Luận án tiến sĩ: Cải tiến tính chịu ngập của giống lúa AS996 thông qua chỉ thị phân tử

Luận án tiến sĩ nghiên cứu cải tiến tính chịu ngập của giống lúa AS996 bằng chỉ thị phân tử, hướng đến nâng cao năng suất và khả năng thích ứng.

• Tác giả: Doãn Thị Hương Giang
• Người hướng dẫn: TS. Lê Huy Hàm
• Trường học: Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam
• Chuyên ngành: Di truyền và Chọn giống cây trồng
• Đề tài: Nghiên cứu cải tiến tính chịu ngập của giống lúa AS996 bằng chỉ thị phân tử
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ nông nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH
• MỞ ĐẦU
• 1. Tính cấp thiết của đề tài
• 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
• 2.1. Mục tiêu chung
• 2.2. Mục tiêu cụ thể
• 3. Những đóng góp mới của luận án
• 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
• 4.1. Ý nghĩa khoa học
• 4.2. Ý nghĩa thực tiễn
• 5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
• 5.1. Đối tượng nghiên cứu
• 5.2. Phạm vi nghiên cứu
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU VÀ CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI
• 1.1. ẢNH HƯỞNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ĐẾN SẢN XUẤT NÔNG NGHIỆP
• 1.1.1. Ảnh hưởng của BĐKH đến sản xuất nông nghiệp trên thế giới
• 1.1.2. Ảnh hưởng của BĐKH đến sản xuất nông nghiệp ở Việt Nam
• 1.1.3. Ảnh hưởng của ngập lụt đến sản xuất lúa gạo ở Việt Nam
• 1.2. NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ TÍNH CHỊU NGẬP CỦA CÂY LÚA
• 1.2.1. Một số đặc điểm hình thái, sinh lý, hóa sinh và giải phẫu liên quan đến tính chịu ngập của cây lúa
• 1.2.1.1. Đặc điểm về hình thái
• 1.2.1.2. Đặc điểm về sinh lý, sinh hóa
• 1.2.1.3. Đặc điểm về giải phẫu
• 1.2.2. Cơ chế di truyền ở các giai đoạn ngập
• 1.2.2.1. Ngập hoàn toàn (ngập lũ)
• 1.2.2.2. Ngập úng trung bình
• 1.2.2.3. Ngập úng sâu
• 1.2.2.4. Ngập xen kẽ
• 1.3. PHƯƠNG PHÁP CHỌN GIỐNG BẰNG CHỈ THỊ PHÂN TỬ KẾT HỢP LAI TRỞ LẠI (MABC) VÀ ỨNG DỤNG TRONG CHỌN GIỐNG CÂY TRỒNG
• 1.3.1. Chỉ thị phân tử (CTPT)
• 1.3.2. Phương pháp chọn giống MABC
• 1.3.3. Ứng dụng CTPT trong chọn tạo giống cây trồng trên thế giới
• 1.3.4. Ứng dụng CTPT trong chọn tạo giống cây trồng ở Việt Nam
• 1.4. NHỮNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CHỈ THỊ PHÂN TỬ TRONG CHỌN TẠO GIỐNG LÚA CHỊU NGẬP
• 1.4.1. Những nghiên cứu ứng dụng CTPT trong chọn tạo giống chịu ngập trên thế giới
• 1.4.2. Những nghiên cứu ứng dụng CTPT trong chọn tạo giống lúa chịu ngập ở Việt Nam
• 1.5. KẾT LUẬN RÚT RA TỪ PHẦN TỔNG QUAN
• 2. CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU
• 2.1.1. Vật liệu khởi đầu
• 2.1.2. Các vật liệu khác
• 2.2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• 2.3. THỜI GIAN, ĐỊA ĐIỂM NGHIÊN CỨU
• 2.4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.4.1. Đánh giá nguồn vật liệu khởi đầu phục vụ công tác cải tiến giống lúa chịu ngập
• 2.4.1.1. Đánh giá nguồn vật liệu
• 2.4.1.2. Đánh giá vật liệu bố mẹ trong chọn tạo giống lúa chịu ngập
• 2.4.1.3. Đánh giá xác định CTPT trên 12 nhiễm sắc thể cho đa hình giữa hai giống IR64-Sub1 và AS996 làm bố mẹ trong quần thể lai
• 2.4.2. Lai tạo và chọn lọc các cá thể con lai mang locut gen chịu ngập Sub1 và mang nền di truyền giống nhận gen AS996 bằng phương pháp chỉ thị phân tử và lai trở lại (MABC)
• 2.4.2.1. Phương pháp lai hữu tính, lai trở lại
• 2.4.2.2. Chọn lọc các cá thể con lai mang locut gen chịu ngập Sub1 và mang nền di truyền giống nhận gen AS996 bằng chỉ thị phân tử SSR
• 2.4.3. Đánh giá khả năng chịu ngập, đặc điểm nông sinh học và tiềm năng năng suất của một số dòng/giống lúa triển vọng trong các thế hệ chọn giống
• 2.4.3.1. Đánh giá khả năng chịu ngập của một số dòng/giống lúa trong thế hệ chọn giống BC3F3
• 2.4.3.2. Đánh giá một số đặc điểm nông sinh học và tiềm năng năng suất của một số dòng/giống lúa triển vọng từ thế hệ BC3F3 đến BC3F5
• 2.4.3.3. Đánh giá tính chịu ngập, so sánh các giống lúa trong điều kiện thường và điều kiện ngập
• 2.4.4. Khảo nghiệm sản xuất và khảo nghiệm tác giả của giống OM351 (AS996-Sub1)
• 2.4.4.1. Khảo nghiệm sản xuất trong hệ thống khảo kiểm nghiệm giống sản phẩm cây trồng quốc gia
• 2.4.4.2. Khảo nghiệm tác giả giống lúa OM351
• 2.4.5. Phương pháp phân tích số liệu
• 2.5. Tóm tắt quá trình chọn tạo giống lúa AS996 chịu ngập (OM351)
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. ĐÁNH GIÁ NGUỒN VẬT LIỆU, CHỌN GIỐNG LÀM BỐ MẸ VÀ XÁC ĐỊNH CHỈ THỊ PHÂN TỬ ĐA HÌNH TRÊN 12 NHIỄM SẮC THỂ
• 3.1.1. Đánh giá nguồn vật liệu, chọn giống làm bố mẹ trong lai tạo quần thể
• 3.1.1.1. Đánh giá nguồn vật liệu
• 3.1.1.2. Kết quả đánh giá vật liệu bố mẹ trong chọn tạo giống lúa mang QTL Sub1
• 3.1.2. Kết quả xác định CTPT trên 12 nhiễm sắc thể cho đa hình giữa hai giống IR64-Sub1 và AS996 làm bố mẹ trong quần thể lai
• 3.2. KẾT QUẢ PHÂN TÍCH KIỂU GEN, CHỌN LỌC CÁ THỂ MANG LOCUT GEN SUB1 CHỊU NGẬP VÀ MANG NỀN DI TRUYỀN GIỐNG AS996 Ở CÁC THẾ HỆ LAI TRỞ LẠI
• 3.2.1. Kết quả phân tích kiểu gen và chọn lọc cá thể mang locut gen chịu ngập Sub1 và nền di truyền giống AS996 trong thế hệ F1 và quần thể BC1F1
• 3.2.2. Kết quả chọn lọc cá thể mang locut gen Sub1 chịu ngập và nền di truyền giống AS996 trong quần thể BC2F1
• 3.2.3. Kết quả chọn lọc cá thể mang locut gen Sub1 chịu ngập và nền di truyền giống AS996 trong quần thể BC3F1
• 3.2.4. Kết quả chọn lọc cá thể mang locut gen Sub1 chịu ngập đồng hợp tử
• 3.3. KẾT QUẢ ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU NGẬP, ĐẶC ĐIỂM NÔNG SINH HỌC VÀ NĂNG SUẤT CỦA MỘT SỐ DÒNG/GIỐNG LÚA TRONG CÁC THẾ HỆ CHỌN GIỐNG
• 3.3.1. Kết quả đánh giá khả năng chịu ngập của một số dòng/giống lúa trong thế hệ chọn giống BC3F3
• 3.3.2. Đánh giá đặc điểm nông sinh học và tiềm năng năng suất của một số dòng/giống lúa trong các thế hệ chọn giống
• 3.3.3. Kết quả đánh giá tính chịu ngập và so sánh giống lúa AS996-Sub1 với giống AS996 trong điều kiện bình thường và điều kiện ngập nhân tạo
• 3.4. KẾT QUẢ KHẢO NGHIỆM SẢN XUẤT VÀ KHẢO NGHIỆM TÁC GIẢ CỦA GIỐNG OM351
• 3.4.1. Kết quả khảo nghiệm giống OM351 trong hệ thống khảo nghiệm quốc gia phía Nam
• 3.4.2. Kết quả khảo nghiệm giống OM351 của tác giả trong điều kiện sản xuất bình thường tại các tỉnh đồng bằng sông Cửu Long
• KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• Tài liệu tiếng Việt
• Tài liệu tiếng Anh
• PHỤ LỤC
• Phụ lục 1: Danh sách chỉ thị phân tử SSR được sử dụng trong nghiên cứu
• Phụ lục 2: Một số hình ảnh trong quá trình thực hiện đề tài
• Phụ lục 3: Kết quả xử lý số liệu

