MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án Cây bông (Gossypium spp.) là loài cây lấy sợi đƣợc trồng rộng rãi ở hơn 80 nƣớc trên thế giới. Với những đặc điểm nổi trội so với sợi nhân tạo là thoáng khí, có khả năng thấm/ hút nƣớc cao, giữ ấm tốt, không gây kích ứng da, sợi bông đã trở thành nguyên liệu quan trọng nhất cho ngành công nghiệp dệt hiện đại. Hàng năm, tổng diện tích trồng bông trên thế giới vào khoảng 30- 35 triệu ha, tạo ra 120 triệu kiện bông xơ và đóng góp vào nền kinh tế thế giới khoảng 500 tỉ USD [23][110].
Cải tiến năng suất và nâng cao chất lƣợng xơ luôn là mục tiêu đầu tiên của các chƣơng trình chọn giống bông. Việc khắc phục khó khăn do cơ sở di truyền hẹp của nguồn gen bông trồng trọt và mối tƣơng quan di truyền nghịch giữa chất lƣợng xơ và năng suất cũng đƣợc các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu [39][73]. Mặc d cây bông đƣợc phát triển mạnh mẽ tại nhiều quốc gia trên thế giới, song ở Việt Nam, diện tích trồng bông lại giảm sút. Một trong những nguyên nhân dẫn đến thực trạng này là do các giống bông tại Việt Nam có năng suất chƣa cao, chất lƣợng xơ bông thấp, dẫn đến việc ngay tại những vùng sinh thái phù hợp nhất với cây bông nhƣ Ninh Thuận, ngƣời nông dân cũng thay thế diện tích trồng bông để canh tác những loại cây trồng khác mang lại giá trị kinh tế cao hơn nhƣ cây nho, các loại cây họ đậu.
Chính vì vậy, mặc dù dệt may là một trong những ngành xuất khẩu dẫn đầu của nƣớc ta, song nguồn nguyên liệu sợi bông cung cấp cho ngành dệt may hiện nay đang phụ thuộc hoàn toàn vào nhập khẩu, nguyên liệu nội địa chỉ đáp ứng đƣợc phần rất nhỏ (dƣới 2%) nhu cầu. Trong thời gian gần đây, Nhà nƣớc đã ra nhiều chính sách ƣu tiên thúc đẩy nghiên cứu, ứng dụng công nghệ sinh học trong cải tiến giống cây trồng. Tuy nhiên, so với những cây trồng chính khác, những nghiên cứu trên đối 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com tƣợng cây bông tại Việt Nam vẫn còn rất ít, điều này đã làm hạn chế việc ứng dụng rộng rãi những thành tựu khoa học tiên tiến trong cải tiến năng suất, chất lƣợng cây bông. Chính vì những thực tế nêu trên, việc nghiên cứu sử dụng chỉ thị phân tử SSR để xác định các QTL kiểm soát các tính trạng chất lƣợng xơ ở cây bông phục vụ công tác chọn tạo giống bông chất lƣợng xơ tốt trên nền các giống bông có năng suất cao sẽ mang lại hiệu quả ứng dụng tại Việt Nam.
Mục tiêu nghiên cứu 2. Mục tiêu chung: Xác định đƣợc các chỉ thị phân tử SSR liên kết gần với các QTL (Quantitative trait locus) chất lƣợng xơ và định hƣớng ứng dụng trong chọn giống bông chất lƣợng xơ tốt và năng suất cao ở Việt Nam. Mục tiêu cụ thể: - Xác định đƣợc đa dạng di truyền ở mức độ hình thái và phân tử của các nguồn gen bông tại Việt Nam. - Xây dựng đƣợc bản đồ liên kết di truyền các locus SSR của giống bông tứ bội ở Việt Nam.
- Xây dựng đƣợc bản đồ QTL kiểm soát chất lƣợng xơ và xác định các chỉ thị SSR liên kết, trên cơ sở đó định hƣớng chọn những dòng bông tứ bội, chất lƣợng xơ tốt, năng suất cao cho Việt Nam. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Ý nghĩa khoa học: Luận án đã xác định đƣợc 14 QTL liên quan đến các chỉ tiêu độ đều xơ, độ bền xơ, chiều dài xơ, tỷ lệ xơ, độ giãn xơ và chỉ số xơ ngắn. Các QTL và các chỉ thị SSR liên kết với các QTL có thể sử dụng cho công tác chọn giống bông chất lƣợng xơ tốt nhờ trợ giúp của chỉ thị phân tử. Đây chính là nguồn tài liệu tham khảo bổ ích cho những nghiên cứu tƣơng tự trên cây bông.
