Tài liệu Nghiên cứu cải tiến năng suất một số dòng giống lúa bằng chỉ thị phân tử

i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM ..................................... NGUYỄN THỊ THÚY ANH NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN NĂNG SUẤT MỘT SỐ DÒNG/GIỐNG LÚA BẰNG CHỈ THỊ PHÂN TỬ LUẬN ÁN TIẾN SĨ NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI, 2018 ii BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM ..................................... NGUYỄN THỊ THÚY ANH NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN NĂNG SUẤT MỘT SỐ DÒNG/GIỐNG LÚA BẰNG CHỈ THỊ PHÂN TỬ Chuyên ngành: Công nghệ sinh học Mã số: 9 42 02 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ NÔNG NGHIỆP Người hướng dẫn Khoa học: 1. GS.TS. Trần Trung 2. PGS.TS. Trần Đăng Khánh HÀ NỘI, 2018 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi và nhóm tác giả. Toàn bộ số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận án này là trung thực và chƣa từng đƣợc sử dụng để công bố trong các công trình nghiên cứu nhận học vị, các thông tin trích dẫn trong luận án này đều đƣợc chỉ rõ nguồn gốc. Hà Nội, ngày tháng Tác giả luận án Nguyễn Thị Thúy Anh năm 2018 ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin đƣợc bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới GS.TS.Trần Trung, PGS.TS.Trần Đăng Khánh, những ngƣời thầy đã tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành công trình nghiên cứu này. Luận án nhận đƣợc sự hỗ trợ về kinh phí từ đề tài độc lập cấp Nhà nƣớc mã số ĐTĐL.2012-G36 và đề tài KC.06.12/11-15. Tôi trân trọng cảm ơn Ban lãnh đạo Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam, tập thể lãnh đạo và cán bộ Ban đào tạo sau đại học đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Đặc biệt, tôi xin chân thành cảm ơn tập thể cán bộ Bộ môn Sinh học Phân tử, Bộ môn Kỹ thuật Di truyền - Viện Di truyền Nông nghiệp, nơi tôi thực hiện các nội dung chính trong luận án, đã giúp đỡ tôi và đóng góp nhiều ý kiến quý báu trong quá trình thực hiện và hoàn thành luận án. Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Lãnh đạo trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Hƣng Yên, các đồng nghiệp Khoa Công nghệ Hóa học và Môi trƣờng đã hỗ trợ, giúp đỡ và động viên tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè và ngƣời thân đã luôn bên cạnh chia sẻ, động viên, giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án. Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Tác giả luận án Nguyễn Thị Thúy Anh iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN .........................................................................................................ii MỤC LỤC .............................................................................................................iii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT .............................................................................. vi DANH MỤC BẢNG ............................................................................................viii DANH MỤC HÌNH ………………………………………………………………………x MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ....................................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................ 2 4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................ 3 5. Những đóng góp mới của luận án ........................................................................ 3 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU .................................................................. 4 1.1. Ứng dụng chỉ thị di truyền trong chọn tạo giống lúa ......................................... 