Luận án Khả năng thích nghi của một số dòng / giống lúa đột biến chịu mặn ở đồng bằng sông Cửu Long

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ ---o0o--- NGUYỄN BÍCH HÀ VŨ KHẢ NĂNG THÍCH NGHI CỦA MỘT SỐ DÒNG/GIỐNG LÚA ĐỘT BIẾN CHỊU MẶN Ở ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH KHOA HỌC CÂY TRỒNG MÃ NGÀNH: 62 62 01 10 2016 2 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ ---o0o--- LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH KHOA HỌC CÂY TRỒNG KHẢ NĂNG THÍCH NGHI CỦA MỘT SỐ DÒNG/GIỐNG LÚA ĐỘT BIẾN CHỊU MẶN Ở ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG Cán bộ hƣớng dẫn: PGs. Ts. Võ Công Thành 2016 Thực hiện: Nguyễn Bích Hà Vũ 3 TRANG CẢM TẠ Xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến: PGs. Ts. Võ Công Thành, người đã tận tình hướng dẫn, đóng góp ý kiến quý báu và hết lòng giúp đỡ để tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp này. Chân thành cảm ơn: Quý thầy cô giảng viên sau Đại học trường Đại học Cần Thơ đã truyền đạt những kiến thức quý báu cho tôi trong thời gian học tại trường. Quý thầy cô, các anh, chị và các em phòng thí nghiệm Bộ môn Di Truyền Giống Thực vật khoa NN & SHƯD trường Đại Học Cần Thơ đã nhiệt tình giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành đề tài tốt nghiệp. Trường Đại học Tiền Giang đã tạo điều kiện cho tôi học tập và nghiên cứu tại trường Đại học Cần Thơ trong suốt quá trình đào tạo. Thân gởi lời cảm ơn đến các thành viên lớp Nghiên cứu sinh khóa 2012 cùng lời chúc sức khỏe và thành công trong cuộc sống. Cuối cùng, xin gởi lời tri ân sâu sắc nhất vì tất cả sự ủng hộ to lớn cả về vật chất lẫn tinh thần của gia đình đã giúp tôi hoàn thành đề tài tốt nghiệp. Nguyễn Bích Hà Vũ 4 TÓM TẮT Đề tài được thực hiện nhằm chọn tạo ra giống lúa đột biến mới có thời gian sinh trưởng ngắn và chống chịu với môi trường mặn cho mô hình canh tác lúa tôm vùng ven biển Đồng bằng sông Cửu Long. Bên cạnh đó, đề tài cũng khảo sát sự biến đổi cấu trúc lá và rễ của cây lúa để thích nghi với môi trường mặn. Đề tài được tiến hành qua 3 phần: (1) Chọn tạo dòng lúa Nàng Quớt Biển đột biến (NQBĐB) bằng 2,4-dichlorophenoxyacetic acid, (2) Khảo sát khả năng thích nghi đối với điều kiện mặn của cây lúa ở giai đoạn mạ và (3) Khảo nghiệm ngoài đồng các dòng lúa đột biến đã tuyển chọn được tại huyện Cần Đước, tỉnh Long An và huyện Phú Tân, tỉnh Cà Mau. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng: chọn được dòng NQBĐB 1-2-1-1 có năng suất cao hơn các dòng còn lại (4,25 tấn/ha tại huyện Cần Đước và 1,56 tấn/ha tại huyện Phú Tân), thuộc nhóm mềm cơm và thơm. Thêm vào đó, cây lúa còn có khả năng chống chịu với điều kiện mặn bằng cách tăng quá trình suberin, lignin hóa ở rễ và tăng hàm lượng một số protein có trọng khối 135,90 kDa, 31,81 kDa ở rễ và bẹ lá; 115,58 kDa ở bẹ lá; 54 kDa ở lá. Kết quả khảo sát cũng cho thấy rằng giống chống chịu mặn tốt thải muối qua lá thấp hơn giống nhiễm mặn. Ở nồng độ 21,88 dS/m, nồng độ muối của giọt nước trên lá của giống NQB mùa là 71,1 dS/m và giống IR28 là 148,4 dS/m. Từ khóa: chọn giống đột biến, chống chịu mặn, 2,4-D 5 ABSTRACT The research was done to pick up new mutant rice varieties which could well tolerate to salinity and short maturity for model rice-shrimp along the coastal provinces in Mekong Delta of Viet Nam. Besides, the variation of root and leaf structure were observed after salt testing. The research was carried out through three parts: (1) select saline tolerant Nang Quot Bien varieties by 2,4- dichlorophenoxyacetic acid, (2) observe adaptability to salinity in seedling stage and (3) field trials of rice mutant lines were selected in Can Duoc district, Long An province and Phu Tan dictrict, Ca Mau province. The results showed that there was one selected NQBDB 1-2-1-1 rice line, which obtained highest yield (4.25 tons/ha for yield in Can Duoc district and 1.56 tons/ha for yield in