Luận án Nghiên cứu xác định một số biện pháp kỹ thuật bảo tồn nguồn gen khoai mỡ (dioscorea alata l.) ở miền bắc Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM --------------------------------------------- VŨ LINH CHI NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH MỘT SỐ BIỆN PHÁP KỸ THUẬT BẢO TỒN NGUỒN GEN KHOAI MỠ (Dioscorea alata L.) Ở MIỀN BẮC VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI – 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM ------------------------------------------------------ VŨ LINH CHI NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH MỘT SỐ BIỆN PHÁP KỸ THUẬT BẢO TỒN NGUỒN GEN KHOAI MỠ (Dioscorea alata L.) Ở MIỀN BẮC VIỆT NAM Chuyên ngành: Khoa học cây trồng Mã số : 62 62 01 10 LUẬN ÁN TIẾN SĨ NÔNG NGHIỆP Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS. TS. Lã Tuấn Nghĩa 2. PGS. TS. Nguyễn Thị Ngọc Huệ HÀ NỘI – 2017 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Lã Tuấn Nghĩa và PGS. TS. Nguyễn Thị Ngọc Huệ, sự giúp đỡ của lãnh đạo, cán bộ nghiên cứu thuộc Trung tâm Tài nguyên thực vật. Các số liệu, kết quả nghiên cứu nêu trong luận án là trung thực. Một số kết quả đã được công bố riêng hoặc đồng tác giả, phần còn lại chưa sử dụng để bảo vệ luận án tiến sĩ. Các thông tin trích dẫn sử dụng trong luận án đều được ghi rõ nguồn gốc. Hà Nội, ngày tháng năm 2017 Tác giả luận án Vũ Linh Chi ii LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận án này, tôi đã nhận được sự quan tâm, giúp đỡ của các thầy, cô giáo, các tập thể, cá nhân cùng bạn bè đồng nghiệp. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS. TS. Lã Tuấn Nghĩa và PGS. TS. Nguyễn Thị Ngọc Huệ đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài và hoàn thiện luận án. Nhân dịp này tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Ban lãnh đạo, các cán bộ nghiên cứu Trung tâm Tài nguyên thực vật, Ban Đào tạo sau đại học, Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành công trình nghiên cứu này. Tôi xin chân thành cảm ơn Trung tâm nghiên cứu và phát triển Cây có củ, Viện Cây Lương thực Cây thực phẩm; Phòng Kinh tế, UBND huyện Hữu Lũng, Lạng Sơn; UBND xã Minh Sơn, huyện Hữu Lũng, Lạng Sơn; các ban, ngành địa phương đã cung cấp những số liệu cần thiết và giúp đỡ tôi trong quá trình tìm hiểu, nghiên cứu tại địa bàn. Tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã động viên khích lệ, giúp đỡ về vật chất và tinh thần để tôi hoàn thành quá trình học tập và nghiên cứu. Hà Nội, ngày tháng năm 2017 Tác giả luận án Vũ Linh Chi iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ ii MỤC LỤC ............................................................................................................ iii DANH MỤC NHỮNG TỪ VIẾT TẮT ................................................................ vi DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................. viii DANH MỤC CÁC HÌNH .................................................................................... xii MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ....................................................................................... 1 2. Mục tiêu của đề tài .............................................................................................. 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 ............................................................................................................. 3 4. Những đóng góp mới của đề tài ........................................................................... 4 5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................ 4 5.1. Đối tượng nghiên cứu ..................................................................................................... 