Tóm tắt

I. Nghiên cứu cải tiến tính chịu ngập giống lúa AS996

Nghiên cứu này tập trung vào việc cải tiến tính chịu ngập của giống lúa AS996 thông qua chỉ thị phân tử. Cây lúa là cây lương thực chủ lực tại Việt Nam, đặc biệt ở vùng Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL). Tuy nhiên, biến đổi khí hậu (BĐKH) đã gây ra hiện tượng ngập úng nghiêm trọng, ảnh hưởng đến năng suất và đặc tính nông học của lúa. Nghiên cứu khoa học này nhằm phát triển giống lúa có khả năng chịu ngập cao, đảm bảo an ninh lương thực và phát triển nông nghiệp bền vững.

1.1. Cơ sở khoa học của đề tài

Cơ chế di truyền liên quan đến tính chịu ngập của cây lúa đã được nghiên cứu rộng rãi. Locut gen Sub1 được xác định là QTL chính kiểm soát khả năng chịu ngập. Phương pháp chọn giống bằng chỉ thị phân tử kết hợp lai trở lại (MABC) đã được áp dụng để tích hợp gen chịu ngập vào giống lúa AS996. Công nghệ sinh học hiện đại đã hỗ trợ quá trình phân tích di truyền và chọn lọc các cá thể mang gen chịu ngập.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của nghiên cứu là cải thiện giống cây trồng thông qua việc tích hợp gen chịu ngập Sub1 vào giống lúa AS996. Nghiên cứu cũng hướng đến đánh giá đặc tính nông học và năng suất của giống lúa mới trong điều kiện ngập úng. Ứng dụng công nghệ trong chọn giống nhằm tạo ra giống lúa có khả năng chịu ngập cao, phù hợp với điều kiện nông nghiệp tại Việt Nam.

II. Phương pháp và kỹ thuật nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu bao gồm lai hữu tính, lai trở lại (MABC), và sử dụng chỉ thị phân tử SSR để chọn lọc các cá thể mang gen chịu ngập Sub1. Kỹ thuật di truyền được áp dụng để xác định đa hình giữa giống lúa AS996 và IR64-Sub1. Phân tích di truyền được thực hiện trên 12 nhiễm sắc thể để đảm bảo tính chính xác trong quá trình chọn giống.

2.1. Lai tạo và chọn lọc

Quá trình lai tạo giữa giống lúa AS996 và IR64-Sub1 được thực hiện để tạo ra các thế hệ con lai. Chỉ thị phân tử SSR được sử dụng để chọn lọc các cá thể mang gen chịu ngập Sub1 và nền di truyền của giống AS996. Phương pháp MABC giúp tăng hiệu quả trong việc tích hợp gen chịu ngập vào giống lúa mục tiêu.

2.2. Đánh giá khả năng chịu ngập

Các dòng lúa được đánh giá về khả năng chịu ngập trong điều kiện ngập úng nhân tạo. Đặc điểm nông sinh học và năng suất của các dòng lúa cũng được theo dõi qua các thế hệ. Khảo nghiệm sản xuất được thực hiện tại các tỉnh ĐBSCL để đánh giá hiệu quả thực tế của giống lúa mới.

III. Kết quả và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy giống lúa AS996-Sub1 có khả năng chịu ngập vượt trội so với giống AS996 gốc. Năng suất và đặc tính nông học của giống mới được cải thiện đáng kể trong điều kiện ngập úng. Khảo nghiệm sản xuất tại các tỉnh ĐBSCL cho thấy giống lúa mới có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nông nghiệp.

3.1. Đánh giá năng suất

Giống lúa AS996-Sub1 đạt năng suất cao hơn so với giống AS996 trong điều kiện ngập úng. Đặc điểm nông học như chiều cao cây, số bông, và khối lượng hạt cũng được cải thiện. Khảo nghiệm sản xuất tại các tỉnh ĐBSCL cho thấy giống lúa mới phù hợp với điều kiện canh tác tại đây.

3.2. Ứng dụng thực tiễn

Giống lúa AS996-Sub1 có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nông nghiệp, đặc biệt tại các vùng thường xuyên bị ngập úng. Nghiên cứu này góp phần phát triển nông nghiệp bền vững, đảm bảo an ninh lương thực và tăng thu nhập cho nông dân. Công nghệ sinh học và chỉ thị phân tử đã chứng minh hiệu quả trong việc cải thiện giống cây trồng.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Biến đổi khí hậu toàn cầu đang gây ra nhiều hiện tượng thời tiết cực đoan, trong đó sự gia tăng mực nước biển và lũ lụt là nguyên nhân chính dẫn đến ngập úng trên diện rộng tại các vùng trồng lúa trọng điểm của Việt Nam, đặc biệt là vùng Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL). ĐBSCL là vựa lúa lớn nhất cả nước, đóng góp hơn 50% diện tích và sản lượng lúa của Việt Nam. Giống lúa thuần AS996 là giống lúa ngắn ngày, năng suất cao, phẩm chất tốt, được Viện Lúa ĐBSCL chọn tạo và công nhận chính thức từ năm 2002, được gieo cấy phổ biến tại các tỉnh phía Nam. Tuy nhiên, giống lúa này có nhược điểm lớn là mẫn cảm với điều kiện ngập úng, khiến năng suất bị suy giảm nghiêm trọng khi xảy ra ngập lụt cục bộ hoặc ngập kéo dài.

Về mặt di truyền học, locus Sub1 nằm trên nhiễm sắc thể số 9 đã được chứng minh là QTL chính kiểm soát khả năng chống chịu ngập hoàn toàn ở cây lúa trong khoảng thời gian từ 10 đến 14 ngày. Dù phương pháp chọn giống nhờ chỉ thị phân tử kết hợp lai trở lại (MABC - Marker-Assisted Backcrossing) đã đạt được những bước tiến lý thuyết nhất định, việc chuyển nạp thành công QTL Sub1 vào các giống lúa thuần thương mại của Việt Nam để tạo ra sản phẩm hoàn chỉnh phục vụ sản xuất thực tế vẫn còn hạn chế. Do đó, luận án "Nghiên cứu cải tiến tính chịu ngập của giống lúa AS996 bằng chỉ thị phân tử" của nghiên cứu sinh Doãn Thị Hương Giang (chuyên ngành Di truyền và Chọn giống cây trồng, mã số: 96.111) đã được thực hiện nhằm giải quyết khoảng trống thực tiễn này.

