Luận án Tiến sĩ Nông nghiệp: Nghiên cứu ứng dụng chỉ thị phân tử chọn tạo giống kháng bệnh đạo ôn trên nền di truyền của giống lúa BC15

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:206

Thêm vào BST

Báo xấu

12
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án "Nghiên cứu ứng dụng chỉ thị phân tử chọn tạo giống kháng bệnh đạo ôn trên nền di truyền của giống lúa BC15" được hoàn thành với mục tiêu nhằm thu thập, phân lập, đánh giá độc tính các nòi nấm bệnh đạo ôn lúa ở các tỉnh phía Bắc từ đó xác định được bộ nòi nấm đại diện sử dụng cho việc đánh giá kiểu hình tính kháng bệnh cho các dòng/giống lúa.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Nông nghiệp: Nghiên cứu ứng dụng chỉ thị phân tử chọn tạo giống kháng bệnh đạo ôn trên nền di truyền của giống lúa BC15

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM  NGUYỄN THỊ NHÀI NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CHỈ THỊ PHÂN TỬ CHỌN TẠO GIỐNG KHÁNG BỆNH ĐẠO ÔN TRÊN NỀN DI TRUYỀN CỦA GIỐNG LÚA BC15 LUẬN ÁN TIẾN SĨ NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI – 2023
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM  NGUYỄN THỊ NHÀI NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CHỈ THỊ PHÂN TỬ CHỌN TẠO GIỐNG KHÁNG BỆNH ĐẠO ÔN TRÊN NỀN DI TRUYỀN CỦA GIỐNG LÚA BC15 Chuyên ngành: Di truyền và Chọn giống cây trồng Mã số: 9620111 LUẬN ÁN TIẾN SĨ NÔNG NGHIỆP Người hướng dẫn khoa học: 1. TS. Nguyễn Thị Thanh Thủy 2. PGS.TS. Lê Hùng Lĩnh HÀ NỘI - 2023
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của Quý thầy cô hướng dẫn và sự giúp đỡ của tập thể cán bộ nghiên cứu công tác tại Bộ môn Sinh học phân tử - Viện Di truyền Nông nghiệp. Toàn bộ số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chưa từng được sử dụng để công bố trong các công trình nghiên cứu để nhận học vị, các thông tin trích dẫn trong luận án đều đã được chỉ rõ nguồn gốc. Hà Nội, ngày tháng năm 2023 Tác giả luận án Nguyễn Thị Nhài
ii LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận án này, nghiên cứu sinh đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của Quý thầy, cô giáo, của tập thể, đồng nghiệp, bạn bè và gia đình. Trước hết, Nghiên cứu sinh xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới TS. Nguyễn Thị Thanh Thủy và PGS.TS. Lê Hùng Lĩnh đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và hỗ trợ Nghiên cứu sinh trong suốt quá trình công tác cũng như trong thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án này. Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn tập thể các cán bộ nghiên cứu công tác tại Bộ môn Sinh học Phân tử - Viện Di truyền Nông nghiệp đã giúp đỡ, động viên và chia sẻ kinh nghiệm trong suốt quá trình làm luận án. Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn tới Ban Giám đốc Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam, Ban Thông tin và Đào tạo, Ban Lãnh đạo Viện Di truyền Nông nghiệp, Quý thầy cô giáo đã dạy dỗ, hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho Nghiên cứu sinh trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận án. Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè đã nhiệt tình động viên, quan tâm và giúp đỡ Nghiên cứu sinh trong quá trình học tập và nghiên cứu khoa học. Xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2023 Tác giả luận án Nguyễn Thị Nhài
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................................... vii DANH MỤC BẢNG ..................................................................................................ix DANH MỤC HÌNH ................................................................................................. xii MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài .......................................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu..............................................................................................2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................3 3.1. Đối tượng nghiên cứu .........................................................................................3 3.2. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................................3 4. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn ................................................................3 5. Tính mới của đề tài nghiên cứu ...........................................................................4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU ..................................................................... 5 1.1. Tình hình sản xuất lúa gạo và ảnh hưởng của bệnh đạo ôn đến sản xuất lúa của Việt Nam .............................................................................................................5 1.1.1. Tình hình sản xuất lúa gạo của Việt Nam.....................................................5 1.1.2. Ảnh hưởng của bệnh đạo ôn đến sản xuất lúa của Việt Nam .....................6 1.2. Chỉ thị di truyền và ứng dụng chỉ thị di truyền trong chọn tạo giống cây trồng............................................................................................................................8 1.2.1. Chỉ thị di truyền ..............................................................................................8 1.2.2. Một số phương pháp ứng dụng chỉ thị di truyền trong chọn tạo giống cây trồng............................................................................................................................9 1.2.2.1. Chọn giống nhờ chỉ thị phân tử (MAS) .......................................................9 1.2.2.2. Chọn giống nhờ chỉ thị phân tử kết hợp lai trở lại (MABC) ....................10 1.3. Bệnh đạo ôn và nghiên cứu quản lý bệnh đạo ôn hại lúa .............................14 1.3.1. Nấm đạo ôn ....................................................................................................14 1.3.2. Bệnh đạo ôn hại lúa .......................................................................................16 1.3.3. Phân loại nấm bệnh đạo ôn hại lúa .............................................................17 1.3.3.1. Phân loại dựa trên phương pháp isozyme .................................................17
iv 1.3.3.2. Phân loại dựa trên chỉ thị phân tử .............................................................17 1.3.3.3. Phân loại bằng bộ dòng chỉ thị...................................................................19 1.3.4. Các biện pháp quản lý bệnh đạo ôn ............................................................23 1.4. Nghiên cứu gen kháng bệnh đạo ôn và ứng dụng chỉ thị phân tử trong chọn tạo giống lúa kháng bệnh đạo ôn ..................................................................25 1.4.1. Các gen kháng bệnh đạo ôn trên lúa và các chỉ thị liên kết với gen kháng ...................................................................................................................................25 1.4.2. Những nghiên cứu ứng dụng chỉ thị phân tử trong chọn tạo giống lúa kháng bệnh đạo ôn trên thế giới ............................................................................32 1.4.3. Những nghiên cứu ứng dụng chỉ thị phân tử trong chọn tạo giống lúa kháng bệnh đạo ôn tại Việt Nam ...........................................................................38 CHƯƠNG 2: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU........................... 41 2.1. Vật liệu nghiên cứu ..........................................................................................41 2.1.1. Vật liệu thực vật ............................................................................................41 2.1.2. Các chỉ thị phân tử và hóa chất ...................................................................43 2.2. Nội dung nghiên cứu ........................................................................................43 2.3. Địa điểm nghiên cứu ........................................................................................44 2.4. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................44 2.4.1. Phương pháp thu thập, đánh giá và định danh nấm đạo ôn lúa ..............44 2.4.1.1. Phương pháp thu thập mẫu bệnh đạo ôn cổ bông ....................................44 2.4.1.2. Phương pháp phân lập, bảo quản nấm đạo ôn (Hayashi và cs., 2009) [47] ...................................................................................................................................44 2.4.1.3. Phương pháp lây nhiễm nhân tạo nấm bệnh đạo ôn (Hayashi và cs., 2009) [47] ..................................................................................................................45 2.4.1.4. Phương pháp đánh giá phản ứng bệnh trên lá lúa (JIRCAS, 2009) .......46 2.4.1.5. Phương pháp định danh các nòi nấm bệnh đạo ôn (Hayashi và cs., 2009) [47] ............................................................................................................................47 2.4.2. Phương pháp xác định các gen kháng bệnh đạo ôn còn hiệu lực .............50 2.4.3. Phương pháp chọn giống bằng chỉ thị phân tử và lai trở lại (MABC) ....50 2.4.3.1. Phương pháp lai tạo, chọn lọc cá thể, phát triển quần thể tích hợp đa gen kháng bệnh đạo ôn ...................................................................................................50 2.4.3.2. Phương pháp sinh học phân tử ..................................................................51
v 2.4.3.3. Phương pháp bố trí, theo dõi, đánh giá thí nghiệm đồng ruộng và đánh giá tính kháng đạo ôn của dòng lúa triển vọng trong điều kiện lây nhiễm nhân tạo ..............................................................................................................................52 2.4.4. Phương pháp tính toán, xử lý số liệu ...........................................................55 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN .................................. 57 3.1. Thu thập, đánh giá và định danh các nòi nấm bệnh đạo ôn gây hại ở các tỉnh phía bắc ............................................................................................................57 3.1.1. Thu thập, phân lập và lưu giữ mẫu nấm bệnh đạo ôn ở các tỉnh phía Bắc ...................................................................................................................................57 3.1.2. Đánh giá độc tính và định danh các nòi nấm đạo ôn phổ biến tại các tỉnh phía Bắc ....................................................................................................................61 3.1.2.1. Đánh giá độc tính của các mẫu nấm bệnh đạo ôn trên bộ dòng lúa chỉ thị ...................................................................................................................................61 3.1.2.2. Kết quả định danh các nòi nấm bệnh đạo ôn tại các tỉnh phía Bắc dựa trên kiểu phản ứng bệnh của bộ các dòng lúa chỉ thị ............................................69 3.2. Xác định các gen kháng bệnh đạo ôn hiệu quả tại các tỉnh phía bắc và chọn lọc các chỉ thị phân tử liên kết với các gen kháng bệnh đạo ôn ..........................73 3.2.1. Xác định các gen kháng bệnh đạo ôn hiệu quả tại các tỉnh phía Bắc thông qua đánh giá kiểu hình tính kháng với các nòi nấm đạo ôn ...............................73 3.2.2. Chọn lọc bộ chỉ thị phân tử liên kết phục vụ cho công tác chọn tạo giống lúa kháng bệnh đạo ôn ............................................................................................74 3.2.2.1. Xác định chỉ thị phân tử liên kết cho đa hình giữa các dòng lúa mang đơn gen kháng trên locut Piz với giống lúa BC15 ..................................................76 3.2.2.2. Xác định chỉ thị phân tử liên kết cho đa hình giữa các dòng mang đơn gen kháng trên locut Pik với giống lúa BC15 .........................................................77 3.3. Xây dựng và chọn tạo nguồn vật liệu chọn giống..........................................79 3.3.1. Lựa chọn bố mẹ, chọn lọc bộ chỉ thị phân tử cho đa hình và lai tạo quần thể F1 ........................................................................................................................79 3.3.1.1. Chọn lọc nguồn vật liệu bố mẹ cho lai tạo .................................................79 3.3.1.2. Chọn lọc bộ chỉ thị phân tử đa hình giữa giống gốc BC15 và các dòng vật liệu chọn giống .........................................................................................................81 3.3.1.3. Lai tạo quần thể F1......................................................................................83
