Tài liệu Nghiên cứu di truyền hàm lượng protein cao ở lúa

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- NGUYỄN THỊ THU HƯƠNG NGHIÊN CỨU DI TRUYỀN HÀM LƯỢNG PROTEIN CAO Ở LÚA LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2011 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- NGUYỄN THỊ THU HƯƠNG NGHIÊN CỨU DI TRUYỀN HÀM LƯỢNG PROTEIN CAO Ở LÚA Chuyên ngành: Di truyền học Mã số: 60 42 70 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. LÃ TUẤN NGHĨA Hà Nội - 2011 Luận văn thạc sĩ khoa học MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN 1 Danh mục hình ảnh , bảng biểu 4 Danh mục từ viết tắt 6 ĐẶT VẤN ĐỀ 7 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LỆU 9 1.1. Chất lƣợng lúa gạo và thị trƣờng lúa gạo 9 1.1.1. Phẩm chất xay chà 11 1.1.2. Phẩm chất cơm 11 1.1.3. Lúa gạo là thực phẩm của toàn cầu 12 1.1.4. Các loại lúa gạo trên thị trƣờng 12 1.2. Chất lƣợng dinh dƣỡng của lúa gạo 13 1.2.1. Hàm lƣợng Protein trong lúa gạo 13 1.2.2. Ảnh hƣởng của yếu tố giống đến hàm lƣợng Protein 14 1.2.3. Ảnh hƣởng của phân bón đến hàm lƣợng Protein 15 1.2.4. Ảnh hƣởng của các điều kiện ngoại cảnh đến đời sống cây lúa 16 1.3. Nghiên cứu di truyền số lƣợng liên quan đến hàm lƣợng Protein trong hạt lúa 17 1.3.1. Gen qui định hàm lƣợng Protein ở lúa 17 1.3.2. Hiệu quả gen qui định tính trạng hàm lƣợng Protein ở lúa 18 1.3.3. Tính trạng GPC ( Grain Protein Conten) ở lúa 21 1.4. Chỉ thị phân tử và ứng dụng trong nghiên cứu về di truyền hàm lƣợng Protein ở lúa 23 1.4.1. Chỉ thị phân tử 23 1.4.1.1. Chỉ thị RAPD 24 1.4.1.2. Chỉ thị AFLP 24 1.4.1.3. Chỉ thị SSR 25 1.4.2. Ứng dụng chỉ thị phân tử trong nghiên cứu về chất lƣợng 25 1.4.2.1. Bản đồ di truyền tính trở hồ 26 1.4.2.2. Bản đồ di truyền hàm lƣợng Amylose 27 Nguyễn Thị Thu Hương -2- Luận văn thạc sĩ khoa học 1.4.2.3. Bản đồ di truyền hàm lƣợng protein 27 1.4.2.4. Bản đồ di truyền tính trạng mùi thơm 28 1.5.Một số kết quả nghiên cứu về di truyền hàm lƣợng protein 30 CHƢƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 35 2.1. Vật liệu nghiên cứu 35 2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu 40 2.2.1. Xác định hàm lƣợng Protein và thành phần các acid amine trong hạt gạo 40 2.2.2. Đánh giá sự liện quan ở mức độ phân tử giữa bố, mẹ và con lai 42 2.2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu di truyền số lƣợng liên quan đến hàm lƣợng Protein ở lúa. 45 CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 50 3.1. Acid amine trong Protein của bố mẹ và con lai 50 3.2. Sự liên quan di truyền ở mức độ phân tử giữa bố, mẹ và con lai 52 3.3. Nghiên cứu di truyền số lƣợng liên quan đến hàm lƣợng Protein cao ở lúa 55 3.3.1. Phân tích hiệu quả gen tham gia qui định hàm lƣợng Protein ở lúa 55 3.3.2. Phân tích các tham số di truyền tính trạng GPC 59 3.3.3. Các kiểu tác động của gen lên hàm lƣợng Protein trong hạt lúa 65 3..4. Tƣơng quan giữa một số biểu hiện hình thái với hàm lƣợng Protein ở hạt lúa 67 3.5. Tƣơng quan giữa một số tính trạng chất lƣợng khác với hàm lƣợng Protein ở 72 hạt lúa 3.6. Xác định chỉ số chọn lọc trong chọn tạo giống lúa có hàm lƣơng Protein cao 76 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 80 1. Kết luận 79 2. Đề nghị 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO 82 A. Tài liệu Tiếng Việt 81 B. Tài liệu Tiếng Anh 83 Nguyễn Thị Thu Hương -3- Luận văn thạc sĩ khoa học DANH MỤC HÌNH ẢNH, BẢNG BIỂU Hình Trang 2. 1. Hình ảnh nhận dạng ADN bằng mồi SSR. 38 2.2. Cấu trúc hình cây thể hiện tƣơng đồng di truyền giữa các giống lúa 39 3.1. Hình ảnh ADN của bố mẹ và các con lai sử dụng chỉ thị SSR(locus RM 5625) 52 3.2. Hình ảnh ADN của cây bố mẹ và các con lai sử dụng chỉ thị SSR (locus 53 RM 4499) 3.3. Hình ảnh ADN của cây bố mẹ và các con lai sử dụng chỉ thị SSR (locus 53 RM 6836) Bảng 2.1. Danh sách mồi SSR 35 2.2. Mô ̣t số đă ̣c tin ́ h nông ho ̣c của các giố ng lúa sƣ̉ du ̣ng trong nghiên cƣ́u 37 2. 3. Hệ số tƣơng đồng di truyền giữa các giống lúa bố mẹ 39 2. 