Luận án xác định các mục tiêu nghiên cứu cụ thể như sau:

1. Mục tiêu chung: Cải tiến giống lúa AS996 sử dụng phương pháp chọn giống bằng chỉ thị phân tử kết hợp lai trở lại (MABC), để tạo giống lúa mới AS996-Sub1 có khả năng chịu ngập, thích ứng cho vùng ĐBSCL.
2. Mục tiêu cụ thể:
   • Chọn vật liệu khởi đầu và xác định các chỉ thị phân tử cho đa hình giữa hai giống bố mẹ để sử dụng trong các thế hệ chọn giống.
   • Cải tiến được giống lúa AS996 bằng phương pháp chọn giống nhờ chỉ thị phân tử kết hợp lai trở lại (MABC), để tạo giống lúa mới AS996-Sub1 có khả năng chịu ngập.
   • Đánh giá khả năng chịu ngập và so sánh, khảo nghiệm giống lúa chịu ngập AS996-Sub1 (OM351) tại một số tỉnh phía Nam.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Giống nhận gen AS996 (giống lúa thuần canh tác phổ biến tại các tỉnh phía Nam) và giống cho gen IR64-Sub1 (mang locus gen chịu ngập Sub1, được nhập nội từ Viện Nghiên cứu Lúa Quốc tế - IRRI).
• Phạm vi nghiên cứu: Tập trung vào công tác lai tạo, phân tích chỉ thị phân tử để xác định cá thể mang locus gen Sub1 và phục hồi nền di truyền giống AS996 qua các thế hệ lai trở lại; đánh giá khả năng chịu ngập nhân tạo, đặc điểm nông sinh học, tiềm năng năng suất và khảo nghiệm sản xuất tại một số tỉnh đại diện vùng ĐBSCL và Đông Nam Bộ.
• Thời gian nghiên cứu: Từ năm 2010 đến năm 2017.
• Địa điểm thực hiện: Viện Di truyền Nông nghiệp (Hà Nội), Viện Lúa Đồng bằng Sông Cửu Long (Cần Thơ) và các điểm khảo nghiệm tại các tỉnh phía Nam.

---

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Bối cảnh tác động của biến đổi khí hậu và ngập lụt đối với sản xuất lúa

Theo các báo cáo của Ủy ban Liên chính phủ về Biến đổi Khí hậu (IPCC, 2021) và Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên Hiệp Quốc (FAO, 2021), biến đổi khí hậu đang làm biến động sâu sắc nền nhiệt và loại hình mưa trên toàn cầu (Savo et al., 2016; DaMatta et al., 2010). Các dự báo cho thấy đến năm 2050 sẽ có hơn nửa dân số thế giới đối mặt với tình trạng thiếu nước (Boreti and Rosa, 2019), đồng thời khoảng 200 - 600 triệu người bị đe dọa bởi nạn đói do nước biển dâng và ngập lụt (Foulds et al., 2014; Hurlbert and Gupta, 2016; Rubaiyath and Jianhua, 2016). Hàng năm, lũ lụt làm mất hàng triệu tấn lúa, chiếm khoảng 25% sản lượng lúa gạo toàn cầu, gây thất thoát từ 10 - 11 tỷ USD mỗi năm tại châu Á giai đoạn 2008 - 2018 (FAO, 2021; Le, 2016; Hoang et al., 2018; Huong and Pathirana, 2013).

Tại Việt Nam, các kịch bản biến đổi khí hậu chỉ ra rằng nước biển có thể dâng thêm 22 cm vào năm 2050 và 73 cm vào năm 2100; khi nước biển dâng 1,0 m thì khoảng 40.000 km² đồng bằng ven biển sẽ bị ngập, làm mất 45% diện tích đất nông nghiệp ở ĐBSCL và 11% diện tích ở Đồng bằng sông Hồng (ĐBSH), ảnh hưởng trực tiếp đến hàng chục triệu người (Hens et al., 2018; Bộ Tài nguyên và Môi trường, 2016, 2020; Lê Thị Phụng và cs, 2017; Lê Anh Tuấn, 2020; Trần Thọ Đạt và cs, 2019). Tại ĐBSH, hiện tượng ngập lụt cục bộ và xâm nhập mặn diễn biến phức tạp trên các hệ thống sông Hồng và sông Thái Bình (Bac and Hien, 2009; Taylor and Wright, 2001; Nguyen Hoang et al., 2017; Nguyễn Phương Anh và cs, 2022; Nguyễn Văn Hoàng, 2017; Bộ NN&PTNT, 2015). Tại ĐBSCL, vùng chịu tổn thương lớn nhất, theo kịch bản nước biển dâng 100 cm vào năm 2100 sẽ có 1,8 triệu ha đất lúa bị ảnh hưởng (chiếm 91,8% diện tích lúa toàn vùng), gây thiệt hại tới 55,6% sản lượng lúa của vùng (Huong and Pathirana, 2013; Tran Thuc et al., 2016).

Cơ chế hình thái, sinh lý, giải phẫu và di truyền tính chịu ngập

Hiện tượng ngập nước đối với cây lúa được chia thành 4 dạng chính (Panda et al., 2021):

1. Ngập hoàn toàn (ngập lũ): Ngập chìm trong thời gian ngắn (10 - 14 ngày) do lũ quét hoặc nước dâng bất ngờ.
2. Ngập úng trung bình: Mực nước ngập sâu 20 - 50 cm, kéo dài vài tuần đến vài tháng (stagnant flood).
3. Ngập úng sâu: Mực nước ngập từ 50 - 400 cm, lúa thích nghi bằng cơ chế vươn lóng (deep water rice).
4. Ngập xen kẽ: Xảy ra ở vùng cửa biển có thủy triều lên xuống hàng ngày.

Khi bị ngập hoàn toàn, cây lúa đối diện với tình trạng yếm khí một phần (hypoxia) hoặc yếm khí toàn phần (anoxia), giảm tốc độ khuếch tán khí và ánh sáng (Ahmed et al., 2013; Voesenek and Bailey-Serres, 2013; Yang et al., 2017). Quá trình hô hấp chuyển sang lên men yếm khí, chỉ tạo được 2 ATP từ một phân tử glucose so với 36 ATP ở điều kiện hiếu khí, đồng thời tích lũy các chất gây độc như ethanol và lactic acid (Nishiuchi et al., 2012; Fukao and Xiong, 2013). Khả năng sống sót của cây phụ thuộc vào nguồn carbohydrate phi cấu trúc dự trữ trong thân (chiếm 30 - 50% ở các giống chịu ngập) và sự điều hòa của các hormone nội sinh như ethylene, gibberellic acid (GA), abscisic acid (ABA), brassinosteroid (Sarkar, 2006; Panda and Sarkar, 2014, 2017; Afrin et al., 2018; Huang et al., 2019; Du et al., 2014; Locke et al., 2018; Fukao et al., 2019). Về mặt giải phẫu, cây hình thành mô dẫn khí (aerenchyma theo cơ chế tiêu biến tế bào lysogenic hoặc tách tế bào schizogenic) và hàng rào ngăn mất oxy theo bán kính rễ (radial oxygen loss - ROL) để bảo vệ rễ trước điều kiện yếm khí và độc chất từ đất (Evans, 2003; Marschner, 1995; Colmer, 2003; Jia et al., 2021).

Về mặt di truyền, locus Sub1 được phát hiện từ giống lúa bản địa FR13A của Ấn Độ (Xu and Mackill, 1996; Septiningsih et al., 2013; Singh et al., 2017a). Locus này nằm trên nhiễm sắc thể số 9 trong khoảng di truyền 0,16 cM, giải thích tới 69% sự khác biệt kiểu hình chịu ngập (Xu et al., 2000; Perata, 2018; Dixit et al., 2017; Gonzaga et al., 2016). Vùng Sub1 chứa cụm 3 gen mã hóa yếu tố phiên mã đáp ứng ethylene: Sub1A, Sub1B, Sub1C (Septiningsih et al., 2009, 2012; Sharma et al., 2018). Trong đó, Sub1A-1 là gen quyết định tính chịu ngập hoàn toàn thông qua cơ chế ức chế phản ứng với GA bằng cách tích lũy protein DELLA (SLR1 và SLRL1), hạn chế tiêu hao năng lượng vào việc vươn dài thân lóng, giúp cây bảo tồn carbohydrate để phục hồi sinh trưởng sau khi nước rút (Fukao and Bailey-Serres, 2008; Schmitz et al., 2013; Alpuerto et al., 2022; Pucciariello and Perata, 2013; Okishio et al., 2015). Các chỉ thị phân tử liên kết chặt với Sub1 đã được phát triển gồm ART5 (chỉ thị indel) và SC3 (chỉ thị SSR) (Septiningsih et al., 2009; Iftekharuddaula et al., 2011).

