Tài liệu Luận văn thạc sĩ phát hiện các qtls liên quan đến độ mẫn cảm với jasmonic acid, ảnh hưởng đến sự phát sinh rễ chùm của cây lúa bằng phương pháp nghiên cứu liên kết toàn hệ gene

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Phạm Thị Thùy Dương PHÁT HIỆN CÁC QTLs LIÊN QUAN ĐẾN ĐỘ MẪN CẢM VỚI JASMONIC ACID, ẢNH HƯỞNG ĐẾN SỰ PHÁT SINH RỄ CHÙM CỦA CÂY LÚA BẰNG PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU LIÊN KẾT TOÀN HỆ GENE LUẬN VĂN THẠC SĨ: SINH HỌC THỰC NGHIỆM Hà Nội - 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Phạm Thị Thùy Dương PHÁT HIỆN CÁC QTLs LIÊN QUAN ĐẾN ĐỘ MẪN CẢM VỚI JASMONIC ACID, ẢNH HƯỞNG ĐẾN SỰ PHÁT SINH RỄ CHÙM CỦA CÂY LÚA BẰNG PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU LIÊN KẾT TOÀN HỆ GENE Chuyên ngành : Sinh học thực nghiệm Mã số : 8 42 01 14 LUẬN VĂN THẠC SĨ : SINH HỌC THỰC NGHIỆM NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Tô Thị Mai Hương Hà Nội - 2020 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan bản luận văn này là kết quả nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của TS. Tô Thị Mai Hương. Các số liệu và tài liệu được trích dẫn trong luận văn là trung thực. Kết quả nghiên cứu này không trùng với bất cứ công trình nào đã được công bố trước đó. Tôi xin chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình. Hà Nội, tháng năm 2020 Tác giả Phạm Thị Thùy Dương LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Học viện Khoa học và Công nghệ các thầy giáo, cô giáo đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi được học tập và hoàn thành khóa học này. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Tô Thị Mai Hương – Trường Đại học Khoa học và Công nghệ Hà Nội, người đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này. Đề tài này được tài trợ bởi Quỹ Khoa học và Công nghệ quốc gia (NAFOSTED) với mã số 106-NN.03-2016.15. Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn vô cùng sâu sắc tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp những người đã luôn bên cạnh, động viên, góp ý cho tôi trong suốt quá trình học tập. Hà Nội, tháng năm 2020 Tác giả Phạm Thị Thùy Dương DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Giải thích ký hiệu Tiếng Anh Giải thích ký hiệu Tiếng Việt AFLP Amplified Fragments Length Polymorphism Đa hình độ dài các đoạn nhân bản chọn lọc GBS Genotyping by Sequencing Xác định kiểu gen bằng giải trình tự Genome wide association studies Nghiên cứu liên kết toàn hệ gen JA Jasmonic Acid Axit Jasmonic J0 Non-treated with JA Không xử lý JA J1 Treated with JA Có xử lý JA LD Linkage Disequilibrium Sự mất cân bằng liên kết MAS Marker Assisted Selection Chỉ thị phân tử liên kết với tính trạng mục tiêu NCR Number of Crown Root Số lượng rễ bất định NGS Next Generation Sequencing Công nghệ giải trình tự thế hệ mới GWAS PRC Plant Resources Center Trung tâm tài nguyên thực vật qPCR Quantitative polymerase chain reaction Phản ứng chuỗi polymerase định lượng QTL Quantitative Trait Loci Locus tính trạng số lượng Random Amplified Polymorphic DNA Đa hình các đoạn ADN được nhân bản ngẫu nhiên RTL Root Length Chiều dài rễ RTW Root Weight Khối lượng rễ SNP Single Nucleotide Polymorphisms Các trình tự đa hình từng nucleotide SSR Simple sequence repeats Đa hình các đoạn lặp đơn giản STS Sequence Tagged Sites Vùng được gắn thẻ theo trình tự TTW Total weight Tổng khối lượng RAPD DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1. Danh sách chỉ thị phân tử đáng quan tâm của toàn bộ tập đoàn ở pvalue < 1.0e-3 .................................................................................................. 