Nghiên Cứu Đa Dạng Di Truyền và Cải Tiến Nguồn Gen Khoai Môn Sọ Bằng Công Nghệ Sinh Học

Luận án tiến sĩ nghiên cứu nghiên cứu đa dạng di truyền và cải tiến nguồn gen khoai môn sọ bản địa bằng công nghệ sinh học và, phát triển phương pháp mới, đánh giá hiệu quả ứng

• Tác giả: Đặng Thị Thanh Mai
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Xuân Viết
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội
• Chuyên ngành: Di truyền học
• Đề tài: Nghiên Cứu Đa Dạng Di Truyền và Cải Tiến Nguồn Gen Khoai Môn Sọ Bằng Công Nghệ Sinh Học
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về Nghiên Cứu Đa Dạng Di Truyền Khoai Môn Sọ

Nghiên cứu đa dạng di truyền khoai môn sọ (Colocasia esculenta) là một lĩnh vực quan trọng trong nông nghiệp hiện đại. Khoai môn sọ không chỉ là nguồn thực phẩm quý giá mà còn có giá trị kinh tế cao. Việc hiểu rõ về đa dạng di truyền của loài cây này giúp bảo tồn và phát triển nguồn gen, đồng thời ứng dụng công nghệ sinh học để cải tiến giống. Nghiên cứu này sẽ cung cấp cái nhìn tổng quan về tình hình hiện tại và tầm quan trọng của khoai môn sọ trong nông nghiệp.

1.1. Đặc điểm sinh thái và giá trị kinh tế của khoai môn sọ

Khoai môn sọ là loài cây trồng có giá trị dinh dưỡng cao, chứa nhiều khoáng chất và vitamin. Cây có khả năng phát triển tốt trên đất đầm lầy, giúp cải thiện sinh kế cho người dân. Đặc biệt, củ khoai môn sọ được sử dụng trong nhiều món ăn và bài thuốc dân gian.

1.2. Tình hình sản xuất khoai môn sọ trên thế giới và Việt Nam

Khoai môn sọ được trồng rộng rãi ở nhiều quốc gia, đặc biệt là ở các vùng nhiệt đới. Tại Việt Nam, cây khoai môn sọ đang được phát triển mạnh mẽ, với nhiều giống địa phương có chất lượng cao. Tuy nhiên, sản xuất vẫn gặp nhiều thách thức do sự xói mòn di truyền và áp lực từ các giống năng suất cao.

II. Vấn đề và Thách thức trong Nghiên Cứu Đa Dạng Di Truyền

Mặc dù khoai môn sọ có nhiều tiềm năng, nhưng nghiên cứu về đa dạng di truyền của loài cây này vẫn gặp nhiều khó khăn. Các vấn đề như sự thu hẹp diện tích đất trồng, sự phát triển của giống năng suất cao và áp lực từ biến đổi khí hậu đang ảnh hưởng đến sự phát triển của khoai môn sọ. Việc bảo tồn nguồn gen và cải tiến giống là rất cần thiết để đảm bảo sự phát triển bền vững.

2.1. Sự xói mòn di truyền và áp lực từ giống năng suất cao

Sự phát triển của các giống khoai môn năng suất cao đã dẫn đến sự xói mòn di truyền của các giống địa phương. Điều này không chỉ làm giảm tính đa dạng di truyền mà còn ảnh hưởng đến khả năng chống chịu của cây trước các điều kiện bất lợi.

2.2. Tác động của biến đổi khí hậu đến khoai môn sọ

Biến đổi khí hậu đang tạo ra nhiều thách thức cho sản xuất nông nghiệp, trong đó có khoai môn sọ. Thay đổi về nhiệt độ và lượng mưa có thể ảnh hưởng đến năng suất và chất lượng củ, đòi hỏi cần có các biện pháp thích ứng kịp thời.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Đa Dạng Di Truyền Khoai Môn Sọ

Để đánh giá đa dạng di truyền của khoai môn sọ, nhiều phương pháp nghiên cứu đã được áp dụng. Các kỹ thuật phân tử như RAPD và SSR đã cho thấy hiệu quả trong việc phân tích đa hình ADN, giúp xác định mối quan hệ di truyền giữa các giống. Việc sử dụng công nghệ sinh học cũng đóng vai trò quan trọng trong việc cải tiến giống khoai môn sọ.

