Luận án Nghiên cứu chọn tạo dòng bố mẹ chống chịu bạc lá, rầy nâu phục vụ phát triển lúa lai hai dòng ở Việt Nam

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN KHOA HỌC NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM LÊ HÙNG PHONG NGHIÊN CỨU CHỌN TẠO DÒNG BỐ MẸ CHỐNG CHỊU BẠC LÁ, RẦY NÂU PHỤC VỤ PHÁT TRIỂN LÚA LAI HAI DÒNG Ở VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI - 2018 BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN KHOA HỌC NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM LÊ HÙNG PHONG NGHIÊN CỨU CHỌN TẠO DÒNG BỐ MẸ CHỐNG CHỊU BẠC LÁ, RẦY NÂU PHỤC VỤ PHÁT TRIỂN LÚA LAI HAI DÒNG Ở VIỆT NAM Chuyên ngành: Di truyền và Chọn giống cây trồng Mã số: 9620111 LUẬN ÁN TIẾN SĨ NÔNG NGHIỆP Người hướng dẫn khoa học: 1 - PGS.TS Nguyễn Trí Hoàn 2 - TS. Nguyễn Như Hải HÀ NỘI – 2018 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi, các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng sử dụng bảo vệ để lấy bất kỳ học vị nào. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự hợp tác, giúp đỡ cho việc thực hiện và hoàn thành luận án đã được cám ơn và nhận được sự đồng thuận, các thông tin trích dẫn trong luận án này đều được ghi rõ nguồn gốc. Hà Nội, ngày....... tháng.......năm 2018 Nghiên cứu sinh Lê Hùng Phong ii LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành được các nội dung học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án, tôi đã nhận được sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của các thầy cô giáo, sự giúp đỡ, động viên của bạn bè, đồng nghiệp và gia đình. Nhân dịp này, cho phép tôi được bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới Thầy hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Trí Hoàn và TS. Nguyễn Như Hải đã dành nhiều công sức, thời gian, tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài. Tôi xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo, tập thể cán bộ công nhân viên chức Trung tâm NC&PT lúa lai đã tạo điều kiện, giúp đỡ và hỗ trợ cho tôi trong suốt quá trình tôi tham gia học tập và thực hiện đề tài. Tôi xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo Viện, tập thể cán bộ viên chức của Phòng KH-HTQT, Bộ môn Công nghệ sinh học, Bộ môn Bảo vệ thực vật, Bộ môn SL-SH và chất lượng nông sản Viện Cây lương thực và Cây thực phẩm đã giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới Ban Giám đốc Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam, Ban Đào tạo sau đại học và các Thầy cô, xin cảm ơn các Phòng, Ban chức năng thuộc Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam đã tận tình giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, thực hiện đề tài và hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể Lãnh đạo, cán bộ công nhân viên chức Bộ môn Di truyền miễn dịch, Viện BVTV; Viện NC&PT Cây trồng, Học Viện Nông nghiệp Việt Nam đã phối hợp và hỗ trợ cho tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Xin chân thành cảm ơn gia đình, người thân, bạn bè, đồng nghiệp đã tạo mọi điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tôi về mọi mặt, động viên khích lệ tôi hoàn thành luận án./. Hà Nội, ngày ... tháng ... năm 2018 Nghiên cứu sinh Lê Hùng Phong iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................. i LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................... ii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ..................................................................................... viii DANH MỤC CÁC BẢNG .............................................................................................. xi DANH MỤC HÌNH ....................................................................................................... xiv MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ................................................................................................ 1 2. Mục tiêu nghiên cứu ..................................................................................................... 3 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài luận án ......................................................... 3 3.1. Ý nghĩa khoa học ....................................................................................................... 3 3.2. Ý nghĩa thực tiễn ........................................................................................................ 4 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu. ............................................................................... 4 4.1. Đối tượng nghiên cứu: ............................................................................................... 4 4.2. Phạm vi nghiên cứu: .................................................................................................. 5 5. Thời gian, địa điểm nghiên cứu ................................................................................... 5 5.1. Thời gian nghiên cứu: ............................................................................................... 