4 1.1.1. Khái niệm và phân loại chỉ thị di truyền......................................................... 4 1.1.2. Ứng dụng chỉ thị phân tử trong nghiên cứu và chọn giống ............................. 9 1.2. Ứng dụng chỉ thị phân tử cải tiến năng suất lúa ............................................... 16 1.2.1. Khái quát về năng suất và các yếu tố cấu thành năng suất ............................ 16 1.2.2. Các QTL/gen liên kết với các tính trạng năng suất ....................................... 17 1.2.3. Ứng dụng chỉ thị phân tử cải tiến năng suất lúa ............................................ 29 1.3. Nghiên cứu ứng dụng chỉ thị phân tử trong chọn tạo giống lúa ở Việt Nam .... 40 CHƢƠNG 2. VẬT LIỆU, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...... 43 2.1. Vật liệu ........................................................................................................... 43 2.1.1. Các dòng/giống lúa làm vật liệu nghiên cứu................................................. 43 2.1.2. Chỉ thị phân tử dùng trong nghiên cứu ......................................................... 44 2.1.3. Hóa chất và thiết bị ...................................................................................... 45 2.1.4. Địa điểm và thời gian nghiên cứu ................................................................ 45 2.2. Nội dung nghiên cứu ...................................................................................... 45 iv 2.2.1. Đánh giá nguồn vật liệu phục vụ cho công tác chọn tạo giống lúa. ............... 45 2.2.2. Sử dụng chỉ thị phân tử để khảo sát đa hình ADN giữa dòng/giống cho và nhận QTL/gen tăng số hạt trên bông trên các nhiễm sắc thể. .................................. 45 2.2.3. Cải tiến năng suất giống lúa trồng đại trà cho đồng bằng sông Hồng và dòng NPT1 (Dạng hình mới) triển vọng bằng chỉ thị phân tử và lai trở lại...................... 46 2.2.4. Trồng thử nghiệm và đánh giá một số dòng/giống triển vọng ....................... 46 2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu ................................................................................ 46 2.3.1. Phƣơng pháp bố trí thí nghiệm đồng ruộng .................................................. 46 2.3.2. Phƣơng pháp lai hữu tính, lai trở lại giữa giống cho và nhận QTL/gen ......... 46 2.3.3. Phƣơng pháp chọn giống nhờ chỉ thị phân tử ............................................... 47 2.3.4. Các chỉ tiêu và phƣơng pháp đánh giá khả năng chống chịu của các dòng, giống lúa nghiên cứu ............................................................................................. 49 2.3.5. Các chỉ tiêu và phƣơng pháp đánh giá đặc điểm sinh trƣởng, hình thái và năng suất, yếu tố cấu thành năng suất……………………………………………...50 2.3.6. Một số kỹ thuật sử dụng trong phòng thí nghiệm ......................................... 52 2.3.7. Phƣơng pháp phân tích kết quả và xử lý số liệu ........................................... 57 CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.......................................................... 58 3.1. Đánh giá nguồn vật liệu phục vụ cho công tác chọn tạo giống lúa................... 58 3.1.1. Đánh giá chỉ tiêu hình thái sinh trƣởng và phát triển, chỉ tiêu năng suất và các yếu tố cấu thành năng suất các dòng/giống lúa dùng làm dòng cho gen ................. 58 3.1.2. Đánh giá các chỉ tiêu hình thái sinh trƣởng phát triển, chỉ tiêu năng suất và các yếu tố cấu thành năng suất các dòng/giống lúa dùng làm dòng nhận gen ......... 61 3.2. Sử dụng chỉ thị phân tử khảo sát đa hình ADN giữa dòng/giống cho và nhận QTL/gen tăng số hạt trên bông trên các nhiễm sắc thể ........................................... 