MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án Lúa gạo là lƣơng thực cho hơn một nửa dân số thế giới và là cây lƣơng thực lấy hạt lớn thứ hai sau ngô. Lúa đƣợc trồng ở 113 nƣớc và đóng góp 40,5% tổng lƣợng hạt lƣơng thực trên thế giới. Từ năm 1950 đến 1960, năng suất lúa tăng 20% so với việc các giống truyền thống đã tạo ra cuộc cách mạng xanh.
Thành tựu đạt đƣợc cơ bản do cải tiến di truyền và tăng hệ số thu hoạch thông qua sử dụng các gen qui định thấp cây, chống chịu yếu tố sinh học và phi sinh học, chất lƣợng cao. Những năm 1970, một đột phá mới về năng suất là khai thác ƣu thế lai trong chọn tạo giống lúa ở Trung Quốc (Weibo Xie et al. Chọn tạo giống lúa lai là một trong những hƣớng nghiên cứu để nâng năng suất và sản lƣợng lúa ở trên thế giới. Giống siêu lúa lai đầu tiên Y Liangyou 900, đƣợc trồng thử nghiệm trong vụ mùa tại tỉnh Hồ Nam, Trung Quốc đạt năng suất 14,8 tấn/ha (Yuan L.
Để giống lúa lai đạt đƣợc năng suất cao cần lai giữa các loài phụ, đặc biệt là lai giữa hai loài phụ indica và japonica (Singh S. Lúa lai có tiềm năng tăng năng suất và sản lƣợng, do vậy nhiều quốc gia đang cố gắng khai thác lợi ích của kỹ thuật này. Đến năm 2014, có hơn 40 nƣớc trồng lúa lai, ngoài Trung Quốc có Ấn Độ, Bangladesh, Indonesia, Việt Nam, Philippines và Mỹ có diện tích gieo trồng lúa lai lớn (Yuan L. Tuy nhiên, diện tích lúa lai tăng không đáng kể là do dòng bố mẹ có nền di truyền hẹp, khả năng duy trì, phục hồi của các dòng ƣu tú thấp, thiếu khả năng chống chịu bất thuận sinh học và phi sinh học, chất lƣợng thấp.
Do vậy, cải tiến các dòng bố mẹ, khắc phục đƣợc những hạn chế trên trong 2 chiến lƣợc phát triển lúa lai là một trong hƣớng nghiên cứu có hiệu quả nhất (Khan M. Từ năm 1998, Việt Nam đã nhập nội một số tổ hợp lúa lai hai dòng, các tổ hợp này đều cho năng suất cao, chống chịu khá với sâu bệnh hại. Tuy nhiên, diện tích chƣa đƣợc mở rộng là do giá hạt lai khá cao không phù hợp với điều kiện ngƣời nông dân; công nghệ nhân dòng bất dục đực và sản xuất hạt lai F1 còn gặp nhiều khó khăn (Cục Trồng trọt, 2014). Trong giai đoạn 2001 - 2014, công tác chọn tạo lúa lai của Việt Nam đã đƣợc thúc đẩy mạnh mẽ và thu đƣợc nhiều thành tựu đáng kể; tỷ trọng lúa lai thƣơng hiệu Việt Nam đã tăng lên rõ rệt, số giống đƣợc công nhận chính thức chiếm 28% trong tổng số các giống đƣợc công nhận.
Các cơ quan nghiên cứu và phát triển lúa lai trong nƣớc đã tập trung vào việc chọn tạo các dòng bất dục và các tổ hợp lúa lai thích hợp với điều kiện sản xuất tại Việt Nam, kết quả nhƣ: Các dòng mẹ: T29S, T47S, 103S, T1S-96, T7S, 135S (Học viện Nông nghiệp Việt Nam); AMS 35S-1, AMS 35S-2, AMS 36S-7, AMS 34S-10, AMS 35S-11, AMS 37S-76, D51S, D52S, D59S, D60S, D116S, 827S, TG1 (Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển lúa lai, Viện Cây lƣơng thực và CTP); TGMS VN01 (Viện Di truyền Nông nghiệp). Tuy nhiên, số lƣợng dòng bố mẹ còn hạn chế, đặc biệt là các dòng có đặc điểm nông sinh học tốt phục vụ cho chọn giống lúa lai hai dòng chất lƣợng cao. Chính vì vậy, việc đánh giá, chọn tạo các dòng bố mẹ để phát triển giống lúa lai có thời gian sinh trƣởng ngắn, năng suất cao, chất lƣợng tốt, có mùi thơm là đòi hỏi cấp thiết của sản xuất lúa lai ở Việt Nam. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài luận án - Đánh giá chọn lọc nguồn vật liệu bố mẹ có năng suất cao, chất lƣợng tốt và có mùi thơm để phát triển giống lúa lai hai dòng cho các tỉnh phía Bắc Việt Nam.
