Mục tiêu môn học Chọn tạo giống cây trồng bằng kỹ thuật SHPT?- Lai tạo tạo ra cá thể con lại, cây trồng mới mang tính trạng mình muốn có thể dùngnhiều phương pháp lai- Định hướng xu hướn
Chọn tạo giống trồng kỹ thuật SHPT CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ CHỌN GIỐNG CÂY TRỒNG TRONG SẢN XUẤT NƠNG NGHIỆP Mục tiêu mơn học Chọn tạo giống trồng kỹ thuật SHPT? - Lai tạo tạo cá thể lại, trồng mang tính trạng muốn (có thể dùng nhiều phương pháp lai) - Định hướng xu hướng phát triển giống tương lai gần - Sử dụng công cụ công nghệ sinh học để tiết kiệm thời gian, kinh tế, lao động Ví dụ: giống dưa hấu đỏ khơng hạt (đỏ hơn, không hạt, giá trị gần dưa truyền thống), nho không hạt (khoảng triệu/kg – độc quyền bắt đầu xuất hiện, sau giảm giá thành xuống) - Cạnh tranh với giống có sẵn thị trường - Bản quyền sử dụng công cụ công nghệ sinh học tạo giống trồng cần thiết (sản phẩm sau tạo khác giống cũ nào) Khái niệm “Plant breeding”: - Plant breeding is the science of applying - Chọn giống trồng khoa học ứng genetic principles to create or manipulate dụng nguyên tắc di truyền vào tạo important traits in plants for human use điều khiển đặc điểm quan trọng thực vật để người sử dụng Khái niệm “Plant breeders” - Plant breeders increase the economic - Người tạo giống trồng làm tăng giá value of plants, whether through yield trị kinh tế trồng, dù thông qua increases, quality improvements, việc tăng suất, cải thiện chất lượng, introducing resistance genes, or other giới thiệu gen kháng thuốc (chống sâu traits important for consumption or bệnh) đặc tính khác quan trọng commercialization cho việc tiêu thụ thương mại hóa (đối tượng khách hàng) Q trình chọn tạo giống Quá trình chọn tạo giống dùng kỹ thuật để chọn lọc hay tuyển lựa trồng có tạo theo hướng đem lại lợi ích cho người Gồm bước: tạo nguồn nguyên liệu → chọn lọc giống → Tạo tổ hợp lai → Đánh giá tổ hợp lai → Chọn cá thể lai→ Công nhận giống đưa giống tốt sản xuất đại trà Những cơng việc nhà tạo giống gì? Cơng việc để cải thiện suất, chất lượng khả chống lại bệnh hại thời tiết khắc nghiệt loại trồng Các giống trồng tạo thơng qua q trình lai tạo chọn lọc để có đặc điểm tính trạng tốt so với giống trồng có bao gồm tăng suất tạo giống trồng có khả sinh trưởng tốt mang lại suất cao so với giống trồng có Khái niệm “Human being”: Chọn tạo giống trồng kỹ thuật SHPT Human being is almost dependent on plants for his food and all other needs Plants are major source directly or indirectly of most food, fodder clothing, fuel, drugs etc Considering the prime importance of plants, human being have long been concerned with developing plant types better suited to satisfying their needs - Con người phụ thuộc vào thực vật để có lương thực nhu cầu khác Thực vật nguồn trực tiếp gián tiếp cung cấp hầu hết lương thực, quần áo thức ăn gia