Chỉ thị phân tử để chọn giống lúa

Phần 1: MỞ ĐẦU 1.1. Đặt vấn đề Lúa trồng (Oryza sativa)  là cây lương thực quan trọng có diện tích 148,4 triệu hécta trên thế giới, (trong đó Châu Á  135 triệu hecta). Việt Nam có diện tích sản xuất lúa 4,36 triệu hecta, sản lượng 34,6 triệu tấn, năng suất bình quân 4,67tấn/hecta, xuất khẩu 4 triệu tấn gạo năm 2003 (đồng bằng sông Cửu Long có sản lượng lúa 17,6 triệu tấn, năng suất 4,61tấn/hecta) [2] [6][15]. Nghiên cứu ứng dụng về cây lúa trong thời gian qua đóng góp vào sự phát triển nông nghiệp Việt Nam là kết quả với sự hợp tác giữa nhà quản lý, các tổ chức nghiên cứu ứng dụng trong nước và hợp tác Quốc tế. Ở Việt Nam sản suất nông nghiệp đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế quốc dân, chiếm khoảng 53% lực lượng lao động và 50% thu nhập GDP. Diện tích đất trồng lúa chiếm khoảng 60% đất trồng nông nghiệp và lúa gạo chiếm hơn 90% tổng sản phẩm nông nghiệp. Nền sản xuất lúa gạo ảnh hưởng tới mọi khía cạnh cuộc sống xã hội của Việt Nam. Những năm gần đây, năng suất của giống lúa thuần đã gần đạt tới ngưỡng. Việc nghiên cứu khai thác ưu thế lai đã trở thành một giải pháp quan trọng để tạo ra những giống lúa mới có năng suất cao. Lúa lai đã được đưa vào khảo nghiệm và nhanh chóng phát triển ở nước ta. Năm 2003, năm thứ 12, Việt Nam mở rộng gieo cấy lúa lai ra sản xuất đại trà, cũng là năm có diện tích và năng suất lúa cao nhất từ trước đến nay. Năm 2004 tổng diện tích lúa lai là 577.000 hecta với năng suất là 6.04 tấn /hecta. Từ năm 2005 đến 2007 mỗi năm diện tích lúa lai là: 600-650.000 hecta. Việt Nam còn thiếu những tổ hợp lúa lai có năng suất siêu cao sản, chất lượng tốt, kháng sâu bệnh được chọn tạo ở trong nước [12]. Việc khai thác ưu thế lai trong chọn tạo những giống lúa siêu cao sản, phụ thuộc vào sự biểu hiện khoảng cách di truyền giữa các dòng bố mẹ trong tổ hợp lúa lai. Ưu thế lai hệ ba dòng được phát hiện và sử dụng sớm nhất trong lịch sử phát triển và nghiên cứu lúa lai. Lúa lai ba dòng bao gồm dòng bất dục đực di truyền tế bào, dòng duy trì và dòng phục hồi. Lúa lai ba dòng là hệ lúa lai khi sản xuất hạt lai F1 phải sử dụng ba loại dòng có bản chất di truyền khác nhau như trên. Đối với lúa lai ba dòng, để chọn tạo thành công được một giống mới cần có 3 dòng khác nhau: dòng bất dục đực, dòng duy trì bất dục và dòng phục hồi hữu dục. Hiện nay, đã có rất nhiều các nghiên cứu chỉ ra các dòng bất dục và dòng duy trì hiệu quả với kiểu tính trạng bất dục tương ứng. Tuy nhiên, điều khó khăn là chọn ra được các dòng phục hồi tương ứng với con lai của hai dòng trên, đồng thời phải mang các tính trạng tốt từ đó tạo ra con lai ba dòng có ưu thế lai cao. Với phương pháp chọn giống truyền thống, phải thực hiện rất nhiều tổ hợp lai để tìm ra được dòng phục hồi thích hợp, điều này tiêu tốn nhiều thời gian, công sức của các nhà chọn giống. Với sự giúp đỡ của khoa học kỹ thuật hiện đại, vấn đề này đã trở nên đơn giản hơn rất nhiều, bằng việc sử dụng công cụ đắc lực là chọn giống phân tử hay chỉ thị phân tử trong công tác chọn tạo giống lúa lai. Sinh học phân tử là lĩnh vực nòng cốt và nền tảng của công nghệ sinh học hiện đại. Với đối tượng là các phân tử sinh học như DNA, RNA, protein,… kết hợp với sự hiểu biết của người nghiên cứu về đối tượng từ đó sử dụng các kỹ thuật tác động vào các đối tượng này nhằm thu được kết quả mong muốn. Khai thác thương mại ưu thế lai của lúa là một trong những ứng dụng quan trọng nhất của di truyền học trong nông nghiệp. Các dấu hiệu về phân tử của gen sẽ hữu ích trong việc nhận ra các đặc điểm của các dòng khác nhau. Trước đây, công tác chọn giống truyền thống tốn rất nhiều thời gian và công sức, đặc biệt là trong việc chọn dòng bố mẹ thích hợp. Ngày nay, Công nghệ sinh học được coi như là phương tiện hữu hiệu để giải quyết những vấn đề khó khăn mà công tác chọn giống cổ truyền không thể thực hiện được [12]. Thành tựu của kỹ thuật chỉ thị phân tử DNA và kỹ thuật lập bản đồ gen là những công cụ mới góp phần trợ giúp đắc lực cho công tác chọn tạo các giống cây trồng. Gần đây, với sự phát triển của khoa học kỹ thuật đã giúp quá trình phân tích đánh giá và chọn giống lúa không ngừng được cải tiến. Một trong những ứng dụng có hiệu quả cao trong công tác chọn giống là kỹ thuật sử dụng chỉ thị phân tử. Ở Việt Nam, trong những năm vừa qua, công tác chọn tạo giống lúa lai được ưu tiên phát triển nhằm mục đích chọn tạo được các giống lúa cao sản của Việt Nam phục vụ sản xuất đại trà. Lúa lai ba dòng là một trong những phương pháp đã có từ lâu đời nhưng vẫn có tính ưu việt và được phát triển song song với lúa lai hai dòng.Việc chọn tạo ra các dòng phục hồi để sử dụng trong công tác chọn giống lúa lai ba dòng là vô cùng quan trọng, tuy nhiên trên thực tế điều này gặp rất nhiều khó khăn khi đi theo phương pháp truyền thống. Xuất phát từ cơ sở đó, đề tài "Nghiên cứu ứng dụng chỉ thị phân tử trong việc tạo dòng phục hồi phục vụ công tác chọn giống lúa lai ba dòng" được xây dựng với mục đích chọn ra chính xác các dòng lúa có mang gene phục hồi thông qua sử dụng các chỉ thị phân tử. Từ đó, chọn ra các dòng phục hồi làm nguyên liệu cho chọn tạo giống mới. 1.2. Mục đích nghiên cứu - Xác định chỉ thị phân tử liên kết với gene phục hồi bất dục đực tế bào chất - Ứng dụng phương pháp chọn giống nhờ chỉ thị phân tử để chọn ra một số dòng phục hồi triển vọng. - Nghiên cứu đánh giá một số dòng phục hồi bất dục đực tế bào chất triển vọng được chọn lọc. 1.3. Yêu cầu nghiên cứu - Chọn được chỉ thị phân tử liên kết với gene phục hồi bất dục đực tế bào chất . - Chọn chính xác các đối tượng ngoài đồng ruộng để phục vụ công tác chọn tạo giống. 