MỤc lục báo cáo kết quả thực hiện chuyêN ĐỀ nghiên cứu khoa học chuyên đề 1

Lúa gạo là một trong những loại cây lương thực chủ yếu trên thế giới, có vai trò rất quan trọng ở cả lĩnh vực kinh tế và vấn đề an ninh lương thực. Lúa được trồng rộng khắp từ 30^o Nam vĩ tuyến đến 40^o Bắc vĩ tuyến. Diện tích trồng lúa chiếm khoảng 1/10 diện tích các giống cây trồng trên thế giới, khoảng 91% diện trích trồng lúa là ở Châu Á, khoảng 9% còn lại được phân bố ở Châu Âu, Châu Mỹ, Châu Phi. Lúa gạo là một trong những nguồn lương thực quan trọng cho khoảng 2/3 dân số trên thế giới và là nguồn cung cấp lương thực chủ yếu của châu Á. Do đó, các chương trình chọn tạo giống lúa luôn được chú trọng và phát triển nhằm tăng năng suất và chất lượng lúa, đáp ứng nhu cầu tiêu thụ trên toàn cầu.

Đặc biệt, nhu cầu về các giống lúa có chất lượng cao ngày càng gia tăng trong những thập kỷ gần đây, do yêu cầu của thị trường và nhu cầu của người tiêu dùng. Gạo có chất lượng cao được xác định bởi rất nhiều yếu tố như: hình dạng hạt, giá trị dinh dưỡng, hương thơm, chất lượng sau khi chế biến…Trong đó, hương thơm được xem là một trong những đặc tính quan trọng. Trong khi giá gạo của các giống lúa truyền thống suy giảm, các loại lúa gạo đặc sản, nhất là những loại gạo thơm vẫn giữ được giá cao và ổn định. Năm 2006 giá gạo không thơm là từ 250 - 300 USD/tấn và giá gạo thơm Jasmine là 400USD/ tấn trong khi đó giá gạo thơm Basmati được bán là 850 USD/tấn. Do vậy, phát triển các loại gạo chất lượng vừa giúp mở rộng thị trường nội địa và phục vụ xuất khẩu vừa tạo cơ hội để nâng cao hiệu quả kinh tế cho người nông dân và mang ngoại tệ về cho đất nước.

Khi bắt đầu thực hiện cuộc cách mạng xanh, hầu hết các chương trình chọn giống lúa đều tập trung phát triển các giống lúa có tính trạng chống chịu sâu bệnh và cho năng suất cao. Phần lớn các giống có mùi thơm thường có năng suất thấp nên người dân đã ngừng trồng các giống lúa thơm đặc sản của địa phương và thay thế chúng bằng các giống ngắn ngày, kháng sâu bệnh, năng suất cao và không thơm [8]. Điều này dẫn đến sự tổn hại về mặt đa dạng di truyền của các giống lúa thơm, có nhiều giống lúa thơm địa phương đã bị cạnh tranh và thất lạc. [7], [22], [48], [8], [19].

Hiện nay, các chương trình phát triển và bảo tồn giống lúa chất lượng đang là vấn đề được rất nhiều nước trên thế giới quan tâm. Tuy nhiên, việc chọn tạo các giống lúa chất lượng bằng các phương pháp truyền thống là rất khó khăn, bởi sự di truyền đa gen và tương tác của môi trường là những yếu tố gây khó khăn trong việc cải tiến các tính trạng chất lượng. Chọn tạo giống lúa chất lượng đòi hỏi vật liệu ban đầu (dòng bố mẹ) có sự đa dạng di truyền rất rộng. Những hiểu biết về mặt đa dạng di truyền nguồn gen là một điều kiện tiên quyết để kế tục và sử dụng một cách có hiệu quả trong các phương pháp chọn tạo giống lúa chất lượng.

I. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LÚA CHẤT LƯỢNG

1.1 Nguồn gốc phân loại cây lúa

Tổ tiên cây lúa đã tồn tại từ đầu kỷ Phấn trắng. Vào giữa kỷ này, xuất hiện một trong những loại nguyên thuỷ nhất thuộc họ Oryzae, đó là loại Streptochasta Schrad. Đến cuối kỷ Phấn trắng xuất hiện các loại tre (Bambusa) và lúa (Oryza). Một số loại khác xuất hiện muộn hơn vào kỷ thứ ba, thời kỳ phát triển mạnh nhất của họ Hoà thảo (Gramineae). Các loài lúa Oryza spp. có cùng tổ tiên chung xuất hiện vào thời địa cầu Gondwanaland, sau khi trái đất tách rời thành năm lục địa [1].