62 3.2.1. Kết quả xác định chỉ thị phân tử đa hình tại vị trí QTL/gen quy định tính trạng tăng số hạt trên bông giữa dòng/giống cho và nhận QTL/gen ................................ 62 3.2.2. Kết quả khảo sát đa hình trên 12 NST giữa dòng/giống cho và nhận QTL/gen quy định tính trạng tăng số hạt trên bông ............................................................... 64 v 3.3. Cải tiến năng suất giống lúa trồng đại trà cho đồng bằng sông Hồng và dòng NPT1 (dạng hình mới) triển vọng bằng chỉ thị phân tử và lai trở lại ...................... 69 3.3.1. Kết quả sử dụng chỉ thị phân tử đa hình chọn lọc cá thể con lai của tổ hợp lai Khang dân 18/KC25 .............................................................................................. 69 3.3.2. Kết quả sử dụng chỉ thị phân tử đa hình chọn lọc cá thể con lai của tổ hợp lai NPT1/KC25 .......................................................................................................... 86 3.4. Trồng thử nghiệm và đánh giá một số dòng/giống triển vọng........................ 100 3.4.1. Kết quả trồng thử nghiệm và đánh giá một số dòng/giống triển vọng của tổ hợp KD18 x KC25............................................................................................... 100 3.4.2. Kết quả trồng thử nghiệm và đánh giá một số dòng/giống triển vọng của tổ hợp NPT1 x KC25 ............................................................................................... 110 3.4.3. Kết quả đánh giá dòng K2 (thế hệ BC3F5 của tổ hợp KD18/KC25) và dòng N8 (thế hệ BC3F5 của tổ hợp NPT1/KC25) .......................................................... 119 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................. 123 Kết luận ............................................................................................................... 123 Kiến nghị ............................................................................................................. 123 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN .... 124 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 125 PHỤ LỤC............................................................................................................ 138 vi DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Giải thích thuật ngữ ADN Axit deoxyribonucleic ARN Axit ribonucleic AFLP Amplified fragment length polymophism (Đa hình chiều dài đoạn đƣợc nhân bản) BC Backcross (Lai trở lại) B/K Số bông/khóm Cs Cộng sự CCC Chiều cao cây CV% Coefficient of variation (Hệ số biến động) DP Donor parent (Cây cho gen) đ/c Đối chứng HVNN Học viện Nông nghiệp HC/B Hạt chắc/bông HD Heading day (Thời gian sinh trƣởng) HI Haverst index (Chỉ số thu hoạch) HL/B Hạt lép/bông GA Gibberellin GGT Graphical Genotypes GN Grain number (Số hạt trên bông) GL Grain length (Chiều dài hạt) GS Grain size (Kích thƣớc hạt) GW Grain weight (Khối lƣợng hạt) IRRI International rice research institute (Viện Nghiên cứu lúa Quốc tế) KD18 Khang dân 18 LSD Least significant difference (Sự sai khác có ý nghĩa) NIL Near-isogenic line (Dòng cận đẳng gen) vii NPT New plant type (Dạng hình mới) NST Nhiễm sắc thể NSLT Năng suất lý thuyết NSTT Năng suất thực thu MAS Marker assisted selection (Chọn lọc nhờ chỉ thị phân tử) MABC Marker assisted backcrossing (Chọn lọc nhờ chỉ thị phân tử và lai trở lại) KL1000 Khối lƣợng nghìn hạt PBP Branches per panicle (Số nhánh trên bông) PCR Polymerase chain reaction (Chuỗi phản ứng trùng hợp) PL Panicle length (Chiều dài bông) PN Panicle number (Số bông) QTL Quantitative trait locus (Locus tính trạng số lƣợng) RAPD RFLP Randomly amplified polymorphic DNA (Đa hình các đoạn ADN khuyếch đại ngẫu nhiên) Restriction