Đánh giá nguồn vật liệu bố mẹ và chọn tạo giống lúa lai thơm hệ hai dòng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

VIỆN KHOA HỌC NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM
......  ……

TRẦN MẠNH CƢỜNG

ĐÁNH GIÁ NGUỒN VẬT LIỆU BỐ MẸ VÀ CHỌN TẠO
GIỐNG LÖA LAI THƠM HỆ HAI DÕNG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ NÔNG NGHIỆP
Chuyên ngành: Di truyền và chọn giống cây trồng
Mã số

: 62 62 01 11

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: 1: GS.TSKH. Trần Duy Quý
2: PGS.TS. Trần Văn Quang

HÀ NỘI - 2017


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
LỜI CẢM ƠN

I

II

MỤC LỤC III
DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

VI

DANH MỤC BẢNG

VIII

DANH MỤC HÌNH

XII

MỞ ĐẦU

1

1. Tính cấp thiết của đề tài luận án

1

2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài luận án

3

3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài luận án

3

3.1. Ý nghĩa khoa học

3

3.2. Ý nghĩa thực tiễn

3

4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

4

5. Những đóng góp mới của đề tài luận án

5

CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU VÀ CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI
LUẬN ÁN
1.1. Tình hình nghiên cứu và phát triển lúa lai trong và ngoài nƣớc

6
6

1.1.1. Nghiên cứu và phát triển lúa lai trên thế giới

6

1.1.2. Nghiên cứu và phát triển lúa lai trong nƣớc

14

1.2. Hệ thống bất dục đực sử dụng trong chọn giống lúa lai hai dòng

18

1.2.1.

Bất dục đực di truyền nhân mẫn cảm nhiệt độ (TGMS) trên lúa

18

1.2.2.

Bất dục di truyền nhân cảm ứng ánh sáng (PGMS) ở lúa

20

1.3. Phƣơng pháp chọn tạo các dòng bố mẹ lúa lai hai dòng
1.3.1. Phƣơng pháp tạo dòng mẹ lúa lai hai dòng

22
22


iv

1.3.2. Phƣơng pháp tạo dòng bố lúa lai
1.4. Di truyền của một số tính trạng liên quan đến chất lƣợng ở lúa

26
29

1.4.1. Di truyền và các yếu tố ảnh hƣởng đến tính thơm

29

1.4.2. Di truyền của kích thƣớc hạt

33

1.4.3. Di truyền hàm lƣợng amylose

34

1.4.4. Di truyền tính trạng hàm lƣợng protein

35

1.4.5. Di truyền tính trạng nhiệt độ hóa hồ

36

1.4.6. Di truyền tính trạng độ bền thể gel

36

1.5. Nghiên cứu về chọn tạo giống lúa lai chất lƣợng cao

37

1.6. Đánh giá khả năng kết hợp của các dòng bố và các dòng TGMS

40

1.7. Một số nghiên cứu về biện pháp kỹ thuật sản xuất hạt lúa lai F 1

43

1.7.1. Xác định thời vụ sản xuất hạt lai F1

44

1.7.2. Nghiên cứu tỷ lệ hàng bố mẹ

45

1.7.3. Nghiên cứu mật độ và số dảnh cơ bản

45

1.7.4. Nghiên cứu sử dụng GA3 để nâng cao năng suất hạt lai F1

46

CHƢƠNG 2 ĐỐI TƢỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

48

2.1. Vật liệu nghiên cứu

48

2.2. Nội dung nghiên cứu

48

2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu

49

2.3.1. Đánh giá và chọn lọc dòng bố mẹ phục vụ cho chọn tạo tổ hợp
lúa lai thơm hai dòng

49

2.3.2. Đánh giá khả năng kết hợp và tuyển chọn tổ hợp lúa lai hai
dòng có triển vọng
2.3.3. So sánh các tổ hợp lai trong vụ Mùa 2012

55
57

2.3.4. Nghiên cứu một số biện pháp kỹ thuật để thiết lập quy trình
nhân dòng mẹ và sản xuất hạt lai F1

58

2.3.5. Khảo nghiệm giống lúa lai hai dòng HQ19

61


v

CHƢƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN

63

3.1. Đánh giá và chọn lọc dòng bố, mẹ phục vụ cho chọn tạo tổ hợp
lúa lai hai dòng thơm

63

3.2. Đánh giá khả năng kết hợp và tuyển chọn tổ hợp lúa lai hai dòng
có triển vọng

91

3.3. Kết quả so sánh, tuyển chọn tổ hợp lúa lai hai dòng trong vụ
Mùa 2012

111

3.4. Kết quả thiết lập qui trình sản xuất hạt F1 của tổ hợp lúa lai hai
dòng HQ19 và qui trình nhân dòng mẹ E15S-2
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ

115
131

1. Kết luận

131

2. Đề nghị

132

CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CÓ LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI LUẬN ÁN 133
TÀI LIỆU THAM KHẢO

134

PHỤ LỤC

154


vi

DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt

Nghĩa

ADN Acid Deoxyribo Nucleic

Axít Deoxyribonucleic

AFLP Amplified Fragment Length Đa hình chiều dài đoạn phân cắt đƣợc
Polymorphism
nhân bội
ARN Acid Ribonucleic

Axít ribonucleic

cM Centimorgan

Đơn vị khoảng cách bản đồ di truyền

CMS: Cytoplasmic Male Sterile

Bất dục đực tế bào chất, ký hiệu là
dòng A

EGMS: Environment
Genic Male Sterility

sensitive

Dòng bất dục đực di truyền nhân
mẫn cảm với môi trƣờng

Agriculture

Tổ chức Lƣơng thực và Nông nghiệp
Liên Hiệp Quốc

FAO: Food

Oganization

and

GCA: General Combining Ability

Khả năng kết hợp chung

IAARD: Indonesian Agency for Viện Nghiên cứu và Phát triển Nông
Agricaltural
Research
and nghiệp Indonesia
Development
IRRI: International Rice Research Viện Nghiên cứu lúa Quốc tế
Institute
MAS: Marker Assisted Selection
PGMS:
Photoperiod
Genic Male Sterility

