Luận án tiến sĩ Nông nghiệp: Nghiên cứu và phát triển giống lúa Khang dân 18 chịu ngập ứng phó với biến đổi khí hậu tại các tỉnh phía Bắc

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

VIỆN KHOA HỌC NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM
------------  ----------

ĐÀO VĂN KHỞI

NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN GIỐNG LÚA
KHANG DÂN 18 CHỊU NGẬP ỨNG PHÓ VỚI BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU
TẠI CÁC TỈNH PHÍA BẮC

LUẬN ÁN TIẾN SĨ NÔNG NGHIỆP

HÀ NỘI - 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

VIỆN KHOA HỌC NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM
------------  ----------

ĐÀO VĂN KHỞI

NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN GIỐNG LÚA
KHANG DÂN18 CHỊU NGẬP ỨNG PHÓ VỚI BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU
TẠI CÁC TỈNH PHÍA BẮC

Chuyên ngành: Khoa học cây trồng
Mã số: 9620110

LUẬN ÁN TIẾN SĨ NÔNG NGHIỆP
Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS.TS. Lê Hùng Lĩnh
2. TS. Hà Quang Dũng

HÀ NỘI - 2018


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận
án là do tôi thực hiện. Các số liệu và kết quả nghiên cứu đã nêu trong luận
án là trung thực và chưa được ai công bố trên bất kỳ một công trình nghiên
cứu nào khác. Tôi xin cam đoan mọi sự giúp đỡ đã được cảm ơn, các tài
liệu trích dẫn đã được chỉ rõ nguồn gốc.
Hà Nội, ngày tháng năm 2018
Tác giả luận án

Đào Văn Khởi


ii

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành bản luận án này, bên cạnh sự nỗ lực cố gắng của bản
thân, tôi đã nhận được sự giúp đỡ quý báu tận tình của các cấp lãnh đạo,

các tập thể, cá nhân và gia đình.
Đầu tiên tôi xin gửi lời biết ơn chân thành đến thầy giáo PGS.TS. Lê
Hùng Lĩnh, TS. Hà Quang Dũng người trực tiếp hướng dẫn tôi hoàn thành
luận án này.
Tôi xin gửi lời cảm ơn lãnh đạo Viện Khoa học Nông nghiệp Việt
Nam, Ban Đào tạo sau đại học, Viện Di truyền Nông nghiệp, các thầy cô
giáo đã tạo điều kiện, giúp đỡ, hướng dẫn tôi trong suốt quá trình học tập
và hoàn thành luận án.
Toàn bộ thí nghiệm trong luận án được bố trí tại một số tỉnh đại diện
cho vùng sinh thái phía Bắc. Tại đây tôi đã nhận được sự giúp đỡ và tạo
mọi điều kiện của các vị lãnh đạo cũng như sự giúp đỡ của các cán bộ tại
đơn vị trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Tôi xin chân thành cảm ơn
những sự giúp đỡ quý báu đó.
Cuối cùng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình và bạn bè đã luôn
quan tâm, động viên khích lệ tôi.
Mặc dù bản thân đã cố gắng hoàn thành luận án trong phạm vi và
khả năng cho phép nhưng chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót.
Kính mong nhận được sự cảm thông và tận tình chỉ bảo của quý Thầy Cô
và các bạn.
Hà Nội, ngày tháng năm 2018
Tác giả luận án

Đào Văn Khởi


iii

MỤC LỤC
Lời cam đoan .................................................................................................. i
Lời cảm ơn .................................................................................................... ii

Mục lục ......................................................................................................... iii
Danh mục chữ viết tắt ................................................................................. vii
Danh mục bảng........................................................................................... viii
Danh mục hình ............................................................................................. xi
MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1
1.

Tính cấp thiết của đề tài .................................................................... 1

2.

Mục tiêu nghiên cứu ......................................................................... 2

3.

Tính mới và những đóng góp của đề tài ........................................... 2

4.

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

4.1.

Ý nghĩa khoa học .............................................................................. 3

4.2.

Ý nghĩa thực tiễn ............................................................................... 3

5.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .................................................... 4

5.1.

Đối tượng nghiên cứu: ...................................................................... 4

5.2.

Phạm vi nghiên cứu........................................................................... 4

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ....................................................... 5
1.1.

Thực trạng về biến đổi khí hậu và những thách thức với ngành
nông nghiệp thế giới và Việt Nam .................................................... 5

1.1.1. Thực trạng về biến đổi khí hậu trên thế giới ..................................... 5
1.1.2. Biến đổi khí hậu, những thách thức với ngành nông nghiệp
Việt Nam ........................................................................................... 6
1.2.

Khái niệm về mức nước sâu và sự phân bố vùng lúa nước sâu ...... 11

1.2.1. Khái niệm về mức nước sâu............................................................ 11
1.2.2. Sự phân bố vùng lúa nước sâu ........................................................ 12
1.3.

Phân loại ngập lụt và cơ chế chống chịu ở cây lúa ......................... 14

iv

1.3.1. Phân loại ngập lụt............................................................................ 14
1.3.2. Cơ chế chịu ngập ở cây lúa ............................................................. 15
1.4.

Nguồn gen và QTL liên quan tới tính chống chịu ngập úng .......... 17

1.4.1. Chịu ngập ngắn hạn (10-14 ngày) ở giai đoạn sinh trưởng ............ 17
1.4.2. Chịu ngập giai đoạn nảy mầm ........................................................ 19
1.4.3. Ngập sâu và khả năng vươn lóng của cây lúa ................................. 20
1.5.

Nghiên cứu ứng dụng chỉ thị phân tử trong chọn tạo giống lúa ..... 20

1.5.1. Cơ sở ứng dụng chọn giống nhờ chỉ thị phân tử kết hợp lai trở
lại (MABC) ..................................................................................... 20
1.5.2. Thành tựu ứng dụng chỉ thị phân tử trong chọn tạo giống cây
trồng trên thế giới ............................................................................ 23
1.5.3. Nghiên cứu ứng dụng chỉ thị phân tử trong chọn giống cây
trồng ở Việt Nam ............................................................................ 28
1.5.4. Nghiên cứu ứng dụng phương pháp MABC trong chọn tạo
giống lúa chịu ngập úng .................................................................. 32
1.6.

