Nông nghiệp - Chương 2: Chọn tạo giống lúa

CHƢƠNG 2 CHỌN TẠO GIỐNG LÚA Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam https://sites.google.com/site/lophocphank57vnua/ 1. Vai trò của lúa gạo  Cây lúa (Oryza sp. sativa) là một trong những cây lương thực chính, cung cấp lương thực cho hơn 65% dân số trên thế giới.  Hiện nay hơn 100 nước trên thế giới sản xuất lúa.  Châu Á là vùng sản xuất lúa gạo chủ yếu chiếm 90% về sản lượng cũng như về diện tích.  Cây lúa có khả năng thích ứng rộng với vùng trồng từ 530 vĩ Bắc đến 400 vĩ Nam. Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam https://sites.google.com/site/lophocphank57vnua/  Việt Nam từ bao đời nay cây lúa đã gắn liền với đời sống dân tộc, với lịch sử dựng nước và giữ nước.  Nông dân ta rất giàu kinh nghiệm và giỏi nghề trồng lúa.  Việt Nam cũng là một trong những trung tâm phát sinh cây lúa và nghề trồng lúa của loài người.  Cây lúa luôn là cây lương thực chiếm tuyệt đối trong sản xuất nông nghiệp và là nhân tố quan trọng ổn định tình hình kinh tế, chính trị, văn hoá, xã hội của đất nước. Bảng 2.4 : Phân bố diện tích, năng suất và sản lượng lúa toàn cầu năm 2011 Vùng Diện tích (tr.ha) Năng suất (t/ha) Sản lượng (tr.t) Châu Á 145,2 4,49 653,2 Châu Phi 11,6 2,4 26,5 Châu Mỹ 6,8 5,5 37,8 Châu Âu 0,7 6,0 4,7 Châu Đại Dương 0,8 9,2 7,8 Toàn cầu 164,1 4,4 722,7 Bảng tổng hợp sản lƣợng lúa Thế giới và Châu lục giai đoạn 2001- 2005 (Số liệu thống kê của FAO, 2006 - Đơn vị tính: Triệu tấn) Thế giới, Châu lục 2001 2002 2003 2004 2005 - Toàn Thế giới + Châu Á + Châu Âu + Châu Đại Dương + Nam Mỹ + Bắc, Trung Mỹ + Châu Phi 597.981 544.630 3.650 1.164 19.784 12.260 16.493 569.035 515.255 3.210 1.218 19.601 12.195 17.556 584.272 530.736 2.260 1.457 19.973 11.623 18.223 606.268 546.919 2.468 1.574 23.726 12.816 18.765 618.441 559.349 2.340 1.344 24.020 12.537 18.851 Bảng 2.1 Diện tích, năng suất và sản lượng lúa của Việt Nam trong 10 năm Năm Diện tích (1000ha) Sản lượng (1000 tấn) Năng suất (tấn/ha) 2000 7.666,30 32.529,50 4,24 2001 7.492,70 32.108,40 4,29 2002 7.504,33 34.447,16 4,59 2003 7.452,20 34.568,90 4,63 2004 7.445,00 36.149,00 4,86 2005 7.326,00 35.791,00 4,89 2006 7.324,80 35.849,50 4,89 2007 7.180,70 35.917,90 4,99 2008 7.414,10 38.724,80 5,22 2009 7.440,10 38.895,50 5,23 2010 7.487,48 39.994,60 5,34 Việt Nam đang đứng trước những thách thức to lớn đối với sản xuất lúa và 5 thách thức lớn nhất là: 1.Những vùng nghèo, điều kiện và nguồn tài nguyên hạn chế như miền núi sản xuất chưa đáp ứng đu nhu cầu lương thực cho người dân trong vùng 2.Diện tích đất lúa thu hẹp do xây dựng cơ sở hạ tầng và chuyển đổi mục đích sử dụng, từ năm 2000 đến 2010 giảm 640 nghìn ha. 3.Sản xuất lúa hiệu quả thấp do chi phí sản xuất cao và giống lúa chất lượng thấp dẫn đến giá bán thấp hơn so với các nước khác năm 2013 giá chỉ đạt mức 340 đến 370 đô la/tấn, trong khi Thái Lan đều trên 400 đô la/tấn 4.Dịch bệnh xảy ra ngày càng nghiêm trọng hơn, đặc biệt một số loại sâu bệnh như rầy nâu, bệnh bạc lá, bệnh khô vằn, bệnh virus vàng lùn, lùn soăn lá, lùn sọc đen trên lúa gây hại thành dịch trên diện rộng. 5.Biến đổi khí hậu tác động mạnh, thiên tai hạn hán, bão lụt, nhiệt độ thấp, xâm nhập mặn dẫn đến sản xuất bấp bênh 2. Tài nguyên di truyền cây lúa  Lúa là một trong những cây trồng cổ xưa nhất loài người.  Căn cứ vào các tài liệu khảo cổ học ở Trung Quốc, Ấn Độ, Việt Nam... cây lúa đã có mặt từ 3000-2000 năm trước công nguyên.  Nhiều kết quả nghiên cứu gần đây thống nhất cho rằng lúa trồng ở Châu Á xuất hiện cách đây 8000 năm (Lu.B.R và cộng sự, 1996).  Tổ tiên trực tiếp của lúa trồng châu Á là Oryza sativa vẫn còn chưa được kết luận chắc chắn.  Một số tác giả: Sampath và Rao (1951), Sampath và Govidaswami (1958), Oka (1974) cho rằng O. sativa có nguồn gốc từ lúa dại lâu năm O. rufipogon.  