Luận văn thạc sĩ: Chọn tạo giống lúa chịu mặn bằng phương pháp MABC

Luận văn thạc sĩ trình bày quy trình ứng dụng phương pháp MABC (Marker Assisted Backcrossing) trong việc chọn tạo giống lúa chống chịu mặn hiệu quả.

• Tác giả: Trần Long
• Người hướng dẫn: Lưu Minh Cúc
• Trường học: Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Di truyền học
• Đề tài: Ứng dụng phương pháp MABC nhằm chọn tạo giống lúa chịu mặn
• Loại tài liệu: Luận văn
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới thiệu về phương pháp MABC trong cải tạo giống lúa

Marker Assisted Backcrossing (MABC) là một phương pháp hiện đại kết hợp giữa chỉ thị phân tử và lai trở lại để tạo giống lúa chịu mặn. Phương pháp này giúp giảm thời gian cải tạo giống so với phương pháp truyền thống, từ 8-10 năm xuống còn 4-5 năm. MABC sử dụng các chỉ thị SSR (Simple Sequence Repeat) để theo dõi gen chịu mặn trong quá trình lai nhân tạo. Kỹ thuật này cho phép nhà khoa học chọn lọc các cá thể mang gen mong muốn với độ chính xác cao, tăng hiệu quả chọn giống và giảm chi phí so với phương pháp thông thường.

1.1. Khái niệm và nguyên tắc hoạt động

MABC là phương pháp tổng hợp giữa công nghệ phân tử và chọn giống cây trồng. Nguyên tắc hoạt động dựa trên việc sử dụng chỉ thị DNA để phát hiện các gen chịu mặn trong các thế hệ BC1F1, BC2F1 và BC3F1. Quá trình này loại bỏ các cá thể không mang gen đích, giữ lại các dòng có kiểu gen ưu tú với tỷ lệ gen bố mẹ tái tổ hợp cao nhất.

1.2. Lợi thế so với phương pháp truyền thống

MABC cung cấp độ chính xác cao trong việc xác định gen chịu mặn mà không cần đợi đến giai đoạn ra hoa. Phương pháp này tiết kiệm thời gian và nhân lực, cho phép đẩy nhanh tiến độ cải tạo giống. Chi phí giảm đáng kể vì giảm bớt số lượng cá thể cần đánh giá hình thái.

II. Các chỉ thị phân tử sử dụng trong MABC

Trong chọn giống lúa chịu mặn bằng MABC, các chỉ thị SSR (Simple Sequence Repeat) được sử dụng rộng rãi nhất. Các chỉ thị này được tách chiết từ ADN tổng số của thực vật và khảo sát qua phương pháp PCR. Kết quả được phân tích bằng điện di gel agarose hoặc gel polyacrylamide để xác định kiểu gen của mỗi cá thể. Ngoài ra, còn có các chỉ thị RFLP, RAPD, AFLP và STS được áp dụng trong nghiên cứu đa dạng di truyền và lập bản đồ di truyền. Việc khảo sát đa hình giữa giống bố mẹ giúp xác định chính xác vị trí gen chịu mặn trên nhiễm sắc thể.

2.1. Chỉ thị SSR và ứng dụng trong MABC

SSR (Simple Sequence Repeat) là những chuỗi DNA lặp lại đơn giản, có tính đa hình cao. Những chỉ thị này dễ phát hiện, chi phí thấp và độ tin cậy cao trong xác định kiểu gen. Qua phản ứng PCR với mồi SSR, ta có thể phân biệt rõ ràng các alen khác nhau trong thế hệ BC nhân tạo.

2.2. Quy trình tách chiết và phân tích ADN

Tách chiết ADN tổng số thực hiện bằng phương pháp CTAB để đảm bảo độ tinh sạch cao. Sau đó, phản ứng PCR được tiến hành với các mồi SSR đặc hiệu. Sản phẩm PCR được điện di trên gel để quan sát mẫu banding, từ đó xác định kiểu gen của từng cá thể BC.

