MỞ ðẦU
ðặt vấn ủề 1
Cây lúa (Oryza sativa) là một trong ba cây lương thực chủ yếu trên toàn cầu, bên cạnh lúa mỡ và lúa ngụ Ngoài vai trò cung cấp lương thực, sản phẩm phụ từ lúa gạo còn đóng góp quan trọng cho ngành chế biến thực phẩm và chăn nuôi.
Việt Nam nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới, rất thích hợp cho cây lúa phát triển, trở thành cây lương thực chủ yếu và có ý nghĩa quan trọng trong nền kinh tế quốc dân Lúa nếp không chỉ có giá trị kinh tế mà còn đóng góp lớn vào đời sống văn hóa của người dân Việt Nam, được sử dụng trong các nghi lễ thờ cúng, bữa tiệc và lễ hội Lúa nếp góp phần tạo nên hương vị hấp dẫn và bản sắc văn hóa ẩm thực Việt Nam Để từ một nước nông nghiệp lạc hậu trở thành nước xuất khẩu gạo thứ hai thế giới, Việt Nam đã phát triển vượt bậc về khoa học nông nghiệp, trong đó công tác giống và bảo vệ thực vật đóng vai trò rất quan trọng.
Một trong những nguyên nhân chính ảnh hưởng đến năng suất và sản lượng lúa hàng năm là bệnh bạc lá lúa do vi khuẩn gây ra.
Xanthomonas oryzae pv oryzae là tác nhân gây bệnh nghiêm trọng cho cả lúa nếp và lúa tẻ, dẫn đến giảm năng suất lúa hàng năm từ 6-60% theo số liệu của cục bảo vệ thực vật trong giai đoạn 1999-2003 Bệnh này chủ yếu ảnh hưởng đến lỏ lỳa, đặc biệt là làm cho lỏ ủũng sớm tàn và chết nhanh, gây tổn hại cho bộ lỏ xơ xỏc, ảnh hưởng đến quá trình quang hợp và làm tăng tỉ lệ hạt lộp.
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội đã nghiên cứu về luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp, chỉ ra rằng việc giảm sâu bệnh rõ rệt có thể đạt được thông qua các biện pháp phòng trừ như canh tác hợp lý, chế độ bón phân hợp lý và biện pháp hóa học Tuy nhiên, hiệu quả của những phương pháp này không cao Do đó, biện pháp phòng chống hiệu quả nhất là lựa chọn giống cây trồng kháng bệnh.
Để chọn tạo giống lúa chống bệnh bạc lá thành công và bền vững, cần có nguồn gen kháng phong phú Các giống lúa địa phương thường có nhiều đặc tính quý, giúp chống chịu với điều kiện bất thuận và sâu bệnh, là nguồn gen kháng bệnh quan trọng Việc xác định khả năng kháng của từng giống lúa là rất cần thiết, nhưng việc này gặp khó khăn trong việc xác định chính xác giống nào chứa gen kháng Phương pháp truyền thống thường dựa vào việc nhiễm bệnh và so sánh phổ cảm nhiễm, nhưng độ chính xác còn phụ thuộc vào điều kiện môi trường Do đó, phương pháp PCR đang được nhiều nhà khoa học quan tâm, cho phép xác định gen kháng một cách chính xác hơn thông qua việc sử dụng các đoạn mồi đặc hiệu Hiện nay, đã có nhiều chỉ thị liên kết với gen kháng bệnh, như gen Xa4 liên kết với chỉ thị Npb181 và Npb78 trên nhiễm sắc thể số 11, và gen lặn xa5 liên kết với chỉ thị RG556 trên nhiễm sắc thể số 5.
Gen Xa7 liên kết chặt với chỉ thị P3 trên nhiễm sắc thể số 6 với khoảng cách 2,5cM, trong khi gen Xa21 liên kết với các chỉ thị pTA818 và pTA248 với khoảng cách từ 0 đến 1cM.
