Đặt vấn đề Lúa (Oryza sativa L.) là cây cung cấp lƣơng thực quan trọng, nuôi sống hơn một nửa dân số trên thế giới. Giá trị kinh tế cây lúa đem lại không còn giới hạn ở việc cung cấp lƣơng thực cho con ngƣời mà nay là mặt hàng xuất khẩu thu nguồn ngoại tệ lớn. Một trong những hƣớng gia tăng giá trị kinh tế cây lúa là phải đổi mới giống, đƣa vào sản xuất các giống có phẩm chất cao bởi vì gạo có phẩm chất tốt đƣợc tiêu thụ với giá cao hơn gạo có phẩm chất trung bình và kém (Trần Duy Quý, 2002). Độ bạc bụng là một trong những chỉ tiêu phẩm chất có liên quan trực tiếp đến chất lƣợng xay chà.
Bạc bụng tạo vết đục trong phôi nhũ của hạt. Đối với gạo tẻ tỉ lệ bạc bụng cao sẽ ảnh hƣởng đến tỉ lệ gãy của hạt cao trong chất lƣợng xay chà. Hơn nữa, dạng nội nhũ của hạt gạo là một trong số các yếu tố có vai trò quan trọng trong việc xuất khẩu lúa gạo. Bên cạnh đó, hiện nay việc sản xuất lúa ở Việt Nam đang phải đƣơng đầu với nhiều thách thức nhƣ việc thay đổi khí hậu toàn cầu, nƣớc biển dâng, xâm nhập mặn cộng với diện tích đất nông nghiệp giảm, thiếu nƣớc trong mùa khô; khả năng cạnh tranh kém của bộ giống lúa đang sản xuất trên đồng ruộng hiện nay, độ bạc bụng tăng theo xu hƣớng ấm lên của trái đất, hàm lƣợng amylose cao, giá trị độ bền gel thuộc nhóm cứng cơm là thách thức lớn cho nhà chọn giống (Nguyễn Thị Lang và Bùi Chí Bửu, 2011).
Hiện nay, việc ứng dụng công nghệ sinh học kết hợp với phƣơng pháp truyền thống đang là giải pháp đƣợc khuyến khích. Đồng thời, với xu hƣớng phát triển kinh tế toàn cầu, nhu cầu và thị hiếu của ngƣời tiêu dùng đòi hỏi chất lƣợng lƣơng thực ngày càng cao. Thêm vào đó, đặc tính bạc bụng đƣợc di truyền đa gen và chịu tác động của môi trƣờng. Cho nên, rất khó tìm đƣợc giống hoàn toàn không có bạc bụng mà hƣớng tới cải thiện giống ít bạc bụng.
Vì vậy, đề tài ―Ứng dụng chỉ thị phân tử để cải thiện tỉ lệ bạc bụng trên các giống lúa cao sản (Oryza sativa L.)‖ đƣợc thực hiện nhằm tạo chọn các dòng/giống lúa có năng suất cao và ít hoặc không bạc bụng. Mục tiêu nghiên cứu Tạo chọn các dòng lúa mới cho năng suất cao và tỉ lệ bạc bụng thấp nhằm cải thiện đƣợc tính trạng hạt gạo bạc bụng trên một số giống lúa cao sản nhờ vào các chỉ thị phân tử Microsatellite liên kết với gen kiểm soát tính trạng hạt gạo bạc bụng trên nhiễm sắc thể số 7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3. Ý nghĩa khoa học Khai thác nguồn gen qua đa dạng nguồn vật liệu lai bố mẹ từ lúa cao sản.
Nghiên cứu, chọn tạo các giống/dòng lúa có phẩm chất tốt và năng suất cao kết hợp chọn giống truyền thống với phƣơng pháp hiện đại bằng chỉ thị phân tử nhằm khắc phục những hạn chế của phƣơng pháp truyền thống, rút ngắn thời gian lai tạo và nâng cao hiệu quả chọn lọc. Ứng dụng các thành tựu mới trong chọn tạo: nghiên cứu cơ sở di truyền tính trạng mục tiêu (độ bạc bụng thấp) dựa trên phƣơng pháp lai hồi giao, chọn tạo bằng chỉ thị phân tử, bản đồ GGT, … Những thành công bƣớc đầu trong quy tụ gen bạc bụng thấp sử dụng chỉ thị phân tử ở lúa sẽ mở ra khả năng ứng dụng rộng rãi trong công tác chọn tạo giống nói chung, không chỉ đối với chỉ tiêu độ bạc bụng mà còn đối với nhiều đặc tính nông học quý khác. Ý nghĩa thực tiễn Ứng dụng các thành tựu mới của khoa học hiện đại vào trong chọn giống , nâng cao hiệu quả chọn tạo, rút ngắn thời gian và tăng hiệu suất chọn lọc cũng nhƣ hiệu quả kinh tế. Đề tài đã chọn ra đƣợc các dòng lúa triển vọng cải thiện đƣợc tính bạc bụng (tỉ lệ không bạc bụng cao) và thích nghi điều kiện môi trƣờng để bổ sung vào cơ cấu 3 giống phẩm chất cao nhằm phục vụ cho nhu cầu tiêu thụ nội địa và nâng cao khả năng cạnh tranh với các nƣớc trên thế giới về xuất khẩu gạo.
