ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGUYỄN THỊ HUẾ

ỨNG DỤNG CHỈ THỊ PHÂN TỬ
TRONG CHỌN TẠO GIỐNG LÚA CHỊU MẶN
ỨNG PHÓ VỚI BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội, 2013


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGUYỄN THỊ HUẾ

ỨNG DỤNG CHỈ THỊ PHÂN TỬ
TRONG CHỌN TẠO GIỐNG LÚA CHỊU MẶN
ỨNG PHÓ VỚI BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU
Chuyên ngành: Di truyền học
Mã số: 60420121

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Người hướng dẫn khoa học: TS. Lê Hùng Lĩnh
TS. Đỗ Thị Phúc

Hà Nội, 2013


Tác động của mực nƣớc biển dâng cao đến khu vực Đông Á

7

Bảng 2

Độ mặn tại một số điểm trên 4 hệ thống sông lớn vùng ĐBSH

9

Bảng 3

Kịch bản nƣớc biển dâng ở Việt Nam so với thời kỳ 1980 – 1999

11

Bảng 4

So sánh chỉ thị phân tử so với chỉ thị hình thái

23

Bảng 5

Thông tin về các chỉ thị phân tử trên NST1

31

Bảng 6

59

tham gia thí nghiệm tại Giao Thủy, Nam Định, năm 2012
Bảng 11

Năng suất và các yếu tố cấu thanh năng suất của các dòng/giống

62

tham gia thí nghiệm tại Giao Thủy, Nam Định, năm 2012
Bảng 12

Một số đặc điểm nông học và hình thái của các dòng chịu mặn

65

trong thí nghiệm tại Giao Thủy, Nam Định trong năm 2013
Bảng 13

Năng suất và các yếu tố cấu thành năng suất của các dòng chịu
mặn trong thí nghiệm tại Giao Thủy, Nam Định năm 2013

69


DANH MỤC HÌNH
Tên hình

TT


Vị trí các chỉ thị trên NST1 và Locus gen Saltol

30

Hình 6

Thí nghiệm thanh lọc mặn giai đoạn mạ trong điều kiện nhân

37

tạo
Hình 7

Kết quả kiểm tra DNA tổng số trên gel agarose 0,8%

47

Hình 8

Kết quả điện di với chỉ thị RM493 trên 20 cá thể BC1F1

49

Hình 9

Kết quả điện di với chỉ thị RM3412b trên 20 cá thể BC1F1

50

Hình 10 Kết quả điện di với chỉ thị RM493 trên 18 cá thể BC2F1


Hình 18 Mạ sau 12 ngày trong môi trƣờng mặn

57


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
TT

Từ viết tắt

Nội dung

1

CNSH

Công nghệ sinh học

2

ANLT

An ninh lƣơng thực

3

NST

Nhiễm sắc thể


9

SES

Standard Evaluating Score

10

EB

Extraction Buffer

11

TE

Tris – EDTA

12

DNA

Deoxyribonucleic acid

13

AFLP

Amplified Fragment Length Polymorphism


19

RFLP

Restriction Fragment Length Polymorphisms

20

SDS

Sodium Dodecyl Sulphate

21

SSR

Simple Sequence Repeats

22

TBE

Tris – Bric Acid – EDTA

23

BC

Back Cross

Chƣơng 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU ...................................................................................4
1.1. Ảnh hƣởng của BĐKH đến sản xuất nông nghiệp Thế giới và Việt Nam .............4
1.1.1. Ảnh hƣởng của BĐKH đến sản xuất nông nghiệp trên Thế giới ....................4
1.1.2. Ảnh hƣởng của BĐKH đến sản xuất nông nghiệp tại Việt Nam ....................8
1.2. Nghiên cứu các đặc tính sinh lý, sinh hóa liên quan đến chống chịu mặn ở cây
lúa ................................................................................................................................ 11
1.2.1. Cơ chế chống chịu mặn .................................................................................11
1.2.2.Di truyền tính chống chịu mặn .......................................................................16
1.3.Chỉ thị phân tử và ứng dụng trong chọn tạo giống cây trồng ................................ 18
1.3.1. Khái niệm về chỉ thị phân tử .........................................................................18
1.3.2. Các loại chỉ thị phân tử..................................................................................19
1.3.3. Ứng dụng phƣơng pháp MAS(Marker Assisted Selection) trong chọn tạo
giống ........................................................................................................................22
1.4. Tình hình nghiên cứu chọn tạo giống lúa chịu mặn trong và ngoài nƣớc ............25
1.4.1. Tình hình nghiên cứu chọn tạo giống lúa chịu mặn ở nƣớc ngoài ................25
1.4.2. Tình hình nghiên cứu chọn tạo giống lúa chịu mặn trong nƣớc ...................27
Chƣơng 2: ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .......................................30
2.1. Đối tƣợng nghiên cứu ...........................................................................................30
2.1.1. Vật liệu nghiên cứu .......................................................................................30
2.1.2. Địa điểm nghiên cứu .....................................................................................32


