Khảo sát nguồn gen khoai tây in vitro kháng bệnh sương mai

Nghiên cứu nguồn gen khoai tây kháng bệnh sương mai in vitro, phương pháp hiệu quả trong chọn tạo giống cây trồng bền vững và năng suất cao.

• Tác giả: Phạm Đình Kiêm
• Người hướng dẫn: GS. Phan Hữu Tôn
• Trường học: Học viện Nông nghiệp Việt Nam
• Chuyên ngành: Sinh học phân tử & CNSH ứng dụng
• Đề tài: Khảo Sát Nguồn Gen Khoai Tây Kháng Bệnh Sương Mai In Vitro
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. PHẦN I: ĐẶT VẤN ĐỀ
• 1.1. Mục tiêu nghiên cứu và yêu cầu đề tài
• 1.1.1. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.1.2. Yêu cầu đề tài
• 2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 2.1. Giới thiệu chung về cây khoai tây
• 2.2. Nguồn gốc và phân loại cây khoai tây
• 2.3. Đặc tính thực vật học của cây khoai tây
• 2.4. Đặc điểm sinh học của cây khoai tây
• 2.5. Một số yếu tố ảnh hưởng tới sinh trưởng và phát triển của cây khoai tây
• 2.6. Nhu cầu dinh dưỡng của cây khoai tây
• 2.7. Tình hình sản xuất khoai tây trên thế giới
• 2.8. Tình hình sản suất khoai tây ở Việt Nam
• 2.9. Một số nghiên cứu về khoai tây
• 2.10. Một số nghiên cứu về sâu bệnh hại trên khoai tây
• 2.11. Nghiên cứu tạo giống khoai tây kháng bệnh sương mai
• 2.12. Bệnh sương mai ở khoai tây
• 2.13. Ứng dụng chỉ thị phân tử trong nghiên cứu các gen kháng bệnh sương mai
• 3. PHẦN III: VẬT LIỆU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3.1. Vật liệu nghiên cứu
• 3.2. Địa điểm và thời gian nghiên cứu
• 3.3. Nội dung nghiên cứu
• 3.4. Phương pháp nghiên cứu
• 3.4.1. Phương pháp bố trí ngoài đồng ruộng
• 3.4.2. Phương pháp đánh giá một số đặc điểm nông sinh học
• 3.4.3. Phương pháp PCR phát hiện gen kháng R1, R3a
• 3.4.4. Tách DNA khoai tây
• 3.4.5. Phương pháp sử dụng PCR xác định gen kháng R1, R3a
• 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. Khảo sát đặc điểm nông sinh học một số mẫu khoai tây vụ đông 2022
• 4.1.1. Thời gian sinh trưởng
• 4.1.2. Đặc điểm thân củ
• 4.1.3. Đặc điểm sinh trưởng phát triển của cây
• 4.1.4. Đánh giá năng suất
• 4.2. Kết quả PCR phát hiện gen sương mai
• 4.2.1. Kết quả PCR phát hiện gen R1
• 4.2.2. Kết quả PCR phát hiện gen R3a
• 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu chung về cây khoai tây

Khoai tây (Solanum tuberosum) là cây trồng quan trọng trong nông nghiệp, có nguồn gốc từ vùng Andes của Nam Mỹ. Cây này được trồng rộng rãi trên toàn thế giới, đặc biệt là ở các vùng có khí hậu ôn hòa. Khoai tây không chỉ là nguồn lương thực chính mà còn là nguyên liệu cho nhiều ngành công nghiệp. Tuy nhiên, cây này dễ bị ảnh hưởng bởi các bệnh hại, trong đó bệnh sương mai do nấm Phytophthora infestans gây ra là nghiêm trọng nhất, làm giảm năng suất đáng kể.

1.1 Nguồn gốc và phân loại

Khoai tây thuộc họ Solanaceae, có nguồn gốc từ Nam Mỹ. Cây này được du nhập vào châu Âu vào thế kỷ XVI và sau đó lan rộng khắp thế giới. Ở Việt Nam, khoai tây được trồng từ năm 1890, chủ yếu ở vùng đồng bằng sông Hồng. Các giống khoai tây phổ biến ở Việt Nam bao gồm giống ruột vàng Thường Tín và các giống nhập nội từ châu Âu.