Chọn lọc nhờ chỉ thị phân tử

sensitive Dòng bất dục đực chức năng di truyền
nhân mẫn cảm quang chu kỳ

QTL: Quantitative Trait Loci

Locus tính trạng số lƣợng

RIL Recombinant inbred lines

Dòng thuần tái hợp

SCA: Special Combining Ability

Khả năng kết hợp riêng

SNP-

Single

nucleotide Đa hình nucleotit đơn


vii

polymorphisms
SSRs Simple sequence repeats
TGMS: Thermosensitive
Male Sterility

Trình tự lặp lại đơn giản

Genic Dòng bất dục đực chức năng di truyền
nhân mẫn cảm nhiêt độ

UTL

Ƣu thế lai

WCG: Wide Compatibility Gene

Gen tƣơng hợp rộng


viii

DANH MỤC BẢNG
STT

Tên bảng

Trang

1.1

Diện tích và năng suất lúa thuần và lúa lai của một số nƣớc trồng
lúa ở châu Á trong năm 2012

12

2.1

Điểm đánh giá các chỉ tiêu chất lƣợng nấu nƣớng theo tiêu chuẩn
10TCN 590-2004

51

2.2

Các chỉ thị phân tử DNA liên kết với gen mùi thơm fgr

53

2.3

Nhiệt độ, ánh sáng và độ ẩm trong xử lý ngƣỡng của các dòng
TGMS

54

3.1

Một số tính trạng nông học của các dòng TGMS thơm mới phân
lập trong vụ Mùa 2011 tại Gia Lâm, Hà Nội

64

3.2

Một số đặc điểm hình thái của các dòng TGMS mới phân lập
trong điều kiện vụ Mùa 2011 tại Gia Lâm, Hà Nội

66

3.3

Tỷ lệ thò vòi nhụy và khả năng nhận phấn của các dòng TGMS
mới phân lập trong điều kiện vụ Mùa 2011 tại Gia Lâm, Hà Nội

67

3.4

Kết quả kiểm tra mùi thơm qua lá của các dòng TGMS mới phân
lập trong vụ Mùa 2011 tại Gia lâm, Hà Nội

69

3.5

Kết quả xác định ngƣỡng nhiệt độ chuyển đổi tính dục của các
dòng TGMS trong vụ Mùa 2011 (trong Phytotron)

70

3.6

Tỷ lệ hữu dục của các dòng TGMS mới phân lập trong vụ Mùa
2011 tại Gia Lâm, Hà Nội (ở điều kiện tự nhiên)

72

3.7

Một số đặc điểm nông sinh học của các dòng TGMS mới trong
vụ Xuân 2012

76

3.8

Mức độ nhiễm sâu bệnh tự nhiên trên đồng ruộng của các dòng
TGMS mới trong vụ Xuân 2012 tại Gia Lâm, Hà Nội

77

3.9

Năng suất và các yếu tố cấu thành năng suất của các dòng TGMS
mới trong vụ Xuân 2012 tại Gia Lâm, Hà Nội

78

3.10 Đánh giá chất lƣợng và mùi thơm gạo của các dòng TGMS mới
trong vụ Xuân 2012 tại Gia Lâm, Hà Nội

80


ix

3.11 Thời gian qua các giai đoạn sinh trƣởng của các dòng R trong
điều kiện vụ Mùa 2011 tại Gia Lâm, Hà Nội

83

3.12 Một số đặc điểm nông sinh học của các dòng R trong điều kiện
vụ mùa 2011 tại Gia Lâm, Hà Nội

84

3.13 Các yếu tố cấu thành năng suất và năng suất của các dòng R
trong điều kiện vụ mùa 2011 tại Gia Lâm, Hà Nội

85

3.14 Một số tính trạng liên quan đến chất lƣợng thƣơng trƣờng của
các dòng R trong điều kiện vụ mùa 2011 tại Gia Lâm, Hà Nội

87

3.15 Một số tính trạng liên quan đến chất lƣợng dinh dƣỡng của các
dòng R trong điều kiện vụ Mùa 2011 tại Gia Lâm, Hà Nội

88

3.16 Một số tính trạng liên quan đến chất lƣợng nấu nƣớng của các
dòng R trong điều kiện vụ mùa 2011

89

3.17 So sánh kết quả đánh giá cảm quan và phát hiện gen thơm bằng
PCR

91

3.18 Một số đặc điểm nông sinh học của các tổ hợp lai trong vụ Xuân
2012 tại Gia Lâm, Hà Nội

93

3.19 Các yếu tố cấu thành năng suất và năng suất của các tổ hợp lúa
lai trong vụ Xuân 2012 tại Gia Lâm, Hà Nội

94

3.20 Một số chỉ tiêu chất thƣơng trƣờng của các tổ hợp lai trong vụ
Xuân 2012 tại Gia Lâm, Hà Nội

96

3.21 Một số tính trạng liên quan đến chất lƣợng dinh dƣỡng của các tổ
hợp lai trong vụ Xuân 2012 tại Gia Lâm, Hà Nội

99

3.22 Tổng hợp phiếu đánh giá cảm quan cơm bằng phƣơng pháp cho
điểm

101

3.23 Giá trị khả năng kết hợp chung của các dòng bố mẹ về các yếu tố
cấu thành năng suất và năng suất ở vụ Xuân 2012 tại Gia Lâm,
Hà Nội

