Nghiên cứu đa dạng di truyền tập đoàn giống lúa chịu ngập ở giai đoạn nảy mầm của việt nam bằng chỉ thị SSR

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NÔI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
------------- -------------

Nguyễn Thị Trang

NGHIÊN CỨU ĐA DẠNG DI TRUYỀN TẬP ĐOÀN
GIỐNG LÚA CHỊU NGẬP Ở GIAI ĐOẠN NẢY MẦM
CỦA VIỆT NAM BẰNG CHỈ THỊ SSR

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – 2016


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NÔI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
------------- -------------

Nguyễn Thị Trang

NGHIÊN CỨU ĐA DẠNG DI TRUYỀN TẬP ĐOÀN
GIỐNG LÚA CHỊU NGẬP Ở GIAI ĐOẠN NẢY MẦM
CỦA VIỆT NAM BẰNG CHỈ THỊ SSR

Chuyên ngành : Di truyền học
Mã số
: 60420121

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS. Vũ Thị Thu Hiền
TS. Đỗ Thị Phúc

Hà Nội – 2016


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận văn này, em nhận được sự giúp đỡ, hướng dẫn, chỉ bảo
tận tình và động viên kịp thời của rất nhiều cá nhân và tập thể.
Đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS. Vũ Thị Thu Hiền Phòng Kỹ Thuật Di truyền - Viện Di truyền Nông nghiệp và cô giáo TS. Đỗ Thị
Phúc – Bộ môn Di truyền học - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã hướng dẫn
em về tài liệu và phương pháp nghiên cứu. Đồng thời đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ,
tạo điều kiện thuận lợi cho em trong quá trình học tập, làm việc và hoàn thành
luận văn này.
Trong quá trình học tập và thực hiện luận văn này em đã nhận được rất
nhiều sự dạy bảo, hướng dẫn, giúp đỡ từ phía các thày cô giáo trong khoa Sinh học,
phòng Sau đại học- Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội
em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ quý báu đó.
Nhân dịp này, em cũng xin tỏ lòng biết biết ơn tới tất cả các cô, chú, các
anh, chị và các bạn đồng nghiệp trong Phòng Kỹ thuật Di truyền - Viện Di truyền
Nông nghiệp đã giúp đỡ, động viên em trong suốt thời gian làm việc và thực hiện
luận văn tại đây.
Cuối cùng, em muốn bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình và bạn bè,
những người thân thiết nhất đã luôn hết lòng ủng hộ, chỉ bảo, động viên em trong
suốt thời gian qua.
Hà Nội, ngày 2 tháng 12 năm 2016
Học viên

Nguyễn Thị Trang

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ................................................................................................................. 1
1. Lý do chọn đề tài .................................................................................................. 1
2. Mục đích nghiên cứu ............................................................................................ 2
3.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .............................................................. 2
4. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu ..................................................... 2
CHƢƠNG I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU ............................................................... 3
1.1. Vài nét sơ lược về cây lúa ................................................................................. 3
1.1.1. Vai trò của cây lúa.......................................................................................... 3
1.1.2. Nguồn gốc và sự phân bố của cây lúa ............................................................ 6
1.2. Tính chống chịu ngập của cây lúa ..................................................................... 6
1.2.1. Ảnh hưởng của lũ lụt đến phương pháp canh tác lúa gieo sạ thẳng .............. 6
1.2.2. Một số đặc điểm hình thái và sinh lý chính về tính chịu ngập của cây lúa.... 8
1.2.3.Một số gen chính liên quan đến tính chịu ngập của cây lúa ........................... 13
1.2.4. Phân loại các giống lúa chịu ngập .................................................................. 14
1.3. Các phương pháp nghiên cứu đa dạng di truyền ............................................... 16
1.3.1.Chỉ thị hình thái ............................................................................................... 16
1.3.2. Chỉ thị sinh hóa .............................................................................................. 16
1.3.3. Chỉ thị phân tử ADN ...................................................................................... 17
1.4. Chỉ thị phân tử SSR và ứng dụng trong nghiên cứu lúa chịu ngập ................... 19
1.4.1. Chỉ thị phân tử SSR........................................................................................ 19
1.4.2.Ứng dụng của chỉ thị phân tư SSR trong nghiên cứu đa dạng di truyền các
giống lúa chịu ngập .................................................................................................. 22
1.4.3 Ứng dụng của chỉ thị phân tư SSR trong nghiên cứu xác định QTL/gene chịu
ngập .......................................................................................................................... 24
1.5. Nghiên cứu đa dạng di truyền và tính chịu ngập cây lúa ở Việt Nam .............. 26
1.5.1. Nghiên cứu đa dạng di truyền cây lúa ở Việt Nam ........................................ 26
1.5.2. Nghiên cứu tính chịu ngập cây lúa ở Việt Nam ............................................. 27
CHƢƠNG II: VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..................... 29

2. 1. Vật liệu nghiên cứu .......................................................................................... 29


2.1.1. Vật liệu thực vật ............................................................................................. 29
2.1.2. Hóa chất ......................................................................................................... 29
2.2. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................... 32
2.2.1. Phương pháp phân tích kiểu hình ................................................................... 32
2.2.2. Phương pháp phân tích kiểu gen .................................................................... 33
2.3. Phân tích số liệu ................................................................................................ 36
2.3.1. Phân tích số liệu kiểu hình ............................................................................. 36
2.3.1. Phân tích số liệu kiểu gen............................................................................... 37
CHƢƠNG III: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN. ......................... 40
3.1. Đánh giá khả năng chịu ngập của 150 giống lúa ở các địa điểm sinh thái khác
nhau thuộc vùng trũng đồng bằng châu thổ Việt Nam ................................................40
3.1.1. Đa dạng kiểu hình tính trạng sức sống cây con chịu ngập của quần thể giống
lúa bản địa Việt Nam. ............................................................................................... 40
3.1.2. Mối tương quan giữa khả năng chịu ngập và tỷ lệ phục hồi sau ngập của các
giống lúa bản địa chịu ngập Việt Nam ở giai đoạn nảy mầm. .....................................43
3.2. Nghiên cứu đa đạng di truyền của tập đoàn lúa chịu ngập. ............................. 47
3.2.1.Tách chiết ADN tổng số .................................................................................. 47
3.2.2. Phân tích đa dạng di truyền của tập đoàn lúa có khả năng chịu ngập bằng chỉ
thị phân tử SSR ........................................................................................................ 48
3.3. Xác định các allele hiếm nhận dạng một số giống trong tập đoàn lúa chịu ngập
nghiên cứu ................................................................................................................ 62
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................... 66
1.Kết luận ................................................................................................................. 66
2. Kiến nghị .............................................................................................................. 66


DANH MỤC CÁC BẢNG

TÊN CÁC BẢNG

Trang

Bảng 2.1. Thông tin về các cặp mồi nghiên cứu

30

Bảng 2.2: Thành phần của một phản ứng PCR

34

Bảng 2.3: Các bước chu trình phản ứng PCR

35

Bảng 2.4: Thành phần gel polyacrylamide

35

Bảng 3.1: Tỷ lệ phục hồi của các giống lúa bản địa Việt Nam chịu

46

ngập ở giai đoạn nảy mầm
Bảng 3.2: Tỉ lệ khuyết số liệu và dị hợp tử của các giống lúa nghiên