Trờn cơ sở ủú, chỳng tụi tiến hành nghiờn cứu ủề tài: “ð ỏnh giỏ kh ả n ă ng khỏng b ệ nh b ạ c lỏ c ủ a t ậ p ủ oàn cỏc gi ố ng lỳa n ế p ủị a ph ươ ng ”
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ……… 3
Mục ủớch 3
Tỡm ra cỏc giống lỳa nếp ủịa phương chứa gen và cú khả năng khỏng bệnh bạc lá phục vụ cho chọn tạo giống kháng bệnh bền vững.
Yêu cầu 3 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU
* Khảo sát một số đặc điểm nơng sinh học của tập đồn các giống lúa nếp ủịa phương
* Lõy nhiễm nhõn tạo và ủỏnh giỏ khả năng khỏng bệnh bạc lỏ của tập đồn các giống lúa nếp địa phương
* Sử dụng chỉ thị phân tử PCR tìm gen kháng bệnh bạc lá Xa4, xa5, Xa7 ở tập đồn các giống lúa nếp địa phương
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ……… 4
Những nghiên cứu cơ bản về cây lúa 4
Lúa là một trong những loài cây trồng có lịch sử lâu đời nhất, với dấu vết xuất hiện từ 3000 – 2000 năm trước công nguyên tại Trung Quốc, Ấn Độ và Việt Nam Cụ thể, cây lúa đã xuất hiện cách đây 5000 năm ở vùng Triết Giang, Trung Quốc và 4000 năm ở hạ lưu sông Dương Tử Tại Việt Nam, lúa được coi là cây trồng bản địa, không phải là loại cây nhập khẩu Với điều kiện khí hậu nhiệt đới, Việt Nam có thể là nơi hình thành cây lúa nước Lúa đã trở thành cây lương thực chủ yếu, đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế và xã hội Nguồn gốc của lúa trồng hiện nay được cho là từ lúa dại, nhưng vẫn còn nhiều tranh cãi về tổ tiên của nó Một số nghiên cứu cho rằng Oryza sativa có nguồn gốc từ lúa dại lâu năm Rufipogon, trong khi những nghiên cứu khác chỉ ra rằng kiểu trung gian giữa O rufipogon và O nivara gần giống với tổ tiên lúa trồng hiện nay hơn.
Một số tác giả như đinh Dĩnh, Bùi Huy đáp, đinh Văn LữẦcho rằng:
Oryza fatua là loài lỳa dại gần nhất và ủược coi là tổ tiờn của lỳa trồng hiện nay 2.1.2 Phân lo ạ i lúa tr ồ ng
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ……… 5
Về phân loại lúa trồng Oryza sativa, có nhiều quan điểm khác nhau Tuy nhiên, dựa trên kết quả nghiên cứu trước đây, các nhà khoa học tại Viện Nghiên cứu Lúa Quốc tế (IRRI) đã thống nhất rằng lúa trồng ở Châu Á (Oryza sativa) thuộc họ hòa thảo (Graminae), tộc Oryzae, với bộ NST 2n.
[4] Theo ủiều kiện sinh thỏi, Kato (1993) chia lỳa trồng thành 2 nhúm lớn là
Lúa Japonica và Indica là hai loại lúa chính, trong đó lúa Indica thường phát triển ở vùng vĩ độ thấp như Trung Quốc, Ấn Độ, Việt Nam và Indonesia Loại lúa này có thân cao, lá nhỏ màu xanh nhạt, bông xòe, hạt dài, vỏ trấu mỏng, cơm khô và nở nhiều, nhưng chịu phân kém nên năng suất thường thấp Ngược lại, lúa Japonica phát triển ở vùng vĩ độ cao như Nhật Bản, Triều Tiên, Bắc Trung Quốc và Châu Âu Lúa này có thân to, lá xanh đậm, bông chụm, hạt ngắn, vỏ trấu dày, cơm dẻo, nở ít, thích nghi tốt với điều kiện thâm canh và chịu phân tốt, thường cho năng suất cao.