39 Bảng 3.2. Danh sách các gen ứng cử viên ...................................................... 40 Bảng 3.3. So sánh chuỗi gen đơn bội tại NST số 1 và sự khác biệt của SNP giữa 2 giống G99 và G207 .............................................................................. 44 DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.3. Các mô-đun tín hiệu được điều chỉnh với JA liên quan đến phản ứng trong lúa.. ................................................................................................. 20 Hình 3.1. Phân phối kiểu hình NCR của toàn bộ tập đoàn.. ........................... 34 Hình 3.2. Phân phối kiểu hình NCR ở nhóm lúa indica và japonica trên NCR dưới tác dụng của JA. ...................................................................................... 35 Hình 3.3. Phân phối kiểu hình NCR ở các hệ sinh thái khác nhau ................. 36 Hình 3.4. GWAS cho tác động của JA ngoại sinh với NCR của bộ sưu tập lúa Việt Nam. ........................................................................................................ 38 Hình 3.5. So sánh kiểu hình giữa 2 giống G99 và G207 ................................ 43 Hình 3.6. Dữ liệu biểu hiện gen dNCR3 ......................................................... 45 Hình 3.7. So sánh biểu hiện của gen dNCR3 ở 2 giống G99 và G207 trong các mô khác nhau .................................................................................................. 46 Hình 3.8. So sánh biểu hiện của gen dNCR4 ở 2 giống G99 và G207 trong các mô khác nhau.. ................................................................................................ 47 Hình 3.9. Dữ liệu biểu hiện gen dNCR10 ....................................................... 48 Hình 3.10. So sánh biểu hiện của gen dNCR10 ở 2 giống G99 và G207 trong các mô khác nhau. ........................................................................................... 48 Hình 3.11. So sánh biểu hiện gen dNCR1, dNCR2, dNCR5, dNCR6, dNCR7, dNCR11, dNCR12 giống G99 và G207 trên các mô (rễ, gốc rễ, lá) của cây.. 53 Hình 3.12. Phân tích tương quan giữa kiểu hình các giống lúa và kiểu gen đơn bội tại các vị trí chỉ thị phân tử có ý nghĩa. ..................................................... 55 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ........................................................ 5 1.1. SƠ LƯỢC VỀ CÂY LÚA.......................................................................... 5 1.1.1. Phân loại thực vật .................................................................................... 5 1.1.2. Giá trị của cây lúa ............................................................................... 5 1.1.3. Tình hình sản xuất lúa tại Việt Nam ................................................... 6 1.1.4. Đặc điểm của bộ rễ lúa ........................................................................ 7 1.3. AN NINH LƯƠNG THỰC VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ĐẾN AN NINH LƯƠNG THỰC .......................................................... 15 1.4. HOOC-MÔN THỰC VẬT AXIT JASMONIC ....................................... 