Giáo trình gồm 6 chương cụ thể với chương 1, 2 trình bày về khái niệm giống và công tác trong chọn giống, nguồn gen trong chọn giống, các chương 3, 4, 5 trình bày các phương pháp chọn tạ
ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH LÀO CAI TRƯỜNG CAO ĐẲNG LÀO CAI GIÁO TRÌNH GIỐNG CÂY TRỒNG NGÀNH: TRỒNG TRỌT TRÌNH ĐỘ: TRUNG CẤP Ban hành kèm theo Quyết định số: /QĐ-CĐLC ngày… tháng…năm 2019 Hiệu Trưởng trường Cao đẳng Lào Cai Lào Cai - năm 2019 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin phép dùng nguyên trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm LỜI NÓI ĐẦU Cuộc “Cách mạng xanh” lúa mì lúa nước thông qua gen lùn mang lại đời sống ấm no cho hàng triệu người Ngày nay, nhờ ứng dụng kỹ thuật ADN tái tổ hợp để chuyển gen có ích, chọn giống trồng ngành sản xuất đóng góp to lớn cho lợi ích lồi người Giáo trình Giống trồng tài liệu tham khảo hình thành từ nhu cầu thực tiễn chương trình đào tạo ngành trồng trọt, bám sát vào kiến thức, kỹ yêu cầu thái độ quy định chương trình khung mơn học bắt buộc ngành Giáo trình sử dụng cho hệ trung cấp cao đẳng Trong đó, hệ cao đẳng mở rộng, học sâu kỹ chương Giáo trình gồm chương cụ thể với chương 1, trình bày khái niệm giống cơng tác chọn giống, nguồn gen chọn giống, chương 3, 4, trình bày phương pháp chọn tạo giống bản, đặc thù với phương thức sinh sản: tự thụ phấn, giao phấn sinh sản vô tính, đột biến, đa bội thể Chương cung cấp cho sinh viên nguyên lý liên quan công nhận giống, trì sản xuất giống Nội dung gồm chương: Chương 1: Những khái niệm giống công tác chọn tạo giống trồng Chương 2: Nguồn gen thực vật chọn tạo giống Chương 3: Lai ứng dụng ưu lai chọn giống Chương 4: Chọn giống đột biến gen đa bội thể Chương 5: Chọn lọc giống trồng Chương 6: Sản xuất giống kỹ thuật sản xuất hạt giống Rất mong nhận ý kiến đóng góp, bổ sung thầy giáo sinh viên để giáo trình hoàn chỉnh Xin trân trọng cảm ơn! Tác giả ThS Lê Thị Minh Thảo Chương NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ GIỐNG VÀ CÔNG TÁC CHỌN TẠO GIỐNG CÂY TRỒNG 1.1 KHÁI NIỆM VỀ CHỌN TẠO GIỐNG VÀ Q TRÌNH HÌNH THÀNH CƠNG TÁC GIỐNG 1.1.1 Khái niệm công tác chọn tạo giống trồng Chọn giống trồng nghệ thuật khoa học cải tiến di truyền thực vật lợi ích loài người Chọn giống trồng đồng nghĩa với cải tiến trồng Trong khứ, người biết hóa dại thành trồng chọn giống nghệ thuật chọn lọc, khả quan sát phân biệt cá thể phù hợp với mục đích kinh tế, thẩm mỹ Chọn giống mang tính khoa học khoảng 200 năm trở lại đây, đặc biệt tái phát định luật Mendel đầu kỷ 20 chọn giống mang tính khoa học nhiều tính nghệ thuật Gần đây, công nghệ sinh học kỹ thuật di truyền cho phép chuyển gen vào gọi chuyển gen Bảng 1.1 so sánh đặc điểm phương pháp chọn giống truyền thống phương pháp chọn giống đại Bảng 1.1 Phương pháp chọn giống truyền thống chọn giống công nghệ sinh học Đặc điểm Chọn giống truyền thống Chọn giống đại Gen chuyển Chỉ gen từ trồng Gen