vi 3.3.2. Lai tạo, đánh giá và chọn lọc cá thể con lai mang gen kháng trong các quần thể lai trở lại ...................................................................................................83 3.3.2.1. Lai tạo, đánh giá và chọn lọc cá thể trong các quần thể lai trở lại ..........83 3.3.2.2. Tự thụ, chọn tạo dòng lúa mang đơn gen kháng đạo ôn hữu hiệu và mang nền di truyền của giống lúa BC15 ................................................................87 3.4. Tích hợp hai gen kháng bệnh đạo ôn hữu hiệu vào giống lúa BC15 ...........90 3.4.1. Đánh giá, chọn lọc nguồn vật liệu cho phép lai tích hợp hai gen kháng, chọn lọc bộ chị thị phân tử cho phân tích nền di truyền .....................................90 3.4.1.1. Xác nhận sự có mặt của gen kháng và đánh giá đặc điểm nông học, tiềm năng năng suất của vật liệu chọn giống .................................................................90 3.4.1.2. Chọn lọc bộ chỉ thị phân tử đa hình giữa giống gốc BC15 và các dòng vật liệu chọn giống .........................................................................................................93 3.4.1.3. Phân tích nền di truyền các dòng vật liệu chọn giống bằng chỉ thị phân tử ...............................................................................................................................96 3.4.2. Tích hợp hai gen kháng bệnh đạo ôn Pik-h, Pi9(t) vào giống lúa BC15 ..98 3.4.2.1. Lai tạo quần thể, phân tích kiểu gen và chọn lọc cá thể mang hai gen kháng đạo ôn Pik-h, Pi9(t) .......................................................................................98 3.4.2.2. Phát triển quần thể tự thụ, phân tích kiểu gen quần thể và chọn lọc cá thể mang hai gen kháng đạo ôn Pik-h và Pi9(t) ...................................................101 3.5. Phát triển và chọn lọc dòng thuần BC15 mang hai gen kháng bệnh đạo ôn Pik-h, Pi9(t) ............................................................................................................110 3.5.1. Đánh giá các đặc điểm nông học, năng suất và mức độ nhiễm sâu bệnh của các dòng thuần triển vọng trên đồng ruộng ................................................110 3.5.2. Đánh giá các đặc điểm nông học, năng suất, chất lượng, mức độ nhiễm sâu bệnh và xác định gen kháng của dòng lúa BC15.4.2 trên đồng ruộng ......113 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 ................................................................................................................140
vii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Thuật ngữ Tiếng Anh Thuật ngữ Tiếng Việt ADN Acid Deoxyribo Nucleic Axít Deoxyribonucleic AFLP Amplified Fragment Length Đa hình chiều dài các Polymorphism đoạn được nhân bản chọn lọc bp Base pair Cặp bazơ CAPS Cleaved Amplified Polymorphic Trình tự đa hình được Sequences khuếch đại đã phân cắt CCC Chiều cao cây CDB Chiều dài bông cM Centimorgan cs. Cộng sự CV Coefficient of variation Hệ số biến động FAO Food and Agriculture Organization Tổ chức Lương thực và of the United Nations Nông nghiệp Liên hợp quốc INTA National Agricultural Technology Viện Nghiên cứu Công Institute nghệ nông nghiệp Quốc gia Achentina IRRI International Rice Research Viện Nghiên cứu lúa Institute Quốc tế JIRCAS Japan International Research Trung tâm Nghiên cứu Center for Agricultural Sciences Khoa học Nông nghiệp Quốc tế Nhật Bản KL.1000 hạt Khối lượng 1000 hạt LSD Least Significant Difference Sai biệt nhỏ nhất có ý nghĩa 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 NILs Near Isogenic Lines Các dòng cận di truyền NSLT Năng suất lý thuyết NST Nhiễm sắc thể NSTT Năng suất thực thu PCR Polymerase Chain Reaction Phản ứng chuỗi trùng hợp QTL Quantitative trait locus Lô-cut tính trạng số