4. Các tổ hợp lai giữa các giống lúa sử dụng trong nghiên cứu 40 3.1. Thành phần và hàm lƣợng acid amine trong protein của giống bố, mẹ và 51 hạt F2 (% so với protein) 3.2. Ma trận tƣơng đồng của các giống lúa đem phân tích khi sử dụng SSR 52 3.3. Hàm lƣợng protein và sự biến động qua các thế hệ của các tố hợp lai 56 3.4. Mức độ trội của gen qui định hàm lƣợng Protein cao ở các giống lúa 58 3.5. Phƣơng sai thành phần của quần thể bố, mẹ và F2 59 3.6. Phƣơng sai chung của quần thể bố, mẹ và F2 60 3.7. Phân tích phƣơng sai một nhân tố 62 3.8. Phƣơng sai hai nhân tố ( chiều cao cây, thời gian sinh trƣởng) ảnh 63 hƣởng tới hàm lƣợng Protein 3.9. Bảng phân tích phƣơng sai ba nhân tố (chiều cao, thời gian sinh 64 trƣởng, trọng lƣơng 1000 hạt) ảnh hƣởng tới hàm lƣợng Protein 3.10. Hàm lƣợng Protein và sự biến động di truyền trên các thế hệ 66 3.11. Thiết lập hệ số di truyền trên các tổ hợp lai 67 3.12. Một vài tính trạng nông học của các cây lúa F2 và bố, mẹ 70 Nguyễn Thị Thu Hương -4- Luận văn thạc sĩ khoa học 3.13. Hệ số tƣơng quan giữa Protein và một vài đặc điểm hình thái 71 3.14. Hàm lƣợng Protein tổng số của một vài dòng/giống lúa đang nghiên cứu 73 3.15. Hệ số tƣơng quan giữa hàm lƣợng Protein và Amylose tổng số của bố, mẹ 74 3.16. Hệ số tƣơng quan giữa hàm lƣợng Protein và Amylose tổng số của con lai F1 75 3.17. Hệ số tƣơng quan giữa hàm lƣợng Protein và Amylose tổng số của 75 con lai F2. 3.18. Hệ số tƣơng quan giữa hàm lƣợng Protein và Amylose tổng số của 75 con lai BC1 F1. 3.19. Tiêu chuẩn chọn lọc, tính trạng của các giống tham gia thí nghiệm 76 3.20. Tiêu chuẩn chọn lọc, tính trạng của các giống tham gia thí nghiệm 77 3.21.Chỉ số chọn lọc các giống phù hợp với mục tiêu chọn lọc 78 3.22. Chỉ số chọn lọc các giống phù hợp với mục tiêu chọn lọc 78 Nguyễn Thị Thu Hương -5- Luận văn thạc sĩ khoa học DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT AE : (Additive interaction effect): Ảnh hƣởng tƣơng tác cộng tính AFLP : (Amplified Frament length polymorphism): Đa hình chiều dài các đoạn ADN đƣợc nhân bản chọn lọc BC : (Backcross): Lai ngƣợc Bp : Base pair Cs., : Cộng sự CTAB : Cetytrimethyl Amonium Bromide dNTP : Deoxyribonucleotide EDTA : Ethylenediaminetetraacetic acid GPC : Grain Protein Content Kb : Kilo base MAS : (Marker Assitsed Selection): Chọn lọc có sự trợ giúp của chỉ thị phân tử QTLs : (Quantitative Trait Loci) : Locut kiểm soát tính trạng số lƣợng RAPD : (Random Amplyfied polymorphic DNA): Đa hình chiều dài các đoạn ADN đƣợc nhân bản ngẫu nhiên RFLP : (Restriction Fragment Length Polymorphism): đa hình chiều dài các đoạn phân cắt TBE : Tris-Boric Acid and EDTA TE : Tris-EDTA Nguyễn Thị Thu Hương -6- Luận văn thạc sĩ khoa học ĐẶT VẤN ĐỀ Tính cấp thiết và ý nghĩa của đề tài: Lúa gạo là loại cây lƣơng thực quan trọng trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng. Lúa gạo đƣợc trồng rộng khắp ở 112 nƣớc trên thế giới; là nguồn cung cấp lƣơng thực chủ yếu của hơn 54% dân số thế giới (Nguyễn Minh Công và cs., 2004). Ở một số nƣớc nhƣ Ấn Độ, Trung Quốc, Indonesia, Nhật Bản, Việt Nam,....lúa gạo là cây lƣơng thực chính. Về mặt diện tích gieo trồng, lúa gạo là cây lƣơng thực có diện tích lớn thứ hai đứng sau lúa mì; Về sản lƣợng hàng năm, lúa gạo đứng thứ ba sau lúa mì và ngô (Nguyễn Minh Công và cs., 2004). Về giá trị kinh tế, lúa gạo là nguồn thu nhập chính của nông dân nhiều nơi trên thế giới và là một trong những mặt hàng xuất khẩu quan trọng của một số quốc gia trong đó có Việt Nam (hàng năm Việt Nam xuất khẩu khoảng 4,5 triệu tấn gạo sang các thị trƣờng khác nhau trên thế giới). Vì vậy việc đầu tƣ nghiên cứu nhằm nâng cao năng suất,chất lƣợng lúa gạo tại Việt Nam luôn đƣợc Chính phủ quan tâm,đặc biệt là chất lƣợng gạo xuất khẩu luôn là vấn đề thách thức đối với các nhà chọn giống trong nhiều năm qua. Ở Việt Nam trong những năm gần đây,việc chọn tạo giống lúa đã đƣợc đẩy mạnh, nhiều giống lúa mới năng suất, chất lƣợng đã đƣợc tạo ra và chuyển giao vào sản xuất. Tuy nhiên ,về chất lƣợng gạo nói chung vẫn chƣa đƣợc cải thiện rõ rệt .