103

3.24 Giá trị khả năng kết hợp chung của các dòng bố mẹ trên một số
tính trạng chất lƣợng ở vụ Xuân 2012 tại Gia Lâm, Hà Nội

104


x

3.25 Giá trị khả năng kết hợp riêng về tính trạng số bông trên khóm
của các dòng bố mẹ ở vụ Xuân 2012 tại Gia Lâm, Hà Nội

105

3.26 Giá trị khả năng kết hợp riêng về tính trạng số hạt chắc trên bông
của các dòng bố mẹ ở vụ Xuân 2012 tại Gia Lâm, Hà Nội

106

3.27 Giá trị khả năng kết hợp riêng trên tính trạng khối lƣợng
1.000 hạt của các dòng bố mẹ ở vụ Xuân 2012 tại Gia Lâm, Hà
Nội

106

3.28 Giá trị khả năng kết hợp riêng về tính trạng năng suất lý thuyết
của các dòng bố mẹ ở vụ Xuân 2012 tại Gia Lâm, Hà Nội

107

3.29 Giá trị khả năng kết hợp riêng trên tính trạng năng suất thực thu
của các dòng bố mẹ ở vụ Xuân 2012 tại Gia Lâm, Hà Nội

107

3.30 Giá trị khả năng kết hợp riêng trên tính trạng tỷ lệ gạo xay của
các dòng bố mẹ ở vụ Xuân 2012 tại Gia Lâm, Hà Nội

108

3.31 Giá trị khả năng kết hợp riêng về tính trạng tỷ lệ gạo xát của các
dòng bố mẹ ở vụ Xuân 2012 tại Gia Lâm, Hà Nội

108

3.32 Giá trị khả năng kết hợp riêng về tính trạng tỷ lệ gạo nguyên của
các dòng bố mẹ ở vụ Xuân 2012 tại Gia Lâm, Hà Nội

109

3.33 Giá trị khả năng kết hợp riêng về tính trạng chiều dài hạt gạo của
các dòng bố mẹ ở vụ Xuân 2012 tại Gia Lâm, Hà Nội

109

3.34 Giá trị khả năng kết hợp riêng về tính trạng hàm lƣợng amylose
của các dòng bố mẹ ở vụ Xuân 2012 tại Gia Lâm, Hà Nội

110

3.35 Giá trị khả năng kết hợp riêng về tính trạng hàm lƣợng protein
của các dòng bố mẹ ở vụ Xuân 2012 tại Gia Lâm, Hà Nội

110

3.36 Một số đặc điểm nông sinh học của các tổ hợp lai trong vụ Mùa
2012 tại Gia Lâm, Hà Nội

111

3.37 Các yếu tố cấu thành năng suất và năng suất của các tổ hợp lúa
lai trong vụ Mùa 2012 tại Gia Lâm, Hà Nội

112

3.38 Một số chỉ tiêu chất thƣơng trƣờng của các tổ hợp lai trong vụ
Mùa 2012 tại Gia Lâm, Hà Nội

113


xi

3.39 Mức độ nhiễm sâu bệnh tự nhiên trên đồng ruộng của các tổ hợp
lai trong vụ Mùa 2012 tại Gia Lâm, Hà Nội

114

3.40 Một số đặc điểm nông sinh học của các dòng bố mẹ tổ hợp lai
HQ19 trong vụ Mùa 2012 tại Gia Lâm, Hà Nội

116

3.41 Ảnh hƣởng của thời vụ đến tỷ lệ đậu hạt và một số đặc điểm
nông học của 2 dòng TGMS trong vụ Mùa 2013 tại Gia Lâm, Hà
Nội

117

3.42 Ảnh hƣởng của liều lƣợng GA3 đến một số đặc điểm nông sinh
học của các dòng bố mẹ tổ hợp lúa lai HQ19 trong vụ Mùa 2012
tại Gia Lâm, Hà Nội

119

3.43 Ảnh hƣởng của liều lƣợng GA3 đến các yếu tố cấu thành năng
suất và năng suất ruộng sản xuất hạt lai F1 tổ hợp HQ19 trong vụ
Mùa 2012 tại Gia Lâm, Hà Nội

120

3.44 Ảnh hƣởng của tỷ lệ hàng bố mẹ đến các yếu tố cấu thành năng
suất và năng suất ruộng sản xuất hạt lai F 1 tổ hợp HQ19 trong vụ
Mùa 2012 tại Gia Lâm, Hà Nội

122

3.45 Ảnh hƣởng của thời vụ đến tỷ lệ đậu hạt và một số đặc điểm
nông sinh học của dòng E15S-2 trong vụ Xuân 2013, tại Gia
Lâm, Hà Nội

123

3.46 Ảnh hƣởng của mật độ cấy và lƣợng phân bón đến năng suất
thực thu ruộng nhân dòng E15S-2 ở vụ Xuân 2013 tại Gia Lâm,
Hà Nội