Theo Chang (1985): lúa trồng Oryza sativa được tiến hoá từ cây lúa dại hàng năm Oryza nivara. Do điều kiện khí hậu, đặc biệt là nhiệt độ, lúa Oryza sativa tiếp tục tiến hoá theo ba nhóm: Indica thích hợp với khí hậu nhiệt đới, Japonica thích ứng với khí hậu lạnh và Javanica có đặc tính trung gian [13]. Tác giả Oka (1988) lại cho rằng Oryza sativa có nguồn gốc từ cây lúa dại lâu năm Oryza rufipogon [39]. Đến năm 2003, khi nghiên cứu di truyền tiến hoá của 101 giống lúa, bao gồm cả lúa trồng và lúa dại, Cheng đã chia loài lúa trồng Oryza sativa thành hai nhóm tương ứng với hai loài phụ là Indica và Japonica. Trong khi đó Oryza rufipogon được chia thành bốn nhóm là: nhóm Oryza rufipogon hàng niên và ba nhóm Oryza rufipogon đa niên. Tác giả cũng đã chỉ ra các giống lúa Japonica có quan hệ gần gũi với một nhóm Oryza rufipogon đa niên, còn các giống lúa Indica có quan hệ gần với nhóm lúa Oryza rufipogon hàng niên [16]. Ở Châu Phi cũng thấy xuất hiện cả hai loài lúa dại Oryza longistaminata (đa niên) và Oryza brevigulata (hàng niên), do đó nhiều tác giả cho rằng Oryza glaberrima có nguồn gốc từ Oryza breviligulata [1].

Cho đến nay, nhiều nhà khoa học đã đồng ý rằng lúa Glaberrima và lúa Sativa có cùng chung nguồn thủy tổ vào thời kỳ lục địa nguyên thuỷ Gondwanaland. Sau khi các lục địa tách rời nhau, lúa Sativa và Glaberrima tự tiến hoá từ các loài lúa dại bản địa ở hai châu lục là Châu Á và Châu Phi (hình 1) [36].

Tổ tiên chung

Nam và Đông Nam Á Tây Phi Châu

Lúa dại đa niên O. rufipogon O. longistaminata

Lúa dại hàng niên O. nivara O. breviligulata

Lúa trồng O. Sativa O. sativa O. glaberrima

Indica Japonica

Ôn đới Nhiệt đới

Do những ảnh hưởng khắc nghiệt của môi trường như khô hạn, nhiệt độ thay đổi quá lớn… nhiều loài lúa dại nguyên thủy đa niên đã trở thành loài lúa hàng niên để thích ứng với phong thổ địa phương, khí hậu gió mùa. Về phương diện sinh thái và địa dư, cây lúa châu Á đã trải qua quá trình tiến hóa lâu dài để thích ứng với môi trường khác nhau và được phân chia thành 3 nhóm chính: Indica, Japonica (hay Sinica) và Javanica (Japonica nhiệt đới). Hiện nay lúa Indica được trồng trên 80% diện tích trồng lúa trên thế giới và cung cấp nguồn lương thực cho hơn 3 tỷ người, chủ yếu các nước đang phát triển, còn lại hai loại lúa Japonica và Javanica chỉ chiếm tương đương 11% và 9%. Ba loại lúa này được nhận biết qua sự khác nhau về hình thái như thân, lá, hạt và thành phần cấu tạo hạt, đặc biệt là hàm lượng amyloza, amylopectin, khả năng chống hạn, kháng lạnh, v.v.

- Lúa Japonica (hay Sinica): Có hạt tròn, ngắn, thường không có đuôi, gié ngắn, nhiều chồi thẳng đứng, cây thấp giàn, dễ chịu lạnh và không kháng hạn, hàm lượng amyloza thấp (14 - 17%) và thường được trồng ở các vùng ôn đới.

- Lúa Indica: Có hạt dài thon, có hàm lượng amyloza cao (trên 21%), không có đuôi, gié trung bình, thân cây tỏa rộng, cao giàn, không chịu lạnh và có thể chịu hạn hán và được trồng rất phổ biến ở các vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới.

Lúa chất lượng là giống lúa không những có kích thước, hình dạng thon dài mà còn có phôi nhũ, hàm lượng amyloza cao và đặc biệt các giống lúa chất lượng có mùi thơm đặc trưng.

Các giống lúa thơm thường được trồng phổ biến ở châu Á, riêng giống lúa Basmati được gieo trồng khoảng 2 triệu ha chủ yếu ở các nước Ấn Độ, Pakistan và Nepan. Gạo thơm có hạt nhỏ, thon và dài từ 6,8 đến 7,0 mm, tỉ lệ chiều dài và chiều rộng từ 3,5 đến 3,7 và có hàm lượng amyloza trung bình 20-22%

Ở Ấn Độ có hàng trăm giống lúa thơm địa phương, tuy nhiên chỉ có giống lúa thơm Basmati được ưa chuộng nhất. Gạo thơm Basmati có hai đặc tính quan trọng hơn hết: mùi thơm và cơm nở dài, có từ 22 - 25% amyloza, gạo vẫn giữ được đặc tính này sau khi nấu. Ở Thái Lan có hai giống lúa thơm nổi tiếng là Khao Dak Mali và Jasmine 85. Gạo thơm Khaw Dawk Mali có ít hơn 20% amyloza nên hạt cơm sau khi nấu hạt còn hơi dính vào nhau.

Các giống lúa thơm ở Myanmar được gieo trồng nhiều ở các tỉnh miền Trung và chủ yếu được tiêu thụ ở trong nước. Một số giống lúa chất lượng đang được gieo trồng phổ biến ở đây như: Namathalay, Basmati, Paw San Bay Gyar [14].

Ở Philippin có giống Milsagrosa và ở Trung Quốc có các giống Bắc thơm, Quế hương chiêm, Qua dạ hương và Chi ưu hương là các giống lúa chất lượng nổi tiếng trên thế giới.