1.2 Đặc điểm sinh học

Khoai tây là cây ngắn ngày, có chu kỳ sinh trưởng từ 90 đến 120 ngày. Cây phát triển tốt ở nhiệt độ từ 18 đến 23°C. Các yếu tố như ánh sáng, nhiệt độ và độ ẩm đất ảnh hưởng lớn đến sự sinh trưởng và năng suất của cây. Khoai tây cũng có nhu cầu dinh dưỡng cao, đặc biệt là đạm, lân và kali.

II. Bệnh sương mai và tác động đến khoai tây

Bệnh sương mai do nấm Phytophthora infestans gây ra là một trong những bệnh hại nghiêm trọng nhất đối với khoai tây. Bệnh này có thể lây nhiễm toàn bộ cây, từ lá, thân đến củ, gây thiệt hại năng suất lên đến 16% trên toàn thế giới. Việc kiểm soát bệnh sương mai đòi hỏi các biện pháp canh tác và sử dụng giống kháng bệnh.

2.1 Triệu chứng và chu kỳ phát triển

Triệu chứng của bệnh sương mai bao gồm các đốm vàng trên lá, sau đó chuyển sang màu nâu và khô héo. Nấm Phytophthora infestans phát triển mạnh trong điều kiện ẩm ướt và nhiệt độ thấp. Chu kỳ phát triển của nấm bao gồm giai đoạn bào tử phân sinh và lây nhiễm qua không khí hoặc nước.

2.2 Biện pháp phòng trừ

Để phòng trừ bệnh sương mai, cần áp dụng các biện pháp tổng hợp như sử dụng giống kháng bệnh, quản lý độ ẩm và sử dụng thuốc bảo vệ thực vật. Việc lai tạo giống khoai tây kháng bệnh sương mai là một chiến lược bền vững, giúp giảm thiểu thiệt hại và tăng năng suất.

III. Nghiên cứu nguồn gen khoai tây kháng bệnh sương mai in vitro

Nghiên cứu này tập trung vào việc khảo sát và đánh giá các nguồn gen khoai tây kháng bệnh sương mai thông qua phương pháp in vitro. Mục tiêu là xác định các gen kháng bệnh như R1 và R3a, đồng thời đánh giá đặc điểm nông sinh học của các giống khoai tây nhập nội.

3.1 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp PCR để phát hiện các gen kháng bệnh R1 và R3a. Các mẫu khoai tây được nuôi cấy in vitro và đánh giá về khả năng kháng bệnh cũng như các đặc điểm nông sinh học. Phương pháp này giúp rút ngắn thời gian chọn tạo giống và tăng độ chính xác trong việc xác định gen kháng bệnh.

3.2 Kết quả và ứng dụng

Kết quả nghiên cứu cho thấy một số giống khoai tây nhập nội có khả năng kháng bệnh sương mai cao. Các gen R1 và R3a được xác định là có tiềm năng lớn trong việc lai tạo giống kháng bệnh. Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới trong việc phát triển giống khoai tây bền vững, giảm thiểu sử dụng thuốc bảo vệ thực vật.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẶT VẤN ĐỀ Khoai tây có tên khoa học là Solanum tuberosum, thuộc họ Solanaceae, có nguồn gốc từ vùng núi Andes của Bolivia và Peru, là cây trồng ngắn ngày, chiếm một vị trí quan trọng trong các cây lương thực, thực phẩm phục vụ cho con người. Hiện nay, khoai tây là loài cây trồng lấy củ rộng rãi nhất thế giới, được trồng phổ biến thứ tư về mặt sản lượng lương thực sau lúa, lúa mì và ngô. Chúng có đặc điểm rất dễ trồng, cho thu hoạch nhanh và thích ứng với các điều kiện môi trường khác nhau (International Year of the Potato. 2008; Jeff Chapman và cộng sự, 2011).