- Bƣớc đầu hoàn thiện qui trình nhân dòng bố mẹ, qui trình sản xuất hạt lai F1 tổ hợp lúa lai hai dòng mới có năng suất cao, chất lƣợng tốt và có mùi thơm khuyến cáo cho sản xuất. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài luận án 3. Ý nghĩa khoa học - Đây là công trình nghiên cứu có hệ thống về đánh giá, tuyển chọn dòng bất dục đực di truyền nhân mẫn cảm nhiệt độ (TGMS) có mùi thơm và tổ hợp lúa lai thơm hai dòng có chất lƣợng cao. Kết quả nghiên cứu có thể coi đây là một tiến bộ mới trong việc tạo vật liệu bất dục cho phát triển lúa lai hai dòng chất lƣợng cao ở Việt Nam.
- Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ bổ sung thêm cơ sở lý luận và phƣơng pháp chọn tạo các dòng bất dục đực di truyền nhân mẫn cảm nhiệt độ và giống lúa lai hai dòng chất lƣợng cao và có mùi thơm ở điều kiện Việt Nam. Ý nghĩa thực tiễn - Đánh giá, chọn lọc thành công dòng bất dục đực di truyền nhân mẫn cảm nhiệt độ thơm E15S-2, làm phong phú nguồn vật liệu cho chọn tạo giống lúa lai hai dòng chất lƣợng cao, có mùi thơm ở Việt Nam. - Chọn tạo thành công giống lúa lai hai dòng mới HQ19 có thời gian sinh trƣởng ngắn, năng suất cao, nhiễm nhẹ sâu bệnh, chất lƣợng gạo cao, cơm có mùi thơm, mềm và ngon, làm đa dạng bộ giống lúa lai trong cơ cấu giống lúa ở các tỉnh phía Bắc Việt Nam. 4 - Bƣớc đầu hoàn thiện qui trình nhân dòng TGMS thơm E15S-2, qui trình sản xuất hạt lai F1 giống lúa lai hai dòng HQ19 góp phần gia tăng tỷ lệ giống lúa lai đƣợc chọn tạo trong nƣớc, chủ động nguồn giống bố mẹ và hạt lai F1.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Sử dụng các dòng bất dục đực di truyền nhân mẫn cảm với nhiệt độ (TGMS) mới và các dòng cho phấn (R) thơm để lai tạo, đánh giá khả năng kết hợp và chọn tổ hợp lai hai dòng có năng suất cao, chất lƣợng tốt và gạo có mùi thơm. - Nghiên cứu góp phần hoàn thiện qui trình kỹ thuật nhân dòng bất dục đực di truyền nhân mẫn cảm với nhiệt độ mới và sản xuất hạt lai F 1 tổ hợp lúa lai hai dòng mới. - Toàn bộ quá trình lai tạo, chọn lọc và đánh giá các dòng TGMS mới, tuyển chọn tổ hợp lai, hoàn thiện qui trình sản xuất đƣợc thực hiện tại Viện Nghiên cứu và Phát triển cây trồng - Học Viện Nông nghiệp Việt Nam. - Khảo nghiệm giá trị canh tác và sử dụng (VCU) theo Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia QCVN01-55:2011/BNNPTNT của Bộ Nông nghiệp & PTNT do Trung tâm Khảo kiểm nghiệm giống, sản phẩm cây trồng Quốc gia thực hiện trong vụ Xuân 2013, Mùa 2013 và Xuân 2014 tại các điểm khảo nghiệm: Hòa Bình, Yên Bái, Hƣng Yên, Hải Dƣơng, Thanh Hóa, Nghệ An.
