỗ bông – bông lúa thoát hết ra khỏi đòng, nở hoa, tung phấn, thụ tinh). Thời kỳ chín: sau khi thụ tinh bông lúa bước vào thời kỳ chín, kết thúc thời kỳ này là bông lúa chín hoàn toàn, sau đó tiến hành thu hoạch hạt thóc. 8 Theo hướng dẫn của IRRI (2013), quá trình sinh trưởng của cây lúa được chia thành 9 giai đoạn như sau: Giai đoạn nảy mầm. Giai đoạn mạ. Giai đoạn đẻ nhánh. Giai đoạn vươn lóng. Giai đoạn làm đòng. Giai đoạn trỗ bông. Giai đoạn chín sữa. Giai đoạn vào chắc. Giai đoạn chín. 2.1.4. Năng suất và các yếu tố ảnh hưởng tới năng suất 2.1.4.1. Các yếu tố ảnh hưởng tới năng suất Nước Nước là thành phần chủ yếu của cây lúa. Cây lúa sống trong ruộng nước, là cây cần và ưa nước điển hình nên từ “lúa nước” bao giờ cũng gắn liền với cây lúa. Ở nước ta đại bộ phận ruộng lúa đều ngập nước, tuy nhiên cũng có giống lúa có khả năng chịu hạn, sinh trưởng hoàn toàn phụ thuộc vào lượng nước trời, nhưng năng suất không cao bằng lúa nước. Nước là vật liệu thô tạo và vận chuyển thức ăn. Bên cạnh đó lượng nước trong cây và nước ruộng lúa có vai trò điều hòa nhiệt độ cho cây. Nước cũng góp phần làm cứng thân lúa giúp lúa đứng thẳng, giúp thân không khô, lá không bị cuộn lại và rủ xuống. Nhu cầu về nước qua các thời kỳ sinh trưởng phát triển của cây lúa cũng khác nhau. Nhiệt độ Cây lúa xuất phát từ vùng nhiệt đới nên điều kiện khí hậu nóng ẩm là điều kiện thuận lợi cho cây lúa phát triển. Lúa là loại cây ưa nóng, để hoàn thành chu kỳ sống, cây lúa cần một lượng nhiệt độ ổn định. Trong quá trình sinh trưởng nếu nhiệt độ cao cây lúa nhanh đạt được tổng nhiệt độ cần thiết thì sẽ ra hoa và chín sớm hơn, tức là rút ngắn thời gian sinh 9