Phu Tan district), soft cooking aromatic rice. In addition, process of suberin and lignin formation in root occurred faster in salt condition and enhanced proteins accumulation which were 125.90 and 31.81 kDa in both root and leaf sheath; 115.58 kDa in leaf sheath and 54 kDa in leaf. The result also indicated that salt secreted through leaf is less in high salt-tolerant varieties than in salt-sensitive varieties. At 21.88 dS/m, salt concentrations of water droplets in leaves of traditional NQB and IR28 variety were 71.1 dS/m and 148.4 dS/m, respectively. Key words: mutation breeding, salt tolerance, 2,4-D 6 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Nguyễn Bích Hà Vũ 7 MỤC LỤC Lời cảm tạ ........................................................................................................... ii Tóm tắt ............................................................................................................... iii Abstract .............................................................................................................. iv Lời cam đoan ...................................................................................................... v Mục lục .............................................................................................................. vi Danh sách bảng ................................................................................................ viii Danh sách hình .................................................................................................... x Danh sách từ viết tắt .......................................................................................... xi Chƣơng 1: Mở đầu .......................................................................................... 13 Chƣơng 2: Lƣợc khảo tài liệu ........................................................................ 15 2.1 Giới thiệu chung về vùng nghiên cứu ..................................................... 15 2.1.1 Đặc điểm chung của tỉnh Long An ................................................... 15 2.1.2 Đặc điểm chung của tỉnh Cà Mau ..................................................... 23 2.2 Tổng quan về cây lúa ............................................................................... 28 2.2.1 Sự đa dạng của cây lúa ...................................................................... 28 2.2.2 Đặc điểm của lúa mùa ....................................................................... 29 2.3 Đất mặn và ảnh hưởng bất lợi của đất mặn ............................................. 30 2.3.1 Sơ lược về đất mặn ............................................................................ 30 2.3.2 Cơ sở sinh lý tính chống chịu mặn ở cây lúa .................................... 31 2.4 Phương pháp đột biến trong chọn tạo giống cây trồng ........................... 34 2.4.1 Sơ lược về đột biến ........................................................................... 34 2.4.2 Đột biến bằng tác nhân vật lý ........................................................... 35 2.4.3 Đột biến bằng tác nhân hóa học ........................................................ 35 2.4.4 Thành tựu của chọn giống bằng phương pháp đột biến .................... 36 2.4.5 Ứng dụng 2,4-D trong chọn tạo giống đột biến ................................ 36 2.5 Một số đặc tính nông học của cây lúa ..................................................... 37 2.5.1 Thời gian sinh trưởng ........................................................................ 37 2.5.2 Chiều cao cây .................................................................................... 37 2.5.3 Số bông trên bụi ................................................................................ 38 2.5.4 Số hạt chắc trên bông ........................................................................ 