124

3.47 Một số đặc điểm nông học của các giống khảo nghiệm

125

3.48 Mức độ nhiễm sâu bệnh của các giống tham gia khảo nghiệm

126

3.49 Năng suất thực thu của giống lúa lai 2 dòng HQ19 tại các điểm
khảo nghiệm

127

3.50 Một số đặc điểm về nông sinh học và năng suất của tổ hợp HQ19
trong vụ Xuân 2014 tại Trực Ninh, Nam Định

128

3.51 Một số đặc điểm nông sinh học và năng suất của tổ hợp HQ19
trong vụ Mùa 2014 tại Tiên Du, Bắc Ninh

129

xii

DANH MỤC HÌNH

STT Tên hình
3.1

Kết quả điện di gel agarose 2% sản phẩm PCR cặp mồi ESP và
IFAP

Trang
90


xiii



MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài luận án
Lúa gạo là lƣơng thực cho hơn một nửa dân số thế giới và là cây
lƣơng thực lấy hạt lớn thứ hai sau ngô. Lúa đƣợc trồng ở 113 nƣớc và
đóng góp 40,5% tổng lƣợng hạt lƣơng thực trên thế giới. Từ năm 1950 đến
1960, năng suất lúa tăng 20% so với việc các giống truyền thống đã tạo ra
cuộc cách mạng xanh. Thành tựu đạt đƣợc cơ bản do cải tiến di truyền và
tăng hệ số thu hoạch thông qua sử dụng các gen qui định thấp cây, chống
chịu yếu tố sinh học và phi sinh học, chất lƣợng cao. Những năm 1970, một
đột phá mới về năng suất là khai thác ƣu thế lai trong chọn tạo giống lúa ở
Trung Quốc (Weibo Xie et al., 2015). Chọn tạo giống lúa lai là một trong

những hƣớng nghiên cứu để nâng năng suất và sản lƣợng lúa ở trên thế
giới. Giống siêu lúa lai đầu tiên Y Liangyou 900, đƣợc trồng thử nghiệm
trong vụ mùa tại tỉnh Hồ Nam, Trung Quốc đạt năng suất 14,8 tấn/ha
(Yuan L.P., 2014). Để giống lúa lai đạt đƣợc năng suất cao cần lai giữa các
loài phụ, đặc biệt là lai giữa hai loài phụ indica và japonica (Singh S.K. et
al., 2015).
Lúa lai có tiềm năng tăng năng suất và sản lƣợng, do vậy nhiều quốc
gia đang cố gắng khai thác lợi ích của kỹ thuật này. Đến năm 2014, có hơn
40 nƣớc trồng lúa lai, ngoài Trung Quốc có Ấn Độ, Bangladesh, Indonesia,
Việt Nam, Philippines và Mỹ có diện tích gieo trồng lúa lai lớn (Yuan L.P.,
2014). Tuy nhiên, diện tích lúa lai tăng không đáng kể là do dòng bố mẹ có
nền di truyền hẹp, khả năng duy trì, phục hồi của các dòng ƣu tú thấp, thiếu
khả năng chống chịu bất thuận sinh học và phi sinh học, chất lƣợng thấp.
Do vậy, cải tiến các dòng bố mẹ, khắc phục đƣợc những hạn chế trên trong


2
chiến lƣợc phát triển lúa lai là một trong hƣớng nghiên cứu có hiệu quả
nhất (Khan M.H. et al., 2015).
Từ năm 1998, Việt Nam đã nhập nội một số tổ hợp lúa lai hai dòng,
các tổ hợp này đều cho năng suất cao, chống chịu khá với sâu bệnh hại.
Tuy nhiên, diện tích chƣa đƣợc mở rộng là do giá hạt lai khá cao không
phù hợp với điều kiện ngƣời nông dân; công nghệ nhân dòng bất dục đực
và sản xuất hạt lai F1 còn gặp nhiều khó khăn (Cục Trồng trọt, 2014).
Trong giai đoạn 2001 - 2014, công tác chọn tạo lúa lai của Việt Nam
đã đƣợc thúc đẩy mạnh mẽ và thu đƣợc nhiều thành tựu đáng kể; tỷ trọng
lúa lai thƣơng hiệu Việt Nam đã tăng lên rõ rệt, số giống đƣợc công nhận
chính thức chiếm 28% trong tổng số các giống đƣợc công nhận. Các cơ
quan nghiên cứu và phát triển lúa lai trong nƣớc đã tập trung vào việc chọn
tạo các dòng bất dục và các tổ hợp lúa lai thích hợp với điều kiện sản xuất

tại Việt Nam, kết quả nhƣ: Các dòng mẹ: T29S, T47S, 103S, T1S-96, T7S,
135S (Học viện Nông nghiệp Việt Nam); AMS 35S-1, AMS 35S-2, AMS
36S-7, AMS 34S-10, AMS 35S-11, AMS 37S-76, D51S, D52S, D59S, D60S,
D116S, 827S, TG1 (Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển lúa lai, Viện Cây
lƣơng thực và CTP); TGMS VN01 (Viện Di truyền Nông nghiệp)....Các
dòng bố: R1, R2, R3, R20, R15, R16… (Học viện Nông nghiệp Việt Nam);
RTQ5, Q99, PM3, R242, GR10, R108 (Trung tâm Nghiên cứu và Phát
triển lúa lai, Viện Cây lƣơng thực và CTP),… (Cục Trồng trọt, 2014). Tuy
nhiên, số lƣợng dòng bố mẹ còn hạn chế, đặc biệt là các dòng có đặc điểm
nông sinh học tốt phục vụ cho chọn giống lúa lai hai dòng chất lƣợng cao.
Chính vì vậy, việc đánh giá, chọn tạo các dòng bố mẹ để phát triển giống
lúa lai có thời gian sinh trƣởng ngắn, năng suất cao, chất lƣợng tốt, có mùi
thơm là đòi hỏi cấp thiết của sản xuất lúa lai ở Việt Nam.


