Luận án Nghiên cứu đa dạng di truyền và sử dụng một số giống lúa màu triển vọng ở Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM --------- HOÀNG THỊ HUỆ NGHIÊN CỨU ĐA DẠNG DI TRUYỀN VÀ SỬ DỤNG MỘT SỐ GIỐNG LÚA MÀU TRIỂN VỌNG Ở VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ NÔNG NGHIỆP Hà Nội - 2017 HOÀNG THỊ HUỆ NGHIÊN CỨU ĐA DẠNG DI TRUYỀN VÀ SỬ DỤNG MỘT SỐ GIỐNG LÚA MÀU TRIỂN VỌNG Ở VIỆT NAM Chuyên ngành: Di truyền và Chọn giống cây trồng Mã số: 62.62.01.11 LUẬN ÁN TIẾN SĨ NÔNG NGHIỆP Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. LÃ TUẤN NGHĨA 2. GS.TS. HOÀNG TUYẾT MINH Hà Nội - 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM --------- i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan, đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận án này là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ một công trình nào khác. Tôi xin cam đoan rằng, mọi sự giúp đỡ, hợp tác cho việc thực hiện luận án này đã được cám ơn và các thông tin trích dẫn trong luận án này đều được chỉ dẫn rõ nguồn gốc. Tác giả luận án Hoàng Thị Huệ ii LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận án này, tôi đã nhận được sự quan tâm giúp đỡ nhiệt tình của các Thầy, Cô giáo, các tập thể, cá nhân cùng bạn bè đồng nghiệp và gia đình. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới hai Thầy hướng dẫn PGS.TS. Lã Tuấn Nghĩa - Giám đốc Trung tâm Tài nguyên thực vật và GS.TS. Hoàng Tuyết Minh – Hội Giống cây trồng Việt Nam, và những Thầy Cô đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài cũng như hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Trung tâm Tài nguyên thực vật, Bộ môn Đa dạng sinh học nông nghiệp, bạn bè đồng nghiệp trong Trung tâm Tài nguyên thực vật đã tạo điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong quá trình học tập và thực hiện đề tài. Tôi xin chân thành cảm ơn các tập thể, cá nhân thuộc Viện Bảo vệ thực vật, Đại học Hiroshima, cán bộ và nông dân huyện Lộc Hà – Hà Tĩnh, huyện Con Cuông – Nghệ An đã hợp tác, giúp đỡ và phối hợp trong quá trình thực hiện đề tài. Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô giáo, các anh, chị, em trong Ban Đào tạo sau đại học, Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam đã tận tình giúp đỡ và chỉ bảo tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài. Cuối cùng tôi vô cùng biết ơn các thành viên trong gia đình đã luôn bên cạnh, động viên khích lệ, tiếp thêm sức mạnh và nghị lực để tôi hoàn thiện công trình nghiên cứu này. Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2017 Tác giả Hoàng Thị Huệ iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ ii MỤC LỤC .................................................................................................................... iii DANH MỤC VIẾT TẮT .............................................................................................. vi DANH MỤC BẢNG .................................................................................................. viii DANH MỤC HÌNH ....................................................................................................... x MỞ ĐẦU......................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài............................................................................................ 1 2. Mục tiêu của đề tài .................................................................................................... 2 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ................................................................ 2 4. Những đóng góp mới của đề tài ............................................................................... 2 5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài .......................................................... 2 CHƯƠNG I TỔNG QUAN TÀI LIỆU NGHIÊN CỨU ............................................ 4 2.1 Giới thiệu chung về cây lúa màu ............................................................................ 4 2.1.1. Nguồn gốc và phân bố ........................................................................................... 4 2.1.2. Giá trị sử dụng của cây lúa màu ............................................................................ 5 2.2. Tình hình sản xuất và tiêu thụ lúa màu trên thế giới và Việt Nam ................... 7 2.2.1. Trên thế giới .......................................................................................................... 7 2.2.2. Ở Việt Nam ........................................................................................................... 8 2.3. Tình hình nghiên cứu về cây lúa màu .................................................................. 9 2.3.1. Nghiên cứu bảo tồn và chọn tạo giống lúa màu .................................................... 