Luận Văn Thạc Sĩ: Ứng Dụng Chỉ Thị Phân Tử Liên Kết Gần Trong Chọn Giống Lúa Chịu Ngập Chìm

Luận văn thạc sĩ HUS nghiên cứu ứng dụng chỉ thị phân tử liên kết gần trong chọn giống lúa chịu ngập chìm, góp phần nâng cao năng suất lúa.

• Tác giả: Vũ Thị Thu Hằng
• Người hướng dẫn: TS. Lưu Thị Ngọc Huyền
• Trường học: Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
• Chuyên ngành: Di truyền học
• Đề tài: Ứng Dụng Chỉ Thị Phân Tử Liên Kết Gần Trong Chọn Giống Lúa Chịu Ngập Chìm
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ khoa học
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 1.1. ẢNH HƯỞNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU, NƯỚC BIỂN DÂNG ĐẾN SẢN XUẤT LÚA GẠO
• 1.1.1. Ảnh hưởng của biến đổi khí hậu, nước biển dâng đến sản xuất lúa gạo trên thế giới
• 1.1.2. Ảnh hưởng của biến đổi khí hậu, nước biển dâng đến sản xuất lúa gạo ở Việt Nam
• 1.2. CÁC VÙNG TRỒNG LÚA Ở VIỆT NAM CÓ KHẢ NĂNG BỊ NGẬP THEO KỊCH BẢN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU
• 1.2.1. Vùng trồng lúa có khả năng bị ngập ở Đồng bằng sông Hồng
• 1.2.2. Vùng trồng lúa có khả năng ngập ở Đồng bằng Sông Cửu Long
• 1.3. NGHIÊN CỨU VỀ CƠ CHẾ TÍNH CHỐNG CHỊU NGẬP CỦA CÂY LÚA
• 1.3.1. Gen chịu ngập của cây lúa và cơ chế hoạt động
• 1.3.2. Sinh lý học tính chống chịu ngập của cây lúa
• 1.3.3. Di truyền tính chống chịu ngập của cây lúa
• 1.4. MỘT SỐ LOẠI CHỈ THỊ PHÂN TỬ THƯỜNG ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU GENOME VÀ CHỌN GIỐNG THỰC VẬT
• 1.4.1. Chỉ thị phân tử ADN
• 1.4.2. Chỉ thị dựa trên cơ sở lai ADN
• 1.4.3. Chỉ thị dựa trên cơ sở nhân bản ADN
• 1.4.4. Chỉ thị dựa trên những cơ sở những chuỗi có trình tự lặp lại
• 1.4.5. Tính ưu việt và những ứng dụng của chỉ thị phân tử
• 1.4.5.1. Tính ưu việt của chỉ thị phân tử
• 1.4.5.2. Những ứng dụng của chỉ thị phân tử
• 1.5. NHỮNG NGHIÊN CỨU CHỌN TẠO GIỐNG CHỊU NGẬP
• 1.5.1. Những nghiên cứu chọn tạo giống chịu ngập trên thế giới
• 1.5.2. Những nghiên cứu chọn tạo giống chịu ngập ở Việt Nam
• 2. CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU
• 2.1.1. Các giống lúa nghiên cứu
• 2.1.2. Hóa chất và thiết bị thí nghiệm
• 2.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.2.1. Phương pháp lai hữu tính - lai trở lại giữa giống cho và nhận gen chịu ngập
• 2.2.2. Phương pháp tách chiết ADN tổng số
• 2.2.3. Phương pháp PCR với mồi SSR
• 2.2.4. Phương pháp điện di trên gel agarose 0,8%
• 2.2.5. Phương pháp điện di trên gel polyacrylamide
• 2.2.6. Phương pháp điện di trên gel polyacrylamide biến tính
• 2.2.7. Phương pháp điện di trên gel polyacrylamide không biến tính
• 2.2.8. Phương pháp xử lý số liệu
• 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. TÁCH CHIẾT VÀ TINH SẠCH ADN TỔNG SỐ
• 3.2. KHẢO SÁT ĐA HÌNH GIỮA HAI GIỐNG BỐ MẸ
• 3.3. QUY TỤ GEN CHỊU NGẬP CHÌM SUB1 VÀO GIỐNG LÚA AS996
• 3.3.1. Xác định con lai F1
• 3.3.2. Quy tụ gen Sub1 vào giống AS996 ở thế hệ BC1F1
• 3.3.3. Quy tụ gen Sub1 vào giống AS996 ở thế hệ BC2F1
• 3.3.4. Quy tụ gen Sub1 vào giống AS996 ở thế hệ BC3F1
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Ứng Dụng Chỉ Thị Phân Tử Trong Chọn Giống Lúa Chịu Ngập Chìm

Cây lúa (Oryza sativa) là một trong những cây lương thực quan trọng nhất trên thế giới, cung cấp thực phẩm cho khoảng 2/3 dân số toàn cầu. Tuy nhiên, sản xuất lúa gạo đang phải đối mặt với nhiều thách thức, đặc biệt là do biến đổi khí hậu và nước biển dâng. Việc ứng dụng chỉ thị phân tử trong chọn giống lúa chịu ngập chìm đã trở thành một giải pháp tiềm năng để nâng cao năng suất và chất lượng lúa gạo. Nghiên cứu này sẽ tập trung vào việc sử dụng các chỉ thị phân tử để xác định và quy tụ các gen chịu ngập vào các giống lúa có năng suất cao.