50

cứu

Bảng 3.3: Hệ số PIC và tổng số alen thể hiện của 43 cặp mồi SSR với

54

48 giống lúa chịu ngập nghiên cứu
Bảng 3.4: Hệ số tương đồng di truyền của 48 giống với 43 cặp mồi

60

Bảng 3.5: Tổng hợp các allele hiếm nhận dạng các giống

62


DANH MỤC CÁC HÌNH
TÊN CÁC HÌNH
Hình 1.1.Sơ đồ tiến hoá của hai loài lúa trồng (Khush, 1997

Trang
6

Hình 1.2. Các quá trình chuyển hóa liên quan đến sự tăng cường nảy mầm
và vươn dài thân lá lúa trong điều kiện thiếu oxi (Ismail 2009)

10

Hình 1.3. Con đường chuyển hóa glucose ở lúa trong điều kiện ngập nước
(yếm khí)

12

Hình 1.4: Cơ chế bắt chéo lỗi trong giảm phân

21

Hình 1.5: Cơ chế trượt lỗi trong quá trình sao mã

21

Hình 1.6: Bản đồ QTL Sub1 với một số các chỉ thị SSR trên NST số 9

25

Hình 2.1. Minh họa phương pháp xử lý ngập trong ống nghiệm

33

Hình 3.1. Thí nghiệm xử lý ngập trong ống nghiệm ở giai đoạn nảy mầm

41

Hình 3.2: Chiều dài lá của 150 giống lúa bản địa và cải tiến Việt Nam

42

Hình 3.3: Mối tương quan về khả năng chịu ngập của 48 giống nghiên cứu

44

Hình 3.4. ADN tổng số của 48 giống lúa nghiên cứu

47

Hình 3.5: Điện di sản phẩm PCR của các giống lúa nghiên cứu với cặp
mồi RM341; (1-48 là các mẫu giống từ T1-T48); M: 100 bp ADN Ladder
(100-1500 bp)

48

Hình 3.6: Điện di sản phẩm PCR của các giống lúa nghiên cứu với cặp
mồi RM85; (1-48 là các mẫu giống từ T1-T48); M: 100 bp ADN Ladder
(100-1500 bp)

49

Hình 3.7: Điện di sản phẩm PCR của các giống lúa nghiên cứu với cặp
mồi RM10173; (1-48 là mẫu giống từ T1-T48); M: 100 bp ADN Ladder
(100-1500 bp)

49

Hình 3.8: Điện di sản phẩm PCR của các giống lúa nghiên cứu với cặp
mồi RM16589; (1-48 là mẫu giống từ T1-T48); M: 100 bp ADN Ladder
(100-1500 bp)
Hình 3.9: Sơ đồ tỏa tròn về mối quan hệ di truyền của 48 giống lúa chịu

50


ngập ở giai đoạn nảy mầm.

60

Hình 3.10: Điện di sản phẩm PCR của các giống lúa nghiên cứu với cặp
mồi RM485; M: 100bp DNA ladder (100 - 1500bp)

63

Hình 3.11: Điện di sản phẩm PCR của các giống lúa nghiên cứu với cặp
mồi RM16;M: 100bp DNA ladder (100 - 1500bp)

64

Hình 3.12: Điện di sản phẩm PCR của các giống lúa nghiên cứu với cặp
mồi RM307; M: 100bp DNA ladder (100 - 1500bp)

64

Hình 3.13: Điện di sản phẩm PCR của các giống lúa nghiên cứu với cặp
mồi RM485; M: 100bp DNA ladder (100 - 1500bp)

65

Hình 3.14: Điện di sản phẩm PCR của các giống lúa nghiên cứu với cặp
mồi RM25022. M: 100bp DNA ladder (100 - 1500bp)

65


MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài
Trong hệ thống canh tác lúa gieo sạ thẳng, sức sống cây lúa là một trong
những tính trạng giúp cho cây con trốn thoát ngập úng ở giai đoạn nảy mầm, đặc
biệt sau khi gieo sạ bị ngập. Trong những năm gần đây, lũ lụt trở thành vấn đề lớn
đối với việc sản xuất lúa tại các vùng canh tác đất thấp, gây thiệt hại lớn về kinh tế.
Khả năng chịu ngập của cây lúa ở giai đoạn nảy mầm là đặc tính nông học của
giống mà chính bản thân giống lúa đó thể hiện khả năng kéo dài lá mầm nhanh nhất,
ngoi lên khỏi mặt nước tiếp cận oxi để trốn thoát ngập úng (submergence escape).
Đặc tính này đặc biệt quan trọng để đảm bảo thời vụ, giúp quần thể lúa duy trì mật
độ tối ưu trong hệ thống canh tác gieo sạ tại các tỉnh đồng bằng châu thổ ở nước ta.
Việt Nam nằm trong vùng tiểu khí hậu bị ảnh hưởng nghiêm trọng bởi yếu tố
thời tiết thất thường đối với sản xuất nông nghiệp. Canh tác lúa tại đồng bằng châu
thổ của Việt Nam được chia thành 3 vùng chính đó là vùng đồng bằng châu thổ
Sông Hồng (phía Bắc), sông Cửu Long (phía Nam) và các tỉnh đồng bằng ven biển
Miền Trung. Tại các vùng này, việc hình thành cơ cấu giống để canh tác lúa gieo sạ
tại mô hình cánh đồng mẫu lớn đang đặt ra một vấn đề lớn trong sản xuất lúa gạo,
đặc biệt đối với vùng đất thấp dễ xảy ra lũ lụt sớm.
Nghiên cứu đa dạng di truyền là một điều kiện tiên quyết đối với các nhà
chọn giống lúa trong việc khai thác nguồn tài nguyên gen bản địa. Hơn nữa, các nhà
khoa học đã ước tính chỉ có khoảng 15% nguồn gen đa dạng di truyền tiềm năng đã
được sử dụng. Điều đó chứng tỏ rằng phần lớn nguồn biến dị alen về các đặc điểm
nông học có giá trị kinh tế vẫn chưa được sử dụng. Ngoài ra, ở các vùng trồng lúa
của các vùng đồng bằng châu thổ thường bị ngập nước trong suốt mùa mưa. Nhiều
cánh đồng gieo sạ lúa gần như bị ngập trắng hoàn toàn do nước lũ dâng. Cho đến
nay, chọn giống phân tử vẫn chưa được ứng dụng có hiệu quả trong nghiên cứu các
cơ chế kiểm soát sức sống cây giống ở điều kiện ngập lụt, đó là một trong những
nguyên nhân chính làm giảm năng xuất lúa tại những vùng canh tác lúa đất thấp của
Việt Nam. Vì vậy, đánh giá di truyền và cải tạo nguồn gen lúa chịu ngập là một
trong những mục tiêu cấp bách trong chương trình chọn tạo giống. Xuất phát từ
những lý do trên chúng tôi tiến hành thực hiện đề tài: “Nghiên cứu đa dạng di