Tuy nhiên, khoai tây có thể bị một số bệnh ảnh hưởng đến năng suất và chất lượng củ. Bệnh hại trên khoai tây rất đa dạng về thành phần và nguyên nhân gây bệnh như bệnh sương mai, bệnh héo vàng, bệnh đốm lá, bệnh héo rũ vi khuẩn, bệnh xoăn lá do virus….Trong đó bệnh sương mai do nấm Phytophthora infestans gây ra là bệnh hại nghiêm trọng bậc nhất, gây thiệt hại 16% năng suất trên toàn thế giới (Haverkort A và cộng sự, 2009). Bệnh có thể lây nhiễm toàn bộ cây, bao gồm thân, lá và củ (Fry W, 2008). Đ ể đối phó với dịch bệnh, tạo sự phát triển bền vững và giảm lượng thuốc bảo vệ thực vật thì việc tạo ra giống khoai tây mới với mức kháng cao với Phytophthora infestans được coi là chiến lược bền vững cho việc trồng khoai tây trong tương lai.

Nhờ sự phát triển mạnh mẽ của sinh học phân tử, công nghệ chọn tạo giống nhờ chỉ thị phân tử ra đời rút ngắn thời gian chọn tạo giống, đảm bảo độ chính xác và quy tụ được nhiều gen mục tiêu vào một giống mà phương pháp chọn giống truyền thống rất khó hoặc không thể thực hiện được. đ ể tạo được giống khoai tây mới thì việc đầu tiên là phải có nguồn gen kháng và chỉ thị phân tử liên kết với các gen kháng đó, sau đó đánh giá và xác định khả năng kháng bệnh sương mai của các giống để sử dụng trong công tác lai tạo giống sau này. Gen kháng bệnh sương mai đã được lai tạo từ các loài dại S. phureja là các loài khoai tây trồng phổ biến ở khắp nơi trên thế giới (Bradshaw và cộng sự, 2006).demissum của Mexico mang gen kháng bệnh sương mai là nguồn cung cấp 11 gen trội R (R1-R11) 1 đã được lai với S.

tuberosum trong những năm 1950 và 1960 để tạo giống kháng (Bradshaw và Ramsay, 2005). Gen R1, R3a là gen kháng chủng đặc hiệu với Phytophthora infestans đã được lai tạo vào giống khoai tây truyền thống (Umaerus và Umaerous, 1994). Bên cạnh đó, người ta đã xác định được một hệ thống các marker phân tử DNA liên kết với các gen kháng đã được phát triển và hỗ trợ đắc lực cho chương trình chọn tạo giống khoai tây kháng bệnh sương mai. Các chỉ thị phân tử DNA dựa trên PCR cho gen R1 là R1F/R(76-2sf2/76-2SR)), gen R3a là R3-1380 đã được nhiều nhà chọn giống trên thế giới sử dụng để chọn tạo giống khoai tây kháng bệnh sương mai.

Hiện nay Trung tâm bảo tồn và phát triển nguồn gen cây trồng đã thu thập được một tập đoàn các giống khoai tây. đâ y là một nguồn gen đa dạng cho việc lai tạo giống khoai tây kháng bệnh sương mai. Vì vậy để có định hướng sử dụng, dưới sự hướng dẫn của GS. Phan Hữu Tôn, chúng tôi tiến hành đề tài: “Khảo sát nguồn gen khoai tây in vitro nhập nội kháng bệnh sương mai” 1.

Mục tiêu nghiên cứu và yêu cầu đề tài 1. Mục tiêu nghiên cứu Theo dõi đánh giá đặc điểm nông sinh học của cây khoai tây nhập nội in vitro. Xác định gen kháng bệnh sương mai trong cây khoai tây nhập nội in vitro bằng chỉ thị phân tử DNA ( R1, R3a ). Từ đó xác định được các mẫu giống khoai tây có đặc điểm sinh trưởng tốt và kháng bệnh sương mai.

