Nghiên cứu cải tiến một số giống lúa nếp bằng chiếu xạ tia gamma (CO60) vào hạt nảy mầm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM ========== NGUYỄN VĂN TIẾP NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN MỘT SỐ GIỐNG LÚA NẾP BẰNG CHIẾU XẠ TIA GAMMA (Co60) VÀO HẠT NẢY MẦM 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 ========== NGUYỄN VĂN TIẾP NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN MỘT SỐ GIỐNG LÚA NẾP BẰNG CHIẾU XẠ TIA GAMMA (Co60) VÀO HẠT NẢY MẦM Chuyên ngành: Di truyền và Chọn giống cây trồng Mã số: 9.62.01.11 LUẬN ÁN TIẾN SĨ NÔNG NGHIỆP Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Minh Công HÀ NỘI - 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do chính tôi thực hiện. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chƣa đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Tác giả Nguyễn Văn Tiếp LỜI CẢM ƠN Với tấm lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Nguyễn Minh Công, ngƣời thầy, đã tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, và hoàn thành luận án. Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới Ban đào tạo, Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam đã tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và thực nhiện đề tài luận án. Tôi xin trân thành cảm ơn Ban giám đốc (TS. Lê Quốc Thanh – hiện là PGĐ Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam; TS. Phạm Văn Dân phó giám đốc phụ trách Trung tâm Chuyển giao Công nghệ và Khuyến nông, TH.S. NCS. Nguyễn Xuân Dũng phó giám đốc Trung tâm Chuyển giao Công nghệ và Khuyến nông), cán bộ và nhận viên Phòng khoa học và Hợp tác Quốc tế; Phòng dịch vụ tổng hợp Trung tâm Chuyển giao công nghệ và Khuyến nông, đã tạo mọi điều kiện cần thiết, giúp tôi hoàn thành luận án. Nhân dịp này, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn trân thành tới PGS.TS. Nguyễn Huy Hoàng, Trung tâm Chuyển giao Công nghệ và Khuyến nông, PGS.TS. Trần Văn Quang khoa Nông học, Học viện Nông nghiệp Việt Nam đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong việc phân tích và xử lý thống kê các kết quả nghiên cứu. Xin trân thành cảm ơn GS.TSKH. Trần Duy Quý, ngƣời thầy đã có rất nhiều góp ý, cung cấp tài liệu và định hƣớng giúp tôi hoàn thành luận án. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn trân thành tới toàn thể gia đình hai bên nội, ngoại và những ngƣời bạn của tôi đã luôn động viên, giúp đỡ và truyền nhiệt huyết cho tôi trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận án. Xin chân thành cảm ơn. Hà Nội, tháng 1 năm 2018 Nghiên cứu sinh Nguyễn Văn Tiếp DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT TT Ký hiệu Nghĩa là 1 2AP 2-acetyl-1-pyrroline 2 2AT 2-acetyl-2-thiazoline 3 ADN Axit deoxyribonucleic 4 AFLP Amplification Fragment Length Polymorphism: đa hình chiều dài đoạn nhân bội 5 BADH2 Betaine Aldehyde Dehydrogenase 2 6 CS Cộng sự 7 CV Coefficient of variation: Hệ số biến động 8 ĐT1- ĐT12 Các dòng đột biến từ giống lúa nếp Đuôi Trâu 9 BDDL Biến dị diệp lục 10 ĐT Đuôi Trâu 11 FLL Flag leaf length: Chiều dài lá đòng 12 FLW Flag leaf width: Chiều rộng lá đòng 13 GDP Gross Domestic Product (tổng sản phẩm quốc dân) 14 Gr Gram (đơn vị đo khối lƣợng) 15 Gy Gray (đơn vị đo liều phóng xạ) 16 H Giờ 17 ha Hét ta (đơn vị đo diện tích, 1ha = 10.000m2) 18 HV Hoa Vàng 19 HV1-HV15 Các dòng đột biến phát sinh từ giống lúa nếp Cái Hoa Vàng 20 H1-H17 Các dòng đột biến phát sinh từ dòng đột biến HV-H 21 HSTĐ Hệ số tƣơng đồng 22 IRRI International Rice Research Institute: Viện nghiên cứu lúa Quốc tế 23 KH&CN Khoa học và Công nghệ 24 LSD Least Significant Difference: sai khác nhỏ nhất có ý nghĩa 25 NST Nhiễm sắc thể 26 OAC Odor active compounds: Hợp chất có mùi thơm 27 RAPD Random Amplified Polymorphic DNA : ADN đa hình được nhân bội ngẫu nhiên 28 RFLP Restriction Fragment Length Polymorphism: đa hình chiều dài đoạn phân cắt giới hạn 29 SES Standard Evaluation System for Rice: Hệ thống tiêu chuẩn đánh giá cây lúa 30 TGST Thời gian sinh trƣởng 31 TLSS Tỷ lệ sống sót 32 VOC Volatile organic compounds: Hợp chất hữu cơ dễ bay hơi MỤC LỤC MỞ ĐẦU ...................................................................................................... 