17 1.4.1. Vai trò của Axit jasmonic trong sự sinh trưởng phát triển của cây lúa ............................................................................................................ 19 1.4.1.1. JA có vai trò quyết định trong sự phát triển của hoa và sinh sản của cây lúa ...................................................................................................... 19 1.4.1.2. JA ảnh hưởng tiêu cực đến sinh trưởng sinh dưỡng ...................... 21 1.4.2. JA có vai trò chính trong sự miễn dịch cây lúa đối phó với tấn công sinh học ........................................................................................................... 21 1.4.3. JA đóng vai trò trong đối phó stress phi sinh học ở cây lúa ............. 22 1.4.3.1. Vai trò của JA trong chống chịu mặn ............................................ 22 1.4.3.2. Vai trò của JA trong chống chịu hạn ............................................. 23 1.4.3.3. Vai trò của JA trong chống chịu lạnh và đóng băng ...................... 24 1.4.3.4. Vai trò của JA trong sự thiếu hụt dinh dưỡng................................ 25 CHƯƠNG 2. NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................................................................................................ 26 2.1. VẬT LIỆU................................................................................................ 26 2.2. ĐIỀU KIỆN SINH TRƯỞNG ................................................................. 26 2.3. PHÂN TÍCH KIỂU HÌNH ....................................................................... 26 2.4. PHÂN TÍCH KIỂU GEN BẰNG PHƯƠNG PHÁP GIẢI TRÌNH TỰ (GBS) .............................................................................................................. 27 2.5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU LIÊN KẾT TOÀN HỆ GEN (GWAS) ......................................................................................................................... 27 2.6. PHÂN TÍCH CHỈ SỐ MẤT CÂN BẰNG LIÊN KẾT (LINKAGE DISEQUILIBRIUM)....................................................................................... 29 2.7. PHÂN TÍCH CẤU TRÚC QUẦN THỂ .................................................. 29 2.8. SÀNG LỌC GEN ỨNG CỬ VIÊN ......................................................... 30 2.9. PHÂN TÍCH KIỂU GEN ĐƠN BỘI ....................................................... 30 2.10. PHÂN LẬP RNA BẰNG TRIZOL ....................................................... 31 2.10.1. Thu thập và mài mẫu ....................................................................... 31 2.10.2. Chiết RNA....................................................................................... 31 2.10.3. Tổng hợp cDNA .............................................................................. 32 2.10.4. Tiến hành qPCR .............................................................................. 32 2.11. PHÂN TÍCH THỐNG KÊ ..................................................................... 33 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................... 34 3.1. PHÂN TÍCH KIỂU HÌNH VỀ SỰ THAY ĐỔI SỐ LƯỢNG RỄ CỦA CÁC GIỐNG LÚA TRONG ĐIỀU KIỆN XỬ LÝ AXIT JASMONIC NGOẠI BÀO................................................................................................... 34 3.2. PHÂN TÍCH DI TRUYỀN LIÊN KẾT TOÀN HỆ GEN ....................... 