Luận án Nghiên cứu một số tính trạng nông sinh học liên quan đến khả năng chịu hạn của vật liệu nhiệt đới phục vụ chọn tạo giống Ngô Lai

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM ----- ----- ĐỖ VĂN DŨNG NGHIÊN CỨU MỘT SỐ TÍNH TRẠNG NÔNG SINH HỌC LIÊN QUAN ĐẾN KHẢ NĂNG CHỊU HẠN CỦA VẬT LIỆU NHIỆT ĐỚI PHỤC VỤ CHỌN TẠO GIỐNG NGÔ LAI LUẬN ÁN TIẾN SĨ NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI - 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM ----- ----- ĐỖ VĂN DŨNG NGHIÊN CỨU MỘT SỐ TÍNH TRẠNG NÔNG SINH HỌC LIÊN QUAN ĐẾN KHẢ NĂNG CHỊU HẠN CỦA VẬT LIỆU NHIỆT ĐỚI PHỤC VỤ CHỌN TẠO GIỐNG NGÔ LAI Chuyên ngành: Di truyền và Chọn giống cây trồng Mã số: 9.62.01.11 LUẬN ÁN TIẾN SĨ NÔNG NGHIỆP Người hướng dẫn khoa học: 1. TS. Lê Quý Kha 2. TS. Pervez Haider Zaidi HÀ NỘI - 2018 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và với sự cộng tác của các cộng sự khác. Các số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận án này là trung thực và đã được công bố trên các tạp chí khoa học chuyên ngành với sự đồng ý cho phép của các đồng tác giả. Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận án này đã được chỉ rõ nguồn gốc. Ngày 19 tháng 8 năm 2018 Tác giả luận án Đỗ Văn Dũng ii LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện đề tài tôi luôn nhận được sự ủng hộ và giúp đỡ của các cơ quan, các thầy cô, bạn bè đồng nghiệp và gia đình. Trước hết tôi bày tỏ biết ơn sâu sắc đối với TS. Lê Quý Kha (Viện Khoa học Kỹ thuật Nông nghiệp miền Nam, IAS) và TS. Zaidi P.H. (Trung tâm Nghiên cứu Lúa mì và Ngô quốc tế, CIMMYT tại Ấn Độ) đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài và hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn tới Ban Lãnh đạo Viện Nghiên cứu Ngô, tập thể Bộ môn Chọn tạo giống ngô thực phẩm đã tạo mọi điều kiện thuận lợi và nhiệt tình giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài và hoàn thành luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban lãnh đạo, tập thể cán bộ và các thầy cô của Ban Đào tạo Sau đại học, Ban lãnh đạo Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam đã tạo điều kiện thuận lợi và quan tâm giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và hoàn thành luận án. Tôi xin gửi lời cảm ơn nhóm nghiên cứu CIMMYT tại Ấn Độ và Công ty Cổ phần Giống Cây trồng Nha Hố, Ninh Thuận đã giúp đỡ, trao đổi thông tin khoa học, xã hội và kinh nghiệm giúp ích cho tôi rất nhiều. Và đặc biệt cảm ơn sự giúp đỡ tới Ban quản lý dự án "Chọn tạo giống ngô chịu bất thuận phi sinh học cho vùng Nam Á và Đông Nam Á- ATMA" và tài trợ của Bộ Hợp tác Kinh tế và Phát triển Cộng hòa Liên bang Đức (BMZ) . Nhân dịp này tôi xin cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp và gia đình đã luôn động viên, khích lệ và tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp tôi hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn! Tác giả Đỗ Văn Dũng iii MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN.......................................................................................................... I LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................. II MỤC LỤC ................................................................................................................... III DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT .................................................................................. VI DANH MỤC BẢNG .................................................................................................. vii DANH MỤC HÌNH ...................................................................................................... x MỞ ĐẦU....................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU NGHIÊN CỨU .............................................. 5 1.1. Tình hình sản xuất ngô trên thế giới và Việt Nam ................................................ 