súc, nhiên liệu, thuốc, v.v Xét đến tầm quan trọng hàng đầu thực vật, người từ lâu quan tâm đến việc phát triển loại trồng phù hợp để đáp ứng nhu cầu họ Sơ lược Chọn tạo giống trồng - Nhân giống trồng quan trọng cộng đồng nông thôn, nơi sản xuất thực phẩm môi trường đô thị nơi loại cảnh, cỏ cải tiến trồng - Duy trì nguồn cung cấp đủ lương thực chất xơ cho dân số ngày tăng trọng tâm phúc lợi xã hội an ninh quốc gia; nhà nhân giống trồng tiếp tục đóng vai trò quan trọng việc đạt mục tiêu Để trì kinh tế lành mạnh, nhà tạo giống trồng phải đào tạo để đóng vai trị trung tâm phát triển liên tục ngành nông nghiệp nhằm đáp ứng nhu cầu xã hội Ví dụ: Cà chua … Giống lúa chịu sâu bệnh hại Các kỹ thuật SHPT áp dụng chọn tạo giống Chọn tạo giống trồng kỹ thuật SHPT Molecular markers Marker phân tử Marker-assisted selection Lựa chọn hỗ trợ điểm đánh dấu DNA sequencing xét nghiệm DNA Plant genomic analysis Phân tích gene thực vật Bioinformatics Tin sinh học Microarray analysis Phân tích vi mơ Primer design Thiết kế sơn lót Plant transformation Chuyển đổi thực vật Lịch sử trình phát triển giống trồng Trước đời di truyền Mendelian 1694 Camerarius, nhà khoa học người Đức phát có lai loài cọ dầu để tạo giống cọ dầu 1714 Mather, quan sát thấy có lai tự nhiên bắp 1761-1766 Kohlreuter, quan sát có lai lồi thuốc Khi di truyền Mendelian đời 1866 Mendel: Đưa thí nghiệm lai tạo giống trồng 1900 Quy luật di truyền Mendel chứng minh lại 1944 Avery, MacLeod, McCarty, khám phá vật liệu di truyền DNA 1953 Watson, Crick, Wilkins, khám phá cấu trúc DNA 1970 Borlaug, nhận giải Nobel cách mạng xanh cải tạo giống 1994 ‘FlavrSavr’, chuyển gene thành công cà chua (GMO) 1995 Cây bắp chuyển gene Bt phát triển Hái lượm trồng hoang dại làm thức ăn canh tác (Cách khoảng 10,000 năm) Chọn lựa tính trạng mong muốn, lai tạo tự nhiên (Vào năm 1700 - 1800) Di truyền Mendelian, di truyền số lượng, đa bội hóa, ni cấy mơ (Những năm 1900) Tách dòng gene chuyển gene, lai tạo nhờ trợ giúp Markers phân tử (những năm 2000) - Chọn lọc trồng, dẫn tới việc hóa, người thực từ bắt đầu có nơng nghiệp thơng qua việc thu hái có ích để sản xuất gần làng, để dành hạt giống trồng lại tốt Tuy nhiên, trước có đời phương pháp nhân giống trồng đại, suất chất lượng trồng khác Trong lịch sử, tỷ lệ lớn dân số làm việc trang trại để sản xuất nguồn cung cấp thực phẩm điều thay đổi sau kết hợp công nghệ sản xuất nâng cao với cải tiến di truyền tạo suất sản lượng tăng lên Ví dụ, suất ngơ trung bình tăng từ 30 giạ/mẫu Anh vào cuối năm 1920 lên 150 giạ/mẫu Anh ngày nay, với mức tăng khoảng 1⁄2 cải thiện di truyền thông qua nhân giống trồng - Nhân giống trồng lên môn khoa học vào đầu năm 1900 nguyên tắc di truyền phương pháp thống kê đưa vào sinh học thực vật để cải tiến trồng - Bắt đầu từ năm 1980, khả xác định thao tác gen cách xác nhằm tạo dạng