truyền tập đoàn giống lúa chịu ngập ở giai đoạn nảy mầm của Việt Nam bằng chỉ

1


thị SSR" nhằm cung cấp các thông tin về các nguồn gen lúa chịu ngập, giúp khai
thác và cải tiến sức sống cây giống trong điều kiện ngập úng.
2. Mục đích nghiên cứu
Đánh giá mức độ đa dạng di truyền của tập đoàn giống lúa bản địa Việt Nam
chịu ngập ở giai đoạn nẩy mầm ở mức phân tử, nhằm xác định mối quan hệ di
truyền giữa các nguồn gen địa phương khác nhau phục vụ cho công tác bảo tồn,
khai thác và sử dụng có hiệu quả các nguồn gen lúa chịu ngập bản địa của Việt
Nam.
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
3.1. Ý nghĩa khoa học
Hiểu biết về đa dạng di truyền của các nguồn gen lúa chịu ngập tạo cơ sở lý
luận cho việc chọn lọc, phục tráng để nâng cao tiềm năng di truyền của các giống
lúa chịu ngập trong sản xuất.
Phát hiện sai khác di truyền của các giống lúa chịu ngập có ý nghĩa quan
trọng trong việc xác định các allele hiếm, allele đặc trưng để nhận dạng chính xác
các nguồn gen ưu tú giúp định hướng cho công tác thu thập bảo tồn đa dạng nguồn
gen lúa chịu ngập ở mức phân tử. Phục vụ công tác lai tạo và nghiên cứu lập bản đồ
di truyền, nhằm định vị QTL/gen liên kết với tính trạng chịu ngập.
3.2. Ý nghĩa thực tiễn
Nghiên cứu đa dạng di truyền thông qua các chỉ thị phân tử (SSR) góp phần
nâng cao hiệu quả công tác bảo tồn và chọn tạo giống lúa có phẩm chất gạo tốt,
năng suất cao, có khả năng chịu ngập ở giai đoạn nảy mầm, phù hợp với điều kiện
canh tác lúa gieo sạ tại mô hình cánh đồng mẫu lớn của Việt Nam.
4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
4.1. Đối tượng:

Đối tượng nghiên cứu là cứu là tập đoàn các giống lúa chịu ngập ở giai đoạn
nảy mầm được thu thập ở nhiều địa phương khác nhau, các giống này đang được
lưu giữ và bảo tồn tại ngân hàng gen Cây trồng Quốc gia (Trung tâm Tài nguyên
Thực vật).
4.2. Phạm vi nghiên cứu:
Đề tài nghiên cứu, đánh giá nguồn gen ở mức phân tử bằng chỉ thị SSR
(simple sequence repeat). Các thí nghiệm được tiến hành tại Bộ môn Kỹ thuật Di
truyền - Viện Di Truyền Nông nghiệp.
2


CHƢƠNG I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Vài nét sơ lƣợc về cây lúa
1.1.1. Vai trò của cây lúa
Lúa (Oryza sativa L.) là cây lương thực quan trọng được trồng chủ yếu ở
Châu Á, đặc biệt là khu vực Đông Nam Á trong đó có Việt Nam. Lúa gạo là nguồn
lương thực chủ yếu nuôi sống hàng tỷ người trên thế giới [40]. Sản lượng lúa gia
tăng trong thời gian qua đã mang lại sự an sinh cho con nguời, đặc biệt đối với dân
nghèo: gạo là nguồn cung cấp thức ăn chủ yếu. Các nước nghèo thường dùng gạo là
nguồn lương thực chính, khi thu nhập tăng lên mức tiêu thụ gạo có xu hướng giảm
xuống, thay thế bằng các loại thức ăn cung cấp nhiều protein và vitamin hơn là năng
lượng. Bangladesh và Thái Lan có mức tiêu thụ gạo cao nhất vào những năm 1960
(tương đương 180 kg/người/năm), đến năm 1988 giảm xuống còn khoảng 150 kg. Ở
Việt Nam hiện nay mức tiêu thụ gạo bình quân vẫn còn ở mức cao, khoảng 120
kg/người/năm. Tuy nhiên có thể nói, trên khắp thế giới, ở đâu cũng có dùng đến lúa
gạo hoặc các sản phẩm từ lúa gạo. Khoảng 40% dân số trên thế giới lấy lúa gạo làm
nguồn lương thực chính. Trên thế giới có hơn 110 quốc gia có sản xuất và tiêu thụ
gạo với các mức độ khác nhau. Lượng lúa được sản xuất ra và mức tiêu thụ gạo cao
tập trung ở khu vực Châu Á. Năm 1980, chỉ riêng ở Châu Á đã có hơn 1,5 tỷ dân
sống nhờ lúa gạo, chiếm trên 2/3 dân số Châu Á. Con số này theo ước đoán đã tăng

lên gần gấp đôi [6].
Lúa là cây trồng thân thiết, lâu đời nhất của nhân dân ta và nhiều dân tộc
khác trên thế giới, đặt biệt là các dân tộc ở Châu Á. Mặc dù năng suất lúa ở các
nước Châu Á còn thấp nhưng do diện tích sản xuất lớn nên Châu Á vẫn là nguồn
đóng góp rất quan trọng cho sản lượng lúa trên thế giới (trên 90%). Các quốc gia
dẫn đầu về sản lượng lúa theo thứ tự là Trung Quốc, Ấn Độ, Indoniesia,
Bangladesh, Việt Nam, Thái Lan và Myanmar, tất cả đều nằm ở Châu Á. Như vậy,
có thể nói Châu Á là vựa lúa quan trọng nhất thế giới. Gạo là thức ăn giàu dinh
dưỡng. So với lúa mì, gạo có thành phần tinh bột và protein hơi thấp hơn, nhưng
3


năng lượng tạo ra cao hơn do chứa nhiều chất béo hơn. Ngoài ra, nếu tính trên đơn
vị 1 hecta, gạo cung cấp nhiều calo hơn lúa mì do năng suất lúa cao hơn nhiều so
với lúa mì. Giả sử một người trung bình cần 3200 calo mỗi ngày thì một hecta lúa
có thể nuôi 2055 người/ngày hoặc 5,63 người/năm, trong khi lúa mì chỉ nuôi được
3,67 người /năm, bắp 5,3 người/năm. Hơn nữa, trong gạo lại có chứa nhiều acid
amin, thiết yếu như: Lysine, Threonine, Methionine, Tryptophan… hơn hẳn lúa mì.
Đối với một số quốc gia như Việt Nam, Thái Lan, Miến Điện (Myanmar), Ai Cập
lúa gạo chiếm một vị trí quan trọng trong nền kinh tế quốc dân, không phải chỉ là
nguồn lương thực mà còn là nguồn thu ngoại tệ để đổi lấy thiết bị, vật tư cần thiết
cho sự phát triển của đất nước [6]. Điều này chỉ rõ vị trí của lúa gạo trong cơ cấu
lương thực thế giới và trong đời sống kinh tế quốc tế.
Việt Nam là một trong những nước có nghề truyền thống trồng lúa nước cổ
xưa nhất thế giới. Nông nghiệp trồng lúa vừa đảm bảo an ninh lương thực quốc gia,
vừa là cơ sở kinh tế sống còn của đất nước. Dân số nước ta đến nay hơn 90 triệu
người, trong đó dân số ở nông thôn chiếm gần 80% và lực lượng lao động trong
nghề trồng lúa chiếm khoảng 70% lực lượng lao động cả nước. Điều đó cho thấy
lĩnh vực nông nghiệp trồng lúa thu hút đại bộ phận lực lượng lao động cả nước,
đóng vai trò rất lớn trong nền kinh tế quốc dân. Bên cạnh đó, ưu thế lớn của nghề