3.1. Kỹ thuật phân tích đa hình ADN RAPD và SSR

Kỹ thuật RAPD (Random Amplified Polymorphic DNA) và SSR (Simple Sequence Repeat) là hai phương pháp phổ biến trong nghiên cứu di truyền. Chúng giúp xác định sự đa dạng di truyền và mối quan hệ giữa các giống khoai môn sọ, từ đó cung cấp thông tin quý giá cho việc bảo tồn và phát triển giống.

3.2. Ứng dụng công nghệ sinh học trong cải tiến giống

Công nghệ sinh học, đặc biệt là kỹ thuật nuôi cấy mô, đã được áp dụng để nhân giống khoai môn sọ. Phương pháp này không chỉ giúp tạo ra giống mới mà còn nâng cao năng suất và chất lượng củ, đáp ứng nhu cầu thị trường.

IV. Kết Quả Nghiên Cứu và Ứng Dụng Thực Tiễn

Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng khoai môn sọ có mức độ đa dạng di truyền cao, với nhiều giống có đặc tính vượt trội. Việc ứng dụng các kỹ thuật phân tích di truyền đã giúp xác định được các giống khoai môn có tiềm năng phát triển tốt. Những kết quả này không chỉ có ý nghĩa trong việc bảo tồn nguồn gen mà còn trong việc phát triển các giống mới có năng suất cao.

4.1. Đánh giá đa dạng di truyền nguồn gen khoai môn sọ

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng nguồn gen khoai môn sọ rất phong phú, với nhiều giống có đặc điểm hình thái và nông học khác nhau. Việc đánh giá đa dạng di truyền giúp xác định được các giống có khả năng chống chịu tốt và năng suất cao.

4.2. Ứng dụng kết quả nghiên cứu vào sản xuất

Kết quả nghiên cứu đã được ứng dụng vào thực tiễn sản xuất, giúp cải thiện năng suất và chất lượng củ khoai môn sọ. Việc phát triển các giống mới từ nguồn gen địa phương không chỉ bảo tồn di sản văn hóa mà còn nâng cao thu nhập cho nông dân.

V. Kết Luận và Tương Lai của Nghiên Cứu Đa Dạng Di Truyền

Nghiên cứu đa dạng di truyền và cải tiến nguồn gen khoai môn sọ là một lĩnh vực quan trọng, góp phần bảo tồn và phát triển giống cây trồng này. Tương lai của nghiên cứu này phụ thuộc vào việc ứng dụng các công nghệ mới và sự hợp tác giữa các nhà khoa học, nông dân và các tổ chức bảo tồn. Việc duy trì tính đa dạng di truyền sẽ giúp khoai môn sọ phát triển bền vững trong bối cảnh biến đổi khí hậu và áp lực từ thị trường.

5.1. Tầm quan trọng của việc bảo tồn nguồn gen

Bảo tồn nguồn gen khoai môn sọ không chỉ giúp duy trì tính đa dạng di truyền mà còn đảm bảo an ninh lương thực cho tương lai. Việc xây dựng các bộ sưu tập hạt nhân là cần thiết để bảo vệ các giống quý hiếm.

