I. Nghiên Cứu Tạo Giống Lúa Chịu Hạn Tổng Quan và Tiềm Năng
Cách mạng xanh đã gia tăng năng suất lúa, nhưng biến đổi khí hậu tạo ra nhiều thách thức, đặc biệt là tình trạng hạn hán. Nhu cầu về giống lúa chịu hạn ngày càng cấp thiết để đảm bảo an ninh lương thực. Nghiên cứu này tập trung vào việc tạo giống lúa chịu hạn bằng phương pháp dấu chuẩn phân tử, một công cụ mạnh mẽ trong công tác chọn tạo giống hiện đại. Viện Lúa Đồng Bằng Sông Cửu Long đã có những bước tiến quan trọng trong lĩnh vực này, góp phần vào sự phát triển nông nghiệp bền vững của Việt Nam. Theo GS. Nguyễn Thị Lang, việc tạo ra các giống lúa thích ứng với biến đổi khí hậu là yếu tố then chốt để duy trì và nâng cao sản lượng lúa gạo, đặc biệt ở các vùng chịu ảnh hưởng nặng nề bởi hạn hán. Ứng dụng marker assisted selection (MAS) hứa hẹn sẽ rút ngắn thời gian chọn tạo và tăng độ chính xác trong việc lựa chọn các dòng lúa mong muốn.
1.1. Đặt vấn đề Tầm quan trọng của giống lúa chịu hạn
Biến đổi khí hậu gây ra hạn hán, lũ lụt, ảnh hưởng đến sản xuất nông nghiệp, đặc biệt là lúa gạo. Giống lúa chịu hạn là giải pháp then chốt để đảm bảo năng suất và an ninh lương thực. Việc nghiên cứu và phát triển các giống lúa này cần được ưu tiên hàng đầu. Báo cáo chỉ ra rằng, thế giới đang đối mặt với nhiều thách thức như đất nông nghiệp giảm, thiếu nước, giá đầu vào tăng, sự thoái hóa đất trồng, đói nghèo và suy dinh dưỡng. Thay đổi khí hậu sẽ làm thay đổi mức thiệt hại của khô hạn, nhiệt độ cao và phổ gây hại của sâu bệnh.
1.2. Mục tiêu nghiên cứu Tạo giống lúa chất lượng cao chịu hạn
Nghiên cứu nhằm tạo ra hai giống lúa chịu hạn, phẩm chất tốt, chống chịu sâu bệnh và năng suất cao, phục vụ cho vùng Đồng Bằng Sông Cửu Long. Mục tiêu cụ thể bao gồm so sánh các giống triển vọng, khảo nghiệm cơ bản, trình diễn các dòng lúa triển vọng và đánh giá trên nhiều vùng sinh thái khác nhau. Việc phân tích các tính trạng liên sinh học liên quan đến khô hạn cũng được chú trọng. Cần có giống quy tụ vào một vài gen quý phục vụ cho sản xuất tại vùng ĐBSCL.
II. Phương Pháp Dấu Chuẩn Phân Tử Cách Chọn Giống Lúa Chịu Hạn Hiệu Quả
Kỹ thuật dấu chuẩn phân tử (marker assisted selection - MAS) là một công cụ quan trọng trong tạo giống lúa chịu hạn. Phương pháp này cho phép các nhà khoa học xác định các gen liên quan đến khả năng chịu hạn của lúa, từ đó chọn lọc và lai tạo ra các giống lúa mới có khả năng thích ứng tốt hơn với điều kiện khô hạn. So với phương pháp chọn giống truyền thống, MAS giúp rút ngắn thời gian chọn tạo và tăng độ chính xác, đồng thời giảm chi phí và công sức. Theo Bùi Chí Bửu và Nguyễn Thị Lang, thông qua sử dụng chỉ số chọn lọc kết hợp với đánh giá phân tử và đánh giá kiểu hình, chọn giống nhờ đánh dấu phân tử có thể làm gia tăng hiệu quả chọn lọc rất cao so với phương pháp chọn giống cổ truyền.