viii lượng RP Recipient parent Bố mẹ nhận gen RAPD Random Amplification of Đa hình ADN được Polymorphic DNA) nhân bản ngẫu nhiên RFLP Restriction Fragment Length Đa hình chiều dài đoạn Polymorphisms phân cắt giới hạn SCAR Sequence characterized amplified Trình tự các vùng regions khuếch đại đặc trưng SNP Single-nucleotide polymorphism Đa hình nucleotide đơn SSR Simple Sequence Repeat Lặp lại trình tự đơn giản Stdev Standard deviation độ lệch tiêu chuẩn STS Sequence-tagged site Vị trí được gắn thẻ trình tự TGST Thời gian sinh trưởng
ix DANH MỤC BẢNG STT Tên bảng Trang 1.1. Kết quả dự kiến của phương pháp MABC --------------------------------- 13 1.2. Bộ dòng lúa chỉ thị mang đơn gen kháng đạo ôn (LTH Monogenic line) --------------------------------------------------------------- 20 1.3. Vị trí trên nhiễm sắc thể của các gen kháng bệnh đạo ôn ở lúa --------- 26 1.4. Danh sách các chỉ thị phân tử liên kết các gen kháng bệnh đạo ôn ở lúa ----------------------------------------------------------------------------- 27 2.1. Bộ dòng lúa chỉ thị mang đơn gen kháng đạo ôn và giống lúa chuẩn nhiễm LTH được sử dụng trong nghiên cứu----------------------- 41 2.2. Các dòng lúa mang đơn gen kháng đạo ôn sử dụng trong nghiên cứu ------------------------------------------------------------------------------ 42 2.3. Cách xác định nòi bệnh đạo ôn trên cơ sở nhiễm bệnh của các dòng đơn gen ------------------------------------------------------------------ 49 2.4. Thang điểm đánh giá chất lượng cảm quan của cơm --------------------- 54 2.5. Xếp hạng chất lượng cảm quan của cơm ----------------------------------- 54 2.6. Phản ứng của dòng/ giống lúa với bệnh đạo ôn---------------------------- 54 3.1. Địa điểm và số mẫu bệnh đạo ôn cổ bông thu thập ở các vùng sinh thái phía Bắc Việt Nam (2012 - 2016) ------------------------------- 58 3.2. Kết quả phân lập các mẫu nấm bệnh đạo ôn ở các vùng sinh thái phía Bắc Việt Nam ------------------------------------------------------------ 60 3.3. Kết quả đánh giá độc tính của các mẫu nấm bệnh đạo ôn trên các dòng lúa mang đơn gen kháng thuộc nhóm locut U và locut Pii ------- 64 3.4. Kết quả đánh giá độc tính của các mẫu nấm bệnh đạo ôn trên các dòng lúa mang đơn gen kháng nhóm locut Pik --------------------------- 65 3.5. Kết quả đánh giá độc tính của các mẫu nấm bệnh đạo ôn trên các dòng lúa mang đơn gen kháng nhóm locut Piz---------------------------- 66 3.6. Kết quả đánh giá độc tính của các mẫu nấm bệnh đạo ôn trên các
x dòng lúa mang đơn gen kháng nhóm locut Pita -------------------------- 67 3.7. Kết quả định danh các nòi nấm đạo ôn thu thập từ các tỉnh phía Bắc Việt Nam------------------------------------------------------------------ 70 3.8. Danh sách 24 nòi nấm đạo ôn đại diện cho các tỉnh phía Bắc phục vụ thí nghiệm lây nhiễm nhân tạo ------------------------------------ 72 3.9. Các đặc điểm nông học và mức độ nhiễm sâu bệnh của các dòng/giống lúa bố mẹ trong vụ Xuân 2014 (Hoài Đức, Hà Nội) ------- 80 3.10. Kết quả sàng lọc chỉ thị đa hình trên 12 nhiễm sắc thể giữa giống lúa BC15 với các dòng lúa cho gen kháng ------------------------- 82 3.11. Kết quả chọn lọc các cá thể trong các quần thể lai trở lại [(BC15 x AH3) x BC15] --------------------------------------------------------------- 84 3.12. Kết quả chọn lọc các cá thể trong các quần thể lai trở lại [(BC15 x IRBLkh-K3[CO]) x BC15] ------------------------------------------------ 86 3.13. Kết quả chọn lọc các cá thể con lai tích hợp đơn gen kháng bệnh đạo ôn thế hệ BC4F2 trong vụ Mùa 2016----------------------------------- 88 3.14. Các đặc điểm nông học và mức độ nhiễm sâu bệnh của các dòng/giống vật liệu trong vụ Xuân 2017 (Hoài Đức, Hà Nội) ---------- 91 3.15. Kết quả sàng lọc chỉ thị phân tử đa hình trên 12 NST giữa các giống lúa BC15, IRBLkh-K3[CO] và AH3 ------------------------------- 94 3.16. Đặc điểm nông học của 27 cá thể tích hợp hai gen kháng bệnh đạo ôn trong vụ Mùa 2018 (Hoài Đức, Hà Nội) ------------------------- 102 3.17. Kết quả đánh giá lây nhiễm nhân tạo của các dòng/giống lúa với 24 nòi nấm đạo ôn đại diện cho các tỉnh phía Bắc trong vụ Xuân 2019 (theo thang điểm IRRI, 2013) --------------------------------------- 106 3.18. Kết quả kháng/nhiễm của các dòng/giống lúa với 24 nòi nấm đạo ôn đại diện các tỉnh phía Bắc trong vụ Xuân 2019 (theo thang điểm IRRI, 2013) ----------------------------------------------------- 107 3.19. Đặc điểm nông học và các yếu tố cấu thành năng suất của 10
