MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Lúa (Oryza sativa. L) là một trong những cây trồng quan trọng hàng đầu cung cấp lương thực cho hơn 50% dân số thế giới [95]. Để đáp ứng nhu cầu tiêu thụ do bùng nổ dân số, đô thị hoá và những ảnh hưởng của biến đổi khí hậu, dự đoán đến năm 2040, sản lượng gạo cần tăng thêm ít nhất 20% [25].
Là quốc gia xuất khẩu gạo lớn thứ hai thế giới, sản lượng lúa gạo của Việt Nam đóng vai trò quan trọng đối với an ninh lương thực ở khu vực Châu Á. Trong những năm gần đây, năng suất lúa được cải thiện nhưng diện tích sản xuất lúa ngày càng giảm do quá trình đô thị hóa, chuyển đổi cơ cấu cây trồng khác thay thế cho cây lúa diễn ra mạnh mẽ nên sản lượng lúa gạo vẫn chưa đáp ứng được nhu cầu tăng dân số toàn cầu [139]. Do đó, việc nâng cao năng suất lúa gạo trở thành mục tiêu quan trọng đối với các quốc gia trồng lúa trong đó có Việt Nam. Năng suất là tính trạng phức tạp được quy định bởi nhiều gen.
Để đáp ứng mục tiêu tăng năng suất lúa thì những hiểu biết về các vùng genom quy tụ nhiều gen hay còn gọi là QTL (Quantitative Trait Loci - Lô-cut tính trạng số lượng) liên quan đến năng suất là vô cùng cần thiết. Năng suất lúa được xác định bởi ba tính trạng thành phần chính: Số lượng bông, số lượng hạt trên bông và khối lượng hạt [116]. Cấu trúc bông lúa là một tính trạng nông học quan trọng trực tiếp ảnh hưởng đến năng suất [30] và việc đạt được cấu trúc, kích thước, hình dạng bông lúa tối ưu là một trong những mục tiêu chọn tạo giống lúa năng suất cao [94]. Hiểu các cơ chế di truyền cơ bản kiểm soát sự phát triển bông lúa có ý nghĩa rất lớn trong việc cải thiện năng suất lúa gạo [65].
Trong nghiên cứu trước đây của Khổng Ngân Giang, Tạ Kim Nhung và các cộng sự, Viện Di truyền Nông nghiệp đã ứng dụng phương pháp nghiên cứu liên kết trên toàn hệ gen (Genome Wide Association Study - GWAS) để LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 2 phân tích tính trạng năng suất của tập đoàn lúa bản địa Việt Nam, đã xác định được 29 QTLs tiềm năng liên quan đến cấu trúc bông lúa, trong đó có một QTL hoàn toàn mới được đặt tên là QTL9 liên kết với cả hai tính trạng số gié cấp hai/bông và số hạt/bông là các tính trạng quan trọng ảnh hưởng đến năng suất lúa. QTL9 nằm trên nhiễm sắc thể số 2, có chiều dài 780 kb, 137 gen được tìm thấy trong vùng QTL này nhưng chưa gen nào được nghiên cứu chức năng [102]. Tuy nhiên, kết quả phân tích GWAS dựa trên các mô hình phân tích thống kê, để có thể khai thác sử dụng vào các chương trình chọn tạo giống, các QTLs thu được từ phân tích GWAS cần phải được nghiên cứu chức năng thông qua các quần thể lai và phát triển các chỉ thị phân tử. Do đó chúng tôi tiến hành thực hiện đề tài “Nghiên cứu chức năng của QTL9 liên quan đến cấu trúc bông, phục vụ chọn tạo giống lúa năng suất cao ở Việt Nam”.