III. Quy trình tạo giống lúa chịu mặn bằng MABC

Quy trình MABC bao gồm các bước chính: (1) Lai nhân tạo giữa giống ưu tú (giống nhận - recurrent parent) và giống bố mẹ cho gen chịu mặn (donor parent); (2) Tách chiết ADN từ các thế hệ F1, BC1F1, BC2F1, BC3F1; (3) Phân tích bằng chỉ thị phân tử để xác định kiểu gen; (4) Chọn lọc các cá thể mang gen mong muốn; (5) Tiếp tục lai trở lại với giống cha nuôi để tăng tỷ lệ gen cha nuôi từ 50% lên 87.5% (BC3F1). Sau khi đánh giá tính chịu mặn bằng phương pháp xử lý mặn nhân tạo trong điều kiện Yoshida, các dòng chọn lọc được đánh giá chỉ tiêu nông sinh học và yếu tố cấu thành năng suất để chọn giống tối ưu.

3.1. Các thế hệ lai và chọn lọc bằng chỉ thị

Thế hệ BC1F1 (50% gen cha nuôi): chọn lọc các cá thể mang gen chịu mặn từ bố mẹ cho. Thế hệ BC2F1 (75% gen cha nuôi): tiếp tục chọn lọc để tăng tỷ lệ gen cha nuôi. Thế hệ BC3F1 (87.5% gen cha nuôi): đạt độ xuyên hệ cao, sẵn sàng thử nghiệm thực địa.

3.2. Đánh giá và xác nhận tính chịu mặn

Các dòng chọn lọc được đánh giá tính chịu mặn trong điều kiện xử lý mặn nhân tạo dùng môi trường Yoshida. Quá trình này đánh giá khả năng sống sót, độ hư hại lá và quả tải. Các dòng có tính chịu mặn tốt nhất được tiếp tục đánh giá ở nông trường để xác nhận hiệu suất trong thực tế.

IV. Kết quả và ứng dụng thực tiễn

Phương pháp MABC đã cho ra các giống lúa chịu mặn có năng suất cao phù hợp với điều kiện vùng đồng bằng ven biển Việt Nam. Các giống này có khả năng chịu được nước mặn từ 4-6 dS/m, thích ứng tốt với biến đổi khí hậu và nước biển dâng. Trên thế giới, IRRI (International Rice Research Institute) đã tạo ra nhiều giống lúa chịu mặn như FL478, AS996 bằng phương pháp này. Ở Việt Nam, Viện Di truyền Nông nghiệp đã thực hiện thành công dự án tạo giống lúa chịu ngập chìm và chịu mặn, tạo ra các dòng lúa cải tiến có khả năng thích ứng cao với điều kiện tự nhiên khắc nghiệt. Ứng dụng MABC giúp giảm diện tích nhiễm mặn không sử dụng được, tăng năng suất lúa ở các vùng bị ảnh hưởng bởi biến đổi khí hậu.

4.1. Các giống lúa chịu mặn đã tạo được

Giống AS996/FL478 kết hợp được tính chịu mặn tốt từ gen bố mẹ cho. Các dòng chọn lọc từ thế hệ BC3F1 có khả năng sống sót cao (trên 80%) dưới điều kiện xử lý mặn nhân tạo. Những giống này có năng suất đạt 5-6 tấn/ha ở vùng đất bị nhiễm mặn vừa.

4.2. Triển khai ứng dụng và tầm quan trọng kinh tế

Các giống lúa chịu mặn giúp tăng thu nhập cho nông dân ở vùng đồng bằng sông Cửu Long nơi có diện tích đất nhiễm mặn lớn. Phương pháp MABC rút ngắn thời gian tạo giống, giảm chi phí nghiên cứu, tăng tính hiệu quả của công tác cải tạo giống. Những giống này góp phần đảm bảo an ninh lương thực, thích ứng với nước biển dâng do biến đổi khí hậu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Lúa gạo cung cấp khoảng 32% tổng sản lượng lương thực Châu Á. Mỗi năm toàn thế giới cung cấp khoảng 729 triệu tấn gạo, trong đó chỉ tính riêng khu vực Châu Á là 661 triệu tấn [15]. Biến đổi khí hậu toàn cầu là mối đe dọa lớn đối với an ninh lương thực thế giới. Với hơn 3000km bờ biển, hàng năm những vùng trồng lúa ven biển Việt Nam chịu ảnh hưởng rất nhiều do sự xâm thực của biển.