Giống lúa Koshihikari là giống lúa cổ truyền của Nhật, thuộc loài phụ Japonica, có chất lượng cao, hương vị rất được ưa thích trong những bữa ăn chính của người Nhật. Giống lúa Koshihikari được xem như là lúa Basmati của Nhật với diện tích gieo trồng chiếm khoảng 30% tổng diện tích trồng lúa ở nước này.

Ở Việt Nam, có rất nhiều các giống lúa thơm thuộc loại lúa địa phương như Nàng Thơm Chợ Đào ở miền Nam, Tám thơm ở miền Bắc, lúa Dự, lúa Di, miền Trung có lúa Gié (hoặc De) như Gié An Cựu và các giống lúa nương.

Chất lượng của lúa phụ thuộc nhiều yếu tố như hàm lượng amyloza, dạng nội nhũ, hàm lượng protein và đặc biệt là hương thơm…

Hương thơm của lúa thường có mùi thơm nhẹ hoặc thơm ngát của các loại lúa Basmati hoặc Jasmine. Phân tích hóa học trên một phổ rộng các giống lúa thơm và không thơm cho thấy có rất nhiều các thành phần khác nhau và có sự thay đổi của các thành phần này trong quá trình bảo quản. Những nghiên cứu trước đây đã chứng minh mùi vị của gạo có liên quan tới thời gian bảo quản, trong lúa mới được xác định có các hợp chất tạo thành mùi thơm 1- butanal, 1- hexanal, 1- heptanal, methyl ethyl ketone, 1 pentalnal và propanal, sau một thời gian bảo quản chỉ thấy còn butanal và 1- heptanal. Hàm lượng của hexanal trong gạo cân bằng tuyến tính với nồng độ của axit linoleic đã oxi hóa trong gạo [45], khi được bảo quản ở nhiệt độ 35^oC trong hai tuần, một vài loại gạo đã giảm hàm lượng pentanal, hexanal và petanol đáng kể so với các loại gạo khác [50].

Tuy nhiên, trong những nghiên cứu gần đây đã cho thấy đặc tính mùi thơm của lúa chủ yếu do hợp chất 2 acetyl - 1- pyrroline tạo thành. Sử dụng các phân tích bằng cảm quan và sắc kí khí, Butterry và cs (1986) đã xác định 2 acetyl - 1 - pyrroline (2AP) là một chất mặc dù có hàm lượng rất thấp trong các loài lúa thơm nhưng là chất khởi đầu tạo hương thơm ở các giống lúa Jasmine và Basmati [12]. Một nghiên cứu khác cũng cho thấy 2AP có mặt trong các giống lúa không thơm nhưng có hàm lượng thấp hơn so với các giống lúa thơm từ 10 - 100 lần [57], [58]. Ngưỡng nồng độ của 2AP mà con người có thể cảm nhận được trong khoảng 0,1ppb khi tan trong nước. Để cảm nhận được 2AP có trong gạo thơm, nồng độ 2AP thường cao hơn khoảng 3000 lần so với ngưỡng nồng độ tan trong nước và chỉ cao gấp 30 lần ở gạo không thơm.

Viện Nghiên cứu lúa Quốc tế bắt đầu phát triển giống lúa thơm Basmati năng suất cao vào đầu năm 1970. Nghiên cứu được thực hiện trên những cặp lai đầu tiên, giữa giống lúa Basmati 370 và các dòng lúa Indica cải tiến có hàm lượng amyloza trung bình và nhiệt độ hóa hồ trung bình. Những dòng thấp cây từ quần thể con lai được chọn lọc, những dòng này có mức độ hữu thụ khác nhau và dạng cây khác nhau. Sau khi tiến hành lai chéo các dòng này thu được các dạng cây và độ hữu thụ khác nhau. Những cây có dạng khỏe và độ hữu thụ cao được chọn ra để phân tích hàm lượng amyloza, nhiệt độ hóa hồ và hương thơm. Những dòng có dạng cây xấu, độ hữu thụ thấp, chất lượng hạt kém và độ thơm thấp được loại bỏ qua các thế hệ. Sau một số chu kỳ lai và chọn lọc những dòng có dạng cây khỏe, thấp cây, đáp ứng được các đặc điểm về chất lượng như Basmati được chọn lọc và tiến hành khảo nghiệm tại IRRI, Ấn Độ và Pakistan [14].

Tác giả Song và cộng sự tiến hành nghiên cứu hương thơm lá lúa giữa lúa thơm nhị bội thể và lúa không thơm tứ bội thể, kết quả cho thấy tỷ lệ giữa các cây không có hương thơm và cây có hương thơm là 35:1 ở thế hệ F1 và 3:1 ở thế hệ F2. Ren và cộng tác viên khi lai giữa dòng lúa thơm bất dục đực tế bào chất (dòng A) với dòng phục hồi không thơm (dòng R) thì thu được hạt không thơm ở thế hệ F1, hạt ở F2 phân ly theo tỷ lệ không thơm và thơm là 15:1. Hạt thu được ở F1 và F2 đều có hương thơm khi lai giữa bố và mẹ là những giống lúa thơm.