Xác định mẫu giống khoai tây có mang gen kháng sương mai bằng chỉ thị phân tử phục vụ lai tạo giống kháng. Yêu cầu đề tài Khảo sát các đặc điểm nông sinh học của giống khoai tây nhập nội in vitro. Đánh giá được đặc điểm nông sinh học và khả năng kháng sâu bệnh. đánh giá khả năng kháng nhiễm của các mẫu giống khoai tây trên đồng ruộng.

Dùng chỉ thị phân tử DNA phát hiện được gen kháng bệnh sương mai của giống khoai tây nhập nột in vitro ( R1, R3a ). TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2. Giới thiệu chung về cây khoai tây Khoai tây là cây trồng có thời gian sinh trưởng ngắn nhưng lại cho năng suất cao trong điều kiện khí hậu ôn hòa với nhiệt độ thích hợp từ 18 – 23oC. Bên cạnh giá trị lương thực, thực phẩm, khoai tây còn là nguyên liệu có giá trị cho nhiều ngành công nghiệp.

Cây khoai tây được truyền bá vào nước Mỹ năm 1719, vào Ấn Đ ộ năm 1615, vào Trung Quốc năm 1700, vào Nhật Bản năm 1766 và vào Việt Nam năm 1890. Hình 1: Ảnh khoai tây tại Trung tâm Bảo tồn và Phát triển Nguồn gen Cây trồng - Học viện Nông nghiệp Việt Nam 2. Nguồn gốc và phân loại cây khoai tây Cây khoai tây (Solanum tuberosum L.) có nguồn gốc từ Nam Mỹ. đầu thế kỷ XVI những nhà hàng hải người Tây Ban Nha chinh phục Nam Mỹ đã đem về trồng ở nước họ.

Vào cuối thế kỷ XVI, khoai tây được trồng ở Ailen, Anh, đức, Pháp…từ đó khoai tây được trồng ở nhiều nước châu Âu khác. Các nước châu Á và châu lục khác biết đến khoai tây muộn hơn các nước châu Âu thông qua chính sách 3 thuộc địa của người châu Âu. Ở nước ta, khoai tây được người Pháp mang sang trồng ở một số nơi từ năm 1890 và chủ yếu trồng ở vùng đồng bằng sông Hồng. Giống khoai tây được trồng phổ biến trước đây là giống khoai tây ruột vàng Thường Tín, giống này có nguồn gốc từ giống Ackersegen, được nhập từ Pháp năm 1890.

Cây khoai tây thuộc chi Solanum Setio Pentato thuộc họ cà (Solanaceace) là cây ở thể tứ bội (2n = 4x = 48), có khả năng sinh trưởng, phát triển tốt và cho năng suất cao. Đặc tính thực vật học của cây khoai tây Thân và lá cây khoai tây có nhiều lông, lá kép lông chim, không đối xứng. Thân cây khoai tây là hệ thống bao gồm thân, tia củ và củ, thân cây cao từ 45 – 90cm tùy theo giống, độ phì của đất và kỹ thuật canh tác. Tia củ phát triển từ mầm cành, với điều kiện thuận lợi sẽ phát triển thành củ, điều kiện không thuận lợi sẽ chồi lên mặt đất phát triển thành cành.

Cây khoai tây chủ yếu tự thụ phấn nhưng có trường hợp giao phấn. Quả khoai tây thuộc loại quả mọng, có 2 ô, hạt rất nhỏ có mầm uốn cong. Mầm củ khoai tây là những mầm cây được tạo thành ở các nách lá không phát triển. Đặc điểm sinh học của cây khoai tây Đời sống của cây khoai tây có thể chia làm 4 thời kỳ: thời kỳ ngủ, thời kỳ nảy mầm, thời kỳ hình thành củ và thời kỳ củ phát triển (Đường Hồng Dật, 2004).