1.1. Khái Niệm Về Chỉ Thị Phân Tử Trong Nông Nghiệp

Chỉ thị phân tử là các đoạn DNA được sử dụng để xác định sự hiện diện của các gen cụ thể trong cây trồng. Chúng giúp các nhà khoa học và nhà chọn giống xác định nhanh chóng các tính trạng mong muốn, như khả năng chịu ngập của cây lúa. Việc sử dụng chỉ thị phân tử trong chọn giống giúp rút ngắn thời gian và tăng độ chính xác trong quá trình chọn lọc.

1.2. Tầm Quan Trọng Của Giống Lúa Chịu Ngập Chìm

Giống lúa chịu ngập chìm có khả năng sống sót và phát triển trong điều kiện ngập nước kéo dài. Điều này đặc biệt quan trọng ở các vùng đồng bằng ven biển, nơi mà nước biển dâng và lũ lụt ngày càng trở nên phổ biến. Việc phát triển các giống lúa này không chỉ giúp bảo đảm an ninh lương thực mà còn góp phần vào sự phát triển bền vững của nông nghiệp.

II. Thách Thức Trong Sản Xuất Lúa Gạo Do Biến Đổi Khí Hậu

Biến đổi khí hậu đang gây ra nhiều tác động tiêu cực đến sản xuất lúa gạo, đặc biệt là ở các quốc gia như Việt Nam. Nhiệt độ tăng cao, mực nước biển dâng và các hiện tượng thời tiết cực đoan đang làm giảm năng suất lúa. Các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng, mỗi năm, hàng triệu tấn lúa bị mất do lũ lụt và xâm nhập mặn. Điều này đặt ra thách thức lớn cho ngành nông nghiệp và an ninh lương thực.

2.1. Ảnh Hưởng Của Nước Biển Dâng Đến Sản Xuất Lúa

Nước biển dâng cao không chỉ làm ngập các vùng trồng lúa mà còn gây ra hiện tượng xâm nhập mặn, làm giảm chất lượng đất và nước. Theo ước tính, nếu mực nước biển dâng 1m, khoảng 40.000 km² đất nông nghiệp sẽ bị ngập, ảnh hưởng đến hàng triệu người nông dân.

2.2. Tác Động Của Thời Tiết Cực Đoan Đến Năng Suất Lúa

Thời tiết cực đoan như hạn hán, bão lũ và nhiệt độ cao đang làm giảm năng suất lúa. Các nghiên cứu cho thấy, trong những năm gần đây, năng suất lúa đã giảm từ 10-20% do các yếu tố này. Điều này đòi hỏi cần có các giống lúa có khả năng chịu đựng tốt hơn trước những biến đổi này.

III. Phương Pháp Chọn Giống Lúa Chịu Ngập Chìm Hiệu Quả

Phương pháp chọn giống lúa chịu ngập chìm hiện nay chủ yếu dựa vào công nghệ sinh học và các chỉ thị phân tử. Một trong những phương pháp hiệu quả nhất là lai trở lại kết hợp với chỉ thị phân tử (MABC). Phương pháp này cho phép các nhà chọn giống nhanh chóng quy tụ các gen chịu ngập vào các giống lúa có năng suất cao, từ đó tạo ra các giống lúa mới có khả năng chống chịu tốt hơn.

3.1. Lai Trở Lại Kết Hợp Với Chỉ Thị Phân Tử

Lai trở lại là phương pháp chọn giống truyền thống, nhưng khi kết hợp với chỉ thị phân tử, nó trở nên hiệu quả hơn. Các nhà nghiên cứu có thể xác định nhanh chóng các con lai mang gen chịu ngập, từ đó rút ngắn thời gian chọn lọc và tăng khả năng thành công trong việc phát triển giống mới.

3.2. Ứng Dụng Công Nghệ Sinh Học Trong Chọn Giống

Công nghệ sinh học đã mở ra nhiều cơ hội mới trong việc phát triển giống lúa chịu ngập. Các phương pháp như chỉnh sửa gen và tạo giống biến đổi gen đang được nghiên cứu và áp dụng để tạo ra các giống lúa có khả năng chịu ngập tốt hơn, đồng thời vẫn giữ được năng suất cao.

IV. Kết Quả Nghiên Cứu Về Giống Lúa Chịu Ngập Chìm

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc ứng dụng chỉ thị phân tử trong chọn giống lúa chịu ngập chìm đã đạt được nhiều kết quả khả quan. Các giống lúa mới được phát triển không chỉ có khả năng chịu ngập tốt mà còn duy trì được năng suất cao. Những kết quả này đã mở ra hướng đi mới cho ngành nông nghiệp trong việc ứng phó với biến đổi khí hậu.

4.1. Các Giống Lúa Mới Được Phát Triển

Nhiều giống lúa mới đã được phát triển thành công nhờ ứng dụng chỉ thị phân tử. Các giống này không chỉ có khả năng chịu ngập tốt mà còn có năng suất cao, đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của thị trường. Việc phát triển các giống lúa này sẽ giúp nông dân tăng thu nhập và cải thiện đời sống.

4.2. Ứng Dụng Kết Quả Nghiên Cứu Vào Thực Tiễn

Kết quả nghiên cứu đã được ứng dụng vào thực tiễn sản xuất, giúp nông dân có thêm lựa chọn giống lúa phù hợp với điều kiện canh tác. Việc này không chỉ giúp tăng năng suất mà còn góp phần bảo đảm an ninh lương thực cho đất nước.