Nghiên cứu khảo nghiệm sản xuất các giống lúa mang QTL
Sub1 ................................................................................................. 34

CHƯƠNG 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .............. 37

2.1.

Vật liệu nghiên cứu ......................................................................... 37

2.2.

Nội dung nghiên cứu ....................................................................... 37

2.3.

Địa điểm nghiên cứu ....................................................................... 37

2.4.

Các phương pháp nghiên cứu được sử dụng .................................. 38

2.4.1. Phương pháp lai hữu tính ................................................................ 38
2.4.2. Một số kỹ thuật sử dụng trong phòng thí nghiệm ........................... 39
2.4.3. Phương pháp chọn lọc cá thể mang gen Sub1 bằng chỉ thị phân tử .... 44
2.4.4. Phương pháp thí nghiệm lúa chịu ngập .......................................... 46
2.4.5. Thí nghiệm xác định liều lượng phân đạm và mật độ cấy thích
hợp cho giống SHPT2 trong điều kiện bị ngập .............................. 47


v

2.4.6. Chỉ tiêu theo dõi thí nghiệm ngoài đồng ruộng .............................. 49
2.4.7. Phương pháp xử lý số liệu .............................................................. 50
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN .................... 51
3.1.

Đánh giá nguồn vật liệu, xác định chỉ thị liên kết và chọn lọc
cá thể mang gen chịu ngập Sub1 ..................................................... 51

3.1.1. Đánh giá nguồn vật liệu lai tạo ....................................................... 51
3.1.2. Kết quả xác định chỉ thị phân tử liên kết với gen Sub1 của
giống lúa PSB-Rc68 và KD18 ........................................................ 53
3.1.3. Kết quả xác định chỉ thị phân tử đa hình trên 12 nhiễm sắc thể
giữa giống lúa PSB-Rc68 và KD18 ................................................ 55
3.2.

Kết quả phân tích kiểu gen, chọn lọc cá thể mang gen Sub1
chịu ngập và mang nền di truyền giống KD18 ở các thế hệ lai
trở lại ............................................................................................... 61

3.2.1. Kết quả phân tích kiểu gen và chọn lọc cá thể mang gen Sub1
chịu ngập và nền di truyền giống KD18 trong các quần thể
BC1F1............................................................................................... 61
3.2.2. Kết quả chọn lọc cá thể mang gen Sub1 chịu ngập và nền di
truyền giống KD18 trong các quần thể BC2F1................................ 64
3.2.3. Kết quả chọn lọc cá thể mang gen Sub1 chịu ngập và nền di
truyền giống KD18 trong các quần thể BC3F1................................ 66
3.2.4. Kết quả đánh giá khả năng chịu ngập, đặc điểm nông sinh học
và năng suất trong khảo nghiệm tác giả dòngKD18-Sub1 ............. 70
3.3.

Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của lượng phân đạm và mật độ
cấy đến sinh trưởng và phát triển của giống SHPT2 trong điều
kiện bị ngập...................................................................................... 87

3.3.1. Ảnh hưởng của liều lượng phân đạm và mật độ cấy đến một số
đặc điểm sinh trưởng của giống SHPT2 trong điều kiện bị
ngập ................................................................................................. 87


vi

3.3.2. Ảnh hưởng của lượng phân đạm và mật độ cấy đến các yếu tố
cấu thành năng suất của giống SHPT2 tham gia thí nghiệm
trong điều kiện bị ngập ................................................................... 89
3.3.3. Ảnh hưởng của lượng phân đạm và mật độ cấy đến năng suất
thực thu của giống SHPT2 trong điều kiện bị ngập ........................ 92
3.4.

Kết quả đánh giá đặc điểm sinh trưởng, các yếu tố cấu thành
năng suất và năng suất thực thu của giống SHPT2 trong hệ
thống khảo nghiệm Quốc gia tại các tỉnh phía Bắc ........................ 94

3.4.1. Đặc điểm sinh trưởng, mức độ nhiễm sâu bệnh hại của giống
SHPT2 tại các tỉnh đại diện cho vùng sinh thái phía Bắc ............... 94
3.4.2. Độ thuần và các yếu tố cấu thành năng suất của giống lúa
SHPT2 tại các tỉnh đại diện cho vùng sinh thái phía Bắc ............... 96
3.4.3. Năng suất thực thu của giống lúa SHPT2 tại các tỉnh đại diện
cho vùng sinh thái phía Bắc ............................................................ 98
3.5.

Kết quả đánh giá, theo dõi giống lúa SHPT2 ngoài sản xuất tại
các tỉnh đại diện cho vùng sinh thái phía Bắc .............................. 100

3.5.1. Kết quả đánh giá giống SHPT2 trong điều kiện bị ngập ngoài

sản xuất ......................................................................................... 100
3.5.2. Kết quả đánh giá giống SHPT2 trong điều kiện sản xuất bình
thường ........................................................................................... 110
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ....................................................................... 119
1.

Kết luận ......................................................................................... 119

2.

Đề nghị .......................................................................................... 120

Danh mục các công trình đã công bố liên quan đến luận án .................... 121
Tài liệu tham khảo ..................................................................................... 122
Phụ lục ....................................................................................................... 139


vii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
Thuật ngữ Tiếng Anh
Thuật ngữ Tiếng Việt

Chữ viết tắt
ADB

The Asian Development Bank

Ngân hàng Phát triển châu Á

ADN

Acid Deoxyribo Nucleic

Axít Deoxyribonucleic

BĐKH

-

Biến đổi khí hậu

bp

Base pair

Cặp bazơ

cs.