Còn các tác giả khác như Chatterjee (1951), Chang (1976) lại cho rằng O. sativa được tiến hóa từ lúa dại hàng năm O. nivara. Hình 2.1: Mô tả tóm tắt tiến hóa của lúa dại thành lúa trồng O. rufipogon O. sativa Kiểu trung gian Lúa trồng và các kiểu cỏ dại O. Nivara Mô hình sự tiến hóa của O. sativa  Lúa trồng châu Á O.sativa có nguồn gốc từ Trung quốc (Ting, 1993) và Ấn Độ (Sampath và Rao, 1951).  Chang (1976) cho rằng O.sativa xuất hiện ở lưu vực sông Ganges dưới chân núi Hymalaya qua Myanma, bắc Thái Lan, Lào đến bắc Việt Nam và nam Trung Quốc.  Chang cho rằng lúa Indica phát sinh từ vùng Nepal, Assam, Myanma, Vân Nam đến lưu vực sông Hoàng Hà và từ Việt Nam phát tán theo bờ biển lên hạ lưu sông Dương Tử, tại đó biến động thích ứng thành Japonica, Sinica.  Từ Trung Quốc Japonica hoặc Sinica được hình thành rồi chuyển sang Triều Tiên, Nhật Bản.  Lúa Indica phát tán xuống phía Nam tới Malaysia và lên phía Bắc tới miền Trung Trung Quốc.  Loại hình hạt dài, rộng và dầy thuộc kiểu Javanica được hình thành ở Indonesia là quá trình chọn lọc từ Indica. Kiểu Javanica chuyển qua Philipine, Đài Loan và Nhật Bản.  Theo Chang (1985) loại hình Indica châu Á di chuyển theo một con đường khác từ Ấn Đô, bắc Phi rồi đến châu Âu vào khoảng 1000 năm trước công nguyên.  Con đường khác lúa châu Á chuyển từ Ấn Độ qua bán đảo Madagasca đến lục địa đông Phi.  Nhiều giống lúa trong loài phụ Javanica từ Indonesia tới Madagasca.  Tây Phi nhận các giống lúa từ châu Âu hoặc từ Nam Á.  Châu Âu cung cấp giống lúa cho Nam Mỹ. Phân loại lúa Họ hòa thảo: Poaceae (Gramineae) Họ phụ: Pooideae Tộc: Oryzae Loài: Oryza sativa a. Phân loại lúa dại Theo Sharma (1973) bao gồm 28 loài và loài phụ, phân bố chủ yếu ở vùng xích đạo. Chúng gồm 2 loại hình lâu năm và hàng năm có chiều cao từ 30 đến 200cm. Dựa trên cơ sở phân tích sự tiến hóa của loài có thể chia thành 3 nhóm loài: Nhóm Padia có thân rạ nhỏ mọc ở vùng rừng ẩm nhiệt đới đất không ngập nước, ưa bóng mát. Nhóm Augustifolia có thân rạ nhỏ mọc ở rừng ẩm nhiệt đới châu Phi. Nhóm Euroryza (hay Oryza) thuộc nhóm tiến bộ nhất có thân rạ trung bình đến to, ưa ánh sáng, thích nghi với đất ngập nước. Các loài lúa dại tìm thấy ở Việt Nam: - O. granulate (MM): Tây Bắc và biên giới Việt Lào - O. nivara (AA) tại vùng đồng bằng sông Cửu Long - O. officinalis (CC) tại vùng đồng bằng sông Cửu Long - O. rufipogon (AA) tại Tây Nguyên, Trung Bộ và Nam Bộ - O. ridleyi (HH) mới tìm thấy ở biên giới Việt Nam – Campuchia. Myanmar Thailand Cambodia Viet Nam Laos China Đánh giá tài nguyên di truyền lúa dại Sitch và cộng sự (1989) tổng kết tài nguyên di truyền lúa dại như sau:  O. rufipogon (AA): gen kháng phèn; gen vươn lóng theo mực nước; gen điều khiển tính bất dục đực di truyền tế bào chất (CMS), gen chống bệnh tungro.  O. nivara (AA): gen kháng bệnh virus lúa lùn, bệnh vàng lá lúa.  O. barthii (AA): gen kháng bạc lá  O. longistaminata (AA): gen kiểm tra tính vòi nhụy dài; kháng bạc lá (Xa21)  O. eichingeri: gen kháng rầy nâu, rầy xanh và rầy lưng trắng.  O. officinalis (CC): kháng rầy nâu, rầy xanh, rầy lưng trắng  O. minuta (BBCC): kháng rầy nâu, rầy xanh; rầy lưng trắng, cháy lá và bạc lá  O. australiensis (EE): kháng rầy nâu, chống hạn  O. branchyantha (FF): kháng sâu đục thân, ruồi đục nõn.  O. ridleyi (MMRR): kháng ruồi đục lá, cháy lá, bạc lá  O. longiglumis (MMRR): kháng ruồi đục lá, cháy lá, bạc lá.  O. glaberrima (AA): kháng rầy xanh  O. rufipogon (AA): nâng cao năng suất lúa (18%)  O. granulata (MM+): chống bạc lá, rầy nâu b. Phân loại lúa trồng Hai loài lúa trồng: Lúa trồng châu Á - O. Sativa và Lúa trồng châu Phi - O. Glaberrima Quan điểm sinh thái học (Morinaga, 1954) chia 5 kiểu hình sinh thái: - Aus - Boro - Bulu - Aman - Tjereh Asian Rice Oriza sativa Wild Rice Phân loại O. sativa theo IRRI Tính trạng Indica Japonica Javanica Lá Rộng đến hẹp, xanh nhạt Hẹp, xanh tối Rộng cứng, xanh nhạt Thân Thân rạ thon mảnh Thân rạ thon cứng Thân cứng, ống rạ to Sức đẻ nhánh Đẻ khỏe > 16 nhánh Đẻ trung bình 11-15 nhánh Đẻ ít < 10 nhánh Chiều cao Cao đến TB Thấp đến TB Cây cao Hạt Dài đến ngắn, thon, đôi khi hạt dẹt Ngắn, hạt tròn Hạt dài, rộng dày Râu