V. Kết Luận Và Tương Lai Của Chọn Giống Lúa Chịu Ngập Chìm

Việc ứng dụng chỉ thị phân tử trong chọn giống lúa chịu ngập chìm là một bước tiến quan trọng trong ngành nông nghiệp. Những kết quả đạt được từ nghiên cứu không chỉ giúp nâng cao năng suất lúa mà còn góp phần vào việc bảo vệ môi trường và ứng phó với biến đổi khí hậu. Tương lai của ngành nông nghiệp sẽ phụ thuộc vào khả năng phát triển các giống lúa mới có khả năng chịu đựng tốt hơn trước những thách thức ngày càng gia tăng.

5.1. Hướng Đi Mới Trong Nghiên Cứu Giống Lúa

Nghiên cứu về giống lúa chịu ngập chìm sẽ tiếp tục được đẩy mạnh trong tương lai. Các nhà khoa học sẽ tập trung vào việc phát triển các giống lúa có khả năng chịu đựng tốt hơn trước biến đổi khí hậu, đồng thời vẫn đảm bảo năng suất và chất lượng.

5.2. Tầm Quan Trọng Của Hợp Tác Quốc Tế

Hợp tác quốc tế trong nghiên cứu và phát triển giống lúa chịu ngập chìm là rất cần thiết. Việc chia sẻ kiến thức và công nghệ giữa các quốc gia sẽ giúp tăng cường khả năng ứng phó với biến đổi khí hậu và bảo đảm an ninh lương thực toàn cầu.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Biến đổi khí hậu toàn cầu và hiện tượng nước biển dâng đang đặt ra những thách thức nghiêm trọng đối với an ninh lương thực thế giới, đặc biệt là tại các quốc gia phụ thuộc vào nông nghiệp lúa nước. Theo thống kê của Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ, thế giới có khoảng 156,1 triệu hecta đất canh tác lúa với tổng sản lượng đạt 697,9 triệu tấn thóc, trong đó châu Á chiếm hơn 90% diện tích và 92% tổng sản lượng toàn cầu. Hàng năm, các đợt bão lũ nghiêm trọng gây ngập lụt cục bộ đã làm thất thoát khoảng 25% sản lượng lúa tại nhiều vùng trũng, gây thiệt hại hàng tỷ USD.

Tại Việt Nam, cây lúa là nguồn lương thực chủ lực cung cấp cho hơn 89 triệu người với diện tích canh tác khoảng 7,4 triệu hecta, đạt sản lượng 39,71 triệu tấn thóc và xuất khẩu 6,493 triệu tấn gạo năm 2010. Hai vựa lúa lớn nhất là Đồng bằng sông Cửu Long với 3,79 triệu hecta (chiếm 50% sản lượng cả nước) và Đồng bằng sông Hồng với 1,18 triệu hecta (chiếm 17% sản lượng). Tuy nhiên, theo các kịch bản biến đổi khí hậu, nếu mực nước biển dâng cao 1,0 m, ước tính khoảng 40.000 km² đồng bằng ven biển sẽ bị ngập lụt, đe dọa 45% diện tích đất nông nghiệp tại Đồng bằng sông Cửu Long và 11% diện tích Đồng bằng sông Hồng, tác động trực tiếp đến 10,8% dân số (khoảng 22 triệu người).

Trước nguy cơ thiên tai gia tăng, việc phát triển các giống lúa có khả năng chịu ngập hoàn toàn trong thời gian từ 10 đến 14 ngày mà vẫn đảm bảo năng suất cao là nhiệm vụ cấp bách. Phương pháp chọn giống truyền thống thường kéo dài nhiều năm và khó theo dõi chính xác các gen chống chịu lặn. Đề tài luận văn tập trung ứng dụng phương pháp chọn giống nhờ chỉ thị phân tử kết hợp lai trở lại (Marker-Assisted Backcrossing - MABC) để chuyển nạp locus gen chịu ngập Sub1 từ giống cho IR64Sub1 vào giống nhận AS996 – một giống lúa thuần chất lượng cao đang được gieo trồng rộng rãi tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng di truyền học phân tử hiện đại kết hợp sinh lý học thực vật về tính chống chịu ngập ở cây lúa:

• Cơ chế kiểm soát của Locus Submergence 1 (Sub1): Locus Sub1 nằm trên nhiễm sắc thể số 9 của cây lúa, bao gồm cụm 3 gen mã hóa nhân tố phản ứng ethylene là Sub1A, Sub1B và Sub1C. Trong đó, gen Sub1A-1 đóng vai trò quyết định kích hoạt chiến lược "ngủ nghỉ" (quiescence strategy) khi cây bị ngập hoàn toàn. Sub1A-1 hạn chế quá trình kéo dài thân lá thông qua việc ức chế phản ứng của gibberellin (GA), giảm tiêu hao lượng carbohydrate dự trữ, duy trì hàm lượng diệp lục tố và bảo tồn năng lượng để cây nhanh chóng phục hồi, đẻ nhánh mạnh sau khi nước rút.
• Hệ thống chỉ thị phân tử SSR (Simple Sequence Repeats): Chỉ thị vi vệ tinh SSR là các đoạn ADN lặp lại ngắn (2-6 nucleotide) phân bố phổ biến trong hệ gen sinh vật nhân thực. SSR mang bản chất di truyền đồng trội, mức độ đa hình rất cao, kết quả tái lập ổn định và không bị phụ thuộc vào điều kiện môi trường bên ngoài hay giai đoạn sinh trưởng của cây trồng.
• Chiến lược chọn giống nhờ chỉ thị phân tử kết hợp lai trở lại (MABC): Quy trình MABC phân tách thành hai nhiệm vụ chính: chọn lọc thuận (foreground selection) sử dụng các chỉ thị liên kết chặt với gen đích Sub1 nhằm giữ lại alen kháng ngập qua từng thế hệ; và chọn lọc nền (background selection) sử dụng tập hợp các chỉ thị phân bố đều trên 12 nhiễm sắc thể để tối đa hóa tỷ lệ phục hồi hệ gen của giống nhận AS996.

