Luận án Nghiên cứu và phát triển giống lúa khang dân 18 chịu ngập ứng phó với biến đổi khí hậu tại các tỉnh phía bắc

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM ------------  ---------- ĐÀO VĂN KHỞI NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN GIỐNG LÚA KHANG DÂN 18 CHỊU NGẬP ỨNG PHÓ VỚI BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU TẠI CÁC TỈNH PHÍA BẮC 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 ------------  ---------- ĐÀO VĂN KHỞI NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN GIỐNG LÚA KHANG DÂN18 CHỊU NGẬP ỨNG PHÓ VỚI BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU TẠI CÁC TỈNH PHÍA BẮC Chuyên ngành: Khoa học cây trồng Mã số: 9620110 LUẬN ÁN TIẾN SĨ NÔNG NGHIỆP Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. Lê Hùng Lĩnh 2. TS. Hà Quang Dũng HÀ NỘI - 2018 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là do tôi thực hiện. Các số liệu và kết quả nghiên cứu đã nêu trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trên bất kỳ một công trình nghiên cứu nào khác. Tôi xin cam đoan mọi sự giúp đỡ đã được cảm ơn, các tài liệu trích dẫn đã được chỉ rõ nguồn gốc. Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Tác giả luận án Đào Văn Khởi ii LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành bản luận án này, bên cạnh sự nỗ lực cố gắng của bản thân, tôi đã nhận được sự giúp đỡ quý báu tận tình của các cấp lãnh đạo, các tập thể, cá nhân và gia đình. Đầu tiên tôi xin gửi lời biết ơn chân thành đến thầy giáo PGS.TS. Lê Hùng Lĩnh, TS. Hà Quang Dũng người trực tiếp hướng dẫn tôi hoàn thành luận án này. Tôi xin gửi lời cảm ơn lãnh đạo Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam, Ban Đào tạo sau đại học, Viện Di truyền Nông nghiệp, các thầy cô giáo đã tạo điều kiện, giúp đỡ, hướng dẫn tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận án. Toàn bộ thí nghiệm trong luận án được bố trí tại một số tỉnh đại diện cho vùng sinh thái phía Bắc. Tại đây tôi đã nhận được sự giúp đỡ và tạo mọi điều kiện của các vị lãnh đạo cũng như sự giúp đỡ của các cán bộ tại đơn vị trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Tôi xin chân thành cảm ơn những sự giúp đỡ quý báu đó. Cuối cùng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình và bạn bè đã luôn quan tâm, động viên khích lệ tôi. Mặc dù bản thân đã cố gắng hoàn thành luận án trong phạm vi và khả năng cho phép nhưng chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong nhận được sự cảm thông và tận tình chỉ bảo của quý Thầy Cô và các bạn. Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Tác giả luận án Đào Văn Khởi iii MỤC LỤC Lời cam đoan .................................................................................................. i Lời cảm ơn .................................................................................................... ii Mục lục ......................................................................................................... iii Danh mục chữ viết tắt ................................................................................. vii Danh mục bảng........................................................................................... viii Danh mục hình ............................................................................................. xi MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài .................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu ......................................................................... 2 3. Tính mới và những đóng góp của đề tài ........................................... 2 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .......................................... 3 4.1. Ý nghĩa khoa học .............................................................................. 3 4.2. Ý nghĩa thực tiễn ............................................................................... 