Căn cứ vào thời gian sinh trưởng, Trung Quốc phân chia lúa thành lúa sớm và lúa muộn, hay còn gọi là lúa Xuân và lúa Mùa Tại Việt Nam, việc phân loại này cũng đã hình thành từ lâu.
Vụ lúa ở Việt Nam bao gồm vụ lúa Xuân và vụ lúa Mùa Lúa Xuân thường có thời gian sinh trưởng dài hơn lúa Mùa do sinh trưởng trong điều kiện nhiệt độ thấp của vụ Đông Xuân Hiện nay, hầu hết các giống lúa được sản xuất đều có khả năng phản ứng với nhiệt độ trong cả hai vụ lúa trong năm.
Lúa được phân bố trong các điều kiện địa hình khác nhau, chế độ tưới và mức tưới ngập khác nhau, hình thành nên các loại lúa cạn như lúa nương và lúa nước Lúa chịu nước sâu, hay còn gọi là lúa nổi, có khả năng chịu ngập từ 1m đến 3-4m, cho phép nó phát triển trong môi trường ngập nước.
Theo chất lượng và hình dạng hạt, người ta phân ra: lúa tẻ và lúa nếp, lúa hạt tròn và lúa hạt dài
Theo quan ủiểm canh tỏc học, cõy lỳa ủược phõn thành 4 nhúm chớnh sau ủõy [4]
- Lỳa cạn (Upland rice): ủược trồng trờn ủất cao, khụng giữ nước, cõy lúa hoàn toàn sống nhờ vào nước trời
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ……… 6
Lúa cấy (lúa tưới) được trồng trên những cánh đồng có hệ thống thủy lợi, với việc cung cấp nước tưới liên tục trong suốt chu kỳ sinh trưởng của cây.
Lỳa nước sõu (lúa nước mưa) được trồng trên những cánh đồng thấp, không có khả năng thoát nước khi gặp mưa lớn hoặc lũ lụt Tuy nhiên, thời gian ngập nước tối đa không vượt quá 10 ngày và mức nước không quá 50 cm.
Lúa nổi (lúa nước sâu hoặc lúa nổi) là loại lúa được gieo trồng trong mùa mưa, khi nước dâng cao, lúa có khả năng vươn lên mặt nước với tốc độ khoảng 10cm/ngày Tại Việt Nam, có bốn nhóm giống lúa, trong đó nhóm lúa cạn chủ yếu phát triển ở vùng núi và trung du Bắc Bộ, Tây Nguyên Lúa có tưới được canh tác chủ yếu ở vùng đồng bằng Sông Hồng, ven biển miền Trung và đồng bằng sông Cửu Long Lúa nước sâu chủ yếu được gieo trồng tại các vùng ngập, trũng thuộc đồng bằng Bắc Bộ và các thung lũng khó thoát nước ở miền núi phía Bắc Lúa nổi hiện chỉ còn tồn tại rất ít ở vùng Đồng Tháp Mười thuộc đồng bằng sông Cửu Long.
Ngoài 4 nhóm trên ở Việt Nam còn có một số nhóm giống lúa thích nghi với các tiểu vùng sinh thái chuyên biệt khác nhau như: giống lúa chịu mặn, cỏc giống lỳa này ủược trồng chủ yếu ở cỏc vựng duyờn hải Bắc, Nam, Trung Bộ Cỏc vựng ủú thường xuyờn bị nước biển xõm nhập nhưng cũng ủược nguồn nước ngọt thau rửa nờn vẫn cú thể canh tỏc lỳa
2.1.3 Nghiên c ứ u ngu ồ n gen di truy ề n cây lúa
* Ngu ồ n gen ủị a ph ươ ng cõy lỳa và v ấ n ủề b ả o t ồ n
Việt nam nổi tiếng về sự phong phỳ, ủa dạng sinh học Theo thống kờ nước ta cú tới hơn 1810 giống ngụ, 75 giống khoai lang, 33 giống ủay, 114
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ……… 7 giống lạc, 224 giống ủậu ủỗ, 48 giống dõu…[38]
Việt Nam được xem là một trong những cái nôi của nền văn minh nông nghiệp lúa nước, với khoảng 2.000 giống lúa cổ truyền, trong đó có 206 giống lúa nếp và nhiều loài lúa hoang dại vẫn tồn tại trong tự nhiên Hệ gen phong phú của lúa bao gồm Indica với 45.000 - 56.000 gen và Japonica với 32.000 - 50.000 gen (2003), tạo ra nguồn vật liệu quý giá cho các nhà chọn giống trong việc lai tạo giống mới.