5 5.2. Địa điểm nghiên cứu: ................................................................................................ 5 6. Những đóng góp mới của đề tài luận án: ...................................................................... 5 Chương 1 .......................................................................................................................... 7 TỔNG QUAN TÀI LIỆU VÀ CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI ................................ 7 1.1. Cơ sở khoa học của đề tài .......................................................................................... 7 1.1.1. Ưu thế lai, cơ sở di truyền và biểu hiện ưu thế lai ở lúa ......................................... 7 1.1.1.1. Ưu thế lai ............................................................................................................. 7 1.1.1.2. Cơ sở di truyền của hiện tượng ưu thế lai ........................................................... 7 1.1.1.3. Cơ sở phân tử của hiện tượng ưu thế lai ............................................................. 8 1.1.1.4. Biểu hiện ưu thế lai ở lúa ..................................................................................... 9 1.1.2. Hệ thống bất dục đực trong chọn tạo giống lúa lai hai dòng ............................... 11 1.1.2.1. Bất dục đực di truyền nhân mẫn cảm nhiệt độ (TGMS) trên lúa ....................... 12 iv 1.1.2.2. Bất dục đực di truyền nhân mẫn cảm quang chu kỳ (PGMS) ở lúa .................. 13 1.2. Cơ sở thực tiễn của đề tài. .......................................................................................... 15 1.2.1. Tình hình nghiên cứu vàphát triển lúa lai trên thế giới ......................................... 15 1.2.1.1. Tình hình nghiên cứu và pháttriển lúa lai ở Trung Quốc .................................. 15 1.2.1.2. Tình hình phát triển lúa lai ở các nước khác ..................................................... 20 1.2.1.3. Nghiên cứu chọn tạo giống lúa lai kháng bệnh bạc lá ...................................... 24 1.2.1.4. Nghiên cứu chọn tạo giống lúa lai kháng rầy nâu ............................................ 29 1.2.2. Nghiên cứu về khả năng kết hợp .......................................................................... 34 1.2.3. Tình hình nghiên cứu chọn tạo giống lúa lai ở trong nước ................................... 38 1.2.3.1. Sản xuất lúa lai đại trà ...................................................................................... 39 1.2.3.2. Sản xuất hạt giống lúa lai F1 trong nước ....................................................... 40 1.2.3.3. Một số kết quả mới trong nghiên cứu chọn tạo giống lúa lai 2 dòng ................ 43 1.2.3.4. Kết quả nghiên cứu về khả năng chống chịu sâu bệnh của lúa lai ở Việt Nam 46 Chương2 .......................................................................................................................... 48 VẬT LIỆU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...................................... 48 2.1. Vật liệu nghiên cứu: ................................................................................................ 48 2.2. Nội dung nghiên cứu ................................................................................................ 49 2.2.1. Lai tạo, chon lọc dòng bố mẹ lúa lai 2 dòng kháng rầy nâu ................................. 49 2.2.2. Lai tạo, chọn lọc dòng bố mẹ lúa lai 2 dòng kháng bệnh bạc lá ........................... 49 2.2.3. Lai tạo các tổ hợp lúa lai mới theo hướng kháng bệnh bạc lá, rầy nâu ................ 49 2.3. Phương pháp nghiên cứu ......................................................................................... 49 2.3.1. Đánh giá nguồn vật liệu kháng bạc lá, rầy nâu: .................................................... 49 a. Nhân và duy trì nguồn Vi khuẩn trong phòng ............................................................ 51 b. Thí nghiệm lây nhiễm trong nhà lưới và ngoài đồng ruộng ....................................... 51 2.3.2. Lai tạo và chọn lọc dòng bố mẹ lúa lai kháng bệnh bạc lá, rầy nâu ..................... 52 2.3.2.1. Lai tạo chọn lọc dòng bố mẹ chống chịu rầy nâu, bạc lá .................................. 53 2.3.2.2. Kiểm tra sự có mặt của gen kháng ở các dòng bố mẹ chống chịu rầy nâu, bạc lá ..................................................................................................................................... 56 2.3.2.3. Đánh giá khả năng kết hợp của các dòng bố mẹ chống chịu rầy nâu, bạc lá ... 62 2.3.3. Lai tạo và lựa chọn các tổ hợp lúa lai theo hướng kháng bệnh bạc lá, rầy nâu .... 62 2.4. Phương pháp phân tích số liệu ................................................................................. 63 Chương 3 ........................................................................................................................ 