Để đánh giá về chất lƣợng dinh dƣỡng của lúa gạo có rất nhiều chỉ tiêu khác nhau, một trong những chỉ tiêu quan trọng là hàm lƣợng Protein trong hạt gạo. Protein là nguồ n cung cấp dinh dƣỡng và năng lƣơ ̣ng chủ yếu hàng ngày ; Là một trong những loại hợp chất hữu cơ rấ t quan trọng và không thể thiếu đố i với mỗi cơ thể sống ; nó cung cấp từ 10 đến 15% năng lƣợng sống giúp cơ thể sinh trƣởng và phát triển tốt . Theo tính toán, đối với một cơ thể trƣởng thành là nam giới lƣợng protein thiết yếu mỗi ngày cần khoảng 55,5g và phụ nữ là 45g. So với những loại cây trồng khác nuôi sống con ngƣời, cây lúa là một trong những loại cây trồng có hàm lƣợng protein thấp hơn cả (6-12%). Ở Việt Nam , hiện nay các giố ng lúa đang đƣơ ̣c trồ ng và sƣ̉ du ̣ng phổ biế n là Khang dân 18, Q5, CR203.v.v. lại đều là các giống lúa có hàm lƣơ ̣ng protein ở mức khá thấp , trung bin ̀ h chỉ đạt khoảng 7% (các giống đƣợc cho là có hàm lƣợng protein cao có hàm lƣợng Nguyễn Thị Thu Hương -7- Luận văn thạc sĩ khoa học trung bình đạt từ 9 đến 10%) (Vũ Tuyên Hoàng và cs., 2005).Vì vậy việc “Nghiên cứu di truyền hàm lƣợng protein cao ở lúa” là việc làm cần thiết góp phần cung cấp thông tin,cơ sở dữ liệu phục vụ cho việc tuyển chọn vật liệu lai tạo nhằm chọn giống lúa chất lƣợng cao phục vụ sản xuất. Mục tiêu nghiên cứu: -Phân tích và xác định đƣợc sự di truyền hàm lƣợng protein trong hạt lúa - Phân tích hiệu quả gen tham gia qui định hàm lƣợng protein ở lúa. -Phân tích các tham số di truyền tính trạng GPC ở một số giống lúa đang trồng tại Việt Nam -Xác định chỉ số chọn lọc trong chọn giống lúa có hàm lƣợng protein caonhằm định hƣớng chọn giống lúa chất lƣợng gạo tốt phục vụ sản xuất. Nội dung nghiên cứu của đề tài: Nội dung 1: Phân tích thành phần và hàm lƣợng acid amin trong protein ở bố mẹ và con lai Nội dung 2 : Đánh giá sƣ̣ liên quan di truyề n ở mƣ́c đô ̣ phân tƣ̉ giƣ̃a bố me ̣ và con lai Nội dung 3 : Nghiên cƣ́u di truyề n số lƣơ ng̣ liên quan đế n hàm lƣơ ̣ng protein cao ở lúa Nội dung 4 : Nghiên cứu tƣơng quan giữa một số biểu hiện hinh thái với hàm lƣợng protein ở hạt lúa Nội dung 5 : Nghiên cứu tƣơng quan giƣ̃a mô ̣t số tính tra ̣ng chấ t lƣơ ̣ng khác với hàm lƣơ ̣ng protein ở hạt lúa Nội dung 6 : Xác định chỉ số chọn lọc trong chọn giống lúa có hàm lƣợng protein cao Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu 7 giống lúa:Khang dân 18, Q5, P1, P4, P6, P290, AC5 và các quần thể con lai F1, F2, BC Thời gian nghiên cứu: 1 năm Nguyễn Thị Thu Hương -8- Luận văn thạc sĩ khoa học Chƣơng 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. CHẤT LƢỢNG LÚA GẠO VÀ THỊ TRƢỜNG LÚA GẠO Lúa gạo (Oryza sativa L.) là lƣơng thực quan trọng trong bữa ăn hàng ngày của nhiều dân tộc trên thế giới. Ở Châu Á, lúa gạo là nguồn cung cấp calor chủ yếu, đóng góp 56,2% năng lƣợng và 42,9% lƣợng protein hàng ngày của cơ thể sống. Đối với ngƣời nghèo, lúa gạo còn đặc biệt quan trọng khi 70% năng lƣợng và lƣợng protein của cơ thể hàng ngày lấy từ những bữa ăn (Flinn và cs., 1985). Chất lƣợng lúa gạo là một khái niệm quan trọng và còn gây nhiều tranh cãi về nội dung và các tiêu chuẩn đánh giá cụ thể. Do khái niệm về chất lƣợng liên quan đến rất nhiều yếu tố: độ ẩm, độ trong của hạt, tỷ lệ gạo gẫy, hình dạng hạt, chiều dài hạt, chiều rộng hạt,... Mỗi quốc gia khác nhau lại có những tiêu chuẩn đánh giá và hệ thống kiểm tra chất lƣợng riêng biệt và hệ thống đánh giá. Các tiêu chuẩn đánh giá này thƣờng không thống nhất giữa các quốc gia (Vũ Tuyên Hoàng và cs., 2005). Tuy nhiên, tùy theo truyền thống ẩm thực và thu nhập của các quốc gia, bộ phận dân cƣ khác nhau mà yêu cầu về chất lƣợng lúa gạo cũng rất khác nhau (Vũ Tuyên Hoàng và cs., 2005). Theo các nghiên cứu của Kaosa và Juliano (1990) cho thấy: tại thị trƣờng Hồng Kông các loại gạo hạt dài, tỉ lệ gạo nguyên cao, cơm mềm luôn đƣợc bán với giá cao. Tại Rome (Italia) các loại gạo Japonica lại đƣợc ƣa chuộng. Trái lại các khách hàng ở khu vực Tây Á lại ƣa chuộng gạo đục và cứng cơm. Ngƣời Nhật Bản lại ƣa chuộng hạt gạo tròn, mềm ƣớt, thật trắng và không có mùi thơm; ngƣời Thái Lan lại thích hạt gạo dài và cơm khô. Những nơi mà gạo đóng vai trò là nguồn lƣơng thực thứ yếu nhƣ Châu Âu, thì nhu cầu lại chủ yếu là những loại gạo có chất lƣợng cao: gạo 5-10% tấm đƣợc tiêu thụ ở Tây Âu, gạo 10-13% tấm đƣợc tiêu thụ nhiều ở các nƣớc Đông Âu. Các loại gạo hạt dài, chất lƣợng trung bình chủ yếu đƣợc xuất khẩu từ các nƣớc Thái Lan, Miến Điện, Trung Quốc và Việt Nam; loại gạo này thƣờng có tỷ lệ tấm từ Nguyễn Thị Thu Hương -9- Luận văn thạc sĩ khoa học 20-25%. Các và thị trƣờng chủ yếu loại gạo