37 3.3. XÁC ĐỊNH CÁC GEN ỨNG CỬ VIÊN LIÊN QUAN ĐẾN SNP TỪ KẾT QUẢ GWAS........................................................................................... 40 3.4. SO SÁNH KIỂU HÌNH VÀ KIỂU GEN ĐƠN BỘI Ở 2 GIỐNG G99 VÀ G207 ................................................................................................................ 43 3.5. PHÂN TÍCH BIỂU HIỆN CÁC GEN TRONG VÙNG NHIỄM SẮC THỂ SỐ 1 BẰNG qPCR ................................................................................. 44 3.6. TƯƠNG QUAN GIỮA CHUỖI GEN ĐƠN BỘI VÀ KIỂU HÌNH CỦA CÁC QTL TRÊN NHIỄM SẮC THỂ SỐ 1 ................................................... 54 CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................... 57 4.1. KẾT LUẬN .............................................................................................. 57 4.2. KIẾN NGHỊ ............................................................................................. 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 58 PHỤ LỤC 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Cây lúa (Oryza sativa L.) là loại cây có nguồn gốc nhiệt đới được trồng chủ yếu ở Châu Á, đặc biệt là khu vực Đông Nam Á, trong đó có Việt Nam. Lúa gạo là nguồn lương thực chủ yếu cung cấp cho hơn một nửa dân số thế giới [1]. Việt Nam là một nước nông nghiệp có truyền thống trồng lúa nước lâu đời, sản xuất lúa gắn liền với sự phát triển nông nghiệp của nước ta. Lúa gạo chiếm tới 90% sản lượng lương thực. Hiện nay hơn 60% dân số nước ta sống bằng nghề trồng lúa nên lúa không chỉ có ý nghĩa về mặt an ninh lương thực mà còn mang lại giá trị kinh tế cho người dân trồng. Việt Nam có hai vùng trồng lúa chính là Đồng bằng sông Hồng và Đồng bằng sông Cửu Long. Mặc dù sản lượng lúa đã góp phần giải quyết một số vấn đề về an ninh lương thực, hạn chế chi phí nhập khẩu lúa gạo. Tuy nhiên, sản xuất lúa đang phải đối mặt với các yếu tố bất lợi như điều kiện thời tiết, khí hậu và sâu bệnh hại gây ảnh hưởng đến năng suất cũng như chất lượng lúa có nguy cơ gây mất an ninh lương thực. Việt Nam là một trong những nước chịu tác động mạnh của biến đổi khí hậu và nước biển dâng. Hiện tại, biến đổi khí hậu làm gia tăng tần suất bão, các hiện tượng khí hậu cực đoan gây tổn thất cho nền nông nghiệp của Việt Nam. Ngập mặn ngày càng tăng, lấn sâu vào đất liền ở nhiều tỉnh Đồng bằng sông Cửu Long, lũ lụt ở miền Trung mọi năm đều gây mất mùa và làm giảm năng suất, chất lượng cây trồng đặc biệt là cây lúa, gây tác động lớn đến sản xuất nông nghiệp bền vững. Trong quá trình sinh trưởng, cây trồng luôn phải sống trong điều kiện bất lợi, cây trồng cũng tạo ra một hệ thống tự bảo vệ trước sự tấn công của sâu bệnh, chống chịu với tác động xấu của môi trường. Khi bị sâu bệnh tấn công, đa số các cây trồng đều có khả năng phản ứng bằng cách sinh ra các chất bảo vệ, gây độc cho kẻ tấn công. Cách thức bảo vệ này được sinh ra từ hệ 2 thống gọi là hệ thống miễn dịch tự nhiên của cây trồng. Axit Jasmonic là một trong các chất có khả năng kích hoạt các gen miễn dịch của thực vật. Từ nhiều năm trước, việc áp dụng kỹ thuật di truyền trong chọn tạo giống lúa đã được thực hiện bởi nhiều viện và trung tâm nghiên cứu nông nghiệp ở Việt Nam. Phòng thí nghiệm di truyền tế bào thực vật (Viện công nghệ sinh học, Viện Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) đã phát triển và áp dụng thành công các chỉ thị phân tử như RAPD, SSR, AFLP, STS trong nghiên cứu đa dạng di truyền trong lúa nương, cũng như đánh giá khả năng