fragment length polymorphism (Đa hình chiều dài đoạn phân cắt giới hạn) RP Recipient parent (Cây nhận gen) TB Trung bình TGST Thời gian sinh trƣởng TS Tổng số TT Thứ tự SNP Single nucleotide polymorphisms (Đa hình nucleotide đơn) viii DANH MỤC BẢNG TT bảng 1.1 Tên bảng Kết quả dự kiến chƣơng trình MABC kết hợp sử dụng chọn lọc gen mục tiêu và chọn lọc nền di truyền Trang 14 1.2 Các QTL/gen kiểm soát tính trạng đẻ nhánh ở lúa 19 1.3 Các QTL/gen liên kết tính trạng số hạt trên bông 25 1.4 Các QTL/gen quy định tính trạng hình dạng hạt 27 1.5 Tóm tắt một số nghiên cứu ứng dụng chỉ thị phân tử để cải tiến năng suất lúa 34 2.1 Danh sách 13 dòng dùng làm dòng cho QTL/gen 43 2.2 Tên và trình tự nucleotide của các mồi đƣợc sử dụng 44 2.3 Thành phần và hàm lƣợng tham gia phản ứng PCR 53 2.4 Chƣơng trình phản ứng PCR 54 Kết quả theo dõi các chỉ tiêu hình thái sinh trƣởng phát triển, 3.1 các yếu tố cấu thành năng suất và năng suất thực thu của các 58 dòng cho gen vụ Xuân 2013 tại Từ Liêm - Hà Nội Kết quả đánh giá mức độ nhiễm sâu bệnh, chống đổ và độ thuần 3.2 đồng ruộng của các dòng thí nghiệm vụ Xuân 2013 tại Từ Liêm 60 - Hà Nội Kết quả theo dõi các chỉ tiêu hình thái sinh trƣởng, các yếu tố 3.3 cấu thành năng suất và năng suất của các dòng nhận gen vụ 61 Xuân 2013 tại Từ Liêm - Hà Nội 3.4 Thống kê các chỉ thị SSR đa hình giữa Khang dân 18/KC25 65 3.5 Thống kê các chỉ thị SSR đa hình giữa dòng NPT1/KC25 66 3.6 3.7 3.8 Tỉ lệ phần trăm alen giống nhận gen của 32 cá thể BC1F1 mang QTL/gen Tỉ lệ phần trăm alen giống nhận gen của 15 cá thể BC2F1mang QTL/gen Các cá thể đồng hợp tử giống bố thế hệ BC3F2 tổ hợp 72 77 84 ix KD18/KC25 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15 3.16 3.17 3.18 3.19 3.20 3.21 3.22 3.23 3.24 Các cá thể đồng hợp tử giống bố thế hệ BC3F2 tổ hợp NPT1/KC25 Đặc điểm sinh trƣởng và hình thái của các dòng triển vọng (tổ hợp KD18/KC25) vào vụ Xuân 2016 tại Hoài Đức - Hà Nội Mức độ nhiễm sâu, bệnh hại của các dòng triển vọng (tổ hợp KD18/KC25) vụ Xuân 2016 tại Hoài Đức - Hà Nội Các yếu tố cấu thành năng suất của các dòng triển vọng (tổ hợp KD18/KC25) vụ Xuân 2016 tại Hoài Đức - Hà Nội Đặc điểm sinh trƣởng và hình thái của các dòng triển vọng (tổ hợp KD18/KC25) vào vụ Mùa 2016 tại Hoài Đức - Hà Nội Mức độ nhiễm sâu, bệnh hại của các dòng triển vọng (tổ hợp KD18/KC25) vụ Mùa 2016 tại Hoài Đức - Hà Nội Các yếu tố cấu thành năng suất của các dòng triển vọng (tổ hợp KD18/KC25) vụ Mùa 2016 tại Hoài Đức - Hà Nội Đặc điểm sinh trƣởng và hình thái của các dòng triển vọng (tổ hợp NPT1/KC25) vụ Xuân 2016 tại Hoài Đức - Hà Nội Mức độ nhiễm sâu, bệnh hại của các dòng triển vọng (tổ hợp NPT1/KC25) vụ Xuân 2016 tại Hoài Đức - Hà Nội Các yếu tố cấu thành năng suất của các dòng triển vọng (tổ hợp NPT1/KC25) vụ Xuân 2016 tại Hoài Đức - Hà Nội Đặc điểm sinh trƣởng và hình thái của các dòng triển vọng (tổ hợp NPT1/KC25) vụ Mùa 2016 tại Hoài Đức - Hà Nội Mức độ nhiễm sâu, bệnh hại của các dòng triển vọng (tổ hợp NPT1/KC25) vụ Mùa 2016 tại Hoài Đức - Hà Nội Các yếu tố cấu thành năng suất của các dòng triển vọng (tổ hợp NPT1/KC25) vụ Mùa 2016 tại Hoài Đức - Hà Nội Đặc điểm sinh trƣởng và hình thái của dòng K2 và dòng N8 tại Hoài Đức - Hà Nội Mức độ nhiễm sâu bệnh của dòng K2 và dòng N8 vụ Xuân 2017 tại Hoài Đức - Hà Nội Yếu tố cấu thành năng suất và năng suất thực thu của dòng K2 và dòng N8 vụ Xuân 2017 tại Hoài Đức - Hà Nội 99 101 102 103 106 107 108 111 112 113 115 116 117 119 120 121 x DANH MỤC HÌNH TT Tên hình Trang hình 1.1 1.2 2.1 2.2 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 Bảng phân bổ một số QTL/gen đã đƣợc nhân bản liên kết với tính trạng năng suất lúa Bản đồ liên kết vị trí của yd7 