64 v KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN .............................................................. 64 3.1. Kết quả lai tạo, chọn lọc các dòng bố mẹ kháng rầy nâu ............................................ 64 3.1.1. Đánh giá vật liệu phục vụ chọn tạo dòng bố, mẹ kháng rầy ................................. 64 3.1.1.1. Một số đặc điểm nông sinh học của vật liệu mang gen kháng rầy nâu ............. 64 3.1.1.2. Một số đặc điểm nông sinh học vật của liệu nhận gen kháng rầy nâu .............. 66 3.1.2. Kết quả lai tạo, chọn lọc dòng bố kháng rầy nâu .................................................. 68 3.1.2.1. Kết quả lai chuyển gen kháng rầy vào dòng bố ................................................. 68 3.1.2.2. Xác định sự có mặt của gen kháng rầy nâu trong các dòng triển vọng ........... 72 3.1.2.3. Đánh giá khả năng kết hợp của các dòng bố kháng rầy nâu: ........................... 74 3.1.3. Kết quả lai tạo, chọn lọc dòng mẹ TGMS kháng rầy nâu ..................................... 78 3.1.3.1. Kết quả lai chuyển gen kháng rầy nâu vào các dòng TGMS ............................. 78 3.1.3.3. Đánh giá khả năng kết hợp chung (GCA) của các dòng mẹ TGMS mang gen kháng rầy nâu và một số dòng mẹ khác. ......................................................................... 90 3.2.1. Kết quả đánh giá vật liệu phục vụ chọn tạo dòng mẹ kháng bệnh bạc lá ............. 91 3.2.1.1. Một số đặc điểm của các dòng mang gen kháng bạc lá .................................... 91 3.2.1.2. Một số đặc điểm của các dòng TGMS nhận gen kháng bạc lá .......................... 96 3.2.2. Kết quả lai chuyển gen kháng bạc lá vào dòng mẹ TGMS................................... 97 3.2.2.1. Kết quả kiểm tra tính đa hình của các dòng bất dục TGMS .............................. 98 3.2.2.2. Xác định sự có mặt gen kháng bạc lá Xa4, Xa7 trong các dòng bất dục chuyển gen kháng bạc lá. ................................................................................................ 99 3.2.2.3. Khả năng kết hợp chung của các dòng TGMS mới chọn tạo .......................... 104 Đánh giá khả năng kết hợp chung về các yếu tố cấu thành năng suất và năng suất của các dòng mẹ mang gen kháng bạc lá mới so với các dòng ban đầu, kết quả được trình bày trong bảng 3.24. ..................................................................................................... 105 3.3. Kết quả lai tạo các tổ hợp lúa lai mới kháng bạc lá, rầy nâu ................................. 107 3.3.1. Lai tạo các tổ hợp lúa lai mới theo hướng kháng rầy nâu ................................... 107 3.3.1.1. Đánh giá một số đặc điểm nông sinh học, yếu tố cấu thành năng suất của con lai F1vụ Xuân 2016 tại Thanh Trì, Hà Nội ............................................................ 107 3.3.1.2. Đánh giá khả năng kết hợp riêng của các dòng mẹ TGMS mang gen kháng rầy và một số dòng mẹ khác.......................................................................................... 112 3.3.2. Lai tạo các tổ hợp lúa lai mới theo hướng kháng bệnh bạc lá ............................ 117 vi 3.3.2.1. Kết quả lai tạo và đánh giá một số đặc điểm nông sinh học, yếu tố cấu thành năng suất của các tổ hợp lai theo hướng kháng bạc lá vụ Mùa 2016 tại Thanh Trì, Hà Nội. .......................................................................................................................... 117 3.3.2.2. Đánh giá khả năng kết hợp riêng của các tổ hợp lai có dòng mẹ mang gen kháng bạc lá. ................................................................................................................. 123 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ .......................................................................................... 131 1. Kết luận. .................................................................................................................... 131 2. Đề nghị:..................................................................................................................... 132 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ.............................................................. 133 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 134 I. TÀI LIỆU TIẾNG VIỆT: .......................................................................................... 134 II. TÀI LIỆU TIẾNG ANH: ......................................................................................... 137 PHỤ LỤC 1 .................................................................................................................. 150 Mối tương quan giữa kiểu hình sinh học của rầy nâu ................................................... 150 và những gen kháng rầy trên giống lúa ......................................................................... 150 PHỤ LỤC 2 .................................................................................................................. 