hạt Hầu hết không râu Từ không râu đến râu dài Râu dài hoặc không có râu Lông trên vỏ trấu Lông nhỏ, ngắn ở vỏ trấu lưng và bụng, đôi khi không có lông Có long dày trên vỏ trấu lưng và bụng Lông dài ở vỏ trấu lưng và bụng, vỏ trơn láng ở nhiều giống lúa cạn Tính rụng hạt Dễ rụng Khó rụng Khó rụng Mô thân Mô thân mềm Mô thân cứng Mô thân cứng Phản ứng quang chu kỳ Có thay đổi Chặt đến không phản ứng Ít phản ứng Hàm lượng amylose 16 – 31% 10 – 24% 20 – 25% Nhiệt độ hóa hồ Thay đổi Thấp Thấp Quan điểm canh tác học: 9 loại 1. Lúa cạn 2. Lúa canh tác nhờ nước trời đất cao 3. Lúa canh tác nhờ nước trời đất thấp 4. Lúa canh tác có tưới 5. Lúa chịu nước sâu 6. Lúa chịu ngập 7. Lúa chịu mặn 8. Lúa chịu phèn 9. Lúa nổi Phân loại theo nguồn gốc xuất xứ: 1.Giống bản địa 2.Giống địa phương 3.Giống cải tiến 4.Giống nhập nội 5.Giống ưu thế lai Glaszmann(1987) phân tích đa chiều biến động các allele trên 15 locus isozyme và phân thành 6 nhóm dựa trên hình thái đã phân thành các nhóm đa dạng khác nhau: 1.Nhóm I: gồm các giống thuộc Indica và nhóm VI tương ứng với Japonica 2.Nhóm VI: cũng bao gồm bulu và gundil, 3.Nhóm II, III, IV và V không điển hình cũng phân loại Indica như phân loại truyền thống. 4.Nhóm II: tương ứng với lúa cạn chín rất sớm và chịu hạn gọi là Aus trồng ở Bangladesh và Ấn Độ 5.Giống lúa chịu ngập ở Bangladesh và Ấn Độ gọi là Ashinas và Rayadas thuộc nhóm III và nhóm IV 6.Nhóm V gồm lúa thơm của Ấn Độ, Basmati Các giống lúa thơm thuộc nhóm I, V và VI, chỉ một số ít thuộc nhóm I (indica) và nhóm VI (japonica) Bảng 2.2 : Xắp xếp nhóm trong chi Oryza, các loài và vùng phân bố Loài 2n Genome Phân bố Sect. Oryza Ser. Sativae O. barthii 24 AA Châu Phi sa mạcSaharan O. glaberrima 24 AA Tây Phi O. glumaepatula 24 AA Trung và Nam Mỹ O. longistaminata 24 AA Châu Phi sa mạc Saharan O. meridionalis 24 AA Úc nhiệt đới O. nivara 24 AA Châu á nhiệt đới và á nhiệt đới O. rufipogon 24 AA Châu á nhiệt đới và á nhiệt đới, Châu Úc nhiệt đới O. sativa 24 AA Khắp thế giới Ser. Latifoliae O. alta 48 CCDD Trung, Nam Mỹ O. eichingeri 24 CC Nam Á, Đông Phi O. grandiglumis 48 CCDD Trung, Nam Mỹ O. latifolia 48 CCDD Trung, Nam Mỹ O. minuta 48 BBCC Philippines, Papua New Guinea Bảng 2.2 (tiếp) Loài 2n Genome Phân bố O. officinalis 24, 48 CC, BBCC Châu á nhiệt đới và á nhiệt đới O. punctata 24, 48 BB, BBCC Sa mạc Saharan Châu Phi O. rhizomatis 24 CC Sri Lanka Ser. Australienses O. australiensis 24 EE Úc nhiệt đới Sect. Brachyantha Ser. Brachyanthae O. brachyantha 24 FF Bán sa mạc saharan Châu Phi Sect. Padia Ser. Meyerianae O. granulata 24 GG Nam và Đông Nam Châu Á O. meyeriana 24 GG Đông Nam Á O. neocaledonica 24 ??? New Caledonia Ser. Ridleyanae O. longiglumis 48 HHJJ Indonesia (Irian Jaya), Papua New O. ridleyi 48 HHJJ Guinea Ser. Schlechterianae O. schlechteri 48 HHKK Indonesia, Papua New Guinea Bảng 2.3 : Chi, số loài, phân bố, số NST và cấu trúc hạt của họ phụ Oryzeae (Chang và Vaughan, 1991) Chi Số loài Phân bố Nhiệt đới (T) /ôn đới (t) Oryza 22 Vùng nhiệt đới T Leersia 17 Khắp thế giới t + T Chikusiochloa 3 Trung Quốc, Nhật Bản t Hygroryza 1 Châu Á t + T Porteresia 1 Nam Á T Zizania 3 Châu Âu,Châu á, Bắc Mỹ t + T Luziola 11 Bắc và Nam Mỹ t + T Zizaniopsis 5 Bắc và Nam Mỹ t + T Rhynchoryza 1 Nam Mỹ t Maltebrunia 5 Nam và Châu Phi nhiệt đới T Prosphytochloa 1 Nam Phi t Potamophila 1 Châu Úc t + T 2.3. Đặc điểm sinh học của cây lúa 2.3.1. Đặc điểm nông sinh học chung Hình 2.3 : Hình thái cây lúa lý tưởng Hình 2.4 Các giai đoạn sinh trưởng phát triển của cây lúa (IRRI, 2007) 2.3.2. Đặc điểm sinh sản Hình 2.5 : Cấu tạo hoa lúa 5. Đặc điểm thực vật học của cây lúa a. Rễ lúa b. Lá lúa  Số lá trên cây phụ thuộc chủ yếu vào giống, thời vụ cấy, biện pháp bón phân và quá trình chăm sóc.  Thường số lá của các giống : - Giống lúa ngắn ngày: 12 - 15 lá - Giống lúa trung ngày: 16 - 18 lá - Giống lúa dài ngày : 18 - 20 lá  Lá ở thời kỳ nào thường quyết định đến sinh trưởng của cây trong thời kỳ đó. Ba lá cuối cùng thường liên quan và ảnh hưởng trực tiếp đến thời kỳ làm đòng và hình thành hạt. c. Hoa lúa  Cấu tạo hoa lúa thường gồm: 1 vỏ trấu lưng, 1 vỏ trấu bụng, 6 chỉ nhị mang 6 bao phấn, 1 nhụy gồm hai vòi nhụy và vảy cá.  