Đặt vấn đề Lúa (Oryza sativa L.) là một trong những cây lương thực quan trọng nhất đối với hơn một nửa dân số thế giới. Do quá trình đô thị hóa nhanh chóng, diện tích đất để trồng lúa đang giảm nghiêm trọng, do đó, tăng năng suất lúa gạo trên một đơn vị diện tích đất là cách duy nhất để đáp ứng nhu cầu lương thực ngày càng tăng trên toàn cầu. Các chuyên gia dự báo rằng sẽ cần thêm khoảng 70% thực phẩm sơ cấp vào năm 2050. Năng suất lúa được xác định bởi bốn thành phần chính, bao gồm số bông trên một đơn vị diện tích, số hạt trên bông, tỷ lệ hạt chắc và trọng lượng hạt.
Về mặt lý thuyết, việc cải thiện năng suất hạt gạo có thể đạt được bằng cách tăng một thành phần năng suất đơn lẻ hoặc bất kỳ sự kết hợp nào của cả bốn. Cùng với sự phát triển của công nghệ giải trình tự thế hệ mới, bộ gen của hàng trăm giống lúa đã được giải trình tự hoàn toàn hoặc một phần, tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của chỉ thị phân tử và xác định các locus tính trạng số lượng (QTLs) (Chen và cs., 2014; Xu và cs. Trong những thập kỷ qua, nhiều QTL lúa năng suất cao đã được xác định (Miura và cs., 2011; Wing và cs., 2018; Xing và Zhang, 2010), chẳng hạn như GN1a (Ashikari và cs., 2005), GhD7 ( Xue và cs., 2008), SPIKE (Fujita và cs., 2013) và TGW6 (Ishimaru và cs. Gần đây, phương pháp phân tích liên kết trên toàn hệ gen (GWAS, Genome-Wide Association Study) ra đời đã trở thành một công cụ mạnh mẽ để nghiên cứu sự đa dạng của quần thể và phát hiện thêm nhiều loci quan trọng, đặc biệt là các loci liên kết với các tính trạng nông học phức tạp như tính trạng năng suất.
Nhóm «Cấu trúc bông lúa», Viện Di truyền nông nghiệp đã nghiên cứu GWAS các tính trạng 9 liên quan đến năng suất trên tập đoàn lúa địa phương Việt Nam và đã xác định được một QTL (Quantitative Trait Loci) mới đặt tên là QTL9 liên kết với cả 2 tính trạng số gié thứ cấp/bông và số hạt/bông (Ta và cs. Chức năng của QTL9 sau đó đã được khẳng định thông qua phân tích các quần thể lai tái tổ hợp từ cặp lai bố mẹ thuộc 2 haplotype đối lập về cấu trúc bông (bông nhỏ và bông to) (Khong và cs., 2021), các chỉ thị phân tử CAPS (Cleaved Amplified Polymorphic Sequences) cũng được phát triển để phân biệt các giống lúa mang QTL9 ở 2 haplotype tương phản (Pham và cs., 2020), từ đó mở ra cơ hội nghiên cứu ứng dụng QTL9 trong các chương trình chọn tạo giống lúa cao sản. Trong khuôn khổ đề tài nghiên cứu tiềm năng “Nghiên cứu khai thác QTL9 liên quan đến cấu trúc bông để cải thiện năng suất của một số giống lúa chất lượng” do Bộ Nông nghiệp và phát triển nông thôn tài trợ, nhóm nghiên cứu của Khổng Ngân Giang đã tiến hành lai thành công cặp lai BC3F1 (giữa các giống chất lượng thuộc haplotype 1 (cây mẹ) và các giống năng suất cao thuộc haplotype 2 (cây bố) và chọn lọc con lai bằng chỉ thị phân tử CAPS. Nhằm mục đích chọn lọc và đánh giá các dòng BC3F1 triển vọng để tiếp tục phát triển thành quần thể BC3F2 và hướng đến chọn tạo giống mới, chúng tôi tiến hành đề tài “Chọn lọc dòng BC3F1 triển vọng mang QTL9 liên quan đến cấu trúc bông lúa, năng suất cao, chất lượng tốt” 1.
