Luận án cải tiến tính chịu ngập giống lúa AS996 bằng chỉ thị phân tử - Viện Lúa ĐBSCL

Tính cấp thiết của đề tài Cây lúa (Oryza sativa L.) là cây lương thực quan trọng nhất của Việt Nam. Với vị trí địa lý gần biển, có hệ thống sông ngòi dày đặc và đất phù sa màu mỡ, nông nghiệp lúa nước là ngành nghề chính, mang lại hiệu quả kinh tế vượt trội. Cây lúa nước đóng vai trò quan trọng trong cơ cấu sản xuất nông nghiệp và giữ vai trò chủ đạo trong đảm bảo an ninh lương thực, đưa Việt Nam trở thành một trong những nước xuất khẩu gạo lớn nhất thế giới. Gần đây, do tác động của biến đổi khí hậu (BĐKH), đã gây ra sự thay đổi một số yếu tố sinh học và phi sinh học theo hướng bất lợi, ảnh hưởng đến khả năng sinh trưởng phát triển của cây lúa, làm giảm sản lượng lúa gạo trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng.

Một trong các yếu tố gây ảnh hưởng nhất, đó là hiện tượng ngập úng xảy ra ở hầu hết tất cả các vùng trồng lúa, nhưng vùng bị ảnh hưởng nhiều nhất là vùng Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) nơi có diện tích và sản lượng lúa lớn nhất của Việt Nam (Wassmann et al, 2004; Hoanh et al, 2004). Nguyên nhân là do mực nước biển dâng cao làm giảm lưu lượng dòng chảy của các con sông, gây ra ngập úng khi có hiện tượng mưa lớn kéo dài. Vì thế, việc nghiên cứu chọn tạo, phát triển nguồn giống đã được cải tiến khả năng chịu ngập chìm, cho năng suất cao là hết sức cần thiết và có ý nghĩa trong việc đảm bảo an toàn lương thực và tăng thu nhập của nông dân. Nghiên cứu về cơ chế sinh lý, sinh hóa tính chống chịu ngập và lập bản đồ gen liên quan đến tính chịu ngập đã được các nhà khoa học tại Viện Nghiên cứu Lúa Quốc tế (IRRI) tiến hành.

Việc phát hiện locut Sub1 là QTL chính (Quantitative trait loci) kiểm soát tính trạng số lượng liên quan đến cơ chế chống chịu ngập ở lúa, đã được các nhà khoa học lập bản đồ gen chi tiết (Xu and Mackill, 1996). Đó là cơ sở cơ bản để ứng dụng trong chọn tạo giống lúa chịu ngập. Đã có một số các nghiên cứu ứng dụng phương pháp chọn giống nhờ chỉ thị phân tử và lai trở lại (MABC), kết hợp giữa các kỹ thuật công nghệ sinh học 1 hiện đại với phương pháp chọn giống truyền thống nhằm nâng cao tính chống chịu ngập ở cây lúa. Cho đến nay, phương pháp MABC đã được áp dụng khá thành công trong việc quy tụ locut gen/QTL vào giống mới, nhưng các giống tạo ra chưa được ghi nhận nhiều, hoặc mới chỉ dừng lại ở dòng chọn giống.

Trước tình hình đó, trên cơ sở khảo sát cơ cấu giống các tỉnh ĐBSCL cho thấy, giống lúa AS996 là một trong những giống lúa chất lượng cao được trồng phổ biến tại các tỉnh ĐBSCL và Đông Nam Bộ từ năm 2003 đến nay. Đây là một giống lúa thuần được các nhà khoa học Viện Lúa ĐBSCL chọn tạo và công nhận chính thức năm 2002, ngắn ngày, năng suất cao và phù hợp với cơ cấu canh tác tại các tỉnh phía Nam. Tuy nhiên, giống AS996 lại rất mẫn cảm với điều kiện ngập úng nên thời gian gần đây bị ảnh hưởng lớn về năng suất khi điều kiện ngập úng gia tăng trên đồng ruộng. Chính vì thế, việc cải tiến tính chống chịu ngập úng của giống lúa AS996 là một trong những vấn đề cấp thiết đặt ra cho ĐBSCL.