chịu hạn và chất lượng của chúng [2,3,4]. Họ đã phát triển thành công chỉ thị phân tử STSG20 để đánh giá khả năng chịu hạn ở lúa [2]. Trong một dự án hợp tác với quỹ Rockefeller (Mỹ), bản đồ di truyền phân tử được xây dựng dựa trên sự phân ly các chỉ thị phân tử SSR và AFLP trong quần thể tự phối giữa hai giống lúa cạn Việt Nam [2]. Ngoài ra, nhóm cũng đã xác định thành công một số các locus kiểm soát tính chịu hạn ở lúa cạn ở Việt Nam. Một bản đồ các tính trạng số lượng (QTL) đối với tính trạng rễ liên quan đến khả năng chịu hạn đã xây dựng và cho phép để xác định một số vùng trong genome có chứa các locus cho khả năng chịu hạn. Mặc dù đã có một số thành công nhất định, phương pháp lập bản đồ QTL này tốn khá nhiều thời gian, với độ phân giải của bản đồ rất thấp (khoảng cách một vài megabase giữa 2 chỉ thị phân tử). Có thể nói rằng, phương pháp lập bản đồ QTL thông thường dựa trên chỉ thị phân tử SSR hoặc AFLP có nhiều hạn chế trong ứng dụng thực tế đặc biệt là tốn kém thời gian trong quá trình lai giống. Có một số dự án sử dụng các chỉ thị phân tử thành công nhưng kết quả vẫn còn khiêm tốn so với nguồn tài nguyên di truyền phong phú của Việt Nam. Gần đây, một phương pháp tiếp cận mới dựa trên việc phân tích kiểu gen tần suất cao sử dụng công nghệ giải trình tự thế hệ mới NGS đã nhanh chóng trở thành một lựa chọn phổ biến thay thế cho phương pháp lập bản đồ QTL. Nghiên cứu di truyền liên kết toàn bộ hệ gen (GWAS) dựa trên các mối tương quan giữa tính đa hình của các nucleotide đơn (SNP) và sự khác biệt về kiểu hình của các tính trạng quan tâm từ các cá thể khác nhau trong toàn bộ tập đoàn giống. GWAS là một công cụ mới và hiệu quả để phân tích những 3 đặc tính nông học có giá trị trên cây lúa. Không giống như phương pháp lập bản đồ QTL, GWAS có thể được thực hiện trực tiếp trên tập đoàn các giống mà không cần phải phân tích từ các giống thuần. Hơn nữa, GWAS cho phép phát hiện rất tốt sự đa dạng các alen có mặt trong các nguồn tài nguyên di truyền. Nhiều nghiên cứu sử dụng GWAS đã thực hiện đối với các tính trạng nông học quan trọng khác nhau trong trên cây lúa. Ví dụ, các QTL liên quan đến rễ gần đây đã được xác định và phân tích bao gồm 675 QTL điều khiển 29 thông số tăng trưởng của rễ (bao gồm số lượng rễ, chiều dài tối đa rễ, độ dày của rễ, tỷ lệ giữa sinh khối rễ/thân và chỉ số rễ đâm sâu vào đất) [5]. Các phân tích hệ thống gộp này đã tăng sự tin cậy của QTL và điều này rất có ý nghĩa đối với chương trình chọn tạo giống dựa trên chỉ thị phân tử (MAS). Để cải thiện năng suất, chất lượng và giúp cây lúa có khả năng thích nghi với biến đổi khí hậu, các nhà khoa học đã đi sâu nghiên cứu về hệ thống miễn dịch của cây lúa qua các hooc-môn như Axit Jasmonic. Đó là lý do tôi chọn đề tài “Phát hiện các QTLs liên quan đến độ mẫn cảm với Jasmonic acid, ảnh hưởng đến sự phát sinh rễ chùm của cây lúa bằng phương pháp nghiên cứu liên kết toàn hệ gene”. 