-

Cộng sự

CTAB

Cetyltrimethylammonium bromide

ĐBSCL

-

Đồng bằng sông Cửu Long

ĐBSH

-

Đồng bằng sông Hồng

FAO

Food and Agriculture Organization

Tổ chức Lương thực và Nông

of the United Nations

nghiệp Liên Hiệp Quốc

GDP

Gross Domestic Product

Tổng sản phẩm quốc nội

GSPCT

-

Giống sản phẩm cây trồng

IPCC

Intergovernmental Panel on

Ủy ban Liên chính phủ về

Climate Change

Biến đổi khí hậu

IRRI

International Rice Research Institute Viện nghiên cứu lúa Quốc tế

KD18

-

Khang Dân 18

HSHQ

-

Hệ số hồi quy

MAS

Marker Assisted Selection

Chọn lọc nhờ chỉ thị phân tử

MABC

Marker Assisted Backcrossing

Chọn lọc dựa vào chỉ thị phân
tử và lai trở lại

NST

-

Nhiễm sắc thể

NSTTTB

-

Năng suất thực thu trung bình

PCR

Polymerase Chain Reaction

Phản ứng chuỗi trùng hợp

PTNT

-

Phát triển Nông thôn

QTL

Quantitative Trait Locus

Locus tính trạng số lượng

S

Standard Deviation

Độ lệch chuẩn

SSR

Simple Sequence Repeat

Trình tự lặp lại đơn giản

TBE

Tris-borate-EDTA

-

TGST

-

Thời gian sinh trưởng


viii

DANH MỤC BẢNG
STT
1.1.

Tên bảng

Trang

Kết quả dự kiến của chương trình MABC kết hợp sử dụng
chọn lọc gen mục tiêu và chọn lọc nền di truyền ........................... 22

1.2.

Một số thành tựu ứng dụng chỉ thị phân tử trong chọn tạo
giống lúa .......................................................................................... 24

2.1.

Thành phần các chất dùng cho mỗi phản ứng PCR với mồi
SSR.................................................................................................. 41

2.2.

Chương trình chạy của phản ứng PCR ........................................... 42

3.1.

Một số đặc điểm nông sinh học, năng suất, yếu tố cấu thành
năng suất của hai giống lúa bố mẹ Vụ Xuân và Vụ Mùa 2009 ...... 51

3.2.

Chỉ thị phân tử dùng trong kiểm tra cá thể mang Sub1 trong
các quần thể lai trở lại ..................................................................... 55

3.3.

Kết quả sàng lọc chỉ thị đa hình trên 12 nhiễm sắc thể .................. 56

3.4.

Các chỉ thị phân tử sử dụng để sàng lọc nền di truyền các cá
thể trong các quần thể lai trở lại...................................................... 56

3.5.

Kết quả đánh giá các dòng mang gen Sub1 tại thế hệ BC3F4
trong vụ Xuân 2013 tại Văn Lâm, Hưng Yên................................. 71

3.6.

Kết quả đánh giá khả năng chịu ngập trong điều kiện nhân tạo

các dòng mang gen Sub1 tại thế hệ BC3F4 vụ Xuân 2013 .............. 72

3.7.

Kết quả theo dõi các tính trạng đặc trưng hình thái của giống
KD18-Sub1 và giống KD18 vụ Mùa 2013 ..................................... 76

3.8.

Yếu tố cấu thành năng suất và năng suất thực thu của giống
KD18-Sub1 so sánh với giống gốc KD 18 vụ Mùa 2013 trong
điều kiện không bị ngập .................................................................. 79

3.9.

Đặc điểm sinh trưởng của giống KD18-Sub1 trong điều kiện
canh tác bình thường tại các điểm khảo nghiệm............................. 80


ix

3.10.

Đặc điểm sinh trưởng của giống KD18-Sub1 trong khảo
nghiệm so sánh với điều kiện xử lý ngập úng vụ Mùa 2013 .......... 83

3.11.

Năng suất và yếu tố cấu thành năng suất của giống KD18-Sub1
với giống KD18 trong vụ Mùa 2013............................................... 84

3.12.

Ảnh hưởng của lượng phân đạm đến thời gian sinh trưởng của
giống lúa SHPT2 qua các giai đoạn sinh trưởng ............................ 88

3.13.

Ảnh hưởng của lượng phân đạm đến các yếu tố cấu thành năng
suất của giống lúa SHPT2 tham gia thí nghiệm ............................. 90

3.14.

Ảnh hưởng của lượng phân đạm đến năng suất thực thu của
giống lúa SHPT2 tham gia thí nghiệm............................................ 93

3.15.

Đặc điểm sinh trưởng của giống SHPT2 tại các tỉnh phía Bắc ..... 95

3.16.

Mức độ nhiễm sâu bệnh giống SHPT2 tại các tỉnh phía Bắc ......... 96

3.17.

Độ thuần đồng ruộng và các yếu tố cấu thành năng suất của
giống SHPT2 tại các tỉnh phía Bắc ................................................. 97

3.18.

Năng suất thực thu của giống SHPT2 tại vùng Đồng bằng sông
Hồng và Miền núi phía Bắc ............................................................ 98

3.19.

Năng suất thực thu của giống SHPT2 tại vùng Bắc Trung Bộ ..... 100

3.20.

Một số đặc điểm nông sinh học của mạ trước khi ngập tại Văn
Tố - Tứ Kỳ - Hải Dương ............................................................... 101

3.21.

Một số đặc điểm nông sinh học của giống SHPT2 sau ngập
úng tại Văn Tố - Tứ Kỳ - Hải Dương ........................................... 103

3.22.

Thời gian sinh trưởng của giống lúa SHPT2 các giai đoạn sinh
trưởng sau khi bị ngập tại Văn Tố - Tứ Kỳ - Hải Dương ............. 103

3.23.

Năng suất và các yếu tố cấu thành năng suất của giống SHPT2
sau ngập trong vụ Mùa 2015, 2016 tại Văn Tố - Tứ Kỳ - Hải
Dương............................................................................................ 105

3.24.

Mức độ nhiễm sâu bệnh hại của giống SHPT2 sau ngập tại xã
Văn Tố, huyện Tứ Kỳ, tỉnh Hải Dương ........................................ 107


x

3.25.

Kết quả phân tích chất lượng gạo của giống SHPT2 sau ngập
vụ Mùa 2016 ................................................................................. 107

3.26.

Hiệu quả kinh tế khi gieo trồng giống lúa SHPT2 trong điều
kiện bị ngập tại Văn Tố - Tứ Kỳ - Hải Dương ............................. 109

3.27.