Do có nhiều hoa trên một bông lúa, quá trình trỗ lại không đồng thời nên hoa lúa nở theo quy luật từ trên xuống dưới, từ ngoài vào trong.  Thời gian nở hoa phụ thuộc vào điều kiện khí hậu, thời tiết: nếu thuận lợi, nhiệt độ thích hợp, đủ nắng, trời quang mây, gió nhẹ hoa nở rộ vào 8 - 9 giờ sáng; nếu trời nắng nóng hoa lúa sẽ nở sớm vào lúc 7 - 8 giờ sáng; nếu trời âm u, thiếu ánh sáng hoặc gặp rét hoa lúa sẽ trỗ muộn từ 12 - 14 giờ trưa.  Thời gian phơi màu, thụ tinh của hoa lúa từ khi nở vỏ trấu đến lúc khép lại khoảng 50 - 60 phút. d. Hạt lúa  Mỗi một hạt lúa được hình thành từ một hoa lúa.  Các hạt lúa xếp xít và gối lên nhau tạo thành bông lúa.  Tuỳ vào các giống lúa khác nhau mà độ dài bông, số lượng hạt cũng như mật độ xếp hạt của bông lúa khác nhau. e. Thân lúa  Là loại thân thảo.  Thời kỳ mạ và lúa non: thân lúa do các bẹ lá tạo thành.  Sau khi làm đốt, thân lúa do các lóng và đốt tạo thành, bên ngoài có bẹ lá bao bọc.  Số lóng trên mỗi thân phụ thuộc vào giống: giống dài ngày 7 - 8 lóng, giống trung ngày 6 - 7 lóng và giống ngắn ngày có 4 - 5 lóng. f. Thời gian sinh trưởng phát triển của cây lúa  Thời gian sinh trưởng của cây lúa được tính từ khi hạt lúa nảy mầm đến khi chín hoàn toàn, thay đổi tuỳ theo giống và điều kiện ngoại cảnh.  Đối với lúa cấy: Bao gồm thời gian ở ruộng mạ và thời gian ở ruộng lúa cấy.  Đối với lúa gieo thẳng: Được tính từ thời gian gieo hạt đến lúc thu hoạch.  Ở miền Bắc: - Giống lúa cực ngắn ngày có TGST 90 - 110 ngày - Giống lúa ngắn ngày có TGST 111 – 120 ngày - Giống lúa trung ngày có TGST 121 - 136 ngày - Giống lúa dài ngày có TGST trên 140 ngày - Các giống lúa chiêm cũ, do thời vụ gieo cấy có điều kiện nhiệt độ thấp nên TGST kéo dài 180 - 200 ngày  Ở đồng bằng sông Cửu Long các giống lúa địa phương có thời gian sinh trưởng 200 - 240 ngày ở vụ mùa, cá biệt những giống lúa nổi có thời gian sinh trưởng đến 270 ngày. 2.5. Một số đặc điểm di truyền học  Di truyền chiều cao cây:  Guliaep (1975) xác định có 4 gen kiểm tra chiều cao cây.  Khi nghiên cứu các dạng lùn tự nhiên và đột biến có trường hợp do 1 cặp gen lặn, có trường hợp 2 cặp gen và đa số do 8 gen lặn kiểm tra là d1, d2, d3, d4, d5, d6, d7 và d8.  Gen lùn trong lúa TQ Dee-geo-Woo-gen, Taichung Native 1 mang gen tạo thân ngắn nhưng không ảnh hưởng đến chiều dài bông có ý nghĩa lớn trong chọn giống. Còn đa số gen khác làm ngắn cả bông nên khó chọn lọc và sử dụng.  Di truyền khả năng vượt nước sâu: 2-3 gen kiểm tra (Jenning và cs., 1979).  Khả năng sinh trưởng mạnh sớm: do nhiều gen kiểm tra.  Khả năng đẻ nhánh: di truyền số lượng, hệ số di truyền thấp đến trung bình. Kiểu đẻ nhánh chụm và đứng thẳng do gen lặn chi phối.  Bộ lá lúa: Lá đứng thẳng do gen lặn có hệ số di truyền cao, cặp gen này có tác dụng đa hiệu vừa gây nên thân ngắn, vừa làm cho bộ lá đứng thẳng  Tính trạng lá đòng dài, đứng di truyền độc lập với gen lùn kiểm tra độ dài thân.  Thời gian sinh trưởng: do nhiều gen điều khiển và di truyền số lượng.  Tính có râu: 3 gen trội An1, An2, An3  Tính trạng rụng và ngủ nghỉ của hạt: tính dễ rụng do gen trội di truyền độc lập với tính trạng khác.  Tính ngủ nghỉ: di truyền đa gen  Chiều dài hạt gạo: 1 gen (Ramiah, 1931), 2 gen (Ramiah, 1933), 3 gen (Mitro, 1962...), di truyền trung gian (Virmani, 1994).  Tính bạc bụng: 1 gen đơn lặn (USDA, 1963), 1 gen trội (Nagai, 1958), đa gen (Nakata, 1973).  Độ trong nội nhũ: do gen kiểm tra hàm lượng amylose.  Hương thơm: tương tác nhiều gen (Ramiah, 1953); 3 gen trội bổ sung (Nagaraju, 1975), 1 cặp gen lặn (Sood, 1978).  