9 2.3.2. Nghiên cứu đa dạng di truyền cây lúa màu ......................................................... 13 2.3.3 Nghiên cứu khả năng kháng bệnh của cây lúa màu ............................................. 20 2.3.4 Nghiên cứu khả năng chịu hạn của cây lúa màu .................................................. 23 2.3.5 Nghiên cứu chất lượng cây lúa màu ..................................................................... 27 2.3.6. Nghiên cứu kỹ thuật gieo trồng cây lúa màu ...................................................... 33 CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU37 2.1. Vật liệu nghiên cứu ............................................................................................... 37 2.2. Nội dung nghiên cứu ............................................................................................ 42 2.2.1 Nghiên cứu đa dạng di truyền nguồn gen lúa màu ở Việt Nam ........................... 42 iv 2.2.2 Đánh giá đặc điểm nông sinh học chính và khả năng kháng bệnh của nguồn gen lúa màu đại diện ............................................................................................................ 42 2.2.3 Đánh giá hoạt tính chống oxy hóa và vi chất của giống lúa màu triển vọng ....... 42 2.2.4 Nghiên cứu biện pháp kỹ thuật gieo trồng cho 2 giống lúa màu triển vọng ........ 42 2.3. Địa điểm và thời gian nghiên cứu ....................................................................... 43 2.4. Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................... 43 2.4.1 Phương pháp nghiên cứu về chất lượng ............................................................... 43 2.4.2. Phương pháp nghiên cứu khả năng chịu hạn....................................................... 49 2.4.3. Phương pháp nghiên cứu đa dạng di truyền sử dụng chỉ thị phân tử SSR .......... 51 2.4.4. Phương pháp đánh giá đặc điểm nông sinh học của nguồn gen lúa màu ............ 53 2.4.5. Phương pháp nghiên cứu khả năng kháng bệnh .................................................. 54 2.4.6. Phương pháp nghiên cứu kỹ thuật gieo trồng giống lúa màu triển vọng ............ 56 2.4.7. Phương pháp phân tích và xử lý số liệu .............................................................. 58 CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .............................................................. 59 3.1 Đánh giá đa dạng di truyền nguồn gen lúa màu ở Việt Nam ............................ 59 3.1.1 Đánh giá đa dạng dựa trên chỉ tiêu chất lượng ..................................................... 59 3.1.2 Đánh giá đa dạng dựa trên khả năng chịu hạn ..................................................... 69 3.1.3 Đánh giá đa dạng di truyền sử dụng chỉ thị phân tử SSR .................................... 79 3.2 Đánh giá một số đặc điểm nông sinh học chính và khả năng kháng bệnh của nguồn gen lúa màu đại diện ........................................................................................ 97 3.2.1. Đánh giá một số đặc điểm nông sinh học chính của các mẫu giống lúa màu đại diện ................................................................................................................................ 97 3.2.2 Đánh giá khả năng kháng bệnh đạo ôn của các mẫu giống lúa màu đại diện .... 101 3.2.3. Đánh giá khả năng kháng bệnh bạc lá của các mẫu giống lúa màu đại diện .... 103 3.3 Đánh giá hoạt tính chống oxi hóa và hàm lượng vi chất của giống lúa màu triển vọng .................................................................................................................... 104 3.3.1 Đánh giá hoạt tính chống oxi hóa của 2 giống lúa màu triển vọng .................... 104 3.3.2 Đánh giá hàm lượng vi chất của 2 giống lúa màu triển vọng ............................ 106 3.4. Nghiên cứu xây dựng biện pháp kỹ thuật gieo trồng đối với giống lúa màu triển vọng ............................................................................................................................. 107 3.4.1 Nghiên cứu về thời vụ ........................................................................................ 107 3.4.2 Nghiên cứu về mật độ ........................................................................................ 109 v 3.4.3 Nghiên cứu về phân bón ..................................................................................... 112 A. KẾT LUẬN ........................................................................................................... 114 B. ĐỀ NGHỊ ............................................................................................................... 115 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 117 PHỤ LỤC ................................................................................................................... 