3
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài luận án
- Đánh giá chọn lọc nguồn vật liệu bố mẹ có năng suất cao, chất
lƣợng tốt và có mùi thơm để phát triển giống lúa lai hai dòng cho các tỉnh
phía Bắc Việt Nam.
- Bƣớc đầu hoàn thiện qui trình nhân dòng bố mẹ, qui trình sản xuất
hạt lai F1 tổ hợp lúa lai hai dòng mới có năng suất cao, chất lƣợng tốt và
có mùi thơm khuyến cáo cho sản xuất.
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài luận án
3.1. Ý nghĩa khoa học
- Đây là công trình nghiên cứu có hệ thống về đánh giá, tuyển chọn
dòng bất dục đực di truyền nhân mẫn cảm nhiệt độ (TGMS) có mùi thơm và
tổ hợp lúa lai thơm hai dòng có chất lƣợng cao. Kết quả nghiên cứu có thể
coi đây là một tiến bộ mới trong việc tạo vật liệu bất dục cho phát triển lúa
lai hai dòng chất lƣợng cao ở Việt Nam.

- Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ bổ sung thêm cơ sở lý luận và
phƣơng pháp chọn tạo các dòng bất dục đực di truyền nhân mẫn cảm nhiệt
độ và giống lúa lai hai dòng chất lƣợng cao và có mùi thơm ở điều kiện
Việt Nam.
3.2. Ý nghĩa thực tiễn
- Đánh giá, chọn lọc thành công dòng bất dục đực di truyền nhân
mẫn cảm nhiệt độ thơm E15S-2, làm phong phú nguồn vật liệu cho chọn
tạo giống lúa lai hai dòng chất lƣợng cao, có mùi thơm ở Việt Nam.
- Chọn tạo thành công giống lúa lai hai dòng mới HQ19 có thời gian
sinh trƣởng ngắn, năng suất cao, nhiễm nhẹ sâu bệnh, chất lƣợng gạo cao,
cơm có mùi thơm, mềm và ngon, làm đa dạng bộ giống lúa lai trong cơ cấu
giống lúa ở các tỉnh phía Bắc Việt Nam.


4
- Bƣớc đầu hoàn thiện qui trình nhân dòng TGMS thơm E15S-2, qui
trình sản xuất hạt lai F1 giống lúa lai hai dòng HQ19 góp phần gia tăng tỷ lệ
giống lúa lai đƣợc chọn tạo trong nƣớc, chủ động nguồn giống bố mẹ và
hạt lai F1.
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Sử dụng các dòng bất dục đực di truyền nhân mẫn cảm với nhiệt độ
(TGMS) mới và các dòng cho phấn (R) thơm để lai tạo, đánh giá khả năng
kết hợp và chọn tổ hợp lai hai dòng có năng suất cao, chất lƣợng tốt và gạo
có mùi thơm.
- Nghiên cứu góp phần hoàn thiện qui trình kỹ thuật nhân dòng bất
dục đực di truyền nhân mẫn cảm với nhiệt độ mới và sản xuất hạt lai F 1 tổ
hợp lúa lai hai dòng mới.
- Toàn bộ quá trình lai tạo, chọn lọc và đánh giá các dòng TGMS mới,
tuyển chọn tổ hợp lai, hoàn thiện qui trình sản xuất đƣợc thực hiện tại Viện
Nghiên cứu và Phát triển cây trồng - Học Viện Nông nghiệp Việt Nam.

- Khảo nghiệm giá trị canh tác và sử dụng (VCU) theo Quy chuẩn kỹ
thuật Quốc gia QCVN01-55:2011/BNNPTNT của Bộ Nông nghiệp &
PTNT do Trung tâm Khảo kiểm nghiệm giống, sản phẩm cây trồng Quốc
gia thực hiện trong vụ Xuân 2013, Mùa 2013 và Xuân 2014 tại các điểm
khảo nghiệm: Hòa Bình, Yên Bái, Hƣng Yên, Hải Dƣơng, Thanh Hóa,
Nghệ An.
- Khảo nghiệm sản xuất giống lúa lai hai dòng mới thực hiện ở hai

tỉnh vùng Đồng bằng sông Hồng là Nam Định và Bắc Ninh.
- Thời gian nghiên cứu của đề tài từ năm 2011 đến năm 2014.


5

5. Những đóng góp mới của đề tài luận án
- Lai tạo và chọn lọc thành công dòng bất dục đực di truyền nhân
mẫn cảm với nhiệt độ E15S-2, có nhiều đặc điểm nông sinh học tốt, khả
năng kết hợp cao, phù hợp cho chọn tạo giống lúa lai hai dòng chất lƣợng
cao, có mùi thơm.
- Xác định đƣợc hai dòng bất dục đực di truyền nhân mẫn cảm với
nhiệt độ E15S-2, E15S-3; ba dòng cho phấn R2, TBR45, R20 sử dụng cho
chƣơng trình chọn giống lúa lai hai dòng năng suất, chất lƣợng cao và gạo
có mùi thơm.
- Chọn tạo đƣợc giống lúa lai hai dòng mới HQ19 có thời gian sinh
trƣởng ngắn, năng suất cao, nhiễm nhẹ sâu bệnh, chất lƣợng cao và có mùi
thơm để phục vụ sản xuất.