Điều khiển mẫn cảm quang chu kỳ do một gen trội chính là (Se1) Bảng 2.6 Một số QTL điều khiển kích thước, dạng hạt và khối lượng hạt đã được nhận biết Tính trạng QTL NST số Marker Điểm LOD Tham khảo qGL-3a 3 RM251-RM554 6.32 Rabiei et al. 2004 qGL-3 1 RM431–RM10 5.75 Amarawathi et al.2007 GL qGL-1 3 C80-C1677 27.79 Harushimaet al. 1998 gl3 3 R19-C1677 5.9 Wan et al. 2006 grl1-1 1 R210-C955 5.3 Wan et al. 2005 lbr7-2 7 RM505–RM336 10.8 Gs lbr7-1 7 RM11–RM505 6.2 Amarawathi et al.2007 gs3 3 RM251-RM554 11.29 GS3 3 GS09-MRG5881 Fan et al. 2006 GL/GW grb7-2 7 RM7-RM251 9.2 Amarawathi et al.2007 grb7-1 7 RM505–RM336 6.15 Rabiei et al. 2004 gb3 3 RM11–RM505 15.02 GW Gw8.1 8 RM23201.CNR151- RM30000.CNR99 Xie et al.2006 Ghí chú: chiều dài hạt ( GL); dạng hạt ( Gs); rộng hạt (GW), tỷ lệ dài/rộng hạt (GL/GW) Bảng 2.7 Các gien lên kết với dạng và khối lượng hạt lúa Gen Tính trạng Gen Tính trạng D1 Kích thước hạt GIF1 Chắc hạt D2 Kích thước hạt GS5 Dạng hạt D11 Kích thước hạt GW8/SPL16 Rộng hạt D61 Kích thước hạt SRS1/DEP2 Kích thước hạt GS3 Dài hạt SRS3 Kích thước hạt GW2 Rộng hạt SRS5 Kích thước hạt GW5/qGW5 Rộng hạt  Di truyền chống bệnh đạo ôn: phát hiện hơn 25 cặp gen qui định.  Di truyền chống bệnh đốm nâu - Chống dọc: 1-2 cặp gen - Chống ngang: nhiều gen và đa số gen trội  Di truyền tính kháng bệnh bạc lá: phát hiện hơn 27 gen  Di truyền tính kháng rầy nâu: hơn 20 gen  Di truyền gen bất dục đực mẫn cảm với điều kiện môi trường: hơn 6 gen Hình 2.7 Bản đồ nhiễm sắc thể số 1 mang locus saltol chịu mặn ở lúa Hình 2.8 : gen Sub-1(t) trên nhiễm sắc thể số 9 Bảng 2.8 Gen kháng bệnh bạc lá ở lúa TT Gen -R Nguồn gem NST TT Gen -R Nguồn gem NST 1 Xa1 Kogyoku 4 14 Xa16 Tetep - 2 Xa2 Tetep 4 15 Xa17 Asomonori - 3 Xa3 Wase Aikoku 11 16 Xa18 IR24, Toynishiki - 4 Xa4 TKM6 11 17 xa19 XM5 - 5 xa5 DZ192 5 18 Xa20 XM6 - 6 Xa7 DV85 6 19 Xa21 O. longistaminata 11 7 xa8 PI231129 7 20 Xa22 Zhachanglong - 8 Xa10 CAS209 11 21 Xa23 O. rufipogon - 9 Xa11 IR8 - 22 xa24 DV6 - 10 Xa12 Kogyoku 4 23 xa25 Nep Bha bong to - 11 xa13 BJ1 8 24 Xa26 Arai Raj - 12 Xa14 TN1 - 25 xa27 Lota Sail - 13 xa15 XM41 - 26 Xa? O. munuta - Bảng 2.9 Gen kháng bệnh đạo ôn ở lúa TT Locus NST TT Locus NST 1 Pi-a 11 11 Pi-l 6 2 Pi-b (pi-s) 2 12 Pi-k(Pi-K,Pi-km,Pi-kk. Pi-kp) 11 3 Pi-f 11 13 Pi-ta (=sl) 9 hoặc 12 4 M-Pi-z 11 14 Pi-is-l (Rb-4) 11 5 Pi-se-1(Rb-1) 11 15 Pi (t) 4 6 Pi-?(t) 4 16 Pi-1(t) 11 7 Pi-2(t) 6 17 Pi-3(t) 6 8 Pi-4(t) 12 18 Pi-5(t) 4 9 Pi-16(t) 12 19 Pi-7(t) 11 10 Pi-zh(t) 8 2.6. Thu thập nguồn gen lúa ở Việt Nam  Việt Nam năm 1960, Học Viện Nông lâm đã thu thập và trồng trên 100 giống lúa mùa và chiêm ở một số tỉnh miền Bắc.  Năm 1964 có 29 tỉnh thành tại miền Bắc tiến hành điều tra cơ bản về giống lúa ở 3.158 xã bao gồm 15.016 hợp tác xã. Bảng 1. Số lượng nguồn gen cây trồng đang được bảo quản tại ngân hàng gen hạt Nhóm cây trồng Số loài Số lượng mẫu giống (accessions) Lúa 1 7548 Cây họ đậu 23 2756 Cây lấy dầu khác 3 315 Rau 64 4008 Hoà thảo 8 575 Bông 3 544 Cây khác 5 14 Tổng số 107 15.760 Bảng 2. Số lượng mẫu giống lúa đánh giá chống bệnh từ năm 1995 đến 2005 Bệnh 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 Đạo ôn 573 0 0 0 315 1188 670 794 0 496 456 Rầy nâu 572 422 494 294 377 901 900 373 499 410 500 Bạc lá 573 0 0 0 451 1166 825 236 498 199 420 Khô vằn 0 0 0 0 0 1166 1853 236 0 0 0 Tổng số 1718 422 494 294 1143 4421 4248 1639 997 1105 1376 2.6. Chọn tạo giống lúa thuần Thành công của công tác cải tiến giống lúa phụ thuộc vào 3 yếu tố sau:  Xác định được mục tiêu lâu dài và nhiêm vụ trong từng giai đoạn cụ thể;  Có nhiều vật liệu với nhiều tính trạng mong muốn;  Có các điều kiện cần thiết để đánh giá vật liệu khởi đầu và thử nghiệm các dòng giống mới chọn tạo ra. a. Mục tiêu chọn tạo giống lúa:  Năng suất cao  Chất lượng tốt hơn giống cũ, được mọi người ưa chuộng, có giá bán cao hơn, chất lượng dinh dưỡng và nấu nướng tốt hơn.  Chống chịu tốt hơn với sâu bệnh chính của từng vùng, từng vụ mà giống đó được sử dụng.  Thích ứng tốt hơn với điều kiện khí hậu, đất đai, tập quán canh tác, hệ thống luân canh của những vùng nhất định. b. Các phương pháp cải tiến giống lúa  Phương pháp gây tạo biến dị  Nhập nội và chọn lọc thuần hóa  Lai và chọn lọc các thế hệ lai theo định hướng  Gây biến dị nhân tạo bằng đột biến vật lý, hóa học và chọn lọc.  