Nội dung

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC ¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ PHẠM THỊ THANH MAI NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG KHÁNG RẦY NÂU VÀ ĐẶC ĐIỂM NÔNG SINH HỌC CỦA MỘT SỐ GIỐNG LÚA TẠI THỪA THIÊN HUẾ LUẬN ÁN TIẾN SĨ SINH LÝ HỌC THỰC VẬT HUẾ-2016 1 ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC ¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ PHẠM THỊ THANH MAI NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG KHÁNG RẦY NÂU VÀ ĐẶC ĐIỂM NÔNG SINH HỌC CỦA MỘT SỐ GIỐNG LÚA TẠI THỪA THIÊN HUẾ CHUYÊN NGÀNH: SINH LÝ HỌC THỰC VẬT Mà SỐ: 62 42 01 12 LUẬN ÁN TIẾN SĨ SINH LÝ HỌC THỰC VẬT Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS. TS. HOÀNG THỊ KIM HỒNG 2. PGS. TS. VÕ THỊ MAI HƯƠNG HUẾ-2016 2 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án là trung thực, khách quan, nghiêm túc và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Nếu có gì sai sót tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm. Tác giả luận án Phạm Thị Thanh Mai 3 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận án, chúng tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới: PGS.TS. Hoàng Thị Kim Hồng và PGS.TS. Võ Thị Mai Hương đã quan tâm giúp đỡ và hướng dẫn tận tình. Xin được chân thành cảm ơn GS.TS Nguyễn Hoàng Lộc, Phòng thí nghiệm Công nghệ gen và Phòng thí nghiệm Công nghệ tế bào thực vật, Viện Tài nguyênMôi trường và Công nghệ sinh học, Đại học Huế; Bộ môn Sinh lý-Sinh hóa-Vi sinh, Khoa Sinh học, Trường Đại học Khoa học Huế đã tạo điều kiện và giúp đỡ chúng tôi trong quá trình làm đề tài. Xin cám ơn Ban Giám đốc, Ban Đào tạo Sau đại học, Đại học Huế; Ban Giám Hiệu, Phòng Nghiên cứu Khoa học và Hợp tác Quốc tế, Phòng Đào tạo Sau đại học, Trường Đại học Khoa học; Ban Chủ nhiệm Khoa Sinh học, Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế; Ban Giám hiệu, Khoa Công nghệ Lương thực-Thực phẩm, Trường Cao đẳng Lương thực-Thực phẩm Đà Nẵng đã tạo mọi điều kiện tốt nhất để chúng tôi hoàn thành luận án. Xin cám ơn bạn bè, đồng nghiệp đã động viên và giúp đỡ nhiệt tình trong quá trình chúng tôi thực hiện luận án. Cuối cùng, xin bày tỏ lòng biết ơn đến những người thân trong gia đình đã khích lệ tinh thần, động viên trong suốt thời gian thực hiện luận án này. Huế, ngày tháng năm 2016 Tác giả Phạm Thị Thanh Mai 4 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Amp ampicilin bp base pair BEPT birefringence end point temperature cds coding DNA sequence DNA deoxyribonucleic acid ĐBSH đồng bằng sông Hồng ĐBSCL đồng bằng sông Cửu Long EtBr ethidium bromide FAO Food and Agriculture Organization ha hecta IPTG isopropylthio-beta-D-glactoside IRRI International Rice Research Institute kb kilobase kDa kilodalton LB Luria Bertani MAS marker-assisted selection NB-LRR nucleotide binding - leucine rich repeat NN&PTNT Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn NST nhiễm sắc thể PCR polymerase chain reaction RADP random amplified polymorphic DNA RFLP restriction fragment length polymorphism SM standard marker SSR simple sequence repeat STS sequence tagged sites TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam X-gal 5-bromo-4 chloro- 3 indolyl-beta-D-glactoside 5 MỞ ĐẦU 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Lúa là cây lương thực chính của hơn 50% dân số thế giới, đặc biệt đối với người dân Châu Á. Đối với Việt Nam, lúa gạo là nguồn lương thực chính, mỗi ngày một người tiêu thụ 465g gạo (đứng thứ 2 thế giới sau Myanmar (578g gạo/ngày), ngoài ra lúa gạo còn là nguồn xuất khẩu thu nhiều ngoại tệ [56]. Để đáp ứng nhu cầu lương thực ngày càng tăng nông dân sử dụng các giống lúa năng suất cao và tăng cường thâm canh trong sản xuất lúa. Đây chính là nguyên nhân phát sinh các loại côn trùng chích hút (rầy nâu, rầy lưng trắng, rầy cánh trắng), trong số đó rầy nâu (Nilarpavata lugens Stal) là tác nhân hại lúa nghiêm trọng đặc biệt ở các nước Châu Á, [45], [86]. Chúng hút nhựa ở bẹ lá làm cho lúa bị úa vàng, sinh trưởng kém hoặc gây hại gián tiếp bằng cách truyền virus gây bệnh vàng lùn, lùn xoắn lá, nếu mật độ rầy cao có thể làm chết cây lúa, gây hiện tượng cháy khô cả đám ruộng [5], [42]. Các biện pháp hiện dùng để đối phó với dịch rầy nâu là sử dụng thuốc diệt rầy, thâm canh và phân bón hợp lý. Tuy nhiên việc lạm dụng thuốc trừ sâu hóa học đã làm giảm quần thể côn trùng có ích trên đồng ruộng, gây mất cân bằng sinh thái và phát triển các biotype rầy nâu kháng thuốc. Do vậy, giải pháp cơ bản và lâu dài mà vẫn an toàn với môi trường và sức khỏe người dân là xác định và phổ biến các giống lúa kháng rầy nâu đến với người nông dân [55], [57], [76]. Hiện nay đa số giống lúa đang được trồng chủ yếu ở tỉnh Thừa Thiên Huế như HT1, Xi23, 13/2 đều nhiễm rầy nâu [13]. Do vậy, việc di nhập giống lúa kháng rầy nâu từ các vùng miền khác để trồng và đánh giá khả năng kháng rầy nâu và các đặc điểm nông sinh học tại Thừa Thiên Huế là việc thiết yếu nhằm tuyển chọn bổ sung nguồn giống lúa kháng rầy nâu, sinh trưởng phát triển tốt tại điều kiện sinh thái địa phương . Khả năng kháng rầy nâu của các giống lúa được đánh giá thông qua phản ứng với quần thể rầy nâu địa phương, đồng thời sử dụng kỹ thuật của sinh học phân tử trong việc xác định các gen kháng rầy cho kết quả chính xác và rút ngắn được thời gian thử nghiệm. Ngoài việc chọn lọc giống lúa có khả năng kháng rầy nâu và năng suất cao thì chất lượng gạo cũng là mục tiêu quan trọng cần được quan tâm hàng đầu trong công tác tuyển chọn. Những giống lúa có ưu thế về chất lượng gạo như hàm lượng tinh bột, amylose, độ trở hồ, độ bền gel…làm cho cơm có vị ngọt, 6 ngon, mềm và dẻo đồng thời có hàm lượng các chất dinh dưỡng cao là những giống lúa cần được khai thác [9]. Xuất phát từ những lý do trên, chúng tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu khả năng kháng rầy nâu và đặc điểm nông sinh học của một số giống lúa tại Thừa Thiên Huế”. 