6

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN TÀI LIỆU VÀ CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI
1.1. Tình hình nghiên cứu và phát triển lúa lai trong và ngoài nước
1.1.1. Nghiên cứu và phát triển lúa lai trên thế giới
Trong nhiều công bố, các nhà khoa học cho rằng ƣu thế lai và sức
sống ƣu thế lai ở lúa là hiện tƣợng con cái vƣợt hơn bố mẹ của chúng về
năng suất, kích thƣớc bông, số hạt trên bông, số nhánh hữu hiệu và khả
năng chống chịu. Hiện tƣợng này là sứa mạnh thúc đẩy tiến hóa ở thực vật
cũng nhƣ khai thác ở cây trồng. Thực sự khai thác ƣu thế lai là thành tựu vĩ
đại nhất của các nhà khoa học di truyền và chọn giống cây trồng. Ƣu thế lai
trên lúa đƣợc Jones báo cáo đầu tiên năm 1926 khi quan sát con lai F 1 thấy
năng suất cao hơn bố mẹ của chúng. Giữa những năm 1962 và 1967 một số
gợi ý khai thác ƣu thế lai thƣơng mại ở lúa đã trở thành mục tiêu chính của
các chƣơng trình chọn giống ở nhiều quốc gia. Các nhà khoa học Trung
Quốc thành công đầu tiên trong việc sử dụng bất dục đực di truyền tế bào
chất (Cytoplasmic Male Sterile-CMS) phát triển giống lúa lai hệ ba dòng
(Ali Sattari et al., 2015).
a) Nghiên cứu chọn tạo lúa lai ba dòng
Yuan L.P. (1987) cho rằng cuối thế kỷ XX có hai đột phá lớn trong
chọn tạo giống lúa, thứ nhất chọn tạo thành công giống lúa thấp cây, năng
suất, chịu thâm canh cao ở những năm 1960 đã tăng năng suất lúa lên 20%
trên đơn vị diện tích. Thứ hai là chọn tạo thành công lúa lai ba dòng nhờ sử
dụng dòng CMS vào những năm 1970 đã tăng năng suất lúa trung bình lên
20% so với lúa cải tiến (Xiaojin Wu, 2009).


7
Năm 1964, Yuan Long Ping và cộng sự đánh dấu sự bắt đầu nghiên
cứu lúa lai ở Trung Quốc. Tại đảo Hải Nam họ đã phát hiện đƣợc cây lúa
dại bất dục trong loài lúa dại Oryzae fatuaspontanea, sau đó họ đã chuyển

đƣợc tính bất dục đực hoang dại này vào lúa trồng và tạo ra những vật liệu
di truyền hoàn toàn mới giúp cho việc khai thác ƣu thế lai thƣơng phẩm.
Năm 1973, quy trình sản xuất lúa lai ba dòng đƣợc bắt đầu thử nghiệm và
lô hạt giống F1 đầu tiên đƣợc sản xuất ra với sự tham gia của 3 dòng là:
dòng bất dục đực di truyền tế bào chất (Cytoplasmic Male Sterile-CMS),
dòng duy trì bất dục (Maintainer-B), dòng phục hồi hữu dục (Restorer-R)
(Hoàng Tuyết Minh, 2002). Bức màn ngăn cản con ngƣời khai thác ƣu thế
lai ở lúa trong suốt 50 năm đã đƣợc gỡ bỏ. Từ đây khởi đầu cho sự phát
triển nhƣ vũ bão công nghệ lúa lai của Trung Quốc cũng nhƣ thế giới. Năm
1974, Trung Quốc đƣa ra một số tổ hợp lai cho ƣu thế cao đồng thời quy
trình sản xuất hạt lai "ba dòng" cũng đƣợc hoàn thiện vào năm 1975. Năm
1976, Trung Quốc đã có khoảng 140.000 ha gieo cấy lúa lai thƣơng phẩm
(Nguyễn Công Tạn và cs., 2002).
Lúa lai hệ ba dòng sử dụng bất dục đực CMS có 3 dạng chính là
CMS-BT (Borotype), CMS-WA (Wild abortive), và CMS-HL (Honglian).
Giống lúa lai ba dòng đầu tiên Nam ƣu số 2 do các nhà khoa học Trung
Quốc tạo ra đƣợc thƣơng mại thông qua sử dụng nguồn bất dục CMS-WA,
dạng bất dục này do Yuan Long Ping khám phá năm 1970. Dạng bất dục
đực kiểu giao tử thể CMS-BT đƣợc phát hiện ở giống lúa indica
Chinsurash BoroII (Wang, Z.H. et al., 2006).
Khi nghiên cứu về gen phục hồi hữu dục cho các dòng CMS, các nhà
khoa học cho thấy hai locus Rf là Rf5 và Rf6 (t) phục hồi cho dòng bất dục
đực CMS-HL nằm trên NST số 10 (Liu, X.Q., et al, 2004). Hai gen phục


8
hồi cho dòng CMS-DT là gen Rf-d1 (t) và cho dòng CMS-DA là gen Rf-d
(t) cũng đƣợc tìm thấy trên NST số 10 (Tan, X.L. et al., 2004). Hai gen
phục hồi cho CMS-WA là Rf3 (t) và Rf4 (t) xác định nằm trên NST số 1 và
NST số 10 (Yang, H.Y. et al., 2002).

Khai thác bất dục đực tế bào chất (CMS) đã tạo thành công ở lúa lai
hệ ba dòng. Các giống lúa lai hệ ba dòng đƣợc phát triển nhanh, chiếm
khoảng 18 triệu ha trồng lúa lai trên toàn thế giới, trong đó 95% số giống
có dòng mẹ là CMS-WA (Khan, M.H. et al., 2015).
b) Chọn tạo lúa lai hệ hai dòng
Phƣơng pháp tạo giống lúa lai hai dòng liên quan đến lai và sản xuất
hạt lai F1, một dòng mẹ là dòng bất dục đực di truyền nhân đƣợc điều khiển
bởi một gen lặn. Biểu hiện kiểu hình bất dục chịu ảnh hƣởng của môi
trƣờng (nhiệt độ, ánh sáng hoặc cả hai), dòng bố là giống thuần mang gen
trội ở locus đó. Dòng bất dục đực di truyền nhân mẫm cảm nhiệt độ
(TGMS- Thermo-sensitive Genic Male Sterile), dòng bất dục đực mẫn cảm
độ dài chiếu sáng (PGMS-Photoperiod-sensitive Genic Male Sterile) đã
đƣợc sử dụng để chọn tạo lúa lai hệ hai dòng (Virmani SS. et al., 2003).
Sự khám phá ra bất dục di truyền nhân mẫm cảm môi trƣờng ở lúa
hƣớng đến phát triển lúa lai hệ hai dòng đơn giản và hiệu quả hơn so với hệ
thống ba dòng sử dụng bất dục đực tế bào chất CMS (Khan, M.H. et
al.,2015). Bên cạnh đó Trung Quốc cũng bắt đầu nghiên cứu sử dụng gen
tƣơng hợp rộng (WCG) đồng thời phát hiện gen p(t)ms tạo nên điểm đột phá
dẫn đến một cuộc cách mạng mới trong công nghệ sản xuất lúa lai (Nguyễn
Công Tạn và cs., 2002; Dung Nguyen Tien et al., 2013).
Năm 1973, Shi Mingsong phát hiện một số cây bất dục trong quần
thể của giống Nongken 58, ở độ dài ngày trên 14h chúng thể hiện tính bất