trên nhiễm sắc thể số 7 Hình ảnh bông và cấu trúc bông của dòng cho QTL/gen tăng số hạt trên bông Sơ đồ cải tiến năng suất giống lúa nhờ chỉ thị phân tử và lai trở lại Vị trí QTL/gen yd7 trên NST số 7 Kết quả khảo sát đa hình ADN giữa giống cho và nhận QTL/gen với chỉ thị RM445; RM500; RM21615 Kết quả khảo sát đa hình AND giữa giống cho và nhận QTL/gen với chỉ thị RM1208; RM5365; RM5480 Kết quả khảo sát đa hình ADN giữa giống cho và nhận QTL/gen với chỉ thị RM10916; RM24865; RM331 Kết quả khảo sát đa hình AND giữa giống cho và nhận QTL/gen với chỉ thị RM3; RM528; RM22825 Bản đồ các chỉ thị phân tử đa hình giữa giống Khang dân 18 và KC25 trên 12 NST Bản đồ các chỉ thị phân tử đa hình giữa dòng NPT1 và KC25 trên 12 NST Kết quả điện di trên 312 cá thể BC1F1 (tổ hợp KD18/KC25) với chỉ thị RM445 Kết quả điện di của 84 cá thể BC1F1 (tổ hợp KD18/KC25) với chỉ thị RM500 Kết quả điện di xác định nền di truyền của 32 cá thể mang QTL/gen yd7 trong quần thể BC1F1 (tổ hợp KD18/KC25) 18 24 43 48 63 63 64 64 65 67 68 69 70 71 xi 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15 3.16 3.17 3.18 3.19 3.20 3.21 3.22 3.23 3.24 3.25 Tỷ lệ các cá thể mang nền di truyền giống mẹ ở thế hệ BC1F1 (tổ hợp KD18/KC25) Bản đồ di truyền của cá thể số 74 thế hệ BC1F1 tổ hợp KD18/KC25 Kết quả điện di sàng lọc cá thể trong quần thể BC2F1 (tổ hợp KD18/KC25) với chỉ thị RM445 Kết quả điện di sàng lọc cá thể trong quần thể BC2F1 (tổ hợp KD18/KC25) với chỉ thị RM500 Kết quả điện di sàng lọc cá thể trong quần thể BC2F1 (tổ hợp KD18/KC25) với chỉ thị RM21615 Kết quả điện di sàng lọc nền di truyền của 15 cá thể mang QTL/gen yd7 trong quần thể BC2F1 (tổ hợp KD18/KC25) Tỷ lệ các cá thể mang nền di truyền giống mẹ ở thế hệ BC2F1 (tổ hợp KD18/KC25) Bản đồ di truyền của cá thể số 59 thế hệ BC2F1 tổ hợp KD18/KC25 Kết quả điện di các cá thể BC3F1 (tổ hợp KD18/KC25) với chỉ thị RM445 Kết quả điện di các cá thể BC3F1 (tổ hợp KD18/KC25) với chỉ thị RM500 Kết quả điện di các cá thể BC3F1 (tổ hợp KD18/KC25) với chỉ thị RM21615 Kết quả điện di kiểm tra nền di truyền các cá thể thế hệ BC 3F1 tổ hợp KD18/KC25 Bản đồ di truyền của cá thể C1-74-59-14 thế hệ BC3F1 tổ hợp KD18/KC25 Kết quả điện di sàng lọc các cá thể BC3F2 (tổ hợp KD18/KC25) với chỉ thị RM445 Kết quả điện di sàng lọc các cá thể BC3F2 (tổ hợp KD18/KC25) 73 73 74 75 76 77 78 78 79 80 81 82 82 83 84 xii với chỉ thị RM500 3.26 3.27 3.28 3.29 3.30 3.31 3.32 3.33 3.34 3.35 3.36 3.37 3.38 3.39 Kết quả điện di sàng lọc các cá thể BC3F2 (tổ hợp KD18/KC25) với chỉ thị RM21615 Kết quả điện di sàng lọc cá thể BC1F1 (tổ hợp NPT1/KC25) với chỉ thị RM445 Kết quả điện di sàng lọc cá thể BC1F1 (tổ hợp NPT1/KC25) với chỉ chỉ thị RM500 Kết quả chạy điện di các cá thể BC1F1 (tổ hợp NPT1/KC25) với chỉ thị RM21615 Kết quả điện di các cá thể BC1F1 (tổ hợp NPT1/KC25) đánh giá nền di truyền Bản đồ di truyền của cá thể số 54 thế hệ BC1F1 tổ hợp NPT1/KC25 Kết quả sàng lọc các cá thể BC2F1 (tổ hợp NPT1/KC25) với chỉ thị RM445 Kết quả điện di sàng lọc các cá thể BC2F1 (tổ hợp NPT1/KC25) với chỉ thị RM500 Kết quả điện di sàng lọc các cá thể BC2F1 (tổ hợp NPT1/KC25) với chỉ thị RM21615 Kết quả điện di trên các cá thể BC2F1 (tổ hợp NPT1/KC25) đánh giá nền di truyền Bản đồ di truyền cá thể số C37-54- 122 thế hệ BC2F1 tổ hợp NPT1/KC25 Kết quả điện di sàng lọc các cá thể BC3F1 (tổ hợp NPT1/KC25) với chỉ thị RM445 Kết quả điện di sàng lọc các cá thể BC3F1 (tổ hợp NPT1/KC25) với chỉ thị RM500 Kết quả điện di sàng lọc các cá thể BC3F1 (tổ hợp NPT1/KC25) với chỉ thị RM21615 84 86 87 87 88 89 90 91 91 92 93 94 94 95 xiii 3.40 3.41 3.42 3.43 3.44 3.45 3.46 3.47 3.48 3.49 3.50 3.51 Kết quả điện di sàng lọc nền di truyền cá