2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: 155 giống lúa Việt Nam được thu thập từ nhiều địa phương khác nhau, đã được giải trình tự, cung cấp bởi Trung tâm tài nguyên thực vật (Plant Resource Center - PRC) tại An Khánh, Hà Nội. Phạm vi nghiên cứu: Nội dung 1. Nghiên cứu liên kết toàn hệ gen (GWAS) về số lượng rễ chùm trong điều kiện stress xử lý bằng JA bằng phương pháp TASSEL. Nội dung 2. Đánh giá ảnh hưởng của JA trên sự tương phản kiểu hình và kiểu gen đơn bội. Nội dung 3. So sánh biểu hiện của các gen liên quan JA trong 2 bộ giống có kiểu hình và chuỗi gen đơn bội tương phản tại QTL quan tâm. 4 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Những đóng góp về đặc điểm phát triển bộ rễ, đa dạng di truyền của các giống lúa trong luận văn sẽ mở rộng và nâng cao những hiểu biết về sự đa dạng của nguồn gen lúa Việt Nam cũng như thế giới. Đây là cơ sở để lựa chọn vật liệu cho các chương trình chọn tạo giống lúa. Kết quả của đề tài sẽ cung cấp một danh sách các QTL/gen ứng viên có liên quan đến sự phát triển bộ rễ ở các giống lúa Việt Nam, bổ sung thêm thông tin hữu ích và chi tiết giúp các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu di truyền bộ rễ lúa ở Việt Nam và trên thế giới có hiểu biết toàn diện, chính xác và đầy đủ hơn về mạng lưới các gen liên quan. Đặc biệt, những đặc điểm riêng biệt của các giống lúa Việt Nam có thể mang đến những phát hiện mới, đặc trưng, mà các nghiên cứu sử dụng các nguồn vật liệu lúa khác trên thế giới không thể tìm thấy. Nhìn chung, đề tài sẽ áp dụng mô hình phân tích hiện đại trong phân tích hệ gen để đưa vào khai thác đa dạng nguồn gen lúa Việt Nam, làm rõ mối quan hệ giữa kiểu gen và kiểu hình, nhằm khai thác các gen/alen đặc thù ẩn trong nguồn gen đó. Kết quả của đề tài mở ra con đường triển vọng trong khai thác genome để ứng dụng vào các chương trình chọn giống phân tử tạo ra các giống lúa có bộ rễ thích hợp làm tăng khả năng thích ứng với các điều kiện ngoại cảnh bất lợi. 4. Mục đích nghiên cứu - Khám phá bộ sưu tập các giống lúa bản địa của Việt Nam để tìm ra một số QTL liên quan chặt chẽ đến sự phát sinh rễ chùm trong điều kiện xử lý Axit Jasmonic bằng phương pháp di truyền liên kết toàn hệ gen. - Đánh giá mối tương quan giữa sự mẫn cảm với Axit Jasmonic của các giống lúa và khả năng chống chịu stress của chúng. - Xác định SNP và các gen ứng cử viên tiềm năng liên quan đến sự phát triển của rễ lúa đặc biệt là dưới tác dụng của JA, nhằm phát triển các công cụ sử dụng trong các chương trình nhân giống lúa. 5 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. SƠ LƯỢC VỀ CÂY LÚA 1.1.1. Phân loại thực vật Cây lúa có tên khoa học là Oryza sativa, tên tiếng anh là Rice Giới (kingdom/regnum): Thực vật (Plantae) Ngành (phyla): Thực vật có hoa (Angiospermae) Lớp (class): Thực vật một lá mầm (Monocots) Bộ (ordo): Hòa thảo (Poales) Họ (familia): Hòa thảo (Poaceae) Chi (genus): Lúa (Oryza) Loài (species): Lúa Châu Á: Oryza sativa Loài phụ: indica (loài phụ Ấn Độ), japonica (loài phụ Nhật Bản) và javanica [6]. 1.1.2. Giá trị của cây lúa Lúa (Oryza sativa L.) là nguồn cung cấp dinh dưỡng chính cho hơn một nửa dân số thế giới. Lúa là cây lương thực quan trọng được trồng chủ yếu ở khu vực Đông Nam Á, trong đó có Việt Nam. Lúa là cây lương thực chính cho 90% dân số châu Á và hơn 50% dân số thế giới. Lúa gạo là thức ăn giàu dinh dưỡng, cung cấp vitamin và khoáng chất. Trong gạo, thành phần tinh bột và protein thấp hơn lúa mì nhưng năng lượng tạo ra cao hơn lúa mì. Gạo không những được sử dụng làm lương thực mà còn được sử dụng để chế biến thành rượu và tinh bột. Ngoài ra, gạo, bột gạo, tấm cám, rơm rạ còn được sử dụng làm thức ăn chăn nuôi và nguyên liệu cho các ngành công nghiệp chế biến [7]. Với người dân Việt Nam, lúa gạo không chỉ là lương thực mà còn là một phần thiết yếu trong đời sống văn hóa, chính trị của xã hội [8]. 