ĐẶT VẤN ĐỀ Lúa gạo (Oryza sativa L.) là cây trồng quan trọng cung cấp lương thực cho hơn 50% dân số thế giới. Giá trị của cây lúa đem lại không chỉ cung cấp lương thực cho con người mà còn là mặt hàng xuất khẩu đem lại nguồn thu ngoại tệ lớn. Do đó, việc nâng cao năng suất lúa gạo luôn là mục tiêu hàng đầu. Cấu trúc bông là một trong những tính trạng quan trọng quyết định năng suất lúa.
Từ những năm 1960, các nhà khoa học đã tập trung nghiên cứu nhằm tối ưu hóa kích thước cấu trúc bông lúa trong đó chiều dài bông, số lượng các gié/bông và số lượng hạt/bông là những đặc điểm được quan tâm nghiên cứu. Gần đây, phương pháp phân tích GWAS (Genome-Wide Association Study) ra đời cùng với các công nghệ giải trình tự thế hệ mới 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 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 & 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 & 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 & cs., 2020), từ đó mở ra cơ hội nghiên cứu ứng dụng QTL9 trong các chương trình chọn tạo giống lúa cao sản.
Nhằm đặt nền móng cho hướng nghiên cứu khai thác QTL9 để cải thiện năng suất của một số giống lúa chất lượng, chúng tôi tiến hành thực hiện đề tài: “Nghiên cứu tạo nguồn vật liệu mang QTL9 liên quan đến cấu trúc bông lúa”. MỤC ĐÍCH VÀ YÊU CẦU 1. Mục đích Tạo nguồn vật liệu mang QTL9 liên quan đến cấu trúc bông lúa phục vụ công tác cải tiến năng suất các giống lúa chất lượng ở Việt Nam. Yêu cầu - Tạo quần thể lai mang QTL9 liên quan đến cấu trúc bông lúa.
- Chọn lọc các cây lai mang QTL9 bằng chỉ thị phân tử CAPS. PHẠM VI NGHIÊN CỨU 1. Đối tượng nghiên cứu Đề tài nghiên cứu 13 giống lúa bao gồm 12 giống lúa năng suất và chất lượng được thu thập tại một số vùng sản xuất lúa ở Hà Nội, Nam Định, Bắc Ninh,… và 1 giống lúa thuộc tập đoàn lúa sử dụng trong phân tích GWAS. Thời gian nghiên cứu Thời gian nghiên cứu trong vụ Mùa năm 2021 và vụ Xuân năm 2022 ( từ tháng 10 năm 2021 đến tháng 5 năm 2022).
- Vụ Mùa 2021: Tiến hành lai tạo quần thể F1, BC1F1, BC2F1. - Vụ Xuân 2022: trồng cây lai F1, BC1F1, BC2F1 và chọn lọc cây lai mang QTL9 bằng CTPT CAPS. Địa điểm nghiên cứu Các thí nghiệm được thực hiện tại nhà lưới Viện Di truyền Nông nghiệp và phòng Thí nghiệm trọng điểm Công nghệ tế và thực vật, Viện Di truyền Nông nghiệp. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.
NGUỒN GỐC CỦA CÂY LÚA Theo công bố của Chang và cộng sự (1984), O.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.
YẾU TỐ CẤU THÀNH NĂNG SUẤT CỦA 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 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 3 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. Sau khi trỗ bông, quang hợp ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình tích luỹ tinh bột trong phôi nhũ; ở giai đoạn này, nếu điều kiện khí hậu không thuận lợi cho quá trình quang hợp thì tỷ lệ hạt chắc giảm rõ rệt.000 hạt: yếu tố này biến động không nhiều do điều kiện dinh dưỡng và ngoại cảnh mà chủ yếu phụ thuộc vào yếu tố giống.000 hạt được cấu thành bởi 2 yếu tố: khối lượng vỏ trấu (thường chiếm khoảng 20%) và khối lượng hạt gạo (thường chiếm khoảng 80%). Vì vậy muốn khối lượng hạt gạo cao, phải tác động vào cả 2 yếu tố này. Khối lượng nghìn hạt được xác định phần lớn do kích thước hạt, được quy định bởi ba yếu tố: Chiều 4 dài, chiều rộng và độ dày.
Để tăng khối lượng hạt, trước lúc trỗ bông, cần bón nuôi đòng để làm tăng kích thước vỏ trấu. Sau khi trỗ bông cần tạo điều kiện cho cây sinh trưởng tốt để quang hợp được tiến hành mạnh mẽ, tích lũy được nhiều tinh bột, khối lượng hạt sẽ cao. CẤU TRÚC BÔNG LÚA, TÍNH TRẠNG TRỌNG QUYẾT ĐỊNH ĐẾN 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, mỗi hoa cho một hạt, số lượng hoa quyết định số lượng hạt trên bông (Hình 2.
Quá trình phân nhánh của bông lúa phụ thuộc vào hoạt động của các tế bào 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 2. Cấu trúc bông lúa (A) và sự thay đổi qua quá trình thuần hóa (B) (Yoshida & cs., 2011) n: Số hạt trên bông 5 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 dưới kình hiển vi (Ta & cs.