Đặc điểm sinh trưởng của giống SHPT2 tại các địa phương đại
diện cho vùng sinh thái phía Bắc .................................................. 111

3.28.

Năng suất và các yếu tố cấu thành năng suất của giống SHPT2
tại các tỉnh phía Bắc ...................................................................... 113

3.29.

Mức độ nhiễm sâu bệnh hại của giống SHPT2 tại các tỉnh phía

Bắc................................................................................................. 117


xi

DANH MỤC HÌNH
STT

Tên hình

Trang

1.1.

Sơ đồ cho chọn giống bằng phương pháp MABC .......................... 21

3.1.

Bản đồ locus gen Sub1 và các chỉ thị phân tử liên kết trên
NST 9 .............................................................................................. 54

3.2.

Kết quả điện di sản phẩm PCR của hai giống lúa KD18 và
PSB-Rc68 với hai chỉ thị SC3 và ART5 liên kết chặt với gen
Sub1 trên NST số 9 ........................................................................ 54

3.3.

Kết quả kiểm tra chỉ thị phân tử SSR đa hình giữa giống lúa

KD18 và PSB-Rc68 ........................................................................ 55

3.4.

Kết quả chạy điện di sản phẩm PCR các cá thể của quần thể
BC1F1 với chỉ thị SC3 liên kết chặt với locus gen Sub1 trên gel
agarose 2,5% ................................................................................... 61

3.5.

Kết quả phân tích nền di truyền 46 cá thể BC1F1 bằng phần
mềm GGT v. 2.0 ............................................................................. 62

3.6.

Kết quả phân tích nền di truyền của cá thể BC1F1 số 14 bằng
phần mềm GGT v. 2.0..................................................................... 63

3.7.

Kết quả phân tích nền di truyền của 67 cá thể trong quần thể
BC2F1 bằng phần mềm GGT v. 2.0 ................................................. 64

3.8.

Kết quả phân tích nền di truyền của cá thể BC2F1 số 60 bằng
phần mềm GGT v. 2.0..................................................................... 65

3.9.

Kết quả phân tích nền di truyền của 54 cá thể trong quần thể
BC3F1 bằng phần mềm GGT v. 2.0 ................................................. 66

3.10.

Kết quả phân tích nền di truyền của cá thể BC3F1 số 42 bằng
phần mềm GGT v. 2.0..................................................................... 67


xii

3.11.

Kết quả chạy điện di sản phẩm PCR các cá thể của quần thể
BC3F2 với chỉ thị SC3 liên kết chặt với gen Sub1 trên gel
agarose 2,5% ................................................................................... 68

3.12.

Kết quả chạy điện di sản phẩm PCR các cá thể của quần thể
BC3F3 với chỉ thị ART5 liên kết chặt với gen Sub1 trên gel
agarose 2,5% ................................................................................... 68

3.13.

Kết quả chạy điện di sản phẩm PCR các cá thể của quần thể
BC3F3 với chỉ thị SC3 liên kết chặt với gen Sub1 trên gel
agarose 2,5% ................................................................................... 69

3.14.

Cây mạ trước khi gây ngập trong điều kiện nhân tạo vụ Xuân
2013 ................................................................................................. 73

3.15.

Cây mạ sau 7 ngày ngập trong điều kiện nhân tạo vụ Xuân
2013 ................................................................................................. 73

3.15.

Cây mạ sau 14 ngày ngập trong điều kiện nhân tạo vụ Xuân
2013 ................................................................................................. 74

3.16.

Đặc điểm lá của giống KD18-Sub1 so sánh với giống KD18 ........ 75

3.17.

Đặc điểm thân của giống KD18-Sub1 so sánh với giống KD18 .... 77

3.18.

Đặc điểm bông của giống KD18-Sub1 so sánh với giống
KD18 ............................................................................................... 78

3.19.

Cây mạ trước khi bố trí cấy thí nghiệm chịu ngập tại Hưng

Yên vụ Mùa 2013............................................................................ 81

3.20.

Giống KD18-Sub1 bị ngập tại Hưng Yên vụ Mùa 2013 ................ 81

3.21.

Giống KD18-Sub1 sau 10 ngày ngập tại Hưng Yên vụ Mùa
2013 ................................................................................................. 82

3.22.

Khảo nghiệm so sánh giữa giống KD18-Sub1 và KD18 trong
điều kiện thường và xử lý ngập nhân tạo trên đồng ruộng ............. 85

3.23.

Bố trí thí nghiệm anh hưởng của liều lượng phân đạm và mật
độ cấy đến giống SHPT2 trong điều kiện bị ngập .......................... 89


xiii

3.24.

Giống SHPT2 tham gia khảo nghiệm cơ bản vụ mùa 2015 ........... 95

3.25.

Giống SHPT2 giai đoạn đẻ nhánh tại Văn Tố - Tứ Kỳ - Hải
Dương vụ Mùa 2015 ..................................................................... 104

3.26.

Giống SHPT2 giai đoạn trổ bông tại Văn Tố - Tứ Kỳ - Hải
Dương vụ Mùa 2015 ..................................................................... 106

3.27.

So sánh năng suất của giống SHPT2 và KD18 vụ Mùa 2014 tại
các tỉnh phía Bắc ........................................................................... 114

3.28.

So sánh năng suất của giống SHPT2 và KD18 vụ Xuân 2015
tại các tỉnh phía Bắc ...................................................................... 114

3.29.

Giống SHPT2 khảo nghiệm sản xuất tại Thừa Thiên Huế vụ
Mùa 2014 ...................................................................................... 115

3.30.