Tạo các dòng bất dục đực tế bào chất, bất dục đực nhân và các công cụ di truyền khác để tạo giống ưu thế lai.  Lai xa và ứng dụng công nghệ sinh học để chuyển nạp những gen chống chịu đặc hiệu vào các giống có năng suất cao, chất lượng tốt Lúa là cây tự thụ phấn, phương pháp chọn tạo giống bao gồm chọn tạo giống thuần và chọn tạo giống ưu thế lai. Phương pháp chọn tạo giống truyền thống bao gồm lai, đột biến và chọn lọc các thế hệ phân ly tạo dòng thuần và giống thuần. Những tiến bộ của công nghệ sinh học và di truyền phân tử là những công cụ hữu hiệu hỗ trợ các phương pháp tạo giống hiệu quả và nhanh hơn như oChọn lọc nhờ marker (MAS), oLai quy tụ gen, oLai chuyển gen, oNuôi cấy mô tế bào, oChuyển gen bằng bắn gen và chuyển gen nhờ vi khuẩn Agrobecterium 2.6.1. Lai tạo giống Lai tạo giống là lai trong loài, trong loài phụ indica x indica, japonica x japonica hay giữa các loài phụ japonica x indica và indica x japonica. Các bước lai chọn tạo giống bao gồm: (i)Đánh giá lựa chọn bố mẹ, (ii)Thực hiện lai giữa các bố mẹ, (iii)Chọn lọc các thế hệ phân ly phát triển dòng thuần tạo giống thuần, (iv)Đánh giá sàng lọc dòng triển vọng trong thí nghiệm tập đoàn, (v)Thí nghiệm so sánh và thí nghiệm so sánh đa môi trường, (vi)Khảo nghiệm Quốc Gia, (vii)Khu vực hóa và công nhận giống mới, (viii)Nghiên cứu kỹ thuật sản xuất hạt giống và quy trình thâm canh giống thương mại Bước 1: Lựa chọn vật liệu di truyền Lựa chọn vật liêu di truyền hay nguồn gen cho một chương trình tạo giống lúa là bước đầu tiên có ý nghĩa quan trọng để một chương trình tạo giống thành công. Nguồn vật liệu di truyền đảm bảo mức độ đa dạng cao nhất và lai số tổ hợp lai tối đa giữa các vật liệu bố mẹ. Vật liệu di truyền mang những biến dị di truyền của tính trạng mong muốn đó. Theo IRRI (2005), nguồn vật liệu di truyền nhập nội từ bên ngoài có vai trò quan trong trong chọn tạo giống lúa cải tiến. Chiến lược và mục tiêu chọn tạo giống lúa ở Việt Nam và yêu cầu lựa chọn bố mẹ như sau: Chọn tạo giống lúa năng suất : cần lựa chọn bố mẹ thấp cây, đẻ nhánh và số nhánh hữu hiệu cao, đẻ nhánh gọn, tính trạng bông, số hạt/bông, khối lượng hạt cao Chọn tạo giống lúa chất lượng bao gồm chất lượng nấu nướng, chất lượng thị trường, chất lượng dinh dưỡng. Khi lựa chọn bố mẹ cần quan tâm đến di truyền của tính trạng này, hoặc nguồn vật liệu cho gen. Chọn tạo giống lúa chống chịu điều kiện bất thuận như hạn, ngập, mặn và nhiệt độ thấp do vậy phương pháp lựa chọn cần xác định nguồn vật liệu cho gen chống chịu điều kiện bất thuận Chọn tạo giống lúa chống chịu sâu bệnh cần thu thập nguồn vật liệu di truyền mang gen chống chịu sâu, bệnh và sử dụng để quy tụ gen vào một dòng hay giống ưu tú. Bước 2: Phương pháp sử dụng gây biến dị chọn tạo giống bằng lai hữu tính a. Lai đơn : Hình 2.9 Quá trình chọn tạo giống lúa IR8 bằng lai đơn Hình 2.10 Sơ đồ lai tạo giống lúa siêu năng suất (Chen Wen-fu, và cộng sự, 2007) Phương pháp của IRRI, 2006 lai để cải tiến năng suất, đồng thời cải tiến chất lượng hạt và kháng bệnh nguồn gen indica: •Giống đã phổ biến x Dòng indica ưu tú •Dòng indica ưu tú x Dòng indica ưu tú •Dòng indica ưu tú x Dòng kiểu Basmati Phát triển nguồn vật liệu di truyền kiểu Basmati (chất lượng) •Giống Basmati x Dòng indica ưu tú •Giống Basmati x Dòng có nguồn Basmati •Dòng có nguồn Basmati x Dòng có nguồn Basmati Lai cải tiến japonica cho vùng ôn đới •Japonica nhiệt đới x japonica nhiệt đới •Japonica nhiệt đới x Các giống của Hàn Quốc Cải tiến kiểu cây mới NPT (New Plant Type) về năng suất, chất lượng phổi hợp với kháng sâu bệnh •NPT cải tiến x NTP cải tiến •NPT cải tiến x Giống indica đã phổ biến •NPT cải tiến x Giống indica ưu tú b. Lai trở lại Hình 2.11 Lai trở lại tạo giống lúa (Vũ Văn Liết, 2013) Hình 2.12 Lai trở lại chọn tạo giống chống chịu bất thuận (Nguồn IRRI,2006) Hình 2.13 Sơ đồ chọn tạo giống lúa chất lượng kháng đạo ôn bằng