Bên cạnh đó, các nghiên cứu khác cũng xác định các QTL chịu ngập ở giai đoạn nảy mầm kỵ khí như qAG1.2, qAG3.1, qAG7.2, qAG9.2, OsTPP, qSub8.1 (Barik et al., 2019; Mondal et al., 2020; Kretzschmar et al., 2015; Toledo et al., 2015; Liang et al., 2021) và các gen chịu ngập sâu SNORKEL1, SNORKEL2 (Loreti and Perata, 2020; Minami et al., 2018; Kuanar et al., 2017; Kato et al., 2020; Sarkar et al., 2017; Kuroha et al., 2017).

Ứng dụng chỉ thị phân tử và phương pháp MABC trong chọn tạo giống lúa

Phương pháp chọn giống bằng chỉ thị phân tử kết hợp lai trở lại (MABC) giúp chuyển nạp chính xác gen/QTL mục tiêu vào giống nhận gen thông qua chọn lọc dương (chọn gen đích), chọn lọc âm (loại bỏ đoạn liên kết không mong muốn) và chọn lọc nền di truyền (phục hồi tối đa hệ gen của giống nhận) (Neeraja et al., 2007; Wang et al., 2005; Hospital, 2003; Hasan et al., 2015; Collard and Mackill, 2008).

• Trên thế giới: MABC đã được áp dụng để chuyển gen chiều dài hạt OsPPKL1 (Zhang et al., 2012), các QTL số nhánh bông qSBN1, qPBN6 (Ando et al., 2008), các QTL chịu hạn từ CT9993 vào IR20 hoặc KDML105 (Suji et al., 2012; Dixit et al., 2017), gen rễ sâu DR01, DR02 vào IR64 (Uga et al., 2013), gen chịu thiếu lân Pup1 (Chin et al., 2011), và gen thơm với chỉ thị RG28 (Bradbury et al., 2005).
• Tại Việt Nam: Chỉ thị phân tử đã được ứng dụng trong chọn giống kháng bệnh bạc lá mang gen Xa4, xa5, Xa7, Xa21 (Nguyễn Văn Giang, 2015; Võ Thị Minh Tuyển và cs, 2015, 2019); kháng rầy nâu mang gen Bph3, BphZ, Bph10-1 (Lưu Thị Ngọc Huyền, 2003; Nguyễn Thị Lang, 2002); kháng bệnh đạo ôn mang gen Pi1, Pi5(t), Piz, Pik-m (Phạm Văn Dư và cs, 2014; Nguyễn Thị Thanh Nga; Lê Huy Hàm, 2015; Lã Tuấn Nghĩa và cs, 2011); cải tiến năng suất và mùi thơm với chỉ thị ADBH2 liên kết gen fgr (Nguyễn Thị Thúy Anh và cs, 2017; Dương Xuân Tú và cs, 2018); cải tiến tính chịu mặn mang QTL Saltol hoặc các locus liên kết với RM127, RM10825, RM8094, RM223, OSR1, RM315 (Lã Tuấn Nghĩa và cs; Bùi Chí Bửu và cs, 2000; Nguyễn Thị Lang và cs, 2001; Đồng Thị Kim Cúc và cs, 2013); và chọn tạo giống chịu hạn, chịu nóng (Nguyễn Thị Lang; Hoàng Bá Tiến; Bùi Chí Bửu và cs, 2015).

Khoảng trống nghiên cứu: Mặc dù MABC đã được ứng dụng trong nhiều nghiên cứu, việc chuyển nạp thành công QTL Sub1 vào giống lúa thuần chất lượng cao AS996 để tạo ra một giống lúa mới hoàn chỉnh, đạt các tiêu chuẩn khảo nghiệm quốc gia và phục vụ trực tiếp cho vùng ĐBSCL vẫn chưa được thực hiện đồng bộ. Đề tài luận án đã tập trung giải quyết trọn vẹn khoảng trống này.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và nguyên lý MABC

Luận án vận dụng lý thuyết di truyền học phân tử về locus Sub1 trên nhiễm sắc thể số 9 làm cơ sở cho tính chịu ngập hoàn toàn ở lúa. Quy trình chọn giống MABC được thiết kế gồm ba bước chọn lọc bằng chỉ thị ADN:

1. Chọn lọc dương (Foreground selection): Sử dụng các chỉ thị phân tử liên kết chặt với locus Sub1 để chọn lọc các cá thể mang alen chịu ngập mong muốn từ giống cho gen IR64-Sub1.
2. Chọn lọc tái tổ hợp (Recombinant selection): Sử dụng các chỉ thị nằm sát hai bên locus mục tiêu để loại bỏ hiện tượng kéo theo liên kết (linkage drag) từ nguồn gen cho.
3. Chọn lọc nền di truyền (Background selection): Sử dụng hệ thống chỉ thị phân tử SSR phân bố đồng đều trên 12 nhiễm sắc thể nhằm đánh giá tỷ lệ phục hồi hệ gen của giống nhận AS996 (Recurrent Parent Genotype - RPG).

Vật liệu và phương pháp bố trí thí nghiệm

• Vật liệu khởi đầu:
  • Giống nhận gen: AS996 (cây mẹ/bố hồi giao).
  • Giống cho gen: IR64-Sub1 (nguồn cung cấp locus Sub1).
  • Các nguồn vật liệu bổ trợ khác được đánh giá ở vụ Thu Đông 2010 tại Viện Lúa ĐBSCL.
• Quy trình lai tạo và các thế hệ chọn giống:
  • Thực hiện lai hữu tính giữa AS996 và IR64-Sub1 để thu hạt lai F1.
  • Lai trở lại liên tiếp cá thể F1 với AS996 để tạo quần thể BC1F1, BC2F1 và BC3F1.
  • Tự thụ phấn cá thể BC3F1 ưu tú nhất để tạo thế hệ BC3F2, sau đó chọn lọc cá thể đồng hợp tử về locus Sub1 để phát triển các dòng BC3F3, BC3F4 và BC3F5.
• Phương pháp sinh học phân tử:
  • Tách chiết ADN tổng số từ lá lúa theo phương pháp CTAB cải tiến.
  • Phản ứng chuỗi trùng hợp (PCR) với các cặp mồi chỉ thị SSR/indel.
  • Điện di sản phẩm PCR trên gel agarose hoặc polyacrylamide để xác định đa hình alen.
  • Phần mềm hỗ trợ: Sử dụng phần mềm GGT v.2 (Graphical Genotypes) để vẽ bản đồ kiểu gen và tính toán tỷ lệ phục hồi nền di truyền (% RPG) ở từng cá thể qua các thế hệ hồi giao.
• Phương pháp đánh giá kiểu hình:
  • Thanh lọc ngập nhân tạo: Đánh giá khả năng chịu ngập hoàn toàn trong 14 ngày ở giai đoạn mạ/sinh trưởng sinh dưỡng tại hệ thống bể thử nghiệm chuyên dụng; theo dõi tỷ lệ sống sót và tốc độ phục hồi sau khi rút nước, đánh giá theo thang điểm căn cứ trên chỉ số phục hồi CS%.
  • Đánh giá nông sinh học và năng suất: Theo dõi thời gian sinh trưởng, chiều cao cây, khả năng đẻ nhánh, các yếu tố cấu thành năng suất (số bông/khóm, số hạt chắc/bông, tỷ lệ lép, khối lượng 1000 hạt - KL1000, năng suất lý thuyết - NSLT, năng suất thực thu - NSTT).
  • Đánh giá phẩm chất hạt và sâu bệnh: Đánh giá chất lượng gạo và chất lượng cơm theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia 10 TCN 590-2004; theo dõi mức độ nhiễm rầy nâu, đạo ôn, bạc lá ngoài đồng ruộng.
  • Khảo nghiệm đồng ruộng: Thực hiện khảo nghiệm sản xuất trong hệ thống khảo kiểm nghiệm giống cây trồng quốc gia phía Nam và khảo nghiệm tác giả tại 6 tỉnh thuộc ĐBSCL và Đông Nam Bộ qua các vụ Hè Thu 2016, Đông Xuân 2016-2017 và Hè Thu 2017.
• Xử lý số liệu: Số liệu thực nghiệm được xử lý bằng các phương pháp thống kê sinh học, so sánh sai khác có ý nghĩa (LSD ở mức p < 0,05) và hệ số biến động (CV%).