trồng lúa còn thể hiện rõ ở diện tích canh tác trong tổng diện tích đất nông nghiệp
cũng như tổng diện tích trồng cây lương thực. Ngành trồng trọt chiếm 4/5 diện tích
đất canh tác trong khi đó lúa giữ vị trí độc tôn, gần 85% diện tích lương thực. Theo
báo cáo của Bộ Nông nghiệp và phát triển Nông thôn, diện tích trồng lúa khoảng 7,8
triệu ha tập trung ở 2 vùng trồng lúa chính là đồng bằng sông Cửu Long (5,29 triệu
ha) và đồng bằng sông Hồng (2,51 triệu ha) với sản lượng lúa cả năm 2014 ước tính
đạt 44,84 triệu tấn, năng suất bình quân đạt 57,4 tạ/ha [4].
Như vậy bên cạnh sự thu hút về nguồn lực con người thì sự thu hút nguồn
lực đất đai cũng lại khẳng định rõ vị trí của lúa gạo trong nền kinh tế quốc dân.
Trong những năm gần đây, Việt Nam có tổng sản lượng lúa hàng năm đứng thứ 5
trên thế giới, nhưng lại là nước xuất khẩu gạo đứng hàng thứ 2 thế giới hiện nay với
4


sản lượng gạo xuất khẩu bình quân trên dưới 4 triệu tấn/năm. Thái Lan luôn là nước
xuất khẩu gạo dẫn đầu thế giới, hơn hẳn Việt Nam (thứ 2) cả về số lượng và giá trị,
do có thị trường truyền thống rộng hơn và chất lượng gạo cao hơn. Mỹ, Ấn Độ,
Pakistan cũng là những nước xuất khẩu gạo quan trọng, sau Việt Nam. Hiện nay,
Việt Nam đứng hàng thứ 6 thế giới về diện tích gieo trồng lúa. Hạt gạo Việt Nam
chẳng những đủ bảo đảm yêu cầu về an ninh lương thực trong nước mà còn góp
phần rất quan trọng trong thị trường lúa gạo thế giới [6].
1.1.2. Nguồn gốc và sự phân bố của cây lúa
Từ trung tâm phát sinh, cây lúa theo thời gian đã được di thực đi nhiều
vùng sinh thái mới. Qua quá trình chọn lọc tự nhiên và nhân tạo, cây lúa có khả
năng thích nghi ngày càng rộng. Hiện nay, cây lúa được trồng trong những điều
kiện sinh thái và khí hậu rất khác nhau. Lúa được trồng ở Tây Bắc Trung Quốc
(50o vĩ Bắc), ở miền Trung Xumatra trên đường xích đạo và ở cả New South
Wales, châu Úc (35 o vĩ Nam). Lúa cũng được trồng từ những vùng thấp hơn
mực nước biển, ở Kerala (Ấn Độ) đến những vùng có độ cao 2000 mét ở
Kasmia (Ấn Độ) và có thể trồng trên cạn hoặc điều kiện nước sâu tới 1,5 - 5

mét [10].
Tổ tiên cây lúa đã tồn tại từ đầu kỷ Phấn trắng. Vào giữa kỷ này, xuất
hiện một trong những loại nguyên thuỷ nhất thuộc tộc Oryzae, đó là loại
Streptochasta Schrad. Đến cuối kỷ Phấn trắng xuất hiện loại tre (Bambusa) và
loại lúa (Oryza). Một số loại khác xuất hiện muộn hơn vào kỷ thứ ba, thời kỳ
phát triển mạnh nhất của họ Hoà thảo (Gramineae). Các loài lúa Oryza spp. có
cùng tổ tiên chung vào thời địa cầu Gondwanaland, sau khi trái đất tách rời thành
năm lục địa cách đây khoảng 85-90 triệu năm [5].
Tác giả Cheng khi nghiên cứu di truyền tiến hoá của 101 giống lúa, bao gồm cả
lúa trồng và lúa dại cho thấy loài lúa trồng Oryza sativa chia thành hai nhóm tương ứng
với hai loài phụ là Indica và Japonica. Trong khi đó Oryza rufipogon chia thành bốn
nhóm, một nhóm là Oryza rufipogon hàng niên và ba nhóm Oryza rufipogon đa niên.
Kết quả cho thấy các giống lúa Japonica có quan hệ gần gũi với một nhóm Oryza
5


rufipogon đa niên, còn các giống lúa Indica có quan hệ gần với nhóm lúa Oryza
rufipogon hàng niên [30].
Hiện nay, nhiều chuyên gia lúa gạo đồng ý rằng lúa glaberrima và lúa
sativa có cùng chung nguồn thủy tổ vào thời kỳ lục địa nguyên thuỷ
Gondwanaland, nhưng sau khi các lục địa tách rời nhau, lúa sativa và glaberrima
tự tiến hoá từ các loài lúa dại bản địa ở hai châu lục là châu Á và châu Phi
(Khush, 1997) [55].

Hình 1.1. Sơ đồ tiến hoá của hai loài lúa trồng (Khush, 1997) [55]
Việc thuần hoá cây lúa diễn ra ở bán đảo Trung Ấn và được bắt đầu khoảng
10.000 - 15.000 năm trước, còn cây lúa trồng đã xuất hiện ở châu Á cách đây
khoảng 8.000 năm [29].
1.2. Tính chống chịu ngập của cây lúa
1.2.1. Ảnh hưởng của lũ lụt đến phương pháp canh tác lúa gieo sạ thẳng

Việt Nam nằm trong vùng khí hậu chịu tác động tiêu cực của biến đổi khí
hậu đến sản xuất nông nghiệp. Đất trồng lúa trải khắp với các tiểu vùng khí hậu
nông nghiệp khác nhau: đất được chủ động tưới tiêu, đất ướt vùng thấp, đất vùng
cao và đất dễ bị ngập lụt. Nguyên nhân chủ yếu làm giảm nghiêm trọng sản lượng
6


