Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU VÀ CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI 1. CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI Giống là một nhóm cây trồng có đặc điểm kinh tế, sinh học và các tính trạng hình thái giống nhau, cho năng suất cao, chất lượng tốt ở các vùng sinh thái khác nhau và điều kiện kỹ thuật phù hợp [12]. Giống cây trồng là một tư liệu sản xuất đặc biệt, có vai trò hết sức quan trọng trong việc nâng cao năng suất và phẩm chất cây trồng. Một giống tốt cần thoả mãn một số yêu cầu: - Tính di truyền và biến dị nhất định.
- Sinh trưởng phát triển tốt trong điều kiện đất đai, khí hậu và điều kiện canh tác tại địa phương. - Cho năng suất lúa cao, ổn định qua các năm khác nhau trong giới hạn của biến động thời tiết. - Có tính chống chiu tốt với sâu bệnh hại và điều kiện ngoại cảnh bất thuận - Có chất lượng đáp ứng với yêu cầu sử dụng. Việc tạo ra tổ hợp lúa lai mới trước khi công nhận giống và đưa ra sản xuất đại trà, cần phải qua thử nghiệm, khảo nghiệm đánh giá khách quan, chính xác ở các vùng sinh thái khác nhau để xác định vùng thích nghi.
Nội dung đánh giá là tính khác biệt, độ đồng đều, độ ổn định, khả năng thích ứng, chống chịu điều kiện bất thuận hay là sâu bệnh hại, năng suất, chất lượng và hiệu quả của giống mới. Để đánh giá tính ưu việt của tổ hợp lúa lai (Sử dụng dòng bất dục đực làm mẹ) nhằm đáp ứng nhu cầu thực tiễn, người ta so sánh các tổ hợp mới được chọn tạo với giống chuẩn, tức là giống tốt hiện đang dùng phổ biến tại địa phương, sự biểu hiện UTL được xác định theo chỉ tiêu UTL chuẩn (Standard 17 Heterosis): “Biểu thị tính ưu việt của con lai trên tính trạng nghiên cứu so với giống thường dùng tốt nhất ở một vùng nhất định” [9]. Quá trình nghiên cứu và phát triển lúa lai ở Việt Nam trong những năm qua cho thấy: Lúa lai có tính ưu việt đặc biệt là cho năng suất cao, thời gian sinh trưởng ngắn, khả năng thích ứng rộng từ các tỉnh đồng bằng, trung du miền núi phía Bắc cho đến các tỉnh ven biển miền Trung và Tây Nguyên. Số tỉnh gieo cấy lúa lai ngày càng nhiều với tỷ lệ 63,5% số tỉnh trong cả nước, ở các vùng sinh thái khác nhau.
Hiện tại có 93,5% diện tích lúa lai được trồng ở các tỉnh phía Bắc, trong đó trung du miền núi phía Bắc 25,6%. Vùng có năng suất cao là miền núi phía Bắc và Bắc Trung bộ; vùng thích nghi là đồng bằng sông Hồng; vùng có triển vọng là Tây nguyên và nam Trung bộ [29]. Ngoài vai trò góp phần đảm bảo an ninh lương thực quốc gia, lúa lai làm tăng lợi tức của các nông hộ liên hệ, tạo thêm việc làm ở nông thôn qua khâu sản xuất hạt giống F1 và để dành đất đai cho hoạt động sản xuất khác có lợi ích cao hơn [8]. Thực tế đã chứng minh lúa lai không chỉ cho ưu thế lai ở trong vùng có điều kiện khí hậu đất đai thuận lợi, có công trình thuỷ lợi, tưới tiêu chủ động; mà trong điều kiện bất thuận như hạn úng, đất đai có vấn đề thì lúa lai vẫn cho năng suất cao hơn đáng kể.
Lúa lai có vai trò quan trọng đối với các tỉnh miền núi, diện tích cấy lúa ít, khó khăn về thuỷ lợi, vùng thiếu lương thực. Ở các vùng núi cao, lúa lai làm giảm bớt sức ép trồng lúa nương, hạn chế chặt phá rừng. Đồng bào H’ Mông ở huyện Trạm Tấu (Yên Bái) gieo cấy 1 ha lúa lai sẽ giảm bớt phá 1 ha rừng để làm nương [22]. Hiện nay, các cơ quan nghiên cứu như Trung tâm nghiên cứu và phát triển lúa, Trường Đại học Nông Nghiệp I Hà Nội…, đã chọn tạo ra các tổ hợp lúa lai mới đã được thử nghiệm đánh giá là có triển vọng.