Phương pháp nghiên cứu

Quá trình nghiên cứu thực nghiệm được thiết kế chặt chẽ với các nguồn vật liệu và kỹ thuật phân tích chuẩn hóa:

• Vật liệu nghiên cứu: Giống lúa nhận gen là AS996 (OM2431-996), có thời gian sinh trưởng 90-95 ngày, chiều cao cây 95-100 cm, năng suất đạt 6-8 tấn/ha vụ Đông Xuân và 4-5 tấn/ha vụ Hè Thu, có khả năng chịu phèn tốt nhưng mẫn cảm với ngập úng. Giống lúa cho gen chịu ngập là dòng IR64Sub1 mang locus Sub1 bắt nguồn từ giống lúa cổ truyền FR13A của Ấn Độ.
• Quy mô và phương pháp chọn mẫu: Tổng cộng 372 chỉ thị phân tử SSR phân bố rải rác trên toàn bộ 12 nhiễm sắc thể của cây lúa được sử dụng để khảo sát đa hình giữa hai dòng bố mẹ. Cỡ mẫu quần thể lai qua các thế hệ F1, BC1F1, BC2F1 và BC3F1 được chọn lọc cá thể dựa trên kết quả phân tích kiểu gen phân tử.
• Kỹ thuật sinh học phân tử: ADN tổng số được tách chiết từ mô lá non 2-3 tuần tuổi theo phương pháp CTAB cải tiến. Nồng độ và độ tinh sạch của ADN được kiểm tra bằng điện di trên gel agarose 0,8% nhuộm Ethidium Bromide. Phản ứng nhân bản chuỗi PCR được thiết lập với chu trình nhiệt chuẩn 35 chu kỳ. Sản phẩm khuếch đại được phân tách bằng phương pháp điện di trên gel polyacrylamide biến tính 4,5% nhuộm bạc và gel polyacrylamide không biến tính 6% nhuộm Sybr Safe.
• Phương pháp phân tích số liệu: Dữ liệu kiểu gen được mã hóa và phân tích thông qua phần mềm chuyên dụng Graphical Genotyper nhằm lập bản đồ phân tử và tính toán chính xác tỷ lệ phục hồi hệ gen nhận qua từng thế hệ lai trở lại.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã đạt được các kết quả cụ thể thông qua hệ thống dữ liệu phân tử thực nghiệm:

• Chất lượng tách chiết ADN tổng số: Quy trình CTAB cải tiến đạt hiệu suất cao với 100% số mẫu ADN phân lập có độ tinh sạch đạt chuẩn, không bị đứt gãy và nồng độ ổn định trong khoảng từ 200 đến 300 ng/µl khi đối chứng với thang Lambda ADN chuẩn 200 ng/µl.
• Tỷ lệ đa hình di truyền giữa hai giống bố mẹ: Trong số 372 chỉ thị SSR được kiểm tra trên toàn bộ hệ gen lúa, nghiên cứu đã phát hiện 53 chỉ thị cho băng đa hình rõ rệt giữa giống mẹ AS996 và giống bố IR64Sub1, đạt tỷ lệ đa hình 14,25%.
• Nhận diện chỉ thị liên kết vùng gen Sub1: Trên nhiễm sắc thể số 9, các chỉ thị SSR liên kết chặt với locus Sub1 như RM105, RM215, RM257, RM316, RM23662, RM24013, ART5, SC3, R9M10, RM7175, R9M30 và RM296 đã phân tách rõ rệt alen giữa hai giống bố mẹ, tạo công cụ chính xác cho việc chọn lọc gen đích.
• Hiệu quả chuyển nạp gen qua các thế hệ lai trở lại: Kiểm tra phân tử trên quần thể con lai F1 đã xác định chính xác các cá thể dị hợp tử mang gen Sub1. Tiếp tục quy trình lai trở lại với giống AS996 đã chọn lọc thành công các dòng mang gen Sub1 ở thế hệ BC1F1, BC2F1 và BC3F1. Tỷ lệ phục hồi nền gen của giống nhận AS996 tăng trưởng liên tục qua các thế hệ, đạt trên 85% ở thế hệ BC2F1 và vượt trên 92% ở thế hệ BC3F1.

Thảo luận kết quả

Kết quả chuyển nạp thành công locus Sub1 vào nền gen AS996 khẳng định tính khả thi vượt trội của phương pháp MABC so với quy trình chọn giống cổ điển. Trong chọn giống truyền thống, để chuyển một tính trạng lặn hoặc tính trạng phức tạp và phục hồi trên 90% nền gen bố mẹ nhận, các nhà tạo giống thường phải mất từ 6 đến 8 thế hệ lai trở lại kết hợp khảo nghiệm đồng ruộng tốn kém từ 5 đến 7 năm. Với sự hỗ trợ của các chỉ thị SSR liên kết gần, quá trình chọn lọc cá thể mang gen chịu ngập kết hợp đánh giá nền gen được thực hiện ngay từ giai đoạn cây mạ non 2-3 tuần tuổi, giúp rút ngắn thời gian tạo dòng thuần xuống chỉ còn 2-3 năm.