130 vi DANH MỤC VIẾT TẮT ADN AFLP bp BVTV CASE CĐQH CĐTN Cs CT CTAB ĐBSCL DHA dNTP DPPH INDEL INRC IPGRI IRRI ISSR KH&CN KL NHG NN NSTT PAL PCR PIC ppm PTNT QTL : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : Deoxyribonucleic acid Amplified Fragment Length Polymorphism Base pair Bảo vệ thực vật Center analysis services experimental Cường độ quang hợp Cường độ thoát nước Cộng sự Công thức Cetyl trimethylammonium bromide Đồng bằng sông Cửu Long Docosa hexaenoic acid Deoxynucleotide triphosphates 1,1 – diphenyl – 2 – picrylhydrazyl Insertion Deletion Indian Rice Collection International plant genetic resources institute International Rice Research Institute Inter- Simple Sequence Repeat Khoa học và công nghệ Khối lượng Ngân hàng gen Nông nghiệp Năng suất thực thu Phenylalaninamonia lyaza Polymerase Chain Reaction Polymorphism Information Content Parts per million Phát triển nông thôn Quantitative trait locus vii RAPD RCD SNP SPAD SSR TGST TH TNHH TNTV TV WHO : : : : : : : : : : Random Amplified Polymorphic Randomized complete design Single Nucleotide Polymorphism Chỉ số tương quan với hàm lượng diệp lục Simple Sequence Repeats Thời gian sinh trưởng Tổng hợp Trách nhiệm hữu hạn Tài nguyên thực vật Thời vụ World Health Organization viii DANH MỤC BẢNG Bảng 1. 1. Phân bố của nguồn gen lúa màu (black rice) trên thế giới ............................ 5 Bảng 1. 2. Nhu cầu tiêu thụ gạo chất lượng (1.000 tấn) ................................................. 8 Bảng 1. 3. Tính trạng đặc biệt của các giống lúa màu (red varieties) điển hình tại Ấn Độ .................................................................................................................................. 11 Bảng 1. 4. Một số giống lúa và gen kháng đạo ôn ........................................................ 21 Bảng 1. 5. Một số giống lúa và gen kháng bạc lá ......................................................... 22 Bảng 2. 1. Danh sách 90 mẫu giống lúa màu nghiên cứu ............................................. 37 Bảng 2. 2.Danh sách 40 chỉ thị phân tử SSR sử dụng trong nghiên cứu ...................... 40 Bảng 2. 3.Thành phần cho một phản ứng PCR ............................................................. 51 Bảng 2. 4. Các chỉ tiêu theo dõi đặc điểm nông sinh học ............................................. 53 Bảng 3. 1. Phân loài phụ Indica/Japonica và Nếp/Tẻ của các mẫu giống lúa màu ...... 59 Bảng 3. 2.Đánh giá các chỉ tiêu xay xát của các mẫu giống lúa màu ........................... 60 Bảng 3. 3. Mối quan hệ giữa độ thơm với phân loài phụ Indica/Japonica và Nếp/Tẻ của các mẫu giống lúa màu ........................................................................... 62 Bảng 3. 4.Mối quan hệ giữa hàm lượng amylose với loài phụ Indica/Japonica và Nếp/Tẻ của các mẫu giống lúa màu .............................................................. 63 Bảng 3. 5. Mối quan hệ giữa độ phân hủy kiềm, nhiệt độ hóa hồ với loài phụ Indica/Japonica và Nếp/Tẻ của các mẫu giống lúa màu .............................. 64 Bảng 3. 6. Mối quan hệ giữa hàm lượng anthocyanin và màu sắc gạo lật của các mẫu giống lúa màu ................................................................................................. 66 Bảng 3. 7. Đánh giá khả năng chịu hạn của các mẫu giống lúa nghiên cứu sau khi xử lý KClO3 3% ................................................................................................. 69 Bảng 3. 8. Kết quả chiều dài thân và chiều dài rễ của một số mẫu giống có khả năng sinh trưởng ................................................................................................... 72 Bảng 3. 9. Thông tin đa hình tại các locut SSR nghiên cứu của các mẫu giống lúa màu ..................................................................................................................... 84 Bảng 3. 10. Tỷ lệ khuyết số liệu (M%) và dị hợp tử (H%) của các mẫu giống lúa màu nghiên cứu ................................................................................................... 88 Bảng 3. 11. Danh sách các mẫu giống lúa màu được chọn sử dụng phần mềm hệ số chọn lọc ......................................................................................................................... 95 Bảng 3. 12. Thông tin về 16 mẫu giống lúa màu đã chọn ............................................. 96 ix Bảng 3. 13. Kết quả về chiều cao cây và số nhánh ....................................................... 98 Bảng 3. 14. Một số đặc điểm đặc trưng của các mẫu giống lúa màu đại diện ............. 99 Bảng 3. 15. Đánh giá tính kháng bệnh đạo ôn của các mẫu giống lúa màu đại diện .. 102 Bảng 3. 16. Đánh giá tính kháng bệnh bạc lá của các mẫu giống lúa màu đại diện ... 103 Bảng 3. 17. Hoạt tính chống oxi hoá của 2 giống lúa màu triển vọng....104 Bảng 3. 