Các tổ hợp này không chỉ có thời gian sinh trưởng ngắn, có tiềm năng năng suất cao mà còn góp phần nâng cao chất lượng cơm gạo, đây là một yếu tố cơ bản nhằm giải quyết hạn chế của các giống lúa lai được trồng trước đây. 18 Thái Nguyên là một tỉnh miền núi phía Bắc có điều kiện và tiềm năng phát triển lúa lai. Do đó, việc đánh giá khả năng thích ứng của các tổ hợp lúa lai mới có triển vọng được chọn tạo ra trong nước, để tìm ra tổ hợp tốt đáp ứng nhu cầu sản xuất của địa phương là cần thiết trong thời gian hiện nay và sắp tới. TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN LÚA LAI TRÊN THẾ GIỚI Ưu thế lai (heterosis) là một thuật ngữ để chỉ tính hơn hẳn của con lai F1 so với các bố mẹ chúng về các tính trạng hình thái, khả năng sinh trưởng, sức sống, sức sinh sản, khả năng chống chịu và thích nghi, năng suất và chất lượng hạt và các đặc tính khác [22].
Việc ứng dụng rộng rãi ưu thế lai vào sản xuất đã góp phần làm tăng năng suất nhiều loại giống cây trồng, đặc biệt là các cây lương thực và cây thực phẩm, làm tăng thu nhập và hiệu quả trong sản xuất nông nghiệp. Kể từ thập niên 20 của thế kỷ XX, lúa lai đã trở thành vấn đề thời sự được nhiều nhà khoa học quan tâm. Có nhiều phát minh khoa học và công trình nghiên cứu đã được ghi nhận. Đi đầu trong lĩnh vực này là J.
Jones (Nhà thực vật học người Mỹ), năm 1926 báo cáo về sự xuất hiện ưu thế lai trên những tính trạng số lượng và năng suất lúa. Tiếp sau đó có nhiều nghiên cứu xác nhận sự xuất hiện ưu thế lai về năng suất, các yếu tố cấu thành năng suất (Anonymous, 1977; Li, 1977; Lin và Yuan, 1980), về sự tích luỹ chất khô (Rao, 1965; Jenning, 1967; Kim, 1985), về sự phát triển bộ rễ (Anonymous, 1970), về cường độ quang hợp, diện tích lá (Lin và Yuan, 1980; Deng, 1980, M. Donal và cs, 1971) [22]. Vấn đề sản xuất hạt giống lai F1 để mở rộng sản xuất lúa lai thương phẩm được nhiều nhà khoa học nghiên cứu khá sớm như các nhà khoa học Ấn Độ (Kadam, 1937; Amand và Murti, 1968; Ricsharia, 1962; Swaminathan và cộng sự, 1972); các nhà khoa học Mỹ (Stansel và Craijmile, 1966; Cranahan và cộng sự, 1972); nhà khoa học Nhật bản như (Shijnyo và Omura, 1966); các nhà khoa học viện nghiên cứu lúa Quốc tế (Athwal và Virmani, 1972).
Tuy nhiên các 19 công trình nghiên cứu đều không thành công vì gặp khó khăn và chưa tìm ra phương pháp thích hợp sản xuất hạt lai F1 [22]. Dân số và an ninh lương thực là vấn đề nan giải trong nhiều năm, đặt ra cho nhà nước và các nhà khoa học Trung Quốc cần quan tâm đầu tư cho lĩnh vực nghiên cứu lúa lai. Qua nhiều năm nghiên cứu, Trung Quốc đã tìm ra phương pháp và cách sản xuất hạt lai thành công ở diện rộng. Năm 1964, Yuan Long Ping đã phát hiện ra nguồn gốc bất dục đực đột biến đầu tiên trên giống Indica chín muộn ở khu vực đồng lúa Dong - Jing -Xian [45].