38 2.5.5 Trọng lượng 1.000 hạt....................................................................... 38 2.6 Một số tiêu chuẩn đánh giá chất lượng gạo ............................................. 39 2.6.1 Tổng quát về chất lượng hạt gạo ....................................................... 39 2.6.2 Hàm lượng amylose .......................................................................... 39 2.6.3 Hàm lượng protein ............................................................................ 39 2.6.4 Độ trở hồ ........................................................................................... 40 2.6.5 Chiều dài và hình dạng hạt gạo ......................................................... 40 2.6.6 Độ bền thể gel ................................................................................... 41 2.6.7 Tính thơm .......................................................................................... 41 8 Chƣơng 3: Phƣơng tiện và phƣơng pháp ..................................................... 42 3.1 Phương tiện nghiên cứu ........................................................................... 42 3.1.1 Thời gian và địa điểm nghiên cứu .................................................... 42 3.1.3 Thiết bị và hóa chất ........................................................................... 43 3.2 Phương pháp nghiên cứu ......................................................................... 43 3.2.1 Phương pháp nghiên cứu chung ........................................................ 43 3.2.2 Phương pháp nghiên cứu cụ thể ........................................................ 45 Chƣơng 4: Kết quả và thảo luận ................................................................... 60 4.1 Chọn tạo dòng lúa NQB đột biến ............................................................ 60 4.1.1 Thế hệ M1 ......................................................................................... 60 4.1.2 Thế hệ M2 ......................................................................................... 63 4.1.3 Thế hệ M3 ......................................................................................... 66 4.1.4 Thế hệ M4 ......................................................................................... 71 4.2 Khả năng thích nghi của cây lúa đối với điều kiện mặn ở giai đoạn mạ 80 4.2.1 Kết quả đánh giá khả năng chống chịu mặn ..................................... 80 4.2.2 Khảo sát khả năng tiết muối qua lá ................................................... 80 4.2.3 Sự biến đổi cấu trúc rễ để thích nghi điều kiện mặn ......................... 82 4.2.4 Sự tích lũy protein ở rễ, bẹ lá và lá ................................................... 85 4.3 Khảo nghiệm các giống/dòng lúa ở ngoài đồng ...................................... 86 4.3.1 Đánh giá khả năng chống chịu mặn các giống/dòng trong nhà lưới 86 4.3.2 Đánh giá nước và dinh dưỡng tại 2 điểm thí nghiệm ....................... 86 4.3.3 Đặc tính nông học và thành phần năng suất ..................................... 88 4.3.4 Một số chỉ tiêu phẩm chất hạt gạo của giống/dòng lúa thí nghiệm .. 93 Chƣơng 5: Kết luận và đề nghị ...................................................................... 97 5.1 Kết luận ................................................................................................... 97 5.2 Đề nghị .................................................................................................... 97 Tài liệu tham khảo ............................................................................................ 