Các giống lúa địa phương được hình thành qua quá trình chọn lọc tự nhiên và nhân tạo lâu dài, mang lại năng suất ổn định nhờ khả năng thích nghi cao với điều kiện môi trường và tính chống chịu tốt với một số sâu bệnh hại nguy hiểm Tuy nhiên, do điều kiện canh tác và khả năng tiếp cận khoa học kỹ thuật hạn chế, nhiều nơi vẫn duy trì giống lúa địa phương bản địa Sự phát triển kinh tế trong nông nghiệp có thể dẫn đến việc thay thế giống cũ bằng các giống lúa lai mới có năng suất cao hơn, nhưng khả năng kháng bệnh lại kém, tiềm ẩn nguy cơ bùng phát dịch bệnh Do đó, công tác chọn tạo các giống lúa có khả năng kháng bệnh là rất cần thiết để đảm bảo an ninh lương thực Để thành công trong việc chọn tạo giống kháng sâu bệnh, việc bảo tồn nguồn gen các giống lúa địa phương bản địa là vô cùng quan trọng Cần thường xuyên tiến hành đánh giá, thu thập và bảo quản nguồn gen, đồng thời áp dụng các biện pháp kỹ thuật phù hợp để lai tạo giống mới dựa trên những đặc điểm tốt của các giống lúa địa phương.
Từ năm 1975, Viện Nghiên cứu lúa quốc tế (IRRI) đã chính thức hợp tác với Việt Nam trong chương trình thử nghiệm giống lúa quốc tế (IRTP), hiện nay được gọi là chương trình đánh giá nguồn gen cây lúa (INGER) Hợp tác này đã góp phần quan trọng trong việc phát triển và cải tiến giống lúa tại Việt Nam.
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội đã đóng góp tích cực vào nghiên cứu và phát triển giống lúa, với việc nhận được 279 tập đoàn giống lúa, bao gồm hàng nghìn mẫu có nhiều đặc điểm sinh học ưu việt Những giống lúa này không chỉ có năng suất cao và chất lượng tốt mà còn có khả năng chống chịu sâu bệnh và thích ứng với các điều kiện ngoại cảnh bất thuận.
Việt Nam đã bắt đầu công tác bảo tồn nguồn gen từ năm 1987, đạt được kết quả tích cực với hơn 13.500 giống thực vật được bảo tồn và lưu giữ tại trung tâm tài nguyên thực vật (Lưu Ngọc Trình, 2000) Đặc biệt, nước ta cũng đã bảo tồn hơn 450 giống lúa có khả năng chịu hạn, chịu úng ngập và chống chịu sâu bệnh tốt (Trần Duy Quý).
Nghiên cứu về bệnh bạc lá lúa
2.2.1 Ngu ồ n g ố c, phân b ố c ủ a b ệ nh b ạ c lá lúa
Bệnh bạc lỏ lỳa ủược phỏt hiện ủầu tiờn ở Fukuoka - Nhật Bản, vào năm
Vào năm 1884, một loại lúa đã được phát triển và trở nên phổ biến tại các quốc gia trồng lúa trên toàn thế giới, đặc biệt là từ cuối thập kỷ 60 đến đầu thập kỷ 80 Các nước châu Á như Ấn Độ (1940), Indonesia (1950), Philippines (1957) và Trung Quốc đã áp dụng loại lúa này, góp phần vào sự phát triển nông nghiệp trong khu vực.