Mục tiêu của luận án 2. Mục tiêu chung Nghiên cứu xác định vai trò của QTL9 liên quan đến cấu trúc bông lúa thu được từ phân tích GWAS trên tập đoàn lúa bản địa Việt Nam nhằm ứng dụng trong các chương trình chọn tạo giống lúa năng suất cao ở Việt Nam. Mục tiêu cụ thể - Chọn lọc được các cặp lai bố mẹ mang QTL9 thuộc hai haplotype tương phản về cấu trúc bông (bông to và bông nhỏ) và lai tạo được các quần thể lai tái tổ hợp (F1, F2, F3) làm vật liệu nghiên cứu. - Phát triển được bộ chỉ thị phân tử CAPS bao phủ vùng QTL9 cho phép phân biệt kiểu gen QTL9 ở hai haplotype bố mẹ, nhằm chọn lọc các cây F2 mang QTL9 đồng hợp tử thuộc hai haplotype bố hoặc mẹ.
- Xác định được vai trò của QTL9 liên quan đến cấu trúc bông phục vụ công tác chọn tạo giống lúa năng suất cao ở Việt Nam. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3. Ý nghĩa khoa học - Cung cấp các dẫn liệu khoa học có giá trị về vai trò của QTL9 liên quan đến cấu trúc bông lúa, cụ thể là hai tính trạng số gié cấp hai/bông và số hạt/bông, cũng như phương pháp đánh giá kiểu gen, kiểu hình của các quần thể lai trong việc đánh giá vai trò của QTL nghiên cứu.
- Các kết quả nghiên cứu của đề tài cũng là tài liệu tham khảo trong việc nghiên cứu, giảng dạy có giá trị trong lĩnh vực công nghệ sinh học và di truyền chọn giống cây trồng nói chung và cây lúa nói riêng. Ý nghĩa thực tiễn - Kết quả nghiên cứu của luận án đã xác định được vai trò của QTL9 có tham gia vào việc quy định kiểu hình cấu trúc bông, đặc biệt là hai tính trạng số gié cấp hai/bông và số hạt/bông, từ đó ảnh hưởng đến năng suất lúa, là công cụ phục vụ công tác chọn tạo giống lúa năng suất cao. - Kết quả luận án cung cấp bộ chỉ thị phân tử liên kết với QTL9, hỗ trợ các nhà khoa học trong chọn tạo giống lúa năng suất cao nhờ chỉ thị phân tử. - Cung cấp các giống lúa bố mẹ sử dụng làm vật liệu trong lai tạo để cải tạo năng suất lúa.
Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của đề tài 4. Đối tượng nghiên cứu Là QTL9 ở cây lúa phát hiện từ nghiên cứu liên kết trên toàn hệ gen (GWAS) trên tập đoàn lúa bản địa Việt Nam do nhóm tác giả Khổng Ngân Giang, Tạ Kim Nhung và cộng sự nghiên cứu [102]. QTL9 dài 780 kb, chứa 9 SNP (gagagcgaa/atataaatt), nằm trên nhiễm sắc thể số 2, liên kết với hai tính trạng số gié cấp hai/bông (SBN) và số hạt/bông (SpN) (Hình 1). LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
Phân tích GWAS tính trạng số hạt/bông (SpN) và số gié cấp hai/bông (SBN) của tập đoàn lúa bản địa Việt Nam Từ trên xuống dưới QQ plot, Manhattan plot của 12 nhiễm sắc thể cho 2 tính trạng số hạt/bông (SpN), số gié cấp hai/bông (SBN) và mất cân bằng di truyền liên kết (Linkage Disequilibrium (LD) heatmap) xung quanh vùng QTL9. Nguồn: Tạ Kim Nhung và cộng sự (2018) [102]. Địa điểm và thời gian nghiên cứu - Địa điểm thực hiện: + Thí nghiệm phân tích, đánh giá kiểu gen QTL9 các quần thể F1, F2, F3 thực hiện tại Viện Di truyền Nông nghiệp (phường Cổ Nhuế 1, quận Bắc Từ Liêm, thành phố Hà Nội); + Thí nghiệm chụp gen kết hợp giải trình tự thế hệ mới Illumina và phân tích SNP, phát triển chỉ thị phân tử CAPS thực hiện tại Viện Nghiên cứu và phát triển IRD - Pháp; + Thí nghiệm đánh giá kiểu hình thực hiện ngoài đồng ruộng tại xã Đông La, huyện Hoài Đức, thành phố Hà Nội. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 5 - Thời gian thực hiện luận án: Từ năm 2017 đến năm 2020.