xi dòng lúa tích hợp hai gen kháng bệnh đạo ôn trong vụ Xuân 2019 (Hoài Đức, Hà Nội) --------------------------------------------------- 109 3.20. Mức độ nhiễm sâu bệnh của các dòng/giống lúa nghiên cứu trong vụ Mùa 2019 (Hoài Đức, Hà Nội) ---------------------------------- 111 3.21. Đặc điểm nông học của 3 dòng lúa tích hợp hai gen kháng bệnh đạo ôn trong vụ Mùa 2019 (Hoài Đức, Hà Nội) ------------------------- 112 3.22. Mức độ nhiễm sâu bệnh của dòng lúa BC15.4.2 và giống lúa BC15 trong vụ Xuân 2020 (Hoài Đức, Hà Nội) ------------------------- 114 3.23. Đặc điểm nông học của dòng lúa BC15.4.2 và giống lúa BC15 trong vụ Xuân 2020 (Hoài Đức, Hà Nội) --------------------------------- 115 3.24. Kết quả đánh giá chất lượng cơm gạo của dòng lúa BC15.4.2 và giống lúa BC15 --------------------------------------------------------------- 116
xii DANH MỤC HÌNH STT Tên bảng Trang 1.1. Diện tích và sản lượng lúa qua các năm tại Việt Nam [19] ---------------- 5 1.2. Phương pháp chọn tạo giống bằng chỉ thị phân tử ------------------------ 10 1.3. Chu kỳ xâm nhiễm của nấm đạo ôn trên lá lúa [33] ---------------------- 15 1.4. Triệu chứng bệnh đạo ôn trên các bộ phận của cây lúa (IRRI Rice Knowledge Bank) [125]------------------------------------------------------ 16 2.1. Thang đánh giá điểm tiêu chuẩn (JIRCAS, 2009) ------------------------- 47 2.2. Sơ đồ các bước triển khai thực hiện luận án ------------------------------- 56 3.1. Ruộng nhiễm bệnh đạo ôn tại Hoài Đức, Hà Nội (vụ Xuân 2016) ------ 57 3.2. Phân lập và lưu giữ các nòi nấm bệnh đạo ôn ----------------------------- 59 3.3. Thí nghiệm lây nhiễm nhân tạo các mẫu nấm bệnh đạo ôn lên bộ dòng/giống lúa chỉ thị -------------------------------------------------------- 61 3.4. Biểu đồ tỷ lệ các nòi nấm đạo ôn gây nhiễm trên các dòng lúa chỉ thị trong nghiên cứu ---------------------------------------------------------- 74 3.5. Kết quả khảo sát đa hình của các dòng/ giống lúa vật liệu với các chỉ thị liên kết với gen kháng Pi9(t) và Piz-5 trên gel agarose 2,5% ---------------------------------------------------------------------------- 77 3.6. Kết quả khảo sát đa hình của các dòng/giống lúa với các chỉ thị RM1233, RM206, RM224, RM2136 trên gel agarose 2,5% ------------ 77 3.7. Kết quả khảo sát đa hình của các dòng/giống lúa với các chỉ thị k4761F2/R, k6816, RM144, RM4112 và RM7654B trên gel agarose 2,5%------------------------------------------------------------------- 78 3.8. Kết quả điện di sản phẩm PCR của các giống lúa với chỉ thị phân tử SSR trên gel agarose 2,5% ----------------------------------------------- 82 3.9. Kết quả phân tích kiểu gen kháng của quần thể BC1F1 [(BC15 x AH3) x BC15] với chỉ thị pB8 liên kết đặc hiệu với gen Pi9(t) -------- 84 3.10. Kết quả phân tích kiểu gen kháng của quần thể BC3F1 [(BC15 x
xiii IRBLkh-K3[CO])///BC15] với chỉ thị RM224 liên kết gen Pik-h ------ 85 3.11. Kết quả phân tích nền di truyền các cá thể của quần thể BC 4F1 [(BC15 x IRBLkh-K3[CO])////BC15] với chỉ thị RM3447 trên NST số 1 ----------------------------------------------------------------------- 86 3.12. Kết quả phân tích kiểu gen kháng của quần thể BC4F2 [(BC15 x AH3) x BC15] với chỉ thị pB8 liên kết đặc hiệu với gen Pi9(t) -------- 88 3.13. Kết quả phân tích kiểu gen kháng của quần thể BC4F2 [(BC15 x IRBLkh-K3[CO])///BC15] với chỉ thị RM224 liên kết gen Pik-h ------ 89 3.14. Kết quả thí nghiệm lây nhiễm nhân tạo các cá thể con lai thế hệ BC4F2 tích hợp đơn gen kháng với nòi nấm đạo ôn I2a (vụ Mùa 2016) ---------------------------------------------------------------------------- 89 3.15. Thí nghiệm gieo trồng và đánh giá nguồn vật liệu lai tạo tại Hoài Đức, Hà Nội (vụ Xuân 2017) ----------------------------------------- 92 3.16. Kết quả phân tích kiểu gen kháng của các cá thể của dòng lúa BC15-Pik-h với chỉ thị RM224 --------------------------------------------- 93 