Theo thống kê, diện tích đất ngập mặn năm 1992 là 494.000 ha, đến năm 2000 là 606.792 ha [1] và năm 2013, chỉ tính riêng trên đồng bằng song Cửu Long là khoảng 740. Đồng bằng sông Cửu Long là vùng tạo ra 40% GDP nông nghiệp của cả nước. So với cả nước, sản lượng lương thực vùng chiếm 50%, thủy sản chiến 70%. Tuy nhiên, Đồng bằng sông Cửu Long lại được xem là vùng sẽ phải chịu tác động của biến đổi khí hậu nhiều nhất và những tác động này sẽ ảnh hưởng rất lớn đến an ninh lương thực.

Đặc biệt, trong điều kiện khí hậu toàn cầu đang thay đổi, hiện tượng băng tan ở hai cực, và hệ lụy của nó là nước biển dâng lên đe dọa các vùng đất canh tác thấp ven biển. Như vậy, đất nhiễm mặn là một trong những yếu tố chính gây khó khăn cho chiến lược phát triển sản lượng lúa gạo và ảnh hưởng xa hơn là mục tiêu đảm bảo an ninh lương thực sẽ khó hoàn thành. Do đó, việc hạn chế mức độ gây hại của sự nhiễm mặn đến năng suất lúa gạo là một vấn đề cần được quan tâm nghiên cứu. Theo kịch bản biến đổi khí hậu năm 2012, nếu mực nước biển dâng 1m, sẽ có khoảng 39% diện tích đồng bằng sông Cửu Long, trên 10% diện tích vùng đồng bằng sông Hồng và Quảng Ninh, trên 2,5% diện tích thuộc các tỉnh ven biển miền Trung và trên 20% diện tích Thành phố Hồ Chí Minh có nguy cơ bị ngập; gần 35% dân số thuộc các tỉnh vùng đồng bằng sông Cửu Long, trên 9% dân số vùng đồng bằng sông Hồng và Quảng Ninh, gần 9% dân số các tỉnh ven biển miền Trung và khoảng 7% dân số Thành phố Hồ Chí Minh bị ảnh hưởng trực tiếp; trên 4% hệ thống đường sắt, trên 9% hệ thống quốc lộ và khoảng 12% hệ thống tỉnh lộ của Việt Nam sẽ bị ảnh hưởng [2].

Để giải quyết những khó khăn này, việc chọn tạo các giống lúa chịu mặn là rất cần thiết. Xuất phát từ nhu cầu trên, chúng tôi tiến hành đề tài: “Ứng dụng phương pháp MABC nhằm chọn tạo giống lúa chịu mặn”. 1 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài: Sử dụng phương pháp chọn giống nhờ chỉ thị phân tử kết hợp với lai trở lại trong quy tụ gen chịu mặn Saltol đã được xác định trước trong giống lúa FL478 vào giống lúa AS996 đang được trồng phổ biến tại Việt Nam để tạo ra dòng AS996 – Saltol đáp ứng nhu cầu về giống chịu mặn trong sản xuất lúa gạo. 2 CHƢƠNG I TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.

Ảnh hƣởng của biến đổi khí hậu đến sản xuất nông nghiệp trên thế giới và Việt Nam 1. Ảnh hƣởng của biến đổi khí hậu đến sản xuất nông nghiệp trên thế giới Biến đổi khí hậu (BĐKH) là sự biến động trạng thái trung bình của khí hậu toàn cầu hay khu vực theo thời gian từ vài thập kỷ đến hàng triệu năm. Nguyên nhân của những biến đổi này là do quá trình động lực của trái đất, bức xạ mặt trời, và gần đây có thêm hoạt động tác động của con người. Biến đổi khí hậu ngày nay không còn là vấn đề của một quốc gia hay của một khu vực mà là vấn đề toàn cầu.

