Tài liệu 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