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU .......................................................... 5 1.1. Nguồn gốc và phân loại cây lúa, lúa nếp. ................................................. 5 1.1.1. Nguồn gốc cây lúa, lúa nếp. ............................................................. 5 1.1.2. Phân loại lúa, lúa nếp. ...................................................................... 6 1.2. Nghiên cứu, sản xuất và tiêu thụ lúa và lúa nếp ....................................... 7 1.2.1. Tình hình nghiên cứu, sản xuất và tiêu thụ lúa và lúa nếp trên thế giới. ........................................................................................... 7 1.2.2. Tình hình nghiên cứu, sản xuất lúa, lúa nếp ở Việt Nam. ............... 9 1.3. Cơ sở khoa học của sự phát sinh đột biến và nghiên cứu đa dạng di truyền ở lúa. ....................................................................................................... 16 1.3.1. Cơ sở khoa học của sự phát sinh đột biến. .................................... 16 1.3.2. Nghiên cứu đa dạng di truyền phục vụ công tác tạo chọn giống lúa mới. .......................................................................................... 26 1.4. Nghiên cứu hiệu quả gây đột biến khi xử lý tia gamma lên hạt lúa khô, ƣớt và hạt nảy mầm ................................................................................ 28 1.5. Cơ sở khoa học lựa chọn mùa vụ gieo trồng hạt lúa bị chiếu xạ bằng tia gamma – thế hệ thứ nhất (M1) ở miền Bắc nhằm nâng cao hiệu biểu hiện của biến dị biểu hiện ở M2. .................................................................... 29 1.6. Một số thành tựu chọn tạo giống lúa đột biến ........................................ 33 1.6.1. Thành tựu chọn tạo giống lúa đột biến trên thế giới. ..................... 33 1.6.2. Thành tựu chọn tạo giống lúa đột biến ở Việt Nam ...................... 35 1.7. Cơ sở sinh lý, di truyền của mùi thơm và một số đột biến ở lúa. ........... 37 1.7.1. Cơ sở sinh lý, di truyền của tính trạng mùi thơm .......................... 37 1.7.2. Sự di truyền một số đột biến trên lúa nếp. ..................................... 41 1.8. Nghiên cứu về tƣơng tác kiểu gen và môi trƣờng. .................................. 43 1.8.1. Trên thế giới ................................................................................... 43 1.8.2. Ở Việt Nam .................................................................................... 44 CHƢƠNG 2: VẬT LIỆU, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 47 2.1. Vật liệu nghiên cứu ................................................................................. 47 2.2. Nội dung nghiên cứu ............................................................................... 49 2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu. ........................................................................ 49 2.3.1. Phƣơng pháp chiếu xạ và chọn lọc sau đột biến. ........................... 49 2.3.2. Phƣơng pháp triển khai thí nghiệm đồng ruộng. ........................... 52 2.3.3. Phƣơng pháp nghiên cứu ảnh hƣởng liều xạ, vật liệu xử lý đến sự phát sinh các biến dị ở thế hệ thứ 2. .............................................. 52 2.3.4. Phƣơng pháp nghiên cứu xác định hiệu quả gây biến dị khi chiếu xạ vào hạt nảy mầm của giống gốc và dòng đột biến. ........................ 53 2.3.5. Phƣơng pháp nghiên cứu mối tƣơng quan giữa sự phát sinh biến dị diệp lục ở giai đoạn mạ với biến dị có ý nghĩa chọn giống. .......... 54 2.3.6. Phƣơng pháp nghiên cứu cải tiến giống nếp Đuôi Trâu và nếp Cái Hoa Vàng ....................................................................................... 