Ý nghĩa thực tiễn: 12 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - Những QTL chất lƣợng xơ và các chỉ thị phân tử liên kết là nguồn vật liệu cho ứng dụng chỉ thị phân tử trong chọn tạo giống bông chất lƣợng xơ tốt tại Việt Nam. - Kết quả nghiên cứu của luận án đã đóng góp nguồn vật liệu cho việc phát triển các dòng/ giống bông thuần và bông lai phục vụ ngành bông trong nƣớc. Những đóng góp mới của luận án - Luận án đã xây dựng đƣợc bản đồ liên kết di truyền các locus SSR của cây bông tứ bội gồm 26 nhóm liên kết của cây bông tứ bội hệ gen AD. - Đây là công trình đầu tiên ở Việt Nam xác định đƣợc vị trí các QTL chất lƣợng xơ và các chỉ thị SSR liên kết nhằm ứng dụng trong chọn tạo giống bông chất lƣợng xơ tốt nhờ sự trợ giúp của chỉ thị phân tử.
Phạm vi giới hạn của luận án - Các thí nghiệm của luận án đƣợc tiến hành từ năm 2010 đến năm 2014 tại phòng thí nghiệm, hệ thống nhà lƣới, nhà kính, ruộng thí nghiệm của Viện Di truyền Nông nghiệp, Hà Nội và Viện Nghiên cứu Bông và PTNN Nha Hố, Ninh Thuận. - Với điều kiện thời gian có giới hạn dành cho nghiên cứu sinh, bản đồ liên kết di truyền và bản đồ QTL qui định các tính trạng chất lƣợng xơ bông đƣợc xây dựng trên quần thể F2 và các chỉ thị SSR liên kết chặt với các QTL chất lƣợng xơ đƣợc sử dụng khảo sát thế hệ BC4F2 nhằm phát hiện những cá thể mang QTL chất lƣợng xơ tƣơng ứng phục vụ chọn giống bông chất lƣợng xơ tốt trên nền giống năng suất cao. 13 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.
PHÂN LOẠI HỌC VÀ QUÁ TRÌNH TIẾN HÓA CỦA CHI BÔNG GOSSYPIUM 1. Phân loại học cây bông Chi bông (Gossypium) bao gồm khoảng 50 loài phân bố ở những khu vực khô cằn đến bán khô cằn thuộc vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới. Trong số đó có 4 loài đƣợc thuần hóa để lấy sợi, hai loài từ lục địa Á- Phi và hai loài từ Châu Mỹ. Các loài bông Gossypium có nhiều hình thái khác nhau và rất đa dạng trong cách thức sinh sản và các đặc điểm thực vật học.
Nghiên cứu về hệ thống phân loại học của bông đƣợc Linnaeus (1953) mô tả đầu tiên với tên Gossypium [45]. Theo cơ sở dữ liệu ITIS [Integrated Taxonomic Information System], cây bông đƣợc phân loại nhƣ sau: Giới thực vật – Plantae; Ngành hạt kín – Magnoliophyta; Lớp hai lá mầm – Magnoliopsida; Bộ bông – Malvales; Họ bông – Malvaceae; Chi bông – Gossypium [114] Trong số 50 loài đƣợc nhận dạng trong chi hai lá mầm Gossypium của họ bông Malvaceae có khoảng 45 loài lƣỡng bội, 5 loài còn lại là dạng dị tứ bội (hay còn gọi là đa bội khác loài- allopolyploid) [25]. Các loài lƣỡng bội với 2n= 26 NST thuộc 8 nhóm hệ gen ký hiệu từ A- G và K. Các loài tứ bội với 2n= 4X= 52 NST thuộc nhóm hệ gen AD [93].