2.1. Tổng quan về chọn giống bằng chỉ thị phân tử MAS
Sự phát triển của di truyền và công nghệ sinh học đã tạo thành công lớn cho công tác tạo chọn giống cây trồng. Ứng dụng các kỹ thuật ở mức độ phân tử cho phép chuyển gen mong muốn hay xác định cá thể mang gen mong muốn. Kỹ thuật thường sử dụng là các marker phân tử RAPD, RFLP, SSR, STS, AFLP liên kết chặt với tính trạng mong muốn dựa trên quần thể F2 hoặc quần thể hồi giao, quần thể các dòng cận giao tái tổ hợp, quần thể các dòng gần như đẳng gen, quần thể đơn bội kép.
2.2. Ưu điểm của MAS so với phương pháp truyền thống
MAS giúp tiết kiệm thời gian, tăng độ chính xác và hiệu quả trong việc chọn lọc các dòng lúa có khả năng chịu hạn. Nó cũng cho phép du nhập gen từ các loài hoang dại. Phương pháp hồi giao được sử dụng rộng rãi, tiết kiệm 1-2 thế hệ, giúp cho việc cải tiến cây trồng đáp ứng với sản xuất sớm hơn rất nhiều. Nó còn tạo nên các cơ hội để gia tăng cường độ chọn lọc trong những thế hệ đầu, trong khi phương pháp cổ truyền gần như không có chọn lọc hoặc chọn lọc bằng mắt rất yếu để loại bỏ các dòng xấu.
2.3. Quần thể và Marker sử dụng trong nghiên cứu.
Phân tích bản đồ phân tử trên quần thể BCF2, BCF2:3, cho kết quả lớn về số QTLs điều khiển tính trạng năng suất và phân lập các loici liên quan đến khô hạn. Đề tài còn tập trung vào tổ hợp lai tốt nhất. Phương pháp phân tích hữu dụng nhất là phương pháp dựa trên phân bố đơn biến. Quần thể được dùng trong phân tích bản đồ QTL thay đổi với nhiều thế hệ khác nhau.
III. Phân Tích QTL Tìm Gen Chịu Hạn trong Nghiên Cứu Giống Lúa
Việc phân tích QTL (Quantitative Trait Loci) đóng vai trò quan trọng trong việc xác định các vùng gen liên quan đến tính trạng chịu hạn của lúa. Thông qua phân tích này, các nhà khoa học có thể tìm ra các gen chịu hạn và sử dụng chúng trong quá trình lai tạo giống lúa. Nghiên cứu này đã sử dụng các phương pháp phân tích QTL để xác định các gen chịu hạn quan trọng trong các dòng lúa khác nhau. QTL liên kết với kiểu hình góp phần 32,28%, 20,73% và 9,95% theo thứ tự trên các cặp lai OM1490/WAB881 SG9, OM1490/WAB880-1-38-18-20-P1-HBvà OM4495/IR65195-3B-2-2-2-2. Kết quả cho thấy sự phức tạp trong di truyền tính trạng chịu hạn, đòi hỏi các nghiên cứu sâu hơn để hiểu rõ cơ chế hoạt động của các gen này.
3.1. Vai trò của phân tích QTL trong chọn tạo giống
Phân tích QTL giúp xác định các gen liên quan đến tính trạng chịu hạn, từ đó chọn lọc và lai tạo các giống lúa mới. Phân tích tuyến tính cung cấp so sánh về sự thích nghi của giống cây trồng với từng môi trường. QTL được phát hiện trong một quần thể của những cặp lai khác nhau. Tuy nhiên cần có một mô hình tốt hơn về sự đáp ứng của kiểu gen và của môi trường để khẳng định lại nguồn gốc của mối tương tác như vậy.
3.2. Các gen chịu hạn được xác định trong nghiên cứu
Thông qua phân tích QTL, nghiên cứu đã xác định được một số gen chịu hạn quan trọng trong các dòng lúa khác nhau. Nghiên cứu trên các cặp lai cả lai đơn và lai backcross cho thấy phân tích khả năng chống chịu khô hạn khá tốt trên tổ hợp lai BC2F2 ghi nhận cho thấy con lai có khả năng chống chịu điều kiện khô hạn tốt. Tuy nhiên sự biến động rất lớn. Trong di truyền kinh điển, những gen chất lượng có nhiều hơn một bộc lộ về kiểu hình.