Các nội dung nghiên cứu trong đề tài có thể ứng dụng cho công tác chọn giống hiện nay. Sản phẩm từ đề tài là nguồn vật liệu và phƣơng pháp của đề tài là nguồn tƣ liệu cho các công trình nghiên cứu tiếp theo. Ngoài ra, đề tài còn góp phần phục vụ trong các công tác nghiên cứu và giảng dạy. Tính khoa học của đề tài Ứng dụng các kỹ thuật hiện đại để bổ sung cũng nhƣ giải quyết các hạn chế cho phƣơng pháp lai tạo giống truyền thống, rút ngắn thời gian nghiên cứu.
Kế thừa các nghiên cứu trƣớc trong việc lựa chọn vật liệu lai và chỉ thị phân tử. Ứng dụng sinh học phân tử và tin sinh học để phân tích và đánh giá các dữ liệu của đề tài. Ứng dụng bản đồ gen GGT để chọn các đoạn gen còn phân ly nhằm có biện pháp chọn lựa tiếp Các dòng lúa đƣợc chọn tạo trong đề tài là kết quả khoa học có khả năng ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu và sản xuất giống lúa phẩm chất cao ở vùng ĐBSCL. Những đóng góp mới của đề tài: Đề tài đánh giá nguồn vật liệu bố mẹ để khai thác tính trạng không bạc bụng.
Bên cạnh mục tiêu chọn tạo giống lúa mang gen không bạc bụng , đề tài còn chú ý đến năng suất cao và thời gian sinh trƣởng phù hợp. Điều này là điều kiện quyết định để các sản phẩm giống lúa có thể ứng dụng và phát triển rộng khi đề tài kết thúc. Kết hợp giữa lai tạo truyền thống, sinh học phân tử và tin sinh học trong nghiên cứu. Tính ứng dụng của đề tài: Đề tài đƣợc thực hiện thông qua phƣơng pháp lai tạo truyền thống kết hợp phƣơng pháp chọn lọc hiện đại bằng chỉ thị phân tử.
Thông qua kết quả đề tài cũng cho thấy tính hiệu quả của việc ứng dụng các kỹ thuật mới vào chọn tạo giống truyền thống. Sản phẩm đề tài còn là nguồn vật liệu về giống và chỉ thị phân tử cho các chƣơng trình lai tạo giống kế tiếp. Đề tài ứng dụng nguồn gen cây lúa cũng nhƣ các phƣơng pháp hỗ trợ trong chọn giống nhƣ phân nhóm di truyền, chọn lọc thông qua chỉ thị phân tử, phân tích đa dạng alen thông qua bản đồ GGT, … Đề tài cung cấp một chƣơng trình chọn tạo giống hiệu quả, mang giá trị tham khảo rất cao. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu * Đối tƣợng: Các giống lúa cao sản tại ĐBSCL.
* Phạm vi nghiên cứu: - Không gian: Thí nghiệm đƣợc bố trí tại Nhà lƣới, Ruộng thí nghiệm của Viện Lúa ĐBSCL và tại các tỉnh ĐBSCL đại diện cho các vùng sinh thái. Các chỉ tiêu đƣợc phân tích tại Phòng phân tích phẩm chất, Phòng Sinh học phân tử tại Bộ môn di truyền chọn giống, Phòng Công nghệ gen của Viện Nghiên cứu Nông nghiệp công nghệ cao ĐBSCL. - Thời gian: Từ năm 2013 đến năm 2017. - Phƣơng pháp: Các phƣơng pháp truyền thống kết hợp với phƣơng pháp hiện đại.