Với sự phát hiện ra cây lúa dại có hạt phấn bất thụ vào 1970, các nhà khoa học Trung Quốc, Ấn Độ và IRRI đã tạo ra một số dòng CMS - bất dục đực thuộc tế bào chất (A), dòng bảo tồn thích ứng (B), và dòng phục hồi (R) thích hợp để sản xuất ra những tổ hợp lúa lai đa dạng. Những tổ hợp lai 3 dòng đầu tiên của Trung Quốc gồm có Wei-you 2, Wei-you 3, Wei-you 6, Shan-you 2, Shan-you 3, Shan-you 6, Nam-you 2, Nam-you 3, Si-you 2, Si-you 3 và Si-you 6 [35].

Sau khi tạo ra những dòng CMS với loại WA (wild - abortive), những dòng CMS khác cũng lần lượt được tạo ra như Zhenshan 97A, V20A, Erjiu Ai 4A, Erjiu Nan 1A, V41A [35]. Ở Philippines, IRRI đã dùng các CMS từ V20A, Kaliya 1. ARC, Gambiaka, v.v. để tạo ra các CMS thích hợp với khí hậu nhiệt đới, như: IR8025A, IR68275A, IR68281A, IR68273A, IR68888A, IR68891A, IR68893A, v.v. Tương tự, dòng CMS được tạo ra từ các nguồn tế bào chất của O. perennis (IR66707A) và O. rufipogon (OMS1) [54], [37]. Như vậy, nền tảng di truyền của các dòng CMS đã được đa dạng hóa và gia tăng ngày càng nhiều hơn.

Dựa trên đặc tính quang cảm và nhiệt cảm của cây lúa để tạo lúa lai 2 dòng. Những giống lúa quang cảm trở nên bất thụ đực khi được trồng trong những ngày dài có ánh sáng từ 14 giờ trở lên, được gọi dòng PGMS (Photoperiod-sensitive genic male sterility). Những giống lúa trở nên bất thụ đực khi được trồng ở những nơi có nhiệt độ hơi thấp, từ 28^OC trở xuống, được gọi là dòng TGMS (Temperature-sensitive genic male sterility). Năm 1983, dòng PGMS được tìm thấy ở tỉnh Hubei, Trung Quốc và trong 1987 gen tương hợp lúa dại giữa lúa Japonica và lúa Indica được nghiên cứu ở Nhật Bản. Trong thời gian qua, các nghiên cứu về kỹ thuật tạo lúa lai 2 dòng đã có những kết quả khả quan, chủ yếu là ở Trung Quốc.

Lúa lai một dòng hay còn gọi apomixis (sinh sản vô tính) có thể giúp nông dân sử dụng chính hạt giống của mình cho vụ mùa kế tiếp, mà không bị ảnh hưởng phân ly của lúa lai 2 hoặc 3 dòng. Tuy nhiên, công tác nghiên cứu lúa lai một dòng trong 3 thập niên qua chưa có triển vọng nhiều.

Một phương pháp lai tạo giống khác đã được các nhà chọn giống Myanma và Thái Lan thực hiện đó là phương pháp chọn lọc liên kết với chỉ thị phân tử (MAS). Để cải tiến giống lúa Manawthukha, một giống không thơm và hàm lượng amyloza cao được trồng với một diện tích lớn ở Myanma. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng giống Basmati 370 là dòng bố mẹ để lai nhập các gen mùi thơm vào giống Manawthukha bằng phương pháp Marker Assisted Backcrossing (MAB). Bốn dòng lai nghịch và một dòng gốc được làm vật dẫn truyền để chuyển các alen badh2 và Wx từ giống Basmati vào giống Manawthukha. Hai mươi dòng lúa ở thế hệ BC4F2 đã chọn lọc mang các alen đồng hợp của giống Basmati, được trồng ở các địa điểm khác nhau ở Myanma và Thái Lan và được kiểm tra các đặc điểm nông học, chất lượng gạo. Lúa thu hoạch được ở các dòng cải tiến đã có đặc tính mùi thơm và chất lượng gạo tương tự như giống Basmati nhưng có đặc điểm nông học giống như giống Manawthukha ban đầu. Các dòng lúa cải tiến có đặc điểm cây cao trung bình, đẻ nhánh tốt, bông dày, chống đổ và có năng suất cao.

Ở Việt Nam, chương trình lúa lai được bắt đầu thực hiện vào những năm 1980 dưới sự chỉ đạo trực tiếp của Bộ Nông nghiệp. Một số tổ hợp lai của Trung Quốc như Sán Ưu 63 (Shanyou 63), Sán Ưu Quế (Shanyou gui 99), Nhị Ưu 63 (Jinyou 63), Nhị Ưu 838, Bác Ưu 64 (Boyou 64), Bác Ưu 693, Bồi Tạp Sơn Thanh (Peiai 64S/Sơn Thanh) và Bồi Tạp dòng 49 (Peiai 64S/Dòng 49), Trang Nông 15 đã được trồng đại trà trong nước. Những tổ hợp lai tạo bản xứ như HR1, HYT56, HYT57, VN01/D212, AMS24A/Que99, MS24A/IR9761-19, v.v. cũng được trồng rộng rãi ở miền Bắc.