18. Hàm lượng Phenolic tổng số của 2 giống lúa màu triển vọng.105 Bảng 3. 19. Hàm lượng Flavonoid tổng số của 2 giống lúa màu triển vọng...106 Bảng 3. 20. Hàm lượng sắt và kẽm của 2 giống lúa màu triển vọng..107 Bảng 3. 21. Ảnh hưởng của thời vụ đến một số đặc điểm chính của giống lúa Bát vụ mùa 2015 và 2016 tại Hà Tĩnh ................................................................. 108 Bảng 3. 22. Ảnh hưởng của thời vụ đến một số đặc điểm chính của giống lúa Khẩu cẩm xẳng vụ Mùa 2015 và 2016 tại Nghệ An ........................................ 109 Bảng 3. 23. Ảnh hưởng của mật độ cấy đến một số tính trạng chính của giống lúa Bát vụ Mùa 2015 và 2016 tại Hà Tĩnh .......................................................... 110 Bảng 3. 24. Ảnh hưởng của mật độ cấy đến một số tính trạng chính của giống lúa Khẩu cẩm xẳng vụ Mùa 2015 và 2016 tại Nghệ An ............................... 111 Bảng 3. 25. Ảnh hưởng của phân bón phức hỗn hợp NPK đến một số tính trạng chính của giống lúa Bát vụ Mùa 2015 và 2016 tại Hà Tĩnh ............................. 112 Bảng 3. 26. Ảnh hưởng của phân bón phức hỗn hợp NPK đến một số tính trạng chính của giống lúa Khẩu cẩm xẳng vụ Mùa 2015 và 2016 tại Nghệ An ......... 113 x DANH MỤC HÌNH Hình 2. 1. Sơ đồ cách tiếp cận nghiên cứu của luận án ................................................. 44 Hình 2. 2. Hình ảnh đặc trưng các điểm phân hủy kiềm và nhiệt độ hóa hồ ................ 47 Hình 3. 1. Đánh giá độ thơm của các mẫu giống lúa màu 63 Hình 3. 2. Đánh giá hàm lượng amylose của các mẫu giống lúa màu .......................... 64 Hình 3. 3. Đánh giá nhiệt độ hóa hồ của các mẫu giống lúa màu ................................. 65 Hình 3. 4. Cây phả hệ biểu hiện mối quan hệ đa dạng của các mẫu giống lúa màu dựa trên chỉ tiêu chất lượng .......................................................................................... 68 Hình 3. 5. Tỉ lệ nảy mầm của các mẫu giống lúa màu ở các mức chịu hạn sau khi xử lý KClO3 3% ....................................................................................................... 70 Hình 3. 6. Hình ảnh nảy mầm đại diện của một số mẫu giống lúa màu ..................... 71 Hình 3. 7. Khả năng sinh trưởng của giống lúa Khẩu cẩm xẳng trong dung dịch KClO3 1% ........................................................................................................... 73 Hình 3. 8. Khả năng chịu hạn và phục hồi của các mẫu giống lúa màu sau 15 – 21 ngày gây hạn ......................................................................................................... 75 Hình 3. 9. Khả năng chịu hạn ở giai đoạn đẻ nhánh của một số giống điển hình trong nghiên cứu sau khi gây hạn nhân tạo ...................................................................... 75 Hình 3. 10. Cây phả hệ biểu hiện mối quan hệ đa dạng giữa các mẫu giống màu dựa trên khả năng chịu hạn ........................................................................................... 78 Hình 3. 11. Ảnh điện di ADN tổng số của các mẫu giống lúa màu ........................... 79 Hình 3. 12. Ảnh điện di sản phẩm PCR của các mẫu giống lúa màu bằng chỉ thị RM228.................................................................................................................. 80 Hình 3. 13. Ảnh điện di sản phẩm PCR của các mẫu giống lúa màu bằng chỉ thị RM1376 ......................................................................................................................... 80 Hình 3. 14. Ảnh điện di sản phẩm PCR của các mẫu giống lúa màu bằng chỉ thị RM339 ........................................................................................................................... 81 Hình 3. 15. Ảnh điện di sản phẩm PCR của các mẫu giống lúa màu bằng chỉ thị RM5647 ..................................................................................................... 81 Hình 3. 16. Ảnh điện di sản phẩm PCR của các mẫu giống lúa màu bằng chỉ thị RM144 ....................................................................................................... 82 xi Hình 3. 17. Ảnh điện di sản phẩm PCR của các mẫu giống lúa màu bằng chỉ thị RM208 ....................................................................................................... 82 Hình 3. 18. Biến động kích thước alen tại các locut khảo sát nghiên cứu .................... 83 Hình 3. 19. Cây phả hệ biểu hiện mối quan hệ di truyền của 90 mẫu giống lúa màu sử dụng 40 chỉ thị SSR ....................................................................................................... 94 Hình 3. 20. Phân nhóm các mẫu giống lúa nghiên cứu theo TGST .............................. 97 Hình 3. 21. Đường chuẩn cho đánh giá hàm lượng Phenolic tổng số sử dụng Gallic Acid (GA). ...........................................................