2.2. Nội dung nghiên cứu ............................................................................................32
2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu ......................................................................................32
2.3.1. Phƣơng pháp lai hữu tính giữa giống lúa cho và nhận gen ...........................32
2.3.1.1. Chuẩn bị cây mẹ: ....................................................................................32
2.3.1.2. Khử đực ..................................................................................................33
2.3.1.3. Chọn cây bố ...........................................................................................33
2.3.1.4. Thụ phấn .................................................................................................33
2.3.2. Phƣơng pháp chọn lọc nhờ chỉ thị phân tử (MAS) .......................................33

3.3.2. Đánh giá các đặc tính nông sinh học, yếu tố cấu thành năng suất và khả năng
chịu mặn của các dòng đƣợc tạo ra mang QTL/Saltol trong vụ mùa 2012 .............58
3.3.2.1. Đánh giá khả năng sinh trƣởng, phát triển của một số dòng chịu mặn tại
Giao Thủy, Nam Định trong vụ mùa năm 2012 .................................................58
3.3.2.1. Đánh giá các yếu tố cấu thành năng suất của một số dòng chịu mặn tại
Giao Thủy, Nam Định trong vụ mùa 2012..........................................................61
3.3.3. Đánh giá đặc tính nông sinh học, yếu tố cấu thành năng suất và khả năng
chịu mặn của các dòng đƣợc tạo ra mang QTL/Saltol trong vụ xuân 2013 ............64
3.3.3.1. Đánh giá khả năng sinh trƣởng, phát triển của một số dòng chịu mặn tại
Giao Thủy, Nam Định trong vụ Xuân năm 2013 ................................................64
3.3.3.2. Đánh giá các yếu tố cấu thành năng suất của một số dòng chịu mặn tại
Giao Thủy, Nam Định trong vụ Xuân năm 2013 ................................................68
KẾT LUẬN .........................................................................................................................74
1.

Kết luận ...................................................................................................................74

2.

Kiến nghị .................................................................................................................74

TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................................75
Tài liệu tiếng Việt ............................................................................................................75
Tài liệu tiếng Anh ............................................................................................................76
PHỤ LỤC ............................................................................................................................82
Phụ lục 1: Danh sách hóa chất và thành phần các dung dịch ..........................................82
Phụ lục 2: Phân tích chỉ tiêu hình thái và các chỉ tiêu cấu thành năng suất các dòng chịu
mặn trong vụ mùa 2012 tại Giao Thủy, Nam Định .........................................................87
Phụ lục 3: Phân tích chỉ tiêu hình thái và các chỉ tiêu cấu thành năng suất các dòng chịu
mặn trong vụ xuân 2013 tại Giao Thủy, Nam Định ........................................................91

với biến đổi khí hậu”.

1


2.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Ứng dụng chỉ thị phân tử kết hợp với phƣơng pháp chọn giống truyền thống để
tạo giống lúa chịu mặn năng suất cao đáp ứng nhu cầu về giống cho sản xuất, đặc
biệt là cho các vùng ven biển ĐBSH nơi chịu nhiều ảnh hƣởng của BĐKH.
3.

Ý nghĩa của đề tài

3.1.Ý nghĩa khoa học
Ứng dụng phƣơng pháp chọn giống bằng chỉ thị phân tử để chọn tạo giống lúa
chịu mặn giúp chọn lọc nhanh và chính xác nguồn gen chịu mặn ở các thế hệ con
lai, nhờ vậy có thể rút ngắn thời gian chọn lọc trên đồng ruộng, giảm số lƣợng cá
thể gieo trồng hàng vụ, giảm diện tích gieo trồng, giảm lao động nặng nhọc, giảm
chi phí cho những thí nghiệm đồng ruộng góp phần tăng đầu tƣ cho nghiên cứu
trong phòng thí nghiệm một cách chuẩn mực.
3.2. Ý nghĩa thực tiễn
- Những thành công bƣớc đầu trong việc ứng dụng chỉ thị phân tử để chọn lọc
các cá thể lai sẽ mở ra hƣớng ứng dụng rộng rãi trong công tác chọn tạo giống nói
chung, không chỉ với đặc tính chịu mặn mà còn đối với nhiều đặc tính nông sinh
học quý khác.
- Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ là vật liệu khởi đầu rất tốt trong nghiên cứu
và chọn tạo giống lúa chịu mặn đặc biệt cho các vùng đồng bằng ven biển của Việt

