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 backcrossing- MABC) 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 Selection- MAS) 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”. 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. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của của đề tài 3. 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. 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. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 4.
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. 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. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.
Ứng dụng chỉ thị di truyền trong chọn tạo giống lúa 1. Khái niệm và phân loại chỉ thị di truyền 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]. 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.