Cơ chế thích ứng sinh lý học cho thấy việc đưa thành công gen Sub1A-1 vào AS996 giúp cây duy trì hàm lượng carbohydrate dự trữ và hoạt tính diệp lục trong suốt chu kỳ 10-14 ngày bị ngập sâu, ngăn chặn hiện tượng tiêu hao năng lượng do vươn dài lóng thân mất kiểm soát. Khi so sánh với các nghiên cứu tương tự trên các giống Swarna-Sub1 tại Ấn Độ hay BR11-Sub1 tại Bangladesh, các dòng lai AS996 mang Sub1 thu được trong nghiên cứu này bảo tồn hoàn toàn các đặc tính nông học quý của giống gốc như thời gian sinh trưởng ngắn (90-95 ngày), khả năng chịu phèn và tiềm năng năng suất 6-8 tấn/ha.

Về mặt biểu diễn dữ liệu, toàn bộ sự biến đổi cấu trúc hệ gen qua các thế hệ lai được minh họa trực quan thông qua đồ thị kiểu gen đồ họa (Graphical Genotype) do phần mềm Graphical Genotyper kết xuất. Bản đồ nhiễm sắc thể thể hiện rõ các phân đoạn nhiễm sắc thể mang gen đích Sub1 được bảo tồn trên nhiễm sắc thể 9, cùng với biểu đồ cột biểu diễn tỷ lệ % phục hồi nền gen nhận AS996 tăng trưởng tuyến tính từ thế hệ BC1F1 đến BC3F1.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên những phát hiện khoa học của đề tài, các giải pháp và định hướng ứng dụng thực tiễn được đề xuất như sau:

• Tự thụ phấn cố định dòng thuần: Tiến hành tự thụ phấn các cá thể ưu tú ở thế hệ BC3F1 để tạo quần thể BC3F2, sử dụng các chỉ thị liên kết gần để sàng lọc và cố định các cá thể đồng hợp tử mang gen Sub1A-1 với tỷ lệ đồng hợp 100% trong thời gian 6-12 tháng tới.
• Đánh giá kiểu hình và khả năng chịu ngập đồng ruộng: Thiết lập hệ thống khảo nghiệm tính chịu ngập nhân tạo và ngập thực địa trong thời gian ngập 12-14 ngày tại các vùng sinh thái trũng thấp của Đồng bằng sông Cửu Long (như Tứ giác Long Xuyên với 1,75 triệu hecta lúa) và Đồng bằng sông Hồng (với 560 nghìn hecta lúa), mục tiêu duy trì tỷ lệ sống sót sau ngập đạt trên 80% và năng suất đạt 5-6 tấn/ha sau lũ.
• Chiến lược quy tụ đa gen (Gene Pyramiding): Định hướng các viện nghiên cứu chuyên ngành tiếp tục tích hợp đồng thời gen chịu ngập Sub1 với gen chịu mặn Saltol (nằm trên nhiễm sắc thể 1) và gen kháng đạo ôn vào nền giống AS996 trong giai đoạn 2025-2030, nhằm tạo ra bộ giống chống chịu đa yếu tố phục vụ các vùng ven biển chịu tác động kép của nước biển dâng và xâm nhập mặn.
• Thương mại hóa và phổ biến kỹ thuật: Đề nghị Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn phối hợp cùng các Trung tâm Khuyến nông Quốc gia hoàn thiện hồ sơ công nhận giống lúa chịu ngập mới, xây dựng quy trình sản xuất hạt giống thương phẩm cung ứng cho các vùng thường xuyên ngập lũ, phấn đấu phủ sóng diện tích gieo trồng đạt 50.000 hecta trong vòng 3 năm sau khi công nhận chính thức.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và phương pháp luận của luận văn mang lại giá trị khoa học và ứng dụng thực tiễn cao cho nhiều nhóm đối tượng:

• Các nhà khoa học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Di truyền - Chọn giống thực vật: Tài liệu cung cấp quy trình chuẩn hóa từ khâu thiết kế mồi SSR, tối ưu hóa điều kiện PCR, điện di polyacrylamide phân giải cao đến phương pháp phân tích nền gen bằng phần mềm Graphical Genotyper để ứng dụng cho các cây trồng khác.
• Cán bộ kỹ thuật tại các Viện, Trung tâm Nghiên cứu Nông nghiệp: Cung cấp giải pháp kỹ thuật cụ thể để ứng dụng công nghệ sinh học phân tử vào chọn tạo giống cây trồng có khả năng thích ứng với biến đổi khí hậu, rút ngắn chu kỳ chọn tạo giống thương mại.
• Giảng viên và sinh viên các trường Đại học khối Nông - Lâm - Sinh học: Là tài liệu học tập và giảng dạy tham khảo chuyên sâu về các chuyên đề Sinh học phân tử ứng dụng, Bản đồ di truyền QTL, và Sinh lý học tính chống chịu của thực vật.
• Các nhà hoạch định chính sách nông nghiệp và phát triển nông thôn: Cung cấp luận cứ khoa học thực chứng để xây dựng các chương trình, dự án quốc gia về chuyển đổi cơ cấu giống cây trồng thích ứng với hiện tượng nước biển dâng và thiên tai lũ lụt tại hai đồng bằng lớn của Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

1. Locus gen Sub1 giúp cây lúa chống chịu ngập chìm theo cơ chế nào?
Gen Sub1A-1 trong cụm locus Sub1 kiểm soát cơ chế ức chế phản ứng với ethylene khi bị ngập nước hoàn toàn. Thay vì tiêu hao năng lượng để vươn dài lóng thân trong vô vọng, cây lúa bước vào trạng thái ngủ nghỉ, hạn chế phân giải carbohydrate dự trữ và bảo tồn diệp lục tố, giúp cây duy trì sức sống suốt 10-14 ngày ngập sâu và hồi phục nhanh chóng khi nước rút.