này thƣờng là Indonesia, Malaysia, Đông Âu, Trung Đông và Tây Phi,... Các loại gạo thơm, do có hƣơng vị đặc biệt nên thƣờng có giá trị rất cao. Đây là loại gạo rất đƣợc ƣa chuộng trên các thị trƣờng nhƣ: Nam Á, Trung Đông và Thái Lan. Một số loại gạo thơm nổi tiếng trên thị trƣờng thế giới nhƣ Basmati (Ấn Độ); KhaoDawh Mali, Jasmine 85 (của Thái Lan) luôn có giá trị cao gấp hai lần so với các loại gạo khác. Hàng năm, thị trƣờng gạo toàn cầu tiêu thụ khoảng 23 triệu tấn gạo, trong đó các quốc gia Châu Á nhập khẩu nhiều nhất (chiếm 49% tổng nhập khẩu của toàn thế giới) đặc biệt là Philipines và Indonesia (FAO, 2005). Hiện nay, nƣớc ta đã và đang xuất khẩu gạo sang trên 85 quốc gia khác nhau trên thế giới, trong đó khu vực Châu Á và Châu Mỹ là hai thị trƣờng chủ yếu. Là một “cƣờng quốc” về xuất khẩu gạo. Tuy nhiên, chất lƣợng gạo của Việt Nam lại rất kém về: độ bạc bụng, dài trung bình, hƣơng vị kém,... Nguyên nhân chính của tình trạng này là do Việt Nam chƣa tìm và đƣa vào sản xuất đƣợc những giống lúa có chất lƣợng cao đáp ứng đƣợc các tiêu chuẩn khắt khe của thị trƣờng. Trong khi đó, xu hƣớng về yêu cầu gạo phẩm chất cao trên thị trƣờng Châu Á và Châu Mỹ ngày càng tăng lên. Hiện nay, ở nƣớc ta cùng với nhiều giống lúa đặc sản truyền thống các giống có phẩm chất cao cũng đã và đang đƣợc nhập nội và lai tạo mới đang dần đáp ứng đƣợc nhu cầu thị trƣờng xuất khẩu và nâng cao giá trị hàng hóa của cây lúa, tăng thu nhập cho nông dân trồng lúa nhƣ P6, P4, P209,... (Vũ Tuyên Hoàng và cs., 199; 2000; Lã Tuấn Nghĩa và cs., 2010;...). Chất lƣợng gạo là một trong bốn mục tiêu mà công tác cải tạo giống đặt ra (Năng suất, chất lƣợng, chống chịu và thích ứng với điều kiện bất thuận). Chất lƣợng của lúa gạo đƣợc đánh giá thông qua các chỉ tiêu: màu sắc vỏ hạt, kích thƣớc hạt, hình dạng hạt, tỷ lệ gạo xát, tỷ lệ gạo nguyên hạt, độ đồng đều của hạt, tỷ lệ hạt bạc bụng, chất thử nếm và đặc điểm trong quá trình chế biến (Vũ Tuyên Hoàng và cs., 2005). Nguyễn Thị Thu Hương - 10 - Luận văn thạc sĩ khoa học 1.1.1. Phẩm chất xay chà Phẩm chất xay chà bao gồm tỉ lệ gạo nguyên, gạo lứt và gạo trắng. Theo một số nghiên cứu, mùa vụ có ảnh hƣởng rất lớn đến tỉ lệ xay chà (vụ Đông Xuân tỉ lệ xay chà tốt và cao hơn vụ Hè Thu), ngoài ra tỉ lệ xay chà còn chịu sự tác động rất lớn từ công nghệ sau thu hoạch. Tỉ lệ vỏ trấu có thể thay đổi từ 18-26% và trung bình từ đạt từ 20-22%; cám và phôi hạt chiếm 8-10%, do đó tỉ lệ gạo trắng thƣờng vào khoảng 70% (Khush và cs., 1979) Tỉ lệ gạo trắng và gạo lứt ít biến động và nó cũng phụ thuộc vào môi trƣờng (Bùi chí Bửu và cs., 1997). Tỉ lệ gạo nguyên biến động rất lớn và chịu ảnh hƣởng rất mạnh mẽ của môi trƣờng, đặc biệt là nhiệt độ và ẩm độ trong suốt thời gian chín, kéo dài đến lúc sau thu hoạch, đặc biệt là điều kiện phơi sấy, bảo quản. Sự rạn nứt thƣờng do nắng, sự thay đổi nhanh của độ ẩm không khí, những điều kiện không thuận lợi của môi trƣờng trong suốt quá trình chín của hạt, thu hoạch chậm trong mùa khô cũng làm hạt có độ ẩm thấp. Theo Bùi Chí Bửu (Bùi Chí Bửu và cs., 1996; 1997) tỉ lệ hạt nguyên đạt cao nhất khi lúa đƣợc thu hoạch vào lúc chín 28 đến 30 ngày và thu sớm sau khi lúa trổ 20 ngày; còn thu muộn sau 35 ngày thì tỉ lệ gạo nguyên thấp. Sau khi thu hoạch xong mà không tuốt ngay, để đống cũng là một trong những nguyên nhân dẫn tới làm giảm tỉ lệ hạt gạo nguyên (tỉ lệ hạt ẩm vàng sẽ tăng lên do hô hấp của các vi sinh vật). Dạng hình hạt gạo cũng là một trong những nguyên nhân ảnh hƣởng rất lớn đến chất lƣợng xay chà. Với những hạt có dạng hình mảnh, dài và độ bạc bụng càng cao thì tỉ lệ hạt nguyên càng thấp; những hạt đã khô nếu bị hút ẩm đột ngột cũng có thể tạo ra những vết rạn trong hạt và gây ra các mảnh vỡ nhỏ khi xay. 1.1.2. Phẩm chất cơm Trong các tính trạng về phẩm chất cơm, amylose đƣợc xem là tính trạng có ý nghĩa quyết định đến sự mềm cơm và ngƣợc lại. Hàm lƣợng amylose cao có tính trội không hoàn toàn so với hàm lƣợng amylose thấp, nó do một gen điều khiển kèm theo một số gen phụ có tính chất cải tiến (Seetharaman, 1959; Kahlon, 1965; Kumar và cs., 1986;...). Các yếu tố về hàm lƣợng amylose cao, độ bền gel cứng và độ trở hồ cao là các yếu tố chính ảnh hƣởng đến chất lƣợng lúa