4 5.2. Phạm vi nghiên cứu ........................................................................................................ 4 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN TÀI LIỆU NGHIÊN CỨU ...................................... 6 1.1. Giới thiệu chung về cây khoai mỡ ..................................................................... 6 1.1.1. Nguồn gốc, phân bố và phân loại ................................................................................ 6 1.1.2. Giá trị của cây khoai mỡ .............................................................................................. 8 1.1.3. Đặc điểm sinh thái của cây khoai mỡ .......................................................................... 9 1.2. Tình hình sản xuất và tiêu thụ khoai mỡ trên thế giới và ở Việt Nam .............. 10 1.2.1. Sản xuất và tiêu thụ khoai mỡ trên thế giới ............................................................... 10 1.2.2. Sản xuất và tiêu thụ khoai mỡ ở Việt Nam ................................................................ 11 1.3. Nghiên cứu bảo tồn nguồn gen chi Dioscorea và cây khoai mỡ ...................... 12 1.3.1. Khái niệm về bảo tồn nguồn gen ............................................................................... 12 1.3.2. Phương pháp và kỹ thuật bảo tồn nguồn gen cây khoai mỡ ...................................... 13 1.3.3. Thu thập, lưu giữ bảo quản nguồn gen chi Dioscorea và khoai mỡ ......................... 19 1.3.4. Đánh giá đa dạng nguồn gen chi Dioscorea và khoai mỡ ......................................... 27 1.4. Nghiên cứu về giống và biện pháp kỹ thuật canh tác khoai mỡ ....................... 31 1.4.1. Nghiên cứu về giống và biện pháp kỹ thuật canh tác khoai mỡ trên thế giới ........... 31 1.4.2. Nghiên cứu về giống và biện pháp kỹ thuật canh tác khoai mỡ ở Việt Nam ............ 34 iv 1.4.3. Nghiên cứu về sâu bệnh hại ....................................................................................... 38 1.4.4. Nghiên cứu bảo quản củ khoai mỡ ............................................................................ 41 CHƯƠNG II. VẬT LIỆU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 43 2.1. Vật liệu nghiên cứu ......................................................................................... 43 2.2. Nội dung nghiên cứu ...................................................................................... 44 2.3. Địa điểm và thời gian nghiên cứu ................................................................... 44 2.4. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................ 44 2.4.1. Phương pháp điều tra khảo sát, thu thập thông tin và dữ liệu .................................... 44 2.4.2. Phương pháp đánh giá đặc điểm nông sinh học tập đoàn khoai mỡ ......................... 46 2.4.3. Phương pháp nghiên cứu một số biện pháp kỹ thuật, đề xuất qui trình lưu giữ Ngân hàng gen đồng ruộng tại Trung tâm Tài nguyên thực vật, Hoài Đức, Hà Nội .................... 46 2.4.4. Phương pháp nghiên cứu lưu giữ bảo quản in-vitro một số nguồn gen khoai mỡ .... 49 2.4.5. Phương pháp nghiên cứu xây dựng mô hình thí điểm bảo tồn tại chỗ nguồn gen khoai mỡ tại huyện Hữu Lũng, tỉnh Lạng Sơn .................................................................... 52 2.4.6. Phương pháp xử lý số liệu ......................................................................................... 58 CHƯƠNG III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN .......................... 59 3.1. Hiện trạng sản xuất và kiến thức bản địa liên quan đến canh tác, lưu giữ và sử dụng khoai mỡ tại một số tỉnh phía Bắc Việt Nam ................................................. 59 3.1.1. Hiện trạng sản xuất khoai mỡ tại một số tỉnh trung du miền núi phía Bắc ............... 