thể thể BC3F1 (tổ hợp NPT1/KC25) Bản đồ di truyền của cá thể C37-122-51 thế hệ BC3F1 tổ hợp NPT1/KC25 Kết quả điện di kiểm tra cá thể BC3F2 (tổ hợp NPT1/KC25) bằng chỉ thị RM445 Kết quả điện di kiểm tra cá thể BC3F2 (tổ hợp NPT1/KC25) bằng chỉ chị RM500 Kết quả điện di sàng lọc cá thể BC3F2 (tổ hợp NPT1/KC25) bằng chỉ thị RM21615 Năng suất thực thu của các dòng triển vọng (tổ hợp KD18/KC25) so với giống đối chứng vụ Xuân 2016 Năng suất thực thu của các dòng triển vọng (tổ hợp KD18/KC25) so với giống đối chứng vụ Mùa 2016 Bông lúa dòng triển vọng và giống đối chứng Khang dân 18 Năng suất thực thu của các dòng triển vọng (tổ hợp NPT1/KC25) so với giống đối chứng vụ Xuân 2016 Năng suất thực thu của các dòng triển vọng (tổ hợp NPT1/KC25) so với giống đối chứng vụ Mùa 2016 Dòng triển vọng N8 (tổ hợp NPT1/KC25) Năng suất thực thu của dòng K2 và dòng N8 so với giống đối chứng KD18 và dòng NPT1 vụ Xuân 2017 96 96 97 98 98 105 109 109 114 118 118 122 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Lúa (Oryza sativa L.) là cây lƣơng thực quan trọng nhất ở Việt Nam, đồng thời cũng là nguồn cung cấp thức ăn chính cho hơn một nửa dân số thế giới. Tuy nhiên, theo báo cáo của Quỹ Nông lƣơng Liên hợp Quốc, năm 2017, thế giới đang có nguy cơ khủng hoảng lƣơng thực do nhiều nguyên nhân nhƣ biến đổi khí hậu toàn cầu, dân số tăng nhanh, diện tích đất nông nghiệp giảm. Năm 2017, có khoảng 815 triệu ngƣời bị đói, tập trung ở hai khu vực chính là châu Á và châu Phi. Nhu cầu cần thêm lúa gạo toàn cầu khoảng 763 triệu tấn vào năm 2020 và tiếp tục tăng lên 852 triệu tấn vào năm 2035. Sản xuất lúa gạo phải gia tăng 25% mới đáp ứng nhu cầu gia tăng dân số đáng kể. Mặt khác, sản xuất lúa gạo tiếp tục bị đe dọa bởi các điều kiện bất lợi sinh học và phi sinh học nhƣ sâu bệnh hại, khô hạn, ngập, mặn. Vì vậy, chọn tạo giống lúa có năng suất cao là hết sức cần thiết và có ý nghĩa cho an ninh lƣơng thực [29], [33], [51]. Để cải tiến năng suất lúa, từ lâu các nhà chọn giống đã sử dụng các phƣơng pháp truyền thống nhƣ chọn giống bằng ƣu thế lai, chọn tạo giống siêu lúa hoặc phát triển lúa C4. Tuy nhiên, những năm gần đây, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ sinh học hiện đại, nhiều chỉ thị phân tử liên kết với các tính trạng cấu thành năng suất đã đƣợc xác định. Các nhà khoa học bắt đầu quan tâm nhiều hơn tới vấn đề ứng dụng chỉ thị phân tử trong chọn tạo giống nhằm rút ngắn thời gian và hiệu quả chọn giống. Chọn giống nhờ chỉ thị phân tử và lai trở lại (Marker assisted backcrossingMABC) là phƣơng pháp hữu hiệu trong việc chuyển locus gen quy định tính trạng di truyền số lƣợng (Quantitative trait locus - QTL) vào giống mới. Phƣơng pháp này cho phép rút ngắn quá trình chọn lọc, chọn lọc đƣợc những tính trạng khó hay nhiều tính trạng cùng lúc. Chọn giống nhờ chỉ thị phân tử (Marker assisted SelectionMAS) là phƣơng tiện trợ giúp đắc lực cho chọn giống truyền thống. Bởi vì, MAS cho phép chọn lọc trực tiếp hệ gen của từng cá thể trong quần thể. Bằng phƣơng pháp chọn giống nhờ chỉ thị phân tử, kết hợp lai trở lại từ 2 đến 3 thế hệ là có thể 2 thu đƣợc cá thể với nền di truyền của dòng mẹ và mang gen chuyển. Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu ứng dụng chỉ thị phân tử trong chọn tạo giống lúa, các nhà chọn giống đã sử dụng các chỉ thị phân tử liên kết với những QTL/gen mục tiêu để cải tiến thành công năng suất lúa, tăng năng suất bình quân từ 5,7% - 36% [79], [102]. Việt Nam là nƣớc xuất khẩu gạo đứng thứ 2 trên thế giới sau Thái Lan, chiếm khoảng 50% tổng sản lƣợng gạo thƣơng mại trên thế giới. Nguồn thu ngoại tệ lớn nhất của nền nông nghiệp xuất khẩu Việt Nam là lúa gạo, đồng thời là nguồn thức ăn chính cho hơn 90 triệu dân số trong nƣớc. Vì vậy, lúa gạo có vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an ninh lƣơng thực và ổn định xã hội. Xuất phát từ những vấn đề nêu trên, chúng tôi thực hiện luận án: “Nghiên cứu cải tiến năng suất một số dòng/giống lúa bằng chỉ thị phân tử”. 