Các nhà chọn giống lúa Việt Nam đã cố gắng lai tạo giống cao sản có hương thơm với các vật liệu bố mẹ cho gen thơm từ giống Basmati và Khao Dawk Mali, tuy nhiên vẫn chưa thành công. Có một số ứng dụng đột biến gen trên giống Nàng thơm Chợ Đào, Tám thơm, hoặc sử dụng chúng làm bố mẹ trong lai tạo. Có thể do khả năng kết hợp kém nên việc chọn lọc con lai rất khó khăn. Đặc biệt trong trường hợp tổ hợp lai OM1262 = MTL61/Basmati 370, OM1277 = OM86-9/Basmati, OM1262 = IR66/Basmati, con lai được chọn ở thế hệ thứ 10, 11 vẫn chưa cho quần thể ổn định, mặc dù dạng hình chấp nhận (PACP) khá tốt, hàm lượng amyloza trung bình, gạo hạt thon dài [4].

Trong năm 2002, khoảng 500.000 ha lúa lai được trồng ở miền Bắc và miền Trung Việt Nam. Trong đó, sử dụng khoảng 80% hạt giống lai nhập nội từ Trung Quốc, Việt Nam chỉ tự túc được 20% nhu cầu hạt giống lúa lai trong nước. Đến nay, Việt Nam cũng chưa có chính sách và qui hoạch tích cực cho việc tự cung đối với nguồn hạt giống lai.

2.2. Nghiên cứu quy tụ gen trong chọn tạo giống lúa chất lượng

Các chỉ thị phân tử được sử dụng rộng rãi như một công cụ chọn lọc đối với các tính trạng trong các chương trình chọn giống ở nhiều loại thực vật, bao gồm cả lúa. Sử dụng các chỉ thị phân tử đã tạo được sự liên kết về kiểu hình và kiểu gen, để nhận biết sự di truyền của các tính trạng hoặc các vùng genome quy định các tính trạng.

Trong các giống lúa chất lượng ở Châu Á, tính trạng hương thơm được đánh giá là một trong những tính trạng quan trọng về chất lượng. Đa số các nghiên cứu tập trung về tính trạng hương thơm trong cây lúa được xác định là do một gen lặn điều khiển [49], [7], [6], [9], [32], [20], [17], [24], trong khi các nghiên cứu khác đã xác định có 2, 3 hoặc 4 locus có liên quan tới hương thơm của lúa [25], [18], [21], [41], [54]. Bản chất của những mâu thuẫn trong các báo cáo có thể là do các tác giả đã nghiên cứu trên các giống lúa khác nhau hoặc đã sử dụng các phương pháp khác nhau để đánh giá hương thơm. Một số phương pháp sử dụng hệ nhị phân đơn giản của các giống thơm/không thơm để phân loại kiểu hình mùi thơm [49], [41], [24]. Các phương pháp khác đã đo mức độ khác nhau của hương thơm bằng cách sử dụng thang đánh giá bằng cảm quan và thường sử dụng thang từ 1-10 [7]. Trong khi đó, các tác giả khác lại sử dụng kết hợp thang đánh giá bằng cảm quan và phương pháp sắc kí khí để đo hàm lượng của 2AP có trong lúa gạo [32]. Không loại trừ khả năng đa locus di truyền ảnh hưởng đến độ thơm, Berner và Hoff (1986) đã xác định rằng mùi thơm trong giống lúa thơm Della là do một gen lặn quy định. Ahn và cs (1992) sử dụng 126 chỉ thị phân tử để lập bản đồ vị trí của gen thơm fgr trong giống lúa thơm Lemont (thu nhận được từ giống lúa thơm Della), kết quả đã xác định được gen ở vị trí 4,5cM trên NST số 8 bằng chỉ thị RFLP (RG28). Sự liên kết của RG28 với hương thơm đã được kiểm chứng bằng cách sử dụng quần thể F3 cách ly [6]. Sử dụng phân tích sắc kí khí về 2AP và thang đánh giá cảm quan, cùng với phân tích sự liên kết của 16 chỉ thị đa dạng phân chia không lớn hơn 25cM dọc theo nhiễm sắc thể số 8 trong quần thể của 135 dòng lúa đơn bội kép, Lorieux và cs (1996) đã định vị được bản đồ của gen fgr khi nhóm nghiên cứu xác định gen fgr được chặn bởi chỉ thị phân tử RG28 và RG1, ở khoảng cách lần lượt là 6,4±2,6 và 5,3 ±2.7 cM. Cũng trong năm này, Lorieux và cs (1996) đã nhận biết hai QTL khác trên nhiễm sắc thể số 4 và số 12 liên quan đến hương thơm. Tuy nhiên, những QTL này chỉ có thể phát hiện được khi phân tích nguyên nhân do một gen chủ yếu tạo hương thơm được định vị trên NST số 8 [32]. Những nghiên cứu trước đây đã công bố sự biến đổi lúa không thơm thành các dạng phân ly F2 thơm như 15:1 [32], 37:27 [42] và 175:81 [18], và ít nhất tại 6 nhiễm sắc thể có liên quan trong việc lập bản đồ gen thơm. Lourieux và cs (1996) đã xác nhận mối liên kết gần giữa RG28 và fgr (5,8cM) trên NST số 8 và xác định hai QTL đối với hương thơm, một trên NST số 4 và 1 trên NST số 12 [32]. Một gen trội thơm được định vị trên NST số 11 ở giống Baspatri - một giống lúa truyền thống của Ấn Độ [51] - trong khi đó Siddiq và cs (1986) định vị hai gen lặn liên quan đến tính trạng hương thơm trên NST số 5 và số 9 ở giống lúa T3 của Ấn Độ [47]. Những báo cáo này đã đưa ra giả thuyết rằng có rất nhiều gen trội hoặc gen lặn liên quan đến tính trạng hương thơm của lúa.