5.2. Hướng đi tương lai cho nghiên cứu và phát triển

Tương lai của nghiên cứu khoai môn sọ sẽ tập trung vào việc ứng dụng công nghệ sinh học và các phương pháp mới trong cải tiến giống. Sự hợp tác giữa các nhà nghiên cứu và nông dân sẽ là chìa khóa để phát triển bền vững nguồn gen khoai môn sọ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐẠO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI ĐẶNG THỊ THANH MAI NGHIÊN CỨU ĐA DẠNG DI TRUYỀN VÀ CẢI TIẾN NGUỒN GEN KHOAI MÔN SỌ BẢN ĐỊA BẰNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ ĐỘT BIẾN THỰC NGHIỆM LUẬN ÁN TIẾN SĨ SINH HỌC Hà Nội, 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐẠO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI ĐẶNG THỊ THANH MAI NGHIÊN CỨU ĐA DẠNG DI TRUYỀN VÀ CẢI TIẾN NGUỒN GEN KHOAI MÔN SỌ BẢN ĐỊA BẰNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ ĐỘT BIẾN THỰC NGHIỆM Chuyên ngành: Di truyền học Mã số: 62.21 LUẬN ÁN TIẾN SĨ SINH HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS. Nguyễn Xuân Viết Hà Nội, 2014 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. TS Nguyễn Xuân Viết. Các số liệu và kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Hà Nội, ngày …. tháng 7 năm 2014 TÁC GIẢ LUẬN ÁN ii LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành bản luận án này, tôi đã nhận được sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của PGS. TS Nguyễn Xuân Viết. Với tất cả tấm lòng mình, tôi xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thày về sự giúp đỡ quý báu đó.

Xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới PGS. TS Nguyễn Thị Ngọc Huệ, cảm ơn cô đã tư vấn và có những góp ý khoa học để bản luận án này có thể được hoàn thành một cách tốt nhất. Tôi xin chân thành cảm ơn các giảng viên và cán bộ Bộ môn Di truyền học, Công nghệ Sinh học và vi sinh, Sinh lí học thưc vật và Ban chủ nhiệm khoa Sinh học, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội; các cán bộ Phòng Kỹ thuật di truyền - Viện Di truyền Nông nghiệp, Viện Khoa Học Nông nghiệp Việt Nam; Các cán bộ Phòng Sinh học phân tử - Viện Công nghệ Sinh học, Viện Hàn lâm khoa học và Công nghệ Việt Nam đã ủng hộ, tạo mọi điền kiện thuận lợi giúp tôi hoàn thành luận án. Đặc biệt, xin bày tỏ lòng biết ơn đến Ban giám hiệu, các bạn đồng nghiệp Trường Cao đẳng Sư phạm Bắc Ninh đã giúp đỡ, tạo những điều kiện thuận lợi nhất trong suốt những ngày tháng tôi học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án.

Cuối cùng nhưng rất nhiều, xin được bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình - những người thân yêu đã luôn động viên, tạo những điều kiện thuận lợi nhất để tôi yên tâm học tập và nghiên cứu trong suốt thời gian qua. Hà Nội, ngày …. tháng 7 năm 2014 TÁC GIẢ LUẬN ÁN Đặng Thị Thanh Mai iii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT. vi DANH MỤC CÁC BẢNG.

viii DANH MỤC CÁC HÌNH. Tính cấp thiết của đề tài. Căn cứ pháp lý và cơ sở khoa học của định hướng nghiên cứu. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài.

Nội dung nghiên cứu của đề tài. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài. ĐÓNG GÓP MớI CủA Đề TÀI.

6 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU. Giới thiệu chung về cây khoai môn sọ. Nguồn gốc, phân bố và đặc điểm sinh thái của cây khoai môn sọ. Phân loại học cây khoai môn sọ.

Đặc điểm thực vật học của cây khoai môn sọ. Thành phần dinh dưỡng, giá trị kinh tế và sử dụng của cây khoai môn sọ. Tình hình sản xuất khoai môn sọ trên thế giới và Việt Nam. Phân tích đa dạng di truyền ở cây khoai môn sọ.

Khái niệm đa dạng di truyền. Vị trí và tầm quan trọng của đa dạng di truyền. Phân tích đa dạng di truyền khoai môn sọ. thu thập, bảo tồn và sử dụng nguồn gen khoai môn sọ.

Một số vấn đề về thu thập, bảo tồn và sử dụng nguồn gen thực vật. Thu thập, bảo tồn và sử dụng nguồn gen khoai môn sọ .33 CHƢƠNG 2 VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. Địa điểm nghiên cứu. Phương pháp nghiên cứu.