Xuất phát từ yêu cầu của thực tiễn sản xuất, chúng tôi tiến hành thực hiện đề tài: “Nghiên cứu cải tiến tính chịu ngập của giống lúa AS996 bằng chỉ thị phân tử”, để tạo giống lúa mới AS996-Sub1 có khả năng chịu ngập thích ứng cho vùng ĐBSCL. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 2. Mục tiêu chung Cải tiến giống lúa AS996 sử dụng phương pháp chọn giống bằng chỉ thị phân tử kết hợp lai trở lại (MABC), để tạo giống lúa mới AS996-Sub1 có khả năng chịu ngập, thích ứng cho vùng ĐBSCL. Mục tiêu cụ thể - Chọn vật liệu khởi đầu và xác định các chỉ thị phân tử cho đa hình giữa hai giống bố mẹ để sử dụng trong các thế hệ chọn giống.

2 - Cải tiến được giống lúa AS996 bằng phương pháp chọn giống nhờ chỉ thị phân tử kết hợp lai trở lại (MABC), để tạo giống lúa mới AS996-Sub1 có khả năng chịu ngập. - Đánh giá khả năng chịu ngập và so sánh, khảo nghiệm giống lúa chịu ngập AS996-Sub1 (OM351) tại một số tỉnh phía Nam. Những đóng góp mới của luận án - Phân tích đa hình giữa giống AS996 và IR64-Sub1 đã xác định được 71 chỉ thị phân tử đa hình. Trong số đó, 69 chỉ thị dùng để sàng lọc nền di truyền của giống AS996, 2 chỉ thị ART5 và SC3 nằm trong vùng locut gen Sub1 để chọn lọc cá thể mang locut gen Sub1 trong các quần thể lai trở lại.

- Ứng dụng phương pháp chọn giống bằng chỉ thị phân tử và lai trở lại (MABC) đã cải tiến, chọn tạo thành công giống lúa AS996-Sub1 chịu ngập (được đặt tên mới là OM351). Giống OM351 có đặc điểm nông sinh học, chất lượng và khả năng chống chịu sâu bệnh hại tương tự giống AS996, năng suất cao hơn giống AS996, đặc biệt có khả năng chịu ngập hoàn toàn trong 14 ngày giai đoạn sinh trưởng sinh dưỡng. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 4. Ý nghĩa khoa học - Luận án đã ứng dụng thành công bản đồ di truyền tính trạng chịu ngập ở lúa để xác định các chỉ thị phân tử đa hình dùng cho cải tiến tính chịu ngập của giống lúa AS996.

Kết quả của đề tài luận án sẽ cung cấp những dẫn liệu khoa học trong việc quy tụ QTL/gen mục tiêu Sub1 bằng phương pháp MABC, ứng dụng để chọn tạo giống lúa chịu ngập. - Kết quả nghiên cứu của đề tài luận án còn là tài liệu tham khảo phục vụ cho công tác giảng dạy, học tập, nghiên cứu khoa học, góp phần bổ sung, hoàn thiện phương pháp đánh giá chính xác sự có mặt của gen mục tiêu về khả năng biểu hiện tính chịu ngập đối với giống lúa mới được cải tiến tính chịu ngập bằng phương pháp MABC. Ý nghĩa thực tiễn - Chọn tạo thành công giống lúa OM351 chịu ngập bằng phương pháp MABC đã mở ra khả năng ứng dụng rộng rãi trong việc cải tiến giống lúa để nâng cao khả năng chống chịu với các yếu tố bất lợi sinh học và phi sinh học của các giống lúa đang sản xuất đại trà. - Giống OM351 có các đặc tính nông sinh học tương đương AS996 nhưng năng suất cao hơn giống AS996, đặc biệt có khả năng chịu ngập sẽ góp phần đa dạng bộ giống lúa gieo cấy cho những vùng đất trũng, ngập úng ở các tỉnh ĐBSCL.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài 5. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là giống lúa AS996 được trồng phổ biến trong sản xuất tại các tỉnh phía Nam. Giống lúa IR64-Sub1 mang locus gen chịu ngập Sub1 được nhập nội từ Viện nghiên cứu lúa quốc tế (IRRI). Phạm vi nghiên cứu - Đề tài tập trung lai tạo và sử dụng chỉ thị phân tử xác định các cá thể mang locut gen Sub1 và nền di truyền của giống AS996 trong các thế hệ chọn giống.

