Đặt vấn đề Tính trạng kích thước và số lượng hạt là một trong những yếu tố quyết định đến năng suất cây trồng. Kích thước hạt giống là mục tiêu của chọn lọc nhân tạo trong quá trình thuần hóa, nơi các hạt có kích thước lớn thường được ưa chuộng do dễ thu hoạch và tăng cường sức sống của cây. Ở lúa, các đặc điểm liên quan đến kích thước và trọng lượng hạt có tác động lớn đến giá trị thị trường lúa gạo và đóng vai trò quan trọng trong quá trình nghiên cứu, tạo chọn giống mới. Nghiên cứu tạo cây lúa tăng kích thước hạt được tiến hành ở nhiều nước trên thế giới và mang lại hiệu quả cao trong công tác chọn tạo giống.
Bằng các kỹ thuật sinh học phân tử nhiều gen liên quan đến khả năng tăng kích thước hạt đã được sàng lọc và phân tích trên cây trồng như GW2 , GS9 , GW5 ,GS3 và TGW6 [16-20]. GS3 (Grain size gene) là một gen quy định chiều dài ở hạt có mặt trong các cây họ lúa. GS3 bao gồm bốn vùng chức năng khác nhau tham gia vào quá trình điều chỉnh kích thước hạt bao gồm: vùng điều chỉnh kích thước cơ quan (ORS), vùng xuyên màng, vùng thụ cảm/ vùng thụ thể yếu tố tăng trưởng (TNFR / NGFR) và vùng yếu tố von Willebrand loại C (VWFC). Việc mất hoặc ảnh hưởng chức năng của miền OSR dẫn đến hạt dài, trong khi việc thay đổi cấu trúc của miền TNFR / NGFR và VWFC tạo ra tác dụng ngược lại [24].
Ở nước ta lúa nước là cây lương thực chính được trồng với diện tích lớn tuy nhiên hiện nay với sự gia tăng dân số, giảm diện tích đất canh tác, ô nhiễm môi trường và thời tiết khắc nghiệt thường xuyên xảy ra, sản xuất lúa gạo đang phải đối mặt với những thách thức gay gắt ảnh hưởng tiêu cực đến sản xuất và xuất khẩu, trong khi gạo đang là mặt hàng có kim ngạch xuất khẩu lớn nhất trong lĩnh vực nông, lâm, thủy sản. Trong bối cảnh khí hậu toàn cầu đang biến đổi theo hướng bất lợi như hiện nay, sản xuất nông nghiệp được xem là một trong những lĩnh vực dễ bị tổn thương nhất từ đó đặt ra những thách thức không nhỏ cho nền nông nghiệp trong tương lai. Để phục vụ công tác chọn tạo giống cây trồng tăng năng suất, chất lượng có khả năng chống chịu với sự biến đổi khí hậu, việc ứng dụng các kỹ thuật hiện đại như công nghệ gen là rất cần thiết. Vì vậy, xuất Luan van 2 phát từ nhu cầu thực tiễn chúng tôi tiến hành thực hiện đề tài: “Nghiên cứu khả năng cải thiện tính trạng hạt thông qua chỉnh sửa gen GS3 bằng công nghệ chỉnh sửa hệ gen CRISPR/Cas9”.
Mục tiêu của đề tài 1.Mục tiêu tổng quát Nghiên cứu khả năng tăng kích thước hạt lúa thông qua chỉnh sửa gen GS3. Mục tiêu cụ thể - Nghiên cứu chuyển cấu trúc chỉnh sửa gen GS3 vào giống lúa Dongjin. - Sàng lọc được cây đột biến thế hệ T0. - Đánh giá một số tính trạng hình thái hạt của cây đột biến thế hệ T0.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 1.Ý nghĩa khoa học của đề tài - Giúp sinh viên củng cố và hệ thống lại những kiến thức đã học.
- Giúp sinh viên rèn luyện kỹ năng nghiên cứu khoa học, phương pháp xử lý phân tích số liệu và cách trình bày một bài báo khoa học. - Nghiên cứu chuyển cấu trúc gen Cas9-gRNA1 vào giống lúa Dongjin thông qua vi khuẩn Agrobacterium tumefaciens. - Chọn lọc gen chuyển bằng kĩ thuật PCR và đánh giá các chỉ tiêu nông học của dòng T0. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài - Nghiên cứu nâng cao năng suất lúa bằng kỹ thuật chỉnh sửa gen CRISPR/Cas9 tại trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên.