6 1.1.3. Tình hình sản xuất lúa tại Việt Nam Việt Nam là nước có tiềm năng lớn về cây lúa. Nước ta là một trong những nước có nghề truyền thống trồng lúa nước cổ xưa nhất trên thế giới. Nghề trồng lúa vừa đảm bảo an ninh lương thực quốc gia vừa góp phần vào nền kinh tế của đất nước. Vào những năm 90 của thế kỷ trước, hàng năm nước ta phải nhập khẩu hơn một triệu tấn lương thực. Tuy nhiên, ngày nay ngành sản xuất lúa gạo của nước ta đã có những bước phát triển vượt bậc, vươn lên trở thành một trong những nước xuất khẩu lúa gạo hàng đầu thế giới. Việt Nam có tổng sản lượng lúa hàng năm đứng thứ 5 trên thế giới nhưng lại là nước xuất khẩu gạo đứng thứ 2 thế giới với sản lượng gạo xuất khẩu bình quân 6-8 triệu tấn/năm. 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. Như vậy, sự thu hút về nguồn lực con người và đất đai cũng khẳng định rõ vị trí của lúa gạo trong nền kinh tế quốc dân. Hạt gạo Việt Nam không những đảm bảo yêu cầu an ninh lương thực trong nước mà còn góp phần quan trọng trong thị trường lúa gạo thế giới [7]. Việt Nam có hai vùng trồng lúa lớn là Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) và Đồng bằng sông Hồng (ĐBSH). Năm 2017, ảnh hưởng của biến đổi thời tiết bất thường như bão, mưa lớn, ngập úng,… tại một số địa phương phía Bắc và lũ sớm ở vùng ĐBSCL đã ảnh hưởng đến diện tích, năng suất lúa. Theo báo cáo của Cục Trồng trọt, vụ mùa 2018 toàn miền Bắc gieo cấy 1.118 nghìn ha, giảm 17.000 ha so với năm 2017. Nguyên nhân diện tích gieo cấy lúa giảm tại các vùng ĐBSH chủ yếu là do việc chuyển đổi một số vùng gieo cấy lúa kém hiệu quả sang cây rau màu khác có hiệu quả kinh tế cao hơn [9]. Vụ lúa mùa năm 2019 cả nước gieo cấy được 1.621,9 nghìn ha, bằng 96,4% vụ mùa năm trước, trong đó các địa phương phía Bắc đạt 1.075,9 nghìn ha, bằng 97,4% (giảm 28,3 nghìn ha) [10]; các địa phương phía Nam đạt 546 nghìn ha, bằng 94,3% (giảm 33,1 nghìn ha). Diện tích gieo cấy lúa vụ 7 mùa năm 2019 giảm do các địa phương phía Bắc chuyển đổi mục đích sử dụng đất, chuyển đổi cơ cấu sản xuất, thiếu lao động nông nghiệp và do ảnh hưởng bởi các đợt nắng nóng kéo dài làm thiếu nước tưới; ở phía Nam, thời tiết nắng nóng gây khô hạn ở một số địa phương, chuyển đổi cơ cấu mùa vụ từ lúa mùa sang lúa đông xuân tại Cà Mau, đất nhiễm mặn là những nguyên nhân chính làm giảm diện tích lúa mùa chung toàn miền. Tiến độ thu hoạch lúa mùa năm 2019 nhanh hơn cùng kỳ năm trước do được gieo trồng sớm. Tính đến trung tuần tháng Mười, cả nước thu hoạch được 888,7 nghìn ha, chiếm 54,8% diện tích gieo cấy và bằng 101,7% cùng kỳ năm trước. Trong đó các địa phương phía Bắc thu hoạch được 711,1 nghìn ha, chiếm 66,1% diện tích gieo cấy và bằng 101,2%; các địa phương phía Nam thu hoạch được 177,6 nghìn ha, chiếm 32,5% diện tích gieo cấy và bằng 103,7%. Mặc dù thời tiết trong vụ nắng nóng hơn so với trung bình nhiều năm nhưng do có mưa xen kẽ nên nguồn nước được bảo đảm, nông dân tích cực chăm bón, lúa sinh trưởng và phát triển tốt, đồng thời các địa phương tích cực chuyển đổi cơ cấu cây trồng, sử dụng giống lúa chất lượng, ứng dụng tiến bộ kỹ thuật vào sản xuất, kịp thời phòng trừ dịch bệnh trên cây trồng nên ước tính năng suất lúa mùa đạt 49,9 tạ/ha, tăng 0,8 tạ/ha so với năm trước. Tuy nhiên, do diện tích gieo trồng giảm nên sản lượng lúa mùa ước tính đạt 8,09 triệu tấn, giảm 176,6 nghìn tấn so với vụ mùa trước [10]. 