có ích từ thể loại loài họ sống (Virus Vi khuẩn, Phương pháp chuyển gen hàng tương hợp nắm men, thực vật, động Thời gian thu nhận vật ) Chi phí chọn giống Lai chọn lọc Trên năm Kỹ thuật di truyền Thấp Dưới năm Cao Công nghệ sử dụng Cơ bản, đơn giản Kỹ thuật cao, khó 1.1.2 Quá trình hình thành cơng tác giống Nơng nghiệp trở thành phương thức sản xuất lương thực thực phẩm chủ yếu khoảng 10.000 năm trước đây, người chuyển từ săn bắn hái lượm sang chăn nuôi trồng trọt, biến đổi sinh thái phù hợp với nhu cầu bắt đầu biết cách tác động vào q trình tiến hố tự nhiên đường chọn tạo giống trồng vật nuôi Sự đa dạng sinh học trái đất chọn lọc tự nhiên, đa dạng trồng chọn lọc nhân tạo Q trình tiến hóa trồng diễn chậm chạp từ từ thông qua gieo trồng chọn lọc, đến trở thành công việc thường xuyên, liên tục nhà tạo giống Trong q trình đó, tính di truyền tính trạng từ bố mẹ cho hệ đóng vai trị quan trọng Hệ tính di truyền người xưa biết đến từ bắt đầu thực hành nông nghiệp Nhiều nghiên cứu phát triển chọn giống trồng Một phương pháp quan trọng phương pháp chọn lọc Đây phương pháp sơ khai bắt đầu với hóa phương pháp thành cơng chọn giống thực vật Q trình chọn lọc làm thay đổi đặc điểm di truyền trồng lương thực thực phẩm chủ yếu thông qua chọn lọc vơ thức chọn lọc có ý thức theo cảm nhận giá trị sử dụng, thẩm mỹ kinh tế Bảng 1.2 Một số tính trạng trồng bị thay đổi trình chọn lọc Tính trạng Ví dụ Mất khả phát tán Ngơ, lúa mì Mất tính ngủ nghỉ Lúa nước, lùa mì, kiều mạch Chuyển từ lâu năm sang năm Lúa nước, lúa mì đen, sắn Mất khả Củ từ, khoai lang Mất khả hình thành hạt Chuối, cam quýt Tăng kích thước hạt Đậu Quả Bí ngơ Cơ quan dự trữ Cà rốt, sắn, khoai lang Theo Nicolai I Vavilov, có trung tâm khởi nguyên lồi trồng quan trọng (vùng địa lý có đa dạng di truyền lớn nhất) mà trồng hóa từ lồi tổ tiên chúng Khả phân biệt lựa chọn hình thành ý tưởng chọn lọc Đây phương pháp sơ khai chọn giống trồng Điều kiện tiên chọn lọc đa dạng hay biến động di truyền quần thể Chỉ cá thể có suất cao nhất, thỏa mãn mục đích nhà tạo giống từ quần thể chọn lọc, phần lại bị loại bỏ Thế hệ cá thể chọn tiếp tục gieo sàng lọc Q trình lặp lặp lại quần thể trồng đồng có nhiều tính trạng mong muốn Tuy nhiên, chọn lọc giống trồng suất cao công việc dễ dàng, nhiều công cụ khác sử dụng để hỗ trợ chọn lọc Vì vậy, chọn giống khoa học ngày gắn liền với phát triển ngành khoa học khác Bảng1.3 Những kiện khoa học ảnh hưởng đến chọn giống trồng Năm Sự kiện 1694 Camerarius nghiên cứu phát giới tính thực vật 1760 1760 Linneaus mô tả quan giới tính số lồi thực vật tạo lai 1859 lai giống khác 1865 1870 Loel reuter người tiên phong việc lai giống, lai mô tả số lượng lớn lai giống khác 1900 1903 Darwin công bố sách: "Về nguồn gốc lồi thơng qua chọn lọc tự nhiên" gây tác động mạnh mẽ tới chọn giống Mendel đề xuất quy luật di truyền Beal chứng minh sức sống lai ngơ lai lai giống ngơ khơng có quan hệ họ hàng Tái