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan tài liệu và cơ sở khoa học của đề tài

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận và các nghiên cứu khoa học liên quan đến đề tài:

• Trình bày tổng quan về biến đổi khí hậu toàn cầu, các kịch bản nước biển dâng và tác động nghiêm trọng của ngập lụt đến sản xuất nông nghiệp thế giới và Việt Nam (đặc biệt là hai vùng trọng điểm ĐBSH và ĐBSCL).
• Phân tích cơ chế chống chịu ngập của cây lúa ở các mức độ: hình thái (rễ phụ, sinh khối rễ/chồi), sinh lý - sinh hóa (hô hấp yếm khí, tiêu hao năng lượng ATP, tích lũy carbohydrate, hoạt tính peroxidase, điều hòa phytohormone ethylene - GA - ABA), và giải phẫu (sự hình thành tế bào mô dẫn khí aerenchyma và hàng rào cản mất oxy ROL).
• Phân tích cơ chế di truyền của 4 loại hình ngập, tập trung vào locus Sub1 trên nhiễm sắc thể số 9 với cụm gen Sub1A, Sub1B, Sub1C, trong đó gen Sub1A-1 giữ vai trò điều hòa ức chế kéo dài lóng thông qua protein kìm hãm DELLA (SLR1).
• Tổng kết nguyên lý của phương pháp chọn giống MABC (sơ đồ chọn lọc dương, chọn lọc âm, chọn lọc nền di truyền) và điểm lại các thành tựu ứng dụng chỉ thị phân tử trong chọn tạo giống lúa trên thế giới và tại Việt Nam đối với các tính trạng năng suất, chất lượng, kháng sâu bệnh và chống chịu bất lợi phi sinh học.

Chương 2: Vật liệu, nội dung và phương pháp nghiên cứu

Chương 2 mô tả chi tiết quy trình thực nghiệm và các công cụ nghiên cứu:

• Danh mục và đặc tính các giống lúa khởi đầu (AS996 và IR64-Sub1).
• Thiết kế sơ đồ các bước chọn tạo giống lúa chịu ngập bằng MABC từ lai F1 đến thế hệ BC3F5.
• Quy trình phân tích chỉ thị phân tử SSR/indel, thành phần phản ứng PCR và điều kiện chạy điện di.
• Thiết lập hệ thống 71 chỉ thị phân tử đa hình trên 12 nhiễm sắc thể, trong đó 2 chỉ thị ART5 và SC3 được sử dụng làm chỉ thị liên kết chặt với locus Sub1 trên nhiễm sắc thể số 9.
• Phương pháp xác định nền di truyền bố mẹ nhận gen bằng phần mềm GGT v.2.
• Phương pháp bố trí thí nghiệm ngập chìm nhân tạo 14 ngày và phương pháp theo dõi các chỉ tiêu nông sinh học, năng suất, phẩm chất gạo theo tiêu chuẩn 10 TCN 590-2004.
• Phương pháp khảo nghiệm tác giả và khảo nghiệm mạng lưới quốc gia tại các vùng sinh thái phía Nam.

Chương 3: Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm đạt được của luận án, chia thành 4 nội dung chính:

1. Đánh giá nguồn vật liệu và xác định chỉ thị phân tử đa hình

• Đánh giá đặc tính nông học, hình thái, năng suất, chất lượng cơm gạo và khả năng chịu ngập của các giống vật liệu khởi đầu trong các vụ Thu Đông 2010 và Đông Xuân 2010-2011 tại Viện Lúa ĐBSCL. Kết quả khẳng định giống AS996 có năng suất và phẩm chất cao nhưng mẫn cảm với ngập, trong khi giống IR64-Sub1 mang tính chịu ngập hoàn toàn.
• Khảo sát hệ thống chỉ thị phân tử trên toàn bộ 12 nhiễm sắc thể (NST) giữa hai giống AS996 và IR64-Sub1. Kết quả đã xác định được 71 chỉ thị phân tử đa hình, phân bố trên 12 NST (Bảng 3.7 đến Bảng 3.19 trong luận án). Trong đó:
  • 2 chỉ thị gồm ART5 (chỉ thị indel) và SC3 (chỉ thị SSR) nằm trong vùng liên kết chặt với locus gen Sub1 trên NST số 9 được lựa chọn cho chọn lọc gen đích (chọn lọc dương).
  • 69 chỉ thị SSR đa hình còn lại được phân bố đều trên 12 NST được sử dụng để sàng lọc, đánh giá mức độ phục hồi nền di truyền của giống nhận gen AS996 (chọn lọc nền).

2. Phân tích kiểu gen và chọn lọc cá thể qua các thế hệ lai trở lại (MABC)

• Thế hệ F1 và BC1F1: Sàng lọc các cá thể lai F1 bằng 2 chỉ thị ART5 và SC3 để xác định đúng con lai dị hợp tử mang locus Sub1. Ở thế hệ BC1F1, phân tích kiểu gen của 56 cá thể; phần mềm GGT v.2 xác định được cá thể BC1F1 số 16 mang locus gen dị hợp tử Sub1 và có tỷ lệ phục hồi nền di truyền của giống nhận AS996 cao nhất trong quần thể.
• Thế hệ BC2F1: Phân tích kiểu gen của 62 cá thể trong quần thể BC2F1 bằng chỉ thị mục tiêu và 69 chỉ thị nền; kết quả đã chọn lọc được cá thể BC2F1 số 5 mang gen Sub1 với tỷ lệ nền di truyền AS996 vượt trội.
• Thế hệ BC3F1: Phân tích kiểu gen của 58 cá thể trong quần thể BC3F1; phần mềm GGT v.2 đã xác định được cá thể BC3F1 số 56 có tỷ lệ nền di truyền giống nhận AS996 cao nhất.
• Thế hệ BC3F2 và BC3F3: Tự thụ phấn cá thể BC3F1 số 56 để tạo quần thể BC3F2. Phân tích bằng chỉ thị ART5 và SC3 đã chọn lọc được các cá thể mang locus gen Sub1 ở trạng thái đồng hợp tử. Các dòng BC3F3 được cố định kiểu gen và nhân dòng phục vụ đánh giá kiểu hình.

3. Đánh giá khả năng chịu ngập, đặc điểm nông sinh học và năng suất các dòng chọn tạo

• Khả năng chịu ngập: Đánh giá các dòng BC3F3 trong điều kiện ngập hoàn toàn nhân tạo trong 14 ngày. Kết quả cho thấy các dòng mang locus Sub1 đồng hợp tử duy trì tỷ lệ sống sót cao và phục hồi sinh trưởng nhanh chóng sau khi rút nước, trong khi giống đối chứng AS996 bị chết hoặc suy giảm sinh khối nghiêm trọng.
• Đặc điểm nông sinh học và năng suất: Đánh giá các dòng triển vọng từ thế hệ BC3F3 đến BC3F5 qua các vụ (Thu Đông 2013, Đông Xuân 2013-2014, Hè Thu 2014) và so sánh trong điều kiện canh tác bình thường lẫn điều kiện ngập nhân tạo. Dòng triển vọng AS996-Sub1 (được đặt tên là OM351) thể hiện thời gian sinh trưởng, chiều cao cây, số bông/khóm, độ dài bông và tỷ lệ lép tương đương giống gốc AS996 trong điều kiện bình thường, nhưng cho năng suất thực thu cao hơn và đặc biệt duy trì năng suất ổn định vượt trội khi bị ngập.