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Trên cơ sở đánh giá khả năng kháng rầy nâu của một số giống lúa, phân tích các đặc điểm nông sinh học (thời gian sinh trưởng, khả năng đẻ nhánh, diện tích lá, cường độ quang hợp, năng suất, chất lượng hạt gạo) của các giống lúa kháng rầy nâu, phân tích đặc điểm sinh học phân tử của các giống kháng rầy nâu trồng tại Thừa Thiên Huế. Dựa trên kết quả nghiên cứu, chúng tôi tham mưu, đề xuất cho địa phương sử dụng các giống lúa phù hợp. 3. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN 3.1. Ý nghĩa khoa học Kết quả nghiên cứu về đặc điểm sinh trưởng phát triển, nông sinh học và sinh học phân tử của một số giống lúa để sàng lọc khả năng kháng rầy nâu ở Thừa Thiên Huế sẽ cung cấp các bằng chứng khoa học cho công tác chọn tạo giống tại địa phương này trong tương lai. 3.2. Ý nghĩa thực tiễn Giới thiệu được giống lúa có năng suất cao, chất lượng gạo tốt và kháng rầy nâu tốt cho Thừa Thiên Huế và các địa phương có đặc điểm sinh thái tương tự. 4. PHẠM VI NGHIÊN CỨU - Nghiên cứu này được tiến hành tại Hợp tác xã phường An Đông, thành phố Huế trong các vụ Hè Thu và Đông Xuân; Phòng thí nghiệm Sinh lý-Sinh hóa-Vi sinh, Khoa Sinh, Đại học Khoa học, Đại học Huế; và Phòng thí nghiệm Công nghệ tế bào thực vật, Phòng thí nghiệm Công nghệ sinh học, Đại học Huế. - Nội dung nghiên cứu của luận án bao gồm: xác định các đặc điểm nông sinh học và đánh giá khả năng kháng rầy nâu của các giống lúa có nguồn gốc từ địa phương khác trồng ở Thừa Thiên Huế. 7 Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Giới thiệu về lúa gạo 1.1.1. Đặc điểm của cây lúa Lúa là thực vật có nguồn gốc nhiệt đới, xuất phát từ khu vực Nam châu Á và châu Phi nhưng có thể thích nghi với các điều kiện khí hậu khác nhau và được trồng ở nhiều vùng trên thế giới. Về mặt phân loại thực vật, cây lúa thuộc họ Gramineae, tộc Oryzeae, chi Oryza. Chi Oryza có khoảng 20 loài phân bố chủ yếu ở vùng nhiệt đới ẩm của châu Phi, Nam và Đông Nam châu Á, Nam Trung Quốc, Nam và Trung Mỹ và một phần ở châu Úc. Trong đó, chỉ có 2 loài là lúa trồng, còn lại là lúa hoang hằng năm và nhiều năm. Loài lúa trồng quan trọng nhất, thích nghi rộng rãi và chiếm đại bộ phận diện tích lúa thế giới là Oryza sativa L. Qua quá trình chọn lọc tự nhiên và nhân tạo, hiện nay đã hình thành 2 loại lúa chính là nhóm lúa Indica và Japonia. Hai nhóm lúa này khác nhau về một số đặc điểm hình thái, sinh lý, đặc tính thích nghi với điều kiện thời tiết, đặc tính sinh hóa hạt gạo [11]. Lúa là loài thực vật hàng năm, thân thảo và có thể cao tới 1,0-1,8 m, đôi khi cao hơn. Các bộ phận của một nhánh lúa bao gồm: rễ, thân, lá và có thể có hoặc không có bông. Các lá mỏng, hẹp bản (2,0-2,5 cm) và dài 50-100 cm. Các hoa nhỏ thụ phấn nhờ gió, mọc thành các cụm hoa phân nhánh cong hay rủ xuống, dài khoảng 30-50 cm. Hạt lúa là loại quả thóc (hạt nhỏ, cứng như các loại cây ngũ cốc) dài 5-12 mm và dày 2-3 mm. Sau khi xát bỏ lớp vỏ ngoài, thu được sản phẩm chính là gạo và các phụ phẩm là cám và trấu [11], [14]. 