phát định luật Mendel Tshermak Corens De Vries mở kỷ nguyên di truyền học chọn giống dựa vào nguyên lý di truyền Johannsen học thuyết dòng thuần, mối quan hệ kiểu hình kiểu gen Năm Sự kiện 1904 - 1918 Shull East, Jones phát suy thối tự phối UTL ngơ mở đầu cho 1928 - 1929 việc sử dụng giống lai F1 sản xuất 1953 Mueler Stadler: đột biến phóng xạ Những năm Watson, Crick Winlkins: mơ tả hình xoắn kép phân tử ADN 1960 Cách mạng xanh bắt đầu giống lúa mì tạo Mexico (mang gen 1970 lùn, suất cao, thích ứng với điều kiện nước nghèo, vùng Á 1970 nhiệt đới) Giải Nobel hịa bình dành cho M Boulang năm 1970 1980 Kỹ thuật ADN tái tổ hợp thiết lập 1990 - Các giống lúa nước thấp có suất cao đưa vào Việt Nam, IR8, IR5, làm thay đổi mùa vụ, biến vụ xuân thành vụ lúa Kỹ thuật di truyền phân tử RFLP, AFLP, RADP, …bản đồ gen Kỹ nghệ chuyển gen đưa chuyển gen vào sản xuất với 80 triệu năm 2004 tồn giới 1.2 VAI TRỊ CỦA CƠNG TÁC TẠO GIỐNG CÂY TRỒNG Để tăng suất trồng cần đảm bảo yếu tố sau: - Giống (kiểu gen) - Nước - Dinh dưỡng - Quản lý dịch hại (sâu bệnh) - Điều kiện đất đai - Hạt giống Cải tiến giống trồng thông qua chọn giống yếu tố để cải tiến suất Bốn yếu tố nước, dinh dưỡng, quản lý dịch hại điều kiện đất đai hợp thành biện pháp canh tác tạo môi trường tối ưu cho trồng sinh trưởng phát triển Giống biểu thị khả sản xuất môi trường định Để tăng suất phải cải tiến môi trường sinh trưởng cho cải tiến đặc điểm di truyền Năng suất tối đa đạt biện pháp canh tác tốt phù hợp, tiềm năng suất giống bị lãng phí; khơng có giống tốt lợi ích hiệu biện pháp canh tác không đạt tối đa Thành chọn tạo giống phạm vi toàn thể giới nâng cao suất, chất lượng sản phẩm nông nghiệp thoả mãn nhu cầu ngày cao lồi người Điển hình cách mạng xanh từ thập niên 60 kỉ 20 làm tăng vọt suất trồng, chủ yếu lúa mì, lúa nước, ngô cải tiến kiểu gen kết hợp với cải tiến kỹ thuật (phân, tưới tiêu, giới hố) Ở Việt Nam cơng tác giống trồng khơng góp phần vào việc tăng suất chất lượng mà làm thay đổi cấu mùa vụ, tính đa dạng sản phẩm, đảm bảo an ninh lương thực… Năng suất lúa, ngô nhiều trồng khác không ngừng tăng nhiều thập kỉ qua Các giống lúa lai, ngô lai giống đậu tương, lạc, cà chua cho suất cao đưa vào sản xuất 1.3 MỤC TIÊU CỦA CHỌN GIỐNG Nâng cao suất hạt, sợi, thức ăn, dầu đường, Năng suất cải tiến thông qua khả sinh trưởng cây, khả sử dụng ánh sáng, CO2, nước, dinh dưỡng có hiệu Các nhà khoa học cải tiến số tính trạng trồng nhằm đạt mục tiêu đề như: - Cấu trúc - Lá đứng để trồng dày - Thấp - Khả chống chịu điều kiện bất lợi - Kháng sâu bệnh - Kháng thuốc trừ cỏ - Chất lượng: thành phần dinh dưỡng, hàm lượng protein 1.4 ĐỊNH NGHĨA VÀ ĐẶC ĐIỂM CỦA GIỐNG CÂY TRỒNG 1.4.1 Định nghĩa Giống trồng tập hợp cá thể có nguồn gốc, có chất di truyền giống nhau, có biểu giống hình thái, đặc điểm nơng sinh học Nói cách khác nhóm cá thể gọi giống ổn định tương đối mặt di truyền, suất, phẩm chất, khả thích ứng chống chịu 