1.4. Ý nghĩa của đề tài 1.4.1. Ý nghĩa khoa học - Kiểm tra được kiểu gene (genotype) của quần thể F2. Khẳng định sự có mặt của gene phục hồi trong quần thể. - Chỉ thị phân tử hỗ trợ hiệu quả cho công tác chọn dòng bố mẹ, giảm thời gian công sức và vật chất nhiều lần so với chọn giống bằng phương pháp truyền thống. - Đánh giá nhanh và chính xác các dòng mang gene phục hồi sử dụng trong công tác chọn giống lúa lai ba dòng. 1.4.2. Ý nghĩa thực tiễn - Chọn ra được các dòng mong muốn có gene phục hồi một cách chính xác ngoài đồng ruộng sử dụng làm bố mẹ trong lai tạo. - Tạo tiền đề cho các nghiên cứu tiếp theo về gene phục hồi trên cây lúa Phần 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1. Cơ sở khoa học 2.1.1. Hiện tượng ưu thế lai 2.1.1.1. Giả thuyết về hiện tượng ưu thế lai Ưu thế lai là hiện tượng con lai có sức sống, năng suất, phẩm chất và các đặc tính khác cao hơn hẳn so với bố mẹ. Hiện tượng ưu thế lai sớm được biết đến và sử dụng trong công tác chọn tạo giống thông thường. Mặc dù được áp dụng rất rộng rãi, nhưng vẫn chưa có một thuyết nào giải thích được chính xác về hiện tượng ưu thế lai [11]. Hiện nay có 3 giả thuyết về ưu thế lai được cho là chính xác hơn cả đang được nghiên cứu tiếp * Thuyết tính trội: Thuyết này giải thích ưu thế lai dựa trên nguyên lý tương tác trội lặn trong mỗi locus, tác dụng tích luỹ giữa các gene trội và tương tác giữa các gen trội không alen với nhau. Ưu thế lai sẽ phụ thuộc vào kiểu gen của hai bố mẹ, mức độ đồng hợp tử trội và lặn của bố và mẹ càng giống nhau thì ưu thế lai càng thấp và ngược lại khi tỷ lệ giống nhau về gen đồng hợp trội và lặn của bố mẹ càng thấp thì con lai cho ưu thế càng cao hơn. Tuy nhiên thuyết tính trội lại không thể giải thích được tại sao dòng thuần đạt tý lệ cao về đồng hợp trội lại cho sức sống, năng suất,… không cao hay không có ưu thế lai. [11] * Thuyết siêu trội: Thuyết này cho rằng nhiều tính trạng có lợi cho sự sinh trưởng do gene trội kiểm soát, còn các gene lặn tương ứng thì có tác dụng ngược lại. Tính dị hợp tử của một alen nhất định ở một vị trí nhất định sẽ sản sinh ra các vật chất có ảnh hưởng đến sức sống vượt xa các loại alen đồng hợp tử. Trường hợp siêu trội là nói đến tương tác giữa các alen trong cùng một locus, người ta giả thuyết rằng ở trạng thái dị hợp tử thì hai alen hoàn thành chức năng khác nhau và bổ sung cho nhau, kết quả là các kiểu gene dị hợp cho ưu thế vượt trội. [11] * Thuyết cân bằng di truyền: Thuyết này cho rằng mỗi cơ thể sinh vật tồn tại được trong tự nhiên là do bản thân sinh vật đó hình thành một kiểu hình phù hợp với điều kiện sống hay hình thành sự cân bằng về di truyền. Khi lai các cá thể có kiểu cân bằng khác nhau sẽ cho ra con lai có tính cân bằng mới khác hẳn của bố mẹ, nếu cân bằng này cao hơn so với bố mẹ thì sẽ cho ưu thế lai cao. [11] 2.1.1.2 Cơ sở sinh lý của hiện tượng ưu thể lai Sự tăng năng suất hạt đã dẫn đến tăng hàm lượng chất khô là kết quả của việc tăng chỉ số diện tích lá và tốc độ phát triển của chiều cao cây, tăng chỉ số thu hoạch, kết quả của sự tăng số hoa trên bông, tăng khối lượng 1000 hạt. Sự sai khác ưu thế lai của số bông/khóm, số hoa/bông giữa các tổ hợp và giữa các điều kiện trồng trọt khác nhau dẫn đến sự sai khác về các yếu tố cấu thành năng suất, sự tăng chỉ số diện tích là dẫn đến khả năng đẻ nhánh tăng đã được chứng minh bởi Kabaki năm 1993 trên nghiên cứu phân tích sinh trưởng và năng suất của tổ hợp lúa lai giữa Japonica/Indica. Đây là nhâu tố chính để đạt được ưu thế lai về tốc độ phát triển của cây lai trong giai đoạn 30 ngày sau cấy [12]. Ưu thế lai về hàm lượng chất khô tồn tại ở cả hai giai đoạn sinh trưởng sinh dưỡng và sinh trưởng sinh thực, thấp hơn ở giai đoạn trỗ và khôi phục lại một phần trong lúc chín. Sự tăng hàm lượng chất khô do có chỉ số diện tích lá lớn ở giai đoạn sinh trưởng sinh dưỡng quyết định, còn ở giai đoạn sinh trưởng sinh thực và chín lại được quyết định bởi tốc độ đồng hóa. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng có sự sai khác giữa bố mẹ và con lai về hoạt tính của emzyme amylase và α – amylase ở hạt đã nảy mầm, hàm lượng RNA trong rễ non, axit glycolic oxidase và các enzyme catalase và peroxidase. Hầu hết các công bố đều khẳng định ưu thế lai ở lúa lai đã vượt lúa thường cùng mức đầu tư từ 20 – 30%. Ưu thế lai thể hiện ở hầu hết các tính trạng nông sinh học và kinh tế quan trọng như chiều cao cây, thời gian từ gieo đến nở hoa, năng suất chất khô, chỉ số thu hoạch, tính trạng của rễ, chỉ số diện tích lá và các nhân tố khác. Mức ưu thế lai được cải thiện theo thời gian và ngày càng tăng cao hơn.[12] 2.1.2. Lúa lai ba dòng 2.1.2.1. Khái niệm về lúa lai ba dòng Lúa trồng (Oryza sativa L.) là cây lưỡng bội với n=12 nhiễm sắc thể, chiều dài trung bình của một nhiễm sắc thể là từ 2 -6 micromet, có hệ gen nhỏ nhất trong các loài cây một là mầm đã được biết (430 Mb), trong đó có 15 – 30% vùng mã hóa, với 20.000 – 40.000 gen khác nhau, khoảng 600 gen hình thái được biết đến. Lúa có nguồn gen rất đa dạng – khoảng 120.000 thứ. Những thông tin về cấu trúc hệ gen cây lúa có thể sử dụng để tăng cường tiềm năng của cây lúa, cây lương thực quan trọng bậc nhất thế giới. Lúa lai ba dòng là tổ hợp lúa lai được phát triển, nghiên cứu và ứng dụng sớm nhất trong lịch sử phát triển lúa lai. Lúa lai ba dòng là hệ lúa lai khi sản xuất hạt F1 cần đến ba dòng có bản chất di truyền khác nhau là: (1) dòng bất dục tế bào chất CMS hay còn gọi là dòng A, (2) dòng duy trì bất dục đực hay gọi là dòng B và (3) dòng phục hồi hữu dục đực gọi là dòng R [11] [12]. 2.1.2.2. Dòng bất dục đực tế bào chất: Trong hệ thống lai này, người ta sử dụng dòng bất dục đực tế bào chất làm mẹ. Dòng bất dục đực tế bào chất lần đầu tiên được tạo ra từ một cá thể trong quần thể lúa dại (Oryza f.spontanea). [12] - Một dòng bất dục đực tế bào chất cần phải di truyền được tính trạng này cho thế hệ sau một cách ổn định mà vẫn giữ được tính bất dục không thay đổi. - Mặt khác dòng bất dục này lại phải được phục hồi một cách dễ dàng nghĩa là nó phải được phục hồi bằng nhiều giống khác nhau để tăng khả năng chọn lọc các tổ hợp có ưu thế lai cao hơn. Đồng thời độ kết hạt của con lai được phục hồi phải cao và ổn định, ít bị chi phối bởi điều kiện ngoại cảnh. Tất cả các dòng di truyền bất dục đực hiện nay đều là bất dục đực di truyền tế bào chất. Dạng bất dục này là kết quả của tương tác giữa gene bất thụ trong tế bào chất và các gene bất thụ lặn trong nhân. Kiểu gene của dòng bất dục đực tế bào chất là S(rr) còn kiểu gene của dòng duy trì và dòng phục hồi lần lượt là Nrr và NRR hay SRR, còn kiểu gene của hạt phấn lai là SRr. Dòng A (mẹ) Srr Giao tử cái Sr  Dòng B (bố) Nrr Giao tử đực r  Dòng A* (mẹ) Srr Giao tử cái Sr  Dòng R (bố) SRR Giao tử đực R   Srr Dòng A* [ nhân dòng CMS]  SRr Con lai F1 [ sản xuất hạt lai]   Hình 1.1 : Cơ chế di truyền của tính trạng bất dục đực tế bào chất Chú thích: S – gene bất thụ tế bào chất ; N – gene hữu thụ tế bào chất R – gene trội ở nhân ; r – gene lặn ở nhân 2.1.2.3. Dòng duy trì bất dục đực Là dòng dùng để thụ phấn cho dòng bất dục đực sinh ra con cái mà vẫn giữ được tính bất dục đực. Dòng duy trì quyết định các tính trạng chính của một dòng bất dục đực. [12] - Dòng duy trì là dòng thuần với quần thể thống nhất. - Có nhiều hạt phấn để phục vụ cho công tác nhân dòng bất dục đực tế bào chất. 2.1.2.4 Dòng phục hồi hữu dục Là dòng thụ phấn dùng để thụ phấn cho dòng bất dục đực sinh ra thế hệ con lai F1 hữu dục đực và tự kết hạt được. Phục hồi hữu dục là khả năng của một dòng khi lai với một dòng bất dục đực nào đó có khả năng cho con lai hữu dục bình thường. Dòng phục hồi hữu dục đóng vai trò vô cùng quan trọng trong chương trình chọn giống nhằm khai thác tính bất dục đực đặc thù của dòng bất dục đực tế bào chất. Đặc điểm phục hồi tính hữu dục được kiểm soát bởi 1 hoặc 2 gene trong nhân tế bào. Gene trội này lấn át hoàn toàn tính bất dục của gene bất dục đực tế bào chất, vì vậy khi chuyển cặp gen trội RR vào bất kì giống nào dù trong tế bào chất có nhân tố gây bất dục hay không thì dòng đó vẫn trở nên hữu dục. [12] Ở Việt Nam, trên 50 dòng bất dục đực tế bào chất (dòng A) nhập nội từ IRRI, Trung Quốc, Ấn Độ và Thái Lan đã được khảo sát. Kết quả chọn được 9 dòng từ IRRI và một dòng từ Ấn Độ. Hầu hết các dòng này đều đạt độ bất thụ hoàn toàn, có đặc tính nông học tốt và thích nghi với điều kiện ở Việt Nam và đều mang nguồn bất dục đực tế bào chất từ lúa hoang Oryza spontanea. Bốn dòng A triển vọng nhất là IR58025A, IR62829A, IR64608A và PMS 10A. Nhiều giống lúa cao sản đã được sử dụng để lai thử nghiệm với 4 dòng trên nhằm xác định những dòng phục hồi và dòng duy trì phù hợp tương ứng. Các dòng phục hồi (dòng R) của IR58025A là OM 269, IR64, IR62032, OM997. Các dòng duy trì (dòng B) tương ứng là IR50404, IR44595. Tương tự như vậy 3 dòng A còn lại là IR62829A, IR64608A và PSM10A cũng có các giống khác là dòng phục hồi và dòng duy trì tương ứng.[12] - Ưu điểm lớn nhất của lúa lai hệ ba dòng là tạo ra số lượng con lai F1 lớn, năng suất so với lúa thuần cao hơn từ 20 – 30%, tính thích ứng rộng, khả năng chống chịu tốt. Tuy nhiên, lúa lai ba dòng cũng có nhiều nhược điểm và hiện nay đang dần dần ít được nghiên cứu hơn [9]. Đây là phương pháp phổ biến được ứng dụng rộng rãi nhất trong việc phát triển và thương mại hóa các giống lúa lai. 2.1.3. Tính trạng phục hồi hữu dục và gen phục hồi hữu dục 2.1.3.1 Cơ chế kiểm soát tính trạng bất dục đực tế bào chất Nghiên cứu về tái tổ hợp gene và tương tác giữa gene nhân của các dòng cho phấn với gene tế bào chất của các dòng bất dục đực tế bào chất [12], cho thấy có ba kiểu phản ứng khác nhau: - Duy trì tính bất dục đực tế bào chất tạo ra con lai giữa dòng bất dục đực tế bào chất với dòng cho phấn biểu hiện bất dục đực. - Phục hồi tính hữu dục đực: Con lai giữa dòng bất dục đực tế bào chất với dòng cho phấn biểu hiện hữu dục đực. - Phục hồi hoặc duy trì tính bất dục đực không hoàn toàn: Con lai giữa dòng bất dục đực tế bào chất với dòng cho phấn biểu hiện bất dục đực hoặc hữu dục không hoàn toàn. 2.1.3.2. Cơ chế di truyền của hiện tượng phục hồi hữu dục - Giả thuyết đơn gene: [12] cho rằng tính bất dục đực là kết quả của mối tương tác giữa gene lặn trong nhân và kiểu tế bào chất đã có thay đổi về cấu trúc. Gene này tuân thủ theo quy luật của Mendel. Khi kiểu gene nhân là RR hoặc Rr thì kết quả là sẽ cho con lai hữu dục hoàn toàn hoặc hữu dục một phần. Nếu gen nhân là rr thì con lai sẽ bất dục hoàn toàn. Đó là do 2 cơ chế : (1) Gene trội trong nhân có khả năng điều hòa tương tác nhân và tế bào chất bình thường nên tạo cơ hội cho sự phát triển hạt phấn bình thường. (2) Các alen trội có thể kìm chế ảnh hưởng bất dục hóa do đó giao tử đực phát triển bình thường. - Giả thuyết hai gene: Sự phục hồi hữu dục hạt phấn của tế bào chất kiểu T được đảm nhận bởi nhiều gene trội và kiểu gene của dòng mẹ cũng ảnh hưởng đến sự xuất hiện bất dục đực [12]. Một số tác giả cho rằng để phục hồi hoàn toàn tính bất dục đực kiểu T cần phải có ít nhất hai gene và một gene gây ảnh hưởng chính. - Giả thuyết đa gene: Sự phục hồi hữu dục ở dạng tế bào chất bất dục là do nhiều gene trội tham gia và việc chuyển từ một trong các gene trội đó thành gene lặn là nguyên nhân gây ra bất dục đực [12]. 2.1.3.3. Giải thích cơ chế của hiện tượng phục hồi Chúng ta đã biết hoạt động của các gen nhân và ty thể có liên quan đến nhau. Nhiều loại enzyme có mặt ở ty thể nhưng lại chịu sự chi phối của cả gen trong nhân. Với bất dục đực tế bào chất có thể là đơn gen hoặc đa gen kiểm soát [12]. Do vậy, nếu là hồi phục đơn gen thì hoạt động của chúng có tác dụng chấn chỉnh hình dạng và bổ khuyết những khiếm khuyết trong chuỗi hô hấp để đưa tới sự phục hồi chức năng năng lượng của ty thể đảm bảo cho hạt phấn phát triển bình thường. Nhiều nhà nghiên cứu cho rằng khi cây trồng biểu hiện bất dục đực có nghĩa là ty thể không được nạp đủ các enzyme hay các cấu phần của enzyme do các gen ở nhân điều khiển mà các enzyme này tham gia vào quá trình hô hấp cung cấp năng lượng cho tế bào. Khả năng phục hồi có thể xảy ra theo các khuynh hướng sau: + Làm thay đổi cấu trúc không gian hoặc sự thiếu hụt liều lượng các enzyme. Trong trường hợp này các gen phục hồi có tác dụng chấn chỉnh lại cấu trúc và bổ khuyết những thiếu hụt của enzyme. Kết quả là ty thể được nạp đủ enzyme và hoạt động trở nên bình thường. + Các gen phục hồi khắc phục những biến cố ở màng ty thể hoặc chức năng hoạt động của vận chuyển peptit. Nếu hệ thống phục hồi do đa gen kiểm soát có khả năng sẽ liên quan tới những thay đổi số lượng và mức cung cấp năng lượng biểu hiện ở sự sai khác về độ lớn của hạt phấn, độ bắt màu, hình dạng hạt phấn và mức độ phục hồi cũng khác nhau. Jones đã đưa ra hai cơ chế giải thích tác động của các allen trội đối với quá trình hình thành tính hữu dục đực vào các năm 1950 và 1957 như sau: + Các alen trội của các gen phục hồi có khả năng điều hòa mối tương tác nhân - tế bào chất để đảm bảo cho hạt phấn hữu thụ phát triển và loại trừ sự phát triển của hạt phấn bất dục + Các alen trội có khả năng kiềm chế các tác động bất dục đực hóa do vậy hạt phấn hình thành và phát triển bình thường. 2.1.3.4. Tiêu chuẩn của một dòng phục hồi - Dòng phục hồi tốt phải có các tiêu chuẩn sau + Chiều cao cây đạt từ 95 – 110 cm, cây cứng, đẻ nhánh khỏe và kéo dài. + Thời gian sinh trưởng dài hơn dòng bất dục đực (dòng A). + Có nhiều tính trạng quý có thể di truyền cho con lai F1, đồng thời lấn át các tính trạng xấu của dòng A như: Sức sinh trưởng mạnh, chống chịu sâu bệnh tốt, chống đổ, chống úng, chịu rét thời kỳ mạ, chịu hạn, . . . + Bao phấn to mẩy, chứa nhiều hạt phấn, khi nở hoa bao phấn mở và tung phấn mạnh, tập trung, khả năng bám dính của hạt phấn tốt, nảy mầm nhanh và thụ tinh mạnh. + Có khả năng phục hồi mạnh, con lai F1 đậu hạt cao trên 80%. + Có khả năng tương hợp di truyền rộng để có thể phục hồi hữu dục cho nhiều dòng bất dục đực khác nhau tạo ra những tổ hợp lai xa địa lý sinh thái hoặc xa huyết thống nhằm khai thác tiềm năng ưu thế lai cao. - Dòng phục hồi phải có khả năng phục hồi mạnh nghĩa là độ kết hạt của con lai của nó phải tương đương với độ kết hạt của một giống bình thường. - Có các tính trạng nông học tốt hơn khả năng kết hợp tốt hơn và có ưu thế lai đáng kể ở các con lai. - Cây của dòng phục hồi phải cao hơn dòng bất dục đực, thời gian sinh trưởng phải tương đương hoặc xấp xỉ so với dòng bất dục đực - Bao phấn phải lớn với nhiều hạt phấn, ra hoa tốt và nứt bình thường. 2.1.4. Chỉ thị phân tử Chỉ thị phân tử là một đặc điểm phân tử hay đặc điểm hóa học có khả năng định lượng và di truyền như nhân tố Menden [5]. Các loại chỉ thị phân tử phổ biến là: 2.1.4.1. Chỉ thị isozyme Đây là loại chỉ thị có bản chất phân tử là protein. Các phân tử isozym khác nhau có thể di chuyển với tốc độ khác nhau trên gel trong quá trình điện di. Sau khi nhuộm bằng các các thuốc nhuộm đặc trưng chúng có thể quan sát được bằng mắt thường. Những băng quan sát được từ những enzyme đặc trưng có một cơ sở di truyền mà nó có thể cung cấp thông tin di truyền như là một loại chỉ thị đồng trội. Tuy nhiên, với số lượng ít ỏi các isozym, chúng chỉ thể hiện ở một giai đoạn nhất định của quá trình phát triển cá thể và thực tế chúng cũng chỉ là sản phẩm của gen nên cũng chưa phản ánh chính xác bản chất di truyền của một tính trạng. Do vậy, cũng như chỉ thị hình thái, khả năng sử dụng của chỉ thị isozym là hạn chế.[4] [5] 2.1.4.2. Chỉ thị RAPD ( Randomly amplified polymorphic DNA) Đây là loại chỉ thị di truyền được tạo ra dựa trên cơ sở của phản ứng PCR, sử dụng một loại mồi ngẫu nhiên dài 10 nucleotit và quá trình nhân bội ngẫu nhiên. Sản phẩm nhân bội có thể được phân tách bằng điện di trên gel agarose hoặc polyacrylamide và có thể quan sát được sau khi gel được nhuộm với các hóa chất đặc trưng. Nó là loại chỉ thị di truyền trội. Sự khác biệt giữa 2 cá thể có thể nhận biết bằng sự có mặt hoặc vắng mặt của những băng RAPD đặc trưng. Phương pháp này đơn giản, rẻ tiền, dễ sử dụng. Tuy vậy, độ chính xác còn tùy thuộc vào máy PCR và thao tác cá nhân.[4] [5] 2.1.4.3. Chỉ thị phân STS (Sequence tagged sites) Loại chỉ thị này lần đầu tiên được đề xuất bởi Olson năm 1989. Chỉ thị này được đưa ra từ việc xác định trình tự hai đầu của mẫu dò RFLP, trên cơ sở đó người ta thiết kế mồi dùng cho phản ứng PCR. Như vậy, về bản chất chỉ thị STS là chỉ thị RFLP nhưng được phát hiện bằng kỹ thuật PCR thay cho kỹ thuật lai DNA. [4][5] 2.1.4.4. Chỉ thị CAP ( Cleaved Amplification Polymorphism) Chỉ thị này dựa trên đa hình độ dài mảnh cắt giới hạn của các sản phẩn PCR. Những sản phẩm PCR từ STS, SCAR, RAPD nhiều khi không thể hiện đa hình độ dài giữa hai thí nghiệm lúc đó sẽ được cắt thêm bởi các enzyme giới hạn. Các emzyme sử dụng trong việc tìm chỉ thị này thường là enzyme cắt bốn. Sản phẩm cắt được tách trên gel agarose hoặc gel polyacrylamide tùy thuộc vào kích thước mảnh cắt thu được. [4][5] 2.1.4.5. Chỉ thị AFLP ((Amplified Fragment Length Polymorphism) Lo¹i chØ thÞ nµy ®­îc t¹o ra b»ng c¸ch nh©n lªn mét c¸ch chän läc ADN hÖ gene ®· ®­îc c¾t b»ng enzym giíi h¹n b»ng m¸y PCR. S¶n phÈm t¹o ra sÏ cho biÕt sù ®a h×nh chiÒu dµi ®o¹n ph©n c¾t giíi h¹n cña ph©n tö ADN. Ph©n tÝch s¶n phÈm b»ng ®iÖn di trªn gel polyacrylamide, mçi mÉu thÝ nghiÖm sÏ cho tõ 50- 100 b¨ng ADN kh¸c nhau. §©y lµ kü thuËt cã thÓ t¹o ra nhiÒu chØ thÞ di truyÒn nhÊt víi mét l­îng måi tèi thiÓu. HÖ thèng nµy cã ®é ph©n gi¶i rÊt cao, l­îng b¨ng thu ®­îc râ nÐt. V× vËy, nã ®­îc øng dông réng r·i trong c¸c phßng thÝ nghiÖm hiÖn nay. Tuy nhiªn, chØ thÞ nµy lµ di truyÒn tréi, khi sö dông giá thành tương đối cao. 2.1.4.6. Chỉ thị SSRs ( Simple sequence repeat hay Microsatellites) Các chỉ thị phân tử DNA thường có tên gọi theo kỹ thuật như: RAPD, AFLP, STS, SSR, . . . Tùy thuộc vào mỗi nghiên cứu cụ thể thì các nhà khoa học sẽ lựa chọn chỉ thị thích hợp để sử dụng. Để xác định sự có mặt của gene phục hồi hữu dục đực trong quần thể F2, Chúng tôi lựa chọn chỉ thị phân tử SSR liên kết với gene phục hồi hữu dục (đã được xác định trình tự), chỉ thị được đặt mua ở hãng sản xuất. SSR là những đoạn DNA lặp lại một cách có trật tự, gồm những đơn vị có chiều dài từ 1 – 6 nucleotide lặp lại (hay kiểu lặp lại ngắn) được gọi là Microsatellites. SSR có trong khắp hệ gene của sinh vật. Bản chất đa hình của microsatellites có thể được sinh ra do sự nhân bội từ DNA tổng số của hệ gene nhờ việc sử dụng 2 đoạn mồi bổ sung với trình tự gần kề hai đầu đoạn lặp lại. Giá trị của SSR ở chỗ nó sinh ra đa hình từ nhiều vùng tương ứng, bao phủ rộng khắp hệ gene và có bản chất đồng trội, nên dễ dàng phát hiện bằng phản ứng PCR. [4] [5]. Nguyên lý của kỹ thuật SSR dựa trên những đoạn DNA lặp lại một cách có trật tự, hiện tượng này là đối phổ biến với các sinh vật nhân chuẩn, tùy thuộc vào từng loài mà số lượng các nucleotide trong mỗi đơn vị lặp lại có thể thay đổi. Các đoạn SSR thường nằm ở vùng gần tâm động hoặc ở đầu mút của nhiễm sắc thể và có thể có vai trò điều hòa hoạt động của gen. Kỹ thuật SSR là kỹ thuật khuếch đại các đoạn lặp lại đơn giản, còn được gọi là phương pháp vi vệ tinh ( microsettellite ). Các đoạn lặp lại gồm 2 đến 6 cặp nucleotide được lập đi lập lại nhiều lẩn trong hệ gen. Đoạn SSR điển hình là đoạn có trình tự gồm 3 cặp nucleotide, lặp lại từ 9 đến 30 lần. Các đoạn trình tự bảo thủ thường dung trong kỹ thuật SSR là ATT, AT, CTT, CT,… Các đoạn lặp lại có kích thước dài ngắn khác nhau tùy theo từng loài, từng giống vật nuôi cây trồng. Ví dụ; ở lúa có khoảng 1000 lần lặp lại trình tự AC/TG. Khoảng 30 lần lặp lại trình tự GAAT/CTTA. Ngay trong một genome cũng có mức độ lặp lại ở các nhiễm sắc thể khác nhau. Ở động vật có vú , một đoạn trình tự lặp lại một vài lần chiếm >50%, các đoạn trình tự lặp lại tới hang trăm nghìn lần chỉ chiếm khoảng 20-25%. Các đoạn SSR thường ở gần vùng tâm động, hoặc đầu mút của nhiểm sắt thể và nó có vai trò điều hòa hoạt động của gen. SSR là kỹ thuật dựa trên phản ứng chuỗi PCR với mục tiêu đầu tiên là nhận dạng các trình tự lặp lại đơn giản. Sau khi các trình tự lặp lại đơn giản này được nhận dạng, bước tiếp theo là xác định trình tự của DNA và thiết kế mồi. Các trình tự gần kề và các trình tự lặp lại sẽ tạo nên SSR. Các mồi SSR sau đó được sử dụng tương tự như các mồi RAPD. SSR là một loại chỉ thị chính xác và hữu hiệu trong nghiên cứu đa dạng di truyền, phân loại các giống vật nuôi, cây trồng khác nhau trong cùng một loài. SSR cung cấp cho những nhà chọn giống một công cụ hiệu quả để liên kết kiểu hình với sự đa dạng của kiểu gen. Sử dụng chỉ thị SSR để phân tích hệ gen, xây dựng bản đồ liên kết gen, chọn lọc các tính trạng mong muốn. SSR còn có thể phân định sự sai khác giữa các giống trong cùng một loài phụ do khả năng cho phép đánh giá mức độ alen của cùng một locus. Nhược điểm của chỉ thị này là quá trình thiết kế mồi rất tốn kém mà mỗi loại mồi chỉ đặc hiệu cho một loài, thậm chí là chỉ đặc hiệu với 1 locus.[4][5] 2.1.5. Lập bản đồ di truyền sử dụng chỉ thị phân tử. Sử dụng chỉ thị phân tử và bản đồ di truyền để phát hiện và lập bản đồ gen. Thông thường, để phát hiện và lập bản đồ gene người ta thường sử dụng các dòng tương đồng gen ( Near isogennic line – NILs). Tuy vậy để tạo ra được các dòng NILs đòi hỏi phải có nhiều thời gian và phải tiến hành nhiều phép lai liên tiếp. Phương pháp thứ hai là phương pháp phân tích thể phân ly theo nhóm ( Bulked segregant analysis – BSA). Phương pháp này cho phép định vị nhanh chóng những gene quan tâm. Ngày nay, với sự hỗ trợ của kỹ thuật máy tính, các phương pháp trên cho phép định vị hàng loạt các gene và các locus khác nhau. Chỉ thị di truyền và bản đồ di truyền có ý nghĩa rất quan trọng trong di truyền chọn giống, nó cho phép nhà chọn giống hiểu được mối quan hệ giữa Kiểu gene – Tính trạng – Môi trường, trên cơ sở đó có thể đề ra một phương pháp chọn tạo thích hợp. [3][4][5] Sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật chỉ thị phân tử DNA đã cung cấp một công cụ hết sức hữu hiệu trong việc lập bản đồ di truyền. Để thiết lập bản đồ di truyền phân tử, các nhà khoa học tiến hành theo các bước sau: - Chọn tạo quần thể lập bản đồ thích hợp. - Tính toán chính xác tần số tái tổ hợp xảy ra trong quần thể này. - Thiết lập nhóm liên kết và khoảng cách lập bản đồ. - Xác định trật tự các gen ( hoặc các loại chỉ thị di truyền phân tử) trên từng nhiễm sắc thể của hệ gen. Trong việc lập bản đồ di truyền phân tử, việc phân tích và xử lý số liệu được thực hiện băng các chương trình máy tính. Sử dụng số liệu thu từ quần thể phân ly để tính toán tần số tái tổ hợp mà sau đó được sử dụng để xác định trật tự và vi trí tuyến tính của các loại chỉ thị di truyền.[3][4][5] 2.1.6. Lập bản đồ phân tử cho tính trạng phục hồi hữu dục đực tế bào chất Gen phục hồi bất dục tế bào chất đã được xác định, lập bản đồ cho các loại bất dục tế bào chất tại các locus/gen khác nhau trên các nhiễm sắc thể khác nhau (Gramene website). Trên trang Gramene website những gen phục hồi bất dục đực tế bào chất Rf đã được công bố với vị trí trên nhiễm sắc thể và được kí hiệu từ Rf1 đến Rf17. Gene phục hồi bất dục đực tế bào chất cũng được xác định bởi chỉ thị marker phân tử như Rf-1. Gen Rf-1 là gen phục hồi bất dục đực đầu tiên của cây lương thực đã được phân lập [19]. Sau đó, rất nhiều các gen phục hồi trên các nhiễm sắc thể khác nhau của cây lúa như: xác định được gene viz. Rf4 (Rf-WA-1) và Rf6 (Rf-WA-2) trên nhiễm sắc thể 7 và 10. Năm 1997 xác định gen Rf3 gene liên kết chỉ thị RFLP markers trên nhiễm sắc thể 1 [21]. Cũng vào năm 1997 xác định được hai gen phục hồi bất dục đực tế bào chất kiểu WA CMS trên nhiễm sắc thể 1 (Rf3) và 10 (Rf6)… [20] Gene phục hồi bất dục đực có ý nghĩa rất quan trọng trong công tác chọn giống lúa lai. Chọn lọc dòng bố lúa lai 3 dòng mang gen phục hồi sau khi xác định được chỉ thị phân tử gắn với gen phục hồi Rf, vật liệu phân ly của các tổ hợp lai MK63, Q99, Trắc 64... x IRBB5, IRBB21, IRBB7, IRBB4 [12]. Gần đây, Sử dụng dữ liệu về đặc điểm phân tách của chỉ thị phân tử thu được từ việc phân tích bản đồ quần thể, vị trí liên kết cục bộ của vùng nhiễm sắc thể xung quanh gen Rf – 4, một locus phục hồi hữu dục quan trọng trên nhiễm sắc thể số 10 được xây dựng lên. [18] Vật liệu phân ly F2, BC1F1, BC2F1, BC5F2....của các tổ hợp lai: RTQ5 x Giống kháng rầy nâu, bạc lá, các dòng phân ly có dạng hình đẹp, kháng sâu bệnh bạc lá, rầy nâu, sẽ được chọn lọc. Những dòng có gen phục hồi Rf, những dòng bố tốt có thể sử dụng cho lai tạo lúa lai 3 dòng. Tuy nhiên chỉ có những dòng có gen phục hồi mới có thể sử dụng cho phát triển lúa lai 3 dòng.[12] Các nghiên cứu sâu về sinh học phân tử để xác định vị trí của gen phục hồi trên các nhiễm sắc thể trong bộ genom lúa cũng đã có được nhiều kết quả. Về cấu trúc tế bào thì gen trong tế bào chất có thể là gen kiểm soát tính hữu dục đực hoặc bất dục đực (S hoặc F), nhưng gen trong nhân là đồng hợp tử trội (RfRf) hoặc ở trạng thái dị hợp tử (Rfrf) kiểm soát tính trạng hữu dục phấn. Do gen trong nhân ở hai trạng thái khác nhau nên khi lai với dòng CMS sẽ xảy ra hiện tượng phục hồi hoàn toàn hoặc phục hồi một phần.[12] 2.1.7. Chọn giống nhờ chỉ thị phân tử (MAS) Chỉ thị di truyền và bản đồ di truyền cho phép các nhà chọn giống thấy rõ mối quan hệ “ Tính trạng – kiểu gen (QTLs) – môi trường”. Do vậy họ sẽ dễ dàng đưa ra một chiến lược thích hợp và chuẩn xác trong chương trình chọn giống của mình nhằm: - Tìm kiếm phát hiện những biến dị di truyền trong số các cá thể giữa cá giống, loài. - Lai tạo để tạo ra các tổ hợp lai mới. - Chọn lọc chính xác các tổ hợp gen quan tâm. Trong cả ba lĩnh vực này chỉ thị phân tử và bản đồ di truyền đều có khả năng hỗ trợ một cách đắc lực. Những chỉ thị di truyền liên kết chặt với các gen được sử dụng để chọn lọc các cá thể ngay ở giai đoạn rất sớm mà không phụ thuộc vào điều kiện môi trường. Quá trình này được gọi là quá trình chọn lọc nhờ chỉ thị phân tử (MAS) hay còn gọi là chọn giống phân tử. Kỹ thuật MAS hết sức thích hợp với các tính trạng mà chọn giống cổ điển không thể làm được nhanh chóng. Hơn nữa, MAS không những cho các nhà chọn giống chọn lọc những tính trạng đơn gen mà còn cả đối với các tính trạng đa gen [4][5]. Trong quá trình chọn giống có sử dụng phương pháp lai trở lại, MAS sẽ giúp cho quá trình những gen quan tâm vào giống có cấu trúc hệ gen khác nhau một cách nhanh chóng. Bởi lẽ, MAS cho phép tối ưu hóa số cây cần chọn, số lần cần lai trở lại, hoặc loại bỏ các cá thể không liên quan đến những gen quan tâm. Ở cây lúa, MAS đã được tiến hành ứng dụng và có được thành công với các gen kháng bệnh bạc là, kháng đạo ôn, . . .[5]. Như vậy, chọn giống với sự trợ giúp của chỉ thị phân tử là một hướng nghiên cứu đầy triển vọng, nó như một nhịp cầu gắn kết giữa công nghệ sinh học với phương pháp chọn giống cổ điển. Nó đã trở thành một hợp phần phổ biến của các quá trình lai trở lại, quá trình lập bản đồ cũng như quá trình chọn lọc các tính trạng đơn gen, đa gen có giá trị cao về mặt di truyền và kinh tế. Các kỹ chỉ thị phân tử được sử dụng để trợ giúp và đảm bảo sự chính xác cho các nhà chọn tạo giống nhận diện đúng và thiết lập được ranh giới bản quyền của những loài mới được phát hiện.[5] 2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước và nước ngoài 2.2.1. Các nghiên cứu ngoài nước 2.2.1.1. Tình hình nghiên cứu lúa lai trên thế giới - Trung Quốc là nước đầu tiên trên thế giới sử dụng lúa lai trong sản xuất đại trà. Năm 1993 diện tích lúa lai của Trung Quốc mới có 133 ngàn ha. Năm 1994, năm có diện tích lúa lai đạt cao nhất là 18 triệu ha. Diện tích trồng lúa của Trung Quốc hiện nay là 31 triệu ha trong đó diện tích lúa lai chiếm khoảng 16 triệu ha, năng suất bình quân riêng lúa lai 6.9 tấn/ha so với lúa thuần năng suất bình quân là 5.4 tấn/ha, tăng 1,5 tấn/ha trên toàn bộ diện tích. Diện tích sản xuất hạt lai F1 là: 140.000ha, năng suất hạt giống bình quân 2,5 tấn/ha. Những năm gần đây, ngày càng nhiều các dòng bố mẹ được chọn tạo ở nhiều cơ quan nghiên cứu nông nghiệp như: Mian 2A, D702A, Bức khôi 838, Thục khôi 527, Miên khôi 725....( Tứ Xuyên), Y hoa Nông A, Quảng khôi 128...(Quảng đông), Peiai 64s, Xiang 125S, Zhu1S, II-32A, Xinxiang 2A....(Hồ Nam), E 9311....(Giang Tô), Minh khôi 86 (Phúc Kiến). Cácdòng bố mẹ này có nhiều ưu điểm như: nguồn tế bào chất bất dục phong phú, khả năng kết hợp cao, khả năng nhận phấn ngoài cao.[7] [12] - Trung Quốc đã chọn tạo thành công một vài tổ họp phù hợp với kiểu siêu lúa lai như: Peiai 64s/E32, liangyou Peijiu (Peiai64/9311), Er you Ming 86(II 32A/Minh khôi) Ngoài ra các nhà khoa học Trung Quốc còn áp dụng nhiều kỹ thuật công nghệ cao như: nuôi cấy bao phấn, chuyển gen..... nhằm đưa các gen quý như: WC, Xa21, gen chịu thuốc trừ cỏ HR vào các dòng bố mẹ làm tăng năng suất, tăng khả năng chống chịu sâu bệnh, tăng độ thuần của các tổ hợp lai.[12] * Sử dụng genomic ADN từ cỏ Barnyard Grass để tạo ra những nguồn vật liệu mới cho lúa lai. Đoạn DNA có Barnyard được chuyển vào dòng R207 (khẳng định qua phân tích chỉ thị di truyền). * Gen C4 từ ngô đã được phân lập và đang đưa vào lúa lai năng suất cao. Trên cơ sở này siêu lúa lai phấn đấu đạt năng suất 13,5 tấn/ha trên diện rộng vào năm 2010. - Tình hình phát triển lúa lai của các nước khác: Ngoài Trung Quốc, diện tích trồng lúa lai thương phẩm ở các nước tăng nhanh, theo thống kê tính đến năm 2004 các nước lần lượt như sau: - Ấn độ: 560 000 ha, Philippin:192 330 ha và Banglades:40 000 ha. - Ở Mỹ, lúa lai được trồng đại trà từ năm 2000 và đến năm 2004, diện tích lúa lai đã lên tới 43.000 ha, các nước Inđônêsia, Srilanca, Ai Cập, Nhật Bản, Braxin cũng đã trồng lúa lai tuy nhiên diện tích còn ở mức khiêm tốn. - Về năng lực sản xuất hạt lai F1: Trung Quốc đã đạt năng suất bình quân 2.750 kg/ha, Ấn Độ đạt 1.600 kg/ha. Các nước khác năng suất của ruộng sản xuất hạt lai đạt thấp từ 500 – 900 kg/ha. Tuy nhiên, một số công ty tư nhân ở các nước này đạt tương đối khá như: SL. Agritech của Philippines đã đạt năng suất 2.000 kg/ha. Họ đã cơ giới hoá cao độ khâu thu hoạch hạt lúa từ cây mẹ. Mỗi năm SL. Agritech đã sản xuất 1.500 ha/năm.[7] 2.2.1.2. Nghiên cứu về chỉ thị phân tử trên thế giới Việc sử dụng chỉ thị phân tử trong nghiên cứu di truyền và phục vụ cho công tác chọn giống cây trồng đang được nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới triển khai rộng rãi. Nhiều bản đồ phân tử cùng vị trí các gen kiểm soát các tính trạng khác nhau đã được định vị thay thế cho những phương pháp đánh giá theo hình thái cổ điển thông thường [16] [17]. Các nhà khoa học ở Trường Đại học Tổng Hợp Cornel (Mỹ) là những người đầu tiên định vị hàng loạt các chỉ thị phân tử RFLP trên bản đồ di truyền ở lúa. Trong chương trình genom lúa do Nhật chủ trì, các nhà khoa học đã phát hiện và tách dòng hơn 3000 đoạn ADN bổ trợ. Đến nay đã có khoảng chục nghìn chỉ thị phân tử SSR (vi vệ tinh) ở lúa đã được phát hiện và thiết kế, trong đó có nhiều chỉ thị liên kết với gen có ý nghĩa kinh tế quan trọng [17]. Hiện nay có khoảng 20 gen chính kháng bệnh bạc lá, 30 gen kháng đạo ôn, 12 gen kháng rầy nâu và một số QTL kháng đạo ôn và rầy nâu đã được phát hiện [7] [22]. Ngoài ra gen thơm của giống Jasmin, gen điều khiển tính trạng hạt dài, gen điều khiển thời gian sinh trưởng và nhiều gen và QTL có liên quan đến các tính trạng khác của cây lúa như chịu hạn, chịu mặn, chịu độc nhôm, chịu thiếu phốt-pho, bất dục đực nhân nhậy cảm quang chu kỳ, bất dục đực nhân nhậy cảm nhiệt độ, gen tương hợp rộng... cũng được phát hiện hay được lập bản đồ phân tử để đưa vào sử dụng trong chọn giống. Nhiều chỉ thị phân tử liên kết với các gen nói trên đã được phát hiện bởi các tác giả trong nước. Ngoài ra, thông qua việc đánh giá đa dạng di truyền và khoảng cách di truyền, chỉ thị phân tử còn giúp các nhà chọn giống xác định gián tiếp các cặp lai có khả năng cho ưu thế lai.[7] [4] 2.2.2. Các nghiên cứu trong nước 2.2.2.1 Tình hình nghiên cứu lúa lai ở Việt Nam Lúa lai bắt đầu được trồng đại trà ở Việt Nam từ những năm 1990, từ đó đã bắt đầu phát triển nhanh chóng và mạnh mẽ. Động lực thúc đẩy phát triển lúa lai với tốc độ nhanh là sự kết hợp giữa ba yếu tố: tiềm năng ưu thế lai cao về năng suất của giống, sự quan tâm của lãnh đạo và chính sách khuyến khích của nhà nước, và yêu cầu bức xúc lương thực của nông dân. Chỉ trong 5 năm đầu phát triển, tuy năng suất chưa thật cao nhưng tốc độ phát triển bình quân diện tích và sản lượng đều đạt trên 55% Bảng 1.1: Sự phát triển của lúa lai trong 5 năm 1992 – 1996  1992  1996  Tốc độ phát triển bình quân (%)   Diện tích (ha)  11.340  102.800  + 55,5   Năng suất (tấn/ha)  6,66  6,58  - 0,2   Sản lượng (tấn)  75.525  677.172  + 55,3   (Nguồn: Website: Diện tích lúa lai cộng dồn trong vòng 5 năm đạt trên 280 ngàn héc ta, góp phần tăng them 350 ngàn tấn thóc do khai thác ưu thế lai của giống, chiếm 13% sản lượng thóc tăng trong 5 năm này, trong khi tỷ lệ lúa lai chỉ chiếm 2,2%. Năng suất bình quân chung của lúa lai trong giai đoạn này đạt 6,32 tấn/ha, tăng 3,12 tấn/ha so với lúa thường giai đoạn này. [12] Từ 1997 – 2001, khi lúa lai đã có diện tích vài trăm ngàn héc ta, vẫn được duy trì nhịp độ phát triển cao, bởi vì nông dân hiểu rõ lúa lai là biện pháp kỹ thuật tạo ra bước đột phá về năng suất, sản lượng, giúp cho họ thoát hiểm về lương thực Bảng 1.2: Sự phát triển của lúa lai trong giai đoạn 1997 – 2001  1997  2001  Tốc độ phát triển bình quân (%)   Diện tích ( ha)  187.700  438.700  + 23,6   Năng suất lúa (tấn/ha)  6,35  5,85  - 0,2   Sản lượng (tấn)  1.191.895  2.763.711  + 23,4   (Nguồn: Website: Như vậy, sau 10 năm phát triển lúa lai chiếm gần 6% diện tích gieo trồng lúa trên cả nước, trên 18% diện tích gieo trồng ở miền Bắc.[12] Năm 2003, năm thứ 12, Việt Nam mở rộng gieo cấy lúa lai ra sản xuất đại trà , cũng là năm có diện tích và năng suất lúa cao nhất từ trước đến nay. Năm 2004 tổng diện tích lúa lai là 577.000 ha với năng suất là 6.04 tấn /ha. Từ năm 2005 đến 2007 mỗi nămdiện tích lúa lai là : 600-650.000 ha. - Thông qua dự án giống giai đoạn 2000-2006, mỗi năm các cơ sở nghiên cứu và sản suất giống trong nước đã nhân thuần và đưa vào sản suất 70-80 tấn giống bố mẹ lúa lai. Đây là sự đóng góp quan trọng để Việt nam tự sản suất được 3.500-4000 tấn giống/năm trong giai đoạn 2000-2003 - Kết quả lai tạo các dòng TGMS, PGMS mới cho phát triển lúa lai 2 dòng ở Việt nam: + Thông qua nhập nội, lai hữu tính, nuôi cấy hạt phấn, đột biến, kết hợp với lai tạo và chọn lọc truyên thống, các viện nghiên cứu đã tạo ra nhiều dòng TGMS mới đang được sử dụng ở nhiều mức độ khác nhau: 103S, TiS-96 đang được khai thác để sản suất hạt lai cho các tổ hợp VL20, TH3-3, TH3-4, các dòng AMS27A, AMS30, AMS31S, AMS32S, AMS33S đang là mẹ của nhiều tổ hợp lúa lai 2 dòng rất triển vọng như: HYT 103 (AMS30S/R103), HYT 100 (AMS30S/GR10), AMS29S/R1025, AMS30S/R253, AMS30S/9311, 25A/KB1, năng suất 7,5-8tấn/ha, có thời gian sinh trưởng ngắn (100-110 ngày trong vụ mùa và 120-125 ngày trong vụ xuân muộn), rất có triển vọng ở các tỉnh phía Bắc và Bắc trung bộ.[4] [7] [12] + Trong đề tài nghiên cứu lúa lai giai đoạn 2001-2005, một chương trình lai tạo các dòng TGMS mới được thực hiện giữa 29 giống lúa thuần thấp cây có nhiều đặc điểm tốt ở Việt Nam: Khang Dân 18, CR203, các dòng 25B, II-32B, BoB, Quế 99, Trắc 64 với các dòng TGMS đã đựoc chọn lọc từ các thế hệ lai lại khác nhau, hàng chục dòng TGMS đã thuần, có thời gian sinh trưởng ngắn thấp cây, có đặc tính nở hoa tốt, bất dục đực ổn định trong điều kiện Việt nam được chọn tạo ở các đơn vị nghiên cứu như: 25S, KimS, BoA, II-32S . . . Đây là nguồn vật liệu quan trọng đã được tiếp tục hoàn thiện để tạo ra những tổ hợp lúa lai 2 dòng mang thương hiệu Việt nam giai đoạn 2006-2010. [12] * Kết quả lai tạo những giống lúa lai mới: Trong 7 năm, từ 2000-2007 đã lai tạo và sản suất thử nghiệm nhiều tổ hợp lúa lai có triển vọng. Các tổ hợp lúa lai tốt nhất đã được công nhận và đưa vào sản suất đại trà ở các mức độ khác nhau như: Các tổ hợp lúa lai 3 dòng: Tổ hợp HYT83: (IR58025A/RTQ5), Tổ hợp HYT 100: (IR58025A/R100), Tổ hợp chất lượng cao HYT92: (IR58025A/PM3).[4] [7] Các tổ hợp lúa lai hai dòng: VL20: (103S/R20), Tổ hợp 2 dòng TH3-3 (T1S-96/R3), Tổ hợp TH3-4: (T1S-96/R4), Tổ hợp HC1: (103S/R6) , Tổ hợp HYT102: (AMS30S/GR10), Tổ hợp HYT 103: (AMS30S/R103) [4] [7] 2.2.2.2. Nghiên cứu về chỉ thị phân tử ở Việt Nam - Việc ứng dụng chỉ thị phân tử trong việc đánh giá nguồn gen và vật liệu phục vụ chọn tạo giống cũng được triển khai và thu được những kết quả khả quan. Tại một số Viện nghiên cứu và trường ( Đại học Nông Nghiệp I, Viện Di truyền Nông Nghiệp, Viện Công nghệ Sinh học, Viên Lúa Đồng Bằng Sông Cửu Long,...) đã triển khai sử dụng chỉ thị phân tử để phát hiện gen kháng bệnh và lập bản đồ gen kháng đối với một số cây trồng chính, trong đó có nghiên cứu về gen kháng bệnh bạc lá đối với cây lúa [10]. Đã có những báo cáo về ứng dụng chỉ thị phân tử trong chọn tạo giống lúa kháng bạc lá, và đã có một số dòng kháng có triển vọng được tạo ra bằng kỹ thuật này.[11] - Trong những năm gần đây, các nhà khoa học đã bắt đầu sử dụng chỉ thị phân tử để xác định lập bản đồ và chuyển những gen kháng đạo ôn vào những giống có tính trạng ưu việt. Phạm Thị Bảy và cộng sự (2000) đã phân tích phân tử AND của các dòng lúa chọn lọc đã phát hiện dòng B12 mang đoạn AND dài 1200bp là đoạn AND liên kết chặt với gen kháng Pi-2(t) và dòng B12 kháng 100% với 4 nòi nấm lây bệnh. [1] Tuy nhiên cho đến nay ngoài đề tài chọn tạo giống kháng bạc lá với lúa thuần của Viện Di truyền, chưa có đề tài nghiên cứu chọn tạo giống lúa lai kháng với bệnh bạc lá nhờ ứng dụng công nghệ sinh học. Ở Việt nam việc nghiên cứu ứng dụng chỉ thị phân tử trong chọn giống kháng rầy nâu. Lần đầu được tiến hành tại Viện lúa đồng Bằng sông Cửu Long, Nguyễn Thị Lang và ctv. (1999) đã sử dụng STS để phân tích sự du nhập gen kháng rầy nâu từ loài hoang dại Oryza australiensis vào giống lúa trồng Oryza sativa L. (IR31917-45-3-2).[7] Ở Việt Nam, Lưu Thị Ngọc Huyền, Vũ Đức Quang và cộng sự đã lập bản đồ phân tử cho 3 gen kháng rầy nâu bphX, bph4, Bph6 và phát hiện được 1 loạt chỉ thị phân tử SSR liên kết gần với các gen kháng đó. Ngoài ra Nguyễn Thị Lang với sự cộng tác của các tác giả thuộc Viện Nghiên cứu Lúa Quốc tế IRRI đã thành công trong việc lập bản đồ gen kháng Bph10 – 1 gen kháng tốt đối với quần thể rầy nâu thuộc đồng bằng Sông Cửu Long. [7] Ngoài ra các nhà khoa học nước ta cũng đã thu được những kết quả khác trong việc ứng dụng công nghệ sinh học nghiên cứu lúa lai như: xác định và lập bản đồ gen bất dục đực mẫn cảm nhiệt độ. tgms-VN1 là gen bất dục mẫn cảm nhiệt độ đã được xác định trên nhiễm sắc thể số 2, liên kết với marker E5/M12-600 [5]. Ứng dụng marker phân tử cho gen chống chịu mặn trên bộ giống lúa cải tiến. [8] Nuôi cấy bao phấn làm thuần nhanh các dòng lúa lai bất dục đực mẫn cảm với nhiệt độ (TGMS). Nuôi cấy bao phấn chọn dòng TGMS mới phục vụ phát triển lúa lai ở Việt Nam [14]. Tác giả đã chọn và xác định được một số dòng TGMS mới có triển vọng như: BioMS 2, BioMS10. Phần 3: ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1. Đối tượng và địa điểm nghiên cứu 3.1.1. Vật liệu nghiên cứu - Dòng mẹ IR58025A là dòng bất dục đực tế bào chất được chọn tạo tại IRRI - Dòng bố R100 dòng mang gen phục hồi là dòng được nghiên cứu chon tạo tại Trung tâm nghiên cứu lúa lai, Viện cây lương và cây thực phẩm. - Quần thể F2 giống HYT100 của tổ hợp lai giữa IR58025A/R100 Việc lai tạo quần thề F2 được áp dụng theo phương pháp lai tạo lúa lai ba dòng của IRRI lai giữa dòng bất dục đực tế bào chất (CMS) AMS20A (IR58025A) với dòng bố R100. Dòng mẹ AMS20A là một trong 60 dòng CMS nhập nội được chọn lọc cá thể theo phương pháp lai  cặp để chọn cá thể có độ bất dục ổn định. Dòng bố R100 được chọn lọc trong các giống lúa thuần hiện có của Trung tâm Nghiên cứu và phát triển lúa lai. R100 là dòng bố mang gen phục hồi hữu dục đực tế bào chất . Giống lúa HYT-100 được công nhận là giống lúa tạm thời từ năm 2005. - 44 dòng phục hồi triển vọng bao gồm: R7, BB4/4492, IR35, BB11/RTQ5, RV268, BB5/Q99, R286, IR29, BB15/Tr64, R119, IR30, RCT, AH, N19, R544, GR10, D16, S. Thanh, CC/RTQ5, CB/RTQ5, BB5/R23, CB/Đ. Thanh, BB4/RTQ5, D47, D19, BB4/Q99, RV114, BB13/R838, CC/R838, R725, BB11/Đ. Thanh, R280, BB11/R23, DT57, IR78, BB14/R242, BB15/TR64, BC15, BB60, BoB, KimB, 25B – B, II32B, Q99. 3.1.2. Địa điểm nghiên cứu: - Trung tâm nghiên cứu và phát triển lúa lai, Viện cây lương thực và thực phẩm, Viện khoa học nông nghiệp Việt Nam. - Phòng sinh học phân tử Viện Di Truyền Nông Nghiệp Việt Nam. 3.2. Nội dung nghiên cứu. - Nghiên cứu di truyền và cơ chế tác động giữa gen phục hồi hữu dục đến dòng bất dục đực tế bào chất - Nghiên cứu xác định liên kết của các chỉ thị phân tử với gene phục hồi phục vụ trong công tác chọn tạo lúa lai - Ứng dụng chỉ thị phân tử chọn lọc các dòng mang gen phục hồi hữu dục đực tế bào chất 3.3. Phương pháp nghiên cứu 3.3.1. Phương pháp thí nghiệm đồng ruộng - Bố trí thí nghiêm và đánh giá các chỉ tiêu theo phương pháp nghiên cứu lúa lai của Viện nghiên cứu lúa Quốc tế (IRRI). - Bố trí thí ngiệm ngoài đồng ruộng + Thời vụ: Vụ xuân năm 2009 + Các tổ hợp được bố trí tuần tự không nhắc lại. + Cấy 1 dảnh, mật độ 45 khóm/m2 + Cây cách cây 11 cm, hàng cách hàng 18 cm. + Bón phân và chăm sóc như đại trà. - Thu nhận mẫu là của quần thể theo nguyên tắc ngẫu nhiên hoàn toàn, lấy 100 mẫu lá của 100 cây được đánh số ngẫu nhiên. - Thu lá của 44 dòng phục hồi triển vọng để lựa chọn một số dòng tốt. - Phương pháp đo đếm một số chỉ tiêu nông sinh học trên cây lúa theo tiêu chuẩn của Viện nghiên cứu lúa quốc tế (IRRI) [13] 3.3.2. Tách chiết DNA và phân tích di truyền chỉ thị phân tử 3.3.2.1. Kỹ thuật tách chiết và tinh sạch DNA. Tách chiết DNA tổng số từ mẫu lá theo phương pháp CTAB cải tiến. DNA lúa được tách chiết và tinh sạch theo phương pháp CTAB cải tiến ( của phòng thí nghiệm trường đại học Ghent, Vương quốc Bỉ). A. Hóa chất dùng trong tách chiết DNA + Dung dịch đệm chiết ( extraction buffer) gồm có các thành phần theo bảng sau: Bảng 3.1: Thành phần dung dịch đệm EB (extraction buffer) Thành phần  Thể tích (V= 100ml)   dH2O (Nước cất khử ion)  63 ml   Tris HCl 1M; pH= 8.0  10 ml   EDTA 0.5M; pH= 8.0  10 ml   NaCl 5M  10 ml   β – Mercaptol ethanol  7 µl   + Dung dịch CTAB Buffer và TE ( 10:0,1) Bảng 3.2: Thành phần dung dịch CTAB buffer Đệm CTAB  Thể tích (V=500ml)   CTAB  10 g   EDTA 0.5M; pH= 8.0  50 ml   NaCl 5M  200 ml   TrisHCl 1M;pH= 7.5  100 ml   dH2O ( nước cất hai lần)  150 ml   Bảng 3.3: Thành phần dung dịch TE (10:0,1) Đệm TE (10:0.1)  Thể tích (V= 100 ml)   TrisHCl 1M; pH= 8.0  1000 µl   EDTA 0.5M; pH= 8.0  20 µl   dH2O  98.8 ml   + Dung dịch SDS (Sodium dedoxyl sulfat) 10% + Ethanol 96% + Ethanol 70% + Isopropanol alcohol + Chloroform : Isomyl alcohol (24:1) + Rnase (10mg/ml) B. Các bước tách chiết DNA - Phương pháp CTAB cải tiến trên cơ sở phương pháp của Shagai – Maroof ( năm 1984). Phương pháp này cho DNA có chất lượng cao, rẻ tiền nhưng tốn nhiều thời gian hơn so với các phương pháp khác. Quy trình thực hiện gồm các bước: Bước 1: Lá của các dòng, giống lúa nghiên cứu được cắt và lấy mẫu vào các ống eppendorf 1,5ml để trong đá lạnh để giữ cho lá được tươi. Lá được lấy vào buổi sáng sớm là lúc nồng độ muối trong lá thấp, các enzyme hoạt động ít là điều kiện tốt để tách chiết DNA. Bước 2: Nghiền mẫu cùng với nitơ lỏng trong eppendorf hoặc trong cối, đến khi thành dạng bột mịn, khi nghiền luôn để mẫu trong nitơ lỏng. Bước 3: Cho mẫu đã nghiền mịn vào trong ống eppendorf 2ml và cho 1ml đệm chiết EB (extraction buffer) rồi đảo đều, giữ trong đá và thêm 50µl SDS 10%. Bước 4: Đặt vào thiết bị ủ trong 30 phút ở 65oC, thỉnh thoảng đảo cho dung dịch được trộn đều. Bước 5: Ly tâm 13500 vòng/ phút trong 20 phút. Bước 6: Lấy ra đổ dịch nổi ở phía trên sang 1 eppendorf mới thêm 1ml Isopropanol alcohol rồi để vào tủ 4oC cho kết tủa khoảng 30 phút ( hoặc qua đêm), không để vào tủ lạnh sâu – 20oC vì sẽ gây hiện tượng kết tủa muối. Bước 7: Ly tâm 13500 vòng/ phút trong 25 phút. Bước 8: Đổ hết dịch nổi ở trên rồi giữ lại phần kết tủa ở dưới đáy eppendorf. Cho 400 µl đệm TE ( 10:0.1) cho vào t