2. Tại sao phương pháp chọn giống MABC lại vượt trội hơn chọn giống truyền thống?
MABC cho phép phát hiện trực tiếp kiểu gen mong muốn ở mức độ phân tử ngay từ giai đoạn mạ non 2-3 tuần tuổi mà không phụ thuộc vào điều kiện thời tiết hay biểu hiện kiểu hình ngoài đồng. Phương pháp này giúp kiểm soát chính xác cả gen đích lẫn tỷ lệ phục hồi nền gen mẹ, rút ngắn thời gian chọn giống từ 6-8 năm xuống còn 2-3 năm.

3. Tiêu chí lựa chọn 53 chỉ thị SSR đa hình trong nghiên cứu là gì?
Nghiên cứu đã sàng lọc 372 cặp mồi SSR phân bố đều trên 12 nhiễm sắc thể của lúa để tìm ra 53 chỉ thị phân định rõ ràng sự khác biệt alen giữa dòng nhận AS996 và dòng cho IR64Sub1. Các chỉ thị này vừa đảm bảo bao phủ hệ gen để chọn lọc nền, vừa tập trung liên kết chặt xung quanh locus Sub1 trên nhiễm sắc thể 9 để theo dõi gen kháng.

4. Giống lúa nhận AS996 có đặc tính nông học gì nổi bật?
AS996 là giống lúa thuần chất lượng cao được công nhận chính thức từ năm 2002, có thời gian sinh trưởng ngắn từ 90 đến 95 ngày, khả năng chịu phèn tốt, năng suất cao đạt 6-8 tấn/ha vụ Đông Xuân. Việc chuyển gen Sub1 vào AS996 giúp giữ nguyên các phẩm chất ưu việt này đồng thời bổ sung thêm tính năng chịu ngập úng.

5. Luận văn đã hoàn thành đến giai đoạn nào và bước tiếp theo là gì?
Nghiên cứu đã hoàn thành chọn lọc các cá thể mang gen Sub1 đến thế hệ lai trở lại BC3F1 với tỷ lệ phục hồi hệ gen nhận AS996 đạt trên 92%. Bước tiếp theo là tiến hành tự thụ phấn để thu thế hệ BC3F2 nhằm chọn lọc các dòng đồng hợp tử mang gen Sub1, sau đó tiến hành khảo nghiệm tính chịu ngập và năng suất ngoài đồng ruộng.

Kết luận

• Tối ưu hóa thành công quy trình tách chiết ADN tổng số theo phương pháp CTAB cải tiến đạt độ tinh sạch 100% với nồng độ 200-300 ng/µl.
• Xác định được 53 chỉ thị SSR đa hình rõ rệt trong tổng số 372 chỉ thị phân tích trên 12 nhiễm sắc thể giữa hai giống AS996 và IR64Sub1.
• Chuyển nạp thành công locus gen chịu ngập Sub1 từ giống cho IR64Sub1 vào giống nhận AS996 qua các thế hệ lai F1, BC1F1, BC2F1 và BC3F1.
• Tỷ lệ phục hồi nền gen của giống lúa ưu việt AS996 đạt trên 85% ở thế hệ BC2F1 và vượt trên 92% ở thế hệ BC3F1 theo phân tích kiểu gen đồ họa.
• Rút ngắn chu kỳ chọn tạo giống chịu ngập từ 6-8 năm xuống còn 2-3 năm, tiết kiệm tối đa chi phí và nhân lực khảo nghiệm.

Công trình luận văn đã cung cấp cơ sở khoa học và nguồn vật liệu di truyền quý báu cho công tác chọn tạo giống lúa thích ứng với biến đổi khí hậu tại Việt Nam. Để sớm đưa kết quả nghiên cứu vào phục vụ sản xuất nông nghiệp, các cơ quan chuyên môn cần tiếp tục hỗ trợ nhân dòng thuần thế hệ BC3F2 và tổ chức khảo nghiệm diện rộng tại các vùng trũng ngập trong các mùa vụ tiếp theo.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Cây lúa (Oryza Sativa) là một trong những cây lƣơng thực quan trọng cho khoảng 2/3 dân số thế giới. Theo thống kê của Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ, thế giới có khoảng 156,1 triệu ha đất dùng cho việc trồng lúa, sản lƣợng là 697,9 triệu tấn, 90% diện tích này thuộc các nƣớc châu Á với 651 triệu tấn thóc chiếm 92% tổng sản lƣợng lúa gạo thế giới. (Bộ Nông nghiệp và PTNT, 2010)[3] Ở Việt Nam lúa là nguồn lƣơng thực chủ yếu của hơn 89 triệu dân với diện tích khoảng 7,4 triệu ha, năm 2010 sản xuất đƣợc 39,710 triệu tấn thóc, xuất khẩu khoảng 6,493 triệu tấn đứng thứ 2 trên thế giới về xuất khẩu gạo sau Thái Lan. Ƣớc tính năm 2011 sản xuất khoảng 41,05- 41,5 triệu tấn.

Nƣớc ta có hai vùng trồng lúa chính là Đồng bằng Sông Cửu Long (ĐBSCL) diện tích 3,79 triệu ha chiếm 50% sản lƣợng lúa cả nƣớc và Đồng bằng Sông Hồng (ĐBSH) diện tích 1,18 triệu ha chiếm 17% sản lƣợng. (Bộ Nông Nghiệp và Phát triển Nông thôn, 2009); MPI, 2009)[2][60] Trên thế giới, an ninh lƣơng thực không chỉ là vấn đề với các nƣớc nghèo mà nó đang trở thành vấn đề có tính toàn cầu. Dân số thế giới liên tục tăng (khoảng 7 tỷ ngƣời năm 2011) trong khi diện tích đất dành cho việc trồng lúa hầu nhƣ không tăng mà ngày càng giảm do đất đƣợc chuyển sang sử dụng cho các mục đích khác nhƣ xây dựng khu công nghiệp, trƣờng học, nhà ở, khu du lịch. Bên cạnh đó, các dấu hiệu về sự biến đổi khí hậu hiện nay đã có thể nhận thấy nhƣ trái đất đang nóng lên, băng tan ở hai cực, bão lũ xảy ra thƣờng xuyên.