Giống SHPT2 khảo nghiệm sản xuất tại Hưng Yên vụ Xuân
2015 ............................................................................................... 116


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Lúa (Oryza sativa L.) là loại cây lương thực quan trọng hàng đầu,
đóng vai trò quan trọng trong cơ cấu sản xuất nông nghiệp và giữ vai trò
chủ đạo trong đảm bảo an ninh lương thực ở Việt Nam. Tuy nhiên, trong
những năm gần đây biến đổi khí hậu, với tác động của các yếu tố sinh học
và phi sinh học bất lợi, đã ảnh hưởng rất lớn đến sinh trưởng và phát triển
của cây lúa ở trên toàn cầu nói chung và tại các vùng trồng lúa của Việt
Nam nói riêng. Một trong những vấn đề mà sản xuất lúa gạo ở Việt Nam
đang phải đối mặt đó là hiện tượng ngập úng diễn ra trong giai đoạn sinh
trưởng của cây lúa. Đây là yếu tố gây bất lợi rất lớn đến sinh trưởng và phát
triển của cây lúa trên đồng ruộng hiện nay. Đặc biệt tại các chân đất thấp
trũng tại các tỉnh phía Bắc hay bị ngập khi gieo cấy trong điều kiện vụ mùa.
Cho đến nay, cơ chế chống chịu với điều kiện ngập úng ở thực vật
nói chung và cây lúa nói riêng vẫn còn chưa hoàn toàn sáng tỏ. Rất nhiều
gen tham gia vào cơ chế đáp ứng, với sự điều hòa tín hiệu của hàng loạt
hormone đã được chứng minh là liên quan đến khả năng chống chịu ngập ở
cây lúa. Gần đây, với thành tựu trong việc phát hiện Sub1 là locus kiểm
soát tính trạng số lượng (Quantitative trait loci, QTL) chính liên quan đến
cơ chế chống chịu ngập ở lúa, rất nhiều các nghiên cứu trong nước và quốc
tế, dựa trên các kỹ thuật công nghệ sinh học hiện đại, đã được ghi nhận
nhằm nâng cao tính chống chịu ngập ở cây lúa.
Một điều rõ ràng có thể nhận thấy, đó là bên cạnh chọn giống truyền
thống, phương pháp chọn giống nhờ chỉ thị phân tử kết hợp lai trở lại
(Marker-assisted backcrossing, MABC) được xem là một cách tiếp cận
hiện đại, hiệu quả, tiết kiệm nhằm quy tụ gen mục tiêu từ giống cho vào
giống nhận. Đến nay, phương pháp MABC đã được áp dụng rất thành công
trên cây lúa, nhằm quy tụ các gen mục tiêu, chủ yếu liên quan đến tính

2

chống chịu với điều kiện bất thuận vào giống mong muốn. Tuy nhiên, các
nghiên cứu về tích hợp gen chịu ngập Sub1 vào các giống lúa phổ biến ở
Việt Nam, đặc biệt là tại các tỉnh phía Bắc, cũng như đánh giá hiệu quả
trong sản xuất của các giống lúa cải tiến này chưa được ghi nhận nhiều.
Trong cơ cấu giống lúa tại các tỉnh phía Bắc, Khang dân 18 được
biết đến là một trong những giống chủ lực trong nhiều năm gần đây. Đây là
một giống lúa thuần nhập nội, ngắn ngày, năng suất cao và phù hợp với cơ
cấu canh tác tại các tỉnh phía Bắc. Một điểm đáng chú ý là giống KD18 rất
mẫn cảm với điều kiện ngập úng, đây được xem như một yếu tố tác động
tiêu cực đến sự sinh trưởng và phát triển của giống lúa KD18 trên đồng
ruộng. Vì vậy, giải quyết vấn đề tính chống chịu ngập úng của KD18 được
xem là một bài toán rất cấp thiết cho sản xuất lúa tại các tỉnh phía Bắc.
Xuất phát từ yêu cầu của thực tiễn sản xuất, chúng tôi tiến hành
nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu và phát triển giống lúa Khang dân 18 chịu
ngập ứng phó với biến đổi khí hậu tại các tỉnh phía Bắc”
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Cải tiến giống lúa Khang Dân 18 theo hướng chịu ngập bằng
phương pháp lai trở lại có sự hỗ trợ của chỉ thị phân tử.
- Đánh giá được đặc điểm nông sinh học, tiềm năng năng suất, mức
độ nhiễm sâu bệnh hại của giống được cải tiến.
- Hoàn thiện quy trình kỹ thuật canh tác giống cải tiến trong điều
kiện ngập úng.
3. Tính mới và những đóng góp của đề tài
- Phân tích đa hình vùng locus gen Sub1 đã xác định được 2 chỉ thị
liên kết chặt với gen Sub1 là ART5 và SC3 cho đa hình giữu giống Khang
Dân 18 và PSB-Rc68. Hai chỉ thị phân tử này được sử dụng để chọn lọc cá
thể mang Sub1 trong các quần thể lai trở lại.

3

- Cải tiến thành công giống lúa Khang Dân 18 chịu ngập (được đặt
tên mới là SHPT2) bằng phương pháp lai trở lại nhờ chỉ thị phân tử. Giống
SHPT2 có đặc điểm nông sinh học, năng suất, chất lượng và khả năng
chống chịu sâu bệnh hại tương tự giống Khang Dân 18, đặc biệt có khả
năng chịu ngập 10 ngày trong điều kiện ngập hoàn toàn. Giống SHPT2 đã
được Bộ Nông nghiệp và PTNT công nhận sản xuất thử năm 2017.
- Hoàn thiện kỹ thuật canh tác giống SHPT2 trong điều kiện ngập
úng ở vùng Đồng bằng sông Hồng, cấy 3 dảnh/khóm, mật độ cấy 50
khóm/m2 và bón phân với lượng 110 kg N + 100 kg P2O5 + 90 K20 kg/ha
phù hợp để giống đạt năng suất cao nhất.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
4.1. Ý nghĩa khoa học
- Kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp những dẫn liệu khoa học nhằm bổ
sung nguồn thông tin nghiên cứu tuyển chọn giống lúa được quy tụ gen
mục tiêu bằng phương pháp MABC.
- Đã bổ sung dữ liệu góp phần hoàn thiện phương pháp đánh giá giống
mang gen mục tiêu được chọn tạo bằng phương pháp MABC tại Việt Nam.
Từ đó đánh giá chính xác sự có mặt của gen mục tiêu về khả năng biểu hiện
tính chịu ngập đối với giống mới cải tiến.
4.2. Ý nghĩa thực tiễn
- Chọn tạo thành công giống SHPT2 chịu ngập bằng phương pháp
MABC đã mở ra khả năng ứng dụng rộng rãi trong việc cải tiến để nâng
cao khả năng chống chịu của các giống đang sản xuất đại trà.
- Giống SHPT2 có thời gian sinh trưởng ngắn, năng suất cao, chịu
ngập tốt, đã được đã được Bộ Nông nghiệp và PTNT công nhận sản xuất
thử năm 2017, góp phần đa dạng bộ giống lúa gieo cấy cho những vùng đất

trũng, ngập úng ở các tỉnh phía Bắc trong những năm tới.