Phương pháp bố trí trồng và chăm sóc các giống nghiên cứu trên đồng ruộng. Các phương pháp sử dụng trong đánh giá đa dạng di truyền các mẫu giống nghiên cứu. Phương pháp nuôi cây mô, tế bào thực vật. Phương pháp chọn dòng đột biến.

Phương pháp xử lí số liệu .53 CHƢƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN. Đánh giá đa dạng di truyền nguồn gen khoai môn sọ. Đa dạng về các đặc điểm hình thái và nông học các mẫu giống khoai môn sọ và một số loài gần. Kết quả phân tích đa dạng di truyền khoai môn sọ và một số loài gần sử dụng chỉ thị phân tử ADN.

Mối tương quan giữa chỉ thị hình thái – nông học, chỉ thị RAPD và chỉ thị SSR trong đánh giá đa dạng di truyền nguồn gen khoai môn sọ và một số loài gần. Kết quả phân tích hàm lượng chất khô, thành phần dinh dưỡng và vị ngon của củ của 12 giống khoai môn sọ hạt nhân. Nghiên cứu thử nghiệm khai thác một số nguồn gen bằng ứng dụng công nghệ tế bào kết hợp đột biến thực nghiệm. Nghiên cứu nhân nhanh một số giống khoai môn sọ địa phương bằng nuôi cấy chồi đỉnh in vitro.

Nghiên cứu tạo củ in vitro và tiềm năng ứng dụng kỹ thuật tạo củ in vitro trong sản xuất. Thử nghiệm ứng dụng kết hợp đột biến phóng xạ tia gamma (nguồn Co60) và nuôi cây mô, tế bào thực vật ở khoai môn sọ .118 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ .137 TÀI LIỆU THAM KHẢO .150 vi DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Nghĩa A Alocasia AFLP Amplified Fragment Length Polymorphism – Đa hình độ dài các phân đoạn được nhân bản. ANOVA Analysis of variance – Phân tích phương sai APS Ammonium persulfate BAP 6-Benzylaminopurine bp Base pair – Căp bazơ nitơ Ce Colocasia esculenta Cg Colocasia gigantea cs Cộng sự CTAB Cetyl Trimetyl Amonium Bromite dNTP Deoxynucleotide Triphosphates EDTA Ethylendiamine tetra acetic acid EtBr Ethidium bromide FAO Food and Agriculture Orgnization - Tổ Chức lương thực và Nông nghiệp Liên Hiệp Quốc. GA Gibberellic acid IAA Indole-3-acetic acid IPGRI International Plant Genetic Resources Institute – Viện Tài nguyên Di truyền Thực vật quốc tế μl Micro lít MS Murashige and Skoog NAA Naphthalene Acetic Acid ng Nanogram NTSYS Numerial Taxonomy System NXB Nhà xuất bản PCR Polymerase chain reaction – Phản ứng chuỗi polymerase PIC Polymorphic Information Content – Hàm lượng thông tin đa hình RAPD Random Amplified Polymorphic DNA – Đa hình ADN được nhân bội ngẫu nhiên.

RFLP Restriction Fragment Length Polymorphism – Đa hình chiều dài các đoạn cắt giới hạn. vii SDS Sodium dodecyl sulfate SSR Simple Sequence Repeat – Sự lặp lại trình tự đơn giản. TAE Tris acetate EDTA Taq Thermus aquaticus TEMED N,N,N‟,N‟ Tetramethylethylenediamine UPGMA Unweighted pairgroup method analysis - Phương pháp phân nhóm không trọng số. UV Ultraviolet (tia cực tím) Xa Xanthosoma viii DANH MỤC CÁC BẢNG TT Tiêu đề bảng Trang 1.