Trong số những loài bông đƣợc thuần hóa có bốn loài bông trồng trọt phổ biến là: hai loài bông Cỏ lƣỡng bội G. hệ gen AA; hai loài bông dị tứ bội G. (bông Hải đảo) hệ gen AADD. Các nghiên cứu về hệ thống phát sinh cho rằng dạng dị tứ bội AD sơ khai từ sự kiện đa bội hóa xảy ra ở thời điểm 1-2 triệu năm trƣớc có liên quan đến 5 loài dị tứ bội hiện nay.
Mối liên quan về hệ gen trong phân loại ở chi Gossypium đƣợc mô tả ở Hình 1. 14 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tổ tiên dạng lƣỡng bội (6-11 triệu năm trƣớc) AA DD Cựu Thế giới X Tân Thế giới n=13 n=13 (các NST lớn) (các NST nhỏ) Đa bội hóa (1-2 triệu năm trƣớc) AADD Dạng tứ bội Tân Thế giới n=26 (13 NST lớn + 13 NST nhỏ) Hình 1. Tiến hóa và mối quan hệ phát sinh chủng loại trong chi Gossypium [93] 1. Quá trình tiến hóa chất xơ và những đặc tính chất lƣợng xơ chính của cây bông Quá trình thuần hoá cây bông đã dẫn đến những biến đổi rõ rệt về hình thái: giảm tầm vóc cây, mất tính nhạy cảm quang chu kỳ, mất trạng thái ngủ của hạt giống, đặc biệt là cải thiện đáng kể sự thích nghi, chiều dài và chất lƣợng sợi.
Hiện nay, các giống bông G. hirsutum chiếm hơn 90% bông trồng trên toàn thế giới đã lan rộng từ ngôi nhà tổ tiên của mình ở Trung Mỹ tới hơn 80 quốc gia trên cả hai bán cầu. Quá trình phát triển chất xơ của hầu hết các loài bông hoang dại đều tƣơng tự nhau, với độ giãn xơ chấm dứt vào khoảng 2 tuần sau khi nở quả. Kéo dài thời kỳ giãn xơ chính là sự kiện tiến hóa quan trọng xảy ra ở tổ tiên 15 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com chung của hai nhóm bông lƣỡng bội giúp hình thành bông có sợi dài.
Cây phát sinh chủng loại của hai loài bông thƣơng phẩm cho thấy thời kỳ giãn xơ đƣợc kéo dài thêm trong quá trình thuần hóa ở bông đa bội khác loài (Hình 1. Sự thay đổi về hình thái hạt trichome (chất xơ) ở chi Gossypium thể hiện sự khác biệt khá rõ giữa 50 loài hoang dại và trồng trọt.3 minh họa hình thái chất xơ ở giai đoạn trƣởng thành của các loài hoang dại và trồng trọt ở cả dạng lƣỡng bội và dạng đa bội khác loài. Trong giai đoạn đầu, sợi tƣơng tự nhau ở tất cả các loài, nhƣng sự thay đổi diễn ra trong suốt quá trình sơ cấp và thứ cấp đã dẫn đến hình thái sợi trƣởng thành khác nhau [92]. Cây phát sinh chủng loại của hai loài bông thƣơng phẩm G.
barbadense [92] 16 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Sự đa dạng giữa chất lƣợng xơ của các loài Gossypium trong quá trình chọn lọc tự nhiên và nhân tạo (Chú thích: Cult.: loài trồng trọt, Wild: loài hoang dại) [92] Các tính trạng quan trọng làm nên chất lƣợng sợi bông bao gồm chiều dài xơ, độ bền xơ, độ mịn xơ, độ đều xơ và độ giãn xơ. Di truyền của các tính trạng chất lƣợng xơ cây bông có thể đƣợc quy định bởi đơn gen với ảnh hƣởng rõ rệt của một gen riêng biệt và đa gen với ảnh hƣởng cộng gộp của các gen. Nhiều nghiên cứu đã chứng minh di truyền các tính trạng xơ bông đƣợc quy định chủ yếu bởi đa gen và đều chịu ảnh hƣởng bởi tƣơng tác cộng gộp gen với một số gen chiếm ƣu thế.
Các nghiên cứu cũng cho thấy mối liên quan giữa các tính trạng chất lƣợng xơ với nhau.