- Đánh giá khả năng chịu ngập, đặc điểm nông sinh học, tiềm năng năng suất và khả năng thích ứng, phát triển của giống mới tại một số tỉnh đại diện cho các vùng sinh thái phía Nam. - Thời gian nghiên cứu: từ năm 2010 đến 2017. 4 Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU VÀ CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI 1. ẢNH HƯỞNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ĐẾN SẢN XUẤT NÔNG NGHIỆP 1.

Ảnh hưởng của BĐKH đến sản xuất nông nghiệp trên thế giới Biến đổi khí hậu (BĐKH) là sự biến động trạng thái trung bình của khí quyển toàn cầu hay khu vực theo thời gian từ vài thập kỷ đến hàng triệu năm. Những biến đổi này diễn ra do động lực của trái đất, bức xạ mặt trời, và gần đây có thêm hoạt động của con người (IPCC, 2021). Các hoạt động của con người phần lớn là đốt nhiên liệu hóa thạch, nồng độ khí nhà kính trong khí quyển tạo ra cacbon, góp phần làm tăng khí CO2 và nhiệt độ môi trường đã tăng cao hơn bất cứ thời kỳ nào trong hai triệu năm qua (IPCC, 2021). Theo quan sát của Savo et al, (2016), nhiệt độ tăng và loại hình mưa thay đổi ở 2.230 địa phương trên 137 quốc gia khác nhau.

Do vậy thuật ngữ BĐKH (hoặc còn được gọi là sự ấm lên toàn cầu - global warming) được coi là đồng nghĩa với BĐKH hiện đại (DaMatta et al, 2010). BĐKH ngày nay không còn là vấn đề của một quốc gia hay của một khu vực mà là vấn đề toàn cầu. BĐKH tác động nghiêm trọng đến sản xuất, đời sống và môi trường trên phạm vi toàn thế giới. Nhiệt độ trái đất có thể tăng đạt ngưỡng 1,50C so với thời kỳ tiền công nghiệp vào giữa những năm 2030 (IPCC, 2021).

Nhiệt độ tăng, mực nước biển dâng cao gây ngập lụt, gây nhiễm mặn nguồn nước, ảnh hưởng đến nông nghiệp, gây rủi ro lớn đối với công nghiệp và các hệ thống kinh tế - xã hội trong tương lai. Dự đoán, năm 2050 sẽ có hơn một nửa dân số thế giới bị thiếu nước sinh hoạt trong một vài năm, đặc biệt khi mà mức sống ở một số vùng như Trung Á, Nam Á, Đông Á, Đông Nam Á tăng lên thì tình trạng thiếu nước càng trở nên trầm trọng (Boreti and Rosa, 2019). Dự kiến đến năm 2080, hàng triệu cư dân trái đất sẽ chịu ảnh hưởng bởi mực nước 5 biển dâng lên, nhất là vùng đảo nhỏ và các vùng châu thổ lớn ở Châu Á và Châu Phi, sẽ có khoảng 200 - 600 triệu người bị nạn đói đe dọa (Foulds et al, 2014; Hurlbert and Gupta, 2016). Hàng năm, sẽ có từ 2 - 7 triệu người sẽ là nạn nhân của tình trạng nước biển dâng và lụt lội (Rubaiyath and Jianhua, 2016).

Những thách thức của BĐKH đối với sản xuất lúa gạo là vô cùng nghiêm trọng. Phần lớn lúa gạo mà thế giới sử dụng được trồng ở các vùng đất thấp hoặc vùng đồng bằng ở các quốc gia như Việt Nam, Bangladesh, Ấn Độ. Những khu vực này có nguy cơ bị nước biển xâm nhập khi mực nước biển dâng cao, cho thấy sự cần thiết của các giống lúa có khả năng chịu đựng được cả tình trạng ngập nước lẫn độ mặn cao. Lâu nay, châu Á là nơi sản xuất và tiêu thụ gạo cao nhất trên thế giới.

Ngoài ra, châu Á còn là nơi xuất khẩu gạo chủ yếu.