3.17. Kết quả phân tích kiểu gen kháng của các cá thể của dòng lúa BC15-Pi9(t) với chỉ thị đặc hiệu pB8 -------------------------------------- 93 3.18. Bản đồ liên kết các chỉ thị phân tử đa hình giữa các giống lúa BC15, IRBLkh-K3[CO] và AH3 ------------------------------------------- 95 3.19. Kết quả phân tích nền di truyền của cá thể BC15-Pik-h A1.9 bằng phần mềm GGT v. 2.0 ------------------------------------------------- 96 3.20. Kết quả phân tích nền di truyền của cá thể BC15-Pi9(t) A2.1 bằng phần mềm GGT v. 2.0 ------------------------------------------------- 97 3.21. Kết quả phân tích kiểu gen kháng của quần thể tích hợp hai gen kháng với chỉ thị RM224 liên kết gen Pik-h------------------------------- 99 3.22. Kết quả phân tích kiểu gen kháng của quần thể tích hợp hai gen kháng với chỉ thị pB8 liên kết đặc hiệu với gen Pi9(t) ------------------- 99 3.23. Kết quả phân tích nền di truyền 30 cá thể của quần thể tích hợp
xiv hai gen kháng với chỉ thị RM11475 trên NST số 1----------------------- 99 3.24. Kết quả phân tích nền di truyền của cá thể số 4 bằng phần mềm GGT v. 2.0 -------------------------------------------------------------------- 100 3.25. Kết quả phân tích kiểu gen kháng của các cá thể với chỉ thị RM224 liên kết gen kháng Pik-h ------------------------------------------ 101 3.26. Kết quả phân tích kiểu gen kháng của các cá thể với chỉ thị pB8 liên kết đặc hiệu với gen Pi9(t) -------------------------------------------- 101 3.27. Kết quả thí nghiệm lây nhiễm nhân tạo các dòng lúa tích hợp hai gen kháng đạo ôn với các nòi nấm đạo ôn đại diện (vụ Xuân 2019) --------------------------------------------------------------------------- 105 3.28. Kết quả phân tích kiểu gen kháng của các cá thể với chỉ thị RM224 liên kết gen Pik-h--------------------------------------------------- 108 3.29. Kết quả phân tích kiểu gen kháng của các cá thể với chỉ thị pB8 liên kết chặt với gen Pi9(t)-------------------------------------------------- 108 3.30. Thí nghiệm chọn tạo các dòng lúa BC15 tích hợp hai gen kháng bệnh đạo ôn (vụ Mùa 2019) ------------------------------------------------ 113 3.31. Hạt thóc và hạt gạo lật của các dòng/giống lúa ------------------------- 116 3.32. Kết quả phân tích kiểu gen các cá thể của dòng lúa BC15.4.2 với chỉ thị RM224 liên kết gen kháng Pik-h------------------------------ 117 3.33. Kết quả phân tích kiểu gen các cá thể của dòng lúa BC15.4.2 với chỉ thị pB8 liên kết chặt với gen Pi9(t) ------------------------------- 117
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Lúa gạo (Oryza sativa L.) là cây trồng chính cung cấp lương thực cho hơn một phần ba dân số thế giới và là nguồn cung cấp lương thực đảm bảo an ninh lương thực toàn cầu [33]. Ngành sản xuất lúa gạo vẫn cần được duy trì trong các thập kỷ tới. Những ảnh hưởng của biến đổi khí hậu tạo điều kiện thuận lợi cho sự bùng phát dịch bệnh gây hại [90]. Hàng năm có hàng triệu hecta trồng lúa trên khắp thế giới đã bị nhiễm sâu bệnh hại, làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến năng suất và chất lượng lúa gạo. Trong số các loại bệnh hại trên cây lúa, bệnh đạo ôn do nấm Pyricularia oryzae Cavara gây ra là loại bệnh hại nghiêm trọng nhất ở hầu hết các vùng trồng lúa trên thế giới, dẫn đến mất mùa lên tới 70 - 80% [97]. Nghiên cứu chọn tạo giống lúa kháng bệnh đạo ôn hiện đang là mục tiêu của nhiều chương trình chọn tạo giống lúa trên thế giới. Việc sử dụng những gen kháng phổ rộng, quy tụ nhiều gen kháng vào cùng một giống bằng phương pháp chọn giống nhờ chỉ thị phân tử và lai trở lại sẽ giúp tạo ra các giống lúa kháng phổ rộng và kháng bền vững với bệnh đạo ôn [122]. Kết quả phân tích cũng cho thấy việc tích hợp nhiều gen kháng sẽ giúp tăng hiệu quả kháng với nấm đạo ôn [88]. Do vậy, việc lựa chọn tích hợp những gen kháng phù hợp vào nền di truyền của các giống lúa trồng phổ biến đã được nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm. Nhờ áp dụng các phương pháp chọn giống dựa vào chỉ thị phân tử (MAS, MABC), nhiều giống lúa năng suất, chất lượng đã được cải tiến thành công tính kháng đạo ôn [85], [103] những giống lúa cải tiến sẽ nhanh chóng được đưa vào sản xuất đại trà. Hiện nay, hầu hết các giống lúa trồng chủ lực ở các tỉnh phía Bắc nước ta đều bị nhiễm đạo ôn với mức độ khác nhau. Tuy nhiên, đại đa số nông dân vẫn coi thuốc hóa học là phương pháp hiệu quả để phòng trừ bệnh hại. Việc