Tính mới và những đóng góp của luận án - Đây là một trong những công trình đầu tiên tại Việt Nam nghiên cứu xác định vai trò của một QTL mới (QTL9) phát hiện từ phân tích GWAS trên tập đoàn lúa bản địa Việt Nam liên kết với hai tính trạng số gié cấp hai/bông và số hạt/bông. - Phân tích haplotype của QTL9 đã xác định được 4 giống lúa bố mẹ có cấu trúc bông khác biệt (bông to và bông nhỏ), thuộc hai haplotype, có khoảng cách di truyền xa nhau. Các giống lúa này có thể sử dụng làm vật liệu cho các nghiên cứu chọn tạo giống lúa năng suất cao ở Việt Nam. - Sử dụng công nghệ chụp gen (Gene Capture) và giải trình tự thế hệ mới Illumina đã phát hiện 12 SNPs nằm trong vùng QTL9 từ đó phát triển được 12 chỉ thị phân tử CAPS (Cleaved Amplified Polymorphic Sequences), trong đó, 3 chỉ thị phân tử CAPS cho đa hình giữa hai giống lúa bố mẹ trong nghiên cứu.
Các chỉ thị phân tử CAPS này cho phép chọn lọc các dòng đồng hợp tử mang kiểu gen QTL9 của bố hoặc của mẹ ngay ở thế hệ thứ 2 thay vì 8 - 10 thế hệ khi sử dụng phương pháp chọn lọc truyền thống. - Luận án đã khẳng định được vai trò của QTL9 có tham gia vào sự hình thành cấu trúc bông lúa từ đó QTL9 có thể sử dụng làm vật liệu trong lai tạo nhằm cải thiện năng suất cho các giống lúa thương mại có năng suất thấp, chất lượng cao tại Việt Nam. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 6 CHƢƠNG I TỔNG QUAN TÀI LIỆU VÀ CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI 1. Tầm quan trọng của cây lúa Lúa là một trong những cây ngũ cốc quan trọng nhất về lượng calo và dinh dưỡng cho con người [25], [122].
Để đáp ứng nhu cầu lương thực của người dân toàn cầu, sản lượng nông nghiệp tăng hơn 50% vào năm 2050 [81], đặc biệt là các nước đang phát triển ở Châu Á, Châu Phi. Lúa gạo là thực phẩm chính của hơn một nửa dân số thế giới và cung cấp hơn 20% tổng năng lượng hấp thụ hàng ngày của con người [133]. Đối với một số quốc gia đang phát triển, nguồn lợi từ việc xuất khẩu lúa gạo đóng vai trò quan trọng trong cơ cấu kinh tế quốc gia trong đó có Việt Nam. Là nước xuất khẩu gạo đứng thứ hai thế giới, đồng thời cũng là một trong những nước có nghề truyền thống trồng lúa nước cổ xưa nhất thế giới, tại Việt Nam, cây lúa không chỉ đảm bảo an ninh lương thực quốc gia, mà còn đóng vai trò quan trọng trong cơ cấu cây trồng và phân công lao động xã hội [132].
Hiện nay, Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên hợp quốc (FAO) cảnh báo, những diễn biến khó lường của biến đổi khí hậu và thời tiết, dân số tăng nhanh, tác động tiêu cực của dịch bệnh và xung đột liên miên tại nhiều quốc gia đang khiến tình hình an ninh lương thực toàn cầu xấu đi. Mặc dù sản lượng lúa gạo tăng đều hàng năm nhưng tốc độ tăng sản lượng vẫn không đủ đáp ứng nhu cầu của thế giới. Trong khi đó diện tích đất canh tác giảm mạnh do quá trình đô thị hóa, chất lượng đất ngày càng xấu đi, sử dụng phân bón không hợp lý phá hỏng hệ sinh thái và môi trường, một bộ phận lực lượng lao động chuyển sang các ngành công nghiệp, chi phí sản xuất lúa gạo ngày càng tăng cao. Trong giai đoạn 2011 - 2013, thế giới có khoảng 842 triệu người thiếu lương thực, chiếm 12% dân số thế giới.