4. Kết quả khảo nghiệm sản xuất và khảo nghiệm tác giả của giống OM351

• Khảo nghiệm quốc gia: Kết quả khảo nghiệm giống lúa OM351 trong hệ thống khảo kiểm nghiệm giống cây trồng quốc gia phía Nam chứng minh giống có độ thuần đồng ruộng cao, khả năng chống chịu sâu bệnh tốt và tiềm năng năng suất cao.
• Khảo nghiệm tác giả tại ĐBSCL: Khảo nghiệm tại 6 tỉnh vùng ĐBSCL và Đông Nam Bộ qua các vụ Hè Thu 2016, Đông Xuân 2016-2017 và Hè Thu 2017 cho thấy:
  • Giống OM351 thích nghi tốt với các tiểu vùng sinh thái khác nhau.
  • Khả năng chống chịu rầy nâu và bệnh đạo ôn tương đương hoặc tốt hơn giống AS996.
  • Phẩm chất gạo và cơm của giống OM351 (đánh giá theo tiêu chuẩn 10 TCN 590-2004) đạt chất lượng cao, tương đương giống AS996, phù hợp cho tiêu dùng nội địa và xuất khẩu.

---

Kết quả và những đóng góp mới

Bảng tổng hợp các bước chọn giống và thông số di truyền chính

Dưới đây là bảng tổng hợp tiến trình ứng dụng chỉ thị phân tử và phương pháp MABC trong quá trình chọn tạo giống lúa AS996-Sub1 (OM351):

Thế hệ chọn giống	Quy mô quần thể phân tích (cá thể)	Chỉ thị chọn lọc gen đích (Sub1)	Số lượng chỉ thị chọn lọc nền di truyền	Cá thể ưu tú được lựa chọn	Đặc điểm di truyền / Kiểu hình đạt được
F1	Quần thể lai	ART5, SC3	-	Các cá thể F1 chuẩn	Dị hợp tử về locus Sub1, xác nhận đúng con lai thực thụ
BC1F1	56	ART5, SC3	69 SSR	Cá thể BC1F1 số 16	Mang locus Sub1, tỷ lệ phục hồi nền di truyền AS996 cao nhất quần thể
BC2F1	62	ART5, SC3	69 SSR	Cá thể BC2F1 số 5	Mang locus Sub1, gia tăng tỷ lệ hệ gen AS996
BC3F1	58	ART5, SC3	69 SSR	Cá thể BC3F1 số 56	Đạt mức độ phục hồi hệ gen AS996 cao nhất thế hệ hồi giao 3
BC3F2	Quần thể tự thụ	ART5, SC3	-	Các cá thể mang Sub1 đồng hợp	Chọn lọc thành công trạng thái đồng hợp tử locus Sub1
BC3F3 - BC3F5	Các dòng cố định	ART5, SC3	Đánh giá kiểu hình nông học	Dòng AS996-Sub1 (OM351)	Chịu ngập hoàn toàn 14 ngày; nông sinh học và chất lượng tương đương AS996

Những đóng góp mới của luận án

1. Đóng góp mới về mặt khoa học:
   • Phân tích đa hình di truyền giữa giống AS996 và IR64-Sub1 trên 12 nhiễm sắc thể, xác định được 71 chỉ thị phân tử đa hình (trong đó 69 chỉ thị SSR dùng để sàng lọc nền di truyền giống AS996 và 2 chỉ thị ART5, SC3 dùng cho chọn lọc locus gen mục tiêu Sub1).
   • Cung cấp các dẫn liệu khoa học và phương pháp luận hoàn chỉnh về việc quy tụ locus gen/QTL Sub1 vào nền di truyền giống lúa thuần Việt Nam bằng phương pháp MABC, kết hợp phân tích kiểu gen qua phần mềm GGT v.2 và đánh giá kiểu hình ngập nhân tạo.
2. Đóng góp mới về mặt thực tiễn:
   • Ứng dụng thành công phương pháp MABC để cải tiến và chọn tạo thành công giống lúa mới AS996-Sub1 (được đặt tên chính thức là OM351).
   • Giống OM351 giữ được đầy đủ các đặc tính nông sinh học quý, chất lượng gạo và khả năng chống chịu sâu bệnh tương đương giống gốc AS996, cho năng suất cao hơn AS996 trong điều kiện bình thường và đặc biệt có khả năng chịu ngập hoàn toàn trong 14 ngày ở giai đoạn sinh trưởng sinh dưỡng.
   • Bổ sung một giống lúa chịu ngập triển vọng vào cơ cấu bộ giống gieo cấy cho các vùng đất trũng, ngập úng định kỳ hoặc ngập lũ bất thường tại ĐBSCL và các tỉnh phía Nam.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Hạn chế:
  • Luận án tập trung chọn tạo trên một tổ hợp lai duy nhất (AS996/IR64-Sub1) nhằm giải quyết mục tiêu cải tiến cho giống AS996, chưa mở rộng quy tụ Sub1 đồng thời trên các giống lúa thuần chủ lực khác.
  • Phạm vi khảo nghiệm và đánh giá thực tế của giống mới OM351 trong khuôn khổ luận án được giới hạn tại các tỉnh phía Nam (ĐBSCL và Đông Nam Bộ) trong giai đoạn từ năm 2010 đến 2017.
• Hướng nghiên cứu tiếp:
  • Tiếp tục hoàn thiện các thủ tục khảo kiểm nghiệm diện rộng để công nhận lưu hành và phát triển giống OM351 vào sản xuất đại trà tại các vùng trũng thấp ở ĐBSCL.
  • Ứng dụng phương pháp MABC để tích hợp thêm các QTL/gen chống chịu các yếu tố bất lợi khác (như tính chịu mặn Saltol, gen kháng rầy nâu, gen kháng bệnh bạc lá) trên nền giống OM351 nhằm tạo ra các dòng/giống lúa mang đa tính trạng chống chịu.

---

Giá trị tham khảo

Luận án mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho nhiều nhóm đối tượng:

• Đối với nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Luận án là tài liệu tham khảo chi tiết về quy trình ứng dụng công nghệ sinh học phân tử kết hợp lai chọn giống truyền thống (MABC); quy trình thiết kế cặp mồi, chạy phản ứng PCR, sử dụng phần mềm GGT v.2 trong phân tích đồ họa hệ gen và quy trình đánh giá kiểu hình ngập nhân tạo.
• Đối với các nhà chọn giống cây trồng: Cung cấp danh mục 71 chỉ thị phân tử đa hình trên 12 nhiễm sắc thể của lúa, đặc biệt là bộ chỉ thị liên kết chặt với locus Sub1 (ART5, SC3), hỗ trợ rút ngắn thời gian chọn giống lúa chịu ngập.
• Đối với cơ quan quản lý nông nghiệp và khuyến nông các tỉnh phía Nam: Cung cấp nguồn giống lúa chịu ngập OM351 có năng suất và chất lượng cao, làm cơ sở khoa học để xây dựng cơ cấu mùa vụ và bố trí giống cây trồng thích ứng với biến đổi khí hậu tại vùng ĐBSCL.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Cặp bố mẹ nào được sử dụng trong tổ hợp lai của luận án và vai trò của từng giống là gì?
Luận án sử dụng giống lúa thuần AS996 làm giống nhận gen (bố mẹ tái sinh) và giống IR64-Sub1 (nhập nội từ Viện Nghiên cứu Lúa Quốc tế - IRRI) làm giống cho gen mang locus chịu ngập Sub1.