Mục đích và yêu cầu 1. Mục đích Chọn được 1-2 dòng BC3F1 triển vọng mang QTL9 có năng suất cao hơn 10-15% so với cây mẹ, chất lượng gần tương đương với cây mẹ. Yêu cầu - Chọn lọc được 50 dòng BC3F1 mang QTL9 bằng chỉ thị phân tử CAPS - Chọn lọc được 3-5 dòng BC3F1 triển vọng có cấu trúc bông to hơn so với cây mẹ. 10 - Chọn lọc được 1-2 dòng BC3F1BC3F1 có năng suất cao hơn 10-15% so với cây mẹ, chất lượng gần tương đương với cây mẹ.
PHẦN 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2. Giới thiệu về cây lúa 2. Nguồn gốc của cây lúa Theo công bố của Chang và cs. sativa xuất hiện đầu tiên ở dãy Himalaya, Miến Điện, Lào, Việt Nam và Trung Quốc.
Từ các trung tâm trên lúa Indica phát tán đến lưu vực sông Hoàng Hà và sông Dương Tử rồi sang Nhật Bản, Triều Tiên và từ đó biến thành chủng Japonica. Lúa được hình thành ở Indonesia và là sản phẩm của quá trình chọn lọc từ Indica. Ở Việt Nam, theo kết quả khảo sát nguồn gen cây lúa những năm gần đây tìm thấy các loài lúa dại mọc nhiều ở vùng Tây Bắc, Nam Trung bộ, đồng bằng sông Cửu Long, Tây Nguyên là các loài O. Với điều kiện khí hậu nhiệt đới, Việt Nam cũng có thể là cái nôi hình thành cây lúa nước.
Từ lâu, cây lúa đã trở thành cây lương thực chủ yếu có ý nghĩa quan trọng trong nền kinh tế và xã hội của nước ta. Lúa trồng hiện nay có nguồn gốc từ lúa dại. Việc xác định trực tiếp tổ tiên của cây lúa trồng ở Châu Á (Oryza sativa) vẫn còn nhiều ý kiến khác nhau. Cấu trúc bông lúa, tính trạng quan trọng quyết định năng suất lúa Cấu trúc bông lúa là một trong những tính trạng hình thái quan trọng quyết định tiềm năng năng suất, được chọn lọc qua quá trình thuần hóa.
Bông lúa có cấu trúc dạng nhánh, bao gồm một trục chính, các gié sơ cấp mọc ra từ trục chính, sau đó là các gié bậc cao hơn (gié thứ cấp, gié tam cấp, gié tứ cấp) và cuối cùng là hoa mọc trực tiếp từ các gié, số lượng hoa quyết định số lượng hạt trên bông (Hình 1. Quá trình phân nhánh của bông lúa phụ thuộc vào hoạt động của các tế bào 11 mô phân sinh chồi nách trong suốt giai đoạn hình thành và phát triển sớm của bông. Cấu trúc bông lúa rất đa dạng, không chỉ trong cùng loài (giữa giống thuần chủng và giống hoang dại) mà còn giữa các loài khác nhau (lúa châu Á và lúa châu Phi). Cấu trúc bông lúa ở các loài thuần chủng thay đổi từ dạng nhỏ, chỉ có một vài gié sơ cấp và gié thứ cấp, mang ít hạt đến dạng bông to, phân nhánh nhiều và mang hạt hơn với loài tổ tiên (Hình 1.
Cấu trúc bông lúa (A) và sự thay đổi qua quá trình thuần hóa (B) (Yoshida và cs., 2011) Bông lúa là kết quả của quá trình hoạt động của mô phân sinh, chúng được hình thành và biệt hóa liên tục trong quá trình phát triển của cây. Sự hình thành bông lúa non được chia thành 2 giai đoạn: Giai đoạn sớm là sự hình thành và kéo dài của mô phân sinh trục (Hình 2.A), hình thành các mô phân sinh gié sơ cấp (Hình 2.B), kéo dài các mô phân sinh gié sơ cấp, hình thành các mô phân sinh gié cấp cao hơn (Hình 2. Giai đoạn muộn là sự hình thành mô phân sinh hoa (Hình 2.D), sự biệt hóa tạo thành các bộ phận của hoa và sự phát triển của chúng cũng được quan sát ở giai đoạn này (Hình 2. Các giai đoạn hình thành bông lúa non quan sát dƣới kình hiển vi (Ta và cs., 2017) A: Giai đoạn phát sinh mô phân sinh trục bông, B: Hình thành và kéo dài mô phân sinh gié sơ cấp, C: Kéo dài gié sơ cấp và hình thành gié thứ cấp, D: Hình thành hoa, E: Sự biệt hóa các cơ quan sinh sản của hoa.