54 2.3.7. Phƣơng pháp đánh giá các đặc điểm hình thái, nông học và chất lƣợng lúa gạo của một số dòng đột biến phát sinh từ giống lúa nếp Cái Hoa Vàng, nếp Đuôi Trâu và dòng đột biến tự nhiên HV-H. . 56 2.3.8. Phƣơng pháp đánh giá tính ổn định về năng suất của các dòng đột biến có triển vọng. .......................................................................... 59 2.3.9. Phƣơng pháp thu thập và xử lý số liệu .......................................... 61 2.4. Thời gian và địa điểm nghiên cứu ........................................................... 63 2.4.1. Thời gian nghiên cứu ..................................................................... 63 2.4.2. Địa điểm nghiên cứu ...................................................................... 66 CHƢƠNG 3 : KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ...................... 67 3.1. Ảnh hƣởng liều xạ và vật liệu xử lý đến tỷ lệ sống sót ở hệ thứ nhất .... 67 3.1.1. Tỷ lệ sống sót giai đoạn mạ: ........................................................... 68 3.1.2. Tỷ lệ sống sót giai đoạn đẻ nhánh. ................................................ 68 3.1.3. Tỷ lệ sống sót giai đoạn trỗ-chín. .................................................. 69 3.2. Ảnh hƣởng của liều xạ, vật liệu xử lý đến sự phát sinh biến dị ở thế hệ thứ hai ..................................................................................................... 70 3.2.1. Ảnh hƣởng của liều xạ và vật liệu xử lý đến biến dị diệp lục ...... . 70 3.2.2. Ảnh hƣởng của liều xạ, vật liệu xử lý đến sự phát sinh một số biến dị có ý nghĩa chọn giống ở thế hệ thứ hai ...................................... 73 3.2.3. Mối tƣơng quan giữa sự phát sinh biến dị diệp lục ở giai đoạn mạ với các biến dị có ý nghĩa chọn giống. .......................................... 81 3.3. Sự phát sinh một số biến dị ở M2 khi chiếu xạ bằng tia gamma (Co 60 )vào hạt nảy mầm của giống gốc và dòng đột biến ........................................ 83 3.3.1. Sự phát sinh một số biến dị diệp lục. ............................................. 83 3.3.2. Sự phát sinh một số biến dị có ý nghĩa chọn giống ....................... 85 3.4.3. Tổng tần xuất và phổ biến dị có ý nghĩa chọn giống ở M2 phát sinh từ giống gốc và dòng đột biến. ....................................................... 97 3.3.4. Mối tƣơng quan giữa BDDL và các biến dị có ý nghĩa chọn giống ở M2. .................................................................................................. 99 3.4. Đánh giá đa dạng tập đoàn dòng đột biến phát sinh từ nếp Cái Hoa Vàng và nếp Đuôi Trâu .................................................................................. 100 3.4.1. Đánh giá đa dạng tập đoàn dòng đột biến phát sinh từ nếp Đuôi Trâu .................................................................................... 100 3.4.2. Đa dạng kiểu hình các dòng đột biến phát sinh từ nếp cái Hoa Vàng . 118 3.5. Kết quả giải phẫu thân của các dòng đột biến và giống gốc. ................ 132 3.6. Mức độ biểu hiện mùi thơm của các dòng đột biến có triển vọng phát sinh từ giống lúa nếp Cái Hoa Vàng và nếp Đuôi Trâu. ............................. 134 3.7. Đánh giá tính ổn định và thích nghi của các dòng đột có triển vọng phát sinh từ nếp Cái Hoa Vàng và nếp Đuôi Trâu ....................................... 137 3.7.1. Tính ổn định và thích nghi về năng suất ở vụ Mùa 2016 ........... 137 3.7.2. Tính ổn định và thích nghi của năng suất ở vụ Xuân 2017 ........ 140 3.8. Một số kết quả nghiên cứu chọn tạo các dòng đột biến phát sinh từ dòng đột biến HV-H ...................................................................................... 142 3.8.1. Một số đặc điểm hình thái, nông học của các dòng đột biến ....... 143 3.8.2. Tính ổn định và thích nghi của các dòng đột biến có triển vọng phát sinh từ dòng đột biến HV-H ......................................................... 