Trong một nghiên cứu phát triển các chỉ thị RFLP dựa trên phản ứng PCR cho gen fgr, Garland và cs (2000) đã nhận biết một cặp bazơ đa hình ở dòng RG28 [20]. Corderio và cs (2002) đã sử dụng số liệu giải trình tự bộ gen để nhận dạng một chỉ thị SSR có khoảng cách với gen fgr khoảng 4cM. Locus này có tính đa hình cao, có 13 alen được xác định, trong đó 8 alen được tìm thấy ở các cây thơm và 8 alen có trong các cây không thơm và có 3 alen tìm thấy được ở trong cả hai loại thơm và không thơm [17]. Phân tích trình tự DNA của gần 500bp ở đầu 5’ của 14 gen được lựa chọn dựa trên mối quan hệ gần với RG28 chỉ tìm được 1 SNP (RSP04) giữa giống Kyeema (lúa thơm) và Doongara (lúa không thơm) [24]. SNP này được đánh giá sự liên kết với fgr bằng phân tích trình tự cao nhiệt của SNP trong 164 cá thể F2 từ quần thể lai chéo của Gulfmont/Doongara, việc đặt RSP04 có khoảng cách 2cM với fgr là chỉ thị có khoảng cách gần nhất với gen fgr.

Shu Xia Sun và cs (2008) nghiên cứu sự di truyền và tiến hành lập bản đồ gen chính xác về tính trạng hương thơm, trong các dòng lúa lai chéo giữa giống lúa ưu thế lai thơm Oryza sativa indica Chuanxiang (Ch-29B) và giống lúa không thơm O. sativa indica R2 và O. sativa japonica Lemont (Le). Các hạt F1 và lá của nó đều không thơm trong khi các thế hệ F2 tỉ lệ không thơm và thơm là 3:1. Tỉ lệ phân ly ở F3 phù hợp như suy đoán là 1:2:1 đối với gen lặn thơm trong Ch-29B. Phân tích mối quan hệ giữa các chỉ thị SSR và locus hương thơm ở các cây F2 thơm đã lập bản đồ gen thơm ở Ch-2B với vùng nhiễm sắc thể số 8 chặn bởi các chỉ thị SSR là RM23120 ở 0,52cM và RM3459 lần lượt ở 1,23cM, sự lặp lại ở quần thể F2 đã xác nhận những kết quả này. Các chỉ thị chặn Aro7, RM23120 và RM3459 được sử dụng để nhận dạng các dòng lúa thơm sẽ thúc đẩy tính hiệu quả và chính xác của các chương trình chọn giống lúa thơm [46].

Trong những nghiên cứu gần đây, Bradbury và cs (2005) đã công bố hiện tượng đa hình quan trọng giữa di truyền các giống lúa thơm và các giống lúa không thơm liên quan đến vùng mã hóa của một gen tương ứng với gen BAD2 (betaine aldehyde dehydrogenase 2) [11]. Tuy nhiên, gen BAD2 có mặt không phải quy định tính trạng thơm cho tất cả các giống lúa thơm, bởi gen này không quy định tính trạng trội về mùi thơm ở một dòng lúa đột biến SA0420 [30]. Tuy vậy, cũng có thể xác định được là trong phần lớn các giống lúa có hương thơm được điều khiển bởi đơn gen lặn định vị trên NST số 8 của O. sativa [33].

Để đánh giá gen fgr trong giống lúa Azucena, là một trong số ít các giống lúa Japonica thơm. F. Bourgis và cs đã sử dụng quần thể RIL (dòng nội phối tái tổ hợp) từ lai chéo giữa hai giống Azucena và IR64, là một giống lúa Indica không thơm. Bên cạnh đó. có tham khảo trình tự genome của giống Nipponbare (Japonica) và giống 93-11 (Indica) cũng như thư viện BAC Azucena để xác định gen thơm chủ đạo trong Azucena. Do đó, đã nhận thấy gen betain aldehyde dehydrogenase (badh2) là một locus quy định về hương thơm của lúa, nó biểu hiện chính xác các đột biến tương tự như xác định ở giống lúa thơm Basmati và Jasmine. Các phân tích so sánh bộ gen đã cho thấy sự bảo thủ về trình tự cao giữa BAHD2 của Azucena và Nipponbare và một MITE đã được xác định trong vùng promoter của alen BAHD2 trong giống 93-11[10].

Trong nghiên cứu của mình, Weiwei Shi và cs đã phát hiện allen badh2 và sự phát triển của các chỉ thị chức năng của locus badh2. Tổng số 24 giống lúa thơm và 10 giống lúa không thơm đã được nghiên cứu và giải trình tự locus badh2/badh2 của chúng. Nghiên cứu này đã phát hiện được trong 12 giống lúa thơm nghiên cứu, tại alen badh2 có thiếu 8bp và SNPs ở đoạn exon7, các giống khác có một alen mới không phải là badh2 (badh2- E2), alen này có trình tự giống hệ với alen badh2 ở đoạn exon7 nhưng thiếu 7bp ở đoạn exon2. Alen không thuộc badh2 này cũng quy định tính trạng thơm của lúa. Dựa trên sự khác biệt về trình tự giữa hai alen, Weiwei Shi & cs đã phát triển các chỉ thị phân tử này như một dạng marker để có thể dễ dàng phân biệt các giống lúa thơm và các giống lúa không thơm, cũng như để phân biệt giữa hai nhóm lúa thơm. Các chỉ thị chức năng này sẽ mang lại hiệu quả cao trong chương trình chọn tạo các giống lúa thơm qua phương pháp chọn lọc liên kết phân tử (MAS) [56].