Luan van 3 Phần 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2. Giới thiệu về cây lúa 2. Vai trò của lúa gạo Lúa gạo là cây lương thực lâu đời nhất được trồng ở nhiều nơi trên thế giới. Lúa là một trong năm loại cây lương thực chính của thế giới cùng với ngô, lúa mì , sắn và khoai tây.
Diện tích gieo trồng của cây lúa đứng thứ hai sau lúa mì, tổng sản lượng lúa gạo đứng thứ ba sau lúa mì và ngô. Lúa gạo là nguồn lương thực quan trọng cho khoảng 2/3 dân số trên thế giới, vì thế lúa gạo đã trở thành loại lương thực được con người tiêu thụ và ưa chuộng nhiều nhất. Khoảng 40% dân số trên thế giới lấy lúa gạo làm nguồn lương thực chính. Trên thế giới có hơn 110 quốc gia có sản xuất và tiêu thụ gạo với các mức độ khác nhau.
Lượng lúa được sản xuất ra và mức tiêu thụ gạo cao tập trung ở khu vực Châu Á. Hiện nay, diện tích trồng lúa chiếm trên 1/10 diện tích đất trồng trên thế giới và có 15 nước trên thế giới trồng lúa với diện tích hơn hơn 1 triệu ha, trong đó có tới 13 nước ở Châu Á. Riêng Trung Quốc và Ấn Độ chiếm khoảng 50% diện tích trồng lúa và 56% sản lượng lúa toàn cầu [4]. Lúa gạo chiếm một vị trí quan trọng trong nền kinh tế quốc dân, không chỉ là nguồn lương thực mà còn là nguồn thu ngoại tệ cho sự phát triển của đất nước.
Điều này chỉ rõ vị trí của lúa gạo trong cơ cấu lương thực thế giới và trong đời sống kinh tế quốc tế. Việt Nam là một trong những nước có nghề truyền thống trồng lúa nước cổ xưa nhất thế giới với hơn 70% diện tích đất trên cả nước. Nông nghiệp trồng lúa vừa đảm bảo an ninh lương thực quốc gia, vừa là cơ sở kinh tế sống còn của đất nước. Dân số nước ta đến nay hơn 90 triệu người, trong đó dân số ở nông thôn chiếm gần 80% và lực lượng lao động trong nghề trồng lúa chiếm khoảng 70% lực lượng lao động cả nước.
Điều đó cho thấy lĩnh vực nông nghiệp trồng lúa nước thu hút đại đa số lực lượng lao động cả nước, đóng vai trò quan trọng 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 diện tích trồng lúa giữ vị trí độc tôn, chiếm gần 85% diện tích lương thực. Theo số liệu sơ bộ của Tổng cục Hải quan, tính chung cả năm 2019 cả nước xuất khẩu 6,37 triệu tấn gạo, tương đương 2,81 tỷ Luan van 4 USD, tăng 4,1% về lượng nhưng giảm 8,4% về kim ngạch so với năm 2018.
Giá xuất khẩu đạt 440,7 USD/tấn, giảm 12,1%. Kết quả báo cáo tổng kết 7 tháng đầu năm 2020, Việt Nam xuất khẩu khoảng 3,9 triệu tấn gạo, đạt kim ngạch 1,9 tỉ USD, tăng 10,9% về giá trị so với cùng kỳ năm trước [9]. Đặc biệt là giá gạo xuất khẩu của Việt Nam tăng cao, vượt Thái Lan, Ấn Độ và Pakistan. Tình hình sản xuất lúa ở Việt Nam năm 2020 Diện tích gieo trồng lúa mùa cả nước năm 2020 đạt 1.584,6 nghìn ha, bằng 98,3% vụ mùa năm 2019.