thực vật độc đáo tăng cường Nhân giống lai hiệu Chọn tạo giống trồng kỹ thuật SHPT địi hỏi nhà lai tạo có kiến thức tốt khả áp dụng phương pháp thống kê tiên tiến để bổ sung cho nhân giống cổ điển Tương tự, kỹ thuật dựa phân tử địi hỏi sở phịng thí nghiệm tốt tích hợp với phịng thí nghiệm trường địa điểm thử nghiệm để đảm bảo thực vật xác định phương pháp phân tử thay đổi tính trạng cụ thể có kết hợp gen tính trạng chấp nhận để thương mại hóa - Nhà tạo giống trồng đại trung tâm chương trình cải tiến trồng 10 So sánh chọn giống truyền thống chọn giống đại: a) Chọn giống truyền thống: Gen chọn chuyển vào thơng qua lai; Chọn lọc dựa kiểu hình Còn nhiều hạn chế b) Chọn giống đại: Tăng hiệu hiệu suất lai tạo - Phương pháp marker thị đơn giản chọc lọc kiểu hình thao tác vật chất di truyển DNA (DNA chứa gen), nhân gen cách dễ dàng phương pháp PCR, biểu gen thấy cách dễ dàng phương pháp điện di, đánh giá hiệu việc xuất alen không phương pháp phân tích đánh giá thống kê sinh học - Phương pháp marker thị tiết kiệm thời gian, quản lý nhân công lao động xử lý số liệu so với chọn lọc kiểu hình - Phương pháp marker thị có mức độ tin cậy cao so với phương pháp chọn lọc kiểu hình sử dụng cơng cụ cơng nghệ sinh học đại Chọn tạo giống trồng kỹ thuật SHPT CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG CNSH TRONG CẢI TIẾN MỘT SỐ TÍNH TRẠNG ĐƯỢC QUAN TÂM CĨ LỢI TRONG SẢN XUẤT NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM Các tính trạng cần cải tiến quan tâm chọn giống trồng điều kiện VN Tomato diseases Bệnh cà chua - Bacterial diseases - Bệnh vi khuẩn - Fungal diseases - Bệnh nấm - Viral diseases - Bệnh virus - Nematode diseases - Bệnh tuyến trùng - Physiological disorders - Rối loạn sinh lý Important Cucurbit Diseases Bệnh dưa chuột quan trọng - Bacterial diseases - Bệnh vi khuẩn - Fungal diseases - Bệnh nấm + Fusarium wilt + Bệnh héo Fusarium + Gummy stem blight + Bệnh bạc thân + Downy mildew + Bệnh sương mai + Anthracnose + Bệnh thán thư + Powdery mildew + Bệnh phấn trắng + Alternaria leaf spot + Bệnh đốm xen kẽ + Fruit rot + Thối + Corynespora leaf spot + Bệnh đốm Corynespora - Nematode disease - Bệnh tuyến trùng + Root knot + Nút rễ - Viral diseases - Bệnh virus + Aphid transmitted + Rệp lây truyền + Cucumber mosaic + Khảm dưa chuột + Watermelon mosaic + Khảm dưa hấu + Zucchini mosaic + Khảm bí ngịi + Bettle transmitted + Bettle truyền + Squash mosaic + Khảm bí Important Crucifer Diseases Các bệnh họ thập tự - Bacterial Diseases - Bệnh vi khuẩn + Soft rot + Thối mềm + Black rot + Thối đen + Xanthomonas leaf spot + Bệnh đốm Xanthomonas - Viral Disease - Bệnh virus + Turnip mosaic + Khảm củ cải - Fungal Disease - Bệnh nấm + Clubroot + Rễ câu lạc + Fusarium yellows + Bệnh nấm Fusarium màu vàng + Alternarla leaf spot + Bệnh đốm xen kẽ + Downy mildew + Bệnh sương mai + Watery soft rot + Thối mềm chảy nước + White spot + Đốm trắng + Rhizoctonia diseases + Bệnh Rhizoctonia Chọn tạo giống trồng kỹ thuật SHPT Identification of Diseases on Cereal Xác định bệnh ngũ cốc (lúa) crop (rice) Theo em chọn tạo giống ngày khu vực vùng Đơng Nam Bộ giống lúa/ rau màu/ hoa mục tiêu cần cải tiến điều để phục vụ sản xuất xuất khẩu? Vùng Đông Nam Bộ (ĐNB) vùng sinh thái thuận lợi phát triển nông lâm nghiệp vùng kinh tế trọng điểm tỉnh phía Nam, có vai trị định chiến lược phát triển nơng nghiệp cho khu vực tương lai Vậy nên mục tiêu cần cải thiện để phục vụ sản xuất là: - Khả thích ứng dòng với điều kiện sinh thái vùng tác động biến đổi khí hậu - Các biện pháp canh tác để nâng cao hiệu sản xuất, tạo nhiều sản phẩm có giá trị - Cải thiện chất lượng, có khả chống chịu số sâu bệnh hại - Tiết kiệm chi phí cho người nơng dân, góp phần đem lại ổn định bền vững ngành nông nghiệp trước thách thức biến đổi khí hậu bùng nổ dân số Cải tiến giống lúa (O Sativa): - Thách thức: + Ở đồng sông Cửu Long giống lúa địa phương có thời gian sinh trưởng 200-240 ngày vụ mùa, cá biệt giống lúa có thời gian sinh trưởng đến 270 ngày + Những vùng nghèo, điều kiện nguồn tài nguyên hạn chế miền núi sản xuất chưa đáp ứng đu nhu cầu lương thực cho người dân vùng + Diện tích đất lúa thu hẹp xây dựng sở hạ tầng chuyển đổi mục đích sử dụng, từ năm 2000 đến 2010 giảm 640 nghìn + Sản xuất lúa hiệu thấp chi phí sản xuất cao giống lúa chất lượng thấp dẫn đến giá bán thấp so với nước khác năm 2013 giá đạt mức 340 đến 370 đô la/tấn, Thái Lan 400 đô la/tấn + Dịch bệnh xảy ngày nghiêm trọng hơn, đặc biệt số loại sâu bệnh rầy nâu, bệnh bạc lá, bệnh khô vằn, bệnh virus vàng lùn, lùn soăn lá, lùn sọc đen lúa gây hại thành dịch diện rộng + Biến đổi khí hậu tác động mạnh, thiên tai hạn hán, bão lụt, nhiệt độ thấp, xâm nhập mặn dẫn đến sản xuất bấp bênh - Chiến lược mục tiêu chọn tạo giống lúa Việt Nam yêu cầu lựa chọn bố mẹ sau: + Chọn tạo giống lúa suất : cần lựa chọn bố mẹ thấp cây, đẻ nhánh số nhánh hữu hiệu cao, đẻ nhánh gọn, tính trạng bơng, số hạt/bơng, khối lượng hạt cao Chọn tạo giống trồng kỹ thuật SHPT + Chọn tạo giống lúa chất lượng: bao gồm chất lượng nấu nướng, chất lượng thị trường, chất lượng dinh dưỡng Khi lựa chọn bố mẹ cần quan tâm đến di truyền tính trạng này, nguồn vật liệu cho gen + Chọn tạo giống lúa chống chịu điều kiện bất thuận hạn, ngập, mặn nhiệt độ thấp phương pháp lựa chọn cần xác định nguồn vật liệu cho gen chống chịu điều kiện bất thuận (với điều kiện khí hậu, đất đai, tập quán canh tác, hệ thống luân canh vùng định) + Chọn tạo giống lúa chống chịu sâu bệnh cần thu thập nguồn vật liệu di truyền mang gen chống chịu sâu, bệnh sử dụng để quy tụ gen vào dòng hay giống ưu tú + Được người ưa chuộng, có giá bán cao - Lúa tự thụ phấn, phương pháp chọn tạo giống bao gồm chọn tạo