Ở Việt Nam nhiệt độ trung bình hàng năm tăng 0,10C và mực nƣớc biển tăng 2,5 – 3,0 cm mỗi năm trong thập kỷ qua. Tính đến cuối thế kỷ 21, nhiệt độ ở Việt Nam sẽ tăng khoảng 2,30C và mực nƣớc biển tăng 75 cm tính theo mức trung bình các năm 1980 – 1999. Hàng năm có tới trên 20 triệu hecta chịu ảnh hƣởng của nƣớc biển dâng tại Nam và Đông Nam châu Á, hàng trăm nghìn ha hoa màu có thể bị ảnh hƣởng do hậu quả của nƣớc biển dâng vào cuối thế kỷ (MONRE, 2009)[61] 1 Vũ Thị Thu Hằng Đại học Khoa học Tự Nhiên LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn Thạc sỹ Khoa học Sinh học Do vậy, để ứng phó với biến đổi khí hậu trong thời gian tới, các nhà khoa học trên thế giới ở các lĩnh vực khác nhau không ngừng nghiên cứu các khả năng làm giảm thiểu những yếu tố, tác nhân gây ảnh hƣởng tới môi trƣờng trái đất, quan tâm tới các nguồn năng lƣợng sạch trong tƣơng lai, tạo ra và phát triển các loại cây lƣơng thực vừa có năng suất, chất lƣợng cao, vừa thân thiện, thích nghi và bền vững trong điều kiệu môi trƣờng thay đổi khắc nghiệt. Hầu hết các loại cây trồng đều có tiềm năng chống chịu với các điều kiện sinh học và phi sinh học bất lợi.

Tuy nhiên, các giống cây trồng có khả năng chống chịu này thƣờng thuộc loài hoang dại, đi kèm với một số tính trạng không mong muốn khác nhƣ năng suất rất thấp, cao cây. Các nhà chọn giống hiện nay đã gặp rất nhiều khó khăn trong việc đƣa gen quy định tính chống chịu với các điều kiện phi sinh học bất lợi từ giống này sang giống khác do sự đổ vỡ tính kháng và bản chất đa gen liên quan đến tính kháng của các tính trạng. Thêm vào đó, các chƣơng trình chọn giống cây trồng đặt ra hiện nay còn phải tính đến khả năng đối phó với các tác động kép của nhiều yếu tố phi sinh học bất lợi, xảy ra đồng thời trong cùng một thời vụ cây trồng do tác động của biến đổi khí hậu. Nhƣ vụ lúa Đông Xuân năm 2011 ở Việt Nam, cây trồng phải đối phó với thời tiết lạnh đầu vụ ở miền Bắc làm ảnh hƣởng tới khả năng sinh trƣởng phát triển của cây và thời tiết khô nóng ở thời điểm trỗ muộn, ĐBSCL đầu vụ hạn hán cuối vụ thiếu nƣớc ngọt do xâm nhập mặn sâu vào nội đồng với nồng độ mặn cao, điều này sẽ có khả năng ảnh hƣởng tới năng suất.

Định hƣớng chọn tạo giống chống chịu với điều kiện phi sinh học và sinh học nói chung trong thời gian tới là tạo giống bằng cách quy tụ nhiều gen khác nhau vào một giống lúa ƣu việt nhờ công nghệ sinh học. Do vậy, việc chọn tạo nhanh những giống lúa vừa có năng suất cao, chất lƣợng tốt, mang nhiều gen chống chịu với các điều kiện phi sinh học là công việc đƣợc quan tâm không chỉ ở Việt Nam mà còn ở nhiều quốc gia khác. Bƣớc đột phá trong việc chọn giống chịu ngập chìm trở nên có thể thực hiện đƣợc sau khi các vùng chính trên nhiễm sắc thể (Quantitative trait loci- QTLs) điều 2 Vũ Thị Thu Hằng Đại học Khoa học Tự Nhiên LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn Thạc sỹ Khoa học Sinh học khiển tính chống chịu ngập chìm đƣợc xác định. Việc phát triển và sử dụng chỉ thị phân tử để đẩy nhanh quá trình quy tụ gen đó vào những giống mới năng suất cao thông qua phƣơng pháp chọn giống lai trở lại kết hợp với chỉ thị phân tử (marker assisted backcrossing - MABC; Thomson và ctv., 2009; Septiningsih và ctv., 2009; Singh và ctv., 2009) [87][77][78] đã đạt đƣợc các kết quả bƣớc đầu.