lúa ảnh hưởng đến nền kinh tế Việt Nam là vấn đề côn trùng gây hại, dịch bệnh, hạn
hán, lạnh, mặn và ngập lụt…Lúa là loại cây trồng cần nhiều nước nên thường được
trồng ở những khu vực đất thấp thường xuyên đe dọa bởi lũ lụt. Lúa có thể được
canh tác bằng phương pháp cấy hoặc gieo sạ từ 2 - 3 vụ tùy thuộc vào điều kiện khí
hậu nông nghiệp. Trong thế kỷ hai mươi, với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật nông
nghiệp và công nghệ cũng như xu hướng kinh tế mới, hầu hết các nước trồng lúa đã
khuyến khích nông dân chuyển đổi từ phương pháp cấy lúa truyền thống sang gieo
lúa sạ thẳng.
Ở Việt Nam, gieo sạ lúa đã trở nên quen thuộc đối với nông dân trồng lúa ở
các tỉnh phía Nam, giúp giảm công lao động mà năng suất lại cao hơn so với tập
quán nhổ mạ và cấy. Ở các tỉnh phía Bắc, từ năm 2005, Bộ Nông nghiệp và PTNT
có chủ trương phát triển lúa gieo thẳng có sự hỗ trợ của công cụ sạ hàng và diện tích
lúa gieo thẳng ngày càng được mở rộng trong sản xuất, mỗi năm đều tăng từ 1,2 1,5 lần đem lại hiệu quả kinh tế cao cho người nông dân [8]. Gieo sạ cùng thời gian
trong cùng một cánh đồng ở mô hình cánh đồng mẫu lớn ngày càng được nhân rộng
ở các tỉnh trồng lúa và mang lại thu nhập cao, tạo tiền đề cho ngành sản xuất lúa gạo
phát triển bền vững. Vấn đề khuyết mật độ cây trồng là một trở ngại khi áp dụng
biện pháp canh tác này trên diện tích lớn, đặc biệt ở khu vực dễ bị lũ lụt vào đầu vụ.
Thêm vào đó, một số tỉnh Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) có nhiều
vùng đất khác nhau và trong mỗi tiểu vùng, nông dân phải đối mặt với nhiều khó
khăn trong sản xuất lúa. Mùa mưa, những vùng trũng lúa bị ngập úng, nhiều trà lúa
gieo sạ bị chết do nước chụp. Đồng bằng Bắc Bộ và các tỉnh miền Trung, hàng năm
từ tháng 7 đến tháng 10 ở vụ mùa, giai đoạn sau gieo sạ hay gặp mưa lớn kéo dài
trên diện rộng, khi ngập nước trở nên nghiêm trọng với mực nước từ 30 đến 90 cm

trong vòng 5 đến 15 ngày, nước tiêu không kịp và dâng cao tràn vào các ruộng lúa
gây ngập úng toàn diện hoặc cục bộ làm mất trắng từ hàng chục đến hàng trăm
hecta lúa sạ. Theo Cục Trồng trọt, kể từ 2008, gieo thẳng được phát động như một
tình thế khắc phục thiếu mạ do chết rét, với tổng diện tích gieo thẳng toàn miền Bắc
7


là trên 168 ngàn ha, chiếm 14,6% diện tích lúa toàn miền, thì đến vụ xuân 2011,
diện tích lúa gieo thẳng toàn miền đã đạt trên 229 ngàn ha chiếm 20% diện tích lúa,
tăng gần 14% [8]. Gieo sạ thẳng đã góp phần tiết kiệm chi phí, hạ giá thành, tạo tiền
đề và động lực cho dồn đổi đất đai, cơ giới hóa sản xuất để hình thành vùng sản
xuất hàng hóa tập trung. Các tính toán qua 2 - 3 vụ cho thấy cứ mỗi ha gieo thẳng
tiết kiệm chi phí và làm lợi cho nông dân 3 - 4 triệu đồng. Nếu nhân con số này với
trên 200.000 ha thì số tiền mang lại là cả ngàn tỷ đồng mỗi năm. Gieo thẳng cũng
còn một loạt các vấn đề kỹ thuật cần giải quyết như giống lúa thích hợp ngập úng,
chịu thâm canh và chống đổ tốt hơn.
Hơn nữa, trong những năm gần đây với sự biến đổi thất thường của khí hậu
đã làm cho ngập lũ trở thành một trong những thảm họa thiên nhiên nghiêm trọng
nhất [42]. Lúa là cây trồng quan trọng bậc nhất ở Việt Nam và những nghiên cứu về
tính chống chịu sinh học và phi sinh học như chịu ngập là chủ đề có tầm chiến lược
trong chương trình chọn tạo giống lúa. Do vậy nghiên cứu cơ bản tạo tiền đề cho
ứng dụng chọn tạo giống lúa thích ứng với khả năng gieo sạ thẳng, đặc biệt là ở
những vùng đất lúa thường xuyên bị ngập lụt trong các hệ thống canh tác lúa sạ ở
nước ta trở nên rất quan trọng.
1.2.2. Một số đặc điểm hình thái và sinh lý về tính chịu ngập của cây lúa
Lúa là cây trồng danh tiếng có thể sinh trưởng tốt trong điều kiện ngập úng
và thể hiện phổ biến dị di truyền rộng về tính chịu ngập. Trong điều kiện bị ngập,
hàm lượng oxy khuếch tán vào nước giảm 10.000 lần so với trong không khí [24].
Khi bị ngập hàm lượng oxy trong nước giảm xuống dưới mức thích hợp cho cây
trồng sinh trưởng thì được gọi là điều kiện yếm khí một phần (hypoxia). Hiện

tượng này xảy ra khi bộ rễ của cây trồng bị ngập trong một thời gian ngắn nhưng
thân của chúng vẫn còn ở trên mặt nước. Sau khi đất bị ngập nước thì hàm lượng
oxy giảm nhanh tới mức chỉ trong vòng một ngày là có thể không phát hiện được
oxy nữa, khi oxy không còn hiện diện ở trong nước thì được gọi là yếm khí toàn
phần (anoxia) [78].
8


Lúa thể hiện hai xu hướng khác nhau về chiến lược chịu ngập hoặc là mọc
vươn dài ra để thoát khỏi tình trạng ngập, hoặc không vươn dài để bảo tồn nguồn
năng lượng. Các chiến lược chịu ngập này phụ thuộc vào từng giai đoạn sinh trưởng
phát triển, cũng như những vùng đất chịu tác động khác nhau khi ngập úng. Nhìn
chung, đặc tính chịu ngập của lúa ở giai đoạn nẩy mầm thể hiện bằng cơ chế sức
sống của cây con nẩy mầm nhanh và sinh trưởng sớm để cây lúa vươn lên khỏi mặt
nước và tiếp cận với oxy [47]. Theo đó, sức sống cây con đóng một vai trò quan
trọng trong việc “trốn thoát” khỏi tình trạng ngập, đó cũng là yếu tố quan trọng
trong hệ thống canh tác gieo sạ bằng máy [32]. Lúa chịu ngập ở giai đoạn nảy mầm
hay sức sống cây con (seedling vigor) đề cập đến tất cả các yếu tố làm cây giống
tăng trưởng sớm, bao gồm các quá trình sinh lý ở các giai đoạn dị dưỡng, chuyển
đổi và tự dưỡng [33]. Hầu hết các giống lúa ở thời kỳ mạ đều vươn dài thân lá một
cách tối đa khi bị ngập nước hoàn toàn, mức độ vươn dài đó phụ thuộc vào đặc tính
di truyền của giống và bị ảnh hưởng bởi môi trường ngập hoặc tình trạng cây con
trước khi bị ngập [53].
Sự tăng quá trình sử dụng cacbohydrate giúp phân chia tế bào và kéo dài tế
bào giúp cây lúa vươn nhanh thân lá để trốn thoát ngập [81; 89]. Lũ lụt dẫn đến quá
trình chuyển đổi từ môi trường bình thường sang tình trạng thiếu oxy, lúa thể hiện
sự biến dị về khả năng vươn dài thân lá khi bị ngập nước [31]. Trong điều kiện thiếu
oxi, các giống chịu ngập sẽ vươn dài cây nhanh hơn để giúp cây con thoát ngập.
Cây sẽ sử dụng các năng lượng dự trữ thông qua sự hoạt động của enzym thủy
phân tinh bột và hô hấp yếm khí [48]. Một số quá trình chuyển hóa nhằm cung cấp