5 Chƣơng 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU VÀ CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI 1. Tính trạng bạc bụng trên cây lúa 1. Lúa chất lƣợng và tính trạng bạc bụng Lúa là một loại ngũ cốc quan trọng nhất cung cấp cho hơn một nửa dân số thế giới (Khush, 2005; Marathi và ctv. Do vậy, mà nhiều nƣớc trên thế giới kể cả những nƣớc không có kinh nghiệm trồng lúa nhƣ một số nƣớc thuộc Châu Phi, Nam Mỹ… cũng đã đề ra chiến lƣợc sản xuất lúa để tự đảm bảo an ninh lƣơng thực.
Điều này cho thấy lúa có tầm quan trọng đối với an ninh lƣơng thực thế giới. Khác với các cây lƣơng thực khác, lúa là cây lƣơng thực chủ yếu cho con ngƣời, cùng với sự phát triển của xã hội, chất lƣợng gạo đƣợc xem là đặc tính quan trọng sau năng suất lúa. Do đó, việc lai tạo giống chất lƣợng theo thị hiếu ngƣời tiêu dùng trở thành mục tiêu chính yếu trong các chƣơng trình chọn giống hiện nay. Khả năng để tạo ra giống lúa theo nhu cầu thị hiếu của một đặc tính cụ thể nào đó đặc biệt là các tính trạng về chất lƣợng, nhà chọn giống cần phải hiểu r bản chất di truyền của gen quy định các tính trạng mục tiêu.
Ngoài ra, việc phân nhóm các đặc tính quy định tính trạng chất lƣợng gạo cũng đặc biệt cần đƣợc chú ý. Chất lƣợng gạo bao gồm các đặc tính về vật lý và hóa học, phụ thuộc vào thị hiếu ngƣời tiêu dùng và chủ yếu liên quan đến hình dạng hạt, chất lƣợng xay chà, chất lƣợng cơm và hàm lƣợng dinh dƣỡng (Nguyễn Thị Lang và Bùi Chí Bửu, 2011; Guo và ctv. Trong các đặc tính phẩm chất, bạc bụng là một trong những yếu tố chính xác định chất lƣợng và giá trị hạt gạo, đƣợc các nhà chọn giống cũng nhƣ ngƣời tiêu dùng quan tâm (Tan và ctv., 2000; Guo và ctv., 2011; Peng và ctv. Bạc bụng tạo vết đục trong phôi nhũ của hạt là do sự gián đoạn trong quá trình làm đầy hạt tạo nên các khoảng không giữa các tế bào tinh bột (hạt tinh bột ở vùng bạc bụng sắp xếp rời rạc, có cấu trúc kém chặt chẽ hơn ở các vùng trong suốt) hình 6 thành vết màu đục trong hạt gạo thấy đƣợc do phản xạ ánh sáng (Tashiro and Wardlaw, 1991; Xi và ctv., 2014; Sreenivasulu và ctv.
Quan sát cấu trúc vật lý của hạt gạo bị và không bị bạc bụng dƣới kính hiển vi điện tử (Scanning electron microscopy-SEM) cho thấy ở hạt gạo có vết đục có cấu trúc hạt tinh bột dạng tròn và có kết cấu không chặt chẽ với nhiều khoảng trống nhỏ so với hạt không bị bạc bụng (Evers and Juliano, 1976; Tashiro and Wardlaw, 1991a; Kimet và ctv., 2000; Lisle và ctv., 2000; Zakaria và ctv.1: Mẫu so sánh hạt gạo không bạc bụng và hạt gạo bạc bụng dƣới kính hiển vi điện tử (Scanning electron microscopy-SEM) (Nguồn: Mitsui và ctv., 2013) Độ trong suốt của hạt gạo phụ thuộc vào tính chất cuả phôi nhũ, vết đục có thể xuất hiện ở bụng, lƣng hay trung tâm hạt gạo. Chính vì cấu trúc nhƣ thế nên hạt gạo dễ bị gãy tại điểm có vết đục khi xay chà làm giảm giá trị thƣơng phẩm của hạt gạo (Nguyễn Thị Lang và Bùi Chí Bửu, 2011; Lin và ctv. Bạc bụng liên quan trực tiếp đến chất lƣợng xay chà (IRRI, 2006). Đối với gạo tẻ, tỉ lệ bạc bụng cao sẽ ảnh hƣởng đến tỉ lệ gãy của hạt (hay gạo tấm) cao trong chất lƣợng xay chà.