5 1.1.1. Tình hình sản xuất ngô trên thế giới .............................................................. 5 1.1.2. Tình hình sản xuất ngô ở Việt Nam ............................................................... 6 1.2. Ảnh hưởng của hạn đối với sản xuất ngô trên thế giới và ở Việt Nam ................. 8 1.2.1. Ảnh hưởng của hạn đối với sản xuất ngô trên thế giới .................................. 8 1.2.2. Ảnh hưởng của hạn đến sản xuất ngô ở Việt Nam ...................................... 10 1.3. Tình hình nghiên cứu, sử dụng giống ngô chịu hạn trên thế giới và Việt Nam ... 14 1.3.1. Tình hình nghiên cứu, sử dụng giống ngô chịu hạn trên thế giới ................ 14 1.3.2. Tình hình nghiên cứu ngô chịu hạn ở Việt Nam .......................................... 16 1.4. Khái niệm và cơ sở khoa học về hạn, khả năng chịu hạn ở ngô ....................... 18 1.4.1. Khái niệm về hạn ......................................................................................... 18 1.4.2. Cơ chế chịu hạn của cây trồng ..................................................................... 19 1.4.3. Ảnh hưởng của hạn đối với cây ngô ............................................................ 21 1.5. Di truyền tính chịu hạn ở cây ngô ........................................................................ 24 1.6. Một số tính trạng hữu ích dùng trong nghiên cứu khả năng chịu hạn ở ngô ....... 27 1.7. Ứng dụng chỉ thị phân tử trong chọn lọc vật liệu ngô ......................................... 30 1.7.1. Sự hỗ trợ của chỉ thị phân tử trong chọn giống ngô ..................................... 30 1.7.2. Đa hình đơn nucleotide (SNP) ..................................................................... 33 1.7.3. Lập bản đồ về di truyền tính trạng số lượng ................................................ 34 1.7.4. Cải tạo giống theo phương pháp truyền thống và ứng dụng bản đồ QTL ... 41 1.8. Khả năng kết hợp .............................................................................................. 42 CHƯƠNG 2. VẬT LIỆU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .......... 49 2.1. Tạo 8 nhóm dòng Bi-parent (BP) tại Ấn Độ ........................................................ 49 iv 2.2. Vật liệu nghiên cứu .............................................................................................. 50 2.2.1. Vật liệu nghiên cứu đặc điểm nông học và lập bản đồ QTL liên quan đến chịu hạn của 8 nhóm dòng bp trong điều kiện hạn và tưới đủ tại Ấn Độ ..... 50 2.2.2. Vật liệu đánh giá tổ hợp lai của 8 nhóm dòng với 2 cây thử (CML451, CLO2450) trong điều kiện hạn và tưới đủ tại Ninh Thuận .......................... 52 2.2.3. Vật liệu nghiên cứu KNKH, ƯTL và khả năng chịu hạn về năng suất của 9 dòng thuần tham gia luân giao ở điều kiện tưới đủ, hạn nặng, hạn vừa tại Ấn Độ ........................................................................................................... 52 2.2.4. Vật liệu khảo nghiệm giống ngô .................................................................. 53 2.3. Nội dung nghiên cứu ............................................................................................ 53 2.4. Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................... 53 2.4.1. Phương pháp đánh giá một số đặc điểm nông học ở điều kiện đồng ruộng ... 53 2.4.2. Phương pháp lập bản đồ QTL một số đặc điểm nông học của 8 nhóm dòng BP thế hệ F2:3 và các dòng bố mẹ .............................................. 55 2.4.3. Phương pháp đánh giá khả năng kết hợp ..................................................... 56 2.4.4. Phương pháp khảo sát tổ hợp lai ưu tú ......................................................... 57 2.4.5. Phương pháp theo dõi, đánh giá đặc điểm nông học ................................... 57 2.4.6. Phương pháp chăm sóc và quản lý thí nghiệm đồng ruộng ......................... 