4

5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
5.1. Đối tượng nghiên cứu:
Đối tượng nghiên cứu là giống lúa Khang Dân 18 được trồng đại trà
có quy mô lớn trong sản xuất. Giống lúa PSB-Rc68 mang locus gen chịu
ngập Sub1 được nhập nội từ Viện nghiên cứu lúa quốc tế (IRRI).
5.2. Phạm vi nghiên cứu
- Lai tạo và sử dụng chỉ thị phân tử xác định các cá thể mang locus
gen mong muốn.
- Đánh giá khả năng chịu ngập đối với các giống mới được chọn tạo.
- Đánh giá các đặc điểm nông sinh học, tiềm năng năng suất và khả
năng thích ứng, phát triển của giống tại một số tỉnh đại diện cho các vùng
sinh thái phía Bắc.
- Thời gian nghiên cứu: từ năm 2010 đến 2017.


5

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Thực trạng về biến đổi khí hậu và những thách thức với ngành
nông nghiệp thế giới và Việt Nam
1.1.1. Thực trạng về biến đổi khí hậu trên thế giới
Biến đổi khí hậu (BĐKH) là sự biến động trạng thái trung bình của
khí hậu toàn cầu hay khu vực theo thời gian từ vài thập kỷ đến hàng triệu
năm. Những biến đổi này được gây ra do quá trình vận động của trái đất, bức
xạ mặt trời, và gần đây có thêm hoạt động của con người. BĐKH trong thế

kỷ 20 đến nay được gây ra chủ yếu do con người, do vậy thuật ngữ BĐKH
(hoặc còn được gọi là sự ấm lên toàn cầu – global warming) được coi là
đồng nghĩa với BĐKH hiện đại (DaMatta et al., 2010, Pandey et al., 2017).
Theo các nhà khoa học, hiện tượng trái đất ấm dần lên sẽ kéo theo
tình trạng tử vong, cũng như nhiều loại bệnh tật truyền nhiễm và dị ứng.
Những khu vực khô hạn lâu nay sẽ trở nên khô kiệt hơn. Do thiếu nước,
hạn hán gây mất mùa thì nguy cơ đói kém cũng sẽ gia tăng. Theo Savo et
al. (2016) có khoảng hơn 2.230 địa phương ở trên 137 quốc gia khác nhau
bị ảnh hưởng của biến đổi khí hậu. Năm 2050 sẽ có hơn một tỷ người trên
thế giới thiếu nước ngọt, đặc biệt khi mà mức sống ở một số vùng như
Trung Á, Nam Á, Đông Á, Đông Nam Á tăng lên thì tình trạng thiếu nước
càng trở nên trầm trọng (Mahmoud and Gan, 2018). Ngoài ra, thời tiết thay
đổi dẫn đến tình trạng lụt lội nhiều hơn. Dự kiến đến năm 2080 hàng triệu
cư dân trái đất sẽ chịu ảnh hưởng bởi mực nước biển dâng lên, nhất là vùng
đảo nhỏ và các vùng châu thổ lớn ở Châu Á và Châu Phi, sẽ có khoảng 200
- 600 triệu người bị nạn đói đe dọa (Foulds et al., 2014, Hurlbert and
Gupta, 2016). Hàng năm, sẽ có từ 2 - 7 triệu người sẽ là nạn nhân của tình
trạng nước biển dâng và lụt lội (Rubaiyath and Jianhua, 2016).
Châu Á cũng không thoát khỏi tình trạng tương tự khi mà lũ lụt, hạn
hán nghiêm trọng, dịch bệnh hoành hành dẫn đến đói kém. IPCC đưa ra


6

cảnh báo là đến giữa thế kỷ này năng suất các loại ngũ cốc tại Châu Á sẽ
giảm 30% (Hoang et al., 2018). Hằng trăm triệu người sống tại những quốc
gia như Ai Cập, Bangladesh, Việt Nam sẽ chịu ảnh hưởng bởi tình trạng
nước biển dâng cao và lũ lụt thường xuyên. Còn khoảng 10 năm nữa sẽ có
120 triệu đến hơn một tỷ người dân Châu Á gặp phải tình trạng hiếm nước
(Morita, 2011, Wassmann et al., 2004). Riêng khu vực Đông Nam Á theo

báo cáo của ADB nếu hiệu ứng nhà kính không kìm hãm lại, nhiệt độ khí
hậu tại Indonesia, Philippines, Thái Lan và Việt Nam sẽ tăng trung bình
4,80C so với năm 1990. Lượng mưa ở các nước này sẽ giảm khiến hạn hán
và cháy rừng xảy ra thường xuyên hơn. Bên cạnh đó, số lượng bão nhiệt
đới và lũ lụt do nước biển dâng cũng tăng lên khiến hàng chục triệu người
đối mặt với mất nhà cửa và tàn phá 2.500 km2 rừng ngập mặn. Các chuyên
gia còn cho rằng thiệt hại kinh tế của 4 nước trong khoảng thời gian từ nay
đến năm 2100 sẽ là 2,2 % tổng sản phẩm quốc nội. Nếu tính cả mất mát về
sức khỏe và đa dạng sinh thái thì mức thiệt hại tăng lên 5,7%. Nguy cơ lớn
hơn là Việt Nam và Thái Lan những nước xuất khẩu gạo thứ nhất và thứ
hai thế giới là có thể giảm tới 50% sản lượng gạo do tình trạng thiếu nước
và nước biển dâng (Hoang et al., 2018, Huong and Pathirana, 2013,
Wassmann et al., 2004). Mỗi năm lũ lụt đã làm mất hàng triệu tấn lúa
chiếm khoảng 25% sản lượng lúa gạo, thất thoát hàng tỷ USD. Với các
nước phát triển thể hiện vai trò đi đầu bằng cách tới năm 2050 phải cắt
giảm khí thải khí nhà kính ít nhất 80% và đến năm 2020 ít nhất 30% so với
mức của năm 1990. Khuyến nghị kết hợp các biện pháp như đánh thuế
carbon, các chương trình mua bán khí phát thải cần chặt chẽ hơn, có các
giải pháp về quản lý và điều tiết năng lượng, bảo vệ rừng.
1.1.2. Biến đổi khí hậu, những thách thức với ngành nông nghiệp
Việt Nam
Với khoảng 3.260 km đường bờ biển chạy dài suốt từ Bắc xuống
Nam, cùng với khoảng 50% dân số cả nước đều thuộc vùng đất thấp, Việt