98 Phụ lục 9 DANH SÁCH BẢNG Bảng Tên bảng Trang 2.1 Các loại đất ở tỉnh Long An 5 2.2 Một số đặc điểm lý hóa của đất mặn tỉnh Long An 7 2.3 Các loại đất ở tỉnh Cà Mau 12 2.4 Bảng phân loại đất 19 2.5 Phân nhóm thời gian sinh trưởng 25 2.6 Phân nhóm lúa theo hàm lượng amylose (IRRI, 1988) 27 3.1 Nguồn gốc giống lúa thí nghiệm 30 3.2 Các nghiệm thức xử lý đột biến 31 3.3 Công thức pha dung dịch tạo gel 34 3.4 Tiêu chuẩn đánh giá phấm chất hạt gạo (IRRI, 1988) 35 3.5 Bảng phân cấp độ bền thể gel (IRRI, 1996) 35 3.6 Thang đánh giá độ trở hồ của hạt gạo (IRRI, 1996) 36 3.7 Thang điểm đánh giá hàm lượng amylose (IRRI, 1988) 37 3.8 Chuẩn bị dung dịch mẹ của môi trường Yoshida 39 3.9 Chuẩn bị môi trường dinh dưỡng Yoshida cho thanh lọc mặn 39 3.10 Tiêu chuẩn đánh giá (SES) ở các giai đoạn tăng trưởng và phát triển (IRRI, 1997) 40 3.11 Thang xếp hạng phản ứng rầy nâu theo IRRI (1996) 41 3.12 Các giai đoạn sinh trưởng của cây lúa 42 3.13 Chỉ tiêu và phương pháp đánh giá 42 4.1 Số cây và tỷ lệ cây sống sau khi xử lý 2,4-D 48 4.2 Thời gian trổ, số cây sống của các cá thể ở thế hệ M1 49 4.3 Một số chỉ tiêu nông học của cá thể M1 49 4.4 Một số chỉ tiêu nông học ở thế hệ M2 52 4.5 Một số chỉ tiêu phẩm chất của NQBĐB 1-2 và NQBĐB 2-1 54 4.6 Một số chỉ tiêu nông học của cá thể M3 55 4.7 Màu sắc hạt gạo của các cá thể ở thế hệ M3 56 4.8 Kết quả phân tích amylose và protein ở thế hệ M3 57 4.9 Đánh giá cấp chống chịu mặn ở thế hệ M3 58 4.10 Một số chỉ tiêu nông học ở thế hệ M4 61 10 4.11 Khả năng chống chịu mặn của các dòng M4 ở 19 dS/m 62 4.12 Khả năng chống chịu mặn của các dòng M4 ở 15 dS/m 62 4.13 Khả năng chống chịu mặn của các dòng M4 ở 12 dS/m 63 4.14 Hàm lượng chlorophyll của các dòng đột biến M4 64 4.15 Hàm lượng amylose và protein các dòng thế hệ M4 64 4.16 Độ trở hồ và độ bền thể gel thế hệ M4 65 4.17 Chiều dài và hình dạng hạt gạo thế hệ M4 66 4.18 Chiều dài và hình dạng hạt gạo thế hệ M4 66 4.19 Kết quả đánh giá rầy nầu và phân cấp ở thế hệ M4 67 4.20 Kết quả đánh giá khả năng chống chịu mặn 68 4.21 Nồng độ mặn của giọt nước ở lá sau 8 ngày 69 4.22 Đánh giá khả năng chống chịu mặn của các giống/dòng lúa khảo nghiệm 75 4.23 Kết quả phân tích hàm lượng dinh dưỡng trong đất 77 4.24 Tình hình sâu, bệnh hại tại huyện Cần Đước và Phú Tân 78 4.25 Một số đặc tính của 6 giống/dòng lúa thí nghiệm 79 4.26 Thành phần năng suất của 5 giống/dòng lúa khảo nghiệm tại huyện Cần Đước 80 4.27 Thành phần năng suất của 5 giống/dòng lúa khảo nghiệm tại huyện Phú Tân 80 4.28 Năng suất lý thuyết của giống/dòng lúa khảo nghiệm 81 4.29 Năng suất thực tế của giống/dòng lúa khảo nghiệm 81 4.30 Chiều dài và hình dạng hạt gạo của 5 giống/dòng lúa khảo nghiệm tại huyện Cần Đước 82 4.31 Chiều dài và hình dạng hạt gạo của 5 giống/dòng lúa khảo nghiệm tại huyện Phú Tân 82 4.32 Hàm lượng amylose, protein của giống/dòng lúa khảo nghiệm tại huyện Cần Đước 83 4.33 Hàm lượng amylose, protein của giống/dòng lúa khảo nghiệm tại huyện Phú Tân 84 4.34 Kết quả phân tích độ trở hồ và độ bền thể gel 84 4.35 Kết quả đánh giá mùi thơm của 5 giống/dòng lúa khảo nghiệm 85 11 DANH SÁCH HÌNH Hình Tên hình Trang 2.1 Bản đồ hành chính tỉnh Long An 3 2.2 Bản đồ đất vùng Hạ tỉnh Long An 8 2.3 Diễn biến mặn qua các năm tại Long An 9 2.4 Diễn biến độ mặn tại bốn huyện năm 2012 10 2.5 Diễn biến mặn trong mùa khô ở huyện Cần Giuộc 10 2.6 Bản đồ đất huyện Phú Tân, tỉnh Cà Mau 14 2.7 Các giai đoạn sinh trưởng và đáp ứng của cây lúa đối với quang kỳ 17 4.1 Màu sắc hạt của đối chứng và NQBĐB 2 51 4.2 Phổ điện di protein của hai cá thể đột biến 51 4.4 Phổ điện di protein tống số của dòng NQBĐB 1-2-1-1 và NQBĐB 2-1-6-2 67 4.5 Giọt nước mặn ở chóp lá lúa vào buổi sáng ở 21,88 dS/m 69 4.6 (A) Lát cắt ngang chóp lá, nơi xuất hiện giọt nước, vật kính 40X, (B) Biểu bì mặt dưới lá ở kính 100X 70 4.7 Vị trí tẩm suberin và lignin ở ngoại bì (A), nội bì (B) và mạch gỗ (C) của rễ; (D) vị trí hình thành mô khí ở rễ 71 4.8 Lát cắt ngang rễ của giống NQB mùa 72 4.9 Lát cắt ngang của dòng NQBĐB 1-2-1-1 73 4.10 Lát cắt ngang của giống IR28 73 4.11 Phổ điện di protein tổng số (A) NQB mùa và (B) IR28 74 4.12 Phổ điện di protein tổng số ở lá (A) NQB mùa và (B) IR28 74 4.13 Diễn biến độ mặn nước qua các giai đoạn phát triển của cây lúa 76 4.14 Chiều dài và hình dạng hạt gạo của