năng lượng cần thiết và giúp cây vươn lóng trong điều kiện thiếu oxi (Hình 1.2). Sự
tăng cường quá trình chuyển hóa tinh bột dự trữ nhờ sự hoạt động của enzym
amylaza phân huỷ tinh bột là bước quan trọng nhất giúp cây sống sót và phát triển
trong tình trạng ngập. Hô hấp hiếm khí giúp đường hòa tan tham gia vào quá trình
dị hóa (glycolysis) để giải phóng năng lượng. Quá trình này nhờ sự kích hoạt của
hai enzym PDC (Pyruvate dehydrogenase) và ADH (Alcohol dehydrogenases) là
những enzym quan trọng của quá trình lên men rượu. Khi nảy mầm, ethylene được
9


sản sinh bằng cách phát triển phôi để kéo dài tế bào. Ethylene cũng có thể làm tăng
thêm quá trình thủy phân tinh bột bằng cách giảm tổng hợp ABA (Axít abscisic)
trong khi đó lại tăng cường sự tổng hợp GA (Axít gibberellic). Cả hai quá trình này
đều tăng cường sự hoạt động của các enzyme thủy phân tinh bột mà đặc biệt là
amylase.

Hình 1.2. Các quá trình chuyển hóa liên quan đến sự tăng cường nảy mầm và
vươn dài thân lá lúa trong điều kiện thiếu oxi [48].
Cho đến nay, chưa có nhiều nghiên cứu về sinh lý, hóa sinh và phân tử của
lúa chịu ngập yếm khí ở giai đoạn nảy mầm. Hô hấp yếm khí là một quá trình bắt
buộc trong điều kiện thiếu oxi. Nhưng nếu duy trì lâu thì cây sẽ chết vì năng lượng
rất ít và sản sinh một số sản phẩm như rượu, axit mà nếu tích lũy nhiều sẽ gây độc
cho cây. Hô hấp yếm khí cũng là một phản ứng thích nghi giúp cây tồn tại tạm thời
trong điều kiện thiếu oxi. Một số thực vật có khả năng sống trong môi trường
thường xuyên thiếu oxi vì chúng có các cơ chế thích nghi và chống chịu với yếm
khí [88]. Nhìn chung, quá trình thủy phân đường (glycolysis) và lên men ethanol là
những con đường chính để cung cấp năng lượng trong sự nảy mầm và phát triển cây
con giai đoạn mạ trong điều kiện bị ngập nước [61; 71]. Con đường lên men rượu
đóng một vai trò chủ đạo trong điều kiện yếm khí, trong đó ATP hình thành thông
10

qua sự phosphoryl hóa oxy hóa trong ty lạp thể. Quá trình trao đổi chất và chức
năng của tế bào bị giảm do giảm hiệu quả của hô hấp kỵ khí. Đây là nguyên nhân
gây ra sự khủng hoảng năng lượng, vì trong quá trình glycolysis (thủy phân đường)
chỉ tạo được 3 phân tử ATP từ một phân tử đường hexose (đường chứa 6 phân tử
cacbon). Trong khi đó ở điều kiện hiếu khí, một phân tử đường có thể tạo ra 39
phân tử ATP trong tế bào [48].
Bên cạnh đó, quá trình lên men alcohol (AF) là một trong những quá trình
thích ứng chuyển hóa chính để cây trồng đối mặt với tình trạng thiếu oxi khi cây lúa
bị ngập nước. Ethylene gián tiếp điều khiển sự phát triển của lóng thân khi ngập
nước [36] ACC synthase (ACS) and ACC oxidase (ACO) là enzyme quan trọng
trong quá trình sinh tổng hợp ethylene, hoạt tính của những enzyme này biểu hiện
khi cây lúa bị ngập nước [76]. Năng lượng ATP được hình thành trong điều kiện
thiếu oxi là rất quan trọng giúp cây lúa thoát ngập. Vì vậy, giống lúa có khả năng dự
trữ hàm lượng carbohydrate cao trước khi ngập, kết hợp với khả năng duy trì sản
xuất năng lượng ATP trong điều kiện hiếm khí là yếu tố cơ bản giúp cây lúa nảy
mầm yếm khí [72].
Cũng theo nghiên cứu của Tsuji H và cs., 2003b [86] cho rằng: Đường phân
và lên men ethanol là các quá trình quan trọng nhằm sản sinh năng lượng cung cấp
cho tế bào. Quá trình lên men ethanol được thực hiện bởi hai bước: Đầu tiên,
pyruvate (PDC) được tạo ra từ quá trình thủy phân đường glucose. Tiếp theo, dưới
xúc tác của enzym pyruvate decarboxylase, một phân tử PDC sẽ chuyển hóa thành
phân tử acetaldehyde (ALDH). Nối tiếp của quá trình đường phân là một phân tử
ALDH được chuyển hóa thành ethanol nhờ xúc tác của enzym alcohol
dehydrogenase (ADH). Mặt khác, một phân tử pyruvate được tạo ra từ quá trình
đường phân và 1 phân tử ALDH được hình thành từ quá trình lên men ethanol. Hai
phân tử này đồng thời tham gia vào quá trình oxi hóa trong ty thể. Kết quả của quá
trình oxi hóa nhằm chuyển NADH thành NAD+ , cho phép các tế bào thực vật tiếp
tục quá trình đường phân và duy trì năng lượng ATP trong điều kiện ngập (Hình

1.3).
11


Hình 1.3. Con đường chuyển hóa glucose ở lúa trong điều kiện ngập nước [86].
Về hình thái học, cây lúa tự biến đổi hình thái ở rễ nhằm thích nghi với ngập
úng như: gia tăng số lượng rễ phụ và rễ khí sinh có độ rỗng cao hơn những rễ thông
thường nhằm tăng cường khả năng vận chuyển oxy xuống những phần bị ngập
nước; tăng cường khả năng thành lập mô dẫn khí (aerenchyma). Mô dẫn khí là một
dạng tế bào đặc biệt của rễ thường hiện diện ở những loài thực vật sống ở vùng đất
ngập nước và một số ít loài trên cạn khi bị ngập nước [68]. Hình thái điển hình của
cây lúa chịu ngập ở giai đoạn nảy mầm là vươn lóng nhanh nhất để giúp cây tiếp
cận với oxi ở trên mặt nước [47].
Ngược lại, khả năng chịu ngập (submergence tolerance) là tính trạng liên
quan đến cây lúa ở giai đoạn sinh trưởng sinh dưỡng có khả năng phục hồi khi sau
khi ngập hoàn toàn từ 10 - 14 ngày [49]. Cơ chế hình thái và sinh lý của lúa ở giai
đoạn này là hạn chế sinh trưởng, ức chế hình thành diệp lục và tăng cường dự trữ
hàm lượng carbohydrat. Nhờ vào chiến lược ngừng hoạt động (quiescense strategy)
12


sẽ giúp cây lúa chịu đựng môi trường ngập, chờ đến khi nước rút để mọc ra các lá
mới. [49; 82].
1.2.3. Một số gen chính liên quan đến tính chịu ngập của cây lúa
Khả năng chịu ngập là một tính trạng giúp cây lúa phục hồi sau khi bị ngập
hoàn toàn trong nước (10-14 ngày). Đặc tính này do sự kiểm soát của gen Sub1 nằm
trên nhiễm sắc thể số 9, được phân lập từ giống lúa indica FR13A có nguồn gốc từ
Ấn Độ. Nhờ sự hoạt động của gen Sub1 trong môi trường ngập sẽ kìm hãm sự phát
triển thân lá để dự trữ hàm lượng cacbohydrat và cung cấp năng lượng cho cây lúa
sau khi nước rút, giúp cây lúa phục hồi nhanh chóng sau ngập úng [36].