nhiễm mặn nguồn nƣớc, ảnh hƣởng đến mọi mặt của hệ thống kinh tế xã hội toàn
cầu trong tƣơng lai [6].
Theo các nhà khoa học về biến đổi khí hậu (BĐKH) toàn cầu và nƣớc biển
dâng cho thấy, đại dƣơng đã nóng lên đáng kể từ cuối thập kỷ 1950. Các nghiên
cứu từ số liệu quan trắc trên toàn cầu cho thấy, mực nƣớc biển trung bình toàn cầu
trong thời kỳ 1961-2003 đã dâng với tốc độ 1,8 0,5mm/năm, trong đó, đóng góp do
giãn nở nhiệt khoảng 0,42 0,12mm/năm và tan băng khoảng 0,70 0,50mm/năm
(IPCC, 2007), tốc độ mực nƣớc biển trung bình toàn cầu dâng khoảng 1,8mm/năm
trong năm 2009 (Chuch và White, 2009).

4


Hình 1: Diễn biến nhiệt độ ở quy mô toàn cầu và khu vực
(Nguồn: IPCC AR4 WG-I Report, 2007)

Hình 2: Xu thế biến động mực nƣớc biển trung bình tại các trạm quan trắc
nƣớc biển trên toàn cầu (Nguồn NOAA/2010)
Tuy nhiên, mực nƣớc biển thay đổi không đồng đều trên toàn bộ đại dƣơng
thế giới: Một số vùng tốc độ dâng có thể gấp một vài lần tốc độ dâng trung bình
toàn cầu trong khi mực nƣớc biển ở một số vùng khác lại có thể hạ thấp. Xu thế
tăng của mực nƣớc trung bình xuất hiện hầu hết tại các trạm quan trắc trên toàn
5


cầu, mặc dù, vẫn xuất hiện một số khu vực có xu hƣớng giảm nhƣ ở bờ biển phía
Đông của Nam Mỹ và khu vực ven biển phía Nam Alaska và Đông Bắc Canada,
vùng biển Scandinavia. Theo một số báo cáo của các nhà khoa học, trong thập kỷ
vừa qua, mực nƣớc biển dâng nhanh nhất ở vùng phía Tây Thái Bình Dƣơng và
phía Đông Ấn Độ Dƣơng [5].

Việt Nam nằm trong danh sách 5 nƣớc bị ảnh hƣởng nhiều nhất cùng với Ai Cập,
Suriname và Bahamas [13].
Bảng 1. Tác động của mực nước biển dâng cao đến khu vực Đông Á
Đối tƣợng

1m

2m

3m

4m

5m

Tổng diện tích 14.140.767 km2
Diện tích
%

74.020

119.370

178.177

248.970

325.089

0,52


8,63

Tổng GDP 7.577.206 triệu USD
GDP (triệu

158.399

255.510

394.081

592.598

772.904

2,09

3,37

5,20

7,82

10,20

USD)
%

Tổng diện tích đô thị 388.054 km2


121.728

174.076

229.185

0,83

1,43

2,22

3,18

4,19

nghiệp
%

Tổng diện tích đất ngập nƣớc 1.366.069 km2
Đất ngập

36.463

56.579

79.984

110.671

đổi khí hậu gây ra nhƣ bão, lũ lụt, xói lở bờ biển và xâm nhập mặn…và đây là
nguyên nhân làm chậm tốc độ tăng trƣởng kinh tế của khu vực, tăng tỷ lệ nghèo
đói và làm giảm khả năng ứng phó đối với các thiên tai do biến đổi khí hậu gây ra.
Đối với nƣớc ta, các tác động của biến đổi khí hậu ban đầu có thể nhận thấy đƣợc
thông qua những thay đổi về khí hậu theo mùa ở các vùng miền khác nhau; lƣợng
mƣa và mùa mƣa cũng sẽ thay đổi...