9
dục, ở độ dài ngày dƣới 13h45' chúng lại biểu hiện hữu dục. Qua nghiên
cứu ông thấy tính trạng này do một cặp gen lặn trong nhân điều khiển.
Dòng Nongken 58 đặc trƣng cho dạng bất dục PGMS cảm ứng mạnh với
ánh sáng và cảm ứng yếu với nhiệt độ, giới hạn chuyển hoá là 13h45'
(điều kiện 23-460C), thời kỳ mẫn cảm là phân hoá gié cấp 1 đến hình

thành tế bào mẹ hạt phấn (10-12 ngày trƣớc trỗ) (dẫn theo Nguyễn Công
Tạn và cs., 2002).
Năm 1988, Murayama và cộng sự phát hiện dòng TGMS trên giống
Annongs từ dạng đột biến tự nhiên, quan sát thấy trong điều kiện nhiệt độ
trên 270C dòng này thể hiện bất dục, điều kiện dƣới 24 0C chúng thể hiện
tính hữu dục. Tính trạng này do gen lặn trong nhân quy định. Theo Yuan
L.P., ông cho rằng Annongs là dòng đặc trƣng cho bất dục dạng TGMS
thuộc loài phụ indica. bất dục trong điều kiện nhiệt độ cao, nhiệt độ chuyển
hoá 23-240C. Giai đoạn mẫn cảm là giai đoạn hình thành hạt phấn hoặc
phân bào giảm nhiễm (dẫn theo Nguyễn Công Tạn và cs., 2002).
Dùng phƣơng pháp lai chuyển gen các nhà khoa học đã tạo ra nhiều
dòng EGMS mới mang gen tƣơng hợp rộng (WCG), làm cơ sở tạo các tổ
hợp có ƣu thế lai cao. Chính thành công này đã mở rộng khả năng khai
thác ƣu thế lai trên phổ di truyền rộng ở lúa (Qu Z. et al., 2012). Khắc phục
những hạn chế của hệ thống lúa lai "3 dòng": tìm kiếm dòng bất dục mới
gặp khó khăn, hiện tƣợng đồng tế bào chất kiểu WA sẽ gây ra hiểm họa lớn
nếu xuất hiện một loại bệnh hại đặc thù nào đó, phổ phục hồi của những
dòng CMS kiểu WA hẹp, công nghệ sản xuất hạt lai cồng kềnh phức tạp
(Nguyễn Trí Hoàn, 2003).
Dựa trên những thành tựu đã đạt đƣợc và tiềm năng năng suất của
lúa, Trung Quốc đã xây dựng kế hoạch giai đoạn 4 cho chọn giống lúa lai


10
siêu cao sản với năng suất 15,0 tấn/ha/vụ ở qui mô lớn vào năm 2020. Theo
Bộ Nông nghiệp Trung Quốc chƣơng trình này đƣợc khởi động từ tháng 4
năm 2013 và giống lúa lai đầu tiên đƣợc thử nghiệm là Y Liangyou 900,
trồng trong vụ mùa đạt năng suất 14,8 tấn/ha tại huyện Long Hải tỉnh Hồ
Nam. Với kết quả ban đầu nhƣ vậy, Trung Quốc có thể đƣa năng suất siêu
lúa lên 15,0 tấn/ha/vụ vào năm 2015 (Yuan L.P., 2014).

Theo lý thuyết, cây lúa có thể chuyển đổi 5% bức xạ mặt trời thành
chất hữu cơ nên chỉ cần sử dụng hiệu quả 2,5% thì năng suất lúa có thể đạt
22,5 tấn/ha. Thực nghiệm cho thấy các giống lúa có chiều cao 1,3m có thể
đạt đƣợc năng suất 15-16 tấn/ha, với kiểu cây cao khoảng 1,5m có thể đạt
năng suất 17-18 tấn/ha. Do vậy để đạt đƣợc năng suất 18-20 tấn/ha thì
chiều cao cây của các giống siêu lúa lai phải có chiều cao từ 1,8-2,0m.
Theo Yuan L.P. (2014) để đạt đƣợc điều đó thì những giống siêu lúa lai
phải có kiểu hình đẹp, đẻ nhánh gọn, khỏe, tập trung. Chính vì thế, cần giải
quyết vấn đề đổ ngã của siêu lúa lai bằng việc lai khác loài để có bộ rễ
mạnh khỏe và lai với các nguồn gen có cổ bông to, thân đặc, đốt ngắn, các
đốt ở dƣới to.
Theo Jing Fu et al., (2013), từ năm 1996, Trung Quốc đã tạo ra
giống lúa lai siêu cao sản bằng việc lai khác loài phụ với kiểu cây lý
tƣởng. Đến năm 2012 đã có hơn 80 giống lúa lai siêu cao sản đƣợc trồng
ngoài sản xuất, trong số đó có những giống năng suất đạt 12-21 tấn/ha. Lý
do chính để các giống lúa lai này đạt năng suất cao là: số hạt/bông và kích
thƣớc bông tăng; chỉ số diện tích lá tăng, thời gian lá xanh dài, khả năng
quang hợp cao hơn, chống đổ tốt hơn, tích lũy chất khô ở giai đoạn trƣớc
trỗ cao hơn, vận chuyển carbohydrat từ thân lá vào hạt mạnh hơn, bộ rễ
lớn hơn và hoạt động hút dinh dƣỡng của rễ khỏe hơn. Tuy nhiên, có hai