1.1.4. Đặc điểm của bộ rễ lúa Bộ rễ lúa thuộc loại rễ chùm. Rễ lúa có 3 loại: rễ mầm và rễ chùm và rễ bên. Rễ mầm hình thành từ phôi hạt sau khi nảy mầm, mỗi hạt lúa chỉ có một rễ mầm và không phân nhánh, nó chỉ phát triển một thời gian ngắn rồi teo đi, rễ mầm có tác dụng hút nước cung cấp cho phôi hạt phát triển. Rễ chùm thì mọc ra từ các đốt trên thân lúa mọc trong đất, mỗi đốt có từ 5 - 10 rễ mọc thành chùm, rễ bên sẽ thay thế rễ mầm khi rễ mầm teo đi. Cấu tạo của rễ lúa có những ống thông khí ăn thông với thân và lá nên giúp cây lúa sống được lâu trong điều kiện ngập nước [7]. Hình 1.1 mô tả cụ thể từng loại rễ cấu trúc lên một bộ rễ ở cây lúa. 8 Hình 1.1. Hệ thống rễ trên cây lúa [11,12] Bộ rễ lúa là một trong những bộ phận cực kỳ quan trọng của cây thực hiện nhiệm vụ lấy nước và chất dinh dưỡng cung cấp cho các hoạt động sống của cây, giúp cây bám chặt vào đất, giảm thiểu nguy cơ đổ gãy nên khi bộ rễ phát triển khỏe mạnh thì cây mới phát triển tốt được. Trong điều kiện bình thường, rễ non có màu trắng sữa, rễ trưởng thành có màu vàng nâu và nâu đậm. Nếu bộ rễ không phát triển, rễ bị thối đen biểu hiện tình trạng mất cân bằng dinh dưỡng trong đất, cây lúa không hấp thu được dinh dưỡng nên còi cọc, lá vàng, dễ bị bệnh và lụi dần nếu không có biện pháp xử lý kịp thời. Sự phát triển của bộ rễ tốt hay kém phụ thuộc vào loại đất, điều kiện nước trong 9 ruộng, lượng dinh dưỡng của cây và giống lúa. Một số giống lúa rẫy (sống ở vùng cao, không ngập nước) hoặc các giống chịu hạn tốt thường có bộ rễ phát triển mạnh, rễ ăn sâu và rộng, tận dụng tối đa lượng nước hiếm hoi trong đất, độ ăn sâu của rễ tùy thuộc vào mực nước ngầm cao hay thấp [7]. Ngoài việc hút nước, hấp thu dinh dưỡng khoáng từ đất, một bộ rễ phát triển nhanh, lan tỏa rộng sẽ góp phần giúp cây trồng phát triển tốt hơn trong điều kiện bất lợi của môi trường đất và nước [13], nó giúp cho cây trồng có thể hấp thu được nhiều nước và dinh dưỡng hơn so với các loại cây trồng khác có bộ rễ kém phát triển, trồng trong cùng một điều kiện [14]. Phần lớn các công tác cải tạo giống cây trồng trong thời gian qua tập trung vào nghiên cứu làm tăng sinh khối và tăng sản lượng [15], trong khi đó mối liên hệ giữa bộ rễ và năng suất thường bị bỏ qua. Nguyên nhân chính là bộ rễ phát triển dưới lòng đất, không dễ dàng cho việc quan sát và tiến hành các nghiên cứu. Tuy vậy, bộ rễ đóng vai trò quan trọng cho cây trồng để đạt được tăng trưởng tối ưu và tăng năng suất. Nghiên cứu cải tiến bộ rễ gần đây đã được chú trọng và đưa vào trong các chương trình cải tiến giống cây trồng và được coi là một trong những con đường quan trọng để tạo ra các giống mới trước những thách thức phải đối mặt với những hậu quả của biến đổi khí hậu toàn cầu [16]. Do vậy, những hiểu biết sâu rộng về các gen chủ chốt tham gia vào sự phát triển của bộ rễ sẽ giúp cho các nhà chọn tạo giống có thể chọn lọc được các giống lúa có bộ rễ cải tiến bằng cách sử dụng các chỉ thị phân tử (Marker Assisted Selection: MAS) hoặc sử dụng các công nghệ di truyền [17]. 1.2. QTLs VÀ GEN LIÊN QUAN ĐẾN SỰ PHÁT TRIỂN CỦA BỘ RỄ LÚA 1.2.1. QTLs liên quan đến sự phát triển của bộ rễ lúa 1.2.1.1. Các nghiên cứu xác định các QTLs Trước đây để xác định được các gen điều khiển cấu trúc bộ rễ, các nhà nghiên cứu chủ yếu sử dụng các phương pháp di truyền học truyền thống: các phép lai, sơ đồ phả hệ qua các thế hệ. Ở phương pháp này, các QTLs được xác lập qua mối tương quan giữa sự phân ly kiểu gen và kiểu hình được tạo ra