Trong khi đó, sự sinh trưởng sớm của cây con và tỷ lệ nẩy mầm là hai yếu tố
cơ bản để đánh giá mức độ chịu úng khi nẩy mầm ở lúa [27]. Sự vươn dài lá mầm
của lúa trong điều kiện ngập úng được thể hiện rất rõ, tuy nhiên cơ chế và gen liên
quan đến quá trình này mới được khám phá trong nghiên cứu gần đây (Xu và cs.,
2006) [96]. Khả năng chịu ngập của cây lúa ở giai đoạn nảy mầm hay thoát ngập
(submergence escape) là một tính trạng khá phức tạp, do ảnh hưởng của nhiều gen
và các yếu tố môi trường. Expansins đóng vai trò quan trọng trong vươn dài lá mầm
yếm khí nhờ vào việc phát triển chiều rộng của tế bào [21]. EXPA7, EXPB12,
EXPA2 và EXPA4 được xác định là các gen ứng cử viên liên quan đến sự vươn dài
lá mầm yếm khí [45].
Nhiều thay đổi chuyển hóa xảy ra trong quá trình nảy mầm và sinh trưởng
sớm trong điều kiện yếm khí, chức năng quan trọng của quá trình lên men ethanol
trong điều kiện ngập nước được coi là nhân tố để tái sinh NAD+ nhằm sản sinh ra
năng lượng trong môi trường yếm khí thông qua đường phân, hay hô hấp yếm khí
[35]. Các quá trình này thường liên quan đến hoạt động của một số gen như ADH
(alcohol dehydrogenase), ALDH2a (acetoaldehyde dehydrogenase) và PDC
(pyruvate decarboxylase). Sự biểu hiện của các gen ADH1, ADH2 và ALDH2a đều
tăng trong điều kiện ngập ở cả hai loài phụ lúa indica và japonica, trong khi đó gen
ALDH2b không biểu hiện. Kết quả cho thấy biểu hiện của các gen ADH1, ADH2 và
ALDH2a liên quan đến tính chịu ngập ở giai đoạn cây con, tuy nhiên sự biểu hiện
13


này không phải là gen chính quyết định mức độ khác nhau về tính trạng sức sống
cây con chịu ngập của một giống/ một kiểu gen cụ thể [92]. Theo nghiên cứu của
Kato-Noguchi và cs., 2001 [54], sự vươn thân lá liên quan chặt chẽ đến tăng sự hoạt
động gen ADH lúa ở giai đoạn cây con thể hiện ở cả 2 loài phụ indica và japonica.
Đồng phân ty thể của gen ALDH2 được mã hóa bởi ít nhất hai gen trong nhân hệ
gen lúa.
Locus Sub1 đóng vai trò quan trọng trong cơ chế chịu ngập của lúa ở giai

đoạn trưởng thành thông qua sự hạn chế tối thiểu vươn dài thân lá và ức chế diệp
lục. Nhưng gen Sub1A không có tác dụng kìm hãm sự kéo dài thân lá của lúa ở giai
đoạn mạ khi ngập. Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy cây lúa thể hiện cơ chế chịu
ngập khác nhau tại các thời điểm sinh trưởng khác nhau trong phản ứng với môi
trường ngập [92]. Ethylene có tác dụng kích thích sự kéo dài lóng thân và thành lập
mô dẫn khí ở rễ lúa [51; 67]. Gần đây, các phát hiện về mới về khả năng chịu ngập
trên cây lúa phần lớn đều liên quan đến các gene sản sinh ethylene trong quá trình
ngập nước như Sub1, SK1 và SK2 [96; 37; 38; 41; 66]. Khi lúa bị ngập làm kích
thích sự hoạt động của hai gene (SK1 và SK2) dẫn đến ethylene được tích tụ,
giberelin được tăng cường sự tổng hợp làm cho cây lúa vươn dài lóng. Các chuyên
gia cho rằng nếu tình trạng ngập xảy ra nhanh (10 - 14 ngày) thì gen Submergence
(Sub1) giúp lúa chống chịu ngập, nhưng nếu tình trạng ngập kéo dài thì cặp gene
Snorkel 1 (SK1) và Snorkel 2 (SK2) sẽ thể hiện ưu thế giúp cây lúa thoát ngập. Như
vậy, cả gen Submergence và Snorkel đều có vai trò quan trọng và khả năng ứng
dụng rất lớn trong chọn tạo giống lúa chịu ngập. Ethylene liên quan đến cả hai
phương thức chống chịu của cây như duy trì khả năng hô hấp yếm khí và kích thích
vươn lóng khi bị ngập.
1.2.4. Phân loại các giống lúa chịu ngập
Theo nghiên cứu của Tạ Hồng Lĩnh và cs., 2015 [9] việc điều tra và phân
loại vùng trồng lúa gặp nhiều khó khăn vì tiêu chuẩn định danh chưa thống nhất.
Thuật ngữ về vùng sinh thái trồng lúa đã được thay đổi nhiều lần. Vì vậy, từ năm
1979 đến năm 1984, các nhà khoa học của Viện Nghiên cứu lúa Quốc tế (IRRI) đã
14


thành lập một Ủy ban Quốc tế để phân loại và định danh vùng sinh thái lúa ngập,
nhằm thống nhất cách gọi tên để giúp ích cho việc xác định mục tiêu nghiên cứu rõ
ràng hơn. Căn cứ vào mức độ và thời gian bị ngập lụt các nhà khoa học đã đưa ra
các tên gọi khác nhau:
- Ngập lụt có thể xảy ra bất kỳ giai đoạn nào trong thời vụ trồng lúa. Thời