2. Mục tiêu nghiên cứu Sử dụng phƣơng pháp chọn giống nhờ chỉ thị phân tử và lai trở lại để lai chuyển QTL/gen yd7 quy định tính trạng tăng số hạt trên bông, từ đó nhằm cải tiến năng suất một số dòng/giống lúa đang trồng đại trà và dòng lúa mới, triển vọng cho vùng đồng bằng sông Hồng. 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của của đề tài 3.1. Ý nghĩa khoa học của đề tài Kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp thêm nhiều thông tin, dẫn liệu khoa học phục vụ công tác chọn tạo giống lúa bằng phƣơng pháp ứng dụng chỉ thị phân tử và lai trở lại. Những thành công trong công tác chọn giống bằng phƣơng pháp MABC nhằm chuyển QTL/gen yd7 quy định tính trạng tăng số hạt trên bông vào một số dòng/giống lúa sẽ mở ra khả năng ứng dụng rộng rãi trong công tác chọn tạo giống lúa nói chung. 3.2. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài Sử dụng phƣơng pháp chọn giống nhờ chỉ thị phân tử và lai trở lại đã chọn lọc nhanh chóng và chính xác nguồn QTL/gen tăng số hạt trên bông, quy tụ vào giống 3 lúa đang đƣợc trồng phổ biến tại đồng bằng sông Hồng và dòng lúa mới triển vọng, nhờ vậy có thể rút ngắn thời gian chọn lọc trên đồng ruộng, giúp khắc phục đƣợc những hạn chế của phƣơng pháp chọn giống truyền thống. Những dòng/giống lúa triển vọng đƣợc chọn lọc trong đề tài này sẽ là nguồn vật liệu khởi đầu quan trọng phục vụ cho công tác chọn tạo giống, cải tiến năng suất lúa cho vùng đồng bằng sông Hồng, giúp đảm bảo an ninh lƣơng thực và tăng thu nhập cho ngƣời trồng lúa. 4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 4.1. Đối tƣợng nghiên cứu Là các giống lúa thuần mang locus gen yd7 đƣợc nhập nội, các dòng/giống lúa thuần đang đƣợc trồng đại trà, dòng lúa mới triển vọng và các chỉ thị phân tử có liên quan đƣợc sử dụng trong nghiên cứu. 4.2. Địa điểm và thời gian nghiên cứu - Thí nghiệm đƣợc triển khai tại: Bộ môn Sinh học Phân tử, Bộ môn Kĩ thuật Di truyền - Viện Di truyền Nông nghiệp, Trung tâm Chuyển giao Công nghệ và Khuyến nông - Thanh Trì - Hà Nội, khu đồng ruộng thí nghiệm thuộc xã Tây Mỗ Từ Liêm - Hà Nội; xã Lại Yên - Hoài Đức - Hà Nội. - Thời gian nghiên cứu: Từ năm 2013 đến 2017 5. Những đóng góp mới của luận án - Đây là một trong những công trình nghiên cứu đầu tiên ở Việt Nam ứng dụng chỉ thị phân tử và phƣơng pháp lai trở lại đã lai chuyển thành công QTL/gen yd7 quy định tính trạng tăng số hạt trên bông để cải tiến năng suất lúa. - Nghiên cứu đã xác định đƣợc chỉ thị đa hình giữa giống cho gen và dòng/giống nhận gen tại vị trí QTL/gen yd7 để chọn lọc cá thể mang gen mục tiêu và các chỉ thị đa hình trải đều trên 12 NST để chọn lọc nền di truyền. - Cải tiến thành công năng suất một số dòng/giống lúa nhờ chỉ thị phân tử và lai trở lại mà không làm thay đổi các tính trạng quý của giống gốc. Trong đó, chọn tạo đƣợc dòng K2 có năng suất tăng 28,3% so với giống đối chứng Khang dân 18, dòng N8 có năng suất tăng 9,4% so với dòng đối chứng NPT1. 