3.3. Hiệu quả sử dụng nước WUE và các QTL liên quan
Tính trạng WUE (hiệu quả sử dụng nước) được tìm thấy với rất ít QTL. Đề tài trong các năm qua phân tích các cặp lai cả lai đơn và lai backcross điều ghi nhận rằng phân tích khả năng chống chịu khô hạn khá tốt trên tổ hợp lai BC2F2 ghi nhận cho thấy con lai có khả năng chống chịu điều kiện khô hạn tốt. Tính trạng WUE được tìm thấy với rất ít QTL (Nguyễn Thị Lang và ctv, 2006)[3].
IV. Kết Quả Nghiên Cứu Các Dòng Lúa Chịu Hạn Triển Vọng và Ứng Dụng
Nghiên cứu đã tạo ra nhiều dòng giống lúa chịu hạn triển vọng, có khả năng chống chịu tốt với điều kiện khô hạn và cho năng suất ổn định. Các dòng lúa này đang được khảo nghiệm và đánh giá trên nhiều vùng sinh thái khác nhau để xác định tiềm năng ứng dụng trong thực tế sản xuất. Theo báo cáo, 25 dòng, giống triển vọng đã được đưa vào sản xuất, 1 giống xin công nhận tạm thời và đang chờ xin công nhận giống chính thức. 1 giống được khảo nghiệm quốc gia 2 vụ và 5 giống xin khảo nghiệm quốc gia 1 vụ. Những kết quả này cho thấy tiềm năng lớn của việc ứng dụng dấu chuẩn phân tử trong việc tạo giống lúa chịu hạn.
4.1. Danh sách các dòng lúa chịu hạn triển vọng
Nghiên cứu đã tạo ra 25 dòng, giống triển vọng, 1 giống xin công nhận tạm thời và đang chờ xin công nhận giống chính thức. 1 giống được khảo nghiệm quốc gia 2 vụ và 5 giống xin khảo nghiệm quốc gia vụ đầu tiên. Các dòng này được đánh giá cao về khả năng chống chịu hạn và năng suất ổn định. Thông thường các giống khô hạn còn bị ảnh hưởng bệnh đạo ôn và yếu rạ nên năng suất chưa cao. Đề tài này tiếp nối để bổ sung các giống quy tụ vào một vài gen quý phục vụ cho sản xuất tại vùng ĐBSCL.
4.2. Khảo nghiệm và đánh giá trên nhiều vùng sinh thái
Các dòng lúa triển vọng đang được khảo nghiệm và đánh giá trên nhiều vùng sinh thái khác nhau để xác định khả năng thích ứng và tiềm năng ứng dụng. Quần thể được dùng trong phân tích bản đồ QTL thay đổi với nhiều thế hệ khác nhau. Rất hiếm khi, QTL được phát hiện trong một quần thể của những cặp lai khác nhau (Reddy và ctv, 2004)[13]. Người ta thường gặp nhiều khó khăn khi so sánh kết quả ghi nhận được từ quần thể đơn bội kép (DH) với quần thể cận giao tái tổ hợp (RILs), hoặc quần thể chọn giống nào đó.
4.3. Ứng dụng thực tế và hiệu quả kinh tế
Các dòng lúa chịu hạn triển vọng có tiềm năng lớn trong việc nâng cao năng suất và thu nhập cho người nông dân ở các vùng khô hạn.Những kết quả này đã và sẽ phát huy tác dụng, hiệu quả trong các chương trình cải tiến nguồn gen và trong thực tế sản xuất lúa ở các vùng. Tuy nhiên để cụ thể và chọn tiếp các dòng triển vọng cần chú ý khắc phục và chọn tạo tốt để đạt hiệu quả trong thời gian tới với các giống có năng suất cao và chóng chịu tốt với điều kiện sâu bệnh và phẩm chất tốt.
V. Tương Lai Nghiên Cứu Hướng Phát Triển Tạo Giống Lúa Chịu Hạn
Nghiên cứu về tạo giống lúa chịu hạn bằng dấu chuẩn phân tử cần được tiếp tục đẩy mạnh trong tương lai. Các hướng phát triển tiềm năng bao gồm: khám phá và khai thác các nguồn gen chịu hạn mới, nghiên cứu sâu hơn về cơ chế chịu hạn của lúa, và ứng dụng các công nghệ tiên tiến trong chọn tạo giống. Chương trình lúa khô hạn và lúa ngập tại các nước châu Á, trong đó Việt Nam là một trong những quốc gia chịu ảnh hưởng nặng nề nhất bởi biến đổi khí hậu. Cần có sự hợp tác chặt chẽ giữa các nhà khoa học, các tổ chức nghiên cứu và các doanh nghiệp để đưa các giống lúa chịu hạn chất lượng cao đến với người nông dân.