59 2.4.7. Xử lý số liệu thí nghiệm ................................................................................... 59 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................... 62 3.1. Nghiên cứu một số tính trạng nông học và xác định QTL trên các gia đình F2:3 có khả năng chịu hạn và khả năng kết hợp tốt ....................................................... 62 3.1.1. Đánh giá đặc điểm nông học liên quan đến khả năng chịu hạn của 8 nhóm dòng F2:3 và các dòng bố mẹ ......................................................................... 62 3.1.2. Hệ số tương quan kiểu hình và di truyền của một số đặc điểm nông học trong điều kiện hạn vơi tưới đủ..................................................................... 85 3.1.3. Lập bản đồ qtl liên quan tính chịu hạn của 8 nhóm dòng F2:3 tại Ấn Độ ..... 89 3.2. Đánh giá sớm khả năng kết hợp của các nhóm dòng ngô F2:3 và chọn lọc các dòng ưu tú, các tổ hợp lai chịu hạn ................................................................. 100 3.2.1 Đánh giá sớm khả năng kết hợp về năng suất của các nhóm dòng ngô F2:3 ............................................................................................................... 100 3.2.2. Chọn lọc dòng ưu tú và tổ hợp lai có triển vọng ........................................ 110 3.2.3. Năng suất của các dòng và tổ hợp lai luân giao ở các điều kiện nghiên cứu .............................................................................................................. 113 3.2.4. Đánh giá khả năng kết hợp chung, khả năng kết hợp riêng của các dòng . 118 3.2.5. Phân tích tương tác kiểu gen với môi trường ............................................. 127 v 3.3. Kết quả đánh giá các giống ngô lai triển vọng ................................................. 132 3.3.1. Kết quả khảo nghiệm giống ngô lai triển vọng LVN72 ở một số vùng sinh thái phía Bắc ..................................................................................... 132 3.3.2. Kết quả so sánh giống ngô lai triển vọng ĐH17-1 .................................... 135 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ....................................................................................... 137 CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ............................ 139 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 140 PHẦN PHỤ LỤC ..................................................................................................... - 1 - PHỤ LỤC 1. DIỄN BIẾN THỜI TIẾT TẠI ĐIỂM THÍ NGHIỆM ......................... - 1 - PHỤ LỤC 2. MỘT SỐ HÌNH ẢNH TRONG QUÁ TRÌNH THỰC HIỆN ............. - 4 - PHỤ LỤC 3. KẾT QUẢ XỬ LÝ SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM ................................... - 12 - vi DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT TT Từ viết tắt Giải thích 1 ASYCOV Phương trình tiệm cận (Asymptotic Covariance) 2 CIMMYT Trung tâm Nghiên cứu Ngô và Lúa mì Quốc tế (International Maize and Wheat Improvement Center) 3 CV (%) Hệ số biến động (Coefficient of Variation) 4 ĐC Đối chứng 5 et al, cs Cộng sự 6 FAOSTAT, FAO Tổ chức Nông Lương Liên hợp quốc (Food and Agriculture Organization of the United Nation) 7 GMR Báo cáo thị trường ngũ cốc (Grain Market Report) 8 GSO Tổng cục thống kê Việt Nam 9 HAN Điều kiện hạn 10 ICRISAT Viện Nghiên cứu Cây trồng cho vùng Bán khô hạn Nhiệt đới (International Crops Research Institute for the Semi-Arid Tropics) 11 IFAD Quỹ tài trợ Phát triển Nông nghiệp Quốc tế (International Fund for Agricultural Development) 12 IFPRI Viện Nghiên cứu Chương trình Lương thực Quốc tế (International Food Policy Research Institute) 13 IGC Hội đồng Ngũ cốc Quốc tế (International Grains Council) 14 ISAAA Dịch vụ Quốc tế Ứng dụng Công nghệ Sinh học Nông nghiệp Quốc tế (The International Service for the Acquisition of Agri-biotech Applications) 15 KNKHC Khả năng kết hợp chung 16 KNKHR Khả năng kết hợp riêng 17 