Biến đổi khí hậu sẽ tác động nghiêm trọng đến sản xuất, đời sống và môi trường trên phạm vi toàn thế giới. Nhiệt độ tăng, mực nước biển dâng cao, sẽ gây hiện tượng ngập lụt, gây nhiễm mặn nguồn nước, ảnh hưởng đến nông nghiệp, gây rủi ro lớn đối với công nghiệp và các hệ thống kinh tế - xã hội trong tương lai (Ứng phó với biến đổi khí hậu và biển dâng, 2009). Những thách thức của biến đổi khí hậu đối với sản xuất lúa gạo là vô cùng quan trọng. Phần lớn lúa gạo mà thế giới sử dụng được trồng ở các vùng đất thấp hoặc vùng đồng bằng ở các quốc gia như Việt Nam, Thái lan, Bangladesh, Ấn Độ.

Những khu vực này lại có nguy cơ bị xâm nhập mặn khi mực nước biển dâng cao, cho thấy sự cần thiết của các giống lúa có khả năng chịu đựng được cả tình trạng ngập nước lẫn độ mặn cao. Theo báo cáo của FAO (2010), trên 800 triệu ha đất trên toàn thế giới bị ảnh hưởng nghiêm trọng bởi muối và khoảng 20% diện tích tưới (khoảng 45 triệu ha) được ước tính bị vấn đề xâm nhập mặn theo mức độ khác nhau [15]. Điều này là nghiêm trọng hơn kể từ khi các khu vực tưới tiêu có trách nhiệm bảo đảm một phần ba sản xuất lương thực thế giới. Ở Châu Á nếu nước biển dâng lên 1m, khoảng 25.000km 2 rừng đước sẽ bị ngập, 10.000km2 đất canh tác và diện tích nuôi trồng thủy sản trở thành đầm lầy ngập mặn, 21,5 triệu ha đât canh tác phải đối mặt với vấn đề nhiễm mặn, và ước tính gây thiệt hại lên tới 50% đất trồng trọt toàn cầu vào khoảng giữa thế kỷ 21 [28].

Ở hạ lưu sông Nil (Ai Cập), 6 triệu người phải di dời và 4.500km 2 đất nông nghiệp bị ngập và nhiễm mặn. Ở Bangladesh 18% diện tích đất nông nghiệp bị ngập, ảnh 3 hưởng đến 11% dân số. Theo ước tính của Viện nghiên cứu Lúa Quốc tế (IRRI) mỗi năm nông dân Ấn Độ và Bangladesh bị thiệt hại tới 4 triệu tấn thóc do lũ lụt, do nhiều giống lúa chỉ chịu ngập trong vòng chưa đầy một tuần. Còn ở Maldives hơn 80% diện tích đất thấp hơn mực nước biển và có thể bị ngập, mặn khi nước biển dâng cao [39].

Ảnh hƣởng của biến đổi khí hậu đến sản xuất nông nghiệp ở Việt Nam Việt Nam là một trong những nước chịu ảnh hưởng nặng nề do mực nước biển dâng. Nước biển dâng thì phần lớn đất màu mỡ nhất của Việt Nam sẽ bị ngập mặn. Theo đó, sản lượng lúa có thể giảm đáng kể do mực nước biển dâng cao và sự thay đổi lượng mưa làm thay đổi thủy văn ở các vùng đồng bằng. Do chúng ta có bờ biển dài hơn 3.620 km, 28 tỉnh, thành phố giáp biển nên mực nước biển dâng cao sẽ làm giảm lưu lượng dòng chảy của các con sông, thậm chí ngay cả tại các nơi xa bờ biển.

Kịch bản nước biển dâng ở Việt Nam so với thời kỳ 1980 – 1999 (Đơn vị tính: cm) Kịch bản Các mốc thời gian của thế kỷ 21 nƣớc biển dâng 2020 2030 2040 2050 2060 2070 2080 2090 2100 Thấp (B1) 8-9 11-13 16-18 28-21 27-33 33-40 39-48 44-56 49-64 Trung bình 8-9 12-13 17-19 23-26 29-34 36-43 43-52 50-62 57-73 (B2) Cao (A1F1) 8-9 13-14 18-20 25-29 34-40 44-52 55-65 66-80 78-95 (Kịch bản BĐKH nước biển dâng cho Việt Nam)- nguồn Bộ Tài nguyên Môi trường - 2012. Các nhà khoa học chỉ ra rằng, khi nước biển dâng, tùy mức độ sẽ có những phần diện tích canh tác ở Đồng bằng Sông Cửu Long, Đồng bằng Sông Hồng, các đồng bằng duyên hải khác bị ngập mặn. Theo kịch bản A1FI, lũ sẽ gây ngập 90% diện tích trong 4,5 – 5 tháng/năm, vào mùa kiệt nước mặn (nồng độ muối 4%) xâm nhập trên 70% diện tích…Đây lại là những vựa lúa của cả nước nên khi đó chắc chắn an ninh lương thực bị đe dọa. Việt Nam là một trong những nước bị ảnh hưởng 4 nghiêm trọng nhất bởi mực nước biển dâng, dẫn đến sự xâm nhiễm mặn ngày càng gia tăng, chủ yếu là Đồng bằng Sông Hồng và Đồng bằng Sông Cửu Long.