(1957), Pakistan (1976) Ngoài ra, người ta cũn quan sỏt ủược bệnh này ở châu Phi (1975) và châu Mỹ la tinh (1979) [17]
Bệnh bạc lá là một trong những vấn đề nghiêm trọng nhất đối với cây lúa ở các quốc gia nhiệt đới châu Á như Ấn Độ, Philippines và Việt Nam Tình trạng này trở nên nghiêm trọng hơn khi diện tích trồng các giống lúa nửa lùn có năng suất cao được mở rộng, kết hợp với các phương pháp thâm canh trong cuộc cách mạng xanh.
[59] Vỡ vậy, ủõy là vấn ủề rất quan trọng ủối với cỏc nước trồng lỳa núi chung và các nước trồng lúa ở Nam Á nói riêng
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội là nơi đào tạo và nghiên cứu chuyên sâu về khoa học Nông nghiệp Bệnh bạc lỏ lỳa đã được phát hiện tại Việt Nam sau thời kỳ hòa bình lập lại, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sản xuất nông nghiệp.
Vào năm 1954, các giống lúa địa phương cao cấy không gặp phải mức độ gây hại nghiêm trọng Tuy nhiên, khi phong trào thâm canh lúa phát triển, việc gieo trồng các giống lúa cải tiến và sử dụng nhiều phân bón, đặc biệt là phân đạm, đã dẫn đến sự bùng phát nghiêm trọng của bệnh bạc lá, thường xuyên gây hại trong mùa vụ Bệnh này đã phát triển thành dịch lớn ở một số tỉnh đồng bằng sông Hồng từ năm 1968.
Trong những năm gần đây, bệnh bạc lá lúa đã có xu hướng gia tăng và gây hại ở cả vụ xuân, chủ yếu do việc gieo trồng và sử dụng rộng rãi các giống lúa nhập nội từ Trung Quốc mà chưa qua khảo nghiệm tính chống bệnh Nhiều giống lúa này phản ứng nhiễm từ nhẹ đến nặng với các chủng vi khuẩn gây bệnh bạc lá tại Việt Nam Theo Cục Bảo vệ thực vật, năm 1994, diện tích bị bệnh bạc lá lên tới 120.000 ha ở các tỉnh Đồng Bằng Sông Hồng Bạc lá lúa được xác định là một trong ba loại bệnh nặng và phổ biến nhất trên toàn quốc.
Nhu cầu thực tiễn trong ngành trồng lúa đã thúc đẩy nhiều nghiên cứu về bệnh bạc lá, tập trung vào dịch tễ học, đặc điểm sinh lý sinh hóa của vi khuẩn và giống lúa chống bệnh Những thành công từ các nghiên cứu này đã góp phần đáng kể trong việc giảm thiểu tác hại của bệnh bạc lá, từ đó nâng cao chất lượng và sản lượng lúa hàng năm.
Bệnh bạc lá lúa gây ra nhiều tác hại nghiêm trọng, bao gồm làm cho lá ủng và các lá cụng nhanh chóng tàn, khô héo và chết Điều này dẫn đến bộ lá xơ xác, ảnh hưởng tiêu cực đến khả năng quang hợp của cây Hơn nữa, bệnh này còn làm tăng tỉ lệ hạt lép, từ đó giảm năng suất lúa.
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội đã chỉ ra rằng năng suất lúa bị ảnh hưởng đáng kể bởi khả năng kháng của từng giống và các chủng vi khuẩn gây bệnh Tại Ấn Độ, hàng triệu hecta lúa hàng năm chịu thiệt hại nặng, với năng suất giảm từ 6 đến 60% (theo Srivastava, 1972) Ở Nhật Bản, trong những năm gần đây, khoảng 300.000 đến 400.000 hecta lúa cũng bị ảnh hưởng nặng, với mức giảm năng suất từ 20 đến 30%, có nơi lên tới 50% Tại Việt Nam, thí nghiệm của Viện Khoa học Kỹ thuật Nông nghiệp cho thấy giống lúa Trân Châu Lùn bị bệnh 100%, với năng suất vụ mùa năm 1969 đạt 177 tạ/ha, nhưng giảm mạnh trong vụ mùa năm 1970.