59 3.1.2. Một số kiến thức bản địa liên quan đến bảo quản, canh tác và sử dụng nguồn gen khoai mỡ .............................................................................................................................. 65 3.2. Nghiên cứu một số biện pháp kỹ thuật trong bảo tồn chuyển chỗ (ex-situ conservation) nguồn gen khoai mỡ tại cơ quan nghiên cứu .................................... 71 3.2.1. Sự phân bố của 105 mẫu giống khoai mỡ theo vùng sinh thái địa lý là nhân tố góp phần xác định biện pháp kỹ thuật bảo tồn cây khoai mỡ .................................................... 71 3.2.2. Nghiên cứu cải thiện một số biện pháp kỹ thuật trong lưu giữ ngân hàng gen đồng ruộng .................................................................................................................................... 82 3.2.3. Nghiên cứu lưu giữ in-vitro ....................................................................................... 94 3.3. Nghiên cứu kỹ thuật bảo tồn tại chỗ nguồn gen khoai mỡ trên đồng ruộng của nông dân (on-farm conservation) tại huyện Hữu Lũng, tỉnh Lạng Sơn ................. 100 3.3.1. Nghiên cứu lựa chọn vùng xây dựng mô hình bảo tồn tại chỗ nguồn gen cây khoai mỡ ...................................................................................................................................... 101 3.3.2. Xác định địa điểm cụ thể xây dựng mô hình theo bộ tiêu chí tối thiểu ................... 111 3.3.3. Thành lập nhóm nông dân Bảo tồn tại xã Minh Sơn, Hữu Lũng ............................ 116 v 3.3.4. Xây dựng kế hoạch bảo tồn nguồn gen khoai mỡ tại xã Minh Sơn, Hữu Lũng ..... 116 3.3.5. Một số biện pháp kỹ thuật góp phần duy trì điểm bảo tồn tại chỗ trên đồng ruộng nguồn gen khoai mỡ tại xã Minh Sơn, Hữu Lũng ............................................................. 120 3.3.6. Đề xuất giải pháp kỹ thuật nâng cao hiệu quả công tác bảo tồn nguồn gen khoai mỡ ........................................................................................................................................... 141 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ................................................................................ 144 1. Kết luận ........................................................................................................... 144 2. Đề nghị ............................................................................................................ 145 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ...................................................................................................................... 146 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 147 PHỤ LỤC ........................................................................................................... 159 vi DANH MỤC NHỮNG TỪ VIẾT TẮT ADN Acid Deoxyribonucleic ANOVA Analysis of variance – Phân tích phương sai BAP 6 – Benzylaminnopurine BIOVERSITY Bioversity International – Tổ chức Đa dạng sinh vật Quốc tế BVTV Bảo vệ thực vật CBR Community Biodiversity Registration – Sổ đăng ký đa dạng sinh học cộng đồng CT Công thức CV Coefficient of variation – Hệ số biến thiên ĐC Đối chứng FAO Food and Agriculture Organization – Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp của Liên hiệp quốc IAA Indole-3-acetic acid IAC Institute Agricultural Campinas – Viện Nông nghiệp Campinas IITA International Institute of Tropical Agriculture – Viện Nông nghiệp nhiệt đới Quốc tế IPGRI International Plant Genetic Resources Institute – Viện Tài nguyên di truyền thực vật Quốc tế Kin Kinetin - 6-furfurylaminopurine KL Khối lượng KLTB Khối lượng trung bình KG Không giàn LG Làm giàn MĐ Mật độ MS Murashige và Skooq, 1962 NAA Naphthalene Acetic Acid NN & PTNT Nông nghiệp và phát triển nông