giống chọn tạo giống ưu lai Phương pháp chọn tạo giống truyền thống bao gồm lai, đột biến chọn lọc hệ phân ly tạo dòng giống - Cấu tạo hoa lúa: Chọn tạo giống trồng kỹ thuật SHPT CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP CHỌN GIỐNG CÂY TRỒNG CỦA CÂY TỰ THỤ PHẤN Các phương pháp lai: Phương pháp lai: Chọn lọc hạt đời sau (single seed descent): Chọn lọc bố mẹ lai → Trồng F1 → Trồng F2, chọn ngẫu nhiên hạt trồng sang F3 → Trồng F3, chọn ngẫu nhiên hạt trồng sang F4 → Trồng F4, chọn ngẫu nhiên hạt sang F5 → F5: Chọn cá thể, thu riêng phả hệ chọn F5 giao thành dòng chọn dòng tốt → Đánh giá dòng ưu tú thí nghiệm PYT → Đánh giá xuất, thí nghiệm lặp lai có đối chứng xác định dòng triển vọng Chọn tạo giống trồng kỹ thuật SHPT Phương pháp lai tự thụ: Sử dụng vật liệu/ yếu tố thụ phấn hồn tồn nó, không bị yếu tố xâm nhiễm vào Bước thực hiện: Thu thập nguồn vật liệu di truyền → Tạo biến dị di truyền lai/ đột biến, đa bộ/ chuyển gen/ công nghệ tế bào → Chọn lọc dòng thuần, hạt đời sau, thị marker → Đánh giá → Khảo nghiệm → Công nhận giống Phương pháp chọn dòng (Pure-line selection): cho tự thụ liên tục qua nhiều hệ, sau tiến hành chọn lọc cá thể chủng nhân riêng để tạo dòng Sơ đồ: RR x rr → Rr Chọn tạo giống trồng kỹ thuật SHPT Phương pháp lai lại (backcross): tạo quần thể mang gen mong muốn/ chuyển gen mong muốn vào trồng làm cho cách lai ngược lại với bố/ mẹ đời có gen cần thể Sơ đồ: Giống A x Giống B → Con lai F1 x Giống A → BC1F1 x Giống A → BC2F1 → BCnF1 Single cross: A x B → Three – way cross: (A x B) x C → Successive cross: [(A x B) x C] x D → Double cross: (A x B) x (C x D) Phương pháp Diallel crossing: tương tác alen bố alen mẹ để tạo ưu lai tối ưu Gồm bước: thu thâp mẫu vật liệu → Lai tạo tạo tổ hợp lai Sơ đồ: A x B → F1 x C → F1 x D Phương pháp chọn lọc phả hệ: Chọn tạo giống trồng kỹ thuật SHPT - Phương pháp phả hệ (Pedigree method): theo hệ để tạo giống Sơ đồ: P1 nhận phấn x P2 cho phấn → F1 - Phương pháp chọn lọc phả hệ đầu dựa vào marker (Marker assisted selection): sử dụng công cụ để xem số lượng lai Sau ghi nhận, thống kê đánh giá Phương pháp chọn lọc kiểu hình thị phân tử Phương pháp lai xa tạo NST tương đồng: Chọn tạo giống trồng kỹ thuật SHPT - Lai xa (hybridization) trình kết hợp vật liệu di truyền từ hai loài khác để tạo đột biến gen Chính thức vật, q trình lai xa xảy chế thụ phấn hai lồi gần xảy Các lai kết có thuộc tính di truyền từ hai lồi bố mẹ tạo đa dạng di truyền 10 Phương pháp cứu phôi lúa Chọn tạo giống trồng kỹ thuật SHPT 11 Trong phép lai để qua hệ lúa chủng lớn 99% - Phép lai tự thụ qua 10 hệ có dịng có độ cao 99% (cơng thức cuối n hệ ½ n số lượng) - Phép lai lai lại (backcross) hệ thứ có dịng có độ 98% (tiết kiệm thời gian, thể tính đồng cao, mang tính ưu việt, độ cao) Chọn tạo giống trồng kỹ thuật SHPT CHƯƠNG 5: MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP CẢI TIẾN GIỐNG CÂY TRỒNG ỨNG DỤNG TRONG CẢI TIẾN GIỐNG CÂY TRỒNG Ở VN VÀ THẾ GIỚI Hãy cho biết quy trình/ phương pháp lai tạo cải tiến giống tự thụ có sử dụng công cụ sinh học Tự thụ phấn hay tự phối việc chuyển phấn hoa từ nhị đực đến nhuỵ hoa, hay đến nhuỵ hoa Đó q trình kết hợp giao tử đực giao tử Bước 1: Quan sát, thu nhập nguồn vật liệu di truyền Bước 2: Tạo biến dị di truyền phương pháp: - Lai - Đột biến, đa bội - Chuyển gen - Công nghệ tế bào a) Quần thể lai: Các dạng tạo phương pháp lai Từ quần thể phương pháp chọn lọc thích hợp người ta phân lập dạng để tạo thành giống Bước 3: chọn lọc - Chọn lọc dòng - Chọn lọc hạt đời sau - Chọn lọc theo phương pháp Marker phân tử Bước 4: Đánh giá Bước 5: Khảo nghiệm Bước 6: Cơng nhận giống Trình tự: Lai giống bố mẹ Thế hệ F1: trồng 50-100 F1 Thế hệ F2: trồng 2000-3000 F2 Thu hoạch hạt cây, không nhận dạng F2 Thế hệ F3, F4 : gieo hạt thu nhận hệ trước Thu hoạch hạt từ Thế hệ F5: gieo hạt hệ trước lên đồng ruộng theo khoảng cách rộng chọn có ưu vượt trội tính trạng mong muốn thu hoạch hạt Thế hệ F6: gieo riêng dòng từ chọn lọc hệ trước thu hoạch dòng ưu tính trạng mong muốn Thế hệ F7: gieo riêng dòng từ chọn lọc hệ F6 thí nghiệm so sánh sơ Thế hệ F8 - F10 : tiến hành thí nghiệm so sách quy nhiều địa điểm Công nhận giống Chọn tạo giống trồng kỹ thuật SHPT Hãy cho biết quy trình/ phương pháp lai tạo cải tiến giống giao phấn có sử dụng công cụ sinh học Thụ phấn chéo trình thụ phấn tiến hành hai hoa khác loài, tức hạt phấn nhị hoa rơi núm nhụy hoa khác loài nảy mầm Trình tự Gieo 1000-2000 từ quần thể nguồn Chọn 200-250 tốt Gieo hạt chọn điểm khác Mỗi gieo riêng hàng mẹ Bố hỗn hợp trộn hạt hàng mẹ (hàng bố vừa hàng cho phấn, vừa hàng đối chứng), thường bố mẹ, bố mẹ trước nở hoa xử lý bỏ hoa đực hàng mẹ xấu hàng bố Chọn tầm 50% hàng tốt Thu 2-3 tốt dịng chọn Chu từ bước đến với ck1 Sau chu kỳ, hạt 10 dòng tốt trộn thành giống Chọn tạo giống trồng kỹ thuật SHPT CHƯƠNG ỨNG DỤNG CHỈ THỊ PHÂN TỬ- MAS (MOLECULAR ASSISSTED SELECTION) TRONG CHỌN TẠO GIỐNG CÂY TRỒNG Khái niệm lai tạo nhờ Marker Assissted Selection: MAS (Marker assisted selection) sử dụng thị phân tử liên kết chặt với locus mục tiêu để thay cho chọn lọc đánh giá kiểu hình Chọn tạo giống trồng kỹ thuật SHPT Mục đích MAS: - Phát alen có lợi (trội/lặn) hệ để tích tụ alen mong muốn - Xác định cá thể phù hợp quần thể lai phân ly, sở thành phần alen genome - Phá vỡ liên kết alen mong muốn với loci không mong muốn Những tiến MAS: - Phương pháp đơn giản so với chọn lọc kiểu hình: Đặc biệt với tính trạng khó đánh giá chọn lọc; Có thể tiết kiệm thời gian nguồn lực - Lựa chọn giai đoạn con: Chọn lọc gene móng muốn giai đoạn phát triển sớm - Tăng độ tin cậy: Không bị ảnh hưởng thay đổi điều kiện môi trường bên ngoài; phân biệt kiểu gene đồng hợp dị hợp