Tình hình sản xuất khoai môn sọ ở các nước trên thế giới năm 2010 17 và tỉ lệ tăng trưởng trung bình hàng năm (2000-2010) 1. Qui trình thiết lập bộ sưu tập hạt nhân khoai môn sọ các nước Thái 38 Bình Dương 2.1 Các mẫu giống sử dụng trong nghiên cứu 42 2.2 Các mồi sử dụng trong phân tích RAPD 43 2.3 Các cặp mồi sử dụng trong phân tích SSR 44 3.1 Sự phân bố của 40 mẫu giống khoai môn sọ theo một số đặc điểm 59 hình thái – nông học quan trọng 3.3 Đặc trưng phân tử có ý nghĩa nhận dạng loài khoai môn sọ và một 70 số loài gần dựa trên chỉ thị RAPD 3.4 Đặc trưng phân tử các giống khoai môn sọ địa phương dựa trên chỉ 75 thị RAPD 3.5 Tổng số băng ADN và số băng ADN đặc trưng vùng được nhân lên 76 từ 14 mồi ngẫu nhiên của các mẫu giống khoai môn sọ nghiên cứu 3.6 Mẫu giống khoai môn sọ và một số loài gần sử dụng trong phân tích 79 SSR 3.7 Số alen và giá trị PIC của 9 chỉ thị SSR 80 3.8 Các alen SSR có ý nghĩa đặc trưng phân tử nhận dạng các loài 82 nghiên cứu thuộc họ Ráy 3.9 Các alen SSR đặc trưng duy nhất ở một số giống khoai môn sọ 86 3.10 Đặc trưng phân tử có ý nghĩa tư liệu hóa một số nguồn gen khoai 87 môn sọ địa phương 3.11 Sự phân bố alen SSR theo các vùng sinh thái của một số mẫu giống 89 khoai môn sọ 3.12 Bộ sưu tập hạt nhân các giống khoai môn sọ được lựa chọn dựa trên 92 số liệu hình thái và phân tử ix 3.13 Thành phần dinh dưỡng của củ của một số giống khoai môn sọ địa 102 phương miền Bắc và Bắc Trung Bộ 3.14 Vị ngon của củ của một số giống khoai môn sọ địa phương 103 3.15 Hiệu quả khử trùng chồi đỉnh bằng HgCl2 0,1% ở 3 giống khoai 105 môn sọ 2 tuần sau nuôi cấy 3.16 Khả năng tái sinh chồi trực tiếp của các mẫu giống trên môi trường 107 có bổ sung BAP và α-NAA khác nhau 3.17 Hiệu quả nồng độ BAP và α-NAA đến hệ số nhân chồi ở 3 giống 109 khoai môn sọ 3.18 Ảnh hưởng của tổ hợp BAP và α-NAA đến sự sinh trưởng và hình 110 thái của bộ rễ của cây khoai môn sọ in vitro 3.21 Ảnh hưởng của BAP và đường đến tỉ lệ (%) chồi hình thành củ ở 2 114 giống khoai môn sọ sau 8 tuần nuôi cấy 3.22 Ảnh hưởng của BAP và đường đến tỉ lệ nhân chồi củ (số chồi 115 củ/cụm) ở hai giống khoai môn sọ sau 8 tuần nuôi cấy 3.23 Ảnh hưởng của BAP và đường đến khối lượng củ tươi của một số 115 giống khoai môn sọ sau 8 tuần nuôi cấy 3.24 Ảnh hưởng của các liều chiếu xạ tia gamma (nguồn Co60) đến tỷ lệ 119 sống của chồi in vitro của 3 giống khoai môn sọ nghiên cứu 3.25 Ảnh hưởng của tia gamma (nguồn Co60) tới hệ số nhân chồi in 121 vitro và sinh trưởng của cây in vitro 3.26 Tần số xuất hiện các biến dị hình thái của cây in vitro ở các liều 123 chiếu khác nhau của các giống khoai môn sọ nghiên cứu 3.27 Đặc điểm nông sinh học các dòng biến dị ở thế hệ M1 126 3.28 Đặc điểm nông sinh học một số dòng biến dị thế hệ M2 127 3.29 Đặc điểm nông sinh học của một số dòng đột biến thế hệ M3 131 3.30 Giá trị PIC trong các dòng khoai môn sọ đột biến và các giống gốc 132 3.