Năm 1970 Libihu đã phát hiện ra cây lúa dại bất dục đực tự nhiên, cây lúa này có hạt phấn thui chột (Ký hiệu là WA - Wild Abortion), trên đảo Hải Nam. Đây là khám phá mang tính chất quyết định, là công cụ quan trọng để nghiên cứu và phát triển lúa lai [43]. bằng phương pháp lai trở lại (back cross) đã thành công trong việc chuyển gen bất dục đực kiểu hoang dại (WA) vào lúa trồng, tạo ra các dạng bất dục đực di truyền tế bào chất tương đối ổn định, mở đường cho công tác khai thác ưu thế lai thương phẩm sau này [63]. Năm 1974, Các nhà khoa học Trung Quốc đã cho ra đời những tổ hợp lai có ưu thế thế lai cao, đồng thời quy trình kỹ thuật sản xuất hạt lai “3 dòng” được hoàn thiện và đưa vào sản xuất năm 1975, đánh dấu một bước ngoặt to lớn trong lĩnh vực sản xuất nông nghiệp ở Trung Quốc nói riêng và trên toàn thế giới nói chung [15].
Những giống lúa ưu thế lai thuộc thế hệ đầu tiên lúa lai ba dòng có năng suất cao hơn 15 - 20% so với những giống lúa thuần cải thiện có cùng thời gian sinh trưởng [5]. Năm 1976, Trung Quốc đã sản xuất được một lượng lớn hạt lúa lai F1 và đưa vào sản xuất đại trà gieo cấy tới 133,3 ngàn ha. Do có ưu thế lai cao về năng suất, nên diện tích lúa lai đã không ngừng được mở rộng, đến năm 2001 diện tích gieo trồng 15,5 triệu ha, chiếm 50%, năng suất bình quân lúa lai đạt 6,9 20 tấn/ha cao hơn 1,5 tấn so với lúa thuần. Diện tích sản xuất hạt lai F1 là 0,14 triệu ha, năng suất trung bình là 2,5 tấn/ha, Yuan L., 2002 [22] Tính đến năm 2001, qua hơn 30 năm nghiên cứu, Trung Quốc đã tạo ra hơn 600 dòng CMS (A) và dòng duy trì (B) tương ứng, hơn 3000 dòng phục hồi để tạo ra nhiều tổ hợp lai trong đó có hơn 200 tổ hợp lai ba dòng được gieo trồng trong sản xuất.
Ngoài hệ thống lúa lai ba dòng vẫn đang giữ vai trò chủ lực trong sản xuất, tuy nhiên qua nhiều năm sản xuất bộc lộ một số hạn chế nhất định: Sản xuất hạt lai cồng kềnh và việc sử dụng nó chỉ giới hạn với những vật liệu giàu nguồn duy trì và phục hồi. Sử dụng bất dục đực di truyền tế bào chất liên tục sẽ gặp trở ngại về khả năng chống đỡ với các tác nhân sinh học do sự nghèo nàn về đa dạng di truyền [22]. Khoảng 85% dòng CMS sử dụng lai tạo hiện nay thuộc kiểu "WA" bất dục đực hoang dại [68]. Việc tìm ra dòng bất dục đực di truyền nhân mẫn cảm với môi trường (Environment - Sensitive Genic Male sterility - EGMS) gồm hai dạng: Bất dục đực di truyền nhân cảm ứng với quang chu kì (Photoperiodic Sensitive Genic Male sterility - PGMS) và bất dục đực di truyền nhân cảm ứng với nhiệt độ (Thermo Sensitive Genic Male Sterility - TGMS) vào năm 1973.
phát hiện thấy ở quần thể lúa Nong Ken 58S thuộc loài phụ Japonica [49]. Năm 1989, Yang và cộng sự [22] đã tạo ra dòng PGMS 5460PS từ giống lúa IR54. Qua nghiên cứu các nhà khoa học Trung Quốc kết luận dạng bất dục đực của lúa nêu trên là do gen lặn trong nhân điều khiển và ký hiệu là pms. Dạng bất dục đực di truyền nhân nhạy cảm với nhiệt độ (TGMS) được Maruyama K.
và cộng sự nghiên cứu và phát hiện ra ở dòng Anongs năm 1988 và quần thể Norin PC- 12 năm 1991 thông qua quá trình đột biến [48].