11
vấn đề chính đối với lúa lai siêu cao sản là các hoa nở sau không vào chắc
đƣợc và tỷ lệ đậu hạt thấp và không ổn định.
Theo Yuan L.P., (2006), ƣu thế lai ở lúa có xu hƣớng từ cao đến thấp
thông qua lai là: indica/japonica> indica/javanica> japonica/javanica>
indica/indica> japonica/japonica. Con lai indica/japonica có sức chứa và
nguồn lớn, năng suất có thể vƣợt so với con lai giữa loài phụ indica với
nhau. Nhƣ vậy, để chọn tạo đƣợc giống lúa lai siêu năng suất bắt buộc phải

lai giữa indica và japonica. Tuy nhiên, con lai indica/japonica thƣờng có tỷ
lệ đậu hạt thấp và để giải quyết vấn đề này cần chuyển gen tƣơng hợp rộng
(WC) Sn5 vào dòng bố hoặc dòng mẹ. Yuan L.P., (2006) cho rằng siêu lúa
lai thƣờng có cây cao hơn do lai khác loài phụ do vậy để giải quyết vấn đề
này thì dòng bố hoặc mẹ phải có gen lùn hoặc thân của siêu lúa phải có
đƣờng kính thân lớn (>1,1cm), thân đặc và nhiều đốt. Tuy nhiên, muốn cải
thiện chất lƣợng gạo của các tổ hợp siêu lúa lai do lai khác loài phụ trên
nên chọn bố mẹ dạng trung gian giữa javanica-japonica.
c/ Nghiên cứu lúa lai ở một số nước châu Á
Năm 1993, Viện nghiên cứu lúa Bangladesh bắt đầu nghiên cứu lúa
lai dƣới sự trợ giúp của IRRI. Đến năm 2001, các tổ hợp lúa lai mới đƣợc
mở rộng sản xuất. Từ năm 2008-2011 có 3 giống lúa lai đƣợc chọn tạo và
mở rộng sản xuất. Đến năm 2014, có 115 giống lúa lai đƣợc thử nghiệm tại
Bangladesh, trong đó có 89 giống từ Trung Quốc, 15 giống từ Ấn Độ, 01
giống từ Phillipines và 04 giống chọn tạo trong nƣớc (Azim Uddin Md. et
al., 2014), khi đó diện tích lúa lai của Bangladesh đã đạt 670 nghìn ha,
năng suất trung bình đạt 6,8 tấn/ha. Bangladesh đƣa ra chiến lƣợc phát triển
lúa lai giai đoạn 2020-2030 là: 1) phát triển các dòng CMS và R có khả
năng kết hợp cao và ổn định, nhận phấn ngoài tốt; 2) phát triển các giống


12
lúa lai có hàm lƣợng amylose >25%, chất lƣợng cao, hạt thon dài; 3) chọn
tạo các giống lúa lai chống chịu sâu bệnh và điều kiện bất thuận; 4) mở
rộng diện tích lúa lai đặc biệt ở các vùng nhờ nƣớc trời.
Bảng 1.1. Diện tích và năng suất lúa thuần và lúa lai của một số nước
ở châu Á trong năm 2012
Lúa thuần
Lúa lai
Nƣớc

Diện tích
Năng suất
Diện tích
Năng suất
(triệu ha)
(tấn/ha)
(triệu ha)
(tấn/ha)
Trung Quốc

13,55

6,74

17,00

7,50

Ấn Độ

40,00

3,59

2,50

4,79

Việt Nam

7,14

5,63

0,61

6,40

Bangladesh

11,18

4,23

0,67

6,78

Philippines

4,54

3,84

0,16

6,45

Myanmar

7,19

4,05

0,06

6,78

Indonesia

13,44

5,14

1,0

5,5-11,0

Nguồn: Subash Dasgupta and Indrajit Roy (2014)

Theo Hiệp hội hạt giống châu Á - Thái Bình Dƣơng (APSA, 2014),
lúa lai chiếm khoảng 12% diện tích trồng lúa trên thế giới, có năng suất cao
hơn lúa thuần từ 15-35%, sinh trƣởng phát triển tốt đặc biệt trong điều kiện
biến đổi khí hậu hiện nay. APSA (2014) cũng dự tính, diện tích lúa lai tăng
lên 14% vào năm 2020 và 30% vào năm 2030.
Theo AS Hari Prasad et al., (2014), đến năm 2014, Ấn Độ đã đánh
giá 3.500 tổ hợp lai và đã chọn đƣợc 70 tổ hợp lai để phát triển sản xuất,
trong đó có 31 tổ hợp lai do các đơn vị nhà nƣớc chọn tạo và 39 tổ hợp lai
do các công ty tƣ nhân chọn tạo. Ấn Độ đƣa ra chiến lƣợc nghiên cứu là: 1)
phát triển các dòng bố mẹ có ƣu thế lai cao; 2) chuyển gen ƣu thế lai từ ngô