147 3.8.3. Một số kết quả khảo nghiệm cơ bản giống nếp cái Hoa Vàng đột biến ....................................................................................... 151 3.9. Kết quả sản suất thử giống lúa nếp Cái Hoa Vàng đột biến ................. 154 3.10. Một số đặc điểm hình thái, nông học chính của các dòng đột biến ƣu tú đƣợc tuyển chọn ................................................................................... 156 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ .......................................................................... 159 CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN .................................................................................................... 162 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 163 PHỤ LỤC DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Diện tích và sản lƣợng lúa của Việt Nam giai đoạn 2010- 2016 . 9 Bảng 1.2. Năng suất lúa của Việt Nam và Thế giới ................................... 10 Bảng 1.3. Diện tích và tỉ lệ gieo trồng của lúa nếp .................................... 11 Bảng 1.4. Diện tích gieo cấy các giống lúa nếp chủ lực ở các khu vực chủ yếu .............................................................................. 12 Bảng 2.1. Nguồn gốc và một số đặc điểm cơ bản của các giống và dòng đột biến sử dụng trong nghiên cứu. ................................................. 47 Bảng 3.1. Tỷ lệ sống sót ở M1 do chiếu xạ tia gamma (Co 60 ) vào hạt nảy mầm của các giống lúa nếp ở vụ Xuân vụ Mùa 2013 tại Thanh Trì, Hà Nội ................................................................................. 67 Bảng 3.2. Tần xuất và phổ biến dị diệp lục ở M2 phát sinh từ ba giống lúa nếp khi chiếu xạ tia gamma ....................................................... 72 Bảng 3.3. Ảnh hƣởng của liều xạ và vật liệu xử lý đến sự phát sinh các biến dị thấp cây, lá đòng dài và bông dài ở M2 ................................. 75 Bảng 3.4. Ảnh hƣởng của liều xạ và vật liệu xử lý đến sự phát sinh các biến dị hạt to, hạt xếp xít và tăng số hạt/ bông ở M2 .......................... 77 Bảng 3.5. Ảnh hƣởng của liều xạ và vật liệu xử lý đến sự phát sinh biến dị chín sớm, đẻ nhánh nhiều và tăng bông hữu hiệu ở M2 ............ 80 Bảng 3.6 Hệ số tƣơng quan giữa tần xuất BDDL với tổng tần xuất và phổ biến dị có ý nghĩa chọn giống ở M2 .......................................... 81 Bảng 3.7. Tổng tần xuất và phổ biến dị diệp lục phát sinh từ giống gốc và dòng đột biến ở M2 khi chiếu xạ bằng tia gamma (Co 60 ) vào hạt nảy mầm ..................................................................................... 83 Bảng 3.8. Biến dị thấp cây, lá đòng dài và lá đòng đứng ở M2 phát sinh từ giống gốc và các dòng đột biến ................................................ 88 Bảng 3.9. Biến dị bông dài, hạt to, hạt xếp xít và tăng số hạt trên bông ở M2 phát sinh từ giống gốc và các dòng đột biến . ........................... 89 Bảng 3.10. Biến dị chín sớm, tăng khả năng đẻ nhánh và tăng bông hữu hiệu ở M2 phát sinh từ giống gốc và các dòng đột biến .................... 94 Bảng 3.11. Tổng tần số và phổ biến dị (số loại biến dị) có ý nghĩa chọn giống ở M2 phát sinh từ giống gốc và các dòng đột biến .................... 97 Bảng 3.12. Hệ số tƣơng quan giữa BDDL với tần xuất và phổ biến dị có ý nghĩa chọn giống ở M2 ). ........................................................... 99 Bảng 3.13. Một số đặc điểm hình thái, nông học của các dòng đột biến ở M6 (vụ Mùa 2015) và M7 (vụ Xuân 2016) từ nếp Đuôi Trâu tại Thanh Trì, Hà Nội .................................................................... 102 Bảng 3.14. Một số đặc điểm nông học của các dòng đột biến ở M6 (vụ Mùa 2015) và M7 (vụ Xuân 2016) từ nếp Đuôi Trâu tại Thanh Trì, Hà Nội ...................................................................................... 105 Bảng 3.15. Tỷ lệ lép, P1000, năng suất và chất lƣợng của các dòng đột biến ở M6 vụ Mùa 2015) và M7 (vụ Xuân 2016) từ nếp Đuôi Trâu, tại Thanh Trì, Hà Nội ............................................................... 