Hình 3: Mức tăng nhiệt độ trung bình mùa đông vào cuối thế kỷ 21 theo kịch bản
phát thải trung bình
8


Tuy nhiên, thách thức lớn nhất lại là khi mực nƣớc biển dâng cao. Dải ven
biển thuộc vùng Đồng bằng sông Cửu Long và Đồng bằng sông Hồng - Thái Bình,
hai vùng kinh tế trọng điểm của cả nƣớc, mật độ dân cƣ cao và tập trung, địa hình
bằng phẳng và thấp (80% diện tích Đồng bằng sông Cửu Long và 30% diện tích
Đồng bằng sông Hồng có độ cao dƣới 2,5m so với mặt nƣớc biển, là những vựa lúa
lớn của cả nƣớc). Những ảnh hƣởng đầu tiên là gia tăng nguy cơ xâm nhập mặn, an
ninh lƣơng thực bị đe dọa, tình trạng ngập lụt trong mùa mƣa bão, xói lở bờ biển,
phá vỡ các hệ thống đê biển, hồ chứa nƣớc và nhấn chìm những cánh đồng lúa ở
vùng đồng bằng ven biển, gây tổn hại nhiều hơn đối với các khu vực đất ngập
nƣớc, rạn san hô, các hệ sinh thái và những ảnh hƣởng quan trọng khác đến đời
sống của ngƣời dân.
Bảng 2 Độ mặn tại một số điểm trên 4 hệ thống sông lớn vùng Đồng bằng sông Hồng
Tên
sông

Sông
Đáy



22

26/12

0,75

Đ1

32

26/12

0,12

NC3

10

26/12

26,70

NC2

22

26/12

3,75


0,12

TL3

10

26/12

21,63

TL2

22

26/12

1,61

TL1

32

25/12

0,15

Nguồn:Viện Khoa học Thuỷ lợi Việt Nam, 2007

9


bản

nƣớc

biển

Các mốc thời gian của thế kỷ 21
2020

2030 2040

2050

2060

2070

2080

2090

2100

dâng
Thấp (B1)

11

17


64

75

12

17

24

33

44

57

71

86

100

bình

(B2)
Cao (A1F1)

(Kịch bản BĐKH nước biển dâng cho Việt Nam,
nguồn Bộ Tài nguyên Môi trường 2001)

Nhiều nghiên cứu còn cho thấy, cây lúa chống chịu mặn trong suốt thời gian
nảy mầm, trở nên rất nhiễm ở giai đoạn mạ non (giai đoạn 2-3 lá), tiếp tục chống
chịu trong giai đoạn sinh sản dinh dƣỡng, kế đến nhiễm suốt trong giai đoạn thụ
phấn và thụ tinh, cuối cùng trở nên chông chịu hơn trong giai đoạn chín
(Ponnamperuma, 1984). Tuy thế, một nghiên cứu khác cho rằng, tại giai đoạn trổ,
cây lúa không mẫn cảm với mặn (Aslam và ctv., 1993). Do đó, sinh trƣởng và phát
triển của cây lúa phải đƣợc chia ra nhiều giai đoạn để nghiên cứu một cách đầy đủ
về cơ chế chống chịu mặn của lúa.

12


Cơ chế chống chịu mặn của cây lúa đƣợc biết thông qua nhiều công trình
nghiên cứu rất nổi tiếng (Akbar và ctv. 1972, Korkor và Abdel-Aal 1974, Maas và
Hoffman 1977, Mori và ctv. 1987). Mặn ảnh hƣởng đến hoạt động sinh trƣởng của
cây lúa dƣới những mức độ thiệt hại khác nhau ở từng giai đoạn sinh trƣởng phát
triển khác nhau (Maas và Hoffman 1977).
Yeo và Flower và cs (1984) đã tổng kết cơ chế chống chịu mặn của cây lúa
theo từng nội dung nhƣ sau:
• Hiện tƣợng ngăn chặn muối - Cây không hấp thu một lƣợng muối dƣ thừa
nhờ hiện tƣợng hấp thu có chọn lọc.
• Hiện tƣợng tái hấp thu - Cây hấp thu một lƣợng muối thừa nhƣng đƣợc tái
hấp thu trong mô libe. Na+ không chuyển vị đến chồi thân
• Chuyển vị từ rễ đến chồi - Tính trạng chống chịu mặn đƣợc phối hợp với
một mức độ cao về điện phân ở rễ lúa, và mức độ thấp về điện phân ở chồi, làm
cho sự chuyển vị Na+ trở nên ít hơn từ rễ đến chồi
• Hiện tƣợng ngăn cách từ lá đến lá - Lƣợng muối dƣ thừa đƣợc chuyển từ lá
non sang lá già, muối đƣợc định vị tại lá già không có chức năng, không thể chuyển
ngƣợc lại.
• Chống chịu ở mô - Cây hấp thu muối và đƣợc ngăn cách trong các không