lai trở lại nhờ marker (MAB) (Patil K. Gouda và cs,2013) Bước 3 + 4 + 5 : Chọn lọc các thế hệ phân ly Chọn lọc các thế hệ phân ly sau khi lai bằng chọn lọc phả hệ (pedigree), chọn lọc trồng dồn (bulk method) và chọn lọc một hạt ưu tú (Single-seed descent.). Ngày nay các phương pháp chọn lọc truyền thống được hỗ trợ bằng công cụ phân tử đã giúp giảm khối lượng trong quá trình chọn, chọn lọc chính xác tính trạng mong muốn và rút ngắn thời gian chọn tạo. Phương pháp chọn lọc phả hệ truyền thống khối lượng công việc vô cùng lớn bắt đầu từ thế hệ thứ 2, phương pháp chọn lọc nhờ marker (Marker-assisted selection) giảm số lượng dòng chọn lọc từ thế hệ F3 (hình 2.14) Hình 2.14 So sánh chọn lọc phả hệ truyền thống (trái) và chọn lọc phả hệ nhờ marker phân tử (phải) (nguồn IRRI,2006) c. Lai quy tụ gen (Gene pyramiding) Hình 2.15 : Sơ đồ quy tụ để tích lũy 6 gen mục tiêu (Nguồn Hospital và cs, 2004) Hình 2.16 Sơ đồ quy tụ 3 gen kháng bạc lá vào một giống ưu tú (nguồn Jung-Pil Suh và cs, 2013) d. Lai xa Lai xa ở lúa là lai khác loài phụ hay khác loài nhằm khai thác những gen và QTL mục tiêu khác loài, tạo vật liệu di truyền có biến dị di truyền đa dạng hơn, tạo dòng bất dục, tạo giống kháng bệnh, tạo giống chất lượng đặc thù. Lai khác loài ở lúa, đặc biệt giữa lúa dại và lúa trồng tỷ lệ đậu hạt thấp được khắc phục bằng cứu phôi, nuôi cấy phôi Các bước thực hiện khi lai xa: 1. Khử đực và thụ phấn bằng tay 2. Phôi 11 -13 ngày đưa vào nuôi cấy mô 3. Thu được 15 cây F1 4. Những cây F2 và cây BC1F1 nhận biết tam bội allotriploids (2n = 36, AAC) đem lai trở lại với giống nhận 5. Phân lập quần thể lai lại trên thu được con cái lưỡng bội (2n = 24) 6. Đánh giá các dòng và nhận biết dòng chuyển gen kháng 7. Phân tích xác định các phân đoạn gen kháng từ lúa dại vào lúa trồng 8. Dòng chuyển gen cho tự thụ phấn tạo quần thể phân ly, sử dụng cho phân tích gen kháng bằng marker phân tử. 9. Sàng lọc cá thể mang gen kháng, được đánh giá cùng với các cây bố mẹ và con lai F1 10. Lập bản đồ di truyền bắt nguồn từ dòng chuyển gen 11. Đánh giá mức độ kháng theo thang điểm IRRI (có giống đối chứng chuẩn nhiễm và chuẩn kháng 2.6.2. Đột biến tạo giống lúa a. Vật liệu xử lý đột biến Vật liệu xử lý đột biến tạo giống lúa gồm: Hạt khô Hạt ướt Phôi Mô (nuôi cấy) b. Tác nhân sử dụng đột biến tạo giống lúa Tác nhân đột biến Liều lượng/nồng độ fast neutrons 3-8 Gy X-rays 95-250 Gy gamma rays 100–350 Gy MNH (MNU) (0.7–1.5 mM) x (3-5 h) ENH (ENU) (1.7–2.5 mM) x (3-5 h) EMS (0.2-0.5%) x (8–20 h) NaN3 (0.5–2 mM) x (3-5 h) c. Phương pháp và quá trình chọn tạo giống lúa đột biến Hình 2.17: Sơ đồ chọn tạo giống lúa bằng phương pháp đột biến 2.7. Chọn tạo giống lúa ưu thế lai Chọn tạo giống lúa lai bao gồm những bước chính là: 1.Thu thập vật liệu di truyền để phát triển dòng A, B và R đối với lúa lai hệ 3 dòng và S và R đối với lúa lai hệ 2 dòng 2.Phát triển các dòng bố mẹ A, B, R và S, R 3.Lai thử khả năng kết hợp 4.Đánh giá và thử nghiệm con lai F1 5.Khảo nghiệm, khu vực hóa và công nhận giống 6.Nghiên cứu kỹ thuật nhân dòng bố mẹ và sản xuất hạt lai F1 2.7.1. Phát triển dòng bố mẹ của lúa lai hệ 3 dòng a. Di truyền dòng bất dục CMS Dòng bất dục có kiểu gen Srfrf viết tắt là dòng A Dòng duy trì có kiểu gen Nrfrf viết tắt là dòng B Dòng phục hồi có kiểu gen SRfRf hoặc NRfRf viết tắt là dòng R b. Chọn tạo dòng A có các phương pháp chủ yếu sau: 1. Thu thập chọn lọc dòng bất dục tự nhiên hoặc tạo ra trước 2. Lai trở lại để chuyển gen bất dục 3. Dung hợp tế bào trần 4. Đột biến Bảng 2.12 Những dòng bất dục CMS được sử dụng trong tạo giống lai thường mại Dạng bất dục Nguồn CMS Dòng đại diện Diện tích (1000ha) Loài Dòng hoặc giống WA O. sativa f. Bất dục lúa hoang dại Zhen-Shan 97A, V20A 8.100 GA O. sativa L. Gambiaca Chao-Yang 1A 70 Di O. sativa L. Dissi Di-shan A 70 DA O. sativa f. Lúa dại bán lùn Xie-Qing-ai A 50 HI O. sativa f. Lúa dại Qing Si Ai A 30 BT O. sativa L. Chinsurah Boro II Li-Ming A 110 TI O. sativa L. E-Shan-ta-bai Liu-Qian-Xin