thôn NPK Phân Nitơ – Phôtpho – Kali tổng hợp NSLT Năng suất lý thuyết NSTT Năng suất thực thu vii PB Phân bón PC Phân chuồng PEDA Participatory extent and distribution analysis – Phân tích cùng tham gia về mức độ và phân bố đa dạng cây trồng PRA Participatory Rural Appraisal – Phương pháp điều tra nông thôn cùng tham gia SSR Simple Sequence Repeat SWOT Strengths – Weaknesses – Opportunities – Threats Điểm mạnh – Điểm yếu – Cơ hội – Thách thức TDMNPB Trung du miền núi phía Bắc TGST Thời gian sinh trưởng TN Thí nghiệm TNDTTV Tài nguyên di truyền thực vật TNTV Tài nguyên thực vật TV Thời vụ UBND Ủy ban nhân dân UNCED United Nations Conference on Environment and Development – Hội nghị Liên Hiệp quốc về môi trường và phát triển VAAS Vietnam Academy of Agricultural Sciences – Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam VASI Vietnam Agricultural Sciences Institute – Viện Khoa học kỹ thuật Nông nghiệp Việt Nam viii DANH MỤC CÁC BẢNG TT Bảng Tên bảng Trang 1.1. Các loài thuộc chi Dioscorea được sử dụng phổ biến làm lương thực, thực phẩm trên thế giới 7 1.2. Diễn biến số lượng mẫu giống trong quá trình lưu giữ nguồn gen khoai mỡ giai đoạn 1996 – 2010 22 3.1. Diện tích và năng suất khoai mỡ tại vùng điều tra, năm 2011 60 3.2. Một số nguyên nhân chính làm giảm diện tích trồng khoai mỡ của các nông hộ tại vùng nghiên cứu (kết quả điều tra 2010 – 2011) 63 3.3. Một số thông tin về hiện trạng sản xuất cây khoai mỡ tại các điểm điều tra (kết quả điều tra 2010 – 2011) 64 3.4. Tên gọi địa phương của các mẫu giống trong tập đoàn khoai mỡ đang lưu giữ tại Ngân hàng gen cây trồng quốc gia 66 3.5. Kiến thức bản địa về canh tác và sử dụng với nguồn gen khoai mỡ đang bảo quản tại Ngân hàng gen cây trồng quốc gia 68 3.6. Sự phân bố theo vùng sinh thái địa lý của 105 mẫu giống khoai mỡ đang được bảo tồn tại Ngân hàng gen cây trồng quốc gia 74 3.7. Phân nhóm 105 mẫu giống khoai mỡ theo một số tính trạng định tính quan trọng, trồng năm 2010 – 2011, Hoài Đức, Hà Nội 77 3.8. Sự biến động thể hiện qua các tham số thống kê của một số tính trạng định lượng tại Hoài Đức, Hà Nội, năm 2011 79 3.9. So sánh các tham số thống kê một số tính trạng định lượng của 59 mẫu giống có nguồn gốc thu thập ở vùng trung du miền núi phía bắc, lưu giữ trên đồng ruộng tại Hoài Đức, Hà Nội 81 3.10. Ảnh hưởng của loại vật liệu trồng đến tỷ lệ mọc, sức sống, độ đồng đều và mức độ nhiễm bệnh hại của một số nguồn gen khoai mỡ năm 2013 tại Hoài Đức, Hà Nội 83 3.11. Ảnh hưởng của loại vật liệu trồng đến năng suất và yếu tố cấu thành năng suất của một số nguồn gen khoai mỡ năm 2013 tại Hoài Đức, Hà Nội 84 3.12. Ảnh hưởng của thời vụ trồng đến khả năng sinh trưởng và mức độ nhiễm bệnh hại của một số nguồn gen khoai mỡ năm 2013 tại Hoài Đức, Hà Nội 86 3.13. Ảnh hưởng của thời vụ trồng đến năng suất và các yếu tố cấu thành năng suất của một số nguồn gen khoai mỡ năm 2013 tại 87 ix TT Bảng Tên bảng Trang Hoài Đức, Hà Nội 3.14. Ảnh hưởng của mật độ trồng đến khả năng sinh trưởng và mức độ nhiễm bệnh hại của một số nguồn gen khoai mỡ năm 2013 tại Hoài Đức, Hà Nội 88 3.15. Ảnh hưởng của mật độ trồng đến năng suất và các yếu tố cấu thành năng suất của một số nguồn gen khoai mỡ năm 2013 tại Hoài Đức, Hà Nội 89 3.16. Ảnh hưởng của liều lượng phân bón đến khả năng sinh trưởng và mức độ nhiễm bệnh hại của một số nguồn gen khoai mỡ năm 2013 tại Hoài Đức, Hà Nội 91 3.17. Ảnh hưởng của liều lượng phân bón đến năng suất và các yếu tố cấu thành năng suất của một số nguồn gen khoai mỡ năm 2013 tại Hoài Đức, Hà Nội 92 3.18. Mức độ hoàn thiện của một số biện pháp kỹ thuật lưu giữ trên đồng ruộng nguồn gen khoai mỡ tại Hoài Đức, Hà Nội 93 3.19a. Ảnh hưởng của phương pháp khử trùng đến hiệu quả khử trùng bề mặt mẫu khoai mỡ (sau 10 ngày nuôi cấy) 95 3.19b. Ảnh hưởng