- Khảo nghiệm sản xuất giống lúa lai hai dòng mới thực hiện ở hai tỉnh vùng Đồng bằng sông Hồng là Nam Định và Bắc Ninh. - Thời gian nghiên cứu của đề tài từ năm 2011 đến năm 2014. Những đóng góp mới của đề tài luận án - Lai tạo và chọn lọc thành công dòng bất dục đực di truyền nhân mẫn cảm với nhiệt độ E15S-2, có nhiều đặc điểm nông sinh học tốt, khả năng kết hợp cao, phù hợp cho chọn tạo giống lúa lai hai dòng chất lƣợng cao, có mùi thơm. - Xác định đƣợc hai dòng bất dục đực di truyền nhân mẫn cảm với nhiệt độ E15S-2, E15S-3; ba dòng cho phấn R2, TBR45, R20 sử dụng cho chƣơng trình chọn giống lúa lai hai dòng năng suất, chất lƣợng cao và gạo có mùi thơm.
- Chọn tạo đƣợc giống lúa lai hai dòng mới HQ19 có thời gian sinh trƣởng ngắn, năng suất cao, nhiễm nhẹ sâu bệnh, chất lƣợng cao và có mùi thơm để phục vụ sản xuất. 6 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU VÀ CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI 1. Tình hình nghiên cứu và phát triển lúa lai trong và ngoài nước 1. Nghiên cứu và phát triển lúa lai trên thế giới Trong nhiều công bố, các nhà khoa học cho rằng ƣu thế lai và sức sống ƣu thế lai ở lúa là hiện tƣợng con cái vƣợt hơn bố mẹ của chúng về năng suất, kích thƣớc bông, số hạt trên bông, số nhánh hữu hiệu và khả năng chống chịu.
Hiện tƣợng này là sứa mạnh thúc đẩy tiến hóa ở thực vật cũng nhƣ khai thác ở cây trồng. Thực sự khai thác ƣu thế lai là thành tựu vĩ đại nhất của các nhà khoa học di truyền và chọn giống cây trồng. Ƣu thế lai trên lúa đƣợc Jones báo cáo đầu tiên năm 1926 khi quan sát con lai F 1 thấy năng suất cao hơn bố mẹ của chúng. Giữa những năm 1962 và 1967 một số gợi ý khai thác ƣu thế lai thƣơng mại ở lúa đã trở thành mục tiêu chính của các chƣơng trình chọn giống ở nhiều quốc gia.
Các nhà khoa học Trung Quốc thành công đầu tiên trong việc sử dụng bất dục đực di truyền tế bào chất (Cytoplasmic Male Sterile-CMS) phát triển giống lúa lai hệ ba dòng (Ali Sattari et al. a) Nghiên cứu chọn tạo lúa lai ba dòng Yuan L. (1987) cho rằng cuối thế kỷ XX có hai đột phá lớn trong chọn tạo giống lúa, thứ nhất chọn tạo thành công giống lúa thấp cây, năng suất, chịu thâm canh cao ở những năm 1960 đã tăng năng suất lúa lên 20% trên đơn vị diện tích. Thứ hai là chọn tạo thành công lúa lai ba dòng nhờ sử dụng dòng CMS vào những năm 1970 đã tăng năng suất lúa trung bình lên 20% so với lúa cải tiến (Xiaojin Wu, 2009).
7 Năm 1964, Yuan Long Ping và cộng sự đánh dấu sự bắt đầu nghiên cứu lúa lai ở Trung Quốc. Tại đảo Hải Nam họ đã phát hiện đƣợc cây lúa dại bất dục trong loài lúa dại Oryzae fatuaspontanea, sau đó họ đã chuyển đƣợc tính bất dục đực hoang dại này vào lúa trồng và tạo ra những vật liệu di truyền hoàn toàn mới giúp cho việc khai thác ƣu thế lai thƣơng phẩm. Năm 1973, quy trình sản xuất lúa lai ba dòng đƣợc bắt đầu thử nghiệm và lô hạt giống F1 đầu tiên đƣợc sản xuất ra với sự tham gia của 3 dòng là: dòng bất dục đực di truyền tế bào chất (Cytoplasmic Male Sterile-CMS), dòng duy trì bất dục (Maintainer-B), dòng phục hồi hữu dục (Restorer-R) (Hoàng Tuyết Minh, 2002). Bức màn ngăn cản con ngƣời khai thác ƣu thế lai ở lúa trong suốt 50 năm đã đƣợc gỡ bỏ.
Từ đây khởi đầu cho sự phát triển nhƣ vũ bão công nghệ lúa lai của Trung Quốc cũng nhƣ thế giới.