Để xác định nguồn gốc hương thơm và quá trình tiến hóa về tính trạng hương thơm của lúa, Micheal.J. Kovach và các cộng sự đã kiểm tra sự có mặt của alen badh2 trong 280 giống lúa dại (O. rufipogon/O. nivara), nghiên cứu cho thấy tất cả các giống lúa dại đều không chứa alen này ngoại trừ có một giống mang alen dị hợp. Giống lúa dại mang alen dị hợp này có biểu hiện một số tính trạng tương tự như các giống lúa thuần như là có vỏ trấu màu trắng, do đó đã dẫn đến một giả thuyết đây có thể là kết quả của sự lai hóa với một giống lúa thơm O.sativa. Tiếp đó, 176 giống lúa O.sativa cũng đã được đem ra khảo sát sự có mặt của alen badh2 bằng cách sử dụng bộ chỉ thị SSR và SNP trên toàn bộ hệ gen. Nhìn chung, các alen thơm được tìm thấy trong 17 giống, chiếm 10% trong các giống nghiên cứu và được phát hiện với tần số cao nhất trong nhóm lúa thơm và tần số thấp nhất ở nhóm giống temperate japonica và aus [36].

Micheal.J. Kovach và cs cho rằng alen badh2 được phát hiện ở cả hai nhóm lúa Japonica và Indica. Bởi vậy, với mục đính xác định được nhóm lúa nào là nhóm lúa khởi nguồn mang alen thơm này, nhóm nghiên cứu đã giải trình tự gen badh2 của 242 giống lúa O.sativa. Trong đoạn gen có chiều dài khoảng 5kb được giải trình tự, có 106 đa hình của SNP và SSR 54 đa hình xuất hiện với tần số lớn hơn 5%. Đa hình này được sử dụng để thiết lập 8 gen kiểu đơn (gene - haplotype - GH) và được phân chia rõ ràng thành hai nhóm riêng biệt. Nhóm thứ nhất, gồm tất cả các giống mang alen dạng dại thuộc nhóm Japonica (Jap-GH), trong khi đó phần lớn (74%) các giống nhóm thứ hai thuộc nhóm Indica (Ind-GH) và có mang alen badh2. Trong nhóm Jap-GH này, các giống lúa thơm chỉ khác biệt với các nhóm lúa cổ không thơm ở FNP được nhận biết rõ trong alen badh2. Như vậy, các dữ liệu nghiên cứu đã cho thấy rằng nguồn gốc khác biệt của alen badh2 trong các giống Japonica là cơ sở di truyền. Các giống lúa thơm trong nhóm lúa Indica có mang gen badh2 sau khi phân tích, được phân nhóm trong cùng nhóm với các giống thuộc Jap-GH, làm nảy sinh một mâu thuẫn về sự phát sinh chủng loại của gen badh2 giữa các giống. Mâu thuẫn này được giải thích bằng việc giải trình tự 24 băng khuếch đại trong vùng gen badh2 có chiều dài khoảng 3,2Mb ở mạch xuôi và 2,1Mb ở mạch ngược của 242 giống O.sativa. Ở vùng bị chặn 5.3Mb badh2 có tổng số 242 SNP (bị chèn hoặc mất nu) và các đa hình SSR đã được xác định dọc theo trình tự 13kb. Trong 24 giống lúa Indica có mang alen badh2.1, vùng alen này được giới hạn bởi các điểm đứt tái tổ hợp khoảng 330bp ở mạch xuôi và 650bp ở mạch ngược với các vùng bị chặn giống với các giống lúa Indica cổ. Điều này được bổ trợ cho giả thuyết rằng alen badh2.1 được chuyển vào lúa Indica qua con đường lai nhập. Kết quả nghiên cứu thu được đã làm sáng tỏ mối quan hệ giữa các giống lúa thơm và đưa ra những thách thức với quan niệm truyền thống là tính trạng hương thơm của lúa phát sinh từ các giống lúa thuộc Indica [36].

Shao G.N và cs (2011) cũng đã có những nghiên cứu về alen thơm trên giống Zaimiaoxiangnuo và cho thấy gen thơm thuộc alen bahd2-E7 (gen Badh2 mất 8bp trong đoạn exon7). Giải trình tự và phân tích BLAST alen này cho thấy giống Zaimiaoxiangnuo là một thể đột biến mới, nghĩa là bị mất 803 bp giữa đoạn exon 4 và 5. Cùng với hai chỉ thị đã được công bố trước đây, chỉ thị FMbadh2-E4-5 được phát triển để phát hiện vị trí mất đoạn mới trong gen thơm và đánh giá di truyền của gen thơm trong 22 giống lúa thơm và 4 giống lúa không thơm. Sự mất đoạn này không có mặt trong tất cả các giống lúa không thơm nhưng có 4 giống lúa thơm đã cho kết quả dương tính với chỉ thị FMbadh2-E4-5. Phát hiện ra chỉ thị này cũng được xem là rất hữu hiệu trong việc chọn tạo các giống lúa thơm [43].