2. Luận án đã xác định bao nhiêu chỉ thị phân tử đa hình để phục vụ công tác chọn giống MABC?
Nghiên cứu đã xác định được 71 chỉ thị phân tử đa hình trên 12 nhiễm sắc thể. Trong đó, 2 chỉ thị gồm ART5 và SC3 nằm trên nhiễm sắc thể số 9 liên kết chặt với locus Sub1 dùng cho chọn lọc gen đích, và 69 chỉ thị SSR còn lại dùng để đánh giá phục hồi nền di truyền của giống nhận AS996.

3. Khả năng chống chịu ngập của giống lúa OM351 được ghi nhận ở mức độ nào?
Giống lúa mới OM351 (AS996-Sub1) có khả năng chống chịu ngập hoàn toàn trong thời gian 14 ngày ở giai đoạn sinh trưởng sinh dưỡng (giai đoạn cây non/mạ) và nhanh chóng phục hồi sinh trưởng sau khi rút nước.

4. Phần mềm tin sinh học nào được tác giả sử dụng để theo dõi tỷ lệ phục hồi nền di truyền qua các thế hệ?
Tác giả sử dụng phần mềm GGT v.2 (Graphical Genotypes) để phân tích đồ họa kiểu gen và tính toán tỷ lệ phục hồi nền di truyền (% RPG) của giống nhận AS996 ở các cá thể thuộc các thế hệ hồi giao BC1F1, BC2F1 và BC3F1.

5. Những cá thể ưu tú nào đã được chọn lọc ở từng thế hệ lai trở lại?
Ở thế hệ BC1F1 chọn cá thể số 16; ở thế hệ BC2F1 chọn cá thể số 5; và ở thế hệ BC3F1 chọn cá thể số 56. Đây là các cá thể vừa mang locus Sub1 vừa có tỷ lệ phục hồi nền di truyền của giống mẹ AS996 cao nhất trong từng quần thể.

---

Kết luận

Luận án đã ứng dụng thành công phương pháp chọn giống bằng chỉ thị phân tử kết hợp lai trở lại (MABC) để chuyển nạp locus gen chịu ngập Sub1 từ giống IR64-Sub1 vào giống lúa thuần chất lượng cao AS996. Qua quá trình hồi giao 3 thế hệ kết hợp sàng lọc bằng 71 chỉ thị phân tử đa hình và phần mềm GGT v.2, công trình đã chọn tạo thành công giống lúa mới OM351 (AS996-Sub1) mang locus Sub1 đồng hợp tử. Giống OM351 có khả năng chịu ngập hoàn toàn trong 14 ngày ở giai đoạn sinh dưỡng, đồng thời duy trì các đặc tính nông sinh học, năng suất và chất lượng hạt tương đương hoặc vượt trội giống AS996. Kết quả nghiên cứu đóng góp nguồn vật liệu giống có giá trị cao phục vụ sản xuất lúa thích ứng với biến đổi khí hậu tại vùng Đồng bằng sông Cửu Long và các tỉnh phía Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU VÀ CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI 1. ẢNH HƯỞNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ĐẾN SẢN XUẤT NÔNG NGHIỆP 1. Ảnh hưởng của BĐKH đến sản xuất nông nghiệp trên thế giới Biến đổi khí hậu (BĐKH) là sự biến động trạng thái trung bình của khí quyển toàn cầu hay khu vực theo thời gian từ vài thập kỷ đến hàng triệu năm. Những biến đổi này diễn ra do động lực của trái đất, bức xạ mặt trời, và gần đây có thêm hoạt động của con người (IPCC, 2021).

Các hoạt động của con người phần lớn là đốt nhiên liệu hóa thạch, nồng độ khí nhà kính trong khí quyển tạo ra cacbon, góp phần làm tăng khí CO2 và nhiệt độ môi trường đã tăng cao hơn bất cứ thời kỳ nào trong hai triệu năm qua (IPCC, 2021). Theo quan sát của Savo et al, (2016), nhiệt độ tăng và loại hình mưa thay đổi ở 2.230 địa phương trên 137 quốc gia khác nhau. Do vậy thuật ngữ BĐKH (hoặc còn được gọi là sự ấm lên toàn cầu - global warming) được coi là đồng nghĩa với BĐKH hiện đại (DaMatta et al, 2010). BĐKH ngày nay không còn là vấn đề của một quốc gia hay của một khu vực mà là vấn đề toàn cầu.

BĐKH tác động nghiêm trọng đến sản xuất, đời sống và môi trường trên phạm vi toàn thế giới. Nhiệt độ trái đất có thể tăng đạt ngưỡng 1,50C so với thời kỳ tiền công nghiệp vào giữa những năm 2030 (IPCC, 2021). Nhiệt độ tăng, mực nước biển dâng cao gây ngập lụt, gây nhiễm mặn nguồn nước, ảnh hưởng đến nông nghiệp, gây rủi ro lớn đối với công nghiệp và các hệ thống kinh tế - xã hội trong tương lai. Dự đoán, năm 2050 sẽ có hơn một nửa dân số thế giới bị thiếu nước sinh hoạt trong một vài năm, đặc biệt khi mà mức sống ở một số vùng như Trung Á, Nam Á, Đông Á, Đông Nam Á tăng lên thì tình trạng thiếu nước càng trở nên trầm trọng (Boreti and Rosa, 2019).

Dự kiến đến năm 2080, hàng triệu cư dân trái đất sẽ chịu ảnh hưởng bởi mực nước 5 biển dâng lên, nhất là vùng đảo nhỏ và các vùng châu thổ lớn ở Châu Á và Châu Phi, sẽ có khoảng 200 - 600 triệu người bị nạn đói đe dọa (Foulds et al, 2014; Hurlbert and Gupta, 2016). Hàng năm, sẽ có từ 2 - 7 triệu người sẽ là nạn nhân của tình trạng nước biển dâng và lụt lội (Rubaiyath and Jianhua, 2016). Những thách thức của BĐKH đối với sản xuất lúa gạo là vô cùng nghiêm trọng. Phần lớn lúa gạo mà thế giới sử dụng được trồng ở các vùng đất thấp hoặc vùng đồng bằng ở các quốc gia như Việt Nam, Bangladesh, Ấn Độ.

Những khu vực này có nguy cơ bị nước biển xâm nhập khi mực nước biển dâng cao, cho thấy sự cần thiết của các giống lúa có khả năng chịu đựng được cả tình trạng ngập nước lẫn độ mặn cao. Lâu nay, châu Á là nơi sản xuất và tiêu thụ gạo cao nhất trên thế giới. Ngoài ra, châu Á còn là nơi xuất khẩu gạo chủ yếu. Trong đó, Thái Lan là nước xuất khẩu gạo thứ hai toàn cầu sau Ấn Độ, lượng xuất khẩu hàng năm lên tới 9,3 triệu tấn cũng có thể giảm tới 50% sản lượng gạo do tình trạng thiếu nước và nước biển dâng (Hoang et al, 2018; Huong and Pathirana, 2013; Wassmann et al, 2004).

Mỗi năm, lũ lụt đã làm mất hàng triệu tấn lúa, chiếm khoảng 25% sản lượng lúa gạo gây thất thoát hàng tỷ đô la (USD). Xét tới những thiệt hại trực tiếp trong lĩnh vực nông nghiệp cũng như tính thời vụ của sản xuất lương thực của các nước khu vực này, các chuyên gia cho rằng, ngoài một số nước khu vực Đông Nam Á có thể phải đối mặt với việc khan hiếm gạo, lượng cung cầu gạo trên thị trường thế giới cũng sẽ bị thu hẹp ở mức độ nhất định, giá gạo chắc chắn sẽ tăng cao. Ủy ban Liên chính phủ về biến đổi khí hậu (IPCC) đưa ra cảnh báo là đến giữa thế kỷ này năng suất các loại ngũ cốc tại Châu Á sẽ giảm 30% (Hoang et al, 2018). Mỗi năm lũ lụt đã làm mất hàng triệu tấn lúa - chiếm khoảng 25% sản lượng lúa gạo, gây thất thoát hàng tỷ USD.