2 thay đổi tập quán canh tác, mở rộng diện tích gieo trồng các giống lúa kháng sẽ giúp mang lại lợi ích kinh tế, bảo vệ sức khỏe cho người dân và bảo vệ môi trường sinh thái. Để có cơ sở cải tiến hiệu quả tính kháng bệnh đạo ôn cho cây lúa, việc nghiên cứu đánh giá độc tính của quần thể nấm gây bệnh đạo ôn, chọn lọc nguồn gen kháng bệnh còn hiệu lực và định hướng tích hợp nhiều gen kháng vào nền giống lúa trồng phổ biến chính là cách tiếp cận tối ưu nhất cho công tác chọn tạo giống lúa kháng bệnh đạo ôn bền vững trong nước. Giống lúa BC15 là giống lúa cho năng suất cao, thích ứng rộng, chất lượng cơm tốt. Sau 10 năm tham gia vào cơ cấu sản xuất của miền Bắc, Nam Trung Bộ, Tây Nguyên và một số tỉnh Nam Bộ, giống lúa BC15 thể hiện nhiều ưu thế vượt trội, góp phần tăng năng suất lúa cả nước lên 8 - 10% so với năm 2008 [1]. Mặc dù là giống lúa chủ lực, năng suất cao, chất lượng tốt, song giống lúa BC15 thường bị nhiễm đạo ôn, nhất là sản xuất ở vụ xuân, khi gặp thời tiết không thuận lợi thì năng suất và sản lượng bị ảnh hưởng rất nhiều. Chính vì vậy, chúng tôi tiến hành nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng chỉ thị phân tử chọn tạo giống kháng bệnh đạo ôn trên nền di truyền của giống lúa BC15”. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Thu thập, phân lập, đánh giá độc tính các nòi nấm bệnh đạo ôn lúa ở các tỉnh phía Bắc từ đó xác định được bộ nòi nấm đại diện sử dụng cho việc đánh giá kiểu hình tính kháng bệnh cho các dòng/giống lúa. - Xác định được các gen kháng hiệu quả với bệnh đạo ôn lúa và bộ chỉ thị phân tử liên kết với gen kháng phục vụ cho công tác chọn tạo giống lúa kháng bệnh đạo ôn tại các tỉnh phía Bắc. - Chọn tạo được dòng/giống lúa kháng bệnh đạo ôn mang nền di truyền của giống lúa BC15.
3 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3.1. Đối tượng nghiên cứu Giống lúa BC15, các dòng lúa mang đơn gen kháng đạo ôn nhập nội từ IRRI, các mẫu bệnh đạo ôn cổ bông thu thập trên đồng ruộng, các gen kháng bệnh đạo ôn và các chỉ thị phân tử liên kết với gen kháng. 3.2. Phạm vi nghiên cứu - Thu thập, phân lập và định danh các mẫu nấm bệnh đạo ôn cổ bông thu thập trên đồng ruộng từ các tỉnh phía Bắc - Xác định các gen kháng bệnh đạo ôn còn hiệu lực tại miền Bắc và các chỉ thị phân tử liên kết gen kháng - Tích hợp các gen kháng bệnh đạo ôn hữu hiệu vào giống lúa BC15 - Đánh giá dòng/giống lúa BC15 mang đa gen kháng đạo ôn trong điều kiện nhân tạo và ngoài đồng ruộng. - Các thí nghiệm được tiến hành từ năm 2012, thời gian thực hiện chính từ năm 2016 đến năm 2020. 4. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn - Ý nghĩa khoa học: Kết quả nghiên cứu đã cung cấp các thông tin về các nòi nấm bệnh đạo ôn gây độc tại các tỉnh phía Bắc Việt Nam, các gen kháng bệnh đạo ôn còn hiệu lực và chọn tạo được các dòng lúa tích hợp hai gen kháng bệnh đạo ôn hữu hiệu Pik-h và Pi9(t). - Ý nghĩa thực tiễn: Chọn tạo được dòng BC15 tích hợp 2 gen kháng hữu hiệu Pik-h và Pi9(t), mang các đặc điểm nông học tốt của giống BC15. Các dòng lúa tích hợp hai gen kháng bệnh đạo ôn Pik-h và Pi9(t) có thể sử dụng làm nguồn vật liệu cho các chương trình chọn tạo giống kháng bệnh đạo ôn trong nước.
4 5. Tính mới của đề tài nghiên cứu - Đã xác định được bộ nòi nấm đạo ôn lúa đại diện cho các tỉnh phía Bắc phục vụ cho các thí nghiệm đánh giá kiểu hình tính kháng bệnh đạo ôn cho cây lúa. - Công trình đã bổ sung các kết quả nghiên cứu mới nhất về các gen kháng bệnh đạo ôn còn hiệu lực tại các tỉnh phía Bắc, xác định được bộ chỉ thị phân tử liên kết với gen kháng phục vụ trực tiếp cho công tác chọn tạo giống lúa kháng bệnh đạo ôn bền vững tại các tỉnh phía Bắc Việt Nam. - Đã chọn tạo thành công dòng lúa BC15 tích hợp hai gen kháng bệnh đạo ôn hữu hiệu Pik-h và Pi9(t), đồng thời vẫn giữ được các đặc điểm nông học tốt của giống gốc BC15.