gạo. Trong đó hàm lƣợng amylose là một trong những yếu tố quan trọng nhất . Nguyễn Thị Thu Hương - 11 - Luận văn thạc sĩ khoa học Môi trƣờng gây ra sự biến động rất lớn đến hàm lƣợng amylose trong hạt gạo của cùng một giống lúa, đặc biệt là nhiệt độ trong giai đoạn vào chắc của hạt (Juliano, 1990). Hàm lƣợng amylose trong lúa đƣợc kiểm soát trực tiếp bởi hoạt động gen cộng (additive effect: A) và ảnh hƣởng tƣơng tác cộng tính (additive interaction effect: AE) . Ảnh hƣởng của AE có tính chất rất quan trọng đến hàm lƣợng amylose của giống lúa. Các thể đột biến về amylose cũng đã đƣợc nghiên cứu trên các giống lúa thuộc loài phụ Japonica với hai dạng hình 2064 và EM16 tƣơng tác theo kiểu “allelic”. Các thể đột biến này có thể chuyển sang giống lúa Indica nhờ lai với IR36 hai lần. Do đó gen điều khiển sự co giãn hàm lƣợng amylose (Amylose extender) đƣợc xác định trên nhiễm sắc thể số 2 (Chr. 2) (Kaushik and Khush., 1991). 1.1.3. Lúa gạo là thực phẩm của toàn cầu Theo thống kê của Cơ quan Thực phẩm Liên Hiệp Quốc, trên thế giới có khoảng 147.5 triệu ha đất dùng cho việc trồng lúa, và 90% diện tích này là thuộc các nƣớc Á Châu . Các nƣớc Á Châu cũng sản xuất khoảng 92% tổng sản lƣợng lúa gạo trên thế giới. Sản xuất gạo toàn cầu đã tăng lên từ khoảng 200 triệu tấn vào năm 1960 tới hơn 600 triệu tấn vào năm 2007. Ba quốc gia sản xuất lúa gạo hàng đầu là Trung Quốc (31% sản lƣợng thế giới), Ấn Ðộ (20%) và Indonesia (9%). Ba nƣớc xuất khẩu gạo lớn nhất thế giới là Thái Lan (26% sản lƣợng gạo xuất khẩu), Việt Nam (15%) và Hoa Kỳ (11%), trong khi ba nhà nhập khẩu gạo lớn nhất là Indonesia (14%), Bangladesh (4%) và Brasil (3%). Theo FAO (Food and Agriculture Organisation), hàng năm có khoảng trên 20 triệu tấn gạo đƣợc dùng làm hàng hóa trao đổi trên toàn thế giới. 1.1.4. Các loại lúa gạo trên thị trƣờng Các giống lúa thông thƣờng cũng đƣợc phân loại theo cấu trúc, màu sắc và hình dạng hạt gạo của chúng. Ví dụ theo kích thƣớc hạt lúa: Loại hạt lúa dài (có chiều dài gấp 3 lần chiều rộng, chiều dài hạt hơn 6 mm) khi nấu hạt cơm không dính, cũng có gạo dài mà dính ở Lào, Thái. Loại hạt lúa có kích thƣớc trung bình khoảng 5-6mm và loại gạo ngắn có 4-5mm chiều dài va 2.5mm chiều rộng. Nguyễn Thị Thu Hương - 12 - Luận văn thạc sĩ khoa học Về màu sắc có những loại khác nhau nhƣ hạt gạo màu nâu, hạt gạo màu trắng, hạt gạo màu đỏ và hạt gạo màu đen. Một giống lúa thơm của Thái Lan cho loại gạo hạt dài và tƣơng đối ít dính, do gạo hạt dài chứa ít amylopectin hơn so với các giống hạt ngắn. Các loại gạo nếp là gạo hạt ngắn. Gạo Nhật Bản là loại gạo hạt ngắn và dính. Các giống lúa Ấn Ðộ bao gồm gạo hạt dài và gạo thơm Basmati, gạo hạt dài và trung bình là gạo Patna và loại gạo hạt ngắn Masoori. Các giống gạo thơm có hƣơng vị thơm đặc biệt; các giống đáng chú ý nhất bao gồm các loại Basmati, gạo Patna kể trên cũng nhƣ các giống lai từ Mỹ đƣợc bán dƣới tên gọi thƣơng phẩm Texmati. Nó là giống lai giữa Basmati và giống gạo hạt dài Hoa Kỳ. Cả Basmati và Texmati có hƣơng vị tƣơng tự nhƣ bỏng ngô. Tại Indonesia có nhiều các giống gạo đỏ và đen. Hai nƣớc xuất khẩu gạo lớn nhất thế giới là Thái và Việt Nam có các sản phẩm gạo nhƣ: Gạo xuất khẩu ở Thái gồm: các loại gạo thơm và gạo trắng hạt dài. Việt Nam xuất khẩu các loại gạo: gạo 5% tấm đánh bóng 1 lần, gạo 5% tấm đánh bóng 2 lần, gạo 10%, 15%, 25% và 100% tấm. Ngoài ra có gạo nếp (dẻo, dính) và gạo tẻ, gạo sắt, gạo đồ, gạo thơm. Ðặc tính mùi thơm ở các loại gạo đƣợc tạo thành bởi hàng trăm loại chất thơm dễ bay hơi nhƣ hydrocarbons, alcohols, aldehydes, ketones, acides, phenols, pyridine, 2-acetyl-1-prroline... 