111 Bảng 3.16. Một số đặc điểm hình thái nông học của thân và lá của các dòng đột biến ở thế hệ M6 (vụ Mùa 2015) và M7 (vụ Xuân 2016) từ nếp Cái Hoa Vàng tại Thanh Trì, Hà Nội ................................ 120 Bảng 3.17. Một số đặc điểm hình thái nông học và chất lƣợng của các dòng đột biến ở thế hệ M6 (vụ Mùa 2015) và M7 (vụ Xuân 2016) từ nếp Cái Hoa Vàng tại Thanh Trì, Hà Nội ................................ 124 Bảng 3.18. Các yếu tố cấu thành năng suất và năng suất của các dòng đột biến ở thế hệ M6 (vụ Mùa 2015) và M7 (vụ Xuân 2016) từ nếp Cái Hoa Vàng tại Thanh Trì, Hà Nội ....................................... 127 Bảng 3.19. Biểu hiện mùi thơm của các dòng đột biến có triển vọng phát sinh từ từ nếp Cái Hoa vàng và nếp Đuôi Trâu thế hệ M8 (vụ Mùa 2016) và M9 (vụ xuân 2017) tại 5 địa điểm nghiên cứu ......... 135 Bảng 3.20. Năng suất, chỉ số ổn định và thích nghi của các dòng đột biến có triển vọng thế hệ M8 ở vụ Mùa 2016 tại 5 địa điểm nghiên cứu . 137 Bảng 3.21. Năng suất, chỉ số ổn định và thích nghi của các dòng đột biến có triển vọng thế hệ M9 ở vụ Xuân 2017 tại 5 địa điểm nghiên cứu 140 Bảng 3.22. Một số đặc điểm hình thái, nông học của các dòng đột biến thế hệ M5 (vụ Mùa 2016) và M6 (vụ Xuân 2017) từ HV-H tại Thanh Trì, Hà Nội ............................................................................... 144 Bảng 3.23. Thời gian sinh trƣởng, các yếu tố năng suất, năng suất và mùi thơm của các dòng đột biến thế hệ M5 (vụ Mùa 2016) và M6 (vụ Xuân 2017) từ HV-H tại Thanh Trì, Hà Nội .......................... 145 Bảng 3.24. Thời gian sinh trƣởng, các yếu tố năng suất, năng suất và mùi thơm của các dòng đột biến thế hệ M5 (vụ Mùa 2016) và M6 (vụ Xuân 2017) từ HV-H tại Thanh Trì, Hà Nội .......................... 146 Bảng 3.25. Năng suất, chỉ số ổn định (S2di) và chỉ số thích nghi (bi) của các dòng đột biến có tiển vọng ở vụ Xuân 2017 (M6). ................ 147 Bảng 3.26: Năng suất, chỉ số ổn định (S2di) và chỉ số thích nghi (bi) của các dòng đột biến có triển vọng (M7) ở vụ Mùa 2017 ................. 150 Bảng 3.27. Một số đặc điểm nông sinh học của giống lúa khảo nghiệm nếp cái Hoa Vàng đột biến (dòng H6, thế hệ M7) ở vụ Mùa 2017 tại Văn Lâm, Hƣng Yên. ............................................................... 152 Bảng 3.28. Các yếu tố cấu thành năng suất và năng suất giống lúa nếp Cái Hoa Vàng đột biến(dòng H6, thế hệ M7) ở vụ Mùa 2017 tại Văn Lâm, Hƣng Yên ....................................................................... 153 Bảng 3.29. Mức độ nhiễm sâu bệnh của dòng đột biến khảo nghiệm (dòng H6, thế hệ M7) ở vụ Mùa 2017 tại Văn Lâm, Hƣng Yên ...... 153 Bảng 3.30. Một số kết quả sản suất thử giống lúa nếp cái Hoa Vàng đột biến ở vụ Xuân và mùa 2017. ......................................................... 155 Bảng 3.31. Một số đặc điểm cơ bản của các dòng đột biến ƣu tú và giống gốc ở vụ Mùa 2017 ........................................................................ 158 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Cấu trúc hoá học của amyloza và Amylopectin .......................... 6 Hình 1.2. Nội nhũ của lúa nếp và lúa tẻ khi nhuộm KI ............................... 7 Hình 1.3. Diện tích và sản lƣợng lúa toàn cầu giai đoạn 2006 - 2015 ........ 7 Hình 1.4. Cấu trúc phân tử 2AP ................................................................. 38 Hình 1.5. Sơ đồ mô tả con đƣờng sinh tổng hợp 2AP ............................... 38 Hình 2.1. Sơ đồ xử lý và chọn giống đột biến ........................................... 51 Hình 2.2. Sơ đồ tóm tắt quá trình chiếu xạ, phân lập và tuyển chọn dòng đột biến ....................................................................................... 55 Hình 3.1. Biểu đồ mối tƣơng quan giữa biến dị diệp lục với tổng tần xuất các biến dị có ý nghĩa chọn giống phát sinh từ 3 giống lúa nếp 82 Hình 3.2. Biểu đồ tổng tần xuất biến dị diệp lục p