Cấu trúc của hạt gạo liên quan đến hàm lượng amyloza và amylopectin trong nội nhũ hạt gạo, ảnh hưởng đến nhiệt độ gelatin hóa (GT) của hạt gạo từ đó dẫn đến ảnh hưởng đến chất lượng của gạo. Mối liên quan giữa nhiệt độ gelatin hóa của tinh bột gạo và các enzym sinh tổng hợp tinh bột đã được thiết lập khi phát hiện được gen chủ đạo điều khiển nhiệt độ gelatin hóa thông qua cấu trúc của amylopectin [53]. Phân tích các dòng cận đẳng gen (NIL- near - isogenic lines), vùng cận gen mã hóa SSIIa của giống có GT cao (Kasalash) được lai nhập gen với giống Nipponbare có GT và phân tích Western về sự có mặt của SSIIa trong cả hai giống lúa đã hỗ trợ cho giả thuyết SSIIa là enzym ảnh hưởng đến sự biến đổi tự nhiên của GT thấp [53]. Phân tích trình tự DNA của gen mã hóa SSIIa cho thấy một số đa hình đơn nucleotit (SNP) trong gen này, hai trong số đó liên quan đến phân lớp GT [55]. Các giống lúa thuộc lớp có GT cao có G/GC kiểu đơn trong khi các giống lúa thuộc lớp GT thấp chỉ có A/GC hoặc G/TT ở các vị trí chủ chốt của SNP.

Tính trạng dẻo của gạo được quyết định bởi hàm lượng amyloza có trong nội nhũ hạt, amyloza chiếm khoảng 16-30% trong tinh bột gạo và nó là yếu tố quyết định của tính dẻo, dính và trắng bóng của hạt gạo. Gạo có hàm lượng amyloza cao thường cứng và khô cơm, khi nấu hạt gạo rời nhau. Gạo có hàm lượng amyloza thấp thường dẻo, dính và bóng cơm. Sự tổng hợp của amyloza là do sự thủy phân của enzym granule-bound starch synthaza (GBSS), enzym này được mã hóa bởi gen Wx. Các giống lúa phi sáp (không dẻo) có chứa 2 alen ở locus waxy được gọi là Wx^a và Wx^b. Alen Wx^a chủ yếu có mặt trong các giống lúa Indica trong khi đó alen Wx^b là trội trong giống lúa Japonica. Qua nghiên cứu của mình, Wang và cộng sự đã chỉ ra rằng sự khác biệt về cơ sở phân tử của thành phần amyloza trong nội nhũ của hạt là do sự điều khiển sau phiên mã của alen Wx. Ở những giống lúa có trình tự AGGTATA ở đầu nối 5’ của đoạn intron đầu tiên thuộc gen Wx cho thấy sự phiên mã ở mức cao, do đó dẫn đến hàm lượng cao của amyloza trong nội nhũ hạt. Trong khi đó, các giống lúa có trình tự AGTTATA ở đầu nối 5’ cho mức độ phiên mã của gen Wx thấp, dẫn đến hàm lượng amyloza trong nội nhũ thấp. Ở một nghiên cứu khác, Hirano và cộng sự đã chỉ ra rằng trình tự AGGTATA ở đầu nối 5’ trùng với sự có mặt của alen Wx^a, trong khi đó trình tự AGTTATA trùng với sự có mặt của alen Wx^b. Tuy nhiên, chỉ với hai alen này không đủ để giải thích được sự khác nhau về hàm lượng amyloza của tất cả các giống lúa [23].

Tại Việt Nam, những nghiên cứu về giống lúa chất lượng bản địa mới dùng lại ở mức nghiên cứu sự đa dạng di truyền giữa các giống lúa. Có rất ít các nghiên cứu chuyên sâu về sự di truyền liên quan đến tính trạng hương thơm cũng như các tính trạng chất lượng khác. Nguyễn Thị Lang và Bùi Chí Bửu (2002) đã xác định và lập bản đồ gen thơm của các giống lúa bằng cách sử dụng các chỉ thị phân tử RFLP là RG28 và các chỉ thị SSR với quần thể F2 của cặp lai Khao Dak Mali/OM1490. Qua phân tích đã nhận thấy hai chỉ thị RG28 và RM232 có liên kết gần gũi với tính trạng mùi thơm của lúa. Các thử nghiệm của chỉ thị SSR ở thế hệ F3 để kiểm tra tính trạng mùi thơm và kết quả cho thấy có độ chính xác hơn 84%, tương tự như sử dụng chỉ thị RG28. Kết quả của nghiên cứu này có ích trong việc lựa chọn các dòng bố mẹ trong chương trình chọn giống lúa thơm. Cũng dựa trên các chỉ thị phân tử này các tác giả đã thiết kế cặp mồi STS của RD28FL-RL để chọn lọc các giống lúa thơm từ các dòng lai của C53/Jasmin85 và C51/Jasmine. Nghiên cứu cho thấy, cặp mồi STS cho kết quả đa hình giữa các giống lúa và được sử dụng chọn tạo các giống lúa chất lượng ở thế hệ F2, trong chương trình chọn tạo giống [38].