Thời kỳ ngủ: củ khoai tây sau khi thu hoạch phải được cất giữ một thời gian dài sau đó mới nảy mầm được, người ta gọi đó là thời kỳ ngủ nghỉ của khoai tây. Thời gian ngủ nghỉ của khoai tây phụ thuộc vào đặc điểm của giống, điều kiện sinh thái của vùng cây trồng, kỹ thuật canh tác, điều kiện bảo quản. Thời kỳ nảy mầm: sau một thời gian ngủ nghỉ, những mắt củ trên cây khoai tây đều có khả năng phát triển thành mầm cây. Mầm cây phát triển thành thân lá và thành cây khoai tây thế hệ mới.

Thời kỳ hình thành thân củ: cây khoai tây con sau khi phát triển vượt lên khỏi mặt đất từ 7 – 10 ngày thì trên các đốt thân nằm dưới mặt đất xuất hiện những nhánh con, đó chính là những nhánh thân địa sinh. Nhánh địa sinh có màu trắng và mọc thẳng, đầu cuối của nhánh thường phình to tạo thành những đoạn thân ngầm, khi phát triển đến mức độ nhất định thì ngừng phát triển về chiều dài, chất dinh dưỡng tập trung 4 vận chuyển đến các đoạn thân ngầm này và chúng phình to lên tạo thành củ khoai tây ở đầu mút thân địa sinh. Thời kỳ phát triển của củ: sau khi cây sinh trưởng được 20 – 25 ngày thì các chất dinh dưỡng tập trung vào các đâu chóp của thân địa sinh, bộ phận này của thân địa sinh bắt đầu phình to dần lên. Ở những nơi có nhiều nắng, vào thời gian này cây hình thành hoa và bắt đầu nở, đây chính là lúc thân địa sinh phát triển mạnh nhất.

Một số yêu tố ảnh hưởng tới sinh trưởng và phát triển của cây khoai tây Nhiệt độ là yếu tố khí tượng đặc biệt quan trọng, có ảnh hưởng trực tiếp đến sinh trưởng phát triển của cây khoai tây. Ở thời kỳ sinh trưởng sinh duỡng cây khoai tây có thể thích ứng với biên độ nhiệt từ 10 – 25 oC, rộng hơn so với giai đoạn sinh trưởng sinh thực. Theo Billd-Deau (1992), nhiệt độ thích hợp cho sự hình thành củ khoai tây là 18 – 20oC, từ 20oC trở lên quá trình hình thành củ khoai tây sẽ bị kìm hãm, khối lượng chất khô của củ cũng như chất lượng củ đều bị giảm, nếu nhiệt độ quá thấp cũng ảnh hưởng đến sinh trưởng của củ, khi nhiệt độ xuống thấp duới 15oC các đặc tính như màng vỏ, hàm lượng tinh bột thay đổi theo hướng không có lợi. Khoai tây là cây ưa sáng, cường độ ánh sáng thích hợp sẽ cho năng suất cao.

Cường độ ánh sáng mạnh có lợi cho quá trình quang hợp sẽ thuận lợi cho quá trình hình thành, tích lũy chất khô. Cường độ quang hợp yếu, nhiều tia củ sẽ không có khả năng hình thành củ. Các thời kỳ sinh trưởng khác nhau của cây khoai tây có yêu cầu về thời gian chiếu sáng cũng khác nhau. Từ khi khoai tây bắt đầu mọc khỏi mặt đất đến thời kỳ xuất hiện nụ hoa yêu cầu ánh sáng ngày dài.

Thời kỳ phát triển tia củ yêu cầu ánh sáng ngày ngắn. Trong các giai đoạn sinh trưởng, cây khoai tây có yêu cầu về nước khác nhau. Thời kỳ từ trồng đến xuất hiện tia củ cần đảm bảo độ ẩm đất tối thiểu 60 – 80% sức chứa ẩm đồng ruộng. Thời kỳ phát triển củ cần thường xuyên giữ độ ẩm đất là 80%.

Thiếu hoặc thừa nước đều gây ảnh hưởng xấu tới sinh trưởng của cây. Nhu cầu dinh dưỡng của cây khoai tây Khoai tây yêu cầu một lượng dinh dưỡng lớn và đầy đủ các nguyên tố đa lượng và vi lượng.