4 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Ứng dụng chỉ thị di truyền trong chọn tạo giống lúa 1.1.1. Khái niệm và phân loại chỉ thị di truyền 1.1.1.1. Khái niệm Chỉ thị di truyền là vị trí đặc biệt trên nhiễm sắc thể, đƣợc sử dụng cho phân tích hệ gen, để phân biệt các cá thể khác nhau của một loài. Các chỉ thị di truyền thƣờng liên kết với gen và đƣợc di truyền theo các qui luật di truyền [17], [54]. Theo Paterson và cộng sự (1996), chỉ thị di truyền là bất kỳ tính trạng, đặc điểm hay thuộc tính nào nếu chúng hội đủ hai điều kiện: Có thể di truyền cho thế hệ sau và có thể sử dụng đƣợc để đánh giá, so sánh, phân biệt các cá thể, quần thể hay các nhóm quần thể. Chỉ thị di truyền đƣợc dùng trong nghiên cứu phả hệ để xác định khoảng cách di truyền giữa các cá thể hay quần thể. Chỉ thị di truyền rất hữu ích trong việc nghiên cứu những dấu hiệu di truyền và sự biến đổi của chúng trong quần thể. Vì vậy chúng đƣợc sử dụng trong nhận dạng cá thể, nghiên cứu đa dạng di truyền, phân loại học, lập bản đồ di truyền. Đặc biệt những chỉ thị liên quan đến tính trạng nông sinh học có lợi cho con ngƣời đƣợc sử dụng nhƣ phƣơng tiện trợ giúp đắc lực cho công tác chọn giống cây trồng [8], [85]. 1.1.1.2. Phân loại chỉ thị di truyền Chỉ thị di truyền có thể chia thành hai loại: chỉ thị truyền thống và chỉ thị ADN. Chỉ thị truyền thống gồm chỉ thị hình thái; chỉ thị tế bào và chỉ thị sinh hóa. Tuy nhiên, từ cuối thế kỷ 20, khi chỉ thị ADN ngày càng trở nên phổ biến và lấn át các chỉ thị di truyền khác, các nhà khoa học đã phân loại chỉ thị di truyền thành 3 nhóm: chỉ thị hình thái; chỉ thị sinh hóa; chỉ thị phân tử ADN (hay gọi tắt là chỉ thị phân tử) [17], [47]. * Chỉ thị hình thái Chỉ thị hình thái là loại chỉ thị có thể nhìn thấy hoặc đo đếm đƣợc, là những tính trạng hoặc đặc điểm hình thái cụ thể nhƣ màu hoa, kiểu hình hạt, đặc điểm sinh trƣởng, sự biến đổi sắc tố. Trƣớc đây, sự đa dạng giữa các cá thể trong quần thể và 5 giữa các quần thể đƣợc xác định thông qua đánh giá các đặc điểm hình thái nổi trội. Với ƣu điểm nhƣ dễ dàng tiếp cận và nghiên cứu, không đòi hỏi thiết bị đặc biệt cũng nhƣ quy trình thực hiện phức tạp, chỉ thị hình thái đƣợc sử dụng khá rộng rãi trong nghiên cứu đa dạng di truyền thực vật. Trong đánh giá và chọn tạo giống truyền thống, chỉ thị hình thái đƣợc áp dụng phổ biến và khá hiệu quả ở một số loại cây trồng nhƣ lúa, ngô, đậu tƣơng [8], [47]. Mặc dù có nhiều nhƣợc điểm nhƣng chỉ thị hình thái vẫn đƣợc áp dụng khá hiệu quả trong đánh giá đa dạng di truyền (đặc biệt đối với các đối tƣợng mà chỉ thị phân tử chƣa có nhiều) hoặc trong nghiên cứu lập bản đồ liên kết phục vụ chọn tạo giống cây trồng nhƣ ở lúa, ngô [13], [76], [112]. * Chỉ thị sinh hóa Chỉ thị sinh hóa là loại chỉ thị biểu hiện sự đa hình của các phân tử protein. Các protein khác nhau có khối lƣợng phân tử và điểm đẳng điện khác nhau, vì vậy chúng có thể di chuyển với tốc độ khác nhau trong điện di trƣờng một chiều hay hai chiều, tạo ra những đặc điểm đặc trƣng trên gel điện di và có thể hiển thị bằng phƣơng pháp nhuộm. Những chỉ thị sinh hóa chỉ thể hiện ở những giai đoạn khác nhau của quá trình phát triển cá thể, tùy thuộc vào cơ chế phức tạp của sự đóng mở gen. Bất kỳ một protein nào có mặt trong cơ thể sinh vật dù ở giai đoạn phát triển nào của cá thể thì cũng là sản phẩm của gen thông qua dòng thông tin di truyền từ ADN-ARN-Protein. Nghiên cứu sự khác biệt trong thành phần của các sản phẩm này có thể giúp xác định những khác biệt về mặt di truyền giữa các cá thể và loài khác nhau [1], [ 2]. So với chỉ thị hình thái thì chỉ thị sinh hóa đáng tin cậy hơn bởi mỗi protein là sản phẩm của một gen, do đó sự đa hình các protein cũng phản ánh gián tiếp sự đa hình trong kiểu gen của sinh vật. Tuy nhiên, đối với các cá thể có quan hệ di truyền gần gũi thì các sản phẩm biểu hiện gen (protein, enzym..) không cho sự đa hình rõ ràng. Đây là một nhƣợc điểm của chỉ thị sinh hóa cùng với tính không độc lập với điều kiện môi trƣờng (do quá trình biểu hiện gen thay đổi ở các điều kiện sinh trƣởng khác nhau) và số lƣợng chỉ thị đa hình không phong phú. Bởi vậy trong