151 Phản ứng kháng, nhiễm của các dòng lúa chỉ thị đa gen đối với 4 nhóm nòi vi khuẩn X. oryzae miền Bắc Việt Nam (2003) .......................................................................... 151 PHỤ LỤC 3 .................................................................................................................. 153 Kết quả tạo các tổ hợp lai chuyển gen kháng rầy năm 2009, 2010 .............................. 153 PHỤ LỤC 4 Sơ đồ chọn tạo dòng mẹ AMS35S ........................................................... 154 PHỤ LỤC 5 .................................................................................................................. 155 Kết quả phân tích khả năng kết hợp.............................................................................. 155 của các dòng bố mang gen kháng rầy nâu .................................................................... 155 PHỤ LỤC 6 .................................................................................................................. 159 Kết quả phân tích khả năng kết hợp GCA và SCA....................................................... 159 của các dòng mẹ TGMS mang gen kháng bạc lá .......................................................... 159 PHỤ LỤC 7 .................................................................................................................. 163 Kết quả phân tích khả năng kết hợp.............................................................................. 163 của các tổ hợp lai có dòng mẹ TGMS kháng rầy nâu ................................................... 163 PHỤ LỤC 8 .................................................................................................................. 178 Kết quả phân tích khả năng kết hợp.............................................................................. 178 vii của các tổ hợp lai có dòng mẹ TGMS kháng bạc lá ..................................................... 178 PHỤ LỤC 9 .................................................................................................................. 196 Báo cáo kết quả đánh giá tính chống chịu rầy nâu ....................................................... 196 của một số giống lúa lai năm 2017 ............................................................................... 196 viii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Chữ viết đầy đủ/nghĩa tiếng Việt AFLP Amplified Fragment Length Polymorphism (Đa hình khuyếch đại các đoạn chiều dài) APSA Asia and Pacific Seed Association (Hiệp hội hạt giống châu Á - Thái Bình Dương) BAC Bacterial Artificial Chromosome (Nhiễm sắc thể nhân tạo của vi khuẩn) BD Bất dục CMS Cytoplasmic Male Sterile (Bất dục đực tế bào chất) CT Công thức CSSLs Chromosome segment substitution lines (Dòng được thay thế một đoạn nhiễm sắc thể CV% ĐB Coefficient of variation (hệ số biến động) Đồng bằng ĐBSCL Đồng bằng sông Cửu Long D/R Dài/rộng Đ/C Đối chứng ĐKTN Điều kiện tự nhiên ĐKNK Điều kiện nhà kính DNA DeriboNucleic Acid (Axit đêoxiribonuclei) EGMS Environment sensitive Genic Male Sterile (Dòng bất dục đực di truyền nhân mẫn cảm với môi trường) FAO Food and Agriculture Oganization (Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên Hiệp Quốc) GCA General Combining Ability (Khả năng kết hợp chung) ix IAARD Indonesian Agency for Agricaltural Research and Development (Viện Nghiên cứu và Phát triển Nông nghiệp Indonesia) IRRI International Rice Research Institute (Viện Nghiên cứu lúa Quốc tế ) KL Khối lượng KNKH Khả năng kết hợp LSDα Limit Smallest difference (Giới hạn sai khác nhỏ nhất có ý nghĩa tại mức ý nghĩa α) MAS Marker Assisted Selection (Chọn lọc nhờ chỉ thị phân tử) NS Năng suất NST Nhiễm sắc thể PCR Polymerase Chain Reaction (Phản ứng chuỗi trùng lặp) PGMS Photoperiod sensitive Genic Male Sterile (Dòng bất dục đực chức năng di truyền nhân mẫn cảm ánh sáng) QTL Quantitative Trait Loci (Locus tính trạng số lượng) RAPD Random Amplified Polymorphic DNA (Đa hình các đoạn DNA được khuyếch đại ngẫu nhiên) RFLP Restriction Fragments Length Polymorphism (Đa hình chiều dài đoạn cắt giới hạn) SCA Specific combining ability (Khả năng kết hơp riêng) SSR TDMN Simple Sequence Repeates (Đa hình các đoạn lặp lại đơn giản) Trung du miền núi TGMS Thermosensitive Genic Male Sterile (Dòng bất dục đực chức năng di truyền nhân mẫn cảm nhiêt độ) x TGST Thời gian sinh trưởng ƯTL Ưu thế lai VX Vụ Xuân VM Vụ Mùa WCG Wide Compatility Gene (Gen tương hợp rộng) xi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Diện tích và năng suất sản xuất sản xuất lúa lai đại trà tại Việt Nam giai đoạn 2008-2018 ........................................................................................ 40 Bảng 1.2: Diện tích và năng suất sản xuất hạt giống lúa lai F1 ở Việt Nam giai đoạn 2008- 2018 .............................................................................................. 41 Bảng 3. 1: Một số đặc điểm nông sinh học của các dòng vật liệu mang gen kháng rầy nâu trong vụ Mùa 2012 ...............................