1.1.2. Giá trị của lúa gạo Lúa là cây lương thực chính của hơn 50% dân số thế giới và trên 90% dân số dân số châu Á. Lúa gạo cung cấp gần một phần tư năng lượng trên thế giới. Điều này càng khẳng định giá trị rất lớn của lúa gạo đối với con người [95]. 8 * Giá trị dinh dưỡng Gạo là nguồn thức ăn giàu dinh dưỡng. So với lúa mì, gạo có thành phần tinh bột và protein hơi thấp hơn, nhưng năng lượng tạo ra cao hơn do chứa nhiều chất béo hơn. Ngoài ra, nếu tính trên đơn vị 1 hecta, gạo cung cấp nhiều calo hơn lúa mì do năng suất lúa cao hơn nhiều so với lúa mì. Một người trung bình cần 3.200 calo mỗi ngày thì một hecta lúa có thể nuôi 2.055 người/ngày hoặc 5,63 người/năm, trong khi lúa mì chỉ nuôi được 3,67 người /năm, bắp 5,3 người/năm. Hơn nữa, trong gạo lại có chứa nhiều acid amin quan trọng như: lysine, threonine, methionine, tryptophan [11], [95]. Trong hạt gạo, hàm lượng dinh dưỡng tập trung ở các lớp ngoài và giảm dần vào trung tâm. Lớp vỏ ngoài của hạt gạo (cám) chiếm khoảng 10% trọng lượng khô là thành phần rất bổ dưỡng của lúa, chứa nhiều protein, chất béo, khoáng chất và vitamin đặt biệt là các vitamin nhóm B. Tấm gồm có mầm hạt lúa bị tách ra khi xay chà, cũng là thành phần rất bổ dưỡng, chứa nhiều protein, chất béo, đường, chất khoáng và vitamin [11]. Ngoài việc được sử dụng làm lương thực, gạo còn dùng để chế biến nhiều loại bánh, làm men rượu, cơm mẻ, làm rượu, cồn,… Các lớp vỏ ngoài của hạt gạo do chứa nhiều protein, chất béo, chất khoáng, vitamin, nhất là vitamin nhóm B, nên được dùng làm bột dinh dưỡng trẻ em và điều trị người bị bệnh phù thũng. Cám là thành phần cơ bản trong thức ăn gia súc, gia cầm và trích lấy dầu ăn…Trấu có công dụng làm chất đốt, chất độn chuồng, ngoài ra còn dùng làm ván ép, vật liệu cách nhiệt, cách âm, chế tạo carbon và silic [11]. * Giá trị thương mại Trên thị trường thế giới, giá gạo xuất khẩu tính trên đơn vị trọng lượng cao hơn rất nhiều so với các loại hạt cốc khác. Nói chung, giá gạo xuất khẩu cao hơn gạo lúa mì từ 2-3 lần và hơn bắp hạt từ 2-4 lần [11]. Những quốc gia có diện tích trồng lúa lớn hầu hết tập trung ở châu Á. Trong đó, Ấn Độ là quốc gia dẫn đầu thế giới với 44,10 triệu ha (chiếm 27,86%), đứng thứ hai là Trung Quốc với 29,93 triệu ha, Indonesia: 12,88 triệu ha, Bangladesh: 11,50 triệu ha…Việt Nam là nước có năng suất lúa cao đứng hàng thứ 3 trong 10 nước trồng lúa chính, đạt 52,28 tạ/ha. Từ những năm 1980, Thái Lan trở thành nước xuất khẩu gạo đứng hàng đầu thế giới, nhưng năng suất hiện nay chỉ đạt 28,7 tạ/ha, chủ yếu do Thái Lan chú trọng nhiều hơn đến canh tác các giống lúa dài ngày, chất lượng cao [51]. Hiện nay, Việt Nam có sản lượng gạo xuất khẩu đứng thứ hai trên thế giới. Năm 2010, lượng gạo xuất khẩu của Việt Nam là 6,886 triệu tấn với trị giá trên 3,24 tỉ USD (Tổng cục Thống kê, 2011). Giá xuất khẩu gạo của Việt Nam giữa năm 2011 đã dần được nâng lên gần tương đương giá gạo Thái Lan cùng thời điểm và cấp loại gạo. Điều này cho thấy, chất lượng gạo và quan hệ thị trường gạo của Việt Nam đã có thế cạnh tranh ngang hàng với gạo Thái Lan trên thị trường thế giới [10]. 9 1.1.3. Tình hình sản xuất lúa gạo ở Thừa Thiên Huế Theo tài liệu của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn thì chiến lược phát triển nông nghiệp nông thôn Việt Nam giai đoạn 2011-2020 đối với ngành sản xuất lương thực là “Phát triển sản xuất lúa gạo Việt Nam trở thành mặt hàng xuất khẩu mũi nhọn có hiệu quả và đảm bảo an ninh lương thực”. Trên cơ sở tính toán cân đối giữa nhu cầu tương lai của đất nước và dự báo nhu cầu chung của thế giới nhằm đảm bảo tuyệt đối an ninh lương thực quốc gia trong mọi tình huống, đảm bảo quyền lợi hợp lý của người sản xuất và kinh doanh lúa gạo và xuất khẩu có lợi nhuận cao, đảm bảo sản lượng lúa đến năm 2020 đạt hơn 41 triệu tấn lúa trên diện tích canh tác 3,7 triệu ha [3]. Hiện nay ở Thừa Thiên Huế thường trồng 2 vụ lúa chính là Hè Thu (bắt đầu từ tháng 5 và kết thúc vào đầu tháng 9) và Đông Xuân (bắt đầu từ giữa tháng 12 và thu hoạch vào cuối tháng 4 năm sau). Khí hậu Thừa Thiên Huế hàng năm có hai mùa rõ rệt, một mùa khô nóng, một mùa mưa ẩm lạnh cùng với nhiều trận lụt bão nên sản xuất lúa ở Thừa Thiên Huế gặp rất nhiều khó khăn. Tuy nhiên, lúa gạo vẫn chiếm vị trí quan trọng trong cơ cấu kinh tế của tỉnh, với sản lượng 246.100 tấn gạo mỗi năm Thừa Thiên Huế đứng thứ 39 trong tổng số 64 tỉnh thành trong cả nước về sản xuất lúa gạo [30]. Thừa Thiên Huế là tỉnh có một phần lớn diện tích đất được dành cho trồng lúa nhưng nhìn chung, diện tích đó có xu hướng ngày càng giảm. Nguyên nhân chủ yếu là người dân chuyển các diện tích sản xuất năng suất thấp sang nuôi trồng thủy sản. Trong vòng 10 năm (2000-2009), diện tích lúa toàn tỉnh đã giảm 1.303 ha từ 51.341 ha xuống còn 50.038 ha. Về năng suất, nhờ áp dụng các biện pháp khoa học kỹ thuật mới, nhất là ưu tiên sử dụng các giống lúa cấp một nên năng suất lúa ở Thừa Thiên Huế tăng nhanh từ 3,83 tấn/ha (2000) lên 5,3 tấn/ha (2009). Cùng với năng suất, sản lượng lúa cũng tăng trong những năm qua đáp ứng nhu cầu sử dụng trong tỉnh và góp phần quan trọng vào xuất khẩu gạo nước ta [30]. 1.2. Đặc điểm sinh lý của cây lúa 1.2.1. Các giai đoạn sinh trưởng, phát triển của cây lúa Thời gian sinh trưởng của cây lúa từ khi nảy mầm cho đến chín thay đổi từ 90180 ngày tùy theo giống và điều kiện ngoại cảnh. Đa số tài liệu hiện nay đều chỉ ra rằng cây lúa trải qua 2 thời kỳ sinh trưởng, phát triển chính là sinh trưởng dinh dưỡng và sinh trưởng sinh thực [11], [101]. 10