Trong đó, các địa phương phía Bắc gieo cấy 1.050,2 nghìn ha, bằng 98,1%, riêng các tỉnh vùng Đồng bằng sông Hồng gieo cấy đạt 484,4 nghìn ha, bằng 97,4%; các địa phương phía Nam gieo cấy 534,4 nghìn ha, bằng 98,8%. Quá trình chuyển đổi mục đích sử dụng đất, chuyển đổi cơ cấu sản xuất và do ảnh hưởng bởi các đợt nắng nóng kéo dài, thiếu nước tưới hoặc đất bị nhiễm mặn nên diện tích gieo cấy lúa mùa 2020 giảm nhiều. Một số địa phương có diện tích lúa mùa giảm nhiều là: Ninh Thuận giảm 2,9 nghìn ha; Thanh Hóa giảm 4,7 nghìn ha; Hà Nội giảm 2,4 nghìn ha; Hải Phòng giảm 2,7 nghìn ha; Hưng Yên giảm 1,9 nghìn ha;…kéo theo sản lượng chung toàn vụ giảm. Mặc dù thời tiết đầu vụ không thuận lợi nhưng trong quá trình cây lúa sinh trưởng và phát triển, điều kiện thời tiết khá thuận lợi nên cây lúa đẻ nhánh nhanh và đồng đều, các loại sâu bệnh xuất hiện nhưng được phòng trừ kịp thời nên năng suất tăng so với vụ mùa năm trước [8].
Số liệu thống kê này phản ánh trong điều kiện hiện nay, an ninh lương thực nước ta được giữ vững, không những đảm bảo cho nhu cầu sử dụng trong nước mà còn tham gia đảm bảo an ninh lương thực trên phạm vi toàn cầu. Giá trị kinh tế Trên thế giới cơ cấu sản xuất lương thực, lúa gạo chiếm 26,5%. Sản lượng lúa đã vượt lên đứng thứ nhất trong các cây lương thực với tổng sản lượng là 650 triệu tấn/năm. Mặc dù diện tích trồng lúa gạo đứng sau lúa mì nhưng sản lượng lúa năm 1993 đã đứng vị trí thứ nhất với tổng sản lượng là 573 triệu tấn/năm.
Đặc biệt trong những năm gần đây với sự phát triển của khoa học kỹ thuật trong công tác chọn tạo giống và canh tác, phân bón thì năng suất và chất lượng lúa gạo không ngừng tăng lên [4]. Luan van 5 Hình 2. Sản lượng lúa ở Việt Nam qua các năm 2011-2020 [9]. Năm 2020, mặc dù năng suất và sản lượng giảm so với năm 2019 nhưng do chất lượng gạo được cải thiện nên đã thúc đẩy hoạt động xuất khẩu gạo, giá trị xuất khẩu ngày càng được cải thiện, tạo nên sức lan toả mạnh mẽ của “hương vị” gạo Việt Nam trên thị trường hàng nông sản thế giới đưa Việt Nam trở lại vị số một về xuất khẩu gạo.
Lúa không chỉ được mùa ở các mùa vụ mà còn được giá, đánh dấu sự chuyển mình của sản xuất lúa gạo, hiệu quả sản xuất tăng lên đáng kể. Trong bối cảnh dịch bệnh Covid-19, hầu hết các mặt hàng nông sản xuất khẩu bị ảnh hưởng, tuy nhiên xuất khẩu gạo của Việt Nam giữ được đà tăng trưởng về sản lượng, quan trọng hơn là giá xuất khẩu đạt mức cao. Riêng tháng 8/2020, giá trung bình đạt 502,6 USD/tấn, tăng 3,8% so với tháng 7/2020 [2]. Luan van 6 Hình 2.
Thị trường xuất khẩu gạo Việt Nam [9]. Một trong những điểm nhấn đáng lưu ý nhất là mức giá xuất khẩu gạo Việt sang thị trường EU đã chạm tới con số kỷ lục hơn 1.000 USD/tấn sau khi Hiệp định thương mại tự do Việt Nam-EU (EVFTA) có hiệu lực. Chỉ trong 10 tháng năm 2020, Việt Nam đã xuất khẩu được gần 5,3 triệu tấn gạo (đạt hơn 80% kế hoạch xuất khẩu gạo năm 2020 là đạt từ 6,5 đến 6,7 triệu tấn gạo), tương đương với kim ngạch đạt 2,6 tỷ USD, tăng 8,2% so với cùng kỳ năm 2019. Chất lượng gạo cũng được tăng lên, loại gạo 5% tấm của Việt Nam đã có lúc vượt giá gạo Thái Lan, vươn lên dẫn đầu thế giới.