1.2. CHẤT LƢỢNG DINH DƢỠNG CỦA LÚA GẠO 1.2.1. Hàm lƣợng protein trong lúa gạo Lúa gạo là một trong những loại ngũ cốc quan trọng nhất thế giới và là nguồn thực phẩm quan trọng trong bữa ăn hàng ngày của nhiều dân tộc trên thế giới, nó cung cấp tới 70% năng lƣợng (đối với cƣ dân nghèo của một số nƣớc châu Á) cho sự vận động của con ngƣời thông quan bữa ăn hàng ngày (Filn & Unnevehr, 1985). Hàm lƣợng protein trong lúa gạo là chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lƣợng dinh dƣỡng của lúa gạo. So với những cây trồng đƣợc coi là cây lƣơng thực nuôi sống con ngƣời, Nguyễn Thị Thu Hương - 13 - Luận văn thạc sĩ khoa học cây lúa có hàm lƣợng protein chứa trong hạt ít hơn cả biến động từ 6-12% (Vũ Tuyên Hoàng và cs., 2005; Nguyễn Thị Lang và cs., 2005; Lã Tuấn Nghĩa và cs., 2010;...). Protein trong gạo gồm các tiểu phần chính nhƣ: albumine, glubuline, probaline và gluteline,... trong đó gluteline chiếm tới 93,7%. Các acid amine tự do trong protein đƣợc phân phối nhƣ sau: trong cám và bột 30%, trong phôi 53%, trong gạo xát 17% (Moryzzi và cs, 1964);... Trong thời gian qua, các nhà chọn tạo giống đã và đang tập trung vào việc duy trì chất lƣợng đạm, việc cải tiến về chất lƣợng đạm vẫn chƣa đƣợc quan tâm đúng mức (Vũ Tuyên Hoàng và cs., 2005). Chất lƣợng ding dƣỡng của các giống lúa có hàm lƣợng đạm cao sẽ cao hơn so với các giống lúa có hàm lƣợng đạm thấp vì nó chứa một lƣợng acid amine thay thế lớn hơn tất cả (Blaekwell và cs., 1966). Hàm lƣợng protein không chỉ ảnh hƣởng đến giá trị dinh dƣỡng của lúa mà còn liên quan đến khả năng tiêu thụ protein và sức khỏe của con ngƣời. Theo thống kê đầy đủ thì bữa ăn hàng ngày của ngƣời dân Trung Quốc lƣợng protein tiêu thụ là 67gram, thấp hơn nhiều so với mức trung bình 100 gram ở các nƣớc đang phát triển (http://wwww.agriviet.com/nd/1483-lai-tao-thanh-cong-giong-lua-co-ham luong.httm). Vì thế, lai tạo ra các giống lúa có hàm lƣợng protein cao là rất quan trọng cho việc cải thiện sức khỏe ngƣời dân. Sự việc này luôn đƣợc quan tâm theo sau khoa học và kỹ thuật ở trong nƣớc cũng nhƣ quốc tế. 1.2.2. Ảnh hƣởng của yếu tố giống đến hàm lƣợng protein Giống là một trong những yếu tố quyết định đến phẩm chất hạt gạo. Nhiều kết quả nghiên cứu (từ IRRI) đã cho thấy, khoảng 25% những thay đổi hàm lƣợng protein là do yếu tố di truyền qui định. Ngoài ra, các kết quả nghiên cứu còn cho biết: loài phụ indica có hàm lƣợng protein cao hơn loài phụ japonica (IRRI, 1970); lúa nếp có hàm lƣợng protein cao hơn lúa tẻ (Taira, 1971); Những giống lúa ngắn ngày có hàm lƣợng cao hơn giống dài ngày, những gống lúa trồng ở vùng đồng bằng có hàm lƣợng protein cao hơn trồng ở vùng đồi núi (Swaminathan, 1971); trong cùng một giống lúa, những hạt nhỏ có hàm lƣợng protein cao hơn những hạt to hơn (Nagato, 1972). Nguyễn Thị Thu Hương - 14 - Luận văn thạc sĩ khoa học Hàm lƣợng protein bị ảnh hƣởng khá nhiều của giống và môi trƣờng nhƣng thành phần axit amin của lúa rất cân đối, ví dụ lysin luôn chiếm trung bình 3,5-4,0 %. Di truyền tính trạng hàm lƣợng protein trong hạt rất phức tạp và bị ảnh hƣởng mạnh mẽ của môi trƣờng, giống có hàm lƣợng protein cao thƣờng liên kết với đặc tính thời gian sinh trƣởng ngắn và khối lƣợng hạt nhẹ (Lamber và cs., 1973). Có một sự khác biệt rất cơ bản giữa giống lúa có hàm lƣợng protein tổng số cao và trung bình là khả năng chuyển vị đạm từ lá vào hạt nhiều hơn, đồng thời theo ghi nhận cuả IRRI thì lúa thu hoạch từ các lô ruộng thí nghiệm thƣờng có hàm lƣợng protein cao hơn lúa thu từ các ruộng của nông dân (Jennings và cs.,1979). 1.2.3. Ảnh hƣởng của phân bón đến hàm lƣợng protein Nhu cầu dinh dƣỡng của cây lúa hay nói cách khác là các chất dinh dƣỡng cần thiết, không thể thiếu đƣợc đối với sự sinh trƣởng và phát triển của cây lúa bao gồm: đạm (N), lân (P), kali (K), vôi, sắt, kẽm, đồng, magiê, mangan, mô-líp-đen, bo, silic, lƣu huỳnh và các-bon, ô-xy, hyđrô. Tất cả các chất trên đây (trừ các-bon, ô-xy, hyđrô) phân bón đều có thể cung cấp đƣợc. Có nhiều chất dinh dƣỡng khoáng mà cây lúa cần, nhƣng 3 yếu tố dinh dƣỡng mà cây lúa cần với lƣợng lớn là: đạm, lân và kali là những chất cần thiết cho những quá trình sống diễn ra trong cây lúa. Các nguyên tố khoáng còn lại, cây lúa cần với lƣợng rất ít và hầu nhƣ đã có sẵn ở trong đất, nếu thiếu thì tuỳ theo điều kiện cụ thể mà bón bổ sung. Phân bón có vai trò tối quan trọng trong quá trình sinh trƣởng, phát triển của cây lúa, nó cần thiết cho suốt quá trình phát triển, từ giai đoạn mạ cho đến lúc thu hoạch. Cùng với các yếu tố năng lƣợng khác, phân bón cung cấp cho cây là nguồn nguyên liệu để tái tạo ra các chất dinh dƣỡng nhƣ: tinh bột, chất đƣờng, chất béo, prôtêin… Ngoài ra chúng còn giữ vai trò duy trì sự sống của toàn bộ cây lúa, không có nguồn dinh dƣỡng thì cây lúa sẽ chết, không thể tồn tại. Đạm