3 5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .................................................... 4 5.1. Đối tượng nghiên cứu: ...................................................................... 4 5.2. Phạm vi nghiên cứu........................................................................... 4 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ....................................................... 5 1.1. Thực trạng về biến đổi khí hậu và những thách thức với ngành nông nghiệp thế giới và Việt Nam .................................................... 5 1.1.1. Thực trạng về biến đổi khí hậu trên thế giới ..................................... 5 1.1.2. Biến đổi khí hậu, những thách thức với ngành nông nghiệp Việt Nam ........................................................................................... 6 1.2. Khái niệm về mức nước sâu và sự phân bố vùng lúa nước sâu ...... 11 1.2.1. Khái niệm về mức nước sâu............................................................ 11 1.2.2. Sự phân bố vùng lúa nước sâu ........................................................ 12 1.3. Phân loại ngập lụt và cơ chế chống chịu ở cây lúa ......................... 14 iv 1.3.1. Phân loại ngập lụt ............................................................................ 14 1.3.2. Cơ chế chịu ngập ở cây lúa ............................................................. 15 1.4. Nguồn gen và QTL liên quan tới tính chống chịu ngập úng .......... 17 1.4.1. Chịu ngập ngắn hạn (10-14 ngày) ở giai đoạn sinh trưởng ............ 17 1.4.2. Chịu ngập giai đoạn nảy mầm ........................................................ 19 1.4.3. Ngập sâu và khả năng vươn lóng của cây lúa ................................. 20 1.5. Nghiên cứu ứng dụng chỉ thị phân tử trong chọn tạo giống lúa ..... 20 1.5.1. Cơ sở ứng dụng chọn giống nhờ chỉ thị phân tử kết hợp lai trở lại (MABC) ..................................................................................... 20 1.5.2. Thành tựu ứng dụng chỉ thị phân tử trong chọn tạo giống cây trồng trên thế giới ............................................................................ 23 1.5.3. Nghiên cứu ứng dụng chỉ thị phân tử trong chọn giống cây trồng ở Việt Nam ............................................................................ 28 1.5.4. Nghiên cứu ứng dụng phương pháp MABC trong chọn tạo giống lúa chịu ngập úng .................................................................. 32 1.6. Nghiên cứu khảo nghiệm sản xuất các giống lúa mang QTL Sub1 ................................................................................................. 34 CHƯƠNG 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .............. 37 2.1. Vật liệu nghiên cứu ......................................................................... 37 2.2. Nội dung nghiên cứu ....................................................................... 37 2.3. Địa điểm nghiên cứu ....................................................................... 37 2.4. Các phương pháp nghiên cứu được sử dụng .................................. 38 2.4.1. Phương pháp lai hữu tính ................................................................ 38 2.4.2. Một số kỹ thuật sử dụng trong phòng thí nghiệm ........................... 39 2.4.3. Phương pháp chọn lọc cá thể mang gen Sub1 bằng chỉ thị phân tử .... 44 2.4.4. Phương pháp thí nghiệm lúa chịu ngập .......................................... 46 2.4.5. Thí nghiệm xác định liều lượng phân đạm và mật độ cấy thích hợp cho giống SHPT2 trong điều kiện bị ngập .............................. 47 v 2.4.6. Chỉ tiêu theo dõi thí nghiệm ngoài đồng ruộng .............................. 49 2.4.7. Phương pháp xử lý số liệu .............................................................. 50 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN .................... 51 3.1. Đánh giá nguồn vật liệu, xác định chỉ thị liên kết và chọn lọc cá thể mang gen chịu ngập Sub1 ..................................................... 