KT Không tưới 18 LSD 0,05 Mức sai khác nhỏ nhất có ý nghĩa 95% 19 MRC Hiệp hội Sông Mê Kông 20 NCGA Hiệp hội ngô quốc tế (National Corn Growers Association) 21 NDMC Trung tâm quốc gia giảm nhẹ hạn Mĩ (USA National Drought Mitigation Center) 22 NS Năng suất thực thu (tấn/ha) 23 NST Nhiễm sắc thể 24 p, Tr Số trang tài liệu tham khảo 25 PROC Mỗi phân tích được thực hiện bằng cách sử dụng chương trình phụ đặc biệt, được gọi là PROC 26 QTL Tính trạng số lượng (Quantitative trait locus) 27 REML Hạn chế tối đa khả năng đa biến số (Multivariate Restricted Maximum Likelihood) 28 TĐ Tưới đủ 29 THL Tổ hợp lai 30 TP-PR Chênh lệch thời gian tung phấn - phun râu (Anthesis-Silking Interval) 31 UNEP Tổ chức Môi trường Thế giới (United Nations Environment Programme) 32 USDA Bộ Nông nghiệp Mỹ (United States Department of Agriculture) 33 USGCRP Chương trình nghiên cứu Biến đổi toàn cầu Mỹ (The United States Global Change Research Program - USGCRP) 34 USTR Đại diện Bộ Thương mại Mĩ (United States Trade Representative) 35 WMO Tổ chức Khí tượng Quốc tế (World Meteorological Organization) 36 CGIAR Nhóm tư vấn nghiên cứu nông nghiệp quốc tế (Consultative Group on International Agricultural Research) vii DANH MỤC BẢNG TT Tên bảng Trang bảng 1.1. Khả năng thời vụ và các giai đoạn sinh trưởng, phát triển của cây ngô chịu tác động điều kiện bất thuận ở 8 vùng ngô tại Việt Nam ............................. 11 1.2. Các yếu tố bất thuận phổ biến ở từng vùng tại Việt Nam ..................................... 12 1.3. Các vùng sinh thái đặc trưng khô hạn phổ biến tại Việt Nam .............................. 12 1.4. Các phản ứng của cây trồng có liên quan đến chịu hạn khi thử nghiệm trong điều kiện hạn bất thường hay hạn cuối vụ ............................................................ 20 1.5. Hệ số tương quan hình thái và tương quan di truyền với năng suất trong điều kiện hạn ................................................................................................................ 27 1.6. Giá trị điểm của các tính trạng gián tiếp dùng để chọn lọc vật liệu ngô chịu hạn và úng trong điều kiện thí nghiệm đồng ruộng ...................................... 28 1.7. Chỉ thị SSR liên kết với một số gen chịu hạn ....................................................... 31 1.8. Danh sách 49 QTL liên quan đến khả năng chịu hạn ở ngô ................................. 39 2.1. Dòng ngô ưu tú và dòng chịu hạn ......................................................................... 49 2.2. Tên công thức, phả hệ F2:3 của 8 nhóm dòng đánh giá đặc điểm nông học trong điều kiện hạn và tưới đủ .............................................................................. 51 2.3. Danh sách 9 dòng, ký hiệu 36 tổ hợp lai ................................................................ 52 2.4. Các giai đoạn tưới cho 3 điều kiện khác nhau ...................................................... 54 2.5. Chăm sóc và quản lý thí nghiệm ........................................................................... 59 3.1. Thời gian sinh trưởng của 4 nhóm dòng và dòng bố mẹ của nhóm ƯTL A ở điều kiện hạn và tưới đủ trong năm 2012 -2013 tại Hyderabad, Ấn Độ .......... 63 3.2. Thời gian sinh trưởng của 4 nhóm dòng và dòng bố mẹ nhóm ƯTL B ở điều kiện hạn và tưới đủ trong năm 2012 -2013 tại Hyderabad, Ấn Độ ........... 64 3.3. Đặc điểm hình thái của 4 nhóm dòng và dòng bố mẹ ƯTL nhóm A ở điều kiện hạn và tưới đủ trong năm 2012 -2013 tại Hyderabad, Ấn Độ ........... 68 3.4. Đặc điểm hình thái của 4 nhóm dòng và dòng bố mẹ ƯTL nhóm B ở điều kiện hạn và tưới đủ trong năm 2012 -2013 tại Hyderabad, Ấn Độ ........... 69 3.5. Sự già hoá bộ lá của 4 nhóm dòng F2:3 và dòng bố mẹ ƯTL nhóm A ở điều kiện hạn và tưới đủ trong năm 2012 -2013, Hyderabad, Ấn Độ ............... 71 3.6. Sự già hoá bộ lá của 4 nhóm dòng F2:3 và dòng bố mẹ ƯTL nhóm B ở điều kiện hạn và tưới đủ trong năm 2012 -2013, Hyderabad, Ấn Độ ............... 