7

Nam được đánh giá là một trong 5 quốc gia dễ bị tổn thương và chịu nhiều
tác động tiêu cực do nước biển dâng gây ra (Huong and Pathirana, 2013,
Wassmann et al., 2004). Theo đánh giá của của Ngân hàng Thế giới

(2016), khi mực nước biển dâng 50 cm sẽ gây ngập lụt 5.304 km2, dâng 75
cm thì ngập 10.350 km2, nếu mực nước biển dâng 1m sẽ bị ngập 17.423
km2 và 10,8% dân số bị ảnh hưởng trực tiếp, tổn thất đối với GDP khoảng
10%; 7% sản lượng nông sản bị mất (Hoang et al., 2018, Radhakrishnan et
al., 2017). Có thể thấy, hậu quả của biến đổi khí hậu và mực nước biển
dâng đối với Việt Nam là nghiêm trọng và là một nguy cơ hiện hữu cho
mục tiêu xóa đói giảm nghèo, ảnh hưởng tiêu cực đến việc thực hiện các
mục tiêu thiên niên kỷ do mực nước biển dâng.
Việt Nam được đánh giá là một trong những quốc gia bị ảnh hưởng
nặng nề nhất của biến đổi khí hậu, trong đó Đồng bằng sông Cửu Long là
một trong ba đồng bằng trên thế giới dễ bị tổn thương nhất do nước biển
dâng, bên cạnh đồng bằng sông Nile (Ai Cập) và đồng bằng sông Ganges
(Bangladesh) (Hoang et al., 2018). Theo các kịch bản biến đổi khí hậu, vào
cuối thế kỷ 21, nhiệt độ trung bình năm ở nước ta tăng khoảng 2 - 3oC, tổng
lượng mưa năm và lượng mưa theo mùa tăng, trong khi đó lượng mưa mùa
khô lại giảm, mực nước biển có thể dâng khoảng từ 75 cm đến 1 m so với
thời kỳ 1980-1999 (Wassmann et al., 2004). Nếu mực nước biển dâng cao
1m, sẽ có khoảng 40% diện tích Đồng bằng sông Cửu Long, 11% diện tích
Đồng bằng sông Hồng và 3% diện tích của các tỉnh khác thuộc vùng ven
biển sẽ bị ngập, trong đó, thành phố Hồ Chí Minh sẽ bị ngập trên 20% diện
tích; khoảng 10 - 12% dân số nước ta bị ảnh hưởng trực tiếp và tổn thất
khoảng 10% GDP (Nguyễn Văn Toàn và cs., 2015). Tác động của biến đổi
khí hậu đối với nước ta là rất nghiêm trọng, là nguy cơ hiện hữu cho mục
tiêu xoá đói giảm nghèo, cho việc thực hiện các mục tiêu thiên niên kỷ và
sự phát triển bền vững của đất nước .


8

Trong những năm qua, dưới tác động của biến đổi khí hậu, tần suất và

cường độ thiên tai ngày càng gia tăng, gây ra nhiều tổn thất to lớn về
người, tài sản, các cơ sở hạ tầng về kinh tế, văn hoá, xã hội, tác động xấu
đến môi trường. Chỉ tính trong 10 năm gần đây (2001-2010), các loại thiên
tai như: Bão, lũ, lũ quét, sạt lở đất, úng ngập, hạn hán, xâm nhập mặn và
các thiên tai khác đã làm thiệt hại đáng kể về người và tài sản, đã làm chết
và mất tích hơn 9.500 người, giá trị thiệt hại về tài sản ước tính chiếm
khoảng 1,5% GDP/năm.
Biến đổi khí hậu đe dọa nghiêm trọng đến an ninh lương thực và phát
triển nông nghiệp: Thu hẹp diện tích đất nông nghiệp, đặc biệt là một phần
đáng kể ở vùng đất thấp đồng bằng ven biển, Đồng bằng sông Hồng, sông
Cửu Long bị ngập mặn do nước biển dâng; tác động lớn đến sinh trưởng,
năng suất cây trồng, thời vụ gieo trồng, làm tăng nguy cơ lây lan sâu bệnh
hại cây trồng... Do tác động của biến đổi khí hậu, tài nguyên nước có nguy
cơ suy giảm do hạn hán ngày một tăng ở một số vùng, mùa vụ, ảnh hưởng
trực tiếp đến sản xuất nông nghiệp, cung cấp nước cho sinh hoạt ở nông
thôn, thành thị và thủy điện. Chế độ mưa thay đổi có thể gây lũ lụt nghiêm
trọng vào mùa mưa, và hạn hán vào mùa khô, tăng mâu thuẫn trong khai
thác và sử dụng tài nguyên nước.
Ở Đồng bằng sông Cửu Long có tổng diện tích đất trồng lúa
1.809.430 ha, chiếm gần 50% diện tích đất trồng lúa của Việt Nam, hàng
năm đóng góp 56% sản lượng lương thực của cả nước. Do vậy sản xuất lúa
của vùng này có vai trò đặc biệt quan trọng đối với vấn đề an ninh lương
thực Quốc gia. Tuy nhiên sản xuất lương thực tại vùng này cũng đang chịu
tác động rất lớn của biến đổi khí hậu và là một trong những vùng chịu tác
động lớn nhất của BĐKH do nước biển dâng, hiện tượng EL Nino gây khô
hạn và La Nina gây úng ngập... dẫn đến thu hẹp diện tích đất trồng lúa, thu
hẹp diện tích gieo trồng và làm giảm sản lượng lúa gạo với xu hướng ngày