51 3.1.1. Đánh giá nguồn vật liệu lai tạo ....................................................... 51 3.1.2. Kết quả xác định chỉ thị phân tử liên kết với gen Sub1 của giống lúa PSB-Rc68 và KD18 ........................................................ 53 3.1.3. Kết quả xác định chỉ thị phân tử đa hình trên 12 nhiễm sắc thể giữa giống lúa PSB-Rc68 và KD18 ................................................ 55 3.2. Kết quả phân tích kiểu gen, chọn lọc cá thể mang gen Sub1 chịu ngập và mang nền di truyền giống KD18 ở các thế hệ lai trở lại ............................................................................................... 61 3.2.1. Kết quả phân tích kiểu gen và chọn lọc cá thể mang gen Sub1 chịu ngập và nền di truyền giống KD18 trong các quần thể BC1F1 ............................................................................................... 61 3.2.2. Kết quả chọn lọc cá thể mang gen Sub1 chịu ngập và nền di truyền giống KD18 trong các quần thể BC2F1 ................................ 64 3.2.3. Kết quả chọn lọc cá thể mang gen Sub1 chịu ngập và nền di truyền giống KD18 trong các quần thể BC3F1 ................................ 66 3.2.4. Kết quả đánh giá khả năng chịu ngập, đặc điểm nông sinh học và năng suất trong khảo nghiệm tác giả dòngKD18-Sub1 ............. 70 3.3. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của lượng phân đạm và mật độ cấy đến sinh trưởng và phát triển của giống SHPT2 trong điều kiện bị ngập ...................................................................................... 87 3.3.1. Ảnh hưởng của liều lượng phân đạm và mật độ cấy đến một số đặc điểm sinh trưởng của giống SHPT2 trong điều kiện bị ngập ................................................................................................. 87 vi 3.3.2. Ảnh hưởng của lượng phân đạm và mật độ cấy đến các yếu tố cấu thành năng suất của giống SHPT2 tham gia thí nghiệm trong điều kiện bị ngập ................................................................... 89 3.3.3. Ảnh hưởng của lượng phân đạm và mật độ cấy đến năng suất thực thu của giống SHPT2 trong điều kiện bị ngập ........................ 92 3.4. Kết quả đánh giá đặc điểm sinh trưởng, các yếu tố cấu thành năng suất và năng suất thực thu của giống SHPT2 trong hệ thống khảo nghiệm Quốc gia tại các tỉnh phía Bắc ........................ 94 3.4.1. Đặc điểm sinh trưởng, mức độ nhiễm sâu bệnh hại của giống SHPT2 tại các tỉnh đại diện cho vùng sinh thái phía Bắc ............... 94 3.4.2. Độ thuần và các yếu tố cấu thành năng suất của giống lúa SHPT2 tại các tỉnh đại diện cho vùng sinh thái phía Bắc ............... 96 3.4.3. Năng suất thực thu của giống lúa SHPT2 tại các tỉnh đại diện cho vùng sinh thái phía Bắc ............................................................ 98 3.5. Kết quả đánh giá, theo dõi giống lúa SHPT2 ngoài sản xuất tại các tỉnh đại diện cho vùng sinh thái phía Bắc .............................. 100 3.5.1. Kết quả đánh giá giống SHPT2 trong điều kiện bị ngập ngoài sản xuất ......................................................................................... 100 3.5.2. Kết quả đánh giá giống SHPT2 trong điều kiện sản xuất bình thường ........................................................................................... 110 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ....................................................................... 119 1. Kết luận ......................................................................................... 119 2. Đề nghị .......................................................................................... 120 Danh mục các công trình đã công bố liên quan đến luận án .................... 121 Tài liệu tham khảo ..................................................................................... 122 Phụ lục ....................................................................................................... 