Năng suất lúa có thể giảm từ 40 đến 60% do bệnh tật, với mức năng suất đạt 15 tạ/ha (Mai Văn Quyền, 1969 – 1970) Trong giai đoạn 1970 – 1975, bệnh đã gây thiệt hại nghiêm trọng cho một số giống lúa mới, đặc biệt là giống lúa NN8 trồng trong vụ mùa.
Bệnh gõy đang gây thiệt hại nghiêm trọng tại các tỉnh đồng bằng ven biển như Hà Nam Ninh (cũ) và Thái Bình, với 18% diện tích giống NN8 bị ảnh hưởng, dẫn đến năng suất giảm từ 30 đến 60% (Theo Đường Hồng Dật, 1998).
Năm 1996, diện tích lúa bị nhiễm bệnh ở các tỉnh miền Bắc và miền Trung đạt 304.700 ha, gấp 2,5 lần so với vụ mùa năm 1995, với tỷ lệ nhiễm bệnh lên tới 90-100% ở nhiều giống lúa như lúa lai, lúa thuần Trung Quốc, và CR203 Mức độ bệnh đạt từ cấp 7 đến cấp 9, gây ra hiện tượng cháy lá (theo Viện Bảo vệ thực vật, 1998) Đến năm 1997, vào cuối vụ xuân, sau những trận mưa giông, diện tích bị bệnh tăng gấp 29 lần, với tỷ lệ bệnh trung bình là 20%, nơi cao nhất lên đến 70-90%, chủ yếu ảnh hưởng đến các giống lúa lai và lúa thuần Trung Quốc Theo Tạ Minh Sơn, mỗi 1% chỉ số bệnh làm giảm năng suất lúa khoảng 0,94 tạ/ha.
Năm 1999, diện tích lúa bị nhiễm bệnh bạc lá lên đến 112.000 ha (Cục BVTV – 1999) Đến năm 2000, chỉ riêng các tỉnh phía Bắc, diện tích lúa bị bệnh bạc lá đã là 76.000 ha (TT BVTV phía Bắc – 2000) Trong vụ mùa 2005, tỉnh Nghệ An cũng ghi nhận tình trạng nhiễm bệnh này.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ……… 16
An diện tích lúa bị bệnh là 15.000 ha, bệnh hại chủ yếu trên các giống lúa lai Trung Quốc như Nhị ưu 838, D.ưu 52… [22]
2.2.3 Nguyên nhân gây b ệ nh b ạ c lá lúa
Nghiên cứu của các nhà khoa học như Takaishi (1908) và Bokura (1911) đã chỉ ra rằng ủõy không phải là một bệnh sinh lý mà là một bệnh do vi khuẩn gây ra, với sự phân lập thành công vi khuẩn ký sinh trên lỏ bệnh.
The bacterium responsible for the disease known as bacterial blight is called Xanthomonas oryzae pv oryzae Historically, it has been referred to by various names, including Bacillus oryzae (Hori et Boruka, 1911), Pseudomonas oryzae (Ueda et Ishiyama, 1922), and Xanthomonas oryzae (Uyeda et Ishiyama) Dowson (1948).
Năm 1922, Ishitama đã phát hiện ra vi khuẩn gây bệnh bạc lỏ với hình dạng gậy ngắn, hai đầu hơi tròn, kích thước từ 1 – 2 x 0,5 – 0,9 micromet, có một tiêm mao dài 6 – 8 micromet Vi khuẩn này nhuộm gram âm, không hình thành bào tử, và các tế bào vi khuẩn được bao bọc bởi màng nhầy, kết nối với nhau thành một khối vững chắc.