72 viii 3.7. Một số đặc điểm của 4 nhóm dòng và dòng bố mẹ nhóm ƯTL A ở môi trường hạn, tưới đủ trong năm 2012 -2013, Hyderabad, Ấn Độ ................ 77 3.8. Một số đặc điểm của 4 nhóm dòng và dòng bố mẹ nhóm ƯTL B ở điều kiện hạn, tưới đủ trong năm 2012 -2013, Hyderabad, Ấn Độ ................... 78 3.9. Một số đặc điểm cấu thành năng suất của 4 nhóm dòng F2:3 và dòng bố mẹ ƯTL nhóm A ở điều kiện hạn và tưới đủ trong năm 2012 - 2013 tại Ấn Độ ....... 80 3.10. Một số đặc điểm cấu thành năng suất của 4 nhóm dòng F2:3 và dòng bố mẹ ƯTL nhóm B ở điều kiện hạn và tưới đủ trong năm 2012 - 2013 tại Ấn Độ ....... 81 3.11. Năng suất của các nhóm dòng BP thế hệ F2:3 và dòng bố mẹ trong điều kiện hạn so với tưới đủ tại Ấn Độ ................................................................................ 84 3.12. Hệ số tương quan kiểu hình một số đặc điểm nông học của 8 nhóm dòng trong điều kiện hạn và tưới đủ tại Ấn Độ ............................................................. 85 3.13. Tương quan di truyền của các đặc điểm nông học của 8 nhóm dòng BP giữa điều kiện hạn và tưới đủ tại Ấn Độ .............................................................. 86 3.14. Phân phối marker trên 8 nhóm dòng BP tại Ấn Độ .............................................. 90 3.15. Các QTL về năng suất, chênh lệch tung phấn - phun râu và sự già hóa bộ lá trong điều kiện hạn và tưới đủ của 7 nhóm dòng F2:3 tại Ấn Độ .......................... 96 3.16. Năng suất trung bình của con lai F1 của [nhóm dòng A × cây thử], trong vụ Xuân 2014 ở điều kiện hạn, tưới đủ tại Ninh Thuận .......................................... 102 3.17. Năng suất trung bình của con lai F1 của [nhóm dòng B × cây thử], trong vụ Xuân 2014 ở điều kiện hạn, tưới đủ tại Ninh Thuận .......................................... 103 3.18. Bình phương trung bình về năng suất (NS) của các 8 nhóm dòng ..................... 106 3.19. Biến động của KNKHC và KNKHR về năng suất của 8 nhóm dòng F2:3 và dòng bố mẹ ở điều kiện hạn, tưới đủ trong vụ Xuân 2014 tại Ninh Thuận ... 108 3.21. Giá trị KNKHC về năng suất cây thử với dòng bố mẹ nhóm B ở điều kiện hạn, tưới đủ trong vụ Xuân 2014 tại Ninh Thuận .............................................. 108 3.22. Khả năng kết hợp chung và năng suất của các gia đình F2:3 được tuyển chọn trong vụ Xuân 2014 tại Ninh Thuận ................................................................... 111 3.23. Khả năng kết hợp riêng và năng suất của các gia đình F2:3 được tuyển chọn trong vụ Xuân 2014 tại Ninh Thuận ................................................................... 112 3.24. Đặc điểm 9 dòng được tuyển chọn và duy trì, làm thuần tại Ấn Độ .................. 114 3.25. Phân tích phương sai khả năng kết hợp về năng suất ở các điều kiện tưới đủ, hạn nặng và hạn vừa ........................................................................................... 115 ix 3.26. Năng suất của 9 dòng thuần ở điều kiện tưới đủ, hạn nặng, hạn vừa trong năm 2014 tại Hyderabad, Ấn Độ .............................................................. 116 3.27. Năng suất của 36 tổ hợp lai luân giao giữa 9 dòng trong vụ hạn 2014 tại Hyderabad, Ấn Độ .............................................................................................. 117 3.28. Khả năng kết hợp chung và khả năng kết hợp riêng của 9 dòng thuần trong vụ hạn 2014 tại Hyderabad, Ấn Độ .......................................................... 120 3.29. Đánh giá ưu thế lai về năng suất của 36 tổ hợp lai trong điều kiện tưới đủ, hạn nặng, hạn vừa, năm 2014 tại Hyderabad, Ấn Độ......................................... 123 3.30. Một số đặc điểm nông học của giống ngô LVN72 trong năm 2016 tại các điểm khảo nghiệm phía Bắc ......................................................................... 133 3.31. Năng suất của giống ngô LVN72 triển vọng tại 3 vùng khảo nghiệm phía Bắc tron