là một trong những cơ sở cấu tạo nên protein, thúc đẩy quá trình quang hợp tích lũy các chất hữu cơ. Nhiều thí nghiệm tại các vùng trồng lúa ở Liên Xô cũ với các liều lƣợng phân bón khác nhau đặc biệt là đạm cho thấy: đạm có thể làm tăng hàm lƣợng đạm (protein) trong hạt thêm 2-3%; các trị số này thay đổi tùy thuộc điều kiện gieo trồng cụ thể. Liều lƣợng và thời gian bón đạm giữ vai trò quan trọng trong việc Nguyễn Thị Thu Hương - 15 - Luận văn thạc sĩ khoa học nâng cao hàm lƣợng protein trong hạt. Tuy nhiên, nếu bón tăng đạm quá nhiều sẽ làm mức độ tăng hàm lƣợng giảm đi (Vũ Tuyên Hoàng và cs., 2005). Các nhà nghiên cứu khoa học tại IRRI thống nhất: hàm lƣợng tinh bột có mối tƣơng quan nghịch biến với hàm lƣợng đạm. Nếu hàm lƣợng đạm trong hạt tăng lên thì hàm lƣợng tinh bột sẽ có sự thay đổi. Trong điều kiện thuận lợi của sự trao đổi gluxit, liều lƣợng phân bón thích hợp có thể làm tăng hàm lƣợng đạm và tinh bột. Theo kết quả nghiên cứu của Eruwghin và Suranova ở 70 giống lúa loài phụ Sino-Japonica có hàm lƣợng đạm dao động từ 7,6% đến 12,6%. Dƣới ảnh hƣởng của liều lƣợng phân bón cao: 180N – 120P2O5 – 90K2O (kg) thì hàm lƣợng đạm trong hạt tăng lên trung bình từ 10 đến 11,3% ở 15 giống lúa (Eruwghin và cs., 1968). Theo Ahmod khi nghiên cứu về ảnh hƣởng của chế độ tƣới và bón phân lên hàm lƣợng đạm (protein) ở Bangladesh cho kết quả: hàm lƣợng protein trong hạt và rơm rạ tăng lên khi bón tăng đạm vào trong đất hoặc tăng độ sâu của lớp nƣớc tƣới (Ahmod, 1969). Trong nghiên cứu của Chanvan khi nghiên cứu về hai giống lúa Jaza và Padma lại cho kết quả: hàm lƣợng protein trong hạt đều tăng khi tăng lƣợng phân bón dù trồng trong điều kiện có nƣớc hay cạn (Chanvan và cs., 1971). 1.2.4. Ảnh hƣởng của các điều kiện ngoại cảnh khác đến đời sống cây lúa Ảnh hƣởng của chế độ nƣớc: Theo các kết quả nghiên cứu ở trong và ngoài nƣớc đều thống nhất rằng: lúa đƣợc trồng trong điều kiện không có nƣớc (lúa cạn) có hàm lƣợng protein cao hơn lúa đƣợc gieo trồng trong điều kiện có nƣớc. Các giống lúa gieo trên cạn có hàm lƣợng protein trong hạt gạo lật chênh lệch tới 39% so với lúa trồng trong điều kiện có nƣớc tƣới (Yoshida, 1981; Taira, 1970; Juliano, 1966;...). Kido, lại kết luận những giống lúa chín sớm có hàm lƣợng protein cao hơn những giống lúa chín muộn khi trồng ở ruộng nƣớc. Ảnh hƣởng của nhiệt độ, ánh sáng: khi nghiên cứu ảnh hƣởng của nhiệt độ không khí và nhiệt độ nƣớc trong ruộng đến hàm lƣợng protein trong hạt, Honjyo nhận thấy khi nhiệt độ không khí hoặc nhiệt độ nƣớc trong ruộng cao sau khi lúa trỗ sẽ làm tăng hàm lƣợng protein trong gạo. Các chế độ nhiệt độ và ánh sánh còn ảnh hƣởng Nguyễn Thị Thu Hương - 16 - Luận văn thạc sĩ khoa học nhiều đến tỷ lệ hạt chắc, do ảnh hƣởng đến năng suất hạt và năng suất protein trên cùng một đơn vị diện tích (Honjyo, 1971). Khi nghiên cứu về sự ảnh hƣởng của nhiệt độ cao và ánh sáng đến hàm lƣợng protein, Sato đã nhận thấy: nhiệt độ cao, cƣờng độ ánh sáng yếu và ẩm độ không khí cao vào thời gian hạt chín có tác dụng thúc đẩy sự tích lũy nhiều protein vào hạt của hai giống lúa IR8 và Norin 17 (Sato, 1974). Trong tất cả các trƣờng hợp đều cho thấy, tƣơng quan nghịch chặt chẽ giữa hàm lƣợng protein và khối lƣợng nghìn hạt (P1000). Ngoài ra, hàm lƣợng protein trong hạt còn thay đổi dần qua các năm và mức độ thay đổi này của từng giống là khác nhau. Điều này chứng tỏ, thời tiết có ảnh hƣởng lớn tới sự tích lũy hàm lƣợng protein trong hạt (Honjyo, 1971). 1.3. NGHIÊN CỨU DI TRUYỀN SỐ LƢỢNG LIÊN QUAN ĐẾN HÀM LƢỢNG PROTEIN TRONG HẠT LÚA Phân tích di truyền số lƣợng là nhằm xác định những locus trong genom chứa gen tham gia qui định đặc tính và hiệu quả đóng góp của mỗi locus đó lên đặc tính là bao nhiêu. Những phân tích nhƣ vậy gọi là phân tích di truyền số lƣợng. Mỗi locus có thể chứa một hoặc nhiều gen khác nhau. Trong hầu hết các trƣờng hợp, phân tích di truyền đều cho thấy đặc tính số lƣợng đƣợc qui định bởi nhiều gen khác nhau. Tuy nhiên, trong một số trƣờng hợp đã cho thấy di truyền đặc tính số lƣợng chỉ do một gen qui định. 1.3.1. Gen qui định hàm lƣợng protein ở lúa Trong thực tế, các tính trạng qui định hàm lƣợng protein ở lúa phụ thuộc rất nhiều vào sự tác động của các nhân