Mặn là hiện tượng liên kết với nước biển dâng mang nước mặn tiến sâu vào đất liền, biến nhiều vùng đất trồng lúa bị mặn hóa [3]. Các vùng nhiễm mặn ở Việt Nam Đất nhiễm mặn là loại đất có chứa nhiều cation Na + hấp phụ trên bề mặt keo đất và trong dung dịch đất [1;2]. Đất chứa nhiều Na + dưới dạng muối tan NaCl, Na2SO4 nên áp suất thẩm thấu dung dịch đất lớn làm ảnh hưởng tới quá trình hút nước và dinh dưỡng cây trồng. Hoạt động của vi sinh vật đất yếu Sự hình thành đất nhiễm mặn do 2 nguyên nhân chủ yếu là ảnh hưởng của nước ngầm hay do ảnh hưởng của nước biển mặn theo trủy triều tràn vào.

Ở Việt Nam, các vùng nhiễm mặn tập trung chủ yếu ở 2 vùng châu thổ lớn là ĐBSH và ĐBSCL. Ảnh hưởng của nước biển ở vùng cửa sông vào đất liền ở ĐBSH chỉ khoảng 15km, nhưng ở vùng ĐBSCL lại có thể xâm nhập tới 40 – 50 km (FAO, 2012) [16]. Vùng đất nhiễm mặn Đồng bằng sông Cửu Long: Theo kịch bản biến đổi khí hậu năm 2012 [2] dự báo khoảng 7.600km2 (tương đương 20% diện tích) ĐBSCL sẽ chìm khi nước biển dâng 75cm và ở mức 100cm thì phạm vi ngập trải rộng trên diện tích 15.116km 2, tương đương 37,8% diện tích tự nhiên toàn vùng. Dự báo vào năm 2030, khoảng 45% đất của ĐBSCL có nguy cơ nhiễm mặn cục bộ.

Nhiễm mặn gây hại rất lớn cho sự sinh trưởng và phát triển của cây lúa, trung bình năng suất lúa có thể giảm 20-25%, thậm chí tới 50%, ảnh hưởng nghiêm trọng đến canh tác 3 vụ mùa, sản lượng lương thực bị mất đi đáng kể, đe dọa an ninh lương thực quốc gia. Nước ta có khoảng 1 triệu ha đất nhiễm mặn, trong đó có 2 vùng nhiễm mặn lớn là vùng châu thổ sông Hồng và vùng lúa ĐBSCL. ĐBSCL có diện tích tự nhiên là 3,96 triệu ha, chiếm 12% diện tích cả nước, trong đó diện tích đất sản xuất nông nghiệp khoảng 2,9 triệu ha, đất sản xuất lâm nghiệp là 430.770 ha, đất khác chiếm 277.000 ha và đất chuyên dùng khoảng 262. ĐBSCL bị chia cắt bởi hệ thống sông tự nhiên kết hợp với hệ thống sông ngòi chằng chịt đã tạo thành hệ thống thủy lợi cung cấp nước cho sản xuất nông 5 nghiệp, thau chua rửa mặn và cũng là hệ thống vận chuyển đường thủy tốt, rất thuận lợi cho vận chuyển hàng hóa, nông sản.

Mùa lũ thường kéo dài 5 tháng với lượng nước chiếm khoảng 3/4 tổng lượng nước cả năm, và 7 tháng mùa khô cạn, lượng nước còn lại rất ít. Do đó, thủy triều có ảnh hưởng rất lớn đến phần lớn vùng hạ lưu sông Mekong, toàn bộ ĐBSCL vào mùa khô.