các giống/dòng lúa thí nghiệm tại huyện Cần Đước 83 4.15 Độ trở hồ của các giống/dòng lúa thí nghiệm 85 12 DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT ĐBSCL Đồng bằng sông Cửu Long 2,4-D 2,4-Dichlorophenoxyacetic acid NQB Nàng Quớt Biển NQBĐB Nàng Quớt Biển đột biến TGST Thời gian sinh trưởng TB Trung bình Chl Chlorophyll CV Coefficient of variation NSTM Ngày sau thử mặn 13 CHƢƠNG 1 MỞ ĐẦU 1.1 Tính cấp thiết Tình hình biến đổi khí hậu hiện nay diễn ra ngày càng phức tạp. Lượng khí nhà kính CO2 tăng lên 28% từ năm 1975 đến nay (IPCC, 2001), làm cho nhiệt độ trái đất tăng cao, ngập lụt vào mùa mưa và hạn hán vào mùa khô ngày càng nghiêm trọng. Việt Nam có hai vùng sản xuất lúa chính là Đồng bằng sông Cửu Long (51%) và Đồng bằng sông Hồng (15%) (Pham Quang Ha và Nguyen Van Tuat, 2010). Tuy nhiên, do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu, cùng với sự dâng lên của nước biển thì diện tích đất canh tác lúa của các vùng ven biển đang ngày càng thu hẹp lại. Đồng bằng sông Cửu Long có khoảng 1,7 triệu ha (chiếm khoảng 45% diện tích) chịu ảnh hưởng của nước mặn (Reiner và ctv., 2004). Việc chọn giống lúa có khả năng chống chịu mặn được cho là cách làm hữu hiệu và có kinh tế để thích ứng với điều kiện biến đổi khí hậu hiện nay. Trong khi đất nhiễm mặn là một trong những yếu tố môi trường ảnh hưởng nặng đến năng suất cây trồng, vì hầu hết các loại cây trồng đều bị ảnh hưởng bởi nồng độ cao của muối trong đất. Lúa là cây lương thực rất mẫn cảm với môi trường mặn (Ashraf, 2009). Mặn gây ra những chịu chứng chính cho cây lúa như: sinh trưởng của cây bị ức chế, số chồi thấp, rễ kém phát triển, lá cuộn lại hay đầu lá trắng xuất hiện cùng cháy chóp lá, số hạt trên bông thấp, năng suất hạt giảm (IRRI, 2000). Sự gia tăng nồng độ muối cũng sẽ làm giảm trọng lượng khô của cây, khả năng hấp thu dưỡng chất và năng suất hạt lúa (Zelensky, 1999). Do cây lúa trồng trong đất mặn phải đối mặt với stress thẩm thấu cao, nồng độ cao của các ion độc như Na+ và Cl- mà cuối cùng gây ra sự giảm sinh trưởng (Martinez and Lauchli, 1993). Bên cạnh những thành tựu mà phương pháp lai tạo truyền thống mang lại thì phương pháp xử lý đột biến cũng đã có những thành tựu vượt bậc (Mba và ctv., 2007). Kết quả chọn tạo giống do tác nhân vật lý mang lại thì sự lợi ích của tác nhân hóa học cũng được biết đến. Một trong những hóa chất được sử dụng để gây đột biến ở cả động vật và thực vật là 2,4- Dichlorophenoxyacetic acid (2,4-D) (Pavlica và ctv., 1991; Ateeq và ctv., 2002). 1.2 Mục tiêu nghiên cứu Chọn tạo ra giống lúa đột biến mới có khả năng chống chịu mặn 12,5- 15,6 dS/m ở giai đoạn mạ, thời gian sinh trưởng ngắn (100-120 ngày) phù hợp cho mô hình lúa-tôm. 1.3 Nội dung nghiên cứu 14 Tạo dòng đột biến ngắn ngày chịu mặn bằng cách xử lý đột biến giống lúa Nàng Quớt Biển bằng hóa chất 2,4-D. Nhân chọn dòng lúa đột biến ngắn ngày (100-120 ngày), đánh giá khả năng chống chịu mặn, khả năng kháng rầy nâu, các chỉ tiêu nông học và phẩm chất của các dòng đột biến đến thế hệ M4. Tìm hiểu khả năng thích nghi của cây lúa thông qua sự biến đổi cấu trúc ở lá và rễ. Khảo nghiệm cơ bản các giống/dòng lúa đột biến chống chịu mặn trong mô hình canh tác lúa-tôm tại vùng đất nhiễm mặn thuộc huyện Cần Đước, tỉnh Long An và và huyện Phú Tân, tỉnh Cà Mau. 1.4 Ý nghĩa khoa học của luận án Chọn tạo được giống đột biến mới có thời gian sinh trưởng ngắn, chống chịu mặn thích hợp cho vùng canh tác lúa-tôm. Bên cạnh đó, tìm hiểu khả năng thay đổi cấu trúc tế bào để thích nghi với môi trường mặn. 1.5 Ý nghĩa thực tiễn của luận án Cung cấp nguồn vật liệu để tiếp tục chọn tạo giống lúa có khả năng thích nghi cho vùng trồng lúa-tôm ven biển Đồng bằng sông Cửu Long. 15 CHƢƠNG 2 LƢỢC KHẢO TÀI LIỆU 2.1 Giới thiệu chung về vùng nghiên cứu 2.1.1 Đặc điểm chung của tỉnh Long An 2.1.1.1 Vị trí địa lý Tỉnh Long An nằm ở vùng Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBS