Luận văn thạc sĩ ứng dụng chỉ thị phân tử liên kết gần trong chọn giống lúa chịu ngập chìm
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.15 MB, 100 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------
Vũ Thị Thu Hằng
ỨNG DỤNG CHỈ THỊ PHÂN TỬ LIÊN KẾT GẦN TRONG CHỌN
GIỐNG LÚA CHỊU NGẬP CHÌM
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Hà Nội – Năm 2011
Luận văn Thạc sỹ Khoa học
Sinh học
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------
Vũ Thị Thu Hằng
ỨNG DỤNG CHỈ THỊ PHÂN TỬ LIÊN KẾT GẦN TRONG CHỌN
GIỐNG LÚA CHỊU NGẬP CHÌM
Chuyên ngành: Di truyền học
Mã số: 60 42 70
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. Lƣu Thị Ngọc Huyền
Hà Nội – Năm 2011
2
Vũ Thị Thu Hằng
Đại học Khoa học Tự Nhiên
Luận văn Thạc sỹ Khoa học
Sinh học
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1
Chƣơng 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ............................................................ 4
1.1. ẢNH HƢỞNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU, NƢỚC BIỂN DÂNG ĐẾN
SẢN XUẤT LÚA GẠO ......................................................................................... 4
1.1.1. Ảnh hƣởng của biến đổi khí hậu, nƣớc biển dâng đến sản xuất
lúa gạo trên thế giới ........................................................................................... 4
1.1.2. Ảnh hƣởng của biến đổi khí hậu, nƣớc biển dâng đến sản xuất
lúa gạo ở Việt Nam ........................................................................................... 7
1.2. CÁC VÙNG TRỒNG LÚA Ở VIỆT NAM CÓ KHẢ NĂNG BỊ NGẬP
THEO KỊCH BẢN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ................................................................. 9
1.2.1. Vùng trồng lúa có khả năng bị ngập ở Đồng bằng sông Hồng ............. 10
1.2.2. Vùng trồng lúa có khả năng ngập ở Đồng bằng Sông Cửu Long ........ 11
1.3. NGHIÊN CỨU VỀ CƠ THẾ TÍNH CHỐNG CHỊU NGẬP CỦA CÂY LÚA ........ 13
1.3.1. Gen chịu ngập của cây lúa và cơ chế hoạt động ................................... 13
1.3.2. Sinh lý học tính chống chịu ngập của cây lúa ....................................... 16
1.3.3. Di truyền tính chống chịu ngập của cây lúa .......................................... 18
1.4. MỘT SỐ LOẠI CHỈ THỊ PHÂN TỬ THƢỜNG ĐƢỢC SỬ DỤNG TRONG
NGHIÊN CỨU GENOME VÀ CHỌN GIỐNG THỰC VẬT.......................................... 19
1.4.1. Chỉ thị phân tử ADN ............................................................................. 19
1.4.1.1. Chỉ thị dựa trên cơ sở lai ADN .................................................................... 20
1.4.1.2. Chỉ thị dựa trên cơ sở nhân bản ADN .............................................................. 21
1.4.1.3. Chỉ thị dựa trên những cơ sở những chuỗi có trình tự lặp lại ...................... 24
1.4.2. Tính ƣu việt và những ứng dụng của chỉ thị phân tử ............................ 25
1.4.2.1 Tính ƣu việt của chỉ thị phân tử .................................................................... 25
1.4.2.2. Những ứng dụng của chỉ thị phân tử ............................................................ 27
1.5. NHỮNG NGHIÊN CỨU CHỌN TẠO GIỐNG CHỊU NGẬP ............................. 30
1.5.1. Những nghiên cứu chọn tạo giống chịu ngập trên thế giới ................... 30
1.5.2. Những nghiên cứu chọn tạo giống chịu ngập ở ViệtNam ................... 33
91
Vũ Thị Thu Hằng
Đại học Khoa học Tự Nhiên
Luận văn Thạc sỹ Khoa học
Sinh học
Chƣơng 2. VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.................. 35
2.1. VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU ............................................................................ 35
2.1.1. Các giống lúa nghiên cứu ...................................................................... 35
2.1.2. Hóa chất và thiết bị thí nghiệm ............................................................. 35
2.2. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................................................... 35
2.2.1. Phƣơng pháp lai hữu tính - lai trở lại giữa giống cho và nhận
gen chịu ngập .................................................................................................. 36
2.2.2. Phƣơng pháp tách chiết ADN tổng số................................................... 36
2.2.3. Phƣơng pháp PCR với mồi SSR ........................................................... 38
2.2.4. Phƣơng pháp điện di trên gel agarose 0,8% .......................................... 39
2.2.5. Phƣơng pháp điện di trên gel polyacrylamide. ..................................... 40
2.2.5.1. Phƣơng pháp điện di trên gel polyacrylamide biến tính .................... 40
2.2.5.2. Phƣơng pháp điện di trên gel polyacrylamide không biến tính ................... 42
2.2.6. Phƣơng pháp xử lý số liệu..................................................................... 43
Chƣơng 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ........................ 44
3.1. TÁCH CHIẾT VÀ TINH SẠCH ADN TỔNG SỐ............................................. 44
3.2. KHẢO SÁT ĐA HÌNH GIỮA HAI GIỐNG BỐ MẸ ......................................... 45
3.3. QUY TỤ GEN CHỊU NGẬP CHÌM SUB1 VÀO GIỐNG LÚA AS996 ................ 50
3.3.1. Xác định con lai F1 ................................................................................ 50
3.3.2. Quy tụ gen Sub1 vào giống AS996 ở thế hệ BC1F1.............................. 51
3.3.3. Quy tụ gen Sub1 vào giống AS996 ở thế hệ BC2F1.............................. 57
3.3.4. Quy tụ gen Sub1 vào giống AS996 ở thế hệ BC3F1.............................. 60
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................... 68
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 69
92
Vũ Thị Thu Hằng
Đại học Khoa học Tự Nhiên
Luận văn Thạc sỹ Khoa học
Sinh học
MỞ ĐẦU
Cây lúa (Oryza Sativa) là một trong những cây lƣơng thực quan trọng cho
khoảng 2/3 dân số thế giới. Theo thống kê của Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ, thế giới có
khoảng 156,1 triệu ha đất dùng cho việc trồng lúa, sản lƣợng là 697,9 triệu tấn, 90%
diện tích này thuộc các nƣớc châu Á với 651 triệu tấn thóc chiếm 92% tổng sản
lƣợng lúa gạo thế giới. (Bộ Nông nghiệp và PTNT, 2010)[3]
Ở Việt Nam lúa là nguồn lƣơng thực chủ yếu của hơn 89 triệu dân với diện
tích khoảng 7,4 triệu ha, năm 2010 sản xuất đƣợc 39,710 triệu tấn thóc, xuất khẩu
khoảng 6,493 triệu tấn đứng thứ 2 trên thế giới về xuất khẩu gạo sau Thái Lan. Ƣớc
tính năm 2011 sản xuất khoảng 41,05- 41,5 triệu tấn. Nƣớc ta có hai vùng trồng lúa
chính là Đồng bằng Sông Cửu Long (ĐBSCL) diện tích 3,79 triệu ha chiếm 50%
sản lƣợng lúa cả nƣớc và Đồng bằng Sông Hồng (ĐBSH) diện tích 1,18 triệu ha
chiếm 17% sản lƣợng. (Bộ Nông Nghiệp và Phát triển Nông thôn, 2009); MPI,
2009)[2][60]
Trên thế giới, an ninh lƣơng thực không chỉ là vấn đề với các nƣớc nghèo mà
nó đang trở thành vấn đề có tính toàn cầu. Dân số thế giới liên tục tăng (khoảng 7 tỷ
ngƣời năm 2011) trong khi diện tích đất dành cho việc trồng lúa hầu nhƣ không
tăng mà ngày càng giảm do đất đƣợc chuyển sang sử dụng cho các mục đích khác
nhƣ xây dựng khu công nghiệp, trƣờng học, nhà ở, khu du lịch...
Bên cạnh đó, các dấu hiệu về sự biến đổi khí hậu hiện nay đã có thể nhận
thấy nhƣ trái đất đang nóng lên, băng tan ở hai cực, bão lũ xảy ra thƣờng xuyên. Ở
Việt Nam nhiệt độ trung bình hàng năm tăng 0,10C và mực nƣớc biển tăng 2,5 – 3,0
cm mỗi năm trong thập kỷ qua. Tính đến cuối thế kỷ 21, nhiệt độ ở Việt Nam sẽ
tăng khoảng 2,30C và mực nƣớc biển tăng 75 cm tính theo mức trung bình các năm
1980 – 1999. Hàng năm có tới trên 20 triệu hecta chịu ảnh hƣởng của nƣớc biển
dâng tại Nam và Đông Nam châu Á, hàng trăm nghìn ha hoa màu có thể bị ảnh
hƣởng do hậu quả của nƣớc biển dâng vào cuối thế kỷ (MONRE, 2009)[61]
1
Vũ Thị Thu Hằng
Đại học Khoa học Tự Nhiên
Luận văn Thạc sỹ Khoa học
Sinh học
Do vậy, để ứng phó với biến đổi khí hậu trong thời gian tới, các nhà khoa
học trên thế giới ở các lĩnh vực khác nhau không ngừng nghiên cứu các khả năng
làm giảm thiểu những yếu tố, tác nhân gây ảnh hƣởng tới môi trƣờng trái đất, quan
tâm tới các nguồn năng lƣợng sạch trong tƣơng lai, tạo ra và phát triển các loại cây
lƣơng thực vừa có năng suất, chất lƣợng cao, vừa thân thiện, thích nghi và bền vững
trong điều kiệu môi trƣờng thay đổi khắc nghiệt.
Hầu hết các loại cây trồng đều có tiềm năng chống chịu với các điều kiện
sinh học và phi sinh học bất lợi. Tuy nhiên, các giống cây trồng có khả năng chống
chịu này thƣờng thuộc loài hoang dại, đi kèm với một số tính trạng không mong
muốn khác nhƣ năng suất rất thấp, cao cây... Các nhà chọn giống hiện nay đã gặp
rất nhiều khó khăn trong việc đƣa gen quy định tính chống chịu với các điều kiện
phi sinh học bất lợi từ giống này sang giống khác do sự đổ vỡ tính kháng và bản
chất đa gen liên quan đến tính kháng của các tính trạng.
Thêm vào đó, các chƣơng trình chọn giống cây trồng đặt ra hiện nay còn
phải tính đến khả năng đối phó với các tác động kép của nhiều yếu tố phi sinh học
bất lợi, xảy ra đồng thời trong cùng một thời vụ cây trồng do tác động của biến đổi
khí hậu. Nhƣ vụ lúa Đông Xuân năm 2011 ở Việt Nam, cây trồng phải đối phó với
thời tiết lạnh đầu vụ ở miền Bắc làm ảnh hƣởng tới khả năng sinh trƣởng phát triển
của cây và thời tiết khô nóng ở thời điểm trỗ muộn, ĐBSCL đầu vụ hạn hán cuối vụ
thiếu nƣớc ngọt do xâm nhập mặn sâu vào nội đồng với nồng độ mặn cao, điều này
sẽ có khả năng ảnh hƣởng tới năng suất.
Định hƣớng chọn tạo giống chống chịu với điều kiện phi sinh học và sinh
học nói chung trong thời gian tới là tạo giống bằng cách quy tụ nhiều gen khác nhau
vào một giống lúa ƣu việt nhờ công nghệ sinh học. Do vậy, việc chọn tạo nhanh
những giống lúa vừa có năng suất cao, chất lƣợng tốt, mang nhiều gen chống chịu
với các điều kiện phi sinh học là công việc đƣợc quan tâm không chỉ ở Việt Nam
mà còn ở nhiều quốc gia khác.
Bƣớc đột phá trong việc chọn giống chịu ngập chìm trở nên có thể thực hiện
đƣợc sau khi các vùng chính trên nhiễm sắc thể (Quantitative trait loci- QTLs) điều
2
Vũ Thị Thu Hằng
Đại học Khoa học Tự Nhiên
Luận văn Thạc sỹ Khoa học
Sinh học
khiển tính chống chịu ngập chìm đƣợc xác định. Việc phát triển và sử dụng chỉ thị
phân tử để đẩy nhanh quá trình quy tụ gen đó vào những giống mới năng suất cao
thông qua phƣơng pháp chọn giống lai trở lại kết hợp với chỉ thị phân tử (marker
assisted backcrossing - MABC; Thomson và ctv., 2009; Septiningsih và ctv., 2009;
Singh và ctv., 2009) [87][77][78] đã đạt đƣợc các kết quả bƣớc đầu.
Phƣơng pháp chọn giống nhờ chỉ thị phân tử và lai trở lại (MABC) cho phép
rút ngắn thời gian chọn lọc, và chọn lọc đƣợc những tính trạng khó hay nhiều gen
cùng một lúc. Bằng con đƣờng chọn giống nhờ chỉ thị phân tử và lai trở lại nhiều
gen chống chịu mặn, hạn, lạnh, chống chịu độc tố nhôm, sắt và gen quy định chất
lƣợng đã đƣợc quy tụ thành công vào một số dòng lúa ở các nƣớc có nền công nghệ
sinh học phát triển.
Đối với gen chống chịu ngập cho đến nay các nhà khoa học ở Viện Nghiên
cứu Lúa Quốc tế đã xác định đƣợc một số các chỉ thị phân tử liên kết chặt với gen
có thể ứng dụng trong chọn giống, sử dụng phƣơng pháp MABC để chọn giống
chịu ngập chìm. Để góp phần tạo ra giống lúa có khả năng chịu ngập chìm ứng phó
với biến đổi khí hậu trong thời gian tới, ứng dụng kết quả nghiên cứu vào sản xuất,
chúng tôi thực hiện đề tài: ―Ứng dụng chỉ thị phân tử liên kết gần trong chọn
giống lúa chịu ngập chìm”.
Đề tài đƣợc đề ra với mục tiêu cụ thể sau:
- Sử dụng phƣơng pháp chọn giống nhờ chỉ thị phân tử kết hợp lai trở lại để
quy tụ gen chịu ngập (Sub1) đã đƣợc xác định trƣớc vào giống lúa năng suất cao
đang đƣợc trồng phổ biến ở Việt Nam với thời gian ngắn đáp ứng nhu cầu giống
trong sản xuất.
Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ là cơ sở dữ liệu và vật liệu cho các nghiên
cứu khoa học tiếp theo về gen chịu ngập (Sub1) trên cây lúa, đồng thời góp phần
vào công tác chọn tạo giống lúa có khả năng chịu ngập, năng suất cao, phù hợp với
điều kiện canh tác lúa vùng ngập lụt, giúp ngƣời nông dân tăng thêm thu nhập, giảm
đói nghèo.
3
Vũ Thị Thu Hằng
Đại học Khoa học Tự Nhiên
Luận văn Thạc sỹ Khoa học
Sinh học
Chƣơng 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. ẢNH HƢỞNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU, NƢỚC BIỂN DÂNG ĐẾN
SẢN XUẤT LÚA GẠO
1.1.1. Ảnh hƣởng của biến đổi khí hậu, nƣớc biển dâng đến sản xuất lúa
gạo trên thế giới
Biến đổi khí hậu (BĐKH) là sự biến động trạng thái trung bình của khí
quyển toàn cầu hay khu vực theo thời gian từ vài thập kỷ đến hàng triệu năm.
Những biến đổi này đƣợc gây ra do quá trình động lực của trái đất, bức xạ mặt trời,
và gần đây có thêm hoạt động của con ngƣời. (IPCC,2007, Nguyễn Văn Cƣờng) [8]
[47]
Biến đổi khí hậu ngày nay không còn là vấn đề của một quốc gia hay của
một khu vực mà là vấn đề toàn cầu. Biến đổi khí hậu sẽ tác động nghiêm trọng đến
sản xuất, đời sống và môi trƣờng trên phạm vi toàn thế giới. Nhiệt độ tăng, mực
nƣớc biển dâng cao gây ngập lụt, gây nhiễm mặn nguồn nƣớc, ảnh hƣởng đến nông
nghiệp, gây rủi ro lớn đối với công nghiệp và các hệ thống kinh tế - xã hội trong
tƣơng lai.
Những thách thức của biến đổi khí hậu đối với sản xuất lúa gạo là vô cùng
quan trọng. Phần lớn lúa gạo mà thế giới sử dụng đƣợc trồng ở các vùng đất thấp
hoặc vùng đồng bằng ở các quốc gia nhƣ Việt Nam, Bangladesh, Ấn Độ... Những
khu vực này lại có nguy cơ bị nƣớc biển xâm nhập khi mực nƣớc biển dâng cao,
cho thấy sự cần thiết của các giống lúa có khả năng chịu đựng đƣợc cả tình trạng
ngập nƣớc lẫn độ mặn cao. Lâu nay, châu Á là nơi sản xuất và tiêu thụ gạo cao nhất
trên thế giới. Ngoài ra, châu Á còn là nơi xuất khẩu gạo chủ yếu. Trong đó, Thái
Lan là nƣớc xuất khẩu gạo lớn nhất toàn cầu, lƣợng xuất khẩu hàng năm lên tới 9
triệu tấn. Xét tới những thiệt hại trực tiếp trong lĩnh vực nông nghiệp cũng nhƣ tính
thời vụ của sản xuất lƣơng thực của các nƣớc khu vực này, các chuyên gia cho rằng,
ngoài một số nƣớc khu vực Đông Nam Á có thể phải đối mặt với khan hiếm gạo,
4
Vũ Thị Thu Hằng
Đại học Khoa học Tự Nhiên
Luận văn Thạc sỹ Khoa học
Sinh học
lƣợng cung cầu gạo trên thị trƣờng thế giới cũng sẽ bị thu hẹp ở mức độ nhất định,
giá gạo chắc chắn sẽ tăng cao.
Mỗi năm lũ lụt đã làm mất hàng triệu tấn lúa - chiếm khoảng 25% sản lƣợng
lúa gạo, thất thoát hàng tỷ USD. Trong đó phổ biến nhất là ở châu Á, nơi sản xuất
hơn 90% lúa gạo thế giới. Theo thống kê mới nhất của Tổ chức Nông lƣơng thế giới
(FAO) hàng loạt hoa màu bao gồm lúa gạo bị tàn phá mang tính hủy hoại, trong đó
diện tích lúa bị mất trắng ở các nƣớc nhƣ Thái Lan khoảng 12,5%, Philippines
khoảng 6%, Campuchia khoảng 12%, Lào khoảng 7,5% và Việt Nam khoảng 0,4
%. Ngoài ra, giá gạo trong nƣớc Campuchia, Việt Nam và Thái Lan cũng bắt đầu
tăng, trong đó mức tăng giá gạo ở Campuchia dự đoán sẽ lên tới 50%. (Susmita
Dasgupta, 2007)[22].
Bảng 1. Ảnh hƣởng của mực nƣớc biển dâng đến khu vực Đông Á
1m
2m
3m
Diện tích (Tổng = 14.140.767 km2)
Khu vực ảnh hƣởng
74.020
119.370
% trong tổng số
178.177
4m
5m
248.970
32.,089
0,52
0,84
1,.26
1,76
Dân số (Tổng = 1.883.407.000)
37,193,86 60.155.6 90.003.5 126,207,
Dân cƣ ảnh hƣởng
6
40
80
275
1,97
3,19
4,78
6,70
% trong tổng dân cƣ
GDP (Tổng = 7.577.206 triệu USD)
158.399
255.510
394.081
592.598
GDP ảnh hƣởng (USD)
2,09
3,37
5,20
7,82
% trong tổng GDP
2
Khu vực đô thị (Tổng = 388.054 km )
6.648
11.127
17.596
25.725
Khu vực ảnh hƣởng
1,71
2,87
4,53
6,63
% trong tổng số
Khu vực nông nghiệp (Tổng = 5.472.581 km2)
45.393
78.347
121.728
174.076
Khu vực ảnh hƣởng
0,83
1,43
2,22
3,18
% trong tổng số
Đầm lầy (Tống = 1.366.069 km2)
36.463
56.579
79.984
110.671
Khu vực ảnh hƣởng
2,67
4,14
5,86
8,10
% trong tổng số
2,30
162.445.
397
8.63
772.904
10,20
34.896
8,99
229.185
4,19
130.780
9,57
Nguồn (Susmita Dasgupta, 2007)
Châu Á nếu nƣớc biển dâng lên 1m khoảng 25.000km2 rừng đƣớc sẽ bị ngập,
10000km2 đất canh tác và diện tích nuôi trồng thủy sản trở thành đầm lầy ngập mặn.
Ở hạ lƣu Ai Cập 6 triệu ngƣời phải di dời và 4.500km2 đất nông nghiệp bị ngập
5
Vũ Thị Thu Hằng
Đại học Khoa học Tự Nhiên
Luận văn Thạc sỹ Khoa học
Sinh học
chìm trong nƣớc. Ở Bangladesh 18% diện tích đất nông nghiệp bị ngập ảnh hƣởng
đến 11% dân số. Theo ƣớc tính của Viện nghiên cứu Lúa Quốc tế (IRRI) mỗi năm
nông dân Ấn Độ và Bangladesh bị thiệt hại tới 4 triệu tấn thóc do lũ lụt, do nhiều
giống lúa chỉ chịu ngập trong vòng chƣa đầy một tuần. Còn ở Maldives hơn 80%
diện tích đất thấp hơn mực nƣớc biển và có thể bị ngập khi nƣớc biển dâng cao.
Việt Nam là nƣớc bị ảnh hƣởng nghiêm trọng nhất bởi mực nƣớc biển dâng,
tác động chủ yếu đến Đồng bằng sông Hồng và đồng bằng sông Cửu Long khoảng
10.8% dân số Việt Nam sẽ bị ảnh hƣởng khi mực nƣớc biển dâng 1m. (Susmita
Dasgupta, 2007)[22]
Nguồn www.combatclimatechange.ie
Hình 1. Biểu đồ diện tích đất nông nghiệp bị ảnh hƣởng khu vực Đông Á
Biến đổi khí hậu ngoài nƣớc biển dâng gây ngập lụt thì hạn hán, xâm nhập
mặn ngày càng gia tăng. Với kịch bản biến đổi khí hậu, cƣờng lực và tần suất hạn
hán đƣợc dự báo ngày càng tăng ở vùng tƣới nƣớc mƣa và hạn hán còn kéo dài đến
vùng lúa nƣớc có tƣới. Thiếu nƣớc có thể ảnh hƣởng 23 triệu ha lúa tƣới bằng nƣớc
mƣa ở Nam và Đông Nam Á. Tại châu Phi, hạn hán nặng có thể đe dọa 80% diện
6
Vũ Thị Thu Hằng
Đại học Khoa học Tự Nhiên
Luận văn Thạc sỹ Khoa học
Sinh học
tích lúa tƣới nhờ nƣớc mƣa của 23 triệu ha. Hạn hán còn ảnh hƣởng đến sản xuất
lúa của Úc, Trung Quốc, Mỹ và các nƣớc khác.
1.1.2. Ảnh hƣởng của biến đổi khí hậu, nƣớc biển dâng đến sản xuất lúa
gạo ở Việt Nam
Việt Nam là một trong những nƣớc chịu ảnh hƣởng nặng nề do mực nƣớc
biển tăng, nƣớc biển tăng phần lớn đất màu mỡ nhất của Việt Nam sẽ bị ngập. Theo
đó, sản lƣợng lúa có thể giảm đáng kể do mực nƣớc biển dâng cao và sự thay đổi
lƣợng mƣa làm thay đổi thủy học ở các vùng đồng bằng (Wassmann và ctv., 2004;
Hoanh và ctv. 2004)[92][46]. Do chúng ta có bờ biển dài hơn 3.200 km, 28 tỉnh,
thành phố giáp biển nên mực nƣớc biển dâng cao sẽ làm giảm lƣu lƣợng dòng chảy
của các con sông, thậm chí ngay cả tại các nơi xa bờ biển.
Sự hiện hữu của biến đổi khí hậu ở Việt Nam đã và đang trở nên rõ ràng hơn
bao giờ hết: Cụ thể, nhiệt độ tăng 2 đến 3oC trên phần lớn diện tích cả nƣớc. Riêng
khu vực Đông bắc, Bắc Trung bộ và Tây Nguyên có nhiệt độ tăng nhanh hơn so với
những nơi khác. Lƣợng mƣa/năm tăng trên hầu khắp lãnh thổ. Mức tăng phổ biến từ
10-20%, riêng Tây Nguyên, Nam Trung bộ từ tăng 5-10%. Lƣợng mƣa mùa khô
giảm (có nơi giảm đến 30%) và lƣợng mƣa mùa mƣa tăng (có nơi tăng từ 20-30%).
Ở các khu vực khác nhau lại có thể xuất hiện những ngày mƣa dị thƣờng với lƣợng
mƣa gấp đôi so với kỷ lục hiện nay. Mực nƣớc biển cao nhất ở vùng từ Cà Mau đến
Kiên Giang (82 cm), thấp nhất ở vùng Móng Cái (64 cm). Trung bình toàn Việt
Nam là 72,6 cm. (Bộ TNMT, 2009)[4]
Nếu mực nƣớc biển dâng 1,0m, khoảng 40 nghìn km2 đồng bằng ven biển
Việt Nam sẽ bị ngập hàng năm, trong đó có các đồng bằng nhỏ hẹp ven biển vùng
Nam Trung Bộ, Việt Nam sẽ bị mất khoảng 5% diện tích, 45% diện tích đất nông
nghiệp ở vùng đồng bằng sông Cửu Long, 11% diện tích đồng bằng Sông Hồng và
3% diện tích của các tỉnh khác thuộc vùng ven biển, 10% GDP, 7% sản lƣợng nông
sản, 10,8% dân số khoảng 22 triệu dân Việt Nam phải di tản. (Nguyễn Kỳ Phùng,
Bùi Chí Nam)[21]
7
Vũ Thị Thu Hằng
Đại học Khoa học Tự Nhiên
Luận văn Thạc sỹ Khoa học
Sinh học
Bảng 2. Các kịch bản nƣớc biển dâng ở Việt Nam qua các thời kỳ
Kịch bản nƣớc
biển dâng (cm)
Các mốc thời gian của thế kỷ 21
2020 2030 2040 2050 2060 2070 2080 2090 2100
Thấp (B1)
11
17
23
28
35
42
50
57
65
Trung bình (B2)
12
17
23
30
37
46
54
64
75
Cao(A1F1)
12
17
24
33
44
57
71
86
100
Kịch bản BĐKH nước biển dâng cho Việt Nam, phần II
Theo kịch bản phát thải trung bình (B2): Vào cuối thế kỷ 21, lƣợng mƣa năm
có thể tăng khoảng 7 - 8% ở Tây Bắc, Đông Bắc, Đồng bằng Bắc Bộ, Bắc Trung Bộ
và từ 2 - 3% ở Nam Trung Bộ, Tây Nguyên, Nam Bộ so với trung bình thời kỳ 1980
– 1999. Lƣợng mƣa thời kỳ từ tháng III đến tháng V sẽ giảm từ 4-7% ở Tây Bắc,
Đông Bắc và Đồng bằng Bắc Bộ, khoảng 10% ở Bắc Trung Bộ, lƣợng mƣa vào
giữa mùa khô ở các vùng khí hậu phía Nam có thể giảm tới 10-15% so với thời kỳ
1980-1999. Lƣợng mƣa các tháng cao điểm của mùa mƣa sẽ tăng từ 10 đến 15% ở
cả bốn vùng khí hậu phía Bắc và Nam Trung Bộ, còn ở Tây Nguyên và Nam Bộ chỉ
tăng trên dƣới 1%.
Ở Việt Nam biến đổi khí hậu cũng sẽ gây hạn hán, làm giảm đến 20-25%
lƣợng mƣa ở khu vực miền Trung-Tây Nguyên, gây ra hạn hán không chỉ phổ biến
và kéo dài mà thậm chí còn gây khô hạn thời đoạn ngay trong thời gian El Nino.
Tác động này ở Nam Trung Bộ lớn hơn Bắc Trung Bộ, Bắc Tây Nguyên lớn hơn
Nam Tây Nguyên. Nhiều vùng của nƣớc ta sẽ bị sa mạc hóa không trồng trọt đƣợc.
Mặn là hiện tƣợng liên kết với nƣớc biển dâng mang nƣớc mặn tiến sâu vào đất liền,
biến nhiều vùng đất trồng lúa bị mặn hóa. (Nguyễn Đức Ngữ, 2008)[20]
8
Vũ Thị Thu Hằng
Đại học Khoa học Tự Nhiên
Luận văn Thạc sỹ Khoa học
Sinh học
1.2. CÁC VÙNG TRỒNG LÚA Ở VIỆT NAM CÓ KHẢ NĂNG BỊ NGẬP
THEO KỊCH BẢN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU
Việt Nam là một quốc gia nằm trong khu vực Đông Nam châu Á chịu ảnh
hƣởng của vùng gió mùa, khí hậu nóng và ẩm rất đặc trƣng. Việt Nam có một bờ
biển dài hơn 3.200 km. Việt Nam hiện nay có khoảng hơn 89 triệu ngƣời, mật độ
dân số cao ở các vùng tập trung nguồn nƣớc nhƣ các châu thổ sông Hồng, sông Cửu
Long và các cửa sông, cửa biển dọc theo miền Trung. Hoạt động sản xuất chính ở
Việt Nam là nông nghiệp, thuỷ hải sản và diễn ra chủ yếu ở vùng nông thôn, vùng
núi và vùng ven biển. Hầu hết các thiên tai gây thiệt hại cho sản xuất và đời sống ở
Việt Nam đều có liên quan với sự bất thƣờng của khí hậu và nguồn nƣớc. (Lê Anh
Tuấn, 2009)[25]
Việc đƣa ra các chiến lƣợc thích nghi với sự biến đổi khí hậu và mực nƣớc
biển dâng cho hai vùng ĐBSH và ĐBSCL có tính chất quyết định đối với nền kinh
tế và an ninh lƣơng thực của Việt Nam, góp phần đảm bảo an ninh lƣơng thực thế
giới.
Vùng trồng lúa bị ảnh hƣởng bởi lũ lụt có thể đƣợc chia thành 4 nhóm nhƣ sau:
- Nhóm lúa chống chịu ngập hoàn toàn trong vòng 10 ngày, sau đó chúng có
thể phục hồi sau khi nƣớc rút. Đó là những vùng bị lũ quét, hay vùng bị ngập bất
ngờ và tính chống chịu trong điều kiện nhƣ vậy đƣợc gọi là ―chịu ngập hoàn toàn‖.
- Nhóm lúa có khả năng vƣợt nƣớc 5-10cm / ngày hoặc nhiều hơn, trong
vùng lũ lụt kéo dài 3-4 tháng/năm. Đó là vùng lúa nổi ở Đồng bằng Sông Cửu Long
trƣớc đây, nƣớc dâng từ từ, kéo dài nhiều tháng. Tính chống chịu trong điều kiện
nhƣ vậy đƣợc gọi là ―khả năng vƣơn lóng‖.
- Nhóm lúa có khả năng thích nghi vùng đầm lầy ven biển, nơi đó thủy triều
lên xuống trong ngày làm cây lúa bị ngập lúc triều cƣờng. Đó là vùng bị ngập xen
kẽ.
- Nhóm lúa không có khả năng vƣợt nƣớc, nhƣng thích nghi tốt trong vùng
nƣớc ngập sâu, lũ lụt kéo dài 2-3 tháng gọi là (lúa nƣớc sâu), lúa có tính cảm quang,
thời gian trỗ thƣờng xảy ra khi nƣớc rút. (Bùi Chí Bửu, Nguyễn Thị Lang 2003)[6].
9
Vũ Thị Thu Hằng
Đại học Khoa học Tự Nhiên
Luận văn Thạc sỹ Khoa học
Sinh học
1.2.1. Vùng trồng lúa có khả năng bị ngập ở Đồng bằng sông Hồng
Đồng bằng sông Hồng rộng gần 1,18 triệu ha, chiếm 3,8% diện tích toàn
quốc với một vùng biển bao quanh ở phía Đông và Đông Nam. Dân số là 14,8 triệu
ngƣời (1999), chiếm 19,4% số dân của cả nƣớc. ĐBSH là một trong hai vựa lúa
chính của cả nƣớc, chiếm 15% diện tích gieo trồng và 17% sản lƣợng lúa.
Diện tích lúa vùng ÐBSH dự kiến đến năm 2020 là 560 nghìn ha, đến năm
2030 là 540 nghìn ha, sản lƣợng dự kiến hơn 7,3 triệu tấn. Nhiều vùng trong ĐBSH
tiếp giáp với hơn 400km bờ biển. Nếu mực nƣớc biển dâng cao 1m và không có các
giải pháp ứng phó, sẽ có khoảng 11% diện tích vùng đồng bằng này có nguy cơ bị
ngập và khoảng 35% dân số bị ảnh hƣởng trực tiếp. Chủ yếu thuộc các tỉnh: Hải
Phòng, Nam Định, Thái Bình, Ninh Bình, Hải Dƣơng. Tỉnh Hải Phòng bị ngập
nặng nề nhất chủ yếu tập trung tại các huyện: Kiến Thụy, Tiên Lãng, Thuỷ Nguyên,
Vĩnh Bảo, Đồ Sơn… Tỉnh Thái Bình ngập chủ yếu ở các huyện Thái Thuỵ, Tiền
Hải, Kiến Xƣơng,… Tỉnh Nam Định ngập chủ yếu ở các huyện Nghĩa Hƣng, Xuân
Trƣờng, Giao Thuỷ,…
Bảng 3. Tác động của BĐKH đến tình hình ngập của ĐBSH
Kịch bản
Cao độ
(m)
Đồng bằng sông Hồng
Diện tích ngoài đê Diện tích trong đê
(ha)
(ha)
Hiện tại
Vùng ngập hoàn toàn
< 1,5
1.432
2.013
Vùng bán ngập
< 1,5
24.136
157.781
Mực nƣớc biển dâng lên thêm 0,69 cm
Vùng ngập hoàn toàn
<0,8
18.576
114.654
Vùng bán ngập
<2,2
37.030
263.319
Mực nƣớc biển dâng lên thêm 1,0 m
Vùng ngập hoàn toàn
<1,5
24.163
157.781
Vùng bán ngập
<2,5
43.433
321.998
Hội thảo Việt Nam thích ứng với BĐKH 2009, GS.TS. Đào Xuân Học
10
Vũ Thị Thu Hằng
Đại học Khoa học Tự Nhiên
Luận văn Thạc sỹ Khoa học
Sinh học
1.2.2. Vùng trồng lúa có khả năng ngập ở Đồng bằng Sông Cửu Long
ĐBSCL là vùng sản xuất lúa gạo chủ yếu cho an ninh lƣơng thực Quốc gia
và là nơi sinh sống của hơn 17 triệu dân, là một vùng đất thấp và tiếp giáp với biển
Đông thông qua rất nhiều cửa sông lớn. Đây là đồng bằng châu thổ lớn nhất nƣớc
ta, với diện tích 3,79 triệu ha, chiếm khoảng 11,9% diện tích toàn quốc. Tại đây có
16,1 triệu ngƣời sinh sống, chiếm khoảng 21,1 số dân cả nƣớc (số liệu năm 1999).
Vùng ĐBSCL chiếm 52% diện tích gieo trồng và 53% sản lƣợng lúa. Dự
kiến đến năm 2020, diện tích đất lúa của ÐBSCL là 1,755 triệu ha, sản lƣợng 21,4
triệu tấn lúa, đến năm 2030 diện tích dự kiến 1,74 triệu ha, phấn đấu đạt năng suất
bình quân 62 tạ/ha, sản lƣợng lúa 22 triệu tấn.
Dựa theo những kịch bản đã đƣợc công bố năm 2009 thì vào năm 2100 mực
nƣớc biển sẽ dâng 65 cm (kịch bản B1– thấp) ĐBSCL ngập 5.133km2 (12,8%),
75cm (kịch bản B2 – trung bình) ngập 7.580km2 (19%), và 1m (kịch bản A1F1 –
cao), ngập 15.116km2 (37,8%). Cụ thể, Bến tre mất 1.131km2 (hơn 50% diện tích),
Long An mất 2.169km2 (gần 50% diện tích), Trà Vinh mất 1.021km2 (gần 46%),
Sóc Trăng mất 1.425km2 (gần 44%), Vĩnh Long mất 606km2 (gần 40%).... (theo
TTXVN).
Đặc biệt, hàng năm vào mùa lũ mực nƣớc biển dâng cao, nƣớc ở thƣợng
nguồn sông Mekong đổ về nhiều sẽ gây ra lụt lội trên diện rộng thuộc các vùng
Đồng Tháp Mƣời và Tứ giác Long Xuyên, vùng kẹp giữa 2 con sông Tiền và sông
Hậu sẽ bị ngập nghiêm trọng hơn. Ngoài các thành phố, thị xã đã bị ngập hiện nay
nhƣ Châu Đốc, Long Xuyên, Cao Lãnh, Sa Đéc, Vĩnh Long, Tân An, Mỹ Tho, Cần
Thơ, Vị Thanh, Sóc Trăng, Rạch Giá và Hà Tiên bị ngập trên 1m, trong đó nghiêm
trọng nhất là Cần Thơ và Vĩnh Long. Nƣớc biển dâng sẽ làm cho tiêu thoát nƣớc
các thành phố, thị xã Mỹ Tho, Bến Tre, Trà Vinh, Bạc Liêu và Cà Mau khó khăn
hơn.
Tại Kiên Giang và An Giang, năng suất lúa có nơi giảm tới gần 21%, tƣơng
đƣơng với giảm trên 1,5 tấn lúa cho mỗi ha.
11
Vũ Thị Thu Hằng
Đại học Khoa học Tự Nhiên
Luận văn Thạc sỹ Khoa học
Sinh học
Nguồn: Viện Khoa học Khí tƣợng Thủy văn và Môi trƣờng (Bộ TNMT)
Hình 2. Phạm vi ngập khu vực ĐBSCL theo kịch bản nƣớc biển dâng 75cm
Đối với các tỉnh ven biển miền Trung, khoảng 3% tổng diện tích của khu vực
có nguy cơ bị ngập, ảnh hƣởng trực tiếp đến khoảng 10% số dân. Nếu nƣớc biển
dâng lên 1m, tỉnh Quảng Trị có tới 37km2 đất bị ngập, gây hậu quả nghiêm trọng
đến sản xuất nông nghiệp và sinh kế của ngƣời dân. (Lê Anh Tuấn, 2009)[25
Bảng 4. Diện tích ngập các vùng ven biển Việt Nam kịch bản nƣớc biển dâng 1m
Tt
Vùng đồng bằng
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Thanh Hóa
Nghệ An – Hà Tĩnh
Quảng Bình
Quảng Trị
Thừa Thiên Huế
Đà Nẵng - Quảng Nam
Quảng Ngãi
Bình Định
Phú Yên
Khánh Hòa
Diện tích
(ha)
52.797
92.661
114.816
24.963
45.700
50.000
55.000
35.000
20.000
12.000
Tăng 1.0 m
Bán ngập
Ngập
30.347
11.570
68.278
58.250
16542
12.482
7.486
27.850
15.495
18.000
10.000
35.000
15.000
24.000
11.000
16.000
10.000
10.000
7.000
Hội thảo Việt Nam thích ứng với BĐKH 2009, GS.TS. Đào Xuân Học
12
Vũ Thị Thu Hằng
Đại học Khoa học Tự Nhiên
Luận văn Thạc sỹ Khoa học
Sinh học
1.3. NGHIÊN CỨU VỀ CƠ THẾ TÍNH CHỐNG CHỊU NGẬP CỦA CÂY
LÚA
1.3.1. Gen chịu ngập của cây lúa và cơ chế hoạt động
Cây lúa bản thân nó có thể phát triển tốt trong môi trƣờng ngập nƣớc, khi bị
chìm trong nƣớc, chúng sẽ tự động khởi động một loạt phản ứng kích thích sự tồn
tại. Tuy nhiên nếu ngập mà không kiểm soát đƣợc thì sẽ trở thành vấn đề vì cây lúa
sẽ không thể sống đƣợc nếu bị ngập trong nƣớc thời gian dài. Sự ngập úng có thể
ảnh hƣởng đến sinh trƣởng của cây lúa ở bất cứ giai đoạn sinh trƣởng nào, cả trong
thời gian dài hoặc trong thời gian ngắn. Cơ hội sống thấp khi cây lúa bị ngập hoàn
toàn và xảy ra suốt thời gian sinh trƣởng. Suốt thời gian lũ, cây lúa có thể kéo dài
thân và lá để thoát khỏi sự ngập úng. Những giống lúa nƣớc sâu cổ truyền có thể
làm việc này đủ nhanh để tồn tại. Những giống lúa cải tiến không thể kéo dài thân,
lá kịp theo nƣớc nên không thể tồn tại đƣợc. Nếu ngập lũ kéo dài, chúng sẽ tiêu thụ
quá nhiều năng lƣợng nhƣng không thành công trong việc ngoi lên mặt nƣớc và thu
nhận o-xy, ánh sáng,… để tái tạo năng lƣợng và phục hồi sự sống.
Ở miền Đông Ấn Độ có một loại lúa dại năng suất thấp, nhƣng lại có một đặc
tính vƣợt trội là có thể sống nhiều ngày trong môi trƣờng ngập nƣớc. Những nhà di
truyền đã khám phá ra một gen, do một locus tính trạng số lƣợng điều khiển đặt tên
là Submergence1 (Sub1) gen Sub1 này định vị trên nhiễm sắc thể số 9, có liên quan
tới tính chịu ngập nƣớc lên tới 17 ngày. Tuy nhiên, để biết chính xác gen Sub1 hoạt
động thế nào thì Kenong Xu và các đồng nghiệp thuộc Viện nghiên cứu Lúa Quốc
tế (IRRI) ở Philippine và Trƣờng Davis & Riverside thuộc Đại học California, đã
phân tích thành phần của locus Sub1 và nhận thấy Sub1A là gen đóng vai trò chủ
đạo giúp cây lúa có tính chống chịu úng ngập. Gen Sub1A hoạt động khi cây lúa bị
ngập, gen này làm cây lúa ngủ nghỉ và dự trữ năng lƣợng, hạn chế tăng trƣởng, giữ
lại các chất diệp lục cho tới khi nƣớc lũ rút. Gen này cũng có đặc tính kích thích đẻ
nhánh mạnh sau khi nƣớc rút.
Khi phân tích gen này các nhà khoa học nhận thấy locus Sub1 thực tế bao
gồm 3 gen từ nhân tố phản ứng ethylene (ethylene-respone-factor), là Sub1A, Sub1B
13
Vũ Thị Thu Hằng
Đại học Khoa học Tự Nhiên
Luận văn Thạc sỹ Khoa học
Sinh học
và Sub1C. Các nhân tố này gồm các protein có chức năng cho phép cây trồng chống
chịu với các điều kiện bất lợi. Gen Sub1A đầu tiên đƣợc phát hiện, hay thay đổi
nhƣng cần thiết cho tính chống chịu úng ngập, một vài giống indica và giống
japonica không có gen Sub1A. Khi kết hợp Sub1A và Sub1C làm tăng khả năng
chống chịu ngập. Gen Sub1B và Sub1C đƣợc xác định là gần tâm động xấp xỉ
100bp (Xu et al,2006)[95]
Một biến thể khác của Sub1A là Sub1A-1 cũng đƣợc các nhà khoa học phát
hiện thấy chỉ có trong cây lúa chịu úng ngập, trong khi đó Sub1A-2, không giống
với gen Sub1A-1 do một sự thay đổi của nucleotide, lại là một kiểu gen không chịu
đƣợc ngập. Khi đƣa gen Sub1A vào giống lúa Swarna của Ấn Độ, giống lúa không
chịu đƣợc úng ngập do thiếu gen này, các nhà khoa học nhận thấy rằng cây chuyển
nạp gen không chỉ chịu đƣợc trong điều kiện ngập nƣớc mà còn cho sản lƣợng cao
hơn và giữ đƣợc các đặc tính có lợi khác của giống này. (Septiningsih và ctv,
2009)[77]
Một gen Sub1C không chịu ngập kết hợp với gen chịu ngập sub1A-1 không
làm giảm mức độ chống chịu. Sự biểu hiện của Sub1C-1 độc lập với Sub1A. Tuy
nhiên khi Sub1C-1 biểu hiện thì hoàn toàn tắt sự biểu hiện của Sub1A-2 lúc đó cây
không có khả năng chống chịu. Nghiên cứu còn cho thấy tỷ lệ sống sót và sự biểu
hiện của Sub1A thấp hơn đáng kể trong cây dị hợp tử so với cây đồng hợp tử mang
gen chống chịu. Sub1A là gen đóng góp chính làm tăng mức chống chịu trong khi
sub1C dƣờng nhƣ không quan trọng (Septiningsih, 2009)[77]
Takeshi Fukao, Kenong Xu nghiên cứu theo cơ chế thoát ngập, các cơ quan
của cây lúa tạo bẫy ―ethylene‖, làm giảm đối kháng với abscisic acid, làm gia tăng
phản ứng với gibberillin (GA) cho phép vƣơn dài lóng thân. Ethylene cũng tác động
đến gen Sub1A, làm hạn chế sản sinh ra ethylene và làm tăng các thể ức chế GA. Do
đó, Sub1A làm mất tác dụng của ethylene trong phản ứng của GA ở các mô bị ngập
trong nƣớc. Phân tích microarray cho thấy Sub1A điều hoà yếu tố phiên mã mRNAs
và làm thay đổi sự tích tụ mRNAs liên quan đến tiêu thụ carbohydrate, cơ chế biến
dƣỡng trong điều kiện kỵ khí. (Takeshi Fukao, Kenong Xu, 2006)[85]
14
Vũ Thị Thu Hằng
Đại học Khoa học Tự Nhiên
Luận văn Thạc sỹ Khoa học
Sinh học
Ashikari và các đồng nghiệp tại đại học Nagoya, ĐH Kyushu, Viện nguồn
lợi sinh học nông nghiệp Tsukuba (Nhật Bản) đã nghiên cứu ba vùng trong bộ gen
có khả năng ảnh hƣởng đến sự phát triển của lúa. Tại vùng có ảnh hƣởng lớn nhất,
một cặp gen đã đƣợc xác định và đặt tên là Snorkel 1 và Snorkel 2. Cặp gen này có
thể biểu hiện đồng thời dẫn đến tăng chiều cao thêm 80 cm trên mặt nƣớc.Khi lúa bị
ngập, ethylene đƣợc tích tụ và kích thích hai gen này. Biều hiện của chúng dẫn đến
tăng chiều cao cây thông qua tác dụng của gibberellin. Các chuyên gia cho rằng nếu
tình trạng ngập xảy ra nhanh thì gen Submergence có vai trò quan trọng nhƣng nếu
tình trạng ngập kéo dài thì cặp gen Snorkel 1 và Snorkel 2 sẽ thể hiện ƣu thế giúp
cây lúa tồn tại, Nhƣ vậy, cả Submergence và Snorkel đều có vai trò quan trọng và
khả năng ứng dụng rất lớn. Ethylene có thể kích thích cả hai phƣơng thức chống
chịu của cây (duy trì khả năng hô hấp dƣới nƣớc và kích thích tăng trƣởng khi bị
ngập) nhƣng dƣờng nhƣ chọn lọc tự nhiên đã làm biến đổi nhiều khả năng vốn có
của thực vật. Theo các nhà khoa học, có thể đột biến Snorkel đã xảy ra trƣớc đột
biến của Submergence. Hiện tại chỉ có một số loại lúa hoang có gen Snorkel trong
khi Submergence chỉ có ở các giống lúa trồng [98]
S. Abdolhamid Angaji và ctv đã sàng lọc trong ngân hàng gen lúa chọn ra
đƣợc giống Khao Hlan On liên quan đến khả năng chịu ngập giai đoạn nảy mầm và
lập bản đồ QTL liên quan đến tính chịu ngập giai đoạn này. Nghiên cứu đã sử dụng
quần thể lai trở lại giữa giống cho gen là Khao Hlan On với IR64 đã cho kết quả sự
sống sót của quần thể BC2F2 từ 6-68% trung bình 28%. Bản đồ liên kết đƣợc thiết
lập có tổng chiều dài 1475,7cM với khoảng cách trung bình giữa hai chỉ thị 11,9cM,
sử dụng 135 chỉ thị SSR cho đa hình và 1 chỉ thị indel. Tổng số 5 QTLs đƣợc phát
hiện. Trên NST số 1 là (qAG-1-2), trên NST số 3 là (qAG-3-1), trên NST số 7 là
(qAG-7-2), trên NST số 9 là (qAG-9-1 và qAG-9-2) với LOD từ 5,69- 20,34. (S.
Abdolhamid Angaji et al, 2009)[73]
Abdelbagi M. Ismail và ctv cũng nghiên cứu cơ chế chịu ngập trong giai
đoạn nảy mầm thấy rằng tinh bột trong hạt giống nảy mầm giảm trong khi nồng độ
đƣờng tăng và tăng nhiều hơn ở những cây mang gen kháng. Còn ở giống nhạy
15
Vũ Thị Thu Hằng
Đại học Khoa học Tự Nhiên
Luận văn Thạc sỹ Khoa học
Sinh học
cảm, tinh bột tập trung cao và chỉ giảm nhẹ từ ngày thứ 3 đến ngày thứ 8. Hoạt
động của amylase tƣơng quan với chiều dài (r =0.85 cho chồi và 0.83 cho chiều dài
rễ) với cây sống sót (r = 0.92). Ở cây kháng amylase hoạt động cao và cao hơn khi
gen RAmy3D biểu hiện. Ethyene không đƣợc tìm thấy trong hạt sau 2 ngày bị ngập
nhƣng tăng lên sau đó và tăng mạnh ở giống kháng sau 3 ngày bị ngập. Enzym
Peroxidase hoạt động cao trong hạt nảy mầm của giống mẫn cảm. Trong điều kiện
oxy thấp thì hạt nảy mầm của giống kháng phát triển nhanh hơn và sống sót nhiều
hơn, nó duy trì khả năng sử dụng tinh bột thông qua hoạt động của amylase và hô
hấp kỵ khí, ethylene đƣợc sản xuất nhiều hơn, peroxidase hoạt động thấp hơn.
(Abdelbagi M. Ismail, 2008)[26]
1.3.2. Sinh lý học tính chống chịu ngập của cây lúa
Cơ chế sinh lý giải thích hiện tƣợng đáp ứng của cây trồng đối với điều kiện
bất lợi, và nhằm mục đích cải tiến cấu trúc, hoạt động sinh lý, sinh hóa của cây,
giúp cây thoát khỏi, hoặc né tránh, hoặc chống chịu sự thiệt hại do điều kiện bất lợi
gây ra.
Diệp lục tố
Giống nhạy cảm với những điều kiện bất lợi do ngập úng thƣờng có hàm
lƣợng diệp lục giảm nhanh theo thời gian cây bị ngập. Hiện tƣợng quang hợp dƣới
nƣớc vẫn có thể hoạt động, nhƣng tốc độ quang hợp giảm do sự giảm oxy và thiếu
ánh sáng. Hoạt động quang hợp liên quan rất chặt với hoạt động của RuBP
carboxylase trong lục lạp, và sự ngập hoàn toàn nhƣ vậy làm giảm đi hoạt động của
RuBP carboxylase (Rai và Murty 1979)[71]. Do đó, các yếu tố ánh sáng giảm,
oxygen giảm, diệp tục tố giảm, chúng phối hợp với nhau làm cho hoạt động quang
hợp giảm trong suốt thời gian bị ngập nƣớc. Những giống chống chịu có khả năng
sống sót nhờ hàm lƣợng diệp lục giảm rất chậm và khả năng duy trì hoạt động
quang hợp trong điều kiện nhƣ vậy.
16
Vũ Thị Thu Hằng
Đại học Khoa học Tự Nhiên
Luận văn Thạc sỹ Khoa học
Sinh học
Carbohydrate
Trong suốt quá trình bị ngập hoàn toàn, sự cung cấp oxy bị hạn chế. Sự hô
hấp kỵ khí gia tăng (Yamada 1959, Rai và Murty 1976, Setter và ctv 1987)
[96][70][79] Điều này tạo ra sự tiêu thụ nhanh chóng lƣợng carbohydrate và ức chế
thủy phân protein. Hàm lƣợng chất bột giảm nhanh, ethylene gia tăng trong chồi
thân bị ngập, gia tăng chiều dài lá (Setter và ctv. 1988)[80]. Trƣờng hợp cây lúa chỉ
bị ngập sâu 30-50cm, không có sự thay đổi đáng kể về carbohydrate, tinh bột,
đƣờng trong cây lúa (Setter và cvt. 1987)[79]. Khi cây lúa bị ngập, lƣợng oxy trong
thân giảm do sự cung cấp không đầy đủ, sự hô hấp kỵ khí tăng lên và sự tiêu thụ các
cơ chất hô hấp cũng tăng lên, do đó Yamada (1959) cho rằng: tính kháng ngập của
cây lúa đƣợc xác định bằng số lƣợng cơ chất hô hấp có trong cây trƣớc khi bị ngập.
Các giống kháng có sự gia tăng về trọng lƣợng chất khô rất cao và phục hồi nhanh
hơn sau khi ngập (Mazarado và Vergara 1982)[59]. Khác với kết luận của Yamada
(1959)[96] và hàm lƣợng carbohydrate của giống kháng rất cao trƣớc khi ngập.
Mazaredo và Vergara (1982)[59] thấy rằng sự sống sót và khả năng phục hồi nhanh
chóng tuỳ thuộc vào số lƣợng carbohydrate sau khi bị ngập.
Hàm lượng nitrogen
Hàm lƣợng nitrogen tổng số giảm trong cây mạ bị xử lý ngập hoàn toàn
(Mazaredo và Vergara 1982)[59], ở cây lúa thuộc giống không chống chịu ngập,
mức độ giảm này nhiều hơn so với cây chống chịu.
Hoạt động của peroxidase
Peroxidase trong qúa trình tăng trƣởng và phân hóa chức năng đƣợc nhiều
báo cáo ghi nhận trong điều kiện bị ngập nƣớc hoàn toàn (Kadam và ctv. 1973,
Murty và Nada 1974)[54][66], nhƣng vai trò chính xác của nó nhƣ thế nào vẫn chƣa
đƣợc hiểu rõ. Có thể mối quan hệ tƣơng tác giữa chất kích thích sinh trƣởng IAA và
peroxidase giữ một vai trò quan trọng của cây, đặc biệt trong rễ nhằm mục đích
giúp cây chịu đựng trong thời gian dài hơn đối với điều kiện bất lợi do ngập
17
Vũ Thị Thu Hằng
Đại học Khoa học Tự Nhiên
Luận văn Thạc sỹ Khoa học
Sinh học
(Krishnayya và ctv. 1990)[56]. Hoạt động của peroxidase ở bẹ lá lúa gia tăng từ
trƣớc khi bị ngập cho đến sau khi bị ngập trong tất cả các giống thử nghiệm. Sự gia
tăng này càng mạnh trong giống chống chịu. Nhƣng hoạt động peroxidase trong lá
và rễ của giống không chống chịu tỏ ra suy giảm trong quá trình bị ngập, trong khi
đó, peroxidase gia tăng một ít trong giống chống chịu
1.3.3. Di truyền tính chống chịu ngập của cây lúa
Phần lớn những tính trạng chống chịu với điều kiện bất lợi do môi trƣờng là
tính trạng di truyền số lƣợng. Do đó, phân tích những locus của tính trạng số lƣợng
QTL (quantitative trait locus-số ít, quantitative trait loci-số nhiều) đã đƣợc phát
triển với nhiều mô hình nhằm đáp ứng yêu cầu nghiên cứu. Tính trạng số lƣợng
đƣợc điều khiển bởi nhiều gen, mỗi gen có một ảnh hƣởng nhỏ đối với tính trạng
mục tiêu.
Tính trạng chống chịu ngập đƣợc thể hiện do sự điều khiển của gen chủ lực,
gen điều khiển Sub1 định vị tại một locus giúp cho cây lúa chống chịu đƣợc ngập và
phục hồi bình thƣờng.
Tính chống chịu ngập hoàn toàn là một đặc tính quan trọng cho lúa nƣớc. Di
truyền về tính chống chịu ngập thực sự vẫn chƣa đƣợc hiểu rõ. Một nghiên cứu đã
kết luận rằng tính kháng ngập là một tính trạng di truyền (Mazaredo và Vergara
1982)[59], và tính chịu ngập hoàn toàn trội so với tính mẫn cảm, có ít nhất một gen
chủ lực cùng tồn tại bên cạnh nhiều gen khác (Mohanty và ctv. 1982)[64], với ít
nhất 3 gen trội, trong đó 2 gen lặp đoạn, và gen thứ ba hoạt động bổ sung với 2 gen
còn lại (Suprihatno và Coffman 1981)[83]. Một vài nghiên cứu sau đó đã ghi nhận
tính trạng chống chịu ngập có hệ số di truyền cao và ảnh hƣởng gen cộng tính với ít
nhất một gen chủ lực thể hiện tính trội hoàn toàn hoặc trội từng phần (Mohanty và
ctv. 1982, Mohanty và Khush 1985, Haque và ctv. 1989)[64][63][45]. Có tác giả kết
luận đây là tính trạng đƣợc điều khiển bởi cả gen chủ lực và các gen thứ yếu
(Mohanty và Khush 1985)[63], hay đƣợc điều khiển bởi một gen trội trong FR13A,
18
Vũ Thị Thu Hằng
Đại học Khoa học Tự Nhiên
Luận văn Thạc sỹ Khoa học
Sinh học
Kurkaruppan và Thavalu (Thạch 1994)[86], hoặc đƣợc điều khiển bởi chỉ một gen
trội (Mishra 1995)[62].
Khả năng chống chịu ngập hoàn toàn là một tính trạng di truyền giúp cây lúa
phục hồi sau khi bị ngập hoàn toàn trong nƣớc (10-14 ngày). Cây có thể sống mà
không cần có khả năng vƣơn lóng. Rất ít giống lúa cổ truyền đƣợc ghi nhận có khả
năng này. Những vật liệu đã đƣợc công bố là FR13A, FR43B có nguồn gốc từ Ấn
Độ, giống Kurkaruppan, Thavalu, Goda Heenati có nguồn gốc từ Sri Lanka.
Những gen mục tiêu điều khiển tính chống chịu ngập đã đƣợc phân lập bởi
công trình nghiên cứu của Xu và Mackill (1995)[94]. Các tác giả này đã tìm thấy
gen chủ lực điều khiển tính trạng chống chịu ngập từ giống lúa IR40931-26-3-3-5,
định vị trên nhiễm sắc thể số 9, liên kết với chỉ thị RFLP (C1232), thông qua đó, có
69% biến thiên kiểu hình về tính trạng này đƣợc giải thích.
Một nghiên cứu khác của Vanavichit (1996) cho thấy các gen chống chịu
ngập của giống lúa IR49830-7-1-2-2, liên kết với chỉ thị RFLP (RZ698) và hai chỉ
thị RAPD (AO2c và HO3b), định vị trên nhiễm sắc thể số 9, với giá trị liên kết
khoảng 4 cM. Vị trí của gen chủ lực đƣợc nghiên cứu một cách hệ thống tại IRRI
với kỹ thuật AFLP trên quần thể cận giao tái tổ hợp F8 của tổ hợp lai IR74 /
FR13A, những gen thứ yếu đƣợc công bố định vị trên nhiễm sắc thể số 6, 7, 11 và
NST số 12. (Nandi và ctv. 1997)[67].
1.4. MỘT SỐ LOẠI CHỈ THỊ PHÂN TỬ THƢỜNG ĐƢỢC SỬ DỤNG TRONG
NGHIÊN CỨU GENOME VÀ CHỌN GIỐNG THỰC VẬT
1.4.1. Chỉ thị phân tử ADN
Chỉ thị phân tử (CTPT) là các chỉ thị chọn lọc trực tiếp dựa trên cấu trúc phân tử
ADN. Chỉ thị phân tử ADN có nhiều loại, đa dạng và ổn định trong mọi giai đoạn
của sinh vật. Cây trồng có khoảng 108 – 1010 nucleotide trong ADN tổng số. Thậm
chí, nếu chỉ tính một sai khác rất nhỏ giữa hai cá thể đã dẫn đến một số lƣợng khổng
lồ các chỉ thị ADN giữa 2 cá thể. CTPT ADN rất phong phú do sự đa dạng của
19
Vũ Thị Thu Hằng
Đại học Khoa học Tự Nhiên
Luận văn Thạc sỹ Khoa học
Sinh học
ADN, có tính ổn định và không lệ thuộc vào các yếu tố môi trƣờng cũng nhƣ giai
đoạn phát triển của sinh vật.
Một chỉ thị ADN lý tƣởng phải đạt các yêu cầu sau: Bản chất cho đa hình
cao, di truyền đồng trội, xuất hiện nhiều trong hệ gen, dễ tiếp cận, phân tích nhanh
và dễ dàng. Tuy nhiên, gần nhƣ không thể tìm thấy một CTPT nào có thể thỏa mãn
tất cả những điều kiện trên. Tùy thuộc vào những nghiên cứu mà ngƣời ta sử dụng
một hệ thống chỉ thị thỏa mãn đƣợc một số điều kiện (Nguyễn Duy Bảy và ctv.,
2001)[1].
Chỉ thị phân tử đƣợc chia làm 3 loại chính:
- Chỉ thị dựa trên cơ sở lai ADN
- Chỉ thị dựa trên nguyên tắc nhân bội ADN bằng PCR
- Chỉ thị dựa trên cơ sở những chuỗi có trình tự lặp lại. Nhóm chỉ thị này
thực ra cũng dựa trên cơ sở nhân bội ADN nhƣng do chúng có bản chất là chuỗi lặp
lại nên có thể xếp vào một nhóm riêng.
1.4.1.1. Chỉ thị dựa trên cơ sở lai ADN
Chỉ thị RFLP (Restriction fragment length polymorphism - Đa hình chiều
dài mảnh giới hạn )
Chỉ thị này đƣợc các nhà di truyền học lần đầu tiên giới thiệu trong nghiên
cứu lập bản đồ các gen liên quan đến bệnh ở ngƣời. (Bostein và ctv, 1980)[29]
Trong chỉ thị RFLP, enzym giới hạn đƣợc sử dụng để cắt ADN hệ gen thành nhiều
mảnh ADN có độ dài khác nhau. Các đa hình RFLP sinh ra bởi những đột biến tự
nhiên ở những điểm cắt enzym giới hạn trong ADN bộ gen nhƣ đảo đoạn, thêm
hoặc mất đoạn ADN tùy thuộc vào mỗi giống, mỗi loài thậm chí mỗi cá thể. Mỗi
loài sinh vật có một bộ gen đặc hiệu trong cấu trúc. Vì vậy khi sử dụng những
enzym giới hạn để cắt phân tử ADN của hệ gen, các đoạn cắt ra của ADN với kích
thƣớc hay chiều dài khác nhau có thể đƣợc dùng nhƣ các dấu hiệu di truyền để xem
xét các mẫu nhiễm sắc thể. Sự nhận biết các đoạn cắt đƣợc thực hiện nhờ kỹ thuật
lai với các ADN mẫu dò. (Nguyễn Quang Thạch, Nguyễn Thị Lý Anh)[24]
20
Vũ Thị Thu Hằng
Đại học Khoa học Tự Nhiên
Luận văn Thạc sỹ Khoa học
Sinh học
Chỉ thị RFLP là chỉ thị đồng trội nghĩa là có khả năng biểu hiện tất cả các
alen của cùng một locus gen. Do vậy có thể phân biệt đƣợc các thể đồng hợp tử
(AA hoặc aa) và các cá thể dị hợp tử (Aa). Đây là đặc điểm ƣu việt của chỉ thị
RFLP. Hạn chế của phƣơng pháp này là tốn nhiều thời gian và công sức, đòi hỏi có
phòng thí nghiệm với nhiều trang thiết bị kỹ thuật cao, đặc biệt là tiêu hao một
lƣợng lớn ADN mà số lƣợng đa hình thu đƣợc khá ít, thậm chí ở một số loài khó
nhận đƣợc đa hình. (Lƣu Thị Ngọc Huyền, 2003)[14]
1.4.1.2. Chỉ thị dựa trên cơ sở nhân bản ADN
Phản ứng chuỗi trùng hợp hay kĩ thuật PCR (Polymerase Chain Reaction)
do Kary Mullis đƣa ra, giúp phát hiện sự đa hình ADN dựa trên cơ sở nhân bản các
đoạn ADN với số lƣợng lớn dựa trên nguyên lí tái bản của ADN trong tự nhiên.
Chỉ thị RAPD (Randomly Amplified Polymorphic DNAs – Đa hình các đoạn
ADN nhân bản ngẫu nhiên)
Chỉ thị RAPD hay còn gọi là RAPD – PCR đƣợc hình thành dựa trên
nguyên lý của kỹ thuật PCR đƣợc William và ctv phát triển vào năm 1990. Trong
chỉ thị RAPD không cần dùng cặp mồi đặc hiệu để nhân đoạn ADN nhất định mà
dùng các mồi đơn ngẫu nhiên để nhân các đoạn ADN một cách ngẫu nhiên. Mồi
ngẫu nhiên là đoạn oligonucleotide dài khoảng từ 6 – 12 nucleotide, nhiệt độ kết
cặp thấp. Do tính ngẫu nhiên nên các đoạn mồi này vừa là mồi xuôi, vừa là mồi
ngƣợc. Các đoạn này sẽ bắt cặp với trình tự bổ sung trong hệ gen của sinh vật để
nhân bản. Sự đa hình phát hiện đƣợc khi sử dụng kỹ thuật RAPD có thể là do sự
thay đổi bazơ nucleotide ở vị trí gắn mồi, hoặc sự thêm hay mất nucleotide nằm
trong vùng nhân bản. (Williams J.G, et al (1990)[91]
21
Vũ Thị Thu Hằng
Đại học Khoa học Tự Nhiên