9

một gia tăng theo các kịch bản biến đổi khí hậu đã được công bố gần đây
(Hoang et al., 2018, Wassmann et al., 2004).
Theo kịch bản biến đổi khí hậu đến năm 2020, nước biển dâng 12 cm
thì diện tích đất trồng lúa bị ảnh hưởng khoảng 555.728 ha, chiếm 28,84%
tổng diện tích đất lúa của vùng. Diện tích gieo trồng lúa mất 574,71 nghìn
ha và sản lượng lúa giảm 3,11 triệu tấn. Theo kịch bản năm 2030, nước
biển dâng 17 cm, diện tích đất lúa bị ảnh hưởng khoảng 640.402 ha, chiếm
33,23% tổng diện tích đất lúa toàn vùng, tăng 0,15 lần so với kịch bản
BĐKH năm 2020. Theo đó diện tích gieo trồng lúa bị mất 690,74ha, tương
ứng sản lượng luá bị mất 3,71 triệu tấn. Theo Kịch bản BĐKH đến năm
2100 thì diện tích đất lúa bị ảnh hưởng do BĐKH là 1.768.343ha, chiếm
91,77% tổng diện tích đất lúa toàn vùng, tăng 1,76 lần so với kịch bản
BĐKH năm 2030, tăng 2,18 lần so với năm 2020. Theo đó diện tích gieo
trồng lúa bị mất 2,21 triệu ha và sản lượng lúa mất tương ứng 55,57% tổng
sản lượng lúa của vùng. Diện tích đất canh tác lúa bị ảnh hưởng nhiều nhất
là các tỉnh vùng trọng điểm lúa gạo thuộc vùng Đồng Tháp Mười, Tứ giác
Long Xuyên như: Kiên Giang Long An, An Giang, Đồng Tháp. Các tỉnh
mất sản lượng lúa nhiều nhất là Kiên Giang, Sóc Trăng, Trà Vinh (Huong
and Pathirana, 2013). Nguyên nhân gây ra mất sản lượng lúa nhiều nhất là
do ngập lũ vì đây vốn là đặc thù của Đồng bằng sông Cửu Long, sau đó là
do nước biển dâng, xâm nhập mặn.
Bên cạnh đó, Đồng bằng sông Hồng và các tỉnh tại phía Bắc rõ ràng
cũng hứng chịu rất nhiều thiệt hại nặng nề do ngập lụt gây ra. Với cấu trúc
địa hình phức tạp, hệ thống thủy lợi chưa hoàn chỉnh (Bac and Hien, 2009,
Taylor and Wright, 2001), tình trạng ngập lụt cục bộ có thể diễn ra trên
nhiều vùng sản xuất lúa, gây thiệt hại nặng nề đến bà con nông dân. Gần
đây nhất, tình trạng ngập úng được dự báo có thể xảy ra trên diện rộng với
chiều hướng rất đáng lo ngại. Cụ thể, tổng lượng mưa phổ biến đo được tại

10

khu vực Bắc Bộ trong giai đoạn tháng 4-5 năm 2018 cao hơn trung bình nhiều
năm, từ 20-70%, đồng thời kèm theo các đợt lũ nhỏ với biên độ lũ từ 1-3 m
trên thượng lưu hệ thống sông Hồng (Theo Bộ NN&PTNT, 2018). Hiện
tượng nước sông dâng cao tràn vào các hệ thống tưới tiêu, ảnh hưởng đến mùa
màng cũng được ghi nhận trong các năm trở lại đây, đặc biệt là Hải Dương,
Vĩnh Phúc, Nghệ An, Thanh Hóa và Thái Bình (Bac and Hien, 2009, Nguyen
et al., 2017, Taylor and Wright, 2001). Cụ thể, theo số liệu báo cáo năm 2015,
mùa lũ trùng với mùa bão, làm lũ trên hệ thống sông Thái Bình chịu ảnh
hưởng trực tiếp từ lũ sông Hồng. Hiện tượng sóng triều cường cộng với sóng
lũ làm lũ lên nhanh và cao hơn, rút chậm hơn, đã làm ảnh hưởng của lũ đến
sản xuất lúa gạo càng nghiêm trọng hơn (Bộ NN&PTNT, 2015).
Trong phạm vị của luận án này, một số dẫn liệu về ảnh hưởng của
tình trạng ngập úng đến sản xuất nông nghiệp tại tỉnh Hải Dương, một
trong những khu vực trồng lúa chính ở Đồng bằng sông Hồng. Trong
những năm gần đây, hiện tượng ngập do mưa bão ảnh hưởng tới Hải
Dương thường được ghi nhận từ tháng 6 và kết thúc vào tháng 10, tập trung
chủ yếu vào các tháng 7, 8 và 9 (Bộ NN&PTNT, 2018). Kèm theo đó,
lượng mưa phân bố không đều, tập trung vào mùa mưa, từ tháng 5 - 10, với
lượng mưa trung bình năm đạt khá cao, từ 1400 – 1600 mm. Rất nhiều đợt
mưa gây ngập úng trên diện rộng đã xảy ra ở nhiều khu vực tại Hải Dương
với lượng mưa trong 24 giờ trên 400 mm (Bộ NN&PTNT, 2015, 2018).
Nhận thức được các vấn đề về BĐKH, Chính phủ, Bộ Nông nghiệp
và PTNT đã có nhiều hoạt động triển khai các hoạt động ứng phó với
BĐKH. Bộ đã và đang tích cực thực hiện Chương trình mục tiêu Quốc gia
ứng phó với BĐKH (Quyết định số 158/2008/QĐ-TTg ngày 02/12/2008
của Thủ tướng Chính phủ), công bố khung Chương trình hành động thích
ứng với BĐKH của ngành, giai đoạn 2008-2020 vào ngày 05 tháng 9 năm

2008 (Bộ Nông nghiệp và PTNT, 2008); phê duyệt và thực hiện kế hoạch