1.4.2 Đặc điểm giống trồng Tính ổn định biểu nhiều mặt điểm là: - Ổn định tương đối hình thái: Hình dáng vải thiều Thanh Hà hay Lục Ngạn hay Nghệ An Cây khoai tây Hà Lan Việt Nam di thực đến Việt Nam - Ổn định tương đối suất: Tính trạng suất nhiều yếu tố tác động đến, số yếu tố tương đối ổn định khối lượng 1000 hạt, độ lớn - Ổn định phẩm chất chất lượng: hàm lượng chất dinh dưỡng 1.5 KHÁI NIỆM VỀ TÍNH TRẠNG, ĐẶC TÍNH CỦA GIỐNG 1.5.1 Tính trạng: Là đặc điểm hình thái, cấu tạo thực vật Để nhận biết tính trạng, người ta chia thành nhóm sau: + Về đặc điểm hình thái giải phẫu: tính trạng số lượng dễ dàng lượng hố Ví dụ: chiều cao cây, số lá, … + Về đặc điểm cấu tạo: tính trạng chất lượng, tính trạng thường gen kiểm tra dễ thay đổi điều kiện ngoại cảnh quan sát phương pháp cảm quan Ví dụ: Màu sắc thân, màu sắc hoa… + Sự tiến hành trình: trình diễn mẫn cảm với điều kiện môi trường Ví dụ: hơ hấp, quang hợp, phản ứng quang chu kỳ + Sự kiểm tra trình: hoạt động chu trình Calvin Hầu hết men mẫn cảm với điều kiện môi trường chịu ảnh hưởng trực tiếp gián tiếp men thường có hạt ảnh hưởng quan trọng đến tính trạng chất lượng 1.5.2 Đặc tính: đặc điểm sinh lí, sinh hố đặc điểm kỹ thuật thực vật Ví dụ: tính chịu hạn, mặn, rét, úng Đặc tính sinh hố: hàm lượng đường, Protein hạt, cịn đặc điểm kỹ thuật: hiệu suất bột hạt, độ xốp bánh CÂU HỎI ÔN TẬP Chọn giống trồng gì? Sự khác chọn giống truyền thống chọn giống đại? Trình bày vai trị giống sản xuất nơng nghiệp? Phân biệt đặc tính, tính trạng giống trồng? Chương NGUỒN GEN THỰC VẬT TRONG CHỌN TẠO GIỐNG 2.1 KHÁI NIỆM VÀ Ý NGHĨA CỦA NGUỒN GEN THỰC VẬT TRONG CHỌN TẠO GIỐNG Nguồn gen thực vật tập hợp vật liệu thực vật, giống địa phương, giống cải tiến, hay loài hoang dại thân thuộc,… làm sở cho cải tiến giống trồng, chọn tạo giống trồng hay hoạt động nghiên cứu có liên quan Đó tập hợp tính đa dạng di truyền thực vật tích luỹ qua nhiều năm tiến hoá điều kiện chọn lọc tự nhiên nhân tạo Nguồn gen gọi tài nguyên di truyền, lưu giữ Trung tâm tài nguyên di truyền Mục tiêu Trung tâm tài nguyên di truyền bảo tồn nguồn gen lâu dài, nhân phân phối nguồn gen Sự tập hợp đa dạng di truyền hay nguồn gen thực vật cung cấp nguồn biến dị to lớn cho chương trình chọn giống để tạo giống ưu việt có nhiều tính trạng mong muốn Nguồn vật liệu đa dạng xác suất tạo giống cao nhiêu Vavilov nhà chọn giống người Nga nhận nguyên lý từ năm đầu kỷ 20 Trong khoảng từ năm 1923 đến 1931, ông tiến hành thám hiểm tổ chức thu thập trồng toàn giới, chứng minh đa dạng di truyền trồng ý nghĩa tính đa dạng chọn giống 2.2 PHÂN LOẠI NGUỒN GEN, NGUỒN THU THẬP VÀ TRUNG TÂM KHỞI NGUYÊN 2.2.1 Phân loại nguồn gen thực vật * Nguồn gen thực vật phân thành số loại sau: - Tập đoàn Đây tập hợp lớn nguồn gen giữ lại hạt kho quốc gia trung tâm bảo tồn Nguồn gen cung cấp sử dụng trường hợp cần thiết, tập đoàn hoạt động bị thiếu hụt, mát Hạt bảo quản nhiệt độ -180C đến -200C ẩm