5.1. Khám phá và khai thác nguồn gen chịu hạn mới
Việc tìm kiếm và khai thác các nguồn gen chịu hạn mới là yếu tố quan trọng để tạo ra các giống lúa có khả năng thích ứng tốt hơn với điều kiện khô hạn. Đa dạng di truyền cây lúa không phải là một khái niệm chật hẹp có giới hạn; bởi vì một số gen quan trọng đã được chuyển nạp thành công từ loài khác; thí dụ lúa vàng giàu vitamin A.
5.2. Nghiên cứu sâu hơn về cơ chế chịu hạn của lúa
Việc hiểu rõ cơ chế chịu hạn của lúa sẽ giúp các nhà khoa học can thiệp và cải thiện khả năng chịu hạn của cây trồng một cách hiệu quả hơn. Một gen A tỏ ra ưu thế hơn gen B trong môi trường nào đó; nhưng lại tỏ ra kém hơn gen B trong điều kiện môi tường khác. Loại hình biến dị này này bắt nguồn từ sự phản ứng của kiểu gen đối với điều kiện nhất định của môi trường gọi là sự tương tác giữa kiểu gen và môi trường.
5.3. Ứng dụng công nghệ tiên tiến trong chọn tạo giống
Ứng dụng các công nghệ tiên tiến như genome editing, bioinformatics và phenomics sẽ giúp tăng tốc quá trình chọn tạo giống và tạo ra các giống lúa chịu hạn vượt trội. Để làm được điều ấy, người ta phải thực hiện nghiên cứu trình tự genome, xây dựng quỹ gen (genetic stocks), và cải tiến phương pháp đánh giá kiểu hình. Đề tài phải thực hiện nghiên cứu trình tự bộ gen, xây dựng quỹ gen (genetic stocks) và cải tiến phương pháp đánh giá kiểu hình.
VI. Kết Luận Nghiên Cứu Tạo Giống Lúa Chịu Hạn Phát Triển Bền Vững
Nghiên cứu tạo giống lúa chịu hạn bằng dấu chuẩn phân tử là một hướng đi đúng đắn và cần thiết để đảm bảo an ninh lương thực trong bối cảnh biến đổi khí hậu. Các kết quả nghiên cứu đã tạo ra nhiều dòng giống lúa chịu hạn triển vọng, có tiềm năng lớn trong việc nâng cao năng suất và thu nhập cho người nông dân. Để phát huy tối đa hiệu quả của nghiên cứu, cần có sự đầu tư và hợp tác chặt chẽ giữa các bên liên quan, hướng tới mục tiêu phát triển nền nông nghiệp bền vững.
6.1. Tóm tắt các thành tựu chính của nghiên cứu
Nghiên cứu đã tạo ra nhiều dòng giống lúa chịu hạn triển vọng, xác định các gen chịu hạn quan trọng và ứng dụng thành công dấu chuẩn phân tử trong quá trình chọn tạo giống.Thay đổi khí hậu sẽ làm thay đổi mức thiệt hại của khô hạn, nhiệt độ cao và phổ gây hại của sâu bệnh. Chiến lược phát triển của đề tài này tập trung vào nội dung: (1) thích ứng sự thay đổi khí hậu tạo ra giống chống chịu khô hạn cả hai giai đoạn mạ và giai đoạn trổ hoa, (2) cải tiến năng suất vượt trần từ 4- 6 tấn, (3) tạo nền tảng đa dạng di truyền.
6.2. Khuyến nghị và giải pháp trong tương lai
Cần tiếp tục đầu tư vào nghiên cứu tạo giống lúa chịu hạn, tăng cường hợp tác quốc tế và chuyển giao công nghệ, đồng thời hỗ trợ người nông dân tiếp cận và ứng dụng các giống lúa mới.Cần có sự hợp tác chặt chẽ giữa các nhà khoa học, các tổ chức nghiên cứu và các doanh nghiệp để đưa các giống lúa chịu hạn chất lượng cao đến với người nông dân.