gian ngập lụt từ 1 đến 2 tuần và sự ngập lụt có thể xảy ra sớm ngay từ khi hạt nảy
mầm trong điều kiện ruộng lúa gieo thẳng.
- Ngập úng thường xuyên: Là hiện tượng ngập dài hạn khi lớp nước sâu tới
60 cm trong suốt thời gian sinh trưởng của lúa. Loại ngập úng này làm giảm năng
suất nghiêm trọng của những giống lúa do giảm tỷ lệ đẻ nhánh, giảm kích thước
bông và độ đậu hạt và gây chết đối với cây lúa.
- Ngập sâu xảy ra khi mực nước sâu lớn hơn chiều cao cây lúa và kéo dài
nhiều tháng, ruộng lúa của giống thích ứng ngập sâu do di truyền hoặc giống có
chiều cao lớn.
Gần đây, các nhà khoa học của Viện Nghiên cứu lúa Quốc tế (IRRI) đã dựa
vào những thời gian cây lúa bị ngập tại các vùng bị ảnh hưởng bởi lũ lụt “flood
prone rice” và thống nhất chia thành 4 nhóm giống như sau:
1/ Nhóm lúa chống chịu ngập hoàn toàn trong vòng 10 ngày, sau đó có thể
phục hồi khi nước rút. Đó là những vùng bị lũ quét, hay vùng bị ngập bị động và
bất ngờ “flash flood”, tính chống chịu trong điều kiện như vậy được gọi là
“complete submergence”
2/ Nhóm lúa có khả năng vượt nước 5 - 10 cm/ngày hoặc nhiều hơn trong
vùng lũ lụt kéo dài 3 - 4 tháng/năm. Đó là vùng lúa nổi (floating rice) ở Đồng bằng
sông Cửu Long trước đây. Loại hình lũ lụt như vậy được gọi với thuật ngữ quốc tế
là “stagnant flood”, nước dâng chậm, kéo dài nhiều tháng. Tính chống chịu
trong điều kiện như vậy được gọi là “khả năng vươn lóng” (elongation
ability).
3/ 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 cường. Đó là vùng bị ngập
15


xen kẽ (mixed flood).
4/ Nhóm lúa không có khả năng vượt nước, nhưng thích nghi tốt trong vùng
nước ngập sâu, lũ lụt kéo dài 2 - 3 tháng, thuật ngữ chung gọi là “deep water rice”

(lúa nước sâu), lúa có tính cảm quang, thời gian trỗ thường xảy ra khi nước rút.
1.3. Các phƣơng pháp nghiên cứu đa dạng di truyền
Đa dạng di truyền là kết quả của quá trình biến đổi trong vật chất di truyền
sinh vật (trình tự ADN, số lượng cấu trúc nhiễm sắc thể) theo các con đường tự
nhiên (lai- phân ly, tái tổ hợp, đột biến tự nhiên…) hay bởi con người (lai-chọn tạo
giống, gây đột biến..). Đa dạng di truyền có vai trò quan trọng trong công nghệ sinh
học nông nghiệp. Trên nhiều đối tượng thực vật, nghiên cứu đa dạng di truyền đã
được thực hiện từ khá lâu với nhiều phương pháp tiếp cận khác nhau, mỗi phương
pháp cung cấp cho người sử dụng các loại thông tin khác nhau. Việc lựa chọn
phương pháp đánh giá phụ thuộc vào mục đích của người nghiên cứu.
1.3.1 Chỉ thị hình thái
Nghiên cứu đa dạng di truyền dựa trên chỉ thị hình thái là phương pháp đánh
giá thông qua các đặc điểm hình thái (hình dạng, kích thước, đặc điểm các bộ phận).
Với ưu điểm là dễ dàng tiếp cận, không đòi hỏi các thiết bị đắt tiền cũng như quy
trình phức tạp. Tuy nhiên, việc sử dụng chỉ thị hình thái trong phân tích đa dạng di
truyền có những hạn chế: (1) Số lượng các chỉ tiêu hình thái có hạn, chỉ thị hình thái
chịu tác động của môi trường và phụ thuộc vào giai đoạn nhất định của quá trình
phát triển; (2) Việc đánh giá mang tính chất thông kê nên cần thực hiện với số lượng
lớn để đảm bảo tính chính xác; (3) Có nhiều tính trạng do đa gen quy định mà
không phải toàn bộ gen đều biểu hiện ra kiểu hình mà có thể đánh giá được. Vì thế
cho đến nay, các nhà chọn giống thường kết hợp sử dụng các chỉ tiêu hình thái với
việc xác định bằng chỉ thị sinh hoá và chỉ thị phân tử ADN để đạt được kết quả
chính xác nhất [12; 101].
1.3.2. Chỉ thị sinh hóa
Chỉ thị sinh hoá là loại chỉ thị có bản chất là đa hình protein, bao gồm chỉ thị
isozyme và các loại protein dự trữ. Các protein khác nhau có khối lượng phân tử và
điểm đẳng điện khác nhau, vì vậy chúng có thể di chuyển với tốc độ khác nhau
trong quá trình điện di tạo thành những đặc điểm đặc trưng trên gel điện di và có thể
16

hiện thị bằng phương pháp nhuộm. Cơ chế này được điều khiển bởi vật chất di
truyền là ADN, thông qua dòng thông tin di truyền từ ADN -ARN-protein [15]. Chỉ
thị protein và chỉ thị enzyme thuộc loại đồng trội có độ tin cậy cao đồng thời có thể
phát hiện ra các biến dạng khác nhau của protein. Tuy nhiên, do số lượng không
nhiều và sự biểu hiện chúng phụ thuộc vào giai đoạn sinh trưởng và phát triển của
cá thể, nên các chỉ thị protein và isozyme được ứng dụng tương đối hạn chế [3].
1.3.3. Chỉ thị phân tử ADN
Các chỉ thị phân tử ADN dựa trên bản chất đa hình ADN. Chỉ thị phân tử
ADN có thể là một gen hoặc những đoạn ADN đặc hiệu. Chỉ thị di truyền phân tử
có tính ổn định cao và có thể xác định trong tất cả các loại mô với độ chính xác cao
mà không bị ảnh hưởng bởi yếu tố môi trường. Chỉ thị phân tử được chia làm hai
nhóm chính:
- Chỉ thị dựa trên cơ sở nguyên lý lai ADN: chỉ thị RFLP.
- Chỉ thị dựa trên cơ sở nhân bản ADN bằng kỹ thuật PCR: RAPD, AFLP, SSR.
1.3.3.1. RFLP (Restriction Fragment Length Polymorphism - Đa hình chiều
dài mảnh phân cắt giới hạn)
RFLP là một kỹ thuật nhận dạng ADN bằng cách lai axit nucleic. Nguyên lý
của phương pháp: ADN của bộ gen sau khi cắt bằng enzyme giới hạn sẽ thành
những đoạn có kích thước khác nhau. Khi điện di những đoạn này sẽ phân bố ở
những vị trí khác nhau trên gel, qua biến tính các đoạn này trở thành sợi đơn và
được chuyển lên màng lai celulose hoặc nylon. Kết quả của phản ứng lai là chúng ta
có thể xác định được sự đa hình giữa các mẫu ADN khác nhau . Chỉ thị RFLP là chỉ
thị đồng trội được sử dụng phổ biến trong tạo giống cây trồng với nhiều mục đích
khác nhau: lập bản đồ di truyền, chọn lọc sớm tính trạng đơn gen, phân tích đa hình
di truyền. Tuy nhiên hạn chế của phương pháp này là tốn nhiều thời gian, công sức,
kỹ thuật phức tạp, độc hại do sử dụng chất phóng xạ và đòi hỏi ADN chất lượng cao
[15; 62].
1.3.3.2. Chỉ thị AFLP (Amplified Fragment Length Polymorphism - Đa hình
chiều dài các đoạn được nhân bản chọn lọc)

Các chỉ thị AFLP được dùng như một công cụ đặc trưng để xác định mức độ
quan hệ giữa các giống, loài và là nguồn chỉ thị di truyền dùng cho lập bản đồ liên
17