độ – 5% Hạt đóng gói bao kín bao cách ly với mơi trường bên ngồi, kiểm tra định kỳ tỷ lệ nảy mầm - Tập đoàn hoạt động Tập đoàn gồm mẫu giống loại trồng cụ thể tập đoàn lặp lại, bảo quản với số lượng lớn điều kiện thích hợp, tư liệu hố nhà chọn giống sử dụng trực tiếp cho công tác chọn tạo Tập đoàn hoạt động thường xuyên biến động nhân bổ sung để sử dụng Điều kiện bảo quản mức trung hạn 10 – 15 năm nhiệt độ 50C, ẩm độ khơng khí tương đối 30 – 45% độ ẩm hạt 7- 8% - Tập đồn cơng tác Tập đồn gồm số lượng mẫu giống cần thiết sở nghiên cứu giữ phục vụ cho công tác chọn tạo giống nghiên cứu Tập đồn cơng tác thường bảo quản ngắn hạn (2-3 năm) nhiệt độ 18 – 200C, độ ẩm khơng khí 50 - 60 %, hàm lượng nước hạt – 10% * Có dạng nguồn đa dạng di truyền thu thập - Cây hoang dại dạng sơ đẳng trung tâm đa dạng sơ cấp Nguồn gen thu thập thơng qua đồn thám hiểm có tổ chức tới vùng đa dạng trồng - Thực vật du nhập sống trung tâm trồng trọt thứ cấp, nơi mà đa dạng bổ sung Nguồn gen thu thập thơng qua đồn thám hiểm tới vùng thích hợp - Sản phẩm trình chọn giống bao gồm đột biến cảm ứng, đa bội thể, dịng chọn giống kết hợp nhiều tính trạng có lợi 2.2.2 Trung tâm khởi nguyên trồng Alphonse de Candolle (1886) người đề xuất ý tưởng Trung tâm khởi nguyên trồng De Candolle cho trung tâm khởi nguyên trồng vùng đa dạng mà hố cịn tồn dạng tổ tiên hoang dại Đầu năm 1920 kỷ 20 Nikolai I Vavilov mở phương pháp để định vị nguồn gen ứng dụng kiến thức vào thực tiễn chọn giống Nguồn gen khổng lồ thu thập tập hợp Viện Thực vật toàn Liên bang nguồn gen phong phú giới thời giúp Vavilov đề xuất trung tâm khởi nguyên trồng hay trung tâm địa lý tính đa dạng (bảng 2.1) Bảng 2.1: Các trung tâm đa dạng di truyền trồng gíới Trung tâm khởi nguyên Các loài trồng quan trọng Trung tâm Trung Quốc Lúa miến, đậu tương, tre trúc, hoa cúc, mơ, cải, đào, cam quýt, chè Trung tâm Ấn Độ Lúa nước, cà, dưa chuột, xồi, mía 2A Trung tâm Indo-Malay Chuối, mít, dừa, mía Trung tâm Trung Á Lúa mì, lanh, đậu bơng, hạnh nhân Trung tâm Cận Đơng Lúa mì, đại mạch, mì đen, lanh Trung tâm Địa Trung Hải Lúa mì, cỏ ba lá, lanh, ô liu, cần tây, v.v Trung Tâm Abixini (Ethiopi) Lúa mì cứng, cà phê, hành tây, v.v Trung tâm Nam Mêhicô Trung đậu tương, khoai lang, bí ngơ, bơng, đu đủ, hồ Mỹ Ngô tiêu, v v Trung tâm Nam Mỹ (Peru- Khoai tây, khoai lang, bơng, sắn, đậu, cà chua, bí Ecuado – Bollvia) ngô, v.v 2.3 CÁC TRUNG TÂM TÀI NGUYÊN DI TRUYỀN THỰC VẬT 2.3.1 Các tổ chức quốc gia Ở cấp quốc gia nhiều tổ chức tham gia vào hoạt động thu thập bảo tồn tài nguyên di truyền (Bảng 2.2) Bảng 2.2 Các trung tâm tài nguyên thực vật quốc gia giới Nước Tổ chức Anh Vườn Thực vật Hoàng Gia, Viện John lnnes, Trạm chọn giống trồng vùng Scotland, Viện chọn giống thực vật Ấn Độ Cục Tài nguyên di truyền thực vật quốc gia, Niu Deli Brazin Trung tâm Tài nguyên di truyền quốc gia Đức Hội Hợp tác kỹ thuật (GTZ) Viện Di truyền Nghiên cứu trồng trung ương