RM: mô phân sinh trục, PBm: mô phân sinh gié sơ cấp, AM: mô phân sinh gié thứ cấp, PB: gié sơ cấp, Sp: spinkelet (cụm hoa), Fl: hoa. Yếu tố cấu thành năng suất của cây lúa Năng suất lúa là 1 tính trạng số lượng phức tạp được tạo thành bởi các yếu tố: số bông/đơn vị diện tích, số hạt/bông, tỷ lệ hạt chắc/bông và khối lượng 1000 hạt. Số bông trên một đơn vị diện tích: hình thành bởi 3 yếu tố: số nhánh hữu hiệu, điều kiện ngoại cảnh và biện pháp kỹ thuật (mật độ cấy, tưới nước, bón phân. Theo Nguyễn Hữu Tề và cs.
(1997), để khai thác số nhánh đẻ tối đa, tăng số bông trên đơn vị diện tích cần có biện pháp kỹ thuật tốt tác động vào giai đoạn đẻ nhánh và sinh trưởng thân lá. Các giống lúa thấp cây, lá đứng khỏe, chịu đạm có thể cấy dày để tăng số bông trên đơn vị diện tích. Số bông có thể đóng góp 74% năng suất, trong khi đó số hạt và khối lượng hạt đóng góp 26%. Các giống lúa mới thấp cây, lá đứng, đẻ khỏe, chịu đạm có thể gieo cấy dày để tăng số bông trên đơn 13 vị diện tích.
Trên ruộng lúa cấy, số bông/m2 phụ thuộc nhiều vào năng lực đẻ nhánh, chỉ tiêu này xác định chủ yếu vào khoảng 10 ngày sau khi đẻ nhánh tối đa. Ở ruộng lúa gieo thẳng số bông/m2 phụ thuộc nhiều vào lượng hạt gieo và tỷ lệ mọc mầm. Số hạt trên bông: Số hạt trên bông nhiều hay ít tuỳ thuộc vào số gié, số hoa phân hoá, số hoa thoái hoá. Toàn bộ quá trình này nằm trong thời kỳ sinh trưởng sinh thực (từ làm đòng đến trỗ).
Điều kiện nhiệt độ và cường độ ánh sáng quá thấp ở giai đoạn này sẽ làm tăng số hạt lép và làm giảm năng suất hạt. Tổng số hạt trên bông do tổng số hoa phân hoá và số hoa thoái hoá quyết định. Số hoa phân hoá càng nhiều, số hoa thoái hoá càng ít thì tổng số hạt trên bông sẽ nhiều. Tỷ lệ hoa phân hoá có liên quan chặt chẽ với chế độ chăm sóc.
Số gié cấp 1, đặc biệt là số gié cấp 2 nhiều thì số hoa trên bông cũng nhiều. Số hoa trên bông nhiều là điều kiện cần thiết để đảm bảo cho tổng số hạt trên bông lớn. Tỷ lệ hạt chắc trên bông: Được quyết định ở thời kỳ sau trỗ, nếu gặp điều kiện bất thuận ở thời kỳ này tỷ lệ hạt lép sẽ rất cao. Tỷ lệ hạt chắc có ảnh hưởng đến năng suất lúa rõ rệt, ngoài ra tỷ lệ hạt chắc còn phụ thuộc vào lượng tinh bột được tích luỹ trên cây và đặc điểm giải phẫu của cây.
Theo Nguyễn văn Hoan (2006), trước khi trỗ bông, nếu cây lúa sinh trưởng tốt, quang hợp thuận lợi thì hàm lượng tinh bột được tích luỹ và vận chuyển lên hạt nhiều, làm cho tỷ lệ hạt chắc cao. Mạch dẫn vận chuyển tốt thì quá trình vận chuyển tinh bột tích luỹ trong cây đến hạt được tốt làm tỷ lệ hạt chắc sẽ cao. Tỷ lệ hạt chắc còn chịu ảnh hưởng của quá trình quang hợp sau khi trỗ bông.