của chế độ khử trùng đến các mẫu giống khoai mỡ khác nhau 95 3.20. Ảnh hưởng của BAP đến khả năng tái sinh chồi của mẫu khoai mỡ (sau 6 tuần nuôi cấy) 96 3.21. Ảnh hưởng của loại môi trường nuôi cấy đến tỷ lệ nảy chồi và hệ số nhân sau 3 tháng nuôi cấy đoạn thân khoai mỡ 97 3.22. Ảnh hưởng của loại môi trường đến hệ số nhân và chất lượng mẫu khoai mỡ sau 6 tuần nuôi cấy 99 3.23. Phân tích chỉ số đa dạng kiểu hình H’ của tập đoàn 105 mẫu giống khoai mỡ đang có tại Ngân hàng gen cây trồng quốc gia, Hà Nội. 102 3.24. Hiện trạng trồng khoai mỡ tại Hữu Lũng, Lạng Sơn năm 2010 103 3.25. Sự phân bố và đặc điểm hình thái chính của các giống khoai mỡ hiện có tại Hữu Lũng, năm 2011 104 3.26. Phân tích 4 ô theo số giống, số hộ và diện tích trồng khoai mỡ tại vùng nghiên cứu 105 3.27. Sự đóng góp của giới (%) trong sản xuất cây khoai mỡ tại Hữu Lũng, Lạng Sơn, năm 2011 106 x TT Bảng Tên bảng Trang 3.28. Phương thức canh tác khoai mỡ tại Hữu Lũng, Lạng Sơn 107 3.29. Cơ cấu và đa dạng giống cây trồng tại Hữu Lũng năm 2010 110 3.30. Biến động cây trồng theo thời gian tại xã Minh Sơn, Hữu Lũng 112 3.31. Phân hạng mức độ ưu tiên của một số loại cây trồng tại xã Minh Sơn, Hữu Lũng 113 3.32. Bộ tiêu chí tối thiểu để chọn xã Minh Sơn, Hữu Lũng là điểm bảo tồn on-farm nguồn gen khoai mỡ 115 3.33. Một số đặc điểm về củ khoai mỡ trong ruộng trình diễn đa dạng tại xã Minh Sơn, Hữu Lũng 123 3.34. Đánh giá tiềm năng phát triển các giống khoai mỡ tại cộng đồng bằng phương pháp phân hạng tại xã Minh Sơn, Hữu Lũng (Phương pháp PRA) 124 3.35. Bộ tiêu chí chọn lọc để phục tráng giống Khoai mỡ Trắng trụi 125 3.36. Biểu hiện của 11 tính trạng trong chọn lọc quần thể giống Khoai mỡ Trắng trụi năm 2012-2013 tại Hữu Lũng, Lạng Sơn 126 3.37. Năng suất và các yếu tố cấu thành năng suất của giống Khoai mỡ Trắng trụi chọn lọc đời S0, năm 2012 128 3.38. Năng suất và các yếu tố cấu thành năng suất của giống Khoai mỡ Trắng trụi phục tráng (S1), năm 2013 129 3.39. Ảnh hưởng của thời vụ đến tỷ lệ mọc chồi, thời gian sinh trưởng và mức độ nhiễm bệnh hại của giống Khoai mỡ Trắng trụi tại Hữu Lũng, Lạng Sơn năm 2013 – 2014 130 3.40. Ảnh hưởng của thời vụ đến năng suất và các yếu tố cấu thành năng suất của Khoai mỡ Trắng trụi tại Hữu Lũng, Lạng Sơn, 2013 – 2014 131 3.41. Ảnh hưởng của mật độ trồng đến tỷ lệ mọc, thời gian sinh trưởng và mức độ nhiễm bệnh hại của Khoai mỡ Trắng trụi, năm 2013 – 2014 133 3.42. Ảnh hưởng của mật độ trồng đến năng suất và các yếu tố cấu thành năng suất của Khoai mỡ Trắng trụi tại Hữu Lũng, năm 2013 – 2014 134 3.43. Ảnh hưởng của chế độ phân bón đến tỷ lệ mọc, thời gian sinh trưởng và mức độ sâu bệnh hại của giống Khoai mỡ Trắng trụi tại Hữu Lũng, Lạng Sơn, năm 2013 – 2014 136 xi TT Bảng Tên bảng Trang 3.44. Ảnh hưởng của chế độ phân bón đến các yếu tố cấu thành năng suất và năng suất của giống Khoai mỡ Trắng trụi tại Hữu Lũng, Lạng Sơn 136 3.45. Ảnh hưởng của kỹ thuật làm giàn đến tỷ lệ mọc mầm, thời gian sinh trưởng và tình hình sâu bệnh hại Khoai mỡ Trắng trụi năm 2013 138 3.46. Ảnh hưởng của kỹ thuật làm giàn đến các yếu tố cấu thành năng suất và năng suất của giống Khoai mỡ Trắng trụi năm 2013 tại Hữu Lũng, Lạng Sơn 138 3.47. So sánh hiệu quả kinh tế của kỹ thuật trồng khoai mỡ có làm giàn với trồng không giàn năm 2013 tại Hữu Lũng, Lạng Sơn 140 3.48. Ưu điểm và hạn chế của hai kỹ thuật lưu giữ nguồn gen khoai mỡ 142 xii DANH MỤC CÁC HÌNH TT Hình Tên hình Trang 3.1. Bản đồ phân bố 105 mẫu giống khoai mỡ nghiên cứu đang bảo tồn tại Ngân hàng gen cây trồng quốc gia 73 3.2. Biểu đồ phân bố 105 nguồn gen khoai mỡ nghiên cứu đang bảo tồn tại Ngân hàng gen cây trồng quốc gia 75 3.3. Quá trình sinh trưởng, phát triển của nguồn gen khoai mỡ lưu giữ in-vitro 97 3.4. Các giai đoạn tăng trưởng của đỉnh sinh trưởng