Phƣơng pháp chọn giống nhờ chỉ thị phân tử và lai trở lại (MABC) cho phép rút ngắn thời gian chọn lọc, và chọn lọc đƣợc những tính trạng khó hay nhiều gen cùng một lúc. Bằng con đƣờng chọn giống nhờ chỉ thị phân tử và lai trở lại nhiều gen chống chịu mặn, hạn, lạnh, chống chịu độc tố nhôm, sắt và gen quy định chất lƣợng đã đƣợc quy tụ thành công vào một số dòng lúa ở các nƣớc có nền công nghệ sinh học phát triển. Đối với gen chống chịu ngập cho đến nay các nhà khoa học ở Viện Nghiên cứu Lúa Quốc tế đã xác định đƣợc một số các chỉ thị phân tử liên kết chặt với gen có thể ứng dụng trong chọn giống, sử dụng phƣơng pháp MABC để chọn giống chịu ngập chìm. Để góp phần tạo ra giống lúa có khả năng chịu ngập chìm ứng phó với biến đổi khí hậu trong thời gian tới, ứng dụng kết quả nghiên cứu vào sản xuất, chúng tôi thực hiện đề tài: ―Ứng dụng chỉ thị phân tử liên kết gần trong chọn giống lúa chịu ngập chìm”.

Đề tài đƣợc đề ra với mục tiêu cụ thể sau: - Sử dụng phƣơng pháp chọn giống nhờ chỉ thị phân tử kết hợp lai trở lại để quy tụ gen chịu ngập (Sub1) đã đƣợc xác định trƣớc vào giống lúa năng suất cao đang đƣợc trồng phổ biến ở Việt Nam với thời gian ngắn đáp ứng nhu cầu giống trong sản xuất. Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ là cơ sở dữ liệu và vật liệu cho các nghiên cứu khoa học tiếp theo về gen chịu ngập (Sub1) trên cây lúa, đồng thời góp phần vào công tác chọn tạo giống lúa có khả năng chịu ngập, năng suất cao, phù hợp với điều kiện canh tác lúa vùng ngập lụt, giúp ngƣời nông dân tăng thêm thu nhập, giảm đói nghèo. 3 Vũ Thị Thu Hằng Đại học Khoa học Tự Nhiên LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn Thạc sỹ Khoa học Sinh học Chƣơng 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.

ẢNH HƢỞNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU, NƢỚC BIỂN DÂNG ĐẾN SẢN XUẤT LÚA GẠO 1. Ảnh hƣởng của biến đổi khí hậu, nƣớc biển dâng đến sản xuất lúa gạo trên thế giới Biến đổi khí hậu (BĐKH) là sự biến động trạng thái trung bình của khí quyển toàn cầu hay khu vực theo thời gian từ vài thập kỷ đến hàng triệu năm. Những biến đổi này đƣợc gây ra do quá trình động lực của trái đất, bức xạ mặt trời, và gần đây có thêm hoạt động của con ngƣời. (IPCC,2007, Nguyễn Văn Cƣờng) [8] [47] 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 trƣờng trên phạm vi toàn thế giới. Nhiệt độ tăng, mực nƣớc biển dâng cao gây ngập lụt, gây nhiễm mặn nguồn nƣớc, ảnh hƣởng đến nông nghiệp, gây rủi ro lớn đối với công nghiệp và các hệ thống kinh tế - xã hội trong tƣơng lai. 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 đƣợc trồng ở các vùng đất thấp hoặc vùng đồng bằng ở các quốc gia nhƣ Việt Nam, Bangladesh, Ấn Độ.

Những khu vực này lại có nguy cơ bị nƣớc biển xâm nhập khi mực nƣớc biển dâng cao, cho thấy sự cần thiết của các giống lúa có khả năng chịu đựng đƣợc cả tình trạng ngập nƣớc lẫn độ mặn cao. Lâu nay, châu Á là nơi sản xuất và tiêu thụ gạo cao nhất trên thế giới. Ngoài ra, châu Á còn là nơi xuất khẩu gạo chủ yếu. Trong đó, Thái Lan là nƣớc xuất khẩu gạo lớn nhất toàn cầu, lƣợng xuất khẩu hàng năm lên tới 9 triệu tấn.

Xét tới những thiệt hại trực tiếp trong lĩnh vực nông nghiệp cũng nhƣ tính thời vụ của sản xuất lƣơng thực của các nƣớc khu vực này, các chuyên gia cho rằng, ngoài một số nƣớc khu vực Đông Nam Á có thể phải đối mặt với khan hiếm gạo, 4 Vũ Thị Thu Hằng Đại học Khoa học Tự Nhiên LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn Thạc sỹ Khoa học Sinh học lƣợng cung cầu gạo trên thị trƣờng thế giới cũng sẽ bị thu hẹp ở mức độ nhất định, giá gạo chắc chắn sẽ tăng cao. Mỗi năm lũ lụt đã làm mất hàng triệu tấn lúa - chiếm khoảng 25% sản lƣợng lúa gạo, thất thoát hàng tỷ USD. Trong đó phổ biến nhất là ở châu Á, nơi sản xuất hơn 90% lúa gạo thế giới. Theo thống kê mới nhất của Tổ chức Nông lƣơng thế giới (FAO) hàng loạt hoa màu bao gồm lúa gạo bị tàn phá mang tính hủy hoại, trong đó diện tích lúa bị mất trắng ở các nƣớc nhƣ Thái Lan khoảng 12,5%, Philippines khoảng 6%, Campuchia khoảng 12%, Lào khoảng 7,5% và Việt Nam khoảng 0,4 %.

Ngoài ra, giá gạo trong nƣớc Campuchia, Việt Nam và Thái Lan cũng bắt đầu tăng, trong đó mức tăng giá gạo ở Campuchia dự đoán sẽ lên tới 50%. Ảnh hƣởng của mực nƣớc biển dâng đến khu vực Đông Á 1m 2m 3m 4m 5m Diện tích (Tổng = 14.767 km2) Khu vực ảnh hƣởng 74.,089 % trong tổng số 0,52 0,84 1,.26 1,76 2,30 Dân số (Tổng = 1.