tố bên ngoài và sự tƣơng tác của các gen bên trong. Sự biến dị liên tục có đƣợc là do những yếu tố có tính chất di truyền cũng nhƣ yếu tố có tính không di truyền.Sự biến dị có tính di truyền phần lớn do tính chất của gen trong nhân.Sự tƣơng tác không alen trong biến dị liên tục thƣờng có quan hệ đến một nhóm, theo mô tả tổng quát đó là hiện tƣợng epistasis. Nguyễn Thị Thu Hương - 17 - Luận văn thạc sĩ khoa học Sự tham gia của bào chất đối với di truyền một tính trạng đã đƣợc ghi nhận. Áp dụng phƣơng pháp lai đảo (reciprocal) để phân tích ảnh hƣởng của dòng mẹ nói đúng hơn là ảnh hƣởng của tế bào chất - ảnh hƣởng của môi trƣờng đối với nhân. Giả sử các tính trạng đƣợc điều khiển bởi đa gen- tính trạng có tính biến thiên liên tục (continuously variable), nó không thƣờng xuyên nhƣ trong trƣờng hợp tính trạng có tính biến thiên không liên tục (discontinuously variable). Do đó cả hai bố mẹ cùng tham gia một cách cân đối vào kiểu gen của con lai về phƣơng diện di truyền do nhân (nuclear heredity), và một cách không cân đối về phƣơng diện di truyền do tế bào chất. Các đặc tính phẩm chất hạt do yếu tố di truyền và môi trƣờng quyết định, tuỳ theo tính trạng sự thể hiện có thể do yếu tố di truyền, yếu tố kỹ thuật trƣớc và sau thu hoạch, hay do tƣơng tác kiểu gen x môi trƣờng (Genotypes x Environment interaction) quyết định. Điều khó khăn cho phân tích là phần lớn những tính trạng phẩm chất hạt có tƣơng tác kiểu gen x môi trƣờng không tuyến tính ,khó giải thích trong những phân tích đơn giản (Bùi Chí Bửu và cs., 1996). Đặc điểm di truyền về hàm lƣợng protein do đa gen kiểm soát và chịu sự tác động của môi trƣờng. Giống có hàm lƣợng protein cao thƣờng liên kết với đặc tính thời gian sinh trƣởng ngắn và khối lƣợng hạt nhẹ. Hàm lƣợng protein tổng số bị ảnh hƣởng của sự tăng giảm protein thành phần. Tính trạng hàm lƣợng protein có hệ số di truyền khá thấp,bị ảnh hƣởng mạnh mẽ tƣơng tác giữa kiểu gen và môi trƣờng (Chang và cs., 1979) 1.3.2. Hiệu quả gen tham gia qui định hàm lƣợng protein Hiệu quả của gen: đƣợc xác định hiệu quả giữa giá trị kiểu gen đó và trung bình quần thể, gồm có: - Hiệu quả cộng tính: là kết quả tác động đồng thời (một cách độc lập) của các alen trong cùng một locus (ký hiệu là d hay D). Với mô hình cộng tính thì phƣơng sai kiểu gen chỉ có cộng tính tức là không có tƣơng tác và các biểu thức kiểu hình của giá trị kiểu hình phản ánh sát nhất (xấp xỉ) các biểu thức của gen, Nhờ hiệu quả cộng tính Nguyễn Thị Thu Hương - 18 - Luận văn thạc sĩ khoa học việc chọn giống theo kiểu hình cho phép chọn những kiểu gen tƣơng ứng mà độ chính xác chỉ còn phụ thuộc vào độ đồng đều (thuần nhất) của môi trƣờng; - Hiệu quả trội: là kết quả của tƣơng tác giữa các alen trong cùng một locus (đƣợc ký hiệu là h hay H). Trong đó có các kiểu trội: trội hoàn toàn (các alen trong các locus không có cùng hiệu quả nhƣ nhau; nếu kết hợp kiểu gen AABB với aabb thì F2 có tỷ lệ phân ly 9:3:3:1 trong đó có 9 kiểu gen có cùng giá trị với AABB, 3 kiểu gen cùng giá trị và thiên về AABB, 3 kiểu gen cùng giá trị và ít thiên về AABB, 1 kiểu gen có cùng giá trị với aabb); - Hiệu quả siêu trội: trong trƣờng hợp này giá trị của Aa lớn hơn AA; - Hiệu quả trội chệch: hiệu quả này đƣợc sinh ra do bởi tƣơng tác không alen của các gen phân bố ở những locus khác nhau. Tƣơng tác này có thể xuất hiện ở giữa các locus mà tại đó: + Chỉ có hiệu quả cộng tính (cộng tính x cộng tính), ký hiệu i; + Tại locus này có hiệu quả trội, locus kia có hiệu quả cộng (cộng x trội), ký hiệu là j; + Cả 2 locus đề xuất hiện hiệu quả trội (trôi x trội), ký hiệu là l; Tƣơng tác giữa các locus có 5 kiểu trội chệch là: trội chệch bù, trội chệch bội, trội chệch lặn, trội chệch trội, trội chệch lặn áp đảo, - Hiệu quả tác động đồng thời: là tác động của nhiều kiểu hiệu quả gen, Để xem xét giá trị kiểu gen, ta xét một locus với 2 allen Pr1 (qui định hàm lƣợng protein thấp) và Pr2 (qui đinh hàm lƣợng protein cao) và các giá trị +a, -a và d theo sơ đồ: Pr1Pr1 Pr1Pr2 Kiểu gen Giá trị kiểu gen -a 0 d Pr2Pr2 +a Trong đó: - Pr2 làm tăng hàm lƣợng Pr2Pr2 có giá trị là +a (tăng hàm lƣợng Protein trong hạt), giá trị của d tùy thuộc vào mức độ trội của Pr1 và Pr2; Nguyễn Thị Thu Hương - 19 -