Điều này dẫn tới việc sinh trƣởng nhanh hơn và năng suất lúa cao hơn trong điều
kiện mặn. Vì vậy, ở những giống chống chịu mặn tốt có liên quan đến hiệu quả
ngăn chặn các ion Na+ và Cl- , sự hấp thu ƣu tiên và lựa chọn ion K+ và Zn2+ , để
có tỷ lệ K+/Na+ và Zn/P tốt hơn cho tính chống chịu và S(K+,Na+) tốt hơn (Aslam và
ctv.,1993).
Akbar và cs, 1985[25] bằng những thí nghiệm đánh giá tính chống chịu mặn
ở giai đoạn mạ, trong dung dịch dinh dƣỡng Yoshida có độ mặn EC=12dSm-1, các
yếu tố môi trƣờng đƣợc kiểm soát trong 19 ngày. Kết quả cho thấy, tăng khả năng
hấp thu K+ là duy trì tốt tỷ lệ cân bằng Na+/K+ trong chồi. Tỷ lệ Na+/K+ này đƣợc
kiểm soát bởi hiệu quả gen cộng và gen trội, hai nhóm gen này rất phức tạp và đi
đến kết luận tính chống chịu mặn ở cây lúa đƣợc điều khiển bởi đa gen.
Chính vì vậy, để chọn lọc những giống lúa chống chịu mặn tốt, cần phải hiểu
cơ chế chống chịu mặn của chúng, từ đó mới có thể cải tiến cấu trúc di truyền. Khả

14


năng chống chịu mặn ở cây lúa có thể do cơ chế hấp thu lựa chọn giữa K+ và Na+,
nhằm cân bằng ion K+ và Na+ trong tế bào, nếu mất sự cân bằng này sẽ gây ra giảm
năng suất hạt. Ion K+ đóng vai trò quan trọng trong việc làm tăng hoạt động của
một số enzyme, gây ảnh hƣởng lên quá trình đóng mở của khí khổng, liên quan rất
nhiều đến tính chống chịu mặn của cây lúa (Ponnamperuma, 1984).
Những nghiên cứu cho thấy, có mối tƣơng quan giữa số lƣợng muối đƣợc đi
vào rễ cây lúa với nồng độ muối trên chồi. Mối quan hệ này đƣợc xác định bởi mối
quan hệ giữa tốc độ sinh trƣởng của chồi với sự di chuyển thực của những ion
ngoài rễ. Giá trị này là số lƣợng thực của những ion đƣợc di chuyển tới chồi trên
đơn vị trọng lƣợng của rễ trong một đơn vị thời gian (Flower và Yeo, 1984). Ví dụ
ở giống lúa Pokkali (giống chống chịu mặn), hàm lƣợng Na ở chồi trung bình thấp
hơn của giống IR22 (giống nhiễm mặn). Bởi vì hàm lƣợng Na ở chồi của giống lúa
Pokkali đƣợc pha loãng do sự sinh trƣởng dinh dƣỡng nhanh của nó. Với cơ chế

- QTL quyết định tính trạng hút Na+, nồng độ K+ và tỷ lệ Na /K ratio,
SKC1 hoặc OsHKT8, RNTQ1, SDS1.
- Vận chuyển Na+ và Cl- trong thân lúa và qST1.
Các gen chịu mặn: Cũng có những nghiên cứu xác định một số lớn QTL
trên các nhiễm sắc thể khác nhƣ: NST số 3, 4, 10 và 12 (Glenn, 1997). NST số 4, 6
và 9 (Flowerset al, 2000). NST số 4, 6 và 9 (Koyama et al, 2001). NST số 4, 6, 7
và 9 (Lin et al, 2004). NST số 2, 3, 8, và 9 (Ammar, 2004). NST số 3 (Lee et al,
2006). NST số 8 và 10 (Islam et al, 2006).
1.2.2.Di truyền tính chống chịu mặn
Phần lớn những tính trạng chống chịu với điều kiện bất lợi do môi trƣờng là
tính trạng di truyền số lƣợng. Tính trạng số lƣợng đƣợc định nghĩa một cách kinh
điển là tính trạng có phân bố liên tục (continuous distribution), tính trạng này đƣợc
điều khiển bởi nhiều gen, mỗi gen có một ảnh hƣởng nhỏ đối với tính trạng mục
tiêu [20].
Đã có khá nhiều các công trình nghiên cứu sự di truyền của tính chống chịu
mặn. Theo Mishra và ctv, 1998: Tính trạng chống chịu mặn là một tính trạng di

16