Trong đó, phổ biến nhất là ở châu Á, nơi sản xuất hơn 90% lúa gạo thế giới. Theo thống kê mới nhất của Tổ chức Nông lương thế giới (FAO) hàng loạt hoa màu bao gồm lúa gạo bị tàn phá mang tính hủy hoại, trong đó diện tích lúa bị mất trắng ở các nước như Thái Lan khoảng 12,5%, Philippines khoảng 6%, 6 Campuchia khoảng 12%, Lào khoảng 7,5% và Việt Nam khoảng 0,4 %. Ở châu Á, lũ lụt đã gây thiệt hại lớn, ước tính thiệt hại 10 - 11 tỷ USD mỗi năm trong giai đoạn 2008 - 2018 (FAO, 2021). Điều này dẫn tới giá gạo tăng không chỉ ở Việt Nam mà còn trên thế giới (Le, 2016).

Ở Châu Á, nếu nước biển dâng lên 1m, khoảng 25.000 km2 rừng đước sẽ bị ngập, 10.000 km2 đất canh tác và diện tích nuôi trồng thủy sản trở thành đầm lầy ngập mặn. Ở hạ lưu Ai Cập, 6 triệu người phải di dời và 4.500 km2 đất nông nghiệp bị ngập chìm trong nước. Ở Bangladesh, 18% diện tích đất nông nghiệp bị ngập ảnh hưởng đến 11% dân số. Theo ước tính của Viện Nghiên cứu Lúa Quốc tế (IRRI), mỗi năm nông dân Ấn Độ và Bangladesh bị thiệt hại tới 4 triệu tấn thóc do lũ lụt, do nhiều giống lúa chỉ chịu ngập trong vòng chưa đầy một tuần.

Còn ở Maldives hơn 80% diện tích đất thấp hơn mực nước biển và có thể bị ngập khi nước biển dâng cao. Theo kịch bản nước biển dâng trung bình ở vùng ven biển Việt Nam có khả năng cao hơn mực nước biển trung bình toàn cầu. Khu vực giữa Biển Đông có mực nước biển dâng cao hơn so với các khu vực khác. So với khu vực phía Bắc, các tỉnh ven biển phía Nam có mực nước biển dâng cao hơn.

Vào cuối thế kỷ 21, lượng mưa năm có thể tăng khoảng 7 - 8% ở Tây Bắc, Đông Bắc, Đồng bằng Bắc Bộ, Bắc Trung Bộ và từ 2 - 3% ở Nam Trung Bộ, Tây Nguyên, Nam Bộ so với trung bình thời kỳ 1980 - 1999. Lượng mưa thời kỳ từ tháng ba đến tháng năm sẽ giảm từ 4 - 7% ở Tây Bắc, Đông Bắc và đồng bằng Bắc Bộ, khoảng 10% ở Bắc Trung Bộ, lượng mưa vào giữa mùa khô ở các vùng khí hậu phía Nam có thể giảm tới 10 - 15% so với thời kỳ 1980 - 1999. Lượng mưa các tháng cao điểm của mùa mưa sẽ tăng từ 10 đến 15% ở cả bốn vùng khí hậu phía Bắc và Nam Trung Bộ, còn ở Tây Nguyên và Nam Bộ chỉ tăng trên dưới 1% (Lê Thị Phụng và cs, 2017). 7 Sự thay đổi mực nước biển trung bình toàn cầu vào năm 2300 tương đối a.

Thay đổi nhiệt độ bề mặt toàn cầu từ năm1850 - 1900 với năm1900 Sự thay đổi mực nước biển dâng cao hơn 15cm không thể bị loại trừ với lượng khí thải cao. Biển băng Bắc cực vào tháng 9 từ năm 1950 đến năm 2100 Thực tế không có băng c. Độ pH bề mặt đại dương toàn cầu Độ axit đại dương d. Mức thay đổi mực nước biển trung bình toàn cầu từ năm 1900 mực nước biển thấp, tác động cao bao gồm các quá trình mất ổn định của tảng băng, bên dưới mức SSP5- 8.5 Nguồn IPCC6 (2021) Hình 1 1.

Kịch bản BĐKH qua các giai đoạn (1950 - 2300) 8 1. Ảnh hưởng của BĐKH đến sản xuất nông nghiệp ở Việt Nam Theo đánh giá của Ủy ban Liên Chính phủ về BĐKH (IPCC), Việt Nam là một trong 5 nước bị ảnh hưởng nhiều nhất bởi BĐKH. Do chúng ta có bờ biển dài hơn 3.200 km, 28 tỉnh, thành phố giáp biển nên các khu vực này đối diện với nhiều rủi ro hơn khi nước biển dâng. Cụ thể là chịu ảnh hưởng nặng nề do mực nước biển dâng, kéo theo phần lớn đất màu mỡ nhất của Việt Nam sẽ bị ngập.

Theo đó, sản lượng lúa có thể giảm đáng kể do mực nước biển dâng cao và sự thay đổi lượng mưa làm thay đổi thủy học ở các vùng đồng bằng (Wassmann et al, 2004). Các dự báo gần đây khẳng định rằng, mực nước biển của nước ta có thể tăng thêm 22 cm vào năm 2050 và khoảng 73 cm vào năm 2100. Nếu kịch bản này xảy ra, rất nhiều vùng ven biển và vùng đất trũng sẽ bị chìm trong nước, thậm chí, có khu vực sẽ bị ngập sâu vĩnh viễn. Khoảng 10 % dân số Việt Nam sẽ bị ảnh hưởng trực tiếp khi nước biển dâng, diện tích bị ảnh hưởng vùng ĐBSCL là 38,9 % và Đồng Bằng Sông Hồng (ĐBSH) là 16,8 % (Hens et al, 2018).

BĐKH ngoài nước biển dâng gây ngập lụt thì hạn hán, xâm nhập mặn ngày càng gia tăng, đặc biệt ở các vùng ven biển. Việc nhiễm mặn cũng đe dọa đến nguồn nước sinh hoạt. Tình trạng nhiễm mặn hiện nay đang là vấn đề nghiêm trọng đối với vùng ĐBSCL và Cà Mau (Nguyen and Savenije, 2006). Nhiễm mặn đạt tối đa vào mùa khô khi nước rút và khi nước sông cạn.

Với kịch bản biến đổi khí hậu, mực nước biển tiếp tục dâng 50 cm vào năm 2070 ở phía Nam Việt Nam, khả năng nhiễm mặn ảnh hưởng đến năng suất cây trồng và cả các cây ăn quả, thậm chí là mất mùa hoàn toàn (IMHEN, 2011). Bản đồ độ mặn ở Cà Mau vào tháng 4 năm 2016 cho thấy mức độ nhiễm mặn nghiêm trọng (6 - 24‰) là kết quả của sự tích lũy từ hàng trăm năm (SIWRR, 2016) và dự báo đến năm 2050 toàn tỉnh Cà Mau sẽ bị nhiễm mặn ở mức rủi ro. Ở ĐBSH, tình trạng xâm nhập mặn cũng đã diễn ra từ khá lâu đối với vùng xa từ vùng cửa biển. Sông Trà Lý là ví dụ điển hình bị nhiễm mặn dưới điều kiện dòng chảy thấp với khoảng cách 33,7 km tính từ biển trở vào đất liền.

Tình hình càng xấu hơn khi 9 nước biển dâng và ảnh hưởng tới nguồn nước tưới tiêu và nước sinh hoạt ở khu vực ven biển (Nguyễn Văn Hoàng, 2017). Sự hiện hữu của BĐKH ở Việt Nam đã và đang trở nên rõ ràng hơn bao giờ hết: cụ thể, trong giai đoạn từ 2016 - 2035, nhiệt độ trung bình trên toàn cầu có khuynh hướng tăng từ 0,3 - 0,7 oC và nhiệt độ ở Việt Nam cũng tăng tương đương như vậy.