A 10 Loại khác 10 Hình 2.18 Sơ đồ tạo giống lúa lai hệ 3 dòng sử dụng bất dục CMS (Virmani và cs, 2003) 2.7.2. Phát triển dòng bố mẹ chọn tạo lúa lai hệ 2 dòng a. Di truyền dòng bất dục EGMS Phân loại bất dục đực di truyền nhân cảm ứng môi trường (EGMS) như sau: 1.Bất dục di truyền nhân cảm ứng nhiệt độ (TGMS) 2.Bất dục di truyền nhân cảm ứng nhiệt độ ngược (rTGMS) 3.Bất dục di truyền nhân cảm ứng ánh sáng (PGMS) 4.Bất dục di truyền nhân cảm ứng ánh sáng ngược (rPGMS) 5.Bất dục di truyền nhân cảm ứng ánh sáng và nhiệt độ (PTGMS) tms4 tms1 tms2 tms3 tms1 Nguồn: Reddy và cs, 2000 tms5 Nguồn: Wang và cs., 2003 Bản đồ phân tử của gen tmsX Hình 2.21 Vị trí các gen bất dục được pms trên NST số 3, 7 và 12 (Zhang và cs 1994, Mei và cs 1999). b. Phương táp tạo dòng EGMS 1.Sàng lọc dòng EGMS có sẵn 2.Gây đột biến 3.Lai và lai chuyển gen sau đó chọn lọc phả hệ 4.Nuôi cây bao phấn 5.Lai trở lại và 6.Chọn lọc nhờ marker (MAS) Hình 2.22 Sơ đồ lai chọn tạo dòng EGMS bằng chọn lọc phả hệ (Nguồn Virmani và cs, 2003) Hình 2.23 Chọn tạo dòng EGMS bằng phương pháp chọn lọc phả hệ 2 (Nguồn Virmani và cs, 2003) Hình 2.24 Quá trình và phương pháp chọn tạo dòng EGMS bằng lai trở lại (Nguồn Virmani và cs, 2003) Hình 2.25: Phương pháp quy tụ 4 gen tms (Nguồn Virmani và cs, 2003) Hình 2.26. Phƣơng pháp chọn tạo lúa lai 2 dòng indica thông qua nuôi cấy bao phấn (cải tiến của Zhu và cs 1999). 2.7.3. Đánh giá mô tả đặc điểm các dòng bố mẹ Các chỉ tiêu đánh giá đối với dòng bất dục đực (A, S) gồm: 1.Độ thuần 2.Đặc điểm nông sinh học phù hợp 3.Đặc điểm bất dục: tỷ lệ bất dục, dạng bất dục, điểm chuyển hóa tính dục, giai đoạn chuyển hóa tính dục, thời gian nở hoa và thời điểm nở hoa trong ngày 4.Khả năng nhận phấn ngoài: tỷ lệ thò vòi nhụy, tỷ lệ đậu hạt 5.Khả năng chống chịu sâu bệnh 6.Chất lượng hạt 7.Tiềm năng năng suất nhân dòng và sản xuất hạt lai F1 Các chỉ tiêu quan trong đối với dòng duy trì (B) 1.Độ thuần 2.Đặc điểm nông sinh học phù hợp 3.Khả năng chống chịu sâu bệnh 4.Chất lượng hạt 5.Tiềm năng năng suất nhân dòng và sản xuất hạt lai F1 6.Khả năng cho phấn 7.Tạo hạt con cái bất dục hoàn toàn 2.7.4. Lai và đánh giá khả năng kết hợp Bước tiếp theo chọn tạo dòng A, B , R đối với lúa lai hệ 3 dòng, dòng S và R của lúa lai hệ 2 dòng là lai thử KNKH. Sử dụng phương pháp lai tester trong đó mẹ bất dục là tester, các dòng R tham gia lai thử là rất lớn để tìm được R có khả năng kết hợp tạo ưu thế lai (UTL) và con lai có tính trạng mong muốn. Kỹ thuật lai cặp được áp dụng trong bước này là trồng cây A và xung quanh trồng các cây R để thu được hạt lai, với số lượng cặp lai lớn cách ly trong lai cặp sử dụng cách ly bằng vật chắn. Theo dõi đánh giá đặc điểm nông sinh học và tính trạng bất dục, nhận phấn ngoài, tỷ lệ đậu hạt của dòng bố mẹ làm cơ sở tính và phân tích KNKH cho các nghiên cứu tiếp theo. Đánh giá khả năng kết hợp chung (GCA) Đánh giá khả năng kết hợp riêng (SCA) 2.7. Những ứng dụng CNSH trong chọn tạo giống lúa Tóm tắt những ứng dụng chủ yếu áp dụng thành công trong chọn tạo giống lúa gồm: 1.Đánh giá đa dạng và khoảng cách di truyền 2.Lập bản đồ di truyền 3.Nhận biết gen và QTL điều khiển tính trạng 4.Lai xa khác loài 5.Lai trở lại nhờ marker (MAB) 6.Lai quy tụ gen ( Pyramiding) 7.Chọn lọc nhờ marker (MAS) Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam https://sites.google.com/site/lophocphank57vnua/ 2.7.4. Đánh giá và thử nghiệm năng suất giống lúa ưu thế lai Đánh giá giống lúa ưu thế lai bao gồm 4 nhóm thí nghiệm đánh giá, mỗi nhóm có phương pháp bố trí thí nghiệm, diện tích ô thí nghiệm, đối chứng và phương pháp phân tích thống kê phù hợp: 1.Thí nghiệm quan sát (Observation yield trial -OYT) 2.Thí nghiệm so sánh năng suất cơ bản (Preliminary yield trials - PYT) 3.Thí nghiệm so sánh năng suất tiến bộ (Advanced yield trials -AYT) 4.Thí nghiệm đa môi trường (Multilocation yield trials -MLT) Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam https://sites.google.com/site/lophocphank57vnua/