139 vii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Thuật ngữ Tiếng Anh Thuật ngữ Tiếng Việt ADB The Asian Development Bank Ngân hàng Phát triển châu Á ADN Acid Deoxyribo Nucleic Axít Deoxyribonucleic BĐKH - Biến đổi khí hậu bp Base pair Cặp bazơ cs. - Cộng sự CTAB Cetyltrimethylammonium bromide ĐBSCL - Đồng bằng sông Cửu Long ĐBSH - Đồng bằng sông Hồng FAO Food and Agriculture Organization of the United Nations Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên Hiệp Quốc GDP Gross Domestic Product Tổng sản phẩm quốc nội GSPCT - Giống sản phẩm cây trồng IPCC Intergovernmental Panel on Climate Change Ủy ban Liên chính phủ về Biến đổi khí hậu IRRI International Rice Research Institute Viện nghiên cứu lúa Quốc tế KD18 - Khang Dân 18 HSHQ - Hệ số hồi quy MAS Marker Assisted Selection Chọn lọc nhờ chỉ thị phân tử MABC Marker Assisted Backcrossing Chọn lọc dựa vào chỉ thị phân tử và lai trở lại NST - Nhiễm sắc thể NSTTTB - Năng suất thực thu trung bình PCR Polymerase Chain Reaction Phản ứng chuỗi trùng hợp PTNT - Phát triển Nông thôn QTL Quantitative Trait Locus Locus tính trạng số lượng S Standard Deviation Độ lệch chuẩn SSR Simple Sequence Repeat Trình tự lặp lại đơn giản TBE Tris-borate-EDTA - TGST - Thời gian sinh trưởng viii DANH MỤC BẢNG STT Tên bảng Trang 1.1. Kết quả dự kiến của chương trình MABC kết hợp sử dụng chọn lọc gen mục tiêu và chọn lọc nền di truyền ........................... 22 1.2. Một số thành tựu ứng dụng chỉ thị phân tử trong chọn tạo giống lúa .......................................................................................... 24 2.1. Thành phần các chất dùng cho mỗi phản ứng PCR với mồi SSR .................................................................................................. 41 2.2. Chương trình chạy của phản ứng PCR ........................................... 42 3.1. Một số đặc điểm nông sinh học, năng suất, yếu tố cấu thành năng suất của hai giống lúa bố mẹ Vụ Xuân và Vụ Mùa 2009 ...... 51 3.2. Chỉ thị phân tử dùng trong kiểm tra cá thể mang Sub1 trong các quần thể lai trở lại ..................................................................... 55 3.3. Kết quả sàng lọc chỉ thị đa hình trên 12 nhiễm sắc thể .................. 56 3.4. Các chỉ thị phân tử sử dụng để sàng lọc nền di truyền các cá thể trong các quần thể lai trở lại ...................................................... 56 3.5. Kết quả đánh giá các dòng mang gen Sub1 tại thế hệ BC3F4 trong vụ Xuân 2013 tại Văn Lâm, Hưng Yên................................. 71 3.6. Kết quả đánh giá khả năng chịu ngập trong điều kiện nhân tạo các dòng mang gen Sub1 tại thế hệ BC3F4 vụ Xuân 2013 .............. 72 3.7. Kết quả theo dõi các tính trạng đặc trưng hình thái của giống KD18-Sub1 và giống KD18 vụ Mùa 2013 ..................................... 76 3.8. Yếu tố cấu thành năng suất và năng suất thực thu của giống KD18-Sub1 so sánh với giống gốc KD 18 vụ Mùa 2013 trong điều kiện không bị ngập .................................................................. 79 3.9. Đặc điểm sinh trưởng của giống KD18-Sub1 trong điều kiện canh tác bình thường tại các điểm khảo nghiệm............................. 80 ix 3.10. Đặc điểm sinh trưởng của giống KD18-Sub1 trong khảo nghiệm so sánh với điều kiện xử lý ngập úng vụ Mùa 2013 .......... 83 3.11. Năng suất và yếu tố cấu thành năng suất của giống KD18-Sub1 với giống KD18 trong vụ Mùa 2013............................................... 84 3.12. Ảnh hưởng của lượng phân đạm đến thời gian sinh trưởng của giống lúa SHPT2 qua các giai đoạn sinh trưởng ............................ 88 3.13. Ảnh hưởng của lượng phân đạm đến các yếu tố cấu thành năng suất của giống lúa SHPT2 tham gia thí nghiệm ............................. 90 3.14. Ảnh hưởng của lượng phân đạm đến năng suất thực thu của giống lúa SHPT2 tham gia thí nghiệm............................................ 93 3.15. Đặc điểm sinh trưởng của giống SHPT2 tại các tỉnh phía Bắc ..... 95 3.16. Mức độ nhiễm sâu bệnh giống SHPT2 tại các tỉnh phía Bắc ......... 96 3.17. Độ thuần đồng ruộng và các yếu tố cấu thành năng suất của giống SHPT2 tại các tỉnh phía Bắc ................................................. 97 3.18. Năng suất thực thu của giống SHPT2 tại vùng Đồng bằng sông Hồng và Miền núi phía Bắc ............................................................ 98 3.19. Năng suất thực thu của giống SHPT2 tại vùng Bắc Trung Bộ ..... 100 3.20. Một số đặc điểm nông sinh học của mạ trước khi ngập tại Văn Tố - Tứ Kỳ - Hải Dương ............................................................... 101 3.21. Một số đặc điểm nông sinh học của giống SHPT2 sau ngập úng tại Văn Tố - Tứ Kỳ - Hải Dương ........................................... 103 3.22. Thời gian sinh trưởng của giống lúa SHPT2 các giai đoạn sinh trưởng sau khi bị ngập tại Văn Tố - Tứ Kỳ - Hải Dương ............. 103 3.23. Năng suất và các yếu tố cấu thành năng suất của giống SHPT2 sau ngập trong vụ Mùa 2015, 2016 tại Văn Tố - Tứ Kỳ - Hải Dương............................................................................................ 105 3.24. Mức độ nhiễm sâu bệnh hại của giống SHPT2 sau ngập tại xã Văn Tố, huyện Tứ Kỳ, tỉnh Hải Dương ........................................ 107 x 3.25. Kết quả phân tích chất lượng gạo của giống SHPT2 sau ngập vụ Mùa 2016 ................................................................................. 107 3.26. Hiệu quả kinh tế khi gieo trồng giống lúa SHPT2 trong điều kiện bị ngập tại Văn Tố - Tứ Kỳ - Hải Dương ............................. 109 3.27. Đặc điểm sinh trưởng của giống SHPT2 tại các địa phương đại diện cho vùng sinh thái phía Bắc .................................................. 111 3.28. Năng suất và các yếu tố cấu thành năng suất của giống SHPT2 tại các tỉnh phía Bắc ...................................................................... 113 3.29. Mức độ nhiễm sâu bệnh hại của giống SHPT2 tại các tỉnh phía Bắc................................................................................................. 117 xi DANH MỤC HÌNH STT Tên hình Trang 1.1. Sơ đồ cho chọn giống bằng phương pháp MABC .......................... 21 3.1. Bản đồ locus gen Sub1 và các chỉ thị phân tử liên kết trên NST 9 .............................................................................................. 54 3.2. Kết quả điện di sản phẩm PCR của hai giống lúa KD18 và PSB-Rc68 với hai chỉ thị SC3 và ART5 liên kết chặt với gen Sub1 trên NST số 9 ........................................................................ 54 3.3. Kết quả kiểm tra chỉ thị phân tử SSR đa hình giữa giống lúa KD18 và PSB-Rc68 ........................................................................ 55 3.4. Kết quả chạy điện di sản phẩm PCR các cá thể của quần thể BC1F1 với chỉ thị SC3 liên kết chặt với locus gen Sub1 trên gel agarose 2,5% ................................................................................... 61 3.5. Kết quả phân tích nền di truyền 46 cá thể BC1F1 bằng phần mềm GGT v. 2.0 ............................................................................. 62 3.6. Kết quả phân tích nền di truyền của cá thể BC1F1 số 14 bằng phần mềm GGT v. 2.0 ..................................................................... 63 3.7. Kết quả phân tích nền di truyền của 67 cá thể trong quần thể BC2F1 bằng phần mềm GGT v. 2.0 ................................................. 64 3.8. Kết quả phân tích nền di truyền của cá thể BC2F1 số 60 bằng phần mềm GGT v. 2.0 ..................................................................... 65 3.9. Kết quả phân tích nền di truyền của 54 cá thể trong quần thể BC3F1 bằng phần mềm GGT v. 2.0 ................................................. 66 3.10. Kết quả phân tích nền di truyền của cá thể BC3F1 số 42 bằng phần mềm GGT v. 2.0 ..................................................................... 67 xii 3.11. Kết quả chạy điện di sản phẩm PCR các cá thể của quần thể BC3F2 với chỉ thị SC3 liên kết chặt với gen Sub1 trên